由於砍伐森林，世界每年損失約1000萬公頃的森林–面積約為冰島大小。按照這個速度，一些研究人員預測世界上的森林可能在100到200年內消失。為了提供一種環境友好和低廢物的替代方案，麻省理工學院(MIT)的研究人員開創了一種可調整的技術從而在實驗室中生成類似木材的植物材料。
這種技術可以使人們“種植”像桌子這樣的木製產品而無需砍伐樹木、加工木材等。
研究人員現在已經證明，通過調整生長過程中使用的某些化學品，他們可以精確地控制所產生的植物材料的物理和機械性能，如其硬度和密度。
另外，他們還表明，通過利用3D生物打印技術，他們可以將植物材料種植成自然界中沒有的形狀、大小和形式，而這些在使用傳統農業方法的情況下很難實現。
“我們的想法是，你可以準確地按照你需要的形狀種植這些植物材料，所以你不需要在事後做任何減法製造，這就減少了能源和廢物的數量，”論文第一作者Ashley Beckwith說道，“有很大的潛力來擴展這一點並種植三維結構。”
這項研究的論文第一作者、MIT微系統技術實驗室的首席科學家Luis Fernando Velásquez-García指出，儘管仍處於早期階段，但這項研究表明，實驗室培育的植物材料可以被調整為具有特定的特徵，這將有朝一日可以使研究人員培育出具有特定應用所需的確切特徵的木製品，如支撐房屋牆壁的高強度或更有效地加熱房間的某些熱性能。
跟Beckwith和Velásquez-García一起撰寫論文的還有Charles Stark Draper實驗室的生物醫學工程師和小組負責人Jeffrey Borenstein。該研究最近發表在《Materials Today》上。
種植細胞
為了開始在實驗室中種植植物材料的過程，研究人員首先從年輕的百日草植物的葉片中分離出細胞。細胞在液體培養基中培養兩天，然後被轉移到基於凝膠的培養基中，其中含有營養物質和兩種不同的荷爾蒙。
通過在該過程的這個階段調整激素水平，研究人員得以調整在該營養豐富的培養基中生長的植物細胞的物理和機械特性。
“在人體中，你有荷爾蒙決定你的細胞如何發育以及某些特徵如何出現。同樣，通過改變營養液中的激素濃度，植物細胞會做出不同的反應。僅僅通過操縱這些微小的化學數量，我們就可以在物理結果方面引起相當大的變化，”Beckwith說道。
Velásquez-García補充稱，在某種程度上，這些生長中的植物細胞的行為幾乎跟幹細胞一樣–研究人員可以給它們提供線索並告訴它們要成為什麼。
之後，他們用一台3D打印機將細胞培養凝膠溶液擠壓成培養皿中的特定結構並讓它在黑暗中培養三個月。Velásquez-García稱，即使有這樣的培養期，研究人員的過程也比一棵樹生長到成熟的時間快兩個數量級。
在培養完成後，產生的細胞基材料被脫水，然後研究人員再去評估它們的特性。
類似木材的特性
研究人員們發現，較低的激素水平產生的植物材料具有更圓的、開放的細胞，其密度較低，而較高的激素水平則會導致植物材料的生長，其細胞結構更小、更密集。較高的激素水平還產生了硬度較高的植物材料，研究人員能種植出具有類似於一些天然木材的儲存模量（硬度）的植物材料。
這項工作的另一個目標是研究這些實驗室培育的植物材料中的木質化。木質素是一種沉積在植物細胞壁中的聚合物，它讓植物具有剛性和木質性。研究人員發現，生長介質中較高的激素水平會帶來更多的木質化，這將使得植物材料具有更多類似木材的特性。
研究人員還證明，通過使用3D生物打印工藝，植物材料可以以定製的形狀和尺寸生長。該過程不是使用模具，而是使用一個可定製的計算機輔助設計文件，該文件被送入3D生物打印機，然後該打印機將細胞凝膠培養物沉積成特定的形狀。比如他們能將植物材料培育成一棵小小的常綠樹的形狀。
Borenstein表示，這類研究相對較新。另外，他還補充道：“這項工作展示了處於工程和生物學界面的技術能為環境挑戰帶來的力量，另外還利用了最初為醫療保健應用開發的進展。”
研究人員還發現，細胞培養物在打印后可以存活並繼續生長數月，並且還能使用更厚的凝膠來生產出更厚的植物材料結構–並且不會影響實驗室培養的細胞的存活率。
“適合於定製”
“我認為這裡真正的機會是對你使用的東西和你使用的方式進行優化。如果你想創造一個將用於某種目的的物體，就需要考慮機械方面的期望，”Velásquez-García說道，“這個過程確實適合於定製。”
既然他們已經證明了這種技術的有效可調性，研究人員希望繼續進行實驗以便他們能更好地理解和控制細胞的發展。另外，他們還想探索其他化學和遺傳因素如何能指導細胞的生長。
研究人員們希望評估他們的方法如何能轉移到一個新的物種。Velásquez-García說，百日草植物不產生木材，但如果這種方法被用於製造商業上重要的樹種如松樹，該過程將需要為該物種量身定做。
最終，他希望這項工作能幫助激勵其他團體潛心研究這一領域從而幫助減少森林的砍伐。
Beckwith補充道：“樹木和森林是幫助我們管理氣候變化的一個了不起的工具，所以我們儘可能戰略性地去利用這些資源將成為未來的一個社會需要。”