JP2019531207A - 多光子光重合プロセスによる３次元物体の製造方法とその関連装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、重合容器（９）内に組成物（１１）を仕込む工程ａと、３次元物体（３）を製造するために、あらかじめ決定された位置において、多光子光重合によって組成物（１１）を重合する工程ｂとを有し、組成物（１１）は、少なくとも１つのモノマー、少なくとも１つのフィラー、および少なくとも１つの光開始剤を含む、３次元物体の製造方法に関し、モノマーとフィラーとの屈折率差が０．０５未満であり、組成物（１１）の粘度が０．０５Ｐａ・ｓ以上であり、組成物（１１）は、光重合の波長に対して透明であることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、３次元物体の製造方法とこの製造方法を実行する装置に関する。

３Ｄプリント技術は、１９８０年代中頃に最初に利用されて依頼、大きく注目されている。

特に、仏国特許第２ ５６７ ６６８号明細書より、工業部品モデルの製造装置が知られている。この装置では、モノマー液を含む容器の下から上に連続的に水平面を掃引することにより部品を製造することができる。

一般的に利用される３Ｄプリントまたは３次元プリント技術は、同様の原理、すなわち、物体は、重層または材料の連続的な供給によって連続的に得られるという原理に基づいている。

種々の３Ｄプリントプロセスの中でも、ＦＤＭ（fused deposition modeling、熱溶解積層法）、ＳＬＡ（stereolithography、光造形）、および選択的レーザ焼結（レーザによる粉体層の凝固）は、特によく知られている。

近年、これらの技術はかなり向上しており、そのため、これらはプロトタイプの製造に使用されるのみならず、機能性物体の製造に使用されることも多くなっている。

光重合による光造形は、光重合性樹脂層の積層により３次元物体を製造することが可能な３Ｄプリント技術である。物体は、液体樹脂槽内で製造される。この樹脂は通常、アクリルモノマーの組成物からスタートするラジカル重合、またはエポキシ組成物と光照射条件下で重合を可能とする光開始剤とからスタートするカチオン重合によって重合される。１光子光造形用に適したいくつかの組成物が市販されている。これらの組成物は、モノマー、特にアクリル系またはエポキシ系のモノマーと開始剤とを含む。

通常、移動可能なプラットフォームが液体樹脂容器内に浸漬され、製造工程中の物体を支持する。このプラットフォームは、樹脂のレベルより下方のある深さに位置される。

樹脂を光重合するために適切な掃引を実行し、製造される物体のスライスを形成するために、液体樹脂の表面にレーザビームが照射される。

１つのスライスを処理した後に、プラットフォームは、１つのスライスの厚みに相当するあらかじめ決定された距離だけ下降する。個々のスライスについて工程が繰り返されることで、物体の全３Ｄ構造が得られる。

完成後、物体は容器から取り出され洗浄され、保持要素が機械的に取り除かれる。容器内にある未重合の液体樹脂は、その後に回収されてもよい。

使用される樹脂によっては、物体を硬くするために物体を硬化する最終工程を実施してもよい。

これらの技術は、物体の製造中に移動するまたは裂ける恐れがある数十μｍまたは１μｍ未満のオーダーのような非常に薄い層の作成ができないという欠点を有している。

さらに、重層によるこれらの３Ｄプリント技術では、複雑な物体または高度な仕上げを必要とする物体の製造ができない。これは特に、樹脂の粘度と樹脂の表面張力に起因する。一般的に、層の位置決めを容易にできることから、通常、数十または数百ｃＰ（センチポイズ）のオーダーの低粘度の樹脂が好ましい。

このことに加えてまた、容器内で製造中の物体を保持するために、物体が樹脂から取り出された後には取り除かれるであろう１つ以上の支持要素、例えばステム等の保持要素を製造する必要があるという事実がある。

これらの保持要素は、樹脂の低い粘度とその液体性状のために必要である。支持または保持の要素なしで低粘度の樹脂内で生成された物体は、移動する傾向があり（これは、樹脂層の追加の間にのみ起こるであろう）、このことは物体の製造を困難または場合によっては不可能とする。

製造される物体の複雑さによっては、これらの支持要素のいくつかは容易に取り除くことができず、物体を製造することができない場合がある。物体の製造を可能とすることを唯一の目的とする保持要素または付属物の製造はさらに、設計時間、製造時間、および仕上げ時間を増加させる。

さらに、仕上げの表面外観を必要とする物体では、所望の表面仕上げに適した製造分解能を使用する、または機械加工等の追加の処理を実行する必要である。

これらの制限を解消するために、多光子光重合（２ＰＳＬ）技術、特に２光子光重合技術を用いることができる。

２光子光重合技術は例えば、Shoji Maruo, Osamu Nakamura, and Satoshi Kawata, "Three-dimensional microfabrication with two-photon-absorbed photopolymerization," Opt. Lett. 22, 132-134 (1997)により、開発されている。

これらの技術は、ある特定の箇所において樹脂を重合するために、好適には集束レーザビームによってその箇所である量で形成された光ポインタを用いた直接達成にある。物体はしたがって、組成物を含む容器のボリューム内に集束レーザビームを照射することで、連続的なスライスまたは層を介して物体を製造する必要なく、連続的に製造することができる。

