富含营养的土壤油墨，用于3D打印基于菌丝的生物建筑材料

《Materials & Design》：Nutrient-enriched soil inks for 3D-printed mycelium-based living building materials

本研究开发了一种含营养物质的土壤复合材料3D打印墨水，通过平菇菌丝网络构建可持续的大型生物建材。通过优化麦芽提取物琼脂（MEA）浓度（10 wt%），验证了其增强土壤结构强度、改善水分保持及自修复能力，为 Earthen Construction 提供了可扩展的解决方案。

　　在建筑领域，传统材料如土壤虽然具有广泛的应用基础，但其在机械性能和抗风化能力方面存在明显局限。为了克服这些问题，近年来科学家们探索了多种方法来改善土壤的性能，包括物理稳定剂的添加、化学稳定剂的使用，以及通过生物手段增强土壤的结构特性。其中，一种新兴的解决方案是利用生物材料，特别是真菌的菌丝网络，与土壤结合形成“活体建筑材料”（Living Building Materials, LBMs）。这种生物-非生物复合材料不仅能够提升土壤的性能，还具备自我修复和再生等特性，为可持续建筑提供了一种创新路径。

本研究的重点是开发一种富含营养的土壤复合墨水，用于3D打印，并通过菌丝体的定殖来构建大规模的、基于菌丝体的活体建筑材料。菌丝体作为真菌的营养结构，由细长的菌丝组成，能够在土壤颗粒之间形成天然的连接网络。这些网络不仅可以增强土壤的结构稳定性，还能改善其水分保持能力和抗收缩性。研究的核心在于如何平衡营养成分的添加，使其既能够支持菌丝体的生长，又不会影响土壤墨水的可打印性和结构性能。通过实验，研究人员发现，当土壤墨水中添加10%的麦芽提取琼脂（MEA）时，能够实现菌丝体在土壤复合材料中的最佳生长，同时保持其结构完整性。

MEA作为一种营养来源，被用于促进菌丝体的生长。研究者通过不同浓度的MEA（从0%到20%）测试了其对菌丝体在土壤复合材料中的生长模式的影响。结果显示，5%的MEA浓度能够显著促进菌丝体的表面生长，而15%的MEA浓度则有助于菌丝体的空中生长。随着MEA浓度的增加，菌丝体的穿透性生长也在逐渐增强，但达到20%时，菌丝体的生长速度有所下降。因此，10%的MEA浓度被确定为菌丝体在土壤复合材料中实现表面、空中和穿透性生长的最佳平衡点。这一浓度不仅能够促进菌丝体的全面发育，还能确保土壤墨水在3D打印过程中保持良好的流动性与可塑性。

菌丝体网络对土壤复合材料的性能提升具有重要作用。在水分吸收测试中，添加了MEA的土壤复合材料表现出更强的结构稳定性，能够在长时间浸泡后保持形状，而对照组（不含菌丝体的土壤复合材料）则在12小时内变得松散，甚至在24小时后发生断裂。这表明，菌丝体网络在保持土壤结构的同时，能够有效提升其水分保持能力。此外，菌丝体还能够减少土壤的收缩现象。在干燥过程中，含有菌丝体的土壤复合材料相比对照组减少了约40%的收缩，说明菌丝体能够通过填充土壤颗粒之间的空隙，增强材料的整体性。

除了水分保持和抗收缩能力，菌丝体还表现出自我修复的特性。研究人员通过人为破坏土壤复合材料，观察其在自然环境下的恢复能力。结果显示，菌丝体能够通过其穿透性生长行为，将断裂的区域重新连接起来，并通过表面菌丝覆盖受损部位，使其恢复原有的结构完整性。这一过程无需外部干预，完全依赖菌丝体自身的生长能力。这种自我修复能力对于建筑结构的长期稳定性和耐久性具有重要意义，尤其是在极端环境条件下，如高温、低湿度或结构损坏时，菌丝体能够主动修复材料，延长其使用寿命。

在3D打印过程中，研究人员设计了两个空心块，分别用于菌丝体的培养和对照实验。通过调整3D打印参数，如层高和挤出宽度，确保菌丝体能够有效穿透打印层，同时保持材料的结构稳定性。实验表明，含有10% MEA的土壤复合墨水在3D打印后仍能维持其物理特性，菌丝体能够顺利生长并连接各层，形成一个完整的结构。这种技术不仅实现了土壤材料的打印，还通过菌丝体的生长增强了其整体性能，使其具备了更高的强度和更好的抗裂性。

此外，研究人员还通过数字显微镜和扫描电子显微镜对菌丝体在土壤复合材料中的生长行为进行了详细分析。显微镜图像显示，菌丝体能够从土壤内部向外扩展，形成一个紧密的网络结构。这种网络不仅有助于保持土壤的结构，还能改善其热传导和声学绝缘性能，使其更适用于建筑领域。扫描电子显微镜进一步揭示了菌丝体如何填充土壤颗粒之间的空隙，增强其相互连接，从而提升材料的整体性能。

研究结果表明，基于MEA的土壤复合材料在建筑领域的应用潜力巨大。其不仅能够提升土壤的机械性能，还能通过菌丝体的自我修复和再生能力，延长建筑结构的使用寿命。同时，这种材料的可持续性也得到了充分体现，因为它主要依赖于天然有机材料和生物过程，减少了对传统化学稳定剂的依赖，降低了对环境的负面影响。因此，这种新型的活体建筑材料有望成为未来可持续建筑的重要组成部分。

本研究的成果为活体建筑材料的发展提供了重要的理论和技术支持。通过优化MEA的添加比例，研究人员成功实现了菌丝体在土壤复合材料中的有效定殖，使其在3D打印过程中保持良好的性能。同时，菌丝体的自我修复和再生能力也得到了验证，为建筑结构的长期稳定性提供了保障。这些发现不仅推动了活体建筑材料在可持续建筑中的应用，还为未来在建筑领域探索生物材料提供了新的思路。

从长远来看，这种技术的推广和应用将对建筑行业产生深远影响。首先，它能够显著减少建筑过程中对环境的破坏，因为传统的土壤稳定剂如水泥和石灰会对地下水和植被造成污染。而基于菌丝体的土壤复合材料则提供了一种更加环保的替代方案。其次，这种材料能够提升建筑结构的耐久性和适应性，使其在面对自然灾害和环境变化时更具韧性。最后，这种技术为建筑行业的创新提供了新的方向，使得建筑材料不仅具有物理性能，还具备生物活性，从而实现更加智能和可持续的建筑模式。

综上所述，本研究通过实验验证了MEA在土壤复合材料中的作用，展示了菌丝体在提升土壤性能方面的巨大潜力。未来，随着相关技术的进一步发展和应用，基于菌丝体的活体建筑材料有望成为建筑行业的重要组成部分，为实现可持续发展提供新的解决方案。