La Delft University of Technology, nota come TU Delft, ha sviluppato un metodo di stampa 3D per creare materiali viventi a base di micelio capaci di assumere nuove funzioni durante la crescita. Il lavoro è stato realizzato dallo Shaping Matter Lab della Faculty of Aerospace Engineering di TU Delft ed è stato pubblicato su Advanced Functional Materials con il titolo “Shaping of Biohybrid Functional Living Materials”. Gli autori dello studio sono Sarah Schyck, Mark Ablonczy, Sourav Patranabish e Kunal Masania.
Il punto interessante non è soltanto la possibilità di stampare una miscela contenente micelio. In molti lavori sui materiali fungini, il micelio viene usato come rinforzo, legante naturale o componente strutturale. Qui invece la crescita del fungo diventa parte del processo produttivo: la struttura viene stampata, il micelio continua a svilupparsi e durante questa fase può catturare particelle funzionali dal mezzo di coltura.
Il micelio non è solo un riempitivo
Il micelio è la rete di filamenti, chiamati ife, che costituisce la parte vegetativa del fungo. In natura questa rete cresce, si ramifica, esplora l’ambiente e collega nutrienti, substrati e superfici. Da anni viene studiata come base per materiali più sostenibili, soprattutto per imballaggi, pannelli, materiali isolanti e compositi leggeri.
Il progetto di TU Delft prova a fare un passo diverso: non usare il micelio soltanto come materiale da essiccare o compattare, ma sfruttarlo vivo, durante la crescita, per costruire una struttura bioibrida. Il micelio diventa quindi un sistema che continua a organizzarsi dopo la stampa e che può incorporare particelle con proprietà specifiche.
Lo Shaping Matter Lab lavora proprio su materiali e strutture che si ispirano ai sistemi viventi. Il laboratorio dichiara di occuparsi di compositi bio-ispirati, engineered living materials e additive manufacturing, con l’obiettivo di sviluppare materiali capaci di comportarsi in modo più vicino agli organismi viventi, quindi con capacità di crescita, adattamento e organizzazione interna.
Come funziona il processo di stampa
Il gruppo ha lavorato con Ganoderma lucidum, un fungo filamentoso già noto anche per l’interesse nei materiali a base di micelio. Frammenti attivi di ife sono stati integrati in un bioinchiostro a base di idrogel reticolabile. Il materiale è stato poi stampato tramite direct ink writing, una tecnica in cui l’inchiostro viene estruso in modo controllato per costruire geometrie tridimensionali.
Il bioinchiostro usato nello studio contiene alginato di sodio, κ-carragenina, agar e un addensante a base di cellulosa. Dopo la stampa, la struttura viene reticolata con cloruro di calcio per mantenere la forma durante la coltivazione in ambiente liquido. Questa fase è importante perché il materiale deve rimanere abbastanza stabile da conservare la geometria iniziale, ma anche abbastanza permissivo da consentire al micelio di crescere.
La stampa non produce quindi un oggetto “finito” nel senso tradizionale. Produce una struttura iniziale, una specie di impalcatura vivente, che continua a modificarsi. Il micelio cresce dal supporto stampato verso il mezzo circostante, arrotonda spigoli e bordi e trasforma progressivamente la morfologia del pezzo. I ricercatori hanno seguito questa evoluzione usando modelli geometrici per descrivere il passaggio dalla forma stampata a quella cresciuta.
La funzionalizzazione guidata dalla crescita
La parte più originale dello studio riguarda la growth-driven functionalization, cioè la funzionalizzazione guidata dalla crescita. In pratica, le particelle non vengono solo mescolate all’inchiostro prima della stampa. Possono essere introdotte nel mezzo liquido in cui il micelio cresce. Mentre il fungo sviluppa la sua rete, intercetta e incorpora queste particelle.
Lo studio mostra che il comportamento cambia in base alla dimensione delle particelle. Le nanoparticelle intorno ai 30 nanometri tendono ad adsorbirsi sulle ife e a creare un effetto di rivestimento lungo le pareti cellulari. Le particelle più grandi, intorno ai 45 micrometri, vengono invece intrappolate fisicamente nella rete miceliare in crescita.
Questo aspetto cambia il modo di pensare la stampa 3D biologica. Invece di stampare un composito già completo, si stampa una struttura che può raccogliere funzionalità dopo la stampa. Il materiale non è solo depositato: viene coltivato e programmato attraverso l’ambiente in cui cresce.
Particelle diverse, zone diverse
Il lavoro non si limita all’incorporazione uniforme delle particelle. Il gruppo ha anche introdotto un metodo di funzionalizzazione selettiva usando una maschera temporanea in gelatina. Alcune aree della struttura vivente vengono protette, mentre altre restano esposte al mezzo contenente le particelle. In questo modo è possibile depositare materiale funzionale solo in zone specifiche.
