3Dプリントされた微小粒子が医療とエレクトロニクスを変える可能性

3D印刷の世界では革命が急速に進んでいます。今月初め、ドイツのある企業が 作成 したWave Houseは3D印刷を用いて建てられました。これはヨーロッパ最大の3Dプリント建築で、面積は600平方メートル（6,600平方フィート）で、従来の建設方法では実現できなかった波状のデザインという異様な外観を持ちます。3D建設印刷技術は設計の自由度を提供し、約140時間で完成しました。

先週、世界初の 3Dプリントモスク、面積5,600平方メートルで、サウジアラビアのジッダにオープンしました。モスクの建設完了までに6か月かかりました。

3D印刷技術に関して、テキサス拠点のICONは最近 発表 したロボットアーム搭載の3Dプリンター、Phoenixです。このプリンターは低炭素混合物から完全に閉じたシステムで多層構造を作成できます。高さ70フィート（約21メートル）のPhoenixは、ICONの現在のプリンターVulcan（シャーシが地面に近いガントリーシステム）よりも高い構造（最大27フィート）を可能にします。

同社はまた、CarbonXという新しい材料混合物の開発を発表しました。これは「スケールで使用できる最低炭素の住宅建築システム」です。さらに、ICONはAIをシステムに統合し、誰でもVitruviusプラットフォームを通じて3D印刷可能な住宅設計図を作成できるようにしました。

しかしそれだけではありません。先月、3D印刷は 可能にしました 極めてリアルな義眼をわずか90分で作成でき、熟練技術者が手作業で作る通常の8時間と比較して大幅に短縮されました。そのほか、ドローン、推進剤、爆薬の3D印刷もあります。

上記で述べたように、3D印刷は明らかに急速に進歩しており、この分野への関心が急激に高まっていることは納得できます。関心の高まりは、この技術がカスタム形状を作成し、1つの部品で複数の材料を印刷できる能力に起因しており、コストと材料を節約しながら環境にも優しいです。

付加製造（アディティブ・マニュファクチャリング）とも呼ばれる3D印刷は、プリンターを使用して材料を層ごとに積み重ねてオブジェクトを構築します。しかし、材料の制限、特定材料の成形、サイズの制約、設計の不正確さなど、課題も多くあります。

そのため、科学者たちはこれらの課題を克服し、3D印刷をさらに効果的かつスケールで実用的にする方法を模索しています。

最近、ある研究で、1日あたり最大100万個の粒子を、製造に使用できるほぼ任意の形状で作成するマイクロスケールの3D印刷新プロセスが考案されました。

3D印刷による微小粒子

Natureに掲載されたこの 研究は「ロール・ツー・ロール、高解像度の形状特異的粒子の3D印刷」と呼ばれ、スタンフォード大学の研究者によって実施されました。

研究に関わった人々は、スタンフォード大学化学部の博士課程学生Jason M. Kronenfeld、放射線学部のLukas RotherとMaria T. Dulay、そして放射線学部と化学工学部の両方に所属するMax A. SacconeとJoseph M. DeSimoneです。

研究では、粒子製造がマイクロエレクトロニクス、研磨剤、粒状システム、マイクロ流体工学、バイオエンジニアリング、薬剤・ワクチンの投与など多様な応用により人気が高まっていることが指摘されました。

これらの極めて小さな3Dプリント粒子は幅広い応用がある一方で、ステージの動き、光の照射、樹脂（非常に粘着性のある物質）の特性間の正確な調整が必要です。このため、カスタムマイクロスケール粒子のスケーラブルな製造は困難です。

そのため、スタンフォードの研究者は形状特異的粒子の製造にスケール可能な高解像度3D印刷技術を導入しました。このプロセスはロール・ツー・ロール連続液体インターフェース製造（r2rCLIP）に基づいており、1日あたり膨大な量のカスタマイズ可能で高度に詳細なマイクロスケール粒子を印刷する効率が格段に向上しています。

研究の第一著者であるDeSimone研究室の博士課程候補生Kronenfeldによれば、この技術は幅広い材料から微視的スケールでより複雑な形状を作成でき、粒子製造においてこれまでにない速度で実現できると述べています。

この研究は、DeSimoneらが2015年に導入した連続液体インターフェース製造（CLIP）という印刷技術を基盤としています。

CLIPはUV光を使用し、スライス状に投影して樹脂を迅速に硬化させ、目的の形状を作ります。この技術の特徴は、UV光プロジェクターの上に酸素が透過できる窓があることです。この酸素透過窓は「デッドゾーン」と呼ばれる領域を作り、液体樹脂が窓に付着するのを防ぎます。そのため、各層を窓から剥がすことなく繊細な形状を硬化でき、粒子印刷が高速化します。

