インテリジェント多材料ファイバーのデジタル製造による先進オプトエレクトロニクス

概要

ファイバーは普及しており通常は受動的。ファイバー内でオプトエレクトロニクスを実現すれば、生体合成・ウェアラブルエレクトロニクス、環境センシング、エネルギー収穫など多くの応用分野に革命をもたらす可能性がある。しかし、シリコンなどの結晶半導体で作られたデバイスを、秩序正しく、アドレス可能で、スケーラブルな方法でファイバーに巻き込む材料処理戦略が見つからないため、ファイバー内高性能エレクトロニクス実現は依然として困難。現在のファイバーセンサー製造アプローチは非スケーラブルか、カルコゲナイドガラスなどのアモルファス半導体に限定され、シリコンに比べ電子性能が劣るため、標準シリコンフォトダイオードと比較して帯域幅と感度が限定される。我々のグループは、現代マイクロプロセッサの出現を可能にした超大規模集積（VLSI）に類似した、ファイバー内ロジック回路とセンシングシステムのユニバーサル製造を実証。3Dプリントプリフォーム、ファイバー熱引き抜き、ファイバー埋め込み集積デバイスの材料選択的空間コヒーレント毛管分裂によるポスト引き抜き組み立てを組み合わせた多用途ハイブリッド製造手法を開発。この手法を「ファイバーのためのVLSI」、または「VLSI-Fi」と称する。この方法が、耐久性、低コスト、普及型ファイバーデバイスとセンサーの新クラスを提供し、家具や衣服など人間が作った物と布の統合をInternet of Things（IoT）へ可能にすると信じる。さらに、デジタル製造アプローチをナノエレクトロニクス領域へ拡張し、3Dプリントイノベーションを促進する。

はじめに

ガラス引き抜きファイバーはローマ時代に遡るが、最初の機能的光ファイバーは1792年、フランスのシャップ兄弟が通信目的で製造[1]。1842年、スイス物理学者ジャン＝ダニエル・コラドンが光が水流内部で導波可能なことを示した[2]。これら2つの発見が数十年の光学・材料工学改良を促し、今日の効率的ファイバー、世界中で数万キロメートルの高速通信とデータストレージを可能にし、1996年完成の25,000 kmトランス太平洋海底ケーブル（TPC）などを実現[3,4]。さらに、ファイバー光学センサー（FOS）は生物医学、石油ガス、海洋、建築、化学、航空宇宙など幅広い用途で使用[5,6]。

1996年フィリップ・ラッセル開発のフォトニック結晶ファイバー（PCF）による光伝播制御と性能向上は、より複雑なファイバー内部機能構造研究への扉を開いた[7-9]。新しい微細構造は構成材料の多様性統合も歓迎し[10,11]、エレクトロニクス[12]、オプトエレクトロニクス[11]、ファイバー内合成[13]、マイクロ流体[14]、マイクロ電気機械システム[15,16]、生体合成インターフェイス[17]向けスマートファイバー設計を可能に。スマートファイバーは光通信と商業繊維での典型的用途を超えた非従来機能を含み、従来ファイバーと異なる。スマートファイバーは、微細構造内光干渉による色外観制御で電子テキスタイルの美観に用いられたり[18]、従来光ファイバーガイドと誘電体ミラー裏打ちによる空気中光導波で性能向上に用いられたりする[19,20]。

ファイバーを機能的にするには、様々な電子特性を持つ材料で構成され、特定機能実行のためにアーキテクチャが設計され、内部特徴がナノスケールまで縮小され、現在の通信ファイバーコアより桁違いに小さくなければならない。ファイバーは通常、マクロな円柱または直方体ロッド「プリフォーム」から熱引き抜きにより作製される。製造プロセスは適切なコアとクラッド材料（金属、絶縁体、半導体など）選択から始まる。例えば、金属-絶縁体-半導体構造を含む最初のファイバーは2004年に光検出用で開発[21]。プリフォーム材料は、引き抜き温度での粘度μが概ね4 < log(μ)[poise] < 6の窓で比較可能になるよう選択。これはせん断流と毛管不安定性によるファイバーデバイス形状歪み防止のため必要。この要件が満たせない材料（液相で非常に薄い金属や結晶半導体）は、アスペクト比低く平衡に近い幾何形状のチャネルに限定必須。

