華盛頓大學(xué)創(chuàng)新無模具3D打印技術(shù)，將咖啡渣轉(zhuǎn)化為生物復(fù)合材料

2025年2月19日，南極熊獲悉，華盛頓大學(xué)(UW)的研究人員推出了一種 3D 打印基于菌絲體的生物復(fù)合材料的新方法，從而無需使用傳統(tǒng)模具。

新方法由 Danli Luo、JunchaoYang 和 Nadya Peek 共同開發(fā)，使用一種名為Mycofluid 的專門的 3D 打印糊劑、一種名為Fungibot的定制 3D 打印系統(tǒng)，以及一種允許菌絲體在打印結(jié)構(gòu)內(nèi)生長的工藝流程。

相關(guān)研究以題為“3D-Printed Mycelium Biocomposites:Method for 3D Printing and Growing Fungi-Based Composites”的論文發(fā)表在《3D 打印和增材制造》雜志上，重點介紹了這種方法如何在不影響功能的情況下提供比傳統(tǒng)制造更可持續(xù)的替代方案。

論文鏈接：https://doi.org/10.1089/3dp.2023.0342

菌絲生物復(fù)合材料具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疏水性，但剛性模具限制了設(shè)計靈活性。研究小組表示，使用針織或編織等柔性模板的嘗試會導(dǎo)致材料分布不均勻和結(jié)構(gòu)不一致。Luo說：“我們有興趣將這一技術(shù)擴(kuò)展到其他生物衍生材料，例如其他形式的食品垃圾。我們希望廣泛支持這種靈活的發(fā)展，而不僅僅是為塑料垃圾這一重大問題提供一種解決方案。”

△這個小玻璃杯周圍的包裝材料是用廢棄的咖啡渣 3D 打印而成的。圖片來自 UW。

可持續(xù)且經(jīng)濟(jì)實惠的替代方案

據(jù)研究團(tuán)隊介紹，3D 打印可以將材料直接沉積成定制形狀，減少對模具的依賴，但致密的基質(zhì)會阻礙菌絲體的定植。

這就是 Mycofluid 的作用所在。這種生物糊劑主要由廢咖啡渣制成，占固體含量的 73%，并與糙米粉（作為營養(yǎng)物質(zhì)）和黃原膠（作為粘合劑）混合。物料配置平衡了顆粒度、粘度和高效滅菌，成為 3D 打印應(yīng)用的實用選擇。由于咖啡渣已廣泛用于小規(guī)模蘑菇種植，因此新方法充分利用了豐富的廢棄資源。

△評估材料可打印性的方法。使用 10 毫升注射器來可視化由咖啡渣、糙米粉、谷物菌種和黃原膠 (XG) 制成的 Mycofluid 的可打印性�？� 3D 打印的糊狀物應(yīng)保持獨立位置并略微傾斜，這表明彈性和水分含量的平衡恰到好處。太干的糊狀物在擠壓過程中可能會斷裂，而太濕的糊狀物在 3D 打印分層過程中可能無法支撐自身。比例尺：10 毫米。

為了打印 Mycofluid，研究團(tuán)隊開發(fā)了 Fungibot，這是一種專為濕敏性生物材料設(shè)計的開源 3D 打印系統(tǒng)。它包括一個材料儲存器和一個輕型螺旋擠壓打印頭，可以控制生物糊劑的沉積方式。整個裝置的成本約為 1,700 美元，比超過 7,000 美元的商業(yè)替代品便宜得多。

△Fungibot由一個材料儲存器（頂部）和一個安裝在桌面運(yùn)動平臺上的螺旋擠出機(jī)（底部）組成，材料儲存器通過電動柱塞輸送生物糊劑。

打印完成后，結(jié)構(gòu)會經(jīng)歷一個孵化期，在此期間菌絲會定植。研究人員選擇靈芝（Ganodermalucidum）谷物菌種作為接種劑，因為它具有抗微生物污染的能力。在適當(dāng)?shù)臈l件、適當(dāng)?shù)臐穸�、空氣交換和低光照下，菌絲體會擴(kuò)散到印刷材料的各個部分，并在生長過程中增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

