[论文解读] Robust Myco-Composites as a Platform for Versatile Hybrid-Living Structural Materials

Sabrina C. Shen, Nicolas A. Lee+5 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2023

Plant and Biological Electrophysiology Studies被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新颖的高分辨率增材制造平台，通过间接接种和分层复合设计，用于制造坚固、可扩展且几何结构复杂的真菌复合材料。该方法实现了迄今报道的最强韧的菌丝基复合材料，具备可调的机械性能和表面特性，并展示了在可折叠生物焊接容器和柔性纺织品中的应用。

ABSTRACT

Fungal mycelium, a living network of filamentous threads, thrives on lignocellulosic waste and exhibits rapid growth, hydrophobicity, and intrinsic regeneration, offering a potential means to create next-generation sustainable and functional composites. However, existing hybrid-living mycelium composites (myco-composites) are tremendously constrained by conventional mold-based manufacturing processes, which are only compatible with simple geometries and coarse biomass substrates that enable gas exchange. Here we introduce a class of structural myco-composites manufactured with a novel platform that harnesses high-resolution biocomposite additive manufacturing and robust mycelium colonization with indirect inoculation. We leverage principles of hierarchical composite design and selective nutritional provision to create a robust myco-composite that is scalable, tunable, and compatible with complex geometries. To illustrate the versatility of this platform, we characterize the impact of mycelium colonization on mechanical and surface properties of the composite, finding that it yields the strongest mycelium composite reported to date, and demonstrate fabrication of unique foldable bio-welded containers and flexible mycelium textiles. This study bridges the gap between biocomposite and hybrid-living materials research, opening the door to advanced structural mycelium applications and demonstrating a novel platform for development of diverse hybrid-living materials.

研究动机与目标

• 为克服传统模具制造在混合型活体真菌复合材料中的局限性，后者限制了几何形状和基底复杂性。
• 实现可扩展、高分辨率的菌丝基复合材料制造，具备复杂形状和可调机械性能。
• 开发一种支持真菌菌丝稳健定殖及活体生物组分在结构材料中功能集成的平台。
• 通过受控的营养供给和结构设计，证明先进多功能混合型活体材料的可行性。
• 弥合生物复合材料工程与活体材料研究之间的差距，推动下一代可持续结构应用。

提出的方法

• 采用高分辨率生物复合材料增材制造技术，利用木质纤维素生物质基材制造复杂3D几何结构。
• 实施间接接种，确保在复杂结构中实现稳健且均匀的菌丝定殖。
• 应用分层复合材料设计原理，优化载荷传递和机械性能。
• 通过选择性营养供给引导菌丝的空间生长，增强结构集成性。
• 将活体菌丝网络整合到合成复合材料基体中，实现再生能力和功能响应性。
• 通过机械测试和所制造原型的表面表征验证材料性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 高分辨率增材制造能否实现复杂、可扩展的真菌复合材料的制造，并实现稳健的菌丝定殖？
• RQ2 选择性营养供给在多大程度上影响混合型活体真菌复合材料的机械和表面性能？
• RQ3 使用该新平台，菌丝基复合材料可实现的最大机械强度是多少？
• RQ4 该平台能否支持功能性、多功能结构（如可折叠生物焊接容器和柔性纺织品）的构建？
• RQ5 该平台在多大程度上克服了传统模具制造方法在几何形状和材料复杂性方面的局限？

主要发现

• 所开发的真菌复合材料在迄今报道的菌丝基复合材料中表现出最高的强度。
• 高分辨率增材制造技术实现了以往模具方法无法实现的复杂几何结构的制造。
• 间接接种确保了在致密复杂几何结构中仍能实现一致且稳健的菌丝定殖。
• 受控的营养供给可实现菌丝生长的空间调控，直接影响机械和表面性能。
• 成功制造出可折叠生物焊接容器和柔性菌丝纺织品，展示了其功能多样性。
• 该平台支持可扩展、可调谐且可持续的混合型活体结构材料制造，具备内在再生能力。