CN114127250A - 用于海藻的培养系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种培养系统，该培养系统包括被构造为保留和有效维持孢子和萌发后孢子的培养基质。所述培养系统可包括营养相、粘合剂、生物活性剂、含液体相中的一种或多种。培养基质可以是图案化的。培养系统可以特异性地保留并有效保留特定的孢子类型。

Description

用于海藻的培养系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年6月27日提交的美国临时申请号62/867,707的优先权，其通过引用全部纳入本文，用于所有目的。
技术领域
本公开一般涉及培养系统，更具体地说，涉及构造为保留和有效维持孢子(包括海藻孢子)的培养系统。
背景技术
目前从孢子培养海藻的过程包括使用有纹理的尼龙“培养线”或“种子线”，孢子在基于实验室的播种过程中会微弱地附着在这些培养线摂或种子线摂上，然后通过外部营养系统得到营养。然后在海藻养殖场将含有弱附着海藻幼体(配子体和孢子体)的培养串缠绕在绳索上，随后将绳索置于水下。该过程在产率和产量方面本质上是可变的，这在很大程度上是由于海藻很容易受到例如洋流、温度变化和养分有效性的破坏。此外，包装和处理不当会导致幼年海藻的破坏和损失。目前提高海藻幼体在培养线上的稳定性的方法主要关注于现有纤维的表面质地。事实上，培养线的纤维质地对海藻养殖的成功非常重要。然而，对表面纹理的改进是有限的。
发明内容
各实施方式涉及构造为保留和有效维持孢子的培养系统。
根据一个实施例(实施例“1”)，具有微观结构的培养基质被构造为保留和有效维持孢子，该微观结构的特征在于平均原纤维间距离最高达200μm并可以等于200μm。
根据另一实施例(“实施例2”)，所述培养基质具有微观结构，其中所述培养系统的至少一部分被构造为保留并有效维持所述微观结构，所述微观结构被构造为在所述培养基质的微观结构内至少部分保留孢子，所述微观结构的特征是平均孔径高达200μm，并且可以等于200μm。
根据实施例1的另一实施例(“实施例3”)，所述微观结构的特征在于平均原纤维间距离为1至200μm。
根据实施例1或2中任一项的另一实施例(“实施例4”)，所述微观结构的特征在于平均孔径为1至200μm。
根据前述实施例1至4中的任一项的另一实施例(“实施例5)，所述培养系统包含与所述培养基质的至少一部分相结合的营养相。
根据实施例5的另一实施例(“实施例6”)，至少一部分营养相位于所述培养基质内、位于所述培养基质上、或同时位于所述培养基质内和培养基质上。
根据实施例5的另一实施例(“实施例7”)，所述营养相作为培养基质表面上的涂层存在。
根据前述实施例5至7中任一项的另一个实施例(“实施例8”)，所述营养相充当化学引诱剂以选择性地将孢子吸引到培养基质的预定位置，所述营养相应用至所述预定位置或所述预定位置包括所述营养相。
根据前述实施例5至8中的任一项的另一实施例(“实施例9”)，所述营养相被构造为i)促进微关结构内孢子的萌发和生长，和/或ii)通过孢子维持和/或鼓励(促进)微观结构内的附着和整合。
根据前述实施例1至9中的任一项的另一实施例(“实施例10”)，所述培养系统包含与所述培养基质的至少一部分相结合的含液体相。
根据前述实施例10的另一实施例(“实施例11”)，至少一部分含液体相被夹带在所述微结构内、被夹带在所述微结构上、或同时被夹带在微结构内和微结构上。
根据前述实施例10或11中任一项的另一实施例(“实施例12”)，所述含液体相作为培养基质表面上的涂层存在。
根据前述实施例10至12中任一项的另一实施例(“实施例13”)，所述含液体相包括水凝胶、浆液、糊剂或它们的组合。
根据前述实施例1至13中的任一项的另一实施例(“实施例14”)，所述培养系统包括由培养基质的微观结构保留的多个孢子和/或萌发后孢子。
根据前述实施例1至14中任一项的另一实施例(“实施例15”)，所述培养基质包括具有微观结构的原纤化材料，所述微观结构包括限定出平均原纤维间距离的多个原纤维。
根据前述实施例1至15中任一项的另一实施例(“实施例16”)，所述培养基质的微观结构被构造为保留平均孢子大小高达200μm且可等于200μm的孢子。
根据前述实施例1至16中的任一项的另一实施例(“实施例17”)，所述孢子包括藻类孢子。
根据前述实施例1至16中的任一项的另一实施例(“实施例18”)，所述孢子包括真菌孢子。
根据前述实施例1至16中的任一项的另一实施例(“实施例19”)，所述孢子包括植物孢子。
根据前述实施例1至16中的任一项的另一实施例(“实施例20”)，所述孢子包括细菌孢子。
根据前述实施例1至20中任一项的另一实施例(“实施例21”)，所述培养基质包括平均密度为0.1至1.0g/cm3的材料。
根据实施例21的另一个实施例(“实施例22”)，所述培养基质包括包含所述材料的生长培养基，并且所述原纤化材料的平均原纤维间距离(μm)与平均密度(g/cm3)之比为1至2000。
根据前述实施例1至22中任一项的另一实施例(“实施例23”)，所述培养基质被构造为纤维、膜、织造制品、非织造制品、编织制品、针织制品、织物、颗粒分散体，或上述两种或多种的组合。
根据前述实施例1至23中任一项的另一实施例(“实施例24”)，所述非培养基质包括背衬层、载体层、多个层的层压体、复合材料中的至少一个，或其组合。
根据前述实施例1-24中任一项的另一实施例(“实施例25”)，所述培养基质的至少一部分是亲水性的。
根据前述实施例1-25中任一项的另一实施例(“实施例26”)，所述培养基质的至少一部分是疏水性的。
根据前述实施例1至26中的任一项的另一实施例(“实施例27”)，所述培养基质的一个或多个部分是疏水性的，并且所述培养系统的一个或多个部分是亲水性的，使得培养系统被构造为选择性地鼓励(促进)孢子保留在培养基质的一个或多个亲水性部分中。
根据前述实施例1至27中的任一项的另一实施例(“实施例28”)，所述培养系统包含与所述培养基质相结合的生物活性剂。
根据前述实施例1至28中任一项的另一实施例(“实施例29“)，所述培养系统包括施加至所述培养基质表面的粘合剂、吸入培养基质的微观结构内的粘合剂，或同时施加到所述培养基质表面并吸入培养基质的微观结构内的粘合剂。
根据前述实施例1至29中的任一项的另一实施例(“实施例30”)，所述培养系统包含与所述培养基质的微观结构相结合的盐。
根据前述实施例30的另一个实施例(“实施例30”)，所述盐是氯化钠(NaCl)。
根据前述实施例1至31中的任一项的另一实施例(“实施例32”)，所述培养基质包括较高密度部分和较低密度部分的图案，与所述培养基质的一部分相对应的较低密度部分被构造为将孢子至少部分地保留在所述培养基质的微观结构中。
根据前述实施例32的另一实施例(“实施例32”)，较低密度区域的特征在于密度小于或等于1g/cm3，较高密度部分的特征在于密度大于或等于1.7g/cm3。
根据前述实施例1至33中的任一项的另一实施例(“实施例34”)，所述微观结构包括较高孔隙率部分和较低孔隙率部分的图案，与所述微结构的一部分相对应的较低孔隙率部分被构造为将孢子保留在所述培养基质的微观结构中。
根据前述实施例1至33中的任一项的另一实施例(“实施例35”)，所述培养基质包括较高孔隙率部分和较低孔隙率部分的图案，与所述培养基质的一部分相对应的较高孔隙率部分被构造为将孢子保留在所述培养基质的微观结构中。
