Design of a coaxial direct ink writing process for printing hollow alginate hydrogels as fungal material vasculature

Sustainable design is gaining traction, with both designers and scientists contributing to the development of products and technologies that support a circular economy. Bio-based materials have a low carbon footprint and are currently the materials of choice, though they are often limited to aesthetic applications due to their structural and functional constraints. Mycelium, a fungal growth stage, offers intriguing capabilities such as self-healing and signaling, but like most biomatter, is ineherently weak. Mycelium-based composites show promise but require extensive investigation, including considerations like adhesion to reinforcing components (typically wood), signal recording methods, and longevity. This thesis explores the potential of maintaining mycelium viability through artificial vascularization—a technique borrowed from tissue engineering—to harness its full functional potential. An elaborate research study was done into the various methods of articial vascularisation, considering their applicability to mycelium in contrast to human tissue. Considerations were made in selecting the most suitable method and material. Ultimately, a direct ink writing process with a custom nozzle and alginate as a bioink emerged as the preferred choice. This specialized nozzle enables the simultaneous printing of two inks in a coaxial manner, forming the vascular channels, while alginate offers versatility and is widely used in similar applications. At the end of this study, a concept was developed to showcase the the potential appearance of vascularized mycelium-based composites, along with proposed fabrication methods. In the experimental phase of this thesis, a fused deposition modelling 3D-printer was modified to extrude two hydrogel inks via a coaxial nozzle. Initial tests were conducted to define the working area of the alginate ink and to initiate the tuning process for the bioink. Stereolithography proved successful in manufacturing a precise coaxial nozzle. Compatibility between alginate and the chosen fungal strain, Ganoderma lucidum, was confirmed. After refining the printing parameters, channels with a diameter of 2.5 mm were successfully printed. However, it was observed that the current porosity level is insufficient for the desired nutrient permeability, and autoclaving the bioink for sterilization negatively affects printability. Nonetheless, these initial achievements serve as a promising foundation for further refining the process and ultimately achieving successful vascularization of mycelium material.

Il design sostenibile sta guadagnando terreno, con designer e scienziati che contribuiscono allo sviluppo di prodotti e tecnologie che supportano l’economia circolare. I materiali a base biologica, che hanno una bassa impronta di carbonio, sono attualmente i materiali preferiti, anche se spesso sono limitati ad applicazioni estetiche a causa dei loro vincoli strutturali e funzionali. Il micelio, uno stadio di crescita dei funghi, offre capacità intriganti come l’auto-guarigione e la segnalazione, ma, come la maggior parte della biomateria, è intrinsecamente debole. I compositi a base di micelio sono promettenti, ma richiedono un’indagine approfondita, che includa considerazioni come l’adesione ai componenti di rinforzo (tipicamente il legno), i metodi di registrazione del segnale e la longevità. Questa tesi esplora il potenziale del mantenimento della vitalità del micelio attraverso la vascolarizzazione artificiale, una tecnica mutuata dall’ingegneria tissutale, per sfruttare il suo pieno potenziale funzionale. È stato condotto un elaborato studio di ricerca sui vari metodi di vascolarizzazione artificiale, considerando la loro applicabilità al micelio rispetto al tessuto umano. Sono state fatte delle considerazioni per selezionare il metodo e il materiale più adatto. Alla fine, il processo di scrittura a inchiostro diretto con un ugello personalizzato e l’alginato come bioinchiostro è emerso come la scelta preferita. Questo ugello specializzato consente la stampa simultanea di due inchiostri in modo coassiale, formando i canali vascolari, mentre l’alginato offre versatilità ed è ampiamente utilizzato in applicazioni simili. Alla fine di questo studio, è stato sviluppato un concetto per mostrare il potenziale aspetto dei compositi vascolarizzati a base di micelio, insieme ai metodi di fabbricazione proposti. Nella fase sperimentale di questa tesi, una stampante 3D a deposizione fusa è stata modificata per estrudere due inchiostri idrogel attraverso un ugello coassiale. I test iniziali sono stati condotti per definire l’area di lavoro dell’inchiostro alginato e per avviare il processo di messa a punto del bioinchiostro. La stereolitografia ha dato buoni risultati nella produzione di un ugello coassiale preciso. È stata confermata la compatibilità tra l’alginato e il ceppo fungino scelto, il Ganoderma lucidum. Dopo aver affinato i parametri di stampa, sono stati stampati con successo canali con un diametro di 2,5 mm. Tuttavia, è stato osservato che l’attuale livello di porosità è insufficiente per la permeabilità ai nutrienti desiderata e che la sterilizzazione in autoclave del bioinchiostro influisce negativamente sulla stampabilità. Ciononostante, questi risultati iniziali costituiscono una base promettente per perfezionare ulteriormente il processo e ottenere infine una vascolarizzazione di successo del materiale miceliare.