麻省理工學(xué)院（MIT）的科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出實驗室生長的木細(xì)胞，它們可以構(gòu)成一種新型，更具可持續(xù)性的3D打印生物材料的基礎(chǔ)。通過培養(yǎng)植物基的組織，研究人員已經(jīng)能夠調(diào)整其形態(tài)，并消除了通常需要獲取木材的浪費性采伐。盡管該小組的研究仍處于初期階段，但他們認(rèn)為，將來可以將其部署為3D打印環(huán)保家具的手段，或者生產(chǎn)可緩解日益嚴(yán)重的森林砍伐危機的合成木材。

該研究的主要作者阿什利·貝克維斯（Ashley Beckwith）說：“當(dāng)我們只使用一小部分植物時，我們會投入大量資源來種植整個植物。復(fù)制不那么依賴土地的材料?！?/span>

研究人員的一種3D生物打印的培養(yǎng)物，其中含有木質(zhì)素細(xì)胞。圖片來自《清潔生產(chǎn)雜志》。

在生產(chǎn)中更換木材

與化石燃料相比，木材和其他植物基材料因其可再生性而廣受贊譽，因此，它們經(jīng)常用于制造消費品和發(fā)電。但是，我們對木材的過度依賴日益導(dǎo)致大規(guī)模的森林砍伐，這可能對環(huán)境造成持久的影響。

從本質(zhì)上講，木材的生長和收集方式幾百年來一直沒有改變，因為在收獲有用的木屑之前先將整個植物進行耕種，然后將其余的作為自然廢物燃燒。這種方法導(dǎo)致許多樹木被丟棄，并且考慮到土地，肥料和運輸?shù)某杀?，它也相?dāng)昂貴。

相比之下，實驗室生長的材料具有潛力，可以緩解農(nóng)業(yè)壓力，因為它們可以按規(guī)格生長，從而無需丟棄不想要的碎片。在其他地方，作為“微繁”習(xí)俗的一部分，將小型植物樣品種植到大面積的種子中并重新分配，但該方法具有高度的選擇性，通常僅用于保存最稀有的物種。

但是，如果將其應(yīng)用于更廣泛的木材生長中，微繁可能產(chǎn)生更廣泛的影響，從而大大減少了種植植物性材料的時間。通過結(jié)合這些方法，麻省理工學(xué)院的團隊因此開發(fā)了一種具有可調(diào)特性的新型生物材料，并試圖將其3D打印為可縮放的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

麻省理工學(xué)院科學(xué)家的3D生物打印方法。

研究人員的3D生物打印方法使他們能夠生產(chǎn)具有70％以上細(xì)胞活力的生物基結(jié)構(gòu)。圖片來自《清潔生產(chǎn)雜志》。

種植新型生物材料

為了進行測試，科學(xué)家從經(jīng)過充分研究的百日草線蟲植物物種中提取了活細(xì)胞，并使用營養(yǎng)物對其進行了培養(yǎng)，并將其懸浮在凝膠支架中。通過這樣做，研究小組允許植物細(xì)胞生長到支架中，而無需陽光或土壤，而僅產(chǎn)生可收獲的元素。

在細(xì)胞生長過程中，研究人員能夠調(diào)整其激素濃度，pH值，密度和整體功能，從而確保他們生產(chǎn)出具有最佳性能的生物材料。經(jīng)過大量的修補后，研究小組設(shè)法對齊了細(xì)胞，使它們形成了木質(zhì)素增強的次生壁，并有效地轉(zhuǎn)變?yōu)槟举|(zhì)凝膠。

一旦他們的新材料準(zhǔn)備就緒，科學(xué)家就使用了結(jié)合了3D生物打印和注塑成型的方法來制造一系列薄的樹形測試結(jié)構(gòu)。盡管印刷品在十天內(nèi)顯示出70％以上的高細(xì)胞存活率，但它們的機械強度也很低，這目前限制了它們在諸如家具之類的承重結(jié)構(gòu)中的使用。

因此，麻省理工學(xué)院的團隊將他們的研究視為概念驗證，證明了比當(dāng)前的農(nóng)業(yè)方法更有效地種植木材的可行性。隨著圍繞培養(yǎng)參數(shù)的進一步研發(fā)，研究人員認(rèn)為，未來，他們的方法可能還會產(chǎn)生其他各種3D打印的家用產(chǎn)品，而這些產(chǎn)品幾乎不會對自然界造成破壞。

貝克威斯總結(jié)說：“我不知道我會種植一個完全組裝好的桌子，因為它不是很好地利用空間，但是它有潛力。這是一個很好的愿景，人們真的接受了這個概念，所以我希望我們引起更多的興趣，并吸引更多的人參與，以實現(xiàn)這一目標(biāo)。”

生物基印刷材料

隨著防止全球變暖的競賽日趨白熱化，科學(xué)家們現(xiàn)在正在開發(fā)合成生物材料，以作為天然原料的更可持續(xù)的替代品。

弗萊堡大學(xué)的研究人員對MIT團隊采取了不同的方法，并創(chuàng)造了自己的新穎的木質(zhì)3D打印材料。德國團隊使用復(fù)合纖維素球生產(chǎn)了一種生物合成聚合物，可以在輕型建筑或工業(yè)應(yīng)用中使用。

同樣，作為歐盟支持的NOVUM項目的一部分，研究人員目前正在3D打印纖維素基部件，用于汽車，船舶或電氣絕緣行業(yè)?？傮w而言，該計劃旨在提高全球資源效率，以此作為應(yīng)對氣候變化和建設(shè)更循環(huán)經(jīng)濟的手段。

在更多的實驗研究中，德國聯(lián)邦材料研究與測試研究所的科學(xué)家正試圖將3D打印白蟻垃圾轉(zhuǎn)化為環(huán)保結(jié)構(gòu)。盡管新型生物材料最初顯示出較低的機械強度，但也能夠在沒有聚合物添加劑的情況下噴射粘合劑。

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