自然界の最高級線維を再現する新しい3Dプリンティング法

March, 7, 2025, Urbana-Champaign--イリノイ大学(University of Illinois Urbana-Champaign)の研究者たちは、自然界で観察された様々な有用な特徴を生み出し、複製する新しい方法を見つけようとしている。自然界に遍在する細い毛や繊維は、感覚毛からヌタヌメダカに独特の粘り気を与える繊維まで、様々な用途に有用である。

MechSEのSameh Tawfick教授とRandy Ewoldt教授、博士課程のM. Tanver Hossain教授、および外部の共同研究者は、最先端の組み込み3Dプリンティング技術でこのニーズに対処した。その記事「埋め込み溶媒交換による細繊維、連続繊維、軟繊維の高速3Dプリンティング」では、ゲル中の細繊維の高速プリンティングに対する生体刺激アプローチの背後にある科学について説明している。

材料を周囲の空気中に層ごとに堆積させる従来の3Dプリンティング方法とは異なり、埋め込み型3Dプリンティングでは、ヒドロゲルなどのサポート媒体に材料を堆積させる。空気中でプリントする場合、モデルは、各層が後続の層を支えられるように方向付ける必要がある。または、複雑なアーキテクチャの構造を持つ構造の場合は、取り外し可能な支持構造をプリントして後で破棄することができる。ゲルでのプリントは、ゲル自体がプリント材料の形状を支えるため、これらの構造の必要性をなくし、らせん状のスプリングなどの複雑な形状をより効率的にプリントすることができる。さらに、プリントしたパーツをゲルの中で硬化させてから取り出すことができるため、ゲルを複数回のプリントに再利用することができる。

しかし、組み込み型3Dプリンティングは、これまで非常に薄い形状のプリンティングに苦労しており、これは空中での3Dプリンティングを連想させるものだった。直径16µｍ未満のフィラメントは、表面張力により硬化プロセスの前にすぐに壊れる。研究チームは、クモが作り出すシルクやヌタウナギが押し出すヌルヌルしたした防御糸など、自然界に見られる繊維に合わせて、より細かい直径でプリントしたいと考えていた。

「自然界では、直径がわずか数µｍの糸状構造の例が数多くある。われわれは、それが可能でなければならないとわかっていた」と、セカンド著者、ノンニュートンゲル(non-Newtonian gel)の設計に焦点を当てたHossainはコメントしている。

研究チームは、表面張力による毛細管の破壊を抑制するために、溶媒交換の方法を採用した。「ゲルとプリントインクを改造して、インクがゲルに堆積するとすぐに硬化するようにした。これにより、フィラメントが折れるのを防ぐことができる。と言うのは、フィラメントはほぼ瞬時に固体になるからである」(Hossain)。
このアプローチにより、チームは1.5µｍの分解能を達成した。また、複数のノズルを並行してプリントする実験も行い、迅速な製造を可能にした。

「この研究は、直径が1µｍの小さな柔らかい材料をプリントするという3Dプリンティング技術の長年の限界を克服するものだ。このような高いプリンティング解像度を達成したことで、自然界に見られるマイクロファイバや髪の毛のような構造を模倣する技術基盤を手に入れた。これらは驚くべき機能を示している」と、溶剤交換プロセスの設計に注力したDr. Wonsik Eomはコメントしている

研究チームは、ミクロンスケールの糸束の存在により他のゲルよりも優れた機械的性能を示すヌタウナギスライムの特性を再現する可能性があるため、埋め込み3Dプリンティングに興味を持った。Ewoldtは、チャップマン大学の外部共同研究者であるDouglas Fudge教授とともに、10年以上にわたってヌタウダイのスライムの仕組みを研究してきた。

「これらのファイバを模倣する方法として、組み込み型3Dプリンティングを採用した。われわれの研究を通じて、高解像度の組み込み3Dプリンティング技術を開発することで、当初の予想よりもはるかに幅広い自然構造を再現できることがわかった」(Eom)。

「この研究は、ノンニュートン流体と軟質固体の複雑な機械的挙動を利用して新しいエンジニアリング機能を実現するという、私のグループの広範な研究ビジョンに関連している。この視点は、流体力学から固体力学、そしてその間の振る舞いまで、力学の基本的な領域全体に統合されている」(Ewoldt)。

「この方法の重要性は、このような細くて柔軟な髪の下向きの重力に対処することなく、多くの形状の毛を生成することである」と、この方法の有用性と様々なアプリケーションを紹介するために取り組んできたTawfickは話している。「これにより、超精密な3Dプリンタを使用して、細かい直径を持つ複雑な3Dヘアを作成できる。」

この技術を通じて、より高度な材料開発を進めることが予定されている。

「この方法は大きな可能性を秘めている。超細長繊維を機能性材料と組み合わせることで、自然に触発された繊維構造の複製を可能にすることができる」(Hossain)。

「われわれは、従来の半導体製造技術では実現できない微細な微細構造のプリンティングに特に関心を持っている」とEomは話している。