Valentine Ananikov氏は、モスクワのZelinsky Institute of Organic Chemistryで、細菌よりも小さな金属ナノ粒子の痕跡だけで結果が変わってしまうほど繊細な化学反応を行っている人物です。 そのため、彼の研究室では実験が終わると、厳重な洗浄が必要になる。 少なくとも、かつてはそうだった。 2016年、アナニコフは代わりに使い捨ての反応容器をつくり始めた。 そのために彼が頼りにしているのは、DIYハッカーやエンジニア、科学者たちの想像力をかきたてる技術だ。 3Dプリントです。
アディティブ マニュファクチャリングとしても知られる3Dプリントでは、3Dコンピューター モデルを、ケーキにアイシングするように、一層ずつ物理的なオブジェクトに変形させます。 Ananikov氏のチームは、この技術を使用して、外部ベンダーが製造して出荷するのを数週間以上待つのではなく、数日で特注の化学反応器を製造しています。 さらに重要なのは、3Dプリンティングのコストが非常に低いため、装置を消耗品として扱うことができ、一度使ったら捨てることができ、後始末が不要であることだ。 「学際的なプロジェクトを扱う研究室にとって、3Dプリントは今や一種の標準ツールです」とAnanikov氏は言います。
3D プリンタは、教育や革新的なオブジェクトの作成のために「メーカー文化」のメンバーによって広く採用されています。 しかし、科学的な研究室においても、標準的な機器になりつつあります。 研究者は、壊れた装置の部品を交換したり、カスタム サンプル ホルダーを作ったり、生体分子から石油を含む岩石まであらゆるものをモデル化したりするために使用できます。 また、臨床医は、インプラントや教育用モデルの作成に使用することができます。
オブジェクトはいくつかのテクノロジーを使って 3D プリントできますが、最も普及しているのは、溶融フィラメント製造 (FFF) であり、溶融堆積モデリングとも呼ばれます。 FFF プリンターでは、細い着色されたフィラメント (通常はプラスチック ワイヤ) を加熱して押し出し、1 層ずつ形状を形成していきます。 これに対し、従来の光造形プリンターでは、光で活性化する樹脂の入ったタンクをレーザーで固め、精密な形状に仕上げていきます。 FFFプリンターは、光造形プリンターに比べて精細な造形物を作ることができませんが、使い勝手がよく、安価です。
市販のFFFプリンタは、数百ドルから数千ドルで入手できます。 あるいは、オープンソースのRepRapプロジェクトのキットや設計を利用して、研究者自身が数百ドルでハードウェアを構築することも可能です。
3D 印刷は新しいものではなく、1980 年代から光造形プリンターが存在していました。 しかし、価格の低下により、この技術は広く利用されるようになりました。 以下は、研究者が3Dプリンティングを活用した4つの方法です。
外出先での装置
Julian Stirling（英国バース大学の物理学者）は、3Dプリントされたプラスチック部品で作ることができる光学顕微鏡を設計したチームの一員です。 タンザニアの現場でそれらを製作し、血液中の寄生虫を探し出してマラリアの診断に使用することを考えています。 タンザニアでは、科学機器を修理するための知識のある整備士や地元の部品が不足しており、部品の輸入には費用と時間がかかるという。 3Dプリントで部品を作れば、地元の医師や科学者は、より早く、より安く顕微鏡を修理することができます。 タンザニアのある企業は、電子機器廃棄物や地元の材料からFFFプリンターを作りました、と彼は付け加えます。
Thingiverse や MyMiniFactory などのいくつかの Web サイトでは、科学者がプリント可能なコンポーネントのコンピューター モデルを共有するためのフォーラムが提供されています。 しかしスターリング氏の経験では、これらのサイトのモデルは不完全であることが多く、特定のプロジェクトに関する文書や、設計を修正するための重要なファイルが欠けています。 そこで彼のチームは、OpenSCADと呼ばれるオープンソースのプログラミング言語を使って、一から製作を行うことにした。 彼らの顕微鏡は、カメラ、モーター、レンズを除いて、完全に 3D プリントすることができます。 しかし、この技術は高速かつ安価であるため、設計を反復するのは簡単です。 「この経験は、試行錯誤を重ねることでしか積み上げることができません」と彼は指摘します。
スターリング氏は、実験室で3Dプリンターを使うのと、現場で使うのとでは大きな違いがあることを実践で学びました。 タンザニアの湿度の高い気候でプラスチックフィラメントを3Dプリントするのは、一般に、空調の効いた実験室よりも難しい。湿度がプラスチックフィラメントに影響し、プリントの失敗が多くなるためだ。 さらに、停電も珍しくなく、停電が復旧すると、一部のプリンターだけが半完成品の印刷を再開することができます。 スターリング氏と彼のチームが気候についてできることは多くありませんが、印刷ジョブが完成まで実行されるように無停電電源装置を使用していると、彼は言います。
生命のような臓器
ニューヨークのロチェスター大学医療センターの泌尿器外科医、アーメド ガジは、3D 印刷で機能しない人間の臓器を作成し、外科医はそれを使ってロボット支援手術を練習できます。 脾臓を摘出するような比較的単純な手術であれば、このような練習の必要性はほとんどありません。 しかし、腫瘍の切除など、より複雑な手術は、患者によって大きく異なる可能性があります。 Ghazi 氏が指摘するように、「腫瘍は教科書には載っていません」
