2026年5月21日，来自代尔夫特理工大学（TU Delft）的研究人员开发了一种3D打印方法，用于塑造可在生长过程中自组装功能颗粒的活菌丝材料。
相关研究以题为“Shaping of Biohybrid FunctionalLiving
Materials/生物混合功能性活材料的塑造”的论文发表于《先进功能材料》（AdvancedFunctional Materials）期刊，由
Sarah Schyck、Mark Ablonczy、Sourav Patranabish 和 Kunal Masania
联合撰写。论文展示了如何打印、培养真菌网络并进行选择性功能化，从而制备出具有可调电性能的生物混合活性材料。
这项研究由代尔夫特理工大学航空航天工程学院“塑造物质实验室”的研究人员主导。研究人员利用灵芝（一种丝状真菌），将活性菌丝片段嵌入可交联的水凝胶墨水中，用于直接墨水书写。本研究并未将真菌生长视为次要的生物效应，而是将其作为制造过程的一部分。当菌丝体从打印支架上生长出来时，它会从液体培养基中捕获颗粒，从而在打印后赋予材料新的功能。
△研究过程示意图概述，结合了真菌菌球生长、颗粒吸收、3D打印菌丝结构和生物电功能化。图片来自Schyck等人。
真菌生长作为一种制造机制
研究人员考察了菌丝球在液体培养基中的形成过程。在振荡培养基中，真菌会形成菌丝球，大小和形态取决于振荡条件、营养供应和培养时间。振荡强度越高，形成的菌丝球越小且越分散；而振荡强度越低，形成的菌丝球则越大。颗粒的掺入程度与颗粒大小密切相关。尺寸约为30纳米的纳米颗粒会吸附在真菌菌丝上，在细胞壁上形成“盔甲”效应。尺寸约为45微米的较大颗粒则会与不断生长的菌丝网络发生物理缠绕。研究人员还发现，可以通过顺序添加颗粒来制备具有不同功能环的多材料颗粒。这表明，真菌生长可以在培养过程中用于组装功能材料，而不是简单地将预先混合的成分结合成打印的形式。
△用于生物电测量的生物混合真菌材料，图中展示了打印、培养、功能化和灭菌的菌丝体样品以及电极测试数据。图片来自 Schyck 等人。
3D打印活真菌结构
为了实现形状控制，研究团队开发了一种含有菌丝体的生物墨水，其中包含海藻酸钠、κ-卡拉胶、琼脂和纤维素基增稠剂。墨水采用直接墨水书写技术进行打印，然后用氯化钙进行交联，以在浸没培养过程中保持结构。打印的水凝胶支架有助于保持初始形状，同时允许菌丝体向周围介质中生长。随着时间的推移，菌丝体从打印结构向外生长，使边角变得圆润。研究人员利用超椭圆拟合追踪了这种形状演变，展示了几何形状如何从打印时的形状转变为更光滑、过度生长的结构。
本研究还介绍了一种利用明胶作为临时掩模的选择性功能化方法。研究人员将部分活体印迹嵌入明胶中，并仅将选定区域暴露于含颗粒介质中，从而实现了局部颗粒沉积。这使得对同一活体结构的不同区域进行功能化时，能够实现更精确的空间控制。
碳颗粒可改善生物电信号传导
研究团队随后探究了导电碳颗粒是否能够增强活体真菌材料的生物电信号。他们将打印的菌丝支架分别在添加和不添加炭黑颗粒的情况下培养，然后放置在预先制备好的氧化铟锡电极上进行测量。活性碳功能化样品比未功能化样品表现出更强的电活性。论文指出，导电碳颗粒的引入使信噪比提高了2.7倍，峰值振幅提高了约9倍。研究人员还发现，较高的碳负载量降低了阻抗，表明活性网络的电连接性得到改善。
△真菌菌球生长和颗粒吸收，展示了纳米和微米颗粒如何被不断生长的菌丝网络吸收。图片来自 Schyck 等人。
迈向适应性生物混合材料
研究人员还探索了可组装和替换的模块化真菌构建单元。在一项演示中，性能不佳的菌丝体单元被新的单元替换，从而恢复了整个结构的生物电信号。这项研究仍处于实验阶段。在自由漂浮颗粒实验中，研究人员发现多材料颗粒相对脆弱，在操作过程中容易变形，这表明需要进一步加工才能将这些基于颗粒的结构转化为功能材料。用于生物电测量的3D打印支架由打印的水凝胶支架支撑，这构成了本研究的独立部分。这项研究将3D打印与真菌的持续生长相结合，展示了如何先对菌丝体材料进行塑形，然后再进行功能化。这种方法有望为未来用于传感、环境监测、修复或自适应系统的生物材料设计提供借鉴。
菌丝体3D打印超越了结构复合材料的范畴
近期研究探索了如何将真菌生长与增材制造相结合，以生产更具可持续性的材料。2023年，研究人员开发了一种基于真菌的3D打印材料，利用菌丝体作为定向纤维增强材料，用于打印未烧制的粘土，这表明真菌网络在打印复合材料中发挥着重要的结构作用。更新的研究还探索了生物焊接技术，即利用活菌丝体帮助将打印好的部件熔合在一起。
代尔夫特理工大学这项研究的独特之处在于，它利用真菌自身的生长来吸收和组织功能性颗粒。打印出的形状起到支架的作用，但真正的材料组装是在之后的液体介质中进行的，其中碳颗粒使电信号传导效率提高了十倍。
来源：南极熊
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