Biocompuestos de micelio impresos en 3D:
Método para la impresión 3D y
el crecimiento de compuestos a base de hongos
Danli Luo, Junchao Yang y Nadya Peek
La investigación en impresión 3D y prototipado rápido se enfrenta cada vez más a los residuos generados en nuestras propias prácticas de diseño, prototipado y fabricación¹, lo que se suma a la preocupación por el impacto ambiental de la fabricación, el uso y la eliminación de productos comerciales². En respuesta a estas preocupaciones, investigadores y diseñadores han desarrollado materiales de origen sostenible y flujos de trabajo sostenibles para sustituir los plásticos convencionales de fabricación digital en áreas de aplicación que abarcan wearables³-6, embalajes²,¹8 y estructuras arquitectónicas². Sin embargo, la transición hacia materiales más sostenibles sigue siendo lenta.
Tras la búsqueda de alternativas materiales sostenibles, los investigadores han observado el potencial de la biomasa ligada al micelio y han adoptado la técnica de utilizar biomasa para cultivar micelios y construir nuestro entorno construido².²,¹5-18 Los compuestos a base de micelio adoptan un enfoque de fabricación alternativo que se basa en el crecimiento del micelio fúngico en lugar de su extracción a partir de recursos finitos. La formación de compuestos de micelio estructural a menudo implica mezclar micelio y biomasa como sustratos a granel y dar forma a la mezcla en un molde rígido.17,19 En condiciones adecuadas de temperatura y humedad, el micelio prolifera en una red de hifas, llenando espacios vacíos y uniendo los sustratos sueltos.20-22 A diferencia de otros materiales compostables, los biocompuestos de micelio son mecánicamente resistentes.21,23,24 Por ejemplo, una espuma de cáñamo y micelio producida por Ecovative23 tiene propiedades mecánicas comparables a la espuma de poliestireno expandido25 y se presenta como un sustituto viable para los materiales de embalaje a través de la formación de moldes.7,12,19,26 Sin embargo, diseñar moldes rígidos para ciertas formas, como estructuras huecas u objetos con cortes intrincados, presenta una dificultad considerable. Como alternativa, los investigadores han explorado la construcción de encofrados complejos y autoportantes mediante técnicas como el tejido de punto, el tejido textil o una combinación de estructuras rígidas y telas blandas13,16,27–32 para crear moldes orgánicos flexibles. Estos moldes blandos se rellenan con biomasa cargada de micelio, que se une y endurece con el sustrato a medida que este crece, dando como resultado una estructura sólida y consistente. Sin embargo, este método plantea nuevos desafíos, como el relleno desigual de los moldes laberínticos y la distorsión de los moldes blandos, lo que provoca inconsistencias en la integridad estructural.
La impresión 3D aborda los desafíos mencionados anteriormente asociados con la fabricación basada en moldes. Elimina la necesidad de producir moldes de un solo uso para la fabricación de formas personalizadas en lotes pequeños y permite la fabricación de estructuras huecas. Recientemente, la tecnología de impresión 3D se ha aplicado al uso de materiales reciclados y renovables como materia prima de impresión, como algas,10 posos de café usados,24,33,34 espirulina,35 hojas de té,36 cáscara de huevo,37 y orujo de aceituna,38,39 para crear formas complejas y estructuras funcionales. Investigaciones previas en biocompuestos de micelio impresos en 3D han explorado la creación de estructuras intrincadas utilizando varios sustratos de biomasa, incluyendo cartón,9,40,41 conchas marinas,42 tierra,43 arcilla,44 y subproductos agrícolas.17,45,46 Estos materiales, formulados en biopastas extruibles, han demostrado ser sustratos adecuados para diferentes cepas de hongos. A diferencia de los compuestos de micelio formados con molde tradicionales donde la red de micelio penetra a través del sustrato suelto, el crecimiento del micelio en sustratos impresos en 3D se limita principalmente a la superficie. Este crecimiento superficial se debe a la naturaleza densa de la pasta de sustrato extruida y a la mayor compactación durante el proceso de impresión, lo que limita la colonización interna.47 De igual manera, la incorporación de posos de café al sustrato para el crecimiento de hongos ha sido una práctica común en la comunidad de cultivo de hongos para la producción a pequeña escala.48 Por lo tanto, planteamos la hipótesis de que existe una intersección productiva entre la fabricación aditiva y los posos de café para la producción de biocompuestos de micelio.
