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投影型マイクロステレオリソグラフィー( PμSL )は、 3D 印刷技術をマイクロ製造に応用します。デジタルマイクロディスプレイ技術は、仮想フォトマスクとして機能する動的ステレオリソグラフィーマスクを提供します。この技術により、マイクロスケールの解像度でUV照明のフラッシュを使用して、層全体を迅速に光重合できます。マスクは個々のピクセルの光強度を制御できるため、製造された構造の材料特性を所望の空間分布で制御できます。
材料にはポリマー、応答性ハイドロゲル、形状記憶ポリマー、生体材料などが含まれる。[1]
導入
マイクロ電気機械システム（MEMS）は、過去30年間で急速に発展しています。センサーとアクチュエータの統合に依存するMEMSは、ポリマー、セラミック、半導体材料などのさまざまな材料を使用してマイクロサイズの3D構造を製造するための、より安価で簡単かつ正確な方法を常に求めています。[2]投影型マイクロステレオリソグラフィーの登場により、上記の要件のほとんどが達成され、MEMSの開発が改善されました。この発明は、1984年にチャールズハルによって開発されたステレオリソグラフィー（3Dプリント）に基づいています。このマシンは、主にハイドロゲルやポリマーなどの柔らかい材料を製造するために使用されます。この発明の背後にある基本理論は、開始剤、モノマー、吸収剤を含む溶液を紫外線で硬化させて、材料の各層を形成することです。紫外線にさらされると、開始剤はラジカルに変換されます。ラジカルはモノマーを互いに接続して重合プロセスを開始します。吸収剤はモノマーと混合され、紫外線の浸透深度を制御します。この化学プロセスにより、紫外線にさらされた領域は固体ポリマーになります。[2]
歴史
当初、すべてのマイクロサイズ光造形法は、ベースに材料を直接書き込むというマクロサイズ光造形と同じ方法を利用していました。 液体樹脂表面を硬化させるために紫外線を使用する最初のマイクロサイズ光造形は、1993年に生田教授と広渡教授によって開発されました。この製造方法は、今日の投影型マイクロ光造形の原型です。[3]以前の直接書き込み製造方法と比較して、このアプローチには、各層を同時に製造できるため、大量生産の歩留まりが向上するという利点があります。 当時、2D形状データはCADシステムで取得されました。 2Dデータを使用して、液体内で2Dスライス平面を製造しました。 したがって、複雑な構造の場合は、 CADシステムで複数の2D平面を作成する必要があります。 この光造形は、ポリマーと金属の両方の製造に使用できます。 金属は、ポリマー型を作成した後、鋳造プロセスを使用して製造されます。 歩留まりは向上しますが、この方法では最終製品の各層にマスクが必要になり、プロセス時間とコストが増加します。そのため、マスクを日常生活のプロジェクターに似たマイクロミラーディスプレイデバイスに置き換える製造技術が再び開発されました。マイクロミラーディスプレイは、電子的にパターンを変更できる動的なマスクを提供します。複数のマスクが1つのマスクに置き換えられるため、処理時間と製造コストが大幅に削減されます。
プロセス
ダイナミックマスクはビームを定義します。ビームは投影レンズを通して紫外線硬化ポリマー樹脂の表面に焦点を合わせ、画像を希望のサイズに縮小します。層が重合されると、ステージは基板をあらかじめ定義された層の厚さだけ下げ、ダイナミックマスクは前の層の上に次の層の画像を表示します。これは完了するまで繰り返し行われます。このプロセスでは、400 nm 程度の層厚を作成できます。[4]
サブ2μm水平解像度とサブ1μm垂直解像度が達成され、サブ1μmの特徴サイズが達成されています。プロセスは常温および大気中で機能しますが、窒素を増やすと重合が改善されます。樹脂の粘度に応じて、4立方mm /時の生産速度が達成されています。[4]
製造中に材料を簡単に切り替えることができるため、複数の材料要素を単一のプロセスで統合することができます。[4]
アプリケーション
応用分野としては、マイクロアクチュエータの製造、金型の作成、電気メッキ、または（樹脂添加物を使用した）セラミック製品（組織の成長をサポートするマイクロバイオリアクター、薬物送達および検出用のマイクロマトリックス、生物システムをシミュレートする生化学集積回路など）などがあります。[4]
