先端材料技術：マイクログラディエント、マイクロチャネル、マイクロパターニングによるマルチマテリアルカオス3Dプリンティングの新しい実践

出典: EngineeringForLife

微細構造を持つ材料は自然界に遍在し、層状の多材料構造が同じ全体の中で遷移します。既存の技術を使用してこれらの複雑な材料を製造することは困難です。最近、メキシコのモンテレー工科大学のグリセル・トルヒージョ・デ・サンティアゴ教授とマリオ・モイセス・アルバレス氏のチームが、プラグアンドプレイのマルチマテリアルカオス印刷技術を使用してハイドロゲルフィルムに放射状および軸方向の微細構造パターンを生成する研究を実施しました。研究結果は、「ハイドロゲルフィラメントに放射状および軸方向のマイクロパターンを生成するプラグアンドプレイのマルチマテリアルカオスプリンティング/バイオプリンティング」というタイトルで、7月4日にAdvanced Materials Technologiesに掲載されました。

本稿では、カオス対流 - マルチマテリアルカオス印刷に基づく押し出し印刷法を紹介します。この印刷法では、マルチマテリアルおよびマルチレイヤーのマイクロパターンを持つ微細構造ハイドロゲルを製造できます。プリントヘッドには、マルチゲルフィラメントを製造するための Kenics スタティックミキサー (KSM) と上部および側面の入口が含まれています。このプラグアンドプレイシステムでは、ノズルの構成とフロープログラムを定義することで、放射状および軸方向のマイクロパターンを具体的に設計できます。流体力学シミュレーションでは、特定のスプリンクラー構成で得られる微細構造を正確に予測できます。このプラットフォームを応用することで、放射状のマイクロ勾配を持つ繊維、細菌生態系、構造化エマルジョン、マイクロチャネルハイドロゲルシルク、血管新生前の腫瘍ニッチモデル、軸方向および放射状に遷移した生体活性ガラス区画を持つ骨格筋のような組織などを簡単に製造できるようになります。将来的には、マルチマテリアルカオスプリンティングは積層造形における重要な技術となり、先端材料の製造プロセスで使用されるようになるでしょう。

この記事では、以下の4つの側面から詳しく説明します。
1. 放射状グラデーションの生成

2.サイドポートを使用して層の数と厚さを調整します

3. 単純な変化に基づく多機能研究

4. 軸方向勾配の生成

図1. 多孔質ケニックススタティックミキサー（KSM）
研究者らは、同じ KSM ノズルから 4 つのアルギン酸インクを同時に押し出せるように新しいバイオプリンターを設計しました。 4 つのインクは、1、2、3、または 4 つの混合要素を含むプリントヘッドを通じて共押し出されます。この 4 ストリームシステムでは、印刷されたフィラメントの内側の層の数をモデル Sα = α2n-1 に従って予測できます。数値流体力学 (CFD) を使用すると、流体が KSM 混合要素を順番に通過することによって生成される微細構造の形成プロセスを簡単かつ正確にシミュレートできます。同様に、各インクが注入されるポートの位置を選択することで、印刷されたフィラメント内の材料の空間分布を調整できます。シミュレーション結果によると、3 つの KSM デバイスと 4 つの上部に配置された供給ノズルを使用して印刷することによって生成される予測される微細構造は、3 つの異なる供給の実験結果と非常によく似ています。ハイドロゲルフィラメント内の長さスケールの分布と内部解像度は要素の数によって制御でき、印刷されたインクのレオロジー特性もこれに関連します。多層カオス印刷では、粘度が類似した流体によって、断面積 (つまり、層の厚さ) が類似したストライプが生成されます。異なるインクの粘度の不一致は、最終構造における異なる層の厚さの分布に影響します。印刷されたフィラメントの内部微細構造も、KSM 混合要素の数、空気入口の数、空気入口の位置を変更することで事前に設計できます。この設計パターン、勾配、およびインターフェース機能により、生物学的に関連するさまざまなシナリオで生体模倣構造またはモデルを製造できるようになります。