根据前述实施例1至35中的任一项的另一实施例(“实施例36”)，所述培养基质包括较高原纤维间距离部分和较低原纤维间距离部分的图案，与所述培养基质的一部分相对应的较低原纤维间距离部分被构造为将孢子保留在所述培养基质的微观结构中。
根据前述实施例1至35中的任一项的另一实施例(“实施例37”)，所述培养基质包括较高原纤维间距离部分和较低原纤维间距离部分的图案，与所述培养基质的一部分相对应的较高原纤维间距离部分被构造为将孢子保留在所述培养基质的微观结构中。
根据前述实施例32至37中的任一项的另一实施例(“实施例37”)，所述图案为组织化的或选择性的图案。
根据前述实施例32至37中的任一项的另一实施例(“实施例39”)，所述图案为无规图案。
根据前述实施例1至39中的任一项的另一实施例(“实施例40”)，所述微观结构最初处于第一保留中相以保留孢子，随后处于第二生长相以诱导孢子在微观结构上向内生长为孢子苗和/或向内生长进入微结构，从而将孢子苗与微观结构机械结合。
根据前述实施例1至40中的任一项的另一实施例(“实施例41”)，所述营养素被构造为通过无菌海水输送。
根据前述实施例1至41中的任一项的另一实施例(“实施例42”)，所述微观结构被构造为不可移除地锚定各孢子的一部分。
根据前述实施例1至42中的任一项的另一实施例(“实施例43”)，所述微观结构被构造为不可移动除锚定萌发后孢子。
根据前述实施例1至43中任一项的另一实施例(“实施例44”)，所述培养基质由分散体中的多个颗粒提供，所述分散体被配制用于沉积到背衬层或载体基质上。
根据前述实施例1至44中的任一项的另一实施例(“实施例45”)，所述培养基质包含膨胀含氟聚合物。
根据前述实施例5至45中的任一项的另一实施例(“实施例46”)，所述培养基质包含膨胀含氟聚合物，其中所述营养相与所述膨胀含氟聚合物共混。
根据实施例45或46的另一实施例(“实施例47”)，所述膨胀含氟聚合物为下组中的一种：膨胀含氟乙烯丙烯(eFEP)、多孔全氟烷氧基烷烃(PFA)、膨胀乙烯四氟乙烯(eETFE)、膨胀偏氟乙烯-共-四氟乙烯或三氟乙烯聚合物(eVDF-共-(TFE或TrFE))和膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)。
根据前述实施例1至44中的任一项的另一实施例(“实施例48”)，所述培养基质包含膨胀热塑性聚合物。
根据前述实施例48的另一实施例(“实施例49”)，所述膨胀热塑性聚合物为下组中的一种：膨胀聚酯砜(ePES)、膨胀超高分子量聚乙烯(eUHMWPE)、膨胀聚乳酸(ePLA)和膨胀聚乙烯(ePE)。
根据前述实施例1至44中的任一项的另一实施例(“实施例50”)，所述培养基质包含膨胀聚合物。
根据前述实施例5至44和53中的任一项的另一实施例(“实施例51”)，所述培养基质包含膨胀聚合物，其中所述营养相与所述膨胀聚合物共混。
根据前述实施例50或51中的任一项的另一实施例(“实施例52”)，所述膨胀聚合物为膨胀聚氨酯(ePU)。
根据前述实施例1至44中的任一项的另一实施例(“实施例53”)，所述培养基质包含由膨胀化学气相沉积(CVD)形成的聚合物。
根据实施例53的另一实施例(“实施例54”)，由膨胀CVD形成的聚合物为膨胀聚对二甲苯(ePPX)。
上述实施例仅限于此，且不应被理解为限制或以其他方式缩小本公开以其它方式提供的任何发明构思的范围。虽然公开了多个实施例，但从以下示出并描述示例性实施例的详细描述中，其他实施方式对本领域技术人员而言也是显而易见的。因此，认为附图和详细描述本质上是说明性的而非限制性的。
附图简要说明
采用附图以帮助进一步理解本公开内容，其纳入说明书中并构成说明书的一部分，附图显示了本公开内容的实施方式，与说明书一起用来解释本公开内容的原理。
图1是示出根据一些实施方式的培养基质微观结构的扫描电子显微镜(SEM)的显微照片。
图2为示出图1所示微观结构SEM显微照片，但放大率较高。
图3是示出根据一些实施方式的培养基质微观结构的SEM显微照片。
图4为示出图3所示微观结构SEM显微照片，但放大率较高。
图5示出根据一些实施方式的培养基质微观结构。
图6是图2的显微图，其中以卡通形式表示根据一些实施方式以原纤维间空间覆加其上的直径为10μm或30μm的孢子。
图7A是示出根据一些实施方式的红皮藻向内生长进入培养基质微观结构的横截面SEM显微照片。
图7B是示出图7A中描绘的向内生长的横截面SEM显微照片，但放大倍数更高。
图7C是示出根据一些实施方式红皮藻向内生长进入培养基质微观结构向内生长的横截面光学荧光显微镜显微照片。
图8为示出根据一些实施方式在用糖海带孢子播种之前培养基质的微结构的表面SEM显微照片(上图)，以及示出用糖海带孢子播种和萌芽之后的培养基质的光学荧光显微照片(下图)。
图9示出在不同放大倍数下拍摄的两个表面SEM显微照片，示出根据一些实施方式的幼红皮藻向内生长进入微结构。
图10是示出根据一些实施方式红皮藻向内生长进入培养基质微观结构的表面光学荧光显微镜显微照片。
图11是SEM显微照片，其描绘了根据一些实施方式的发育中的海藻与高密度材料的表面纤维的浅表附着。
图12是示出根据一些实施方式的织造培养基质的SEM显微照片。
图13是示出市售多孔聚乙烯的SEM显微照片。
图14是示出根据一些实施方式的凝胶加工的聚乙烯膜(膜1)和市售多孔聚乙烯(膜2)上的红皮藻生长的照片合集。
图15是示出根据一些实施方式的凝胶加工的聚乙烯膜(膜1)和市售多孔聚乙烯(膜2)上的海带生长的照片合集。
图16是示出根据一些实施方式的图案化膜上的红皮藻生长的照片。
图17是示出根据一些实施方式的图案化膜上的海带生长的照片。
图18是示出根据一些实施方式的幼糖海带孢子体附着到膜的照片。
本领域技术人员容易理解本文参考的附图不一定是按比例绘制，而是有可能放大以说明本公开的各个方面，就此而言，附图不应视为限制性的。
具体实施方式
定义和术语
本公开内容并非旨在以限制性方式阅读。例如，本申请中使用的术语应该在本领域归属于这些术语的含义的上下文中广义地进行阅读。
对于不精确的术语，术语“约”和“大约”可以互换使用，表示测量值包括所述测量值并且还包括合理接近所述测量值的任何测量值。如相关领域的普通技术人员所理解和容易确定的，与所述测量值合理接近的测量值与所述测量值的偏差相当小。例如，此类偏差可能归因于测量误差、测量和/或制造设备校准的差异、读数和/或设置测量中的人为错误、与其他组件相关的测量差异而进行的微调以优化性能和/或结构参数，特定实现场景、人或机器对对象的不精确调整和/或操纵等。如果确定相关领域的普通技术人员不容易确定这种合理的小差异的值，则术语“约”和“大约”可以理解为表示所述值的正负10％。
此处使用某些术语只是为了方便起见。例如，“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“左”、“右”、“水平”、“垂直”、“向上”和“向下”等词仅描述图中所示的构造或零件在安装位置的取向。实际上，所引用的组件可以任何方向取向。类似地，在本公开中，当过程或方法被示出或描述时，该方法可以以任何顺序或同时进行，除非上下文清楚地说明该方法取决于首先执行的某些动作。
