论文链接：https://www.mdpi.com/2313-7673/9/7/411

论文标题：Effects of Incorporating Ionic Crosslinking on 3D Printing of Biomass–Fungi Composite Materials

期刊名：Biomimetics

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/biomimetics

生物质真菌复合材料绿色、廉价、可降解，但3D打印后容易收缩、变形。美国德州农工大学Zhijian Pei教授团队在 Biomimetics 发表研究，首次将离子交联引入生物质和真菌复合材料的3D打印流程，显著提升了样品的几何精度，减少了高度收缩，同步改善了材料的的黏结性和弹性，提高了结构性能。

图1. 一种基于3D打印的生物质真菌复合材料制造方法。

研究内容

材料：生物质-真菌混合物 + 不同浓度海藻酸钠 (SA) (0%、2%、5%)+CaCl₂交联(1或10 min)。

打印：WASP Delta 2040 3D打印10×10×3 cm长方体。

评估：几何精度、高度收缩、流变特性、化学性质、结构性质。

图2. 3D打印设置和样品设计模型：(a) 3D打印机，(b) 定制喷嘴组件，(c) 长方体形状模型。

主要结果

• 最佳组合：2% SA+1 min交联

2%SA经1 min交联后的3D打印样品最初具有令人满意的几何精度。与其他3D打印样品相比，这些样品在5天后仍保持了最佳的几何精度。

• 流变学特性：

所有混合物剪切变稀，适合挤出。但过高SA (5%) 挤出阻力大，初始高度偏低。三步流动测试进一步说明，5% SA在高剪切后粘度恢复率仅31%，而2% SA恢复率为42%，说明2% SA更平衡。

图3. 通过三步流动试验得到的粘度随时间变化曲线图。

• 化学性质

FTIR证实，交联后–COO–特征峰向高波数移动且强度减弱，证明Ca²?与SA形成了离子键，确实在打印件内部发生了交联。

图4. FTIR光谱：(a) 2% SA+未交联；(b) 2% SA+交联1 min；(c) 2%SA+交联10 min；(d) 5%SA+未交联；(e) 5%SA+交联1 min；(f) 5%SA+交联10 min。

• 结构特性

交联显著提高硬度 (抑制收缩)；添加SA改善内聚性和弹性 (减少底层扩散)。

图5. 质地分析结果：(a) 硬度，(b) 黏结性，(c) 弹性。

总结

本研究首次将离子交联应用于生物质?真菌复合材料的3D打印，得出以下结论：

1. 2% SA+1 min交联是最优参数，能同时保证打印精度、降低收缩、避免结构缺陷。

2. 离子交联通过Ca²⁺与SA的–COO–结合，增强了材料的硬度和结构稳定性。

3. 添加SA改善了混合物的内聚性和弹性，使打印过程更稳定。

这项研究为低成本、可降解、复杂形状的生物复合材料3D打印提供了新思路。

原文出自Biomimetics 期刊：

Rahman, A.M.; Akib, Y.M.; Bedsole, C.O.; Pei, Z.; Shaw, B.D.; Ufodike, C.O.; Castell-Perez, E. Effects of Incorporating Ionic Crosslinking on 3D Printing of Biomass–Fungi Composite Materials. Biomimetics 2024, 9, 411.

Biomimetics期刊介绍

主编：Stanislav N. Gorb, Kiel University, Germany

期刊致力于研究生物体的最基本方面及其特性向人类应用的转移。期刊旨在为材料科学、机械工程、纳米技术和生物医学领域的研究人员和专业人士提供一个平台，通过在工程系统、技术和生物医学中利用生物启发的设计，开发实现可持续创新的解决方案。