革新と粘り強さ！疲労耐性、高強度繊維強化ハイドロゲル複合材料の3Dプリント

フレキシブルエレクトロニクスやバイオメディカルなどの分野では、高強度、高靭性、生体適合性を備えた材料が求められています。従来の材料は、強度と靭性の間でトレードオフが生じることが多く、これらの分野での応用が制限されます。そのため、優れた機械的特性を持つ新材料の開発が特に重要になります。ハイドロゲルは、バイオメディカルや 3D プリンティングで広く使用されている材料の一種であり、優れた生体適合性を備えていますが、その機械的特性は比較的弱いです。したがって、ナノファイバーなどの強化材料の導入は、ハイドロゲルの機械的特性を改善するための重要な戦略になります。

図1: アラミドナノファイバーで強化された、強くて丈夫で、疲労に強い、3Dプリント可能なハイドロゲル複合材料

清華大学の李暁燕教授と南方科技大学の葛奇教授が共同で、アラミドナノファイバーで強化された、強くて丈夫で、疲労に強い3Dプリント可能なハイドロゲル複合材料を開発しました。この研究は、ナノファイバーを導入することでハイドロゲルの機械的特性を高め、フレキシブルエレクトロニクスやバイオメディカルデバイスを含む 3D プリンティング分野での幅広い応用を可能にすることを目的としています。研究者らは、p-テレフタルアミド-ポリ(エチレングリコール)アクリレート(AP)ハイドロゲルに導入された光化学的に修飾されたテレフタルアミドナノファイバー(ANF)により、それらとハイドロゲルとの間の共有結合架橋および水素結合相互作用を誘発した。これらの複合材料は、強度、破壊靭性、疲労閾値が大幅に改善されており、3D プリントでの使用に最適です。

準備と特性評価<br /> この研究では、まず強化材として麻繊維（ANF）を使用したハイドロゲル複合材料を準備しました。 ANF繊維を脱イオン水に分散させることにより、異なる濃度（0.1重量％、0.2重量％、0.3重量％）のANFを含むANF繊維分散液を調製した。分散液をモノマー、架橋剤、光開始剤と適切な割合で混合し、ANF-ハイドロゲル複合材料を調製しました。複合材料は走査型電子顕微鏡（SEM）やその他の方法を使用して特性評価され、その結果、ANFとハイドロゲルの間に架橋ネットワークが形成され、複合材料にマイクロメートルおよびナノメートル規模の細孔構造が観察されたことが示されました。
図 2: ANF-ハイドロゲル複合材料の調製と特性評価。
材料性能試験
1. 機械的特性試験：異なる ANF 濃度における複合材料の機械的特性を、一軸引張試験機を使用して測定しました。研究では、ANF 濃度の増加に伴い、複合材料の弾性率と強度は大幅に増加しましたが、破断時の伸びはわずかに減少することがわかりました。複合材料の靭性も大幅に向上し、破壊エネルギーはほぼ 1 桁増加しました。
図 3: ANF-ハイドロゲル複合材料の機械的試験。
2.疲労性能試験：複合材料の疲労性能試験を実施したところ、ANF-ハイドロゲル複合材料の疲労閾値が大幅に向上し、疲労亀裂成長速度が減少したことが判明した。この複合材料は、従来のハイドロゲルに比べて疲労性能が向上しました。
図 4: ANF-ハイドロゲル複合材料の疲労試験。
3. 3D プリンティングと生体適合性: 光硬化 3D プリンティング技術 (PμSL) を使用して、さまざまな構造の ANF ハイドロゲル複合材料を作製しました。複合材料は、3D 印刷プロセス中に優れた印刷解像度と延性を示しました。生体適合性試験により、複合材料は細胞培養実験において良好な生体適合性を示したことが示されました。
図 5: ANF ハイドロゲル複合材料の 3D プリント、生体適合性、および性能の比較。
応募の見通し<br /> この研究はフレキシブル電子デバイスの製造に応用できます。この研究で合成された ANF ハイドロゲル複合材料は、強化された機械的特性、高い印刷解像度、および優れた生体適合性を備えており、これらの複合材料が生体内での柔軟な電子デバイスの製造に適した候補であることを示しています。 ANF-ハイドロゲル溶液に 1 M 塩化ナトリウムを加えると、複合材料は導電性になりました。変形時の複合材料の電気抵抗を特性評価するために、塩を添加した 0.3 wt% ANF ハイドロゲル溶液からドッグボーン形状のフィルム (サイズ約 20 × 40 × 2 mm3) を鋳造しました。変形されていない状態と、伸張、曲げ、ねじりの 3 つの基本変形モードを図 6a に示します。図 6b に示すように、ドッグボーン形状のフィルムのその場抵抗応答を測定しました。伸ばすと抵抗が劇的に増加し、曲げるとわずかに減少し、ねじるとわずかに増加します。注目すべきは、フィルムが変形前の状態に戻ると、抵抗がほぼ初期値まで回復することです。さらに、研究者らは導電性 0.3 wt% ANF ハイドロゲル溶液を使用して、生体模倣エアクッション構造を圧力感知センサーに印刷しました。図 6c は、2 枚の平板で挟まれた規則的に配置された中空の五角柱構造と、初期状態の圧力センサー、および圧力が加えられた状態の圧力センサーを示しています。研究者たちは、印刷された圧力センサーを長期周期荷重テストにかけて、その機械的および電子的特性の安定性を調べました。安定した機械的特性と電子的特性、そして優れた生体適合性は、これらの ANF ハイドロゲル複合材料が生体内で柔軟な電子デバイスを製造するための要件を満たしています。さらに、研究者らは、0.3重量％のANF-ハイドロゲル複合材料を使用して、人間の膝半月板のコンピューター断層撮影（CTスキャン）に基づいて人工半月板を印刷し、長期の負荷下で安定した機械的応答を示すことを実証しました。

図 6: ANF-ハイドロゲル複合材料のフレキシブル電子デバイスとしての応用。
全体として、この研究は、機械的特性、3D 印刷機能、および用途の点で ANF ハイドロゲル複合材料の利点を実証しました。表 S1 は、本研究の ANF ハイドロゲル複合材料と、これまでに報告されたさまざまな 3D プリント可能なハイドロゲル (DLP または DIW 経由) の機械的特性と印刷解像度をまとめたものです。これらの 3D プリント可能なハイドロゲルの中で、本研究の ANF ハイドロゲル複合材料は、約 16 μm という高い印刷解像度を持ちながら、高強度、高破壊エネルギー、および優れた疲労耐性を兼ね備えていることが実証されました。したがって、本研究で検討した ANF ハイドロゲル複合材料は、優れた機械的特性と高い印刷解像度の両方を必要とするフレキシブルエレクトロニクス、バイオメディカル、組織工学への応用が期待できます。

ソース：
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.07.020

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