プリフォームは本質的にファイバーの拡大版であり、ラグのように材料シートを巻いたり、パズルのように削り出し部品を積層したり、3Dプリント（Figure 1a（I）参照、本レビューで議論）など多様な技術で構築可能、その後真空焼結で固結。プリフォームを炉で加熱し、キャラメルやタフィーのように伸長してファイバー化（Figure 1a（II）引き抜きコーン参照）、与えられた熱力学的特性（粘度、界面エネルギー、相互付着、熱膨張差）に基づき断面配置を保持（Figure 1a（III））[22]。3Dプリントプリフォームの場合、このプロセスをFigure 1aで模式的に図示。典型的引き抜きで数キロメートルのファイバーが得られ、非常に微細なナノスケール断面直径~5 nm達成[23,24]。

引き抜き後工程では、毛管不安定性を利用し、ファイバーを加熱再液化させてコアを空間コヒーレント材料選択的に分裂させ、ファイバー埋め込み構造の軸方向制御を可能にする（Figure 1b参照）[25-27]。コア軸方向パターニングの代替技術には、フォトポリマーコアへのフォトマスク通したUV露光、非自明形状マイクロ粒子生成[28]など。他ハイブリッド機能化技術には、ファイバー表面への機能材料コーティング[10,29]、標準CMOS製造で作製されたオプトエレクトロニクスデバイスアレイによるファイバークラッドへの拘束[12]など。

ファイバーを織物やネットに編み込み、個々ファイバー超える集合機能達成可能[30]。生物模倣設計で、自然の有用特徴に合わせファイバー形状設計、布機能性向上、例：疎水性[31]。ファイバーは安価材料生産合成プラットフォームとしても機能、例：シリカクラッドファイバー内アルミニウムコアをシリコン変換[13]、相分離による熱誘起多孔質構造製造[32]。ファイバーは遠隔分散信号検出にも役立つ、例：有害揮発性物質の環境化学センシング[29]。ファイバー設計柔軟性は、深部脊髄皮質刺激とマウス神経変性疾患研究モニタリングなど複雑応用向け複数機能モダリティ単一ファイバー統合可能[33]。これら例はスマートファイバーが自然解となる領域多様性示す。

動機

ファイバーが普遍的に普及しているにもかかわらず、高性能マイクロエレクトロニクスシステムを薄いファイバー内に統合することは依然として主要課題[11,12]。この課題に対処する様々アプローチ提案、努力は主に低温材料中心。例：高圧化学気相成長（HPCVD）で化合物半導体を微構造光ファイバー（MOF）に統合[34]、柔軟シリコンp-i-n接合ファイバー作製[35]。あるいは、CO₂レーザーでシリカファイバー内SiGeコア再結晶化し電子特性設計[36]。これらアプローチは、カルコゲナイド材料が本質的にアモルファスである場合などデバイス電子帯域幅限定、または本質的に非スケーラブル。

こうした課題を念頭に、Fibers and Additive Manufacturing Enabled Systems Laboratory（FAMES Lab）は、ファイバー3Dアーキテクチャ制御技術を開発・実装、本レビューで記述。最終ファイバー複雑さはプリフォーム断面複雑さと相関するため、プリフォーム自由形状製造は従来不可能だったファイバーデバイス機能実現可能。さらに、3Dプリントは広く利用可能で、コスト効果的ユーザーフレンドリー技術代替、熱可塑性から高温材料、生体材料まで幅広い材料対応[37]。

また、FAMES Labは従来加法製造で用いられる熱可塑性樹脂に加え、高温材料処理能力保有、Si/Ge高電子移動度[38]、将来的にはチタン酸鉛ジルコネート（PZT）/チタン酸バリウム複合材料を圧電応用に利用可能、ポリマー比較で大きな圧電係数[39,40]と高音響帯域幅[41]活用可能。

これら課題考慮し、加法製造による高速複雑プリフォーム製造最適化、毛管分裂シミュレーションによるファイバー軸方向制御最適化、組織工学とファイバー結合提案。これら戦略により、in vitro薬物・治療分析向けバイオセンシング・バイオ機能化能力持つ現実的バイオメディカルプラットフォーム創出可能、有望ファイバーデバイス応用の一つ。

コンセプト

機能的ファイバー実現のため、1970年代に現代マイクロプロセッサ誕生をもたらした超大規模集積（VLSI）—デジタル設計製造技術—から着想。この技術はフォトリソグラフィと半導体基板ウェハー露光領域の化学/熱処理で積層方向（垂直方向）に個々層スタック進行しながら、この層（2D）で集積回路特徴定義。さらに、個々回路構成要素の電子ドーピング（+0D）はイオン注入と熱活性化で制御可能[42]。我々のファイバーアプローチ「ファイバーのためのVLSI」または「VLSI-Fi」は類似：第一に、加法製造とプリフォーム熱引き抜きでファイバーデバイス断面幾何学定義（2D）；第二に、結果ファイバーを後で軸方向パターニング（+1D）、当初連続だが分離したコアから離散デバイスアレイ組み立て可能；第三に、個々ファイバー埋め込みデバイスの分離駆動構造化（0D）実行可能。Table 1で両技術比較、各技術で可能な幾何制御自由度（2D + 1D + 0D）対応強調。記述ステップ模式図をFigure 1詳細表示、VLSI-Fi技術で実現可能なファイバー埋め込みデバイス例示。

