3D печатные кораллы могут улучшить биоэнергетику и помочь коралловым рифам

0
22

Исследователи из Кембриджского университета и Калифорнийского университета в Сан-Диего имеют 3D-печатные структуры, вдохновленные кораллами, которые способны выращивать плотные популяции микроскопических водорослей. Их результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, открывают двери для новых био-вдохновленных материалов и их приложений для сохранения кораллов.

В океане кораллы и водоросли имеют сложные симбиотические отношения. Коралл является хозяином для водорослей, в то время как водоросли производят сахар для коралла посредством фотосинтеза. Эти отношения несут ответственность за одну из самых разнообразных и продуктивных экосистем на Земле, коралловый риф.

«Кораллы очень эффективны при сборе и использовании света», – сказал первый автор, доктор Дэниел Вангпрасерт, сотрудник Marie Curie из Кембриджского химического факультета. «В нашей лаборатории мы ищем методы для копирования и имитации этих стратегий с натуры для коммерческих приложений».

Wangpraseurt и его коллеги 3D напечатали коралловые структуры и использовали их в качестве инкубаторов для роста водорослей. Они проверили различные типы микроводорослей и обнаружили, что скорости роста были в 100 раз выше, чем в стандартных жидких питательных средах.

Чтобы создать сложные структуры природных кораллов, исследователи использовали метод быстрой трехмерной биопечати, способный воспроизводить детализированные структуры, которые имитируют сложные конструкции и функции живых тканей. Этот метод может печатать структуры с разрешением в микрометровом масштабе всего за несколько минут.

Это очень важно для репликации структур с живыми клетками, сказал соавтор профессора Шаочен Чен из Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Большинство этих клеток погибнет, если мы будем использовать традиционные процессы на основе экструзии или струйной печати, потому что эти методы занимают часы. Это все равно что держать рыбу вне воды; клетки, с которыми мы работаем, не выживут, если их слишком долго держать вне их питательных сред. Наш процесс отличается высокой пропускной способностью и обеспечивает действительно высокую скорость печати, поэтому в данном случае он совместим с клетками человека, клетками животных и даже клетками водорослей », – сказал он.

Вдохновленные кораллами структуры были очень эффективны при перераспределении света, как и натуральные кораллы. Для изготовления трехмерных печатных бионических кораллов использовались только биосовместимые материалы.

«Мы разработали искусственную коралловую ткань и скелет с комбинацией полимерных гелей и гидрогелей, легированных целлюлозными наноматериалами, чтобы имитировать оптические свойства живых кораллов», – говорит со-старший автор доктор Сильвия Виньолини, также из Кембриджского химического факультета. «Целлюлоза – это богатый биополимер; он отлично рассеивает свет, и мы использовали его для оптимизации доставки света в фотосинтетические водоросли ».

Команда использовала оптический аналог ультразвука, называемый оптической когерентной томографией, чтобы сканировать живые кораллы и использовать модели для своих 3D-печатных проектов. Изготовленный на заказ трехмерный биопринтер использует свет для печати коралловых микромасштабных структур за считанные секунды. Печатный коралл копирует природные коралловые структуры и светоотдающие свойства, создавая искусственную среду-хозяина для живых микроводорослей.

«Копируя основной микробитат, мы также можем использовать наши биопечатные 3D-кораллы в качестве модельной системы для симбиоза кораллов и водорослей, который срочно необходим для понимания нарушения симбиоза во время спада кораллового рифа», – сказал Вангпразер. «Существует множество различных приложений для нашей новой технологии. Недавно мы создали компанию Mantaz, которая использует вдохновленные кораллами подходы к сбору света для выращивания водорослей для производства биопродуктов в развивающихся странах. Мы надеемся, что наша методика будет масштабируемой, чтобы она могла оказать реальное влияние на биосектор водорослей и в конечном итоге сократить выбросы парниковых газов, которые ответственны за гибель коралловых рифов ».

Это исследование финансировалось исследовательской и инновационной программой Horizon 2020 Европейского Союза, Европейским исследовательским советом, стипендией имени Дэвида Филлипса, Национальными институтами здравоохранения, Национальным научным фондом, Фондом Карлсберга и Фондом Виллюма.

Ссылка:

Daniel Wangpraseurt et al. ‘Бионические 3D печатные кораллы.’ Nature Communications (2020). DOI: 10.1038 / s41467-020-15486-4

,

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here