JP2011253060A - 三次元粘弾性構造体製造装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元粘弾性構造体をより高い精度で成形することを可能とする。
【解決手段】ノズル１０と三次元可動ステージ２２とを相対的に移動させつつノズル１０から軟性材料を吐出すると共に、冷却手段によって所定の固化温度以下に冷却して固化された状態を維持しつつ三次元の構造体を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、三次元粘弾性構造体を形成するための三次元粘弾性構造体製造装置及び製造方法に関する。

これまで、様々な分野において粘弾性の三次元構造体の利用が行われている。例えば、特許文献１には、水溶性ゲル組成物を積層して生体軟組織の模型として形成する技術が開示されている。ここでは、粘弾性材料を軟組織の鋳型によって成形したり、生体硬組織の骨格に粘弾性構造物を圧着成形したりする方法が開示されている。

特開２００７−３１６４３４号公報

しかしながら、鋳型や骨格を用いた成形方法は少種類の三次元構造体を大量に製造するには適しているが、多種多様の三次元構造体を少量ずつ製造するには鋳型や骨格の形成に時間やコストが掛かるという欠点がある。特に、手術のシミュレーションを行うために患者の生体軟組織の模型を形成する場合等においては、個々の患者に合わせて鋳型や骨格を準備する必要があり問題が顕著となる。とりわけ、心臓や動脈瘤など多くの製作対象は複雑な中空構造体であり、従来の方法では表面構造や中実の構造体の製作には適応できても、これら中空構造体を製作することは困難であった。

本発明の１つの態様は、所定の固化温度以下において固化する軟性材料を吐出するノズルと、前記ノズルから吐出された軟性材料により形成される構造体を保持し、前記ノズルに対して相対的に移動可能なステージと、前記ステージ上にて保持される構造体を冷却する冷却手段と、を備え、前記ノズルと前記ステージとを相対的に移動させつつ前記ノズルから軟性材料を吐出すると共に、前記冷却手段によって前記所定の固化温度以下に冷却して固化された状態を維持しつつ、中空など複雑な三次元構造体を精密に形成する三次元軟性構造体製造装置である。

ここで、前記冷却手段は、液体窒素により構造体を冷却することが好適である。

また、前記軟性材料は、鹸化率が９７モル％以上でかつ重合度が５００〜３０００の第１のポリビニルアルコールと、鹸化率が７０〜９０モル％以上でかつ重合度が５００〜３０００の第２のポリビニルアルコールと、を含み、含水率が７０〜９５重量％であることが好適である。

このような構成において、ノズルとステージとを相対的に移動させつつ所定の固化温度以下において固化する軟性材料を前記ノズルから吐出し、冷却手段によって前記所定の固化温度以下に冷却して固化された状態を維持しつつ、前記ステージ上において三次元の構造体を形成する。

本発明によれば、三次元粘弾性構造体を容易かつ安価に形成することができる。

本発明の実施の形態における三次元粘弾性構造体製造装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態における三次元粘弾性構造体製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における三次元粘弾性構造体製造装置の構成の別例を示す図である。

本発明の実施の形態における三次元粘弾性構造体製造装置１００は、図１の装置構成図に示すように、ノズル１０、材料タンク１２、材料供給管１４、電磁弁１６、材料ポンプ１８、加熱ヒータ２０、三次元可動ステージ２２、冷媒タンク２４、冷媒供給管２６、冷媒ポンプ２８、熱交換器３０及び制御部３２を含んで構成される。

三次元粘弾性構造体製造装置１００は、ノズル１０と三次元可動ステージ２２とを相対的に移動させつつ所定の固化温度Ｔ以下において固化する軟性材料をノズル１０から吐出させし、冷媒３４によって所定の固化温度Ｔ以下に冷却して固化された状態を維持しつつ、三次元可動ステージ２２上において三次元の構造体を形成するものである。

