3D

Aug 17, 2023

博士号フロリダ大学、材料科学および工学の候補者

フロリダ大学機械航空宇宙工学准教授

著者らは、この記事から利益を得るであろういかなる企業や組織で働いたり、コンサルティングしたり、株を所有したり、またはそこから資金提供を受けたりすることはなく、学術上の任命以外の関連する所属も明らかにしていません。

フロリダ大学は、The Conversation US の創設パートナーとして資金を提供しています。

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最近発表された研究結果によると、シリコーンを使用した新しい 3D プリント技術により、脳内の血管の正確なモデルを作成できるため、脳神経外科医は手術前に、より現実的なシミュレーションでトレーニングできるようになります。

多くの脳神経外科医は、手術室に入る前に、患者の脳について知っていることのモデルに基づいて各手術を練習します。 しかし、脳神経外科医がトレーニングに使用している現在のモデルは、実際の血管をうまく模倣していません。 それらは非現実的な触覚フィードバックを提供し、小さくても重要な構造の詳細が欠如しており、各手順がどのように実行されるかを決定する解剖学的コンポーネント全体が除外されていることがよくあります。 手術前のシミュレーション中に患者の脳を現実的かつ個別にレプリカ化することで、実際の手術におけるエラーを減らすことができる可能性があります。

しかし、3D プリントを使用すれば、外科医が必要とする柔らかな感触と構造精度を備えたレプリカを作成できる可能性があります。

3D プリンティングは通常、溶けたプラスチックの層を次々と積層し、自立構造が構築されるにつれて固まるプロセスであると考えられています。 残念ながら、多くの柔らかい材料は、通常 3D プリンタで使用されるプラスチック フィラメントとは異なり、溶融して再固化することはありません。 シリコーンのような柔らかい素材では、ユーザーは 1 ショットのみを印刷できます。液体の状態で印刷し、その後不可逆的に固化する必要があります。

水たまりや垂れ下がった塊を作らずに、液体から複雑な 3D 形状を作成するにはどうすればよいでしょうか?

研究者たちは、この目的のために埋め込み 3D プリンティングと呼ばれる幅広いアプローチを開発しました。 この技術では、「インク」は、印刷ノズルの周りを流れ、ノズルが離れた直後の場所にインクを閉じ込めるように設計された第 2 の支持材の槽内に堆積されます。 これにより、印刷された構造が固まるまで液体を 3 次元空間に閉じ込めておくことで、液体から複雑な形状を作成することができます。 埋め込み 3D プリンティングは、ヒドロゲル、微粒子、さらには生きた細胞などのさまざまな軟質材料の構造化に効果的です。

しかし、シリコーンを使用した印刷は依然として困難です。 液体シリコーンは油ですが、ほとんどのサポート材料は水ベースです。 油と水には高い界面張力があり、これが水中で油滴が円形になる原動力です。 この力により、支持媒体内であっても 3D プリントされたシリコーン構造が変形します。

さらに悪いことに、これらの界面力により、小径のシリコーン フィーチャが印刷中に液滴に破壊されます。 サポートなしで印刷できるシリコーン素材を作るために多くの研究が行われてきましたが、これらの大幅な変更により、シリコーンの柔らかさや伸縮性など、ユーザーが気にする特性も変更されます。

ソフトマター物理学、機械工学、材料科学の界面で研究する研究者として、私たちはシリコーンオイルから作られた支持材料を開発することで界面張力の問題に取り組むことにしました。

私たちは、ほとんどのシリコーン インクはシリコーン サポート素材と化学的に類似しているため、界面張力が大幅に低下するものの、3D プリント用に組み立てられたときに分離された状態を保つのに十分な違いがあると考えました。 私たちは多くのサポート材料の候補を作成しましたが、最良のアプローチはシリコーン オイルと水の濃厚なエマルジョンを作成することであることがわかりました。 これは、連続したシリコーンオイルの中に水の微小液滴が詰まって作られた、透き通ったマヨネーズのようなものと考えることができます。 私たちはこの方法を超低界面張力での積層造形法、または AMULIT と呼んでいます。