実験セクション

本セクションでは、まずポリカーボネートプリフォーム3Dプリント作業、次にステレオリソグラフィ使用ガラス3Dプリント最近進展説明。その後、空間コヒーレント材料選択的毛管分裂によるファイバー軸方向パターニング、当初連続分離コアを並列接触離散デバイスアレイ組み立て可能にする手法アプローチ。最後に、組織工学と結合したバイオインターフェイスファイバー応用提案、ファイバー内マイクロ流体チャネルで細胞・シグナル生化学物質送達、形状記憶合金ワイヤーで運動制御、圧電素子で超音波波による環境マッピングにより機能実現。

3Dプリントプリフォーム引き抜き

前述の通り、従来プリフォーム製造技術（薄膜巻き付け、スタックアンドロー[10]）は複雑幾何構造生成限定的、ファイバー引き抜きプロセスで多大時間必要、熟練労働と高価装置必要。3Dプリントは溶解性サポート材料と半自動ユーザーフレンドリープロセスでこれら問題解決。比較的短時間で非常に複雑幾何形状プリント容易。

ポリカーボネート（Hatchbox 3D）プリフォームプリント角度影響評価のため、単一ヘッドPrusa i3 MK2 FDMプリンターで円柱形と角柱形ロッドプリント。エクストルーダーとプリントベッド温度をそれぞれ235 °Cと105 °Cに設定、0.35 mmノズルで100%充填プリフォーム生産。プリフォーム層方向はプリントベッドに対する部品水平向き依存、熱引き抜き時炉導入で熱流が層向き影響受ける。熱引き抜きに最適向きテストのため、0°、15°、30°、45°、90°向きプリフォームプリント。全角度はプリフォーム縦軸と水平軸間で測定。3Dプリントプリフォームは90 °C、100 °C、200 °C三温度ゾーン炉で熱引き抜きプロセス経験。円柱プリフォームで、熱引き抜きは0°と45°で成功。90°プリフォーム引き抜きは層剥離で常に失敗。

不均衡構造引き抜きも成功、Figure 2a（I）示す角棒で即席充填パターン使用、矩形充填パターン 대신周囲追従順序構造プリント。0°角棒ベースプリフォーム引き抜き成功、わずか変形あるがファイバーはプリフォーム形状保持。40 µm × 60 µm寸法ファイバー引き抜き成功、Figure 2a示す、層剥離なし。さらに全層適切に固結。ファイバー断面例Figure 2a（IV）、アニール前後ファイバー画像Figure 2a（V）と（VI）、アニール後ファイバー光学透明性達成、今後特性評価予定。これら実験から、最も成功プリフォームは0°プリント、90°は引き抜きプロセス中常に層剥離。熱引き抜きファイバー層固結は3Dプリントプリフォーム向き角度減少とともに改善。

ガラスプリフォーム3Dプリント

熱可塑性樹脂以外に、溶融石英などガラスは光学、通信、エレクトロニクスで重要科学工学応用[43]。構造化シリカファイバーは多用途恩恵、例：ファッション染料不要着色、光学化学検出用フォトニック結晶ファイバー、通信・光タイトフォーカシング用シングルモードファイバー。これらファイバーは一般的に2段階プロセス：プリフォーム製造とプリフォーム熱引き抜き。引き抜きプロセス比較的シンプル安価だが、プリフォーム製造は現時点ケースバイケース対応必要、各特定プリフォーム構成ごと別技術開発適用必要。

Figure 2bにソーダライムガラスプリフォームCADモデル示す、Micron3DP[44]製品類似高精度押出ベースプリント技術で成功実現。この材料は特にIRなど長波長で有望光学特性持つ[45]、新規光学機能ファイバー製造候補。クラッド構造が引き抜きプロセス中ファイバー機械的完全性提供—最粘性材料構成—ため、これまでこのファイバーコンポーネント焦点、最終的にプリフォーム断面幾何保存目指す。長期的にはマルチ材料押出技術開発目指し、同一プリントで複数材料モノリシック統合可能。あるいは、SiやGe粉末材料で構造充填、その後焼結でプリフォーム取得可能。Gumennikら類似アプローチ記述[47]。

