Nature Communications: 3DPX テクノロジーは、最細さ 1.5μm の高精度な毛髪を印刷します。

出典: EFL Bio3Dプリンティングとバイオ製造

背景
1. 自然界の繊維構造からのインスピレーション: 自然界には、髪の毛、触手、クモの糸など、感知や構造サポートなどの機能を果たす繊維構造が数多く存在します。そのユニークな特性は、工学材料の研究開発にアイデアを提供し、科学者がこれらの構造を模倣した製造技術を探求することを促します。

2. 既存の製造技術の限界: ロボットセンシング、医療用薬物送達、マイクロ流体工学などの分野など、生物に着想を得たエンジニアリングアプリケーションでは、マイクロナノスケールのヘアアレイに対する需要が非常に高くなっています。しかし、既存のリソグラフィー技術やマイクロマシニング技術では、高さやアスペクト比が限られた 2D の直線幾何学構造しか生成できず、従来の 3D 印刷方法で生成されるフィラメントは直径が大きく、需要を満たすことが困難です。

3. 組み込み 3D プリントの開発: 組み込み 3D プリントは、重力による変形の問題を解決し、印刷可能な材料の範囲を拡大します。しかし、印刷されるフィラメントの直径は表面張力などの要因によって制限され、現在のところ最小でも8μmにしか達せず、より細い繊維の需要を満たすことができません。

イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のSameh H. Tawfick教授のチームは、埋め込み溶媒交換（3DPX）に基づく3D印刷技術を開発しました。研究チームは、溶媒交換プロセス中に材料パラメータを正確に制御し、支持ゲルの特性を最適化することで、さまざまな材料から直径わずか1.5μmでアスペクト比の高い微細繊維構造を印刷することに成功しました。毛細管現象の影響を受けやすく、極細繊維の製造時に繊維が破損する、印刷可能な材料の範囲が狭い、複雑な 3D 構造の高精度印刷を実現するのが難しいといった従来の 3D 印刷技術の問題点を解決します。関連研究は、「埋め込み溶媒交換による微細で連続した柔らかい繊維の高速 3D 印刷」というタイトルで Nature Communications に掲載されました。

研究方法
1. 溶媒交換システムを構築する: ポリマーを溶解できる溶媒と、ポリマーとは混ざらないが溶媒とは混ざる非溶媒を選択して、三成分系を構築します。例えば、熱可塑性エラストマー SEBS、トルエン、エタノールをそれぞれポリマー、溶媒、非溶媒として使用すると、ポリマー溶液はゲルに注入されたときに溶媒交換が起こり、急速な凝固が実現します。

2. 材料の準備とテスト: エタノール濃度と降伏応力が異なるさまざまなポリマーインクとサポートゲルを準備します。回転レオメーターでインクとゲルのレオロジー特性を分析し、HPLCで相分離溶液中のトルエン濃度を測定し、各種顕微鏡で印刷プロセスと構造を観察しました。

3.3D 印刷実験: カスタム 3D プリンターを使用して、単一フィラメント、複雑な幾何学的構造、および毛髪アレイの印刷実験をサポートゲルで実行し、さまざまなパラメーターが印刷効果に与える影響を調査しました。

研究結果
1. 微細繊維の印刷に成功: 溶媒交換により、1.5 μm のフィラメント印刷が実現しました (図 1g)。印刷された円錐コイル (図 1d、e、f) は安定した構造を持ち、微細構造の製造におけるこの方法の有効性を検証しました。

図1: 溶媒交換（3DPX）メカニズムによる埋め込み型3Dプリント
2. 材料特性と硬化プロセスの解明：SEBSを研究対象として三元相図を構築し（図2a）、高濃度ポリマーインクの方が硬化が速いことがわかりました。エタノール濃度が溶媒交換に及ぼす影響を明らかにするために、上清中のトルエン含有量を分析した（図 2b、c）。異なる濃度の溶液の状態と粘度の変化を決定するために、SEBS 溶液のレオロジー特性が研究されました (図 3a)。硬化プロセスをモニタリングすることで（図 3d-f）、高濃度溶液は急速に硬化することがわかり、細い繊維を印刷するための理論的根拠が得られました。

図2: 溶媒交換の熱力学と速度論図3: 3DPXのレオロジー
3. 印刷パラメータの影響を理解する: 印刷パラメータとゲル降伏応力は、フィラメントの直径と形状に大きな影響を与えます (図 4)。印刷速度が上がると、フィラメントの直径が小さくなり、ゲルの降伏応力が増加するため、フィラメントの位置と形状をより適切に制御できるようになります。この方法は拡張性に優れており、印刷速度の向上やマルチノズル印刷を実現できます。

図4: 3DPX印刷パラメータとスケーラビリティ
4. 材料と構造の拡張: さまざまなポリマーとカーボンナノチューブの複合材料をうまく印刷できるため (図 5a、b)、材料の選択範囲が大幅に広がります。 2D スパイラルや 3D 球体などのさまざまな幾何学的構造が印刷され (図 5 d - g)、この技術が複雑な構造を製造できることが十分に実証されました。さらに、毛髪構造を基板上に印刷することに成功し (図 6)、さまざまな形状と高アスペクト比の毛髪を作製することができ、バイオニックアプリケーションにおける大きな可能性を実証しました。

図 5: マテリアルライブラリ、フィーチャサイズ、ジオメトリなどの 3DPX 機能。
図 6: 3DPX を使用して細い毛の配列を印刷します。
研究の結論 この研究では、埋め込み型直接インク書き込みと溶媒交換に基づく高速 3D 印刷方法を示し、高アスペクト比 (最大 7511) と最小 1.5 μm のフィラメント直径を持つ生体模倣繊維構造を製造します。溶媒交換熱力学、硬化速度、材料のレオロジー特性を研究することで、さまざまなポリマーの高精度印刷が実現しました。この方法は印刷速度が速く、自由形状でサポートフリーの構造を生成できるため、従来の方法の限界を克服できます。

課題と展望<br /> 現在、極めて細く、アスペクト比の高い毛をゲルから非破壊的に除去することは、依然として課題となっています。将来的には、極細長繊維アレイを機能性材料と組み合わせて、触覚センサー、薬物送達マイクロニードル、マイクロ流体デバイスなどの分野で使用できるようになるため、この 3D 印刷方法の適用範囲がさらに拡大し、機能性と実用性が向上します。

出典: https://doi.org/10.1038/s41467-025-55972-1

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