3D列印仿生珊瑚 種植藻類生質燃料

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Daniel Wangpraseurt已加入加州大學聖地牙哥分校納米工程系研究以3D列印仿生珊瑚,亦曾於悉尼科技大學開始海洋科學研究。(圖片來源:悉尼科技大學UTS網站)

新科技速遞

3D 生物列印發展迅速,研究人員已可列印多種器官組織,開發列印人工肝臟、血管等。去年有醫學技術團隊宣佈以幹細胞3D打印心臟組織。

最近美國有團隊應用3D 生物列印在人造珊瑚上,模仿自然界高效的能源轉化,發展生物反應技術,種植藻類生質燃料(Algae fuel),以替代石化燃料,也為拯救垂死的海洋生態。藻類生質燃料經提煉後,可轉化成航空油、汽油或柴油等燃料。

珊瑚具商業潛力,皆因自然界各「共生」(Symbiosis)系統,珊瑚礁被公認為最具效率,造礁珊瑚與蟲黃藻的「共生」關係,以少量輸入轉化能源,過程神奇。

珊瑚為無脊椎動物珊瑚蟲 ,具中空底部密封的柱型身體,腸腔與四周珊瑚蟲連接,位於身體中央口部;長滿觸手捕食浮遊生物。蟲黃藻寄生於珊瑚蟲上,以極具效率光合作用,稀缺資源的極端環境,仍產出有機物,供宿主珊瑚蟲營養。宿主的氧化代謝過程,又提供共生蟲黃藻的營養材料,彼此相輔相成,合作無間。

造礁珊瑚以蟲黃藻所製造有機物,光合作用促進珊瑚鈣化達 2-3 倍,以形成礁石。碳酸鈣骨骼的生長速度,足以抵銷海浪及生物侵蝕,形成美麗壯觀的珊瑚礁,為浩瀚海洋生態提供了棲息地。珊瑚的生長形態,原來亦大有學問。

全球暖化,珊瑚礁大規模「漂白」死亡。科學家估計全球珊瑚礁,20年內消失殆盡;人造珊瑚的研究,可助扭轉海洋生態惡化。

珊瑚演化出大量不同的幾何體,增加充份吸收陽光的機會,圖左為打印仿生珊瑚,令藻類增加接收陽光。(圖片來源:美國加州大學聖地牙哥分校)

3D 列印人造珊瑚

美國科學家試圖以3D 生物列印,模仿珊瑚的「共生」系統,研究結果發表在同業評論的《自然通訊》(Nature Communications)網站,引起關注,有機會是3D 生物列印最具商業潛力的應用場景之一。

英國劍橋大學海洋科學家Daniel Wangpraseurt,與美國加州大學聖地牙哥分校納米工程系陳紹琛教授團隊,合作開發3D列印的仿生珊瑚。陳紹琛實驗室專注於開發3D 生物列印,打印模仿活體組織結構和功能,包括人體肝臟、血管、脊髓神經等。

美國加州大學聖地牙哥分校生物工程之譽滿天下,該核總校教授錢煦奠下的基礎,功不可歿,早年建立加州生物工程研究院(BIC),成研究生物工程重鎮;陳紹琛實驗室開發的高速3D生物打印,短時間可打印「微米級」(Micrometer)結構,以高通量設計,避免打印時細胞大量死亡。

陳紹琛表示:3D 生物列印的過程,猶如將魚從水中取出,細胞脫離培養基(Culture media)愈久,就愈難以存活,傳統擠壓或噴墨式3D打印,難以應用於3D 生物列印。加大聖地牙哥分校3D 生物列印,可快速成形,故可打印人類和動物的細胞,甚至藻類細胞打印。

以活細胞或幹細胞複製結構,也是近年再生醫療移植器官的研究項目。較早前,陳紹琛實驗室曾以幹細胞,打印脊髓的植入物,試圖醫治脊髓的永久損傷。

但3D 生物列印的人工珊瑚礁,其結構還須促進光合作用的效率。

3D生物打印製作的珊瑚正供藻類生長(圖片來源:美國加州大學聖地牙哥分校)

自然界鬼斧神工

多年來,Wangpraseurt一直在劍橋大學,研究珊瑚優化光合作用原理;原來珊瑚的演化,發展出特殊的功能;包括獨特形態和材料特徵,Wangpraseurt研究開發仿自然珊瑚人工材料,作為微藻的宿主,以大規模培植。

珊瑚礁為自然界中,產力最高的共生系統,珊瑚礁排出二氧化碳,蟲黃藻以光合作用,轉化為有機物和氧氣,回饋給珊瑚蟲。除了以陽光轉化能量,仍需氮和磷等配合;上述物質在珊瑚礁生存的熱帶海洋,存量稀少,珊瑚礁克服環境限制,循環利用,此共生系統巧妙之處,一直是科學家研究的課題。

珊瑚演化出不同的幾何體,以增加藻類份吸收的陽光,這些動物組織特徵,針對作為微藻宿主而演化,碳酸鈣底層建築的支撐,透過散發形態透光;避免了藻類生長時自我遮蔽,導致吸收光線不足夠。

藻類生長時自我的遮蔽,導致吸收光線大減,一直是限制了藻類大規模人工培殖。Wangpraseurt試圖模仿珊瑚形態,克服光線遮蔽的障礙,為實現藻類大規模養殖,邁出重要一步;仿生珊瑚能以高達109細胞 mL−1高空間細胞密度培養蟲黃藻。

破解珊瑚漂白

但珊瑚具備生物細胞及藻類細胞,迄今只能模仿生物的部分,以複合光合物以3D生物列印部分,仿照活珊瑚形態特徵,物理和化學的微生態環境,以配合藻類細胞活動。

Wangpraseurt表示,下一步是通過模仿共生的生化途徑,調節細胞的相互作用。研究目標不僅要優化光合作用,促進細胞的生長率,亦在瞭解共生的自然規律,理解珊瑚遭漂白的原因。

Wangpraseurt與加大的合作,克服了人工珊瑚最大技術難題。Wangpraseurt在劍橋大學研究,已留意到以細菌創造纖維素(Cellulose)作為生物打印材料,能具備光學反應特性,適合用於打印仿生的珊瑚。起初Wangpraseurt集中開發具珊瑚特性的生物材料,並模仿天然珊瑚的光學反應;從表面上或內部培養藻類,當時才發覺傳統的3D打印,重塑珊瑚的空間的解析度,並不容易。

加大聖地牙哥分校陳紹琛實驗室,則以3D生物打印而聞名於世。Wangpraseurt聯絡該校納米工程研究所,雙方一拍即合。加大聖地牙哥分校採用醫療用途3D生物打印,開發了專為珊瑚打印的生物墨水(Bioink),確保藻類細胞存活率。

最近Wangpraseurt亦成立了初創Mantaz,專門發展珊瑚保育技術。

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