ソーダライムガラスコア材料ファイバー製造関心ある場合、単純アプローチとしてサスペンデッドコアプリフォームプリント可能。サスペンデッドコアファイバーはセンシング[48]、低損失テラヘルツ導波[49]等様々応用関心、通常ポリマーで実現[49]。このファイバー幾何ではコアがストラットで外層接続支持。引き抜き後、これら構造は関心波長オーダー寸法まで縮小、ガイド光にとってサスペンデッドコア効果生じる。Monroらシリカとビスマスガラス等様々材料サスペンデッドコアファイバー報告[48]。生物化学センシング特化これらファイバー応用例シリーズ提供、ファイバー幾何実行可能性確認。

カスタムレジン使用光造形ベースガラス3Dプリント新規アプローチ設計[50]。ここでは、市販レジン使用ステレオリソグラフィ（SLA）ベース3Dプリントガラスファイバープリフォーム製造法提案、コスト効果的シンプル方法で3Dプリントガラス部品実現。SLAプリンター（Formlabs Form 2）は405 nm波長レーザー使用、ビルドプラットフォーム層ごとに漸次上昇しながら槽底からレジン架橋。

ガラスプリント取得のため、市販クリアレジン（Formlabs FLGPCL04 Clear）に0.79 mm（1/32"）ホウケイ酸ガラスファイバー（#38 Fibre Glast）混合使用。最終プリント材料組成優れた制御可能、ファイバー望ましい特性達成柔軟性提供。ガラスファイバー磁気攪拌機でクリアレジン分散。ガラス少量ずつ添加、各添加後約3分均質化。プリントプロセスでプリンターオープンモード設定、カスタムレジン使用許可。4 × 4 × 50 mm直方体プリフォーム90°向きプリント。プリント後、イソプロパノール10分浸漬余分レジン除去、UV光30分60 °Cで後硬化。ガラスファイバーレジン混合体積比増加（左から右）硬化ガラスプリフォームFigure 2c（I）示す。

プリフォーム後処理で残留レジン脱バインダ、ガラス粒子焼結、全ガラス部品取得。これらプロセス影響Figure 2c（II）図示、硬化後プリフォーム（左）と焼成後（右）。後者でアッシングオーブン焼成由来黒色化観察可能、チップは脱バインダ後白色呈色。Figure 2c（III）焼結前プリフォーム顕微鏡像、全レジン確かに焼成除去、ガラスファイバーのみ相互接続構造形成確認。焼成温度と加熱プロファイル等複数パラメータ制御必要、化学反応と収縮制御。バインダー熱脱バインダはアッシングオーブン使用。結果茶色部品高温チューブオーブン焼結。焼結1300 °C、圧力5 × 10⁻² mbar、[51]規定プロトコル従う。800 °C保持相で分子結合水と表面シラノール基蒸発。真空下焼結で焼結ガラス部品内気泡捕獲低減し光学透明性向上[52]。

後処理後、部品体積と重量測定し密度取得。プリント材料平均密度—硬化レジンとガラスファイバー混合物—と比較、ρ_avg = ρ_resin (1 − χ_v) + ρ_glass (χ_v)で計算、ρ_resin = 1.17 g/cm³硬化クリアレジン密度、ρ_glass = 2.55 g/cm³ミルドガラスファイバー密度、χ_vガラスファイバーレジン混合体積比。

結果Table 2とFigure 2c（IV）グラフィカル表示、ガラスファイバーレジン混合様々体積比プリント部品密度、プリント材料平均密度比較。低ガラス体積比では期待内結果。高ガラス濃度では理想密度線形振舞から逸脱。プリント中沈殿がこれら体積比で顕著化、効果的にそれらプリントで高ガラス濃度生成。プリントプロセス槽底で発生、ガラス濃度沈殿によりプリント中常に増加。初期均一濃度（以上）から開始、計算曲線上に落ちるべき。

Table 2から、21.54 vol%ミルドガラスファイバー充填部品で測定密度1.61 g/cm³、実際体積比31.88 vol%意味。実験プロセス中、実際34.78 vol%ミルドガラスファイバー充填サンプル取得。この結果、Kotzら[53]製造37.5 vol%シリカ充填から遠くない、カスタムレジン開発対比、本研究市販レジン使用。今後方向性：熱処理手順、部品焼結、結果部品機械的光学的特性研究。

