JP2021519382A - ３ｄ模型用のコーティング液組成物及びこれを用いた３ｄ模型の製造方法 - Google Patents

３ｄ模型用のコーティング液組成物及びこれを用いた３ｄ模型の製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、ゴム材料及び有機溶媒を含む３Ｄ模型用のコーティング液組成物及びその製造方法、そしてこれを用いた３Ｄ模型の製造方法に関する。本発明による３Ｄ模型用のコーティング液組成物を用いて３Ｄ模型をコーティングすると、コーティングされた３Ｄ模型は、臓器と類似した弾性及び強度を持って手術シミュレーションが可能であるため、小児の心臓などの、大きさが小さく、関連疾患の多様性及び複雑性があることによって手術シミュレーションが要求される手術に使用され、手術の成功に誘導することができ、医療産業分野において広く活用することができる。【選択図】図３

Description

本発明は、ゴム材料及び有機溶媒を含む３Ｄ模型用のコーティング液組成物及びその製造方法、これを用いた３Ｄ模型の製造方法に関する。
具体的には、本発明は、臓器と類似した弾性及び強度を有するようにした、手術シミュレーション及びこれによる手術の成功を可能にする、ゴム材料及び有機溶媒を含む３Ｄ模型用のコーティング液組成物及びその製造方法、これを用いた３Ｄ模型の製造方法に関する。
概して、新生児１００人当り約４〜５人の割合で身体的な奇形が発見され、１００人当り１人の割合で先天性心臓奇形が発見され、これは国及び人種間でほぼ同頻度で発生する。出生時、原因不明の心臓の奇形及び機能障害を持って生まれる胎児の心臓形成は、妊娠３ヶ月以前に既に完了し、先天性心臓病は、胎児の心臓が形成される過程において異常が生じて妊娠初期に発生する。
小児先天性心臓奇形疾患の手術は、一般的な造影剤の投与ができないため、ＣＴなどの撮影時には必ず熟練した放射線科（ｒａｄｉｏｌｏｇｙ）の専門医が同伴して造影剤を投与し、撮影時期などを調整しなければならないだけでなく、装置や時間などの制約のために、成人の場合とは異なり、精度が低い医療画像しか得られないという問題点がある。実際の手術の際にも、約５ｃｍ×５ｃｍ程度の非常に小さい心臓を対象に手術をしなければならないので、難易度の高い技術を要する。
従って、非常に小さく、関連疾患が様々で複雑な小児先天性心臓奇形疾患などの手術において、手術前のシミュレーションは、手術を成功に導くための非常に大きな役割を果たす。ＣＴ画像に基づいて製作した３Ｄプリンティングなどによって製造された３Ｄ模型を用いた手術前のシミュレーションが多く活用されている。
しかし、３Ｄプリンティングなどによって製造された３Ｄ模型を用いて手術前のシミュレーションをする場合には、３Ｄ模型の質感が、心臓などの実際の臓器の質感と異なるのみならず、縫合の際に裂けるなどの問題が生じる。
そこで、本発明者は、小児の心臓などの手術前のシミュレーションによって、手術を成功に導くために、実際の臓器と同じ弾性及び強度を有する３Ｄ模型を提供できるよう鋭意努力した結果、シリコンなどのゴム材料及び有機溶媒を含むコーティング液組成物で３Ｄ模型をコーティングすることで、縫合の際に裂けず、実際の臓器と同じ質感を持つ３Ｄ模型を製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明の目的は、ゴム材料及び有機溶媒を含む３Ｄ模型用のコーティング液組成物を提供することにある。
本発明の他の目的は、ゴム材料及び有機溶媒を混合するステップを含む３Ｄ模型用のコーティング液組成物の製造方法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、前記３Ｄ模型用のコーティング液組成物で３Ｄプリンティング模型をコーティングするステップを含む３Ｄ模型の製造方法を提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明は、ゴム材料及び有機溶媒を含む３Ｄ模型用のコーティング液組成物を提供する。
本発明は、ゴム材料及び有機溶媒を混合するステップを含む３Ｄ模型用のコーティング液組成物の製造方法を提供する。
本発明は、前記３Ｄプリンティング模型用のコーティング液組成物で３Ｄ模型をコーティングするステップを含む３Ｄ模型の製造方法を提供する。
