Кредит: Pixabay/CC0 Public Domain
Микроводоросли, такие как диатомовая водоросль Odontella aurita и зеленая водоросль Tetraselmis striata, особенно подходят в качестве «биофабрик» для производства устойчивых материалов для 3D-лазерной печати благодаря высокому содержанию липидов и фотоактивных пигментов.
Международная исследовательская группа под руководством профессора доктора Евы Бласко, ученого из Института молекулярной системной инженерии и передовых материалов (IMSEAM) Гейдельбергского университета, впервые преуспела в производстве чернил для печати сложных биосовместимых 3D-микроструктур из сырья, извлеченного из микроводорослей. Материалы на основе микроводорослей в будущем могут быть использованы в качестве основы для имплантатов или скаффолдов для 3D-клеточных культур.
Работа опубликована в журнале Advanced Materials.
Среди технологий аддитивного производства двухфотонная 3D лазерная печать предлагает особые преимущества для производства в микро- и наномасштабах. Благодаря своему замечательному разрешению она находит применение во многих областях, включая оптику и фотонику, микрофлюидику и биомедицину. Процесс заключается в фокусировке лазерного луча на жидкой фотореактивной смоле, так называемых «чернилах». В фокусной точке лазерный луч активирует специальные молекулы, известные как фотоинициаторы, и запускает химическую реакцию, вызывая локальное затвердевание чернил.
На сегодняшний день в качестве чернил для этого высокоточного процесса лазерной 3D-печати в основном использовались полимеры на основе нефтехимии. Однако эти полимеры способствуют истощению ископаемого топлива и выбросам парниковых газов, а также могут содержать токсичные компоненты, как указывает профессор Бласко. Микроводоросли особенно хорошо подходят в качестве «биофабрик» для производства устойчивых материалов для 3D-печати из-за их быстрой скорости роста, фиксации CO2 во время выращивания и биосовместимости.
«Несмотря на свои преимущества, микроводоросли едва ли рассматривались в качестве сырья для 3D-печати на основе света», — говорит профессор Бласко, чья группа проводит исследования на стыке макромолекулярной химии, материаловедения и 3D-нанопроизводства.
Исследовательской группе впервые удалось извлечь биосовместимые материалы для лазерной 3D-печати высокого разрешения из микроводорослей. Для своих экспериментов исследователи выбрали два вида — диатомовую водоросль Odontella aurita и зеленую водоросль Tetraselmis striata, — которые содержат особенно высокие уровни липидов в форме триглицеридов.
Команда извлекла триглицериды и функционализировала их акрилатами для облегчения быстрого отверждения под воздействием светового облучения. Фотоактивные зеленые пигменты, присутствующие в микроводорослях, оказались подходящими в качестве фотоинициаторов. При воздействии света они запускают химическую реакцию, которая затвердевает в трехмерной структуре чернил.
«Таким образом мы избегаем использования потенциально токсичных добавок, таких как фотоинициаторы, используемые в обычных чернилах», — объясняет первый автор Клара Васкес-Мартель, докторант в исследовательской группе Бласко в IMSEAM.
Используя новую систему чернил, исследователи смогли производить различные 3D-микроструктуры с высокой точностью, демонстрируя такие сложные особенности, как нависающие крыши и полости. Используя эксперименты с культурой клеток, исследователи также исследовали биосовместимость чернил на основе микроводорослей. Они подготовили 3D-микрокаркасы, на которых клетки культивировались в течение примерно 24 часов. Они наблюдали почти 100%-ный уровень выживаемости.
«Наши результаты открывают новые возможности не только для более устойчивой 3D-печати с использованием света, но и для приложений в области естественных наук — от 3D-клеточных культур до биосовместимых имплантатов», — говорит профессор Бласко.
Исследование проводилось в рамках кластера передового опыта «3D-материал на заказ», совместного проекта Гейдельбергского университета и Технологического института Карлсруэ (KIT). В этом исследовании приняли участие исследователи из Гейдельберга, KIT и Испанского банка водорослей в Университете Лас-Пальмас-де-Гран-Канария (ULPGC, Испания).
Дополнительная информация: Клара Васкес-Мартель и др., Printing Green: Microalgae‐Based Materials for 3D Printing with Light, Advanced Materials (2024). DOI: 10.1002/adma.202402786
Информация о журнале: Advanced Materials
Предоставлено Гейдельбергским университетом
