Natureサブジャーナル：研究者らが3DPX技術を使ってミクロンスケールの毛髪を印刷

南極クマの紹介:甲虫の毛、哺乳類のひげ、クモの糸、ヌタウナギの粘液繊維など、生物界における毛と繊維構造は、感覚機能と構造機能において極めて重要です。しかし、製造分野では、従来の製造プロセスを使用してこれらのミクロンスケールの繊維構造を再現することが課題となっていました。

△ヘアアレイの印刷プロセスと印刷メカニズムを示す模式図
2025年1月21日、Antarctic Bearは、埋め込み溶媒交換（3DPX）と呼ばれる3Dプリント技術がこの課題をうまく克服したことを知りました。研究チームは、この技術を使用して、繊維の直径が1.5ミクロンと細く、長さが連続した、自由形状の軌道を持つ毛髪構造を3Dプリントできることを実証しました。この技術の核心は、ノズルをマイクロゲル槽に埋め込み、ゲルの降伏応力レオロジー特性を利用して、繊維を生体模倣軌道に自由に配置できるようにすることです。

3DPX 技術のもう 1 つの重要な利点は、急速に固化する能力です。溶媒交換により、押し出されたポリマー溶液は 2.33 μm/s の速度で放射状に固化され、弾性プラトー係数が大幅に向上し、毛細管現象による繊維の破損を防ぎます。さらに、3DPX テクノロジーは、市販の熱可塑性ポリマーやナノ複合材料を使用した印刷など、材料選択において優れた柔軟性を提供します。

△関連研究は「埋め込み溶媒交換による小型で連続した柔らかい繊維の高速3D印刷」と題してNature Communicationsに掲載されました（ポータル）
背景

自然界では、多くの生物が毛状、繊維状、糸状の構造を利用して、クモの糸の多用途性、細胞表面における不動毛と微絨毛の役割、細菌の線毛の多機能性など、特定の機能を実現しています。これらの生物学的構造の複雑さと機能性は、エンジニアや科学者に新しい人工材料の開発を促してきました。

しかし、既存の製造技術では、自然界で観察される三次元形状と高アスペクト比（20〜1000マイクロメートル）の繊維構造を再現することはできません。フォトリソグラフィーと微細加工技術はマイクロピラーの製造を可能にしますが、2 次元構造に限定され、ウェーハの厚さとアスペクト比によって制限されます。

これらの制限に対処するために、研究者は 3D プリントを使用してこれらの複雑な 3D 繊維構造または分岐構造を複製する方法を検討してきました。埋め込み 3D 印刷と呼ばれる方法は、降伏応力レオロジーを持つ支持ゲルを使用することで、インクを直接書き込む際に重力によって印刷構造が変形するという問題を克服できます。このアプローチにより、より薄く長い繊維構造の印刷が可能になり、印刷可能な材料の範囲が拡大して弾性率が約 1 MPa の弾性インクも含まれるようになり、さまざまな自然構造の機能的形態を正確に複製できるようになります。

△埋め込み型3Dプリント機構の概略図
3DPX技術がミクロンスケールの繊維構造を実現

実験中、研究チームはゲル埋め込み印刷技術を使用し、直径20〜50ミクロンの繊維の印刷を可能にした。しかし、直径が小さい繊維は表面張力による毛細管現象により破損しやすくなります。この問題を解決するために、研究者らは溶媒マッチング技術によって界面張力を大幅に低減し、直径8ミクロンの繊維を印刷することに成功しました。

さらなる研究と最適化により、より小さな直径の繊維の印刷に成功しました。研究者らは3DPX技術を使用して、直径1.5ミクロンの繊維構造を印刷することに成功し、最大アスペクト比が約3,400倍の超高アスペクト比構造を実現しました。この成果は、サポートゲルの設計と、押し出されたインクと周囲の降伏応力浴との間の溶媒交換によって達成され、押し出されたポリマー溶液の急速な凝固を促進しました。

3DPX テクノロジーのもう 1 つの大きな利点は、幅広い材料の選択肢があることです。研究者らは、熱可塑性エラストマー、ポリスチレン、PVC、導電性CNTポリマーナノ複合材料など、市販されているさまざまなポリマーと添加剤の使用を実証しました。さらに、シリコンエラストマー基板上に毛髪アレイを製造する方法を改良し、直径2ミクロン未満、長さ1500ミクロンを超える繊維を実現しました。

△3DPX印刷パラメータとスケーラビリティ
3DPXによる材料適用範囲の拡大

研究チームは、SEBS、SIS、PVA、PS、PVC、導電性カーボンナノチューブ（CNT）ポリマーナノ複合材料など、さまざまな弾性特性を持つさまざまなポリマーをテストしました。実験結果では、選択されたすべてのポリマーが 3DPX テクノロジーで急速に硬化し、30 ミクロンのノズルから押し出されることが示されました。これは、3DPX 技術がさまざまな化学的性質を持つ材料に適用できるだけでなく、異なる機械的弾性率を持つ材料を処理することもできることを示しています。

さらに、研究者らは、3DPX 技術を使用して、ミクロンスケールの直径のスパイラルコイルや複雑な形状のその他の繊維構造を印刷する方法も実証し、印刷の精度と複雑さにおけるこの技術の利点を実証しました。例えば、直径2ミクロン未満のコイルや、アスペクト比3414倍の高アスペクト比の繊維構造の印刷に成功しました。

△3DPX を使用した微細毛アレイの印刷この研究では、基板上に固定された毛構造の印刷にも成功しました。これらの毛は、固定された根と、固定面から伸びた繊維で構成されています。これらの毛髪配列は、高度な柔軟性と弾力性を示し、外部からの力を受けても元の形状に戻ることができます。

3DPX テクノロジーのこれらの実験結果は、3D プリンティングの分野における大きな進歩を示し、複雑な形状と高いアスペクト比を持つミクロンスケールの繊維構造を製造するための新たな可能性を切り開きます。研究者たちは、この技術が、特にバイオミミクリー、マイクロ流体デバイス、先端材料開発などの分野で、自然にヒントを得た繊維構造を複製する将来の応用に大きな可能性を秘めていると考えています。

一般的に、新しい 3D プリンティングの研究は、技術に大きな進歩をもたらしただけでなく、バイオニック機能アプリケーションの将来への道も開きました。

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