代尔夫特理工大学（TU Delft）的研究人员近日开发了一种3D打印方法，能够塑造活体菌丝材料，并在其生长过程中自组装功能颗粒。这项研究发表在《Advanced Functional Materials》上，展示了真菌网络如何被打印、生长并选择性功能化，从而制造出具有可调电学特性的生物混合活体材料。

该工作由TU Delft航空航天工程学院“塑造物质实验室”（Shaping Matter Lab）的研究人员主导。他们使用了灵芝（Ganoderma lucidum）——一种丝状真菌，将活跃的菌丝片段嵌入可交联的水凝胶墨水中，用于直写成型（direct ink writing）。

与将真菌生长视为次要生物效应不同，该研究将其作为制造过程的一部分。当菌丝从打印的支架中长出时，它会从液体培养基中捕获颗粒，从而在打印后为材料增加功能性。

研究人员研究了菌丝颗粒在液体培养中是如何形成的。在震荡生长培养基中，真菌会发育成颗粒，其大小和形态取决于震荡条件、营养物质可用性以及培养时间。较高的震荡产生更小的碎片化颗粒，而较低的震荡则支持更大的结构。

颗粒的掺入强烈依赖于颗粒尺寸。约30纳米的纳米颗粒吸附到真菌菌丝上，在细胞壁上形成“铠装”效应。约45微米的较大颗粒则被物理缠绕在生长的菌丝网络中。研究人员还展示了可以顺序添加颗粒，从而制造出具有不同功能环的多材料颗粒。这表明，真菌生长可以被用来在培养过程中组装功能材料，而不仅仅是简单地将预混的成分结合到打印形态中。

为了实现形状控制，该团队开发了一种富含菌丝的生物墨水，其中含有海藻酸钠、κ-卡拉胶、琼脂和纤维素基增稠剂。该墨水通过直写成型打印，然后用氯化钙交联，以在水下培养过程中维持其结构。打印的水凝胶支架有助于保持初始形状，同时仍允许菌丝生长到周围的培养基中。随着时间的推移，菌丝从打印结构向外生长，使棱角和边缘变得圆润。研究人员使用超椭圆拟合追踪了这一形状演变过程，展示了几何形状如何从打印形态转变为更平滑、被过度生长的结构。

该研究还引入了一种使用明胶作为临时掩模的选择性功能化方法。通过将活体打印件的部分嵌入明胶中，只将选定区域暴露于含颗粒的培养基中，研究人员实现了局部的颗粒沉积。这使得同一活体结构的不同区域能够以更高的空间控制度进行功能化。

随后，该团队研究了导电碳颗粒是否能够增强活体真菌材料中的生物电信号。他们将打印的菌丝支柱在有无炭黑颗粒的情况下进行生长，并放置在有图案的氧化铟锡电极上进行测量。经过碳功能化的活体样本显示出比未功能化样本更强的电活动。论文报告称，导电碳颗粒的掺入将信噪比提高了2.7倍，峰值振幅提高了约9倍。研究人员还发现，更高的碳载量降低了阻抗，表明通过活体网络的电连接性得到了改善。

研究人员还探索了可组装和更换的模块化真菌构建块。在一项演示中，性能不佳的菌丝块被替换为新鲜单元，从而恢复了整个结构上的生物电信号。

该工作仍处于实验阶段。在自由漂浮的颗粒实验中，研究人员指出，多材料颗粒相对脆弱，在操作过程中易变形，这表明需要进一步处理才能将这些颗粒基结构转化为功能性材料。用于生物电测量的3D打印支柱由打印的水凝胶支架支撑，这是该研究的一个独立部分。

通过将3D打印与持续的真菌生长相结合，该研究展示了如何先塑造菌丝基材料，随后再对其进行功能化。这种方法可为未来用于传感、环境监测、修复或自适应系统的活体材料提供参考。

最近的研究探索了如何将真菌生长与增材制造相结合，以生产更可持续的材料。2023年，研究人员开发了一种基于真菌的3D打印材料，将菌丝用作打印未烧制粘土的定向纤维增强材料，指出了真菌网络在打印复合材料中可能发挥的结构作用。最近的工作还研究了生物焊接，即活体菌丝在制造后帮助融合分离的打印部件。TU Delft这项研究的独特之处在于，它利用真菌自身的生长来引入和组织功能颗粒。打印的形状充当支架，但真正的材料组装发生在随后的液体培养基中，在那里碳颗粒将电信号提高了约一个数量级。

这项题为“Shaping of Biohybrid Functional Living Materials”的研究由Sarah Schyck、Mark Ablonczy、Sourav Patranabish和Kunal Masania共同完成。