Onderzoekers van Cambridge University en University of California San Diego hebben 3D-geprinte, op koraal geïnspireerde structuren die in staat zijn om dichte populaties microscopisch kleine algen te kweken. hun resultaten, gerapporteerd in het journaal Natuurcommunicatie , openen de deur naar nieuwe bio-geïnspireerde materialen en hun toepassingen voor het behoud van koraal.

In de oceaan, koralen en algen hebben een ingewikkelde symbiotische relatie. Het koraal is een gastheer voor de algen, terwijl de algen door middel van fotosynthese suikers aan het koraal produceren. Deze relatie is verantwoordelijk voor een van de meest diverse en productieve ecosystemen op aarde, het koraalrif.

"Koralen zijn zeer efficiënt in het verzamelen en gebruiken van licht, " zei eerste auteur Dr. Daniel Wangpraseurt, een Marie Curie Fellow van de scheikunde van Cambridge. "In ons laboratorium we zoeken naar methoden om deze strategieën uit de natuur te kopiëren en na te bootsen voor commerciële toepassingen."

Wangpraseurt en zijn collega's 3D-geprinte koraalstructuren en gebruikten ze als incubators voor algengroei. Ze testten verschillende soorten microalgen en ontdekten dat de groeisnelheid 100x hoger was dan in standaard vloeibare groeimedia.

Om de ingewikkelde structuren van natuurlijke koralen te creëren, de onderzoekers gebruikten een snelle 3D-bioprinttechniek die oorspronkelijk was ontwikkeld voor het bioprinten van kunstmatige levercellen.

De op koraal geïnspireerde structuren waren zeer efficiënt in het herverdelen van licht, net als natuurlijke koralen. Alleen biocompatibele materialen werden gebruikt om de 3D-geprinte bionische koralen te fabriceren.

"We hebben een kunstmatig koraalweefsel en -skelet ontwikkeld met een combinatie van polymeergels en hydrogels gedoteerd met cellulose-nanomaterialen om de optische eigenschappen van levende koralen na te bootsen, " zei dr. Silvia Vignolini, die het onderzoek leidde. "Cellulose is een overvloedig biopolymeer; het is uitstekend in het verstrooien van licht en we hebben het gebruikt om de levering van licht aan fotosynthetische algen te optimaliseren."

Het team gebruikte een optische analoog voor echografie, optische coherentietomografie genoemd, om levende koralen te scannen en de modellen te gebruiken voor hun 3D-geprinte ontwerpen. De op maat gemaakte 3D-bioprinter gebruikt licht om binnen enkele seconden koraalstructuren op microschaal af te drukken. Het gedrukte koraal kopieert natuurlijke koraalstructuren en lichtoogstende eigenschappen, het creëren van een kunstmatige gastheer-micro-omgeving voor de levende microalgen.

"Door de microhabitat van de gastheer te kopiëren, we kunnen onze 3D bioprinted koralen ook gebruiken als een modelsysteem voor de koraal-algensymbiose, die dringend nodig is om de afbraak van de symbiose tijdens de achteruitgang van het koraalrif te begrijpen, " zei Wangpraseurt. "Er zijn veel verschillende toepassingen voor onze nieuwe technologie. We hebben onlangs een bedrijf opgericht, genaamd mantaz, die op koraal geïnspireerde lichtoogstmethoden gebruikt om algen te kweken voor bioproducten in ontwikkelingslanden. We hopen dat onze techniek schaalbaar zal zijn, zodat deze een echte impact kan hebben op de algenbiosector en uiteindelijk de uitstoot van broeikasgassen kan verminderen die verantwoordelijk zijn voor de dood van koraalriffen."