多光子光重合による３Ｄ物体の製造はしたがって、高度な仕上げを要し、ナノメートルオーダーであるかもしれない、非常に複雑な物体の製造を可能とする。

これらの２ＰＳＬ技術は、重合を開始するための反応種を形成するために、２光子を順次または同時に吸収可能な開始剤の使用を必要とする。

材料によっては、２光子の吸収は、焦点において約１００ｍＪ／ｃｍ^２のオーダーの高い光密度を必要とするので、開始剤を活性化するために、光重合は、光密度が比較的高いレーザの焦点の直近に制限される。

２光子光造形（２ＰＳＬ）の主な利点の一つは、重ねられたスライスまたは層として物体を製造する必要なく、３次元物体を製造できることである。

この固定の分解能は、レーザパルスによって生み出される基本の量またはボクセルの大きさによって決まる。ボクセルは、「volumetric pixel」の頭字語である。もし、製造される物体が高分解能を必要とするときに、追加の処理なしで高分解能が望まれるなら、非常に長い製造時間と法外なオペレーションコストが必要となる。このため、この２ＰＳＬ技術は、通常しばしばミリメートル、場合によってはナノメートルのオーダーの小さいサイズの物体に制限される。

さらにこの技術は、焦点において、通常マイクロメートルサイズであり、そのためセンチメートルサイズの物体の製造、すなわち一般的な約１〜１０００ｃｍ^３の体積内に内接する物体の製造には最適ではない、高い光密度を必要とする。

最近、可変分解能を用いた２ＰＳＬ技術開発されている。文献“Stereolithography with variable resolutions using optical filter with high contrast-gratings” Li et al., J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 33, No 6, Nov/Dec 2015より、光造形３Ｄプリント方法が知られている。レーザビームの波長を変更する光フィルタを使用することで得られる分解能の可変は、３７μｍと４１７μｍの可変ピクセルサイズを可能とする。この方法は、２つの異なる波長を用い、レーザビームの波長と光フィルタとの関数として２ピクセルサイズのみを可能とするという欠点を有している。さらにこの技術は依然として、マイクロメートルサイズの物体にのみ適したものとなっている。

文献“Using variable beam spot scanning to improve the SL process”, Yi et al., Rapid Prototyping Journal, Vol. 19, No 2, 2013, pages 100-110には、可変分解能を用いた光造形法が開示されている。分解能の可変は、光学デバイスによって得られる。この方法は、センチメートルサイズの物体を作成することを可能とする。しかしながら、この方法は、多くの欠点を有し、製造される物体の関数として装置の相当な最適化を必要とする。この製造方法では、ボクセルサイズを２次元で変化させることができるが、最初の２つに対して垂直な第３の次元、例えば深さの次元で変化させることはできない。

最近、生体組織、場合によっては臓器の製造のために、いわゆるバイオプリントプロセスが開発されている。これらの方法は、特に以下の刊行物に記載されている。
Andre J.C., Malaquin L., Guedon E. (2017) “Bio-printing; ou va-t-on?” [Bio-printing; where are we heading?], Techniques de l’Ingenieur - ref. RE268 V1, 23pp. (2017).
Chua C.K., Yeong N.Y. (2015) “Bio-printing: principles and applications” e-book World Scientific Ed. - Singapore.
Morimoto Y., Takeuchi S. (2013) “3D cell culture based on microfluidic technique to mimic living tissues” Biomatter. Sci., 1, 257-264.

これらのバイオプリントプロセスは、例えば光造形によって製造された支持要素付きの生細胞を用いた付加的な製造プロセスである。

これらの製造方法の欠点の１つは、連続的な層の位置決めの間にせん断移動を生じさせることであり、これらの移動は、生細胞にダメージを与え、それらの生存に悪影響を及ぼす可能性がある。

本発明は、センチメートルサイズの物体の製造により好適な、多光子光重合（２ＰＳＬ）、特に２光子光重合を用いた３次元プリントプロセスを提供することによって、種々の上記した欠点を少なくとも部分的に克服することを目的としている。

この目的のために、本発明は、
重合容器内に組成物を仕込む工程ａと、
３次元物体を製造するために、あらかじめ決定された位置において、多光子光重合によって前記組成物を重合する工程ｂとを有し、
前記組成物は、少なくとも１つのモノマー、少なくとも１つのフィラー、および少なくとも１つの光開始剤を含む３次元物体の製造方法において、
前記モノマーと前記フィラーとの屈折率差が０．０５未満であり、
前記組成物の粘度が０．０５Ｐａ・ｓ以上であり、
前記組成物は、光重合の波長に対して透明であることを特徴とする３次元物体の製造方法を提供する。

３次元物体の製造後、この３次元物体は、容器から取り出され、３次元物体から未重合の組成物を除去することが可能な溶液中で洗浄される。この溶液は例えば、イソプロパノールおよび／またはアセトンである。

本発明によれば、センチメートルサイズの物体の製造効率を有意に増加させる。さらに、３次元物体が完成した後に取り除く必要がある保持要素、付属物、または支持要素等の製造物を不要とする。

