JP2003201181A - セラミックス成形体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内部構造を有するセラミックス成形体を迅速
に且つ簡単に製造する。 【解決手段】 目的とする内部構造パターンを3次元的
に仮想構成したものであって、前記仮想構成が、分離可
能なデータの集合体と表現される様なデータの集合体を
形成する仮想体構成ステップ、前記、データの集合体
を、規則性、半規則性を有するように分割して分割デー
タを形成する分割ステップ、前記分割データの規則性に
同期するようにセラミックス材料又はセラミックス出発
部材を配列する配列ステップ、前記配列された出発部材
に対し、前記分割データの位置的或いは、構成的な情報
に基づいた部材を付加するステップ、前記部材の付加が
終了した後、更に前記セラミックス部材を、分割データ
の規則性に同期するようにして配列し、この配列ステッ
プと付加ステップをくり返して行うことで、成形体を形
成形成ステップ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、所望の内部構造を有す
るセラミックス部材、ならびにその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックス成形体の製造方法には、ス
リップキャストのように、鋳型に泥しょうを流し込みこ
れを凍結乾燥させて得る方法や、射出成形のように、バ
インダーを含むセラミックス粉末を鋳型等に吹き付けて
形成する方法や、加圧成形、塑性成形等があるが、これ
らは、いずれも鋳型の形状に従って成形されることか
ら、外観は、多少複雑なものが、形成されるものの、成
形体の内部であって、外部から遮断されたような構造に
あっては、部分的に形成した加工品を組み合わせて結合
する等の煩雑な作業を必要とした。他方CAD-CAMの利用
は、仮想的３次元構成をコンピュータ上で形成し、これ
を元に、ブロックを研削したりするなどして、形成する
方法も提案されているが、内部構造にいたっては、上述
のような煩雑な作業を免れることはできない。

【０００３】

【本発明が解決しようとする課題】セラミックスの用途
には、アルミナ、ハイドロキシアパタイト等のような生
体材料として用いられるものが多く存在し、その生体親
和性から細胞培養用の担体として注目されているものが
ある。特に3次元細胞培養は、インシュリン等のホルモ
ン関連製剤、サイトカイン関連製剤、酵素製剤、等遺伝
子工学的手法に基づいて製造されるリコンビナント製剤
の有効性が着目されており、その為に必要とされる細胞
の3次元的な培養の為に有効な担体の開発が希求される
ものである。3次元的細胞培養は、生体組織上での細胞
の培養に近い環境を形成することが好ましいが、その為
の担体に要求される内部構造は複雑であり、従来のセラ
ミックス成形方法では、上述の通り加工に手間がかか
り、非常に煩雑な作業を要するものであった。また、生
物学的領域に限らず、内部構造を必要とするセラミック
ス成形体を必要とする分野は、数多く存在する。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記に鑑み本発明は、目
的とする内部構造パターンを3次元的に仮想構成したも
のであって、前記仮想構成が、分離可能なデータの集合
体と表現される様なデータの集合体を形成する仮想体構
成ステップ、前記、データの集合体を、規則性、半規則
性を有するように分割して分割データを形成する分割ス
テップ、前記分割データの規則性に同期するようにセラ
ミックス部材を配列する配列ステップ、前記配列された
出発部材に対し、前記分割データの位置的或いは、構成
的な情報に基づいた部材を付加する付加ステップ、前記
部材の付加が終了した後、更に前記セラミックス部材
を、分割データの規則性に同期するようにして配列し、
この配列ステップと付加ステップをくり返して行うこと
で、成形体を形成する形成ステップよりなる組み合わせ
ステップ、並びに 必要に応じ前記形成ステップで得ら
れた3次元物体を、焼成する焼成ステップを加えた 複
雑な内部構造を有するセラミックス成形体を自在かつ迅
速にしかもカスタムで製造する方法を実現する。

