پرینت سه بعدی با قارچ

پرینت سه بعدی با قارچ جدیدترین دستاورد علمی برای کاربردهای مختلف این ماده ارزشمند است. با وجود پیشرفت‌های زیاد در صنعت چاپ سه بعدی، هنوز مواد اولیه آن از پلاستیک‌های مبتنی بر نفت مشتق می‌شوند. محققان در حال توسعه جایگزین غیرنفتی از طریق بیومواد هستند.
اما حالا تیم تحقیقاتی دانشجویان دکترای دانشگاه واشنگتن در جدیدترین دستاورد خود موفق به چاپ سه بعدی اشیا با استفاده از میسلیوم نوعی قارچ و دانه قهوه شدند. آنها خمیری برای پرینت سه بعدی اشیا ساختند که بسیار مقاوم و محکم و همچنین کاملا زیست تخریب‌پذیر و دوستدار محیط زیست است.

بیوکامپوزیت‌ میسلیوم در آزمایشات بسیار امیدبخش ظاهر شده‌است. کامپوزیت‌های مبتنی بر میسلیوم، رویکرد جایگزین متکی بر مواد طبیعی به جای استخراج از منابع محدود نفتی است.

پرینت سه بعدی چیست؟

چاپ سه بعدی (3D Printing) فرایندی است که اشیا و قطعات مختلف به وسیله دستگاه پرینتر سه بعدی، بصورت لایه‌لایه تولید می‌شوند. ابتدا به کمک نرم‌افزارهای طراحی یک مدل سه بعدی از شیء مورد نظر ایجاد میشود. سپس این مدل توسط دستگاه با مواد ذوب‌شده یا پودری خاص، با قرارگیری متوالی لایه‌ها روی یکدیگر در یک سطح‌مقطع دوبعدی، بصورت سه‌بعدی ساخته میشود.

ایده اولیه پرینت سه بعدی با قارچ

دانلی لو، دانشجوی دکترای دانشگاه واشنگتن در رشته طراحی و مهندسی انسان محور، در حال کار با دستگاه اسپرسوساز خود به فکر یافتن کاربردی برای تفاله‌های قهوه افتاد.

فقط 30 درصد از یک دانه قهوه در آب محلول می‌گردد. حتی در بسیاری از روش‌های دم کردن قهوه، این میزان کمتر خواهد بود.
تنها در کشور آمریکا سالیانه 500 هزار تن تفاله قهوه تولید میشود. تقریبا تمام این تفاله‌ها دور ریخته میشود.

اما تفاله قهوه غنی از مواد مغذی است و هنگام دم کردن، استریل میشود. بنابراین برای بستر کشت قارچ ایده آل می‌باشد. اما هدف دانلی لو، پرورش قارچ روی تفاله قهوه نبود. بلکه او ایده جذاب دیگری داشت.

میسلیوم قارچ قبل از پین دهی، توانایی چسباندن مواد مختلف را بهم دارد. با استفاده از ریسه‌های میسلیوم می توان مواد شل مانند تفاله قهوه را بهم چسباند و ماده‌ای سخت تولید کرد.

چاپ سه بعدی با قارچ

لو به همراه تیم تحقیقاتی دانشگاه UW، با تلقیح اسپور قارچ گانودرما به تفاله قهوه، خمیری بدست آورند که برای پرینت سه بعدی بسیار مناسب است. آنها نام این خمیر را مایکوفلوئید(Mycofluid) گذاشتند.

برای ایجاد خمیر Mycofluid، آنها تفاله قهوه را با آرد برنج قهوه‌ای، هاگ قارچ ریشی، صمغ زانتان(نوعی ماده قوام دهنده غذایی که در تولید بستنی و سس‌ها مصرف میشود) و آب مخلوط کردند.
سپس شرایط رشد قارچ را فراهم کردند تا میسلیوم، بستر را فرا گیرد. تحت دما و رطوبت مناسب، میسلیوم بصورت یک شبکه هیف تکثیر می‌شود و فضاهای خالی را پر می‌کند.

خمیر حاصل انعطاف‌پذیر، ضدآب و سبک وزن است و می‌تواند جایگزین مناسبی برای مواد پلاستیکی در چاپ سه بعدی شود.
ولی این خمیر برخلاف پلاستیک، کاملا زیست‌تجدیدپذیر و سازگار با محیط زیست خواهد بود.

با استفاده از این خمیر قارچی می‌توان گلدان، مجسمه و قطعات مختلف را بصورت پرینت سه بعدی ساخت. همچنین می‌توان با این خمیر فوم‌مانند، محافظ و بسته‌بندی اشیای شکننده را تولید کرد.

به همین دلیل لو و همکارانش یک سر چاپگر اکستروژن سفارشی جدید برای دستگاه Jubilee ساختند تا بتوانند خمیر خود را بصورت عملی آزمایشگاه کنند. Fungibot، یک سیستم سخت افزاری سفارشی برای پرینت سه بعدی خمیرهای زیستی قارچ است.

