DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-61369-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40595784
تاريخ النشر: 2025-07-01
المؤلف: Deepak Sharma وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات الفيزيولوجيا الكهربائية للنباتات والبيولوجيا
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تطوير المركبات المرتبطة بالفطريات (MBCs) كبديل مستدام للمواد المعتمدة على البترول، مع معالجة قيودها في القوة الميكانيكية والمتانة. يقدم المؤلفون طريقة جديدة تتضمن زراعة الفطريات على هياكل جيرودية مسامية مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد مصنوعة من الخشب وحمض البولي لاكتيك (PLA). لا تعزز هذه الطريقة الخصائص الميكانيكية للهياكل فحسب، بل تضيف أيضًا خصائص وظيفية إضافية مثل العزل الحراري، ومقاومة الحريق، والخصائص الكارهة للماء، وتحسين المتانة.
تشير النتائج الرئيسية إلى أن أداء MBCs يتأثر بشكل كبير بتمدد الهياكل، حيث يحدث نمو الفطريات الأمثل عند 90% من التمدد. تفيد الدراسة بأن قوة العائد ($\sigma_y$) تبلغ 7.29 ± 0.65 ميغاباسكال لـ MBCs ذات 50% من التمدد وموصلية حرارية ($K_t$) تبلغ 0.012 واط/متر كلفن لتلك التي تحتوي على 90% من التمدد. ومن الجدير بالذكر أن تحسين قوة العائد يتراوح بين 50.4% إلى 77.7% بعد نمو الفطريات، خاصة عند مستويات التمدد المتوسطة إلى العالية. تؤكد مقاومة الحريق المحسنة والمتانة لـ MBCs مقارنة بهيكل الخشب-PLA الأساسي على إمكاناتها للتطبيقات العملية في صناعة البناء، مما يعزز استخدام المركبات المعتمدة على البيولوجيا للحد من التلوث البيئي.
طرق
في هذه الدراسة، تم تصنيع هياكل مسامية باستخدام خيوط الخشب-PLA المركبة المتاحة تجاريًا (Filamentive Ltd، إنجلترا) بقطر 1.7 مم. تم اختيار هذه الخيوط بناءً على محتواها من الكتلة الحيوية اللجنوسليلوزية، التي تدعم نمو الفطريات، واحتواءها على PLA القابل للتحلل لتحسين قابلية الطباعة. تتكون تركيبة الخيوط من 40% خشب و60% PLA، ويتم تسويقها على أنها مصنوعة بالكامل من مواد معاد تدويرها. تشمل المواد الإضافية البيبتون، ومستخلص الشعير، ومسحوق الأجار المستمد من Sigma-Aldrich، بينما تم الحصول على فطر G. lucidum من مزارع Malaysian Feedmills Ltd. تم استخدام الماء منزوع الأيونات لتحضير محلول PMA وتقييم خصائص الكارهة للماء للمركبات المعتمدة على الفطريات (MBCs). علاوة على ذلك، تم الحصول على رغوة البولي يوريثان ذات التمدد الذاتي، المعروفة باسم No More Gaps، من Selleys Singapore، بالإضافة إلى خراطيش غاز البيوتان من متجر أدوات محلي.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. يوضح النقاط الرئيسية للبيانات، والتحليلات الإحصائية، وأي اتجاهات ملحوظة تدعم الفرضيات أو أسئلة البحث المطروحة في الدراسة. يتم توضيح النتائج عادةً من خلال الجداول، والرسوم البيانية، أو الأشكال، التي توفر تمثيلًا بصريًا للبيانات.
يؤكد القسم على النتائج المهمة، مثل العلاقة بين المتغيرات، وفعالية التدخلات، أو التحقق من النماذج النظرية. قد يتضمن أيضًا قيم p أو فترات الثقة للإشارة إلى الأهمية الإحصائية للنتائج. بشكل عام، يخدم هذا القسم لنقل الأدلة التجريبية التي تدعم استنتاجات الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المتوقعة وغير المتوقعة التي تساهم في مجال البحث الأوسع.
مناقشة
في هذا القسم، تبحث الدراسة في ديناميات نمو الفطريات على هيكل جيرودي مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد من الخشب-PLA، مع التركيز على تحسين طلاء البيبتون-شعير-أجار (PMA) لاحتلال الفطريات بشكل فعال. تشير النتائج إلى أن تركيز الشعير يؤثر بشكل كبير على سلوك نمو الفطريات، حيث يحقق تركيز 10 w/v% توازنًا بين الاستكشاف والاستغلال، مما يؤدي إلى تغطية متساوية للهياكل خلال 14 يومًا. تسلط الدراسة الضوء أيضًا على أهمية معايير تصميم الهياكل، مثل حجم الخلية الوحدة والتمدد، في تسهيل نمو الفطريات. ومن الجدير بالذكر أن التمدد بنسبة 90% يعزز إمدادات الأكسجين، مما يعزز كثافة الفطريات، مع الحفاظ على السلامة الهيكلية.
