3D打印螺旋支架强化菌丝复合材料的力学与隔热性能：绿色基础设施的新突破

为解决传统菌丝复合材料(MBCs)机械强度不足的问题，Deepak Sharma与Hortense Le Ferrand团队通过3D打印木质聚乳酸(PLA)螺旋多孔支架，优化菌丝(Ganoderma lucidum)生长条件，开发出兼具高强度(σy达7.29±0.65 MPa)与超低导热系数(Kt=0.012 W/mK)的复合材料。该材料通过孔隙梯度设计实现50.4-77.7%的力学性能提升，同时具备防火、疏水特性，为建筑行业提供可持续替代方案。

　　

背景与挑战
建筑行业贡献了全球37%的温室气体排放，传统材料如粘土砖制造过程高能耗且不可降解。菌丝复合材料(MBCs)虽具生物降解性，但机械强度(σ_y仅0.01-0.72 MPa)和功能单一性限制其应用。现有改进方法如热压会牺牲材料的多孔结构和隔热性能，而松散木质基质的非均匀菌丝生长导致性能不稳定。

研究创新
苏黎世联邦理工学院与新加坡团队提出革命性方案：利用3D打印技术构建木质-PLA螺旋支架（gyroid scaffold），通过精确控制孔隙率(50-90%)和营养液配方（10 w/v%麦芽的PMA溶液），引导灵芝菌丝(G. lucidum)形成致密三维网络。该研究发表于《Nature Communications》，首次实现菌丝材料强度与隔热性能的协同优化。

关键技术

1. 多尺度孔隙设计：结合3D打印宏观孔隙（单元尺寸5-25mm）与材料固有微孔，促进氧气扩散和菌丝渗透；
2. 动态生长监控：通过计算流体力学(CFD)模拟验证90%孔隙率下的最佳气流条件；
3. 功能梯度结构：采用孔隙梯度(PG)和单元尺寸梯度(CG)设计调控热流路径；
4. 原位表征：X射线光电子能谱(XPS)证实菌丝-支架界面存在酰胺键(N-C=O)，增强界面结合力。

研究结果

菌丝生长动力学

• 营养优化：10 w/v%麦芽浓度实现探索-开发平衡，21天形成1.04μm直径的致密菌丝层（密度81.43%）；
• 孔隙效应：90%孔隙率支架通过连续气流促进菌丝增殖，CFD显示其空气流速是50%孔隙率的3倍；
• 界面化学：FTIR检测到3200-3600 cm^-1处O-H/N-H键增强，证实菌丝分泌疏水蛋白强化界面。

力学性能突破

• 强度提升：细胞尺寸梯度设计(CG50_my)使弹性模量(E)达257±18.8 MPa，比纯支架提高80.95%；
• 能量吸收：90%孔隙率样品比吸能(SEA)提升133.33%，归因于菌丝网络的泡沫缓冲效应；
• 剪切强度：菌丝-木质PLA界面剪切强度达2.1 MPa，远超热压法报道值(0.2-1.74 MPa)。

功能特性调控

• 隔热性能：PG70_my（80→60%孔隙梯度）导热系数0.138 W/mK，优于聚氨酯泡沫；
• 防火优势：CG50_my燃烧面积减少62%，归因于菌丝炭化层阻隔火焰；
• 环境稳定性：300天户外测试显示失活MBCs强度衰减<5%，而活菌丝样品因降解强度下降2.82倍。

应用验证
微型菌丝房屋(myco-house)演示显示：
• 温度滞后效应（Δt=40分钟），优于传统PU材料；
• 西向梯度墙温差ΔT=5.2°C，证实被动调温潜力。

结论与展望
该研究通过“支架设计-菌丝生长”协同策略，创造出性能可编程的生物基材料。螺旋结构赋予各向异性热力学性能，而菌丝代谢产物（如几丁质）实现材料自功能化。未来可通过基因工程优化菌株降解选择性，延长活性MBCs使用寿命。这项技术为建筑业的碳中和目标提供了兼具结构功能一体化和负碳潜力的解决方案。