3Dプリンティングにおけるバイオベース複合材料の現状と開発

出典：中国複合材

バイオマスベースの複合材料、またはバイオ複合材料は、2 つ以上の異なる材料（少なくとも 1 つはバイオマスベースの材料）を組み合わせて作られます。これらの複合材料は、それぞれの成分の特性を組み合わせるだけでなく、熱、電気、生物、機械の強度の向上など、単一の材料よりも優れた総合的な特性も示します。これは、持続可能な開発や環境に優しい材料開発の分野で特に重要です。
バイオマス系複合材料の開発は、主に木材、農作物、農林業廃棄物、水生バイオマス（水生植物や海藻など）、微生物などの多様な天然資源から生まれます。物理学、化学、生物学を組み合わせて応用することで、科学者は特殊な特性を持つ材料を作り出すことができます。これらの材料は生分解性があるだけでなく、持続可能性と環境への配慮という利点も備えており、これは現在の地球環境問題と資源制約の状況において特に重要です。

3D プリント技術の導入により、バイオマスベースの複合材料の応用に新たな可能性が開かれました。この技術により、複雑な構造やカスタマイズされた設計が可能になり、バイオマスベースの複合材料の応用範囲がさらに広がります。例えば、医療、建設、航空宇宙などの分野では、バイオマスベースの複合材料の 3D プリントアプリケーションが徐々に現実のものになりつつあります。
一般的に、バイオマスをベースとした複合材料は、材料科学の重要な発展方向を示すだけでなく、地球環境保護と持続可能な開発に対する時代の要求にも応えます。 3D プリントなどの最新の製造技術と組み合わせることで、バイオマスベースの複合材料の将来は無限の可能性に満ちており、多くの分野で重要な役割を果たすことになります。

3Dプリンティングにおけるバイオベース材料の応用の現状 印刷技術は、その成形技術の多様性と柔軟性により、製造分野に革命を起こしています。現在主流の 3D 印刷技術には、熱溶解積層法 (FDM)、選択的レーザー焼結法 (SLS)、ステレオリソグラフィー (SLA)、デジタル光処理 (DLP)、Polyjet などがあります。これらの技術は、熱可塑性プラスチック、金属、石膏、ガラス繊維、セラミック粉末、感光性樹脂などのさまざまな原材料を利用して、単純な部品から複雑な機械部品までの印刷ニーズを満たします。

図 3D 印刷技術とその消耗品。バイオメディカル分野では、3D バイオプリンティング技術がその独自の価値を発揮しています。主な技術としては、インクジェット、押し出し堆積、光硬化、レーザーアシスト法などが挙げられ、使用される材料は主に溶液、懸濁液、ハイドロゲル、感光性樹脂です。これらの技術は、インクジェット、レーザー、音波、バルブ制御によって印刷し、物理的または化学的な架橋、凝固、堆積によって硬化させることができます。その応用分野にはステント材料、血管、弁、骨などの印刷が含まれ、バイオメディカル分野の革新的な発展に大きな意義を持っています。バイオマスベースの複合材料の研究開発と 3D プリント技術の組み合わせにより、製造業界に新たな進歩がもたらされました。セルロースなどのバイオマスベースの材料は、3D プリント技術を使用して正確に設計し、複雑な構造に迅速に製造できる再生可能な資源です。この組み合わせは、バイオマスベースの材料の持続可能性と環境保護の特性を反映するだけでなく、3D プリントの設計の自由度と製造効率も活用します。そのため、バイオマスベースの複合材料の3Dプリント技術は、医療機器製造、機械・金型製造、アートワーク、衣服デザインなどの分野で急速に応用されています。

バイオベースの複合材料と 3D プリントにおけるその応用シナリオの表近年、さまざまなバイオマスベースの材料、特にリグノセルロース材料と組み合わせた 3D プリント技術の研究は大きな進歩を遂げています。これらの新素材は、生分解性の向上、環境フットプリントの改善、材料性能の向上に大きな可能性を示しており、持続可能な開発とグリーン製造の新たな可能性を提供します。これらの技術が開発され、応用され続けるにつれて、将来的にはさまざまな業界でバイオマスベースの複合材料のより革新的な応用が見られるようになると期待されます。

