もっと環境に優しい！デジタル光処理3Dプリント用の新しい天然ハイドロゲルインク

はじめに: 天然ハイドロゲルは、生体適合性と生分解性が高く、毒性も低いという特徴があります。現在、3D プリントのプロセスは、生分解性がなく、化石燃料樹脂をベースにした合成材料に大きく依存しています。これは主に、既存の天然ハイドロゲルの多くが機械的特性が非常に劣っており、光重合 3D プリントに使用するのが難しいためです。そのため研究者たちは、より望ましい特性を持つ天然ハイドロゲルの開発に取り組んでおり、これは3Dプリンティングを世界規模でより持続可能にすることに役立つ可能性があります。

2022年6月、Antarctic Bearは、トリノ工科大学の研究者が最近、3Dプリントオブジェクトに使用できる天然で環境に優しい材料をベースにした新しい複合ハイドロゲルインクを開発したことを知りました。彼らの研究は、Sustainable Materials and Technologies に掲載されました。Antarctic Bear と一緒に続きを読んでみましょう。

研究者らは論文の中で、デジタル光処理（DLP）3Dプリントに使用でき、完全にセルロースベースの材料で構成された天然複合ハイドロゲルインクの開発について説明しています。 DLP は光重合の原理によって複雑な構造を生成することが知られており、比較的環境に優しい製造方法ですが、それでも化学物質を使用します。より環境に優しい生産のためには、完全に環境に優しい製造プロセスを実現するために天然インクを研究する必要があります。研究者らは、アブラヤシの空の果実の房から採取したバイオ廃棄物由来のセルロースナノ結晶（NC）をアクリル酸カルボキシメチルセルロース（mCMC）ハイドロゲルに加え、ハイブリッドポリマーネットワークを生成した。研究では、この充填剤を添加しても配合物の光硬化特性には影響がなく、水分含有量が高い場合（97重量％）でも機械的特性が改善されて印刷性が向上することが示されました。さらに、印刷可能なハイドロゲルは、制御可能な膨潤と pH 感度を示します。設計された特性と複雑な形状を持つ完全に天然由来の材料の使用は、センサー、バイオメディカル、ソフトロボティクスなど、多くの分野でさらなる展望を開く可能性があります。

△3Dプリントハイドロゲル

研究の主な内容の概要<br /> 研究者らは、カルボキシメチルセルロースメタクリレートをベースとして使用し、バイオ廃棄物から抽出したセルロースナノ結晶で強化した。セルロースナノ結晶は、元の状態のまま、および表面メタクリレート処理後に使用された。研究者らは、セルロース強化材の存在下では光誘起重合にわずかな遅延が生じることを実証した。しかし、開発されたインクはすべて光重合型 3D プリントに適していることが判明しました。両方のナノ複合ハイドロゲルは DLP を介して 3D プリント可能であり、構造の解像度を向上させるには染料の存在が必要であることを示しています。両方のナノ複合材料は純粋なハイドロゲルに比べて機械的特性が向上しましたが、NC の添加により吸水性は減少しました。さらに、すべてのインクはpH 感受性を示しました。メタクリル充填剤は紫外線に対する反応性を高め、高い剛性と架橋密度をもたらすが、膨張度は低下することが観察された。代わりに、純粋なセルロースナノ結晶を含むサンプルは、より高い膨潤強度と圧縮強度を示しました。

△材料膨張の比較

要約と展望<br /> 3D プリンティングは業界に大きな影響を与えると予想されており、市場は 2026 年までに 52 億ドルに成長すると予想されています。 3D プリントの用途が拡大するにつれて、3D プリントの生態学的持続可能性を向上させることが極めて重要になります。実際、3D プリントのプロセスによる環境への影響は、従来のプロセスと比較して 70% 削減されています。しかし、3D プリントで使用される材料は、特に光重合 3D プリントでは依然として主に化学ベースです。この研究では、EFB 廃棄物からセルロース NC を抽出しましたが、同じアプローチを他の農業廃棄物にも適用できます。セルロースとその誘導体およびナノフォームは、入手しやすく、手頃な価格で、持続可能な特性により、大きな成長の可能性を秘めています。3D プリントと組み合わせることで、エレクトロニクス、組織工学、医薬品など、さまざまな分野でオンデマンド製造に対する革新的で環境に配慮した持続可能なアプローチを提供できます。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1016/j.susmat.2022.e00444

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