図 2 上部と側面に空気入口を備えた KSM ノズルは、カオス印刷技術を使用して、非常に複雑な層状パターン (同じ繊維内で層の厚さを変更したり、非対称の組み合わせを実現したり) を実現できます。研究者らは、上部ポートと側面ポートを備えた KSM ノズルのセットの使用についても調査しました。側面入口を備えた Chaos Print セットアップにより、個々の材料の層の数と厚さを制御できるようになりました。側面供給ポートから注入された材料によって生成される層の数は、上部供給ポートから供給された材料によって生成される層の数よりも少なくなります。上部の供給ポートから押し出される材料層の数は、式 Sα=α2n-1 によって予測できます。側面ポートを組み込むことで、ハイドロゲルシルクの微細構造にさらに多くの材料層が追加されます。特定のサイドフィードポートから注入された特定の材料によって生成される層の数は、そのフィードポートの相対的な位置によって決まります。上部の入口から注入された材料は、より多くの KSM 要素を通過します。また、下部の入口から注入された材料よりも、より多数の薄い層が生成されます。

図 3 2、4、6、8 個のトップフィードポートと、異なる数の KSM 要素およびサイドフィードポートを備えた、その他の可能な KSM ノズル構成。カオス印刷に関する以前の論文では、図 3A の最初の行の構成のみが検討されました。最も基本的な設計（上部に 2 つの供給ポートがあるスプレーヘッド）でも、横方向の供給ポートを考慮すると、さまざまなマルチマテリアル構成が可能になります。設計に横方向の供給ポートを組み込むことで、横方向の供給ポートのないスプリンクラーよりもストライプの厚さの分布の不均一性が大きい微細構造を製造できるようになります。上部に配置された 4 つのフィードポートにより、カオス印刷による微細構造の生成能力が大幅に拡張されます。つまり、上部のフィードポートから 2 種類ではなく 4 種類の異なる材料を注入すると、プリントヘッド内の KSM の量はそのままで、微細構造の層数が自動的に 2 倍になります。次に、プリントヘッドカバーに入口を追加するだけで、システムがより多くの材料を印刷できるようになります。図 3C、D は、それぞれ 6 種類と 8 種類の異なる材料で製造された繊維の断面を示しています。すべての実験は、どのような実験室環境でも比較的簡単に実施でき、カオスプリントヘッドは標準的なステレオリソグラフィープリンターと 3D 樹脂を使用して製造でき、さまざまなポートでのフロー制御は従来のシリンジポンプを使用して実現できます。

図 4. 横方向のポートを使用した軸方向の勾配の生成。自然の生体システムでは、組織の構造と機能は同じ構造内で変化する可能性があります。マルチポートカオス印刷デバイスでは、押し出しプロセス中にサイドポートから供給されるインクをアクティブ化またはシャットダウンして、同じハイドロゲルフィラメント内の層状パターンを動的に変更できます。したがって、同じハイドロゲルシルク内で組成と構造の変化を生み出すことが可能です。また、軸方向に異なる組成を持つ多層構造の製造も可能となります。さらに、ビルドの関連する構造的特徴、つまり特定の材料層の厚さや他の層に対する位置は、CFD シミュレーションを通じて事前に決定できます。図 4C では、注入ポートの尾部が開いたり閉じたりして、ハイドロゲルフィラメントに異なる軸パターンが生成されます。より単純なケースでは、CFD シミュレーションによって実験的に得られた微細構造を予測できます。印刷中に軸方向の組成を制御することで、特定の細胞株内のさまざまな化学的または機械的な微小環境をスクリーニングできるようになります。

要約と展望<br /> ここでは、数十マイクロメートル規模のマルチマテリアル多層パターンを持つ微細構造ハイドロゲル繊維を製造するために、カオス対流に基づくシンプルでコスト効率の高いマルチマテリアル印刷方法を開発します。上部配置と側面インク入口を備えた KSM を含むプリントヘッドを使用して、さまざまな多層アルギン酸ベースのハイドロゲルフィラメントを高スループットで製造しました。このプラグアンドプレイ印刷戦略により、使用する KSM の数、上部のインク入口の数、側面のインク入口の数と位置を定義するだけで、マルチマテリアルフィラメントの微細構造設計が可能になります。 CFD シミュレーションでは、特定のスプリンクラー構成で得られる微細構造を正確に予測できます。次に、この論文では、哺乳類細胞と生体活性ナノ粒子を含む材料とバイオプリント構造を区画化するこの技術の能力を実証しています。多孔質カオス印刷技術は、他の製造技術では容易に製造できない、複雑で秩序だった多層パターンを持つハイドロゲル構造を、便利かつ経済的に製造できます。将来的には、この技術はさまざまな材料に適用され、多くの用途に大きな価値をもたらすでしょう。

ソース：
https://doi.org/10.1002/admt.202202208

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