Pilzmyzel: Selbstheilende Materialien aus dem 3D-Drucker

Forschenden der ETH Zürich und der Technischen Universität Delft ist es gelungen, mit Hilfe einer neu entwickelten Hydrogeltinte aus Pilzen ein Material zu erschaffen, das sich selbst reparieren kann. Gleichzeitig erfüllt dieses im 3D-Druck erstellte Material eine technische Funktion und passt sich an die Umwelt an. Damit ähnelt es biologischen Materialien wie Tierknochen oder Pflanzenstämme, die in der Lage sind, sich selbst zu heilen, zu regenerieren und unter Umweltdruck Entscheidungen zu treffen. Auch die menschliche Haut ist bekanntlich in der Lage, sich selbst zu heilen. Pilzmyzel werden bereits seit einigen Jahren als Baustoff erforscht. Nun wurde als erster Praxistest eine selbstheilende Roboterhaut mit Hilfe eines 3D-Druckers erstellt.

Pilzmyzel als Baustoff

Bereits seit einigen Jahren erforschen Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen den Einsatz von Pilzmyzel in der Architektur. So lassen sich damit zum Beispiel leichte Bausteine herstellen, die selbst wachsen und darüber hinaus einfach zu entsorgen sind. Zusammen mit Bambus können sie als Ersatz für Stahlbeton genutzt werden.

Beim Mycel handelt es sich hierbei um das Wurzelwerk von Pilzen, einem schnell wachsenden Geflecht aus fadenförmigen Zellen, den Hyphen. Die Pilze ernähren sich von Cellulose, dem Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände und wandeln sie in Chitin um.

Forschende des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der ETH Zürich verwendeten den Pilz Ganoderma lucidum (Glänzender Lackporling) und mischten Pilzgewebe mit Holzspänen oder anderen pflanzlichen Abfällen. Anschließend gaben sie die Masse in eine definierte Form, wo sie sich innerhalb kurzer Zeit verdichteten. Nach dem Trocknen hatten sie leichte Bausteine, die zudem noch gut isolierten.

In der aktuellen Forschung geht es einen Schritt weiter. Mit dem gleichen Pilz und mit Hilfe von 3D-Druck sollen lebende Materialien entstehen, die in der Lage sind, sich selbst zu heilen und sich an die Umwelt anzupassen. Damit stehen sie im Gegensatz zu herkömmlichen Materialien, die sich mit der Zeit zersetzen. Vorbilder sind biologische Materialien wie Seide, Zellulose oder Holz, die ähnliche Eigenschaften besitzen.

Diese Tatsache inspiriert seit fast zwei Jahrzehnten die Entwicklung neuer synthetischer Materialien. Durch Kombination von materialproduzierenden Mikroorganismen und abiotischen Bausteinen haben Forscher selbstheilende Betonwerkstoffe, antibiotikafreisetzende Oberflächen und andere maßgeschneiderte Materialien hergestellt. Auch mit Hinblick auf Nachhaltigkeit und der Möglichkeit des Recyclings.

So funktioniert das dreidimensionale Druckverfahren

Prof. Dr. André Studart von der ETH Zürich, Dr. Kunal Masania von der Technischen Universität Delft und ihre Kollegen haben einen neuen Ansatz zur Herstellung lebender Materialien entwickelt: Sie füttern hierbei einen 3D-Drucker mit einer speziellen Hydrogeltinte, die mit den bereits beschriebenen Myzelien beladen ist. Um das Wachstum zu ermöglichen, sind in das Hydrogel zusätzlich Wasser und Nährstoffe eingearbeitet.

In den bereits durchgeführten Versuchen wuchsen die eingepflanzten Pilze durch offene Luftzwischenräume in Gitterstrukturen und bildeten im gedruckten Objekt ein Netzwerk aus länglichen Zellen, den bereits erwähnten Hyphen. Diese waren in den Experimenten in der Lage, über makroskopische Defekte im Gitter zu wachsen. Die Risse hatten einen Durchmesser von bis zu zwei Millimetern. Solange die gebrochenen Teile des Gitters mit ausreichend Nährstoffen versorgt wurden, heilte der Myzelfilm zu stärkeren und steiferen Strukturen aus – und das mit einer Geschwindigkeit von 0,6 bis 0,7 Millimeter pro Tag.

Darüber hinaus zeigten die Forschenden, dass das Wachstum des Myzelnetzwerks dazu genutzt werden kann, unterschiedlich gedruckte Hydrogele zu einem einzigen, komplexeren Objekt zusammenzufügen. In einem ersten Praxistest haben die Forschenden nun mit Hilfe eines 3D-Druckers eine Haut erzeugt, die sich selbst regenerieren kann.

Selbstheilende Roboterhaut aus dem 3D-Drucker

Die lebenden Pilze in Kombination mit 3D-Druck haben in der Praxis sicherlich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Die Forschenden der ETH Zürich haben eine mögliche Anwendung im renommierten Fachblatt „Nature Materials“ beschrieben. Demnach haben Sie mit Hilfe der Myzelien eine Haut für einen Roboter gedruckt. Dies gelang innerhalb von 20 Tagen.

Die Roboterhaut hat einerseits die Fähigkeit, sich selbst zu regenerieren, andererseits ist sie außerdem noch äußerst robust. Dies konnte mit Tests nachgewiesen werden. So ließen die Forschenden Roboter mit der gedruckten Haut über verschiedene Oberflächen rollen und tauchten sie in Wasser ein. Die gedruckte Pilzhaut bestand alle Tests erfolgreich.

Noch besteht jedoch etwas Klärungsbedarf: Damit die Haut nach einer Beschädigung wieder wachsen kann, darf sie ihre Stoffwechselaktivität nicht verlieren. Es müssen daher kontinuierlich Nährstoffe zugeführt werden. Wie genau zu erfolgen hat, muss der Studie zufolge noch genauer untersucht werden. Noch ist außerdem offen, wie über längere Zeiträume Abfallstoffe abgeführt werden können.