華盛頓大學創新無模具3D打印技術，將咖啡渣轉化為生物復合材料
時間：2025-02-20 14:17 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2025年2月19日，華盛頓大學(UW)的研究人員推出了一種 3D 打印基于菌絲體的生物復合材料的新方法，從而無需使用傳統模具。新方法由 Danli Luo、JunchaoYang 和 Nadya Peek 共同開發，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，以及一種允許菌絲體在打印結構內生長的工藝流程。相關研究以題為“3D-Printed Mycelium Biocomposites:Method for 3D Printing and Growing Fungi-Based Composites”的論文發表在《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制造更可持續的替代方案。
菌絲生物復合材料具有結構強度和疏水性，但剛性模具限制了設計靈活性。研究小組表示，使用針織或編織等柔性模板的嘗試會導致材料分布不均勻和結構不一致。Luo說：“我們有興趣將這一技術擴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。
可持續且經濟實惠的替代方案
據研究團隊介紹，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（作為營養物質）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 打印應用的實用選擇。由于咖啡渣已廣泛用于小規模蘑菇種植，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。可 3D 打印的糊狀物應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，研究團隊開發了 Fungibot，這是一種專為濕敏性生物材料設計的開源 3D 打印系統。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動平臺上的螺旋擠出機（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，結構會經歷一個孵化期，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。在適當的條件、適當的濕度、空氣交換和低光照下，菌絲體會擴散到印刷材料的各個部分，并在生長過程中增強結構。
這種方法的一個關鍵特征是生物焊接，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，以探索可堆肥的應用。
結構和機械性能
物理和機械測試揭示了一些有趣的結果。菌絲生長顯著提高了疏水性，形成了一個接觸角為138° 的保護外層，有助于抵抗水的吸收。相比之下，未殖民化的結構吸收了相當于 65%重量的水，而殖民化的生物復合材料僅吸收了 7% 的水，從而保持了形狀和耐用性。強度和柔韌性也發生了變化。未定植的 Mycofluid 結構記錄的抗拉強度最高，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合材料相比，定植生物復合材料表現出更高的韌性，而不含菌絲體的咖啡基生物復合材料更容易斷裂。
研究結果表明，基于菌絲體的 3D 打印可能是傳統基于模具的制造的可行替代方案。無需使用剛性模具，擴大了設計可能性，而生物焊接則開辟了以最少的浪費制造更大、適應性更強的結構的新方法。盡管如此，這個過程并非沒有挑戰。在打印和孵化過程中保持無菌對于防止污染至關重要。新打印的 Mycofluid 結構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、更廣泛的生物質基質和自動化質量控制，以改進制造過程。
最后，研究人員強調，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，其他機構也為生物基 3D 打印做出了貢獻。例如，維爾紐斯大學和考納斯理工大學的研究人員利用大豆開發了一種可回收的生物樹脂，用于光學 3D 打印 (O3P)。這種材料滿足了傳統 3D 打印聚合物的技術和功能要求，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，生物樹脂促進了小批量生產，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(NTU)的研究人員就開發了一種用于生物打印的向日葵花粉基生物墨水，它既具有結構完整性，又具有生物醫學應用的多功能性。這種混合墨水將花粉微凝膠與海藻酸鹽和橡膠相結合，可以進行微調以創建穩定的多層細胞支架和藥物輸送系統。利用花粉的獨特性質，研究團隊解決了打印塌陷和噴嘴堵塞等難題，同時生產出了柔韌、生物相容的材料。研究結果表明，這種環保墨水可以生產出具有成本效益的定制生物醫學設備，例如貼合人體皮膚的傷口貼片和面膜。
(責任編輯：admin)
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