JP2009101565A - ３次元構造体の作製方法、およびその作製装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３次元構造体を比較的短時間で形成すること、あるいは、形状だけでなく機能も
併せて満たすラピッドマニュファクチュアリング技術を実現すること。
【解決手段】３次元構造体の作製方法が、（Ａ）所定の外形状を有するとともに、少なく
とも一部が第１の機能液を含有している第１の多孔質性シートに、第２の多孔質性シート
を重ねる工程と、（Ｂ）前記第２の多孔質性シートの少なくとも所定形状で囲まれた範囲
を前記第１の多孔質性シートに接着する工程と、（Ｃ）前記第２の多孔質性シートを前記
所定形状に加工する工程と、（Ｄ）前記（Ｂ）の後で、前記第１の多孔質性シートと前記
第２の多孔質性シートとを介して前記第１の機能液と第２の機能液とが接触するように、
前記第２の多孔質性シートの前記範囲の少なくとも一部に前記第２の機能液を含有させる
工程と、を包含している。
【選択図】図１

Description

３次元構造体の作製方法に関し、特に、多孔質性シートを積層する３次元構造体の作製
方法、およびその作製方法を実施するのに好適な作製装置に関する。

３次元造形法は、ラピッドプロトタイピングとも呼ばれ、デザインされた構造物を実際
に３次元物体として作製してみて、デザインの評価や機能の確認を行うために開発されて
きた技術である。３次元造形法では、一般に積層造形法と呼ばれる製造手法が用いられ、
所望の形状の３次元ＣＡＤデータをスライスして薄板を作成し、それを重ね合わせて３次
元構造を作製する。積層造形法には、光造形法（紫外線を照射することで硬化する液体樹
脂を用いる造形法）、粉末法（粉末を層状に敷き詰め、その後、レーザ焼結、または、バ
インダを添加し固形化する造形法）、シート積層法（ＬＯＭ法：ラミネイテッド・オブジ
ェクト・マニュファクチュアリング、紙シートの供給、接着、カットを繰り返す造形法）
、インクジェット法（液体材料を塗布して積層させ、形状を作る造形法）、押し出し法（
材料を出すノズル先端を一筆書きの要領で走らせて層を形成）、などに分類される。従来
の３次元造形法は、あくまでもデザインサンプルを作製するための技術であるため、光硬
化性材料、粉末材料、あるいは、紙シートなどが造形材料として主に用いられおり、一部
で金属やセラミックス材料等が利用されているものの、３次元構造体材料に関する機能性
はほとんど検討されていない、というのが実情である。これに対して、３次元造形したま
まで実用品として用いるラピッドマニュファクチュアリングという考え方が提案されてお
り、機能性材料を用いて３次元構造体を作製する、という考え方が実現されようとしてい
る。しかしながら、各種の所望の材料を用いて３次元構造体を作製することは、既存の３
次元造形法では難しいとされている。

従来の３次元造形法の内で、レーザを用いて成形する場合には、光硬化性樹脂か、ある
いは、金属やセラミックス微粒子をレーザにより焼結する、などの材料に関する制約があ
る。粉末法においても、粉末で形成された層の一部をバインダとなる接着剤で固めて成形
を行うため、材料としては、粉末とバインダの混合物という制約があった。シート積層法
においては、現状では紙シートが用いられ、デザインされた３次元形状を再現するための
ツールとして位置付けられており、その材料としては、紙、あるいは、一部のポリマー材
料に限られている。

一方、インクジェット法や押し出し法は、液体材料として各種の材料を幅広く選べる可
能性があると言われている。一例としては、金属３次元構造物を形成するための金属微粒
子や、セラミックスを形成するためのゾル液などを用いて造形可能である。しかしながら
、機能性材料を用いて３次元造形により実用品を作る際に、その成形時間は非常に重要な
因子であり、特に押し出し法は、通常１つのノズルから材料を供給するために、３次元構
造体の成形時間が非常に長くなってしまうという欠点があった。さらに、押し出し法は、
比較的粘度の高い材料をノズルから供給するため、高分子材料やゾル液など一部の材料は
成形可能であるが、材料選択の幅はそれ程広くないというのが実情である。

これに対して、インクジェット法は、吐出可能な液体材料としては比較的低粘度のもの
に限られるものの、吐出スピードは数ＫＨｚと比較的早く、また、多数のノズルを用いた
描画が可能であることから、押し出し法に比べて成形時間に関して利点を有する。しかし
ながら、紫外線硬化型樹脂のように吐出時は粘度が低く、硬化後はそのまま固体として残
るインクジェット材料は稀であり、通常は溶媒分が蒸発して固形分が残るタイプのインク
が一般的である。インクジェット吐出時の粘度を低く抑えるために、固形分濃度は１０％
程度と比較的低く抑え、そのため、一回当たりの描画で形成できる膜厚が薄くなってしま
い、３次元構造体の形成時間が長くなってしまうという欠点がある。さらに、インクが低
粘度であるために、オーバーハング形状などを自由に形成することが難しい。その解決策
として、形成後に除去可能な支持部材を同時にインクジェット法でパターンニングするこ
とで、所望の形状に目的のインク材パターンを形成する方法が提案されている。３次元構
造を形成するためのインクと、支持部材用のインクとの２種類を塗布する必要があり、イ
ンクヘッドの交換のために構造体の形成時間が長くなってしまう欠点と、２種類のインク
の混合を避けて、尚且つ、支持部材のみが容易に除去可能とするように２種類のインク、
溶媒などを選定する課題が残る。また、所望の形状に制御する際に、インクジェット液滴
が一旦乾燥して固定化されてから、次のインクジェット液滴が供給される必要があり、次
々とインクジェット液滴を供給することが困難であり、乾燥、固体化などのプロセスのた
めに、実際の形成プロセススピードはかなり低下してしまうという課題を有している。

