JP4193944B2 - ３次元造形物の作製方法および３次元造形物 - Google Patents

Description

本発明は、多色・多材料で、堅さが部分により異なる複雑な構造の立体物を造形することのできる３次元造形物の作製方法およびその作製方法により製造された３次元造形物に関するものである。特に、人体・動物の生体模型などの材質の硬さ・色・質感などが各部位で異なる立体物を造形する場合に好適な３次元造形物の作製方法およびその作製方法により製造された３次元造形物に関するものである。

３次元造形を行う技術に、ラピッド・プロトタイピイング（ＲＰ：Rapid Prototyping）と呼ばれる技術がある。この技術は、ひとつの３次元形状の表面を３角形の集まりとして記述したデータ（光造形分野の業界標準形式：ＳＴＬフォーマット）により、積層方向について薄く切った断面形状を計算し、その形状を樹脂などで固めて形成・積層して、形状を造形していく技術である。日本ＲＰ産業協会の分類に従えば、（１）光造形法、（２）薄板積層法、（３）溶融物堆積法、（４）粉末固着法の４通りの方法がある。各方法について概要を説明する。

（１）光造形法：紫外線やレーザなどの光で硬化する「光硬化性樹脂」を用いる。樹脂のプールに薄い一層分の部分を作り、その層の形状内部に相当する部分に光を当てて硬化させる。硬化層の表面のでこぼこを削ってならし、その上にまた薄い樹脂液体の層を導入して、光で硬化させることを繰り返し、形状を造形する。その場合、オーバーハング部分がある場合は、本来の造形する形状には必要のない支え（「サポート」と呼ばれる）を同時に造形し、造形後に、その支えを除去する必要がある。

（２）薄板積層法：紙、プラスチックなどのシート、金属の薄板などを切り出したもの、あるいは塗料などを薄板上に固めたものを積み重ねていき、形状を造形する。シートを積層する場合は、断面形状をカッターやレーザで一層ごとに切断し、最後に余分な部分を取り除く。この場合、オーバーハング部分は下のシートで支えられるので、「サポート」の付加は必要でない。断面形状に切り出した薄板を重ねる場合は、サポートの付加と造形後の除去が必要となる。

（３）溶融物堆積法（ＦＤＭ）：樹脂などの造形材料を熱で溶かして、一層部分の形状断面の形にのばして固める。細いノズルから糸状の造形材料を出す方法、インクジェットプリンタのようにヘッドから噴出させる方式などがある。表面のでこぼこを削った後、その上に次の層を同様にのばして固めていく。サポートが必要な点は、光造形と同じであるが、サポート部分の材料を造形する形状部分とは異なるものにしておき、造形後にサポート材料のみを溶解するなどの工夫がなされている。

（４）粉末固着法：粉状・粒子状の材料を薄く拡げ、インクジェットプリンタのようにヘッドから糊（「バインダー」と呼ばれる）を噴射することで、あるいはレーザなどの光を照射することで、粉末同士を一断面の形状に対応して、バインダー・熱・光硬化性物質により一層分を固着する。その上に、次の一層分の材料を薄く広げ、同様に固着する。オーバーハング部分は未固着の粉材料により支えられるので、サポートの付加は不要である。また、造形後、未固着の粉材料を吹き飛ばせば、サポートの除去は完了する。このため、手間がかからない。インクジェットプリンタと同様な機構を用いて、色付きのバインダーを噴射することで、フルカラーの造形品が作製できる。

従来において、３次元造形技術に関係する公知文献として、特許文献１〜５が挙げられる。特許文献１に記載されている「データ処理装置および方法、並びに三次元造形装置および方法」の発明は、対象物の触感を忠実に再現した３次元造形物の生成方法に関するものである。データ生成装置により、前述したＳＴＬフォーマットのデータを構成する各三角形の面データに、対象物表面の手触り（テクスチャ）情報および対象物を表面から触ったときのやわらかさ情報のいずれかあるいは両方の情報を付加したデータを作成する。それに基づいて、表面粗さを造形物の表面の凹凸形状として、あるいは樹脂粒子径の異なる材料を使い分けて造形する。また、この場合に、形状のやわらかさは
（Ａ）形状内部にやわらかさに応じた微少穴構造を形成すること、
（Ｂ）溶融物堆積法・粉末固着法においては２種類以上の硬さの異なる樹脂を混合すること、あるいは、
（Ｃ）粉末固着造形でバインダーの種類を変えること
で実現している。

