西安交通大学、軟構造複合材3Dプリントにおける強靭な接合技術を提案

出典：科技日報

最近、西安交通大学から、機械構造強度と振動国家重点実験室、航空航天学院ソフトマシン実験室、および米国工学アカデミー会員であるハーバード大学の蘇志剛教授の研究者らが、ソフト構造3Dプリントのための強力な結合技術を提案し、超強力な界面結合によるハイドロゲル/エラストマーの親水性および疎水性異種構造のプリントを実現したことがわかった。

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。近年、ハイドロゲル/エラストマーをベースにした人工の親水性および疎水性ソフト構造は大きな進歩を遂げていますが、その構造はまだ比較的単純であり、天然構造の複雑さに匹敵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。この異種材料の組み合わせにより、細胞は生体電気信号を伝達し、複雑な生命システムへと進化することが可能になります。近年、ハイドロゲルやエラストマーをベースにした親水性・疎水性構造は大きな進歩を遂げており、伸縮性エレクトロニクス、ソフトロボット、摩擦発生装置などの分野で幅広い応用が期待されています。 3D プリント技術の導入により、この分野の準備技術がさらに向上します。しかし、既存の親水性および疎水性構造は、印刷プロセス中に、優れた接着特性を持つハイドロゲル/エラストマー複合構造を任意の順序で印刷するという以下の基本要件を満たすことができません。

この問題を解決するために、ハーバード大学の蘇志剛教授と西安交通大学航空航天学院ソフトマシン研究所の研究グループは、ソフト構造3Dプリントのため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および疎水性の異種構造の印刷を実現しました。研究者らは、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、この2つを任意の順序で一緒に3Dプリントし、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。この方法は、一般的に使用されている表面改質とは異なり、バルク改質戦略を採用しており、伸縮性デバイス、ソフトマシンの準備、その他の異種材料の複合 3D プリントに一般的なソリューションを提供できます。

図に示すように、研究者らはハイドロゲルとエラストマープレポリマーを別々に準備し、エラストマーにカップリング開始剤を添加し、3Dプリントで両者を接触させ、紫外線による架橋反応を経てしっかりと結合した複合材料を形成した。ここで研究者らは、親水性材料と疎水性材料をそれぞれ代表するために、マイクロスフェア強化二重ネットワークハイドロゲルと市販のシリコーンEcoflexを使用し、この方法の実現可能性を実証するためにベンゾフェノンをカップリング開始剤として使用しました。印刷された試料の結合エネルギーは 5000 J/m2 以上に達します。

西安交通大学が率いる研究チームは、カップリング開始剤をエラストマー材料に溶解し、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。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 5000 J/m2 以上に達することができます。この研究結果は最近、国際的に有名な学術誌「Advanced Functional Materials」に掲載されました。

研究者らは、結合型および非結合型の複合格子構造を印刷し、圧縮した。接着された試験片は大きな圧縮に耐えます (a)。一方、接着戦略のない試験片はまったく荷重に耐えることができません (b)。印刷された複合ハニカム構造は、70% の圧縮ひずみを経験した後でも弾性的に回復することができます (c)。複合印刷サンプルの伸張および膨潤プロセス中、マイクロスフェア強化ハイドロゲルは良好な機械的特性を維持しました (d、f)。一方、通常の PNaNAPS ゲルは引張破壊および膨潤破壊を起こしました (e、g)。安定した親水性-疎水性構造の形成には、良好な接着性と強力なマトリックス材料の両方が必要であることがわかります。

リンキングイニシエーター戦略を使用して実現される複合印刷は、異種材料間の結合が良好です。ハイドロゲル、エラストマー、印刷された複合材料はいずれも引張特性が良好で (a)、ハイドロゲルの破壊エネルギーは 10,000 J/m2 と高い。 (b) 開始剤の添加量がわずか 0.5wt% の場合、複合材料の界面はすでにマトリックス材料よりも強く、破壊は界面ではなくゲルで発生し (cd)、5000 J/m2 を超える。接着性能は開始剤含有量 (ef) によって変化し、添加量がわずか 0.2wt% でも 1000 J/m2 を超える接着エネルギーが達成されます。

この方法は、3D プリントされたソフト構造の結合問題を解決するための一般的な方法です。さまざまなハイドロゲルやエラストマーに適用でき、光開始および熱開始戦略に適しており、他の準備プロセス (ディップコーティングなど) にも適しています。ソフトデバイスのラピッドプロトタイピングに明らかな利点があります。

この研究成果は「Advanced Functional Materials」に掲載されました。西安交通大学の大学院生であるヤン・ハン、リー・チェンハイ、ヤン・メンが共同筆頭著者である。西安交通大学の若手教師である唐静達氏と、ハーバード大学の教授で米国工学アカデミー会員でもある蘇志剛氏がこの論文の共同責任著者である。ジョージア工科大学のQi Hang教授が共著者です。

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に適しており、他の調製プロセス（ディップコーティングなど）にも適していると報告されています。これは、ソフト構造の3Dプリントのための普遍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見通しを持っています。

出典：科技日報

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