作為一種高自由度、低損耗的可持續(xù)制造手段，3D打印正在深刻改變菌絲體材料的生長(zhǎng)路徑與構(gòu)造方式。這種從傳統(tǒng)翻模到數(shù)字制造的轉(zhuǎn)換，使得菌絲體構(gòu)件不再局限于簡(jiǎn)單的幾何形態(tài)。由此，建筑師與藝術(shù)家們也開(kāi)始思考，如何利用這一技術(shù)讓菌絲體材料場(chǎng)景真正融入建筑設(shè)計(jì)的實(shí)操。

菌絲體是真菌吸收營(yíng)養(yǎng)的根系，也是一種天然的生物粘合劑，因其能夠通過(guò)自然生長(zhǎng)將松散的基質(zhì)連接并整合為具有一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的整體，成為一種極具潛力的生物基材料。

然而，依賴模具的成型方式不僅限制了構(gòu)件的幾何形態(tài)，更因無(wú)法干預(yù)菌絲在材料內(nèi)部的生長(zhǎng)走向，容易導(dǎo)致物理性能分布不均，難以滿足復(fù)雜構(gòu)件對(duì)定制化形態(tài)與高性能力學(xué)表達(dá)的需求。

在這一背景下，3D打印菌絲體材料逐漸發(fā)展成為一種新的制造路徑。該方法將菌絲體的生物生長(zhǎng)過(guò)程與數(shù)字化成型能力相結(jié)合，通過(guò)制備可擠出的基質(zhì)，將材料按照預(yù)設(shè)路徑和幾何結(jié)構(gòu)逐層沉積。

根據(jù)操作式的不同，這一工藝可分為兩類：其一為后接種式（Post-Inoculation），即先完成基質(zhì)打印，再進(jìn)行菌絲體接種，該方式有利于在打印階段維持材料穩(wěn)定性與無(wú)菌環(huán)境。

其二則是在打印前將菌絲體與基質(zhì)預(yù)先混合，制備成具備生物活性的“生物墨水”，使菌絲體在成形過(guò)程中同步參與結(jié)構(gòu)構(gòu)筑，可顯著增強(qiáng)打印件層間結(jié)合力與整體完整性，但對(duì)打印環(huán)境條件及菌種活性的要求更為嚴(yán)苛。

無(wú)論采用何種工藝，菌絲體在構(gòu)件成形后的持續(xù)生長(zhǎng)，均可使內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷自組裝與整合，最終形成力學(xué)強(qiáng)度更高、形態(tài)設(shè)計(jì)更靈活的一體化結(jié)構(gòu)。

本文將首先針對(duì)后接種式的工藝路徑展開(kāi)深度解析；而關(guān)于生物墨水的構(gòu)建，則會(huì)在下篇中進(jìn)行詳細(xì)探討。

在將菌絲體材料引入3D 打印工藝時(shí)，需要在生長(zhǎng)條件與制造可行性之間取得平衡，這對(duì)材料與工藝提出了若干關(guān)鍵約束。首先，就是保證操作過(guò)程中的環(huán)境無(wú)菌性。

滅菌是菌絲體3D 打印的底層邏輯。其核心在于通過(guò)嚴(yán)密的污染控制，確立真菌在基質(zhì)中的絕對(duì)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，使其能在不受雜菌或霉菌干擾的環(huán)境下自由生長(zhǎng)。這也正是一些項(xiàng)目?jī)A向于“先打印、后接種”的主要原因之一：在非活性狀態(tài)下完成構(gòu)件塑造，能最大限度降低打印過(guò)程中的染菌風(fēng)險(xiǎn)，為后續(xù)菌絲體的精準(zhǔn)定殖預(yù)留一個(gè)更為純凈的生長(zhǎng)空間。

其次，菌絲體基質(zhì)的狀態(tài)至關(guān)重要。一方面，它需在打印過(guò)程中具備良好的擠壓性，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定而均勻的沉積；另一方面，作為構(gòu)件的承載結(jié)構(gòu)，基質(zhì)在后續(xù)菌絲體生長(zhǎng)階段必須保持結(jié)構(gòu)完整性與形態(tài)穩(wěn)定性（Mohseni et al., 2023）。

