我的打印墨水长毛了！但是好可爱
在上篇中，我们探讨了3D 打印中利用后接种式（Post-Inoculation）路径，通过非活性基质的先行构建，实现具有物理稳定性的菌丝体构件。
本篇将聚焦于另一种策略：将菌丝体直接混入基质，调制成具备活性的“生物墨水”（Bio-Ink）用于打印成型。该方式可显著提升材料的生物一体化程度，进而有效增强结构的整体力学性能。
那么，如何用3D打印方法构建出结构复杂的菌丝体复合材料的呢？
「生物打印机」
以“生物打印”为代表的工艺，通常采用适配生物材料的挤出式3D打印设备。例如新加坡理工大学2022年开展的粘土-菌丝体材料项目MyCera，便使用了Delta WASP 40100 Clay机型。
这类设备一般搭载定制化熔融沉积建模（FDM，fused Deposition Modeling）与墨水直写技术（DIW，Direct Ink Writing），其核心优势在于可避开传统打印对耗材的高温加热，从而最大程度保护菌丝体的生物活性；同时，经过优化的喷嘴与接口更适配高含水率的糊状基质，可有效保证材料沉积的稳定性与成型连续性。
MyCera采用的打印机机型：Delta WASP 40100 Clay
「生物墨水打印流程」
基于打印菌丝体基质的常规的操作步骤可以分为‘打印前预制’和‘打印后培养’两个阶段，具体可划分为6个相互衔接的步骤（如图）：
基于真菌菌丝体的生物复合材料3D打印的的6个步个骤
首先，进行基质的灭菌消毒与菌种的初步定殖，也就是将菌种引入营养基质中（Step 1），在受控的温度和湿度条件下促使其优先生长出菌丝（Step 2）。
这一阶段不仅用于建立稳定的菌丝网络，也便于观察菌种活性并及时发现潜在污染。在确认菌丝体生长状态良好后，将其与基质进一步混合和调配（Step 3）。
由于该材料需要通过3D 打印设备的输送与挤出系统（Step 4），因此基质需保持均匀、湿润且具有适当的可塑性，通常会加入添加剂，或通过改变水分含量并使用改性剂来改变基质混合物的粘度，以调节材料的流动与成型性能，使其转化为满足挤出要求的“生物墨水”。
在完成上述准备后，进入核心的3D 打印阶段，即将生物墨水按照数字化设计的路径精确沉积，构建预设的几何结构。为保证菌丝体的活性，可根据实验需要，在受控环境下进行二次定殖（Step 5），使存活的菌丝体继续生长。借助其沿基质表面延伸、跨越空隙并相互缠绕的特性，可实现结构层间的自然连接与整合。最后，通过干燥使真菌代谢活动停止并固定材料形态（Step 6），获得兼具轻质特性与一定机械强度的菌丝体复合材料构件。
接下来，本文将通过2个代表性案例，深入探讨“生物墨水”路径下的3D 打印实践。
2022年，英国伦敦设计工作室Blast Studio以回收一次性咖啡杯为原料，研发出可用于3D打印的菌丝体基复合材料，并成功制备出具有树干状起伏纹理的柱状构件。
该项目将废弃纸杯转化为适用于数字化建造与菌丝生长的“生物墨水”，使其兼具良好的可打印性与生物活性。该工艺在将废纸转化为打印基质的同时，通过高温处理完成纸浆制备与灭菌，为后续菌丝定殖与生长提供了稳定环境，有效解决了生物墨水在打印过程中面临的灭菌难题，为废弃物资源化利用与可持续生物建造提供了新思路。
（1）首先，研究人员对柱体结构进行了优化设计，在兼顾美学表现的同时，满足菌丝体定殖与生长所需的几何条件。例如，结构表面的蜿蜒褶皱能够有效维持周边湿度并提供遮阴环境，从而促进菌丝体健康生长。
（2）其次是菌丝体纸浆基质的制备处理：将回收纸杯粉碎并加水煮沸，完成材料预处理与灭菌；随后加入约20%的天然黏结剂（如植物胶与淀粉），以调节体系流变性能与结构稳定性。待混合物冷却至适宜温度后接入菌种，最终制得可打印的菌丝体纸浆基质。
（3）该基质通过3D打印设备逐层挤出堆叠，形成独立的成型单元。
（4）在适宜环境中，菌丝体在模块内部逐步定殖与生长，将松散的基质颗粒黏结为具有一定力学强度的整体。
（5）待各单元充分固化稳定后，研究人员对其进行逐层装配。
（6）利用菌丝体的“生物焊接”（bio-welding）效应，相邻模块通过菌丝生长相互融合，填补界面缝隙，最终实现整体结构的一体化成型。
最终形成的整体结构可高达约2.1米，呈现出轻质、奶油色且具有天鹅绒般质感，兼具结构性能与独特的材料美学特征。
最后，经过约80 °C的高温干燥处理，这个由约1000只回收纸杯制成的菌丝体柱体获得了稳定的结构性能，研究人员预估其力学表现可与中密度纤维板（MDF）相媲美。Blast Studio的联合创始人Paola Garnousset 表示，该柱体整体质量轻，同时由于材料具有一定的弹性，在抗压和抗弯性能方面均表现良好。
