AutoBio1000 は、高インパクト材料研究において華東師範大学と KAIST を支援します
2025-12-03最近、華東師範大学（ECNU）通信電子工学科/集積回路学科の助教である于哲博士は、韓国科学技術院（KAIST）のU・ビン准教授と共に、国際トップジャーナル『Journal of Materials Chemistry A』にインパクトの高い研究論文を発表しました。論文のタイトルは「“Multiple artificial mechanoreceptor-embedded waterproof ciliated E-skin via direct-ink-writing vertically 3D printing toward health management of seafarers”（DOI：10.1039/d5ta04906g）」です。
この研究では、Soongon Technology社が開発・製造したAutoBio1000 3Dプリンターが、垂直ダイレクトインク書き込み（DIW）3Dプリンティングを通じて、高アスペクト比の微小繊毛構造体の製造を効率的に完了させました。これは、新たに開発された防水繊毛電子皮膚（WCES）の性能向上に不可欠な技術的支援を提供しました。
セクションI. 研究背景：海洋環境における健康モニタリングのブレークスルーの緊急な必要性
世界の国境を越えた貿易の80％以上が海上輸送に依存しています。船員は、閉鎖的で高湿度の船内環境で長時間労働するため、異常な血圧、循環器系の障害、自律神経系の機能不全などの健康問題にかかりやすくなっています。しかし、従来のウェアラブルセンサーは、高湿度条件下での信号の不安定性に悩まされることが多く、継続的な生理学的モニタリングを困難にしています。既存の防水電子皮膚（E-skin）も、感度の低さや複雑な製造プロセスなどの制限に直面しており、海洋用途の実用的なニーズを満たすことができていません。
これらの課題に対処するため、ECNUとKAISTの研究チームは、人間の表皮毛と機械受容器の構造的および機能的特性から着想を得ました。彼らは、垂直3Dプリントされた微小繊毛構造と埋め込まれた人工機械受容器を統合する相乗的な設計を提案しました。精密な押出制御と強力なプロセス互換性を備えたSoongon AutoBio1000 DIW 3Dプリンターは、この革新的な設計を可能にする主要な装置として機能しました。
コンセプト図1：表皮毛と微小繊毛アレイの模式図。
（a）表皮毛とその、急速適応型および緩徐適応型受容器などの真皮内の複数の機械受容器との相互作用の図。
（b）防水繊毛電子皮膚（WCES）の設計原理。カーボンブラック（CB）とイオン液体（IL）を埋め込んだポリウレタン（PU）マトリックスに基づいています。印加された圧力の下で、カーボンブラックの粒子スライディングとイオン液中のイオン移動は、それぞれ急速適応型および緩徐適応型機械受容器の応答を模倣します。揮発性溶媒を使用してポリウレタン複合体を高降伏応力インクに配合し、押出ベースのダイレクトインク書き込みによる微小繊毛構造の垂直3D印刷を可能にします。このプロセス中、急速な溶媒蒸発は表面での構造的安定性に貢献します。
セクションII：コアブレークスルー：SenGo AutoBio1000 3Dプリンターが高性能WCES製造を実現
1. 高アスペクト比マイクロピラーの印刷という技術的課題の克服
マイクロピラーは、WCESが防水性と高感度の両方を実現するためのコア構造です。露出部分は疎水性保護層を形成し、埋め込み部分は機械信号を伝達します。しかし、従来のダイレクトインク書き込み（DIW）3Dプリンティングは、インクのレオロジー特性によって制限され、高アスペクト比（H/F）の垂直配向マイクロピラーの製造を困難にしています。チームは、ポリウレタン（PU）をマトリックスとして使用し、カーボンブラック（CB）、イオン液体（IL）、および揮発性溶媒DMFを添加したインク配合を最適化し、SenGo AutoBio1000 3Dプリンターの精密なパラメータ制御機能を活用して、マイクロピラーの垂直3D印刷を成功させました。その結果、マイクロピラーは3.55のアスペクト比に達し、印刷中の急速な溶媒蒸発は、構造的崩壊を防ぐ安定した外殻を形成し、WCESの性能の基盤を築きました。
図1：異なる材料で作られたフィルムとマイクロピラー印刷プロセスの特性。
（a）異なる材料で作られたフィルムの圧力下での電気的応答。
（b）異なる負荷条件下でのPU、CB、およびILで構成されたフィルムのインピーダンスナイキストプロット。
（c）異なるインクでのマイクロピラーの垂直3D印刷中の重要な瞬間を捉えた写真。左から右へ、インク中のCB含有量はそれぞれ35 wt％、40 wt％、45 wt％です。
（d）3つのインクサンプルのレオロジー特性。実線と破線は、それぞれ貯蔵弾性率（G'）と損失弾性率（G''）を表します。
