小さなレビュー: 3D プリントされたナノセルロースの革新的な応用

出典: EFL Bio3Dプリンティングとバイオ製造

セルロースナノフィブリル (CNF) とセルロースナノクリスタル (CNC) は、ユニークな機械的特性と形状を持つナノスケールの材料であり、その幅広い用途により近年広く注目を集めています。

最近、マギル大学の王宜祥/童玉奇と天津科技大学の劉偉教授のチームは、医療、食品、工学、建設の分野におけるCNFおよびCNC支援3Dプリンティングの最新の進歩に焦点を当て、3Dプリンティングに使用されるさまざまな種類のCNFとCNCをまとめました（図1）。関連する研究成果は、2024年12月10日に「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」というタイトルで掲載されました。
スキーム 1 ナノセルロースの調製と応用セルロースは線状多糖類であり、地球上で最も豊富なバイオポリマーです。セルロース分子は、セルロースナノ結晶 (CNC) とセルロースナノフィブリル (CNF) という 2 つの主要な形態に規則的に配列されます。 CNF は通常、TEMPO 酸化によって得られ、生成されたカルボキシメチル基により水中での CNF の分散性とコロイド安定性が向上します (図 1A)。 CNF は、リボンのような構造、高いアスペクト比、および直径が数ナノメートル、長さが数マイクロメートルの絡み合ったネットワークを形成する能力を特徴とするユニークな形状を持っています (図 1B)。現在、研究者らは PLA グラフト CNF を阻害剤および強化剤として使用し、3D プリント可能な強力で強靭なポリジシクロペンタジエン (PDCPD) ベースの複合材料を製造しています (図 1C)。

CNC は通常、アモルファス領域の大部分を除去して、結晶性の高い領域を残すことによって製造されます (図 1D)。現在、硫酸加水分解が依然として主流の方法であり、ゼータ電位が 37 ～ 55.6 mV のナノセルロースが生成されます。表 1 は、過去 5 年間の CNF と CNC の代表的なソース、改善、3D 印刷方法、融合技術、利点をまとめたものです。

図1 3DプリントにおけるCNFとCNCの調製、特性、用途表1 CNFとCNCの代表的な供給源/最適化と3Dプリント方法（一部）
木材、綿、農業廃棄物などの再生可能な資源から得られるナノセルロースは、サイズと機械的特性の点で特別な利点があります。 3D 印刷インクにナノセルロースを追加すると、せん断減粘特性を維持しながらインクの粘度が高まり、印刷性能が大幅に向上します。さまざまな抽出プロセス中に生成される官能基に基づいて、ナノセルロースはさらに変更され、さまざまな機能を実現できるため、3D プリントにとって非常に魅力的な材料になります。著者らは、3D 印刷中の CNF と CNC がインクの特性に与える影響をまとめました (図 2)。

図 2 3D 印刷時の CNF と CNC によるインク特性への影響ナノセルロース (主に CNF と CNC) のユニークな特性により、3D 印刷に適しており、さまざまな構造や材料の作成が可能になります。ナノセルロースを強化剤として使用して 3D 印刷されたオブジェクトの寸法安定性を高めることが、主要な研究の焦点となっています (図 3)。

図3 3Dプリントされた物体の寸法安定性を高めるための強化剤としてのナノセルロース
CNF と CNC は、生体適合性、生分解性、低毒性、機械的特性の改善と細胞増殖の促進能力を備えているため、バイオメディカル分野での潜在的な用途が示されています。著者らは、バイオメディカル（図4）、食品（図5）、環境（図6）、導電性材料（図7）、その他の機能性材料への応用を紹介した。

図4 バイオメディカルへの応用
図5 食品産業における応用図6 導電性材料における応用
図 7 環境分野での応用現在、ナノセルロース支援 3D 印刷技術は、組織工学および薬物送達の分野で研究のホットスポットとなっています。明確に定義された構造を持つ印刷された足場は、細胞の成長と分化を促進し、機械的なサポートを提供する一方で、パーソナライズされた薬物送達システムは、薬物の薬物動態と生物学的利用能を改善し、毒性を軽減し、治療効果を高めることができます。

しかし、均一性と再現性を確保するためにこれらのスキャフォールドの製造プロセスを最適化するという課題が残っています。さらに、臨床応用における安全性と有効性を確保するために、ナノセルロースの長期的な生体適合性と生体内分解速度をさらに研究する必要があります。ナノセルロースと他のバイオポリマーを組み合わせたハイブリッド材料を研究することで、バイオメディカル用途における機能性をさらに高めることができます。

ナノセルロースフィルムは優れたバリア特性を備えており、食品を湿気、酸素、紫外線から保護し、保存期間を延長して食品の品質を維持します。さらに、ナノセルロース包装に抗菌剤を組み込むことで、腐敗微生物の増殖を効果的に抑制し、食品の安全性を向上させることができます。これらの利点にもかかわらず、食品包装におけるナノセルロースの商業的応用は、消費者の受け入れや規制上のハードルなどの課題に直面しています。ナノセルロース製品がコスト効率に優れ、大規模に製造できることを保証することが重要です。ナノセルロース包装の消費者の認識と環境への影響を調査することが、市場への導入を成功させる鍵となるでしょう。

エレクトロニクス分野では、ナノセルロースの固有の電気的特性と機械的柔軟性を組み合わせることで、センサー、ディスプレイ、エネルギー貯蔵デバイスへの応用に適しています。導電性を向上させ、既存の電子材料と効果的に統合するための研究が必要です。さらに、一貫性を確保するために、スケーラブルな生産方法を開発する必要があります。

ナノセルロースは、水の浄化や土壌の修復などの環境用途に使用され、その高い表面積と多孔性により、汚染物質、重金属、有機汚染物質の効果的な吸着剤となります。さらに、生分解性があるため、持続可能な環境ソリューションの魅力的な選択肢となります。ナノセルロースはその可能性にもかかわらず、環境用途での実用化には、現実的な条件下でその性能を最適化するためのさらなる研究が必要です。ナノセルロースとさまざまな汚染物質との相互作用を研究することは、効果的な修復戦略を開発する上で非常に重要です。さらに、環境管理においてこのアプローチを採用するには、大規模な適用の経済的実現可能性を評価することが重要です。

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

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