Verso legname personalizzabile, coltivato in laboratorio
I ricercatori dimostrano che possono controllare le proprietà del materiale vegetale coltivato in laboratorio, che potrebbe consentire la produzione di prodotti in legno con pochi rifiuti.
Ogni anno, il mondo perde circa 10 milioni di ettari di foresta, un’area grande quanto l’Islanda, a causa della deforestazione. A quel ritmo, alcuni scienziati prevedono che le foreste del mondo potrebbero scomparire in 100-200 anni.
Nel tentativo di fornire un’alternativa ecologica e a basso consumo di rifiuti, i ricercatori del MIT hanno sperimentato una tecnica sintonizzabile per generare materiale vegetale simile al legno in un laboratorio, che potrebbe consentire a qualcuno di “coltivare” un prodotto in legno come un tavolo senza bisogno di abbattere alberi, lavorare legname, ecc.
Questi ricercatori hanno ora dimostrato che, regolando alcune sostanze chimiche utilizzate durante il processo di crescita, possono controllare con precisione le proprietà fisiche e meccaniche del materiale vegetale risultante, come la sua rigidità e densità.
Dimostrano anche che, utilizzando tecniche di biostampa 3D, possono coltivare materiale vegetale in forme, dimensioni e forme che non si trovano in natura e che non possono essere facilmente prodotte utilizzando i metodi agricoli tradizionali.
“L’idea è che puoi coltivare questi materiali vegetali esattamente nella forma di cui hai bisogno, quindi non è necessario eseguire alcuna produzione sottrattiva dopo il fatto, il che riduce la quantità di energia e rifiuti. C’è molto potenziale per espandere questo e far crescere strutture tridimensionali”, afferma l’autrice principale Ashley Beckwith, una recente laureata in dottorato.
Sebbene sia ancora agli albori, questa ricerca dimostra che i materiali vegetali coltivati in laboratorio possono essere sintonizzati per avere caratteristiche specifiche, che un giorno potrebbero consentire ai ricercatori di coltivare prodotti in legno con le caratteristiche esatte necessarie per una particolare applicazione, come l’elevata resistenza per sostenere le pareti di una casa o determinate proprietà termiche per riscaldare in modo più efficiente una stanza, spiega l’autore senior Luis Fernando Velásquez-García, uno dei principali scienziati dei Microsystems Technology Laboratories del MIT.
Insieme a Beckwith e Velásquez-García sulla carta c’è Jeffrey Borenstein, ingegnere biomedico e capogruppo del Charles Stark Draper Laboratory. La ricerca è pubblicata oggi su Materials Today .
Per iniziare il processo di crescita del materiale vegetale in laboratorio, i ricercatori prima isolano le cellule dalle foglie delle giovani piante di Zinnia elegans . Le cellule vengono coltivate in un mezzo liquido per due giorni, quindi trasferite in un mezzo a base di gel, che contiene sostanze nutritive e due diversi ormoni.
La regolazione dei livelli ormonali in questa fase del processo consente ai ricercatori di regolare le proprietà fisiche e meccaniche delle cellule vegetali che crescono in quel brodo ricco di sostanze nutritive.
“Nel corpo umano ci sono gli ormoni che determinano come si sviluppano le cellule e come emergono determinati tratti. Allo stesso modo, modificando le concentrazioni ormonali nel brodo nutriente, le cellule vegetali rispondono in modo diverso. Solo manipolando queste minuscole quantità chimiche, possiamo suscitare cambiamenti piuttosto drammatici in termini di risultati fisici”, afferma Beckwith.
In un certo senso, queste cellule vegetali in crescita si comportano quasi come cellule staminali: i ricercatori possono dare loro spunti per dire loro cosa diventare, aggiunge Velásquez-García.
Usano una stampante 3D per estrudere la soluzione di gel di coltura cellulare in una struttura specifica in una capsula di Petri e lasciarla incubare al buio per tre mesi. Anche con questo periodo di incubazione, il processo dei ricercatori è di circa due ordini di grandezza più veloce del tempo impiegato da un albero per raggiungere la maturità, afferma Velásquez-García.
Dopo l’incubazione, il materiale cellulare risultante viene disidratato e quindi i ricercatori ne valutano le proprietà.
Caratteristiche simili al legno
Hanno scoperto che livelli ormonali più bassi hanno prodotto materiali vegetali con cellule più arrotondate e aperte che hanno una densità inferiore, mentre livelli ormonali più elevati hanno portato alla crescita di materiali vegetali con strutture cellulari più piccole e più dense. Livelli ormonali più elevati producevano anche materiale vegetale più rigido; i ricercatori sono stati in grado di coltivare materiale vegetale con un modulo di accumulo (rigidità) simile a quello di alcuni legni naturali.
Un altro obiettivo di questo lavoro è studiare ciò che è noto come lignificazione in questi materiali vegetali coltivati in laboratorio. La lignina è un polimero che si deposita nelle pareti cellulari delle piante che le rende rigide e legnose. Hanno scoperto che livelli ormonali più elevati nel mezzo di crescita provocano una maggiore lignificazione, il che porterebbe a materiale vegetale con proprietà più simili al legno.
I ricercatori hanno anche dimostrato che, utilizzando un processo di biostampa 3D, il materiale vegetale può essere coltivato in una forma e dimensioni personalizzate. Piuttosto che utilizzare uno stampo, il processo prevede l’uso di un file di progettazione computerizzato personalizzabile che viene alimentato a una biostampante 3D, che deposita la coltura di gel cellulare in una forma specifica. Ad esempio, sono stati in grado di coltivare materiale vegetale a forma di minuscolo albero sempreverde.
La ricerca di questo tipo è relativamente nuova, dice Borenstein.
“Questo lavoro dimostra il potere che una tecnologia all’interfaccia tra ingegneria e biologia può portare a far fronte a una sfida ambientale, sfruttando i progressi originariamente sviluppati per le applicazioni sanitarie”, aggiunge.
I ricercatori mostrano anche che le colture cellulari possono sopravvivere e continuare a crescere per mesi dopo la stampa e che l’uso di un gel più spesso per produrre strutture di materiale vegetale più spesse non influisce sul tasso di sopravvivenza delle cellule cresciute in laboratorio.
“Suscettibile di personalizzazione”
“Penso che la vera opportunità qui sia quella di essere ottimale con ciò che usi e come lo usi. Se vuoi creare un oggetto che serva a uno scopo, ci sono aspettative meccaniche da considerare. Questo processo è davvero suscettibile di personalizzazione”, afferma Velásquez-García.
Ora che hanno dimostrato l’effettiva sintonizzabilità di questa tecnica, i ricercatori vogliono continuare a sperimentare in modo da poter comprendere e controllare meglio lo sviluppo cellulare. Vogliono anche esplorare come altri fattori chimici e genetici possono dirigere la crescita delle cellule.
Sperano di valutare come il loro metodo potrebbe essere trasferito a una nuova specie. Le piante di Zinnia non producono legno, ma se questo metodo fosse usato per creare una specie di albero commercialmente importante, come il pino, il processo dovrebbe essere adattato a quella specie, dice Velásquez-García.
In definitiva, spera che questo lavoro possa aiutare a motivare altri gruppi a tuffarsi in quest’area di ricerca per aiutare a ridurre la deforestazione.
“Alberi e foreste sono uno strumento straordinario per aiutarci a gestire il cambiamento climatico, quindi essere il più strategico possibile con queste risorse sarà una necessità per la società in futuro”, aggiunge Beckwith.
Questa ricerca è finanziata, in parte, dal Draper Scholars Program.