本発明の製造方法はさらに、以下の特徴を単独でまたは組み合わせて有することができる。
前記組成物は０．３０Ｐａ・ｓ以上の粘度を有する；
前記フィラーは透明粒子を含む；
前記組成物は体積比率で１０〜７０％の透明粒子を含む；
前記透明粒子は球状である；
前記透明粒子は、シリカまたはガラス、特にホウケイ酸ガラスまたはソーダライムガラスからなる；
前記透明粒子は、有機材料、特に樹脂中に溶解しないポリマーからなる；
前記フィラーは、前記組成物中に溶解する少なくとも１つの成分を含む；
前記組成物は、Ｌ−乳酸、グリコール酸、およびカプロラクトンから、単独でまたは混合物として選択されるモノマーと、生細胞を含むフィラーと、コラーゲン、ゼラチン、フィブリン、アルギン酸（塩）、キチン、キトサン、ヒアルロン酸、ポリメタクリル酸２−ヒドロキシエチル（ＰＨＥＭＡ）、ポリビニルアルコール（PＶＡ）、およびポリエチレングリコール（ＰＥＧ）から、単独でまたは混合物として選択されるハイドロゲルとを含む；
前記モノマーがアクリルモノマーである；
前記アクリルモノマーは、ポリエチレングリコールジアクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、および１，６−ヘキサンジオールジアクリレートからなる群から選択される１種又は複数種の組合せである；
前記光開始剤は、芳香族ケトン、芳香族誘導体、エオシン Ｙ、および他のキサンテン染料からなる群から選択される１種又は複数種である；
前記組成物は、少なくとも１つのエポキシモノマーを含む；
前記光開始剤はオニウム塩である；
前記多光子光重合はレーザビームを用いて実行され、前記レーザビームにおける重合空間分解能が、光拡散体を配置することによって、特に１〜２０°に適合される；
前記３次元物体は外表面と内部ボリュームとを含み、前記内部ボリューム内に定位される位置は、前記３次元物体の前記外表面を形成する位置よりも低い分解能で重合される；
前記３次元物体の複数の種々の部分は、それぞれがあらかじめ決定されたボクセルのサイズまたは機能を得ることを可能とする特定の組成物を含む複数の種々の容器内で逐次重合される；
前記内部ボリュームは、第１のボクセルのサイズを得ることを可能とする透明粒子の形態の第１のフィラーを含む第１の組成物を含む第１の容器内で重合され、前記物体の前記外表面は、前記第１のボクセルのサイズより小さい第２のボクセルのサイズを得ることを可能とする透明粒子の形態の第２のフィラーを含む、またはフィラーを含まない第２の組成物を含む第２の容器内で重合される。

他の態様において、本発明はバイオプリントプロセスに好適であることができる。

本発明の製造方法の適用は、せん断移動を生じさせず、これによってバイオプリントプロセスを向上させるという利点を有する。さらに、細胞は、通常のプリントプロセスのための３００〜３６０ｎｍのオーダー、および２ＰＳＬ技術のための５５０ｎｍのオーダーのような大きな波長の照射に対する感応性が低く、このことは光重合性生体適合性有機組成物中に存在する生きた要素のより良好な生存を可能とする。

本発明はまた、
多光子、特に２光子の光重合による３次元物体の製造装置であって、
レーザビームを出射するレーザと、
上記のような組成物を含む重合容器と、
前記レーザビームを集束させてその開口数を適合させるデバイスと、
前記３次元物体を製造するために、あらかじめ決定された位置において前記組成物を重合するよう、前記重合容器内に前記レーザビームを集束させることを可能とする移動ユニットと、
重合分解能を適合させるために、前記レーザビームの光路上または光路外に配置されるよう、支持要素上に移動可能に取り付けられた少なくとも１つの拡散体を含む重合分解能の適合器とを含む、３次元物体の製造装置に関する。

本発明の他の利点と特徴は、本明細書の記載と以下の図面から明らかとなろう。
３次元物体の製造装置の全体的な構築の簡略図である。 ３次元物体の製造に使用される組成物の模式詳細図である。 本発明の組成物に使用可能なモノマーの非限定的なリストの表を示す。 本発明の組成物に使用可能な光開始剤の表を示す。 開始、成長、および移動の工程を含む通常のイオン重合法を示す。 初期の樹脂中に溶解しない架橋構造の多官能モノマーの図を示す。 ガウシアンビームの場合に得られたボクセルを示す写真である。 ガウシアンビームのフィールドの深さを制御する目的で対物レンズの入射面に拡散体を配置することによって得られたボクセルを示す写真である。２つの図３Ａ、３Ｂは同じスケールである。 一態様の３次元物体の製造方法の説明図である。 対物レンズ単独の場合、並びに、１°および１０°の拡散体ありの場合について、対物レンズに対する距離の関数としてビーム径の測定を示すグラフである。

すべての図面において、同じ要素には同じ参照符号を付してある。

以下の態様は、例である。本明細書は１つ以上の態様について言及するが、このことは必ずしも、個々の言及は同じ態様にのみ関する、または、その特徴は１つの態様にのみ適用されることを意味するものではない。種々の態様の単純な特徴は、他の態様を提供するために、組合せおよび／または相互交換されてもよい。

図１に示されているのは、多光子光重合による３次元物体３の製造装置１である。

この装置１は、レーザビーム７を出射するレーザ５と、重合反応器を形成し、多光子、特に２光子の光重合に適した組成物１１を受ける容器９とを含む。

レーザ５は例えばパルスレーザであり、好ましくは、例えば１０３０ｎｍの波長を出射するフェムト／ピコ秒レーザであり、これには必要に応じて、波長５１５ｎｍおよび／または３４３ｎｍの波長を得るために、非線形効果によってレーザビームの周波数を２倍または３倍にすることが可能な非線形光学結晶を組み合わせることができる。

