出典: バイオプリンティングと再生工学
インク直接書き込み 3D 印刷は、押し出しベースの 3D 印刷方法です。研究者はこの技術を使用して、さまざまな従来の機能性生体材料を 3D 構造化またはパターン化できます。これまでのところ、このアプローチは主に、単一のプリントヘッドを介して粘弾性インクを平らな基板上に層状に堆積させることに限定されていました。しかし、任意の地形の基板上に複数の材料を同時にマッピングする機能は、構造欠陥の修復、創傷修復、組織再生など、多くの用途に有益です。複数の材料に対して高スループットかつ高忠実度の印刷を実現するには、プリントヘッドの設計と制御が重要です。最近、研究者たちはこの目標に向けて重要な一歩を踏み出しました。その中には、単一または複数のプリントヘッドを使用して平面基板上の 2 つ以上の粘弾性インクをシームレスに切り替えることができるプリントヘッドや、単一のプリントヘッドを使用して非平面基板上に単一の粘弾性インクをパターン化できるアダプティブ プリントヘッドなどがあります。しかし、コンフォーマル 3D プリンティングとマルチマテリアル マルチジェット プリントヘッドの統合はまだ成功していません。
最近、ハーバード大学のルイス、ジェニファー A のチームは、Advanced Materials Technologies 誌に「ソフトマテリアルのマルチマテリアル マルチノズル アダプティブ 3D プリント」と題する記事を発表し、あらゆる 3D 表面に粘弾性インクのパターンを素早く描画できるマルチマテリアル、マルチノズル アダプティブ 3D プリント (MMA-3DP) 方式を報告しました。
関連論文リンク: https://dx.doi.org/10.1002/admt.202101710
実験結果と考察
MMA-3DP 法は 4 つのステップから構成されます (図 1A)。まず、ライン プロファイラーが対象領域をスキャンし、y 方向 (印刷方向) に一定の間隔で 800 個のデータ ポイントの配列を収集します。次に、生成されたポイント クラウドから基板のトポグラフィーを推測し、プリントヘッド アレイの各ノズルごとに個別の印刷パスを計算します。最後に、これらのトラックはプリントヘッドを誘導するために使用され、プリントヘッドは複雑な基板の地形にインクフィラメントを適合的にパターン化できます。マルチジェットプリントヘッドには、2.5 mm間隔で配置され、互いに噛み合うように配置された16個のノズルが含まれていました（図1Bおよび図S1A、B）。 8つのノズルの各グループには、Z方向のノズルの変位に対応するために柔軟なチューブに接続された3Dプリントされたマニホールドを介してインクリザーバーからインクが供給されます（図1Bおよび図S1C）。各スプリング式スプレーヘッドはギア付きステッピングモーターに接続されており、回転運動をスプレーヘッドの Z 方向の直線変位に変換します。総振幅は Δh = 25 mm です (図 1C)。このデザインは、前腕の筋肉から複数の指骨に力を伝達する手根管内の腱の配置にヒントを得たものです。具体的には、アクチュエータをプリントヘッドから遠ざけることにより、MMA プリントヘッド内に複数のノズルをコンパクトに配置することができます。マルチジェットアレイのこの動的かつ協調的な動きにより、MMA プリントヘッドは、平面、正弦波、または三角形のジオメトリを持つ仮想基板上に示されているように、下層の表面トポグラフィーに適合する複雑な構成を採用できるようになります (図 1D)。研究チームはこの技術を使用して、水性トリブロック共重合体ゲルからなるモデル粘弾性インクを、ランダムに生成された地形を持つ 3D プリント基板上に適応的に印刷しました。観察されたせん断減粘挙動により、10～50 s-1 の関連せん断速度で約 3～5 Pa·s の見かけ粘度が得られ、印刷中の流れが促進されます。一方、約 20 kPa のプラトー貯蔵弾性率により、パターン化されたインクフィラメントは各ノズルから出るときに円筒形を維持できます (図 1E)。この適応ノズルアレイを使用して複数のインクフィラメントが共印刷され、各ノズルは基板のトポグラフィーに合わせて z 方向に高さを独立して上下に移動し、MMA プリントヘッドは y 方向に 5 mm·s-1 の速度で移動しました (図 1F)。これにより、高いパターン忠実度が確保されました (図 1G、H)。