本発明による３Ｄ模型用のコーティング液組成物を用いて３Ｄ模型をコーティングすると、コーティングされた３Ｄ模型は、臓器と類似した弾性及び強度を持つため、手術シミュレーションが可能であり、小児の心臓など、大きさが小さく、関連疾患の多様性及び複雑性によって手術シミュレーションが要求される手術に使用され、手術を成功に誘導することができ、医療産業分野において広く活用することができる。
実施例４の縫合試験用の試験片模型である。 実施例４の縫合試験過程の模式図である。 実施例４の試験片縫合試験結果を示したものであり、（ａ）は本発明のコーティング液組成物でコーティングしていない場合、（ｂ）は本発明のコーティング液組成物でコーティングした場合を示す。 実施例４の縫合試験に使用された本発明の３Ｄ模型用のコーティング液組成物２でコーティングされた３Ｄ心臓の模型である。 実施例４の縫合試験過程を示したものであり、（ａ）は血管縫合シミュレーション過程を示し、（ｂ）は心室中隔欠損症（ＶＳＤ）封鎖シミュレーション過程を示す。
他の方式で定義されない限り、本明細書において使用される全ての技術的・科学的用語は、本発明が属する技術分野における当業者が通常理解されるものと同じ意味を有する。一般的に、本明細書において使用された命名法は、本技術分野において周知であり、通常使用されるものである。
本発明の実施例で提示される特定の構造乃至機能的説明は、単に本発明の概念による実施例を説明する目的で例示されたものであり、本発明の概念による実施例は、様々な形態で実施することができる。また、本明細書に説明された実施例に限定されるものと解釈されてはならず、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変更物、均等物乃至代替物を含むものと理解されるべきである。
本発明の一態様は、ゴム材料及び有機溶媒を含む３Ｄ模型用のコーティング液組成物に関する。
前記ゴム材料は、シリコン、ウレタン、スチレンブタジエンゴム（ｓｔｙｒｅｎｅ ｂｕｔａｄｉｅｎｅｒｕｂｂｅｒ,ＳＢＲ）、クロロプレンゴム（ｃｈｌｏｒｏｐｒｅｎｅ ｒｕｂｂｅｒ,ＣＲ）、塩素化ポリエチレン（ｃｈｌｏｒｉｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ,ＣＰＥ）、ブタジエンゴム（ｂｕｔａｄｉｅｎｅ ｒｕｂｅｒ,ＢＲ）、スチレン−ブタジエン（ｓｔｙｒｅｎｅ−ｂｕｔａｄｉｅｎｅ,ＳＢ）共重合体ラテックス、エチレンプロピレンジエンモノマー（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｄｉｅｎｅ ｍｏｎｏｍｅｒ,ＥＰＤＭ）、エチレン酢酸ビニル（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｖｉｎｙｌ ａｃｅｔａｔｅ,ＥＶＡ）、スチレンブタジエンスチレン（ｓｔｙｒｅｎｅ ｂｕｔａｄｉｅｎｅｓｔｙｒｅｎｅ,ＳＢＳ）、アクリルゴム（ＡＣＭ／ＡＮＭ）、硫化物重合体（ｓｕｌｆｉｄｅ ｐｏｌｙｍｅｒ）、ニトリルゴム（ｎｉｔｒｉｌｅ ｒｕｂｂｅｒ,ＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ｃｈｌｏｒｏｐｒｅｎｅ ｒｕｂｂｅｒ,ＣＲ）、クロロスルホン化ポリエチレンゴム（ｃｈｌｏｒｏｓｕｌｆｏｎａｔｅｄ ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｒｕｂｂｅｒ,ＣＳＭ）、ブチルゴム（イソブチレンイソプレンゴム、ｉｓｏｂｕｔｙｌｅｎｅ ｉｓｏｐｒｅｎｅ ｒｕｂｂｅｒ,ＩＩＲ）及びフッ素ゴム（ＦＰＭ）で構成された群から選択された一つ以上であるが、これに限定されるものではない。
本発明において、前記有機溶媒は、アセトン、シクロヘキサン、クロロホルム、１,２−ジクロロエタン、トルエン、トリクロロエタン、トリクロロベンゼン、ベンゼン四塩化炭素、クロロベンゼン、テトラヒドロフラン（ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｆｕｒａｎ,ＴＨＦ）、キシレン、３次（ｔｅｒｔｉａｒｙ）ブチルアセテート、ヘプタン、ヘキサン、ジメチルエーテル、２−ブタノン、メタノール、ブタノン及びナフサで構成された群から選択された一つ以上であるが、これに限定されるものではない。
本発明において、触媒としてスズ（ｔｉｎ）をさらに含むこととしてもよい。
本発明において、３Ｄ模型用のコーティング液組成物の総１００重量％に対し、ゴム材料を、好ましくは３０〜５０重量％を含むこととしてもよいゴム材料の含量が５０重量％を超える場合には、均一なコーティング厚さを形成することが困難であるため、作業の容易性が落ち、３０重量％未満となる場合には、コーティングする際に心臓などの実際の臓器の物性を示すことができないため、好ましくない。
