水分損失防止スキンを備えた滑りやすいハイドロゲルの高精度積層造形

著者: Liu Desheng、Jiang Pan、Hu Yue、Lu Yaozhong、Wang Yixian、Wu Jiayu、Hu Danli、Wu Tao、Wang Xiaolong (中国科学院蘭州化学物理研究所固体潤滑国家重点研究室)
出典: Extreme Manufacturing IJEM

ハイドロゲルは、親水性の三次元架橋ネットワーク構造を持つ柔らかい素材であり、その柔軟性、機械的調整性、生体適合性、潤滑性などの特性により、組織工学、創傷被覆材、フレキシブルウェアラブルデバイス、電子皮膚、ソフトロボットなどの分野で広く使用されています。しかし、空気にさらされたハイドロゲルは、必然的に脱水、崩壊、収縮し、柔軟性、滑り性、製造精度が失われるため、空気中で大規模なハイドロゲルの3次元構造を実現することは依然として困難です。この問題を解決するために、中国科学院化学物理研究所固体潤滑国家重点実験室の若手研究者の劉徳生氏と王小龍研究員は、SCIジャーナル「極限製造」（国際極限製造ジャーナル、IJEM）に「乾燥耐性「スキン」を備えた滑りやすいハイドロゲルによる高精度積層造形」と題する研究論文を共同で発表しました。論文では、天然保湿因子トレハロースとハイドロゲルネットワーク内のポリマー鎖セグメントによって形成される水素結合ネットワークの導入により、滑りやすいハイドロゲルの高精度かつ高忠実度の製造を実現できると提案しています。この記事では、トレハロース含有量がハイドロゲルの水分損失特性、機械的特性、潤滑特性、製造精度に与える影響を体系的に研究します。図1は、トレハロース誘起水素結合相互作用に基づいて耐水性で滑りやすいハイドロゲルを構築する戦略を示しており、このスキームと光硬化3Dプリント技術に基づいて、構造化ハイドロゲルの高精度成形技術が開発されました。提案されたハイドロゲルの耐水損失戦略は、複雑な形状を持つ高解像度かつ高精度の構造化ハイドロゲルを調製するための効率的でシンプルかつ低コストの製造方法を提供します。

ハイライト<br /> 生物にヒントを得た戦略を用いて、水分損失に強い「皮膚」を備えた滑らかなハイドロゲルが構築されました。
ハイドロゲル材料の水分損失、崩壊、変形の問題を解決します。
天然保湿因子トレハロースを使用することで、ハイドロゲルの潤滑特性が向上しました。
複雑な形状のハイドロゲルの高精度製造を実現しました。

図 1 複雑な構造を持つ耐水性で滑りやすいハイドロゲルの設計と構築。 (a) 人間の皮膚の構造、(b) 皮膚層を持つ滑りやすいハイドロゲルの耐水性損失メカニズム、(c) 光硬化 3D 印刷用のハイドロゲル感光性インクの成分、(d) 耐水性損失性のある滑りやすいハイドロゲルを使用して構築された 3 次元軟組織モデル: 人工鼻、人工肝臓、バイオニック血管ネットワーク。
背景従来のハイドロゲルは、水分の蒸発により必然的に脱水し、長期使用において柔軟性、滑り性、適応性を失います。さらに、多方面での実用化拡大を目指し、理想的な構造を持つハイドロゲルデバイスの製造に光重合3Dプリンティングが広く利用されています。しかし、水分の損失により、印刷プロセス中にハイドロゲルの構造的な歪みや変形が発生し、印刷精度が低下する可能性があります。これらの欠点に対処するために、吸湿性塩や水と有機溶媒の混合物などの方法がハイドロゲルに導入され、水の蒸発エンタルピーを増加させることで水の蒸発を抑制しています。これらの戦略によりハイドロゲルの耐水損失性は向上しますが、これらの方法で構築されたハイドロゲルは必然的に濡れ性、潤滑性、機械的特性、さらには水分補給能力も損なわれます。自然界の生物や砂漠植物の中には、トレハロース（生物学的ストレス代謝物）によって誘発される強力な水素結合相互作用によって生物の生命プロセスや生物学的特性が維持されるため、極端な条件に耐えられるものもあります。そこで、本論文では、滑りやすいハイドロゲル材料の耐水損失性と構造の高精度製造を実現するために、トレハロース誘起水素結合相互作用を利用する方法を提案し、トレハロースが機械的特性、濡れ特性、および水損失特性に与える影響を詳細に分析します。この戦略と光硬化3Dプリント技術に基づいて、ハイドロゲル構造の高精度製造を実現します。

