JP2022030867A - Molding method - Google Patents

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Takashi Matsumura
達也 新美
Tatsuya Niimi
拓也 斉藤
Takuya Saito
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Abstract

To provide a method for modeling three-dimensional objects in which the biophysical properties obtained by measuring living organisms are reproduced with high accuracy.SOLUTION: A molding method having a molding process of molding a three-dimensional object using a 3D printer based on medical 3D data of a living body, the medical 3D data is created based on medical image data obtained by photographing the living body with a medical imaging device and biophysical properties obtained by measuring the living body with MRE, and the three-dimensional object has a distribution of intensity properties corresponding to the distribution of the biophysical properties.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、造形方法に関する。 The present invention relates to a modeling method.

三次元立体造形技術の進歩はめざましく、熱溶融積層法、バインダージェッティング法、光造形法、粉末焼結積層造形法、マテリアルジェッティング法などの様々な3Dプリンタが製造業において用いられている。また、3Dプリンタで用いる材料としては、従来から知られている金属及び樹脂に加え、多様な材料が開発されている。これら多様な材料に対応した新規用途も提案されており、産業分野のみならず、医療分野及びヘルスケア分野等への応用も期待されている。医療分野における3Dプリンタの応用例としては、例えば、チタン、ハイドロキシアパタイト、PEEK等によるインプラント可能な人工骨の造形、細胞の直接積層による人工臓器の研究などへの応用が挙げられる。ヘルスケア分野における3Dプリンタの応用例としては、例えば、個人特有の形状を反映する必要のある補聴器具や義肢などへの応用が挙げられる。 The progress of three-dimensional three-dimensional modeling technology is remarkable, and various 3D printers such as Fused Deposition Modeling, Binder Jetting, Stereolithography, Powder Deposition Modeling, and Material Jetting are used in the manufacturing industry. Further, as materials used in 3D printers, various materials have been developed in addition to the conventionally known metals and resins. New applications corresponding to these various materials have been proposed, and are expected to be applied not only to the industrial field but also to the medical field and the healthcare field. Examples of applications of 3D printers in the medical field include, for example, the formation of implantable artificial bones using titanium, hydroxyapatite, PEEK, etc., and the application to research on artificial organs by direct stacking of cells. Examples of applications of 3D printers in the field of healthcare include applications to hearing aids and artificial limbs that need to reflect a shape peculiar to an individual.

医療分野における3Dプリンタの他の応用例としては、手術トレーニングやシミュレーションを目的とし、実際の臓器形状や生体を模したモデルへの応用が期待される。このようなモデルへの応用が期待される背景として、近年、医療機器の開発が進み、従来の大きく切り開き取り除く医療から、カテーテル、内視鏡、ロボットアシスト等による患者への負担が少ない低侵襲型医療が主流になりつつある点が挙げられる。これら医療機器を用いた手術オペレーションは、非常に高度な技術と熟練を要するため、医療事故防止の観点から適切なモデルを用いた手術トレーニングの重要性が認識されているためである。また、実施事例の少ない難手術においては、事前に対象部位の詳細を再現したモデルを得ることができれば、綿密な術前シミュレーションをすることが可能になる。 As another application example of the 3D printer in the medical field, it is expected to be applied to a model that imitates an actual organ shape or a living body for the purpose of surgical training and simulation. As a background that is expected to be applied to such models, the development of medical equipment has progressed in recent years, and it is a minimally invasive type that reduces the burden on patients by catheters, endoscopes, robot assists, etc. One point is that medical care is becoming mainstream. This is because surgical operations using these medical devices require extremely advanced techniques and skills, and the importance of surgical training using appropriate models is recognized from the viewpoint of preventing medical accidents. Further, in difficult surgery with few cases, if a model that reproduces the details of the target site in advance can be obtained, it becomes possible to perform a detailed preoperative simulation.

従来から知られている臓器等を模したモデルとしては、3Dプリンタで作製され、アクリル系樹脂およびウレタン系樹脂等のハードマテリアルで構成されるモデルが挙げられる。しかし、ハードマテリアルは材料として硬く、実際の臓器における質感を再現することは困難である。
また、従来から知られている臓器等を模した他のモデルとしては、鋳型を用いて注型法で作製され、特許文献1で開示されているようなシリコーンエラストマーおよびポリビニルアルコール等の水性ゲルで構成されるモデルなどが挙げられる。注型法で作製する場合、材料選択の幅が広く、ポリビニルアルコール等の実際の臓器における質感に近い材料を用いて作製することができる。しかし、注型法は、単一材料により一体形成する方法であるため、作製したい臓器の部位や疾患領域等に基づいて生じる臓器内の物性分布を再現することは困難である。
更に、実際の臓器における質感は直接接触して測定することが困難であるため、一般的には、医師からのヒアリング結果を基に実際の臓器に近い質感に合わせこんでいく作業が必要になる。しかし、ヒアリング対象となる患者ごとに質感の情報は異なるため、特定の患者の臓器における質感を再現したモデルを作製することは困難である。
As a model imitating a conventionally known organ or the like, there is a model produced by a 3D printer and composed of a hard material such as an acrylic resin and a urethane resin. However, hard materials are hard as materials, and it is difficult to reproduce the texture in an actual organ.
Further, as another model that imitates a conventionally known organ or the like, an aqueous gel such as a silicone elastomer and polyvinyl alcohol, which is produced by a casting method using a template and disclosed in Patent Document 1, is used. Examples include the configured model. When it is produced by the casting method, it can be produced by using a material having a wide selection of materials and having a texture close to that of an actual organ such as polyvinyl alcohol. However, since the casting method is a method of integrally forming with a single material, it is difficult to reproduce the physical characteristic distribution in the organ that occurs based on the site of the organ to be produced, the diseased area, or the like.
Furthermore, since it is difficult to directly contact and measure the texture of an actual organ, it is generally necessary to adjust the texture to a texture close to that of the actual organ based on the results of hearings from doctors. .. However, since the texture information differs depending on the patient to be interviewed, it is difficult to create a model that reproduces the texture in the organ of a specific patient.

本発明は、生体を測定することにより取得される生体物性が精度良く再現された立体造形物の造形方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method for modeling a three-dimensional model in which the physical characteristics of a living body obtained by measuring a living body are accurately reproduced.

本発明は、生体の医用3Dデータに基づき、3Dプリンタを用いて立体造形物を造形する造形工程を有する造形方法であって、前記医用3Dデータは、前記生体を医用画像撮影装置で撮影することにより取得される医用画像データと、前記生体をMRE測定することにより取得される生体物性と、に基づいて作成され、前記立体造形物は、前記生体物性の分布に対応する強度物性の分布を有することを特徴とする造形方法に関する。 The present invention is a modeling method including a modeling process of modeling a three-dimensional model using a 3D printer based on medical 3D data of a living body, and the medical 3D data is obtained by photographing the living body with a medical imaging device. The three-dimensional model is created based on the medical image data acquired by the above and the biological physical characteristics acquired by measuring the living body by MRE, and the three-dimensional model has a distribution of strength physical properties corresponding to the distribution of the biological physical properties. It relates to a modeling method characterized by that.

本発明によれば、生体を測定することにより取得される生体物性が精度良く再現された立体造形物を造形できる造形方法を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a modeling method capable of modeling a three-dimensional model in which the biological characteristics obtained by measuring a living body are accurately reproduced.

図1は、医用画像データセットの一例を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a medical image data set. 図2は、医用3Dデータの一例を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of medical 3D data. 図3は、医用3Dデータの一例を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of medical 3D data. 図4は、医用3Dデータをボクセル領域分割することで取得される領域別医用3Dデータの一例を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of region-specific medical 3D data acquired by dividing the medical 3D data into voxel regions. 図5は、領域別医用3Dデータをサーフェイスモデル変換することで取得されるSTL形式のデータの一例を示す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of STL format data acquired by converting the area-specific medical 3D data into a surface model. 図6は、領域別医用3DデータをFAVフォーマット変換することで取得されるFAV形式のデータの一例を示す模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of FAV format data acquired by converting medical 3D data for each area into FAV format. 図7は、高強度造形用組成物および低強度造形用組成物の配置パターンにより表現される7階調の強度物性の一例を示す模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of the strength physical properties of 7 gradations represented by the arrangement pattern of the high-strength modeling composition and the low-strength modeling composition. 図8は、鉱物としての水膨潤性層状粘土鉱物、及び水膨潤性層状粘土鉱物を水中で分散させた状態の一例を示す模式図である。FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of a state in which a water-swellable layered clay mineral as a mineral and a water-swellable layered clay mineral are dispersed in water. 図9は、ハイドロゲル立体造形物の造形装置の一例を示す模式図である。FIG. 9 is a schematic view showing an example of a modeling device for a hydrogel three-dimensional model. 図10は、ハイドロゲル立体造形物を支持体から剥離した一例を示す模式図である。FIG. 10 is a schematic view showing an example in which a hydrogel three-dimensional object is peeled off from a support.

1.造形方法
本発明の造形方法は、生体の医用3Dデータに基づき、3Dプリンタを用いて立体造形物(「モデル」とも称する)を造形する造形工程を有する。また、本発明の造形方法は、必要に応じて、上記造形工程より前に実行される工程として、生体の医用3Dデータを取得する取得工程と、医用3Dデータに基づいて造形用3Dデータを生成する生成工程と、を有してもよい。更に、本発明の造形方法は、必要に応じて、上記造形工程より後に実行される工程として、造形された立体造形物の精度を評価する評価工程を有してもよい。
本開示において「生体」とは、ヒト又はヒト以外の生物を構成する少なくとも一部を表し、対象の数は1つでもあってもよいし複数であってもよい。なお、ヒト又はヒト以外の生物を構成する少なくとも一部とは、例えば、胸部などの生体中における所定の領域、生体中における所定の臓器などを表す。
また、本開示において「生体の医用3Dデータに基づき、3Dプリンタを用いて立体造形物を造形する」とは、医用3Dデータを3Dプリンタに入力して立体造形物を造形するような直接的に医用3Dデータを用いる場合に限定されず、医用3Dデータに基づいて生成された造形用3Dデータなどを3Dプリンタに入力して立体造形物を造形するような間接的に医用3Dデータを用いる場合も表す。
1. 1. Modeling Method The modeling method of the present invention includes a modeling step of modeling a three-dimensional model (also referred to as a "model") using a 3D printer based on medical 3D data of a living body. Further, in the modeling method of the present invention, as necessary, as a step executed before the above-mentioned modeling step, an acquisition step of acquiring medical 3D data of a living body and a modeling 3D data are generated based on the medical 3D data. It may have a production step to be carried out. Further, the modeling method of the present invention may include an evaluation step for evaluating the accuracy of the modeled three-dimensional model as a step executed after the above modeling process, if necessary.
In the present disclosure, the term "living body" refers to a human or at least a part constituting a non-human living body, and the number of objects may be one or more. In addition, at least a part constituting a human or a non-human organism represents, for example, a predetermined region in a living body such as a chest, a predetermined organ in the living body, and the like.
Further, in the present disclosure, "to model a three-dimensional model using a 3D printer based on the medical 3D data of a living body" means to directly input the medical 3D data into the 3D printer to model the three-dimensional model. Not limited to the case of using medical 3D data, there is also a case of indirectly using medical 3D data such as inputting 3D data for modeling generated based on 3D medical data into a 3D printer to form a three-dimensional model. show.

(1)取得工程
本発明の造形方法は、生体の医用3Dデータを取得する取得工程を有することが好ましい。本開示において「医用3Dデータ」とは、少なくとも、生体を医用画像撮影装置により撮影することにより取得される医用画像データと、生体をMRE測定することにより取得される生体物性と、に基づき作成されるデータを表す。すなわち、生体の医用3Dデータを取得する取得工程は、生体を医用画像撮影装置により撮影することで医用画像データを取得する撮影工程と、生体をMRE測定することにより生体物性を取得する測定工程と、医用画像データ及び生体物性に基づき医用3Dデータを作成する作成工程と、を有する。
(1) Acquisition Step The modeling method of the present invention preferably includes an acquisition step for acquiring medical 3D data of a living body. In the present disclosure, the "medical 3D data" is created based on at least the medical image data acquired by photographing the living body with a medical imaging device and the biological characteristics acquired by measuring the living body by MRE. Represents the data. That is, the acquisition step of acquiring the medical 3D data of the living body includes an imaging step of acquiring the medical image data by photographing the living body with a medical imaging device and a measuring step of acquiring the biological physical characteristics by measuring the living body by MRE. It has a creation step of creating medical 3D data based on medical image data and biological characteristics.

(I)撮影工程
撮影工程は、生体を医用画像撮影装置により撮影することで医用画像データを取得する工程である。医用画像撮影装置は、モダリティとも称され、被検体である生体をスキャンして医用画像データを取得する装置である。医用画像撮影装置としては、例えば、CT(Computed Tomography)装置、MRI(Magnetic Resonance Imaging)装置、超音波診断装置などが挙げられる。これらの中でも、後述する測定工程におけるMRE測定も行える観点からMRI装置を用いることが好ましい。医用画像撮影装置は、生体の断面を複数回撮影するスライス断層撮影を行う。これにより、図1に示すように、生体の断面を示す画像である医用画像データを複数取得できる。この複数の医用画像データ(「医用画像データセット」とも称する)は、それぞれ、医療画像交換に関する国際標準規格であるDICOM形式の画像であることが好ましい。また、医用画像データは、医用画像撮影装置により取得される画像濃度を示す画像濃度情報を含む。画像濃度は、例えば、医用画像撮影装置としてCT装置を用いた場合はCT値(X線透過率)であり、MRI装置を用いた場合はMRI信号値であり、超音波診断装置を用いた場合は反射強度である。
(I) Imaging step The imaging step is a step of acquiring medical image data by photographing a living body with a medical imaging device. The medical imaging device, also called modality, is a device that scans a living body as a subject and acquires medical image data. Examples of the medical imaging device include a CT (Computed Tomography) device, an MRI (Magnetic Resonance Imaging) device, an ultrasonic diagnostic device, and the like. Among these, it is preferable to use an MRI apparatus from the viewpoint of being able to perform MRE measurement in the measurement step described later. The medical imaging device performs slice tomography in which a cross section of a living body is photographed multiple times. As a result, as shown in FIG. 1, a plurality of medical image data which are images showing a cross section of a living body can be acquired. Each of the plurality of medical image data (also referred to as a "medical image data set") is preferably an image in DICOM format, which is an international standard for medical image exchange. Further, the medical image data includes image density information indicating the image density acquired by the medical imaging apparatus. The image density is, for example, a CT value (X-ray transmittance) when a CT device is used as a medical imaging device, an MRI signal value when an MRI device is used, and an ultrasonic diagnostic device. Is the reflection intensity.