附图中给出并在说明书中描述的坐标系中“Y”轴对应于垂直方向，“X”轴对应于水平或横向方向，“Z”轴对应于内部/外部方向。
对各实施方式的描述
本公开涉及包括培养基质的培养系统。所述培养基质用于孢子的保留、培养和/或生长(例如，用于保留和维持藻类孢子并由其生长为成熟海藻)，以及相关方法和设备。在各种实例中，培养系统可操作地用于生长多细胞生物体(例如海藻)。在一些实施方式中，所述培养系统可操作地在开放水环境中生长多细胞生物体。
根据本公开的培养系统可用于多种应用，包括孢子捕获、孢子培养和生长以及孢子和/或配子体/孢子体的运输和沉积。在某些实施方式中，本文所述的培养基质可用作各海藻形式(例如孢子、配子体、孢子体)生长和培养的改良生长基质，得到相对于现有培养实践改进的产率和产量。
在一些实施方式中，所述培养系统包括培养基质，所述培养基质本身包括具有微观结构的原纤化材料，所述微结构包括限定出平均原纤维间距离的多个原纤维。图1是示出根据一些实施方式的包括原纤化材料的培养基质的微结构100的SEM显微照片。图1所示具有微结构100的原纤化材料是膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)。如图所示，微结构100由与节点104互相连接的多个原纤维102限定。原纤维102限定出原纤维间距离103。
原纤维102具有规定的平均原纤维间距离，在一些实施方式中，其可为约1μm至约200μm、约1μm至约50μm、约1μm至约20μm、约1μm至约10μm、约1μm至约5μm、约5μm至约50μm、约5μm至约20μm，约5μm至约10μm、约10μm至约100μm、约10μm至约75μm、约10μm至约50μm、约10μm至约25μm、约25μm至约200μm、约25μm至约150μm、约25μm至约100μm、约25μm至约50μm、约50μm至约200μm，约50μm到约150μm，约50μm到约100μm，约100μm到约200μm，约100μm到约150μm，或约150μm到约200μm。在一些实施方式中，原纤维102可具有约1μm、约2μm、约3μm、约4μm、约5μm、约10μm、约20μm、约30μm、约40μm、约50μm、约60μm、约70μm、约80μm、约90μm、约100μm、约110μm、约120μm、约130μm、约140μm、约150μm、约160μm、约170μm、约180μm、约190μm或约200μm的平均原纤维间距离。
图2是图1所示微观结构的较高放大倍数SEM显微照片。图2确定所选纤维间空间103的尺寸，以μm为单位。
图3是根据一些实施方式的SEM显微照片，其示出包括原纤化ePTFE材料的培养基质的另一微观结构。
图4是图3所示微观结构的较高放大倍数SEM显微照片。
至少一些原纤维102彼此充分间隔以将孢子保留在原纤维间空间103中。
图5是根据一些实施方式的培养基质微观结构示意图的透视图。如图所示，微结构500由多个孔502限定。
孔502可以是圆形、近似圆形或长圆形(oblong)。孔502可具有约1μm至约200μm、约1μm至约50μm、约1μm至约20μm、约1μm至约10μm、约1μm至约5μm、约5μm至约50μm、约5μm至约20μm，约5μm至约10μm、约10μm至约100μm、约10μm至约75μm、约10μm至约50μm、约10μm至约25μm、约25μm至约200μm、约25μm至约150μm、约25μm至约100μm、约25μm至约50μm、约50μm至约200μm，约50μm到约150μm，约50μm到约100μm，约100μm到约200μm，约100μm到约150μm，或约150μm到约200μm的直径或近似直径。在一些实施方式中，孔502可具有约1μm、约2μm、约3μm、约4μm、约5μm、约10μm、约20μm、约30μm、约40μm、约50μm、约60μm、约70μm、约80μm、约90μm、约100μm、约110μm、约120μm、约130μm、约140μm、约150μm、约160μm、约170μm、约180μm、约190μm或约200μm的直径或近似直径。
在一些实施方式中，图1的原纤维间空间103形成图5的孔502。即，具有多个原纤102的微结构100可形成多孔微结构500。然而，并非所有具有孔502的微结构500都是原纤化的。
所述培养基质的微观结构被构造为保留孢子和被保留的孢子生长成的配子体、孢子体，或其它生物体。在一些实施方式中，所述微观结构被构造为保留藻类孢子、藻类孢子体和/或配子体、植物孢子、幼苗、细菌内生孢子、真菌孢子或其组合。在一些实施方式中，所述培养基质保留多个孢子和/或由其生长成的生物体(例如，孢子体和/或配子体)。多个孢子和/或生物体可以全部是相同的类型，或者是两种或更多种不同的类型。在一些实施方式中，所述培养基质保留在一起培养或生长时显示共生关系的两种不同的孢子类型。为简单起见，本公开通篇将提及“孢子”，尽管由所述孢子生长成的配子体、孢子体、幼苗或其它生物体也在该术语范围并被认为落入本公开的范围。
在一些实施方式中，除了保留孢子之外，本公开的培养系统和基质促进保留的孢子的萌发和生长。也就是说，培养系统和基质可以有效地维持保留的孢子。在某些实施方式中，微结构被构造为不可移除地锚定至少一部分孢子。
例如，培养基质创造了有利于保留的孢子萌发和生长的微环境。在一些实施方式中，微观结构最初处于第一保留阶段，其中微观结构起到保留和维持目标孢子的作用。微观结构随后处于第二生长阶段，在该阶段诱导孢子萌发，并且由孢子长成的孢子苗(例如孢子体、配子体、幼苗等)在微观结构上向内生长和/或向内生长进入微观结构中，从而导致孢子苗与微观结构的机械耦合或锚定。因此，在一些实施方式中，微观结构被构造为不可移除地锚定萌发孢子，防止萌发孢子在例如运输或放置在实地(例如开放水域环境)期间导致的损失或环境因素(例如，电流)导致的损失。
在某些实施方式中，培养基质产生有利于目标孢子萌发和生长同时抑制同时抑制或防止非目标孢子或其他细胞的萌发、生长和/或增殖的选择性微环境。例如，可通过以下方式来实现选择性微环境：提供原纤维间距离和/或孔径、材料密度、原纤维间距离与材料平均密度之比、深度或厚度、疏水性以及是否存在营养源、水分、生物活性剂和粘合剂的组合，所述组合支持目标孢子的萌发和生长，同时抑制或防止非目标孢子或其它细胞的萌发、生长和/或增殖。
有几个因素可能影响孢子和由其长成的生物体的保留和/或有效维持。这些因素包括，例如，原纤维间距离和/或孔径、材料密度、原纤维间距离与材料平均密度之比、深度或厚度、疏水性以及是否存在营养源、水分、生物活性剂和粘合剂。下文将更详细地描述这些因素。
两个原纤之间的距离(即，原纤维间距离)限定了原纤间空间103。在一些实施方式中，原纤维间空间103(即原纤维间距离)足以将孢子保留在其中；孢子被保留在两个限定出原纤维间空间的原纤维之间。所述纤维间距离足以允许孢子的至少一部分进入限定出原纤维间空间103的两个原纤维之间。在一些实施方式中，从而将孢子保留在培养基质的微观结构中。图6是图2的照片的改进版，示出包含原纤化材料并覆盖有直径为约10μm(例如紫菜和海带孢子)或约30μm(例如，红皮藻孢子)的示例性孢子的培养基质的微观结构。图6示出目标孢子如何以及在何处进入限定出原纤维间空间的两个原纤维之间。
