华盛顿大学创新无模具3D打印技术，将咖啡渣转化为生物复合材料
时间：2025-02-20 14:17 来源：南极熊 作者：admin 阅读：次
2025年2月19日，华盛顿大学(UW)的研究人员推出了一种 3D 打印基于菌丝体的生物复合材料的新方法，从而无需使用传统模具。新方法由 Danli Luo、JunchaoYang 和 Nadya Peek 共同开发，使用一种名为Mycofluid 的专门的 3D 打印糊剂、一种名为Fungibot的定制 3D 打印系统，以及一种允许菌丝体在打印结构内生长的工艺流程。相关研究以题为“3D-Printed Mycelium Biocomposites:Method for 3D Printing and Growing Fungi-Based Composites”的论文发表在《3D 打印和增材制造》杂志上，重点介绍了这种方法如何在不影响功能的情况下提供比传统制造更可持续的替代方案。
菌丝生物复合材料具有结构强度和疏水性，但刚性模具限制了设计灵活性。研究小组表示，使用针织或编织等柔性模板的尝试会导致材料分布不均匀和结构不一致。Luo说：“我们有兴趣将这一技术扩展到其他生物衍生材料，例如其他形式的食品垃圾。我们希望广泛支持这种灵活的发展，而不仅仅是为塑料垃圾这一重大问题提供一种解决方案。”
△这个小玻璃杯周围的包装材料是用废弃的咖啡渣 3D 打印而成的。图片来自 UW。
可持续且经济实惠的替代方案
据研究团队介绍，3D 打印可以将材料直接沉积成定制形状，减少对模具的依赖，但致密的基质会阻碍菌丝体的定植。
这就是 Mycofluid 的作用所在。这种生物糊剂主要由废咖啡渣制成，占固体含量的 73%，并与糙米粉（作为营养物质）和黄原胶（作为粘合剂）混合。物料配置平衡了颗粒度、粘度和高效灭菌，成为 3D 打印应用的实用选择。由于咖啡渣已广泛用于小规模蘑菇种植，因此新方法充分利用了丰富的废弃资源。
△评估材料可打印性的方法。使用 10 毫升注射器来可视化由咖啡渣、糙米粉、谷物菌种和黄原胶 (XG) 制成的 Mycofluid 的可打印性。可 3D 打印的糊状物应保持独立位置并略微倾斜，这表明弹性和水分含量的平衡恰到好处。太干的糊状物在挤压过程中可能会断裂，而太湿的糊状物在 3D 打印分层过程中可能无法支撑自身。比例尺：10 毫米。
为了打印 Mycofluid，研究团队开发了 Fungibot，这是一种专为湿敏性生物材料设计的开源 3D 打印系统。它包括一个材料储存器和一个轻型螺旋挤压打印头，可以控制生物糊剂的沉积方式。整个装置的成本约为 1,700 美元，比超过 7,000 美元的商业替代品便宜得多。
△Fungibot由一个材料储存器（顶部）和一个安装在桌面运动平台上的螺旋挤出机（底部）组成，材料储存器通过电动柱塞输送生物糊剂。
打印完成后，结构会经历一个孵化期，在此期间菌丝会定植。研究人员选择灵芝（Ganodermalucidum）谷物菌种作为接种剂，因为它具有抗微生物污染的能力。在适当的条件、适当的湿度、空气交换和低光照下，菌丝体会扩散到印刷材料的各个部分，并在生长过程中增强结构。
这种方法的一个关键特征是生物焊接，其中活菌丝体将单独的打印部件融合在一起，从而形成复杂的几何形状。演示包括摩艾石像、堆叠花瓶和可生物降解的包装。还打印了一个蝴蝶大小的迷你棺材，以探索可堆肥的应用。
结构和机械性能
物理和机械测试揭示了一些有趣的结果。菌丝生长显著提高了疏水性，形成了一个接触角为138° 的保护外层，有助于抵抗水的吸收。相比之下，未殖民化的结构吸收了相当于 65%重量的水，而殖民化的生物复合材料仅吸收了 7% 的水，从而保持了形状和耐用性。强度和柔韧性也发生了变化。未定植的 Mycofluid 结构记录的抗拉强度最高，为 3.21 MPa，定植后降至 1.41 MPa。然而，断裂伸长率从 0.4% 翻倍至 0.8%，这意味着材料变得更柔韧而不是更脆。压缩试验表明，与不含菌丝体的咖啡基生物复合材料相比，定植生物复合材料表现出更高的韧性，而不含菌丝体的咖啡基生物复合材料更容易断裂。
研究结果表明，基于菌丝体的 3D 打印可能是传统基于模具的制造的可行替代方案。无需使用刚性模具，扩大了设计可能性，而生物焊接则开辟了以最少的浪费制造更大、适应性更强的结构的新方法。尽管如此，这个过程并非没有挑战。在打印和孵化过程中保持无菌对于防止污染至关重要。新打印的 Mycofluid 结构在此阶段仍然很脆弱，需要小心处理以避免变形。此外，打印质量受材料一致性和挤出精度的影响，因此精度是打印过程中的一个重要因素。
虽然这项研究没有正式测试可堆肥性，但先前的研究表明 Mycofluid 的成分是可生物降解的。然而，生产速度仍然很慢，菌丝定植需要一周以上的时间，目前限制了它的可扩展性。为了解决这个问题，研究人员计划探索更快的孵化方法、更广泛的生物质基质和自动化质量控制，以改进制造过程。
最后，研究人员强调，这只是探索菌丝体在定制制造和可生物降解材料中的作用的开始。
△3D 打印菌丝体生物复合材料概述。图片来自 UW。
基于生物的3D打印研究
除了华盛顿大学，其他机构也为生物基 3D 打印做出了贡献。例如，维尔纽斯大学和考纳斯理工大学的研究人员利用大豆开发了一种可回收的生物树脂，用于光学 3D 打印 (O3P)。这种材料满足了传统 3D 打印聚合物的技术和功能要求，同时以更低的成本提供了更高的生物相容性。通过加入大豆提取物，生物树脂促进了小批量生产，旨在减少对不可回收的石油基光聚合物的依赖。
早在 2021 年，南洋理工大学(NTU)的研究人员就开发了一种用于生物打印的向日葵花粉基生物墨水，它既具有结构完整性，又具有生物医学应用的多功能性。这种混合墨水将花粉微凝胶与海藻酸盐和橡胶相结合，可以进行微调以创建稳定的多层细胞支架和药物输送系统。利用花粉的独特性质，研究团队解决了打印塌陷和喷嘴堵塞等难题，同时生产出了柔韧、生物相容的材料。研究结果表明，这种环保墨水可以生产出具有成本效益的定制生物医学设备，例如贴合人体皮肤的伤口贴片和面膜。
(责任编辑：admin)
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