MIT: 3Dプリント木材が木々を救う

この投稿はCoco Bearによって2023-4-2 20:11に最後に編集されました。

はじめに: 3D プリント住宅の台頭により、住宅危機が解決されると期待されています。これは経済的で迅速な建設技術です。科学者たちはこの技術を革新し、使用して、住宅建設業界全体をより持続可能なものにしようとしています。マサチューセッツ工科大学（MIT）の科学者たちは、3Dプリントされた木材が森林破壊の終焉を意味する可能性があることを発見した。

国連食糧農業機関の報告によると、2015年から2020年の間に毎年推定1000万ヘクタールの森林が伐採された。大規模な森林破壊の主な原因は農業ですが、建設や製紙などの目的のための合法的または違法な伐採が2番目に大きな原因となっています。森林破壊とは、その広大な土地を住処とする自然の生態系、植物、動物を破壊することを意味します。これまで、木材は比較的安価で広く入手可能なことから魅力的な商品とみなされてきました。しかし、木材の供給はますます逼迫しており、木は多くの点で理想的な原材料ではありません。木は成長が遅く、気候や季節に左右され、高価値製品の生産量が少なく、害虫や病気にかかりやすいのです。

2022年5月、マサチューセッツ工科大学（MIT）の科学者らがMaterials Today誌に3Dプリント木材に関する論文を発表した。研究者はアシュリー・L・ベックウィズ、ジェフリー・T・ボレンスタイン、ルイス・F・ベラスケス・ガルシア。タイトルは「ジニア・エレガンスの細胞培養から生成された、3Dプリントされた新しい調整可能な実験室栽培植物材料の物理的、機械的、微細構造的特性評価」

● 研究者らは、植物全体を処理することなく、試験管内で植物材料を生成する方法を提供し、局所的かつ高密度な生産、エネルギー集約型の収集と輸送の排除、処理の削減、固有の気候耐性を実現します。

●本研究では、このアプローチを使用して Astragalus membranaceus 細胞培養から生成された、3D プリントされ、実験室で栽培され、調整可能な植物材料の物理的、機械的、および微細構造的特性について初めて報告します。データは、成長培地中のホルモンレベルが調整されると、結果として得られる植物材料の特性が大きく変化することを示しました。

●また、バイオプリンティングやキャスティングにより培養環境を整えることで、植物体全体では自然には発生しない網目状の材料を生産することができます。

●最後に、培養培地中のホルモンレベルに対する細胞発達の反応に関する新しい比較データは、成長傾向の再現性を実証し、発達経路間の関係を説明し、細胞レベルの培養特性と出現する材料特性との関係を解明するのに役立ちます。

細胞の植え付け

MITとチャールズ・スターク・ドレイパー図書館に所属する科学者たちは、まず、百日草としても知られるジニア植物の細胞を使った実験を開始し、生きた細胞を研究室で育て、建築に使用できる木材のような材料にカスタマイズできるかどうかを確認した。これは、科学者がすでに動物細胞を組織のような構造物に加工している方法に似ている。研究室で植物材料を栽培するプロセスを開始するために、研究者らはまず、若いジニア植物の葉から細胞を分離しました。細胞は液体培地で2日間培養され、その後栄養素と2種類のホルモンを含むゲルベースの培地に移されました。研究者たちは、この段階でホルモンレベルを調整することで、栄養豊富な培養液で育てた植物細胞の物理的、機械的特性を微調整することができた。

「人体には、細胞がどのように発達し、特定の特徴がどのように現れるかを決定するホルモンがあります」とベックウィズ氏は言う。「同様に、栄養液中のホルモン濃度を変えると、植物細胞の反応も変わります。これらの微量の化学物質を操作するだけで、身体的結果にかなり大きな変化をもたらすことができます。」

ベラスケス＝ガルシア氏は、ある意味では、成長中の植物細胞は幹細胞のように振る舞い、研究者は細胞に将来何になるかについてのヒントを与えることができると付け加えた。彼らは3Dプリンターを使用して細胞培養ゲル溶液をペトリ皿内の特定の構造に押し出し、それを暗闇の中で3か月間培養した。この潜伏期間があっても、研究者のプロセスは木が成熟するまでにかかる時間より2桁速いとベラスケス＝ガルシア氏は述べた。培養後、得られた細胞ベースの材料は脱水され、研究者はその特性を評価します。

模造木材の特徴<br /> 研究者らは、ホルモンレベルが低いと、丸くて密度の低い開放細胞を持つ植物材料が生成され、ホルモンレベルが高いと、より小さく密度の高い細胞構造を持つ植物材料が成長することを発見した。ホルモンレベルが高ければ植物材料も硬くなり、研究者たちは一部の天然木材と同様の貯蔵弾性率（硬さ）を持つ植物材料を育てることができた。

この研究のもう一つの目的は、実験室で育てられた植物材料におけるいわゆる木質化を研究することです。リグニンは植物の細胞壁に沈着し、植物を硬く木質化するポリマーです。彼らは、成長培地中のホルモン濃度が高くなると木質化が進み、植物材料に木質特性がより多く備わることを発見した。研究者らはまた、3Dバイオプリンティングプロセスを使用して植物材料の形状とサイズをカスタマイズできることも実証した。このプロセスでは、金型の代わりにカスタマイズ可能なコンピューター支援設計ファイルを使用し、それを 3D バイオプリンターに送り込んで細胞ゲル培養物を特定の形状に堆積させます。例えば、彼らは小さな常緑樹の形をした植物材料を育てることができました。

ボレンスタイン氏は、この研究は工学と生物学の融合が環境問題の解決にどのように活用できるかを示していると述べた。研究者らはまた、細胞培養は印刷後も数か月間生存し成長し続けることができ、より厚いゲルを使用してより厚い植物材料構造を生成することは、実験室で培養された細胞の生存に影響を与えないことを示した。

カスタマイズに適しています<br /> 研究者たちはこの技術の効果的な調整可能性を実証したので、細胞の発達をよりよく理解し、制御するための実験を継続したいと考えています。彼らはまた、他の化学的要因や遺伝的要因がどのように細胞の成長を導くのかについても研究したいと考えています。彼らのアプローチを新しい種に適用することが期待されています。ベラスケス＝ガルシア氏は、ジニアは木材を生産しないが、この方法をマツなどの商業的に重要な樹種に使用する場合は、その樹種に合わせて処理方法を調整する必要があると述べた。最終的には、この研究が他のグループに刺激を与え、森林破壊の削減に役立ててこの地域をさらに深く調査するきっかけになればと期待している。樹木や森林は気候変動に取り組む上で素晴らしいツールであるため、これらの資源を最大限に活用するための戦略的計画は、将来の社会の発展にとって不可欠となるでしょう。

概要<br /> 研究チームは、より硬く密度の高い最終植物製品を生み出すような方法でジニア細胞を成長させることに成功した。 3D バイオプリンターを使用することで、科学者は自然界では見られない方法で、廃棄物を出さずにこの植物材料を栽培することができます。これらの新たな発見は刺激的で、森林破壊が少ない未来への前兆となるが、Forust などの一部の 3D プリント企業は、木材廃棄物を 3D プリント材料に変えて、廃棄物を増やすことなく家や家具を正確にプリントすることで、すでに伐採に対抗している。森林破壊が自然の生態系に大きな脅威を与えなくなるまでには、まだ長い道のりがあるかもしれませんが、3D プリントされた木材は、より環境に優しい未来を築くための有望な第一歩です。

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