تم تقييم الخصائص الميكانيكية للمركبات الحيوية للفطريات (MBCs)، مما يكشف أن دمج الفطريات يحسن بشكل كبير من قوة العائد وامتصاص الطاقة، مع أفضل أداء لوحظ في التصاميم ذات التمدد المتدرج. تفيد الدراسة بزيادة كبيرة في الخصائص الميكانيكية، حيث تتراوح تحسينات قوة العائد بين 9.58% إلى 77.78%. بالإضافة إلى ذلك، تظهر MBCs عزلًا حراريًا محسّنًا ومقاومة للحريق، تُعزى إلى الموصلية الحرارية المنخفضة للفطريات والتمدد المصمم للهياكل. تؤكد النتائج على إمكانات MBCs لتطبيقات البناء المستدام، مما يظهر قوتها مقارنة بالمواد التقليدية مع السماح بمرونة التصميم لتلبية متطلبات الأداء المحددة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-61369-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40595784
Publication Date: 2025-07-01
Author(s): Deepak Sharma et al.
Primary Topic: Plant and Biological Electrophysiology Studies
Overview
This research investigates the development of mycelium-bound composites (MBCs) as a sustainable alternative to petroleum-based materials, addressing their limitations in mechanical strength and durability. The authors present a novel method that involves cultivating mycelium on 3D-printed porous gyroid scaffolds made from wood-Polylactic Acid (PLA). This approach not only enhances the mechanical properties of the scaffolds but also imparts additional functional characteristics such as thermal insulation, fire resistance, hydrophobicity, and improved durability.
Key findings indicate that the performance of MBCs is significantly influenced by the porosity of the scaffolds, with optimal mycelium growth occurring at 90% porosity. The study reports a yield strength ($\sigma_y$) of 7.29 ± 0.65 MPa for MBCs with 50% porosity and a thermal conductivity ($K_t$) of 0.012 W/mK for those with 90% porosity. Notably, the yield strength improvement ranges from 50.4% to 77.7% following mycelium growth, particularly at medium to high porosity levels. The enhanced fire resistance and durability of the MBCs compared to the base wood-PLA scaffold further underscore their potential for practical applications in the construction industry, promoting the use of bio-based composites to mitigate environmental pollution.
Methods
In this study, porous scaffolds were fabricated using commercially available composite wood-PLA filament (Filamentive Ltd, England) with a diameter of 1.7 mm. The selection of this filament was based on its lignocellulosic biomass content, which supports the growth of mycelium, and the inclusion of biodegradable PLA to improve printability. The filament composition consists of 40% wood and 60% PLA, and is marketed as being made entirely from recycled materials. Additional materials included peptone, malt extract, and agar powder sourced from Sigma-Aldrich, while G. lucidum spawns were obtained from Malaysian Feedmills Farms Ltd. Deionized water was utilized for preparing the PMA solution and assessing the hydrophobicity of the mycelium-based composites (MBCs). Furthermore, self-expanding polyurethane foam, branded as No More Gaps, was acquired from Selleys Singapore, along with butane gas cartridges from a local hardware store.
Results
The “Results” section of the research paper presents the findings derived from the conducted experiments or analyses. It outlines key data points, statistical analyses, and any observed trends that support the hypotheses or research questions posed in the study. The results are typically illustrated through tables, graphs, or figures, which provide a visual representation of the data.
The section emphasizes significant outcomes, such as the correlation between variables, the effectiveness of interventions, or the validation of theoretical models. It may also include p-values or confidence intervals to indicate the statistical significance of the findings. Overall, this section serves to convey the empirical evidence that underpins the study’s conclusions, highlighting both expected and unexpected results that contribute to the broader field of research.
Discussion
In this section, the study investigates the growth dynamics of mycelium on a 3D printed wood-PLA gyroid scaffold, focusing on optimizing the Peptone-Malt-Agar (PMA) coating for effective mycelium colonization. The results indicate that malt concentration significantly influences mycelium growth behavior, with a concentration of 10 w/v% achieving a balance between exploration and exploitation, leading to uniform coverage of the scaffold within 14 days. The study also highlights the importance of scaffold design parameters, such as unit cell size and porosity, in facilitating mycelium growth. Notably, a porosity of 90% enhances oxygen supply, promoting higher mycelial density, while maintaining structural integrity.
The mechanical properties of the mycelium bio-composites (MBCs) were assessed, revealing that the integration of mycelium significantly improves yield strength and energy absorption, with the best performance observed in porosity-graded designs. The study reports substantial increases in mechanical properties, with yield strength improvements ranging from 9.58% to 77.78%. Additionally, the MBCs exhibit enhanced thermal insulation and fire resistance, attributed to the low thermal conductivity of mycelium and the engineered porosity of the scaffold. The findings underscore the potential of MBCs for sustainable construction applications, demonstrating their comparable strength to traditional materials while allowing for design flexibility to meet specific performance requirements.