【０００５】本発明におけるセラミックスとは、ハイド
ロキシアパタイト、αリン酸三カルシウム、βリン酸三
カルシウム等のリン酸カルシウム化合物、アルミナ、ジ
ルコニア、各種ポーセレン等、様々なものが例示され
る。その粒径は、目的とする成形体によるが、より微細
で、均一の粒径（例えば１μ〜）を有するものが好まし
い。本発明におけるセラミックス部材とは、セラミック
ス、或いはセラミックス出発物質、又は、これらの複合
物よりなる粉末であり、その他、各種金属等、用途等に
応じて、種々添加される場合もある。本発明における成
形品の用途は、様々であるが、なかでも、細胞培養用の
3次元担体、人工器官、生体硬組織補綴材、義歯、イン
レー、薬剤などを含浸させた補綴材や、ドラッグデリバ
リーシステム等の機能的な徐放性を備えた物が例示され
る。また、本発明は、センサを含む電気回路を、製造工
程で、含ませることも容易に可能であり、複合的且つよ
り機能的な成形体を容易に、迅速に形成可能である。

【０００６】本発明のおける仮想体構成ステップにおい
て、3次元的仮想構成とは、例えば立体形状を構成し得
る3次元データであって、X,Y,Z座標によって表されるデ
ータを示し、当該データに基づきて、コンピュータのモ
ニタ上で、仮想的立体構成を再現的に形成できるものを
示す。これは、既存のＣＡＤ／ＣＡＭ関連のコンピュー
タソフトウエアにより実現可能である。分離可能なデー
タの集合体とは、例えば、一定値のZ軸を基準として、X
座標とY座標で、データを表現し、当該データによる表
現が、モニター上で、物体をスライスした平面データと
して表現できるようなものを示す。この分離作業も、Ｃ
ＡＤ／ＣＡＭソフトウエアにより実現されても良い。
尚、当該分離は、実際、成形体を形成するセラミックス
出発物質の分割成形可能なものであれば良く、適宜調整
される。

【０００７】分割ステップとは、前記分離と同様、成形
体を構成するセラミックス部材の材質により、分割の程
度は相違する。例えば、平面的分割、例えばX,Y軸を一
定値に固定してZ軸の値を変化させる直線的分割等が例
示される。配列ステップとは、前記分割されたステップ
に同期した状態で、セラミックス部材を配列させるもの
であって、例えば、データが2次元的で平面分割データ
の場合は、平面上に出発材料粉末を展開することを示
し、その際の厚さも、例えば、分割データの値に対応し
たデータに基づくものが良く、少なくとも、セラミック
ス部材の展開が可能に分割データが形成され、配列ステ
ップでは、当該分割データの要求する厚さ、範囲に出発
材料が展開されれば良い。付加ステップとは、配列ステ
ップで、配列、展開されたセラミックス部材にたいし、
分割データに基づいてこの一部を固化する作業をおこな
うことを示すものであり、固化は、ポリビニールアルコ
ール等の接着剤、例えば出発材料が、水硬化性を有する
ものであれば、水等の効果促進物質が例示され、出発材
料に応じ適宜選択される。更に当該接着剤が、コラーゲ
ン、コンドロイチン硫酸、フィブリン等の生体に親和性
のあるものである場合には、焼成工程を経ずして生体に
適用可能な場合もある。さらに上記固化用物質中に焼成
時基本部材を特定色に発色するような金属元素、例えば
ポーセレンパウダーに対して酸化チタン、バナジウム等
を含有させても良い。この方法では個人によりそれそれ
異なる色彩を持つ義歯を自在に製作可能である。また固
化時間は、特に限定されないが、積層されるセラミック
ス部材の配列間同士の結合に影響を与えることから、少
なくとも、接着能力が、次の積層時まで存在する程度が
好ましい。尚、接着固化後であっても、次の積層の際、
接着剤が、新たに積層したセラミックス剤を浸透して前
の積層セラミックス部材に到達して、浸透固化すること
により、両層の結合が図られるものであっても良く、そ
の際、積層されるセラミックス部材の厚みが、前の積層
セラミックス部材にまで、到達含浸される程度に設定さ
れることが好ましい場合もある。更に本発明では、接着
剤が付加される際、その周辺に拡散することで生じる余
分な部分、仮想的な設計段階で存在しなかった部分、或
いは予想外の部分（仮想構成データの設定範囲外の部
分）、即ちバリの様な部分を修飾するための工程を付加
しても良い。修飾とは、その部分を、取り除くことを主
とするものであるが、その他その部分を利用した実質的
な設計変更を行っても良い場合を含み得る。取り除く場
合は、仮想設計データに基づいて、切削、研削工具、レ
ーザ光等、取り除く為の加工工具を装着したＮＣ加工機
械を利用して、研削加工により取り除いても良い。