ノズル１０、材料タンク１２、材料供給管１４、電磁弁１６、材料ポンプ１８及び加熱ヒータ２０は三次元粘弾性構造体製造装置１００における材料供給手段を構成する。三次元可動ステージ２２は三次元粘弾性構造体製造装置１００における構造体支持手段を構成する。冷媒タンク２４、冷媒供給管２６、冷媒ポンプ２８及び熱交換器３０は三次元粘弾性構造体製造装置１００における冷却手段を構成する。

三次元粘弾性構造体を構成する材料は、高温では流動性が高くなり液状化し、温度が低下するにつれて流動性が低くなり、常温付近（０℃以上４０℃以下）では粘弾性を示し、所定の固化温度Ｔ以下では固化する材料を用いる。ここで、固化とは、ノズル１０から吐出された軟性材料を積層して構造体を成形する際に構造体の形をほぼ一定に維持するに十分な硬度を有する状態となることを意味する。

なお、本実施の形態における三次元粘弾性構造体製造装置１００は生体軟組織の三次元粘弾性構造体を成形するために適しているが、生体軟組織を模倣した三次元粘弾性構造体を形成するために適した軟性材料については後述する。

ノズル１０は、材料供給管１４によって材料タンク１２に接続される。ノズル１０は、先端部分が絞られた構造になっており、その先端部分から軟性材料を高い位置精度で吐出できる構成とされている。材料タンク１２は、三次元構造体を構成する軟性材料を蓄えるための容器である。材料タンク１２には、軟性材料の固化を防ぐための保温手段を設けることが好適である。材料タンク１２には、材料ポンプ１８からの圧縮空気が送り込まれ、その圧縮力により材料供給管１４を通してノズル１０から軟性材料が吐出される。材料ポンプ１８は、制御部３２から出力される材料ポンプ制御信号を受けて、材料ポンプ制御信号に応じて運転状態が制御され、材料タンク１２内の圧力を調整する。ノズル１０と材料タンク１２とを繋ぐ材料供給管１４には電磁弁１６が設けられる。電磁弁１６は、制御部３２から出力される供給制御信号によりノズル１０から吐出される軟性材料の量を調整する。

材料供給手段には加熱ヒータ２０が設けられる。加熱ヒータ２０は、冷却手段による冷却によって三次元可動ステージ２２へ供給される前の軟性材料が固化しないように所定温度Ｔ以上に温度を維持するために設けられる。加熱ヒータ２０は、制御部３２からの材料温度制御信号を受けて、軟性材料の温度を調整する。また、材料供給手段のいずれかの箇所に温度センサーを取り付けて、温度センサーによって軟性材料の温度を検出し、検出温度に応じて加熱ヒータ２０をフィードバック制御して温度制御を行ってもよい。なお、図１では、加熱ヒータ２０をノズル１０の近傍のみに設けた構成を示したが、必要に応じて加熱ヒータ２０を他の箇所に設けてもよい。

三次元可動ステージ２２は、ノズル１０から吐出された軟性材料を支持する構成要素である。三次元可動ステージ２２は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に位置制御が可能なＸ−Ｙ−Ｚステージを備える。三次元可動ステージ２２は、制御部３２からステージ制御信号を受けて、ステージ制御信号に応じてノズル１０に対するＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の相対位置を変更する。三次元可動ステージ２２は、例えば、サーボ制御とすることが好適である。

三次元可動ステージ２２には冷却手段が付設される。三次元可動ステージ２２に対して冷媒供給管２６を介して冷媒タンク２４が接続される。冷媒タンク２４には、軟性材料によって形成された構造体を冷却するための冷媒３４が蓄えられる。冷媒供給管２６の途中には、さらに冷媒ポンプ２８及び熱交換器３０も設けられる。冷媒３４は、冷媒ポンプ２８によって圧縮され、熱交換器３０を介して冷媒タンク２４と三次元可動ステージ２２との間を循環させられる。三次元可動ステージ２２上にて形成された三次元構造体が冷媒タンク２４から供給された冷媒３４により冷却され、暖められた冷媒３４は熱交換器３０にて再び冷却されて冷媒タンク２４に戻される。

