レビュー | 小 | 3D プリントにおけるナノセルロースの革新的な応用

出典: GK グリーンキーバイオテック

マギル大学のYuqi Tong准教授とWang Yixiang准教授、天津科技大学のLiu Wei教授が、責任著者としてSmall誌に「3Dプリンティングにおけるナノセルロースの革新的な応用：レビュー」と題する論文を発表しました。セルロースナノファイバー（CNF）とセルロースナノクリスタル（CNC）は、近年注目を集めているナノ材料です。独特の機械的特性と幾何学的形態のため、多くの分野で広く使用されています。この記事では、医療、食品、エンジニアリング、建設の分野における CNF と CNC の 3D プリントの進歩をレビューし、3D プリントに適したさまざまな種類の CNF と CNC について概説します。研究によると、ナノセルロースを添加すると、特定の条件下で印刷性能と完成品の品質が向上し、精度と耐久性が向上することがわかっています。特定の特性を持つこれらの機能性構造は、医療、食品保存、粘度向上の分野で幅広い応用の見通しを示しています。最後に、この記事では、3D プリントにおけるナノセルロースの変革の可能性を強調し、現在の技術的課題に対処するためのさらなる研究開発を求めています。

1. 3DプリンティングにおけるCNFとCNCの応用
CNFは、独特のリボン構造と高いアスペクト比を持ち、直径わずか数ナノメートル、長さは最大数ミクロンの絡み合ったネットワークを形成できるため、優れた機械的特性を有し、補強材としての使用に適しています。 CNF は通常、木材パルプとバクテリアセルロースから抽出されますが、製糖産業のソーダケーンパルプ、野生の麻の茎、稲わらなどの副産物から抽出することもできます。セルロース含有量が高く、循環型経済をサポートします。 CNF は、3D プリントインクの性能を直接向上させたり、疎水性やポリ乳酸 (PLA) との適合性を向上させるように改変したりできます。対照的に、CNC は主に非晶質領域を除去することによって製造され、アスペクト比とヤング率が高く、化学修飾によって特性を調整することもできます。両者の添加方法は似ており、通常はボルテックス、超音波処理、または高速均質化によってインクに分散され、蒸発または架橋硬化によって印刷されます（図1）。

図1 ナノセルロースの抽出と複合材料への応用
2. 3Dプリント中のCNFとCNCのインク特性への影響<br /> 3D プリントでは、インクのレオロジー特性が非常に重要です。印刷を成功させるには、構造的な完全性と寸法の安定性を維持するために、高貯蔵弾性率（G '）が必要です。しかし、形状を維持するのに役立ちますが、粘度は継続性を高める可能性がありますインクがプリントベッドに濡れているのを助け、最終的にナノセルロースが高分子電解質を備えた複合体を形成して、2相システムを安定させ、3D構造の構築を促進することができます（図2）。

図2 3Dプリンティングにおけるナノセルロースの応用とその物理的特性の分析
3. 3DプリンティングにおけるCNFとCNCの応用

ナノセルロース（主に CNF と CNC）のユニークな特性により、3D プリントに適しており、さまざまな構造や材料の作成が可能になります。現在の研究は、ナノセルロースを強化剤として使用して 3D プリントされたオブジェクトの寸法安定性を向上させることに焦点を当てており、組織工学、薬物送達、持続可能なパッケージングなどの分野での新たな応用可能性も提案しています。
1. 実際の用途で寸法安定性を最適化: 寸法安定性は、印刷されたオブジェクトの精度と一貫性を決定します。層ごとに構築される 3D 印刷オブジェクトの場合、層間の寸法の変化や歪みにより、最終製品が不正確になったり、本来の目的に適さなくなったりする可能性があります。 CNF と CNC は、印刷インクのレオロジー特性を強化し、機械的強度や熱安定性などの印刷材料の物理的特性を改善することにより、印刷物の寸法安定性を向上させる上で重要な役割を果たします。研究によると、CNF と CNC を追加すると、印刷プロセス中の構造的完全性の損失が軽減され、印刷層の接着性が向上し、冷却中の反りが減少し、印刷材料の熱安定性が向上します。これは、正確で耐久性のある 3D 印刷製品の製造に不可欠です (図 3)。

図3 3Dプリント材料におけるナノセルロースの重要性（機械的特性、熱安定性、バイオプリンティングへの潜在的応用を含む）
2. 生物医学分野での応用の可能性: 天然組織を模倣し、複雑な三次元微小環境を再構築するための人工細胞外マトリックスとして生体材料を設計することは、依然として困難な課題です。 CNF と CNC は、優れた生体適合性と機械的特性により、バイオメディカル用途に幅広い可能性を秘めています。研究によると、ポリビニルアルコール (PVA) と組み合わせた CNC を大量に使用することで、人工血管に適したインクを調製でき、引張弾性率が大幅に向上し、天然動脈と同様の安定性が得られることがわかっています。さらに、CNC により超音波画像診断能力が向上します。開発された生分解性ハイドロゲルは、3Dプリントを通じて細胞増殖と骨組織の再生を促進することができます。 CNF は細胞接着と機械的強度を高めるだけでなく、神経細胞の成長を促進する導電性神経足場としても使用できます。同時に、他の材料と組み合わせた CNC には抗菌特性があり、抗生物質耐性菌と戦うのに役立ちます。これらの進歩は、3D プリント生体材料へのナノセルロースの応用により、天然組織に類似した細胞外マトリックスを効果的に構築し、組織の再生と修復を促進し、高度な医療機器やパーソナライズされた薬物送達システムにおける幅広い展望を示すことを示しています (図 4)。