(II)測定工程
測定工程は、生体をMRE測定することで生体物性を取得する工程である。MRE測定とは、磁気共鳴エラストグラフィー(MRE:Magnetic Resonance Elastography)の手法により測定することを表す。本手法は、加振装置を用いて被検体内部にせん断波を生成しながらMRI装置で撮影することで、被検体内部の粘弾性分布を測定する非侵襲的な手法である。すなわち、生体をMRE測定することで取得される生体物性とは粘弾性であることが好ましい。なお、生体の粘弾性を取得する方法としては、MRE測定を行う方法以外に、超音波エラストグラフィーによる測定を行う方法が挙げられる。この点、超音波エラストグラフィーによる測定は得られる情報が1次元であるのに対し、MRE測定は得られる情報が2次元であって3Dデータの生成が容易であるため、MRE測定を行うことが好ましい。なお、測定対象が、心臓や血管等の臓器自体が周期的な運動を伴うものである場合、この運動に伴う臓器の変形量を計測し、力学モデル等に基づいて計測値から生体物性を推測する方法も挙げられる。しかし、この方法で得られる生体物性はあくまで推測値であり、生体の正確な情報取得性の観点でMRE測定に劣る。加えて、この方法を用いることができるのは、測定対象が心臓や血管等の周期的な運動を伴う臓器である場合に限定されるため、周期的な運動を伴わない臓器または周期的な運動に伴う変形量の計測が困難である臓器も測定対象にすることができる点でMRE測定を行うことが好ましい。また、MRE測定は、MRI装置のオプション機能としてシステムに含まれることが多く、撮影工程及び測定工程を同一のMRI装置により実行できる点でも好ましい。これに付随して、MRI装置による撮影工程とMRI装置による測定工程は、ほぼ同時に行うことができる。ほぼ同時に行えることで、患者等の被検体の負担を軽減できる点、医用画像データの取得時と生体物性の取得時がほぼ同時となり正確な生体の情報を得ることができる点などで好ましい。特に、後者の点に関しては、撮影および測定の対象が、経時的に形状、物性等の面で変化を生じやすい性質を有する生体であることを考慮すると、重要な観点となる。なお、ほぼ同時とは、撮影工程の時間および測定工程の時間の少なくとも一部が重複している場合、一度のMRI装置の使用で撮影工程および測定工程の両方を実行できる場合などを表す。また、MRE測定は、生体に対して行えるので、生体中で血圧が付与されている状態の臓器における生体物性を取得できる点でも好ましい。
(II) Measurement step The measurement step is a step of acquiring biological characteristics by measuring the living body by MRE. The MRE measurement means the measurement by the method of magnetic resonance elastography (MRE). This method is a non-invasive method for measuring the viscoelastic distribution inside a subject by taking an image with an MRI device while generating a shear wave inside the subject using a vibration exciter. That is, it is preferable that the biological characteristics obtained by measuring the living body by MRE are viscoelastic. As a method of acquiring the viscoelasticity of a living body, a method of measuring by ultrasonic elastography can be mentioned in addition to a method of performing MRE measurement. In this respect, while the information obtained by ultrasonic elastography is one-dimensional, the information obtained by MRE measurement is two-dimensional and it is easy to generate 3D data, so MRE measurement can be performed. preferable. If the object to be measured is an organ such as the heart or blood vessel that is accompanied by periodic movements, the amount of deformation of the organs due to this movement is measured, and the biological properties are estimated from the measured values based on a mechanical model or the like. There is also a way to do it. However, the biological characteristics obtained by this method are only estimated values, and are inferior to the MRE measurement from the viewpoint of accurate information acquisition of the living body. In addition, this method can be used only when the measurement target is an organ with periodic movement such as the heart or blood vessel, so that the organ without periodic movement or periodic movement can be used. It is preferable to perform MRE measurement because it is possible to measure an organ for which it is difficult to measure the amount of deformation due to the above. Further, the MRE measurement is often included in the system as an optional function of the MRI apparatus, and it is also preferable that the imaging process and the measurement step can be executed by the same MRI apparatus. Along with this, the imaging step by the MRI apparatus and the measurement step by the MRI apparatus can be performed almost at the same time. It is preferable that it can be performed almost at the same time, that the burden on the subject such as a patient can be reduced, and that the acquisition of medical image data and the acquisition of biological characteristics can be performed almost at the same time, and accurate biological information can be obtained. In particular, the latter point is an important point of view, considering that the object of photography and measurement is a living body having a property of easily changing in shape, physical properties, etc. over time. In addition, almost simultaneous means a case where at least a part of the time of the photographing process and the time of the measuring process overlap, and the case where both the photographing process and the measuring process can be executed by using the MRI apparatus once. In addition, since MRE measurement can be performed on a living body, it is also preferable in that it is possible to obtain biological characteristics in an organ in which blood pressure is applied in the living body.

(III)作成工程
作成工程は、撮影工程で取得した医用画像データおよび測定工程で取得した生体物性に基づき医用3Dデータを作成する工程である。医用3Dデータは、医用画像データに基づいて作成される複数のボクセルと、ボクセルごとに付与された医用画像データにおける画像濃度を示す画像濃度情報と、ボクセルごとに付与された生体物性を示す生体物性情報と、を含む情報である。言い換えると、医用3Dデータは、ボクセル、画像濃度情報、及び生体物性情報が関連付けられた情報である。
(III) Creation step The creation step is a step of creating medical 3D data based on the medical image data acquired in the imaging process and the biological characteristics acquired in the measurement step. The medical 3D data includes a plurality of voxels created based on the medical image data, image density information indicating the image density in the medical image data assigned to each voxel, and biological properties indicating the biological properties assigned to each voxel. Information and information including. In other words, the medical 3D data is information associated with voxels, image density information, and biological characteristic information.

医用3Dデータを作成する方法について具体的に説明する。
まず、撮影工程で取得した医用画像データから、医用画像撮影装置又は当該医用画像撮影装置と関連する画像処理装置(「医用画像撮影装置等」とも称する)により、3D画像処理に対応する医用3Dデータが作成される。医用3Dデータは、図2に示すような立方体等の最小単位を少なくとも1つ含むボクセルの集合体であり、ボクセルごとに様々な情報を関連付けることができる。次に、医用画像撮影装置等が、ボクセルごとに、撮影工程で取得した医用画像データにおける画像濃度を示す画像濃度情報を関連付ける。更に、医用画像撮影装置等が、ボクセルごとに、測定工程で取得した生体物性を示す生体物性情報を関連付ける。これにより、図3に示すように、ボクセル、画像濃度情報、及び生体物性情報が関連付けられた情報である医用3Dデータを作成できる。医用3Dデータは、画像濃度情報を用い、ボクセル領域分割(セグメンテーション)を行うことができる。ボクセル領域分割とは、画像濃度が近いボクセルを分類してセグメント化(区分化)することを表す。これにより、医用3Dデータに基づき、生体の内部構造の形状認識、構造分割、組織分析、及び3D画像解析等が可能になり、例えば、生体の医用3Dデータから肝臓等の所定の組織の医用3Dデータを取得することができる。本発明では、図4に示すように、医用3Dデータをボクセル領域分割することで取得される部分領域における医用3Dデータを領域別医用3Dデータと称する。なお、領域別医用3Dデータは、医用3Dデータに含まれる一概念であるとする。
The method of creating medical 3D data will be specifically described.
First, from the medical image data acquired in the imaging process, medical 3D data corresponding to 3D image processing by a medical imaging device or an image processing device related to the medical imaging device (also referred to as "medical image capturing device"). Is created. The medical 3D data is a collection of voxels containing at least one minimum unit such as a cube as shown in FIG. 2, and various information can be associated with each voxel. Next, the medical imaging apparatus or the like associates image density information indicating the image density in the medical image data acquired in the imaging step with each voxel. Further, a medical imaging device or the like associates the biological property information indicating the biological property acquired in the measurement step with each voxel. As a result, as shown in FIG. 3, it is possible to create medical 3D data which is information associated with voxels, image density information, and biological characteristic information. For medical 3D data, voxel region segmentation can be performed using image density information. Voxel region division means classifying and segmenting voxels having similar image densities. This enables shape recognition, structural division, tissue analysis, 3D image analysis, and the like of the internal structure of the living body based on the medical 3D data. For example, from the medical 3D data of the living body to the medical 3D of a predetermined tissue such as the liver. You can get the data. In the present invention, as shown in FIG. 4, the medical 3D data in the partial region acquired by dividing the medical 3D data into voxel regions is referred to as region-specific medical 3D data. It should be noted that the area-specific medical 3D data is a concept included in the medical 3D data.

(2)生成工程
本発明の造形方法は、医用3Dデータに基づいて造形用3Dデータを生成する生成工程を有することが好ましい。本開示において「造形用3Dデータ」とは、医用3Dデータに基づいて生成されるデータであって、3Dプリンタに入力されるデータを表す。造形用3Dデータは、1つのデータから構成されてもよいし、複数のデータから構成されてもよい。以下、造形用3Dデータを生成する方法の具体例2つを説明するが、本方法としてはこれらに限定されない。
(2) Generation Step The modeling method of the present invention preferably has a generation step of generating modeling 3D data based on medical 3D data. In the present disclosure, the "modeling 3D data" is data generated based on medical 3D data and represents data input to a 3D printer. The modeling 3D data may be composed of one data or a plurality of data. Hereinafter, two specific examples of a method for generating 3D data for modeling will be described, but the method is not limited to these.

(I)STL形式のデータを含む造形用3Dデータの生成
医用3Dデータに基づいてSTL(Standard Triangulated Language)形式のデータを含む造形用3Dデータを生成する場合について説明する。
この場合、図5に示すように、医用3Dデータをボクセル領域分割して取得された領域別医用3Dデータに対し、サーフェースモデル変換を行うことで領域別医用3Dデータに対応するSTL形式のデータを作成する。なお、STL形式のデータはサーフェイスデータであるため、サーフェースモデル変換を行うことで領域別医用3Dデータのボクセルごとに付与された生体物性情報は失われる。そのため、サーフェースモデル変換とは別に、領域別医用3Dデータから、ボクセルの位置を示す位置情報と、位置情報ごとに付与された生体物性情報と、を含む3D造形用生体物性情報を作成する。なお、位置情報ごとに付与された生体物性情報とは、位置情報の示す位置にあったボクセルに関連付けられていた生体物性情報である。すなわち、本説明でいう造形用3Dデータは、STL形式のデータと3D造形用生体物性情報とを含む。
(I) Generation of 3D data for modeling including data in STL format A case of generating 3D data for modeling including data in STL (Standard Triangled Language) format based on medical 3D data will be described.
In this case, as shown in FIG. 5, the STL format data corresponding to the area-specific medical 3D data by performing surface model transformation on the area-specific medical 3D data acquired by dividing the medical 3D data into voxel areas. To create. Since the data in the STL format is surface data, the biological property information given to each voxel of the medical 3D data for each region is lost by performing the surface model transformation. Therefore, apart from the surface model transformation, 3D modeling biophysical property information including position information indicating the voxel position and biophysical property information given for each position information is created from the area-specific medical 3D data. The biological property information given for each position information is the biological property information associated with the voxel at the position indicated by the position information. That is, the modeling 3D data referred to in this description includes STL format data and 3D modeling biological property information.

(II)FAV形式のデータを含む造形用3Dデータの生成
医用3Dデータに基づいてFAV(FAbricatable Voxel)形式のデータを含む造形用3Dデータを生成する場合について説明する。
この場合、図6に示すように、医用3Dデータをボクセル領域分割して取得された領域別医用3Dデータに対し、FAVフォーマット変換を行うことで領域別医用3Dデータに対応するFAV形式のデータを作成する。なお、FAV形式のデータは、STL形式のデータのようにサーフェイスデータではなく、ボクセルデータとして定義されている。これにより、画像濃度情報や生体物性情報等が付与されたボクセルデータである医用3Dデータを、画像濃度情報や生体物性情報等が付与されたままFAV形式のデータに変換することができる。すなわち、STL形式のデータに変換したときのように、別途、生体物性情報等の必要情報に関するデータ処理を行う工程を省ける点で好ましい。
(II) Generation of modeling 3D data including FAV format data A case of generating modeling 3D data including FAV (FAbricatable Voxel) format data based on medical 3D data will be described.
In this case, as shown in FIG. 6, the FAV format data corresponding to the area-specific medical 3D data is obtained by performing FAV format conversion on the area-specific medical 3D data acquired by dividing the medical 3D data into voxel areas. create. The FAV format data is defined as voxel data, not surface data like STL format data. As a result, medical 3D data, which is voxel data to which image density information, biological property information, and the like are attached, can be converted into FAV format data with image density information, biological characteristic information, and the like attached. That is, it is preferable in that it is possible to omit a step of separately processing data related to necessary information such as biological property information, such as when the data is converted into STL format data.