特許文献２に記載されている「積層造形方法及び積層造形装置」の発明は、粉体をシート状に形成した薄層を積層することにより３次元物体を造形する積層造形方法及び装置に関する発明である。電子写真方式を用いてそれぞれの薄層を形成して積層していくものである。

特許文献３に記載の「立体造形装置および立体造形方法」の発明は、同様に、電子写真方式を用いて、立体の断面形状を薄層として形成し、この薄層を積層することで立体を造形するものである。これらは、コピー機やレーザプリンタのように、電子写真方式を用いて、感光ドラム上に一層分の断面形状を帯電性粉末材料で作製し、熱で固めて薄膜としたものを積層し、３次元物体を造形するものである。材料をうまく選べば、形状内部についても、フルカラー化することができ、金属やセラミックスなどの複数材料にも対応可能である。

特許文献４に記載の「無機顔料インキおよびその使用方法、ならびに無機顔料インキを使用した積層造形方法」の発明は、インキジェット式プリンタに適用可能で、鮮やかな発色が得られる無機顔料インキを用いた積層造形方法に関する発明である。無機顔料インキを粉末樹脂層に浸透させ、また、溶融状態において、無機顔料がその流動性により分散されることから、厚み方向にも略均一に着色された着色領域が形成されるとしている。形状内部の色分布再現にも言及している。

また、引用文献５に記載の「造形装置および方法」の発明は、種々の素材からなる立方体のビーズを３次元的に積み上げ、互いに固着あるいは透明なケース内に充填することで３次元立体を構築するものである。いわゆる三次元プリンタを構成しているものである。
特開２００２−０６７１７４号公報 特開平１０−２０７１９４号公報 特開２００２−３４７１２９号公報 特開２００１−３５４８７７号公報 特開平１０−０２９２４５号公報

ところで、従来における３次元造形方法においては、人体・動物の生体模型などの材質が各部位で異なる立体物を造形する場合に、多色・多材料で、堅さが部分により異なる複雑な構造の立体物を造形することができない。生体模型を３次元造形する場合には、解決されるべき課題として、次のような課題が挙げられる。すなわち、
（イ）造形物全体（表面および内部）の色情報の再現性、
（ロ）造形物全体（表面および内部）のやわらかさ・硬さの再現性、
（ハ）造形可能形状の自由度の確保とサポート除去の手間の削減、
（ニ）造形精度の向上、
（ホ）造形時間の短縮、
について検討し解決する必要がある。これらの課題について詳細に説明する。

人体・動物などの生体模型については、手術の練習用のために精密模型が必要とされるが、これまでの模型では、丈夫すぎて手術操作で破壊するのが困難であった。また、造形の精度が荒すぎて生体とはかけ離れた形状となっているものであった。このため、細部の形状について個人対応も困難であった。個々の患者の医用断層画像（ＣＴ，ＭＲＩなど）のデータから、生体内部の硬さや色情報を再現した生体模型を造形できる造形方法であれば、手術前の術式検討、リハーサル、医学教育などに大いに貢献できる。

（イ）造形物全体（表面および内部）の色情報の再現性についての課題。
表面を多色に着色したものを造形したものは、既に存在するが、その造形物を切断すると、その内部は単色（無色、材料の色）であり、色情報が欠落しているものが多い。したがって、断面についても色情報が正しく表現されるように、造形物の内部の多色化が求められる。このため、造形装置そのものに多色刷りの機能を持たせること、造形物内部の色情報を表現するデータ構造、およびそれに基づき造形装置を駆動するためのソフトウェアの開発が必要である。特許文献２、特許文献３、特許文献４などにおいては、多色化の可能性に言及しているが、そのためのデータ構造などについての説明はない。