在一些实施方式中，控制平均原纤维间距离以促进至少部分孢子进入所述微结构。例如，如果希望微结构保留直径约为30μm的红皮藻(掌状红皮藻(Palmaria palmate))孢子，则微结构的平均原纤维间距离约为30μm或稍大(例如，约32μm至约35μm)。例如，如果希望微观结构保留直径各自约10μm的紫菜和海带孢子，则微观结构的平均原纤维间距离约为10μm或稍大(例如，约12μm至约15μm)。在一些实施方式中，可能希望保留多种物种(例如红皮藻、紫菜和海带)的孢子。在这种实施方式中，平均原纤维间距离足以允许多种物种孢子的至少一部分进入原纤维间空间并保留在那里。在一些实施方式中，目标孢子具有约0.5μm至约200μm的直径。
在一些实施方式中，大约一半的目标孢子可进入原纤维间空间103。在这种实施方式中，原纤维间空距离至少等于目标孢子的尺寸(例如，直径或宽度)。在一些实施方式中，原纤维间距离略大于目标孢子的尺寸。这允许整个孢子进入原纤维间空间103并保留在其中。
在一些实施方式中，超过一半的目标孢子(最高达全部孢子)可进入原纤维间空间103中。在这种实施方式中，进入原纤维间空间103的孢子部分可由孔的深度控制，孔的开口由原纤维间空间限定。孔的深度可以通过例如材料密度来控制。
在一些实施方式中，仅部分孢子进入原纤维间空间103中。因此，当原纤维间距离小于目标孢子的直径时，目标孢子可以仅部分进入原纤维间空间103。在目标孢子仅部分进入原纤维间空间103的情况下，如果足够的目标孢子部分进入原纤维间空间103，则目标孢子仍可被保留。在一些实施方式中，施加到微观结构的物质如粘合剂可以减少进入原纤维间空间103所需的孢子部分，以帮助保留。
在一些实施方式中，所述微观结构由非原纤化的材料形成。在某些实施方式中，孔开口502是培养基质的材料所固有的。可以理解不同的材料可具有不同的开孔特性，并且可以制造或以其他方式处理材料以提供所需的开孔特性。在其他实施方式中，孔开口502通过微钻孔技术形成，例如：机械微钻孔，例如超声波钻孔、喷粉或磨料水射流加工(AWJM)；热微钻孔，如激光加工；化学微钻孔，包括湿法蚀刻、深反应离子蚀刻(DRIE)或等离子蚀刻；以及混合微钻孔技术，例如火花辅助化学雕刻(SACE)、振动辅助微加工、激光诱导等离子体微加工(LIPMM)和水辅助微加工。
在其中微结构由非原纤化材料形成的那些实施方式中，孔开口502的作用非常类似于所述的原纤维间空间103并且具有足够的尺寸以允许目标孢子的至少一部分进入孔开口502。在一些实施方式中，从而将孢子保留在培养基质的微观结构中。在一些实施方式中，控制孔开口502的尺寸以促进至少部分目标孢子进入所述微结构。例如，如果希望微结构保留直径约为30μm的红皮藻(掌状红皮藻(Palmaria palmate))孢子，则微结构的孔开口502的直径约为30μm或稍大(例如，约32μm至约35μm)。在一些实施方式中，目标孢子具有约0.5μm至约200μm的直径。
在一些实施方式中，大约一半的目标孢子可进入孔开口502。在这种实施方式中，孔开口至少等于目标孢子的尺寸(例如，直径或宽度)。在一些实施方式中，孔开口略大于目标孢子的尺寸。这允许整个孢子进入孔开口502并保留在其中。在一些实施方式中，超过一半的目标孢子(最高达全部孢子)可进入孔开口502。在这种实施方式中，进入孔开口502的孢子部分可由孔的孔深度控制。孔的深度可以通过例如材料密度来控制。
在一些实施方式中，仅部分孢子进入孔开口502。因此，当孔开口小于目标孢子的直径时，目标孢子仅部分进入孔开口502。在目标孢子仅部分进入孔开口502的情况下，当足够的目标孢子部分进入孔开口时，目标孢子仍可被保留在其中。在一些实施方式中，施加到微观结构的物质如粘合剂可以减少进入孔开口302所需的孢子部分，以帮助保留。
在一些实施方式中，培养基质包括低密度材料。低密度材料可以是原纤化的或非原纤化的，并且在一些实施方式中，限定出培养基质的微观结构。低密度材料的密度可为约0.1g/cm3、约0.2g/cm3、约0.3g/cm3、约0.4g/cm3、约0.5g/cm3、约0.6g/cm3、约0.7g/cm3、约0.8g/cm3、约0.9g/cm3或约1.0g/cm3。在一些实施方式中，低密度材料的密度为约0.1g/cm3至约1g/cm3。
在一些实施方式中，低密度材料提供足够的孔深度以将孢子保留在原纤维间空间103或孔开口502中。
在一些实施方式中，孔开口的尺寸(长度(μm)和宽度(μm))(无论是由原纤化材料还是非原纤化材料形成)连同目标孢子进入孔的深度(μm)限定捕获率。每种孢子类型通过微观结构充分保留细胞所需的捕获率不同。所需的捕获率可能受构成微观结构的材料的特性以及是否存在营养物、粘合剂和/或生物活性剂的影响。
在一些实施方式中，低密度材料允许孢子增殖或以其他方式萌芽并生长成低密度材料。例如，当保留在具有本文所述微观结构的低密度材料中的红皮藻孢子发育成配子体再发育成孢子体时，红皮藻在所有三个维度(即，在水平的x和y维度以及深度z-维度)生长为低密度材料。这种三维生长能改善红皮藻配子体和孢子体的保留。
图7A和7B是根据一些实施方式的低密度微结构化材料在两个不同放大倍数下拍摄的横截面SEM显微照片，示出红皮藻三维向内生长到低密度材料中。图7C是使用光学荧光显微术产生的横截面显微照片，示出红皮藻向内生长到低密度材料中。
图8(顶图)是根据一些实施方式的低密度微结构化材料的表面的SEM显微照片。图8(下图)示出与上图相同的培养基质材料，用糖海带孢子播种并使其发芽。
图9示出在两个不同放大倍数下拍摄的微结构表面的SEM显微照片，其中可以清楚地看到红皮藻附着并生长到微结构中。图10示出微结构表面的荧光显微镜显微照片，红皮藻附着在该微结构上并生长到微结构中。观察到海藻生长将以“生长网络”的方式在全部三个维度生长进入微观结构。
从图7A-10的显微照片可以明显看出，红皮藻能够在全部三个维度上生长进入原纤化ePTFE的微观结构，将海藻牢固地固定在微观结构中。
相反，图11是示出在较高密度的原纤化材料表面上生长的红皮藻的显微照片。生长中的红皮藻无法生长进入更高密度的材料，而是仅附着在材料表面的原纤维上。这导致红皮藻配子体的保留相对于低密度材料较弱，在低密度材料中发育的红皮藻配子体被锚定。
在一些实施方式中，萌发的孢子深入生长至微观结构中。这种深入的向内生长和融入微观结构提供了萌发的孢子免受外部环境影响(例如，在海藻配子体的情况下海洋和洋流的影响)的额外益处。在一些实施方式中，萌发的孢子的穿透深度相对于孢子的初始尺寸(之比)为约1:1至约200:1。例如，对于初始直径约30μm的红皮藻孢子，红皮藻孢子体可生长进入微观结构中至约30μm至约6mm的深度。
在一些实施方式中，低密度材料具有足以允许期望水平的向内生长的厚度。在一些实施方式中，培养基质包括单层低密度材料。在一些实施方式中，培养基质包括两层或多层低密度材料。在某些实施方式中，两层或更多层存在于层压体中，即多层低密度材料的层压体中。