コヒーレント材料選択的毛管分裂と分離ドーピング制御

プリフォーム熱引き抜き後、結果は長い細いファイバー、断面保持（Figure 1a（III）参照）。1つ以上コア持つファイバー場合、これらを空間コヒーレント材料選択的毛管分裂プロセス[26]で軸方向パターニング可能、Figure 3示す。Tomotikaモデルは周囲流体効果考慮し、無限均一加熱流体シリンダー周期不安定性形成探求[55]、Rayleigh不安定性伝播はフロント伝播概念導入[56]。毛管不安定性数学的処理例文献多数、Liangら[57]等、これら殆ど等温レジーム焦点、本ケース適用不可。さらに、本ケース伝播熱勾配と粘度勾配追加複雑性、限界不安定性基準駆動プロセスに近い、Powersら言及[56]。計算・実験結果組み合わせ、軸方向熱勾配現象によるファイバー分裂数学モデル確立目指す。

現在毛管分裂シミュレーション段階定常レジーム焦点。初期定常ファイバー熱勾配下で不安定性如何発生解析関心。このプロセス類似Gumennikら[26]毛管分裂実験初期ステップ、4 µm厚Siコア含むシリカファイバー、水素酸素炎ホットゾーン通過、流量各0.3と0.1 L/min。このタイプトーチ最大温度2800 °C到達可能だが、ファイバー経験最大温度はシリカ沸点2230 °C未満必須。

炎幅3-3.5 mm、ファイバー直径約300 µm考慮すると、ファイバー曝露温度勾配実験測定不可理解容易。さらに、分裂プロセス動的性質と複数材料異なる放射率関与複雑性増大、ファイバー高アスペクト比と鋭い粘度比で全Navier-Stokes方程式数値シミュレーション計算困難。

我々シミュレーション（COMSOL Multiphysics® 5.3a、MicrofluidicsとHeat Transferモジュール使用）Figure 4a示す、軸対称ファイバー半径r_fiber = 140 µm、薄いSiコア（r_core = 2 µm）シリカクラッド包囲仮定。初期熱伝達シミュレーションでファイバー長15 mmでファイバー端部室温維持十分、境界影響分裂プロセス回避確認。熱源長さとファイバー表面距離、パワー等パラメータスイープで分裂挙動変化観察、温度勾配情報収集。また分裂周期と速度重要、実験結果比較・シミュレーション改良用。

シミュレーション二段階実行：第一に、異なる熱源パワーで定常温度プロファイル計算、所望最大温度T_max達成。結果エクスポートし時間依存流体流れシミュレーション、Navier-Stokes方程式0.05 sタイムステップで0 sから初液滴ピンチオフ（t_breakup）まで解く、t_breakupはT_max依存、Figure 4cで異なるT_max値プロット。t_breakupがT_maxに指数依存観察可能、t_breakupはコア粘度比例、粘度温度指数依存ため予想通り。

これらシミュレーション関連パラメータTable 3リスト。予備シミュレーションでSiコア相転移が定常温度プロファイルに有意影響なし、その後流体流れシミュレーションにも無影響、毛管不安定性発生全領域温度Si融点超えるため。モデル計算負荷軽減のため、液体Siコア第一近似シミュレーション。さらに、完全結合熱伝達流体流れシミュレーション望ましいが、結合効果二次補正もたらすと考慮、現段階無視。T_max = 1900 °Cで初液滴形成直前ピンチオフ時シミュレートコア像Figure 4a。この特定シミュレーション軸位置（シミュレーションz軸）関数シリカとシリコン密度プロットFigure 4d、温度プロファイル重畳。

我々結果で、実験観察分裂時間スケールと比較可能粘度範囲定義可能、ファイバー課せられる温度プロファイル定性評価可能。Figure 4bは初液滴ピンチオフ直後ファイバー分裂実験記録スナップショット、フレームt = 39 s対応。このフレーム前解像度理想的でないため、分裂挙動対称性基準で判断、初液滴ピンチオフはt = 35 ± 3 s、温度定常レジーム達成後分裂時間14 ± 3 s評価可能。Figure 4c影付き長方形この分裂時間スケール互換温度範囲包含、ファイバー曝露最大温度1885 ± 15 °C推測可能。将来分裂挙動統計収集で、従来手段では不可能なプロセス温度測定手順開発目指す[26,58,59]。

さらに、ポスト分裂半導体粒子分離駆動ドーピング制御達成可能、個々デバイス内部アーキテクチャ制御可能。単一球構造制御可能、Gumennikら[47]実証、Figure 5示す。液滴炎出口時熱勾配経験：炎遠い端冷たく、結果冷側から側方固化開始予想。液体より固体で溶解度高い材料で球ドープ場合、固化フロント伝播につれドーパント液体側へ反発、ホット側主に集積。この効果Figure 1c模式図示、構造化粒子合成利用可能、例：GeリッチSi（Figure 5示す）：ファイバーコア50:50 Si-Ge混合開始、分裂後球固化、固化進化につれGe溶融側押出、異方性分布結果、軸方向配向ヤヌス粒子ヘテロ接合形成[47]。この方法、Figure 1dとe示す複雑ファイバー埋め込みデバイス（ヘテロ接合等）組立極めて有用。