（ロ）造形物全体（表面および内部）のやわらかさ・硬さの再現性についての課題。
現在の市販品（造形装置）では、その造形物は単一材料で形成される。造形装置によっては複数の材料を同時に使えるものがあるが、サポート材料と造形物の材料が別れているだけであって、複数の材料からなる造形物を生成できる造形装置は存在しない。したがって、このような造形装置により、形成された造形物のやわらかさについては、造形物の形状により細い・薄いところがやわらかいということはあっても、基本的には均質である。

特許文献１においては、ＳＴＬフォーマットのデータの三角形ごとに触感データを付加し、三通りのやわらかさを実現する３次元造形方法が提案されている。しかし、これらはすべてＳＴＬフォーマットの表面を指示するデータに付随するものであるため、再現されるのは３次元造形物を表面から触った際の触感のみで、造形物体内部での触感の再現性は考慮されていない。したがって、手術の訓練のための生体模型など内部構造について必要とされる形状および構造を造形する場合には利用できない。細かい内部構造に関しても、例えば、柔らかさの属性を有するデータ構造とすることが必要であるが、そのようには対応されていない。

（ハ）造形可能形状の自由度の確保とサポート除去の手間の削減についての課題。
また、特許文献２、特許文献３では、形状内部についても、フルカラー化および金属やセラミックスなどの複数材料への対応が可能としているが、その積層方法では、オーバーハングのある物体を作製するためには、従来と同様にサポートの作製が必要である。

一般にサポートは、造形後に、物理的に折り取るか、溶剤で溶解除去する必要がある。生体など複雑な構造を造形した場合は、造形後にサポートの除去が困難となる場合が多い。つまり、この場合に、内部の空洞が外と連絡していないため溶剤が入らない、あるいは構造がもろくサポートを折り取る衝撃で造形物が破壊されてしまう、などの問題がある。このため、サポートについては、サポート不要あるいはサポートを容易に除去できることが必要である。

（ニ）造形精度の向上についての課題。
溶融物堆積法および光造形法のように、あらたな層を積層する前にひとつ下の積層表面のでこぼこをカッター等で削って平らにする工程が含まれている場合、造形物の細かい部分がむしれてしまい、造形できないという欠点がある。すなわち、あまり細かいものや細いものは造形できない。生体など複雑な構造を造形する場合は、薄い血管壁や０．１ｍｍ程度の骨の壁等の造形も必要である。

特に、柔らかい材料の場合、少ない材料を造形物の側に的確に保持することが困難である。例えば、細いノズルから材料を吐出する溶融物堆積法の場合には、吐出量が少ない場合には、ノズル先端から材料が離れにくく、造形物の側に定着しない。更に、一旦、造形物の側に定着した場合でも、近隣の柔らかい材料と融合して大きなボール状になってしまい、細かい形状が造形できないという問題点がある。

（ホ）造形時間の短縮についての課題。
従来における造形装置では、単一材料でしか造形ができないため、異なる材質から構成されるものを作製するには、材質毎に造形した部品を組み立てる方法を用いるしかないという問題がある。

ＲＰを再生医療（ティッシュエンジニアリング）に利用する場合の課題。
再生医療においては、細胞を培養して組織を形成するために、細胞が増殖する足場となる「スキャホールド」と呼ばれる骨格構造を必要とする。これは、細胞が増殖した後は生体に吸収される素材（ポリ乳酸やコラーゲン）で作られるが、生体の組織と同じ立体構造を持ち、しかも、細胞が多数増殖できる足場となるためには、細かい多孔質でなければならない。再生医療に利用する場合については、従来、スキャホールドとしてシート状のコラーゲンフォーム（発泡体）などが用いられてきたが、これでは、組織の立体形状を再現できない。そこで、近年、ＲＰが応用されつつあるが、いずれも単一素材によるスキャホールドの作成方法に留まる。