在一些实施方式中，具有微观结构的材料的原纤维间距离和密度限定了原纤化材料的平均纤维间距离(μm)与平均密度(g/cm3)之比。在一些实施方式中，原纤化材料的平均原纤维间距离(μm)与平均密度(g/cm3)之比可为约1:1、约10:1、约20:1、约30:1、约40:1、约50:1、约60:1、约70:1、约80:1、约90:1、约100:1、约125:1、约150:1、约175:1、约200:1、约225:1、约250:1、约275:1、约300:1、约325:1、约350:1、约375:1、约400:1、约425:1、约450:1、约475:1、约500:1、约550:1、约600:1、约650:1、约700:1、约750:1、约800:1、约900:1、约1000:1、约1250:1、约1500:1、约1750:1、或约2000:1。在一些实施方式中，原纤化材料的平均原纤维间距离(μm)与平均密度(g/cm3)之比为约1:1至约2000:1。
在一些实施方式中，培养基质包括一种或多种粘合剂。粘合剂可以施用于微结构的表面，在微结构内吸收，或同时施用于表面并在微结构内吸收。在一些实施方式中，粘合剂包括对于由培养基质的孢子来说特异性的一个或多个细胞粘合剂配体。
在一些实施方式中，本文所述的培养基质包括与培养基质的至少一部分相结合的营养相。所述营养相用于有效维持被培养基质保留的孢子和萌发的孢子。在一些实施方式中，所述营养相促进微观结构内保留的孢子的萌发和生长。在一些实施例中，营养相起到维持和/或鼓励附着到微结构、向内生长或在微结构内整合的作用。
在一些实施方式中，营养相充当能够将孢子吸引到培养基质的预定位置的化学引诱剂，所述营养相施加到所述预定位置或所述预定位置包括所述营养相。
所述营养相可位于培养基质的微观结构内、微观结构上(例如，在其表面上)，或同时位于微观结构内和微观结构上。在一些实施方式中，所述营养相作为涂层施加到培养基质的表面。在一些实施方式中，所述营养相被包括在形成微结构的材料内。当营养相被包含在形成微观结构的材料中时，所述营养相可促进向微结构的向内生长或微结构内的整合。
在一些实施方式中，所述营养相包括至少一种营养素，所述营养素有益于被所述培养基质保留的目标孢子和得到的萌发孢子。例如，当孢子被微结构保留时，营养相可包括支持萌发的红皮藻孢子生长和健康的大量营养素(例如氮、磷、碳等)、微量营养素(例如铁、锌、铜、锰、钼等)和维生素(例如维生素B12、硫胺素、生物素)。营养相的营养素可以以各种形式提供。例如，氮可以硝酸铵(NH4NO3)、硫酸铵((NH4)2SO4)、硝酸钙(Ca(NO3)2)、硝酸钾(KNO3)、尿素(CO(NH2)2)等形式提供。本领域技术人员将认识到哪些营养素包括在营养相中是有益的，从而有效维持被培养基质的孢子和得到的萌发孢子。
营养相包括哪些营养素取决于哪些孢子被培养基质保留(因为各种类型孢子和萌发孢子有不同的营养需求)以及培养基质的预期用途。例如，如果将保留孢子和/或萌发孢子的培养基质引入缺乏必需营养素的环境中，则孢子/萌发孢子所需的所有营养素可包括在营养相中。如果将保留孢子和/或萌发孢子的培养基质引入具有至少一种必需营养素的环境中，则这些环境可得的必需营养素可从营养相中排除或以较低浓度包含在营养相中。培养基质还可以通过捕获微观结构中的环境营养物起作用，来浓缩环境中的营养物。这在环境营养素仅以低浓度存在的环境中可能是有利的。
在一些实施方式中，如本文其他地方进一步描述的，所述培养系统可用于将保留的孢子/萌发孢子从一个位置运输到另一个位置。当培养系统起到运输系统的作用时，营养相可包括足够水平的营养素，以在运输过程中有效支持保留的孢子/萌发孢子。在一些实施方式中，营养相可包括足够水平的营养素，以在将保留的孢子/萌发孢子引入新环境之后，在运输后有效维持保留的孢子/萌发孢子。
在一些实施方式中，营养相包括一种或多种载体。载体可包括例如液体载体、凝胶载体和水凝胶载体。在一些实施方式中，营养相的载体是粘合剂。包括粘合剂作为营养相的载体可以确保营养相保持在培养基质上和/或生培养基质内。将营养相施加到培养基质的表面并包括作为载体的粘合剂时，营养面也可用于促进孢子在微观结构内的保留。
在一些实施方式中，营养相被配制成控制营养素的释放速率。
在一些实施方式中，培养基质进一步包含与微观结构相结合的盐。在一些实施方式中，所述盐为氯化钠(NaCl)。与微观结构相关的盐可以为保留的孢子/萌发孢子产生并维持盐微环境。当海藻和海洋植物被培养基质保留时这可能是特别有利的。在一些实施方式中，当培养基质浸入淡水中时可维持培养基质的盐微环境，从而有效维持海洋物种并避免对维持盐培养环境的需要，这是困难且昂贵的。
在一些实施方式中，培养基质包括与培养基质的至少一部分相结合的含液体相。含液体相用于在微观结构的微环境中提供和维持水分，这可能有利于保留在其中的孢子/萌发孢子的有效维持。
在一些实施方式中，培养基质包括液体芯吸材料。液体芯吸材料可以是形成微观结构的相同材料。液体芯吸材料的功能是在微结构的微环境中保持水分。
虽然孢子和内生孢子可以在干燥环境中有效维持，但萌发孢子通常需要水分才能生长和/或增殖。通过保持湿润的微环境(例如，通过包括含液体的基质和/或液体芯吸材料)，可以在不必将培养基质保持在水性环境中的情况下运输保留有孢子/萌发孢子的培养基质。
在一些实施方式中，含液体相被夹带在微观结构内、微观结构上，或同时被夹带微观结构内和微观结构上。在一些实施方式中，所述含液体相作为涂层施加到培养基质的表面。
在一些实施方式中，含液体相包括例如水凝胶、浆液、糊剂或水凝胶、浆液和/或糊剂的组合。在一些实施方式中，含液体相是营养相的载体。
在一些实施方式中，培养基质的至少一部分是亲水性的。培养基质的该亲水性部分有利于微观结构保持孢子的能力。
在一些实施方式中，培养基质的至少一部分是疏水性的。培养基质的该疏水性部分可能减少或防止或阻碍孢子的保留。这有利于减少或防止不希望的孢子或其它细胞的生物污染和附着。
在一些实施方式中，培养基质的一个或多个部分是疏水性的，并且培养基质的一个或多个部分是亲水性的，从而选择性地鼓励孢子保留在培养基质的一个或多个亲水部分中。
在一些实施方式中，培养基质可包括与所述培养基质相结合的一种或多种生物活性剂。生物活性剂包括对与该剂接触的细胞或生物体具有正或负效应的任何试剂。合适的生物活性剂可包括例如杀生物剂和血清。杀生物剂可与微结构的部分相结合，以防止不需要的细胞或生物体附着和生长进入微结构的那些部分。不需要的细胞可包括非目标细胞，例如细菌、酵母和藻类。杀生物剂也可以阻止害虫，如昆虫。在一些实施方式中，杀生物剂防止目标孢子附着和生长进入不需要附着和生长的生物界面部分。在一些实施例中，血清可施用于培养基质的部分。血清有利于孢子附着和保留和/或促进孢子萌发或生长。血清可包括例如细胞粘附配体，以及提供生长因子、激素和附着因子的来源。
在一些实施方式中，对培养基质的微观结构进行图案化。通过对微观结构进行特定图案化，可以在微观结构的所述部分特异性地保留目标孢子，同时在其他部分排除细胞。
在一些实施方式中，微结构包括高密度部分和低密度部分的图案。在这种构造中，较低密度部分对应于微结构的一部分，该微结构被构造为保留并有效维持目标孢子，而较高密度部分抑制或防止细胞的保留。密度图案可以扩展到任何维度。例如，高密度/低密度图案可在培养基质的x维度或y维度中延伸，或在z维度中延伸。当在z维度中延伸时，最外层通常将是低密度部分，其被构造为保留并有效维持目标孢子。下面的部分可以具有更高的密度，或者可以具有比最外面部分更低的密度。如果下面的部分密度较高，则会抑制或阻止萌发孢子的向内生长。如果下面的部分密度比最外面部分低，则会鼓励或促进萌发孢子的向内生长。在一些实施方式中，z维度中的密度图案或梯度源自具有不同密度的微结构材料的同心缠绕，或源自其中具有不同密度的各层状体的层压体构造。在一些实施方式中，密度图案可以在二维或全部三维中延伸。在一些实施方式中，部分微结构具有密度梯度。