【０００８】次のステップでは、配列ステップと、付加
ステップを分割データに基づいてくり返し行うものであ
り、積層されたセラミックス部材は、一つの成形体を形
成することになるが、配列ステップは、常に一定の厚み
と、範囲を有するものである必要は無く、内部に構造が
無い実質的に緻密な部分や、逆に複雑な部分がある場合
は、厚みを不規則（半規則性）に可変させたものであっ
ても良い。本発明における焼成ステップは、出発材料に
よって、成形されたものを、例えば温度７００?〜１７
００?で時間、０．１ｈ〜２０ｈｒで焼成することを例
示するが、セラミックスの材質、成形品の性質により、
適宜調整される。尚、焼成前と、焼成後の成形体の大き
さが、圧縮される為に小さく変化する場合や、その他、
複合材によっては膨張する場合があることから、あらか
じめデータ的に調整されることが好ましい場合もある。
又、焼成後は、オートクレーブの様な水熱処理を利用し
て、再結晶化処理を施すものであっても良く。ハイドロ
キシアパタイト等のリン酸カルシウム化合物を利用した
ものの場合は、生体により親和性をより有効に発現でき
る。本発明では、内部構造が複雑なセラミックス成形体
が迅速且つ容易に形成されるものであるが、外観形状も
様々な形態を有する成形体が形成されるものであり、外
観形状を形成するだけでも、有効である場合がある。

【０００９】

【実施例】本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説
明する。11は、データ入力手段であり、得ようとする成
形品に関する三次元データを入力するためのものであ
る。これは、CADソフトを用いたキーボード、マウスを
利用するによる作業入力部や、既成データであれば、CD
-ROM,MO,等の記憶媒体にあらかじめ記録されたデータの
読み出し装置等で構成される。12は、3次元入力部であ
り、得ようとする物体の外観形状、内部形状をそのモデ
ルにたいしプローブの接触により或いは、光データ、写
真等を利用した非接触により測定をするものであり、既
存の手法（光伝搬法、スリット法、時系列コードパター
ン法、円錐光束法、リングパターン法、モアレ、空間コ
ードパターン法、Ｘ線写真フイルムを利用したステレオ
カメラ的手法、三角測量法等）により構成される。尚、
３次元入力部は、成形体が、データ入力作業だけで、形
成される場合は、不要になる場合もある。13は、データ
を後段の加工部における処理に適した３次元データを形
成する処理し、一時的に叉は継続的に記録し、修正する
などを行う処理部であり、例えば、パーソナルコンピュ
ータＰＣで構成される。14は、分割データ形成手段であ
り、得られた3次元データを、分割データに変換する為
のものである。この場合の分割データは、例えばZ軸を
一定の大きさに固定し、そのZ値に対する個々のX,Y値を
設定するようなものである。この場合のZ値は、セラミ
ックスの出発材料を展開した場合の厚みに相当するもの
である。分割データ形成手段１４も同様にマイクロコン
ピュータＰＣ上で、実行されるソフトウエアの一部とみ
なされても良い場合がある。15は、射出制御部であり、
射出部17aの射出量、駆動量を制御するためのものであ
る。16は、展開制御部であり、セラミックスの出発材料
を、作業台上に展開する為のmのであり、所定の厚みと
範囲をもつ出発材料の層を展開する為のものである。17
は、作業部であり固化溶液を射出するインクジェットプ
リンタのノズル等で形成される射出部17aとセラミック
ス材料を展開し、平面にならす展開部17bとを有する。
射出制御部１５，展開制御部１６及び作業部１７は、一
つの装置ＲＰとして構成される場合がある。18は、焼成
部であり、焼成炉を具備し、所定の温度で、所定時間焼
成を行うためのものである。

