Il bioprinting di un corallo artificiale per imitare le proprietà ottiche dei coralli viventi

La fabbricazione di coralli bionici potrebbe migliorare la bioenergia e le barriere coralline

Le strutture replicanti con cellule vive hanno il potenziale per creare ambienti per studiare processi e sviluppo cellulare che potrebbero diventare molto utili per gli scienziati e uno dei più grandi ecosistemi della Terra, le barriere coralline. Queste strutture sono complesse e interessanti per i ricercatori, la maggior parte dei coralli che costruiscono barriere coralline hanno una relazione mutualistica con le alghe che vivono nei loro tessuti. Il corallo fornisce alle alghe un ambiente protetto e i composti di cui hanno bisogno per la fotosintesi e, in cambio, le alghe producono ossigeno e forniscono al corallo glucosio, glicerolo e aminoacidi, che sono i prodotti della fotosintesi. Il corallo usa questi prodotti per produrre proteine, grassi e carboidrati e produrre carbonato di calcio.

Questa intricata relazione tra corallo e alghe, iniziata 160 milioni di anni fa , può illuminare i ricercatori che cercano di fornire una fonte di bioenergia e generazione di bioprodotti. All’inizio di questo mese, un gruppo di ricercatori dell’Università di Cambridge e dell’Università della California di San Diego ha sviluppato coralli bionici stampati in 3D come nuovo strumento per biomateriali ispirati al corallo che possono trovare impiego nella biotecnologia delle alghe, nella conservazione della barriera corallina e nel corallo-algale ricerca sulla simbiosi.

Le strutture biomateriali fotosintetiche ispirate al corallo sono state fabbricate utilizzando una rapida tecnica di bioprinting 3D in grado di imitare i tratti funzionali e strutturali della simbiosi corallo-algale e i loro risultati sono stati riportati nella rivista Nature Communications , aprendo una nuova porta ai materiali bio-ispirati e alle loro applicazioni per conservazione dei coralli.

Il primo autore dell’articolo e Marie Curie Fellow del Dipartimento di Chimica di Cambridge , Daniel Wangpraseurt, hanno indicato che “i coralli sono altamente efficienti nel raccogliere e usare la luce, nel nostro laboratorio, stiamo cercando metodi per copiare e imitare queste strategie da natura per applicazioni commerciali. “

Wangpraseurt insieme ai suoi colleghi ha trovato il modo di stampare in 3D strutture di corallo e di usarle come incubatrici per la crescita delle alghe. Sostengono di aver testato vari tipi di microalghe e hanno scoperto che i tassi di crescita erano cento volte più alti rispetto ai normali mezzi di crescita liquidi.

Per creare le intricate strutture dei coralli naturali, i ricercatori hanno sviluppato una piattaforma di bioprinting in grado di riprodurre strutture dettagliate che imitano i disegni e le funzioni complesse dei tessuti viventi, come la materia fotosintetica che imita il tessuto dei coralli e le geometrie delle fonti scheletriche. Questo metodo consente di stampare strutture con una risoluzione su scala micrometrica in pochi minuti.

Per scansionare i coralli viventi e utilizzare i modelli per i loro progetti stampati in 3D, il team ha utilizzato una tecnica di imaging che utilizza la luce a bassa coerenza per catturare la risoluzione micrometrica chiamata tomografia a coerenza ottica (OCT), che viene solitamente utilizzata per l’imaging medico e l’industria non distruttiva test. I dati OCT sono stati importati in MATLAB e convertiti in modo che le immagini possano essere suddivise in sequenze di immagini 2D per la bioprinting.

Il bioink per i costrutti ibridi di coralli bionici viventi in grado di coltivare alte densità di cellule algali era costituito dalle concentrazioni finali di una microalga verde; una combinazione di polietilenglicole diacrilato (PEGDA) con gelatina metacrilato (GelMA) per creare un idrogel meccanicamente robusto e sintonizzabile; il fotoiniziatore litio fenil-trimetil-benzoil fosfinato (LAP); un colorante alimentare; nanocristalli derivati ​​dalla cellulosa (CNC) e acqua di mare artificiale.

