華中科技大学: 光駆動型インテリジェントマイクロマシンのフェムト秒レーザー 4D プリント

出典: EngineeringForLife

pH、温度、磁気などのさまざまな外部刺激に応じて形態構造を自律的に変化させることができるスマートマイクロマシンは、バイオニクス、薬物送達、組織工学、人工筋肉、ナノモーター、マイクロ/ナノなどの新興分野に大きな影響を与えると長い間考えられてきました。さまざまな種類の外部刺激応答性の中でも、光応答性は、遠隔精密作動能力や多次元光場変調（波長、周波数、強度、偏光状態、エネルギーの時空間分布など）などの優れた固有特性により、多くの独自の利点を備えています。外部からの光刺激に反応するスマートマイクロマシンは、さまざまなアプリケーションを実現するための最も有望かつ不可欠な手段の1つであると考えられています。外部からの光刺激に反応するスマートマイクロマシンは、幅広い潜在的なアプリケーションを秘めています。しかし、駆動閾値が低く、応答速度が速く、設計性に優れ、高精度な三次元変換機能を備えた人工光駆動型インテリジェントマイクロマシンはまだ実現できていません。

華中科技大学光電子情報学院のChunsan Deng氏らは、プログラム可能な形状変形機能を備えた機敏で低閾値の光駆動型3Dマイクロマシンのナノファブリケーションを実現するために、単一材料、単一ステップの4D印刷戦略を提案しました。関連する研究成果は、2023年1月4日に「光駆動型インテリジェントマイクロマシンのフェムト秒レーザー4Dプリンティング」というタイトルでAdvanced Functional Materialsに掲載されました。

図 1 単一材料シングルステップ 4D 印刷方法の概略図研究者らは、4D 印刷用にカーボンナノチューブをドープした N-イソプロピルアクリルアミド (NIPAM) 複合ハイドロゲル材料 (CNNC) を開発しました。温度応答性ハイドロゲルである NIPAM は、膨潤した水和状態から収縮した疎水性状態への可逆的な低臨界溶解温度相転移を示します。 NIPAM ベースのハイドロゲルの全体的な性能を向上させるために、研究者らは、NIPAM モノマーと化学構造が類似したポリアニリンスルホン化単層カーボンナノチューブ (SWNT) をドーピング相として選択し、異なる質量分率の SWNT を含む一連の CNNC 複合ハイドロゲル材料を開発しました。 SWNT をドーピングした後、元のハイドロゲル前駆体の透明性は大幅に変化し、暗室に 2 か月間置いた後でも凝集することなく優れた安定性を示しました。

図 2 FsLDW 印刷構造における SWNT の特性 0.4 wt.% の SWNT をドープすると、ハイドロゲルサンプルの剛性は 2410 N m−1 に達し、純粋な NIPAM ハイドロゲルの剛性よりも 204.6% 高くなります。均一に分散された SWNT により、優れた光吸収、光熱変換効率、熱伝導性が得られます。研究者らは、FsLDW を使用して中空のフットボールを印刷しました。このフットボールは、集中したレーザービームの刺激を受けて、すぐに可逆的な形状変形効果を生み出すことができます。対照的に、SWNT をドーピングしていない純粋な NIPAM ハイドロゲルのサッカーボール構造は、同じレーザーフルエンスでレーザー誘起変形効果がほとんど見られませんでした。

