SCIジャーナル「先端材料技術」：ランカスター大学が3Dプリントされた電子デバイスを生体組織に組み込む

はじめに: 電子製品とその部品の製造と小型化は、私たちの生活に革命的な変化をもたらしました。電子機器は私たちの日常生活に遍在し、世界中の国々の経済的成功の基盤を形成しています。有機導体と半導体（カーボンナノチューブ、グラフェン、共役ポリマーなどの誘導体）は、さまざまな理由から、これらの機器においてますます重要な役割を果たしています。世界中の電子製品に使用されている集積回路（例えば、増幅器、論理セル、センサーなどを含むがこれらに限定されない用途）は、通常、積層方式で大量生産されています。現在、フレキシブルエレクトロニクスを開発するために、統合エレクトロニクスを備えた 3D 製品の製造が注目されている研究分野となっています。

2023年3月、アンタークティックベアは、英国ランカスター大学のプロジェクトが、導電性ポリマーで作られた柔軟な電子機器を生体適合性組織に組み込むことができる3Dプリント方法を開発したことを知りました。彼らの研究結果は、「体外および体内でのマルチフォトン製造による統合エレクトロニクスによる3Dオブジェクトの作成」というタイトルでAdvanced Materials Technologiesに掲載されました。

●この電子機器を集積した三次元物体は、多光子製造原理（直接レーザー書き込み（DLW））を使用した積層造形法によって製造されます。導電性ポリマーベースの構造（マイクロメートルスケールの特徴を持つ）が、バイオメディカル用途で広く研究されているエラストマー（ポリジメチルシロキサン（PDMS））のデモンストレーターマトリックスに印刷されました。

研究者らはまた、光干渉断層撮影法を使用してPDMSでの印刷プロセスの忠実度を評価し、導電性ポリマー構造が体外でマウスの脳組織を刺激できることを実証した。

●さらに、この手法が生きた線虫（Caenorhabditis elegans）の構造印刷に適用可能であることが実証されました。

これらの結果は、この付加製造方法が次世代の先進材料技術、特に技術および医療用途の統合エレクトロニクスを生み出す可能性を浮き彫りにしています。

研究内容：

3次元物体に統合された導電性ポリマーベースの電子機器の付加製造：
研究者らはまず、780nm Nanoscribe 3D プリンターを使用して PDMS マトリックス内に回路を直接 3D プリントし、導電性ポリマーを体外でマウスの脳切片に接続できることを実証しました。この回路は組織内の神経反応をうまく刺激しました。

フレキシブル基板に統合されたプリンテッドエレクトロニクスは、ディスプレイ技術などの技術的アプリケーションと、中枢神経系/末梢神経系との相互作用のための患者固有の埋め込み型電極などの医療的アプリケーションの両方に大きな可能性を秘めています。形状記憶ポリマー材料に統合された導電性ポリマー構造を印刷すると、スイッチ、神経カフ電極などの開発に役立つ可能性があり、そのようなアプリケーションは、光学的に透明な SMP (形状記憶ポリイミド、図 S6、補足情報) フィルム内または上に PPY 構造を印刷することによって可能であることが実証されています。

3次元物体に統合された導電性ポリマーエレクトロニクスの付加製造は、生体内で実行されます。
このプロジェクトでは、生体内実験で同様の導電性構造を線虫に直接 3D プリントし、完全な処理シーケンス (インク配合、レーザー照射、印刷) が生体に適合していることを初めて実証しました。重合に必要な可能な限り低いレーザー出力を使用するには、潜在的な毒性と重要なレーザーパラメータを考慮する必要があります。

複雑な環境（ここでは、虫の体）では、指紋の正確さと精度も低下します。したがって、この方法を厚い脊椎動物/人間の組織に適用する場合、この問題を回避するために適応光学を使用した補正戦略が必要になる可能性があります。それでも、これは生体内で非導電性構造を印刷する例における技術的な飛躍を表しています。

結論この研究では、マルチフォトン製造プロセスを適用して、統合された電子機器を備えた 3D オブジェクトを作成する方法を報告しています。インク成分のコンピューターによる毒性スクリーニングにより、細胞適合性のある配合が特定されました。光透過性材料を介した 3D プリントにより、高解像度の導電性マイクロメートルスケールの特徴が生成されます。生きた脳組織に接続された 3D プリントされた PPY 構造を刺激すると、特定のシナプス応答が誘発されます。また、PPY 構造は、生体内で直接 3D プリントできます。

研究者らは、PDMS フィルムや生物 (C. elegans) など、この技術によって実現される製造 (インダストリー 4.0) プロセスの一連の例を紹介し、神経組織を刺激できる電極などの潜在的な用途を強調しました。この技術は、遠隔医療用バイオエレクトロニクスの製造における人間中心設計とカスタマイズされた製造（インダストリー 5.0）プロセスにおいて大きな可能性を秘めていると予測するのが妥当であり、バイオメディカル用途の電子デバイスを現場で直接印刷する実現可能性を示しています。

長期的には、このアプローチにより、付加製造方法によって生成される先進材料技術で使用される複雑な複合材料の発見、製造、展開、たとえば、最適な特性とデバイス性能を実現するためのコンポーネントの選択や構成の調整が加速されると考えられます。この技術によって製造される電子機器の潜在的な技術的利点には、副作用（組織損傷、免疫反応/炎症など）を最小限に抑えるためのより正確なターゲティング（刺激/記録する細胞が少ない）、特異性、効率、有効性の向上、より多くの部位での同時刺激または記録、および最適化された信号対雑音比などがあり、これらは埋め込み型バイオエレクトロニクス機器の設計に臨床的な意味を持ちます。

オリジナルダウンロードリンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202201274

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