「ソフトロボット」部品を作るための動的ハイドロゲルを3Dプリント

出典: Weimi.com

ランゴーン大学の研究者らは、環境に動的に反応できる新しいデュアルポリマー材料を使用して、さまざまな「ソフトロボット」やバイオメディカル用途に使用できる一連のモジュール式ハイドロゲルコンポーネントを開発したと理解されている。 3D プリンターでパターン化された部品は、特定の化学物質による処理に応じて、曲げたり、ねじったり、くっつけたりすることができます。ポリマー化学誌に掲載された論文で、研究者らは、小さな物体を拾うために必要に応じて作動できるソフトグリッパーを実証した。彼らはまた、レゴのようなハイドロゲルのビルディングブロックも設計しました。これを慎重に組み立ててしっかりと密封すると、カスタマイズされたマイクロ流体デバイス、つまり薬物スクリーニング、細胞培養、その他の用途のための「ラボオンチップ」システムを形成できます。

研究者らによると、新素材の機能性の鍵は二重ポリマー組成にあるという。

「基本的に、一方のポリマーが構造的完全性を提供し、もう一方のポリマーが曲げや自己接着などの動的動作を可能にします」と、最近博士号を取得したトーマス・オーディン氏は言う。ブラウン大学工学部の学生であり、この論文の筆頭著者。「したがって、この 2 つを組み合わせると、各部分の合計よりも優れた材料が生まれます。」

ハイドロゲルは、ハイドロゲル内のポリマー鎖が互いに結合して固化する、いわゆる架橋反応によって固まります。架橋ポリマーを結合させる結合には、共有結合とイオン結合の 2 種類があります。共有結合はかなり強力ですが、不可逆的です。 2 つの鎖が共有結合すると、結合を切断するよりも鎖を切断する方が簡単になります。一方、イオン結合はそれほど強力ではありませんが、逆転させることができます。イオン（正または負の電荷を持つ原子または分子）を追加すると、結合が形成されます。イオンを除去すると結合が分離します。

新しい材料のために、研究者たちはPEGDAと呼ばれる共有結合架橋ポリマーとPAAと呼ばれるイオン結合架橋ポリマーを組み合わせました。 PEGDA の強力な共有結合によって材料が保持され、PAA のイオン結合によって応答性が高まります。材料をイオンが豊富な環境に置くと、PAA が架橋し、硬くなって縮みます。これらのイオンを取り除くと、イオン結合が壊れて材料は柔らかくなり、膨張します。同じ方法により、必要に応じて材料を自己接着させることもできます。 2つの別々の部品を組み合わせ、イオンを追加し、部品をしっかりと接続します

強度と動的動作の組み合わせにより、研究者はソフトグリッパーを作成することができました。彼らは、各グリッパーの「指」の片側に純粋な PEGDA を、もう片側に PEGDA-PAA ブレンドを配置するようにパターン化しました。イオンを加えると、PEGDA-PAA 側が収縮して強化され、2 つのグリッパーが引き寄せられます。研究者らは、この装置は重さ約1グラムの小さな物体を持ち上げて重力に逆らって保持できるほど強力であることを示した。

「形状を変え、さまざまな環境に自動的に適応できる材料には大きな関心が寄せられている」と、論文の責任著者で工学助教授のイアン・Y・ウォン氏は述べた。「そこで私たちは、外部刺激に応じて自らを曲げたり再構成したりできる材料を実証したのです。」

しかし研究者らによると、より近い将来に応用できる可能性があるのはマイクロ流体工学分野だという。

ハイドロゲルは、特に生物医学的検査に使用されるマイクロ流体デバイスにとって魅力的な材料です。人間の組織のように柔らかくて柔軟性があり、一般的に無毒です。問題は、マイクロ流体工学で必要とされる複雑なチャネルやチャンバーをハイドロゲルにパターン化することが難しいことが多いことです。

しかし、この新しい素材とそれが可能にするレゴのコンセプトは、潜在的な解決策を提供します。 3D 印刷プロセスにより、複雑なマイクロ流体構造を各ブロックに組み込むことができます。ブロックは、実際のレゴブロックと非常によく似たソケット構成を使用して組み立てることができます。組み立てられたブロックにイオンを加えることで、防水シールが作られます。

「モジュール式のレゴブロックは、マイクロ流体デバイス用のプレハブツールボックスを作成できるため興味深い」とバレンティン氏は語った。「さまざまなマイクロ流体構造用のプリセット部品が手元にあるので、カスタムのマイクロ流体回路を作成するために必要な部品を取り出すことができます。その後、それらを一緒に硬化させると、準備完了です。」

研究者らは、使用前にブロックを長期間保管しても問題はないようだ、と述べた。

「この研究のために検査したサンプルの中には、生後3～4か月のものもあった」とブラウン大学の学部生で論文の共著者でもあるエリック・デュボア氏は語った。「そのため、これらは長期間にわたって利用可能であり続ける可能性があると考えています。」

研究者らは、この材料の研究を継続し、ポリマーの特性を微調整して耐久性と機能性をさらに高めていく予定だと述べている。

出典: Weimi.com

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