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   1703天前

用活細胞復(fù)制結(jié)構(gòu)具有創(chuàng)造創(chuàng)造環(huán)境來研究過程和細胞發(fā)育的潛力，這可能對科學(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具有相互關(guān)系。珊瑚為藻類提供了受保護的環(huán)境和光合作用所需的化合物，作為回報，藻類產(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)生來源的研究人員。本月初，來自劍橋大學(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，可以在藻類生物技術(shù)，珊瑚礁保護和珊瑚藻類中找到應(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》雜志上報道，這為生物啟發(fā)的材料及其應(yīng)用打開了新的大門珊瑚保護。

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，在我們的實驗室中，我們正在尋找方法來復(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)藻類的孵化器的方法。他們聲稱已經(jīng)測試了各種類型的微藻，發(fā)現(xiàn)其生長速度是標準液體生長培養(yǎng)基中的一百倍。

為了創(chuàng)造天然珊瑚的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，研究人員開發(fā)了一個生物打印平臺，能夠復(fù)制模仿生物組織復(fù)雜設(shè)計和功能的詳細結(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，該團隊使用了一種成像技術(shù)，該技術(shù)使用低相干光來捕獲微米級分辨率，稱為光學(xué)相干斷層掃描（OCT），通常用于醫(yī)學(xué)成像和工業(yè)無損檢測測試。將OCT數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MATLAB中并進行轉(zhuǎn)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(yǎng)高藻細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，以制造機械堅固且可調(diào)的水凝膠；光引發(fā)劑苯基-三甲基-苯甲酰基次膦酸鋰（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：“我們開發(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，我們用它來優(yōu)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(shè)計的，然后使用自定義編寫的MATLAB程序切成數(shù)百個數(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)聚物溶液以進行連續(xù)打印。

定制的3D生物打印機使用光在幾秒鐘內(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▉碓矗?/span>Daniel Wangpraseurt）

劍橋大學(xué)（Cambridge University）認為，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(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，因為這些方法需要花費數(shù)小時。這就像將魚擋在水中；如果在培養(yǎng)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(chǎn)率，并提供了非?？斓拇蛴∷俣?，因此，在這種情況下，它可以與人類細胞，動物細胞甚至藻類細胞兼容。

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(yīng)用珊瑚礁研究和光生物反應(yīng)器設(shè)計?！?/span>Wangpraseurt解釋說：“通過復(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)?！?/span>

毫無疑問，珊瑚礁的下降已經(jīng)有充分的文獻記載，這是保護主義者的極大關(guān)注，應(yīng)該成為整個社會的緊迫問題。聯(lián)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(fā)展這個脆弱的水下生態(tài)系統(tǒng)，人們?nèi)找骊P(guān)注這一問題，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)展中國家為生物產(chǎn)品種植藻類并恢復(fù)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(xué)）

“我們希望我們的技術(shù)可以擴展，以便對藻類生物部門產(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。”這項研究由歐盟的Horizon 2020研究與創(chuàng)新計劃以及歐洲研究委員會，戴維·菲利普斯獎學(xué)金，美國國立衛(wèi)生研究院，國家科學(xué)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(shè)計出一種由可持續(xù)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(chǎn)。