(3)造形工程
本発明の造形方法は、生体の医用3Dデータに基づき、3Dプリンタを用いて立体造形物を造形する造形工程を有する。また、上記の通り、本開示において「生体の医用3Dデータに基づき、3Dプリンタを用いて立体造形物を造形する」とは、医用3Dデータを3Dプリンタに入力して立体造形物を造形するような直接的に医用3Dデータを用いる場合に限定されず、医用3Dデータに基づいて生成された造形用3Dデータなどを3Dプリンタに入力して立体造形物を造形するような間接的に医用3Dデータを用いる場合も表す。以下、医用3Dデータに基づいて生成された造形用3Dデータを3Dプリンタに入力して立体造形物を造形する場合を一例に造形工程について説明する。
(3) Modeling Process The modeling method of the present invention includes a modeling process for modeling a three-dimensional model using a 3D printer based on medical 3D data of a living body. Further, as described above, in the present disclosure, "to model a three-dimensional model using a 3D printer based on the medical 3D data of a living body" means that the medical 3D data is input to the 3D printer to model the three-dimensional model. Not limited to the case of directly using medical 3D data, but indirectly medical 3D data such as inputting 3D data for modeling generated based on 3D medical data into a 3D printer to form a three-dimensional model. Is also used. Hereinafter, the modeling process will be described by taking as an example a case where 3D data for modeling generated based on medical 3D data is input to a 3D printer to model a three-dimensional model.

まず、上記のSTL形式のデータを含む造形用3Dデータが3Dプリンタに入力される場合について説明する。この場合、造形用3Dデータは、STL形式のデータと3D造形用生体物性情報とを含む。これらデータは同時に入力されてもよいし、別々に入力されてもよい。
3Dプリンタは、入力されたSTL形式のデータを印刷用2D画像データセットに変換する。印刷用2D画像データセットとは、複数の印刷用2D画像データを含むデータセットであり、印刷用2D画像データとは、Z軸方向における3Dプリンタの解像度に合わせてSTL形式のデータをスライスすることで得られる二次元のスライスデータである。次に、3Dプリンタは、入力された3D造形用生体物性情報に基づき、印刷用2D画像データの各領域における強度物性を示す強度物性情報を付与する。この印刷用2D画像データ及び印刷用2D画像データの各領域における強度物性情報に基づき、3Dプリンタで複数種類の造形用組成物をそれぞれ所定の領域に所定の吐出量で吐出し硬化する工程を繰り返すことにより、生体物性の分布に対応する強度物性の分布を有する立体造形物を造形することができる。ここで、本開示において「強度物性」とは、3Dプリンタにより造形される立体造形物の物性を表し、具体的には、生体物性に対応する物性であるため粘弾性を表す。
First, a case where 3D modeling data including the above STL format data is input to a 3D printer will be described. In this case, the modeling 3D data includes STL format data and 3D modeling biological property information. These data may be input at the same time or may be input separately.
The 3D printer converts the input STL format data into a 2D image data set for printing. The 2D image data set for printing is a data set including a plurality of 2D image data for printing, and the 2D image data for printing is to slice the data in STL format according to the resolution of the 3D printer in the Z-axis direction. It is the two-dimensional slice data obtained in. Next, the 3D printer adds strength physical property information indicating the strength physical property in each region of the printing 2D image data based on the input 3D modeling biological property information. Based on the strength physical property information in each region of the 2D image data for printing and the 2D image data for printing, the process of ejecting and curing a plurality of types of modeling compositions into a predetermined region with a predetermined discharge amount is repeated with a 3D printer. Thereby, it is possible to form a three-dimensional model having a distribution of strength physical characteristics corresponding to the distribution of biological characteristics. Here, in the present disclosure, the "strength physical property" represents the physical property of a three-dimensional model formed by a 3D printer, and specifically, it represents viscoelasticity because it is a physical property corresponding to the biological physical property.

次に、上記のFAV形式のデータを含む造形用3Dデータが3Dプリンタに入力される場合について説明する。
3Dプリンタは、入力されたFAV形式のデータを、上記同様のスライスデータである印刷用2D画像データセットに変換する。但し、印刷用2D画像データセットに含まれる各印刷用2D画像データは、FAV形式のデータに含まれる生体物性情報に基づき、各領域における強度物性を示す強度物性情報が付与されている。この印刷用2D画像データ及び印刷用2D画像データの各領域における強度物性情報に基づき、3Dプリンタで複数種類の造形用組成物をそれぞれ所定の領域に所定の吐出量で吐出し硬化する工程を繰り返すことにより、生体物性の分布に対応する強度物性の分布を有する立体造形物を造形することができる。
Next, a case where 3D modeling data including the above FAV format data is input to the 3D printer will be described.
The 3D printer converts the input FAV format data into a 2D image data set for printing, which is the same slice data as described above. However, each print 2D image data included in the print 2D image data set is provided with strength physical property information indicating strength physical properties in each region based on the biological physical property information included in the FAV format data. Based on the strength physical property information in each region of the 2D image data for printing and the 2D image data for printing, the process of ejecting and curing a plurality of types of modeling compositions into a predetermined region with a predetermined discharge amount is repeated with a 3D printer. Thereby, it is possible to form a three-dimensional model having a distribution of strength physical characteristics corresponding to the distribution of biological characteristics.

造形工程において使用される3Dプリンタとしては、例えば、複数種類の造形用組成物をそれぞれ所定の領域に所定の吐出量で吐出することにより、造形される立体造形物の強度物性を部位ごとに制御できるプリンタが挙げられる。具体的には、インクジェットヘッドで造形用組成物を吐出するマテリアルジェッティング方式(MJ方式)の3Dプリンタが挙げられる。 As a 3D printer used in the modeling process, for example, by ejecting a plurality of types of modeling compositions into a predetermined area at a predetermined discharge amount, the strength and physical properties of the three-dimensional model to be modeled are controlled for each part. There are printers that can do it. Specific examples thereof include a material jetting method (MJ method) 3D printer that ejects a modeling composition with an inkjet head.

上記のように、3Dプリンタを用いて強度物性を生体物性と対応させる方法としては、強度物性を階調により表現できる3Dプリンタを用いる方法が挙げられる。そこで、本方法の一例を説明する。
まず、高い強度物性を有する立体造形物を造形可能な高強度造形用組成物と、低い強度物性を有する立体造形物を造形可能な低強度造形用組成物と、を準備する。これら造形用組成物は、少なくともそれぞれ1種類用いるが、それぞれ複数種類用いてもよい。このとき、高強度造形用組成物により造形される立体造形物の強度物性は生体中における生体物性の最大値以上であることが好ましく、低強度造形用組成物により造形される立体造形物の強度物性は生体中における生体物性の最小値以下であることが好ましい。
次に、立体造形物の強度物性を、あるグリッド領域を埋めるために配置する造形用組成物のパターンにより制御する。例えば、図7に示すように、7階調の強度物性による表現が必要な場合、6区画を最小単位としたグリッドを高強度造形用組成物及び低強度造形用組成物で埋める組み合わせパターンにより、7階調の強度表現が可能になる。単位グリッドの区画数を増やすことで様々な階調表現が可能になる。これはXY平面で配置することにより平面方向、Z方向で配置することにより、縦方向の強度分布を設定することができ、これにより生体物性の分布に対応する強度物性の分布を有する立体造形物を造形することができる。すなわち、本開示において「生体物性の分布に対応する強度物性の分布」とは、分布内における強度物性が対応する位置における生体物性と同一である場合に限定されず、階調表現により実現される強度物性が対応する位置における生体物性と近似する場合も含まれる。近似する場合としては、例えば、強度物性(後述するモデル物性と同義)の生体物性に対する差異が5%以内である場合などが挙げられる。また、本開示において「階調」とは、上記の通り、複数種類の造形用組成物がそれぞれ配置されることで形成される配置パターンであって、配置パターンごとに硬化物における強度物性が異なるものを表す。
なお、本方法は、ボクセルとして表現可能なため、FAVなどのボクセルフォーマットと対応させると効率がよい。また、単位区画を埋める造形用組成物の液滴数は任意の構成でよい。
また、3Dプリンタで表現できる階調における強度物性を、事前にMRE測定などで把握しておくことで、より正確に、生体物性の分布に対応する強度物性の分布を有する立体造形物を造形することができる。
As described above, as a method of associating the strong physical characteristics with the biological physical properties by using a 3D printer, there is a method of using a 3D printer that can express the strong physical properties by gradation. Therefore, an example of this method will be described.
First, a high-strength modeling composition capable of modeling a three-dimensional model having high-strength physical characteristics and a low-strength modeling composition capable of modeling a three-dimensional model having low-strength physical properties are prepared. At least one type of each of these modeling compositions is used, but a plurality of types may be used for each. At this time, the strength of the three-dimensional model formed by the high-strength modeling composition is preferably equal to or higher than the maximum value of the biological property in the living body, and the strength of the three-dimensional model formed by the low-strength modeling composition. The physical properties are preferably not less than the minimum value of the biological properties in the living body.
Next, the strength and physical characteristics of the three-dimensional model are controlled by the pattern of the modeling composition arranged to fill a certain grid area. For example, as shown in FIG. 7, when it is necessary to express by the strength physical characteristics of 7 gradations, a combination pattern in which a grid with 6 sections as the minimum unit is filled with a high-strength modeling composition and a low-strength modeling composition is used. It is possible to express the intensity of 7 gradations. By increasing the number of sections of the unit grid, various gradation expressions become possible. By arranging it in the XY plane, it is possible to set the intensity distribution in the plane direction, and by arranging it in the Z direction, it is possible to set the intensity distribution in the vertical direction. Can be modeled. That is, in the present disclosure, the "distribution of the strength physical characteristics corresponding to the distribution of the biological characteristics" is not limited to the case where the strength physical characteristics in the distribution are the same as the biological properties at the corresponding positions, and is realized by the gradation expression. It also includes cases where the strength physical characteristics are close to the biological characteristics at the corresponding positions. Examples of the case of approximation include a case where the difference between the strength physical characteristics (synonymous with the model physical properties described later) with respect to the biological physical properties is within 5%. Further, in the present disclosure, the "gradation" is an arrangement pattern formed by arranging a plurality of types of modeling compositions, respectively, as described above, and the strength and physical characteristics of the cured product differ depending on the arrangement pattern. Represents a thing.
Since this method can be expressed as a voxel, it is efficient if it corresponds to a voxel format such as FAV. Further, the number of droplets of the modeling composition that fills the unit compartment may be any configuration.
In addition, by grasping the intensity physical properties at gradations that can be expressed by a 3D printer in advance by MRE measurement or the like, it is possible to more accurately model a three-dimensional model having a distribution of intensity physical properties corresponding to the distribution of biological properties. be able to.

(4)評価工程
本発明の造形方法は、造形された立体造形物の精度を評価する評価工程を有してもよい。評価工程は、取得工程(具体的には、取得工程中の測定工程)において生体をMRE測定することにより取得される生体物性を示す生体物性情報と、造形工程において造形された立体造形物(モデル)をMRE測定することにより取得されるモデル物性を示すモデル物性情報と、に基づき、造形された立体造形物の精度を評価する工程である。なお、本工程は、人が実行してもよいし、パソコン等の情報処理装置が実行してもよい。
(4) Evaluation Step The modeling method of the present invention may include an evaluation step for evaluating the accuracy of the modeled three-dimensional model. The evaluation process consists of biological property information indicating the biological characteristics acquired by measuring the living body by MRE in the acquisition process (specifically, the measurement step during the acquisition process) and the three-dimensional model (model) formed in the modeling process. ) Is a step of evaluating the accuracy of the modeled three-dimensional model based on the model physical property information indicating the model physical properties acquired by measuring MRE. This step may be executed by a person or by an information processing device such as a personal computer.

まず、生体物性情報およびモデル物性情報に基づき造形された立体造形物の精度を評価する方法について説明する。
立体造形物の精度を評価する方法としては、例えば、生体物性の分布およびモデル物性の分布がほぼ同一の分布を示しているかを判断することで精度を評価する方法、生体および立体造形物の対応する部位においてほぼ同一の生体物性およびモデル物性を有しているかを判断することで精度を評価する方法などが挙げられる。
First, a method of evaluating the accuracy of a three-dimensional model formed based on biological physical property information and model physical property information will be described.
As a method for evaluating the accuracy of a three-dimensional model, for example, a method for evaluating the accuracy by determining whether the distribution of biological properties and the distribution of model physical properties show almost the same distribution, correspondence between living organisms and three-dimensional models. Examples thereof include a method of evaluating accuracy by determining whether or not the site has substantially the same biological and model physical characteristics.

生体および立体造形物の対応する部位とは、例えば、生体および立体造形物に対して同じ基準で座標を割り当てた場合においてほぼ同一の座標となる生体中の部位および立体造形物中の部位、生体中の特定構造を有する部位(腫瘍部等)および生体中の当該特定構造を有する部位を模した立体造形物中の部位(腫瘍部を模した部位等)などが挙げられる。
生体および立体造形物の対応する部位においてほぼ同一の生体物性およびモデル物性を有しているかを判断する基準の一例としては、当該対応する部位においてモデル物性の生体物性に対する差異が5%以内であることが挙げられる。なお、差異に関しては、5%以内に限られず、求められる精度の程度により適宜選択でき、例えば、50%以内、40%以内、30%以内、20%以内、10%以内などであってもよいが、高精度であることを評価できる観点から差異が小さいことが好ましい。
The corresponding parts of the living body and the three-dimensional model are, for example, the parts in the living body, the parts in the three-dimensional model, and the living body that have almost the same coordinates when the coordinates are assigned to the living body and the three-dimensional model by the same standard. Examples thereof include a site having a specific structure inside (a tumor portion, etc.) and a site in a three-dimensional model imitating a site having the specific structure in a living body (a site imitating a tumor portion, etc.).
As an example of a criterion for determining whether or not the corresponding parts of the living body and the three-dimensional model have substantially the same biological characteristics and model physical characteristics, the difference between the model physical characteristics and the biological physical properties at the corresponding parts is within 5%. Can be mentioned. The difference is not limited to 5% or less, and can be appropriately selected depending on the degree of accuracy required. For example, the difference may be 50% or less, 40% or less, 30% or less, 20% or less, 10% or less. However, it is preferable that the difference is small from the viewpoint that high accuracy can be evaluated.

