ワシントン大学は、コーヒーかすをバイオ複合材料に変える、カビのない3Dプリント技術を革新した。

この投稿は warrior bear によって 2025-2-19 22:03 に最後に編集されました。

2025年2月19日、Antarctic Bearは、ワシントン大学（UW）の研究者が菌糸体ベースのバイオ複合材料を3Dプリントする新しい方法を導入し、従来の金型の必要性をなくしたことを知りました。
Danli Luo、Junchao Yang、Nadya Peek によって開発されたこの新しい方法は、Mycofluid と呼ばれる特殊な 3D 印刷ペースト、Fungibot と呼ばれるカスタム 3D 印刷システム、および印刷された構造内で菌糸を成長させるプロセスを使用します。
この研究は、3Dプリンティングと付加製造のジャーナルに掲載された「3Dプリント菌糸体バイオ複合材料：菌類ベースの複合材料の3Dプリントと成長の方法」と題された論文で、このアプローチが機能性を損なうことなく、従来の製造方法よりも持続可能な代替手段を提供する方法を強調しています。

論文リンク: https://doi.org/10.1089/3dp.2023.0342
菌糸バイオ複合材料は構造的な強度と疎水性を備えていますが、硬い金型によって設計の柔軟性が制限されます。編み物や織り物などの柔軟なテンプレートを使用する試みは、材料の分布が不均一になり、構造に一貫性がなくなるという結果をもたらしたと研究チームは述べた。「我々はこの技術を他の生物由来の材料、例えば他の形態の食品廃棄物にも応用することに興味がある」と羅氏は語った。「我々は、プラスチック廃棄物という巨大な問題の解決策としてだけでなく、この柔軟な開発を幅広く支援したい。」
△この小さなグラスの周りの梱包材は、廃棄されたコーヒーの粉から3Dプリントされています。画像はUWより。
持続可能で手頃な代替品<br /> 研究チームによると、3Dプリントは材料をカスタマイズされた形状に直接堆積させることができるため、金型への依存度が下がるが、高密度のマトリックスが菌糸体の定着を妨げるという。
ここでMycofluidが役立ちます。バイオペーストは主に使用済みのコーヒーかすから作られており、固形物の73パーセントを占め、玄米粉（栄養素として）とキサンタンガム（結合剤として）が混ぜられています。材料構成は粒子サイズ、粘度、効率的な滅菌のバランスが取れており、3D 印刷アプリケーションに実用的な選択肢となります。コーヒーかすは小規模なキノコ栽培ですでに広く使用されているため、この新しい方法は豊富な廃棄物資源を有効活用するものである。
△材料の印刷適性を評価する方法。 10 mL シリンジを使用して、コーヒーの粉、玄米粉、穀物培養物、キサンタンガム (XG) から作られた Mycofluid の印刷可能性を視覚化しました。 3D プリント可能なペーストは、自立した位置に留まり、わずかに傾いているはずです。これは、弾力性と水分含有量の適切なバランスを示しています。ペーストが乾燥しすぎると押し出しプロセス中に破損する可能性があり、一方、ペーストが湿りすぎると 3D プリントの積層プロセス中にペースト自体を支えることができない可能性があります。スケールバー: 10 mm。
Mycofluid を印刷するために、研究チームは、水分に敏感な生体材料専用に設計されたオープンソースの 3D 印刷システムである Fungibot を開発しました。これは、材料貯蔵庫と、バイオペーストの堆積方法を制御できる軽量のスパイラル押し出しプリントヘッドで構成されています。ユニット全体の価格は約 1,700 ドルで、7,000 ドル以上かかる市販の代替品よりも大幅に安価です。
△Fungibot は、デスクトップモーションプラットフォームに取り付けられた材料リザーバー (上部) とスクリューエクストルーダー (下部) で構成されています。材料リザーバーは、電動プランジャーを通じてバイオペーストを送り出します。
構造が印刷されると、菌糸が定着する潜伏期間が続きます。研究者らは、微生物汚染に抵抗する能力があるため、霊芝穀類菌を接種剤として選択した。適切な条件、つまり十分な湿度、空気の入れ替え、低光量の下では、菌糸は印刷物のすべての部分に広がり、成長するにつれて構造を強化します。
