体積3D印刷: 散乱光を補正して不透明な材料を印刷する

はじめに: 体積製造 3D プリント方法は、ここ数年で幅広い注目を集めています。ボリューム製造とは、フォトポリマー樹脂のバケツ全体に一度に光を照射して樹脂を固め、高解像度かつ高速な成形を実現するプロセスです。ただし、この 3D 印刷方法には一定の制限があります。たとえば、透明な印刷バレルを光が通過できるようにするには、材料が透明である必要があります。では、不透明なオブジェクトを印刷する方法はあるのでしょうか?

2022年5月、南極熊は、スイス連邦工科大学ローザンヌ校やReadily3Dなどの研究者が、投影パターンを直接得る前に散乱光の経路を十分に考慮する方法、つまり各部分の散乱光を補正し、トモグラフィーボリューム技術を使用して不透明な物体を3Dプリントする方法を提案したことを知りました。散乱平均自由行程を超える寸法のオブジェクトを印刷する場合、この補正を行うことが重要であることが実験的に実証されました。彼らの研究「体積付加製造のための散乱材料の光の制御」は、Advanced Science に掲載されました。

研究者らは、対応する実験データでは光硬化性樹脂による光散乱により高空間周波数の透過率が低いことが示されていると指摘した。したがって、画像分析後、最も高い空間周波数の特徴を強調することで、周波数に依存する減衰を補正するための数値補正を実行できます。結果として得られる補正された光は、従来使用されている標準のバイナリ画像よりも高いコントラストを持ちます。研究者らは、アクリル樹脂とハイドロゲルベースの樹脂という2つの異なる散乱材料で複数の物体形状を印刷することにより、この補正によって印刷の忠実度と解像度が向上することも実証しました。本研究の核となる技術は、光軸に垂直なサイドビューカメラで撮影した画像の空間周波数解析による補正と要約できます。

キャリブレーション分析<br /> 多くの樹脂には散乱現象があり、光が樹脂を通過するときに偏向します。これが妥当な範囲を超えると、印刷画像の忠実性に重大な影響を及ぼします。そこで研究者らは、まず散乱効果と、それに伴うデジタルマイクロミラーデバイス（DMD）の変化を研究し、光散乱効果を補正しました。

デジタル光処理 (DLP) やその他の 3D 印刷技術で使用される DMD では、何百万もの小さなミラーを操作して画像を作成します。研究者たちは、キャリブレーションマスクを使用してDMDのミラーの振幅と角度を変更することで、樹脂内の光の減衰と歪みを補正することができました。彼らの補正方法は、重要な部分の中心で強度が最大になるという事実に基づいています。 (ただし、通常は樹脂槽の一部を露出させて内部領域を適切に露出させる必要があるため、これは通常不可能です。そのため、中空のチャネルを持つ構造の印刷は露出過多のために失敗することがよくあります。) 散乱補正型体積付加製造としても知られる彼らの技術は、印刷の忠実度が向上するという点で他の体積法に比べて最大の利点があります。

上記の分析から、体積製造技術を使用して中空構造の部品を印刷することは困難であることがわかりますが、生物学的 3D 印刷では、印刷された組織に栄養素と酸素を供給するために中空チャネルが必要になることが多いため、バイオプリンティングではそのような構造が必要になります。したがって、研究チームは、この研究の最も重要な点は、ハイドロゲル中空チャネルの 3D プリントが成功したことだと考えています。

△ 散乱補正トモグラフィー体積付加製造 (VAM) により、細胞を含んだハイドロゲルなどの散乱材料に中空チャネルを持つ複雑な形状を印刷できます。 a) 中心が 4 つの相互接続された中空のチャネルに囲まれたオブジェクトの 3D モデル。 b) 400万細胞/mlを含むハイドロゲル。 (液体は透明ではなくなります) c) 従来のトモグラフィー VAM では、3D モデルが計算された光量に 2 値化され、印刷されたパターンセットの計算に使用されます。これらのパターンが散乱材料に投影されると、パターンはぼやけ、その結果として蓄積される光量によって対象物体が印刷されなくなります。 d) 散乱補正VAMでは散乱光の影響が補正されます。対応する光パターンを投影すると、対象の 3D モデルの形状と機能に一致する印刷物が生成されます。

校正プロセスと結果

a) 光散乱を特徴付けるために、構造化された光の細いビームを樹脂に投影し、サイドビューカメラで画像を記録します。
b) 特性評価に使用した厚さ 10 mm のキュベットの写真。
c) 光硬化性樹脂内の光散乱を補正するために、サイドビューカメラでさまざまな入射光構造の画像を撮影します。
d) このデータセットのフーリエ変換は、高空間周波数は深さが増すにつれてより速く減衰することを示しています。
e) この減衰マップを周波数空間で反転すると、補正マスクが得られます。この補正マスクは、散乱の影響を打ち消すために、さまざまな深さで空間周波数を高める方法を示します。
f) 散乱樹脂でオブジェクトを印刷するには、3D モデルを 2 値化し、それに補正マスクを適用します。