なお、上記のように、生体およびモデルの対応する部位における生体物性情報およびモデル物性情報を比較するためには、生体物性が測定された生体中の位置を示す情報およびモデル物性が測定された立体造形物中の位置を示す情報もあることが好ましい。そのため、立体造形物の精度を評価する場合、ボクセル、画像濃度情報、及び生体物性情報が関連付けられた情報である医用3Dデータと、ボクセル、画像濃度情報、及びモデル物性情報が関連付けられた情報であるモデル3Dデータと、を用い、これらデータにそれぞれ含まれる生体物性情報およびモデル物性情報を比較することが好ましい。ボクセルが上記の位置を示す情報に相当するためである。なお、モデル3Dデータは、医用3Dデータと同様にして取得されるデータであって、少なくとも、立体造形物を医用画像撮影装置により撮影することにより取得されるモデル画像データと、立体造形物をMRE測定することにより取得されるモデル物性と、に基づき作成されるデータを表す。 In addition, as described above, in order to compare the biological property information and the model physical property information at the corresponding parts of the living body and the model, the information indicating the position in the living body where the biological physical characteristics were measured and the three-dimensional model in which the model physical characteristics were measured were measured. It is also preferable that there is information indicating the position in the modeled object. Therefore, when evaluating the accuracy of a three-dimensional model, medical 3D data, which is information associated with boxel, image density information, and biological property information, and information associated with boxel, image density information, and model physical property information are used. It is preferable to use a certain model 3D data and compare the biological property information and the model physical property information contained in each of these data. This is because the voxel corresponds to the information indicating the above position. The model 3D data is data acquired in the same manner as the medical 3D data, and at least the model image data acquired by photographing the three-dimensional model with a medical imaging device and the three-dimensional model are MRE. It represents the model physical properties acquired by measurement and the data created based on it.

なお、本評価工程は、立体造形物をMRE測定することにより取得されるモデル物性を用いる。これは、立体造形物を構成する材料の主成分の一つとして、水素原子核を信号源とするMRE測定に適している水が含まれていることが好ましいことを表す。すなわち、立体造形物を構成する材料として、後述するようなハイドロゲルが含有されていることが好ましい。 In this evaluation step, the model physical properties obtained by measuring the MRE of the three-dimensional model are used. This indicates that it is preferable that water suitable for MRE measurement using a hydrogen nucleus as a signal source is contained as one of the main components of the material constituting the three-dimensional model. That is, it is preferable that hydrogel as described later is contained as a material constituting the three-dimensional model.

2.造形用組成物
造形工程において用いられる造形用組成物について説明する。造形用組成物としては、3Dプリンタで用いることができ、生体物性の分布に対応する強度物性の分布を有する立体造形物を造形することができる組成物であればよく、例えば、エラストマーおよびゲル等を造形するための前駆体としての組成物が挙げられる。これらの中でも、構成する材料の主成分の一つとして、生体と同様に水を含むハイドロゲルを造形するための前駆体としての組成物(「ハイドロゲル立体造形用組成物」と称する)が好ましい。以下、造形用組成物の一例としてハイドロゲル立体造形用組成物について説明する。
2. 2. Modeling Composition The modeling composition used in the modeling process will be described. The modeling composition may be any composition that can be used in a 3D printer and can form a three-dimensional model having a distribution of strength physical characteristics corresponding to the distribution of biological characteristics, for example, an elastomer and a gel. Examples thereof include a composition as a precursor for modeling. Among these, as one of the main components of the constituent materials, a composition as a precursor for forming a hydrogel containing water as in the case of a living body (referred to as "hydrogel three-dimensional modeling composition") is preferable. .. Hereinafter, the hydrogel three-dimensional modeling composition will be described as an example of the modeling composition.

ハイドロゲル立体造形用組成物は、水、重合性化合物を含有し、必要に応じて、鉱物、有機溶剤、その他成分を含有してもよい。
本開示において「ハイドロゲル立体造形用組成物」とは、光などの活性エネルギー線又は熱を照射されることで硬化してハイドロゲルを形成する液体組成物であって、特にハイドロゲルからなる立体造形物を造形するために用いられる液体組成物を意味する。また、本開示において「ハイドロゲル」とは、ポリマーを含む三次元網目構造の中に水が包含されている構造体を表し、かかる三次元網目構造が、ポリマーと鉱物とが複合化して形成される三次元網目構造である場合、特に「有機無機複合ハイドロゲル」という。なお、ハイドロゲルは水を主成分として含み、具体的には、水の含有量がハイドロゲルの全量に対して30.0質量%以上であることが好ましく、40.0質量%以上であることがより好ましく、50.0質量%以上であることが更に好ましい。
The hydrogel three-dimensional modeling composition contains water, a polymerizable compound, and may contain minerals, an organic solvent, and other components, if necessary.
In the present disclosure, the "hydrogel three-dimensional modeling composition" is a liquid composition that is cured by being irradiated with active energy rays such as light or heat to form a hydrogel, and is particularly a three-dimensional composition made of hydrogel. It means a liquid composition used for modeling a modeled object. Further, in the present disclosure, the "hydrogel" represents a structure in which water is contained in a three-dimensional network structure containing a polymer, and the three-dimensional network structure is formed by a composite of a polymer and a mineral. In the case of a three-dimensional network structure, it is particularly called "organic-inorganic composite hydrogel". The hydrogel contains water as a main component, and specifically, the water content is preferably 30.0% by mass or more with respect to the total amount of the hydrogel, and is 40.0% by mass or more. Is more preferable, and 50.0% by mass or more is further preferable.

(1)水
ハイドロゲル立体造形用組成物は水を含む。水としては、一般的に溶媒として用い得るものであれば特に限定されず、例えば、イオン交換水、限外濾過水、逆浸透水、及び蒸留水等の純水、並びに超純水などを用いることができる。
水の含有量は、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、ハイドロゲル立体造形用組成物を臓器モデルの造形に用いる場合、ハイドロゲル立体造形用組成物の全量に対して30.0質量%以上90.0質量%以下であることが好ましく、40.0質量%以上90.0質量%以下であることがより好ましい。
なお、水には、保湿性付与、抗菌性付与、導電性付与、硬度調整などの目的に応じて有機溶媒等のその他の成分を溶解又は分散させてもよい。
(1) Water The hydrogel three-dimensional modeling composition contains water. The water is not particularly limited as long as it can be generally used as a solvent, and for example, pure water such as ion-exchanged water, ultra-filtered water, reverse osmosis water, distilled water, and ultrapure water are used. be able to.
The water content can be appropriately selected depending on the intended purpose. For example, when the hydrogel three-dimensional modeling composition is used for modeling an organ model, 30. It is preferably 0% by mass or more and 90.0% by mass or less, and more preferably 40.0% by mass or more and 90.0% by mass or less.
In addition, other components such as an organic solvent may be dissolved or dispersed in water depending on the purpose of imparting moisturizing property, antibacterial property, conductivity, hardness adjustment and the like.

(2)重合性化合物
ハイドロゲル立体造形用組成物は重合性の官能基を有する化合物である重合性化合物を含む。重合性化合物としては、モノマー、オリゴマー等が挙げられる。重合性化合物は、活性エネルギー線又は熱を照射されることで重合してポリマーの少なくとも一部を形成する。すなわち、ポリマーは、重合性化合物に由来する構造単位を有する。また、ポリマーは、鉱物と架橋して複合化し、ハイドロゲル中で三次元網目構造を形成することが好ましい。ここで、重合性化合物は、水溶性であることが好ましい。水溶性とは、例えば、30℃の水100g及びモノマー1gを混合して撹拌したとき、モノマーの90質量%以上が溶解することを表す。
(2) Polymerizable compound The composition for hydrogel three-dimensional modeling contains a polymerizable compound which is a compound having a polymerizable functional group. Examples of the polymerizable compound include monomers and oligomers. The polymerizable compound polymerizes by being irradiated with active energy rays or heat to form at least a part of the polymer. That is, the polymer has structural units derived from the polymerizable compound. Further, it is preferable that the polymer is crosslinked with a mineral and compounded to form a three-dimensional network structure in a hydrogel. Here, the polymerizable compound is preferably water-soluble. The term "water-soluble" means that, for example, when 100 g of water at 30 ° C. and 1 g of a monomer are mixed and stirred, 90% by mass or more of the monomer is dissolved.

重合性化合物は、重合性の官能基を有する化合物であれば特に制限はないが、光重合性の官能基を有する化合物であることが好ましい。本開示において「重合性官能基」とは、活性エネルギー線の照射や熱の付加により重合反応を起こす官能基を意味し、「光重合性官能基」は特に活性エネルギー線の照射により重合反応を起こす官能基を意味する。光重合性官能基としては、これに限定するものではないが、例えば(メタ)アクリロイル基、ビニル基、アリル基等のエチレン性不飽和結合を有する基、エポキシ基などの環状エーテル基が挙げられる。エチレン性不飽和結合を有する基を含む化合物の具体例としては、例えば、(メタ)アクリルアミド基を有する化合物、(メタ)アクリレート化合物、(メタ)アクリロイル基を有する化合物、ビニル基を有する化合物、アリル基を有する化合物などが挙げられる。 The polymerizable compound is not particularly limited as long as it is a compound having a polymerizable functional group, but is preferably a compound having a photopolymerizable functional group. In the present disclosure, the "polymerizable functional group" means a functional group that causes a polymerization reaction by irradiation with active energy rays or the addition of heat, and the "photopolymerizable functional group" means a polymerization reaction particularly by irradiation with active energy rays. It means a functional group that causes. Examples of the photopolymerizable functional group include, but are not limited to, a (meth) acryloyl group, a group having an ethylenically unsaturated bond such as a vinyl group and an allyl group, and a cyclic ether group such as an epoxy group. .. Specific examples of the compound containing a group having an ethylenically unsaturated bond include, for example, a compound having a (meth) acrylamide group, a (meth) acrylate compound, a compound having a (meth) acryloyl group, a compound having a vinyl group, and an allyl. Examples include compounds having a group.

(I)モノマー
重合性化合物として用い得るモノマーは、好ましくは不飽和炭素-炭素結合などの重合性官能基を1つ以上有する化合物であり、例えば、単官能モノマー、多官能モノマーなどが挙げられる。更に、多官能モノマーとしては、二官能モノマー、三官能以上のモノマーなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
(I) Monomer The monomer that can be used as the polymerizable compound is preferably a compound having one or more polymerizable functional groups such as an unsaturated carbon-carbon bond, and examples thereof include monofunctional monomers and polyfunctional monomers. Further, examples of the polyfunctional monomer include a bifunctional monomer and a trifunctional or higher functional monomer. These may be used alone or in combination of two or more.

(A)単官能モノマー
単官能モノマーとしては、例えば、アクリルアミド、N-置換アクリルアミド誘導体、N,N-ジ置換アクリルアミド誘導体、N-置換メタクリルアミド誘導体、N,N-ジ置換メタクリルアミド誘導体、アクリル酸、2-エチルヘキシル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、カプロラクトン変性テトラヒドロフルフリル(メタ)アクリレート、3-メトキシブチル(メタ)アクリレート、テトラヒドロフルフリル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート、2-フェノキシエチル(メタ)アクリレート、イソデシル(メタ)アクリレート、イソオクチル(メタ)アクリレート、トリデシル(メタ)アクリレート、カプロラクトン(メタ)アクリレート、エトキシ化ノニルフェノール(メタ)アクリレートなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、アクリルアミド、N,N-ジメチルアクリルアミド、N-イソプロピルアクリルアミド、アクリロイルモルホリン、ヒドロキシエチルアクリルアミド、イソボルニル(メタ)アクリレートなどが好ましい。
(A) Monofunctional monomer Examples of the monofunctional monomer include acrylamide, N-substituted acrylamide derivative, N, N-di-substituted acrylamide derivative, N-substituted methacrylicamide derivative, N, N-di-substituted methacrylicamide derivative, and acrylic acid. , 2-Ethylhexyl (meth) acrylate, 2-hydroxyethyl (meth) acrylate, 2-hydroxypropyl (meth) acrylate, caprolactone-modified tetrahydrofurfuryl (meth) acrylate, 3-methoxybutyl (meth) acrylate, tetrahydrofurfuryl ( Meta) acrylate, lauryl (meth) acrylate, 2-phenoxyethyl (meth) acrylate, isodecyl (meth) acrylate, isooctyl (meth) acrylate, tridecyl (meth) acrylate, caprolactone (meth) acrylate, ethoxylated nonylphenol (meth) acrylate And so on. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, acrylamide, N, N-dimethylacrylamide, N-isopropylacrylamide, acryloylmorpholine, hydroxyethylacrylamide, isobornyl (meth) acrylate and the like are preferable.

単官能モノマーの含有量としては、ハイドロゲル立体造形用組成物の全量に対して、0.5質量%以上30.0質量%以下が好ましい。 The content of the monofunctional monomer is preferably 0.5% by mass or more and 30.0% by mass or less with respect to the total amount of the hydrogel three-dimensional modeling composition.