「模塊化生長(zhǎng)與生物焊接」

當(dāng)菌絲體基質(zhì)滿足生長(zhǎng)條件后，構(gòu)件尺度的拓展會(huì)隨之帶來(lái)新的制備難題。

受限于3D打印設(shè)備的成型尺寸，大尺度構(gòu)件通常難以一次性打印成型。因此，將整體構(gòu)件拆分為若干單元進(jìn)行分段制備，已成為菌絲體材料規(guī)?；瘧?yīng)用的常用策略。例如，荷蘭設(shè)計(jì)工作室Klarenbeek & Dros在2026年提出的菌絲體浮雕面板，便通過(guò)模塊化單元拼接，實(shí)現(xiàn)了大尺度與美學(xué)表達(dá)兼具的結(jié)構(gòu)效果。然而，菌絲體材料的模塊化設(shè)計(jì)并非僅停留在物理層面的簡(jiǎn)單拼接，其核心優(yōu)勢(shì)在于依托材料自身生長(zhǎng)特性實(shí)現(xiàn)的“生物焊接”（Bio-welding）。

該方法通常先對(duì)各菌絲體單元分別進(jìn)行3D打印與菌種定殖，在菌絲仍處于活躍生長(zhǎng)階段時(shí)，將相鄰模塊在界面處貼合組裝。依托菌絲體自身的延伸、穿插與纏繞特性，界面處的菌絲網(wǎng)絡(luò)可相互交織貫通，使原本獨(dú)立的模塊在后續(xù)培養(yǎng)過(guò)程中，最終整合為結(jié)構(gòu)連續(xù)的整體。

左：荷蘭設(shè)計(jì)工作室Klarenbeek & Dros制作的浮雕菌絲體面板 右：生物焊接,Bio-Ex-Machina

荷蘭Officina Corpuscoli工作坊與Co-de-iT合作的Bio-Ex-Machina項(xiàng)目，便直觀呈現(xiàn)了這一生長(zhǎng)融合機(jī)制（如圖所示）。

此外，兩項(xiàng)基于菌絲體復(fù)合材料的3D打印大尺度構(gòu)件案例——瑞典隆德大學(xué)團(tuán)隊(duì)在2020年研發(fā)的Pulp Faction項(xiàng)目，以及倫敦Blast Studio于2022年完成的柱狀構(gòu)件，同樣受限于打印設(shè)備尺寸，均采用了“模塊化制備+后期整合”的思路，借助菌絲體的自然生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)模塊間的無(wú)縫連接。

圖左：Pulp Faction（2020); 圖右：柱子,Blast Studio（2022）

以菌絲體的持續(xù)生長(zhǎng)作為連接機(jī)制的“生物焊接”策略，已經(jīng)成為近年來(lái)復(fù)合材料研究中的一項(xiàng)重要探索。

2022年新加坡格拉茨理工大學(xué)建筑與媒體學(xué)院，Shape Lab研究小組開(kāi)發(fā)了一種名為MyCera的新材料，由未燒制陶瓷粘土、木屑與菌絲體共同組成。該研究通過(guò)引入菌絲體在生長(zhǎng)過(guò)程中形成的延伸與纏繞作用，使粘土基質(zhì)在無(wú)需燒制的條件下整合為具有整體性的高強(qiáng)度復(fù)合結(jié)構(gòu)。（如圖）。

使用Delta WASP 40100 粘土進(jìn)行3D 打印菌絲體 （圖片：TU Geaz & Shape Lab）

為了規(guī)避打印時(shí)的滅菌難題，研究小組采取了先完成粘土基質(zhì)打印、后進(jìn)行菌絲接種的工藝路徑。在制作階段，研究小組使用Delta WASP 40100 Clay打印機(jī)進(jìn)行基質(zhì)的打印。該設(shè)備因其開(kāi)放式的材料系統(tǒng)，可以加工不同成分的糊狀材料，常用于加工菌絲體材料。

