Forskare vid Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har hittat ett sätt att vända pollen, ett av de hårdaste materialen i växtriket, till ett mjukt och flexibelt material, med potential att fungera som "byggstenar" för utformningen av nya kategorier av miljövänliga material.

Resultaten, publiceras i Naturkommunikation i dag, visa hur de använde en enkel kemisk process som liknar konventionell tvåltillverkning för att förvandla pollenkorn från solrosor och andra typer av växter till mjuka mikrogelpartiklar som svarar på olika stimuli.

De föreslår att i kombination med framsteg inom 3-D och 4-D-utskrift, de resulterande pollenbaserade partiklarna kan en dag förvandlas till en rad olika former inklusive polymergeler, ark av "papper" och svampar.

Motsvarande författare till denna artikel är biträdande professor Song Juha vid School of Chemical and Biomedical Engineering, och professor Cho Nam-Joon och professor Subra Suresh från School of Materials Science and Engineering vid NTU Singapore.

NTU Distinguished University Professor Subra Suresh, som också är NTU:s ordförande, sa:"Vårt NTU-forskarteam har förvandlat hårda pollenkorn utöver deras naturliga prestationsgränser, och omvandlade dem till mjuka mikrogelpartiklar som ändrar deras egenskaper som svar på yttre stimuli. Detta lovar ett brett utbud av applikationer som är miljömässigt hållbara, ekonomiskt överkomligt, och praktiskt taget skalbar."

Resultaten hittills tyder också på att de pollenbaserade mikrogelpartiklarnas biokompatibilitet – vilket betyder att det inte orsakar en immunologisk, allergisk eller toxisk reaktion när den utsätts för kroppsvävnader – gör den också potentiellt lämplig för applikationer som sårförband, proteser, och implanterbar elektronik.

Professor Cho Nam-Joon, som innehar Materials Research Society of Singapore Chair in Materials Science and Engineering, sa:"Både våra experimentella och beräkningsresultat ger insikt i pollens grundläggande biologiska mekanismer, och demonstrera hur en förändring av pollenväggens struktur kan få pollenpartiklarna att svälla – ungefär som de formförändringar som sker under biologiska processer som harmomegathy (vikningen av pollenkornet för att förhindra vattenförlust) och groning. Resultaten visar också att vi kan gå över prestationsgränserna för vad naturen kan åstadkomma av sig själv."

Pollen, beskrivs av forskare som växtvärldens diamant för dess oförstörbara egenskaper, kapslar in och transporterar en växts manliga genetiska material inom en väggstruktur som består av två mekaniskt distinkta lager - ett tufft yttre lager (exine), och ett mjukt och elastiskt inre lager av cellulosa (intine).

När den släpps från en blommas manliga reproduktiva del, pollenkorn blir uttorkade och enskilda korn viker sig på sig själva. Omvänt, när dessa korn kommer till växtens kvinnliga reproduktionsstruktur, de blir återfuktade och gror, med ett pollenrör som växer ut ur kornet och mot hondelen.

Tillväxtprocessen för pollenröret styrs av enzymer i pollenväggens struktur som förändrar väggens elasticitet och leder till strukturella förändringar. Dessa processer, leder till strukturella förändringar i pollenväggen, inspirerade NTU-teamet att försöka omforma pollenets hela väggstruktur och ändra dess materialegenskaper, med en process som liknar konventionell tvåltillverkning.

Pollenkorn från solrosväxten, med deras klibbiga oljebaserade "pollencement"-lager borttaget, inkuberades under alkaliska betingelser i upp till 12 timmar. Detta mjukade upp de två delarna av pollenväggen, och pollenkornspartiklarna svällde och blev mer geléliknande. Ju längre kornen inkuberades, desto mer gelliknande blev det resulterande materialet.

I datorsimuleringar, teamet fann också att de elastiska egenskaperna hos de yttre och inre vägglagren måste falla inom ett exakt intervall för att det pollenhärledda materialet ska uppvisa detta gelliknande beteende, vilket tyder på att för en enskild pollenpartikel, det finns en kemisk och fysisk väg som avgör om hydrering leder till framgångsrik groning.

NTU biträdande professor Song Juha sa:"Vår studie inspirerar framtida undersökningar för att förstå hur materialvetenskapen om pollen kan påverka växternas reproduktionsframgång."