【００１０】次に動作を説明する。データ入力手段11及
び3次元入力部12より取り込まれたデータは、処理部13
において3次元データとして調整され、データとして分
割可能に編集される。更に処理部13では、拡大、縮小調
整が、必要に応じ行われ、分割データ形成手段14へ移行
する。分割データ形成手段14は、この３次元データを、
成形体形成時の状況に応じて分割データに変換される。
分割データは、分割の厚みと、分割方向、広さ情報を含
む分割データと、個々の分割されたデータの内部形体を
示し、接着剤の塗布位置を表す位置データに分けられ、
分割情報は、展開制御部16へ、位置データは、射出制御
部15へそれぞれ移行する。展開制御部16は、分割情報に
基づき作業部の展開部17bに対し、所定の厚みと範囲内
に出発材料を展開する情報を出力する。展開部17ｂは、
この情報に基づいて、作業台に出発材料を展開する。射
出制御部15は、展開された出発材料面のどの位置に接着
剤を塗布するかの命令を射出部17aに出力する。射出部1
7aは、この命令に基づき移動し、接着剤を塗布してい
く。一通り射出部17aが出力を行った後、展開制御部16
は、更に、所定の厚みと範囲を示す出発材料の展開命令
を展開部17bに出力する。展開部17bは、出発材料を接着
剤がパターン状に塗布された表面に積層するように展開
する。射出制御部15は、次の分割情報に基づく接着剤の
射出部位の命令を射出部17aに出力し、射出部17aは、こ
の命令に基づいて、接着剤を新たに展開された出発材料
面に塗布する。これをくり返すことで、射出部17aの接
着剤の移動射出によって形成された内部構造パターンを
もつ成形体が形成される。その後、この成形体を、焼成
部18において、温度７００〜１７００?、時間０．１hr
〜２０hrで焼成して所望の3次元データに基づいた内部
構造を持つセラミックス成形体が形成されるものであ
る。尚、作業部17の具体的構成としては、特表2001-507
295号公報に記載された装置構成が好適に利用される。

【００１１】

【発明の効果】以上詳述のごとく本発明は、ほぼ自動化
可能に所望の内部構造を有するセラミックス成形体を得
られる等の効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の一実施例を示す図である。

【符号の説明】

11 データ入力手段 12 3次元入力部 13 処理部 14 分割データ形成手段 15 射出制御部 16 展開制御部 17 作業部 17a 射出部 17b 展開部 18 焼成部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4C081 AB02 BA12 BA13 CF011 CF031 EA02 4G030 AA08 AA16 AA17 AA36 AA41 AA61 BA35 CA07 GA11 GA14 GA19 GA21

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項1】目的とする内部構造パターンを3次元的に仮
   想構成したものであって、前記仮想構成が、分離可能な
   データの集合体と表現される様なデータの集合体を形成
   する仮想体構成ステップ、 前記、データの集合体を、規則性、半規則性を有するよ
   うに分割して分割データを形成する分割ステップ、 前記分割データの規則性に同期するようにセラミックス
   部材を配列する配列ステップ、 前記配列されたセラミックス部材に対し、前記分割デー
   タの位置的或いは、構成的な情報に基づいた付加部材を
   付加するステップ、 前記部材の付加が終了した後、更に前記セラミックス部
   材を、分割データの規則性に同期するようにして配列
   し、この配列ステップと付加ステップをくり返して行う
   ことで成形体を形成する形成ステップ、を有するセラミ
   ックス成形体の製造方法。
2. 【請求項２】前記形成ステップで得られた3次元物体
   を、焼成する焼成ステップを有するセラミックス成形体
   の製造方法。
3. 【請求項３】前記付加ステップにより、配列されたセラ
   ミックス部材に対し、付加部材を付加した後、付加部材
   が付加された周辺であって、前記仮想構成の範囲外の拡
   散部位を、修飾する修飾ステップを有する請求項１に記
   載のセラミックス成形体の製造方法。
4. 【請求項４】前記付加部材が焼成工程後に得られえるセ
   ラミックス成形体を着色しえる元素を有する請求項１に
   記載のセラミックス成形体の製造方法
5. 【請求項５】前記セラミックス部材が、セラミックス出
   発物質、セラミックス、又はこれら複合体である請求項
   １に記載のセラミックス成形体の製造方法。
6. 【請求項６】前記仮想体構成ステップには、物体の表面
   等を計測し、データ化するステップを含む請求項１に記
   載のセラミックス成形体の製造方法。
7. 【請求項７】前記分割データが平面的データである請求
   項１に記載のセラミックス成形体の製造方法。
8. 【請求項８】前記内部構造パターンが、目的とする細胞
   を3次元的に培養するための細胞収容可能で、培養用件
   を備えたパターンある請求項1に記載のセラミックス成
   形体。
9. 【請求項９】前記セラミックスが、生体補綴物用である
   請求項1に記載のセラミックス成形体。