3Dプリントにおけるバイオベース材料の最先端の応用
1リグノセルロースの最先端応用 持続可能で環境に優しいグリーン素材として、リグノセルロース素材はますます注目を集めています。これらは主に木材、作物、農林業廃棄物から得られ、セルロース、ヘミセルロース、リグニンなど、これらのバイオマスベースの材料から分離および抽出された成分が含まれます。これらの材料は、その幅広い供給源、持続可能な再生可能性、生分解性、非毒性、優れた生体適合性により、製紙、医薬品、化粧品、食品、化学薬品など多くの分野で広く使用されています。

しかし、リグノセルロース材料を 3D プリンティングに適用するには、主に、従来の溶媒で溶解または溶解できないという理由で課題があります。この制限により、従来の 3D 印刷技術におけるリグノセルロース材料の応用が制限されます。このため、新しい溶媒の開発、リグノセルロース材料の改質、既存の 3D プリンターをリグノセルロース材料に適合させるための改造が、この分野における重要な開発方向となっています。
新しい溶剤を開発する目的は、3D 印刷プロセス中にリグノセルロース材料を効率的に処理できるようにすることです。さらに、化学的または物理的方法によるリグノセルロース材料の改質により、3D プリントにおける処理性能を向上させることができます。最後に、既存の 3D プリンターを改造してリグノセルロース材料を処理できるようにすることも、この目標を達成するための効果的な方法です。
これらの革新的な開発により、リグノセルロース材料の応用範囲が広がるだけでなく、3D プリントの分野での実用性も向上します。これらの技術が発展し、改善されるにつれて、特に環境保護と持続可能な開発の観点から、リグノセルロース材料は将来的に 3D プリンティングでより大きな役割を果たし、複数の業界に新しい材料ソリューションを提供することが期待されます。

図木材セルロースの3Dナノプリント
藻類バイオマス材料の3Dプリント 水生または海洋バイオマス材料は、3D プリンティングの分野、特に 3D バイオプリンティング技術において重要な役割を果たします。代表的な原料としては、主に海藻から抽出されるアルギン酸ナトリウムやアガロースなどが挙げられます。アルギン酸ナトリウムは、褐藻類の細胞壁に含まれる線状多糖類です。グルロン酸とマンヌロン酸で構成され、負に帯電しています。この多糖類は、優れた生体適合性と生分解性、および陽イオン（カルシウムイオンなど）と結合してゲルを形成する能力があるため、3Dバイオプリンティングを含むバイオメディカル分野で広く使用されています。
3D バイオプリンティングにおけるアルギン酸ナトリウムの応用は、そのハイドロゲルの形態に反映されています。アルギン酸ベースのバイオインクには通常、アルギン酸ハイドロゲル、細胞、機能性ペプチド、およびその他の機能性ポリマーが含まれています。これらのバイオインクは、アルギン酸ナトリウムの分子量、固形分、印刷パラメータを調整することで、さまざまな 3D 印刷技術に適応できます。たとえば、押し出し、インクジェット、レーザー支援ベースのバイオプリンティング技術では、バイオインクの流体力学特性に対する要件が異なります。

アルギン酸ナトリウムハイドロゲルの大きな利点は、せん断減粘効果です。これにより、印刷プロセス中に材料を扱いやすくなり、生分解性を効果的に制御できます。これらの特性により、アルギン酸ナトリウムハイドロゲルは 3D バイオプリンティングの分野で幅広い応用が期待できます。 3Dバイオプリンティング技術の継続的な発展と革新により、アルギン酸ナトリウムなどの水生または海洋バイオマス材料の応用は、バイオメディカルやその他の関連分野でより重要な役割を果たすようになります。
図一般的な藻類バイオマス材料の3Dプリント
市場の状況 現在、3D バイオプリンティング技術は医療分野における重要な分野となっており、主にインクジェットバイオプリンティング、押し出しバイオプリンティング、レーザー支援バイオプリンティングの 3 つのカテゴリが含まれます。この技術は複数の分野の知識と技術を統合したものであり、特に再生医療の分野に大きな影響を与えます。 3Dバイオプリンティングにより、臓器、細胞、血管などさまざまな医療構造の印刷が実現され、現代医学の分野における技術革命と考えられています。
SmartTechのレポートによると、生物学的3Dプリンティング市場の見通しは非常に広く、市場規模は2028年までに12億米ドルに達すると予想されています。この予測は、この分野における大きな可能性と発展の機会を反映しています。しかし、その巨大な市場の可能性にもかかわらず、3D バイオプリンティング技術はまだ開発の初期段階にあり、多くの課題に直面しています。
特に移植臓器の印刷においては、ある程度の進歩は見られるものの、実際の臨床応用にはまだ長い道のりが残っています。技術的な正確さ、信頼性、人体との適合性などの要素は、克服する必要がある重要な課題です。科学研究の継続的な深化と技術の継続的な発展により、生物学的 3D プリンティングは将来、医療分野にさらなる進歩と革新をもたらすことが期待されています。
表: 世界のトップ企業一覧