ところで、３次元造形法の一つの応用例として、人工臓器のスキャフォールド作製に期
待が集まっている。骨や皮膚の細胞組織の人工的な培養は既に実用化が始まっており、今
後、より複雑な微細構造を必要とする臓器の実用化へと展開していくことと予想されてい
る。心臓、肝臓、腎臓といった人工臓器を実現するためには、スキャフォールドと呼ばれ
る足場（雛形）構造を生体適合材料で形成し、そこに、各種細胞や成長因子などのバイオ
材料（生体因子）を供給して、培養液中で臓器組織の培養を行う。スキャフォールド材料
は、生分解性材料が望ましく、細胞組織の増殖とともに、スキャフォールド材料が次第に
分解されていき、最終的に全てが細胞組織へと置き換わっていくことが望ましい。

心臓、肝臓、腎臓などの人工臓器を実現するためには、スキャフォールド内に微細構造
を形成する必要がある。まず、スキャフォールドは、細胞組織などを増殖させるために多
孔質性である必要があり、その空孔率は８０％以上が望ましいとされている。そのような
微細構造（マイクロコンパートメント）は、約１００から２００ミクロンピッチのオーダ
ーで形成されることが望ましい。さらに、もう少し大きなサイズの微細構造を有する必要
がある。具体的な例として肝臓の場合には、人工肝臓で生成された胆汁を消化系に送るた
めのミリあるいはサブミリオーダーの管状構造を臓器内に巡らせることなどが必要となる
。

以上述べたように、人口臓器のためのスキャフォールドを実現するためには、任意のパ
ターンの微細構造が形成可能であり、多孔質性で、尚且つ、生分解性材料で任意の形状の
３次元構造を作製できる技術が必要となる。３次元形状だけをコピーするラピッドプロト
タイピングではなく、高い次元の生体機能を併せ持った３次元構造体の作製、すなわち、
ラピッドマニュファクチュアリング技術の実現が望まれている。さらに望ましくは、比較
的短時間で人工臓器の雛形であるスキャフォールド作製を実現する技術開発が期待されて
いる。

本発明は上記の課題の少なくとも一つを解決し、下記の適用例または態様として実現で
きる。

［適用例１］３次元構造体の作製方法が、（Ａ）所定の外形状を有するとともに、少な
くとも一部が第１の機能液を含有している第１の多孔質性シートに、第２の多孔質性シー
トを重ねる工程と、（Ｂ）前記第２の多孔質性シートの少なくとも所定形状で囲まれた範
囲を前記第１の多孔質性シートに接着する工程と、（Ｃ）前記第２の多孔質性シートを前
記所定形状に加工する工程と、（Ｄ）前記（Ｂ）の後で、前記第１の多孔質性シートと前
記第２の多孔質性シートとを介して前記第１の機能液と第２の機能液とが接触するように
、前記第２の多孔質性シートの前記範囲の少なくとも一部に前記第２の機能液を含有させ
る工程と、を包含している。

適用例１によれば、多孔質性シートを３次元構造体の基本的骨格として積み上げていく
ので、比較的短時間で機能液に含まれる材料から３次元構造体を形成することができる。

［適用例２］前記（Ｄ）は、インクジェット法を用いて前記第２の機能液を前記範囲の
前記少なくとも一部に配置することを含んでいる。

適用例２によれば、基本的骨格材料（第１および／または第２の多孔質性シート）とは
異なる材料として、幅広い種類の材料、例えば、金属、セラミックス、高分子、バイオ材
料などを供給することが可能となり、種々の機能を３次元構造体に付与することが可能と
なる。

［適用例３］前記第１の多孔質性シートおよび前記第２の多孔質性シートのそれぞれが
高分子材料からなる。

適用例３によれば、機械的特性に優れた高分子材料を用いることで、多孔質ではあるも
のの機械的強度を満たした３次元構造体を実現することが可能となる。

［適用例４］前記第１の多孔質性シートおよび前記第２の多孔質性シートのそれぞれが
生体適合材料からなってもよい。

［適用例５］前記第１の多孔質性シートおよび前記第２の多孔質性シートのそれぞれが
生分解性材料からなってもよい。

［適用例６］前記第１の多孔質性シートおよび前記第２の多孔質性シートのそれぞれが
、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、これらの混合物、これらの共重合体、あるいは、ハイド
ロジェル、のいずれかからなってもよい。