研究者らは、異方性作動を実現するために異なる構造ユニットで構成されたマイクロマシンを開発し、マイクロおよびナノスケールでその機械的効果と特性を検証しました。比較のために、バッキーボールのグループ（4×4×4 μm3）で構成される立方体（30×30×30 μm3）と、同じ寸法の固体立方体を使用しました。この研究では、弱く架橋した CNNC ハイドロゲルを柔軟な充填コアとして備えた剛性バッキーボール機械メタマテリアル複合構造が、水環境において優れた形状忠実性を示すことがわかりました。対照的に、密集したボクセルで作られた同じ立方体構造は、水中で膨張した後でも構造変形が少なくなります。さらに、2 つの典型的な立方構造は、光刺激下では著しく異なる収縮挙動を示します。図 3c に示すように、2 つの立方体の収縮率はレーザー出力の増加とともに増加し、レーザー出力が約 70 mW になると徐々に飽和する傾向があります。さらに、70 mW の電力では、バッキーボールで組み立てられた立方体の収縮率 (58%) は、固体立方体 (23%) の 2 倍以上であり、光刺激下では、バッキーボールで組み立てられた 3 次元立方体構造は、3 次元固体立方体構造よりも大きな動的変調範囲を持つことを示しています。
図 3 スマートマイクロカラム繊毛の 4D プリント。マイクロカラム繊毛は、4D プリントされた異方性駆動型マイクロマシンの典型的なモデルです。現在までに、高速、連続制御、優れた力出力機能を備えたさまざまな微小柱状繊毛を単一の材料システムで製造することは、バイオニクスと流体力学にとって依然として大きな意義を持っています。固体構造とバッキーボールアセンブリ構造を統合することにより、FsLDW印刷技術を通じて異方性微小柱状繊毛構造が実現され、大規模かつよく制御された光刺激曲げ駆動が達成されました（図3d、e）。図 3f に示すように、繊毛は瞬時に曲がり、レーザーがオフになるまで一定の角度で固定されたままになります。

注目すべきは、印刷された微小柱状繊毛構造が、パルス光刺激下で安定した光応答性と良好な可逆性を示し、46.5 mW の光刺激下で 15 μm の大きく安定したビーズ状の伸長を示したことです。

さらに、研究者らは、事前に定義された 45 度の曲がりを持つマイクロピラーを設計し、それを円形アレイに印刷して、スマートなマイクロピンセットデバイスを製造しました (図 4c)。
図 4. 円形のマイクロピラー配列で構成されたインテリジェントマイクロクランプデバイス。マイクロクランプベースの下部にある光刺激をオンにすると、6 つのマイクロピラーが急速に収縮し、構造の中心に向かって曲がります。

単一マイクロカラム繊毛と同様に、マイクロピンセットの曲げ角度は光刺激のパワーに大きく依存します。光刺激パワーが増加し続けると、各マイクロカラムの曲げ角度が徐々に大きくなり、それに応じてマイクロクランプが閉じました。レーザー出力が 90 mW に増加すると、曲げ角度は 1.34° に達し、出力がさらに 110 mW に増加しても、マイクロクリップはそれ以上収縮することなく、最も閉じた状態のままでした。光刺激電力が徐々に90mW以下に低下すると、マイクロクリップが徐々に開き、3Dマイクロクリップデバイスが精密な光刺激変形能力を備えていることが示されました。
図 5 マイクロ人工心臓の印刷と機能実証研究者らは、図 5b に示すように、FsLDW を使用してバイオニック大動脈弁の微細構造も印刷しました。大動脈弁の 3 つの弁尖は、バッキーボール単位細胞と固体層で構成されています。弁の 2 層構造は、当初、流体の逆流を防ぐために実際の心臓弁と同じ定義済みの曲げ角度を持ち、3 つの血管弁葉が、やはり FsLDW によって印刷された外径 80 μm、内径 60 μm の固体環状ベースに固定されていました。環状ベースはガラス基板上に固定され、マイクロバルブ全体の熱伝導ベルトとして機能します。光刺激がない場合、構造が完全に水を吸収して膨張しているため、弁は閉じたままになります。スマートハイドロゲルは優れた光熱変換効率と熱伝導性を備えているため、リングベースに沿った任意のポイントに集中レーザー刺激を与えると、バルブ全体が急速に収縮し、水の脱着により開いた状態になります。さらに、マイクロ心臓弁の流量を連続的に調整できることは非常に重要かつ必要であり、そのためにはマイクロ心臓弁に開口振幅を調整する機能が必要です。半月弁の開口振幅は光刺激力によって制御されます。出力が増加すると、半月弁の開口振幅が増加します。レーザー出力が一定の値に固定されている場合、弁は収縮した状態を維持し、安定性が良好です。

本論文では、CNNC ハイドロゲルを非対称の機械的メタマテリアルユニット構造の設計と組み立てと組み合わせて、光駆動型 3D マイクロマシンを製造するための単一材料のワンステップ 4D 印刷方法を開発します。作製された光刺激マイクロマシンは制御性と操作性に優れており、組織工学、薬物送達、バイオメディカルにおける大きな応用可能性を秘めています。

ソース：
https://doi.org/10.1002/adfm.202211473

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