JPWO2008053866A1 - 樹脂成型方法および樹脂成型装置 - Google Patents
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Abstract
Description
一方で、金属の鋳造に用いられているロストワックス技術を用いた樹脂成型法が開発されている。これは、三次元造形機を用いてワックス原型を製作し、これに金属や無機材料の粉末を吹き付けて固め、加熱・焼結してワックスを除き鋳型とするものである。この鋳型に溶媒に溶かした樹脂を含浸させ乾燥させた後(以下、方法Aと称する)、或いは、高圧で溶融した樹脂を充填固化させた後(以下、方法Bと称する)、酸などの薬品により鋳型を溶解し、目的物を得る方法である。
また、得られた目的物(成型体)の内部および表面に残留した気泡により、意図した形状や強度を維持できない。鋳型の構造が規則的で空間率が大きい(樹脂を含浸させて乾燥し、出来上がった目的物は、逆に樹脂の比率が多くなる)場合には特に問題とならないが、鋳型の構造が不規則な形状で内部構造を持ち空間率が小さい場合には、樹脂を均一に含浸させることは困難である。
また、溶媒に溶かす樹脂の濃度は20〜30%が限度であり、かつ粘性が上がると含浸させるのに時間がかかり、かつ分布が不均一となる。乾燥時には70〜80%を占める溶媒を除去せねばならず、鋳型内の樹脂に体積の減少が起こり、変形が生じる場合がある。
更に、溶媒の完全な除去は困難であり、残留による問題および鋳型溶解後に長期的な形状変化が生じる可能性がある。
上述の問題点は、特に本発明の主たる利用分野である細胞培養、医療材料としての安全性、適合性に欠ける結果をもたらすことになる。
先ず、前述の方法Aと同様、鋳型に樹脂が隙間なく均一に充填されていることを確認できる手段がない。特に、鋳型がその内部構造内に微小な空間が存在する場合は尚更である。
また、充填時に高圧を加えることから残留空気は圧縮されて体積減少を起こし、鋳型から空気が容易に抜けなくなる。一見、気泡を含まないように見える成型体が得られるが、高圧空気の残留による変形が、鋳型除去後に生じるリスクがある。
また、鋳型内の空気が圧縮されて一部に集中し、樹脂の充填されない領域が生じる可能性もある。鋳型の構造によっては、充填時の圧力(通常、2〜4MPa)により鋳型のマクロな破壊が起こる可能性もある。
更に、三次元プリンタで製作された任意形状の鋳型で外形まで忠実に再現しようとすると、鋳型ごとの外形に合わせた金型が必要となるといった問題もある。
また、樹脂成型体を加熱処理するにあって、真空乾燥器の槽内空気を一旦排気し、その後、不活性ガスを流通して行うことに拠り、酸素酸化の懸念がなく、かつ、樹脂成型体が均一に処理される方法が知られている(特許文献3)。
しかしながら、これらの先行技術では、鋳型の構造が不規則な形状で、且つ内部構造を持ち空間率が小さい場合において、鋳型に樹脂を均一に注入し成型できるものではなかった。
ここで、基準圧力に戻す工程の後、更に生分解性樹脂中から鋳型を取り出して冷却する工程と、溶剤で鋳型を除去する工程とを経て、目的の形態の生分解性樹脂を成型する。
また、生分解性樹脂が溶融状態のまま基準圧力に戻す理由は、鋳型の内部に空間が残っている場合でも、溶融状態で基準圧力に戻す際に生分解性樹脂が空間に浸入し、不規則な構造を持つ部分にも完全に充填できるようにするためである。なお、基準圧力は、例えば大気圧である。
また、生分解性樹脂が溶融状態のまま基準圧力に戻すことから、射出成型に見られるような成型後のウェルドの発生リスクがなく、原型で意図した形状、表面状態、強度の再現が可能となるのである。