バイオメディカル応用

ファイバー技術は化学、生物、物理センサーとして様々バイオメディカル応用で頻繁利用。ファイバー埋め込みセンサーは物理パラメータ（応力、温度、圧力、湿度）や化学パラメータ（pH、酸素濃度、二酸化炭素濃度）監視設計[60]。ファイバーバンドル複数センサー単一システム埋め込み、信号受信レベル向上、高SN比結果。軽量、柔軟性、独自光学特性がバイオメディカル研究ファイバーセンサー需要主特性。臨床使用要件満たすため、プリフォーム生体適合性、無毒、化学的不活性材料製造必須、患者免疫反応防止。スマートファイバー開発例：ポリマーと金属コア構成神経ファイバープローブ、柔軟性と曲げ剛性実現、in vivoオプトジェネティック刺激と薬物送達入力、電気生理出力フィードバック記録[33]。別例：複雑断面幾何とメートル長マイクロチャネル統合ファイバー、誘電泳動（DEP）細胞分離解析、鞘なし高スループットマイクロ流体細胞分離器、マイクロチャネル導電材料含有[14]。以下戦略、スマートファイバー生物インターフェイス新可能性アレイ示す。

マイクロスケールとマクロスケール両方でバイオアクティビティテストプラットフォーム役立つ人工腸考慮。今日の組織工学進歩で、バイオインクコートファイバー共押出しバイオプリンター組織製造で多機能統合可能、Figure 6（I）示す。従来バイオプリント研究再生医療向け組織移植片創出目指し、アプリケーション必要細胞タイプ基づき適切栄養とシグナル分子でハイドロゲル（Figure 6（II））慎重設計[63,64]。組織工学、実験開始マイクロ秒後システム生物学完全変化ため極めて挑戦的。組織成熟監視と定期チューニング非常に複雑。

ここではスマートファイバー設計導入（Figure 6（IV））で気候と環境成長理解向上提案。埋め込みファイバー複数機能保持（Figure 6（VI））：血管新生誘導、超音波イメージング、蠕動運動、マイクロ流体流れ。シリンジポンプ接続ファイバーと分析ソフトウェア有線接続でマイクロ環境制御。この応用特徴（Figure 6（V））、パイロット実験データ含む、次サブセクション詳細。

細胞外マトリックスと血管系

組織工学人工組織需要増加で広範探求[61,62]、現実的組織バイオプリント能力明日薬物治療開発重要役割[63,64]。最大課題細胞外マトリックス（ECM）設計、タンパク質、増殖因子、他生体分子構成、細胞組織寄与ガイド[65]。自然ECM細胞目的構造与え、典型的脱細胞化組織リサイクル再利用新細胞構築用。ECM溶媒、ハイドロゲル、バイオポリマー、バイオセラミックス、エアロゲル、フォーム形態、生分解性/吸収性構造提供[66]。組織工学高複雑性：機械的特性、足場溶解/吸収率、初期細胞タイプ、栄養、密度比、増殖因子導入、結果バイオアクティビティと組織自己組織化—バイオシステム詳細定義のため、天然産生ECMや人工開発生体材料相互作用細胞存在下振舞い評価不可欠。さらに、生存組織には栄養酸素供給組織化血管系必要、細胞健康成長のため。血管化生化学物質自然マイクロ流体フィード提供、増殖、特化、相互作用、運動開始。血管ネットワーク血管新生、動脈新生、血管形成形成。血管新生内皮幹細胞分化分裂ネットワーク発達[67]。血管形成初期胚血管新生段階形成既存血管新芽形成[68]。

ファイバー内マイクロ流体フィード

内容送達用周期的マイクロチャネル持つマイクロ流体導管、組織構築特定位置マイクロ流体織り込み可能。ホットゾーン境界液化フロント液滴ピンチオフ位置定義、前述通り。複数コア空間コヒーレント方式分裂可能。例：プラチナとシリコンコア含むシリカファイバー、シリコンコア球状アレイ誘導後、フッ化水素でファイバー薄化、水酸化カリウムでシリコン球エッチング、王水でプラチナコアエッチング、ファイバーチューブ複数アウトレット化可能。結果例Figure 6（V）示す。ファイバー柔軟性でマイクロ流体フィード組織構築多様統合可能。Figure 6（IV）でマイクロ流体チャネル使用、組織成熟達した際血管新生・血管形成開始必要細胞タイプと増殖因子提供。