（e）せん断速度の関数としてのインクサンプルの見かけ粘度（η）。
2. 「防水性+高感度」の二重の利点の実現
AutoBio1000 3Dプリンターを介して製造されたマイクロピラーアレイWCESは、優れた性能を示しています。
* 優れた防水性：マイクロピラー構造は、材料の接触角を41.3°から113.7°に増加させ、ミクロンサイズの空気バリアを形成します。水滴は表面から容易に転がり落ち、海水（5％NaCl溶液）、お茶、ジュース、その他の液体に浸漬した後、信号減衰率は最大7.75％です。
* 超高感度：マイクロピラーの応力集中効果と、CB（高速適応型受容器、FA-Rをシミュレート）とIL（低速適応型受容器、SA-Rをシミュレート）を使用したデュアルモード機械トランスダクションにより、WCESは0〜10 kPaの圧力範囲で14.9 kPa⁻¹の感度を達成し、既存の防水センサー（0.001〜1 kPa⁻¹）をはるかに上回っています。
* 優れた安定性：10,000回の圧力サイクルと6日間の加速エージングテスト（6か月の自然暴露をシミュレート）の後、WCESは安定した電気的および機械的性能を維持し、1.96 MJ/m³の破壊靭性を備えています。
図2. WCESの微細構造と電気的性能。
（a）垂直に印刷されたマイクロピラーアレイの写真。スケールバー：5 mm。インセットは、アレイの光学顕微鏡画像を示しています。スケールバー：1 mm。
（b）単一のマイクロピラーのSEM画像と、EDSによって得られた対応する元素分布マップ。左側のSEM画像と拡大されたSEM画像のスケールバーは、それぞれ300 μmと20 μmです。
（c）マイクロピラーアレイをフィルム表面に印刷する前後の水接触角測定を示す写真。
（d）マイクロピラーアレイを備えたフィルム表面を転がる水滴のテスト写真。
（e）異なる密度のマイクロピラーアレイを備えたWCESの圧力依存電気的応答スペクトル。
（f）異なる圧力範囲での5×5マイクロピラーアレイを備えたWCESの線形感度。
（g）本研究（赤）で垂直に印刷されたWCESと、以前に報告された防水センサー（青）および従来のセンサー（紫）の感度の比較。
（h）異なる溶液への浸漬後のWCES感度の経時変化。
（i）加速エージングテスト前後のサンプルのATR-FTIRスペクトル。
図3. 動的範囲（DH）（a）、再現性（bおよびc）、応答時間（RT）（d）、および検出限界（LoD）（e）を含む、浸漬前後の水-カーボン電極センサー（WCES）のその他のセンシング性能の変化。
（f）浸漬前後の10,000サイクル後のWCESの安定性テスト結果。
（g）有限要素解析によって得られた100 kPaの圧力下でのマイクロピラーの応力分布。
（h）圧力負荷-アンロードプロセス中のマイクロピラーの過負荷を示す写真。
セクションIII. 実用的なアプリケーション：手の届く範囲の海洋健康モニタリングシステム
（a）WCESに基づく乗組員の健康管理システムの模式図。
（b）座位、歩行、ジョギング状態の3人のボランティアからWCESによって検出された脈波信号。
（c）主成分分析（PCA）を使用した次元削減後のランダムフォレスト（RF）分類の可視化。
（d）RFモデルトレーニング中の反復回数による異なる脈波信号の認識精度の変化。
（e）70回のトレーニング反復後の混同行列。
セクションIV. 機器の価値：SenGo Technologyが科学的イノベーションを強化
AutoBio1000は、深センSenGo Technology Co.、Ltd.の科学3Dプリンティング機器であるAutoBioシリーズの専門的な構成であり、DIW（ダイレクトインク書き込み）3Dプリンティング技術を利用しています。「高互換性、高精度、高安定性」というコアな利点により、材料科学、フレキシブルエレクトロニクス、バイオメディシンなどの分野の研究チームにとって不可欠なツールとなっています。
このシステムは、ポリマー、複合材料、バイオインクなど、さまざまなインクシステムでの押出ベースの製造をサポートし、印刷パラメータの正確な制御を可能にし、マルチモーダルアップグレードを可能にします。平面から三次元へ、ミクロンからミリメートルスケールへの構造体の効率的な製造を容易にし、科学的イノベーションのための柔軟で信頼性の高い機器サポートを提供します。
華東師範大学とKAISTの共同チームの研究成果は、科学機器分野におけるSenGo Technologyの技術力をさらに裏付け、学術的発展を促進する上での「機器-研究」協同イノベーションの重要性を強調しています。今後、SenGo Technologyは、より多くの研究チームに高品質の機器と技術サービスを提供し、より高度な科学的成果の実現を支援していきます。
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