麻省理工學(xué)院：3D打印木材可以拯救樹木

導(dǎo)讀：3D打印房屋的興起有望解決住房危機，是一種經(jīng)濟且快速的建造技術(shù)，科學(xué)家們一直在進行創(chuàng)新，使用該技術(shù)使整個房屋建筑行業(yè)變得更具可持續(xù)性。南極熊獲悉，麻省理工學(xué)院 (MIT) 科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，3D打印木材可能意味著森林砍伐的終結(jié)。



根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織的一份報告，2015 年至 2020 年間，估計每年砍伐森林約 1000 萬公頃。農(nóng)業(yè)是大規(guī)�？撤ド�林的主要原因，但以建筑、造紙等為目的的合法和非法伐木是第二大原因。森林砍伐意味著對以這些公頃為家的自然生態(tài)系統(tǒng)、植物和動物的破壞。迄今為止，木材一直被視為一種有吸引力的商品，因為它的相對成本低，而且可以廣泛地獲得。然而，木材的供應(yīng)越來越緊張，而且在許多方面，樹木是一種非理想的原料，它生長緩慢、依賴氣候和季節(jié)，高價值產(chǎn)品的產(chǎn)量低，而且容易受到病蟲害的影響。

2022年5月，麻省理工學(xué)院 (MIT) 科學(xué)家在《Materials Today》上發(fā)表了關(guān)于3D打印木材的文章，研究者分別為Ashley L. Beckwith，Jeffrey T. Borenstein與Luis F. Velásquez-García ，題目為《Physical, mechanical, and microstructural characterization of novel, 3D-printed,tunable, lab-grown plant materials generated from Zinnia elegans cell cultures》(《從紫云英細胞培養(yǎng)物中生成的新型3D打印、可調(diào)整的實驗室生長的植物材料的物理、機械和微觀結(jié)構(gòu)表征》)

●研究者提供了一種在體外生成植物材料的方法，而不需要加工整個植物，從而實現(xiàn)：本地化、高密度的生產(chǎn)，消除能源密集型的收集和運輸，減少加工，以及固有的氣候彈性。

●這項工作首次報告了使用這種方法用紫云英細胞培養(yǎng)物生成的三維打印、實驗室生長和可調(diào)整的植物材料的物理、機械和微結(jié)構(gòu)特征。數(shù)據(jù)顯示，所產(chǎn)生的植物材料的特性隨著生長培養(yǎng)基中激素水平的調(diào)整而明顯變化。

●此外，通過生物打印和鑄造對培養(yǎng)環(huán)境進行配置，可以生產(chǎn)出在整個植物中不自然出現(xiàn)的凈形材料。

●最后，關(guān)于細胞發(fā)育對培養(yǎng)基中激素水平的反應(yīng)的新的比較數(shù)據(jù)表明了生長趨勢的可重復(fù)性，闡述了發(fā)育途徑之間的關(guān)系，并有助于闡明細胞級培養(yǎng)特性和出現(xiàn)的材料特性之間的關(guān)系。

種植細胞



隸屬于麻省理工學(xué)院和查爾斯·斯塔克·德雷珀圖書館的科學(xué)家們首先開始用百日草（又名百日草植物）的細胞進行實驗，觀察活細胞是否可以在實驗室中生長并定制成可用于建造的類木材料，類似于科學(xué)家們已經(jīng)可以將動物細胞設(shè)計成組織樣結(jié)構(gòu)的方式。為了開始在實驗室種植植物材料的過程，研究人員首先從幼年時期的百日草植物的葉子中分離出細胞。細胞在液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)兩天，然后轉(zhuǎn)移到含有營養(yǎng)物質(zhì)和兩種不同激素的凝膠培養(yǎng)基中。在此過程的這個階段調(diào)整激素水平，使研究人員能夠調(diào)整在營養(yǎng)豐富的肉湯中生長的植物細胞的物理和機械特性。

Beckwith 說“在人體中，你有荷爾蒙來決定你的細胞如何發(fā)育以及某些特征如何出現(xiàn)。同樣，通過改變營養(yǎng)肉湯中的激素濃度，植物細胞會產(chǎn)生不同的反應(yīng)。僅僅通過操縱這些微小的化學(xué)量，我們就可以在物理結(jié)果方面引發(fā)相當大的變化。”