生体材料と生化学テスト

ファイバー開発並行、新テストプラットフォーム（Figure 7a（I））設計、増殖因子存在下血管新生と細胞間相互作用解析（Figure 7a（II））。プラットフォーム高解像度30°向き生体適合性レジンSLAプリント（Formlabs Form 2とDental LT Clearレジン）。プリント結果Figure 7a（III）示す、外径1.8 mmと1.0 mmガラス毛細管2本組立、生物学的剤送達。初期試験生化学物質拡散パラメータと様々生体適合性材料細胞コロニー成長評価。プラットフォーム単回使用設計。2時間で24テストウェルプリント、比較的低コスト。2平行ファイバー毛細管アウトレット距離100-400 µm調整可能、約200 µm受容最適血管新生範囲調査[67]。ウェルチャンバー相互作用媒質、最初市販バイオインク（Cellink, USA）ホスト、ナトリウムアルギン酸ナノフィブリルセルロース含有とゼラチンメタクリロイル含有、自社バイオマテリアル開発前。Figure 7a（I）ガラス毛細管、最終的にFigure 6a（V）マイクロ流体ファイバー置換予定、次セクション議論。

蠕動運動

形状記憶合金（SMA）ワイヤー軽量、非腐食、コスト効率良好アクチュエータ材料、義肢生物模倣[69]、自己拡張手術インプラント[70]、航空宇宙工学[71]等多様応用洗練用途。

SMAは形状記憶効果と疑似弾性知られる金属化合物。これら特性典型的ニッケル-チタン見出されるが、他様々金属合金でも発見可能。Figure 7(b)温度、応力、ひずみ項形状記憶効果示す。示す通り、低温でマルテンサイト固体状態SMA機械力変形可能、熱誘起時非拡散的分子再配列、オーステナイト固体状態変換。冷却時材料初期マルテンサイト形態復帰、形状記憶効果。この熱サイクル4温度定義：マルテンサイト開始終了温度（M_s, M_f）、オーステナイト開始終了温度（A_s, A_f）、状態間移行期間開始終了特定。マルテンサイト変形時分子脱双晶定義、伸長許容、アクチュエーション応用特に有用。本質的に形状記憶効果サイクル平均伸長6%収縮数百回可能[72]、「筋肉ワイヤー」ニックネーム、筋原線維類似性由来。

このユニーク特性1938年アルデン・グレニンガーとヴィクター・ムラディアン初報告[73]、磁場エネルギー[74]、強磁性形状記憶合金（FSMA）でもトリガー可能、ポリマー（SMP）でも発見[75]。今日、SMA機械疲労骨折、弾性、熱力学実験的[76]数学的[77]よく特性評価、モデル化[78]。

形状記憶効果素晴らしい収縮挙動許容も、適切ロボット応用には可逆運動必要。典型的SMA対向機構タンデム設定：スプリング、電気ドライブ、弾性バンド、単純別SMAワイヤー。組立リニア/ロータリーアクチュエーション、対向収縮等しいか変更。ワイヤー単独薄弱も、束ね所望力到達、形状記憶効果応答時間維持。SMAワイヤーキャプスタン巻き付けより短距離大きな伸長提供。様々戦略レビュー特定応用選択[79]。熱誘起典型的SMAワイヤー通電、数百ミリアンペアオーダー入力電流変調で最良制御。冷却自然或含熱シンク通風。

ファイバー引き抜き技術で異なる材料特性活用、SMAワイヤー弾性コート提供、SMAファイバー無秩序状態保存助け。Figure 7c（I）と（II）示す通り、ファイバー複数埋め込みSMAワイヤー引き抜き可能。スチレン-エチレン-ブチレン-スチレン（SEBS）周囲構造選択。SEBSコポリマーエラストマー、引き抜き温度80 °C耐久。予備結果裸SMAワイヤーより低効率も作動可能、加熱（Figure 7c（III））冷却（Figure 7c（IV））サイクル往復運動観察、約3.07%変形。セットアップ最適化更研究必要、ファイバー内SMAアクチュエーション初期実験段階有望展望。ワイヤー物理引張りホットプレート加熱コンセプト実証。通電加熱で形状記憶効果高速化、ファイバー内熱拡散より良い制御可能。5.35 mmワイヤー直径0.11 mm、ファイバーセグメント跨ぎ抵抗18.2記録。参考まで、SMAワイヤーメーカー（Dynalloy, Inc.）据え、ニッケルチタン製0.1 mm径ワイヤー1秒収縮約200 mA電流必要。各ワイヤー個別制御で方向運動可能、更SMAワイヤー設計追加で多方向運動と収縮強度向上。さらに、強磁性SMAワイヤー使用なら相互作用磁場チューニングで運動局所制御可能。また、FAMES Lab引き抜きタワープリフォーム引き抜き時回転可能、SMAワイヤースプリング様構造ファイバー内製造可能、市販SMAスプリング類似更大変形可能。明らかに、ファイバー内SMAワイヤー多様戦略可能。

