フロリダ大学の最新科学：シリコンの高精度 3D プリント！

出典: 高分子科学の最前線

シリコーンエラストマーは生体適合性に優れているため、人体に埋め込まれたセンサーや生体医療材料に広く使用できます。生物の臓器は形態的に複雑な位相構造を持っているため、バイオメディカルで使用されるシリコン材料もそれに応じた複雑な三次元構造を持っており、3Dプリント技術はこの問題を解決する効率的な方法です。現在、シリコーン材料の 3D 印刷技術では、液体状態のシリコーンとエラストマーと支持材料との間の高い界面張力により流体成形プロセスが不安定になり、材料品質の欠陥につながるため、複雑な構造の高精度印刷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方法が報告されている記事がいくつかあります。たとえば、印刷された構造に安定性を与えるために、堆積したインクを空間内に閉じ込めながら並進印刷ノズルの周囲を流れる埋め込みサポート材料を使用したり、添加剤を使用してシリコンインクを変更したりします。これらの方法は、間違いなくシリコン 3D 印刷プロセスの複雑さを増します。

最近、米国フロリダ大学のトーマス・E・アンジェリーニ氏のチームは、PDMSを基板として使用して、精密で複雑な詳細構造を3Dプリントする方法を開発しました。この方法では、主にシリコーンオイルエマルジョンで作られたサポート材を使用します。この材料はシリコンインクとの界面張力がごくわずかであるため、印刷されたシリコンの特徴が変形したり壊れたりすることのある破壊的な力が排除されます。この方法は、論文では「超低界面張力による積層造形 (AMULIT)」と呼ばれています。このアプローチの汎用性により、実績のあるシリコン配合物を使用して、直径 8 ミクロンほどの複雑な構造や特徴を製造できるようになります。このサポート材料の弾性と流動特性を調整することで高性能印刷が実現し、脳動脈瘤モデルや機能的な三葉心臓弁などの複雑な形状を作製できるようになりました。市販されているさまざまな PDMS 配合物を使用してさまざまな構造を印刷することにより、AMULIT 技術には特殊なインクが必要ないことを実証しました。徹底的な調査の結果、AMULIT を使用して製造された 3D プリント構造は、成形構造よりも拡張性が高く、機械的特性も優れていることがわかりました。この研究は、「シリコンベースのサポート材料が 3D シリコン印刷における界面不安定性を排除する」というタイトルの記事で Science に掲載されました。

AMULITテクノロジーは複雑なデバイスの製造を可能にします

AMULIT テクノロジーの支持材は、シリコーンオイルを連続相とする逆エマルジョンです。支持材内の水滴蓄積率 φ と平均液滴半径 a を変更することで、エマルジョンのレオロジー特性と、印刷支持媒体としての対応する性能が決まります。超低界面張力条件下では材料界面が自然に平坦化されないため、印刷された特徴の粗さに強い影響を及ぼします。そのため、本研究では小さなエマルジョン液滴を作製し、エマルジョンのレオロジー特性に応じてφを選択した。埋め込み型 3D プリントにおける界面張力の役割をテストするために、AMULIT サポートメディアのパフォーマンスをすべて水のみのサポートメディアのパフォーマンスと比較しました。 3D 蛍光画像を調査したところ、印刷されたシリコンの特徴が水キャリア内で破裂し、球状の液滴を形成していることがわかりました。液体インクが充填された粒子状支持媒体に印刷される場合、最小の安定した特徴の直径は dmin ≈ 2γ/σy で与えられます。ここで、γ はインクと支持媒体間の界面張力です。水性媒体の場合、γ = 25 mN/m なので、dmin は ≈5 mm となり、これは印刷された特徴の直径 50 μm の 100 倍になります。対照的に、AMULIT サポート材料に印刷された直径 100 μm のシリカの特徴は変化せず、γ < 0.5 mN/m を示しました。 PDMS インクと AMULIT サポートメディア間の界面張力 γ をより正確に推定するために、一連のテストプリントを実行し、σ の複数の値を測定したところ、界面張力 γ は約 0.08 mN/m であることがわかりました。これらの結果は、AMULIT 法では、水性キャリア媒体で PDMS を印刷する場合に達成可能な寸法よりも 300 ～ 500 倍小さい寸法を達成できることを示しています。

著者らはこの技術を使用して、小径の頭蓋内血管構造と人工シリコン心臓弁構造を印刷した。 3D スキャンの水平および垂直スライスにより、印刷された頭蓋内血管構造が高度に分岐していることが示され、印刷された複雑なネットワークは中空であり、平均壁厚は約 400μm であることが確認されました。印刷された構造の CT スキャンを実行して 3D モデルを作成し、元の血管造影図と定量的に比較しました。実際のモデルと印刷されたモデルの一致は非常に良好で、印刷された表面の位置の 68% がプログラムされた位置の 500 μm 以内、95% が 1 mm 以内でした。印刷された心臓弁構造の最終的な壁厚は 250 μm で、非常に薄い柔軟な壁であるにもかかわらず、モデル弁はチューブに接続して周期的なポンピングによる弁通過血流をシミュレートできるほど物理的に強度がありました。

AMULIT パフォーマンス: 機能的なサイズと印刷品質

さまざまなパラメータを一致させることにより、AMULIT 印刷技術を使用して、直径が 8μm という小さな安定したシリコーン繊維を製造できます。一方、著者らが以前に改質シリコーンで実証した最小の安定した特徴の直径は 40μm でした。高倍率の画像は、より大きな液滴がこれらの小さな特徴の直径に匹敵する界面粗さを生み出すことを示しています。

引張応力-ひずみデータは、横方向と縦方向の印刷された試験片間の違いは無視でき、弾性率は 28 kPa で同じであることを示しました。印刷されたすべての試験片は、低ひずみレベルでは線形の応力-ひずみ関係を示し、高ひずみレベルでは再現可能な応力-ひずみ曲線を示し、1000% を超えるひずみでは破損しました。これらの結果を金型から作製した試験片の性能と比較すると、すべての応力-ひずみ曲線は同じ形状であったが、印刷された構造は成形された構造よりも高いひずみで破損し、成形された構造は印刷された構造の約 2 倍の弾性率を示したことがわかりました。この軟化効果は、3D 印刷プロセスに固有の印刷構造の体系的な不均一性から生じる可能性があります。さらに、試験片の伸張と座屈を交互に繰り返し、105 ± 10% のひずみのサイクルをかける疲労試験を実施しました。その後の引張試験では、印刷された構造は成形された構造に比べて疲労耐性が優れており、成形サンプルの弾性率は 18% 減少し、印刷された構造では 14% 減少することが示されました。

概要: AMULIT 3D 印刷方法は、印刷インクとその支持材料間の界面張力の破壊的な影響を排除します。結果は、AMULIT 印刷を使用して、市販の PDMS 配合物から、正確で滑らか、強力で機能的な構造を製造できることを示しています。 AMULIT テクノロジーの汎用性により、3D アプリケーション用の特殊な PDMS インクを調合する必要がなくなり、研究者や産業メーカーにとって PDMS ベースの 3D 印刷への新たな道が開かれ、従来のシリコン印刷方法が改善されます。ポリマーシステムの多様性と可用性、および AMULIT サポート材料のシンプルさを考慮すると、AMULIT アプローチはシリコン以外の材料の 3D プリントで広く使用されることが期待されます。

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