中米協力チームが科学誌「3Dプリント機能性傾斜材料は重要な進歩を遂げた」を発表

出典: 高分子科学の最前線

3D プリント技術 (積層造形とも呼ばれる) は、ラピッドプロトタイピング、バイオメディカルおよび組織工学、電子機器、ソフトロボット、メタマテリアルの製造に使用される高度な材料処理技術へと徐々に発展してきました。現在、ほとんどの 3D 印刷方法では、一度に単一の材料特性を持つ構造しか印刷できないか、複数の特性を持つ材料を印刷するための効果的な複雑な機械的勾配制御が欠けています。自然界の傾斜材料（魚の鱗や腱と骨の接合部など）にヒントを得て、人々は大きく異なる特性を持つ材料を組み合わせて機械的特性を改善したり、欠陥許容度を高めたりする機能傾斜材料を作製してきました。近年、広範囲に調整可能な特性を持つ機能傾斜材料の 3D プリントが広く注目を集めています。

最近、ジョージア工科大学のQi Hang教授は、中国科学院深圳先進技術研究所のDing Zhen研究員、北京大学のFang Daining院士と共同で、「高度に機能的に傾斜した材料のためのグレースケールデジタル光処理3Dプリンティング」と題する研究結果をトップの国際学術誌Science Advancesに発表しました。研究者らは、グレースケール印刷法と新しい2段階硬化樹脂を組み合わせ、高解像度で広範囲に調整可能な複雑な機械的勾配を持つ機能的勾配材料の単一樹脂印刷を可能にしました。

【グラフ分析】

図 1. 2 段階硬化支援グレースケール印刷により、3D 印刷デジタル材料が実現します。新しい 2 段階硬化ハイブリッド樹脂は、主に多官能アクリレート、エポキシ基アクリレート、光開始剤、アミン熱硬化剤で構成されています。グレースケール印刷（g-DLP）印刷プロセスには、2 つのステップがあります。最初のステップはグレースケール光硬化で、アクリレートが光重合架橋反応に参加し、グレースケール値によって制御される異なる局所架橋密度を持つポリマーネットワークを形成し、構造の形状を固定します。2 番目のステップは熱硬化で、残留モノマーと反応基（二重結合とエポキシ基）がアミン硬化剤と高温で反応して硬化反応を起こし、残留モノマーの大部分が除去され、機械的勾配が増加します（図 a）。フロントエンド光硬化ダイナミクスに基づいて確立された DLP 光硬化印刷プロセスの変換率モデルは、グレースケール値が変化するにつれて、厚さ方向に沿った単層露光と印刷多層露光の反応変換率を予測します。変換率は厚さ方向に減衰します。グレースケール値が高くなるほど、変換率は低くなります（G0 は最大光強度を表し、G100 は完全な暗闇での最小光強度を表します）（図 b）。グレースケール光硬化後、材料内に多量のモノマー残留物が残りますが、熱硬化後、残留残留物が大幅に消費され、ゲル変換率が大幅に増加します (図 c)。 2段階硬化後、材料弾性率は3桁に及び、ガラス転移温度は約60℃に及び、デジタル材料の3Dプリントを実現します（図d、e）。離散および連続勾配グレースケール設計は、それぞれ離散機械的勾配および連続機械的勾配材料を準備するために使用されます。単一点圧縮変形は、有限要素シミュレーションの結果と一致しています (図 f、g)。

図 2. g-DLP 印刷された勾配メタマテリアルとその機能的応用グレースケール印刷は、複雑な形状と機械的勾配を持つ勾配メタマテリアルを作成するために使用できます。たとえば、グラデーショングレースケールの 2 次元ドットマトリックス設計を使用してグラデーション材料を印刷すると、局所的な座屈制御が実現され、圧縮変形エネルギーの消散と吸収が改善されます (図 a)。圧縮変形と負のポアソン比下でのパターン遷移を示す、グレースケール印刷されたグラデーション 2D 多孔質材料 (図 b)。異方性三次元格子構造のグレースケール印刷により、異なる圧縮方向で異なる機械的応答を実現できます (図 c、e、f)。グレースケール印刷は（疑似）義肢印刷に使用されます。硬い材料は骨を、柔らかい材料は筋肉を、中空構造は血管を模倣します。この勾配材料で印刷された臓器モデルは、臓器の複雑な構造を模倣できるだけでなく、同様の軟らかさと硬さの違いも備えており、手術前のモデル準備に応用できる可能性があります (図 gj)。

図 3. 3D 印刷形状記憶材料 (4D 印刷) 用の g-DLP 印刷グラデーション材料グレースケール印刷されたデジタル材料はガラス転移温度を制御でき、マルチレベルの形状記憶材料に使用できます。スパイラルグラデーショングレースケールパターンは、異なるガラス転移温度のヒンジを持つグラデーションスパイラル構造を印刷して、制御可能な形状記憶回復順序を実現するために使用されます (図 a、b)。制御可能な回復順序を持つ形状記憶義手のグレースケール印刷は、ソフトロボットの駆動に使用されます (図 c、e)。グラデーショングレースケールデザインは、「繊維」強化エラストマーの印刷に使用され、印刷された薄層材料内の繊維の非対称分布を制御することで、伸張後に薄層の曲げ変形を実現するために使用できます。

図 4. 拡散補助傾斜材料の染色傾斜材料と高密度傾斜材料の拡散係数は、剛性とガラス転移温度の違いにより異なります。グレー値が高い領域では、材料の弾性率が低く、ガラス転移温度が低く、溶媒の拡散係数が大きくなります。一方、グレー値の低いガラス領域では、弾性率が高く、拡散係数が極めて低くなります。したがって、溶媒中に分散された染料や蛍光分子は、溶媒が柔らかい領域に選択的に拡散するため、局所的な染色を実現できます。染色に蛍光分子を使用すると、パターンは可視光では見えませんが、紫外線下では見えるようになります (図 a ～ g)。離散勾配グレースケールパターンは薄膜構造の印刷に使用され、蛍光溶液と染料溶液は情報の暗号化と名刺の作成に使用されます (図 hi)。

要約と展望<br /> この新しい 2 段階硬化支援グレースケールデジタル光処理 3D 印刷技術は、デジタル材料特性と複雑な形状および機械的な勾配構造の高解像度印刷を実現します。この方法の利点は、樹脂の適合性が非常に高い（樹脂の種類と粘度の範囲が広い）、設備コストが低い、印刷速度が速いなどです。この新しいグレースケール印刷技術は、特に手術前プロトタイプ、バイオニック勾配材料、音響バンドギャップ材料、勾配メタマテリアルなどの分野で、ボクセル印刷と 4D 印刷技術の開発を促進しました。

Kuang Xiao博士とWu Jiangtao博士がこの論文の共同筆頭著者であり、Ding Zhen研究員、Fang Daining院士、Qi Hang教授がこの論文の共同責任著者である。

論文リンク: https://advances.sciencemag.org/content/5/5/eaav5790

出典: 高分子科学の最前線人工肉 (3D プリント) オンライン http://www.renzaofood.com/

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