すなわち、現在、ＦＤＭの手法を用いる例（ドイツ Envisiontec GmBH、http://www.envisiontec.de/）や、骨の素材となるヒドロキシアパタイトとガラスをシート状にした材料を積層して任意形状の移植用骨片を造形する方法（Steidle, C. et al. (University of Dayton,U.S.A.) :Automated Fabrication of Custome Bone Implants Using Rapid Prototyping, Proc.of 44th International SAMPE Symposium and Exhibition, 1999. http://www.udri.udayton.edu/rpdl/Bone.htm )、ＲＰでスキャホールドの鋳型を作る方法（Sachlos, E. et al. (University of Oxford, UK) : Novel collagen scaffolds with predefined internal morphology made by solid freeform fabrication, Biomaterials, Vol. 24, No.8, pp. 1487-1497, Elsevier, 2003 )、細胞そのものをゲル状の「糊」で固めながら積層し臓器をまるごと「立体印刷」するアイディア
(Mironov, V. et al. (Medical University of South Carolina, U.S.A.):Organ printing: computer-aided jet-based 3D tissue engineering, TRENDS in Biotechnology, Elsevier, 2003) などが提案されている。しかし、上記の例は、最後の例を除き、いずれも単一素材によるスキャホールドの作成方法に留まる。

本発明は、これらの問題点を解決するためになされものであり、本発明の目的は、例えば、多色・多材料で、堅さが部分により異なる複雑な構造の立体物を造形することのできる３次元造形物の作製方法を提供することにある。また、再生医療（ティッシュエンジニアリング）にも利用できる立体的かつ多孔質であり、薬剤による機能を持たせた足場（スキャホールド）として利用できる３次元造形物を提供することにある。

上記のような目的を達成するため、本発明による３次元造形物の作製方法は、網構造の中に造形材料を保持できる保持シートに一層の複数種類の造形材料をそれぞれの造形位置に保持して固定し、固定された一層の造形材料の上に次層の保持シートを載置し、次層の保持シートに次層の複数種類の造形材料をそれぞれの造形位置に保持して固定し、造形材料の固定を順次に上の層について繰り返し行い、各層を積層した後に保持シートの溶解除去を行う。これにより、単数または複数の造形材料が多孔質の保持シート素材に保持された状態での造形された３次元造形物が得られる。多孔質の保持シート素材が溶解除去された後の３次元造形物は、多孔質の造形物となっており、立体的かつ多孔質であり、薬剤による機能を持たせるスキャホールドとして利用できる。

ここでの３次元造形物の作製方法において、保持シートは、多孔質シートまたは網構造シートであり、また、造形材料の固定は、粉末焼結、粉末凝固、溶融物堆積、光硬化、薄膜積層、インク噴射のいずれかの方法により行う。

また、ここでの３次元造形物の作製方法において、保持シートの除去は、熱あるいは溶媒によって、溶解除去する。前記造形材料を造形位置に保持する保持シートは、溶融物堆積法、あるいは薄膜積層法により形成する。一層の保持シートに保持する造形材料は、複数種類の材質の異なる造形材料または複数種類の着色された造形材料である。

このように、本発明による３次元造形物の作製方法においては、造形材料を保持する保持シートとして薄い多孔質シートまたは網状シートを用い、この保持シートに、造形物の各部位の材質に応じて、それぞれの色での、それぞれの材質での造形材料を保持シートの網構造の中に付着させて（含浸させて）保持し固定することで造形物の一層を形成し、この各層を積層することで３次元造形物を作製する。これにより、多色・多材料で、硬さが部分により異なる複雑な構造の立体物を精度良く造形することができる。

本発明による３次元造形物の作製方法により製造された３次元造形物は、製造された３次元造形物の中において除去された保持シートの網構造が空洞として残っている状態となっている。この空洞の大きさは、網構造の網の太さ、大きさなどを変えることで変更できる。これによって。製造された３次元造形物は、その堅さなどを材質の質感を希望するものとすることができる。

また、造形材料を保持する保持シート（多孔質シートまたは網状シート）の中に造形材料を付着させる場合は、ゼリー状の材料であっても流れてしまわない材料であれば、造形材料として利用できる。造形材料は、多孔質（網状）シートにより少量の柔らかい材料であっても定着性が良く、細かい形状が正確に造形できるものであれば利用できる。造形物の一層を形成し、形成した各層を積層することで３次元造形物を作製した後、造形材料を保持した保持シートの多孔質シートまたは網状シートは、熱あるいは溶媒によって、溶解除去する。部分的には、従来の薄板積層方式と同様に、カッターあるいはレーザなどによって不要部分を切除することで除去してもよい。多孔質シートが溶解除去された後は、保持シート部分は造形材料に穴となって残る。そこから溶剤が内部まで入り込むことができるため、造形物の３次元形状データ上は完全な内腔であっても、多孔質シートまたは網状シートの保持シートは除去できる。