این هد چاپگر اکستروژن مونتاژ آسانی دارد. در عین حال، ارزان و کاربردی می‌باشد. همچنین با نرم‌افزارهای برش موجود کاملا سازگار است و می‌تواند در تابلوهای کنترل پرینترهای سه بعدی دیگر نیز ادغام شود. سیستم چاپگر جدید قابلیت نگهداری یک لیتر خمیر را در خود دارد.

تولید اشیای مختلف با خمیر قارچی

این تیم اشیا مختلفی را با خمیر Mycofluid چاپ کردند. آنها با این ماده یک پک بسته‌بندی برای یک لیوان کوچک، سه عدد گلدان، دو نیمه مجسمه موآی و یک تابوت دو تکه به اندازه یک پروانه بصورت چاپ سه بعدی ساختند. سپس اجسام به مدت 10 روز در یک پالت پلاستیکی قرار گرفت و از روز پنجم، میسلیوم نوعی پوسته در اطراف مایکوفلوئید تشکیل داد. به اینصورت قطعات جداگانه مجسمه و گلدان با هم ترکیب شدند.

فرآیند رشد میسلیوم مشابه کیت‌های کشت قارچ خانگی می‌باشد. باید محیط رشد میسلیوم را مرطوب نگه داشت تا از مواد مغذی بستر تغذیه و رشد کند. میزان رطوبت باید بین 60 تا 75 درصد حفظ شود.
اگر قطعات پرینت‌شده مدت بیشتری در پالت بمانند، بدنه بارده قارچ از اجسام جوانه می‌زند. اما باید پس از کلونیزه شدن بستر توسط میسلیوم، آنها از پالت خارج شوند. سپس قطعات را به مدت 24 ساعت خشک می‌کنند تا باعث توقف باردهی قارچ‌ها شوند.

بدین صورت فرایند چاپ سه بعدی قطعات به اتمام میرسد. در پایان آنها بسیار محکم و پایدار خواهند بود.

در این فرایند، میسلیوم ساختار چاپی را مستعمره می‌کند و حتی شکاف‌های کوچک را پر می‌کند. این قابلیت ایجاد اشکال با هندسه‌های پیچیده را امکان پذیر می‌کند.

تشکیل پوست میسلیوم خواص فیزیکی ساختارهای چاپی را پس از خشک شدن تغییر می‌دهد. در نتیجه کامپوزیت میسلیوم بدست‌آمده، بطور قابل‌توجهی متراکم‌تر از کامپوزیت‌های قالبی است.

معایب پرینت سه بعدی قارچی

چاپ سه بعدی با قارچ علاوه بر مزایای مذکور، معایبی نیز دارد که باید در آینده نسبت به رفع آنها اقدام شود.

• میسلیوم در لایه زیرین نیز برای رشد نیاز به تبادل هوا دارد. بنابراین معمولا سطح زیرین قطعه که بر روی سطح است، کلونیزه نمیگردد.
• کیفیت چاپ تحت تأثیر مواد اولیه و دستگاه می‌باشد. عدم یکنواختی اندازه و نوع تفاله‌های قهوه می تواند کیفیت را تحت تاثیر قرار دهد.
• به دلیل بکارگیری خمیر، ایجاد اشیا با جزئیات ظریف محدود است.
• ابه دلیل وابستگی تکمیل پرینت به رشد میسلیوم، روشی کند محسوب میشود. بطوریکه ساخت یک قطعه به بیش از یک هفته زمان نیاز دارد.

درباره مایکوفلوئید

خمیر Mycofluid برای چاپ سه بعدی با قارچ، شامل مواد زیر می‌باشد.

فرمول مایکوفلوئید: ترکیب و دلیل مصرف مواد تشکیل‌دهنده

در انتها فرایند پرینت سه بعدی با قارچ ماده بدست‌آمده کمی سنگین‌تر از فوم است. چگالی مایکوفلوئید نزدیک به مقوا است. اما بر خلاف مقوا ضدآب می‌باشد.
Mycofluid پس از تماس به مدت یک ساعت با آب، تنها 7 درصد جذب آب و افزایش وزن خواهد داشت. همچنین پس از خشک شدن تقریبا همان وزن اولیه را پیدا میکند.

به علاوه مایکوفلوئید از نظر استحکام قوی‌تر از پلی استایرن و فوم است.

از نظر تجزیه‌پذیری و سازگاری با محیط زیست نیز، این ماده کاملا سبز است و هیچگونه آسیبی به طبیعت وارد نخواهد کرد. در واقع این ماده خوراکی است، اگرچه ظاهر و مزه آن اشتهاآور نخواهد بود.

مولف:

گردآوری، ترجمه و تحریر توسط تیم رسانه هاگ
کپی فقط با ذکر منبع مجاز است.
منبع: techxplore.com
مقاله اصلی: https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/3dp.2023.0342