每年，世界因森林砍伐而失去约 1000万公顷的森林——面积与冰岛相当。以这个速度，一些科学家预测世界上的森林可能会在100到 200 年内消失。

为了提供一种环保和低浪费的替代品。去年早些时候，麻省理工学院的研究人员就在实验室中培育出由类木植物细胞制成的结构，这暗示了生产更高效生物材料的可能性。

当时研究人员表示，制作一张木桌需要很多时间。种一棵树，砍伐它，运输它，碾磨它……这是一个长达数十年的过程。麻省理工学院微系统技术实验室的首席科学家，资深作者路易斯·费尔南多·韦拉斯克斯-加西亚(Luis Fernando Velásquez-García)提出了一个更简单的解决方案：“如果你想要一张桌子，那么你应该长出一张桌子来。”

麻省理工大学

而现在。这项研究得到进一步深入。麻省理工学院的研究人员开创了一种可调谐技术，可以在实验室中生成类似木头的植物材料，这可以让人们“种植”像桌子一样的木制品，而无需砍伐树木、加工木材。

这些研究人员已经证明，通过调整生长过程中使用的某些化学物质，他们可以精确控制所得植物材料的物理和机械特性，例如刚度和密度。

他们还表示，使用 3D 生物打印技术，可以种植出自然界中不存在的形状、大小和形式的植物材料，而这些植物材料是使用传统农业方法难以生产的。

“我们的想法是，您可以将这些植物材料种植成您需要的形状，因此您无需在事后进行任何减材制造，从而减少能源和浪费。有很大的潜力可以扩展它并发展成三维结构，”这篇论文的第一作者，刚毕业的博士研究生阿什利·贝克维恩(Ashley Beckwith)说道。

尽管仍处于早期阶段，但这项研究表明，实验室种植的植物材料可以调整为具有特定特性，朝一日可以使研究人员能够种植具有特定应用所需的确切特性的木制品。例如足够支撑房屋墙壁的高强度材料，或者可以更有效地加热房间的特定的热性能材料。路易斯·费尔南多·韦拉斯克斯-加西亚Luis Fernando Velásquez-García 解释说。

与贝克威思(Beckwith)和韦拉斯克斯-加西亚(Velásquez-García)一起撰写论文的是杰弗里·伯伦斯坦(Jeffrey Borenstein)，他是查尔斯·斯塔克·德雷柏实验室(Charles Stark Draper)的生物医学工程师和小组组长。该研究成果于5月25日发表在《今日材料》杂志(Materials Today)上。

如何种植细胞

为了开始在实验室中种植植物材料，研究人员首先从百日菊(Zinnia elegans)幼苗的叶子中分离出细胞。细胞先在液体培养基中培养两天，然后转移到凝胶培养基中，其中包含营养物质和两种不同的激素。

在这个过程中，通过调节激素水平使研究人员能够调节生长在营养丰富的培养基中的植物细胞的物理和机械特性。

“在人体内，你的生长激素决定你的细胞如何发育，以及某些特征如何形成。同样，通过改变营养液中的激素浓度，植物细胞的反应也不同。仅仅通过控制这些微小的化学量，就可以在物理结果方面引起相当大的变化，”贝克威斯(Beckwith)说。

韦拉斯克斯-加西亚(Velásquez-García)补充说，在某种程度上，这些正在生长的植物细胞的行为几乎就像干细胞一样——研究人员可以给它们提示，告诉它们要变成什么。

他们使用3D打印机将细胞培养凝胶溶液挤出到特定结构的培养皿中，并让它在黑暗中孵育三个月。 韦拉斯克斯-加西亚(Velásquez-García)说，即使有这个孵化期，这个过程也比一棵树生长到成熟所需的时间快两个数量级。孵化后，由此产生的细胞材料会被脱水，然后研究人员会进一步评估它的特性。

含苞未放的百日菊

木质特征的研究与应用

研究人员发现，较低的激素水平会产生更圆润、更开放的，并且密度较低的细胞植物材料。而较高的激素水平则会导致细胞结构更小、更密集的植物材料的生长。更高的激素水平也会产生更坚硬的植物材料。研究人员能够种植具有类似于某些天然木材性能的植物材料。

这项工作的另一个目标是研究这些实验室种植的植物材料中的木质化。木质素是一种沉积在植物的细胞壁中的聚合物，它使植物具有刚性和木质性。他们发现生长培养基中较高的激素水平会导致更多的木质化，这将导致植物材料具有更多类似木材的特性。

研究人员证明，使用3D生物打印工艺，植物材料可以按照定制的形状和大小生长。这个过程不使用模具，而是使用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，将细胞凝胶培养物沉积成特定的形状。例如，他们能够将植物定型成一棵小常青树的形状。

伯伦斯坦(Borenstein)表示，这类研究相对较新。他补充说：“利用最初为医疗保健应用开发的技术进步，这项研究证明了一项介于工程学和生物学之间的技术可以应对环境挑战。”

研究人员还表明，细胞培养物在打印后可以存活并继续生长数月，而且使用较厚的凝胶来生产较厚的植物材料结构不会影响实验室培养细胞的存活率。

这项技术特别适合定制

“我认为这里真正的机会是优化你使用什么以及如何使用它。如果您想创建一个用于某种目的的物体，则需要考虑机械性能的预期。这个过程真的很适合定制。”韦拉斯克斯-加西亚(Velásquez-García)说。

既然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，以便更好地了解和控制细胞发育。他们还想探索其他化学和遗传因素如何指导细胞的生长。

研究人员希望评估如何将他们的方法移植到一个新物种上。韦拉斯克斯-加西亚(Velásquez-García)表示，(Zinnia elegans)不生产木材，但如果这种方法被用于生产一种具有商业重要性的树种，如松树，则需要针对该树种进行定制。

最终，他希望这项工作可以帮助激励其他团体深入研究这一领域，以帮助减少森林砍伐。

“树木和森林是帮助我们应对气候变化的绝佳工具。因此，尽可能利用这些资源进行战略性规划将是未来的社会需要。”贝克威思(Beckwith)补充道。

这项研究得到了德雷柏学者项目的部分资助。