共著者のDeSimoneは、スタンフォード大学のトランスレーショナル・メディシンのSanjiv Sam Gambhir教授で、医療機器、ナノ医薬、3D印刷の分野で数々の画期的成果を上げてきました。彼は次のように述べました：

「型なしで光を使って物体を製造することは、粒子の世界に全く新しい地平を切り開く」

これをスケーラブルに実現することで、これらの粒子を「将来の産業を牽引する」ために活用する機会がさらに広がります、と彼は付け加えました。

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r2rCLIPによる大量生産の実現

CLIPを基に、研究者はユニークな形状のナノスケール粒子を大量生産する新プロセスを開発しました。まず、フィルムを慎重に張力をかけてCLIPプリンターに送り、同時に数百の形状がフィルム上に印刷されました。

次に、洗浄、硬化、形状の除去へと移ります。これらの工程は使用材料や形状に応じてカスタマイズ可能です。最後に空のフィルムは再び巻き戻され、これがロール・ツー・ロールCLIP、すなわちr2rCLIPという名称の由来です。

単桁のミクロン分解能光学系と、静的プラットフォームではなく連続フィルムロールを使用することで、研究者は異なる材料からの粒子の迅速な可変製造と、より複雑な形状のリフトオフを実現しました。

研究によると、これらの形状は高度な金型ベースの技術では実現できず、チームのアプローチの独自性を示しています。

r2rCLIPの成形可能形態と非成形形態の両方が、印刷時のボクセルサイズ2.0 × 2.0 µm²、支持なしの厚さ1.1 ± 0.3 µmで示されました。

ロール・ツー・ロールCLIP以前は、印刷された粒子のバッチを手作業で処理する必要があり、時間がかかり大きな肉体的労力が必要でした。r2rCLIPの自動化により、1日あたり最大1,000,000個という前例のない規模での製造が可能になりました。

粒子印刷プロセスは、CLIPプリンターの静的ビルドプレートを連続フィルム式のモジュラー・ロール・ツー・ロールシステムに置き換えることで完全自動化を実現しました。これにより、洗浄、後硬化、粒子リフトオフ（収穫）を含むインライン自動後処理が可能になります。

論文では、ロール・ツー・ロールCLIP技術を粒子製造に使用する大きな利点は、元々金型不要のプロセスであることだと指摘しています。これにより、レイアウトを変更することなく広範な粒子形状を製造できます。

粒子製造に関しては、さまざまなアプローチがスケーラビリティ、速度、均一性、材料特性、幾何学的制御の間でトレードオフを伴います。例えば、ナノメートルスケールで印刷できるプロセスは、速度が遅くなる傾向があります。

「速度と解像度の精密なバランスを取ろうとしている」とKronenfeldは述べました。彼の指摘によれば、彼らの技術は「特に高解像度の出力を製造できる」だけでなく、さまざまな用途に必要な粒子生産量を満たすための速度も維持できるとのことです。

彼は付け加えました：

「実用的なインパクトの可能性がある技術は、研究室規模から産業規模への適応が実現可能でなければならない」

広範な応用

この研究は、米国国立科学財団大学院研究フェローシッププログラムとビル＆メリンダ・ゲイツ財団の資金提供を受けており、他の研究者や産業界に広く採用されることを目指しています。

3D印刷が急速に進化する中、r2rCLIPは「基礎的技術」と位置付けられます」とDeSimoneは述べました。DeSimoneはスタンフォード大学のSTEMMメンターシップセンター創設教員ディレクター、がん早期検出のカナリーセンター共同ディレクター、Sarafan ChEM-Hの教員フェローでもあります。

しかし、DeSimoneによれば、業界はこれらのプロセスよりも3D製品に焦点を当て始めており、これらは「明らかに価値があり有用になってきている」とのことです。そこで、現在の疑問は：

「高付加価値の応用は何か？」

研究によれば、精巧な設計を持つ微小粒子は、分析、バイオ医療、先進材料の応用に直接統合できるとされています。

研究者たちは、ハイドロゲルで作られた軟性粒子と硬性粒子の製造を試みており、前者は体内での薬物送達に、後者はマイクロエレクトロニクス製造に応用できる可能性があります。

ハイドロゲル粒子の製造にそれらを使用することで、単一の注入で調整可能な勾配放出やパルス放出プロファイルを実現できます。これまで多くの研究で適切な光重合樹脂系の作成や、材料の形状・サイズ・生体適合性が局在化と送達に与える影響が検討されてきました。これによりバイオスキャフォールドや送達マニホールドが作られ、スケーラブルで可変な製造プロセスを伴わないものの、薬物送達用ハイドロゲル粒子の製造に多数の可能性が開かれました。