鋳型を生分解性樹脂の表面に配置して再び減圧する理由は、鋳型内部構造内に含まれる気体を除去するためである。
ここで、固形の生分解性樹脂を樹脂容器に入れ、充分に減圧した後に生分解性樹脂を溶融させることも可能である。
また、鋳型を保持する容器が少なくとも1以上の鋳型を配設し得る構成とされ、樹脂容器と連結・分離させる工程を更に備えることにより、複数の鋳型に連続して生分解性樹脂を含浸させ生分解性樹脂を成型することができ、生産効率を向上できる。
また、内部に生分解性樹脂を入れる樹脂容器は、真空手段と連結され、容器全体として密封状態になり得るものである。樹脂容器は、容器内部に樹脂や鋳型を出し入れすべく開閉部を有する構成となっている。例えば、容器の上部が開口しており、開口部を上蓋で閉じるような構成である。
また、生分解性樹脂が溶融状態のまま基準圧力に戻すことにする理由は、鋳型の内部に空間が残っている場合でも、溶融状態で基準圧力に戻す際に生分解性樹脂が空間に浸入し、不規則な構造を持つ部分にも完全に充填できるようにするためである。
また、生分解性樹脂が溶融状態のまま基準圧力に戻すことから、射出成型に見られるような成型後のウェルドの発生リスクがなく、原型で意図した形状、表面状態、強度の再現が可能となるのである。
また、鋳型を保持する容器に少なくとも1以上の鋳型を配設し得る手段と、前記樹脂容器と連結・分離し得る手段とを更に備えることにより、複数の鋳型に連続して生分解性樹脂を含浸させ生分解性樹脂を成型することができ、生産効率を向上できる。
特に、成型体に袋小路になった部分を有する構造である場合に、この袋小路になった部分への樹脂注入が可能となる効果がある。
先ず、三次元造形機を用いてワックス(WAX)原型を製作する。三次元造形機は、三次元CADを用いてWAX型(第1の鋳型)の三次元形状モデル設計を行い、三次元データをスライスデータに変換し、スライスデータおよびワックス(WAX)樹脂を用いて三次元積層造形を行ってWAX型(第1の鋳型)を得る。
次に、ハイドロキシアパタイト懸濁液をWAX型(第1の鋳型)に注入し、重合反応を行わせて懸濁液を硬化させる。そして、ワックス(WAX)を熱分解・除去して、ハイドロキシアパタイト懸濁液が注入されたWAX型(第1の鋳型)を焼結させ、ハイドロキシアパタイト型(HA型)を得る。
得られたHA型を鋳型(第2の鋳型)として利用して、HA型(第2の鋳型)に生分解性高分子(例えば、ポリ乳酸樹脂)を注入する。かかるHA型(第2の鋳型)の構造が、不規則な形状で内部構造を持ち空間率が小さい場合、樹脂を均一に含浸させることは非常に困難である。特に、利用分野として細胞培養器、骨補填材の場合、鋳型は内部に連通孔を持つ複雑な構造となる。
そのため、HA型(第2の鋳型)に生分解性高分子(ポリ乳酸樹脂)を本発明の樹脂成型方法および樹脂成型装置を用いて注入する。
図1に示されるように、先ず、生分解性樹脂(例えば、ポリ乳酸樹脂)を試験管に入れ、加熱器で融点(170℃)より高い温度で融解する(図1(1),図2のステップS10)。
次に、真空乾燥器によりポリ乳酸樹脂の周辺雰囲気を1333Paに減圧脱気する(図1(2),図2のステップS20)。
次に、大気圧に戻してHA型(第2の鋳型)をポリ乳酸樹脂の表面に配置する(図1(3),図2のステップS30)。
次に、再び減圧してHA型(第2の鋳型)をポリ乳酸樹脂中に沈降させ(図1(4),図2のステップS40)、約10〜60分間放置する(図2のステップS50)。