オジギソウにヒントを得たこのアクチュエータの葉は、溶剤、温度、光などの外部刺激によって膨らみます。アクチュエータの動きを制御するために、葉の内側にマイクロ流体チャネルが埋め込まれています。複雑な外部形状と内部構造の両方を備えたこのソフトマイクロアクチュエータは、投影型マイクロ光造形法を使用して製造できます。これは、この複雑な3D構造を取得する最も簡単な方法の1つです。このアクチュエータのCAD金型はコンピューターで生成されます。次に、スライスされた2D画像が得られます。次に、各2D画像はマイクロミラーディスプレイによって投影され、レンズを通過してポリマー樹脂の表面に所望のサイズになります。投影型マイクロ光造形法は時間の節約になるので、同じ実験をさまざまな液体ソフトマテリアルで実行して、それらの膨張効果を調べることができます。このマイクロアクチュエータは、少量の溶媒や環境条件のわずかな変化によって引き起こされる材料の収縮と伸長に基づいて、人間の筋肉の動きを模倣することができ、多くのソフトロボットアプリケーションに使用することができます。[5]
人工組織
多くの再建手術では、病気のために元の組織が除去されたときに新しい組織が必要になります。この新しい組織を生成する 1 つの方法は、人体の別の部分から組織の一部を採取し、それを新しい部位に移植することです。ただし、この方法では、新しい組織を生成する際に他の臓器に損傷を与えます。したがって、この問題を解決するための好ましいアプローチは、人工組織を製造することです。この人工組織の主な制限は、生体の循環系のように栄養素と酸素を輸送する毛細血管系がないことです。複雑な 3D 構造を製造できる投影型マイクロ光造形法は、この組織に対する最良のソリューションの 1 つになる可能性があります。マイクロアクチュエータと同様に、人工組織の型はCADによって作成されます。次に、CAD型を 2D 画像に転送し、レンズを通してポリマー樹脂の表面に投影します。毛細血管系は、 CAD型の型設計プロセス中に組織に埋め込まれます。組織の製造に用いられるポリマーは半透性であり、輸送過程において毛細血管系内の栄養素と酸素が組織内に取り込まれることを可能にする。毛細血管系は酵母細胞の成長促進機能を持つことが示されており、この人工組織の生存能力を実証している。[6]
参照
参考文献
- ^ 「Projection Micro-Stereolithography」。MIT機械工学部。2016年1月11日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年4月13日閲覧。
- ^ ab Sun, Chen; Fang, Nicholas; Wu, Dongmin; Zhang, Xiang (2015 年 5 月). 「デジタルマイクロミラーダイナミックマスクを使用した投影マイクロステレオリソグラフィー」.センサーとアクチュエータ A: 物理. 121 : 113–120. CiteSeerX 10.1.1.180.2371 . doi :10.1016/j.sna.2004.12.011.
- ^ 生田 健; 広渡 健 (1993). 「ステレオリソグラフィーと金属成形によるリアル3次元マイクロファブリケーション」[1993] Proceedings IEEE Micro Electro Mechanical Systems . IEEE. pp. 42–47. doi :10.1109/memsys.1993.296949. ISBN 978-0780309579. S2CID 110913866。
- ^ abcd Fang, Nicholas. 「Projection Microstereolithography」（PDF）。イリノイ大学機械科学工学部。2015年2月23日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。 2015年4月13日閲覧。
- ^ Lee, Howon; Xia, Chunguang; Fang, Nicholas Xuanlai (2008)。「ポリマーの膨潤を利用したバイオミメティックマイクロアクチュエータ」。ナノ製造技術、マイクロおよびナノシステム、パート A および B。第 13 巻。pp. 765–769。doi : 10.1115/imece2008-67594。ISBN 978-0-7918-4874-6。
- ^ Xia , Chunguang; Fang, Nicholas X. (2009-10-06). 「毛細管を備えた3Dマイクロファブリケーテッドバイオリアクター」。バイオメディカルマイクロデバイス。11 ( 6): 1309–1315。doi : 10.1007 /s10544-009-9350-4。ISSN 1387-2176。PMID 19806459。S2CID 1220201 。