Levande material, som tillverkas genom att inrymma biologiska celler i en icke-levande matris, har vunnit popularitet de senaste åren eftersom forskare inser att de mest robusta materialen ofta är de som efterliknar naturen.

För första gången, ett internationellt team av forskare från University of Rochester och Delft University of Technology i Nederländerna använde 3D-skrivare och en ny bioprintteknik för att skriva ut alger till levande, fotosyntetiska material som är sega och motståndskraftiga. Materialet har en mängd olika tillämpningar inom energi, medicinsk, och modesektorer. Forskningen publiceras i tidskriften Avancerade funktionella material .

"Tredimensionell utskrift är en kraftfull teknik för tillverkning av levande funktionella material som har en enorm potential i ett brett spektrum av miljö- och människobaserade applikationer." säger Srikkanth Balasubramanian, en postdoktor vid Delft och den första författaren till artikeln. "Vi tillhandahåller det första exemplet på ett konstruerat fotosyntetiskt material som är fysiskt robust nog för att kunna användas i verkliga tillämpningar."

Hur man bygger nya material:Levande och icke-levande komponenter

För att skapa de fotosyntetiska materialen, forskarna började med en icke-levande bakteriell cellulosa – en organisk förening som produceras och utsöndras av bakterier. Bakteriell cellulosa har många unika mekaniska egenskaper, inklusive dess flexibilitet, seghet, styrka, och förmågan att behålla sin form, även när det är vridet, krossad, eller på annat sätt fysiskt förvrängd.

Bakteriecellulosan är som papperet i en skrivare, medan levande mikroalger fungerar som bläck. Forskarna använde en 3D-skrivare för att deponera levande alger på den bakteriella cellulosan.

Kombinationen av levande (mikroalger) och icke-levande (bakteriell cellulosa) komponenter resulterade i ett unikt material som har algernas fotosyntetiska kvalitet och robustheten hos bakteriecellulosan; materialet är tufft och motståndskraftigt samtidigt som det är miljövänligt, biologiskt nedbrytbar, och enkel och skalbar att producera. Materialets växtliknande natur innebär att det kan använda fotosyntes för att "mata" sig själv under perioder av många veckor, och det kan också regenereras – ett litet prov av materialet kan odlas på plats för att göra mer material.

Konstgjorda löv, fotosyntetiska skinn, och bioplagg

Materialets unika egenskaper gör det till en idealisk kandidat för en mängd olika applikationer, inklusive nya produkter som konstgjorda löv, fotosyntetiska skinn, eller fotosyntetiska bioplagg.

Konstgjorda löv är material som efterliknar faktiska löv genom att de använder solljus för att omvandla vatten och koldioxid - en viktig drivkraft för klimatförändringar - till syre och energi, ungefär som löv under fotosyntes. Bladen lagrar energi i kemisk form som sockerarter, som sedan kan omvandlas till bränslen. Konstgjorda löv erbjuder därför ett sätt att producera hållbar energi på platser där växter inte växer bra, inklusive kolonier i yttre rymden. De konstgjorda bladen som produceras av forskarna vid Delft och Rochester är dessutom gjorda av miljövänliga material, i motsats till de flesta konstgjorda lövteknologier som för närvarande tillverkas, som framställs med giftiga kemiska metoder.

"För konstgjorda löv, våra material är som att ta de "bästa delarna" av växter – löven – som kan skapa hållbar energi, utan att behöva använda resurser för att producera delar av växter – stjälkarna och rötterna – som behöver resurser men inte producerar energi, " säger Anne S. Meyer, en docent i biologi vid Rochester. "Vi tillverkar ett material som bara är inriktat på hållbar produktion av energi."

En annan tillämpning av materialet skulle vara fotosyntetiska skinn, som kan användas för hudtransplantationer, säger Meyer. "Syret som genereras skulle hjälpa till att kickstarta läkning av det skadade området, eller så kanske den kan utföra ljusaktiverad sårläkning."

Förutom att erbjuda hållbar energi och medicinska behandlingar, materialen kan också förändra modesektorn. Bioplagg gjorda av alger skulle ta itu med några av de negativa miljöeffekterna av den nuvarande textilindustrin genom att de skulle vara högkvalitativa tyger som skulle vara hållbarhetsproducerade och helt biologiskt nedbrytbara. De skulle också arbeta för att rena luften genom att ta bort koldioxid genom fotosyntes och skulle inte behöva tvättas lika ofta som konventionella plagg, minska vattenanvändningen.

"Våra levande material är lovande eftersom de kan överleva i flera dagar utan tillgång till vatten eller näringsämnen, och själva materialet kan användas som ett frö för att odla nya levande material, " säger Marie-Eve Aubin-Tam, en docent i bionanovetenskap vid Delft. "Detta öppnar dörren till applikationer i avlägsna områden, även i rymden, där materialet kan sås på plats."