1) ビコ

2020年以降、Bicoはバイオプリンティングからより幅広いライフサイエンス技術や産業ソリューションへと事業範囲を拡大し、バイオインテグレーションに重点を置いた企業へと生まれ変わりました。この変革は一連の戦略的買収を通じて大幅に強化され、Bico は 3D バイオプリンティング分野のリーダーの 1 つになりました。買収履歴は以下のとおりです。2019年8月、BicoはCytenaを3,025万ユーロで買収し、シングルセル3Dプリント技術を導入しました。2020年8月、Scienionとその子会社Cellenionを8,000万ユーロで買収し、細胞3Dプリント技術を強化しました。2021年5月、Nanoscribeを5,000万ユーロで買収し、2PP技術を統合し、マイクロナノ3Dプリント機能を追加しました。2021年8月、Advanced BioMatrixを1,500万米ドルで買収し、生物学的インクと試薬製品を手に入れました。2021年12月、Bioseroを1億6,500万米ドルで買収し、バイオプリンティング自動化技術を習得しました。 Bico は高い収益性と十分なキャッシュフローのおかげで、このような買収の道に進むことができます。財務報告によると、ビコの2022年第1四半期から第3四半期までの純売上高は約1億5000万米ドルで、前年比112％増加した。経済不況下でも、ビコの強力な造血能力は買収活動の強固な基盤となります。
3D プリント技術の先駆者である 3D Systems は、200 万個を超える医療機器シリーズ部品と 14 万件の患者固有の手術ケースの製造に成功しています。現在、同社はバイオプリンティングの分野での臨床応用を拡大し、既存の技術を応用して活用し、患者ケアの質を向上させることを目指しています。これには、細胞生体吸収性デバイスから移植用の機能化された固形臓器に至るまで、さまざまな臨床用途が含まれます。

2) 3Dシステム
最近、3D Systems は生物学的 3D プリンティングに特化した子会社 Systemic Bio を設立しました。この子会社は、医薬品の発見と開発に使用するために、ハイドロゲルとヒト細胞から作られた血管付きオルガノイドモデルの開発に注力しています。 Systemic Bio の医療事業を推進するため、3D Systems はシード資金として 1,500 万ドルを投資しました。

実際、3D Systems は 2020 年以降、資産売却を通じて戦略の重点を産業および医療分野に移しています。同社は、固形臓器の足場の印刷など、生物学的3Dプリントの研究開発を継続するだけでなく、製薬市場における3Dプリントの発展を促進するために製薬会社との協力関係の構築にも力を入れています。この一連の取り組みは、バイオプリンティング分野における 3D Systems の野心と革新能力を示しています。
3) デスクトップメタル

デスクトップメタルは、2015 年の設立以来、デスクトップメタルバインダージェッティングプロセスの開発に注力してきました。同社は2020年12月10日にSPAC合併により株式公開に成功し、5億7500万ドルの資金を調達した。同社の評価額は25億ドルに達し、3Dプリント分野のユニコーン企業となった。株式公開後、Desktop MetalはEnvisionTECやExOneなどさまざまな分野の大手3Dプリント企業の買収を含む、材料やプロセスに関連する一連の買収を開始しました。これらの買収により、Desktop Metal はハードウェア、ソフトウェア、材料、サービスにわたる統合型積層造形ソリューションの包括的なポートフォリオを構築し、市場での存在感を大幅に高めることができました。強力な資本の支援により、Desktop Metal は急速に新世代の 3D プリント大手へと成長しました。同社は、獲得したリソースの統合を通じて、3D プリンティングを大量かつ大規模な製造の新しい時代へと押し進めることを目指しています。同時に、デスクトップメタルは2021年3月に、パーソナライズ医療向けの3Dプリントソリューションの提供に重点を置いたヘルスケア企業であるデスクトップヘルスを設立し、3Dプリント技術の応用範囲のさらなる拡大を示しました。