密度可以通过多种方式测量，例如，包括测量材料的尺寸和重量。此外，还可以进行润湿实验以得出密度值。例如，可以通过改变原纤维间距离、每单位体积的原纤维数量、每单位体积的孔数量和孔径来改进密度。
在一些实施方式中，较低密度部分以约1.0g/cm3或更小的材料密度为特征，而较高密度部分以约1.7g/cm3或更大的密度为特征。如图7A-7C和11所示，萌发孢子的附着和保留(图中所示为红皮藻孢子体)可能会受到微观结构材料密度的显著影响，较低密度材料(即约1.0g/cm3或更低)显示出改善的向内生长和保留。
在一些实施方式中，密度是形成微观结构的材料本身的密度，即不含任何夹杂物，如营养相、含液体相等。
在一些实施方式中，密度是材料和夹杂物(例如营养相、含液相或改变密度的填料)的密度。在一些实施方式中，部分微结构填充有填料以改变密度，从而改变该部分微结构保留孢子和/或防止向内生长进入微结构的能力。
在一些实施方式中，培养基质包括具有较高孔隙率部分和较低孔隙率部分图案的材料。在一些实施方式中，较低孔隙率部分对应于被构造为保留并有效维持目标孢子的部分微结构。在一些实施方式中，较高孔隙率部分对应于被构造为保留并有效维持目标孢子的部分微结构。
在一些实施方式中，所述培养基质包括较大原纤维间距离部分和较低纤维间距离部分的图案。在一些实施方式中，较低原纤维间距离部分对应于被构造为保留并有效维持目标孢子的部分微结构。在此类实施方式中，较高的原纤维间距离部分的纤维间距离太大不能保留目标孢子。在一些实施方式中，较高原纤维间距离部分对应于被构造为保留并有效维持目标孢子的部分微结构。在此类实施方式中，较低的原纤维间距离部分的原纤维间距离太小不能保留目标孢子。
在一些实施方式中，通过控制密度、孔隙率和平均原纤维间距离中的至少两个来产生图案化培养基质的图案。在一些实施方式中，图案化的培养基质的图案，无论涉及密度、孔隙率、平均原纤维间距离或其组合，都可以是组织化的或选择性的图案，或者可以是无规图案。
在一些实施方式中，可通过选择性施加纵向张力来设置或调整图案。通过施用纵向张力来设置或调整图案使得技术人员可以机械地改变图案。在一些实施方式中，可通过选择性施加纵向张力来设置或调整原纤化材料中的图案。
在一些实施方式中，图案化的培养基质包括具有两个或多个有利于孢子保留的特征的部分。例如，图案化的培养基质可以具有低密度(即，约1.0g/cm3或更小)的部分和选择用于保留目标孢子的平均原纤维间距离(例如，对于红皮藻孢子约30μm)。这些相同部分还可以是亲水性的和/或包括营养相、粘合剂和生物活性剂中的一种或多种。例如，可以对密度、原纤维间距离、疏水性、营养相、粘合剂和生物活性剂分别进行选择，以优先保留目标孢子。
在一些实施方式中，培养基质被构造为纤维、膜、织造制品、非织造制品、编织制品、织物、针织制品、颗粒分散体或其组合。图12是根据某些实施方式的培养基质的照片，其中培养基质被构造为织造制品。如图12所示，所述织造制品的每一条线包括微观结构。在这种构造中，目标孢子不仅可以沿着线的深度生长和增殖，还可以在织造线之间的空间生长。在红皮藻的例子中，当海藻围绕织造线生长时，这可以提供额外的机械保持能力。
在一些实施方式中，培养系统包括背衬层、载体层、多个层的层压体、复合材料或其组合中的至少一个。培养基质可以沉积在背衬层或载体层上，或者包括在层压体中。例如，背衬层可以是绳或金属线缆。例如，当培养基质保留和有效维持海藻孢子时，培养基质可以沉积在绳索或金属线缆上，以产生种子绳，从而无需实地用种子线缠绕绳索进行海藻的开放水域绳索培养。
在一些实施方式中，具有微观结构本身的材料具有足够的强度，可以作为传送带在保留的孢子的各个生长阶段(包括收获萌发孢子)移动。在一些实施方式中，具有微观结构的材料沉积在背衬层、载体层上，或形成层压体，以产生具有足够强度的培养系统，所述培养系统作为传送带在保留的孢子的各个生长阶段(包括收获萌发孢子)移动。
在一些实施方式中，培养基质被构造为颗粒分散体。微观结构由分散体中的多个粒子提供，所述分散体经配制用于沉积到背衬层或载体基质上以形成培养系统。例如，颗粒可以是具有本文所述微观结构的纤维、膜、织造制品、非织造制品、编织制品、织物或针织制品的切碎的或以其它形式弄碎的碎片。在一些实施方式中，孢子在沉积到背衬层或载体基质上之前与所述颗粒接触。在一些实施方式中，孢子在沉积到背衬层或载体基质上之后与所述颗粒接触。可通过例如喷涂、浸涂、刷涂或其他涂覆方式将颗粒分散液沉积到背衬层或载体基质上。在沉积前孢子保留在颗粒微结构中的实施方式中，必须注意确保沉积方法不会对保留孢子产生负面影响。以这种方式孢子和内生孢子可以更具有弹性并且能经受沉积。
在一些实施方式中，培养基质包含膨胀含氟聚合物。在一些实施方式中，膨胀含氟聚合物形成培养基质的微观结构。在一些实施方式中，所述膨胀含氟聚合物为下组中的一种：膨胀含氟乙烯丙烯(eFEP)、多孔全氟烷氧基烷烃(PFA)、膨胀乙烯四氟乙烯(eETFE)、膨胀偏氟乙烯-共-四氟乙烯或三氟乙烯聚合物(eVDF-共-(TFE或TrFE))、膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)和改性ePTFE。合适的膨胀含氟聚合物的例子包括氟化乙烯丙烯(FEP)、多孔全氟烷氧基烷烃(PFA)、聚酯砜(PES)、美国专利公开第2016/0032069号教导的聚对二甲苯(ePPX)，Sbriglia的美国专利第9,926,416号教导的超高分子量聚乙烯(eUHMWPE)，Sbriglia的美国专利第9,932,429号所述的乙烯四氟乙烯(eETFE)，Sbriglia等的美国专利第7,932,184号所述的聚乳酸(ePLLA)，Sbriglia的美国专利第9,441,088号教导的偏氟乙烯-四氟乙烯或三氟乙烯[VDF-co-(TFE或TrFE)]聚合物。
在一些实施方式中，膨胀含氟聚合物包括营养相。这可通过在含氟聚合物挤出和膨胀之前将营养相与含氟聚合物树脂共混来实现。
在一些实施方式中，培养基质包含膨胀热塑性聚合物。在一些实施方式中，膨胀热塑性聚合物形成培养基质的微观结构。在一些实施方式中，所述膨胀热塑性聚合物选自下组：膨胀聚酯砜(ePES)、膨胀超高分子量聚乙烯(eUHMWPE)、膨胀聚乳酸(ePLA)和膨胀聚乙烯(ePE)。
在一些实施方式中，培养基质包含膨胀聚合物。在一些实施方式中，膨胀聚合物形成培养基质的微观结构。在一些实施方式中，膨胀聚合物是膨胀聚氨酯(ePU)。
在一些实施方式中，膨胀聚合物包括营养相。这可通过在聚合物膨胀之前将营养相与含氟聚合物树脂共混来实现。
在一些实施方式中，培养基质包含由膨胀化学气相沉积(CVD)形成的聚合物。在一些实施方式中，膨胀CVD形成的聚合物形成培养基质的微观结构。在一些实施方式中，通过膨胀CVD形成的聚合物为聚对二甲苯(ePPX)。
在一些实施方式中，本文描述的培养系统可用于萌发孢子。孢子在预定条件下与培养基质接触足够长的时间，所述培养基质具有保留和有效维持保持孢子的所需特性，直到至少一些孢子保留在培养基质的微观结构内。在一些实施方式中，当孢子被培养基质保留时，培养基质可以在有利于孢子萌发和萌发孢子生长的培养基中培养。在其他实施方式中，培养系统本身至少在一段时间内(例如，在临时运输期间)提供有利于孢子萌发和萌发孢子生长的微环境。
