Żywe materiały, które są wytwarzane z komórek biologicznych w nieożywionej matrycy, zyskały w ostatnich latach popularność, ponieważ naukowcy zdają sobie sprawę, że często najtrwalsze materiały to te, które naśladują naturę.

Po raz pierwszy naukowcy z University of Rochester i Delft University of Technology w Holandii wykorzystali drukarki 3D i nowatorską technikę biodrukowania do drukowania glonów w żywych materiałach fotosyntetycznych, które są wytrzymałe i sprężyste. Materiał ma różnorodne zastosowania w sektorach energetycznym, medycznym i modowym. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Advanced Functional Materials.

„Druk trójwymiarowy okazał się skuteczną technologią wytwarzania żywych materiałów, które mają wiele korzyści środowiskowych i innych”, mówi Anne S. Meyer, profesor biologii w Rochester. „Nasze żywe materiały fotosyntetyczne są ogromnym krokiem naprzód w tej dziedzinie, ponieważ są pierwszym przykładem opracowanego materiału fotosyntetycznego, który jest wystarczająco wytrzymały fizycznie, aby można go było zastosować w rzeczywistych zastosowaniach”.

Prace nad opracowaniem materiału biologicznego są najnowszym z serii wysiłków badawczych prowadzonych przez laboratorium Meyera. Meyer i jej zespół badawczy są liderami w wykorzystywaniu bakterii do opracowywania tak ważnych dla przemysłu materiałów, jak sztuczna masa perłowa i grafen.

Żywe i nieożywione komponenty

Aby stworzyć materiały fotosyntetyczne, naukowcy zaczęli od nieożywionej celulozy bakteryjnej – związku organicznego produkowanego i wydalanego przez bakterie. Celuloza bakteryjna ma wiele ważnych właściwości mechanicznych, w tym elastyczność, wytrzymałość, wytrzymałość i zdolność do zachowywania swojego kształtu, nawet po skręceniu, zgnieceniu lub innym fizycznym zniekształceniu

Celuloza bakteryjna jest jak papier w drukarce, podczas gdy żywe mikroalgi działają jak atrament. Meyer i jej koledzy użyli drukarki 3D do osadzania żywych alg na celulozie bakteryjnej.

Połączenie składników żywych (mikroalgi) i nieożywionych (celuloza bakteryjna) zaowocowało unikalnym materiałem, który ma fotosyntetyczną jakość alg i wytrzymałość celulozy bakteryjnej; materiał jest wytrzymały i sprężysty, a jednocześnie przyjazny dla środowiska, biodegradowalny oraz prosty i skalowalny w produkcji. Roślinny charakter materiału oznacza, że ​​może on wykorzystywać fotosyntezę do „karmienia” się przez wiele tygodni, a także można go zregenerować – niewielką próbkę materiału można wyhodować na miejscu, aby uzyskać więcej materiałów.

Sztuczne liście, fotosyntetyczna skóra i bio-odzież

Właściwości materiału sprawiają, że jest idealnym kandydatem do różnych zastosowań, w tym nowych produktów, takich jak sztuczne liście, fotosyntetyczna skóra czy fotosyntetyczna bio-odzież.

Sztuczne liście to materiały, które naśladują rzeczywiste liście, ponieważ wykorzystują światło słoneczne do przekształcania wody i dwutlenku węgla – głównego czynnika zmiany klimatu – w tlen i energię, podobnie jak liście podczas fotosyntezy. Liście gromadzą energię w postaci chemicznej w postaci cukrów, które można następnie przekształcić w paliwa.

Sztuczne liście oferują zatem sposób na wytwarzanie zrównoważonej energii w miejscach, w których rośliny nie rosną dobrze, w tym potencjalnie w kosmosie. Sztuczne liście produkowane przez Meyer i jej współpracowników są dodatkowo wykonane z materiałów przyjaznych dla środowiska, w przeciwieństwie do większości obecnie produkowanych technologii sztucznych liści, które są wytwarzane przy użyciu toksycznych metod chemicznych.

„W przypadku sztucznych liści nasze materiały są jak branie „najlepszych części” roślin — liści — które mogą wytwarzać zrównoważoną energię, bez konieczności używania zasobów do produkcji części roślin — łodyg i korzeni — które potrzebują zasobów, ale ich nie potrzebują”. t produkować energię”, mówi Meyer. „Produkujemy materiał, który koncentruje się wyłącznie na zrównoważonej produkcji energii”.

Innym zastosowaniem materiału byłyby skórki fotosyntetyczne, które można by wykorzystać do przeszczepów skóry, mówi Meyer. „Wygenerowany tlen pomógłby w rozpoczęciu gojenia uszkodzonego obszaru lub może być w stanie przeprowadzić gojenie ran aktywowane światłem”.

Oprócz oferowania zrównoważonej energii i leczenia, materiały mogą również zmienić modę. Bio-odzież wykonana z alg rozwiązałaby niektóre z negatywnych skutków obecnego przemysłu tekstylnego dla środowiska, ponieważ byłaby to tkaniny wysokiej jakości, produkowane w sposób zrównoważony i całkowicie biodegradowalne. Pracowałyby również nad oczyszczaniem powietrza poprzez usuwanie dwutlenku węgla w procesie fotosyntezy i nie musiałyby być prane tak często, jak konwencjonalne ubrania, zmniejszając zużycie wody.

„Nasze żywe materiały są ekscytujące, ponieważ mogą utrzymywać się przez kilka tygodni i można je pomnażać na miejscu, dzięki czemu mają potencjał, aby być naprawdę trwałymi i można je udostępniać na całym świecie tak łatwo, jak zakwas na zakwasie” – mówi Meyer.

###

IRME

Źródło: University of Rochester