連続インターフェースリソグラフィー技術における最新のブレークスルー！ Carbon は iCLIP テクノロジーを使用して高解像度のマイクロ流体チャネルを 3D プリントします

2024年9月14日、Antarctic Bearは、スタンフォード大学の研究者が新しい高解像度樹脂3Dプリントプロセスである注入ベースの連続液体インターフェース製造技術（iCLIP）を開発したことを知りました。この新しい方法は、チャネルや空隙などの負の空間での樹脂の過剰硬化のリスクを排除した、従来の CLIP 技術の改良版であり、マイクロ流体デバイスの 3D 印刷に最適です。
関連研究は、「高解像度ステレオリソグラフィー：流体力学の制御によって実現されるネガティブスペース」というタイトルで米国科学アカデミー紀要（PNAS）に掲載されました。カリフォルニアの3DプリンターメーカーCarbonの共同創設者兼元CEOのJoseph M. DeSimone氏がこの論文の共著者である。

論文リンク: https://doi.org/10.1073/pnas.2405382121
デシモーネ氏は現在、カーボン社の取締役を務めており、カーボン社の特許取得済み連続液体界面生産（CLIP）技術の開発に重要な役割を果たしました。スタンフォード大学の研究チームは、研究に、注射可能なCLIP（iCLIP）と呼ばれるバージョンのCLIPを使用しました。
DeSimone 氏は、プロジェクトリーダーの Ian A. Coates 氏と Gabriel Lipkowitz 氏とともに、iCLIP を使用したネガティブスペースの保存方法に関する特許出願の発明者でもあります。 CLIP および iCLIP の特許と特許申請は、デシモーネ氏が共同設立した PinPrint という新しいワクチンおよび薬物送達会社にライセンス供与される予定です。
スタンフォード大学のチームの iCLIP 方式は、3D 印刷プロセス中にネガティブスペースを通じて重合可能な樹脂の新鮮な流れを継続的に供給します。これにより、過剰硬化のリスクがある樹脂が置き換えられ、高さと直径が大幅に小さいチャネルを製造できるようになります。
X の投稿で、Carbon の主任アプリケーションエンジニアである Andrew Sink 氏は、注入ベースの樹脂 3D 印刷プロセスを「付加製造における新たな飛躍」と呼んでいます。「これにより、フォトポリマー分野で驚くべきことが可能になるだろう」とシンク氏は語った。
研究者によると、iCLIP は血管床やマイクロ流体工学でサポートされたマイクロニードルなどの高解像度マイクロシステムデバイスの設計と材料の自由度を向上させます。