そして、ポリ乳酸樹脂が溶融状態のまま大気圧に戻し(図1(5),図2のステップS60)、その後にポリ乳酸樹脂からHA型(第2の鋳型)を取り出して冷却し(図1(6),図2のステップS70)、最後に酸若しくは脱灰液などの溶剤でHA型(第2の鋳型)を除去する(図1(7),図2のステップS80)。
これらの処理工程を経て、目的とするポリ乳酸樹脂の成型体を得るのである。
図7は、HA型を鋳型として樹脂にPLGA(乳酸・グリコール酸共重合体)を用いて成型したPLGA成型体について、(1)に従前の溶媒に溶かした樹脂を鋳型に含浸・乾燥させ成型した場合のμ-CT画像データを、(2)に本発明の樹脂成型方法 により成型した場合のμ-CT画像データを、それぞれ最も中が抜けている断面例(A)と最も良好な断面例(B)の2画像ずつ示している。なお、μ-CT画像データの断面の円の直径は5mmである。
先ず、PLGAに酢酸エチルを加え、25vol%の溶液を作製する。次に、HA型に作製した溶液を加え、減圧条件にすることで、HA型内部に溶液を浸潤させる。80℃で加温・減圧下で固化させる。最後に、カッターで整形し、脱灰処理を施して成型体を得る。
一方、本発明の樹脂成型方法の場合、図1に示すように試験管にPLGA樹脂を適量入れ、減圧条件でPLGA樹脂を溶融し(温度120℃)、HA型を投入する。そして、減圧条件に戻して、しばらく静置しておくと試験管の底までHA型が沈降する。試験管から取り出し、HA型を冷却して固化させ、カッターで整形、脱灰処理を施して成型体を得る。
図7のμ-CT画像データから、本発明の樹脂成型方法 により成型した場合の方が、溶媒に溶かした樹脂を鋳型に含浸・乾燥させ成型した場合よりも、鋳型にPLGA樹脂を均一に注入し成型できていることが確認できる。
先ず、PLLAにクロロホルムを加え、25vol%の溶液を作製する。次に、HA型に作製した溶液を加え、減圧条件にすることで、HA型内部に溶液を浸潤させる。70℃で加温・減圧下で固化させる。最後に、カッターで整形し、脱灰処理を施して成型体を得る。
一方、本発明の樹脂成型方法の場合、図1に示すように試験管にPLGA樹脂を適量入れ、減圧条件でPLLA樹脂を溶融し(温度180℃)、HA型を投入する。そして、減圧条件に戻して、しばらく静置しておくと試験管の底までHA型が沈降する。試験管から取り出し、HA型を冷却して固化させ、カッターで整形、脱灰処理を施して成型体を得る。
図8のμ-CT画像データから、本発明の樹脂成型方法 により成型した場合の方が、溶媒に溶かした樹脂を鋳型に含浸・乾燥させ成型した場合よりも、鋳型にPLLA樹脂を均一に注入し成型できていることが確認できる。
1)先ず、真空乾燥機1の内部の加熱器2を200℃に設定し、樹脂容器4の中に樹脂3としてポリ乳酸樹脂を入れ、真空ポンプ6を用いて真空乾燥機1の内部を1333Paに減圧する。ここで、ポリ乳酸樹脂の融点は170℃である。
2)樹脂3(ポリ乳酸樹脂)が融解したら、真空乾燥機1を大気圧に戻して、樹脂3の表面に鋳型5を置く。ここで、鋳型5は、上記のHA型(第2の鋳型)に対応する。
3)再び真空乾燥機1の内部を1333Paに減圧し、鋳型5がポリ乳酸樹脂の中に沈降するまで放置する。
4)約10〜60分後、鋳型5から気泡の発生が止まれば、真空乾燥機1の内部の気圧を大気圧に戻す。図3はこの状態を示している。図3において鋳型5には多数の連通孔(空孔)15が存在する場合でも、充分に樹脂3が含浸されるのである。
5)鋳型5を樹脂から引き上げて、鋳型5の表面の余分な樹脂を除いて冷却する。
6)樹脂の充填された鋳型5を、酸若しくは脱灰液などの溶剤で処理して、成型体を取り出す。
