浙江大学鄭強、呉子良チーム「Adv. Mater.」:DLP-3Dプリント高強度ハイドロゲル

浙江大学鄭強、呉子良チーム「Adv. Mater.」:DLP-3Dプリント高強度ハイドロゲル
出典: ポリマーテクノロジー

デジタル光処理 (DLP) 3D プリンティングは、材料を高解像度で複雑な構造に形成できる高効率のデジタル処理技術です。現在、DLP 印刷に使用されている材料システムは、重力による印刷構造の形状変化を避けるために、硬化速度が速く、弾性率の高い樹脂がほとんどです。近年、一連の高強度ハイドロゲルの開発により、医療や工学におけるゲル材料の応用が拡大しています。しかし、重合速度が遅く、強化プロセスが複雑であり、DLP-3Dプリンティングを使用して高強度ゲルのデジタル成形処理を実現するには依然として大きな課題が残っています。浙江大学高分子学部の鄭強氏と呉子良氏、機械工学学院の尹俊氏のチームは協力し、光重合によりその場で金属配位結合を形成し、ハイドロゲルの強化と靭化をデジタル処理プロセスと一致させ、高強度ハイドロゲルのDLP-3Dプリントを実現し、エネルギー吸収や圧力感知センシングなどのフレキシブルデバイスに使用しました。

図 1. DLP-3D プリントされた高強度ハイドロゲル。

使用した材料システムは、高効率光開始剤(V50)と適量のZr4+イオンを含む高濃度アクリル酸水溶液であり、デジタル光照射下で高強度の超分子ポリマーハイドロゲルを迅速に形成できます(図1)。その中で、その場で形成されたカルボキシレート-Zr4+金属配位結合は、ポリアクリル酸の物理的な架橋点として機能するため、ゲルは優れた機械的特性を備えています。反応速度が速く、弾性率が高く、耐膨潤性が優れているため、システムを「ボトムアップ」DLP 印刷方式を使用してデジタル処理できます (図 2)。

図 2. ハイドロゲルの力学、膨潤挙動、および 3D プリント構造。
ハイドロゲルの機械的特性と膨潤能力も照射時間に依存します。グレースケール印刷を使用すると、前駆体溶液中の印刷されたゲルの膨潤挙動を制御できます。異なる部分の膨潤の違いにより内部応力が生じ、印刷されたハイドロゲルが制御可能な 3 次元変形を起こします (図 3)。

図 3. 前駆体のゲル特性の変化と 3D プリントされた勾配構造ハイドロゲルの自発的な変形。
印刷されたハイドロゲルは平衡状態を保つために水中に置かれ、pH 値の変化によって配位結合が調整され、ハイドロゲルの弾性率と靭性が向上しました。そのため、ハイドロゲルは特殊な形状固定能力を持っています。この現象は、その後の印刷されたゲル構造の設計と固定に利用できます。例えば、切り紙構造を含む印刷されたハイドロゲルは、外力によって形状を変えることができ、水に浸すことで構造を固定することができます(図3)。

図 4. 水中での平衡によりゲルの特性が変化し、形状固定能力が付与されます。
ハイドロゲルの優れた機械的特性と形状固定能力に基づき、DLP-3Dプリンティングによりその構造を制御することで、フレキシブルデバイスなどへのゲル材料の応用範囲が広がります。図5に示すように、勾配構造を含むゲルはエネルギー吸収ユニットに使用でき、その形状固定能力はさらに壊れやすい物体を包んで保護するために使用できる。第二に、中空構造単位を含むハイドロゲルを印刷することで、圧力感知センサーの感度が向上しました。

図 5. 3D プリントされたハイドロゲルに基づくエネルギー吸収素子と圧力感知センサー。
関連する結果は、「衝撃吸収要素として高度な構造を備えた強靭な超分子ハイドロゲルのデジタル光処理 3D プリント」というタイトルで Advanced Materials に掲載されました。

論文情報: Min Dong、Ying Han、Xing Peng Hao、Hai Chao Yu、Jun Yin、Miao Du、Qiang Zheng、Zi Liang Wu、「衝撃吸収要素としての洗練された構造を備えた強靭な超分子ハイドロゲルのデジタル光処理 3D プリント」、Adv. Mater. 2022、DOI: 10.1002/adma.202204333

論文リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202204333


ハイドロゲル、DLP

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