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研究人员表示3D打印仿生珊瑚可以改善生物能和珊瑚礁

时间:2020-04-24 09:06 来源:中国3D打印网 作者:中国3D打印网 阅读:
极光尔沃
用活细胞复制结构具有创造创造环境来研究过程和细胞发育的潜力,这可能对科学家和地球上最大的生态系统之一珊瑚礁非常有益。这些结构对于研究人员而言是复杂且有趣的,大多数造礁珊瑚与它们组织中的藻类具有相互关系。珊瑚为藻类提供了受保护的环境和光合作用所需的化合物,作为回报,藻类产生氧气,并为珊瑚提供葡萄糖,甘油和氨基酸,这是光合作用的产物。珊瑚利用这些产品制造蛋白质,脂肪和碳水化合物,并产生碳酸钙。

始于1.6亿年前的珊瑚与藻类之间的这种复杂关系可以启发那些寻求提供生物能源和生物产品产生来源的研究人员。本月初,来自剑桥大学和加利福尼亚大学圣地亚哥分校的一组研究人员开发了仿生3D打印珊瑚,将其作为一种受珊瑚启发的生物材料的新工具,可以在藻类生物技术,珊瑚礁保护和珊瑚藻类中找到应用共生研究。

珊瑚启发的光合生物材料结构是使用能够模仿珊瑚藻共生的功能和结构特征的快速3D生物打印技术制造的,其结果已在《自然通讯》杂志上报道,这为生物启发的材料及其应用打开了新的大门珊瑚保护。
        中国3D打印网4月24日讯,剑桥大学化学系的玛丽·居里研究员丹尼尔·王普拉瑟尔特(Daniel Wangpraseurt)表示:“珊瑚在收集和利用光方面非常高效,在我们的实验室中,我们正在寻找方法来复制和模仿这些策略,具有商业用途。”Wangpraseurt和他的同事们找到了一种3D打印珊瑚结构并将其用作培养藻类的孵化器的方法。他们声称已经测试了各种类型的微藻,发现其生长速度是标准液体生长培养基中的一百倍。

        为了创造天然珊瑚的复杂结构,研究人员开发了一个生物打印平台,能够复制模仿生物组织复杂设计和功能的详细结构,例如模仿珊瑚组织和骨骼源几何形状的光合物质。这种方法可以在短短几分钟内打印出具有微米级分辨率的结构。为了扫描活珊瑚并将模型用于其3D打印设计,该团队使用了一种成像技术,该技术使用低相干光来捕获微米级分辨率,称为光学相干断层扫描(OCT),通常用于医学成像和工业无损检测测试。将OCT数据导入到MATLAB中并进行转换,以便可以将图像切成2D图像序列以进行生物打印。
        能够培养高藻细胞密度的杂交活生物仿生珊瑚构建体的生物墨水由绿色微藻的最终浓度组成。聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)与甲基丙烯酸明胶(GelMA)的组合,以制造机械坚固且可调的水凝胶;光引发剂苯基-三甲基-苯甲酰基次膦酸锂(LAP);食用染料;纤维素衍生的纳米晶体(CNC)和人造海水。剑桥大学化学系的共同资深作家西尔维亚·维尼吉利尼(Silvia Vignolini)说:“我们开发了一种人造珊瑚组织和骨架,结合了聚合物凝胶和掺有纤维素纳米材料的水凝胶,以模仿活珊瑚的光学特性。纤维素是一种丰富的生物聚合物;它在散射光方面非常出色,我们用它来优化向光合藻类中的光传输。”
         最终的仿生珊瑚是在CAD软件中设计的,然后使用自定义编写的MATLAB程序切成数百个数字图案。将数字图案按顺序上传到数字微镜设备(DMD),并用于选择性地暴露预聚物溶液以进行连续打印。
     定制的3D生物打印机使用光在几秒钟内打印出珊瑚的微型结构。这样,经过印刷的珊瑚就可以复制天然的珊瑚结构和采光特性,从而为活的微藻创造了人造的宿主微环境。
  仿生触角的叶绿素荧光
  仿生触角的叶绿素荧光(来源:Daniel Wangpraseurt)
        剑桥大学(Cambridge University)认为,受珊瑚启发的结构与自然珊瑚一样,在重新分配光线方面非常有效,因为仅使用生物相容性材料来制作3D打印的仿生珊瑚。如果我们使用传统的基于挤压或喷墨的工艺,这些电池中的大多数将死亡,因为这些方法需要花费数小时。这就像将鱼挡在水中;如果在培养基中放置的时间过长,我们与之合作的细胞将无法生存。我们的工艺具有很高的生产率,并提供了非常快的打印速度,因此,在这种情况下,它可以与人类细胞,动物细胞甚至藻类细胞兼容。

        该技术允许复制任何珊瑚建筑,从而提供各种设计解决方案来增强光传播。这组研究人员声称,他们的工作“定义了一类能够与活生物体相互作用的仿生材料,可以被用于应用珊瑚礁研究和光生物反应器设计。”Wangpraseurt解释说:“通过复制宿主微生境,我们还可以将3D生物打印的珊瑚用作珊瑚-藻类共生的模型系统,这是理解珊瑚礁衰退期间共生的崩溃所迫切需要的系统。”
        毫无疑问,珊瑚礁的下降已经有充分的文献记载,这是保护主义者的极大关注,应该成为整个社会的紧迫问题。联合国教科文组织(UNESCO)在2017年进行的一项研究声称,从澳大利亚大堡礁到东非塞舌尔群岛,全世界的珊瑚礁都面临着严重的危险,除非碳排放量减少到足以减缓海洋变暖的速度,否则它们将在本世纪中叶完全消亡。
       为了帮助发展这个脆弱的水下生态系统,人们日益关注这一问题,Wangpraseurt与其他同事一起创建了一家名为mantaz的公司,该公司使用珊瑚启发性的采光方法在发展中国家为生物产品种植藻类并恢复珊瑚。本地渔民的帮助下的珊瑚礁。
 印度尼西亚东苏拉威西省Watakobi Reef上生长的珊瑚Stylophora pistilla菌落
  印度尼西亚东苏拉威西省Watakobi Reef上生长的珊瑚Stylophora pistilla菌落(来源:剑桥大学)
      “我们希望我们的技术可以扩展,以便对藻类生物部门产生真正的影响,并最终减少造成珊瑚礁死亡的温室气体排放。”这项研究由欧盟的Horizon 2020研究与创新计划以及欧洲研究委员会,戴维·菲利普斯奖学金,美国国立卫生研究院,国家科学基金会,嘉士伯基金会和维勒姆基金会资助 。通过模仿珊瑚的光管理策略,并设计出一种由可持续聚合物制成的仿生珊瑚,以增强微藻类光的吸收和生长,他们能够定义一类能够与活生物体相互作用的仿生材料,并且可以被用于珊瑚礁,研究和能源生产。

      中国3D打印网原创文章!

(责任编辑:中国3D打印网)

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