Выращивание древесины в лабораторных условиях и печать деревянной продукции на 3D-принтере

В статье рассматривается уникальный способ по выращиванию древоподобного материала в лабораторных условиях и последующая печать из него продукции на 3D-принтере. Авторы рассматривают значимость данного открытия для возможного решения многих экологических проблем в будущем, связанных с деревообрабатывающей промышленностью, лесозаготовкой, производством деревянных изделий и строительством. Лабораторный способ производства, описанный в статье, имеет ряд серьезных преимуществ перед естественным процессом роста, которые можно использовать в процессе производства любых строительных материалов из дерева.

Аннотация статьи
исследование
биоматериал
биопечать
растительные клетки
деревянная продукция
производство
Ключевые слова

Введение

Ученые стали еще на шаг ближе к более экологичному способу производства древесины. Деревообрабатывающая промышленность является одной из самых критических по уровню загрязнения воздуха. Существует прямая связь между уровнем содержания углерода в атмосфере и снижением количества многолетних лесов. Каждый год в мире исчезает более 100 миллионов гектаров леса, по неутешительным прогнозам ученых, если это не изменится, то лес на Земле исчезнет полностью в течение 200 лет. Однако еще больший вред, чем непосредственно сама лесозаготовка, производит обработка древесины и последующие процессы производства мебели и иных изделий. Но благодаря новому открытию группы ученых Массачусетского технологического института у этих проблем есть возможный способ решения в будущем.

Объекты и методы исследования

В 2021 году группа ученых продемонстрировала новую методику, которая позволяет в лабораторных условиях производить растительный материал, схожий с деревом, при том имеющий ряд преимуществ.

В результате эксперимента ученым удалось создать биоматериал на основе клеток, извлеченных из листьев цветущего растения Zinnia elegans (рис. 1).

Рис. 1. Схема производства биоматериала на основе клеток Zinnia elegans

Рис. 2. Выращенные материалы могут быть получены в формах, недоступных в природе

Используя модельную систему Zinnia elegans, эта работа представляет собой первую демонстрацию концепции изолированного тканеподобного растительного материала, производством in vitro посредством гель-опосредованной клеточной культуры. Параметры, регулирующие развитие клеток и морфология, включая концентрации гормонов, рН среды и исходную плотность клеток оптимизированы и внедрены, чтобы продемонстрировать настраиваемость культивируемых биоматериалов на клеточном и макроскопическом уровне (рис. 2). Направленное осаждение гелевых каркасов, легированных клетками, богатых питательными веществами, путем литья и 3D-биопечать позволяет выращивать биоматериал почти в готовой форме, сокращая последующую обработку [2, с. 53-55].

В своём интервью на BBC 5 Live's Naga Munchetty Programme Эшли Беквит, ведущий автор исследования и автор докторской диссертации на тему лабораторного производства дерева, поделилась своими взглядами на то, что количество пригодных земель уже не способно удовлетворить растущий спрос на натуральную продукцию растительного происхождения и ресурсы нашей планеты стремительно иссякают.

Она говорит: «Я хотела найти более эффективный способ использования земли и ресурсов, чтобы мы могли позволить большему количеству пахотных земель оставаться дикими или поддерживать более низкий уровень производства, но обеспечивать большее биоразнообразие» [4]. Именно поэтому группа ученых разрабатывала способ производства растительного материала без использования земли как таковой.

Результаты и их обсуждение

Одним из наиважнейших аспектов является то, что способ биопечати позволит производить данный материал без использования почвы и солнечного света, что позволит значительно сократить энергозатраты, а также ученые утверждают, что данный способ в будущем позволит производить уже готовую мебель, при том новый метод является эффективнее и дешевле. А также данное производство может быть полностью безотходным. Обработка деревянной мебели связана с потерей около 30% используемой древесины. Техника биопечати не производит отходов (рис. 3), так как позволяет создавать изделия в его конечном виде.

Рис. 3. Процесс безотходного производства

Преимущества для окружающей среды огромны. Деревья – это медленнорастущая культура с огромной изменчивостью. Они восприимчивы к климатическим изменениям, вредителям и болезням. Цепочка поставок продуктов на растительной основе часто чрезвычайно локализована, при этом определенные деревья растут только в определенных регионах, что приводит к неопределенности и непостоянству цен [3]. Но культивируемые растительные клетки устойчивы и эффективны. Их можно производить в любой точке мира, не затрагивая природные виды, сохраняя экосистемы животных и способствуя биоразнообразию. Они могут оставить нетронутыми более старые и крупные деревья, которые поглощают больше всего CO2. А для извлечения нужных продуктов требуется меньше энергии. Кроме того, исследования показали, что путем работы с химическими веществами в процессе роста, возможно с точностью контролировать многие свойства полученного растительного материала, например его жесткость и плотность. «Уже на ранних стадиях, это исследование демонстрирует, что выращенные в лаборатории растительные материалы можно настроить так, чтобы они обладали заданными характеристиками, которые позволят производить в лабораторных условиях продукты из дерева с точными параметрами, необходимыми для конкретного применения, такими как высокая прочность для несущих конструкций или определенных тепловых свойств для более эффективного обогрева зданий»: пишет соавтор диссертации Луис Фернандо Веласкес-Гарсия, главный научный сотрудник лаборатории микросистемных технологий Массачусетского технологического института [1, с. 27].

Заключение

Несмотря на то, что исследования на данный момент находятся на начальных стадиях, команда специалистов уверена, что их открытие поможет решить многие проблемы в будущем. После завершения своей работы в MIT в 2022 году Эшли Беквит основала компанию FORAY bioscience, на базе которой исследования проводятся на данный момент. Используя докторскую диссертацию Беквит в качестве отправной точки, Foray создает биологическую библиотеку для каталогизации, сбора и оптимизации стратегий роста древесных видов. Одновременно Foray разрабатывает набор новых механизмов управления ростом клеточных растений с использованием как внешних факторов (таких, как среда культивирования клеток), так и внутренних (таких, как генетика растений).

Данное исследование и эксперименты на его основе являются лишь отправной точкой для дальнейшей разработки метода биопечати, однако уже на начальных этапах материалы, изготовленные таким способом, представляют интерес для изучения в области архитектуры и строительства.

Текст статьи
  1. Ashley L. Beckwith, Jeffrey T. Borenstein, Luis F. Velásquez-Garcíaf. Physical, mechanical, and microstructural characterization of novel, 3D-printed, tunable, lab-grown plant materials generated from Zinnia elegans cell cultures. Materialstoday volume 54, 2022.
  2. Ashley L. Beckwith, Jeffrey T. Borenstein, Luis F. Velásquez-Garcíaf. Tunable Plant-based Biomaterials via in vitro Cell Culture using a Zinnia elegans Model. Journal of Cleaner, 2020.
  3. Bob Mumgaard. Growing plant material in the laboratory as an alternative to deforestation. Интервью для The Engeen. [Электронный ресурс] // URL: https://www.foraybio.com (дата обращения: 30.05.2023)
  4. Kate Berry. Lab-grown wood could be future of furniture. Интервью для BBC News Radio 5 Live [Электронный ресурс] // URL: https://www.bbc.com/news/science-environment-56270691.amp (дата обращения: 30.05.2023)
Список литературы