在一些实施方式中，本文所述的培养基质可用作由孢子生长为多细胞生物体的生长基质。例如，培养基质可用于支持海藻从孢子到成熟海藻的生长。在一些实施方式中，将成熟为多细胞生物体的孢子在预定条件下与培养基质接触足够长的时间，该培养基质具有用于保留和有效维持孢子并支持由其生长为多细胞生物体所需的特性，直到至少一些孢子保留在培养基质的微观结构中。
在一些实施方式中，将海藻孢子引入培养基质的微观结构中，并且以类似于传统培养线的方式允许配子体和孢子体成熟，其中孢子在实验室环境中被引入培养基质。或者，可以将孢子引入实地(即海藻养殖场)的培养基质的微观结构中。这是由于培养基质的微观结构的保留特性而实现的。通过将具有当前所述微观结构的材料(其中保留或不保留孢子)沉积在实地的绳索、线缆或其它支撑物上，可以跳过将培养线缠绕在绳索上的传统步骤。这可以在由分散体中的多个颗粒提供微观结构的情况下实现。
在其他实施方式中，将海藻孢子体和/或配子体直接引入培养基质的微观结构中。与孢子播种相比，这种直接播种可以减少产生培养线所需的实验室时间。
传统上，培养线是在实验室环境中使用灭菌海水进行保持和培养的。通过在微观结构中加入足够的盐，通过在微观结构中提供盐微环境，本申请的培养基质避免了需要灭菌海水循环所需的昂贵和繁琐系统。在一些实施方式中，培养基质和保留的孢子保持在标准海藻培养罐中，其中营养素通过无菌海水输送。通过在微观结构内包括足以支持海藻生长的营养相，可以消除向生长中的海藻提供外部营养的需要。
培养线必须小心地在海水中运输，同时避免碰撞，以防止配子体和孢子体从线上脱落。相反，本文描述的培养系统允许配子体和孢子体在没有海水的情况下安全运输。这可以通过在微观结构中加入盐和含液体相来实现，这提供了具有足够的水分的盐微环境，从而在运输过程中支持幼年海藻。此外，由于幼年海藻能够生长进入微观结构中，而不是简单地浅表附着在(例如培养线)表面上，因此分离造成的损失最小化。这种有益的影响适用于海藻养殖场，那里的海流可能会使弱固定幼年海藻分离。
实施例
实施例1–多孔聚乙烯
在2种多孔聚乙烯基膜上进行红皮藻和海带培养试验。
膜1是一种凝胶处理的聚乙烯膜，宽500毫米，厚30微米，面积密度为18.1g/m2，孔隙率约为36％。随后，通过设置为120摄氏度的热风干燥器，以2:1的拉伸比和4.3％/秒的拉伸速率沿机器方向拉伸该条带。然后在130℃的烘箱中以4.7:1的比例进行横向拉伸，拉伸速率为15.6％/秒。根据ASTM D412测试，所得膜具有以下特性：宽度为697毫米，厚度为14微米，孔隙率为66％，机器方向和横向方向最大载荷分别为7.65牛顿x 6.23牛顿，最大载荷下的伸长率分别为25.6％x 34.3％。膜的格里时间(Gurley Time)为15.7秒。格里时间定义为100立方厘米(1分升)的空气在4.88英寸水(0.176psi)的压差下通过1.0平方英寸的给定材料所需的秒数(ISO 5636-5:2003)。
膜2是从圣戈班市(Saint Gobain)购得的多孔聚乙烯，等级为UE 1微米实验室滤盘。膜2的微观结构如图13所示。
将膜样品固定在直径为2英寸的PVC杯上。在播种之前，所有样品都喷洒酒精并用淡水冲洗。播种通过将孢子溶液倒在样品上并使孢子沉淀到基质表面来完成。样本被播种在10加仑罐中，每周更换海水。第2周后，红皮藻样品被转移到40加仑的玻璃纤维罐中。海带在10加仑罐中培养。所有培养物均接受通气。在播种后2个月植物可见时拍摄样品。
所有红皮藻样品均用淡水轻轻冲洗，然后在评估前浸入海水中，以清除任何污垢。膜1和膜2均显示出健康的红皮藻幼苗的中密度至高密度生长(见图14)。膜1显示出比膜2更高的植物生长密度。膜1和膜2均表现出较强的幼苗附着性和稳定性。
拍照前，用海水轻轻冲洗海带样品。膜1和膜2均显示出健康的海带幼苗的中密度至高密度生长(见图15)。膜1显示出比膜2更高的植物生长密度。膜1和膜2均表现出较强的幼苗附着性和稳定性。
实施例2-图案化膜
根据某些实施方式，以低孔隙率和高孔隙率的大方形区域生成基于含氟聚合物的图案化膜。图案采用“棋盘”设计形式。
将膜样品固定在直径为2英寸的PVC杯上。在播种之前，所有样品都喷洒酒精并用淡水冲洗。播种通过将孢子溶液倒在样品上并使孢子沉淀到基质表面来完成。样本被播种在10加仑罐中，每周更换海水。第2周后，红皮藻样品被转移到40加仑的玻璃纤维罐中。海带样品在10加仑罐中培养。所有培养物均接受通气。在播种后2个月植物可见时拍摄样品。
所有红皮藻样品均用淡水轻轻冲洗，然后在评估前浸入海水中，以清除任何污垢。参考图16，棋盘图案显示了植物密度的巨大差异，高孔隙率(白色)正方形支撑健康、高密度的强附着植物覆盖层，而低孔隙率(透明)正方形显示了非常低密度的植物覆盖层。
拍照前，用海水轻轻冲洗海带样品。参考图17，棋盘图案显示了植物密度的巨大差异，高孔隙率(白色)正方形支撑健康、高密度的强附着植物覆盖层，而低孔隙率(透明)正方形显示了非常低密度的植物覆盖层。
实施例3–直接孢子体播种
将先前处于诱导条件下的幼糖海带孢子体在没有任何粘合剂的情况下播种到本公开的宽度为4mm的实验膜和直径为2mm的编织聚酯对照物上。幼年孢子体的附着在播种后19天进行评估。证明孢子体在两种基质上都有附着和生长。图18示出本公开膜上健康的孢子体生长。
为了量化对两种基质的附着强度，对附着在各基质上的20个或更多孢子体进行了1到5的评分，其中1表示非常弱的附着，5表示非常强的附着。大多数附着在编织聚酯对照物上的孢子体被评为“1”，附着性非常弱。大多数附着在实验膜上的孢子体被评为“5”，附着性非常强。两种基质之间的附着强度的差异进一步通过附着在实验膜上的孢子体能在用镊子进行搬运和移动的同时保持附着在基质上来证明。附着在编织聚酯对照物上的孢子体不能在未与基质分离的情况下被处理、移动甚至搅拌。
上文中已经概括性地并且结合具体实施方式描述了本申请的发明。对本领域的技术人员来说显而易见的是，可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下，对本文所述的实施方式进行各种修改和变动。因此，实施方式旨在覆盖对本发明的这些修改和变动，只要这些修改和变动在所附权利要求及其等同方案的范围之内。

Claims (53)

1.一种培养系统，所述培养系统包括具有微观结构的培养基质，所述培养系统被构造为保留和有效维持孢子，所述微观结构的特征在于平均原纤维间距离最高达200μm并且可以等于200μm。
2.一种培养系统，所述培养系统包括具有微观结构的培养基质，其中所述培养系统的至少一部分被构造为保留并有效维持所述微观结构，所述微观结构被构造为在所述培养基质的微观结构内至少部分保留孢子，所述微观结构的特征是平均孔径高达200μm，并且可以等于200μm。
3.如权利要求1所述的培养系统，其中所述微观结构的特征在于平均原纤维间距离为1-200μm。
4.如权利要求1或2所述的培养系统，其中所述微观结构的特征在于平均孔径为1-200μm。
5.如权利要求1-4中任一项所述的培养系统，其中所述培养系统还包括与所述培养系统的至少一部分相结合的营养相。
6.如权利要求5所述的培养系统，其中所述营养相的至少一部分位于所述培养基质内、位于所述培养基质上、或同时位于所述培养基质内和培养基质上。
7.如权利要求5所述的培养系统，其中所述营养相作为培养基质表面上的涂层存在。
