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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(yè)資訊   1643天前

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用活細(xì)胞復(fù)制結(jié)構(gòu)具有創(chuàng)造創(chuàng)造環(huán)境來(lái)研究過(guò)程和細(xì)胞發(fā)育的潛力,這可能對(duì)科學(xué)家和地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)之一珊瑚礁非常有益。這些結(jié)構(gòu)對(duì)于研究人員而言是復(fù)雜且有趣的,大多數(shù)造礁珊瑚與它們組織中的藻類(lèi)具有相互關(guān)系。珊瑚為藻類(lèi)提供了受保護(hù)的環(huán)境和光合作用所需的化合物,作為回報(bào),藻類(lèi)產(chǎn)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(chǎn)物。珊瑚利用這些產(chǎn)品制造蛋白質(zhì),脂肪和碳水化合物,并產(chǎn)生碳酸鈣。

始于1.6億年前的珊瑚與藻類(lèi)之間的這種復(fù)雜關(guān)系可以啟發(fā)那些尋求提供生物能源和生物產(chǎn)品產(chǎn)生來(lái)源的研究人員。本月初,來(lái)自劍橋大學(xué)和加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的一組研究人員開(kāi)發(fā)了仿生3D打印珊瑚,將其作為一種受珊瑚啟發(fā)的生物材料的新工具,可以在藻類(lèi)生物技術(shù),珊瑚礁保護(hù)和珊瑚藻類(lèi)中找到應(yīng)用共生研究。

珊瑚啟發(fā)的光合生物材料結(jié)構(gòu)是使用能夠模仿珊瑚藻共生的功能和結(jié)構(gòu)特征的快速3D生物打印技術(shù)制造的,其結(jié)果已在《自然通訊》雜志上報(bào)道,這為生物啟發(fā)的材料及其應(yīng)用打開(kāi)了新的大門(mén)珊瑚保護(hù)。

近日,魔猴網(wǎng)了解到,劍橋大學(xué)化學(xué)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(shí)驗(yàn)室中,我們正在尋找方法來(lái)復(fù)制和模仿這些策略,具有商業(yè)用途。”Wangpraseurt和他的同事們找到了一種3D打印珊瑚結(jié)構(gòu)并將其用作培養(yǎng)藻類(lèi)的孵化器的方法。他們聲稱(chēng)已經(jīng)測(cè)試了各種類(lèi)型的微藻,發(fā)現(xiàn)其生長(zhǎng)速度是標(biāo)準(zhǔn)液體生長(zhǎng)培養(yǎng)基中的一百倍。


為了創(chuàng)造天然珊瑚的復(fù)雜結(jié)構(gòu),研究人員開(kāi)發(fā)了一個(gè)生物打印平臺(tái),能夠復(fù)制模仿生物組織復(fù)雜設(shè)計(jì)和功能的詳細(xì)結(jié)構(gòu),例如模仿珊瑚組織和骨骼源幾何形狀的光合物質(zhì)。這種方法可以在短短幾分鐘內(nèi)打印出具有微米級(jí)分辨率的結(jié)構(gòu)。為了掃描活珊瑚并將模型用于其3D打印設(shè)計(jì),該團(tuán)隊(duì)使用了一種成像技術(shù),該技術(shù)使用低相干光來(lái)捕獲微米級(jí)分辨率,稱(chēng)為光學(xué)相干斷層掃描(OCT),通常用于醫(yī)學(xué)成像和工業(yè)無(wú)損檢測(cè)測(cè)試。將OCT數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MATLAB中并進(jìn)行轉(zhuǎn)換,以便可以將圖像切成2D圖像序列以進(jìn)行生物打印。

能夠培養(yǎng)高藻細(xì)胞密度的雜交活生物仿生珊瑚構(gòu)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(jī)械堅(jiān)固且可調(diào)的水凝膠;光引發(fā)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(xué)化學(xué)系的共同資深作家西爾維亞·維尼吉利尼(Silvia Vignolini)說(shuō):“我們開(kāi)發(fā)了一種人造珊瑚組織和骨架,結(jié)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(xué)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(lái)優(yōu)化向光合藻類(lèi)中的光傳輸。”