(B)二官能モノマー
二官能モノマーとしては、例えば、トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、テトラエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールヒドロキシピバリン酸エステルジ(メタ)アクリレート、ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールエステルジ(メタ)アクリレート、1,3-ブタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,4-ブタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,6-ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、1,9-ノナンジオールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、カプロラクトン変性ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールエステルジ(メタ)アクリレート、プロポキシ化オペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、エトキシ変性ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコール200ジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコール400ジ(メタ)アクリレートなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
(B) Bifunctional Monomer Examples of the bifunctional monomer include tripropylene glycol di (meth) acrylate, triethylene glycol di (meth) acrylate, tetraethylene glycol di (meth) acrylate, polypropylene glycol di (meth) acrylate, and neo. Pentyl Glycol Hydroxypivalic Acid Ester Di (Meta) Acrylic, Hydroxy Pivalic Acid Neopentyl Glycol Ester Di (Meta) Acrylic, 1,3-Butanediol Di (Meta) Acrylic, 1,4-Butanediol Di (Meta) Aacrylate, 1, 6-Hexanediol di (meth) acrylate, 1,9-nonanediol di (meth) acrylate, diethylene glycol di (meth) acrylate, neopentyl glycol di (meth) acrylate, tripropylene glycol di (meth) acrylate, caprolactone-modified hydroxy Neopentyl glycol ester di (meth) acrylate, propoxylated opentyl glycol di (meth) acrylate, ethoxy-modified bisphenol A di (meth) acrylate, polyethylene glycol 200 di (meth) acrylate, polyethylene glycol 400 di (meth) acrylate And so on. These may be used alone or in combination of two or more.

(C)三官能以上のモノマー
三官能以上のモノマーとしては、例えば、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート、トリアリルイソシアヌレート、ε-カプロラクトン変性ジペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ε-カプロラクトン変性ジペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ε-カプロラクトン変性ジペンタエリスリトールペンタ(メタ)アクリレート、ε-カプロラクトン変性ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート、トリス(2-ヒドロキシエチル)イソシアヌレートトリ(メタ)アクリレート、エトキシ化トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート,プロポキシ化トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート,プロポキシ化グリセリルトリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールヒドロキシペンタ(メタ)アクリレート、エトキシ化ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ペンタ(メタ)アクリレートエステルなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
(C) Trifunctional or higher monomer Examples of the trifunctional or higher monomer include trimethylolpropanetri (meth) acrylate, pentaerythritol tri (meth) acrylate, dipentaerythritol hexa (meth) acrylate, triallyl isocyanurate, and ε. -Caprolactone-modified dipentaerythritol tri (meth) acrylate, ε-caprolactone-modified dipentaerythritol tetra (meth) acrylate, ε-caprolactone-modified dipentaerythritol penta (meth) acrylate, ε-caprolactone-modified dipentaerythritol hexa (meth) acrylate , Tris (2-hydroxyethyl) isocyanurate tri (meth) acrylate, ethoxylated trimethylol propantri (meth) acrylate, propoxylated trimethylol propantri (meth) acrylate, propoxylated glyceryl tri (meth) acrylate, pentaerythritol tetra. Examples thereof include (meth) acrylate, ditrimethylolpropane tetra (meth) acrylate, dipentaerythritol hydroxypenta (meth) acrylate, ethoxylated pentaerythritol tetra (meth) acrylate, and penta (meth) acrylate ester. These may be used alone or in combination of two or more.

多官能モノマーの含有量としては、ハイドロゲル立体造形用組成物の全量に対して、0.01質量%以上10.0質量%以下が好ましい。 The content of the polyfunctional monomer is preferably 0.01% by mass or more and 10.0% by mass or less with respect to the total amount of the hydrogel three-dimensional modeling composition.

(II)オリゴマー
オリゴマーは、上記単官能モノマーの低重合体や末端に反応性不飽和結合基を有する低重合体である。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
(II) Oligomer The oligomer is a low polymer of the monofunctional monomer or a low polymer having a reactive unsaturated bond group at the terminal. These may be used alone or in combination of two or more.

(3)鉱物
ハイドロゲル立体造形用組成物は鉱物を含むことが好ましい。鉱物は、上記重合性化合物から形成されるポリマーと結合することが可能な鉱物であれば特に限定されず、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、層状粘土鉱物、特に水膨潤性層状粘土鉱物などが挙げられる。
水膨潤性層状粘土鉱物について図8を用いて説明する。図8は、鉱物としての水膨潤性層状粘土鉱物、及び水膨潤性層状粘土鉱物を水中で分散させた状態の一例を示す模式図である。図8の上図に示すように、水膨潤性層状粘土鉱物は、単一層の状態で存在しており、単位格子を結晶内に持つ二次元円盤状の結晶が積み重なった状態を呈している。そして、図8の上図の水膨潤性層状粘土鉱物を水中で分散させると、図8の下図に示すように、各単一層が分離して、複数の二次元円盤状の結晶となる。
なお、水膨潤性とは、図8に示すように層状粘土鉱物の各単一層の間に水分子が挿入され、水中に分散される性質を意味する。また、水膨潤性層状粘土鉱物の単一層の形状は円盤状に限定されず、他の形状であってもよい。
(3) Minerals The hydrogel three-dimensional modeling composition preferably contains minerals. The mineral is not particularly limited as long as it is a mineral capable of binding to a polymer formed from the above polymerizable compound, and can be appropriately selected depending on the intended purpose. For example, a layered clay mineral, particularly a water-swellable layered mineral. Examples include clay minerals.
The water-swellable layered clay mineral will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of a state in which a water-swellable layered clay mineral as a mineral and a water-swellable layered clay mineral are dispersed in water. As shown in the upper figure of FIG. 8, the water-swellable layered clay mineral exists in a single layer state, and exhibits a state in which two-dimensional disk-shaped crystals having a unit cell in the crystal are stacked. Then, when the water-swellable layered clay mineral in the upper part of FIG. 8 is dispersed in water, each single layer is separated into a plurality of two-dimensional disk-shaped crystals as shown in the lower part of FIG.
As shown in FIG. 8, the water swelling property means that water molecules are inserted between each single layer of the layered clay mineral and dispersed in water. Further, the shape of the single layer of the water-swellable layered clay mineral is not limited to the disk shape, and may be another shape.

水膨潤性層状粘土鉱物としては、例えば、水膨潤性スメクタイト、水膨潤性雲母などが挙げられる。より具体的には、ナトリウムを層間イオンとして含む水膨潤性ヘクトライト、水膨潤性モンモリナイト、水膨潤性サポナイト、水膨潤性合成雲母などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、高弾性のハイドロゲルが得られる点から、水膨潤性ヘクトライトが好ましい。
水膨潤性ヘクトライトは、適宜合成したものであってもよいし、市販品であってもよい。市販品としては、例えば、合成ヘクトライト(ラポナイトXLG、RockWood社製)、SWN(Coop Chemical Ltd.製)、フッ素化ヘクトライトSWF(Coop Chemical Ltd.製)などが挙げられる。これらの中でも、ハイドロゲルの弾性率を向上させる点から、合成ヘクトライトが好ましい。
Examples of the water-swellable layered clay mineral include water-swellable smectite and water-swellable mica. More specifically, water-swellable hectorite containing sodium as an interlayer ion, water-swellable montmorillonite, water-swellable saponite, water-swellable synthetic mica and the like can be mentioned. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, water-swellable hectorite is preferable because a highly elastic hydrogel can be obtained.
The water-swellable hectorite may be appropriately synthesized or may be a commercially available product. Examples of commercially available products include synthetic hectorite (Raponite XLG, manufactured by RockWood), SWN (manufactured by Coop Chemical Ltd.), and fluorinated hectorite SWF (manufactured by Coop Chemical Ltd.). Among these, synthetic hectorite is preferable from the viewpoint of improving the elastic modulus of the hydrogel.

鉱物の含有量としては、ハイドロゲル立体造形用組成物の全量に対して、1.0質量%以上40.0質量%以下が好ましい。 The mineral content is preferably 1.0% by mass or more and 40.0% by mass or less with respect to the total amount of the hydrogel three-dimensional modeling composition.

(4)有機溶媒
ハイドロゲル立体造形用組成物は必要に応じて有機溶剤を含んでもよい。有機溶媒は、例えば、ハイドロゲルの保湿性を高めること等を目的として含有される。
有機溶媒としては、例えば、炭素数1~4のアルキルアルコール類、アミド類、ケトン類、ケトンアルコール類、エーテル類、多価アルコール類、ポリアルキレングリコール類、多価アルコールの低級アルコールエーテル類、アルカノールアミン類、N-メチル-2-ピロリドンなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
これらの中でも、保湿性の点から、多価アルコールが好ましく、具体的にはエチレングリコール、プロピレングリコール、1,2-プロパンジオール、1,2-ブタンジオール、1,3-ブタンジオール、1,4-ブタンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、1,2,6-ヘキサントリオール、チオグリコール、ヘキシレングリコール、グリセリン等の多価アルコール類が良好に使用される。
有機溶媒の含有量としては、ハイドロゲル立体造形用組成物の全量に対して、10.0質量%以上50.0質量%以下が好ましい。10.0質量%以上であることでハイドロゲル立体造形用組成物の乾燥を抑制でき、50.0質量%以下であることでハイドロゲル立体造形用組成物中における鉱物の分散性を向上できる。
(4) Organic solvent The hydrogel three-dimensional modeling composition may contain an organic solvent, if necessary. The organic solvent is contained, for example, for the purpose of enhancing the moisturizing property of the hydrogel.
Examples of the organic solvent include alkyl alcohols having 1 to 4 carbon atoms, amides, ketones, ketone alcohols, ethers, polyhydric alcohols, polyalkylene glycols, lower alcohol ethers of polyhydric alcohols, and alkanols. Examples thereof include amines and N-methyl-2-pyrrolidone. These may be used alone or in combination of two or more.
Among these, polyhydric alcohol is preferable from the viewpoint of moisturizing property, and specifically, ethylene glycol, propylene glycol, 1,2-propanediol, 1,2-butanediol, 1,3-butanediol, 1,4. -Polyhydric alcohols such as butanediol, diethylene glycol, triethylene glycol, 1,2,6-hexanetriol, thioglycol, hexylene glycol and glycerin are favorably used.
The content of the organic solvent is preferably 10.0% by mass or more and 50.0% by mass or less with respect to the total amount of the hydrogel three-dimensional modeling composition. When it is 10.0% by mass or more, drying of the hydrogel three-dimensional modeling composition can be suppressed, and when it is 50.0% by mass or less, the dispersibility of minerals in the hydrogel three-dimensional modeling composition can be improved.

(5)その他成分
ハイドロゲル立体造形用組成物は必要に応じてその他成分を含んでもよい。
その他成分としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、安定化剤、表面処理剤、重合開始剤、着色剤、粘度調整剤、接着性付与剤、酸化防止剤、老化防止剤、架橋剤、紫外線吸収剤、可塑剤、防腐剤、金属イオン、フィラー、金属微粒子、分散剤などが挙げられる。
(5) Other components The hydrogel three-dimensional modeling composition may contain other components as needed.
The other components are not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. For example, a stabilizer, a surface treatment agent, a polymerization initiator, a colorant, a viscosity modifier, an adhesive-imparting agent, and an antioxidant. , Anti-aging agents, cross-linking agents, UV absorbers, plasticizers, preservatives, metal ions, fillers, metal microparticles, dispersants and the like.

(I)安定化剤
安定化剤は、鉱物を安定して分散させ、ハイドロゲル立体造形用組成物のゾル状態を保つために含有される。また、ハイドロゲル立体造形用組成物を液滴として吐出する方式に用いる場合、液体としての特性安定化を目的として安定化剤が含有される。
安定化剤としては、例えば、高濃度リン酸塩、グリコール、非イオン界面活性剤などが挙げられる。
(I) Stabilizer Stabilizer is contained to stably disperse minerals and maintain the sol state of the hydrogel three-dimensional modeling composition. Further, when the hydrogel three-dimensional modeling composition is used in a method of ejecting as droplets, a stabilizer is contained for the purpose of stabilizing the characteristics as a liquid.
Examples of the stabilizer include high-concentration phosphates, glycols, nonionic surfactants and the like.

(II)表面処理剤
表面処理剤としては、例えば、ポリエステル樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、シリコーン樹脂、クマロン樹脂、脂肪酸エステル、グリセライド、ワックスなどが挙げられる。
(II) Surface Treatment Agent Examples of the surface treatment agent include polyester resin, polyvinyl acetate resin, silicone resin, kumaron resin, fatty acid ester, glyceride, and wax.

(III)重合開始剤
重合開始剤としては、例えば、熱重合開始剤、光重合開始剤などが挙げられる。これらの中でも、保存安定性の点から、活性エネルギー線を照射することによりラジカル又はカチオンを生成する光重合開始剤が好ましい。
光重合開始剤としては、光(特に波長220nm以上400nm以下の紫外線)の照射によりラジカルを生成する任意の物質を用いることができる。
熱重合開始剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、アゾ系開始剤、過酸化物開始剤、過硫酸塩開始剤、レドックス(酸化還元)開始剤などが挙げられる。
(III) Polymerization Initiator Examples of the polymerization initiator include a thermal polymerization initiator and a photopolymerization initiator. Among these, a photopolymerization initiator that generates radicals or cations by irradiating with active energy rays is preferable from the viewpoint of storage stability.
As the photopolymerization initiator, any substance that generates radicals by irradiation with light (particularly ultraviolet rays having a wavelength of 220 nm or more and 400 nm or less) can be used.
The thermal polymerization initiator is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. For example, an azo-based initiator, a peroxide initiator, a persulfate initiator, a redox (oxidation-reduction) initiator, etc. Can be mentioned.