図4 バイオメディカル分野におけるナノセルロースの応用
3. 食品関連分野におけるナノセルロースの応用：3D プリントは多くの分野で可能性を秘めていますが、レオロジー特性が不十分であること、成分が複雑であること、効率が低いことなどにより、食品業界での応用は制限されています。研究によると、デンプン、CNF、粉乳、オート麦、ソラマメタンパク質をベースにした材料には一定の印刷性があり、3Dプリントは食品加工のラピッドプロトタイピングツールとして使用できることがわかっています。しかし、多くの食品ピューレはレオロジー特性が不十分であり、ダイレクトインクジェット (DIW) 印刷の適用が制限されます。 CNC はレオロジー特性を改善できるため、自立構造の印刷に適しており、生分解性の保護シェルとして機能してパッケージングの必要性を軽減できます。ナノセルロースは、果物の鮮度を監視するための CNF ベースのタグなど、スマート食品パッケージングにも大きな可能性を秘めています。まとめると、ナノセルロースは食品のカスタマイズ、安全性、持続可能性を向上させる可能性を秘めています (図 5)。

図5 食品関連分野におけるナノセルロースの応用
4. 環境用途におけるナノセルロースの可能性: 犠牲支持材料は、複雑な構造の高度な製造において極めて重要です。ここでは、高精度の構造を形成し、環境に優しくない材料や廃棄物を削減するために、取り外し可能な一時的なサポートを提供する 3D プリント可能なセルロースナノファイバー / 深共晶溶媒導電性エラストマーをワンステップで構築する方法を開発します。最近の研究では、CNC ゲルが生分解性があり簡単に洗浄できるサポート材料として研究されています。 Liu らは、優れた機械的強度と環境への配慮を備えた大規模な 3D プリント可能なグラファイト / CNF フォームを報告しました。 CNC とキトサンを組み合わせることで、直径と長さを制御できる管状構造を印刷することができ、水処理や環境修復の新たな機会が生まれます。ナノセルロースは一般的に柔軟性を低下させますが、低濃度の機能化 CNC は持続可能な材料のニーズを満たす非常に強靭な弾性材料を生産できます (図 6)。

図6 環境におけるナノセルロースの応用
5. 電気伝導性用途におけるナノセルロースの応用：ナノセルロースは、導電性材料の大規模な製造に広く使用されています。ここでは、セルロースナノファイバー (CNF) とカーボンナノチューブ (CNT) から、高い比電磁シールドとエネルギー貯蔵特性を持ち、活性物質を充填するための自立型電極として使用できる機能性エアロゲルを調製するための、化学架橋なしの室温乾燥法を紹介します。さらに、CNF フォーム上でポリピロール (PPy) をその場で重合することにより、せん断減粘挙動を示し、ニードルプリントが可能な軽量導電性フォームが作製されました。また、リチウム金属の印刷の課題を克服するために3DプリンティングでCNFを使用した高性能リチウム金属電池（LMB）を開発したり、銀ナノワイヤ（AgNW）を追加してCNFとCNCの導電性インクを強化し、優れた性能のセンサーを製造したりする研究もあります。これらの用途は、エレクトロニクス分野、特にセンサー、ディスプレイ、エネルギー貯蔵デバイスにおけるナノセルロースの可能性を示しています (図 7)。
図7 導電性分野におけるナノセルロースの応用
6. さまざまな機能性材料の製造のための 3D 印刷におけるナノセルロースの応用: ポリマーハイドロゲル、磁気応答性形状記憶ポリマー複合材料、熱応答性材料、光学材料、スマートテキスタイルなど、さまざまな機能性材料の製造のための 3D 印刷におけるナノセルロースの可能性。これらの材料は、ソフトロボット、薬物送達システム、センサー、マイクロ流体デバイスなどの分野で幅広い応用の可能性を示しています。特に、ナノセルロースを添加すると、これらの材料の印刷特性が向上し、さまざまな化学修飾を通じて、ナノセルロースは温度応答、光学応答などの複数の機能を実現できるため、先端材料分野での応用範囲がさらに拡大します（図8）。
図8 ナノセルロースの他の機能性材料への応用
4. 展望 木材、綿、農業廃棄物などの再生可能な資源から得られる高性能素材であるナノセルロースは、3D プリントの分野で大きな可能性を秘めています。ナノセルロースは、その優れた寸法安定性と機械的特性により、印刷インクの流動性と層間接着性を大幅に向上させ、さまざまな抽出および改質プロセスを通じてさまざまな機能を得ることができるため、バイオメディカル、エネルギー貯蔵、食品包装、建築材料など、多くの分野で幅広い応用が期待されています。しかしながら、3D 印刷におけるナノセルロースの精度、均一性、形状忠実度、解像度には課題が残っており、その性能を最適化し、より洗練されたナノセルロース支援 3D 印刷システムを開発するには、さらなる研究が必要です。同時に、食品業界におけるナノセルロースの応用も注目を集めており、特にアクティブでスマートな食品包装や機能性食品の分野で注目されています。さらに、ナノセルロースのエレクトロニクス、環境、建設分野における有望な用途についても言及されましたが、これらの用途では、性能を最適化し、経済的実現可能性を評価するためのさらなる研究が必要です。

出典: https://doi.org/10.1002/smll.202407956

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