自然界において、歯や貝殻より強靭で耐久性の高い構造はほとんどありません。これらの素材の秘密は、その独特の微細構造にあります。すなわち、多数の微小な板状結晶が結合した異なる層から成り、各層内でそれらが同じ向きに揃えられているのです。
材料科学者は真珠層を模倣する方法をすでに持っていますが、貝殻全体を、同等の特性と構造的な複雑さをもって模倣する素材を作ることは困難でした。
今回、複雑材料学教授アンドレ・スタルトが率いる研究グループは、天然のモデルをほぼ完璧に模倣する新たな手法を開発しました。科学者たちは、歯や貝殻の構造原理に基づいた、強靭で多層の素材を作製することに成功しました。ETHの研究者らは、各層で同じ向きに揃えられた微小板状結晶の多層構造を、単一の複雑な構造体として初めて再現することに成功しました。
研究者らはこの新手法を「磁場支援スリップキャスティング（MASC）」と呼んでいます。「私たちの新手法が素晴らしいのは、100年前の技術を基盤とし、それを現代の材料研究と組み合わせている点です」と、スタルトの博士課程学生で、専門誌『Nature Materials』に発表されたばかりの研究の共著者であるトビアス・ニーベルは述べています。
100年前の技術の復活
MASCの仕組みは次のとおりです。研究者らはまず、型となる石膏の鋳型を作製します。その鋳型に、酸化アルミニウム板状結晶など、磁化されたセラミック板状結晶を含む懸濁液を注ぎます。石膏鋳型の細孔が懸濁液の液体をゆっくりと吸収し、それによって素材は外側から内側へ向かって固化し、硬化していきます。
科学者たちは、鋳造工程中に磁場を印加し、一定間隔でその向きを変えることで、規則的な層状構造を作り出します。素材が液体の状態にある間、セラミック板状結晶は磁場に沿って配向します。固化した素材では、板状結晶はその配向を保持します。
懸濁液の組成と板状結晶の向きを組み合わせることで、連続的な工程によって、1つの物体内に異なる材料特性を持つ複数の層を作製できます。これにより、真珠層や歯のエナメル質など、天然のモデルをほぼ完璧に模倣した複雑な材料が生まれます。「私たちの技術は3Dプリンティングに似ていますが、10倍速く、はるかに費用対効果が高いのです」と、スタルトのポスドク研究員であり、本研究の共同筆頭著者であるフロリアン・ブビルは述べています。
鋳型から作る人工歯
MASC技術の可能性を実証するため、スタルトの研究グループは、実際の歯と同様の微細構造を模倣した人工歯を作製しました。人工歯の表面は、天然のエナメル質と同じくらい硬く、構造的にも複雑である一方、その下の層は、天然のモデルの象牙質と同様に強靭です。
本研究の共同筆頭著者である博士課程学生のオルタンス・ル・フェランとその同僚たちは、まずヒトの親知らずの石膏鋳型を作製しました。次に、この鋳型に、モルタルとしてガラスナノ粒子と酸化アルミニウム板状結晶を含む懸濁液を充填しました。磁石を用いて、板状結晶を物体の表面に対して垂直に配向させました。第1層が乾燥した後、科学者たちは同じ鋳型に2つ目の懸濁液を注ぎました。ただし、この懸濁液にはガラス粒子は含まれていませんでした。2層目の酸化アルミニウム板状結晶は、磁石を用いて歯の表面に対して水平に配向されました。
この二重層構造は、その後1,600度で「焼成」され、材料を緻密化させて硬化させました。この工程には焼結という用語が用いられます。最後に、研究者らは焼結後に残った細孔に、歯科医療で用いられる合成モノマーを充填しました。充填されたモノマーは、その後重合しました。
人工歯は実際の歯とまったく同じように振る舞う
研究者らはこの結果に大変満足しています。「人工歯から得られた硬さと靭性のプロファイルは、天然の歯のものと正確に一致しています」と、満足げにスタルトは述べています。この手法とそこで得られた素材は、歯科医療への応用に適しています。
しかし、スタルトが指摘するように、今回の研究は、天然の歯の微細構造を実験室で再現できることを示す、初期段階の概念実証にすぎません。「歯科補綴物に使用される前に、素材の外観を大幅に改善する必要があります」。それでも、スタルトが説明するように、この人工歯は、従来は生物のみが可能であった複合材料の微細構造に対する一定の制御が達成可能であることを明確に示しています。MASC工程の一部であるセラミック板状結晶の磁化と配向については、すでに特許を取得しています。
ただし、このような複雑な生体模倣材料を製造する新たな工程には、他の潜在的な応用の可能性もあります。例えば、酸化アルミニウム板状結晶の代わりに銅板状結晶を用いることができ、それによりこの種の材料を電子機器に利用することが可能になるでしょう。「基材と板状結晶の配向は、必要に応じて組み合わせることができます。これにより、さまざまな特性を持つ多様な材料の種類を、迅速かつ容易に実現できるようになります」と、スタルトは述べています。
本記事は、 ETH Zurichとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではありません。
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著者：ペーター・リュッグは、ETH Zurichのために執筆しています。
写真：カリフォルニア州ヨーバリンダにあるNobel Biocareの製造施設で展示されている歯科インプラントの展示モデル REUTERS/Mike Blake