這種方法的一個關(guān)鍵特征是生物焊接，其中活菌絲體將單獨的打印部件融合在一起，從而形成復(fù)雜的幾何形狀。演示包括摩艾石像、堆疊花瓶和可生物降解的包裝。還打印了一個蝴蝶大小的迷你棺材，以探索可堆肥的應(yīng)用。

結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能

物理和機(jī)械測試揭示了一些有趣的結(jié)果。菌絲生長顯著提高了疏水性，形成了一個接觸角為138° 的保護(hù)外層，有助于抵抗水的吸收。相比之下，未殖民化的結(jié)構(gòu)吸收了相當(dāng)于 65%重量的水，而殖民化的生物復(fù)合材料僅吸收了 7% 的水，從而保持了形狀和耐用性。

強(qiáng)度和柔韌性也發(fā)生了變化。未定植的 Mycofluid 結(jié)構(gòu)記錄的抗拉強(qiáng)度最高，為 3.21 MPa，定植后降至 1.41 MPa。然而，斷裂伸長率從 0.4% 翻倍至 0.8%，這意味著材料變得更柔韌而不是更脆。壓縮試驗表明，與不含菌絲體的咖啡基生物復(fù)合材料相比，定植生物復(fù)合材料表現(xiàn)出更高的韌性，而不含菌絲體的咖啡基生物復(fù)合材料更容易斷裂。

研究結(jié)果表明，基于菌絲體的 3D 打印可能是傳統(tǒng)基于模具的制造的可行替代方案。無需使用剛性模具，擴(kuò)大了設(shè)計可能性，而生物焊接則開辟了以最少的浪費制造更大、適應(yīng)性更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)的新方法。

盡管如此，這個過程并非沒有挑戰(zhàn)。在打印和孵化過程中保持無菌對于防止污染至關(guān)重要。新打印的 Mycofluid 結(jié)構(gòu)在此階段仍然很脆弱，需要小心處理以避免變形。此外，打印質(zhì)量受材料一致性和擠出精度的影響，因此精度是打印過程中的一個重要因素。

雖然這項研究沒有正式測試可堆肥性，但先前的研究表明 Mycofluid 的成分是可生物降解的。然而，生產(chǎn)速度仍然很慢，菌絲定植需要一周以上的時間，目前限制了它的可擴(kuò)展性。為了解決這個問題，研究人員計劃探索更快的孵化方法、更廣泛的生物質(zhì)基質(zhì)和自動化質(zhì)量控制，以改進(jìn)制造過程。

最后，研究人員強(qiáng)調(diào)，這只是探索菌絲體在定制制造和可生物降解材料中的作用的開始。

△3D 打印菌絲體生物復(fù)合材料概述。圖片來自 UW。

基于生物的3D打印研究

除了華盛頓大學(xué)，其他機(jī)構(gòu)也為生物基 3D 打印做出了貢獻(xiàn)。例如，維爾紐斯大學(xué)和考納斯理工大學(xué)的研究人員利用大豆開發(fā)了一種可回收的生物樹脂，用于光學(xué) 3D 打印 (O3P)。

這種材料滿足了傳統(tǒng) 3D 打印聚合物的技術(shù)和功能要求，同時以更低的成本提供了更高的生物相容性。通過加入大豆提取物，生物樹脂促進(jìn)了小批量生產(chǎn)，旨在減少對不可回收的石油基光聚合物的依賴。

早在 2021 年，南洋理工大學(xué)(NTU)的研究人員就開發(fā)了一種用于生物打印的向日葵花粉基生物墨水，它既具有結(jié)構(gòu)完整性，又具有生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的多功能性。這種混合墨水將花粉微凝膠與海藻酸鹽和橡膠相結(jié)合，可以進(jìn)行微調(diào)以創(chuàng)建穩(wěn)定的多層細(xì)胞支架和藥物輸送系統(tǒng)。

利用花粉的獨特性質(zhì)，研究團(tuán)隊解決了打印塌陷和噴嘴堵塞等難題，同時生產(chǎn)出了柔韌、生物相容的材料。研究結(jié)果表明，這種環(huán)保墨水可以生產(chǎn)出具有成本效益的定制生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，例如貼合人體皮膚的傷口貼片和面膜。