Levende materialen, die worden gemaakt door biologische cellen te huisvesten in een niet-levende matrix, zijn de afgelopen jaren aan populariteit gewonnen, omdat wetenschappers erkennen dat de meest robuuste materialen vaak de natuur nabootsen.

Voor de eerste keer, een internationaal team van onderzoekers van de Universiteit van Rochester en de Technische Universiteit Delft in Nederland gebruikte 3D-printers en een nieuwe bioprinttechniek om algen in leven te printen, fotosynthetische materialen die taai en veerkrachtig zijn. Het materiaal kent diverse toepassingen in de energie, medisch, en modesectoren. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen .

"Driedimensionaal printen is een krachtige technologie voor de fabricage van levende functionele materialen die een enorm potentieel hebben in een breed scala aan milieu- en mensgebaseerde toepassingen." zegt Srikkanth Balasubramanian, een postdoctoraal onderzoeker in Delft en de eerste auteur van het artikel. "We bieden het eerste voorbeeld van een ontwikkeld fotosynthetisch materiaal dat fysiek robuust genoeg is om te worden ingezet in real-life toepassingen."

Hoe nieuwe materialen te bouwen:levende en niet-levende componenten

Om de fotosynthetische materialen te maken, de onderzoekers begonnen met een niet-levende bacteriële cellulose - een organische verbinding die door bacteriën wordt geproduceerd en uitgescheiden. Bacteriële cellulose heeft veel unieke mechanische eigenschappen, inclusief de flexibiliteit, taaiheid, kracht, en het vermogen om zijn vorm te behouden, zelfs wanneer verdraaid, verpletterd, of anderszins fysiek vervormd.

De bacteriële cellulose is als het papier in een printer, terwijl levende microalgen als de inkt fungeren. De onderzoekers gebruikten een 3D-printer om levende algen op de bacteriële cellulose te deponeren.

De combinatie van levende (microalgen) en niet-levende (bacteriële cellulose) componenten resulteerde in een uniek materiaal met de fotosynthetische kwaliteit van de algen en de robuustheid van de bacteriële cellulose; het materiaal is sterk en veerkrachtig, maar ook milieuvriendelijk, biologisch afbreekbaar, en eenvoudig en schaalbaar te produceren. De plantachtige aard van het materiaal betekent dat het fotosynthese kan gebruiken om zichzelf te 'voeden' gedurende perioden van vele weken, en het kan ook worden geregenereerd - een klein monster van het materiaal kan ter plaatse worden gekweekt om meer materialen te maken.

Kunstmatige bladeren, fotosynthetische huiden, en biologische kleding

De unieke eigenschappen van het materiaal maken het een ideale kandidaat voor een verscheidenheid aan toepassingen, inclusief nieuwe producten zoals kunstbladeren, fotosynthetische huiden, of fotosynthetische bio-kledingstukken.

Kunstmatige bladeren zijn materialen die echte bladeren nabootsen doordat ze zonlicht gebruiken om water en koolstofdioxide - een belangrijke aanjager van klimaatverandering - om te zetten in zuurstof en energie, net als bladeren tijdens fotosynthese. De bladeren slaan energie op in chemische vorm als suikers, die vervolgens kunnen worden omgezet in brandstoffen. Kunstbladeren bieden dus een manier om duurzame energie op te wekken op plekken waar planten niet goed groeien, inclusief kolonies in de ruimte. De kunstmatige bladeren van de onderzoekers in Delft en Rochester zijn bovendien gemaakt van milieuvriendelijke materialen, in tegenstelling tot de meeste kunstmatige bladtechnologieën die momenteel in productie zijn, die worden geproduceerd met behulp van giftige chemische methoden.

"Voor kunstmatige bladeren, onze materialen zijn als het nemen van de 'beste delen' van planten - de bladeren - die duurzame energie kunnen creëren, zonder hulpbronnen te hoeven gebruiken om delen van planten te produceren - de stengels en de wortels - die hulpbronnen nodig hebben maar geen energie produceren, " zegt Anne S. Meyer, een universitair hoofddocent biologie aan Rochester. "We maken een materiaal dat alleen gericht is op de duurzame productie van energie."

Een andere toepassing van het materiaal zijn fotosynthetische huiden, die kunnen worden gebruikt voor huidtransplantaties, zegt Meijer. "De gegenereerde zuurstof zou helpen om de genezing van het beschadigde gebied op gang te brengen, of het zou in staat kunnen zijn om door licht geactiveerde wondgenezing uit te voeren."

Naast het aanbieden van duurzame energie en medische behandelingen, de materialen kunnen ook de modesector veranderen. Biokleding gemaakt van algen zou een aantal van de negatieve milieueffecten van de huidige textielindustrie aanpakken doordat het hoogwaardige stoffen zouden zijn die duurzaam geproduceerd en volledig biologisch afbreekbaar zouden zijn. Ze zouden ook werken om de lucht te zuiveren door koolstofdioxide te verwijderen door middel van fotosynthese en zouden niet zo vaak gewassen hoeven te worden als conventionele kleding, waterverbruik verminderen.

"Onze levende materialen zijn veelbelovend omdat ze meerdere dagen kunnen overleven zonder toegang tot water of voedingsstoffen, en het materiaal zelf kan als zaadje worden gebruikt om nieuwe levende materialen te laten groeien, " zegt Marie-Eve Aubin-Tam, universitair hoofddocent bionanoscience in Delft. "Dit opent de deur naar toepassingen in afgelegen gebieden, zelfs in de ruimte, waar het materiaal ter plaatse kan worden gezaaid."