本発明において、３Ｄ模型は、心臓などの臓器模型であることとしてもよく、３Ｄプリンティングなどの方法で製造されることとしてもよい。
本発明の他の態様は、ゴム材料及び有機溶媒を混合するステップを含む３Ｄ模型用のコーティング液組成物の製造方法に関する。
本発明において、前記ゴム材料は、シリコン、ウレタン、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、塩素化ポリエチレン（ＣＰＥ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、スチレン−ブタジエン（ＳＢ）共重合体ラテックス、エチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）、スチレンブタジエンスチレン（ＳＢＳ）、アクリルゴム（ＡＣＭ／ＡＮＭ）、硫化物重合体、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、クロロスルホン化ポリエチレンゴム（ＣＳＭ）、ブチルゴム（イソブチレンイソプレンゴム,ＩＩＲ）及びフッ素ゴム（ＦＰＭ）で構成された群から選択された一つ以上であるが、これに限定されるものではない。
本発明において、前記有機溶媒は、アセトン、シクロヘキサン、クロロホルム、１,２−ジクロロエタン、トルエン、トリクロロエタン、トリクロロベンゼン、ベンゼン四塩化炭素、クロロベンゼン、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、キシレン、３次ブチルアセテート、ヘプタン、ヘキサン、ジメチルエーテル、２−ブタノン、メタノール、ブタノン及びナフサで構成された群から選択された一つ以上であるが、これに限定されない。
本発明において、触媒としてスズ（ｔｉｎ）をさらに含むこととしてもよい。
本発明において、ゴム材料及び有機溶媒の混合時に、３Ｄ模型用のコーティング液組成物の総１００重量％に対し、ゴム材料が好ましくは３０〜５０重量％含まれるように、コーティング液組成物の濃度を調節することとしてもよい。ゴム材料の含量が５０重量％を超える場合には、均一なコーティング厚さを形成することが困難であるため、作業の容易性が落ち、３０重量％未満となる場合には、コーティングする際に、心臓などの実際の臓器の物性を示すことができないため、好ましくない。
本発明において、３Ｄ模型は、心臓などの臓器模型であることとしてもよく、３Ｄプリンティングなどの方法で製造されることとしてもよい。
本発明のさらに他の態様は、前記３Ｄ模型用のコーティング液組成物で３Ｄプリンティング模型をコーティングするステップを含む３Ｄ模型の製造方法に関する。
本発明において、好ましくは０.５〜１０.０ｍｍの厚さでコーティングすることとしてもよい。コーティング液の濃度またはコーティング回数を調節して、コーティング厚さを調節することで、臓器模型の弾性と強度を微細に調節することができる。コーティング厚さが前記範囲を外れると、実際の臓器と質感などの特性が異なって、好ましくない。
本発明において、ディップコーティング（Ｄｉｐ ｃｏａｔｉｎｇ）、スプレーイング（Ｓｐｒａｙｉｎｇ）及びブラッシング（Ｂｒｕｓｈｉｎｇ）で構成された群から選択された一つ以上の方法でコーティングすることとしてもよく、これに限定されるものではない。
[実施例]
以下、実施例により発明をより詳細に説明する。これらの実施例は、単に本発明を例示するためのものであり、本発明の範囲がこれらの実施例によって制限されるものと解釈されないことは、当業界における通常の知識を有する者にとって自明であろう。よって、本発明の実質的な範囲は、添付された請求の範囲とそれらの等価物によって定義される。
実施例１：３Ｄ模型用のコーティング液組成物の製造
１−１：３Ｄ模型用のコーティング液組成物の製造
シリコンゴム材料及びテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）溶媒、そして触媒としてスズを混合して、３Ｄ模型用のコーティング液組成物を製造した。ＴＨＦ溶媒の含量に応じてシリコンゴム材料の濃度を調節した。コーティング液組成物の総１００重量％に対し、シリコンゴム材料の濃度をそれぞれ３０重量％及び５０重量％に調節して、３Ｄ模型用のコーティング液組成物１及び２を製造した。