研究内容 主な研究内容は、耐水性損失性、潤滑性能、耐水性損失性滑り性ハイドロゲルの高精度製造に分けられます。

滑りやすいハイドロゲルの水分損失特性:
図 2 に示すように、PAAm ハイドロゲルは水分を非常に早く失い、ハイドロゲルネットワークが収縮して崩壊します。逆に、ハイドロゲルネットワーク内のトレハロース含有量を増やすと、ハイドロゲルの水分損失挙動を効果的に遅くすることができます。同時に、トレハロースの導入により、ハイドロゲルの水分蒸発速度とサイズ収縮率が大幅に低下し、トレハロース含有量の増加に伴い、水分蒸発速度とサイズ収縮率はますます小さくなります。この結果は、トレハロースをハイドロゲルネットワークに導入することで、ハイドロゲルに優れた脱水耐性と低い寸法収縮を付与できることを示しています。

図 2 PAAm ハイドロゲルとトレハロース修飾 PAAm ハイドロゲルの抗脱水特性。 (a) PAAm ハイドロゲルとトレハロース修飾 PAAm ハイドロゲルの異なる時間における水分損失。 (b) PAAmハイドロゲルとトレハロース修飾PAAmハイドロゲルの水分蒸発速度と(c)サイズ収縮率。
耐水性滑り性ハイドロゲルの潤滑特性:
トレハロースは水分子を効果的に吸収してハイドロゲル表面の水和性を向上させるため、図2に示すように、トレハロースは耐水損失性滑り性ハイドロゲルの潤滑特性を大幅に向上させることができます。しかし、高負荷条件では接触変形により優れた潤滑性能が得られません。さらに、滑り周波数が高くなると、摩擦界面に浸透する潤滑剤が少なくなり、滑りやすいハイドロゲルが低摩擦を実現するのに役立ちません。滑りやすいハイドロゲルは、PBS 緩衝液、脱イオン水、模擬血液、模擬体液 (SBF) などの水性潤滑剤においても優れた潤滑特性を発揮します。したがって、濡れ性と水素結合ネットワーク強化潤滑特性を備えたこの構造化ハイドロゲルは、バイオ潤滑分野で幅広い応用が期待できます。
図3 耐水損失性滑り性ハイドロゲルの潤滑特性。 (a) 滑りやすいハイドロゲルの摩擦試験の模式図。 (b、c) トレハロース含有量がハイドロゲルの潤滑特性に与える影響。 (d、e) 適用荷重がハイドロゲルの潤滑特性に与える影響。 (f、g) 滑り周波数がハイドロゲルの潤滑特性に与える影響。 (h、i) 水潤滑剤がハイドロゲルの潤滑特性に及ぼす影響。
耐水性と滑り性に優れたハイドロゲルの高精度構造構築：
ハイドロゲルは、空気中での脱水特性により印刷品質、忠実度、精度が低下するなど、構造設計と製造精度の点でさまざまな制限があります。このため、図4に示すように、PAAmハイドロゲルによって構築されたハイドロゲル構造は、脱水により崩壊・変形し、製造精度が悪くなる。トレハロースを添加したPAAmハイドロゲルで構築されたハイドロゲル構造は、印刷精度が高く、トレハロース含有量の増加に伴って製造精度がますます高くなります。

図 4 光硬化 3D プリントを使用して実現した、脱水に強く滑りやすいハイドロゲルの高精度な構築。 (a) 塔の3次元モデル。 (b) PAAm、(c) PAAm/トレハロース-10wt%、(d) PAAm/トレハロース-20wt%、および (e) PAAm/トレハロース-30wt% ハイドロゲルで製造されたタワーの実際の写真と対応する光学顕微鏡画像。
さらに、ハイドロゲルは天然の血管組織に似た滑りやすい特性を持っているため、血管ネットワークモデルの設計に広く使用されています。この目的のために、図 5 に示すように、門脈血管網、動脈血管網、肝動脈血管網、肺動脈血管網など、光硬化性 3D プリントと耐水損失性の滑りやすいハイドロゲルを使用して、複数の分岐を持つ相互接続されたマイクロスケールの血管網がいくつか構築されました。これらの滑りやすいハイドロゲルの血管レプリカは、血管内介入治療をシミュレートするための外科トレーニングプラットフォームとして使用できます。
図 5 滑りやすいハイドロゲルのマルチスケール血管ネットワークの設計と準備。 (a) 門脈、(b) 動脈、(c) 肝動脈、および (d) 肺動脈の血管網。 (e) 滑りやすいハイドロゲル血管網へのガイドワイヤ介入のデモンストレーション。
今後の展望<br /> 構造化ハイドロゲルは、バイオニック潤滑、バイオニック接着、バイオニック駆動、バイオメディカルデバイスの分野で重要な応用価値を持っています。しかし、現在の構造化ハイドロゲルは、機械的特性の制御が難しい、バイオニック構造の構築が難しい、機能性が単一であるなどの科学技術的な問題を抱えています。本論文で提案された耐水損失戦略と光硬化3Dプリント技術は、ハイドロゲルの高精度構造製造に実現可能な技術的ソリューションを提供します。したがって、ハイドロゲルの機械的特性を改善しながら、優れた水潤滑特性と複雑な構造の高精度な構築を実現することは、生命と健康戦略を志向したバイオメディカルデバイスの製造にとって大きな科学的価値と実用的な意義を持っています。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad1730

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