由于砍伐森林，世界每年损失约1000万公顷的森林--面积约为冰岛大小。按照这个速度，一些研究人员预测世界上的森林可能在100到200年内消失。为了提供一种环境友好和低废物的替代方案，麻省理工学院(MIT)的研究人员开创了一种可调整的技术从而在实验室中生成类似木材的植物材料。
这种技术可以使人们“种植”像桌子这样的木制产品而无需砍伐树木、加工木材等。
研究人员现在已经证明，通过调整生长过程中使用的某些化学品，他们可以精确地控制所产生的植物材料的物理和机械性能，如其硬度和密度。
另外，他们还表明，通过利用3D生物打印技术，他们可以将植物材料种植成自然界中没有的形状、大小和形式，而这些在使用传统农业方法的情况下很难实现。
“我们的想法是，你可以准确地按照你需要的形状种植这些植物材料，所以你不需要在事后做任何减法制造，这就减少了能源和废物的数量，”论文第一作者AshleyBeckwith说道，“有很大的潜力来扩展这一点并种植三维结构。”
这项研究的论文第一作者、MIT微系统技术实验室的首席科学家LuisFernandoVelásquez-García指出，尽管仍处于早期阶段，但这项研究表明，实验室培育的植物材料可以被调整为具有特定的特征，这将有朝一日可以使研究人员培育出具有特定应用所需的确切特征的木制品，如支撑房屋墙壁的高强度或更有效地加热房间的某些热性能。
跟Beckwith和Velásquez-García一起撰写论文的还有CharlesStarkDraper实验室的生物医学工程师和小组负责人JeffreyBorenstein。该研究最近发表在《MaterialsToday》上。
种植细胞
为了开始在实验室中种植植物材料的过程，研究人员首先从年轻的百日草植物的叶片中分离出细胞。细胞在液体培养基中培养两天，然后被转移到基于凝胶的培养基中，其中含有营养物质和两种不同的荷尔蒙。
通过在该过程的这个阶段调整激素水平，研究人员得以调整在该营养丰富的培养基中生长的植物细胞的物理和机械特性。
“在人体中，你有荷尔蒙决定你的细胞如何发育以及某些特征如何出现。同样，通过改变营养液中的激素浓度，植物细胞会做出不同的反应。仅仅通过操纵这些微小的化学数量，我们就可以在物理结果方面引起相当大的变化，”Beckwith说道。
Velásquez-García补充称，在某种程度上，这些生长中的植物细胞的行为几乎跟干细胞一样--研究人员可以给它们提供线索并告诉它们要成为什么。
之后，他们用一台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培养三个月。Velásquez-García称，即使有这样的培养期，研究人员的过程也比一棵树生长到成熟的时间快两个数量级。
在培养完成后，产生的细胞基材料被脱水，然后研究人员再去评估它们的特性。
类似木材的特性
研究人员们发现，较低的激素水平产生的植物材料具有更圆的、开放的细胞，其密度较低，而较高的激素水平则会导致植物材料的生长，其细胞结构更小、更密集。较高的激素水平还产生了硬度较高的植物材料，研究人员能种植出具有类似于一些天然木材的储存模量（硬度）的植物材料。
这项工作的另一个目标是研究这些实验室培育的植物材料中的木质化。木质素是一种沉积在植物细胞壁中的聚合物，它让植物具有刚性和木质性。研究人员发现，生长介质中较高的激素水平会带来更多的木质化，这将使得植物材料具有更多类似木材的特性。
研究人员还证明，通过使用3D生物打印工艺，植物材料可以以定制的形状和尺寸生长。该过程不是使用模具，而是使用一个可定制的计算机辅助设计文件，该文件被送入3D生物打印机，然后该打印机将细胞凝胶培养物沉积成特定的形状。比如他们能将植物材料培育成一棵小小的常绿树的形状。
Borenstein表示，这类研究相对较新。另外，他还补充道：“这项工作展示了处于工程和生物学界面的技术能为环境挑战带来的力量，另外还利用了最初为医疗保健应用开发的进展。”
研究人员还发现，细胞培养物在打印后可以存活并继续生长数月，并且还能使用更厚的凝胶来生产出更厚的植物材料结构--并且不会影响实验室培养的细胞的存活率。
“适合于定制”
“我认为这里真正的机会是对你使用的东西和你使用的方式进行优化。如果你想创造一个将用于某种目的的物体，就需要考虑机械方面的期望，”Velásquez-García说道，“这个过程确实适合于定制。”
既然他们已经证明了这种技术的有效可调性，研究人员希望继续进行实验以便他们能更好地理解和控制细胞的发展。另外，他们还想探索其他化学和遗传因素如何能指导细胞的生长。
研究人员们希望评估他们的方法如何能转移到一个新的物种。Velásquez-García说，百日草植物不产生木材，但如果这种方法被用于制造商业上重要的树种如松树，该过程将需要为该物种量身定做。
最终，他希望这项工作能帮助激励其他团体潜心研究这一领域从而帮助减少森林的砍伐。
Beckwith补充道：“树木和森林是帮助我们管理气候变化的一个了不起的工具，所以我们尽可能战略性地去利用这些资源将成为未来的一个社会需要。”
