藻類で作られた柔らかく生きた素材は、ストレス下で輝く

October, 27, 2023, San Diego--UC San Diegoをリーダーとする研究チームは、圧縮、伸張、捻れなどの機械的ストレスに反応して光る、柔らかくて耐久性のある3Dプリント材料を開発した。この材料は、渦鞭毛藻として知られる単細胞藻類から発光する。

サンディエゴのビーチでの赤潮イベント中に観察された生物発光波に触発されたこの研究は、Science Advancesに掲載された。

「これらの材料のエキサイティングな特徴は、それらが本質的にシンプルで、エレクトロニクスや外部電源を必要としないからである。われわれは、自然の力を利用して、機械的刺激を発光に直接変換する方法を実証している」と、UC San Diego Jacobs School of Engineering機械&航空宇宙工学教授、研究のシニア著者Shengqiang Caiはコメントしている。

この研究は、Cai研究室のエンジニアと材料科学者、UC San Diego’s Scripps Institution of Oceanography海洋生物学者Michael Latz、アムステルダム大学(University of Amsterdam)物理学教授Maziyar Jalaalが参加する学際的な共同研究だった。

生物発光材料の主成分は、渦鞭毛藻とアルギン酸塩と呼ばれる海藻ベースのポリマ。これらの要素を混合して溶液を形成し、3Dプリンタで処理して、グリッド、スパイラル、クモの巣、ボール、ブロック、ピラミッドのような構造など、様々な形状を作成した。その後、3Dプリントされた構造は、最終ステップとして硬化された。

材料が圧縮、伸張、または捻れを受けると、それらの中の渦鞭毛藻は発光によって応答する。この応答は、渦鞭毛藻が捕食者防御戦略の一環として閃光を生成するときに海で起こることを模倣している。テストでは、研究チームがそれらを押して表面のパタンをトレースすると、材料は蛍光を発した。その材料は、表面を転がるフォームボールの重さで光るほど敏感だった。

加えられる応力が大きいほど、輝きは明るくなる。チームはこの挙動を定量化し、加えられた機械的応力の大きさに基づいてグローの強度を予測できる数学モデルを開発した。

チームは、これらの材料を、様々な実験条件で弾力性を持たせる技術も実証した。かなりの機械的負荷に耐えることができるように材料を強化するために、2番目のポリマ、ポリ(エチレングリコール)ジアクリレートが元のブレンドに追加された。また、Ecoflexと呼ばれる伸縮性のあるゴムのようなポリマで材料をコーティングすると、酸性および塩基性の溶液で保護された。この保護層を使用すると、材料は、その形状や生物発光特性を失うことなく、海水中に最大5か月間保存することもできる。

これらの材料のもう一つの有益な特徴は、それらの最小限のメンテナンス要件である。機能継続のために、材料内の渦鞭毛藻は光と闇の周期的なサイクルを必要とする。明相には、光合成して食物とエネルギーを生成し、暗相に機械的ストレスが加えられると発光する。この挙動は、渦鞭毛藻が赤潮イベント中に海洋で生物発光を引き起こすときに作用する自然のプロセスを反映している。

「この現在の研究は、生物と非生物成分を組み合わせて、自立し、自然界に見られる基本的な機械的刺激に敏感な新材料の製造する簡単な方法を示している」と、研究の筆頭著者Chenghai Liは話している、同氏はCai研究室の機械および航空宇宙工学のPh.D候補。

研究チームは、これらの材料が圧力、歪、または応力を測定するための機械的センサとして使用できる可能性があると考えている。その他の潜在的なアプリケーションには、光信号を使用して治療または制御された薬物放出を実行するソフトロボティクスおよび生物医学デバイスが含まれる。

とは言え、これらのアプリケーションを実現するには、やるべきことがたくさんある。研究チームは、材料のさらなる改善と最適化に取り組んでいる。