図 1 マルチマテリアル マルチノズル アダプティブ 3D プリンティング (MMA-3DP) プラットフォーム。 A) アダプティブ 3D プリントの 4 ステップ ワークフローの概略図。 B) 適応型マルチノズルシステムの CAD 表現。 C) ノズル駆動装置のCAD図面。 D) 3 つの基質モデル (平面 (上)、正弦波 (中央)、三角形 (下)) に対するマルチ輪郭適応性のデモンストレーション。 E) モデルトリブロック共重合体インクのレオロジー特性。左: せん断速度の関数としての見かけの粘度。右: せん断応力の関数としての貯蔵弾性率 (G` 実線円) と損失弾性率 (G`` 空線円)。 F) ランダムに生成された地形を持つ複雑な基板表面へのモデルトリブロック共重合体インク（赤と青に染色）の等角印刷の光学画像。 G、H) 単一のインク層をコンフォーマル印刷した後の基板の光学画像。 （スケールバー：10mm）。
次に、チームは、印刷パラメータとノズルの設計を変えることで、さまざまな印刷モードがパターンの忠実度に与える影響を定量化しました。まず、MMAプリントヘッドを正弦波状の地形を持つ基板上で移動させながら、各ノズルを1.8 mmの高さに維持しながら、約275 kPaの最適圧力を組み合わせて、個別のインクフィラメントを生成しました（図2A）。その後、圧力とノズルの高さをそれぞれ約 300 kPa と 2.25 mm に上げると、隣接するフィラメントがこの波状基板の上に連続した層を形成しました (図 2B)。同時に、このモデルインクの粘弾性により、複数の層を層ごとに印刷することができます (図 2C、D)。 16 個のノズルはそれぞれ印刷方向に同じ速度成分を持ち、基板の地形の変化により、マルチノズル アレイ全体でノズル先端速度が不均一になる可能性があり、個別のフロー制御を行わないと、堆積されたフィラメントの断面積に変化が生じる可能性があります。同様に、傾斜面に塗布する場合、x 方向の各ノズル間の間隔は固定されているため、フィラメント間隔が異なります。これらの偏差を定量化するために、インクフィラメントは 3 つの基本的な動作モードに従って堆積されました。1 つは「純粋なロール」で、ノズルアレイは水平面とロール角度 φ を形成しながら全体的に一定の高さで前進します。もう 1 つは、ノズルが水平に整列し、平面に沿って上下に移動し、下にある水平基準面とピッチ角度 θ を形成する 2 つの「純粋なピッチ」モード (上下) です (図 2E)。研究チームは、すべての条件下で（図 2F-H）、正規化された断面積 a とフィラメント間距離 d が、次のように定義される幾何学的および質量保存の考慮に基づく理論的予測とよく一致することを観察しました。
a=cos(θ) (1)d =d0/cos(φ) (2)
予想通り、純粋なローリングモードでは、フィラメントの断面積は φ に依存しません。純粋なピッチモードでは、θ に対するフィラメント間隔についても同様です。 Z 方向のノズル変位の高精度を考慮すると、ワイヤ間隔と断面積の実験値と理論予測値の間の変動は、主に個々のノズルのわずかな横方向の遊びと、パイプとマニホールド システム内の流れ抵抗のわずかな違いに起因します。ロール、ピッチアップ、ピッチダウンの各モードでは、モデルからの断面積値の平均差はそれぞれ 5.2%、7.7%、7.2% 未満です。同様に、フィラメント間距離の平均差はそれぞれ 1%、1.2%、1.3% を超えませんでした。式（1）および式（2）によれば、ロール角が17.75°、ピッチ角が18.20°の場合、dとaはそれぞれ5%変化します。定性的には、ロール印刷モードでは、ロール角度 φ 自体と同じ大きさのフィラメント断面のわずかな歪みが生じます (図 2Hii)。上向きピッチモードでは、直径が縮小してもフィラメントの形状は比較的変化しません (図 2Hiii)。一方、下向きピッチモードでは、θ 値が大きい場合、ノズルがフィラメントの上面にピットを残す傾向があります (図 2Hiv)。ピッチ角の値が大きい場合にフィラメントが細くなる問題を修正するために、チームの MMA プリントヘッドの将来の反復では、インクの体積流量の個別の制御が組み込まれる予定です。さらに、ノズル駆動機構やインク供給システムを小型化し、パターン解像度を向上します。
図 2 マルチマテリアル マルチジェット アダプティブ 3D プリンティング (MMA-3DP) のさまざまなインク堆積と印刷モード。 A、B）正弦波状に変化する地形を持つ基板上にトリブロック共重合体インク（青と赤に染色）を適応型3D印刷することによって観察されたインク堆積パターンとパターン特徴の対応する光学画像（エッジビュー）の概略図。 C、D) (B) の下図に示されている 10 層オブジェクトの光学画像 (側面図)。 E) 使用される 3 つの印刷モードの概略図。 F) 基板の傾斜角度の関数として印刷されたインクフィラメントの正規化された断面積 a。 G) 基板傾斜角の関数としてのフィラメント間距離 d。 H) 異なる印刷モードを使用して作成されたフィラメントペアの代表的な断面プロファイル（明視野写真から抽出）。 （スケールバー：Bは10mm、Hは1mm）。