Questa parte è importante perché molti materiali tecnici richiedono proprietà diverse nello stesso oggetto. Una zona può dover condurre elettricità, un’altra può dover rimanere più isolante; una parte può dover reagire a uno stimolo, un’altra può avere solo funzione strutturale. Nei materiali biologici stampati in 3D, il controllo spaziale della funzionalizzazione è uno dei passaggi necessari per passare da semplici dimostrazioni a dispositivi più utili.
Lo studio mostra anche la possibilità di aggiungere particelle in sequenza, ottenendo pellet multimateriale con anelli funzionali distinti. Questo suggerisce che il processo di coltivazione può diventare uno strumento per costruire materiali a zone, senza dover depositare tutte le funzionalità nella fase di stampa.
Micelio e segnali bioelettrici
Una delle verifiche più interessanti riguarda l’uso di particelle di carbonio conduttive. I ricercatori hanno confrontato campioni di micelio stampato e cresciuto con e senza carbon black, misurando il comportamento elettrico su elettrodi in ossido di indio-stagno.
I campioni viventi funzionalizzati con carbonio hanno mostrato una risposta elettrica più marcata rispetto ai campioni non funzionalizzati. Secondo i dati riportati nello studio, l’incorporazione delle particelle conduttive ha aumentato il rapporto segnale/rumore di 2,7 volte e l’ampiezza del picco di circa 9 volte. Un carico più elevato di carbonio ha anche ridotto l’impedenza, indicando una migliore connettività elettrica nella rete vivente.
Questo non significa che siamo davanti a un sensore pronto per il mercato. Significa però che la crescita del micelio può essere usata per modificare il comportamento elettrico del materiale, aprendo possibilità in campi come monitoraggio ambientale, materiali sensibili, sistemi bioibridi e dispositivi che rispondono a variazioni del contesto.
Perché usare un fungo vivo nella fabbricazione
La manifattura tradizionale richiede spesso energia, calore, pressione, solventi o processi chimici intensivi. La biologia offre un’altra logica: un organismo cresce, si organizza, costruisce reti e modifica il proprio ambiente. Lo studio della TU Delft si inserisce proprio in questa direzione, usando la crescita biologica come meccanismo di fabbricazione post-stampa.
La differenza rispetto a una stampa 3D convenzionale è netta. In una normale stampa polimerica, la forma e la composizione vengono definite quasi interamente al momento della deposizione. In questo caso, la stampa fornisce solo il punto di partenza. La fase biologica successiva aggiunge struttura, organizzazione e funzionalità.
Lo stesso concetto era già comparso in altri lavori legati a TU Delft. Uno studio precedente sui mycelium hydrogels descriveva una stampa 3D con Ganoderma lucidum capace di produrre strutture viventi con capacità di autoriparazione, rigenerazione e adattamento, inclusa una dimostrazione di “pelle robotica” meccanicamente robusta, autopulente e capace di rigenerarsi dopo un danno.
Una continuità con le ricerche sui living composites
Il lavoro pubblicato su Advanced Functional Materials si collega anche a un filone più ampio sui materiali compositi viventi. Un altro studio del 2024, con la partecipazione di Kunal Masania, ha mostrato compositi ottenuti sfruttando la crescita del micelio e la separazione di fase indotta dal metabolismo fungino. In quel caso i materiali mostravano capacità di self-healing, con recupero di circa il 90% della resistenza originale dopo separazione completa, insieme a buone proprietà meccaniche e basso assorbimento d’acqua.
Questi dati aiutano a leggere il nuovo studio nel contesto corretto. TU Delft non sta solo proponendo un nuovo materiale “verde”, ma sta sviluppando un approccio in cui la parte biologica partecipa alla fabbricazione. Il micelio non sostituisce semplicemente plastica, schiume o fibre: diventa una componente attiva della costruzione del materiale.
Materiali viventi, ma con limiti tecnici reali
La ricerca resta in una fase sperimentale. Gli stessi ricercatori segnalano che i pellet multimateriale ottenuti in coltura libera sono fragili e soggetti a deformazioni durante la manipolazione. Questo significa che, prima di immaginare componenti utilizzabili in prodotti o dispositivi, serviranno ulteriori passaggi di consolidamento, integrazione o post-processing.
Anche le strutture stampate usate per le misure elettriche dipendono dal supporto idrogel. Questo rende il sistema più controllabile in laboratorio, ma indica anche che la trasformazione in materiali industriali richiederà prove su stabilità, durata, essiccazione, sterilizzazione, ambiente operativo, ripetibilità e sicurezza biologica.
C’è poi un punto fondamentale: un materiale vivo cambia nel tempo. Questa caratteristica può essere utile se si cercano materiali adattivi, ma può diventare un problema se l’applicazione richiede forma, proprietà e comportamento costanti. Per questo la sfida sarà decidere quando mantenere vivo il materiale, quando stabilizzarlo e quando sterilizzarlo dopo la fase di crescita.
