カーネギーメロン大学がマイクロスケール構造を作成するための自由形状3D氷印刷プロセスを開発

はじめに: 3D プリント技術の進歩により、医療、製造、エネルギーなど、さまざまな分野で数多くのアプリケーションが可能になりました。さまざまな素材を使用してシンプルな基礎や細かいディテールを印刷し、カスタム形状の構造を作成できます。しかし、マイクロスケールの精密な内部空隙とチャネルを備えた構造を作成することは、依然として困難です。たとえば、組織工学で使用される足場には、人間の血管を模倣した複雑な 3 次元チューブネットワークが含まれている必要があります。材料を層ごとに堆積させる従来の付加製造技術では、時間、精度、リソースを犠牲にすることなく、このような複雑な内部機能を印刷することは困難です。
2024年7月19日、Antarctic Bearは、上記の問題を解決するために、カーネギーメロン大学の機械工学教授であるPhilip LeDuc氏とBurak Ozdoganlar氏が主導して、新しい自由曲面3D氷印刷（3D-ICE）プロセスの開発を行ったことを知りました。この技術は、従来の印刷インクを水に置き換えるドロップオンデマンド 3D 印刷方式を採用しています。圧電インクジェットノズルは、氷点下に保たれたビルドプラットフォーム上に小さな水滴を噴射し、接触後すぐに水滴が凍結します。
△マイクロ3Dプリントされた氷の構造。（画像提供：カーネギーメロン大学）
ユニークなことに、このプロセスは、前の液滴が凍結する前に 1 つ以上の液滴を堆積するように制御できます。こうすることで、印刷された構造物の上部に水のキャップが残り、下部から凍結が始まります。これにより、滑らかな壁、遷移、分岐を持つ構造を作成できます。人間の髪の毛ほどの小ささの特徴も作成できます。より多くの液滴が堆積されるにつれて、ビルドプラットフォーム上に氷の構造が徐々に形成されます。柱の形状の直径、高さ、相対的な滑らかさは、液滴の堆積速度、印刷面、液滴、作業スペースの温度を制御することで調整できます。ビルドプラットフォームを移動して、入射する液滴が斜めに衝突するようにすると、凍結面がそれに応じて回転し、追加のサポート材料なしでは他の 3D 印刷技術を使用して印刷するのが困難または不可能な、分岐、湾曲、および張り出した構造を作成できます。
「3D氷は犠牲材料として使用できる。つまり、製造部品の内部に正確な形状のチャネルを作成するために使用できるのだ」とルデュック氏は言う。「これは、新しい組織の作成からソフトロボットまで、幅広い分野で役立つだろう。」
プロジェクトが始まって以来、ルデュック氏とオズドガンラー氏の研究チームは、3D 氷形成プロセスが予測可能かつ再現可能であることを保証する方法を研究してきました。米国科学アカデミー紀要（PNAS、Garg 他、2024 年）に掲載された最近の論文「氷のマイクロスケール自由形状 3D 印刷の物理学」では、熱伝達、流体力学、印刷中の液体から固体への急速な相転移など、3D 氷の背後にある物理学を解明するための 2D および 3D 数値モデルについて説明しています。

関連論文リンク: https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2322330121
彼らの 2D モデルは、層状の堆積と滑らかな堆積のそれぞれの影響を含めた柱の構造をマッピングしました。「液滴の堆積頻度は、構造の高さと幅に影響します」とオズドガンラー氏は言う。「堆積が速いと、水層が成長し、より広い構造が形成されます。堆積が遅いと、構造は狭く、高くなります。基板の温度も影響します。同じ液滴堆積速度の場合、基板の温度が低いほど、より高い構造が形成されます。」
△層状堆積物中の氷柱と液体キャップ間の熱流束彼らの 3D モデルは、凍結前線の回転を予測することで斜め構造の構造をマッピングします。「熱伝達には、底部への伝導や周囲への対流など、さまざまな種類があります」とオズドガンラー氏は言う。「各液滴を滴下する際には、これらすべての要素が同時に作用します。斜めに滴下すると、液滴の一部は凍結する前に柱の側面に溢れます。その角度で滴下を続けると、凍結面がゆっくりと形を変え、その方向に構造が成長します。」
ルデュック氏とオズドガンラー氏の研究室では、数学モデルをさらに改良することに加え、3D-ICE を拡大し、さまざまな用途におけるその有効性を調査したいと考えています。たとえば、組織工学の現在の戦略では、一般的に、一般的な組織を工学的に設計します。 3D-ICE は、患者の身体の特定のニーズを満たし、各患者の血管系の独自の構造に適合するパーソナライズされた組織をすぐに印刷できるようになります。さらに、3D-ICE により、さまざまな疾患を理解したり、新しい治療法を開発したりするために使用できる機能的な組織構造の作成が可能になります。
「研究室を始めた当初は、氷を3Dプリントして、それを使って組織を作り、人々を助けることができるとは想像もしていませんでした」とルデュック氏は言う。「しかし、私たちの研究は成長しました。それは、ブラック氏や私のような、それぞれがさまざまな視点と能力を持ち寄る人々を結びつけるものです。科学と工学のこの学際的な分野で全員が協力して取り組んでいるのを見るのは素晴らしいことですし、全体の成果は間違いなく個々の効果よりも大きいのです。」

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