(6)ハイドロゲル立体造形用組成物の物性
ハイドロゲル立体造形用組成物の25℃における粘度は、3.0mPa・s以上20.0mPa・s以下が好ましく、6.0mPa・s以上12.0mPa・s以下がより好ましい。粘度が3.0mPa・s以上20.0mPa・s以下であることで、3Dプリンター(特にマテリアルジェッティング方式)における液滴吐出などに好適に適用することができる。なお、粘度の測定は、例えば、回転粘度計(VISCOMATE VM-150III、東機産業株式会社製)などを用いて測定することができる。
(6) Physical Properties of Hydrogel Three-dimensional Modeling Composition The viscosity of the hydrogel three-dimensional modeling composition at 25 ° C. is preferably 3.0 mPa · s or more and 20.0 mPa · s or less, and 6.0 mPa · s or more and 12.0 mPa. -S or less is more preferable. When the viscosity is 3.0 mPa · s or more and 20.0 mPa · s or less, it can be suitably applied to droplet ejection in a 3D printer (particularly a material jetting method). The viscosity can be measured using, for example, a rotational viscometer (VISCOMATE VM-150III, manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd.).

ハイドロゲル立体造形用組成物の表面張力は、20mN/m以上45mN/m以下が好ましく、25mN/m以上34mN/m以下がより好ましい。表面張力が、20mN/m以上であると、吐出安定性を向上でき、45mN/m以下であると、造形用の吐出ノズル等にハイドロゲル立体造形用組成物を充填しやすくなる。なお、表面張力の測定は、例えば、表面張力計(自動接触角計DM-701、協和界面科学株式会社製)などを用いて測定することができる。 The surface tension of the hydrogel three-dimensional modeling composition is preferably 20 mN / m or more and 45 mN / m or less, and more preferably 25 mN / m or more and 34 mN / m or less. When the surface tension is 20 mN / m or more, the discharge stability can be improved, and when the surface tension is 45 mN / m or less, the hydrogel three-dimensional modeling composition can be easily filled in the discharge nozzle for modeling or the like. The surface tension can be measured using, for example, a surface tension meter (automatic contact angle meter DM-701, manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.).

3.3Dプリンタを用いて立体造形物を造形する方法
3Dプリンタ(以下、「造形装置」とも称する)で立体造形物を造形する方法の一例として、マテリアルジェッティング方式の3Dプリンタで上記のハイドロゲル立体造形用組成物を用いてハイドロゲル立体造形物を造形する方法について説明する。
3.3 Method of modeling a three-dimensional model using a 3D printer As an example of a method of modeling a three-dimensional model with a 3D printer (hereinafter, also referred to as "modeling device"), the above-mentioned hydrogel is used with a material jet 3D printer. A method of modeling a hydrogel three-dimensional model using a three-dimensional modeling composition will be described.

マテリアルジェッティング方式によるハイドロゲル立体造形物の造形方法は、ハイドロゲル立体造形用組成物の液滴を付与して液膜を形成する液膜形成工程と、ハイドロゲル立体造形用組成物の液膜を硬化させる硬化工程と、を有し、液膜形成工程及び硬化工程を順次繰り返すことを特徴とする。なお、ハイドロゲル立体造形物の造形方法は、必要に応じて、ハイドロゲル立体造形物を支持する支持体を造形する支持体造形工程、その他工程を有してもよい。
マテリアルジェッティング方式によるハイドロゲル立体造形物の造形装置は、ハイドロゲル立体造形用組成物を収容している収容手段と、収容されていたハイドロゲル立体造形用組成物の液滴を付与して液膜を形成する液膜形成手段と、ハイドロゲル立体造形用組成物の液膜を硬化させる硬化手段と、を有し、液膜形成手段による液膜形成及び硬化手段による硬化を順次繰り返すことを特徴とする。
The method for forming a hydrogel three-dimensional object by the material jetting method is a liquid film forming step of applying droplets of the hydrogel three-dimensional modeling composition to form a liquid film, and a liquid film of the hydrogel three-dimensional modeling composition. It has a curing step of curing the above, and is characterized in that the liquid film forming step and the curing step are sequentially repeated. The method for modeling the hydrogel three-dimensional object may include, if necessary, a support modeling step for forming a support that supports the hydrogel three-dimensional object, and other steps.
The hydrogel three-dimensional modeling device by the material jetting method applies a storage means containing the hydrogel three-dimensional modeling composition and a droplet of the contained hydrogel three-dimensional modeling composition to a liquid. It has a liquid film forming means for forming a film and a curing means for curing the liquid film of the composition for hydrogel three-dimensional modeling, and is characterized in that the liquid film forming by the liquid film forming means and the curing by the curing means are sequentially repeated. And.

まず、図9及び図10を用いてマテリアルジェッティング方式について説明する。図9は、ハイドロゲル立体造形物の造形装置の一例を示す模式図である。図10は、ハイドロゲル立体造形物を支持体から剥離した一例を示す模式図である。図9に示すマテリアルジェッティング方式のハイドロゲル立体造形物の造形装置10は、インクジェットヘッドを配列したヘッドユニットを用い、ハイドロゲル立体造形用組成物噴射ヘッドユニット11からハイドロゲル立体造形用組成物収容容器に収容されていたハイドロゲル立体造形用組成物を、支持体造形用組成物噴射ヘッドユニット12から支持体造形用組成物収容容器に収容されていた支持体造形用組成物を、造形体支持基板14に向けて噴射し、隣接した紫外線照射機13でハイドロゲル立体造形用組成物及び支持体造形用組成物を硬化しながら積層する。ここで、支持体造形用組成物とは、光などの活性エネルギー線又は熱を照射されることで硬化し、ハイドロゲル立体造形物を支持する支持体を造形する液体組成物を表し、例えば、アクリル系材料などが挙げられる。なお、造形装置10は、噴射されたハイドロゲル立体造形用組成物を平坦化する平滑化部材16を有してもよい。 First, the material jetting method will be described with reference to FIGS. 9 and 10. FIG. 9 is a schematic view showing an example of a modeling device for a hydrogel three-dimensional model. FIG. 10 is a schematic view showing an example in which a hydrogel three-dimensional object is peeled off from a support. The material jetting type hydrogel three-dimensional modeling apparatus 10 shown in FIG. 9 uses a head unit in which inkjet heads are arranged, and accommodates the hydrogel three-dimensional modeling composition from the hydrogel three-dimensional modeling composition injection head unit 11. The hydrogel three-dimensional modeling composition contained in the container is supported by the support modeling composition injection head unit 12 to support the support modeling composition contained in the support modeling composition container. It is jetted toward the substrate 14, and the hydrogel three-dimensional modeling composition and the support modeling composition are laminated while being cured by an adjacent ultraviolet irradiator 13. Here, the composition for forming a support represents a liquid composition that is cured by being irradiated with active energy rays such as light or heat to form a support that supports a hydrogel three-dimensional model, for example. Examples include acrylic materials. The modeling device 10 may have a smoothing member 16 that flattens the sprayed hydrogel three-dimensional modeling composition.

造形装置10は、ハイドロゲル立体造形用組成物噴射ヘッドユニット11、支持体造形用組成物噴射ヘッドユニット12、及び紫外線照射機13と、立体造形物(ハイドロゲル)17及び支持体(サポート材)18とのギャップを一定に保つため、積層回数に合わせて、ステージ15を下げながら積層する。 The modeling device 10 includes a hydrogel three-dimensional modeling composition injection head unit 11, a support modeling composition injection head unit 12, an ultraviolet irradiator 13, a three-dimensional modeling object (hydrogel) 17, and a support (support material). In order to keep the gap with 18 constant, stacking is performed while lowering the stage 15 according to the number of stacking.

造形装置10における紫外線照射機13は、矢印A、Bいずれの方向に移動する際も使用され、紫外線照射に伴って発生する熱により、積層表面が平滑化され、結果として立体造形物17の寸法安定性が向上する。 The ultraviolet irradiator 13 in the modeling apparatus 10 is used when moving in either the direction of the arrow A or B, and the heat generated by the ultraviolet irradiation smoothes the laminated surface, resulting in the dimensions of the three-dimensional model 17. Stability is improved.

造形装置10における造形が終了後、図10に示すように立体造形物17と支持体18を水平方向に引っ張ることにより、支持体18は一体として剥離され、立体造形物17を容易に取り出すことができる。 After the modeling in the modeling device 10 is completed, the support 18 can be peeled off as a unit by pulling the three-dimensional model 17 and the support 18 in the horizontal direction as shown in FIG. 10, and the three-dimensional model 17 can be easily taken out. can.

(1)液膜形成工程
液膜形成工程においてハイドロゲル立体造形用組成物を付与する方法としては、液滴が適切な精度で目的の位置に付与できる方式であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、公知の液滴吐出方式を用いることができる。液滴吐出方式の具体例としては、例えば、ディスペンサー方式、スプレー方式、インクジェット方式などが挙げられるが、インクジェット方式であることが好ましい。
(1) Liquid film forming step The method for applying the hydrogel three-dimensional modeling composition in the liquid film forming step is not particularly limited as long as the droplet can be applied to the target position with appropriate accuracy, and the purpose is It can be appropriately selected depending on the situation, and a known droplet ejection method can be used. Specific examples of the droplet ejection method include a dispenser method, a spray method, an inkjet method, and the like, but the inkjet method is preferable.

ハイドロゲル立体造形用組成物の液滴の体積は、例えば、2pL以上60pL以下が好ましく、15pL以上30pL以下がより好ましい。液滴の体積が2pL以上であると吐出安定性を向上でき、60pL以下であると、造形用の吐出ノズル等にハイドロゲル立体造形用組成物を充填する際に、充填が容易になる。 The volume of the droplets of the hydrogel three-dimensional modeling composition is, for example, preferably 2 pL or more and 60 pL or less, and more preferably 15 pL or more and 30 pL or less. When the volume of the droplet is 2 pL or more, the ejection stability can be improved, and when it is 60 pL or less, the filling is facilitated when the hydrogel three-dimensional modeling composition is filled in the ejection nozzle for modeling or the like.

(2)硬化工程
硬化工程においてハイドロゲル立体造形用組成物の液膜を硬化させる硬化手段は、例えば、紫外線(UV)照射ランプ、電子線などが挙げられる。紫外線(UV)照射ランプの種類としては、例えば、高圧水銀灯、超高圧水銀灯、メタルハライドなどが挙げられる。
ハイドロゲル立体造形用組成物に対する硬化手段としては、UV-LED(Ultra Violet-Light Emitting Diode:紫外線発光ダイオード)が好適に使用される。LEDの発光波長としては特に制限するものではなく、一般的には365nm、375nm、385nm、395nm、405nm等があるが、造形物への色の影響を考慮すると、開始剤の吸収が大きくなるように、短波長発光の方が有利である。また、UV-LEDは、一般的に用いられる紫外線照射ランプ(高圧水銀灯、超高圧水銀灯、メタルハライドランプ)、電子線などにくらべ、硬化時に生じる熱エネルギーが小さく、ハイドロゲルの熱損傷が小さくなる。特に、ハイドロゲル立体造形用組成物により造形されるハイドロゲルは、水を含有する状態で使用されるため、この効果は顕著なものである。
(2) Curing Step Examples of the curing means for curing the liquid film of the hydrogel three-dimensional modeling composition in the curing step include an ultraviolet (UV) irradiation lamp and an electron beam. Examples of the type of ultraviolet (UV) irradiation lamp include a high-pressure mercury lamp, an ultra-high pressure mercury lamp, and a metal halide lamp.
UV-LED (Ultra Light-Light Emitting Diode) is preferably used as a curing means for the composition for hydrogel three-dimensional modeling. The emission wavelength of the LED is not particularly limited and is generally 365 nm, 375 nm, 385 nm, 395 nm, 405 nm, etc. However, considering the influence of color on the modeled object, the absorption of the initiator is increased. In addition, short wavelength light emission is more advantageous. Further, the UV-LED has a smaller amount of heat energy generated during curing and less heat damage to the hydrogel than a commonly used ultraviolet irradiation lamp (high pressure mercury lamp, ultrahigh pressure mercury lamp, metal halide lamp), electron beam, or the like. In particular, since the hydrogel formed by the hydrogel three-dimensional modeling composition is used in a state of containing water, this effect is remarkable.

ハイドロゲル立体造形物の造形方法は、ハイドロゲル立体造形用組成物の液滴を付与して液膜を形成する液膜形成工程と、ハイドロゲル立体造形用組成物の液膜を硬化させる硬化工程と、を有し、液膜形成工程及び硬化工程を順次繰り返す。このとき、繰り返し回数としては、特に制限はなく、造形するハイドロゲル立体造形物の大きさ、形状などに応じて適宜選択することができる。また、硬化後の1層あたりの平均厚みは、10μm以上50μm以下が好ましい。平均厚みが10μm以上50μm以下であることで、精度よく、且つ剥離を少なく造形することが可能である。 The method for forming a hydrogel three-dimensional object is a liquid film forming step of applying droplets of the hydrogel three-dimensional modeling composition to form a liquid film, and a curing step of curing the liquid film of the hydrogel three-dimensional modeling composition. And, the liquid film forming step and the curing step are sequentially repeated. At this time, the number of repetitions is not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the size, shape, and the like of the hydrogel three-dimensional model to be modeled. The average thickness per layer after curing is preferably 10 μm or more and 50 μm or less. When the average thickness is 10 μm or more and 50 μm or less, it is possible to perform modeling with high accuracy and less peeling.