［適用例７］前記第１の多孔質性シートおよび前記第２の多孔質性シートのそれぞれが
、コラーゲン、フィブリン、あるいは、ハイドロキシアパタイト、のいずれかからなる。

上記適用例４から７により、バイオ用途の構造体、特に、人工臓器のスキャフォールド
として好適な材料を用いた３次元構造体を実現することが可能となる。

［適用例８］前記第１の多孔質性シートおよび前記第２の多孔質性シートのそれぞれの
空孔率が５０％以上である。

これにより、基本的骨格とは異なる材料で３次元構造体の主要な部分を構成することが
可能となり、新たな機能を発現させることが可能となる。

［適用例９］前記第１の多孔質性シートおよび前記第２の多孔質性シートのそれぞれの
空孔率が８０％以上である。

これにより、人工臓器のスキャフォールドとして必要な空孔率を満たした３次元構造体
を作製することができる。

［適用例１０］前記第１の多孔質性シートおよび前記第２の多孔質性シートのそれぞれ
の膜厚が５０ミクロン以上である。

これにより、積層当たりの膜厚をある程度厚くすることで、トータルの積層数を制限す
ることができ、３次元構造体の形成時間を短縮することができる。

［適用例１１］前記第１の多孔質性シートおよび前記第２の多孔質性シートのそれぞれ
の膜厚が１００ミクロン以上で、尚且つ、５００ミクロン以下である。

シート厚みが５００ミクロン以上と厚くなると扱い難くなるのに加えて、構造体の基本
的骨格中へインクジェット法などでシート材料と異なる材料を塗布して機能性を発現させ
る場合に、一層当たりの膜厚が厚過ぎて、異なる材料の塗布性能が不充分となってしまう
。特に、バイオスキャフォールド中に細胞などを供給する場合に、シート膜厚は５００ミ
クロン以下の方が細胞の増殖の観点から望ましい。

［適用例１２］前記（Ｄ）は、インクジェット法を用いて前記第２の機能液を配置する
前に、前記第２の多孔質性シートの表面に表面処理を施すことを含んでいる。

多孔質性シートの表面状態を制御することで、後に付与する多孔質性シートとは異なる
材料の形成プロセスをコントロールすることが可能となる。具体的にはフッ素を含むガス
中でのプラズマ処理による撥液化や、大気中での紫外線照射による親液化処理などによる
調整で、インクジェット法による材料配置を微調整可能とする。

［適用例１３］前記（Ｄ）は、前記表面処理として、プラズマ処理、あるいは、紫外線
照射を行うことを含んでいる。

［適用例１４］前記（Ｂ）は、前記第１の多孔質性シートの表面および前記第２の多孔
質性シートの表面の少なくとも一方に接着剤を配置することを含んでいる。

［適用例１５］前記（Ｂ）は、インクジェット法により前記少なくとも一方の前記表面
に前記接着剤を配置することを含んでいる。

適用例１５によれば、接着剤を必要な箇所にのみ配置できるので、接着剤の使用量を低
減することができる。

［適用例１６］３次元構造体の作製装置が、所定の外形状を有するとともに、少なくと
も一部が第１の機能液を含有している第１の多孔質性シートに、第２の多孔質性シートを
重ねる第１の機構と、前記第２の多孔質性シートの少なくとも所定形状で囲まれた範囲を
前記第１の多孔質性シートに接着する第２の機構と、前記第２の多孔質性シートを前記所
定形状に加工する第３の機構と、接着された前記第２の多孔質性シートの前記範囲の少な
くとも一部に第２の機能液を含有させる第４の機構と、を備えている。

［適用例１７］前記第４の機構が、前記第２の多孔質性シートに前記第２の機能液を前
記範囲の前記少なくとも一部に配置するインクジェット装置を含んでいる。

［適用例１８］前記第３の機構は、前記第２の多孔質性シートから前記範囲以外を切断
または分離するように前記第２の多孔質性シートにレーザ光を照射するレーザ装置を有し
ている。

適用例１８によれば、有効領域の形状に多孔質性シートを切断（分離）できるだけでな
く、所望の微細構造パターンを多孔質性シートに形成することが可能となる。具体的には
、シートに垂直方向に貫通孔を開けることができ、人工臓器などで求められるミリオーダ
ーの微細構造形成を実現することができる。

［適用例１９］前記第３の機構は前記第２の多孔質性シートから前記範囲以外を切断ま
たは分離する機械的カッタを有している。

適用例１８あるいは１９により、簡便に多孔質性シートを切断（分離）することが可能
となり、トータルの３次元構造体の成形時間を短縮することができる。

［適用例２０］上記３次元構造体の作製装置が、前記第２の多孔質性シートの表面に表
面処理を施すプラズマ処理器をさらに備えている。

［適用例２１］上記３次元構造体の作製装置が、前記第２の多孔質性シートの表面に表
面処理を施すＵＶ照射器をさらに備えている。

本発明について実施例を用いて説明を行う。

図１は、本実施例の３次元構造体の作製装置の模式図を示す。

作製装置１は、基本的には、シート供給機構２と、シート接着機構３と、シート加工機
構４と、機能液付与機構５と、表面処理機構６と、容器７と、を備えている。

シート供給機構２は、多孔質性シート２４Ａに多孔質性シート２４Ｂを重ねるように構
成されている。なお、ここでの多孔質性シート２４Ａは、所定の外形状を有するとともに
、少なくとも一部が機能液９，１０（図２）を含有している。

具体的には、本実施例でのシート供給機構２は、支持台２１と、供給ロール２２と、回
収ロール２３と、を含んでいる。供給ロール２２には連続した１つの多孔質性マザーシー
ト２４が巻かれている。そして、供給ロール２２は、巻かれている多孔質性マザーシート
２４を回収ロール２３側へ供給する。回収ロール２３は、多孔質性マザーシート２４を巻
き取ることで多孔質性マザーシート２４を回収する。一方、支持台２１は、供給ロール２
２と回収ロール２３との間で多孔質性マザーシート２４が移動する経路に重なるように位
置している。この支持台２１上で、多孔質性シート２４Ａ，２４Ｂが積層されることにな
る。ここでの多孔質性シート２４Ａ，２４Ｂは、多孔質性マザーシート２４の一部、ある
いは多孔質性マザーシート２４から分離された部分である。