このアプローチの重要な特徴はバイオウェルディングであり、生きた菌糸体が別々に印刷された部品を融合して複雑な形状を形成します。デモンストレーションには、モアイ像、積み重ね可能な花瓶、生分解性包装などが含まれていました。堆肥化可能な用途を探るために、蝶サイズのミニ棺も印刷されました。
構造および機械的特性<br /> 物理的および機械的なテストにより、いくつかの興味深い結果が明らかになりました。菌糸の成長により疎水性が大幅に向上し、接触角 138° の保護外層が形成され、水の吸収を防ぎます。比較すると、コロニー化されていない構造は重量の 65 パーセントに相当する水を吸収しましたが、コロニー化されたバイオ複合材料は水の 7 パーセントしか吸収せず、形状と耐久性を維持しました。
強さや柔軟性も変化します。最も高い引張強度は、コロニー化されていない Mycofluid 構造で記録され、3.21 MPa でした。コロニー化後は 1.41 MPa に減少しました。ただし、破断時の伸びは 0.4% から 0.8% に倍増し、材料は脆くなるのではなく、より柔軟になります。圧縮試験の結果、菌糸体を含むバイオ複合材料は、菌糸体を含まないコーヒーベースのバイオ複合材料に比べて靭性が高く、簡単に破損することが分かりました。
この研究結果は、菌糸体ベースの 3D プリンティングが従来の金型ベースの製造方法に代わる現実的な方法となる可能性があることを示唆しています。硬い金型の必要性をなくすことで設計の可能性が広がり、バイオ溶接により廃棄物を最小限に抑えながら、より大きく、より適応性の高い構造を作成するための新しい方法が生まれます。
それでも、このプロセスには課題がないわけではありません。汚染を防ぐためには、印刷およびインキュベーションのプロセス中に無菌性を維持することが重要です。新しく印刷された Mycofluid 構造は、この段階ではまだ壊れやすいため、変形を防ぐために慎重に取り扱う必要があります。さらに、印刷品質は材料の一貫性と押し出し精度に影響を受けるため、精度は印刷プロセスの重要な要素となります。
この研究では堆肥化可能性を正式にテストしたわけではないが、以前の研究ではMycofluidの成分は生分解性であることがわかっている。しかし、生産は依然として遅く、菌糸の定着には 1 週間以上かかるため、現時点では拡張性が制限されています。この問題に対処するため、研究者らは、より高速な培養方法、より広範囲のバイオマスマトリックス、自動化された品質管理を研究し、製造プロセスを改善する予定です。
最後に、研究者らは、これはカスタム製造と生分解性材料における菌糸体の役割の探究の始まりに過ぎないことを強調している。
△ 3Dプリント菌糸体バイオ複合材料の概要。画像はUWより。
バイオベースの 3D プリント研究<br /> ワシントン大学に加えて、他の機関もバイオベースの 3D プリンティングに貢献しています。たとえば、ビリニュス大学とカウナス工科大学の研究者は、光学式 3D プリント (O3P) 用に大豆からリサイクル可能なバイオ樹脂を開発しました。
この材料は、従来の 3D 印刷ポリマーの技術的および機能的要件を満たしながら、より低コストでより高い生体適合性を提供します。大豆抽出物を組み込むことで、バイオ樹脂は小ロット生産を容易にし、リサイクル不可能な石油ベースのフォトポリマーへの依存を減らすことを目指しています。
2021年に、南洋理工大学（NTU）の研究者らは、バイオメディカル用途向けの構造的完全性と汎用性を兼ね備えた、バイオプリンティング用のヒマワリ花粉ベースのバイオインクを開発しました。ハイブリッドインクは、花粉マイクロゲルとアルギン酸塩およびゴムを組み合わせたもので、微調整することで安定した多層細胞足場や薬物送達システムを作成できます。
研究チームは花粉のユニークな特性を活用して、印刷の崩れやノズルの詰まりなどの問題を解決し、柔軟で生体適合性のある材料を生産しました。この研究結果は、この環境に優しいインクによって、人間の皮膚に適合する創傷パッチやフェイスマスクなど、コスト効率に優れたカスタマイズされた生物医学機器の製造が可能になる可能性があることを示唆している。

ワシントン大学は、コーヒーかすをバイオ複合材料に変える、カビのない3Dプリント技術を革新した。

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