Американские ученые разработали технологию лабораторного выращивания древесины с минимальными отходами.
Из-за вырубки мир ежегодно теряет около 10 млн га леса, что сравнимо с площадью Исландии. При таких темпах, по прогнозам некоторых исследователей, лесные насаждения на Земле могут исчезнуть через 100-200 лет. Стремясь предоставить экологически чистую и малоотходную альтернативу заготовленной древесине, ученые Массачусетского технологического института (MIT) впервые разработали настраиваемую технику для получения древесноподобного растительного материала в лаборатории.
Разработка позволит "вырастить" деревянное изделие, такое как стол, без необходимости рубить деревья, обрабатывать пиломатериалы и т.д.
Американские исследователи продемонстрировали, что, регулируя определенные химические вещества, используемые в процессе, они могут точно контролировать физические и механические свойства полученного растительного материала, такие как его жесткость и плотность. Они также показали, что, используя методы 3D-биопечати, можно выращивать растительный материал размеров и форм, которые не встречаются в природе и которые не могут быть легко получены с использованием традиционных методов.
"Идея состоит в том, что вы можете выращивать эти растительные материалы именно в той форме, которая вам нужна, поэтому вам не нужно заниматься каким-либо субтрактивным производством постфактум, что снижает количество энергии и отходов. Существует большой потенциал для расширения этого [метода] и выращивания трехмерных структур", – рассказала ведущий автор исследования Эшли Беквит.
По словам главного научного сотрудника лаборатории микросистемных технологий MIT Луиса Фернандо Веласкеса-Гарсии, хотя данное исследование еще только начинается, оно демонстрирует, что выращенные в лаборатории растительные материалы можно настроить так, чтобы они обладали определенными характеристиками и позволяли выращивать изделия с точными характеристиками, необходимыми для конкретного применения: высокая прочность для поддержки стен дома или тепловые свойства для более эффективного обогрева помещения.
Чтобы начать процесс выращивания растительного материала в лаборатории, авторы исследования, опубликованного журнале Materials Today, сначала выделяют клетки из листьев молодых растений Zinnia Elegans (цинния изящная). Клетки культивируют в жидкой среде в течение двух дней, затем переносят в среду на основе геля, питательных веществ и двух разных гормонов. Регулировка уровня гормонов на этом этапе позволяет ученым настраивать физические и механические свойства клеток растений, которые растут в богатом питательными веществами бульоне. В некотором смысле эти растущие растительные клетки ведут себя почти как стволовые: человек может подсказать им, чем стать.
Затем используется 3D-принтер для выдавливания гелевого раствора клеточной культуры в определенную структуру в чашке Петри. Далее она остается на инкубации в темноте в течение трех месяцев. По словам Веласкеса-Гарсии, даже с таким инкубационным периодом процесс примерно на два порядка быстрее, чем время, необходимое дереву, чтобы вырасти до зрелости. После инкубации полученный клеточный материал обезвоживается, и исследователи оценивают его свойства.
Ученые обнаружили, что более низкие уровни гормонов дают растительные материалы с более округлыми, открытыми клетками с меньшей плотностью, в то время как более высокие уровни гормонов – растительные материалы с более мелкими и плотными клеточными структурами.
"Эта работа демонстрирует силу, которую технология на стыке инженерии и биологии может использовать для решения экологических проблем, применяя достижения, изначально разработанные для здравоохранения", – резюмируют авторы. Ученые ожидают, что их работа поможет мотивировать других погрузиться в эту область исследований, чтобы помочь уменьшить вырубку лесов.
Разработка позволит "вырастить" деревянное изделие, такое как стол, без необходимости рубить деревья, обрабатывать пиломатериалы и т.д.
Американские исследователи продемонстрировали, что, регулируя определенные химические вещества, используемые в процессе, они могут точно контролировать физические и механические свойства полученного растительного материала, такие как его жесткость и плотность. Они также показали, что, используя методы 3D-биопечати, можно выращивать растительный материал размеров и форм, которые не встречаются в природе и которые не могут быть легко получены с использованием традиционных методов.
"Идея состоит в том, что вы можете выращивать эти растительные материалы именно в той форме, которая вам нужна, поэтому вам не нужно заниматься каким-либо субтрактивным производством постфактум, что снижает количество энергии и отходов. Существует большой потенциал для расширения этого [метода] и выращивания трехмерных структур", – рассказала ведущий автор исследования Эшли Беквит.
По словам главного научного сотрудника лаборатории микросистемных технологий MIT Луиса Фернандо Веласкеса-Гарсии, хотя данное исследование еще только начинается, оно демонстрирует, что выращенные в лаборатории растительные материалы можно настроить так, чтобы они обладали определенными характеристиками и позволяли выращивать изделия с точными характеристиками, необходимыми для конкретного применения: высокая прочность для поддержки стен дома или тепловые свойства для более эффективного обогрева помещения.
Чтобы начать процесс выращивания растительного материала в лаборатории, авторы исследования, опубликованного журнале Materials Today, сначала выделяют клетки из листьев молодых растений Zinnia Elegans (цинния изящная). Клетки культивируют в жидкой среде в течение двух дней, затем переносят в среду на основе геля, питательных веществ и двух разных гормонов. Регулировка уровня гормонов на этом этапе позволяет ученым настраивать физические и механические свойства клеток растений, которые растут в богатом питательными веществами бульоне. В некотором смысле эти растущие растительные клетки ведут себя почти как стволовые: человек может подсказать им, чем стать.
Затем используется 3D-принтер для выдавливания гелевого раствора клеточной культуры в определенную структуру в чашке Петри. Далее она остается на инкубации в темноте в течение трех месяцев. По словам Веласкеса-Гарсии, даже с таким инкубационным периодом процесс примерно на два порядка быстрее, чем время, необходимое дереву, чтобы вырасти до зрелости. После инкубации полученный клеточный материал обезвоживается, и исследователи оценивают его свойства.
Ученые обнаружили, что более низкие уровни гормонов дают растительные материалы с более округлыми, открытыми клетками с меньшей плотностью, в то время как более высокие уровни гормонов – растительные материалы с более мелкими и плотными клеточными структурами.
"Эта работа демонстрирует силу, которую технология на стыке инженерии и биологии может использовать для решения экологических проблем, применяя достижения, изначально разработанные для здравоохранения", – резюмируют авторы. Ученые ожидают, что их работа поможет мотивировать других погрузиться в эту область исследований, чтобы помочь уменьшить вырубку лесов.