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AM易道导语
在阅读这篇跨学科研究之前，让我们先思考一个有趣的技术问题：在3D打印活体真菌电极的过程中，真菌细胞是如何在充放电过程中存活的？这个问题乍看简单，却涉及生物电池3D打印领域的内核。![]()
2024年10月，发表在《ACS可持续化学与工程》上的一项开创性研究，首次将活体真菌、可再生纤维素和3D打印技术融合，创造出了一种全新的可降解生物电池。![]()
这项由瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）的Carolina Reyes团队完成的研究，不仅为解决日益严重的电子废弃物问题提供了创新思路，更开创了生物制造与清洁能源的新模式。让AM易道用简单的比喻来解释这个真菌电池的工作原理：真菌细胞之所以不会被电死，关键在于电子传递的特殊机制。在这个系统中，真菌细胞并不是直接放电或承受电流冲击，而是通过一种非常巧妙的生物化学过程来传递电子。想象一个真菌电池就像一个微型发电厂。在阳极端，酵母菌扮演着能源转换工人的角色 ：它们通过分解糖分获取能量的过程中会释放出电子，这些电子在一种叫噻宁的化学物质帮助下，就像坐上电梯一样被输送到电极表面。![]()
它们分泌的漆酶酶能够接收从阳极传来的电子，并将其与空气中的氧气结合，最终生成水分子。这个过程与我们常见的化学电池类似，只不过工作人员换成了活生生的真菌，而且整个系统都是可以被自然降解的。这就是这项研究的独特之处，它让大自然的力量为我们提供了一种绿色的能源解决方案。细观研究团队开发的3D打印工艺流程（如图1所示）。![]()
首先，研究人员将酿酒酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）和白腐真菌（Trametes pubescens）分别与纤维素纳米晶体（CNC，15 wt%）和纤维素纳米纤维（TEMPO-氧化CNF，1.2 wt%）精确配比，创造出具有独特流变性能的基础配方。随后，通过添加石墨片（7-10μm）和炭黑颗粒，将生物墨水转化为具有导电性的功能性材料。研究人员通过精确控制打印参数，包括喷嘴直径（0.84mm）、打印速度和层高，成功实现了活体真菌细胞的精准沉积。图2展示了电极材料的流变学特性，这是实现精确3D打印的关键。![]()
研究团队通过优化墨水配方，让独特的流变性能确保了墨水既能顺利通过打印喷头，又能在沉积后快速恢复形状，从而实现精确的三维结构控制。团队使用直接墨水写入(DIW)技术，在无菌条件下实现了活体材料的精确沉积。打印过程中，墨水装载在20mL的带锁注射器中，使用0.84mm直径的锥形分配头，在室温下进行打印。阳极采用了线性图案设计，而阴极则采用网格结构（如图1B所示）。这种精心设计的结构不仅优化了电解质的扩散路径，还为真菌细胞的生长提供了理想的微环境。![]()
扫描电镜观察（图3）清晰地展示了真菌细胞在打印结构中的均匀分布，证实了这种3D打印工艺在活体材料加工中的独特优势。通过电化学表征（图4），研究团队发现单个电池可以达到令人瞩目的性能：最大功率密度12.5 μW/cm²，最大电流密度49.2 μA/cm²。![]()
更重要的是，这些生物电池展现出优异的持久性，能够维持300-600mV的稳定输出长达数天。四个电池并联后，成功为温度传感器提供了65小时的持续供电（图4F）。
这一成果不仅证明了技术的实用性，更展示了其在物联网和环境监测等领域的巨大应用潜力。![]()
如图5所示，他们开发出了一种完全可降解的微生物燃料电池系统，包括：在58℃的模拟堆肥条件下，整个装置在3周内实现了显著降解（图5A），这一突破为解决电子垃圾问题提供了全新思路。3D打印赋能的多重价值
AM易道认为，这项研究中3D打印技术的应用为生物能源器件带来了至少三个方面的价值：结构优化价值：
通过精确的三维结构设计，显著提升了电极的比表面积和传质效率。
研究显示，这种3D打印的多孔结构使电解质的扩散速率提高了约40%，直接提升了电池的输出性能。
开发的直接墨水写入技术实现了活体材料的精确沉积，保证了95%以上的细胞存活率。这种高精度、高存活率的打印工艺为其他生物制造领域提供了宝贵经验。3D打印技术的应用使电池设计具有了前所未有的灵活性。研究人员可以根据具体应用场景，快速调整电极的形状、尺寸和内部结构，实现性能的精确调控。AM易道认为，这项研究的重要性远超出能源领域。这种融合生物技术、材料科学和3D打印的创新模式，很可能成为未来可持续制造的典范。研究结果令人振奋，真菌细胞不仅在打印过程中保持了95%以上的存活率，而且能够在打印结构中持续生长和产生电能，竟维持数天。这一成果，正是3D打印技术在生物制造领域无限潜力的生动注脚。AM易道将持续关注。
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1. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.4c05494注：
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