デューク大学、溶媒フリー3Dプリンティング材料

November, 8, 2024, Durham--デューク大学の研究者は、溶剤なしで商用3Dプリンタで使用できるポリマを開発し、様々なアプリケーションで大きな利点をもたらした。

アディティブ・マニュファクチャリング(AM)は多くの業界に革命をもたらし、そう遠くない将来、さらに多くの業界に影響を与えることが期待されている。インクジェットプリンタのように機能する3Dプリンタは、人々に最も馴染み深いものだが、別のタイプのAMには、一度に1つのレイヤーで光でオブジェクトを構築するという異なるアプローチを使用して利点がある。

その一つがデジタル光処理(DLP)である。産業用途と歯科用途の両方で広く使用されているDLPは、光を使用して液体樹脂を固体部品に変換し、基本的には浅い樹脂プールから一度に1層ずつ固体物体を引き抜くことで機能する。

しかし、この3Dプリンティング法を使用する際の大きな課題は、樹脂が高解像度で適切に機能するためには、樹脂が水のように低粘度である必要があること。DLPプリンティングに役立つポリマの多くは、固体または粘性が高すぎるため、それらを適切な濃度に希釈するために溶剤が必要である。

しかし、これらの溶剤を添加すると、部品の収縮(最大30%)によるプリント後の寸法精度の低下や、溶剤の蒸発に伴って発生する残留応力など、重大な欠点も引き起こす。

Angewandte Chemie International Edition誌のオンライン版に掲載された論文によると、デューク大学の研究チームは、DLPプリンティング用の新しい無溶剤ポリマを発明した。収縮の問題が解消されるだけでなく、溶剤が不足しているため、体内での劣化能力を維持しながら、部品の機械的特性も改善される。

「私は、DLPが分解性医療機器に使用するための本質的に薄くて低粘度の材料を作りたかった」と、デューク大学のHugo L. Blomquist Distinguished化学教授Matthew Becker研究室で働くMEMS Ph.DのMaddiy Segalは語っている。「多くの試行が必要だったが、最終的には、最適なモノマと合成技術を特定し、希釈せずにDLPプリンタで使用できる無溶剤ポリマを作成することができた。」

DLPプリンティングに使用できる最初の無溶剤樹脂の1つであるので、Segalは、それを使用して作られた部品の特性をテストすることに興味を持っていた。同氏は、テスト部品がまったく収縮したり歪んだりせず、一般的に、溶剤で作られたものよりも強度と耐久性が高いことを発見して喜んだ。同氏の調査結果によると、これは、分解性ポリマのDLP 3Dプリンティングにおける溶剤の使用を排除することで機械的特性が向上することを実証した最初の実証の1つである。

その新しいポリマを作成するために、SegalはBecker Labなどによって開発された既存の樹脂の構造と特性を分析し、モノマと鎖の長さを段階的な経験的アプローチで変更して、目的の低粘度ポリマを達成した。Segalは基本的に「推測して確認する」アプローチを使用し、ポリマのモノマ、つまり「レシピ」を調整して、ついに機能する組み合わせを見つけた。

このプロセスは、クッキングとまったく同じではない。これには、特定の成分の組み合わせを混合し、それらを加熱し、目的の結果が得られるまで結果をテストすることが含まれる。Segalは最終的に望んでいた製品を作る前に、合計で約60の異なる組み合わせを試した。

「縮まず、強度の高い材料を作るだけでなく、医療用途に役立つようにしたかった。生体適合性と分解性の両方を備えたプロトタイプデバイスを作ろうとしている。プロセスから有毒な溶剤を排除することは、それを行うのに役立つ」(Segal)。

Segalの最終的な目標は、生分解性の医療用インプラントにこの技術を適用することである。今日、一時的な医療用インプラントを作るために使用されている材料の中には、分解性がなく、インプラントを埋め込むだけでなく、除去するためにも複数の手術を必要とするものがある。研究を通じて、Segalは体の自然なプロセスを通じて分解できるインプラントの開発を目指している。

この材料から製造されたデバイスは、時間の経過とともに自然に分解するように埋め込むことができ、デバイスを取り外すための追加の手術の必要性を排除する。また、骨折を一時的につなぎ合わせるための骨接着剤として、または柔らかく分解性材料が必要なソフトロボティクスアプリケーションで使用できる可能性もある。

「この種の材料が、この特定のアプリケーションを私の仕事の主な目標にしている。さらに、実際には、この技術は、しばらくすると劣化させ、永遠にそこに留まらないようなあらゆる種類のインプラントに使用できる」とSegalはコメントした。

この研究は、国立衛生研究所(1R01HL159954-01)の支援を受けてい．。この技術をカバーする仮特許出願は、デューク大学によって提出されている(Application#63544353)。