Wu Jingjun、付加製造：物理的に架橋されたハイドロゲルの効率的な光硬化 3D プリント

出典: 高分子科学の最前線

ハイドロゲルは、ソフトロボット、組織工学の足場、フレキシブルセンサーなどの分野での応用が期待されています。従来の鋳型鋳造製造プロセスによって制限されているため、ハイドロゲルの構造は通常比較的単純であり、より豊かで複雑な機能の実現に影響を与えます。ステレオリソグラフィー 3D プリンティングは、高精度かつ非常に複雑な 3 次元構造を構築するための効果的な製造技術です。現在、効率的な水溶性光開始剤の不足とハイドロゲル自体の強度の低さにより、ハイドロゲルの直接光硬化 3D 印刷には、印刷効率が低い、低弾性率の複雑な構造を印刷するのが難しいなどの技術的な困難が残っています。一方、純粋に物理的に架橋されたハイドロゲルは、刺激応答性、自己修復/自己溶接などのいくつかの特殊な機能を備えています。しかし、このタイプの物理的ハイドロゲルは、通常、光硬化 3D プリントのプロセス要件に適合させることが困難です。

上記の問題を解決するために、浙江大学寧波研究所の呉静軍助手研究員のチームは、アクリロイルモルホリン/アクリル酸ドライゲルを3Dプリントし、後処理（吸水と膨潤-金属配位）を通じて優れた機械的特性を持つ金属イオン複合ハイドロゲルを得るという、新しい効率的なハイドロゲル光硬化3Dプリントプロセスを提案しました。このプロセスの利点は、印刷プロセスの要件をゲルの機械的特性から切り離し、複数の機能を備えたハイドロゲルの効率的な 3D 印刷を可能にすることです。その中で、超低弾性ハイドロゲル格子構造と自己溶接可能な純粋物理架橋ハイドロゲルの光硬化3Dプリントは、いずれもこの分野では初めてのものであり、ハイドロゲルの応用範囲を大幅に拡大することが期待されています。

図 1 DLP 3D 印刷ハイドロゲルプロセス: a) 3D 印刷、b) 膨潤、錯化、架橋。著者らは、配位カルボキシル基と架橋剤含有量がハイドロゲルの機械的特性に与える影響を研究し、カルボキシル基と異なる金属イオンの配位強度を利用して、広範囲に調整可能な機械的特性を実現しました。

図2 ハイドロゲルの広範囲に調整可能な機械的特性に関する研究は、弱い金属イオン-カルボキシル配位の原理に基づいており、格子のマクロ構造と組み合わせられています。格子モデルのネットワーク密度と厚さを制御することで、超低弾性ハイドロゲル（空気中で自立できない）の3Dプリントを実現しています。これは、現在の伝統的なハイドロゲルの直接印刷方法では実現が困難です。

図 3 マクロ構造と組み合わせた超低弾性ハイドロゲルの作製。この技術の特徴は、化学架橋剤 (HDDA など) を含まない場合、純粋に線形の物理的乾燥ゲルを印刷できることです。さらに処理すると、架橋点として金属イオン配位を持つ物理的ハイドロゲルが得られます。 EDTA の金属イオンに対するキレート効果を利用することで、物理的ハイドロゲルの物理的架橋点を破壊し、ハイドロゲルの分解を達成することができます。同時に、物理的ハイドロゲルは優れた自己溶接特性を備えており、自己溶接効率は 90% を超えます。

図4 純粋物理ゲルハイドロゲルの自己溶接特性に関する研究。この結果は最近、積層造形ジャーナル「Additive Manufacturing」に掲載されました。論文の第一著者は修士課程のSun Zhuo氏、共同第一著者は直接博士課程のLu Yahui氏、責任著者は研究助手のWu Jingjun氏です。

全文リンク:

Zhuo Sun、Yahui Lu、Qian Zhao、Jingjun Wu.* Addit. Manuf.、2022、50、102563。DOI: https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102563

研究グループの簡単な紹介:

浙江大学寧波研究所化学工学部門のインテリジェント製造チームの呉静軍助手研究員と謝涛教授のチームは、長年にわたり光硬化型3Dプリントのプロセスと材料の研究に取り組んできました。光硬化 3D 印刷技術の大規模な産業応用におけるいくつかの重要な課題に対応して、ハイドロゲルリリースインターフェースに基づく超高速光硬化 3D 印刷 (Nat. Commun., 2021, 12, 6070)、熱可塑性ポリマー光硬化 3D 印刷の原理とその超高速成形プロセス (Adv. Mater. 2019, 31, 1903970)、変形可能材料の超高速 4D 印刷 (ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 32408)、プログラム可能な光硬化 3D 印刷材料 (ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 15584)、および高性能光硬化 3D 印刷エラストマー (製品開発実装) において革新がなされました。この成果により、効率の低さや完成品の機能性の低さなど、既存の光硬化型3Dプリントの限界が解決され、光硬化型3Dプリント技術の開発と大規模応用が促進されると期待されます。

Wu Jingjun、付加製造：物理的に架橋されたハイドロゲルの効率的な光硬化 3D プリント

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