蘭州化学物理研究所は、3Dプリントの強靭で滑りやすいハイドロゲル材料と機能デバイスの研究で一連の進歩を遂げました。

蘭州化学物理研究所は、3Dプリントの強靭で滑りやすいハイドロゲル材料と機能デバイスの研究で一連の進歩を遂げました。
出典:中国科学院蘭州化学物理研究所

人工ハイドロゲルは固体と液体の両方の優れた特性を備えているため、バイオメディカル、潤滑コーティング、スマートセンサー、フレキシブルエレクトロニクス、駆動変形の分野で幅広い注目を集めています。しかし、ハイドロゲル材料の機械的特性と機能的構造製造との間の良好なバランスを達成することは、依然として困難な課題です。最近、中国科学院蘭州化学物理研究所固体潤滑国家重点実験室の3Dプリント摩擦装置研究チームは、3Dプリント高性能滑り性ハイドロゲル材料と機能装置の研究で一連の進歩を遂げました。

研究チームは、これまでの高強度で強靭なハイドロゲルの直接書き込み 3D プリント (Biomaterials Science, 2019, 7, 1805-1814; Chemistry of Materials, 2020, 32, 9983-9995) に基づいて、最近、バイオニック水素結合エンジニアリング戦略を採用し、ひずみ誘起ミクロ相分離メカニズムを導入して、超強靭なハイドロゲルの高精度光硬化 3D プリントを実現しました (Advanced Functional Materials, 2022, 2210395) (図 1)。関連する材料と技術には、2件の中国発明特許(ZL 201810541767.3、ZL 202111591052.7)が付与されています。



図1. 生体模倣水素結合工学戦略によって構築された光硬化性3Dプリント超強靭ハイドロゲル

研究者らは、自作のグレースケール光硬化3Dプリント装置(ACS Applied Materials & Interfaces、2019、11、42586-42593)を使用し、分子レベルでの架橋を制御することで、単一のハイドロゲル材料システムにおける膨潤誘発の局所応力差によって引き起こされる制御可能な変形を実現しました(Advanced Materials Technologies、2021、7、2101288)(図2)。関連技術は中国の発明特許(ZL 201910509477.5)により認可されています。



図2. グレースケール3Dプリントされた変形制御可能なハイドロゲル生体模倣構造

研究チームは最近、ハイドロゲルの優れた水潤滑特性と 3D プリント技術のパーソナライズされた製造の利点を活かして、ハイドロゲル三尖弁、狭窄性疾患組織および臓器用のハイドロゲル スキャフォールド (Chemistry of Materials, 2022, 34, 6129-6141)、滑りやすいハイドロゲル バイオニック軟部組織臓器モデル (Advanced Functional Materials, 2022, 32, 2108845)、潤滑性と薬剤を充填した一体型ハイドロゲル コンタクト レンズ (Small, 2023, 2206819) など、さまざまな機能性ハイドロゲル デバイスを開発し、模擬臓器モデル、生体医療デバイスなどに滑りやすいハイドロゲルを応用するための材料技術を提供しています (図 3)。関連する材料と技術には、2件の中国発明特許(ZL 202110635655.6、ZL 202110635657.5)が付与されています。



図3. 3Dプリントされた滑りやすいハイドロゲルバイオメディカルデバイスと機能デバイス

さらに、研究チームは高精度3Dプリント技術を用いてハイドロゲルのようなタコの吸盤構造を構築し、水中接着において優れた性能を示した(Chemical Engineering Journal, 2023, 141268)(図4)。3Dプリント導電性イオンハイドロゲルの優れた応力感知特性(Journal of Materials Chemistry C, 2022, 10, 14288-14295)と相まって、バイオニックドライブ、健康モニタリング、フレキシブルロボットの分野での3Dプリントハイドロゲルの応用に確かな材料技術基盤を提供している。関連する材料と技術には、2件の中国発明特許(ZL 202110635657.5、ZL 202110635655.6)が付与されています。



図4. 3Dプリントされたハイドロゲルバイオニック接着吸盤とインテリジェントグリッパー

上記の研究は、国家重点研究開発計画、中国国家自然科学基金、中国科学院「西の光」クロスイノベーションチームプロジェクト、甘粛省科学技術計画プロジェクトの支援を受けて実施されました。




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