冷媒ポンプ２８は、制御部３２から冷媒供給制御信号を受けて、冷媒供給制御信号に応じて冷媒３４の供給量を調整する。制御部３２は、三次元可動ステージ２２上の構造体を所定の固化温度Ｔ以下に維持するように冷媒３４の供給量を調整する。

なお、冷却手段はこのような構成に限定されるものではなく、三次元粘弾性構造体を成形する間に構造体を固化温度Ｔ以下に維持できるものであればよい。また、冷媒３４は、特に限定されるものではなく、例えば液体窒素やエチレングリコール等を用いることができる。

また、三次元可動ステージ２２は、冷媒３４が構造体全体を冷却できるような形状とすることが好適である。例えば、図１に示すように、三次元可動ステージ２２を浴槽形状とし、冷却手段から供給された冷媒３４が構造体全体の周辺に満たされるように構成することが好適である。

次に、本実施の形態における三次元粘弾性構造体製造装置１００を用いた三次元粘弾性構造体の成形方法について説明する。三次元粘弾性構造体の成形は、図２のフローチャートに沿って行われる。

ステップＳ１０では、三次元可動ステージ２２への冷媒の供給が開始される。制御部３２は、冷媒ポンプ２８に対して冷媒供給制御信号を出力し、冷媒ポンプ２８を動作させて冷媒タンク２４から冷媒３４を三次元可動ステージ２２へ供給させる。

ステップＳ１２では、成形対象となる構造体の形に合わせて三次元可動ステージ２２の移動が行われる。制御部３２は、三次元可動ステージ２２に対してＣＡＤ／ＣＡＭ制御を行う。成型対象となる物体の三次元構造のデータを取得し、そのデータに応じてステージ制御信号を出力し、三次元可動ステージ２２をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向へ移動制御する。これにより、ノズル１０の吐出位置と三次元可動ステージ２２との相対的な位置が変更される。

ステップＳ１４では、ノズル１０から軟性材料が供給され、構造体の成形が行われる。制御部３２は、電磁弁１６へ供給制御信号を出力して軟性材料の供給を可能とすると共に、材料ポンプ１８に材料ポンプ制御信号を出力してノズル１０から軟性材料を吐出させる。

ステップＳ１６では、構造体の成形が終了したか否かが判定される。構造体の成形が終了していない場合にはステップＳ１２に戻り、三次元可動ステージ２２を動かしつつ、ノズル１０から軟性材料を供給して構造体の成形を継続する。構造体の成形が終了した場合、ステップＳ１８において冷媒の供給を停止する。

これにより、ノズル１０から吐出される軟性材料が三次元可動ステージ２２上にて積層され、成型対象となる物体の構造に対応した三次元構造体が形成される。このとき、三次元可動ステージ２２上において成形されつつある三次元構造体を冷媒によって固化した状態に保持しつつ、ノズル１０と三次元可動ステージ２２との相対位置を成型対象となる物体の三次元構造に対応して変更させると共に、ノズル１０から軟性材料を吐出させて三次元構造体を成形する。したがって、軟性材料を用いた三次元粘弾性構造体を形成する際に、常温では粘弾性を示す構造体を固化された状態に維持しつつ、軟性材料を順に積層していくことが可能となる。そして、成形が完了した時点で冷媒による冷却を停止させることで、成形された三次元構造体は常温に戻り粘弾性を示すものとなる。その結果、三次元粘弾性構造体の形状・大きさ・内部構造を高い精度で成形することができる。