“Abbiamo sviluppato un tessuto e uno scheletro di corallo artificiale con una combinazione di gel polimerici e idrogel drogati con nanomateriali di cellulosa per imitare le proprietà ottiche dei coralli viventi”, ha affermato la co-senior autrice Silvia Vignolini, anche del Dipartimento di Chimica di Cambridge. “La cellulosa è un biopolimero abbondante; è eccellente per diffondere la luce e l’abbiamo usata per ottimizzare la distribuzione della luce nelle alghe fotosintetiche. “

Il corallo bionico finale è stato progettato nel software CAD ed è stato quindi suddiviso in centinaia di modelli digitali con un programma MATLAB scritto su misura. I modelli digitali sono stati caricati su un dispositivo a micromirror digitale (DMD) in ordine sequenziale e utilizzati per esporre selettivamente la soluzione di prepolimero per la stampa continua.

La bioprinter 3D su misura utilizza la luce per stampare strutture in microscala di corallo in pochi secondi. In modo che il corallo stampato copi le strutture naturali di corallo e le proprietà di raccolta della luce, crei un microambiente artificiale ospite per le microalghe viventi.

L’Università di Cambridge ha suggerito che le strutture ispirate al corallo erano altamente efficienti nel ridistribuire la luce, proprio come i coralli naturali, poiché sono stati utilizzati solo materiali biocompatibili per fabbricare i coralli bionici stampati in 3D.

Ciò è fondamentale per replicare le strutture con cellule vive, ha affermato il co-senior autore Shaochen Chen, anch’egli professore della UC San Diego.

“La maggior parte di queste cellule morirà se dovessimo utilizzare i tradizionali processi a base di estrusione o a getto d’inchiostro perché questi metodi richiedono ore. Sarebbe come tenere un pesce fuori dall’acqua; le cellule con cui lavoriamo non sopravviveranno se tenute troppo a lungo fuori dai loro terreni di coltura. Il nostro processo ha una produttività elevata e offre velocità di stampa molto elevate, quindi è compatibile con cellule umane, cellule animali e persino cellule di alghe in questo caso “, ha continuato.

La tecnica consente la replica di qualsiasi architettura corallina, fornendo una varietà di soluzioni progettuali per aumentare la propagazione della luce. Il team di ricercatori afferma che il loro lavoro “definisce una classe di materiali bionici in grado di interagire con gli organismi viventi e che possono essere sfruttati per la ricerca applicata sulla barriera corallina e la progettazione di fotobioreattori”.

Wangpraseurt ha spiegato che “copiando il microhabitat ospite, possiamo anche usare i nostri coralli bioprintati 3D come sistema modello per la simbiosi corallo-algale, che è urgentemente necessaria per comprendere la rottura della simbiosi durante il declino della barriera corallina”.

Indubbiamente, il declino delle barriere coralline è stato ben documentato ed è una grande preoccupazione per gli ambientalisti e dovrebbe essere una questione urgente per la società in generale. Uno studio del 2017 dell’UNESCO afferma che le barriere coralline del mondo, dalla Grande barriera corallina dall’Australia alle Seychelles al largo dell’Africa orientale, sono in grave pericolo di estinzione completa entro la metà del secolo a meno che le emissioni di carbonio non siano sufficientemente ridotte per rallentare il riscaldamento degli oceani.

Come parte di una crescente preoccupazione per aiutare questo fragile ecosistema sottomarino, Wangpraseurt, insieme ad altri colleghi, ha creato una società, chiamata mantaz , che utilizza approcci di raccolta della luce ispirati al corallo per coltivare alghe per bioprodotti nei paesi in via di sviluppo, oltre a ripristinare il corallo scogliere con l’aiuto di pescatori locali.

“Speriamo che la nostra tecnica sia scalabile in modo che possa avere un impatto reale sul biosettore algale e, in definitiva, ridurre le emissioni di gas serra responsabili della morte della barriera corallina”,

Lo studio, finanziato dal programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell’Unione europea , nonché dal Consiglio europeo della ricerca , la David Phillips Fellowship , il National Institutes of Health , la National Science Foundation , la Carlsberg Foundation e la Villum Foundation , sembrano promettenti . Imitando le strategie di gestione della luce del corallo e progettando un corallo bionico fatto di polimeri sostenibili per un migliore assorbimento e crescita della luce microalgale, sono stati in grado di definire una classe di materiali bionici in grado di interagire con gli organismi viventi e possono essere sfruttati per la barriera corallina ricerca e produzione di energia.

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