タイプI光開始可逆的付加フラグメンテーション連鎖移動重合による3DプリンティングおよびIn Situ表面改質

アディティブマニュファクチャリングと3Dプリンティングは、幾何学的に複雑な材料を製造するためのより効率的で容易なルートを提供することにより、材料製造に革命をもたらしました¹。3Dプリンティングにおける設計の自由度の向上とは別に、これらの技術は、層ごとの製造プロセスで前駆体材料を賢明に使用することにより、従来の減法製造プロセスよりも廃棄物が少なくて済みます。1980年代以降、高分子、金属、セラミック部品を製造するために、さまざまな3D印刷技術が開発されてきました¹。最も一般的に使用される方法には、溶融フィラメント製造や直接インク書き込み技術²などの押出ベースの3D印刷、選択的レーザー焼結³などの焼結技術、レーザーや投影ベースの光造形などの樹脂ベースの光誘起3D印刷技術、マスクされたデジタル光処理技術^{4が含まれます。}.今日存在する多くの3D印刷技術の中で、光誘起3D印刷技術は、より高い解像度およびより速い印刷速度、ならびに室温で液体樹脂の固化を行う能力を含む他の方法と比較していくつかの利点を提供し、高度な生体材料3D印刷の可能性を開く4,5,6,7,8^、9.

これらの利点により、多くの分野で3D印刷が広く採用されていますが、3D印刷材料の特性を独立して調整する能力が限られているため、将来の用途が制限されています¹⁰。特に、界面特性とは無関係にバルク機械的特性を容易に調整することができないため、細かく調整された生体適合性表面としばしば大きく異なるバルク特性を必要とするインプラントなどのアプリケーション、ならびに防汚および抗菌表面、センサー材料、およびその他のスマートマテリアル¹¹、^12、13.研究者らは、これらの問題を克服するために3Dプリント材料の表面改質を提案し、より独立して調整可能なバルクおよび界面特性を提供する^10,14,15。

最近、私たちのグループは、ネットワークポリマー合成を媒介するために可逆的な付加フラグメンテーション連鎖移動(RAFT)重合を利用する光誘起3D印刷プロセスを開発しました^15,16。RAFT重合は可逆的失活ラジカル重合の一種で、重合プロセスを高度に制御し、細かく調整された分子量およびトポロジー、および広い化学的範囲を有する高分子材料の製造を可能にする^17,18,19。注目すべきことに、RAFT重合中に使用されるチオカルボニルチオ化合物、またはRAFT剤は、重合後に保持される。したがって、それらは、高分子材料の化学的および物理的特性をさらに改変するために再活性化され得る。したがって、3D印刷後、3D印刷材料の表面上のこれらの休眠RAFT剤を官能性モノマーの存在下で再活性化して、カスタマイズされた材料表面20、²¹、22、²³、^24、25、26を提供することができる。二次表面重合は、界面材料特性を決定し、光化学開始を介して空間的に制御された様式で行うことができる。

本プロトコルは、光誘起RAFT重合プロセスおよびそれに続くin situ表面改質を介してポリマー材料を3D印刷し、バルク材料の機械的特性とは無関係に界面特性を調節する方法を記載する。以前の3Dプリンティングおよび表面改質アプローチと比較して、現在のプロトコルは脱酸素やその他の厳しい条件を必要としないため、非専門家にとって非常にアクセスしやすいものです。さらに、3D印刷ハードウェアを使用して初期材料製造と表面後機能化の両方を実行することで、材料特性を空間的に制御でき、複雑なパターンを作成するためにいくつかの異なるフォトマスクの退屈なアライメントなしで実行できます。