シート接着機構３は、多孔質性シート２４Ｂの少なくとも所定形状で囲まれた範囲を、
多孔質性シート２４Ａに接着するように構成されている。

具体的には、本実施例でのシート接着機構３は、接着用ローラー３１と、リフト３２と
、を含んでいる。ここで、接着用ローラー３１は、供給ロール２２から供給された多孔質
性マザーシート２４（つまり多孔質性シート２４Ｂ）を加熱するように構成されている。
接着用ローラー３１による加熱によって、多孔質性マザーシート２４の一方の表面（また
は裏面）の全面に塗布された接着層が溶融する。一方、リフト３２は、この接着層が溶融
している間に、支持台２１上に積層された１つ以上のシートの最上シート（つまり多孔質
性シート２４Ａ）が多孔質性マザーシート２４（多孔質性シート２４Ｂ）の接着層に接す
るように、支持台２１を多孔質性シート２４Ｂ側に持ち上げる。このようにして本実施例
では、シート接着機構３が多孔質性シート２４Ａに多孔質性シート２４Ｂを接着する。

シート加工機構４は、接着された多孔質性シート２４Ｂを上記所定形状に加工するよう
に構成されている。

具体的には、本実施例でのシート加工機構４は、３軸アクチュエーター８と、シート切
断（分離）用レーザ装置（不図示）と、を有している。シート切断（分離）用レーザ装置
は、レーザビームを発生するビーム発生器（不図示）と、ミラー群４１と、を有している
。ビーム発生器が発生するレーザビームは、多孔質性シート２４Ｂを切断または分離する
だけのエネルギーを有している。一方、ミラー群４１は複数のミラーを含んでいる。これ
ら複数のミラーのうちの一部の配向は、３軸アクチュエーター８の動きに応じて可変であ
る。そして、ミラー群４１は、多孔質性シート２４Ｂ上の３軸アクチュエーター８の位置
に応じた部分へ、ビーム発生器からのレーザビームを導くように構成されている。

機能液付与機構５は、接着された多孔質性シート２４Ｂの上記範囲の少なくとも一部に
、機能液９，１０を含有させる機能を担う。

具体的には、本実施例での機能液付与機構５は、上述の３軸アクチュエーター８と、３
軸アクチュエーター８上に固定されたインクジェット装置５１と、を含んでいる。本実施
例では、シート加工機構４と機能液付与機構５とで３軸アクチュエーター８は共通である
。しかしながら、シート加工機構４と機能液付与機構５とが、別々の３軸アクチュエータ
ー８を備えてもよい。インクジェット装置５１は、機能液９，１０を吐出するインクジェ
ットヘッド（不図示）を有している。このインクジェットヘッドは、３軸アクチュエータ
ー８の機能によって、少なくとも多孔質性シート２４Ｂの表面に平行な面内で、多孔質性
シート２４Ｂに対して２次元的に相対移動できる。このような構成によって、インクジェ
ット装置５１は、多孔質性シート２４Ｂの任意の部分に機能液９，１０を配置する。

表面処理機構６は、多孔質性シート２４Ｂの表面に表面処理を施すように構成された表
面処理装置６１を含んでいる。具体的には、本実施例での表面処理装置６１は、多孔質性
マザーシート２４（または多孔質性シート２４Ｂ）の表面に、大気圧下でプラズマを照射
する装置（またはプラズマ照射器）である。なお、他の実施例では、表面処理装置６１は
、上記表面に紫外線を照射する装置（またはＵＶ照射器）であってもよい。

容器７は支持台２１の下方にあり、生理食塩水（または培養液）を貯えている。そして
、リフト３２によって支持台２１が多孔質性マザーシート２４とは反対側に移動する場合
には、支持台２１上で積層された多孔質性シート２４Ａ，２４Ｂは、支持台２１ごと容器
７中の生理食塩水に浸される。

図２を参照しながら、本実施例の３次元構造体の作製方法を説明する。本実施例の３次
元構造体の作製方法は、上述の作製装置１によって実行されるのが効率性のうえで好適で
あるが、本実施例の作製方法の実行に作製装置１は必須でない。

まず、図２（ａ）に示すように、所定の外形状を有するとともに、少なくとも一部が機
能液９，１０を含有している多孔質性シート２４Ａに、多孔質性シート２４Ｂを重ねる。
本実施例では、多孔質性シート２４Ａに含有された機能液９は、多孔質性シート２４Ａ上
で１つの領域を構成している。一方、多孔質性シート２４Ａに含有された機能液１０は、
多孔質性シート２４Ａ上で２つの領域を構成している。一方、この段階での多孔質性シー
ト２４Ｂは、多孔質性マザーシート２４の一部である。ここで、多孔質性マザーシート２
４は多孔質構造を有している。多孔質構造のおかげで、多孔質性マザーシート２４の任意
の部分に機能液９（１０）が配置されれば、その部分は機能液９（１０）を吸着または保
持して、機能液９（１０）を含有するようになる。

次に、図２（ｂ）に示すように、多孔質性シート２４Ｂの少なくとも所定形状で囲まれ
た範囲を多孔質性シート２４Ａに接着する。

次に、図２（ｃ）に示すように、多孔質性シート２４Ａと多孔質性シート２４Ｂとを介
して機能液９同士または機能液１０同士が接触するように、多孔質性シート２４Ｂの上記
範囲の少なくとも一部に、機能液９，１０を含有させる。具体的には本実施例では、機能
液９の１つの領域および機能液１０の２つの領域が多孔質性シート２４Ｂの上記範囲内に
得られるように、インクジェット法で機能液９，１０を多孔質性シート２４Ｂに配置する
。多孔質性シート２４Ｂは多孔質構造を有するので、配置された機能液９，１０は、多孔
質性シート２４Ｂに吸着または保持されて、この結果、多孔質性シート２４Ｂに含有され
る。