上記の方法を 3D プリントに使用すると、下の図に示すように、部品の忠実度が大幅に向上します。

△ 散乱補正トモグラフィー VAM により印刷の忠実度が向上します。 a) (i) 外周と内周の両方にギアを備えた3Dモデルを、印刷の忠実度を評価するためのターゲットとして使用します。（ii）印刷に使用される透明で拡散性の有機アクリレート光硬化性樹脂の写真。散乱樹脂に分散されたTiO2ナノ粒子が光を散乱させます。研究者らは、透明樹脂内に物体を印刷するために従来のトモグラフィー VAM を使用し、散乱樹脂内に物体を印刷するために従来の散乱補正トモグラフィー VAM を使用しました。（iii）横方向の光量分布(iv) 印刷された物体のマイクロCTスキャン。 (v)印刷の忠実度は、モデルと印刷物の間の IoU によって測定されます (IoU = 1 は完全一致を示します)。エラーバーは標準誤差を表します。 b) 複雑な 3D 構造の散乱補正トモグラフィー (VAM)。 (i) パリのサクレクール寺院の3Dモデル。 (ii) 横方向の光量曲線。（iii）マイクロCTスキャン

散乱光を補正する場合と補正しない場合の違いをより明確に理解するには、次の図を注意深く見てください。

△ 細胞を含んだハイドロゲルによる機能的血管モデルのバイオファブリケーション。 a) 血管系をシミュレートする、4 つのチャネルに囲まれたコアを持つ構造の 3D モデル。 b) 細胞がハイドロゲルに浸透するにつれて光がぼやける様子を側面から撮影した図。 c) 補正トモグラフィーの有無にかかわらず、VAM 中にさまざまな角度で投影された対応する光パターン。違いは、散乱を考慮するために使用された補正の場所と量を示しています。d) 赤く染色した後の結果として得られた印刷構造の写真。 e) 構造物内を流れる青色染料のタイムラプス撮影。散乱補正トモグラフィー VAM は、モデルの形状と機能に一致するオブジェクトを生成します。一方、従来のトモグラフィー VAM では、構造の中央に予期しない欠陥のあるチューブが生成されます。

展望<br /> 研究者らは、2 種類の異なる散乱材料 (アクリル樹脂とハイドロゲル樹脂) でより複雑なオブジェクトを印刷することにより、散乱光を補正した後の体積印刷によって印刷の忠実度と解像度を向上できることを実証しました。サイドビューカメラを使用して樹脂内の光の伝播を記述するための提案された設定は、他の種類の補正にも使用できます。例えば、直線光（反射なし）の屈折率低下の補正、光吸収物質の補正など。ただし、適用された補正に関係なく、この方法は依然として投影システムに依存しているため、不透明な材料では光が多重散乱を受けると、強力な散乱補正を行っても投影されたパターンがランダムになるため成功しない可能性があります。しかし、本論文で研究した散乱光は、それを補正することで部品の忠実度を向上させることができ、バイオ樹脂など多くの材料に適用できる。この樹脂に懸濁された細胞は、そのサイズが大きい（約 10 μm、つまり主に前方散乱）ため弱い散乱体であると考えられますが、高濃度ではこの効果はトモグラフィーにとって有害です。ただし、印刷を長期にわたって実行可能にするには、高密度を実現する必要があります。

1. 研究者らは、散乱補正により、印刷された細胞構造に影響を与えずにハイドロゲル内の細胞密度を高めることができることを実証しました。光ベースのバイオプリンティング方法によって引き起こされる可能性のある細胞毒性と変異原性の問題を評価し、軽減するための将来の研究が必要です。

2. 本研究で示された結果は、高い印刷速度（DLP では通常数十分かかるのに対し、数十秒）と必要な光開始剤の少量（DLP バイオプリンティングでは通常 0.5～10 mg mL-1 に対し、本研究では 0.16 mg mL-1）を維持しながら、細胞を多く含むハイドロゲルへのトモグラフィー VAM の適用性を高めます。この補正は、ホログラフィー、2 光子製造、縦軸または多軸設定などの他の印刷技術にも適用できます。これらの補正は、光学調整や樹脂の屈折率マッチングと組み合わせて使用することで、忠実度をさらに向上させることもできます。

詳細については、元の記事をダウンロードしてください：https://doi.org/10.1002/advs.202105144

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