Il ruolo dei dati sperimentali
TU Delft ha reso disponibile anche un dataset collegato allo studio tramite 4TU.ResearchData. I dati includono immagini time-lapse della crescita dei pellet, misure reologiche del bioinchiostro a base di alginato, caratterizzazioni SEM ed EDS, file con segnali elettrici del micelio registrati con PicoLog e dati di spettroscopia di impedenza per campioni senza carbon black, con basso carico e con alto carico di carbon black.
Questa disponibilità è utile perché consente ad altri gruppi di ricerca di studiare il comportamento del sistema, confrontare i risultati e sviluppare varianti del processo. Nei materiali viventi, dove crescita, tempo, nutrizione e condizioni ambientali incidono molto sul risultato, i dati sperimentali sono essenziali per arrivare a processi ripetibili.
Possibili applicazioni: sensori, monitoraggio e materiali adattivi
Le applicazioni più credibili non sono, almeno per ora, pannelli o oggetti di consumo pronti all’uso. Il potenziale maggiore riguarda materiali bioibridi capaci di rispondere a stimoli, segnalare cambiamenti o adattarsi a un ambiente. Lo studio cita possibili direzioni come sensing, monitoraggio ambientale, remediation e sistemi adattivi.
Nel monitoraggio ambientale, per esempio, un materiale vivente potrebbe essere progettato per reagire alla presenza di sostanze nel suolo o nell’acqua. In un sistema di sensing, la rete miceliare funzionalizzata con particelle conduttive potrebbe diventare parte di un circuito bioelettrico. Nella remediation, cioè nella bonifica ambientale, il micelio potrebbe essere usato per interagire con contaminanti o particelle specifiche, anche se queste applicazioni richiedono ancora molta ricerca.
Il punto da sottolineare è che la stampa 3D non serve solo a “dare forma” al materiale. Serve a impostare l’architettura iniziale di un organismo-materiale che poi continua a crescere. La forma stampata diventa il punto di partenza di un processo biologico controllato.
Dalle aziende dei biomateriali alla ricerca sui materiali funzionali
Il settore dei materiali a base di micelio è già presente nel mercato attraverso aziende che lavorano su imballaggi, pannelli, pelle alternativa e prodotti per l’interior design. Nomi come Ecovative, MycoWorks e Mogu hanno contribuito a far conoscere il micelio come alternativa a materiali di origine fossile in alcune applicazioni. Il lavoro di TU Delft, però, si colloca su un piano diverso: non punta soltanto a sostituire un materiale convenzionale, ma a creare strutture bioibride con proprietà regolabili dopo la stampa.
Questa distinzione è importante. Un pannello in micelio essiccato può essere valutato per densità, isolamento, resistenza e durabilità. Un materiale vivente funzionalizzato deve essere valutato anche per crescita, vitalità, risposta elettrica, interazione con particelle e stabilità nel tempo. Sono problemi più complessi, ma anche più interessanti per chi studia materiali adattivi.
Cosa cambia per la stampa 3D
La stampa 3D tradizionale ha portato l’idea di produrre forme complesse senza stampi. La biofabbricazione aggiunge un passaggio ulteriore: la forma può non essere il risultato finale, ma una condizione iniziale. Nel caso di TU Delft, il pezzo stampato guida la crescita del micelio, mentre il mezzo di coltura e le particelle disponibili definiscono parte delle proprietà finali.
Questo apre una domanda tecnica molto concreta: come si progetta un oggetto che cambia dopo la stampa? Il progettista deve considerare non solo geometria, materiale e percorso di deposizione, ma anche crescita nel tempo, nutrizione, diffusione delle particelle, mascherature selettive, maturazione e stabilizzazione. È una forma di progettazione 4D, dove il tempo diventa una variabile del processo.
Il lavoro della TU Delft mostra una direzione interessante per la stampa 3D dei materiali viventi: non limitarsi a stampare un composto biologico, ma usare la crescita del micelio come parte della fabbricazione. Lo studio dello Shaping Matter Lab, pubblicato su Advanced Functional Materials, dimostra che strutture contenenti Ganoderma lucidum possono essere stampate, coltivate e funzionalizzate con particelle in modo controllato.
L’aggiunta di particelle conduttive di carbonio e l’aumento misurato dei segnali bioelettrici indicano che questi materiali possono andare oltre il ruolo di compositi sostenibili. La prospettiva è quella di materiali capaci di crescere, organizzarsi e assumere proprietà funzionali in risposta al processo di coltivazione. Restano limiti importanti su fragilità, manipolazione, stabilità e scalabilità, ma il messaggio tecnico è chiaro: nella stampa 3D biologica, la produzione può continuare anche dopo che l’estrusore ha finito il suo lavoro.
