研究者は埋め込み型3Dプリントを使用して微細な天然繊維を複製する

この投稿は warrior bear によって 2025-2-18 21:58 に最後に編集されました。

2025 年 2 月 18 日、Antarctic Bear は、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の研究者が、埋め込み型 3D 印刷技術を使用して、クモの糸やヌタウナギの粘液に含まれるミクロン単位の繊維など、自然界の微細繊維構造を再現することに成功したことを知りました。この技術は、溶媒交換方式によって従来の 3D 印刷の限界を克服し、最大 1.5 ミクロンの印刷解像度を実現し、複雑な形状の製造に使用できます。
出典: イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校。
繊毛、クモの糸、ヌタウナギの粘液束など、自然界の生物の繊維特性を模倣することで、感知機能や構造機能を実現できます。イリノイ大学 MechSE の Sameh Tawfick 教授と Randy Ewoldt 教授、博士課程の M. Tanver Hossain 氏、および外部の協力者は、最先端の組み込み 3D 印刷技術を使用してこのニーズに対処しました。
彼らの研究結果は、ネイチャー・コミュニケーションズ誌の「埋め込み溶媒交換による細くて連続した柔らかい繊維の高速3D印刷」と題された論文で発表されました。この論文では主に、ゲル内に細い繊維を素早く印刷するために生物にヒントを得た方法を使用する科学的原理について議論されています。

論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41467-025-55972-1
従来の 3D 印刷方法では、周囲の空気中で材料を層ごとに堆積しますが、埋め込み型 3D 印刷では、ハイドロゲルなどの支持媒体に材料を堆積します。空中で印刷する場合、各層が次の層を支えるようにモデルを配置する必要があります。また、複雑な構造の場合は、取り外し可能なサポート構造を印刷して後で廃棄することもできます。ゲルでの印刷では、ゲル自体が印刷された材料の形状をサポートするため、これらの構造が不要になり、コイルスプリングなどの複雑な形状をより効率的に印刷できるようになります。さらに、印刷された部品はゲル内で硬化させてからゲルから取り外すことができるため、ゲルを複数の印刷に再利用できます。

しかし、これまでは、埋め込み型 3D プリンティングでは、空気中での 3D プリンティングを彷彿とさせる非常に薄い物体を印刷することが困難でした。直径が 16 ミクロン未満のフィラメントは、硬化プロセスの前に表面張力によりすぐに破損します。研究チームは、クモが作り出す糸やヌタウナギが出す粘着性のある防御糸など、自然界に見られる繊維に匹敵する、さらに細い直径のフィラメントを印刷したいと考えている。
「直径がわずか数マイクロメートルの糸状構造の例は自然界に数多く存在する」と、非ニュートンゲルの設計を専門とする論文の第二著者ホサイン氏は言う。「これは可能だと分かっていた」
研究者らは、表面張力による毛細管の破損を抑制するために溶媒交換法を使用した。「ゲルと印刷インクを改良し、インクがゲルに注入されるとすぐに固まるようにした」とホサイン氏は言う。「こうすることで、フィラメントがほぼ瞬時に固まるため、破損を防ぐことができる」この手法で、研究チームは1.5ミクロンの解像度を達成した。また、複数のノズルを並行して印刷する実験も行い、迅速な製造を可能にしました。

第一著者のウォンシク・オム博士は現在、韓国の檀国大学の繊維融合材料工学科の教員であり、タウフィック研究室の博士研究員であった。「この研究は、直径1ミクロンほどの柔らかい素材を印刷するという、3D印刷技術の長年の限界を克服するものです」と、溶媒交換プロセスのエンジニアリングに注力するエオム氏は言う。「このような高い印刷解像度を達成したことで、自然界に見られる、並外れた機能を持つマイクロファイバーや髪の毛のような構造を模倣する技術的基盤が整いました。」
研究者らが埋め込み型 3D プリントに興味を持ったのは、マイクロメートル規模の糸が存在するため他のゲルよりも優れた機械的特性を持つヌタウナギの粘液の特性を再現できる可能性があるためである。イーウォルト氏は、外部協力者であるチャップマン大学のダグラス・ファッジ教授とともに、10年以上にわたりヌタウナギの粘液の構造を研究してきた。
「これらの線を模倣するために、埋め込み型 3D プリントを使用しました」と Eom 氏は語ります。「研究を通じて、高解像度の埋め込み型 3D プリントを開発することで、当初予想していたよりも広範囲の自然構造を再現できることが分かりました。」
「この研究は、非ニュートン流体と軟質固体の複雑な機械的挙動を利用して新しいエンジニアリング機能を実現するという、私のグループのより広範な研究ビジョンに関連しています」とエウォルト氏は述べた。「この視点は、流体力学から固体力学、そしてその間の挙動に至るまで、力学の基本領域を融合します。」
「この方法の意義は、このように小さくて柔軟な毛にかかる重力の下向きの力に耐えることなく、さまざまな毛の形状を製造できることです」と、この方法の実用性とさまざまな用途を実証するために取り組んできたタウフィック氏は語る。「これにより、超精密 3D プリンターを使用して、細い直径を持つ複雑な 3D 毛を作成できるようになります。」研究者たちは、この技術を活用して、さらに高度な材料開発に進む予定です。
「このアプローチは、極細繊維を機能性材料と組み合わせることで、自然にヒントを得た繊維構造を再現できるため、大きな可能性を秘めている」とホセイン氏は語った。
「私たちは、従来の半導体製造技術では実現不可能な微細なマイクロ構造の印刷に特に興味を持っています」とエオム氏は語った。

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