光源は、例えば着色剤を含むことができる組成物の吸収に応じて選択される。したがって、他の種類のパルス光源を用いてもよい。

多光子、特に２光子の光重合の波長は、光化学開始剤の選択と、レーザ照射条件下でのその反応種の生成能力に応じて選択される。

一般的に、ビームの出力径は約２.５ｍｍ、広がり角は０．６ｍｒａｄ、偏光は直線であることができる。

５００ｆｓのパルス幅を有するパルスあたりエネルギーは一般的に４０μＪ〜２ｍＪの間であり、パルス繰返し周波数は３００ｋＨｚに到達することができ、場合によっては約１ｋＨｚとなることもできる。

もちろん、ビームの波長が適切であり、また、レーザの瞬時パワーが重合容器９内にある組成物１１の多光子、特に２光子の光重合を実行することを可能とする限り、他のレーザを用いてもよい。

レーザビーム７の光路上には、光学ビームを組成物１１中に集束させて、ビームの開口数を適合させるために、１つ以上のレンズ、特に１つの対物レンズからなることができる集束光学部品１３が配置される。

任意で、レーザビーム７のフィールドの深さを制御可能とするために、レーザビーム７の光路上に拡散体１４を配置することができる。この目的のために、この装置は、組成物１１中のビームの変更なしでレーザビーム７を集束させるためのスルーホールを有する回転可能な支持要素１５と、それぞれの中に、フィールドの深さを適合させることが可能な種々の拡散体が取り付けられた複数のハウジングとを含む。紹介してきたように、これによって、ボクセルのサイズを変更することが可能となる。１つまたは複数の拡散体１４とスルーホール１４Ａとを有する回転可能な支持要素１５は、ボクセルの大きさを調整し、集束光学部品とレーザビーム７の瞬時パワーを調整することによって製造方法において可変分解能を得ることを可能とする。

重合容器９は例えば、組成物１１の重合を可能にするために、ｘ、ｙ、ｚ方向に（図１中の符号を参照されたい）移動可能なテーブル１６上に配置される。この特別な態様においては、光重合される位置にレーザの焦点を位置させるために、焦点は移動しないが、容器９が移動されることが理解される。このために、テーブル１６は、その移動を可能とするように電動化されており、レーザと同様、制御ユニット１７に接続されており、この制御ユニット１７はレーザ５の操作とテーブル１６の位置決めの両方を制御する。

示されていない変形態様において、光重合される必要のある位置にビームを照射するように、可動鏡がレーザビーム７の光路上に配置され、レーザを集束させてその開口数を適合させる光学系が伝搬軸上で焦点を移動させることを可能とする。この場合、可動鏡は、レーザビーム７を照射する制御ユニットに接続される。

図２に簡略的かつ模式的に示されているのは、多光子光重合プロセスによる３次元物体３の製造のための組成物１１である。

この組成物１１は、少なくとも１つの光化学開始剤、少なくとも１つのモノマー１２、および少なくとも１つのフィラー２０を含む。

これらのモノマー１２は、光重合に用いられるパルス光源のあらかじめ決定された波長に対して透明である。これらのモノマーは、あらかじめ決定された光重合の波長において、ある屈折率ｎ_{ｍｏｎｏｍｅｒｓ}を有する。透明な材料または媒体は、不透明な材料または媒体とは対照的に、レーザビームがこの媒体を少なくとも部分的に（弱い吸収性があるかもしれない）透過することを意味すると理解される。

フィラー２０は、広義では、組成物１１に添加されるが、重合反応には関与しない物質または材料を意味すると理解される。フィラー２０は、重合に関して不活性とみなすことができる。フィラー２０は、光重合に用いられるパルス光源のあらかじめ決定された波長に対して透明である、またはあらかじめ決定された波長に対して非常に弱い吸収性を有する。これらのフィラー２０は、あらかじめ決定された光重合の波長において、ある屈折率ｎ_{ｆｉｌｌｅｒｓ}を有する。

屈折率ｎ_{ｍｏｎｏｍｅｒｓ}とフィラー２０の屈折率ｎ_{ｆｉｌｌｅｒｓ}との間の差は０．０５未満（|ｎ_{ｍｏｎｏｍｅｒｓ}−ｎ_{ｆｉｌｌｅｒｓ}|＜０．０５）であり、好ましくは０．０２５未満（|ｎ_{ｍｏｎｏｍｅｒｓ}−ｎ_{ｆｉｌｌｅｒｓ}|＜０．０２５）、特に好ましくは０．０１未満（|ｎ_{ｍｏｎｏｍｅｒｓ}−ｎ_{ｆｉｌｌｅｒｓ}|＜０．０１）であり、場合によってはモノマー１２の屈折率とフィラー２０の屈折率とは等しいこともある（|ｎ_{ｍｏｎｏｍｅｒｓ}−ｎ_{ｆｉｌｌｅｒｓ}|＝０）。

低またはゼロの屈折率差を選択することによって、レーザから出射された波長における、組成物１１中の、特にモノマーとフィラー２０との間の界面におけるレーザビーム７の散乱現象を低減する、場合によっては取り除くことが可能となる。

組成物１１の屈折率ｎ_{Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ}は、組成物中に、ある割合で含まれるすべての成分Ｃ_ｉ（モノマーとフィラー２０）の結果である。

