デューク大学、生分解性医療インプラント用の新しい無溶剤3Dプリント材料を開発

この投稿は Bingdunxiong によって 2024-10-29 11:24 に最後に編集されました

2024年10月29日、アンタークティックベアは、米国デューク大学の研究者がデジタル光処理（DLP）印刷用の新しい無溶剤ポリマーを発明したことを知りました。このポリマーの革新性は、その低粘度特性にあります。これにより、溶剤を使用せずに DLP 3D プリンターで直接使用することができ、従来の DLP 印刷でよく見られる寸法精度と機械的性能の問題を解決します。

△この研究の詳細は、Angewandte Chemie International Editionに「分解性ポリ(アリルグリシジルエーテルサクシネート)の合成と無溶剤DLP 3Dプリント」というタイトルで掲載されました（ポータル）
技術研究開発の背景

付加製造技術はすでに複数の業界に大きな変革をもたらしており、今後もその影響は拡大し続けると予想されています。一般の人々はインクジェット式の 3D プリンターに馴染みがあるかもしれませんが、独自の利点を持つ別の付加製造技術であるデジタル光処理 (DLP) も登場しています。 DLP 技術は、産業や歯科で広く使用されています。その基本原理は、光硬化技術を使用して、液体樹脂を層ごとに固体部品に変換することです。比喩的に言えば、薄い層の樹脂プールから固体オブジェクトを「引き出す」ことです。

しかし、DLP 印刷の大きな課題は、高解像度で適切に機能するためには、樹脂の粘度が水とほぼ同等の極めて低い値でなければならないことです。 DLP 印刷に適したポリマーの多くは固体であるか、粘性が高すぎるため、適切な流動性を実現するために溶剤を追加する必要があります。

現時点での問題は、これらの溶剤の導入には、印刷後に部品が最大 30% 収縮する可能性があることや、溶剤の蒸発中に残留応力が生じて最終製品の寸法精度に影響を及ぼす可能性があるなど、重大な欠点が伴うことです。

この溶剤フリーポリマーの利点は、溶剤の蒸発によって生じる残留応力と収縮を排除し、印刷部品の寸法精度を向上させることです。さらに、部品の機械的特性が向上し、体内での分解能力が維持されるため、医療用途では特に重要です。この新素材の開発は、医療、産業、その他の用途における DLP 技術の大きな進歩を意味します。

△サンプルはデジタル光処理技術と新しい無溶剤樹脂を使用して印刷され、新しい材料が実現できる細かいディテールを示しています。
革新的な無溶剤DLP樹脂

この研究は、MEMS博士課程の学生であるMaddiy Segal氏が主導し、Hugo L. Blomquist化学特別教授であるMatthew Becker氏の研究室で実施されました。シーガル氏は、特に分解性医療機器での使用を目的とした、DLP技術用の本質的に薄く低粘度の材料の開発に取り組んでいると語った。シーガル氏は多くの試行錯誤を経て、最適なモノマーと合成技術を見つけ出し、希釈せずに DLP プリンターで直接使用できる新しいタイプのポリマーの開発に成功しました。

新しい材料で印刷されたテスト部品は、テスト中に収縮や変形が見られず、溶剤を使用して作られた部品よりも強度と耐久性が優れていることが示されました。 Segal の研究結果は、DLP 3D プリンティングにおける分解性ポリマーの溶剤の使用を排除することで機械的特性が向上するという初の実証的証拠を提供します。

この新しいポリマーを開発するために、シーガルはベッカー研究室や他の場所で開発された既存の樹脂の構造と特性を分析し、モノマーと鎖長を経験的に微調整して、望ましい低粘度ポリマーを実現しました。彼女のアプローチは試行錯誤であり、理想的な組み合わせが見つかるまでポリマーの配合を微調整します。

このプロセスは料理に似ており、特定の材料を混ぜ、加熱し、望ましい結果が得られるまでテストする必要があります。シーガルさんは最終的に希望通りの製品にたどり着くまでに、合計で約60種類の異なる処方を試した。

△新合成法の模式図。低粘度で生分解性のポリエステル材料を調製するために使用され、特定の架橋剤と組み合わせて3Dプリント用の無溶剤樹脂を形成します。
生分解性インプラント

「縮まない、より強い素材を作ることに加え、医療分野でも応用できるようにしたい」とシーガル氏は言う。「生体適合性と分解性を兼ね備えた試作品の製作を試みている。製造工程から有毒な溶剤を排除することが、この目標達成に役立つだろう」

シーガルの最終的な目標は、この技術を生分解性の医療用インプラントに応用することです。現在、一時的な医療用インプラントの製造に使用されている一部の材料は分解されないため、挿入するために複数回の手術が必要になるだけでなく、除去するためにも追加の手術が必要になります。シーガル氏の研究は、体内の自然な代謝プロセスによって分解できるインプラントの開発を目指している。彼女はさらにこう付け加えた。「この技術は、体内に永久に残るのではなく、一定期間後に自然に分解されるように設計されている限り、どんなタイプのインプラントにも応用できる。」

この材料で作られた装置は体内に埋め込まれ、時間の経過とともに自然に分解されるように設計されているため、除去するための追加手術の必要がなくなります。また、骨折した骨を一時的に固定するための骨接着剤として使用したり、柔らかく分解可能な材料を必要とするソフトロボットの用途にも使用できます。

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