この数十年間で、積層造形（特に3D印刷）が目覚ましく発展しました。 この技術は、試作装置としてだけでなく、最終製品並みの品質を実現することもできる技術としても活用されています。 Widener University（米国ペンシルバニア州チェスター）のチームは最近、3D印刷で広く用いられているプラスチックフィラメント材料であるポリ乳酸ポリマー（PLA）の石灰化プロセスを研究しました。
Dr. Babak EslamiとJessica Schlosser
生物医学、ロボット工学、自動車、建築などの業界は、すでに3D印刷を主要な製造ツールの1つとして使用している数少ない業界です。
一例として、ポリ乳酸ポリマー（PLA）は、人工心臓弁へ使用できる可能性があるとして、多くの研究者によって研究が行われています。 この取り組みにおける主な課題は、プラスチック製弁の石灰化と硬化現象です。 そこで私たちの最近の研究活動では、PLAポリマー薄膜の石灰化プロセスを研究しています。
研究方法
PLAポリマーをアルコールに溶解し、塩化ナトリウムを異なる重量濃度（10%、15%、20%）で溶液に添加し、それぞれにサンプル1、2、3と表示しました。 次にこの溶液を毎分3500回転で1分間シリコンウェーハ上にスピンコートしました。 Asylum Research MFP-3D Origin原子間力顕微鏡（AFM）を用いて、各サンプルをバイモーダルAFM技術により画像化します。
バイモーダルAFM技術では、マイクロカンチレバーは、より高い固有モード周波数（つまり、主に第2）だけでなく、第1固有モード周波数によっても励起します。 第１固有モードは地形情報用に確保され、第2固有モードは組成マッピング用に確保されます。 シングルパス測定では、サンプルの組成マッピングとトポグラフィーの両方を取得できます。 さらに、接触モード力分光法技術を使用すると、力対距離の曲線を取得できます。 データを材料モデルに適合させて、材料特性を抽出します。
結果
図1（a）に示したバイモーダルAFMの研究では、位相がトポグラフィーに重ねられています。 示されているように、塩濃度が増加すると、表面の剛性に加え表面粗さも増加します（トポグラフィーが高く、位相値が低くなる）。
この現象は、表面に対して力分光法（図1（b）を参照）を実行し、データをDerjagin、Muller、Topov（DMT）モデルに適合させることによっても検証されます。図1（c）および図1（d）に示されるように、DMTモデルは、研究対象の表面の平均ヤング率を提供します。
図1。 AFM結果の概要： （a）バイモーダルAFM（トポグラフィーに重ね合わせた位相）、（b）力の分光曲線、（c）材料特性の概要、（d）DMTモデル図。
さらに図２は、MountainsSPIP®ソフトウェアの粒子分析ツール（閾値検出法）を用いて明らかになった塩領域を表します。 この図は、塩分汚染されている表面領域の割合を示しています。
図2。 AFM位相画像に基づくサンプルの粒子分析： （a）ハイライトされている領域は石灰化領域で、（b）サンプルごとの表面積の割合です。
解説
最新のマイクロスケール技術やナノスケール技術を用いれば、特性評価技術を実施することは、もはや難しいものではありません。 しかし、大規模なデータセットを分析したり、傾向をより詳細に理解するために可視化する場合には、さらに多くの課題が生じます。 重要な情報は、MountainsSPIP®ソフトウェアなどの分析ツールによって分析および表現できます。
私たちの研究では、AFMを用いることで、PLA表面の石灰化によって起こる硬化現象を定量化できると結論付けました。 これによって、極端な環境条件下での3D印刷された心臓弁やロボットアームなどのPLA表面の剛性を強化することに関心のある業界をサポートすることができます。
著者について
Jessica SchlosserとDr. Babak Eslamiはそれぞれ米国ペンシルベニア州チェスターのWidener University機械工学科の大学院生と助教授です。
お問合せ: beslami@widener.edu
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Schlosser, J.; Keller, M.; Fouladi, K.; Eslami, B. Strengthening Polylactic Acid by Salification: Surface Characterization Study. Polymers 2023, 15, 492. https://doi.org/10.3390/polym15030492
使用されたインスツルメントおよびソフトウェア
Asylum Research MFP3D Origin原子間力顕微鏡（AFM）+ MountainsSPIP®ソフトウェア