１−２：比較例の製造
３Ｄ模型用のコーティング液組成物を用いていない、すなわちコーティングをしていないものを比較例１とした。
前記実施例１−１と他の条件は同一であるが、ＴＨＦ溶媒の代わりにアセトンを混合して比較例２を製造した。
前記実施例１−１と他の条件は同一であるが、スズの代わりに白金（Ｐｔ）を混合して比較例３を製造した。
実施例２：コーティングされた３Ｄ模型の製造
患者の医療画像に基づいて、心臓模型モデリングの後、３Ｄプリンティング方法で出力されたアクリレート系共重合体３Ｄプリンティングの心臓模型を、前記実施例１で製造された３Ｄ模型用のコーティング液組成物１及び２と比較例１〜３でディップコーティング方法によりコーティングして乾燥し、コーティングされた３Ｄ模型を製造した。
実施例３：特性確認
前記実施例２で製造された３Ｄ模型用のコーティング液組成物１及び２と比較例１〜３でコーティングされた３Ｄ模型の特性を確認した。
比較例２の場合、有害な臭い、製造後、再使用不可能（１回限り）なため手術前のシミュレーションに活用するのに不適切であることを確認した。比較例３の場合、表面硬化が起こらないため、３Ｄプリンティングによって製造された模型にコーティングするときに、剥がれ（ｐｅｅｌ ｏｆｆ）の問題があることが確認された。
３Ｄ模型用のコーティング液組成物１及び２と比較例１の引張強度、引裂強度などの物性を確認した。その結果、コーティング液の濃度が高くなるほど（比較例１→３Ｄ模型用のコーティング液組成物１→３Ｄ模型用のコーティング液組成物２の順）コーティング厚は厚くなり、引張強度、引裂強度及び弾性係数は低くなり、伸び率は増加することが確認された。引裂強度及び引張強度は厚さに依存するため、コーティング液の濃度が高くなるほどコーティング厚さが厚くなり、引裂強度及び引張強度は低くなる。また、コーティング液の濃度が増すと、シリコン成分が増加し、３Ｄプリンティング模型の表面に非晶質（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）部分が増加するため、引張強度は低くなり、伸び率は増加する。縫合試験のときに裂けることなく、実際の心臓などの臓器と同じ質感を示すため、弾性係数及び伸び率を考慮すると、コーティング液の濃度が３０〜５０重量％である、３Ｄ模型用のコーティング液組成物１及び２が手術前のシミュレーションの使用に適切であることが確認された（表１）。
Figure 2021519382
実施例４：縫合（ｓｕｔｕｒｅ）試験
縫合試験のために、バー（ｂａｒ）形態の基板（２０.０ｍｍ×５０.０ｍｍ×１.５ｍｍ、横×縦×厚）を製作した（図１）。基板を実施例１の３Ｄ模型用のコーティング液組成物２でディップコーティング方法によりコーティングした後、乾燥させてコーティングされた３Ｄ模型を製造し、バーサンプルの左側から１０.０ｍｍの地点の下側から３０.０ｍｍの地点まで切断した。切断された地点から両側１−２ｍｍ離れた地点を手術用の糸とはさみを用いて縫合した（図２）。
血管縫合シミュレーション及び心室中隔欠損症（ｖｅｎｔｒｉｃｕｌａｒ ｓｅｐｔａｌ ｄｅｆｅｃｔ,ＶＳＤ）の封鎖シミュレーションの結果、実施例１の３Ｄ模型用のコーティング液組成物２でコーティングしていない場合には、縫合時に糸が通過した部分から垂直に裂け、質感が実際の臓器と大きく異なることが確認された。実施例１の３Ｄ模型用のコーティング液組成物２でコーティングした場合には、縫合時に裂けず、実際の心臓などのような臓器と質感が類似していることが確認された（図３〜図５）。
以上、本発明の内容の特定の部分を詳細に記述したが、当業界における通常の知識を有する者にとって、このような具体的な技術は単に好適な実施例に過ぎず、これらによって本発明の範囲が制限されるものではないことは明らかである。よって、本発明の実質的な範囲は、添付された請求項とこれらの等価物によって定義される。

Claims (17)

  1. ゴム材料及び有機溶媒を含む３Ｄ模型用のコーティング液組成物。