なお、本実施の形態では、１種類の軟性材料を用いて三次元粘弾性構造体を成形する構成について説明したが複数の軟性材料を用いる構成としてもよい。例えば、図３に示すように、異なる２種類の軟性材料のための材料タンク１２ａ，１２ｂ、電磁弁１６ａ，１６ｂ及び材料ポンプ１８ａ，１８ｂを２系統設け、制御部３２によってノズル１０から供給される軟性材料を選択することによって、２種類の軟性材料を組み合わせた複合的な三次元粘弾性構造体を形成することができる。さらに、３種類以上の軟性材料を用いる場合でも同様に３系統以上の材料供給手段を設ければよい。

＜生体軟組織を構成するための軟性材料＞
生体軟組織を構成するための軟性材料としては、鹸化率が９７モル％以上でかつ重合度が５００〜３０００の第１のポリビニルアルコールと、鹸化率が７０〜９０モル％以上でかつ重合度が５００〜３０００の第２のポリビニルアルコールと、を含み、含水率が７０〜９５重量％である材料を用いることが好適である。

第１のポリビニルアルコールの鹸化度が９７モル％を下回ると、粘性率が非常に高くなり、かつゲル化しにくくなるという欠点が生じる。また、第１のポリビニルアルコールの重合度が５００を下回ると、強度が低くなりすぎるという欠点が生じ、３０００を上回ると、弾性率が高くなりすぎるという欠点が生じる。鹸化度、重合度及び含水率は、それぞれ、残留酢酸基量の測定法、液体クロマトグラフィー法及び重量測定法により測定できる。

本発明の水性ゲル組成物において、鹸化度が９７モル％以上でかつ重合度が５００〜３０００の第１のポリビニルアルコールは、完全鹸化型のポリビニルアルコールとして市場から入手することができるし、公知の方法で製造することもできる。

本発明における鹸化度が７０〜９０モル％で重合度が５００〜３０００の第２のポリビニルアルコールは、部分鹸化型のポリビニルアルコールとして市場から入手することができるし、公知の方法で製造することもできる。

また、水性ゲル組成物は、好ましくは７０〜９０、特に７０〜８０重量％の含水率を有する。また、水性ゲル組成物において、第１及び第２のポリビニルアルコールの量比は、対象とする生体軟組織の特性によって変化し得る。湿潤粘膜を含む生体軟組織用の場合、第１のポリビニルアルコール：第２のポリビニルアルコールの重量比を、好ましくは９９：１〜７０：３０、より好ましくは９９：１〜８０：２０とする。

本発明における生体軟組織は、硬組織を除く組織、すなわち骨と歯を除く組織を意味し、例えば、口腔粘膜等の口腔軟組織、鼻腔粘膜等の鼻腔軟組織、耳腔粘膜等の耳腔軟組織、内臓（脳、心臓、肝臓、膵臓、脾臓、腎臓、膀胱、肺、胃、小腸、大腸、子宮、食道）、皮膚、筋肉、血管、リンパ管、眼球を含む。ポリビニルアルコールの鹸化度、重合度、比率や組成物中の含水率を上記の範囲内で変化することにより、対象の生体軟組織により類似する特性を有する生体軟組織の模型を成形するための水性ゲル組成物を得ることができる。各生体軟組織に好適な配合例を以下に例示する。

生体軟組織が口腔軟組織である場合、使用する第１及び第２のポリビニルアルコールの混合物の平均鹸化度は９０〜９５、平均重合度は１０００〜２０００、第１のポリビニルアルコール：第２のポリビニルアルコールの重量比は９９：１〜７０：３０、ゲル組成物の含水率は７０〜９５重量％であることが好ましい。

生体軟組織が鼻腔軟組織である場合、使用する第１及び第２のポリビニルアルコール混合物の平均鹸化度は９０〜９８、平均重合度は１０００〜２０００、第１のポリビニルアルコール：第２のポリビニルアルコールの重量比は９９：１〜８０：２０、ゲル組成物の含水率は７０〜９５重量％であることが好ましい。

生体軟組織が耳腔軟組織である場合、使用する第１及び第２のポリビニルアルコール混合物の平均鹸化度は９０〜９８、平均重合度は１０００〜２０００、第１のポリビニルアルコール：第２のポリビニルアルコールの重量比は９９：１〜８０：２０、ゲル組成物の含水率は７０〜９５重量％であることが好ましい。

