マルチマテリアル3Dプリント構造の接合問題を解決する

寄稿者: 張曼宇、田小勇

親水性と疎水性の複合構造は、植物表面、細胞膜、神経軸索など、自然界に広く存在します。たとえば、細胞質と細胞外マトリックスは親水性で導電性ですが、ミエリン鞘は疎水性で絶縁性です。親水性物質と疎水性物質の組み合わせにより、有髄軸索は電気信号の伝送線路として機能します。近年、この生物学的構造は合成親水性/疎水性構造の開発に影響を与えており、その中でもハイドロゲル/エラストマーに基づく人工親水性/疎水性ソフト構造は大きな進歩を遂げています。しかし、その構造はまだ比較的単純であり、天然の構造と比較することはできません。ラピッドプロトタイピング技術として、3D プリントは複雑なソフト構造を作成するために使用できますが、大きな課題に直面しています。それは、複数の材料で印刷された構造の界面結合性能が極めて低いことです。これは、ハイドロゲルに大量の水が含まれており、水分子によってハイドロゲルが伝達する力が非常に小さくなるため、同じハイドロゲルであっても、ハイドロゲルとあらゆる材料との間の接着力が非常に小さくなるためです。

最近、西安交通大学航空航天学院機械構造強度・振動国家重点研究室とソフトマシン研究室の研究者らは、ハーバード大学の蘇志剛教授および米国工学アカデミー会員と共同で、ソフト構造3Dプリント用の強力な結合技術を提案し、超強力な界面結合を持つハイドロゲル/エラストマーの親水性・疎水性異種構造のプリントを実現した。

図 1 印刷されたハイドロゲルとエラストマー構造の結合方法。a) 印刷プロセス中、2 つのインクは重力と毛細管現象によって形状を維持するためにランダムな順序で押し出されます。b) 硬化プロセス中、各ネットワーク内および 2 つのネットワーク間に共有結合架橋が形成されます。
図2 印刷された構造の機械的特性 a) 共有結合したハイドロゲルエラストマー格子は、圧縮されても元の形状に戻ります b) 共有結合のないハイドロゲルとエラストマーは、圧縮後に不安定になり、元の形状に戻ることができません c) 共有結合したエラストマーとハイドロゲルのハニカム構造は、曲げても結合したままです。研究チームは、エラストマー材料にカップリング開始剤を溶解し、エラストマープレポリマーとハイドロゲルプレポリマーの粘度をそれぞれ調整し、2つを任意の順序で一緒に印刷し、重合反応を開始して、強力な結合を持つハイドロゲル/エラストマー複合材料を形成しました。チームは、印刷された構造物の機械的特性をテストすることで、その品質を判定しました。架橋開始剤の作用により、ハイドロゲルエラストマーの格子構造は圧縮されても剥離せず、元の形状に戻ります。架橋開始剤がないと、ハイドロゲルエラストマー格子は圧縮下で結合し、元の形状を回復できなくなります。研究チームはまた、圧縮されると曲がるが接着したままになる、相互接続されたハイドロゲルとエラストマーのハニカム構造も印刷した。従来の表面改質とは異なり、バルク改質の戦略が採用されており、印刷されたサンプルの結合エネルギーは 5000J/m2 以上に達することができます。

この方法は、さまざまなハイドロゲルやエラストマー、光開始および熱開始戦略、およびその他の調製プロセスに適用可能であり、ソフト構造の 3D 印刷に汎用的なソリューションを提供し、伸縮性デバイス、ソフトマシンなどの分野での優れた応用可能性を秘めています。

参考文献:
Hang Yang、Chenghai Li、他「強力な接着力を持つ任意の順序でのハイドロゲルとエラストマーの印刷[J]」。Advanced Functional Materials、2019、3、20191721。

寄稿者: 張曼宇、田暁勇寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

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