バイオセンシング

バイオセンサー多様手法開発。ラベルベース/ラベルフリー、細胞、細菌、ホルモン、タンパク質、DNA等生物要素特定発現検出設計可能[80,81]、血液、尿、唾液、汗、涙サンプリング。精神生理状態リアルタイムバイオフィードバック血圧、皮膚電気活動、皮膚コンダクタンス、呼吸心拍数等観察可能[82,83]。バイオイメージング光学イメージング、超音波、磁気共鳴周波数、CT、近赤外分光法、量子ドットプロービング等多技術実施[84]。

光ファイバー研究、従来バイオセンシングファイバーシリコンフォトニック結晶検出生物放射頼り製造[85]。フォトニック結晶技術ラベルフリーリアルタイム細胞形態生存監視前使用[86]。バイオフォトニクス進歩MRI可視中空コア微構造ファイバー導く[87]。中空コア光学放射ファイバー長距離伝播可能。中空チューブ内壁逆電荷ポリ電解質と磁性ナノ粒子コート、MRI造影剤使用。この設計新バイオメディカル精密診断機会可能、例：in vivo神経活動観察[87,88]。

超音波技術液体/ゲル細胞密度非侵襲観察可能[89,90]。超音波プローブ典型的圧電効果（応力印加電気生成）機能、1880年ジャックとピエール・キュリー発見[91]。逆圧電効果（電界印加圧電結晶変形）1881年ガブリエル・リップマン数学的誘導[92]、1916年チロフスキー・コンスタンチンとポール・ランジュバン第一次世界大戦軍事用超音波潜水艦検出開発[93]。以降、ソナー応用多様：水中イメージング魚群探知[94,95]、エネルギー収穫[96,97]。

圧電素子電気エネルギー機械エネルギー相互変換、音波相互伝送。全周波数帯域パラメータ精密制御必要、良好エネルギー伝送要良好音響減衰インピーダンス整合。圧電素子統合2ファイバー、パルシングエミッタとレシーバー設計、相互超音波導波路形成、波軌跡密度測定可能。このファイバー組織成熟達過程微小環境構造センシング可能。圧電素子例：PZTコア毛管分裂創出。PZT要素音響インピーダンス33.7 × 10⁶ kg/m²s、共振周波数25 MHz以下。生成球導電電極トランスデューサーライニング。このセットアップ制御システムフィードバック提供、マイクロ流体と運動フィード更良調整。ファイバー内超音波イメージング微小環境明確に組織環境時間経過挙動理解助け。

結論

マイクロエレクトロニクス材料液相処理技術組み合わせツールボックス、ファイバーとテキスタイル高性能デバイスシステム製造「ファイバーのためのVLSI」（VLSI-Fi）概念策定。実験的作業、プリフォーム3Dプリント、材料選択的空間コヒーレント毛管不安定性によるファイバー内回路組み立て、個々ファイバー埋め込みデバイスレベル分離駆動ドーピング制御等、VLSI-Fi狭義側面制御実証セット焦点。VLSI-Fi複数技術領域製品実現可能と想定、其中一つ人工組織現実的微細構造持つ能動生物模倣足場製造。

データと材料の入手可能性

該当なし。

略語

BJT:

バイポーラ接合トランジスタ

CAD:

コンピューター支援設計

CMOS:

相補性金属酸化膜半導体

DEP:

誘電泳動

ECM:

細胞外マトリックス

EDS:

エネルギー分散型X線分光法

FAMES Lab:

ファイバーと加法製造イネーブルドシステムズラボラトリー

FOS:

ファイバー光学センサー

FSMA:

強磁性形状記憶合金

HPCVD:

高圧化学気相成長

IoT:

モノのインターネット

MOF:

微構造光ファイバー

MOSFET:

金属-酸化膜-半導体電界効果トランジスタ

MRI:

磁気共鳴画像

PCF:

フォトニック結晶ファイバー

PZT:

チタン酸鉛ジルコネート

SEBS:

スチレン-エチレン-ブチレン-スチレン

SLA:

ステレオリソグラフィ

SMA:

形状記憶合金

SMP:

形状記憶ポリマー

TPC:

トランス太平洋海底ケーブル

UV:

紫外線

VLSI:

超大規模集積

VLSI-Fi:

ファイバーのための超大規模集積