生体軟組織が胃、腸、肝臓等の内臓である場合、使用する第１及び第２のポリビニルアルコール混合物の平均鹸化度は８５〜９８、平均重合度は１０００〜２０００、第１のポリビニルアルコール：第２のポリビニルアルコールの重量比は９９：１〜７０：３０、ゲル組成物の含水率は７０〜９５重量％であることが好ましい。

生体軟組織が血管である場合、使用する第１及び第２のポリビニルアルコール混合物の平均鹸化度は８５〜９８、重合度は１０００〜２０００、第１のポリビニルアルコール：第２のポリビニルアルコールの重量比は９９：１〜７０：３０、ゲル組成物の含水率は７０〜９５重量％であることが好ましい。

生体軟組織が皮膚である場合、使用する第１及び第２のポリビニルアルコール混合物の平均鹸化度は９５〜９８、平均重合度は１０００〜２０００、第一のポリビニルアルコール：第二のポリビニルアルコールの重量比は９９：１〜８０：２０、ゲル組成物の含水率は７０〜９５重量％であることが好ましい。

このような軟性材料を用いた場合、固化温度Ｔは−１０℃以下−６０℃以上となるので、この固化温度Ｔ以下に冷却しつつ三次元粘弾性構造体を成形することが好適である。なお、流動性が高くなる温度は５０℃〜９０℃以上であるので、材料供給手段において軟性材料は５０℃以上に加熱しておくことが好適である。

また、上記以外の材料を用いることもできる。例えば、光硬化型ＰＶＡ、シリコーンゴム、ウレタンゴム等の光硬化型又は化学重合型の軟性材料を用いることもできる。このような材料においても冷やした状態で貯蔵し、触媒と混合させながら射出すればよい。このとき、三次元粘弾性構造体製造装置は冷却装置の他に光照射装置などを備えるものとすればよい。

１０ ノズル、１２ 材料タンク、１４ 材料供給管、１６ 電磁弁、１８ 材料ポンプ、２０ 加熱ヒータ、２２ 三次元可動ステージ、２４ 冷媒タンク、２６ 冷媒供給管、２８ 冷媒ポンプ、３０ 熱交換器、３２ 制御部、１００ 三次元粘弾性構造体製造装置。

Claims (4)

1. 所定の固化温度以下において固化する軟性材料を吐出するノズルと、
   前記ノズルから吐出された軟性材料により形成される構造体を保持し、前記ノズルに対して相対的に移動可能なステージと、
   前記ステージ上にて保持される構造体を冷却する冷却手段と、
   を備え、
   前記ノズルと前記ステージとを相対的に移動させつつ前記ノズルから軟性材料を吐出すると共に、前記冷却手段によって前記所定の固化温度以下に冷却して固化された状態を維持しつつ三次元の構造体を形成する三次元粘弾性構造体製造装置。
2. 請求項１に記載の三次元粘弾性構造体製造装置であって、
   前記冷却手段は、液体窒素により構造体を冷却することを特徴とする三次元粘弾性構造体製造装置。
3. 請求項１又は２に記載の三次元粘弾性構造体製造装置であって、
   前記軟性材料は、鹸化率が９７モル％以上でかつ重合度が５００〜３０００の第１のポリビニルアルコールと、鹸化率が７０〜９０モル％以上でかつ重合度が５００〜３０００の第２のポリビニルアルコールと、を含み、含水率が７０〜９５重量％であることを特徴とする三次元粘弾性構造体製造装置。
4. ノズルとステージとを相対的に移動させつつ所定の固化温度以下において固化する軟性材料を前記ノズルから吐出し、
   冷却手段によって前記所定の固化温度以下に冷却して固化された状態を維持しつつ、前記ステージ上において三次元の構造体を形成する三次元粘弾性構造体製造方法。

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