  2. 前記ゴム材料はシリコン、ウレタン、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、塩素化ポリエチレン（ＣＰＥ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、スチレン−ブタジエン（ＳＢ）共重合体ラテックス、エチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）、スチレンブタジエンスチレン（ＳＢＳ）、アクリルゴム（ＡＣＭ／ＡＮＭ）、硫化物重合体、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、クロロスルホン化ポリエチレンゴム（ＣＳＭ）、ブチルゴム（イソブチレンイソプレンゴム,ＩＩＲ）及びフッ素ゴム（ＦＰＭ）で構成された群から選択された一つ以上である、請求項１に記載の３Ｄ模型用のコーティング液組成物。
  3. 前記有機溶媒はアセトン、シクロヘキサン、クロロホルム、１,２−ジクロロエタン、トルエン、トリクロロエタン、トリクロロベンゼン、ベンゼン四塩化炭素、クロロベンゼン、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、キシレン、３次ブチルアセテート、ヘプタン、ヘキサン、ジメチルエーテル、２−ブタノン、メタノール、ブタノン及びナフサで構成された群から選択された一つ以上である、請求項１に記載の３Ｄ模型用のコーティング液組成物。
  4. スズをさらに含む、請求項１に記載の３Ｄ模型用のコーティング液組成物。
  5. ３Ｄ模型用のコーティング液組成物の総１００重量％に対し、ゴム材料を３０〜５０重量％を含む、請求項１に記載の３Ｄ模型用のコーティング液組成物。
  6. ３Ｄ模型は、臓器模型である、請求項１に記載の３Ｄ模型用のコーティング液組成物。
  7. ３Ｄ模型は、３Ｄプリンティングによって製造される、請求項１に記載の３Ｄ模型用のコーティング液組成物。
  8. ゴム材料及び有機溶媒を混合するステップを含む３Ｄ模型用のコーティング液組成物の製造方法。
  9. 前記ゴム材料はシリコン、ウレタン、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、塩素化ポリエチレン（ＣＰＥ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、スチレン−ブタジエン（ＳＢ）共重合体ラテックス、エチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）、スチレンブタジエンスチレン（ＳＢＳ）、アクリルゴム（ＡＣＭ／ＡＮＭ）、硫化物重合体、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、クロロスルホン化ポリエチレンゴム（ＣＳＭ）、ブチルゴム（イソブチレンイソプレンゴム,ＩＩＲ）及びフッ素ゴム（ＦＰＭ）で構成された群から選択された一つ以上である、請求項８に記載の３Ｄ模型用のコーティング液組成物の製造方法。
  10. 前記有機溶媒はアセトン、シクロヘキサン、クロロホルム、１,２−ジクロロエタン、トルエン、トリクロロエタン、トリクロロベンゼン、ベンゼン四塩化炭素、クロロベンゼン、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、キシレン、３次ブチルアセテート、ヘプタン、ヘキサン、ジメチルエーテル、２−ブタノン、メタノール、ブタノン及びナフサで構成された群から選択された一つ以上である、請求項８に記載の３Ｄ模型用のコーティング液組成物の製造方法。
  11. スズをさらに含む、請求項８に記載の３Ｄ模型用のコーティング液組成物の製造方法。
  12. ゴム材料及び有機溶媒の混合時に、３Ｄ模型用のコーティング液組成物の総１００重量％に対し、ゴム材料が３０〜５０重量％含まれるように、コーティング液組成物の濃度を調節する、請求項８に記載の３Ｄ模型用のコーティング液組成物の製造方法。
  13. ３Ｄ模型は、臓器模型である、請求項８に記載の３Ｄ模型用のコーティング液組成物の製造方法。
  14. ３Ｄ模型は、３Ｄプリンティングによって製造される、請求項８に記載の３Ｄ模型用のコーティング液組成物の製造方法。
  15. 請求項１から７のいずれか１項に記載の３Ｄ模型用のコーティング液組成物で３Ｄプリンティング模型をコーティングするステップを含む、３Ｄ模型の製造方法。
  16. ０.５〜１０.０ｍｍの厚さでコーティングする、請求項１５に記載の３Ｄ模型の製造方法。
  17. ディップコーティング、スプレーイング及びブラッシングで構成された群から選択された一つ以上の方法でコーティングする、請求項１５に記載の３Ｄ模型の製造方法。
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