例えば、Ｖ_Ｒが組成物１１の密度であり、Ｖ_Ｒｉが個々の成分Ｃ_ｉの密度であり、α_ｉが０と１の間の有理数であるとき、下記式で表される。

ｎ_１ｉは成分Ｃ_ｉの屈折率であり、
ｉ、ｊ、ｍは整数であり、ｍは組成物１１を構成する成分Ｃ_ｉの数である。

この場合、もし少なくとも１つの成分Ｃｉの屈折率ｎ_１ｉが例えば第２の屈折率ｎ_２より小さく、もし少なくとも１つの成分Ｃｊ（ｉ≠ｊ）の屈折率ｎ_１ｊが例えば第２の屈折率ｎ_２より大きいならば、成分Ｃｉの割合を調整することによって組成物１１の屈折率ｎ_{Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ}を調整できる（また、一方のモノマーの屈折率を他方のフィラーの屈折率に対して調整できる）ことが理解される。

安定な、または、製造中の物体とフィラー２０が移動しない所定の組成物を得るために、フィラー２０の体積分率を選択することによって、組成物１１の粘度を、少なくとも０．０５Ｐａ・ｓ、好ましくは０．３０〜５．００Ｐａ・ｓ（パスカル秒）に調整することができる。

例えば組成物１１中に溶解しない透明粒子からなる、または、組成物１１中に溶解する成分からなるフィラー２０は例えば、アクリル樹脂中に溶解された線状アクリル樹脂等の可溶性高分子である。

「溶解性」は、溶液と呼ばれる均質な混合を形成するために、溶質と呼ばれる物質が、溶媒と呼ばれる他の物質中に溶解する性能である。それはしたがって、単純に２つの物質のお互いに対する性能（溶解性または不溶性）である。

フィラー２０が不溶性の透明粒子を含むとき、その体積分率は体積比率で、好ましくは１０〜７０％、より好ましくは３０〜６０％、特に好ましくは４０〜５０％である。

フィラー２０が透明粒子であるとき、それらは好ましくは球状であり、例えば１０〜１５００μｍ、特に好ましくは７００〜１２００μｍ、より具体的には１０００μｍのメディアン径を有する。最小サイズは、回折限界に応じて選択することができ、レーザからの入射波長の約１０倍である。

透明粒子は例えば、溶融シリカまたはガラス、特にホウケイ酸ガラスまたはソーダライムガラスからなる。透明粒子はまた、アクリル系またはエポキシ系の粒子等の有機粒子であってもよい。

本発明の好ましい態様において、透明粒子は単分散、すなわちすべてが同じサイズである。

本発明の他の特別な態様において、透明粒子は、種々のサイズを有する。

単分散の透明球状粒子という形態のフィラー２０はまた、ある構成において、ボクセルのサイズを決定することを可能とするという利点を有する。

具体的には、球状粒子２０の径がレーザビーム７の焦点体積より大きいとき、ボクセルのサイズはレーザビーム７の焦点体積ではなく、透明粒子２０の径によって決定される。

特に、レーザビーム７は焦点においてボクセルのサイズを決定する球状粒子を塊にするためだけに使用され、レーザビーム７の焦点体積は完全な球状でなくても、ボクセルの形状は完全な球状であることができる。

本発明の他の態様において、組成物１１は固体組成物、例えばモノマーとして、環境温度において固体または半固体の組成物を得ることを可能とする高分子量オリゴマーを含む組成物であり、この場合、支持または保持の付属物を製造する必要なく、物体の光重合を実行することが可能である。光変換の後、物体をそれを生成した樹脂から分離するために、組成物１１を樹脂の融点を超える温度で加熱してもよい。このことは、３次元物体３の製造にかかる時間を有意に低減し、また、支持付属物の位置決めを必要とする他の方法によっては製造が困難または場合によっては不可能であろう非常に複雑な部品を製造するという利点を有する。

液体組成物の場合、組成物１１中に含まれるモノマーは、多光子光重合の１光子による３Ｄプリントに一般的に使用されるモノマーである。これらのモノマーは例えばアクリルモノマーであり、より具体的にはアクリル酸（塩）である。図３に、本発明の組成物１１に使用可能なモノマーの非限定的なリストの表を示す。

なお、粘性を有する組成物の粘度（０．０５Ｐａ・ｓ＝０．５ｐｏｉｓｅ以上）は、特にビーズ形状のフィラーが実質的に組成物中に配置される、すなわち、３次元物体の製造時間に相当する時間の間、その移動が弱いか実質的にゼロであるという効果を有する。

好ましくは、モノマーは、ポリエチレングリコールジアクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、および１，６−ヘキサンジオールジアクリレートからなる群から選択される１種単独又は複数種の組合せである。

組成物１１に含まれるラジカル光開始剤は、あらかじめ決定された光重合の波長において重合を開始することを可能とするものである必要がある。操作条件に応じて多くの好適な光開始剤があり、その選択は当業者であれば容易に決定することができる。

以下の光開始剤は本発明の非限定的な例として示される。それらは一般的に、イルガキュア（Ｉｒｇａｃｕｒｅ） ６５１（登録商標）、エオシン（ｅｏｓｉｎ） Ｙ等の商品名で市販されている例えば２，２−ジメトキシ−１，２−フェニルアセトフェノン（ＤＭＰＡ）等の可視域の光重合用の芳香族ケトン、または、赤外域の光重合用の過酸化ベンゾイルまたは他のキサンテン染料等の熱開始剤である。

本発明の製造方法に特に適した光開始剤は図４に示されており、ダロキュア（Ｄａｒｏｃｕｒｅ） １１７３、１１６、クァンタキュア（Ｑｕａｎｔａｃｕｒｅ） ＰＤＯ、イルガキュア（Ｉｒｇａｃｕｒｅ） １８４、６５１、９０７、トリゴナル（Ｔｒｉｇｏｎａｌ） １４の商品名（登録商標）で、市販されている。

