研究人員表示3D打印仿生珊瑚可以改善生物能和珊瑚礁

魔猴君  行業資訊   1663天前

用活細胞復制結構具有創造創造環境來研究過程和細胞發育的潛力，這可能對科學家和地球上最大的生態系統之一珊瑚礁非常有益。這些結構對于研究人員而言是復雜且有趣的，大多數造礁珊瑚與它們組織中的藻類具有相互關系。珊瑚為藻類提供了受保護的環境和光合作用所需的化合物，作為回報，藻類產生氧氣，并為珊瑚提供葡萄糖，甘油和氨基酸，這是光合作用的產物。珊瑚利用這些產品制造蛋白質，脂肪和碳水化合物，并產生碳酸鈣。

始于1.6億年前的珊瑚與藻類之間的這種復雜關系可以啟發那些尋求提供生物能源和生物產品產生來源的研究人員。本月初，來自劍橋大學和加利福尼亞大學圣地亞哥分校的一組研究人員開發了仿生3D打印珊瑚，將其作為一種受珊瑚啟發的生物材料的新工具，可以在藻類生物技術，珊瑚礁保護和珊瑚藻類中找到應用共生研究。

珊瑚啟發的光合生物材料結構是使用能夠模仿珊瑚藻共生的功能和結構特征的快速3D生物打印技術制造的，其結果已在《自然通訊》雜志上報道，這為生物啟發的材料及其應用打開了新的大門珊瑚保護。

近日，魔猴網了解到，劍橋大學化學系的瑪麗·居里研究員丹尼爾·王普拉瑟爾特（Daniel Wangpraseurt）表示：“珊瑚在收集和利用光方面非常高效，在我們的實驗室中，我們正在尋找方法來復制和模仿這些策略，具有商業用途?！?/span>Wangpraseurt和他的同事們找到了一種3D打印珊瑚結構并將其用作培養藻類的孵化器的方法。他們聲稱已經測試了各種類型的微藻，發現其生長速度是標準液體生長培養基中的一百倍。

為了創造天然珊瑚的復雜結構，研究人員開發了一個生物打印平臺，能夠復制模仿生物組織復雜設計和功能的詳細結構，例如模仿珊瑚組織和骨骼源幾何形狀的光合物質。這種方法可以在短短幾分鐘內打印出具有微米級分辨率的結構。為了掃描活珊瑚并將模型用于其3D打印設計，該團隊使用了一種成像技術，該技術使用低相干光來捕獲微米級分辨率，稱為光學相干斷層掃描（OCT），通常用于醫學成像和工業無損檢測測試。將OCT數據導入到MATLAB中并進行轉換，以便可以將圖像切成2D圖像序列以進行生物打印。

能夠培養高藻細胞密度的雜交活生物仿生珊瑚構建體的生物墨水由綠色微藻的最終濃度組成。聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）與甲基丙烯酸明膠（GelMA）的組合，以制造機械堅固且可調的水凝膠；光引發劑苯基-三甲基-苯甲?；戊⑺徜嚕?/span>LAP）；食用染料；纖維素衍生的納米晶體（CNC）和人造海水。劍橋大學化學系的共同資深作家西爾維亞·維尼吉利尼（Silvia Vignolini）說：“我們開發了一種人造珊瑚組織和骨架，結合了聚合物凝膠和摻有纖維素納米材料的水凝膠，以模仿活珊瑚的光學特性。纖維素是一種豐富的生物聚合物；它在散射光方面非常出色，我們用它來優化向光合藻類中的光傳輸?！?/span>

最終的仿生珊瑚是在CAD軟件中設計的，然后使用自定義編寫的MATLAB程序切成數百個數字圖案。將數字圖案按順序上傳到數字微鏡設備（DMD），并用于選擇性地暴露預聚物溶液以進行連續打印。

定制的3D生物打印機使用光在幾秒鐘內打印出珊瑚的微型結構。這樣，經過印刷的珊瑚就可以復制天然的珊瑚結構和采光特性，從而為活的微藻創造了人造的宿主微環境。

仿生觸角的葉綠素熒光（來源：Daniel Wangpraseurt）

劍橋大學（Cambridge University）認為，受珊瑚啟發的結構與自然珊瑚一樣，在重新分配光線方面非常有效，因為僅使用生物相容性材料來制作3D打印的仿生珊瑚。如果我們使用傳統的基于擠壓或噴墨的工藝，這些電池中的大多數將死亡，因為這些方法需要花費數小時。這就像將魚擋在水中；如果在培養基中放置的時間過長，我們與之合作的細胞將無法生存。我們的工藝具有很高的生產率，并提供了非常快的打印速度，因此，在這種情況下，它可以與人類細胞，動物細胞甚至藻類細胞兼容。

該技術允許復制任何珊瑚建筑，從而提供各種設計解決方案來增強光傳播。這組研究人員聲稱，他們的工作“定義了一類能夠與活生物體相互作用的仿生材料，可以被用于應用珊瑚礁研究和光生物反應器設計。”Wangpraseurt解釋說：“通過復制宿主微生境，我們還可以將3D生物打印的珊瑚用作珊瑚-藻類共生的模型系統，這是理解珊瑚礁衰退期間共生的崩潰所迫切需要的系統?！?/span>

毫無疑問，珊瑚礁的下降已經有充分的文獻記載，這是保護主義者的極大關注，應該成為整個社會的緊迫問題。聯合國教科文組織（UNESCO）在2017年進行的一項研究聲稱，從澳大利亞大堡礁到東非塞舌爾群島，全世界的珊瑚礁都面臨著嚴重的危險，除非碳排放量減少到足以減緩海洋變暖的速度，否則它們將在本世紀中葉完全消亡。

為了幫助發展這個脆弱的水下生態系統，人們日益關注這一問題，Wangpraseurt與其他同事一起創建了一家名為mantaz的公司，該公司使用珊瑚啟發性的采光方法在發展中國家為生物產品種植藻類并恢復珊瑚。本地漁民的幫助下的珊瑚礁。

印度尼西亞東蘇拉威西省Watakobi Reef上生長的珊瑚Stylophora pistilla菌落（來源：劍橋大學）

“我們希望我們的技術可以擴展，以便對藻類生物部門產生真正的影響，并最終減少造成珊瑚礁死亡的溫室氣體排放。”這項研究由歐盟的Horizon 2020研究與創新計劃以及歐洲研究委員會，戴維·菲利普斯獎學金，美國國立衛生研究院，國家科學基金會，嘉士伯基金會和維勒姆基金會資助 。通過模仿珊瑚的光管理策略，并設計出一種由可持續聚合物制成的仿生珊瑚，以增強微藻類光的吸收和生長，他們能夠定義一類能夠與活生物體相互作用的仿生材料，并且可以被用于珊瑚礁，研究和能源生產。