ここで作製された３次元造形物の特徴は、多孔質の保持シートを除去（温度、圧力、溶剤（水、水＋分解酵素、有機溶剤等)、光などにより除去)した後に残る造形物は、シート素材の抜けたところが穴になるため、また多孔質になる。この造形物における多孔質の穴の大きさ、空間の密度は、もとになる多孔質シートの密度で調整可能である。従って、細胞の足場であるスキャホールドを造形するのに好適に利用できる。これは、細胞が多数、立体的に増殖するためには多孔質でなければならないという要件を満たすものとなっており、更にまた、複数の造形材料を使えるため、異なる細胞分化を誘導する複数の薬剤を立体的に配置することが可能となる。

本発明の３次元造形物の作製方法によれば、多色・多材料で、堅さが部分により異なる複雑な構造の立体物を造形することができる。特に、人体・動物の生体模型などの材質が各部位で異なる立体物を造形する場合に好適に利用できる３次元造形物の作製方法が提供される。

次に、本発明を実施するための一形態について、図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の３次元造形物の作製方法における第１層の造形工程を説明する図であり、図２は、第１層の工程に続く第２層の造形工程を説明する図である。また、図３は、それぞれの層を積層した後の保持シートを除く後工程を説明する図である。

本発明の３次元造形物の作製方法は、既存の例えばインクジェット方式の造形装置を用いて、次のような各工程（ａ）〜（ｄ）により造形作業を行う。すなわち、
（ａ）造形する造形物構造における色および材質データを含む３次元データの準備、
（ｂ）３次元データにそれぞれ対応する造形材料の準備、
（ｃ）各層ごとの造形物の造形および積層工程、
（ｄ）造形作業および積層作業の終了後に保持シートを除去する後工程、
の各工程の作業の順にそれぞれの工程の作業が行われて、３次元造形物が作製される。

（ａ）造形物の３次元データの準備、
人体模型を作製する場合には、造形物の３次元データとしては、ＣＴ画像のような断層画像を用いる。この場合には、断層画像の１画素ごとに、３次元造形において利用する物質情報（造形材料）を記述した３次元データを作成する。例えば、ヒトの鼻腔−頭蓋底部分を造形する場合には、空気・骨・粘膜・血管・神経・筋肉・脂肪・皮膚・腫瘍などの各部分を、ＣＴ画像データのＣＴ値や位置から判別して、各々に異なる材質を表す符号（材質データ）を付与する。これらの符号は、例えば、血管および脂肪などの部位についてはそれぞれに着色したシリコンゴム、腫瘍部についてはゼリー状またはグリース状の材料、骨部分については炭酸カルシウムにバインダーを練り込んだ骨部材料などの造形材料を指示するために、それぞれに対応して定められている符号である。符号のデータが付与された３次元データの断層画像から、造形する各層の厚みに対応して、切り分けた断面画像（例えばｘ枚)を作製する。

また、造形物を作製するための３次元データが、閉鎖された多角形（ＳＴＬフォーマットのデータ等、継ぎ目がなく内外がはっきり分かれている形状データであり、これをwater tightであると言う）で構成される物体のデータ（閉鎖多面体データ）である場合には、各閉鎖多面体について材質を表す符号を付与し、それを各層（造形材料を保持する保持シート）の厚みにより切り分けた断面画像を作製する。

