バイオニック超疎水性微細構造を作製するための3Dプリント

自然界の動物や植物は、機能的な構造の設計に多くのインスピレーションを与え、バイオニックインテリジェント構造の研究の発展を促進します。その中でも、多機能表面のバイオニック微細構造、特に植物の葉にヒントを得た超疎水性表面構造は、その実用的用途が非常に幅広いことから、ますます注目を集めています。この超疎水性構造は、セルフクリーニング、防錆、油水分離、マイクロリアクター、液滴操作などの応用など、高い科学的研究価値と経済的応用価値を持っています。

▲ 図1. バイオニック超疎水性構造の設計、(ac) サルビニア・モレスタ植物の超疎水性葉の泡立て器微細構造の模式図、(d) 3Dプリントされた泡立て器微細構造と平面構造の疎水性の比較、(e) 3Dプリントされた泡立て器微細構造のSEM画像。典型的な超疎水性の例は、蓮の葉効果（ロータス効果）を備えた超疎水性構造です。水滴は葉の上で完全な球体を形成し、簡単に滑り落ちます。これは、葉が自己洗浄に使用できるマイクロナノサイズの疎水性構造を持っているためです。もう 1 つの例は、水滴を吸収できる超疎水性表面 (「サルビニア効果」) です。これは、サルビニアモレスタの葉にある独特の泡立て器型の微細構造から生まれます。泡立て器の先端は親水性構造を持ち、その表面はナノ形状の超疎水性構造で覆われています。この方法により、泡立て器の形状内に空気を長時間保持できるため、刃の表面が水から隔離され、長期間の存続が保証されます。しかし、従来の製造技術では、自然界の複雑な微細構造を模倣することは困難です。この問題を解決するために、南カリフォルニア大学のヨン・チェン教授の研究グループは、「浸漬表面蓄積ベースの 3D プリンティング」（図 2）を使用して、サルビニア・モレスタの葉を模倣した超疎水性の泡立て器の微細構造を作成しました（図 1）。

▲ 図 2. 浸漬表面蓄積に基づく 3D 印刷プロセスの概略図。多層カーボンナノチューブを光硬化性樹脂に添加して、微細構造の表面粗さと機械的強度を高めます。結果は、3D プリントされた泡立て器の微細構造表面が、超疎水性とバラの花びら効果に関して多くの興味深い特性を示すことを示しています。泡立て器表面と水滴間の接着力（23μN～55μN）は、異なるアーム数を設計することで簡単に調整でき（図3）、ロスレス転送、分離、反応混合、3次元細胞培養など、微小液滴を操作する「マイクロマニピュレーター」として使用できます（図4）。さらに、この新しいバイオニック構造は、油の吸着と効率的な油水分離にも使用できます (図 5)。研究結果は、「マイクロ液滴操作と油水分離のための3Dプリント生体模倣超疎水性構造」というタイトルでAdvanced Materialsに掲載されました。

▲ 図 3. 接触角と水滴への付着性を調整するために、異なるアーム数 (N = 2、4、6、8) を持つ 3D プリントされた泡立て器構造 ▲ 図 4. 3D プリントされたバイオニック泡立て器の微細構造は、マイクロリアクターの基板 (ac)、液滴の分離 (e) とロスレス転送 (f)、および細胞の 3D 培養 (g) (3D 細胞培養) に使用されます。
▲ 図 5. 3D プリントされたバイオニック卵ビーターの微細構造は、油吸着 (ac)、液滴分離 (e) とロスレス転送 (f)、および 3D 細胞培養 (g) に使用されます (3D 細胞培養)。
この研究は、界面の濡れ状態と超疎水性表面の原理をさらに理解するのに役立つと考えています。さらに、3D プリント手法の柔軟性と有効性を考慮すると、この構造は、微小液滴操作、液滴ベースのバイオアッセイ、薬物試験、大規模な油水分離など、バイオメディカルや環境工学における幅広い応用の見通しを持つ可能性があります。この研究は、全米科学財団 (NSF、助成金番号 CMMI 1335476、CMMI-1151191、CMMI 1663663) および USC のエプスタイン研究所の支援を受けて行われました。

研究グループのポスドク研究員ヤン・ヤン氏と博士課程学生のシアンジア・リー氏が共同筆頭著者です。
出典: 高分子科学の最前線

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