要約と展望 材料ベースの複合材料の開発と応用は、3D プリント技術の革新と相まって、材料科学における重要な進歩を示すだけでなく、地球環境保護と持続可能な開発の概念に対する前向きな対応でもあります。このタイプの材料は主に木材、作物、農林業廃棄物、水生バイオマス、微生物から作られ、生分解性、持続可能性、環境保護などの利点があります。これらの材料は、3D プリント技術と組み合わせることで、複雑な構造やカスタマイズされた設計に適用でき、医療、建設、航空宇宙などの分野での応用が広がります。 FDM、SLS、SLA、DLP、Polyjet などの 3D 印刷技術では、熱可塑性材料から金属、石膏、ガラス繊維、セラミック粉末、感光性樹脂まで、さまざまな原材料を使用し、単純なコンポーネントから複雑な機械部品までの印刷ニーズを満たします。バイオメディカル分野では、インクジェット、押し出し堆積、光硬化、レーザー支援法などの 3D バイオプリンティング技術が独自の価値を発揮しており、ステント材料、血管、弁、骨などの印刷に使用されています。再生可能な資源であるリグノセルロース材料は、3D プリント技術の助けを借りて正確に設計され、迅速に製造することができます。この組み合わせは、バイオマスベースの材料の持続可能性と環境に優しい特性を実証するだけでなく、3D プリントの設計の自由度と製造効率も活用します。水生または海洋バイオマス材料は、3D プリンティングの分野、特に 3D バイオプリンティング技術において重要な役割を果たします。アルギン酸ナトリウムやアガロースなどの材料を 3D バイオプリンティングに適用すると、アルギン酸ナトリウムをベースとした生物学的インクなど、分子量や固形分含有量を調整することで、さまざまな 3D プリンティング技術のニーズを満たすことができます。アルギン酸ナトリウムハイドロゲルは、せん断減粘効果や制御可能な生分解性などの利点があり、3D バイオプリンティングで広く使用されています。現在、生物学的3Dプリンティング技術は医療分野の重要な分野として、技術革命をリードしています。 SmarTechのレポートによると、バイオ3Dプリンティング市場は2028年までに12億ドルに達すると予想されています。印刷された移植臓器の精度、信頼性、人体への適合性など多くの課題があるにもかかわらず、技術の継続的な発展と革新により、生物学的3D印刷は将来、医療分野にさらなる進歩をもたらすことが期待されています。まとめると、バイオマスベースの複合材料と 3D プリント技術の組み合わせは、多くの分野で新たな開発の機会をもたらします。テクノロジーと市場の両面において、その統合は革新的なソリューションをもたらすだけでなく、環境への配慮と持続可能な開発への取り組みも示しています。研究の深化と技術の進歩に伴い、3Dプリント分野におけるバイオマスベースの複合材料の応用はより広範囲かつ深くなるでしょう。リグノセルロースやアルギン酸ナトリウムなどの材料の研究開発、特に新しい溶媒の改良と開発により、これらの材料の 3D プリントの適用性と効率がさらに向上します。さらに、バイオマスベースの複合材料の生分解性と環境保護特性により、持続可能な包装、生物医学的用途、環境修復など、環境保護要件が高いより多くの応用分野での使用も促進されます。

市場レベルでは、技術が成熟し、より多くの応用事例が出現するにつれて、3Dプリント分野におけるバイオマスベースの複合材料の商業的価値は大幅に増加するでしょう。医療、航空宇宙、建設、消費財などの産業が、バイオマスベースの複合 3D 印刷技術の主な市場となるでしょう。特に、個別化医療やカスタマイズされた製品の製造においては、3D プリント技術と組み合わせたバイオマスベースの複合材料に大きな可能性があります。

将来的には、新材料の継続的な発見と新技術の出現により、バイオマスベースの複合材料の 3D プリントの用途はさらに多様化、洗練化されるでしょう。これにより、3D プリント技術の開発が促進されるだけでなく、持続可能な開発目標を達成するための新たな道も開かれます。バイオマスベースの複合材料と 3D プリント技術の組み合わせは、今後数十年にわたって研究開発の重要な分野であり続け、私たちの生活に絶えず革新と変化をもたらすことが予測されます。

参考文献:

[1] Liu Jun、Sun Lushan、Wang Qianqian、et al. 3Dプリントバイオマスベース複合材料の研究進歩と応用展望[J]。バイオインダストリーテクノロジー、2017、(03):68-81。

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