最終的仿生珊瑚是在CAD軟件中設(shè)計(jì)的,然后使用自定義編寫(xiě)的MATLAB程序切成數(shù)百個(gè)數(shù)字圖案。將數(shù)字圖案按順序上傳到數(shù)字微鏡設(shè)備(DMD),并用于選擇性地暴露預(yù)聚物溶液以進(jìn)行連續(xù)打印。

定制的3D生物打印機(jī)使用光在幾秒鐘內(nèi)打印出珊瑚的微型結(jié)構(gòu)。這樣,經(jīng)過(guò)印刷的珊瑚就可以復(fù)制天然的珊瑚結(jié)構(gòu)和采光特性,從而為活的微藻創(chuàng)造了人造的宿主微環(huán)境。

仿生觸角的葉綠素?zé)晒猓▉?lái)源:Daniel Wangpraseurt

劍橋大學(xué)(Cambridge University)認(rèn)為,受珊瑚啟發(fā)的結(jié)構(gòu)與自然珊瑚一樣,在重新分配光線方面非常有效,因?yàn)閮H使用生物相容性材料來(lái)制作3D打印的仿生珊瑚。如果我們使用傳統(tǒng)的基于擠壓或噴墨的工藝,這些電池中的大多數(shù)將死亡,因?yàn)檫@些方法需要花費(fèi)數(shù)小時(shí)。這就像將魚(yú)擋在水中;如果在培養(yǎng)基中放置的時(shí)間過(guò)長(zhǎng),我們與之合作的細(xì)胞將無(wú)法生存。我們的工藝具有很高的生產(chǎn)率,并提供了非??斓拇蛴∷俣?,因此,在這種情況下,它可以與人類(lèi)細(xì)胞,動(dòng)物細(xì)胞甚至藻類(lèi)細(xì)胞兼容。

該技術(shù)允許復(fù)制任何珊瑚建筑,從而提供各種設(shè)計(jì)解決方案來(lái)增強(qiáng)光傳播。這組研究人員聲稱(chēng),他們的工作“定義了一類(lèi)能夠與活生物體相互作用的仿生材料,可以被用于應(yīng)用珊瑚礁研究和光生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)?!?/span>Wangpraseurt解釋說(shuō):“通過(guò)復(fù)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(lèi)共生的模型系統(tǒng),這是理解珊瑚礁衰退期間共生的崩潰所迫切需要的系統(tǒng)。”

毫無(wú)疑問(wèn),珊瑚礁的下降已經(jīng)有充分的文獻(xiàn)記載,這是保護(hù)主義者的極大關(guān)注,應(yīng)該成為整個(gè)社會(huì)的緊迫問(wèn)題。聯(lián)合國(guó)教科文組織(UNESCO)在2017年進(jìn)行的一項(xiàng)研究聲稱(chēng),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(yán)重的危險(xiǎn),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(jì)中葉完全消亡。

為了幫助發(fā)展這個(gè)脆弱的水下生態(tài)系統(tǒng),人們?nèi)找骊P(guān)注這一問(wèn)題,Wangpraseurt與其他同事一起創(chuàng)建了一家名為mantaz的公司,該公司使用珊瑚啟發(fā)性的采光方法在發(fā)展中國(guó)家為生物產(chǎn)品種植藻類(lèi)并恢復(fù)珊瑚。本地漁民的幫助下的珊瑚礁。

印度尼西亞?wèn)|蘇拉威西省Watakobi Reef上生長(zhǎng)的珊瑚Stylophora pistilla菌落(來(lái)源:劍橋大學(xué))

“我們希望我們的技術(shù)可以擴(kuò)展,以便對(duì)藻類(lèi)生物部門(mén)產(chǎn)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(xiàng)研究由歐盟的Horizon 2020研究與創(chuàng)新計(jì)劃以及歐洲研究委員會(huì),戴維·菲利普斯獎(jiǎng)學(xué)金,美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院,國(guó)家科學(xué)基金會(huì),嘉士伯基金會(huì)和維勒姆基金會(huì)資助 。通過(guò)模仿珊瑚的光管理策略,并設(shè)計(jì)出一種由可持續(xù)聚合物制成的仿生珊瑚,以增強(qiáng)微藻類(lèi)光的吸收和生長(zhǎng),他們能夠定義一類(lèi)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(chǎn)。

   
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