（ｂ）３次元データのそれぞれ対応する造形材料の準備工程、
ここでの造形材料を保持する保持シートとしては、網構造の中に造形材料を保持できる多孔質シートを用いる。多孔質シートの材料としては、例えば、水溶性の寒天や水溶性グルコマンナンを用いる。凍結乾燥すれば、多孔質シートとして容易に成型可能である。硬い骨部分を造形する造形材料としては、貝殻を細かく砕いたものなど、炭酸カルシウムの粉をバインダー（固着用の材料、水に溶けない樹脂系の接着剤あるいは熱硬化性樹脂など）に練り込んだものを用いる。また、柔らかい部位の粘膜・血管・神経・脂肪・皮膚・腫瘍部分を造形する材料としては、例えば、各部分用にそれぞれの材質を表すために着色した柔らかさの異なるシリコンゴムを用いる。シリコンゴムとしては、熱硬化型あるいは硬化剤で硬化させるものを用いることができる。更に、必要であれば、サポート材料としてニカワなど水溶性の物質を用いることができる。

また、その他に、網構造の多孔質シートの材料として、でんぷん糊、たんぱく質を主成分とするスポンジ（スポンジケーキや麩など）を用いることができ、また、ティッシュエンジニアリング（再生医療）において応用できる材料を用いることができる。

この場合には、造形材料を固定するためのバインダーとしては、ポリ乳酸やコラーゲンなど、ティッシュエンジニアリング（再生医療）で利用される生体適合性材料（生体内で分解する素材）を用い、多孔質シートの材料としては水溶性の生体適合性材料を用いる。

ティッシュエンジニアリングでは、細胞を培養するための足場となる「スキャホールド（scaffold）」が必要であり、スキャホールドは多数の細胞を収容するために多孔質構造であることが望ましい。例えば、腫瘍等で切除した部分の骨を再生するためには、欠損部の骨の形をしたスキャホールドに幹細胞を植えつけ、患者の体内に移植することで対応できる。

このスキャホールドの作製方法として、ＲＰが有効である。現在、ＦＤＭの手法を用いる例（ドイツEnvisiontec GmBH）や、ＲＰとロストワックス法を組み合わせて型を作る方法（Sacholos, E. et al., University of Oxford, UK, 2003）、細胞そのものをゲル状の「糊」で固めながら積層する提案がある。

本発明による３次元造形物の作製方法を適用する場合には、水溶性材料からなるメッシュシートを用い、硬い骨部分の材料として骨の主成分であるリン酸カルシウム・ヒドロキシアパタイトなどを生体適合性材料に練り込んだものを用い、血管などの組織を形成すべき部分の材料として、例えば、それぞれの組織への細胞分化を促す作用のある物質を練り込んだ生体適合性材料を用いる。

（ｃ）各層ごとの造形物の造形および積層の作業工程（図１〜図３参照）、
（工程１）造形材料を保持する保持シート（多孔質シート）を台座の上に１枚（１層分）敷く。
（工程２）保持シートの上にその層に相当する断面画像を印刷する。すなわち、各部の材質データに対応して準備したそれぞれの造形材料で印刷する。この場合、インクジェットプリンタのようにプリンタヘッドから液状の材料を吐出して断面画像を印刷する。また、溶融物堆積法のように細いノズルから材料を押し出して断面画像を印刷するようにしてもよい。ここでの造形材料を保持する保持シートは十分薄いので、直下の層と現在の層とは材料が接着する。わずかな隙間（例えばシート１枚分の厚み）を隔てて隣接する部分が融合するのを完全に防ぐためには、間にサポート材料を入れておく。
（工程３）保持シートに保持されている１層分の造形材料を固定させる。これは、乾燥することにより、熱を加えることにより、または時間の経過により固化させる。
（工程４）次に、必要であれば、シート表面をカッターにより削り平滑化する、またはアイロンのようなもので押しつけて平滑化する。平滑化した層の上に次層の保持シートを敷いて、工程２からの処理を各層に対応して作業する。
（工程５）前記した（工程１）〜（工程４）を、必要な枚数（Ｘ枚）繰り返して、断面画像の印刷によって保持シートに各造形材料を固定した各層を積層する。