加熱炉8は上蓋10によって密閉され、上蓋10のジョイント11を介して真空ポンプ(図示せず)と連結される。この真空ポンプにより加熱炉8の内部を真空状態にすることができ、樹脂容器4a内の樹脂3を溶融し減圧脱気するのである。
先ず、樹脂容器4a内の樹脂3を加熱器2bで熱を加えることにより溶融し(ステップS10)、上蓋10のジョイント11を介して真空ポンプを用いて減圧脱気する(ステップS20)。次に、一旦大気圧に戻し上蓋10を開けて、鋳型5を樹脂3の表面に配置する(ステップS30)。再び減圧して鋳型5を樹脂3中に沈降させ(ステップS40)、所定時間放置する(ステップS50)。樹脂3が溶融状態のまま大気圧に戻し(ステップS60)、その後に上蓋10を開けて、樹脂3から鋳型5を取り出して冷却する(ステップS70)。最後に溶剤で鋳型5を除去する(ステップS80)。
本実施例2は、複数の鋳型を同時に成型できる樹脂成型装置の一例を示す。
図5に示されるように、実施例2は、複数の鋳型を鋳型ホルダに入れて、減圧しながら樹脂を溶融させるものである。鋳型ホルダ7内には4つの鋳型5が存在している。ヒータ(2b,2c)は、加熱炉8a内と鋳型ホルダ7内に設けている。加熱炉8a内のヒータ2bは樹脂容器を加熱し樹脂を溶融するものである。また、鋳型ホルダ7内のヒータ2cは鋳型5を加熱し、鋳型内での樹脂の流動性を確保するものである。
鋳型ホルダ7は、加熱炉8aと連結管13を介して連結・分離可能な構成とされており、鋳型がセットされた鋳型ホルダ7を交換し、樹脂容器4b内に樹脂3を補充することで、連続したプロセスを可能としている。
充分に減圧を行った後に、樹脂容器4bを大気圧に開放すると、鋳型内と溶融した樹脂液面の圧力差で、樹脂が鋳型に吸い込まれ成型されるのである。
先ず、固形樹脂ペレット若しくは液状の樹脂を樹脂容器4bに入れ、真空ポンプ(図示せず)により充分に減圧する。この時、連結管13を介して連結されている鋳型ホルダ7および鋳型5内も充分に減圧される。固形樹脂ペレットの場合、ヒータ2bを用いて樹脂を溶融させる。
次に、樹脂容器4bを大気圧に開放すると、溶融した樹脂3が圧力差によって連結管13を上昇し、鋳型5に吸い込まれる。ヒータ2cで鋳型5の周囲を加熱することにより、鋳型5内の樹脂3の流動性が確保され、鋳型5に樹脂3を充分に含浸させ、均一に注入することができるのである。
また、鋳型5の形状表面からはみ出た樹脂は、その自重により鋳型ホルダ7内の下部に溜まるため、実施例1のように樹脂から鋳型を取り出すような作業が必要ではなくなり、作業効率が向上する。
その後、鋳型ホルダ7内の鋳型5を冷却し、鋳型5を鋳型ホルダ7から取り出し、酸若しくは脱灰液などの溶剤で処理して、成型体を得るのである。
本実施例3は、複雑な外形を成型できる樹脂成型装置の一例を示す。
図6に示されるように、実施例3は、耐熱性ゴム膜(12a,12b)で覆われた鋳型5aを、外側も減圧できる鋳型ホルダ(7a,7b)に配設し、上記実施例2と同様に樹脂3を充填した後に、外側を大気圧に開放することで耐熱性ゴム膜(12a,12b)を鋳型5aに密着させ、これにより余分な樹脂3を除去して、外形を忠実に再現した成型体を得ることを可能とするものである。
図6(1)において、鋳型5aは、耐熱性ゴム膜(12a,12b)で覆われている。この耐熱性ゴム膜(12a,12b)には、内側(ここでは鋳型5aの存在する側を耐熱性ゴム膜の内側と見る)に樹脂を流入できる機構と、耐熱性ゴム膜(12a,12b)の内側を減圧できる機構が接続されている(かかる機構は図示していない)。また、耐熱性ゴム膜12aは、鋳型ホルダ7aに配設し、耐熱性ゴム膜12bは、鋳型ホルダ7bに配設している。耐熱性ゴム膜(12a,12b)の外側(ここでは鋳型5aの存在しない側を耐熱性ゴム膜の外側と見る)も減圧できる機構としている。減圧できる機構とは、例えば真空ポンプなどである。