好ましくは、ラジカル光化学開始剤は、イルガキュア（Ｉｒｇａｃｕｒｅ） ６５１（登録商標）の商品名で市販されているＤＭＰＡである。

他の態様において、本発明の製造方法は、イオン光重合法、例えばカチオン光重合法を採用することができる。この場合、組成物１１中に含まれるモノマーは例えばエポキシモノマーであり、光開始剤はオニウム塩（例えばロードシル（ｒｈｏｄｏｒｓｉｌ） ２０７４（登録商標））である。以下の参考文献：J.-P.; Spassky, N. Industrial Cationic Polymerization: An Overview, in Cationic Polymerizations; Matyjaszewski, K., Ed.; Marcel Dekker: New York, NY, USA, 1996; pp. 683-750には、本発明の方法で使用可能な種々の光化学開始剤のリストが示されている。

図５は、開始（Ａ）、成長（Ｂ）、（Ｃ）、および移動（Ｄ）の工程を含む通常のイオン重合法を示す説明図である。

多官能モノマーを用いる場合には、図６に示すように、初期の樹脂中に溶解しない架橋構造を形成することができる。

エポキシ系の化合物を除いて、以下の参考文献：Oskar Nuyken and Stephen D. Pask, Polymers 2013, 5, 361-403; doi: 10.3390/polym5020361 “Ring-Opening Polymerization - An Introductory Review”に記載の多くのモノマーを用いることができる。

前述したように、レーザビームのフィールドの深さを制御することが可能な集束光学部品１３と拡散体１４が、レーザビームの光路上に配置される。

図７Ａは、拡散体なしで種々のパワーで光重合されたいくつかのボクセルｖｏｘ−Ａ、ｖｏｘ−Ｂ、ｖｏｘ−Ｃ、ｖｏｘ−Ｄ、ｖｏｘ−Ｅを示す。

図７Ｂは、レーザビーム７の光路上に拡散体１４ありで異なるビームパワーで光重合されたいくつかのボクセルｖｏｘ−Ａ’、ｖｏｘ−Ｂ’、ｖｏｘ−Ｃ’、ｖｏｘ−Ｄ’、ｖｏｘ−Ｅ’を示す。

１〜２０°の好適な拡散体（１°拡散体は、１°の拡散体の出射面におけるレーザビームの開口数を意味する）の使用は、光重合されるボクセルのサイズを変更することを可能とする。しかしながら、明らかに、光源のパワーは、そのパワー密度が小さいサイズのボクセル用に決定されるものと同一またはそれにできる限り近くなるよう（実質的にボクセルのサイズの２乗と３乗の間で変化するよう）、好適である必要がある。

組成物１１が高粘度（例えば＞１．００Ｐａ・ｓ）であるために、本発明の製造方法は、物体を支持または保持する付属物を用いることなく、少なくともセンチメートルサイズの３次元物体を製造することの想到を可能とする。

本発明の製造方法によればまた、多光子、特に２光子の光重合による３次元物体３の製造に必要な時間を低減することができる。

特に、３次元物体３において、外表面と内部ボリュームとを区別することができる。

プリントされる物体の関数として決定される内部ボリューム（バルク部分）内に定位される位置は低分解能で重合し、３次元物体３の外表面に対して良品質の表面仕上げを得るために、３次元物体３の外表面を形成する領域は高分解能で重合することで、最適化される。

このことは、図８に模式的に示されている。簡略説明のために、ボクセルは立方体であり、例えば、少なくとも、Δｚのサイズのボクセルを製造することを可能とする第１の分解能と、より小さいΔｚｚのサイズのボクセルを製造することを可能とするより小さい第２の分解能があると仮定する。例えば、１０×Δｚｚ＝Δｚである。

３次元物体の内部のボクセルは分解能Δｚで製造され、３次元物体の外表面を形成するボクセルは分解能Δｚｚで製造されるとき、３次元物体の製造時間を有意に低減することができることは容易に理解される。

本発明の特別な一態様において、３次元物体３の製造は、逐次実行することができる。内部ボリュームは、製造される物体３に対して相対的に高いボクセルサイズを得ることを可能とする大きい透明粒子の形態のフィラー２０を含む組成物１１を用いて重合される。物体の内部は次いで、組成物１１の入った容器９から機械的に取り出される。内部は次いで、物体３の外表面の重合のために、前述の組成物１１よりも小さい透明粒子を含む、または、粒子を含まない第２の組成物１１の入った容器９内に浸漬される。これらの逐次の組成物１１は、形成される３次元物体３の仕上げの関数として、ボクセルのサイズを低減することを可能とする。この製造方法はしたがって、内部ボリューム内に定位される位置を３次元物体の外表面を形成する位置より低い分解能で重合することを可能とする。

もちろん、この製造方法を一般化し、あらかじめ決定されたボクセルのサイズを得ることを可能とする特定の組成物１１を含む種々の容器９内での重合によって、３次元物体３の複数の種々の部分を逐次製造することが可能である。

本発明の製造方法はしたがって、容易にかつ速く、通常の光造形法で達成可能な形状よりも複雑であるかもしれない形状の３次元物体３の製造することを可能とする。したがって、このことは、合理的な製造時間で、保持要素を使用することなく、センチメートルサイズのオーダー、場合によっては約１０センチメートルサイズの複雑な物体の製造の想到を可能とする。