Velásquez-García 補充說，在某種程度上，這些生長中的植物細胞的行為幾乎像干細胞，研究人員可以給它們提示，告訴它們要變成什么樣子。他們使用 3D 打印機將細胞培養(yǎng)凝膠溶液擠壓成培養(yǎng)皿中的特定結(jié)構(gòu)，并讓它在黑暗中孵育三個月。Velásquez-García 說，即使有這個潛伏期，研究人員的過程也比樹長到成熟所需的時間快兩個數(shù)量級。孵育后，將產(chǎn)生的基于細胞的材料脫水，然后研究人員評估其特性。



仿木特性
研究人員發(fā)現(xiàn)，較低的激素水平產(chǎn)生的植物材料具有更圓潤、密度較低的開放細胞，而較高的激素水平導(dǎo)致植物材料的生長具有更小、更致密的細胞結(jié)構(gòu)。更高的激素水平也會產(chǎn)生更硬的植物材料，研究人員能夠培育出儲能模量（剛度）與某些天然木材相似的植物材料。

這項工作的另一個目標是研究這些實驗室種植的植物材料中所謂的木質(zhì)化。木質(zhì)素是一種聚合物，沉積在植物的細胞壁中，使它們變得堅硬和木質(zhì)。他們發(fā)現(xiàn)生長培養(yǎng)基中較高的激素水平會導(dǎo)致更多的木質(zhì)化，這會導(dǎo)致植物材料具有更多的木材特性。研究人員還證明，使用 3D 生物打印工藝，植物材料可以定制形狀和大小。該過程不使用模具，而是使用可定制的計算機輔助設(shè)計文件，該文件被饋送到 3D 生物打印機，將細胞凝膠培養(yǎng)物沉積成特定形狀。例如，他們能夠種植一棵常綠小樹形狀的植物材料。

Borenstein表示這項工作展示了工程與生物學(xué)之間的交叉技術(shù)可以用來應(yīng)對環(huán)境挑戰(zhàn)。研究人員還表明，細胞培養(yǎng)物可以在印刷后存活并繼續(xù)生長數(shù)月，并且使用更厚的凝膠來生產(chǎn)更厚的植物材料結(jié)構(gòu)不會影響實驗室培養(yǎng)細胞的存活率。

適合定制
研究者已經(jīng)證明了這項技術(shù)的有效可調(diào)性，希望繼續(xù)進行實驗，以便更好地了解和控制細胞發(fā)育。他們還想探索其他化學(xué)和遺傳因素如何指導(dǎo)細胞的生長。希望評將他們的方法轉(zhuǎn)移到新物種上。Velásquez-García 說，百日菊屬植物不生產(chǎn)木材，但如果這種方法用于制造具有重要商業(yè)價值的樹種，如松樹，則需要針對該樹種定制工藝。最終，他希望這項工作能夠幫助激勵其他團體深入研究這一領(lǐng)域，以幫助減少森林砍伐。樹木和森林是幫助我們應(yīng)對氣候變化的絕佳工具，因此盡可能地利用這些資源進行戰(zhàn)略規(guī)劃將成為未來社會發(fā)展的必要條件。

總結(jié)
該團隊能夠影響百日草細胞以一種產(chǎn)生更硬、更致密的最終植物產(chǎn)品的方式生長。通過使用 3D 生物打印機，科學(xué)家們可以以自然界中未發(fā)現(xiàn)的方式種植這種植物材料，而且不會產(chǎn)生廢物。這些新發(fā)現(xiàn)令人興奮，并預(yù)示著未來森林砍伐會減少，一些 3D 打印公司（例如 Forust）已經(jīng)在通過將木材廢料轉(zhuǎn)化為可用于精確打印房屋和家具的 3D 打印材料來反擊伐木，而無需產(chǎn)生更多的廢物。在森林砍伐不再對自然生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成主要威脅之前，我們可能還有很長的路要走，但 3D 打印木材是建設(shè)更綠色未來的一個充滿希望的開端。