△iCLIP プロセスとその結果得られた分解されたネガティブ構造の概略図。画像提供：PNAP。
樹脂 3D プリントの過剰硬化を防ぐにはどうすればよいでしょうか?
ネガティブスペースは、マイクロ流体デバイス、生体医療デバイス、血管ネットワーク、分離媒体、電子回路にとって非常に重要です。これらは、流体の流れを正確に制御し、センサーの精度を向上させ、分離効率を高めるのに役立ちます。
これらのマイクロシステムを製造するために、付加製造方法がますます採用されるようになっています。デジタル光処理 (DLP) を含むステレオリソグラフィー 3D プリントは、この分野で特に人気があります。 DLP 3D プリンターは、紫外線の 2 次元投影を使用して、フォトポリマー樹脂の層を 1 層ずつ硬化させます。
DLP に関連していますが、CLIP3D 印刷はビルド表面の樹脂の更新に依存しています。このプロセスでは、酸素透過性の窓を使用して、樹脂槽の底に重合のない領域を作成します。この「デッドゾーン」により、液体樹脂が固化して投影ウィンドウに付着するのを防ぎ、3D プリントの時間を短縮して、より壊れやすいグリーンパーツを作成できます。
ステレオリソグラフィーでは、高解像度の光学系を使用して UV 光を正確に照射し、XY 平面上で樹脂の各層を正確に硬化させます。ただし、Z 軸 (垂直方向) で高解像度を実現するのはより困難です。
この時点では、紫外線が前の 3D プリント層に漏れてしまうため、光を単一の層に閉じ込めることは困難です。その結果、部品の解像度が低下し、以前に作成されたネガティブスペース内の樹脂が過剰に硬化します。
この問題を克服するための現在の取り組みとしては、樹脂に紫外線減衰添加剤を組み込んで層の厚さを制御し、3D プリントの精度を向上させることなどが挙げられます。しかし、これらの添加剤は樹脂を硬化させるためにより強い光を必要とするため、3D 印刷のプロセスが遅くなります。また、毒性があることが多いため、医療や生命科学の用途には適していません。
そこで研究者たちは iCLIP 3D プリンティングに注目しました。チームは、自然に酸化された（抑制された）樹脂を継続的にビルドプラットフォームに送り込み、過剰硬化した可能性のある 3D プリントチャネル内の残留樹脂を洗い流します。このアプローチにより、チームはさまざまな材料を使用して高解像度のネガティブスペースを 3D プリントすることに成功しました。
△高解像度iCLIPで印刷されたマイクロ流体ディスペンサー、血管灌流ベッド、マイクロ流体マイクロアレイパッチ。画像はPNASより。
高解像度マイクロ流体チャネルの iCLIP 3D プリント
スタンフォード大学のチームは、仮説を検証するために、最初に直径 200 μm、角度 0° から 90° のマイクロチャネルを 3D プリントしました。
従来のステレオリソグラフィー 3D プリントを使用すると、90° チャネルは過剰硬化しやすくなります。 iCLIP を使用してチャネルを製造した場合、光学顕微鏡画像では、すべての角度が高解像度で 3D プリントされていることが示されました。
次に、チームは、チャネル直径が 50 μm から 200 μm の範囲で、30 度の角度でマイクロ流体ネットワークを 3D プリントしました。 iCLIP プロセスを使用すると、イメージングと電子顕微鏡の両方で、ネガティブスペース全体の正確な解像度が確認されました。
△ CLIP と iCLIP は異なるチャネル間隔で印刷します。画像はPNASより。
研究者らは、iCLIP 3D 印刷プロセス中の新鮮な樹脂の注入速度がチャネル解像度にどのように影響するかについても研究しました。彼らは、新鮮な樹脂が注入される速度とネガティブスペース、つまりチャネルが印刷される速度の比率を測定するために「ターンオーバー数」（Tu）を作成しました。
樹脂を注入しないと、3D プリントされたチャネルは過剰に硬化し、不適切に形成されます。 Tu が増加し、注入される樹脂が増えると、チャネルは意図した設計に近づきます。ただし、流量を増やしすぎると、チャネルが広がったり破裂したりする可能性があります。
研究者らはまた、Tu と樹脂浸透深度 (Dp) との関係も評価しました。樹脂浸透深度とは、破損する前に紫外線が樹脂に浸透できる距離です。研究チームは、Dp が増加すると、正確なチャネル解像度を達成するために必要な Tu も増加することを発見しました。これにより、古い樹脂が紫外線に過度にさらされる前に新しい樹脂が古い樹脂と置き換わり、3D 印刷プロセス中に正しい層形成が維持されます。
研究者たちは、今後、iCLIP 3D プリンティングがパーソナライズされた医療機器やマイクロ電気機械アプリケーションに大きな価値をもたらすと考えています。
これを実証するために、研究者らは、マイクロニードルパッチ、血液輸送システム用の血管ネットワーク、導電性ガリウム素子、多孔質灌流ネットワークなど、iCLIP 対応のさまざまなマイクロシステムを 3D プリントしました。
デシモーネ氏が自身の新しいバイオメディカル会社のためにこの技術の特許を取得しようとしていることから、このようなデバイスはまもなく市販されるようになるかもしれない。
△マイクロ流体駆動型マイクロニードルパッチ。画像はPNASより。
3D プリントされたマイクロ流体デバイス<br /> 付加製造は、マイクロ流体アプリケーションでますます使用されるようになっています。昨年、クイーンズランド工科大学の研究者らは、細胞用途のマイクロ流体コンポーネントの製造における樹脂 3D プリントの能力を評価しました。
DMG Digital Enterprises の MOIIN High Temp 樹脂と MOIIN Tech Clear 樹脂は、ASIGA UV Max X27 DLP 3D プリンターで使用され、一般的なマイクロ流体設計を製造します。これらの設計には、2D 単層培養デバイス、ピラーアレイ、液滴生成器用の狭窄チャネルが含まれます。
この研究では、MOIIN High Temp 樹脂と MOIIN Tech Clear 樹脂は、細胞用途のマイクロ流体チャネルを 3D プリントするのに効果的に使用できると結論付けられました。どちらの材料も生体適合性があり、顕微鏡などの画像化プラットフォームで確認できることが示されました。
さらに、マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者らは最近、自己発熱型の3Dプリントマイクロ流体デバイスを開発しました。この装置には約2ドル相当の材料しか必要ないため、低コストの病気検出ツールとなります。
MIT チームは、生分解性ポリマー (ポリ乳酸、PLA) と銅ナノ粒子を注入した改良バージョンを含む、マルチマテリアル押し出し 3D プリント技術を使用しました。この改質 PLA は抵抗器に変換されると電気を伝導します。これにより、電流を熱として放散することができ、1 つのステップで 3D プリントできる自己発熱型マイクロ流体デバイスが実現します。

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