I ett försök att tillhandahålla ett miljövänligt alternativ med lågt avfall, har forskare vid MIT banat väg för en avstämbar teknik för att generera träliknande växtmaterial i ett labb. Kredit:Bild med tillstånd av Luis Fernando Velásquez-García, Ashley Beckwith, et al.
Varje år förlorar världen omkring 10 miljoner hektar skog – ett område ungefär lika stort som Island – på grund av avskogning. I den takten förutspår vissa forskare att världens skogar kan försvinna om 100 till 200 år.
I ett försök att tillhandahålla ett miljövänligt alternativ med lågt avfall, har forskare vid MIT banat väg för en avstämbar teknik för att generera träliknande växtmaterial i ett labb, vilket skulle kunna göra det möjligt för någon att "odla" en träprodukt som ett bord utan att behöva fälla träd, bearbeta timmer, etc.
Dessa forskare har nu visat att de, genom att justera vissa kemikalier som används under tillväxtprocessen, exakt kan kontrollera de fysiska och mekaniska egenskaperna hos det resulterande växtmaterialet, såsom dess styvhet och densitet.
De visar också att de med hjälp av 3D-bioprintningstekniker kan odla växtmaterial i former, storlekar och former som inte finns i naturen och som inte enkelt kan produceras med traditionella jordbruksmetoder.
"Tanken är att du kan odla dessa växtmaterial i exakt den form du behöver, så du behöver inte göra någon subtraktiv tillverkning i efterhand, vilket minskar mängden energi och avfall. Det finns mycket potential att expandera detta och odla tredimensionella strukturer", säger huvudförfattaren Ashley Beckwith, nyligen doktorerad. examen.
Även om den fortfarande är i sina tidiga dagar, visar denna forskning att laboratorieodlade växtmaterial kan ställas in för att ha specifika egenskaper, som en dag skulle kunna göra det möjligt för forskare att odla träprodukter med exakt de egenskaper som behövs för en viss applikation, som hög hållfasthet för att stödja väggarna av ett hus eller vissa termiska egenskaper för att mer effektivt värma upp ett rum, förklarar seniorförfattaren Luis Fernando Velásquez-García, en huvudforskare vid MIT:s Microsystems Technology Laboratories.
Jeffrey Borenstein, en biomedicinsk ingenjör och gruppledare vid Charles Stark Draper Laboratory, ansluter sig till Beckwith och Velásquez-García på tidningen. Forskningen publiceras idag i Materials Today .
Plantera celler
För att påbörja processen att odla växtmaterial i labbet, isolerar forskarna först celler från bladen på unga Zinnia elegans-växter. Cellerna odlas i flytande medium i två dagar och överförs sedan till ett gelbaserat medium, som innehåller näringsämnen och två olika hormoner.
Justering av hormonnivåerna i detta skede av processen gör det möjligt för forskare att justera de fysiska och mekaniska egenskaperna hos växtcellerna som växer i den näringsrika buljongen.
"I människokroppen har du hormoner som bestämmer hur dina celler utvecklas och hur vissa egenskaper uppstår. På samma sätt, genom att ändra hormonkoncentrationerna i näringsbuljongen, reagerar växtcellerna annorlunda. Bara genom att manipulera dessa små kemiska mängder, vi kan framkalla ganska dramatiska förändringar när det gäller de fysiska resultaten, säger Beckwith.
På ett sätt beter sig dessa växande växtceller nästan som stamceller – forskare kan ge dem ledtrådar för att tala om för dem vad de ska bli, tillägger Velásquez-García.
De använder en 3D-skrivare för att extrudera cellodlingsgellösningen till en specifik struktur i en petriskål och låter den inkubera i mörker i tre månader. Även med denna inkubationsperiod är forskarnas process ungefär två storleksordningar snabbare än den tid det tar för ett träd att växa till mognad, säger Velásquez-García.
Efter inkubation dehydreras det resulterande cellbaserade materialet och sedan utvärderar forskarna dess egenskaper.
Träliknande egenskaper
De fann att lägre hormonnivåer gav växtmaterial med mer rundade, öppna celler som har lägre densitet, medan högre hormonnivåer ledde till tillväxten av växtmaterial med mindre, tätare cellstrukturer. Högre hormonnivåer gav också växtmaterial som var styvare; forskarna kunde odla växtmaterial med en lagringsmodul (styvhet) som liknar den för vissa naturliga träslag.
Ett annat mål med detta arbete är att studera vad som kallas lignifiering i dessa labbodlade växtmaterial. Lignin är en polymer som avsätts i växternas cellväggar vilket gör dem stela och träiga. De fann att högre hormonnivåer i tillväxtmediet orsakar mer lignifiering, vilket skulle leda till växtmaterial med mer träliknande egenskaper.
Forskarna visade också att växtmaterialet, med hjälp av en 3D-bioprintningsprocess, kan odlas i en anpassad form och storlek. I stället för att använda en form involverar processen användningen av en anpassningsbar datorstödd designfil som matas till en 3D-bioprinter, som avsätter cellgelkulturen i en specifik form. Till exempel kunde de odla växtmaterial i form av ett litet vintergrönt träd.
Forskning av det här slaget är relativt ny, säger Borenstein.
"Detta arbete visar kraften som en teknik i gränssnittet mellan ingenjörsvetenskap och biologi kan ge en miljöutmaning genom att dra nytta av framsteg som ursprungligen utvecklades för vårdtillämpningar," tillägger han.
Forskarna visar också att cellkulturerna kan överleva och fortsätta växa i månader efter utskrift, och att användningen av en tjockare gel för att producera tjockare växtmaterialstrukturer inte påverkar överlevnaden för de labbodlade cellerna.
'Möjlig för anpassning'
"Jag tror att den verkliga möjligheten här är att vara optimal med vad du använder och hur du använder det. Om du vill skapa ett objekt som kommer att tjäna något syfte finns det mekaniska förväntningar att överväga. Denna process är verkligen mottaglig för anpassning ," säger Velásquez-García.
Nu när de har visat den effektiva inställningen av denna teknik vill forskarna fortsätta att experimentera så att de bättre kan förstå och kontrollera cellulär utveckling. De vill också utforska hur andra kemiska och genetiska faktorer kan styra tillväxten av cellerna.
De hoppas kunna utvärdera hur deras metod skulle kunna överföras till en ny art. Zinnia-växter producerar inte trä, men om den här metoden användes för att göra en kommersiellt viktig trädart, som tall, skulle processen behöva skräddarsys för den arten, säger Velásquez-García.
I slutändan hoppas han att detta arbete kan hjälpa till att motivera andra grupper att dyka in i detta forskningsområde för att minska avskogningen.
"Träd och skogar är ett fantastiskt verktyg för att hjälpa oss hantera klimatförändringarna, så att vara så strategiska som vi kan med dessa resurser kommer att vara en samhällelig nödvändighet framöver", tillägger Beckwith. + Utforska vidare
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