（ｄ）各層の造形作業および積層作業の終了後に保持シートを除去する後工程、
前記の（工程５）によって、保持シートを含む各層が積層された状態で、３次元造形物が作製されたので、保持シートを除去する。保持シートとして水溶性の素材を利用している場合には、この作製された造形物を例えばぬるま湯に保持シートの積層物（内部に造形物が入っている）を漬けて、保持シート（多孔質シート）が溶解した後に、３次元造形物を取り出す。取り出された３次元造形物は、その３次元造形物の中において前記除去された保持シートの網構造が空洞として残っている状態となっている。

前述した多孔質シートとして水溶性の生体適合性材料を用いた場合、シートのメッシュが溶解した後に、生体適合性材料でできた造形物が得られる。メッシュが溶解した跡に残る造形物もまた多孔質スポンジ状の構造となり、スキャホールド（細胞の足場）としての要件を満たすことになる。

例えば、バインダーとしてポリ乳酸やコラーゲンなど、ティッシュエンジニアリング（再生医療）で利用される生体適合性材料（生体内で分解される素材）を用い、多孔質シートの材料として水溶性の生体適合性材料を用いる。人体の各部位の模型を作製する場合、例えば、硬い骨部分の材料として骨の主成分であるリン酸カルシウム・ヒドロキシアパタイトなどを生体適合性材料に練り込んだものを用い、血管などの組織を形成すべき部分の材料として、例えばそれぞれの組織への細胞分化を促す作用のある物質を練り込んだ生体適合性材料を用いる。このような材料を網構造の多孔質保持シートにより材料に応じてそれぞれの所定位置に保持して固定した各層を積層して３次元造形物を作製する。

そして、造形材料の保持シートである多孔質シートを溶解除去すると、生体適合性材料でできた造形物が得られる。メッシュが溶解した跡に残る造形物もまた多孔質スポンジ状の構造となり、スキャホールド（細胞の足場）としての要件を満たすことができ、作製された３次元造形物は、再生医療に利用できる。造形材料である生体適合性材料に練り込まれた諸物質は、生体適合性材料が生体内で吸収される際に徐々に放出されるため、血管生成を促す物質などを練り込んでおけば、血管走行の誘導も可能となる。

このように、網構造の中に造形材料を含浸させて保持する保持シートとして、薄い多孔質シートに造形材料を含浸させ固着させて保持し、これを積層することで、多色・多材料で、色・質感・硬さが部分により異なる立体物を造形することができる。造形材料の多孔質(網状)シートへの固着方法は、粉末焼結、粉末凝固、溶融物堆積、光硬化、薄膜積層、インク噴射など、これを問わない。通常なら流れてしまうようなやわらかい液体状の材料でも、多孔質シートに付着する分量は造形材料として利用できるため、材料の選択の幅が格段に広がる。

多孔質シートそのものが、サポートの役割を果すため、わざわざサポートを造形する必要はない。多孔質（網状）シートは、熱あるいは溶媒によって溶解する材質で作製しておくので、造形後に容易に除去することができる。また、保持シートは、従来の薄板積層方式と同様に、カッターあるいはレーザなどによって不要部分を切除してもよい。多孔質シートが溶解除去された後は、造形材料に穴となって残り、そこから溶剤が造形物の内部まで入り込むことができるため、データ上は完全な内腔であっても、多孔質（網状）シートは除去が可能である。もしどうしても必要であれば、多孔質シートと同様、熱あるいは溶媒によって溶解する材質でサポートを造形しておけばよい。

また、造形材料は多孔質シートに絡まって定着されるため、次の層を積層する前にカッター等で層の表面を削って平滑にする場合であっても、造形物の細かい部分がむしれてしまうことはない。また、少量の材料や液状材料でも、多孔質シートに絡めて定着させるため、定着し損ない、大きなボール状に融合してしまうことを防ぎ、より精密な形状を再現することができる。多様な素材で構成される複雑な内部構造を持ったものを、一度に短時間で造形することができる。

造形材料として固化する前の柔軟材料は液状であり、近接して配置すると、互いに融合してくっついてしまう可能性がある場合には、これを防止するために、あらかじめ「セパレータ」材料により、柔軟材料の間に壁を作っておけば、望まない材料の融合が防げる。このセパレータは、サポートと同じ、溶媒あるいは水あるいは所定の温度で解ける材料で作製すればよい。