ここで、多孔質性シート２４Ａに含有される機能液９（１０）は「第１の機能液」と表
記され得るし、また多孔質性シート２４Ｂに含有される機能液９（１０）を「第２の機能
液」と表記され得る。本実施例では、「第１の機能液」と「第２の機能液」とは同じであ
る。ただし、他の実施例では、「第１の機能液」と「第２の機能液」とが互いに異なって
もよい。

さらに、図２（ｄ）に示すように、多孔質性シート２４Ｂを上述の所定形状に加工する
。具体的には本実施例では、レーザビーム（すなわちレーザ光）を用いて、多孔質性シー
ト２４Ｂのうちで上記所定形状で囲まれた範囲を多孔質性シート２４Ｂの他の部分から分
離する。ここでの所定形状は、例えば臓器など、目的としている３次元構造体を複数のス
ライスに分割した場合の一つのスライスの外形に対応している。

なお、多孔質性シート２４Ｂへの機能液９，１０の配置と、多孔質性シート２４Ｂの加
工（分離）とは、どちらも多孔質性シート２４Ｂの接着の後に実施される。ただし、多孔
質性シート２４Ｂへの機能液９，１０の配置は、多孔質性シート２４Ｂの加工（分離）よ
り前に実施されてもよいし、後で実施されてもよい。

本実施例では、多孔質性シート２４Ａに含有された機能液９の１つ領域と、多孔質性シ
ート２４Ｂに含有された機能液９の１つの領域とは、互いに液状態を保って接触する。同
様に、多孔質性シート２４Ａに含有された機能液１０の２つの領域と、多孔質性シート２
４Ｂに含有された機能液１０の２つの領域とは、それぞれ互いに液状態を保って接触する
。つまり本実施例では、多孔質性シート２４Ａと多孔質性シート２４Ｂとを介して、互い
に同じ機能液が互いに接触する。しかしながら他の実施例では、多孔質性シート２４Ａと
多孔質性シート２４Ｂとを介して、互いに異なる機能液が互いに接触してもよい。

多孔質性シート２４Ａ，２４Ｂのそれぞれは、多孔質構造を有する。このため多孔質性
シート２４Ａ，２４Ｂのそれぞれは、機能液９が配置された部分で機能液９を吸着または
保持する。したがって、多孔質性シート２４Ａと多孔質性シート２４Ｂとが積層されるこ
とで、多孔質性シート２４Ａにおける機能液９の領域と多孔質性シート２４Ｂにおける機
能液９の領域とが、互いに繋がってＺ軸方向に展開される。そして、多孔質性シート２４
Ａ，２４Ｂのそれぞれにおける機能液９の領域の形状は、インクジェット法によって任意
に設計可能であり、このことから最終的な機能液９の領域の３次元形状は任意に設計可能
である。例えば、機能液９のＺ方向に沿ったオーバーハング形状も容易に形成される。機
能液１０の領域も機能液９の領域と同様に任意に設計可能である。

ここで、本実施例のＺ軸方向とは、多孔質性シート２４Ａ，２４Ｂが積層される方向で
ある。また、本実施例では、少なくとも多孔質性マザーシート２４と支持台２１とが重な
る範囲では、多孔質性マザーシート２４はＺ軸方向にほぼ垂直な仮想平面（ＸＹ平面）上
に位置している。

次に、図２（ｅ）に示すように、多孔質性マザーシート２４を移動させて、機能液９，
１０を含有した多孔質性シート２４Ｂ上に、多孔質性マザーシート２４の新たな部分を供
給する。この段階で、この多孔質性シート２４Ｂを「多孔質性シート２４Ａ」に読み替え
るとともに、多孔質性マザーシート２４の新たに供給された部分を「多孔質性シート２４
Ｂ」に読み替えて、図２（ｂ）から図２（ｅ）までの工程を繰り返す。工程の繰り返しは
、目的とする３次元構造体が得られるまで行う。

本実施例の作製方法によって、機能液９の領域は構造化される。具体的には、機能液９
の領域は３次元的に繋がる。しかも、機能液９が生体細胞等の生体因子を含有している場
合には、機能液９の領域において、生体因子の有機的な機能も３次元的に繋がり得る。そ
して、機能液１０の領域にも機能液９の領域に関する上記説明と同様の説明が適用される
。本実施例では最終的な機能液９の領域および機能液１０の領域をまとめて３次元構造体
と表記しているが、場合によっては、３次元構造体は１つの機能液の１つ以上の領域から
なってもよいし、３つ以上の機能液の複数の領域からなってもよい。

以下では、上記の作製装置１および作製方法をより詳細に説明する。

図１に示すように、支持台２１上に、接着層を介して、複数の多孔質性シート２４Ａ，
２４Ｂが順次積層され、所望の形状に加工されて、３次元構造体が形成される。本実施例
においては、複数の多孔質性シート２４Ａは、供給ロール２２に巻かれた多孔質性マザー
シート２４から連続的に供給されて有効領域のみが順次加工／積層され、多孔質性マザー
シート２４の不要領域は、回収ロール２３にて巻き取られていく。本実施例では、複数の
多孔質性シート２４Ａをリール・トゥー・リール方式を利用した多孔質性マザーシート２
４から得るが、このような実施例に限るものではなく、各々が予め切断（分離）された複
数の多孔質性シート２４Ａをバッチ式で供給、及び、回収する方式などでもよい。