通常は、樹脂層の重合の間、光のスポットサイズを変更でき、２つの空間（ボクセル）パラメータのみを変更でき、層の厚みは容易に変更できないが、本発明の製造方法では、物体の製造のために、表面仕上げを考慮して、設定点によって、ボクセルの径、深さ、光源５のパワーの３つのパラメータの関数として、ボクセルのサイズを調整することが可能である。したがって、この製造方法は、１光子ＳＬＡに対して決定的に有利である。

本発明の特別な一態様において、本発明の製造方法はバイオプリントプロセスであり、この場合、組成物１１は、モノマー、フィラー、生物学的な材料、およびハイドロゲルを含む。

本発明の非限定的な例において、使用されるモノマー１２は、Ｌ−乳酸、グリコール酸、およびカプロラクトンから、単独でまたは混合物として選択される。光開始剤は、ベンゾフェノンまたはイルガキュア（Ｉｒｇａｃｕｒｅ）等の芳香族ケトンから選択されることができる。

フィラー２０は生細胞を含む。特に好ましい一態様において、フィラー２０は上記細胞を含む「ビーズ」からなり、これらのビーズは例えば、コラーゲンと生細胞との混合物である。

ハイドロゲルは、プリント中に細胞の生存を維持するために必要である。本発明の非限定的な例において、ハイドロゲルは、コラーゲン、ゼラチン、フィブリン、アルギン酸（塩）、キチン、キトサン、ヒアルロン酸、ポリメタクリル酸２−ヒドロキシエチル（ＰＨＥＭＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、およびポリエチレングリコール（ＰＥＧ）から、単独でまたは混合物として選択されることができる。

プリントされた物体のビーズまたは粒子の形状のフィラー２０が存在する容器からの取り出しは、通常通り、プライヤ等とスクリーンを用いた取り出しによって実行することができる。取り出された物体上に未重合のモノマー樹脂と共にフィルムを形成する余分な粒子は、拭き取りまたは未重合の樹脂を溶解する溶媒を用いた溶媒浴または溶媒リンスで除去することができ、この工程は通常、バルク樹脂プリントの最後にすでに実行される。ある種の場合、未重合の樹脂は、液体モノマーの添加または通常のモノマーの溶媒の添加によって流動化することができ、このことは未変換の材料のリサイクルを可能とする。

特に、もし、フィラー２０のビーズまたは粒子が、相互接触（最大フィラー密度）またはコンパクト積層の状態にあったとしても、樹脂は、残っている穴の中に入り、レーザが集束されたであろう点の周りの粒子を重合によって結合する。重合によって結合されていないまたは不充分に結合された周囲の粒子は、その後、溶媒リンスの間に除去される。

実施例１（組成物）
モノマー
以下のモノマーと組成物は、本発明に特に適したものである。

屈折率は、キャリブレーションオイルを用いて校正したアッベ屈折計（Kern Optics ORT 1RS屈折計）によって測定した。
透明粒子フィラー

屈折率の値は、http://refractiveindex.info/、SCHOTT optical glass data sheets 2015-07-22、M. Rubin, Optical properties of soda lime silica glasses、Solar Energy Materials 12, 275-288 (1985)等の書誌データから評価した。
本発明に係る組成物の実施例
組成物１

組成物２

Norlandの樹脂は光開始剤を含み、補足の開始剤の添加なしで用いた。
組成物３

屈折率の値は、以下の関係によって決定される。
ｎ ＝ ｎ_１・α ＋ ｎ_２・（１−α）
ｎ_１は化合物１の屈折率、ｎ_２は化合物２の屈折率、αは組成物１１中の化合物１の重量分率である。

以下の組成物は、本発明に係る実施例である。

９ｍｍのダブルバーの形態の物体を得るために、この組成物は、周波数を２倍にした、５１５ｎｍ、パルス幅５００ｆｓのＹｂ：ＫＧＷレーザを用いて、２光子重合によって重合した。

組成物１−３は、プリントされる物体の移動を防止するに好適な粘度を有し、これらの種々の成分の屈折率は変動が少ない。この組成物はまた、あらかじめ決定された光重合の波長に対して透明である。
実施例２（可変ボクセル）

対物レンズの入射面に配置され、広範囲の空間周波数を持つことを可能とする拡散体の効果を測定するために、実験を行った。特に、初期のビームがある方向に伝搬する平坦波であることを特徴とするとき、この拡散体は、この波を、その拡散体特有の角度（粗さまたは「空間周波数」に結びつく）内にランダムに伝搬する多重波に分離する。

この装置は、波長５４３ｎｍのＨｅ／Ｎｅレーザ、長い作動距離を有する対物レンズ、およびフィルタホイール上に取り付けられた複数の種々の拡散体のセットを含む。

レーザビーム焦線の測定を図９に報告する。これらの測定は、拡散体のレーザビーム径への影響を測定することを可能とする。

この図９に示されているのは、３つの曲線１０１、１０３、１０５である。曲線１０１は拡散体なし、曲線１０３は１°の拡散体あり、曲線１０５は１０°の拡散体ありの条件で、ｚ位置（ｍｍ）の関数としてビーム径（μｍ）を示す。

この方法は、焦点におけるビーム径を低減することなくガウシアンビームフィールドの深さを制御でき、したがってボクセルの大きさを制御できることが分かる。

この場合、ビームは、ビーム径が１００μｍ、径の２^０．５増で定義されるフィールドの深さが約３００μｍ、すなわち、径と深さの比が０．３のオーダー（図３）に達成するかもしれない。