次に、耐熱性ゴム膜(12a,12b)の内側に樹脂3を流入し(図中に矢印で示している)、鋳型5aに樹脂3を浸透させる。
この状態で、図6(2)のように、耐熱性ゴム膜(12a,12b)の外部の圧力を大気圧に開放すると、耐熱性ゴム膜(12a,12b)が収縮して鋳型5aに密着する。この時、鋳型5aの周囲からの圧力により、樹脂3が鋳型5a内部まで充分に浸透する。また同時に余分な樹脂3は鋳型5aから除去される。
その後、冷却したのち、再度、耐熱性ゴム膜(12a,12b)の外側を減圧することにより、樹脂が含浸した鋳型5aを取り出す。酸若しくは脱灰液などの溶剤で処理して、成型体を得るのである。
2,2a,2b,2c 加熱器(ヒータ)
3 樹脂
4,4a,4b 樹脂容器
5,5a 鋳型
6 真空ポンプ
7,7a,7b 鋳型ホルダ
8,8a 加熱炉
9 ローリング
10 上蓋
11 ジョイント
12a,12b 耐熱性ゴム膜
13 連結管
14 流路管
15 連通孔(空孔)
Claims (18)
- 内部空隙率が30%以下の不規則な立体形状を有する鋳型に生分解性樹脂を含浸させスカフォールドとしての樹脂を成型する方法であって、樹脂容器内の生分解性樹脂を加熱して溶融する工程と、溶融状態の生分解性樹脂および前記鋳型の周辺雰囲気を減圧脱気する工程と、減圧脱気状態のまま前記生分解性樹脂中に前記鋳型を少なくとも10分以上放置させる工程と、前記生分解性樹脂が溶融状態のまま前記鋳型の周辺雰囲気を基準圧力に戻す工程とを備えたことを特徴とする樹脂成型方法。
- 前記内部空隙率が30%以下の不規則な立体形状を有する鋳型は、ワックス(WAX)で成形された第1の鋳型に、ハイドロキシアパタイト懸濁液を前記第1の鋳型に注入して重合反応を用いて懸濁液を硬化させた後、前記第1の鋳型を焼結させて得られたハイドロキシアパタイトで成形された第2の鋳型であることを特徴とする請求項1に記載の樹脂成型方法。
- 前記生分解性樹脂は、ポリ乳酸樹脂、ポリグリコール酸樹脂、乳酸とグリコール酸の共重合体樹脂から選択されたいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の樹脂成型方法。
- 前記鋳型の立体形状の大きさが5〜10mmのものであることを特徴とする請求項1に記載の樹脂成型方法。
- 前記基準圧力に戻す工程の後、更に生分解性樹脂中から前記鋳型を取り出して冷却する工程と、溶剤で前記鋳型を除去する工程とを備えたことを特徴とする請求項1に記載の樹脂成型方法。
- 前記生分解性樹脂中に前記鋳型を少なくとも10分以上放置させる工程において、生分解性樹脂を溶融し減圧脱気する工程後、一旦基準圧力に戻して前記鋳型を生分解性樹脂の表面に配置し、再び減圧して前記鋳型を生分解性樹脂中に沈降させることを特徴とする請求項1に記載の樹脂成型方法。
- 前記生分解性樹脂中に前記鋳型を少なくとも10分以上放置させる工程において、前記生分解性樹脂を溶融し減圧脱気する工程後、前記生分解性樹脂が溶融状態のまま基準圧力に戻す工程による作用で、前記鋳型を保持する容器に前記生分解性樹脂を移動させ、溶融した前記生分解性樹脂を前記鋳型に吸い込ませることを特徴とする請求項1に記載の樹脂成型方法。