Ghazi 氏は、まず患者の組織の 3D コンピュータ支援断層撮影スキャンを行い、そのデータをベルギー、ルーヴェンの Materialise 社の商用医療モデリング ソフトウェア Mimics とカリフォルニア州サンラファエルの Autodesk社の無料ツール Meshmixer に送り込んで 3D モデルの作成に使用します。 次に、そのモデルをFFFプリンターで中空のプラスチック型として印刷し、偽血液ポンプに接続する血管のレプリカを挿入し、型にハイドロゲルを注入して固め、器官のような硬さを持つ物体にしています。 出来上がった構造は、外科医が出血などの現実的な結果を伴う手術を練習するのに十分なほどリアルです。
Ghazi によると、彼と彼のチームはこれらのモデルを週に最大 4 件の手術に使用しています。 各ケースで、彼らはモデルのコピーを2つ作成し、最も正確な表現を選びます。 そして、心臓や肝臓の手術などの分野でこの技術を応用するために、他の医師を訓練しているのです。 「これは間違いなく、もっと普及するものです」とGhaziは言う。
しかし、不完全な部分も残っています。 FFFプリンターで作られた金型には、小さな隆起やくぼみがあることが多いと、Ghazi氏は言います。 こうした欠陥は、肉眼では小さすぎて見えないことが多いのですが、ロボット・カメラでははっきりと見えるので、外科医の経験に影響を与える可能性があります。 Ghaziの解決策は、常温のワックスを型の内側に塗り、隆起やくぼみを埋めて、最終的な製品を滑らかにすることです。 「
Replica rocks
グランドフォークスにあるノースダコタ大学の石油技師、Mehdi Ostadhassan 氏にとって、3D 印刷は岩から石油とガスの抽出を最適化するためのツールになります。
Ostadhassan 氏は、OpenSCAD や市販の 3D コンピューター支援設計ソフトウェア AutoCAD (Autodesk 社) などのプログラムをさまざまな 3D プリンターや材料と組み合わせて使用して「岩」をプリントしています。 これらの岩石モデルは、微細で詳細な孔など、現実的な物理的特性を備えています。Ostadhassanは、現実の同等物を通して液体がどのように流れるかをよりよく理解するために、岩石に物理的ストレスを与えています。
最もリアルな岩石を作るために、Ostadhassan氏は、石膏の粉末やケイ砂に液体の結合剤を何層にも塗布するバインダージェット技術など、さまざまな印刷アプローチを使用しています。 このプロセスでは、本物の岩石に近い機械的特性を持つオブジェクトを作成することができます。 しかし、結合していない粉が孔に詰まることもあり、最終製品の品質が低下するとオスタハッサンは言う。 また、実験によっては、「濡れ性」をよくするために撥水処理をする必要があるそうだ。 ステレオリソグラフィープリンターは、液体の流れ特性を研究するために細長い孔を持つ岩石を印刷するのに適しているが、そのモデルはバインダージェットで印刷した岩石ほど強くない。
そのため、Ostadhassan は他の研究者と共同して、これらの孔や亀裂を模倣しつつ、実際の岩石と同じ機械的強度を持つモデルを作成できるカスタム プリンターを開発中です。 「3Dプリントの材料は、非常に、非常に限られています」と、科学用3Dプリンターを製造する中国・深センのUniMaker社の最高経営責任者、ヤン・ヤン（Yang Yang）は言います。 しかし、この分野での研究は活発で、変化は起こりつつあります。 成長分野として注目されているのが、構造化された生体材料の作成に使用されるバイオプリンティングです。 中国の上海交通大学の生物医学研究者であるJin-Ye Wang氏は、教室で使用するためにこのような装置を手に入れたと言います。 これらのバイオプリンタは、細胞とハイドロゲルを混合して、骨や腫瘍モデルなどの構造体を作成します。
もうひとつの成長分野は、金属だとヤンは言います。 金属対応プリンタは、電子ビームまたはレーザーを使用して、定義されたパターンで金属粉末を溶かします。 パースにある西オーストラリア大学の物理学者で、暗黒物質を研究しているJeremy Bourhill氏は、レーザーベースの3D金属プリンターを使って、超伝導ニオブのメッシュを作ることを研究しています。 これは、暗黒物質の検出を妨害する強い磁場を遮断するのに使えるかもしれないと、Bourhill氏は言う。
従来の機械加工でメッシュを作るには、有毒な潤滑剤が必要で、高価なニオブを相当量廃棄することになる。 そこでBourhill氏のチームは、高出力レーザーを使用して、金属粉末の断面を溶かして融合させることにした。 しかし、ニオブの融点は約2,500℃なので、このプロセスには相当な電力が必要である。 「ニオブは本当にタフな素材なのです」とBourhill氏は言う。
かつて、Bourhill 氏のような研究者は、選択肢を制限されていたことでしょう。 しかし、3Dプリンターの利用が可能になったことで、根本的な変化が起こりました。中国武漢のHuazhong University of Science and Technologyの材料エンジニアであるYusheng Shi氏は、3Dプリンターは集中型製造に取って代わり、パーソナライズド製造を可能にすると述べています。 これらの例が示すように、研究者はその力を使って何ができるかの表面を削ったにすぎません。