福建農林大学の劉文迪と邱仁輝：高靭性ハイドロゲルの3Dプリントを使用したカスタマイズされたウェアラブルフレキシブルセンサー

出典: EFL Bio3Dプリンティングとバイオ製造

3Dプリント技術の発展により、高精度でカスタマイズされたハイドロゲル構造を効率的に製造する方法が大きな注目を集めています。しかし、現在、ほとんどのハイドロゲルは押し出し印刷技術によってのみ 3D 製造できるため、ハイドロゲルの印刷効率と精度が制限されています。一方、光硬化印刷プロセス中、ハイドロゲル内の固有の水分によりモノマーの重合速度が低下し、硬化したハイドロゲルの急速な固液分離が達成できなくなるため、光硬化によるハイドロゲルの三次元構造の製造が困難になります。

最近、福建農林大学の劉文迪と邱仁輝は、投影光硬化技術を使用して高精度のハイドロゲルを迅速に印刷する戦略を共同で提案しました。この研究では、非共有結合相互作用に基づいて相互浸透ネットワークハイドロゲルを設計し、物理的な架橋を形成し、印刷プロセスで迅速な固液分離を実現しました。関連論文「カスタマイズされたウェアラブルフレキシブルセンサーのための高靭性と自己修復性ハイドロゲルの光硬化性 3D プリント」が、ジャーナル「Advanced Functional Materials」に掲載されました。

まず、研究者らは、水素結合や金属配位結合などの非共有結合を介して、ポリアクリル酸（AA）-N-ビニル-2-ピロリドン（NVP）とカルボキシメチルセルロース（CMC）を物理的に架橋し（図1）、印刷プロセス中に急速な固液分離を実現しました。

図 1 光硬化 3D プリントハイドロゲル戦略次に、研究者らは、CMC と NVP-AA の重量比と水分含有量がハイドロゲルの機械的特性に与える影響を調査し (図 2)、CMC と NVP-AA の重量比が 0.8% のときにハイドロゲルの引張靭性が最も高くなり、ゲルの水分含有量が 40 wt% のときに分離度と引張靭性が最適になることを発見しました。

図2 相互浸透ネットワークハイドロゲルのメカニズムと特性。研究者らは投影光硬化技術を使用して、高解像度、設計可能な形状、高い引張靭性、自己修復能力を備えたいくつかのサンプルを構築し（図3）、ハイドロゲルの性能をさらに実証し、インクの最適な設計式を確認しました。

図3 ハイドロゲル印刷サンプル次に、研究者らは、10％、20％、40％の引張ひずみ下でのハイドロゲルの感知性能を評価しました（図4）。同じひずみ下での抵抗応答の再現性が高く、引張ひずみの増加とともに抵抗応答の振幅が徐々に増加することが観察されました。ハイドロゲルの抵抗応答は、周期的な引張ひずみ試験を通じてほとんど変化しないことが観察され、ハイドロゲルセンサーが優れた安定性と繰り返し可能な応答性を備えていることが実証されました。

図4 ハイドロゲルセンサーの引張ひずみ試験最後に、研究者らは投影光硬化技術を使用してハイドロゲルを印刷し、複雑な人体構造に適応できる柔軟なセンサーを構築しました（図5）。また、より複雑なウェアラブルデバイスを組み立てるために、異なる抵抗応答を持つ柔軟なセンサーコンポーネントをカスタマイズしました（図6）。実験結果は、ウェアラブルデバイス向けの3D印刷技術の設計可能性を証明しました。

図 5 3D プリントされたウェアラブルフレキシブルセンサー図 6 プリントおよび組み立てられたウェアラブルフレキシブルセンサー要約すると、この記事では、共有結合と相互浸透ネットワークの代わりに物理的な架橋を使用し、投影光硬化技術を使用して、高い靭性、自己修復能力、および高速歪み応答を備えたハイドロゲル構造を正常に印刷しました。最後に、ハイドロゲルを使用して、ウェアラブルマニピュレーターをカスタマイズすることに成功しました。この方法は、投影光硬化技術を使用してフレキシブルハイドロゲルセンサーを製造した最初の成功例です。このハイドロゲルは、フレキシブルウェアラブルセンサーに大きな応用可能性を秘めています。

参考文献
Yuchao Wu、Yong Zeng、Yizhen Chen、Chao Li、Renhui Qiu、Wendi Liu。カスタマイズされたウェアラブルフレキシブルセンサー向けの高靭性と自己修復性ハイドロゲルの光硬化性 3D プリント。先進機能材料
https://doi.org/10.1002/adfm.202107202

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