SUSTechのLiu Jiのチームは、極めて優れた機械的特性を持つ柔らかい材料の3Dプリントの分野で研究を進めてきました。

2022年4月、南方科技大学機械エネルギー工学部の劉季准教授のチームが「酵素誘導バイオミネラリゼーションを利用した生体にヒントを得た機能性材料の3Dプリンティング」と題する論文をAdvanced Functional Materials誌に発表した。彼らはハイドロゲル3Dプリンティングと酵素誘導バイオミネラリゼーションを組み合わせて、極めて優れた機械的挙動を示す機能性材料を作製し、3Dプリントされた柔らかいハイドロゲル材料（弾性率125kPa）を硬い複合材料（150MPa）に変換することを実現した。

従来の人工複合材料は高温焼結で製造されており、大量のエネルギーを消費し、適用範囲が限られています。一方、天然複合材料（骨、貝類など）はすべて、比較的温和で湿潤な環境で生物酵素の調節により生成され、マルチスケールの階層構造の構築を実現しており、その機械的挙動はさまざまな合成複合材料よりもはるかに優れています。研究者らは、せん断減粘性と応力降伏特性を備えた酵素を配合した一連のハイドロゲルインクを開発し、さまざまな微細ハイドロゲル構造の 3D プリントを実現しました。同時に、グリセロリン酸カルシウム (CaGP) をアルカリホスファターゼ (ALP) 誘導下で加水分解し、ハイドロゲル内部にリン酸カルシウムナノ粒子を沈着させ、最終的にミネラル含有量 50%、ヤング率最大 150 MPa の複合材料を得ました (図 1、ビデオ 1)。
図 1. 極めて優れた機械的挙動を示す複合ハイドロゲルの 3D プリントと酵素触媒によるミネラル化。
ビデオ 1. 3D プリントされたミネラル化ハイドロゲルの準備プロセス。
埋め込み印刷と組み合わせることで、チームは重力の影響や層ごとの積み重ねの制約から脱却し、さまざまな自立構造のシングルインク/マルチインク 3D 印刷製造を実現しました (図 2、ビデオ 2)。しかし、従来の埋め込み型3Dプリントハイドロゲルで得られる自立構造は、支持材を除去するとすぐに崩壊してしまう。しかし、本研究では、支持材（PEO-PPO-PEOハイドロゲル）にCaGPを添加することで3Dプリント構造の原位置でのミネラル化を促進し、支持材を除去しても安定した3次元自立構造を初めて実現した。

図 2. 埋め込み型 3D プリントと酵素誘導バイオミネラリゼーションを使用した空間自立構造の製造。
ビデオ 2. 埋め込み印刷 3D 構造プロセス。
自然界の多くの動物の殻は、柔らかい/硬い成分が周期的に配列されたモザイク構造をしており、生物が外部からの圧縮や張力の負荷に対処するための特別な安全保護機構を構成しています。研究者らは、このタイプの構造にヒントを得て、マルチマテリアル 3D プリントによってアルカリホスファターゼの選択的分布を実現し、局所的に選択的に石灰化されるモザイク幾何学構造材料を得ました (図 3)。このタイプの構造は、引張圧縮非対称性など、従来の均質構造にはない機械的挙動を示します。伸張中は、柔らかいコンポーネントが小さな応力で大きな変形を示しますが、圧縮中は硬い材料が大きな負荷（圧縮応力/引張応力 > 100）に耐え、さまざまなタイプのバイオニック構造メタマテリアルを作成するための新しい可能性を提供します。

図 3. 動物の殻の周期構造、マルチマテリアル 3D プリント技術を使用して製造されたモザイク構造、および張力と圧縮下での非対称の機械的挙動。
南方科技大学機械エネルギー工学科の2020年度修士課程学生である陳光大氏とポスドク研究員の梁向宇氏が論文の共同筆頭著者であり、劉季氏が責任著者である。 SUSTech は、この論文の最初のユニットです。この研究は、深セン市バイオニックロボット工学および知能システム重点実験室、広東省人間拡張およびリハビリテーションロボット工学重点実験室、広東省自然科学基金地域共同基金プロジェクト（青年基金）、深セン市優秀科学技術イノベーション人材プロジェクト（PhD Start）、および南方科技大学学長優秀ポストドクタープログラムの支援を受けて行われました。

論文リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202113262

出典：南方科技大学

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