図４に、本発明の３次元造形物の作製方法により作製された肝臓模型の縦断面図を示している。図４に示す３次元造形物の肝臓模型は、柔らかい造形材料で造形される肝臓本体２０１の部位と、肝臓本体より丈夫な造形材料で造形された血管部分２０２と、血管部分２０２よりは更に硬い造形材料で造形された腫瘍部分２０３から構成されたものとなっている。このように複数種類のそれぞれに材質の異なった部位から構成される３次元造形物が、積層構造により作製される。

本発明による３次元造形物の作製方法は、ＲＰ（ラピッド・プロトタイピイング）技術が対象とする粉末焼結、粉末凝固、溶融物堆積、光造形、薄膜積層などに適用できる。また、この３次元造形物の作製方法によると、精密な生体模型が造形できるので、作製された生体模型は、医療教育、手術シミュレーション、手術器具開発、インフォームドコンセント用の生体模型として利用できる。

多孔質シートを除去した後に残る造形物は、シートの抜けたところが穴になるため、また多孔質になる。造形物の多孔質の穴の大きさ、空間の密度は、もとになる多孔質シートの密度で調整可能である。従って、細胞の足場であるスキャホールドを造形するために、本発明は好適に利用できる。

さらに、複数の造形材料を使用できるため、例えば、異なる細胞分化を誘導するための種々の薬剤などをそれぞれ造形材料に混合しておけば、異なる薬剤が立体的に配置された造形物を作成することが可能である。これにより、造形材料が生体内で分解される課程で徐々に含まれている薬剤が放出され、望む場所に血管を誘導し、組織の分化を促進するために利用できる。

本発明の３次元造形物の作製方法における第１層の造形工程を説明する図である。 第１層の工程に続く第２層の造形工程を説明する図である。 それぞれの層を積層した後の保持シートを除く後工程を説明する図である。 本発明の３次元造形物の作製方法により作製された肝臓模型の縦断面図である。

Claims (8)

1. 網構造の中に造形材料を保持できる保持シートに一層の複数種類の造形材料をそれぞれの造形位置に保持して固定し、
   前記固定された一層の造形材料の上に次層の保持シートを載置し、
   前記次層の保持シートに次層の複数種類の造形材料をそれぞれの造形位置に保持して固定し、
   前記造形材料の固定を順次に上の層について繰り返し行い、
   各層を積層した後に保持シートの除去を行う
   ことを特徴とする３次元造形物の作製方法。
2. 請求項１に記載の３次元造形物の作製方法において、
   前記保持シートは、多孔質シートまたは網構造シートである
   ことを特徴とする３次元造形物の作製方法。
3. 請求項１に記載の３次元造形物の作製方法において、
   造形材料の固定は、粉末焼結、粉末凝固、溶融物堆積、光硬化、薄膜積層、インク噴射のいずれかの方法により行う
   ことを特徴とする３次元造形物の作製方法。
4. 請求項１に記載の３次元造形物の作製方法において、
   前記保持シートの除去は、熱あるいは溶媒によって、溶解除去する
   ことを特徴とする３次元造形物の作製方法。
5. 請求項１に記載の３次元造形物の作製方法において、
   前記造形材料を保持する保持シートは、溶融物堆積法、あるいは薄膜積層法により積層する
   ことを特徴とする３次元造形物の作製方法。
6. 請求項１に記載の３次元造形物の作製方法において、
   前記一層の保持シートに保持する造形材料は、複数種類の材質の異なる造形材料または複数種類の着色された造形材料である。
   ことを特徴とする３次元造形物の作製方法。
7. 請求項１に記載の３次元造形物の作製方法により製造された３次元造形物であって、
   製造された３次元造形物の中において前記除去された保持シートの網構造が空洞として残っている
   ことを特徴とする３次元造形物。
8. 積層構造の３次元造形物であって、
   ３次元造形物を構成する積層構造の各層における複数種類の造形材料が網構造の保持シートの中でそれぞれの造形位置に保持された状態で固定されており、
   前記積層構造の各層における前記保持シートが除去された状態で当該保持シートの網構造が空洞となっている
   ことを特徴とする３次元造形物。