(3)支持体造形工程
支持体造形工程において使用される支持体造形用組成物は、光などの活性エネルギー線又は熱を照射されることで硬化し、ハイドロゲル立体造形物を支持する支持体を造形する液体組成物である。支持体造形用組成物の組成は、ハイドロゲル立体造形用組成物とは異なる。具体的には、硬化性材料及び重合開始剤などを含み、水及び鉱物は含まないことが好ましい。硬化性材料としては、活性エネルギー線(紫外線、電子線等)照射、加熱等により重合反応を生じて硬化する化合物であり、例えば、活性エネルギー線硬化性化合物、熱硬化性化合物などが挙げられる。これらの中でも、常温で液体の材料が好ましい。
支持体造形用組成物は、ハイドロゲル立体造形用組成物とは異なる位置に付与される。これは、支持体造形用組成物とハイドロゲル立体造形用組成物とが重ならないことを意味し、支持体造形用組成物とハイドロゲル立体造形用組成物とが隣接していてもよい。
支持体造形用組成物を付与する方法としては、ハイドロゲル立体造形用組成物を付与する方法と同様の方法が挙げられる。
(3) Support modeling process The support modeling composition used in the support modeling process is cured by being irradiated with active energy rays such as light or heat, and supports the hydrogel three-dimensional model. It is a liquid composition for modeling. The composition of the support modeling composition is different from that of the hydrogel three-dimensional modeling composition. Specifically, it preferably contains a curable material, a polymerization initiator and the like, and does not contain water and minerals. Examples of the curable material are compounds that are cured by causing a polymerization reaction by irradiation with active energy rays (ultraviolet rays, electron beams, etc.), heating, and the like, and examples thereof include active energy ray-curable compounds and thermosetting compounds. Among these, a material that is liquid at room temperature is preferable.
The support modeling composition is applied at a position different from that of the hydrogel three-dimensional modeling composition. This means that the composition for forming the support and the composition for forming the hydrogel three-dimensionally do not overlap with each other, and the composition for forming the support and the composition for forming the hydrogel three-dimensionally may be adjacent to each other.
As a method of applying the composition for supporting support, the same method as the method of applying the composition for hydrogel three-dimensional modeling can be mentioned.

(4)その他工程
その他の工程としては、例えば、液膜を平滑化させる工程、剥離工程、立体造形物の研磨工程、立体造形物の清浄工程などが挙げられるが、液膜を平滑化させる工程を含むことが好ましい。液膜形成工程にて形成された液膜は、全ての位置で狙いの膜厚(層厚)になっているとは限らないためである。例えば、インクジェット方式で液膜形成する場合、不吐出やドット間段差が生じる場合などがあり、高精度な立体造形物を形成することが困難になることがある。これら課題に対しては、液膜を形成した後に機械的に平滑化する(均す)、液膜を硬化して得られるハイドロゲル薄膜を機械的に削り取る、平滑度を検知して次の層の積層時に製膜量をドットレベルで調整する、などの方法が考えられる。なお、ハイドロゲル立体造形物が臓器モデルを対象として造形される場合、ハイドロゲルの硬度は比較的柔らかいため、平滑化の方法としては、液膜を機械的に均す方法が好ましい。機械的に平滑化する方法とは、例えば、ブレード形状の部材で均す、ローラー形状の部材で均すなどの方法が挙げられる。
(4) Other Steps Other steps include, for example, a step of smoothing the liquid film, a peeling step, a step of polishing a three-dimensional model, a step of cleaning a three-dimensional model, and the like, and a step of smoothing the liquid film. It is preferable to include. This is because the liquid film formed in the liquid film forming step does not always have the target film thickness (layer thickness) at all positions. For example, when a liquid film is formed by an inkjet method, non-ejection or a step between dots may occur, and it may be difficult to form a highly accurate three-dimensional model. To solve these problems, the liquid film is mechanically smoothed (leveled) after being formed, the hydrogel thin film obtained by curing the liquid film is mechanically scraped off, and the smoothness is detected and the next layer is used. It is conceivable to adjust the amount of film formation at the dot level at the time of laminating. When the hydrogel three-dimensional model is modeled for an organ model, the hardness of the hydrogel is relatively soft, so a method of mechanically leveling the liquid film is preferable as a smoothing method. Examples of the method of mechanically smoothing include a method of leveling with a blade-shaped member and a method of leveling with a roller-shaped member.

(5)強度物性が異なる部位を有するハイドロゲル立体造形物の造形方法
次に、ハイドロゲル立体造形物の造形方法のより具体的な説明として、強度物性が異なる部位を有するハイドロゲル立体造形物の造形方法の一例について説明する。以下の説明では、組成の異なる2種類のハイドロゲル立体造形用組成物を用いる態様を例として詳細を説明するが、かかる態様に限定されるものではない。当業者であれば、かかる説明からさらなる態様(例えば、3種類以上のハイドロゲル立体造形用組成物を用いる態様など)について容易に理解するものである。
(5) Method for modeling a hydrogel three-dimensional model having parts with different strength physical characteristics Next, as a more specific explanation of a method for modeling a hydrogel three-dimensional model, a hydrogel three-dimensional model having parts with different strength physical properties An example of a modeling method will be described. In the following description, an embodiment using two types of hydrogel three-dimensional modeling compositions having different compositions will be described in detail as an example, but the present invention is not limited to such an embodiment. Those skilled in the art can easily understand further embodiments (for example, embodiments using three or more types of hydrogel three-dimensional modeling compositions) from the above description.

強度物性が異なる部位を有するハイドロゲル立体造形物の造形方法は、組成の異なる複数のハイドロゲル立体造形用組成物の液滴をそれぞれ付与することで、組成の異なる複数の領域を有する液膜を形成する液膜形成工程と、液膜を硬化させる硬化工程と、を有し、液膜形成工程及び硬化工程を順次繰り返すことを特徴とする。
なお、上記造形方法は、組成の異なる複数のハイドロゲル立体造形用組成物をそれぞれ収容している収容手段と、収容されていた組成の異なる複数のハイドロゲル立体造形用組成物の液滴をそれぞれ付与することで、組成の異なる複数の領域を有する液膜を形成する液膜形成手段と、液膜を硬化させる硬化手段と、を有し、液膜形成手段による液膜形成及び硬化手段による硬化を順次繰り返すことを特徴とするハイドロゲル立体造形物の造形装置を用いる。
具体的には、まず、第一のハイドロゲル立体造形用組成物と、第一のハイドロゲル立体造形用組成物とは組成の異なる第二のハイドロゲル立体造形用組成物と、を用い、各ハイドロゲル立体造形用組成物の液滴の、それぞれ、付与する位置及び付与量を制御することにより、組成が異なる複数の領域を連続的に有する液膜を形成する。なお、第一のハイドロゲル立体造形用組成物は上記の高強度造形用組成物の一例であるとし、第二のハイドロゲル立体造形用組成物は上記の低強度造形用組成物の一例であるとする。次に、この液膜を硬化させて上記領域を連続的に有する1層分の硬化膜を形成する。その後、液膜の形成と硬化とを順次繰り返すことで硬化膜を積層し、強度物性が異なる複数の部位を連続的に有するハイドロゲル立体造形物を造形する。なお、ハイドロゲル立体造形物における強度物性が異なる複数の部位は、1層分の硬化膜の中で強度物性が異なることにより存在していてもよいし、硬化膜間で強度物性が異なることにより存在していてもよい。
In the method of forming a hydrogel three-dimensional model having parts having different strength properties, a liquid film having a plurality of regions having different compositions is formed by applying droplets of a plurality of hydrogel three-dimensional modeling compositions having different compositions. It has a liquid film forming step of forming and a curing step of curing the liquid film, and is characterized in that the liquid film forming step and the curing step are sequentially repeated.
In the above-mentioned modeling method, a storage means containing a plurality of hydrogel three-dimensional modeling compositions having different compositions and a droplet of a plurality of hydrogel three-dimensional modeling compositions having different compositions are contained. By imparting, it has a liquid film forming means for forming a liquid film having a plurality of regions having different compositions and a curing means for curing the liquid film, and the liquid film forming means for forming the liquid film and the curing means for curing the liquid film. A hydrogel three-dimensional object modeling device, which is characterized by repeating the above steps in sequence, is used.
Specifically, first, a first hydrogel three-dimensional modeling composition and a second hydrogel three-dimensional modeling composition having a composition different from that of the first hydrogel three-dimensional modeling composition are used, respectively. By controlling the position and amount of each of the droplets of the hydrogel three-dimensional modeling composition to be applied, a liquid film having a plurality of regions having different compositions is formed. The first hydrogel three-dimensional modeling composition is an example of the above-mentioned high-strength modeling composition, and the second hydrogel three-dimensional modeling composition is an example of the above-mentioned low-strength modeling composition. And. Next, this liquid film is cured to form a cured film for one layer having the above-mentioned regions continuously. After that, the cured film is laminated by repeating the formation and curing of the liquid film in sequence, and a hydrogel three-dimensional model having a plurality of sites having different strength and physical characteristics is formed. It should be noted that a plurality of sites having different strength physical properties in the hydrogel three-dimensional model may be present due to the difference in strength physical properties in one layer of the cured film, or due to the difference in strength physical properties between the cured films. It may exist.

4.立体造形物の用途
立体造形物の用途としては、例えば、生体の組織を模した組織モデルなどが挙げられるが、ヒトの組織モデルであることが好ましい。ここで、組織とは、生体を構成する機能器官である。従って、組織は、内臓に限らず、骨、皮膚、血管など生体を構成するあらゆる器官を含む。また、組織モデルは、臓器モデルであることが好ましい。
臓器モデルの用途としては2つに大別できる。1つは汎用用途における臓器モデルであり、もう1つは個別用途における臓器モデルである。汎用用途における臓器モデルとしては、例えば、医療機器開発における性能確認、校正、トレーニング、教育現場における構造確認などに用いられる臓器モデルである。この場合の臓器モデルは、対象とする臓器の平均的な形状・物性を有する。また、この場合の臓器モデルは、主に健常者のデータを基に造形され、単独もしくは複数人のデータが平均化されたモデルであることが好ましい。個別用途における臓器モデルとしては、例えば、医療現場におけるインフォームドコンセント、術前シミュレーション、術式トレーニングなどに用いられる臓器モデルである。この場合の臓器モデルは、対象とする患者個人の患部を含む臓器の形状・物性を有する。また、この場合の臓器モデルは、患者個人のデータを基に造形され、患部が再現されたモデルであることが好ましい。
立体造形物をヒトの臓器モデルとして用いる場合、立体造形物を形成するハイドロゲルなどの材料における水の含有量は、立体造形物全量に対して70質量%以上85質量%以下であることが好ましい。70質量%以上85質量%以下であることで、ヒトの臓器モデルが対象とする実際のヒトの臓器と同等の水分含有量とすることができ、好適に使用することができる。なお、具体的には、ヒトの心臓モデルであれば約80質量%であることが好ましく、ヒトの腎臓モデルであれば約83質量%であることが好ましく、ヒトの脳又は腸のモデルであれば約75質量%であることが好ましい。従って、立体造形物における水の含有量は、立体造形物全量に対して75質量%以上83質量%以下であることがより好ましい。
4. Uses of the three-dimensional model The use of the three-dimensional model includes, for example, a tissue model that imitates the tissue of a living body, and a human tissue model is preferable. Here, the tissue is a functional organ constituting a living body. Therefore, the tissue is not limited to the internal organs, but includes all organs constituting the living body such as bones, skin, and blood vessels. Moreover, the tissue model is preferably an organ model.
The uses of the organ model can be roughly divided into two. One is an organ model for general-purpose use, and the other is an organ model for individual use. The organ model for general-purpose use is, for example, an organ model used for performance confirmation, calibration, training, structural confirmation in an educational field, etc. in medical device development. The organ model in this case has the average shape and physical properties of the target organ. Further, the organ model in this case is preferably a model that is modeled mainly based on the data of healthy subjects and the data of a single person or a plurality of people are averaged. The organ model for individual use is, for example, an organ model used for informed consent, preoperative simulation, surgical training, etc. in a medical field. The organ model in this case has the shape and physical properties of the organ including the affected part of the individual target patient. Further, the organ model in this case is preferably a model in which the affected part is reproduced by modeling based on the individual data of the patient.
When the three-dimensional model is used as a human organ model, the water content in the material such as hydrogel forming the three-dimensional model is preferably 70% by mass or more and 85% by mass or less with respect to the total amount of the three-dimensional model. .. When it is 70% by mass or more and 85% by mass or less, the water content can be the same as that of an actual human organ targeted by a human organ model, and can be suitably used. Specifically, it is preferably about 80% by mass in the case of a human heart model, preferably about 83% by mass in the case of a human kidney model, and it may be a human brain or intestinal model. It is preferably about 75% by mass. Therefore, the water content in the three-dimensional model is more preferably 75% by mass or more and 83% by mass or less with respect to the total amount of the three-dimensional model.

以下、本発明の例を説明するが、本発明はこれら例に何ら限定されるものではない。 Hereinafter, examples of the present invention will be described, but the present invention is not limited to these examples.