ここで、チームは400 µmのユニットサイズのハイドロゲルキューブを作製し、印刷後に約8 nlの代表的な荷物を手動で充填し、ハイドロゲルキャップで覆いました。研究は、薬物送達ベクターの動態に関する過去の研究を基に、分子量と壁厚の調整可能な特性を活用して、将来的にプログラム可能な荷物放出パレットの可能性を強調しました。

セラミックからハイドロゲルまでの材料と機械的多様性は、スマートマテリアルの創出にも役立ちます。したがって、これほど広範な範囲での製造可能性を示すことで、このスケーラブルな粒子生産アプローチはマイクロツールやエレクトロニクスへの応用可能性もあると付け加えました。

一方で、この技術（r2rCLIP）の高スループットは、マイクロロボットや貨物配送システムなどのマイクロデバイスの産業規模生産に直接的な影響を与えます。特にセラミック材料の製造に有用です。

研究は、前駆体セラミック樹脂を利用して大量の技術用セラミック粒子を製造することで、マイクロエレクトロメカニカルシステム、機械的平坦化技術のスラリー成分、そして通信や医療などの産業用途に使える導電性粒子への応用が可能になると述べています。

シニア研究科学者のDulayによれば：

「応用範囲は広く、私たちはまだ探求の初期段階です。この技術がここまで来たことは非常に驚異的です」

革新的なアディティブ・マニュファクチャリング手法を採用する企業

では、3D印刷の分野で先導している企業をいくつか見てみましょう：

#1. HP Inc.

従来の印刷業界でよく知られた名前であるHP Inc. (HPQ ) は、産業向けのマルチジェット融合（MJF）技術に多くの取り組みを行っており、これは高速3D印刷と各ボクセルの特性を制御できることを特徴としています。同社の産業向けおよびプロトタイピング向けJet Fusionは、柔軟な大量生産向けに最適化された5600シリーズ、品質の高い白色用途向け5400シリーズ、価値の高い最終3D部品生産向け5200シリーズ、そして生産性とコスト最適化向け4200シリーズを提供しています。

今週、HPは新素材PA 12 Sを活用した3Dプリント部品をベルリンで開催される年次AMフォーラム会議で展示する予定です。この素材は同社の産業向け3Dポリマーソリューション向けにカスタム製造され、コスト削減や優れた表面美観といった利点を提供します。

時価総額は298.3億ドルで、株価は30.66ドル（年初来1.1%上昇）で取引されています。売上高（TTM）は531億ドル、EPS（TTM）は3.41、P/E（TTM）は8.91です。配当利回りは3.62%。

#2. Materialise NV

このベルギー拠点の企業は、金属およびポリマー印刷を含む幅広い3D印刷サービスを提供しています。特に医療分野での専門知識で知られ、インプラント、手術ガイド、解剖モデルの3D印刷に活用しています。

昨年末、日系のイメージング・エレクトロニクス企業RicohはMaterialiseと提携し、米国の病院でポイントオブケア3D印刷を導入、患者の解剖モデルの製造を可能にしました。そして先月、Materialiseは個別化された3Dプリント顎関節（TMJ）治療を開始しました。

時価総額は2.9356億ドルで、株価は5.36ドル（年初来24%以上下落）で取引されています。売上高（TTM）は2.7869億ドル、EPS（TTM）は0.13、P/E（TTM）は39.57です。

最近、同社は2023年全体および第4四半期の財務結果を発表し、売上高はそれぞれ4.1%増の6,530万ユーロ、10.4%増の2億5,610万ユーロとなりましたが、これは「不安定なマクロ経済・地政学的状況」の中でも達成されました。

Materialiseはまた、1億2,800万ユーロの現金・現金等価物を報告し、CEOのBrigitte de Vet-Veithenは、追加の資金調達と合わせて、同社が革新的な3D製品とソフトウェアソリューションを提供し続けるために「十分な体制」を整えていると述べました。

結論

上記で述べたように、3D印刷は医療、自動車、航空宇宙、消費財、ジュエリー、防衛・軍事など多くの産業で大きな利点があります。関心が高まっており、利用が拡大していますが、今後数年で規模でのオブジェクト生産が可能になる研究が進むにつれて、採用はさらに増えるでしょう。3D印刷の未来は単に明るいことを示し、製造を革命し、よりレジリエントな未来を創造する約束を示しています。