３軸アクチュエーター８上に、シート切断（分離）用レーザ装置のミラー部分、インク
ジェット装置５１、及び、表面処理装置６１がそれぞれ固定され、多孔質性マザーシート
２４の進行方向をＸ軸、シート面内でＸ軸に垂直な方向をＹ軸、シート面に垂直方向をＺ
軸をすると、シート切断（分離）用レーザ装置のミラー群４１の一部、インクジェット装
置５１、及び、表面処理装置６１が、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に対して可動となるように３つの
ステージを組み合わせて３軸アクチュエーター８を構成した。これらは、多孔質性マザー
シート２４（または多孔質性シート２４Ｂ）の供給、多孔質性シート２４Ａと多孔質性シ
ート２４Ｂとの貼り合わせなどと連動してコンピュータ制御される（図示はされていない
）。シート切断（分離）用レーザ装置には炭酸ガスレーザを用い、レーザ本体は３軸アク
チュエータ８上に配置せずに固定とし、集光用光学系、特にミラーを３軸アクチュエータ
８上にマウントすることで、多孔質性マザーシート２４（または多孔質性シート２４Ｂ）
の範囲内で有効領域と不要領域とを切断（分離）加工できるように配置を行った。インク
ジェット装置５１は、オンディマンド方式で、１８０ノズルを２列有するタイプのインク
ジェットヘッドを２個搭載して、それぞれのノズル列から、機能液９，１０を含んだ合計
４種類の異なるインク材料（または機能液）が所望のパターンに応じて塗布できるように
制御システム化を構築した。表面処理装置６１として、大気圧下でのプラズマ照射が可能
な装置を用いた。その目的は、予め作製された多孔質性シートに対して、インクジェット
プロセスの直前に表面処理することで、均一で安定したインクジェット膜の形成を実現す
るものである。紫外線照射でも同様な効果が得られるのは言うまでもなく、さらに、プラ
ズマ処理の場合は、ガスチャンバーを併設して、各種ガス中でのプラズマ処理でも均一性
や安定性は確保することが可能である。

次に、多孔質性シート２４Ａ，２４Ｂについて述べる。本実施例においては、人工臓器
用のスキャフォールド作製について詳しく述べる。まず、多孔質性シート材料に関しては
、生体適合性を有し、尚且つ、生分解性を有していることが望ましい。このような材料の
候補としては、合成材料系の中からは、ＰＬＡ：Ｐｏｌｙ−Ｌａｃｔｉｃ Ａｃｉｄ（ポ
リ乳酸）、ＰＧＡ：Ｐｏｌｙ−Ｇｌｙｃｏｌｉｃ Ａｃｉｄ（ポリグリコール酸）、ＰＬ
ＧＡ等が挙げられ、一方、生体材料系の中からは、コラーゲン、フィブリン、ハイドロキ
シアパタイト等が挙げられる。近年の廃棄物による環境問題の解決策として生分解性プラ
スティックが注目を集めており、各種の生分解性材料が比較的容易に入手可能である。本
実施例においては、広く一般的に用いられているＰＬＡを用いた。多孔質性プラスティッ
クフィルム、あるいは、シートの作製方法としては、原材料である高分子溶液を凍結乾燥
する方法、原材料を含む２成分系の薄膜形成の後に原材料以外の相のみを溶解により除去
する方法、揮発性化合物を原材料中に予め吸収させておき後ほど発泡させる方法、など各
種製造方法が考案されている。本実施例においては、揮発性化合物としてイソブタンを用
い、一般的な押し出し法により、空孔率８５％の発泡シートを形成した。このときの多孔
質性シートの膜厚は２００ミクロンとなるよう調整した。また、微細構造（マイクロコン
パートメント）のサイズは８０ミクロンを若干下回るサイズであったが、シート成形条件
により変更可能であることが確認できた。本実施例では揮発性成分による空孔を作製する
手法を用いたが、本発明はこれに限るものではなく、他の多孔質性シート作製方法におい
ても有効であることは言うまでもない。

次に、多孔質性シート２４Ａ，２４Ｂ同士の貼り合わせについて述べる。接着剤材料と
しては、多孔質性シート２４Ａ，２４Ｂの材料と同様に、生体適合性を有し、尚且つ生分
解性を有していることが望ましい。本実施例においては、接着剤材料としてＰＬＡを用い
た。具体的には、粒子径が１ミクロン以下のサイズのＰＬＡの水性エマルジョンを用いて
、既に有効領域の形状に切り出された多孔質性シート２４Ａの表面に水性エマルジョンを
塗布し、さらにその上に次の多孔質性シートを積層していく。多孔質性シート同士が所望
の剥離強度を得るためには、最低でも６０度から７０度程度の加熱処理が必要になる。人
工臓器用のスキャフォールド作製においては、生体細胞等の生体因子を予め多孔質性フィ
ルムに付与した上で、多孔質性シートを積層していく必要がある。しかしながら、生体因
子は熱ダメージに非常に弱いために、注意深く加熱処理を行う必要がある。例えば、積層
する多孔質性シート２４Ｂを事前に所望の温度まで過熱しておき、有効領域の形状に切り
出された多孔質性シート２４Ｂの表面に接着剤を塗布して速やかに接着を行う、あるいは
、接着用ローラー３１を所望の温度に加熱した上で、短時間のみ多孔質性シート２４Ａ，
２４Ｂ同士をプレスする、などの工夫が必要となる。また、接着剤であるＰＬＡ水性エマ
ルジョンの塗布方法については、インクジェット法、アニロックスロールなどによる全面
コート、あるいは、フレキソ印刷法による部分塗布などが可能である。インクジェット法
の場合は、固形分濃度は１０％以下として粘度を１０ｍＰａ・ｓ程度以下にする必要があ
り、一方、アニロックスロールや樹脂などの版を用いて塗布する場合は、固形分濃度を高
めて塗布することが望ましい。