MyCera采用的打印機(jī)機(jī)型：Delta WASP 40100 Clay

另外，研究小組因?yàn)?高耐受性和快速生長(zhǎng)速度 的特性，選擇了平菇（Pleurotus Ostreatus）作為實(shí)驗(yàn)中接種的菌種。

平菇（Pleurotus ostreatus）的菌絲具有高耐受性和快速生長(zhǎng)速度而被選作試驗(yàn)的菌種（圖片：TU Geaz & Shape Lab）

具體工藝流程可分為5個(gè)步驟：

（1）利用3D打印機(jī)完成粘土構(gòu)件的幾何成型。（2）將構(gòu)件單元裝入滅菌袋進(jìn)行高壓蒸汽滅菌，構(gòu)建無(wú)菌生長(zhǎng)環(huán)境。（3）為實(shí)現(xiàn)均勻接種，將帶有平菇菌絲的瓊脂塊放入裝有液體培養(yǎng)基的燒杯中，通過(guò)磁力攪拌制備菌絲懸浮液。（4）待滅菌后的構(gòu)件冷卻至室溫，使用注射器吸取菌絲懸浮液，并注入構(gòu)件內(nèi)部，在受控環(huán)境下完成初期接種與定殖。（5）待菌絲體充分生長(zhǎng)后，將構(gòu)件從滅菌袋中取出，最終獲得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高的菌絲體?粘土復(fù)合材料構(gòu)件——MyCera。

1）構(gòu)件單元在打印完成后被置入滅菌袋中，并通過(guò)高壓滅菌進(jìn)行處理. 2）將瓊脂菌絲體轉(zhuǎn)移至盛有液體培養(yǎng)基的燒杯中，在磁力攪拌器作用下制備孢子懸浮液. 3）利用注射劑抽取孢子懸浮液. 4）利用注射器將孢子懸浮液接種至構(gòu)件里. 5）待菌絲體完成生長(zhǎng)后，從滅菌袋中取出. 6）未接種菌種的粘土構(gòu)件與經(jīng)菌絲體定殖形成的粘土復(fù)合材料構(gòu)件.

對(duì)MyCera的拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果表明，菌絲體可顯著提升粘土基材的力學(xué)性能。其中，沿3D打印路徑方向（打印絲條自身）的拉伸強(qiáng)度提升幅度達(dá)66.62%，層與層之間的拉伸強(qiáng)度提升32.34%。該結(jié)果不僅驗(yàn)證了菌絲體與3D打印工藝的高度適配性，更借助菌絲體的生長(zhǎng)自組裝特性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)粘土打印構(gòu)件易分層、層間結(jié)合弱的性能缺陷，為輕量化、定制化陶瓷構(gòu)件的設(shè)計(jì)與制備提供了全新的材料思路與技術(shù)方案。

MyCera體系驗(yàn)證了菌絲體對(duì)粘土構(gòu)件的增強(qiáng)效應(yīng)，但該體系存在菌絲接種與定殖分布不均的問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)基體的全域包覆與增強(qiáng)。針對(duì)這一局限，新加坡南洋理工大學(xué)機(jī)械與航空航天工程學(xué)院的Deepak Sharma與Hortense Le Ferrand團(tuán)隊(duì)于2025年提出基于3D打印剛性多孔支架的構(gòu)筑方案，實(shí)現(xiàn)了菌絲體在構(gòu)件內(nèi)外的均勻定植與包覆。該方案以廢棄木材與農(nóng)業(yè)廢棄物制備木質(zhì)PLA復(fù)合線材（可生物降解3D打印耗材），通過(guò)3D打印成型具有貫通孔隙的仿生多孔支架。研究采用浸涂法，將蛋白胨-麥芽瓊脂（PMA）營(yíng)養(yǎng)液均勻涂覆于支架表面并接種靈芝菌絲，在保障結(jié)構(gòu)剛度的同時(shí)，為菌絲生長(zhǎng)提供穩(wěn)定營(yíng)養(yǎng)供給（如圖）。

可持續(xù)菌絲磚的制備方法. 利用低成本的廢棄木材和玉米等生物基原材料, 將其轉(zhuǎn)化為3d打印材料, 用于制備3D打印多孔支架. 然后, 通過(guò)浸涂法, 在支架上涂覆富含營(yíng)養(yǎng)的蛋白胨-麥芽瓊脂（PMA）溶液. 之后, 接種菌絲體并培養(yǎng)21天, 形成菌絲體復(fù)合磚.

