LLNL はマルチマテリアル 3D プリントを使用して細胞流体工学を進歩させます

この投稿は Bingdunxiong によって 2025-2-8 10:37 に最後に編集されました

2025年2月8日、アンタークティックベアは、米国のローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）の研究者がマルチマテリアル3Dプリントの分野で新たな進歩を遂げたことを知りました。彼らは毛細管現象の力を利用した新しい技術を開発しました。この技術には、液体材料を選択的に吸収し、特定のパターンに正確に導くカスタム設計されたユニットの配列が含まれます。これにより、エンジニアは、他の方法では印刷が不可能な材料を使用して複雑な構造を作成したり、大幅に異なる特性を持つ材料を組み合わせたりできるようになります。

△この研究はAdvanced Materials Technology誌に掲載されました。この技術は、極めて高い強度対重量比を実現したり、表面積を増やしたり、正確な変形やその他の特性を実現したりするための構造の設計と最適化に役立ちます。
「印刷技術とパターン形成技術の一部を切り離すことで、常に印刷材料に頼ることなく、複雑なマルチマテリアル構造を実現できる」と、LLNLの材料工学部門（MED）のエンジニアで論文の筆頭著者であるハウィ・ゲメダ氏は述べた。

「本質的には、完全に閉じていない開いた気孔に液滴や液流を閉じ込めているのです」と、LLNL MD 研究者で共著者のニック・ドゥドゥコビッチ氏は付け加えた。「これにより、柔らかい材料と充填液を組み合わせることができ、その後、硬い材料に固まり、独特の機械的特性が生まれます。」

△LLNLの3Dプリントされた微細構造は、流体を封じ込めて流すことができ、液体と気体の間に広範囲かつ制御可能な界面を形成する（ポータル）
格子構造を自由に制御

完全なマルチスケール、マルチマテリアル 3D プリントを実現することで、本質的に無限のデザインの可能性がもたらされます。複数の材料を組み合わせることで、これまでにない特性を生み出すことができ、積層造形により、従来の製造技術では実現が難しいサイズで、格子や螺旋などの特殊な特性を持つ形状を簡単に製造できます。

「2 つの材料をさまざまな方法で組み合わせてパターン化することで、構造の挙動を劇的に変えることができます」とドゥドゥコビッチ氏は言います。「したがって、物理学を理解していれば、あらゆる種類の機械的反応を探索する遊び場が得られます。」

通常、マルチマテリアル積層造形には複雑な機器のセットアップや専用の機器が必要であり、3D プリントできる材料に制限されます。研究チームは、潜在的な代替手段として、2021年に開発した細胞流体技術に目を向けた。細胞流体ユニットは、毛細管現象を利用して液体やガスを漏れなく開放空間に封じ込め、流すことができるミリメートル規模の 3D プリント構造です。この規模では、毛細管現象により、表面張力、接着、凝集の組み合わせを通じて、液体は開放空間で重力に逆らって流れることが可能になり、これは水がペーパータオルを登る現象に似ています。

研究者らは細胞流体の原理を利用して、格子構造の基本的な構成要素である単位セルを設計した。これらのユニットセルは、液体材料を閉じ込め、その流れの方向を正確に制御できる計算設計ツールを使用して作成されます。彼らはまず、格子状の足場を印刷して形状を決定し、次に配向された単位セルを特定のパターンに配置して、充填された液体材料が意図した方向にのみ流れるようにしました。このプロセスにより、オープン 3D 金型が作成されます。驚くべきことに、この革新的なユニットセルは最初の試みで成功しました。

「この研究は非常に有益であるだけでなく、非常に珍しいものでもある」とドゥドゥコビッチ氏は強調した。「この研究は、こうした複雑な構造における流体の流れの方向を、非常に自信を持って制御できることを証明している。」

△格子構造で印刷したサンプル
格子模様

細胞流体のパターン化により、充填流体と周囲の大気との接触面積が大幅に拡大し、気体と液体の相互作用を伴うアプリケーションに大きな可能性をもたらします。この技術は、センシングと検出、バイオリアクター、電気化学システム、炭素回収プラットフォームなどの分野で潜在的な破壊的変化をもたらすでしょう。

液体をパターン化して多材料固体を生成する可能性を探るため、研究チームは、従来の骨格構造の代わりに 45 度回転や個別のポケットなど、さまざまな単位セル配置を試しました。彼らはまた、ストレスがかかったときだけ液体を吸収する細胞を設計する実験も行っており、これは自己修復構造を設計するための新たな道を提供する可能性がある。

「これは将来、格子が大きなストレスを受ける部分を強化するためにポリマーを充填し、その場で硬化できる構造を設計できる可能性があることを示唆している」とドゥドゥコビッチ氏は語った。

△この技術は、無重力環境下における航空宇宙分野を中心に、多くの分野での活用が期待されています。現在展示されている格子はあくまでもデモンストレーション例ですが、将来的には、バイオメディカル用途に必要なハイブリッド生体材料や、航空宇宙産業における複雑かつ軽量な構造物の製造に活用されることが期待されています。

Gemeda 社は、この技術をセラミック、金属、生体材料などの他の複合システムに拡張することで、設計空間をさらに拡大したいと考えています。彼女は、ユニットセルを使用して同じスキャフォールド内に複数の材料をパターン化する可能性を探求し、これが積層造形コミュニティに刺激を与え、研究結果を活用してマルチマテリアル、マルチスケールの機能を拡張することを期待しています。

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