<高強度造形用組成物Aの作製>
まず、イオン交換水に減圧脱気を30分間実施して純水を準備し、この純水580.0質量部を撹拌させながら、水膨潤性粘土鉱物である合成ヘクトライト(ラポナイトRD、BYK社製)67.0質量部を少しずつ添加し、更に撹拌して混合液を作製した。次に、混合液に合成ヘクトライトの分散剤としてエチドロン酸(東京化成工業株式会社製)5.0質量部を添加して分散液を得た。
次に、得られた分散液に、モノマーとして、活性アルミナのカラムを通過させ重合禁止剤を除去したジメチルアクリルアミド(DMAA、東京化成工業株式会社製)262.0質量部を添加した。また、架橋剤としてN,N’-メチレンビスアクリルアミド(MBAA、東京化成工業株式会社製)2.4質量部、ポリエチレングリコールジアクリレート(A-400、新中村化学工業株式会社製)8.0質量部を添加した。更に、乾燥防止剤としてグリセリン(阪本薬品工業株式会社製)300.0質量部を添加して混合した。
次に、重合促進剤としてN,N,N’,N’-テトラメチルエチレンジアミン(TEMED、東京化成工業株式会社製)6.7質量部を添加した。また、界面活性剤としてエマルゲンLS-106(花王株式会社製)を5.3質量部添加して混合した。
次に、氷浴で冷却しながら、光重合開始剤(イルガキュア184、BASF社製)のメタノール4質量%溶液を12.3質量部添加し、攪拌混合の後、減圧脱気を20分間実施した。続いて、ろ過を行い、不純物等を除去し、均質な高強度造形用組成物Aを得た。
<Preparation of composition A for high-strength modeling>
First, degassed with ion-exchanged water under reduced pressure for 30 minutes to prepare pure water, and while stirring 580.0 parts by mass of this pure water, synthetic hectorite (Raponite RD, BYK), which is a water-swellable clay mineral, is used. (Manufactured by) 67.0 parts by mass was added little by little and further stirred to prepare a mixed solution. Next, 5.0 parts by mass of etidronic acid (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) as a dispersant for synthetic hectorite was added to the mixed solution to obtain a dispersion.
Next, 262.0 parts by mass of dimethylacrylamide (DMAA, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) from which the polymerization inhibitor had been removed by passing through a column of activated alumina was added to the obtained dispersion as a monomer. As a cross-linking agent, N, N'-methylenebisacrylamide (MBAA, manufactured by Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd.) 2.4 parts by mass, polyethylene glycol diacrylate (A-400, manufactured by Shin-Nakamura Chemical Industry Co., Ltd.) 8.0% by mass. Parts were added. Further, 300.0 parts by mass of glycerin (manufactured by Sakamoto Yakuhin Kogyo Co., Ltd.) was added and mixed as a drying inhibitor.
Next, 6.7 parts by mass of N, N, N', N'-tetramethylethylenediamine (TEMED, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was added as a polymerization accelerator. Further, 5.3 parts by mass of Emargen LS-106 (manufactured by Kao Corporation) was added and mixed as a surfactant.
Next, while cooling in an ice bath, 12.3 parts by mass of a 4% by mass solution of a photopolymerization initiator (Irgacure 184, manufactured by BASF) was added, and after stirring and mixing, degassing under reduced pressure was carried out for 20 minutes. .. Subsequently, filtration was performed to remove impurities and the like to obtain a homogeneous high-strength modeling composition A.

-高強度造形用組成物Aの硬化物における粘弾性の測定-
まず、高強度造形用組成物Aを用いてハイドロゲルを作製した。具体的には、31mm×31mm(厚さ10mm)の容器を準備し、高強度造形用組成物Aで内部を満たし、紫外線照射機(ウシオ電機株式会社製、SPOT CURE SP5-250DB)を用いて硬化させた。照射条件は、波長:365nm、照射強度:350mJ/cm、照射時間:60秒であった。
次に、作製したハイドロゲルの物性をレオメーターにより測定したところ、貯蔵弾性率:8320Pa,損失弾性率:2540Paであった。
-Measurement of viscoelasticity of the cured product of high-strength modeling composition A-
First, a hydrogel was prepared using the high-strength modeling composition A. Specifically, a container of 31 mm × 31 mm (thickness 10 mm) is prepared, the inside is filled with the high-strength modeling composition A, and an ultraviolet irradiator (SPOT CURE SP5-250DB manufactured by Ushio, Inc.) is used. It was cured. The irradiation conditions were wavelength: 365 nm, irradiation intensity: 350 mJ / cm 2 , and irradiation time: 60 seconds.
Next, when the physical properties of the produced hydrogel were measured with a leometer, the storage elastic modulus was 8320 Pa and the loss elastic modulus was 2540 Pa.

<低強度造形用組成物Bの作製>
まず、イオン交換水に減圧脱気を30分間実施して純水を準備し、この純水580.0質量部を撹拌させながら、水膨潤性粘土鉱物である合成ヘクトライト(ラポナイトRD、BYK社製)67.0質量部を少しずつ添加し、更に撹拌して混合液を作製した。次に、混合液に合成ヘクトライトの分散剤としてエチドロン酸(東京化成工業株式会社製)5.0質量部を添加して分散液を得た。
次に、得られた分散液に、モノマーとして、活性アルミナのカラムを通過させ重合禁止剤を除去したジメチルアクリルアミド(DMAA、東京化成工業株式会社製)262.0質量部を添加した。また、架橋剤としてN,N’-メチレンビスアクリルアミド(MBAA、東京化成工業株式会社製)0.6質量部、ポリエチレングリコールジアクリレート(A-400、新中村化学工業株式会社製)2.0質量部を添加した。更に、乾燥防止剤としてグリセリン(阪本薬品工業株式会社製)300.0質量部を添加して混合した。
次に、重合促進剤としてN,N,N’,N’-テトラメチルエチレンジアミン(TEMED、東京化成工業株式会社製)6.7質量部を添加した。また、界面活性剤としてエマルゲンLS-106(花王株式会社製)を5.3質量部添加して混合した。
次に、氷浴で冷却しながら、光重合開始剤(イルガキュア184、BASF社製)のメタノール4質量%溶液を12.3質量部添加し、攪拌混合の後、減圧脱気を20分間実施した。続いて、ろ過を行い、不純物等を除去し、均質な低強度造形用組成物Bを得た。
<Preparation of composition B for low-strength modeling>
First, degassed with ion-exchanged water under reduced pressure for 30 minutes to prepare pure water, and while stirring 580.0 parts by mass of this pure water, synthetic hectorite (Raponite RD, BYK), which is a water-swellable clay mineral, is used. (Manufactured by) 67.0 parts by mass was added little by little and further stirred to prepare a mixed solution. Next, 5.0 parts by mass of etidronic acid (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) as a dispersant for synthetic hectorite was added to the mixed solution to obtain a dispersion.
Next, 262.0 parts by mass of dimethylacrylamide (DMAA, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) from which the polymerization inhibitor had been removed by passing through a column of activated alumina was added to the obtained dispersion as a monomer. As a cross-linking agent, N, N'-methylenebisacrylamide (MBAA, manufactured by Tokyo Kasei Kogyo Co., Ltd.) 0.6 parts by mass, polyethylene glycol diacrylate (A-400, manufactured by Shin Nakamura Chemical Industry Co., Ltd.) 2.0 mass by mass. Parts were added. Further, 300.0 parts by mass of glycerin (manufactured by Sakamoto Yakuhin Kogyo Co., Ltd.) was added and mixed as a drying inhibitor.
Next, 6.7 parts by mass of N, N, N', N'-tetramethylethylenediamine (TEMED, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was added as a polymerization accelerator. Further, 5.3 parts by mass of Emargen LS-106 (manufactured by Kao Corporation) was added and mixed as a surfactant.
Next, while cooling in an ice bath, 12.3 parts by mass of a 4% by mass solution of a photopolymerization initiator (Irgacure 184, manufactured by BASF) was added, and after stirring and mixing, degassing under reduced pressure was carried out for 20 minutes. .. Subsequently, filtration was performed to remove impurities and the like to obtain a homogeneous low-strength modeling composition B.

-低強度造形用組成物Bの硬化物における粘弾性の測定-
まず、低強度造形用組成物Bを用いてハイドロゲルを作製した。具体的には、31mm×31mm(厚さ10mm)の容器を準備し、低強度造形用組成物Bで内部を満たし、紫外線照射機(ウシオ電機株式会社製、SPOT CURE SP5-250DB)を用いて硬化させた。照射条件は、波長:365nm、照射強度:350mJ/cm、照射時間:60秒であった。
次に、作製したハイドロゲルの物性をレオメーターにより測定したところ、貯蔵弾性率:4415Pa,損失弾性率:3104Paであった。
-Measurement of viscoelasticity of the cured product of composition B for low-strength modeling-
First, a hydrogel was prepared using the low-strength modeling composition B. Specifically, a container of 31 mm × 31 mm (thickness 10 mm) is prepared, the inside is filled with the low-strength modeling composition B, and an ultraviolet irradiator (SPOT CURE SP5-250DB manufactured by Ushio, Inc.) is used. It was cured. The irradiation conditions were wavelength: 365 nm, irradiation intensity: 350 mJ / cm 2 , and irradiation time: 60 seconds.
Next, when the physical properties of the produced hydrogel were measured with a leometer, the storage elastic modulus was 4415 Pa and the loss elastic modulus was 3104 Pa.

<医用3Dデータの取得>
MRE測定が可能なMRI装置を用い、脂肪肝を患う患者の肝臓部分を含む医用3Dデータを取得した。本医用3Dデータは、患者をMRI装置で撮影することにより取得される医用画像データと、患者をMRE測定することにより取得される生体物性と、に基づいて作成されていた。具体的には、本医用3Dデータは、医用画像データに基づいて作成される複数のボクセルと、ボクセルごとに付与された医用画像データにおける画像濃度(MRI信号値)を示す画像濃度情報と、ボクセルごとに付与された生体物性(粘弾性)を示す生体物性情報と、を含んでいた。
なお、MRE測定により取得された肝臓部分における生体物性(粘弾性)は、いずれの部位においても、高強度造形用組成物Aの硬化物における粘弾性と低強度造形用組成物Bの硬化物における粘弾性の範囲内であった。
<Acquisition of medical 3D data>
Using an MRI device capable of MRE measurement, medical 3D data including the liver portion of a patient suffering from fatty liver was acquired. The medical 3D data was created based on the medical image data acquired by photographing the patient with an MRI apparatus and the biological characteristics acquired by measuring the patient by MRE. Specifically, the medical 3D data includes a plurality of voxels created based on the medical image data, image density information indicating the image density (MRI signal value) in the medical image data assigned to each voxel, and voxels. It included biophysical property information indicating biophysical properties (viscous elasticity) given for each.
The biological characteristics (viscoelasticity) in the liver portion obtained by MRE measurement are the viscoelasticity in the cured product of the high-strength modeling composition A and the cured product of the low-strength modeling composition B at any site. It was within the range of viscoelasticity.

<造形用3Dデータの生成>
まず、医用3Dデータをボクセル領域分割し、肝臓部分を示す領域別医用3Dデータを取得した。次に、領域別医用3Dデータに対し、FAVフォーマット変換を行うことで造形用3DデータであるFAV形式のデータを作成した。
<Generation of 3D data for modeling>
First, the medical 3D data was divided into voxel regions, and the regional medical 3D data showing the liver portion was acquired. Next, FAV format data, which is 3D data for modeling, was created by performing FAV format conversion on the medical 3D data for each area.

<肝臓モデルの造形例>
高強度造形用組成物A及び低強度造形用組成物Bを、それぞれ、図9に示すようなマテリアルジェッティング方式であって、且つ強度物性の階調を表現できる3Dプリンタに収容し、3Dプリンタのインクジェットヘッドに充填した。次に、3Dプリンタに造形用3Dデータを入力し、造形用3Dデータを基に、生体物性の分布に対応する強度物性の分布を有する立体造形物である肝臓モデルの造形を行った。具体的には、インクジェットヘッドから各造形用組成物を噴射させ、液膜形成と硬化を順次繰り返すことで造形した。
<Example of liver model modeling>
The high-strength modeling composition A and the low-strength modeling composition B are each housed in a 3D printer having a material jetting method as shown in FIG. 9 and capable of expressing gradation of high-strength physical properties, and are stored in a 3D printer. Filled in the inkjet head of. Next, 3D data for modeling was input to a 3D printer, and based on the 3D data for modeling, a liver model, which is a three-dimensional model having a distribution of strength physical properties corresponding to the distribution of biological characteristics, was modeled. Specifically, each modeling composition was sprayed from an inkjet head, and liquid film formation and curing were sequentially repeated for modeling.

10 造形装置
11 ハイドロゲル立体造形用組成物噴射ヘッドユニット
12 支持体造形用組成物噴射ヘッドユニット
13 紫外線照射機
14 造形体支持基板
15 ステージ
16 平滑化部材
17 立体造形物(ハイドロゲル)
18 支持体(サポート材)
10 Modeling device 11 Hydrogel composition injection head unit for three-dimensional modeling 12 Composition injection head unit for support modeling 13 Ultraviolet irradiator 14 Modeling body support substrate 15 Stage 16 Smoothing member 17 Three-dimensional model (hydrogel)
18 Support (support material)

特開2015-069054号公報JP-A-2015-069054

Claims (5)

生体の医用3Dデータに基づき、3Dプリンタを用いて立体造形物を造形する造形工程を有する造形方法であって、
前記医用3Dデータは、前記生体を医用画像撮影装置で撮影することにより取得される医用画像データと、前記生体をMRE測定することにより取得される生体物性と、に基づいて作成され、
前記立体造形物は、前記生体物性の分布に対応する強度物性の分布を有することを特徴とする造形方法。
It is a modeling method having a modeling process of modeling a three-dimensional model using a 3D printer based on medical 3D data of a living body.
The medical 3D data is created based on the medical image data acquired by photographing the living body with a medical imaging device and the biological characteristics acquired by measuring the living body by MRE.
The three-dimensional model is a modeling method characterized by having a distribution of strength physical properties corresponding to the distribution of biological properties.
前記医用3Dデータは、前記医用画像データに基づいて作成される複数のボクセルと、ボクセルごとに付与された前記医用画像データにおける画像濃度を示す画像濃度情報と、ボクセルごとに付与された前記生体物性を示す生体物性情報と、を含む請求項1に記載の造形方法。 The medical 3D data includes a plurality of voxels created based on the medical image data, image density information indicating the image density in the medical image data given to each voxel, and the biological property given to each voxel. The modeling method according to claim 1, further comprising biological property information indicating. 前記3Dプリンタは、マテリアルジェッティング方式である請求項1又は2に記載の造形方法。 The modeling method according to claim 1 or 2, wherein the 3D printer is a material jetting method. 前記立体造形物を構成する材料としてハイドロゲルを含有する請求項1から3のいずれか一項に記載の造形方法。 The modeling method according to any one of claims 1 to 3, which contains hydrogel as a material constituting the three-dimensional model. 前記生体物性および前記強度物性は、粘弾性である請求項1から4のいずれか一項に記載の造形方法。 The modeling method according to any one of claims 1 to 4, wherein the biological physical characteristics and the strong physical characteristics are viscoelastic.
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