ノースカロライナ州立大学が3Dプリントした光活性化ハイドロゲルアクチュエータを開発

2024年7月28日、アンタークティックベアは、ノースカロライナ州立大学の国際研究チームが、3Dプリントで加工できるハイドロゲルに金ナノロッドを埋め込み、光にさらされると収縮し、光が消えると再び膨張する構造を形成できることを知りました。この可逆的な拡張と収縮は複数回繰り返すことができるため、 3Dプリントされた構造を遠隔制御アクチュエーターとして使用できるようになります。

関連研究は、オープンアクセスジャーナル「Polymers」に「光熱アクチュエータとしての3Dプリントハイドロゲル」と題する論文として掲載されました。この論文は、ノースカロライナ州立大学大学院生のジェイムソン・ハンクウィッツ氏、ドレスデンのライプニッツ高分子研究所のマーティン・ガイスラー氏、ニクラス・ヴァイゲル氏、ニコラス・ハウク氏、ヨナス・シューベルト氏、およびドレスデンのライプニッツ高分子研究所とドレスデン工科大学のアンドレアス・フェリー氏が共同執筆した。

論文リンク: https://www.mdpi.com/2073-4360/16/14/2032#
「加熱すると収縮するハイドロゲルを 3D プリントできることはわかっていました」と、ノースカロライナ州立大学の材料科学および工学の教授で、この論文の共同責任著者であるジョー・トレーシー氏は語ります。「また、ハイドロゲルに金ナノロッドを加えることで光応答性を持たせることができることもわかっていました。つまり、光にさらされると可逆的に収縮するということです。私たちは、光応答性構造を 3D プリントできるように、ハイドロゲルに金ナノロッドを加える方法を見つけたいと考えていました。」
論文の概要ハイドロゲルは水を含むポリマーネットワークであり、コンタクトレンズやおむつなどの吸収性材料によく見られます。研究者たちは厳密にはハイドロゲルを3Dプリントしたわけではなく、金ナノロッドとハイドロゲルを作るために必要なすべての成分を含む溶液をプリントした。
「この印刷された溶液が光にさらされると、溶液中のポリマーが架橋分子構造を形成する」と、マクデブルクのオットー・フォン・ゲーリケ大学有機化学部門長で共同責任著者のジュリアン・ティーレ氏は述べた。「これにより溶液がハイドロゲルに変化し、閉じ込められた金ナノロッドが材料全体に分散される。」
3D プリント用のプレハイドロゲル溶液は粘度が非常に低く、一般的な基板に印刷すると 3D 構造ではなく水たまりになってしまうため、一般的な基板に印刷することはできません。この問題に対処するため、研究者らは、ゼラチン微粒子を水中に溶かした半透明のスラリーに溶液を印刷した。プリンターのノズルが透明な接着剤液を浸透し、溶液を目的の形状に印刷します。ゼラチンは半透明なので、光がマトリックスを透過し、溶液を固体のハイドロゲルに変換します。次に、構造全体を温水に入れると、ゼラチンが溶けて 3D ハイドロゲル構造が残ります。
これらのハイドロゲル構造が光にさらされると、埋め込まれた金ナノロッドが光を熱に変換し、ハイドロゲル内のポリマーが収縮して水が絞り出され、構造が収縮します。光が取り除かれると、ポリマーは冷却されて水を再吸収し、ハイドロゲル構造が元のサイズに戻ります。
図1. 材料設計と製造および作動実験方法の概略図。図 2. (a) 水性 CTAB-GNR および BSA-GNR の吸光スペクトル (ピーク吸光度 1 を基準) と BSA-GNR の TEM 画像。(b) UV 照射下のアセチル化ゼラチン犠牲支持マトリックス内の DIW。(c) フルオレセインで染色した未負荷構造の共焦点蛍光顕微鏡画像。(d) GNR 負荷構造 (OD 10) の明視野顕微鏡画像。中央の黒い点は気泡です。図 3. GNR を搭載した OD 2.5、5、10、および 20 のサンプルの 1 回の対流加熱サイクルと 3 回の光熱加熱サイクル中の収縮と再膨張の挙動。 (a) 上のパネルのサイクリング中の面積測定と下のパネルの収縮構造の面積を拡張構造の面積で割った値は、収縮挙動の微妙な違いを強調しています。測定誤差を評価するために、2回目の光熱加熱サイクル中に膨張した状態と収縮した状態のOD10サンプルの面積を10回測定し、対応する標準偏差を計算したところ、それぞれ0.019cm2と0.0039cm2でした。これらの誤差は、OD 10 サンプルの 2 回目の光熱加熱サイクルにおける収縮/膨張面積比の 0.45% の誤差に変換されます。これらのエラーは他のサイクルやサンプルの代表例です。 (c) 対流加熱と (d) 光熱加熱の直後に撮影された (b) の膨張状態と収縮状態の写真。共通スケールバー (2 mm) は (c) の左側のパネルに示されています。 ( e ) 光熱加熱直後に熱画像カメラで撮影した画像（( d )に対応）。注: パネル (b - d) は、写真の端にある定規の目盛りを削除するように修正されました。これらのパネルの修正されていないバージョンを図S7に示します。図 4. (a-c) 連続光熱加熱サイクル後の再膨張時に内側に座屈する OD 20 サンプルの写真。各サイクルにおいて、左側の画像は曲がった状態の画像を示し、右側の画像は完全に曲がって再拡張した後の画像を示します。画像は映画S6から撮影されたスナップショットです。
「加熱すると収縮するハイドロゲルに関する研究は数多く行われてきました」と、論文の筆頭著者でノースカロライナ州立大学の元博士課程学生であるメラニー・ゲラルディーニ氏は語る。「私たちは、ハイドロゲルを光にさらすと、同じことが起こることを実証しました。しかも、その材料を 3D プリントすることも可能です。つまり、これまでは直接加熱が必要だったアプリケーションを、照明を介して遠隔で起動できるようになったのです。」
「従来の型を使った鋳造に比べ、3Dプリントハイドロゲル構造はほぼ無制限の設計自由度を提供します」とティール氏は言う。「また、光によって誘発される感光性材料の収縮と膨張中に、独自の動きを事前にプログラムすることが可能です。」
この研究は、米国国立科学財団（助成番号1803785）、ドイツ研究振興協会（DFG）研究トレーニングスクール1865：ハイドロゲルベースのマイクロシステムおよび2767（プロジェクト番号451785257）、アレクサンダー・フォン・フンボルト財団、ドレスデンスマートマテリアルセンター、および欧州連合のホライズン2020研究イノベーションプログラム（助成番号852065）によって支援されました。

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