Blast Studio的实践不仅体现了菌丝体复合材料对废弃资源的有效利用，也表明其能够在生长过程中逐步实现结构成型与性能优化。
尽管菌丝体基质通过添加助剂可实现3D打印挤出成型，但由于原料中常含有多种农业废弃物颗粒，材料整体偏厚重，表面质感粗糙，美观度不足。为此，2023年，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）材料系复杂材料部（Complex Materials）研究团队，基于水凝胶开发出一种均匀轻质的3D打印生物墨水。
与传统颗粒状基质相比，水凝胶可为菌丝提供连续且高含水率的生长环境，有利于菌丝均匀延展，同时易于实现精细的三维打印成型。所制备的复合材料更为柔软，兼具弹性与韧性，可贴合人体皮肤，适用于定制化生物防护等场景。
研究团队将添加麦芽提取物与流变改性剂（增稠剂）的琼脂基水凝胶混匀，并在凝胶表面接种灵芝菌种；待菌丝充分生长，孢子与菌丝体渗入水凝胶内部后，刮除表面菌丝并均匀搅拌，最终得到可用于3D打印的“菌丝体生物墨水”。
借助3D打印技术，该生物墨水可被精确成型为稳定的网格结构，既作为菌丝生长的营养基底，又充当其延伸扩展的支撑骨架。随后，打印构件在室温及高湿环境下培养，菌丝在打印丝材内部与孔隙间持续生长，逐步形成交织缠绕的纤维网络（图A、B）。
(A)不同生长时间下3D打印菌丝体基网格的照片。(B) 培养2天和10天后网格的横截面，显示打印水凝胶丝之间的菌丝体显著生长
这一生长过程不仅增强了结构整体性，也使材料在保持轻质特性的同时具备更好的弹性与韧性。（视频1）
基于上述材料与工艺优势，研究团队将该制备方法应用于机器人及机械设备防护领域，针对自动化结构机械抓钳（图C）与户外作业球形机器人（图D），设计并制备了专属菌丝体保护性“皮肤”。
上述两类机器人部件均具备复杂曲面结构，且运动过程中对部件灵活性有着极高要求，传统包覆工艺与材料无法实现曲面的精准贴合。
而依托3D打印定制化制造技术，可依据部件三维几何模型生成精准的打印路径，实现防护层与机器人外形的高度适配，理论上可适用于各类自动化结构部件。此外，由菌丝体生长构筑的网格结构，在实现轻量化的同时，能够为防护层提供充足的结构强度，最终成型的功能性包覆层兼具优异弹性与结构稳固性。
图C：为机器人抓钳制造菌丝体皮肤的策略。从左到右:7天生长后，机器人皮肤的非平面3D 打印。对应物翻转显示打印结构的底部。两半组装后准备安装到机械执行器上。经过额外了天的生长，将各个部分融合在一起，最终由菌丝体组成的皮肤围绕着夹持器组装。
图D：覆盖在滚动机器人上的表皮在菌丝体生长前后的照片。滚动机器人在不同表面上摩擦驱动运动后的照片展示了生物表皮的机械强度。
在对这种‘皮肤’的测试中，球形机器人的‘皮肤’表现出了足以承受持续摩擦的机械强度，可在户外环境中为设备提供有效保护（视频2）。
视频2: 球形机器人表皮测试，展示出户外运动中的保护性。
同时，菌丝网络所呈现的疏水特性使表皮具备一定的防水能力，使带有该保护层的机械抓钳和球形机器人能够在水下环境中稳定运行（视频3）。由此可见，菌丝体不仅增强了水凝胶结构的整体性能，也赋予其环境适应能力，使其在功能性表皮系统中的应用具备现实可行性。
视频3:球形机器人和机械抓钳能够在水中安全工作。
相较于传统基质压制与模具成型方式，水凝胶基质结合3D 打印技术能够实现更高精度与更强可控性的结构制造，形成兼具轻质、坚固、可修复与环境适应性的定制化材料，从而为菌丝体材料在更广泛应用场景中的拓展提供了新的路径。
3D打印菌丝体材料作为一种兼具可再生性与可塑性的生物基材料，在可持续设计、建筑构件以及新型制造领域展现出巨大潜力。借助数字化制造技术，菌丝体材料的形态生成与结构性能能够被更精确地控制，突破了传统成型方式在几何复杂度和功能整合上的限制。
然而，菌丝体的生物特性在3D 打印条件下仍存在一定局限，这使其在打印稳定性、环境适应性以及规模化生产方面面临显著挑战。尽管如此，随着材料配方优化、打印工艺参数调整以及菌丝生长调控方案的不断发展，这类材料在复杂结构制造和实际工程应用中的可行性正逐步提升，并为可持续设计和生物复合材料创新提供了新的可能。
Reference:
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