- 前記鋳型を保持する容器が少なくとも1以上の鋳型を配設し得る構成とされ、前記樹脂容器と連結・分離させる工程を更に備えることにより、複数の鋳型に連続して生分解性樹脂を含浸させスカフォールドを成型し得ることを特徴とする請求項7に記載の樹脂成型方法。
- 前記鋳型の周囲を耐熱性ゴム膜で覆い、前記ゴム膜内側に溶融した生分解性樹脂を充填させる工程と、前記ゴム膜外側を減圧する工程とを更に備え、前記ゴム膜外側を減圧した状態で生分解性樹脂中に前記鋳型を少なくとも10分以上放置させ、前記ゴム膜外側を基準圧力に戻すことで前記ゴム膜を鋳型に密着させ余分な生分解性樹脂を除去し得ることを特徴とする請求項1に記載の樹脂成型方法。
- 内部空隙率が30%以下の不規則な立体形状を有する鋳型に生分解性樹脂を含浸させスカフォールドとしての樹脂を成型する装置であって、内部に生分解性樹脂を入れる樹脂容器を備えた装置であって、内部を減圧し得る真空手段と、内部を脱気し得る乾燥手段と、生分解性樹脂を溶融し得る加熱手段とを備え、前記加熱手段を用いて生分解性樹脂を溶融し、前記真空手段と乾燥手段により内部を減圧脱気後、生分解性樹脂中に前記鋳型を少なくとも10分以上放置し、生分解性樹脂が溶融状態のまま前記鋳型の周辺雰囲気を基準圧力に戻すことによりスカフォールドの成型体を得ることを特徴とする樹脂成型装置。
- 前記内部空隙率が30%以下の不規則な立体形状を有する鋳型は、ワックス(WAX)で成形された第1の鋳型に、ハイドロキシアパタイト懸濁液を前記第1の鋳型に注入して重合反応を用いて懸濁液を硬化させた後、前記第1の鋳型を焼結させて得られたハイドロキシアパタイトで成形された第2の鋳型であることを特徴とする請求項10に記載の樹脂成型装置。
- 前記生分解性樹脂は、ポリ乳酸樹脂、ポリグリコール酸樹脂、乳酸とグリコール酸の共重合体樹脂から選択されたいずれかであることを特徴とする請求項10に記載の樹脂成型装置。
- 前記鋳型の立体形状の大きさが5〜10mmのものであることを特徴とする請求項10に記載の樹脂成型装置。
- 前記生分解性樹脂中に前記鋳型を少なくとも10分以上放置させる場合において、装置内部を減圧脱気後、一旦基準圧力に戻して前記鋳型を前記生分解性樹脂の表面に配置させる手段を更に備え、再び装置内部を減圧して前記鋳型を前記生分解性樹脂中に沈降させることを特徴とする請求項10に記載の樹脂成型装置。
- 前記生分解性樹脂中に前記鋳型を少なくとも10分以上放置させる場合において、内部に前記鋳型を保持し得る容器を更に備え、装置内部を減圧脱気後、前記生分解性樹脂が溶融状態のまま基準圧力に戻す作用で、前記鋳型を保持する容器に前記生分解性樹脂を移動させ、溶融した前記生分解性樹脂を前記鋳型に吸い込ませることを特徴とする請求項10に記載の樹脂成型装置。
- 前記鋳型を保持する容器に少なくとも1以上の鋳型を配設し得る手段と、前記樹脂容器と連結・分離し得る手段とを更に備えることにより、複数の鋳型に連続して前記生分解性樹脂を含浸させスカフォールドを成型し得ることを特徴とする請求項15に記載の樹脂成型装置。
- 前記鋳型の周囲を耐熱性ゴム膜で覆い、前記ゴム膜内側に溶融した前記生分解性樹脂を充填させる手段と、前記ゴム膜外側を減圧し得る手段とを更に備え、前記ゴム膜外側を減圧した状態で前記生分解性樹脂中に前記鋳型を少なくとも10分以上放置させ、前記ゴム膜外側を基準圧力に戻すことで前記ゴム膜を前記鋳型に密着させ余分な前記生分解性樹脂を除去し得ることを特徴とする請求項10に記載の樹脂成型装置。
- 前記鋳型を保持する容器に加熱手段を設けたことを特徴とする請求項15に記載の樹脂成型装置。
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