Si bien se han propuesto algunos sistemas de fabricación aditiva para depositar capas de posos de café usados como sustrato de micelio, a menudo presentan limitaciones en la formulación e instrumentación compleja. Estas limitaciones surgen de factores como las formulaciones complejas del material extruido que utilizan principalmente productos químicos y equipos de laboratorio20,21 o la baja vitalidad del micelio,43 lo que resulta en superficies de micelio insuficientemente funcionalizadas y geometrías rudimentarias. En contraste con estas limitaciones, nuestro enfoque simplifica significativamente la instrumentación con una menor barrera de entrada. Al utilizar posos de café como componente principal, nuestra formulación destaca por su alta composición de café en comparación con trabajos anteriores,20,21,24,36 lo que maximiza el aprovechamiento y el reciclaje de un residuo fácilmente disponible. Además, los posos de café se granulan y desinfectan fácilmente a altas temperaturas y presiones, ofreciendo un sustrato que requiere un preprocesamiento mínimo en comparación con otras formulaciones de biomasa.
Los recientes avances en la formulación de sustratos han demostrado el éxito del cultivo de micelio en condiciones no estériles, pero el sustrato debe formularse con productos químicos de laboratorio y la colonización del micelio es insuficiente.20,49 Nuestro flujo de trabajo permite la fabricación de biocompuestos cargados de micelio en un entorno no estéril, lo que simplifica el proceso de fabricación en comparación con las metodologías existentes.20,21,40,49,50 Además de permitir diversos factores de forma mediante la impresión 3D, los investigadores también han investigado las propiedades vivas del micelio, lo que le permite unir, fusionar y soldar piezas en capas o fabricadas por separado.22,42,50 La exploración del uso de biomateriales vivos para crear estructuras regenerativas, autoadaptativas y cultivables acaba de comenzar.
El desarrollo de nuevos materiales requiere pasos de ajuste de materiales de bajo nivel y optimización de procesos,51–53 lo cual no siempre es posible con las máquinas disponibles comercialmente. Por lo tanto, los nuevos materiales a menudo exigen nuevos sistemas de hardware.54,55 Para abordar esto en nuestra propia exploración de materiales, desarrollamos un cabezal de impresión por extrusión personalizado que expone las propiedades clave del material como parámetros modificables. Este cabezal de impresión por extrusión es fácil de ensamblar, económico pero funcional, compatible con el software de corte existente y puede integrarse en las placas de control de impresoras 3D convencionales.
En este trabajo, combinamos la precisión y la capacidad de personalización de la fabricación aditiva, utilizando materiales reciclados y herramientas accesibles para la personalización a pequeña escala, con la naturaleza viva del micelio que permite la biosoldadura para crear un proceso de fabricación sostenible que imprime formas personalizadas y a medida. Demostramos un flujo de trabajo para la impresión 3D y el crecimiento de objetos biocompuestos de micelio (Fig. 1) y destacamos tres contribuciones: Fungibot, un efector final de extrusión personalizado para biopasta; Mycofluid, una formulación de biopasta imprimible en 3D con el mayor componente de posos de café usados en la literatura, representando el 73% del contenido sólido (Tabla 1), inoculado con micelios de hongos; y un método para cultivar micelio en las estructuras impresas en 3D (Mycostructure).
FIG. 1. Descripción general del biocompuesto de micelio impreso en 3D. Nuestra pasta de biocompuesto de micelio, Mycofluid, está compuesta principalmente de posos de café, se puede imprimir en 3D con una impresora 3D de aficionado y sirve como sustrato para el crecimiento del micelio. Con el tiempo, el micelio coloniza la estructura impresa, rellenando los pequeños huecos que encuentra. Esta capacidad permite la creación de geometrías complejas, incluyendo jarrones altos con paredes finas y delicadas.
