麻省理工学院：3D打印木材可以拯救树木

导读：3D打印房屋的兴起有望解决住房危机，是一种经济且快速的建造技术，科学家们一直在进行创新，使用该技术使整个房屋建筑行业变得更具可持续性。南极熊获悉，麻省理工学院 (MIT) 科学家已经发现，3D打印木材可能意味着森林砍伐的终结。



根据联合国粮食及农业组织的一份报告，2015 年至 2020 年间，估计每年砍伐森林约 1000 万公顷。农业是大规模砍伐森林的主要原因，但以建筑、造纸等为目的的合法和非法伐木是第二大原因。森林砍伐意味着对以这些公顷为家的自然生态系统、植物和动物的破坏。迄今为止，木材一直被视为一种有吸引力的商品，因为它的相对成本低，而且可以广泛地获得。然而，木材的供应越来越紧张，而且在许多方面，树木是一种非理想的原料，它生长缓慢、依赖气候和季节，高价值产品的产量低，而且容易受到病虫害的影响。

2022年5月，麻省理工学院 (MIT) 科学家在《Materials Today》上发表了关于3D打印木材的文章，研究者分别为Ashley L. Beckwith，Jeffrey T. Borenstein与Luis F. Velásquez-García ，题目为《Physical, mechanical, and microstructural characterization of novel, 3D-printed,tunable, lab-grown plant materials generated from Zinnia elegans cell cultures》(《从紫云英细胞培养物中生成的新型3D打印、可调整的实验室生长的植物材料的物理、机械和微观结构表征》)

●研究者提供了一种在体外生成植物材料的方法，而不需要加工整个植物，从而实现：本地化、高密度的生产，消除能源密集型的收集和运输，减少加工，以及固有的气候弹性。

●这项工作首次报告了使用这种方法用紫云英细胞培养物生成的三维打印、实验室生长和可调整的植物材料的物理、机械和微结构特征。数据显示，所产生的植物材料的特性随着生长培养基中激素水平的调整而明显变化。

●此外，通过生物打印和铸造对培养环境进行配置，可以生产出在整个植物中不自然出现的净形材料。

●最后，关于细胞发育对培养基中激素水平的反应的新的比较数据表明了生长趋势的可重复性，阐述了发育途径之间的关系，并有助于阐明细胞级培养特性和出现的材料特性之间的关系。

种植细胞



隶属于麻省理工学院和查尔斯·斯塔克·德雷珀图书馆的科学家们首先开始用百日草（又名百日草植物）的细胞进行实验，观察活细胞是否可以在实验室中生长并定制成可用于建造的类木材料，类似于科学家们已经可以将动物细胞设计成组织样结构的方式。为了开始在实验室种植植物材料的过程，研究人员首先从幼年时期的百日草植物的叶子中分离出细胞。细胞在液体培养基中培养两天，然后转移到含有营养物质和两种不同激素的凝胶培养基中。在此过程的这个阶段调整激素水平，使研究人员能够调整在营养丰富的肉汤中生长的植物细胞的物理和机械特性。

Beckwith 说“在人体中，你有荷尔蒙来决定你的细胞如何发育以及某些特征如何出现。同样，通过改变营养肉汤中的激素浓度，植物细胞会产生不同的反应。仅仅通过操纵这些微小的化学量，我们就可以在物理结果方面引发相当大的变化。”

Velásquez-García 补充说，在某种程度上，这些生长中的植物细胞的行为几乎像干细胞，研究人员可以给它们提示，告诉它们要变成什么样子。他们使用 3D 打印机将细胞培养凝胶溶液挤压成培养皿中的特定结构，并让它在黑暗中孵育三个月。Velásquez-García 说，即使有这个潜伏期，研究人员的过程也比树长到成熟所需的时间快两个数量级。孵育后，将产生的基于细胞的材料脱水，然后研究人员评估其特性。



仿木特性
研究人员发现，较低的激素水平产生的植物材料具有更圆润、密度较低的开放细胞，而较高的激素水平导致植物材料的生长具有更小、更致密的细胞结构。更高的激素水平也会产生更硬的植物材料，研究人员能够培育出储能模量（刚度）与某些天然木材相似的植物材料。

这项工作的另一个目标是研究这些实验室种植的植物材料中所谓的木质化。木质素是一种聚合物，沉积在植物的细胞壁中，使它们变得坚硬和木质。他们发现生长培养基中较高的激素水平会导致更多的木质化，这会导致植物材料具有更多的木材特性。研究人员还证明，使用 3D 生物打印工艺，植物材料可以定制形状和大小。该过程不使用模具，而是使用可定制的计算机辅助设计文件，该文件被馈送到 3D 生物打印机，将细胞凝胶培养物沉积成特定形状。例如，他们能够种植一棵常绿小树形状的植物材料。

Borenstein表示这项工作展示了工程与生物学之间的交叉技术可以用来应对环境挑战。研究人员还表明，细胞培养物可以在印刷后存活并继续生长数月，并且使用更厚的凝胶来生产更厚的植物材料结构不会影响实验室培养细胞的存活率。

适合定制
研究者已经证明了这项技术的有效可调性，希望继续进行实验，以便更好地了解和控制细胞发育。他们还想探索其他化学和遗传因素如何指导细胞的生长。希望评将他们的方法转移到新物种上。Velásquez-García 说，百日菊属植物不生产木材，但如果这种方法用于制造具有重要商业价值的树种，如松树，则需要针对该树种定制工艺。最终，他希望这项工作能够帮助激励其他团体深入研究这一领域，以帮助减少森林砍伐。树木和森林是帮助我们应对气候变化的绝佳工具，因此尽可能地利用这些资源进行战略规划将成为未来社会发展的必要条件。

总结
该团队能够影响百日草细胞以一种产生更硬、更致密的最终植物产品的方式生长。通过使用 3D 生物打印机，科学家们可以以自然界中未发现的方式种植这种植物材料，而且不会产生废物。这些新发现令人兴奋，并预示着未来森林砍伐会减少，一些 3D 打印公司（例如 Forust）已经在通过将木材废料转化为可用于精确打印房屋和家具的 3D 打印材料来反击伐木，而无需产生更多的废物。在森林砍伐不再对自然生态系统构成主要威胁之前，我们可能还有很长的路要走，但 3D 打印木材是建设更绿色未来的一个充满希望的开端。