在菌絲體接種后的14-21天里，菌絲體就能夠逐步生長(zhǎng)并完全覆蓋木質(zhì)-PLA支架，形成菌絲體-木質(zhì)PLA的復(fù)合‘磚塊’。

靈芝菌絲在多孔3D打印木質(zhì)-PLA支架上的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài). a.菌絲在含有10% (w/v)麥芽的PMA涂層木質(zhì)-PLA支架上隨時(shí)間推移的生長(zhǎng)情況（比例尺為10 mm）. 插圖顯示了菌絲的微觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中藍(lán)色箭頭指示孔隙，紅色箭頭指示交織的連接和菌絲（比例尺為10μm）.

盡管研究團(tuán)隊(duì)所采用的支架材料本身并不作為可直接供菌絲體生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)，但在支架表面預(yù)涂營(yíng)養(yǎng)涂層的方式，成功誘導(dǎo)了菌絲體在復(fù)雜幾何界面上的精準(zhǔn)定殖與均勻覆蓋，形成了厚實(shí)且致密的菌絲層。這種方法有效地避免了傳統(tǒng)的菌絲體材料因基質(zhì)顆粒粘結(jié)成塊或過(guò)于松散、水分積累、或氧氣接觸面受限造成的菌絲體生長(zhǎng)不均和機(jī)械性能低的問(wèn)題。

支架內(nèi)部的梯度多孔結(jié)構(gòu)為菌絲提供充足附著位點(diǎn)與伸展空間，從結(jié)構(gòu)層面顯著提升構(gòu)件的整體剛度與形態(tài)穩(wěn)定性。測(cè)試表明，該復(fù)合材料抗壓性能可達(dá)傳統(tǒng)粘土磚水平，熱導(dǎo)率低至0.012 W/(m·K)，優(yōu)于常規(guī)隔熱泡沫；同時(shí)具備優(yōu)良耐火性、疏水性與長(zhǎng)期尺寸穩(wěn)定性。該策略為大尺度、高性能菌絲體建筑構(gòu)件的開(kāi)發(fā)提供了可復(fù)制、可規(guī)模化的技術(shù)路徑。

綜上所述，后接種式3D打印工藝通過(guò)將“結(jié)構(gòu)成型”與“生物生長(zhǎng)”兩個(gè)階段解耦，成功利用增材制造的高精度突破了傳統(tǒng)模具制造的幾何桎梏。這一模式不僅保障了構(gòu)件的精準(zhǔn)形態(tài)，同時(shí)為菌絲體提供了相對(duì)獨(dú)立的生長(zhǎng)空間，從而實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與生物功能的有序分離。

然而，這種“先筑巢、后引鳳”的構(gòu)建策略，在材料一體化程度與生物活性的實(shí)時(shí)交互上仍存在固有局限。核心問(wèn)題在于，若菌絲體未能深度滲透并參與到基體內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)中，其作為“生物粘結(jié)劑”所提供的連接強(qiáng)度與整體韌性將大打折扣。這使得材料難以通過(guò)自身的生物自組裝特性，形成真正意義上的共生一體化結(jié)構(gòu)。正是為了突破這一瓶頸，實(shí)現(xiàn)菌絲體與打印結(jié)構(gòu)的深度融合，生物墨水（Bio-ink）技術(shù)成為了下一章節(jié)亟待探討的核心解決方案，它標(biāo)志著從“體外增強(qiáng)”向“體內(nèi)共構(gòu)”的技術(shù)躍遷。

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來(lái)源：as科學(xué)藝術(shù)研究中心

編輯：Bingbing

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