上海交通大学/江西科技師範大学：マルチマテリアルソフトハイドロゲルロボットの低温3Dプリント

出典: 国際バイオニック工学協会

上海交通大学と江西科技師範大学の共同研究チームは、ネイチャーコミュニケーションズ誌に「3次元ソフトハイドロゲルマシンのマルチマテリアル極低温印刷」と題する論文を発表し、瞬間インク凝固、それに続くインサイチュー同期溶媒溶融および架橋を含む完全低温溶媒相変化戦略を使用するマルチマテリアル極低温印刷（MCP）技術を提案しました。この技術は、高アスペクト比の複雑な形状（張り出し、薄壁、空洞）を持つさまざまなマルチマテリアル3Dハイドロゲル構造を高い忠実度で製造することができ、この方法を使用して、複数の機能を備えた完全印刷されたオールハイドロゲルソフトマシンを製造します。

この技術は、弁葉状態を感知する自己感知型生体模倣心臓弁や、20 枚のソフトハード複合ブレードを備えた非拘束型磁気タービンロボットなど、多機能の全印刷全ハイドロゲルソフトマシンの製造を統合する能力を実証しています。さまざまな動作モード（スイープとドラッグ）を備えたこのタービンロボットは、複雑なパイプの詰まりを除去して輸送する機能も備えています。

図1 ソフトハイドロゲルマシン向けMCP印刷技術
MCP テクノロジーは、低温溶媒相変化戦略を利用して、2 つのステップでマルチマテリアル 3D 構造ハイドロゲルを製造します。最初のステップでは、水から氷への瞬間的な相変化を利用して、ハイドロゲル前駆体の分子構造を物理的にロックします。低温プラットフォームとインク直接書き込み3D印刷システムを組み合わせることで、さまざまなハイドロゲルインクを統合し、-30〜-10°Cの低温範囲でオンデマンドで印刷および凍結することができ、カスタマイズ可能な高精度の自立型3D構造の印刷を実現します。 2 番目のステップでは、逆氷水相転移を利用して、融解した氷水界面で凍結したハイドロゲル分子ネットワークの化学架橋を開始します。クライオプリンティングプロセスのその場顕微鏡画像化を通じて MCP 技術のダイナミクスをモニタリングすると、押し出されたばかりのフィラメント内の水の凝固によって形成された硬い氷殻を伴う結晶化前面が明確に明らかになりました。走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像では、極低温で印刷されたフィラメントは均一な微細孔を示しましたが、室温で印刷されたサンプルは階層的な多孔質形態を示しました。 MCP 技術は、インクのレオロジーや基板などのさまざまな印刷ダイナミクス条件において、室温印刷に比べて大幅なパフォーマンスの低下なしに、より高い解像度を実現します。次に、著者らは、異なる形成メカニズムを持つハイドロゲル材料のマルチマテリアル印刷性能を検証しました。印刷された不均一なハイドロゲルの一軸引張試験では、各ハイブリッドサンプルは接続部分で剥離するのではなく、構成する均一なハイドロゲル自体で破損することが示されました (図 2)。

図 2 マルチマテリアル低温印刷技術の特徴この技術の製造能力を実証するために、著者らは、ピラミッド、Y 字型パイプ、中空立方体、ボクセル化された立方体、チューブ内ブラケット、格子状上部構造など、張り出した構造、薄壁の構造、中空構造を備えた一連の複雑な構造を設計し、印刷しました。製造された構造は、伸張、圧縮、ねじれなどの変形に対して機械的に堅牢であり、ソフトデバイスアプリケーションに優れた信頼性と耐久性を提供します。印刷された構造の形状忠実度は、X 線コンピューター断層撮影を使用してさらに評価されました。 3 次元異質格子構造を例にとると、その断層スライスは、均一なミリメートルレベルの壁の厚さと高精度の中空構造を示しています。点群再構成と設計構造の定量的な比較により、68.3%の領域で製造誤差が227μm未満、95.4%の領域で製造誤差が428μm未満であることが示されました（図3）。

図 3 印刷構造の特性評価著者らは、弁尖状態を感知する全ハイドロゲルバイオニック大動脈弁を設計し、製造した。印刷された弁は、天然の青年期心臓弁と同様の寸法を示し、表面輪郭誤差は 6% 未満、最大表面傾斜は 43.7° でした。シミュレートされた収縮期および拡張期サイクルの間、弁尖は弁を通過する血流に順応的に反応し、心室圧の変化を引き起こしました。実験観察により、その許容範囲は 140 mmHg を超え、自然大動脈血圧の正常範囲をカバーできることが確認されました (図 4)。

図 4 自己感知型バイオニック心臓弁多機能ソフトマシンをさらに実証するために、著者らは複数の材料コンポーネントを連続的に印刷し、カスタマイズ可能なサイズ (通常、直径約 12.5 mm) の非拘束型マルチモード磁気タービンロボットを製造しました。外部の回転磁場の励起下で、ロボットの磁気プラットフォームがタービンブレードを駆動し、回転スイープ運動を形成します。ブレードの柔らかい部分は目標位置に柔軟に固定でき、硬い部分はトルクと推進力を生み出すことができます。同時に、回転するタービンブレードは水中チューブ内の流れ場を乱し、その後ろに捕捉渦を形成して対象物の曳航運動を実現します。設計された小型タービンソフトロボットには、ブレードの回転スイープと捕捉された渦の引きずりの 2 つの動作モードがあります。回転磁界の方向を反転させてタービンロボットを反転（対象物に面するか、対象物から離れるか）させることにより、ロボットは複数の動作モードを切り替えることができます。例えば、水中の直管内の粘性閉塞物の除去や浮遊障害物の捕捉による閉塞物の移動回避、回転磁場航法によるターボロボットによるカプセル型貨物の複雑なY字管内での輸送など（図5）。

図 5 非拘束型マルチモード磁気タービンロボット概要: この研究では、著者らは、全 3D ハイドロゲル製造のための全低温溶媒相変化戦略を使用したマルチマテリアル低温印刷技術を提案しました。開発された技術プラットフォームは、多様性と幾何学的複雑さを備えたマルチマテリアル 3D ハイドロゲルアーキテクチャを構築する能力を実証し、完全印刷されたオールハイドロゲルソフトマシンのデモンストレーションでソフトロボティクスとバイオメディカルエレクトロニクスの幅広い展望を探ります。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1038/s41467-024-55323-6

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