一、研究背景

1. 塑料污染危机：2022年全球塑料产量约4亿吨，截至2015年已有约63亿吨塑料垃圾进入环境，其中79%堆积在垃圾填埋场。若按当前趋势发展，2050年垃圾填埋场中的塑料垃圾将达到123亿吨。塑料难以自然降解，迫切需要可生物降解的可持续替代材料。

2. 生物质-真菌复合材料的优势：该材料完全可生物降解，原料主要来自农业废弃物（如木屑、玉米秸秆、大麻秆芯、甘蔗渣、小麦秸秆等）。真菌的丝状菌丝会缠绕并粘结生物质颗粒，形成具有一定力学性能的复合材料，可广泛应用于包装、家具和建筑行业。

3. 传统制造方法的局限：现有生物质-真菌复合材料主要采用模压成型工艺，存在成本高、产品几何形状受限等问题。

4. 现有3D打印技术的不足：目前生物质-真菌复合材料的3D打印主要采用挤出式工艺，但存在打印分辨率低、挤出丝内部菌丝生长有限等关键问题。

5. 粘结剂喷射技术的潜力：粘结剂喷射3D打印通过在粉末床选定区域喷射液体粘结剂实现逐层成型，具有尺寸精度高、分辨率好、生产效率高等优势。本文首次将该技术应用于生物质-真菌复合材料的制造。

二、研究内容

2.1 实验材料

• 生物质粉末：两种不同平均粒径的大麻秆芯（hemp hurd）粉末（0.15 mm和2 mm），购自美国Bulk Hemp Warehouse公司
• 真菌菌株：云芝（Trametes versicolor）
• 粘结剂原料：马铃薯葡萄糖琼脂（PDA）、马铃薯葡萄糖肉汤（PDB）、小麦粉、琼脂、蒸馏水

2.2 含真菌细胞的液体粘结剂制备（8步流程）

1. 用1000 mL蒸馏水、19.5 g PDA和7.5 g琼脂制备半强度PDA培养基，在培养皿中接种云芝，27℃培养箱中培养1周，获得菌丝体培养物
2. 将50-70块约2 cm大小的菌丝体切块，放入装有100 mL PDB溶液的100 mL锥形瓶中
3. 将锥形瓶置于摇床中，27℃、100 rpm条件下培养2天，形成小菌丝球
4. 从摇床中取出锥形瓶
5. 将20 g小麦粉和100 mL含菌丝球的液体培养基加入混合器，混合3秒（避免过长时间损伤真菌细胞）
6. 将10 g琼脂（1.5% w/v）转移至250 mL储存瓶，微波加热3秒制成液态琼脂
7. 将储存瓶置于55℃水浴中保温30分钟
8. 将液态琼脂与步骤5制备的混合物加入250 mL锥形瓶，轻轻摇晃混合，得到打印用液体粘结剂

2.3 粘结剂喷射3D打印过程

实验采用实验室自制粘结剂喷射装置，成型平台体积为75×75×30 mm³，所有打印操作在生物安全柜中进行以防止污染。打印T形样品，共4层，总厚度16 mm。

1. 打印平台下降一层厚度（4 mm，为粉末平均粒径的2-3倍，保证粘结剂充分渗透）
2. 手工添加生物质粉末，使其完全覆盖打印平台且不溢出
3. 用刮板手工将粉末铺平
4. 在粉末床上覆盖带T形开口的掩膜
5. 用移液管通过掩膜开口向粉末床喷射粘结剂，直至完全覆盖暴露区域
6. 移除掩膜

重复上述步骤3次，完成4层打印。不同粒径粉末的粘结剂喷射量如下表所示：

2.4 打印样品后处理流程

1. 将带有打印样品的打印装置放在移液管架上固定
2. 用iPhone 14 Pro拍摄打印样品照片
3. 将整个装置放入尺寸为5"×8"×20"的密封袋中
4. 置于28℃培养箱中培养4天（初级定殖阶段）
5. 从培养箱中取出密封袋
6. 取出打印装置
7. 用无菌手术刀修剪掉T形样品上的松散粉末
8. 将样品放在铝箔上，再次置于28℃培养箱中培养8天（次级定殖阶段）
9. 从培养箱中取出样品
10. 拍摄样品照片
11. 将样品放入120℃对流烘箱中加热4小时，杀死所有真菌活性，得到最终样品

2.5 扫描电子显微镜（SEM）表征

对2 mm粒径粉末打印的最终样品，沿Y-Z平面（打印方向为Z轴，铺粉方向为X轴）手动断裂，制备横截面样品。采用SNE-4500M Plus型扫描电子显微镜，在高真空模式、15 kV加速电压下拍摄显微照片。为避免损伤菌丝，样品未进行喷金处理。

2.6 挤出式与粘结剂喷射3D打印对比

三、研究结果与结论

3.1 打印样品外观

实验成功打印了两种粒径大麻秆芯粉末的T形样品，所有样品表面均观察到明显的真菌生长现象。

3.2 内部菌丝生长验证

SEM显微照片清晰显示，样品内部存在大量真菌菌丝，这些菌丝缠绕在大麻秆芯颗粒之间，证实了真菌能够在打印样品内部生长并有效粘结生物质颗粒。

3.3 主要研究结论

1. 技术可行性验证：首次在国际上实现了生物质-真菌复合材料的粘结剂喷射3D打印，成功制备了两种不同粒径生物质粉末的样品，证明了该技术路线的可行性。
2. 粘结机制确认：通过SEM表征证实，真菌菌丝能够在打印样品内部生长并形成网络结构，有效粘结生物质颗粒，实现材料的成型。
3. 工艺优势明确：与传统挤出式3D打印相比，粘结剂喷射工艺打印前预处理步骤更少（仅需制备含真菌的液体粘结剂），具有更高的打印分辨率和尺寸精度，可实现复杂几何形状的制造，更适合大规模生产。

3.4 未来研究方向

• 生物质材料：研究不同类型生物质、粒径分布对打印样品尺寸精度、分辨率和力学性能的影响
• 液体粘结剂：优化粘结剂配方，研究不同成分对样品性能的影响
• 打印参数：系统研究粘结剂液滴体积、速度、间距、喷射频率，以及层厚、铺粉速度等参数的影响
• 工艺参数：研究混合时间、粘结剂等待时间、培养温度对真菌细胞存活和生长的影响
• 后处理工艺：优化加热灭活工艺，研究加热时间和温度对真菌灭活效果及材料性能的影响
• 材料性能：探索不同生物质与真菌组合，开发具有更高力学、热学和化学性能的复合材料