Claims (19)

1. 重合容器（９）内に組成物（１１）を仕込む工程ａと、
   ３次元物体（３）を製造するために、あらかじめ決定された位置において、多光子光重合によって前記組成物（１１）を重合する工程ｂとを有し、
   前記組成物（１１）は、少なくとも１つのモノマー（１２）、少なくとも１つのフィラー（２０）、および少なくとも１つの光開始剤を含む３次元物体の製造方法において、
   前記モノマー（１２）と前記フィラー（２０）との屈折率差が０．０５未満であり、
   前記組成物（１１）の粘度が０．０５Ｐａ・ｓ以上であり、
   前記組成物（１１）は、光重合の波長に対して透明であることを特徴とする、３次元物体の製造方法。
2. 前記組成物（１１）は０．３０Ｐａ・ｓ以上の粘度を有する、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記フィラー（２０）は透明粒子を含む、請求項１または２に記載の製造方法。
4. 前記組成物（１１）は体積比率で１０〜７０％の透明粒子を含む、請求項３に記載の製造方法。
5. 前記透明粒子は球状である、請求項３または４に記載の製造方法。
6. 前記透明粒子は、シリカまたはガラス、特にホウケイ酸ガラスまたはソーダライムガラスからなる、請求項３〜５のいずれか１項に記載の製造方法。
7. 前記透明粒子は、有機材料、特に樹脂中に溶解しないポリマーからなる、請求項３〜５のいずれか１項に記載の製造方法。
8. 前記フィラー（２０）は、前記組成物（１１）中に溶解する少なくとも１つの成分を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の製造方法。
9. 前記組成物（１１）は、
   Ｌ−乳酸、グリコール酸、およびカプロラクトンから、単独でまたは混合物として選択されるモノマーと、
   生細胞を含むフィラー（２０）と、
   コラーゲン、ゼラチン、フィブリン、アルギン酸（塩）、キチン、キトサン、ヒアルロン酸、ポリメタクリル酸２−ヒドロキシエチル（ＰＨＥＭＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、およびポリエチレングリコール（ＰＥＧ）から、単独でまたは混合物として選択されるハイドロゲルとを含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の製造方法。
10. 前記モノマーがアクリルモノマーである、請求項１〜８のいずれか１項に記載の製造方法。
11. 前記アクリルモノマーは、ポリエチレングリコールジアクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、および１，６−ヘキサンジオールジアクリレートからなる群から選択される１種又は複数種の組合せである、請求項１０に記載の製造方法。
12. 前記光開始剤は、芳香族ケトン、芳香族誘導体、エオシン Ｙ、および他のキサンテン染料からなる群から選択される１種又は複数種であることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の製造方法。
13. 前記組成物（１１）は、少なくとも１つのエポキシモノマーを含む、請求項１〜８、１０〜１２のいずれか１項に記載の製造方法。
14. 前記光開始剤はオニウム塩である、請求項１３に記載の製造方法。
15. 前記多光子光重合はレーザビームを用いて実行され、
    前記レーザビームにおける重合空間分解能が、光拡散体（１４）を配置することによって、特に１〜２０°に適合されることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の製造方法。
16. 前記３次元物体（３）は外表面と内部ボリュームとを含み、前記内部ボリューム内に定位される位置は、前記３次元物体（３）の前記外表面を形成する位置よりも低い分解能で重合されることを特徴とする、請求項３〜１５のいずれか１項に記載の製造方法。
17. 前記３次元物体（３）の複数の種々の部分は、それぞれがあらかじめ決定されたボクセルのサイズまたは機能を得ることを可能とする特定の組成物（１１）を含む複数の種々の容器（９）内で逐次重合されることを特徴とする、請求項１６に記載の製造方法。
18. 前記内部ボリュームは、第１のボクセルのサイズを得ることを可能とする透明粒子の形態の第１のフィラー（２０）を含む第１の組成物（１１）を含む第１の容器（９）内で重合され、
    前記物体（３）の前記外表面は、前記第１のボクセルのサイズより小さい第２のボクセルのサイズを得ることを可能とする透明粒子の形態の第２のフィラー（２０）を含む、またはフィラーを含まない第２の組成物（１１）を含む第２の容器（９）内で重合されることを特徴とする、請求項３〜１７のいずれか１項に記載の製造方法。
19. 多光子、特に２光子の光重合による３次元物体の製造装置であって、
    レーザビーム（７）を出射するレーザ（５）と、
    少なくとも１つのモノマー（１２）、少なくとも１つのフィラー（２０）、および少なくとも１つの光開始剤を含み、前記モノマー（１２）と前記フィラー（２０）との屈折率差が０．０５未満であり、粘度が０．０５Ｐａ・ｓ以上であり、光重合の波長に対して透明である組成物（１１）を含む重合容器（９）と、
    前記レーザビームを集束させてその開口数（７）を適合させるデバイス（１３）と、
    前記３次元物体（３）を製造するために、あらかじめ決定された位置において前記組成物（１１）を重合するよう、前記重合容器（９）内に前記レーザビーム（７）を集束させることを可能とする移動ユニット（１６）と、
    重合分解能を適合させるために、前記レーザビーム（７）の光路上または光路外に配置されるよう、支持要素（１５）上に移動可能に取り付けられた少なくとも１つの拡散体（１４）を含む重合分解能の適合器とを含む、３次元物体の製造装置。

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