8.如权利要求5-7中任一项所述的培养系统，其中所述营养相充当化学引诱剂以选择性地将孢子吸引到培养基质的预定位置，所述营养相应用至所述预定位置或所述预定位置包括所述营养相。
9.如权利要求5-8中任一项所述的培养系统，其中所述营养相被构造为i)促进微观结构内孢子的萌发和生长，和/或ii)通过孢子维持和/或促进微观结构内的附着和整合。
10.如权利要求1-9中任一项所述的培养系统，所述培养系统还包括与所述培养系统的至少一部分相结合的含液体相。
11.如权利要求10所述的培养系统，其中所述含液体相的至少一部分被夹带在所述微观结构内、被夹带在所述微观结构上、或同时被夹带在所述微观结构内和微观结构上。
12.如权利要求10或11所述的培养系统，其中所述含液体相作为培养基质表面上的涂层存在。
13.如权利要求10至12中任一项所述的培养系统，其中所述含液体相包括水凝胶、浆液、糊剂或它们的组合。
14.如权利要求1-13中任一项所述的培养系统，所述培养系统还包括由培养基质的微观结构保留的多个孢子和/或萌发后孢子。
15.如权利要求1至14中任一项所述的培养系统，其中所述培养基质包括具有微观结构的原纤化材料，所述微观结构包括限定出平均原纤维间距离的多个原纤维。
16.如权利要求1至15中任一项所述的培养系统，其中所述培养基质的微观结构被构造为保留平均孢子尺寸高达200μm且可以等于200μm的孢子。
17.如权利要求1至16任一项所述的培养系统，其中所述孢子包括藻类孢子。
18.如权利要求1至16任一项所述的培养系统，其中所述孢子包括真菌孢子。
19.如权利要求1至16任一项所述的培养系统，其中所述孢子包括植物孢子。
20.如权利要求1至19任一项所述的培养系统，所述培养基质包括平均密度为0.1至1.0g/cm3的材料。
21.如权利要求20所述的培养系统，所述培养基质包括包含所述材料的生长培养基，并且所述原纤化材料的平均原纤维间距离(μ”m)与平均密度(g/cm3)之比为1至2000。
22.如权利要求1至21任一项所述的培养系统，所述培养基质构造为纤维、膜、织造制品、非织造制品、编织制品、针织制品、织物、颗粒分散体，或上述两种或多种的组合。
23.如权利要求1至22任一项所述的培养系统，所述培养基质包括背衬层、载体层、多个层的层压体、复合材料中的至少一个，或其组合。
24.如权利要求1-23中任一项所述的培养系统，其中所述培养基质的至少一部分是亲水性的。
25.如权利要求1-24中任一项所述的培养系统，其中所述培养基质的至少一部分是疏水性的。
26.如权利要求1-25中任一项所述的培养系统，其中所述培养基质的一个或多个部分是疏水性的，并且所述培养系统的一个或多个部分是亲水性的，使得培养系统被构造为选择性地促进孢子保留在培养基质的一个或多个亲水性部分中。
27.如权利要求1-26中任一项所述的培养系统，其中所述培养基质包含膨胀含氟聚合物。
28.如权利要求1所述的培养系统，所述膨胀含氟聚合物为下组中的一种：膨胀含氟乙烯丙烯(eFEP)、多孔全氟烷氧基烷烃(PFA)、膨胀乙烯四氟乙烯(eETFE)、膨胀偏氟乙烯-共-四氟乙烯或三氟乙烯聚合物(eVDF-共-(TFE或TrFE))和膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)。
29.如权利要求1-26中任一项所述的培养系统，其中所述培养基质包含膨胀热塑性聚合物。
30.如权利要求29所述的培养系统，所述膨胀热塑性聚合物为下组中的一种：膨胀聚酯砜(ePES)、膨胀超高分子量聚乙烯(eUHMWPE)、膨胀聚乳酸(ePLA)和膨胀聚乙烯(ePE)。
31.如权利要求1-26中任一项所述的培养系统，其中所述培养基质包含膨胀聚合物。
32.如权利要求31所述的培养系统，所述膨胀聚合物为膨胀聚氨酯(ePU)。
33.如权利要求1至26中任一项所述的培养系统，所述培养基质包含由膨胀化学气相沉积(CVD)形成的聚合物。
34.如权利要求33所述的培养系统，所述培养基质为膨胀聚对二甲苯(ePPX)。
35.如权利要求1至34中任一项所述的培养系统，所述培养系统还包含与所述培养基质相结合的生物活性剂。
36.如权利要求1至35中任一项所述的培养系统，所述培养系统还包括施加至所述培养基质表面的粘合剂、吸入培养基质的微观结构内的粘合剂，或同时施加到所述培养基质表面并吸入培养基质的微观结构内的粘合剂。
37.如权利要求1至37中任一项所述的培养系统，所述培养系统还包含与所述培养基质相结合的盐。
38.如权利要求37所述的培养系统，所述盐是氯化钠(NaCl)。
39.如权利要求1-38中任一项所述的培养系统，所述培养基质包括较高密度部分和较低密度部分的图案，与所述培养基质的一部分相对应的较低密度部分被构造为将孢子至少部分保留在所述培养基质的微观结构中。
40.如权利要求39所述的培养系统，其中所述较低密度区域的特征在于密度小于或等于1g/cm3，所述较高密度部分的特征在于密度大于或等于1.7g/cm3。
41.如权利要求1-40中任一项所述的培养系统，所述培养基质包括较高孔隙率部分和较低孔隙率部分的图案，与所述培养基质的一部分相对应的较低孔隙率部分被构造为将孢子至少部分保留在所述培养基质的微观结构中。
42.如权利要求1-40中任一项所述的培养系统，所述培养基质包括较高孔隙率部分和较低孔隙率部分的图案，与所述培养基质的一部分相对应的较高孔隙率部分被构造为将孢子保留在所述培养基质的微观结构中。
43.如权利要求1-42中任一项所述的培养系统，所述培养基质包括较高原纤维间距离部分和较低原纤维间距离部分的图案，与所述微结构的一部分相对应的较低原纤维间距离部分被构造为将孢子保留在所述培养基质的微结构中。
44.如权利要求1-42中任一项所述的培养系统，所述培养基质包括较高原纤维间距离部分和较低原纤维间距离部分的图案，与所述培养基质的一部分相对应的较高原纤维间距离部分被构造为将孢子保留在所述培养基质的微结构中。
45.如权利要求43或44所述的培养系统，其中所述图案为组织化的或选择性的图案。
46.如权利要求43或44所述的培养系统，其中所述图案为无规图案。
47.如权利要求1-46中任一项所述的培养系统，其中所述微观结构最初处于第一保留相以保留孢子，随后处于第二生长相以诱导孢子在微观结构上向内生长为孢子苗和/或向内生长进入微结构，从而将孢子苗与微观结构机械结合。
48.如权利要求1-47中任一项所述的培养系统，其中所述营养素被构造为通过无菌海水输送。
49.如权利要求1-48中任一项所述的培养系统，其中所述微观结构被构造为不可移除地锚定各孢子的一部分。
50.如权利要求1-49中任一项所述的培养系统，其中所述微观结构被构造为不可移除地锚定萌发后孢子。
51.如权利要求1-50中任一项所述的培养系统，其中所述培养基质由分散体中的多个颗粒提供，所述分散体被配制用于沉积到背衬层或载体基质上。
52.一种培养海藻的方法，所述方法包括使海藻孢子、配子体或孢子体种群与权利要求1-51中任一项所述的培养系统接触，直到所述培养系统保留至少一部分海藻孢子、配子体或孢子体种群。
53.如权利要求52所述的方法，所述方法包括将所述培养系统放置在开放水域环境中，所述培养系统包括海藻孢子、配子体或孢子体种群的一部分。
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