Un team di ricerca dell’Università di Washington (UW) ha sviluppato un nuovo metodo per stampare biocompositi a base di micelio senza l’uso di stampi tradizionali.
Guidato da Danli Luo, insieme a Junchao Yang e Nadya Peek, il progetto utilizza una pasta stampabile in 3D chiamata Mycofluid, un sistema di stampa personalizzato denominato Fungibot e un processo di incubazione che consente al micelio di svilupparsi all’interno delle strutture stampate.
Pubblicato sulla rivista 3D Printing and Additive Manufacturing, lo studio suggerisce che questa tecnica possa rappresentare un’alternativa sostenibile ai metodi di fabbricazione convenzionali senza comprometterne la funzionalità.
Vantaggi dei biocompositi a base di micelio
I biocompositi di micelio offrono proprietà strutturali e idrofobe, ma l’uso di stampi rigidi ne limita la flessibilità progettuale. L’impiego di materiali formabili, come tessuti intrecciati, ha portato a distribuzioni irregolari del materiale e a strutture poco consistenti.
“Vogliamo estendere questa tecnologia ad altri materiali derivati da scarti alimentari,” ha dichiarato Luo. “L’obiettivo è supportare lo sviluppo di alternative flessibili alla plastica senza limitarci a una sola soluzione.”
Un’alternativa sostenibile e accessibile
Il team ha evidenziato che la stampa 3D consente di depositare direttamente i materiali nella forma desiderata, riducendo la dipendenza dagli stampi. Tuttavia, i substrati troppo densi ostacolano la crescita del micelio.
Mycofluid risolve questo problema. La biopasta è composta principalmente da fondi di caffè esausti, che rappresentano il 73% del contenuto solido, arricchiti con farina di riso integrale come nutriente e gomma di xantano per la coesione.
Questa formulazione bilancia granulometria, viscosità e sterilizzazione, rendendola adatta alla stampa 3D. I fondi di caffè esausti sono già utilizzati su piccola scala nella coltivazione di funghi, il che rende questa soluzione una valorizzazione di risorse abbondanti.
Per stampare Mycofluid, il team ha progettato Fungibot, un sistema open-source pensato per materiali biologici sensibili all’umidità. Il sistema include un serbatoio per il materiale e una testina di estrusione a coclea leggera, che permette un controllo preciso del flusso di materiale.
L’intero sistema costa circa 1.700 dollari, risultando molto più economico rispetto ad alternative commerciali che superano i 7.000 dollari.
Dopo la stampa, le strutture subiscono un periodo di incubazione in cui il micelio colonizza il materiale. Il team ha scelto il micelio del Ganoderma lucidum (Reishi) per la sua resistenza alle contaminazioni microbiche. In condizioni adeguate di umidità, scambio d’aria e bassa illuminazione, il micelio si diffonde, rafforzando la struttura.
Bio-saldatura e applicazioni potenziali
Una caratteristica chiave di questo processo è la bio-saldatura: il micelio vivente fonde tra loro le parti stampate, permettendo la creazione di geometrie complesse. Tra le dimostrazioni vi sono una statua Moai, un vaso impilabile e un imballaggio biodegradabile. È stato anche stampato un mini-sarcofago delle dimensioni di una farfalla per testare applicazioni compostabili.
Prestazioni strutturali e meccaniche
I test fisici e meccanici hanno rivelato risultati interessanti. La crescita del micelio ha migliorato significativamente l’idrofobicità, formando uno strato esterno protettivo con un angolo di contatto di 138°, che ha ridotto l’assorbimento d’acqua. Le strutture non colonizzate assorbono fino al 65% del loro peso in acqua, mentre quelle colonizzate solo il 7%, mantenendo forma e integrità.
Anche la resistenza meccanica ha subito variazioni. Le strutture non colonizzate hanno registrato la resistenza a trazione più alta (3,21 MPa), che si è ridotta a 1,41 MPa dopo la colonizzazione. Tuttavia, l’allungamento a rottura è raddoppiato dallo 0,4% allo 0,8%, rendendo il materiale più flessibile.
I test di compressione hanno dimostrato che i biocompositi colonizzati risultano più tenaci rispetto a quelli basati solo su fondi di caffè, che tendono a fratturarsi con maggiore facilità.
Questi risultati suggeriscono che la stampa 3D con micelio possa offrire un’alternativa praticabile alla produzione basata su stampi. Eliminare la necessità di stampi rigidi amplia le possibilità progettuali, mentre la bio-saldatura consente la realizzazione di strutture adattabili con scarti minimi.
Nonostante i vantaggi, il processo presenta delle sfide. La sterilità durante la stampa e l’incubazione è essenziale per evitare contaminazioni. Inoltre, le strutture stampate restano fragili nelle prime fasi, richiedendo manipolazioni accurate. La qualità di stampa dipende anche dalla consistenza del materiale e dalla precisione dell’estrusione.
Sebbene lo studio non abbia testato formalmente la compostabilità, le ricerche precedenti indicano che gli ingredienti di Mycofluid sono biodegradabili. Tuttavia, la produzione rimane lenta, con la colonizzazione del micelio che richiede più di una settimana, limitandone attualmente la scalabilità. I ricercatori stanno esplorando metodi di incubazione più rapidi, un’ampia gamma di substrati biologici e sistemi automatizzati di controllo qualità per migliorare il processo.
Ricerca sulla stampa 3D bio-based
Al di fuori della UW, altri istituti stanno sviluppando metodi innovativi per la stampa 3D sostenibile. Ad esempio, ricercatori delle università di Vilnius e Kaunas hanno creato una bioresina riciclabile a base di soia per la stampa 3D ottica (O3P). Questo materiale soddisfa gli standard tecnologici dei polimeri convenzionali, offrendo maggiore biocompatibilità a costi inferiori.
Nel 2021, un team della Nanyang Technological University (NTU) ha sviluppato un inchiostro per biostampa basato sul polline di girasole, combinando microgel di polline con alginato e gomma. Questa formula permette la creazione di scaffold cellulari e sistemi di rilascio di farmaci, affrontando sfide come il collasso della stampa e l’ostruzione degli ugelli.
Questi sviluppi evidenziano il crescente interesse per materiali bio-based nella produzione additiva, con applicazioni che spaziano dall’ingegneria biomedica alla sostenibilità ambientale.
