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(jī)，是一種經(jīng)濟(jì)且快速的建造技術(shù)，科學(xué)家們一直在進(jìn)行創(chuàng)新，使用該技術(shù)使整個(gè)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(bào)告，2015 年至 2020 年間，估計(jì)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?yàn)樗�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(jià)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(xì)胞培養(yǎng)物中生成的新型3D打印、可調(diào)整的實(shí)驗(yàn)室生長的植物材料的物理、機(jī)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(gè)植物，從而實(shí)現(xiàn)：本地化、高密度的生產(chǎn)，消除能源密集型的收集和運(yùn)輸，減少加工，以及固有的氣候彈性。

●這項(xiàng)工作首次報(bào)告了使用這種方法用紫云英細(xì)胞培養(yǎng)物生成的三維打印、實(shí)驗(yàn)室生長和可調(diào)整的植物材料的物理、機(jī)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(jìn)行配置，可以生產(chǎn)出在整個(gè)植物中不自然出現(xiàn)的凈形材料。

●最后，關(guān)于細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察活細(xì)胞是否可以在實(shí)驗(yàn)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(xì)胞設(shè)計(jì)成組織樣結(jié)構(gòu)的方式。為了開始在實(shí)驗(yàn)室種植植物材料的過程，研究人員首先從幼年時(shí)期的百日草植物的葉子中分離出細(xì)胞。細(xì)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(gè)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(xì)胞的物理和機(jī)械特性。

Beckwith 說“在人體中，你有荷爾蒙來決定你的細(xì)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(xì)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(dāng)大的變化�！�

Velásquez-García 補(bǔ)充說，在某種程度上，這些生長中的植物細(xì)胞的行為幾乎像干細(xì)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(jī)將細(xì)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(gè)月。Velásquez-García 說，即使有這個(gè)潛伏期，研究人員的過程也比樹長到成熟所需的時(shí)間快兩個(gè)數(shù)量級。孵育后，將產(chǎn)生的基于細(xì)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(xì)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(xì)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(xiàng)工作的另一個(gè)目標(biāo)是研究這些實(shí)驗(yàn)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(xì)胞壁中，使它們變得堅(jiān)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)文件，該文件被饋送到 3D 生物打印機(jī)，將細(xì)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(xiàng)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(xì)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(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)細(xì)胞的存活率。

適合定制
研究者已經(jīng)證明了這項(xiàng)技術(shù)的有效可調(diào)性，希望繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以便更好地了解和控制細(xì)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(xì)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(jià)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(xiàng)工作能夠幫助激勵其他團(tuán)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(jìn)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(tuán)隊(duì)能夠影響百日草細(xì)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(jī)，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(gè)充滿希望的開端。