以上述べたように、生分解性材料からなる多孔質性シート２４Ａ，２４Ｂの積層を繰り
返し、互いの多孔質性シート２４Ａ，２４Ｂを生分解性を有する接着剤で貼り合わせ、さ
らに所望の形状に切断（分離）することにより、比較的短時間に人工臓器用スキャフォー
ルドとして機能する３次元構造体を作製できた。

次に、別の実施例により本発明を説明する。３次元構造体の色調をデザインされた通り
に作製する事例について述べる。用いた３次元構造体の作製装置は、実施例１とほぼ同様
である。ただし、インクジェット装置５１のインクジェットヘッドが吐出する機能液とし
て、チタニア微粒子インク（微粒子径約０．２ミクロン、水溶液、チタニア濃度４％）と
、カーボンブラックインク（微粒子径約０．０５ミクロン、水溶液、カーボンブラック濃
度４．５％）の２種類を新たに加えた。それぞれ、３次元構造体の表面を白色、あるいは
、黒色に着色するためのものである。多孔質性マザーシート２４は、厚み１００ミクロン
、空孔率９０％、微細構造（マイクロコンパートメント）のサイズは約４０ミクロンのも
のを用いた。また、シート材料に関しては、実施例１と同様にＰＬＡとした。実施例１と
同様に３次元構造体を形成する際に、最下層と最上層の多孔質性シート全面と、中間の多
孔質性シートの有効領域の境界の有効領域側をインクジェット法により、チタニアインク
、あるいは、カーボンブラックインクを用いて着色することを試みた。インクジェットに
先立ち予め多孔質性シート表面をフッ素を含むガス中でプラズマ処理を施すことにより、
多孔質性表面の水に対する接触角が５０度になるよう調整を行った。多孔質性フィルム表
面が適当な撥液性を示し、各インクが濡れ広がり過ぎず、良好な着色が可能であった。こ
のようにインクジェット法により着色しながら多孔質性シートの積層を繰り返すことによ
り、所望の白黒パターン表面を有する３次元構造体を作製可能であることが確認できた。
本実施例においては、白黒表示のみを行ったが、さらに、ＲＧＢの３原色インクを加える
ことにより、幅広い色表示が可能であることは言うまでもない。本実施例においては、３
次元構造体の表面近傍にのみに基本的骨格材料とは異なる材料を配置したが、構造体の強
度を高めるなどの目的で、他の領域へも別材料を配置することも有効である。

実施例１、及び、実施例２で、人口臓器スキャフォールドや３次元構造体の着色への応
用例を述べたが、本発明はこれらに限るものではなく、多孔質性シート、及び、シート内
部へ別材料が付与をされた繰り返し構造をその一部とする３次元構造体全てを含む。

実施例１および２によれば、多孔質性シート２４Ａ，２４Ｂを３次元構造体の基本的骨
格として積み上げていくことで、比較的短時間で基本的骨格からなる基本構造をビルドア
ップすることが可能となる。また、多孔質性シート２４Ａ，２４Ｂの材料として機械的特
性に優れた高分子材料を用いることで、多孔質ではあるものの機械的強度を満たした基本
的骨格、および／または３次元構造体を実現することが可能となる。さらに、多孔質性シ
ート２４Ａ，２４Ｂの材料として生分解性材料を用いることで、人工臓器などバイオ用途
の３次元構造体のスキャフォールドを実現することが可能となる。人工臓器用スキャフォ
ールド作製の場合には、各種細胞、成長因子などの生体因子を適宜配置することが可能と
なる。従って、多孔質性シートを積層する度に、細胞などバイオ材料をスキャフォールド
内部へ供給することが可能となり、作製が完了した部分から培養液中へ浸漬することがで
きる。

また、基本的骨格材料とは異なる材料を用いて３次元構造体を形成することができ、新
たな機能を付与することが可能となる。具体的には、インクジェット法などを用いること
で、金属、セラミックス、高分子、バイオ材料などを供給することが可能となり、種々の
機能を３次元構造体に付与することが可能となる。

実施例１および２の３次元構造体の作製装置の模式図。 実施例１および２の３次元構造体の作製方法を示す図。

符号の説明

１…作製装置、２…シート供給機構、３…シート接着機構、４…シート加工機構、５…
機能液付与機構、６…表面処理機構、７…容器、８…３軸アクチュエーター、２１…支持
台、２２…供給ロール、２３…回収ロール、２４…多孔質性マザーシート、２４Ａ，２４
Ｂ…多孔質性シート、３１…接着用ローラー、３２…リフト、４１…ミラー群、５１…イ
ンクジェット装置、６１…表面処理装置。

Claims (21)