停止機能と開始機能を統合するために、チームは、ソレノイド バルブを備えた 2 つの 8 方向エア マニホールドをマルチジェット プリントヘッドに統合し、それぞれ 16 個の独立したインク リザーバーへの加圧空気の供給を制御しました (図 3A)。ターゲットのボクセル化されたデザインはバイナリ画像として入力され、2.5 mm間隔（またはインターディジット印刷モードでは1.25 mm間隔）の線の配列に離散化されました（図3B）。印刷の忠実度を向上させるには、各ノズルの軌道を個別に修正する必要があり、インクの付着のタイミングを調整して、特定のフィラメントを印刷する前の距離 δd で、各ノズルが表面から「安全な」距離 δh だけ浮いてから下方に移動し始めるようにします。 （図3C、「修正」（C）モード）。 δh と δd の値は、インクのレオロジーと印刷パラメータ（ノズルのサイズ、印刷速度、使用される圧力など）に応じて、それぞれ 3 ～ 5 mm と 1 ～ 3 mm の範囲になります。また、チームは、ノズルを上方に移動させる前に、印刷された各フィラメントの端でノズルの高さをわずかに下げて、フィラメントが適切に終了するように実装しました。これらのノズル軌道の変更を組み合わせることで、パターン形成の忠実度が向上しました（図3D、（C）パターン）。 MMAプリントヘッド内の各ノズルからのインクの流れを個別に制御（オン/オフ）する機能を実証するために、文字「H」の紋章シンボルのバイナリ画像を16本のフィラメントの3つの印刷パスに処理し、120×140mm2の印刷領域を実現しました（図3E、F）。シンボルは、上記のモデルトリブロック共重合体インク（図3G）を使用して、印刷速度2mm·s-1、圧力386.1kPaで印刷され、正弦波基板上に忠実に再現されました（図3H）。次に、印刷経路に沿って障害物を配置した基板上にモデルインクの平らな層を堆積させ、基板表面に凹凸があってもこの方法でインクフィラメントを忠実に堆積できることを実証しました (図 3I、J)。
図 3 オン/オフインクフローを備えたマルチマテリアルマルチジェットアダプティブ 3D プリント (MMA-3DP)。 A) オンザフライのインク供給を制御 (オン/オフ) するための 16 個のソレノイド バルブの統合アレイを備えたマルチジェット プリントヘッドの実験セットアップ。 B) 複雑なトポロジーを持つ基板上に任意のパターンをパターン形成することを可能にするフレームワークの図。 C) 印刷品質を改善し、印刷忠実度を高めるために MMA-3DP が使用する戦略を示す概略図。 D) 軌道補正なし（補正なしまたは「NC」、上）と補正あり（「C」、下）の Pluronic F-127 インクの印刷された押し出し物の比較。 E) クレストパターンは、バルブ強化型 MMA-3DP を説明するためのモデル テンプレートとして機能します。 F) 表面コンフォーマルパターンの画像離散化と印刷パスの抽出。 G、H) プルロニック F-127 インクが、関心のあるパターン (E に表示) で正弦波モデル基板の表面に堆積されるプロセスを示す写真。 I、J) MMA-3DP の障害物回避を可能にするバルブの使用を示す写真。 (スケールバー: D は 10 mm、H は 20 mm、J は 10 mm)。
要約と展望
要約すると、チームは、任意の 3D 表面上に粘弾性インクを迅速にパターン化するための、マルチマテリアル、マルチノズルの適応型 3D 印刷プラットフォームを開発しました。このプラットフォームは、2 次元および 3 次元の柔らかい材料の構成と構造を制御するための新しい道を開きます。将来の実装では、チームは、コアシェル印刷やアクティブミキシングを容易にするノズル設計を組み込んで、これらの付加製造構造の複雑さをさらに高めることを構想しています。
参考文献
Uzel, SGM (Uzel, Sebastien GM); Weeks, RD (Weeks, Robert D.); Eriksson, M (Eriksson, Michael); Kokkinis, D (Kokkinis, Dimitri); Lewis, JA (Lewis, Jennifer A.). 2022.「3D プリンティング、アダプティブ プリントヘッド、コンフォーマル、直接インク書き込み、ソフト マテリアル」Advanced Materials Technologies。
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