1. ３次元構造体の作製方法であって、
   （Ａ）所定の外形状を有するとともに、少なくとも一部が第１の機能液を含有している
   第１の多孔質性シートに、第２の多孔質性シートを重ねる工程と、
   （Ｂ）前記第２の多孔質性シートの少なくとも所定形状で囲まれた範囲を前記第１の多
   孔質性シートに接着する工程と、
   （Ｃ）前記第２の多孔質性シートを前記所定形状に加工する工程と、
   （Ｄ）前記（Ｂ）の後で、前記第１の多孔質性シートと前記第２の多孔質性シートとを
   介して前記第１の機能液と第２の機能液とが接触するように、前記第２の多孔質性シート
   の前記範囲の少なくとも一部に前記第２の機能液を含有させる工程と、
   を包含した３次元構造体の作製方法。
2. 請求項１記載の３次元構造体の作製方法であって、
   前記（Ｄ）は、インクジェット法を用いて前記第２の機能液を前記範囲の前記少なくと
   も一部に配置することを含んでいる、３次元構造体の作製方法。
3. 請求項１記載の３次元構造体の作製方法であって、
   前記第１の多孔質性シートおよび前記第２の多孔質性シートのそれぞれが高分子材料か
   らなる、３次元構造体の作製方法。
4. 請求項１記載の３次元構造体の作製方法であって、
   前記第１の多孔質性シートおよび前記第２の多孔質性シートのそれぞれが生体適合材料
   からなる、３次元構造体の作製方法。
5. 請求項１記載の３次元構造体の作製方法であって、
   前記第１の多孔質性シートおよび前記第２の多孔質性シートのそれぞれが生分解性材料
   からなる、３次元構造体の作製方法。
6. 請求項５記載の３次元構造体の作製方法であって、
   前記第１の多孔質性シートおよび前記第２の多孔質性シートのそれぞれが、ポリ乳酸、
   ポリグリコール酸、これらの混合物、これらの共重合体、あるいは、ハイドロジェル、の
   いずれかからなる、３次元構造体の作製方法。
7. 請求項５記載の３次元構造体の作製方法であって、
   前記第１の多孔質性シートおよび前記第２の多孔質性シートのそれぞれが、コラーゲン
   、フィブリン、あるいは、ハイドロキシアパタイト、のいずれかからなる、３次元構造体
   の作製方法。
8. 請求項１記載の３次元構造体の作製方法であって、
   前記第１の多孔質性シートおよび前記第２の多孔質性シートのそれぞれの空孔率が５０
   ％以上である、３次元構造体の作製方法。
9. 請求項８記載の３次元構造体の作製方法であって、
   前記第１の多孔質性シートおよび前記第２の多孔質性シートのそれぞれの空孔率が８０
   ％以上である、３次元構造体の作製方法。
10. 請求項１記載の３次元構造体の作製方法であって、
    前記第１の多孔質性シートおよび前記第２の多孔質性シートのそれぞれの膜厚が５０ミ
    クロン以上である、３次元構造体の作製方法。
11. 請求項１０記載の３次元構造体の作製方法であって、
    前記第１の多孔質性シートおよび前記第２の多孔質性シートのそれぞれの膜厚が１００
    ミクロン以上で、尚且つ、５００ミクロン以下である、３次元構造体の作製方法。
12. 請求項２から１１のいずれか一つに記載の３次元構造体の作製方法であって、
    前記（Ｄ）は、インクジェット法を用いて前記第２の機能液を配置する前に、前記第２
    の多孔質性シートの表面に表面処理を施すことを含んでいる、３次元構造体の作製方法。
13. 請求項１２記載の３次元構造体の作製方法であって、
    前記（Ｄ）は、前記表面処理として、プラズマ処理、あるいは、紫外線照射を行うこと
    を含んでいる、
    ３次元構造体の作製方法。
14. 請求項１記載の３次元構造体の作製方法であって、
    前記（Ｂ）は、前記第１の多孔質性シートの表面および前記第２の多孔質性シートの表
    面の少なくとも一方に接着剤を配置することを含んでいる、
    ３次元構造体の作製方法。
15. 請求項１４記載の３次元構造体の作製方法であって、
    前記（Ｂ）は、インクジェット法により前記少なくとも一方の前記表面に前記接着剤を
    配置することを含んでいる、
    ３次元構造体の作製方法。
16. ３次元構造体の作製装置であって、
    所定の外形状を有するとともに、少なくとも一部が第１の機能液を含有している第１の
    多孔質性シートに、第２の多孔質性シートを重ねる第１の機構と、
    前記第２の多孔質性シートの少なくとも所定形状で囲まれた範囲を前記第１の多孔質性
    シートに接着する第２の機構と、
    前記第２の多孔質性シートを前記所定形状に加工する第３の機構と、
    接着された前記第２の多孔質性シートの前記範囲の少なくとも一部に第２の機能液を含
    有させる第４の機構と、
    を備えた３次元構造体の作製装置。
17. 請求項１６記載の３次元構造体の作製装置であって、
    前記第４の機構が、前記第２の多孔質性シートに前記第２の機能液を前記範囲の前記少
    なくとも一部に配置するインクジェット装置を含んでいる、
    ３次元構造体の作製装置。
18. 請求項１６または１７記載の３次元構造体の作製装置であって、
    前記第３の機構は、前記第２の多孔質性シートから前記範囲以外を切断または分離する
    ように前記第２の多孔質性シートにレーザ光を照射するレーザ装置を有している、
    ３次元構造体の作製装置。
19. 請求項１６または１７記載の３次元構造体の作製装置であって、
    前記第３の機構は前記第２の多孔質性シートから前記範囲以外を切断または分離する機
    械的カッタを有している、３次元構造体の作製装置。
20. 請求項１６または１７記載の３次元構造体の作製装置であって、
    前記第２の多孔質性シートの表面に表面処理を施すプラズマ処理器をさらに備えた３次
    元構造体の作製装置。
21. 請求項１６または１７記載の３次元構造体の作製装置であって、
    前記第２の多孔質性シートの表面に表面処理を施すＵＶ照射器をさらに備えた３次元構
    造体の作製装置。

Images