JPWO2012001803A1 - 中空構造体の樹脂成形体の製造方法及び中子並びに中空構造体の樹脂成形体 - Google Patents

Abstract

本発明は、空洞部と、この空洞部と外部とをつなぐ開口とを有する中空構造体の樹脂成形品を製造する方法であって、前記空洞部の形状に対応する、中空状の中子を形成する工程と、前記中空構造体の外部形状に対応する外型を形成する工程と、前記外型内に前記中子をセットし、該外型と該中子の間に形成される空隙に軟質樹脂材料を注入する工程と、前記軟質樹脂材料が硬化することにより形成される軟質樹脂成形体を前記中子と共に脱型する工程と、前記軟質樹脂成形体の外部から力を加えて該軟質樹脂成形体を変形させることにより、前記中子を破砕し断片化する工程と、断片化した前記中子を前記軟質樹脂成形体の開口から外部に排出する工程とを備えることを特徴とする。

Description

本発明は、中空構造体の樹脂成形体の製造方法及び中子に関し、特には内部形状が複雑な中空構造体の樹脂成形体の製造方法及び中子に関する。

内部形状が複雑な中空構造体は抜き勾配等の関係から一体成形が出来ないことが多いため、通常は、部分的に成形した複数の部品を後工程で接着して一体化することが行われている。ところが、複数部品を接着して一体化した樹脂成形品は、多くの成形型を必要とするため生産工程が多くなり、生産コストがかさむ上、接着部分の強度が他の部分よりも劣るという問題がある。特に、軟質樹脂成形品の場合は、強度だけでなく弾力性や触感、質感等も接着部分とその他の部分で異なるため、一体成形品の開発が望まれている。

一方、例えば心臓外科手術のように高度に熟練した技術が求められる医療分野では、技術的に未熟な医師が臨床現場で経験を積むことは難しく、心臓モデルを用いた手技訓練によって技術の習得を図ることが一般的に行われている。また、熟練した医師であっても、患部の位置を確認したり切除部分の検討を行ったりするために、心臓モデルを用いた術前シミュレーションが行われている。

ところが、心臓は外部形状はもちろん内部形状も非常に複雑な臓器であるため、樹脂材料を用いた一体成形品を形成することが難しく、実際の心臓に近い弾力性や質感、強度等を有する心臓モデルは今だ開発されていない（特許文献１参照）。このような問題は心臓だけでなく他の臓器でも発生するが、特に心臓のように外部形状や内部形状が複雑な臓器において顕著である。

特開2005-128134号公報

そこで、本発明が解決しようとする課題は、内部形状が複雑な中空構造体であっても一体成形可能な樹脂成形体の製造方法及び中子を提供することである。

上記課題を解決するために成された本願の第１発明は、
空洞部と、この空洞部と外部とをつなぐ開口とを有する中空構造体の樹脂成形品を製造する方法であって、
a)前記空洞部の形状に対応する、中空状の中子を形成する工程と、
b)前記中空構造体の外部形状に対応する外型を形成する工程と、
c)前記外型内に前記中子をセットし、該外型と該中子の間に形成される空隙に液状の軟質樹脂材料を注入する工程と、
d)前記軟質樹脂材料が固化することにより形成される軟質樹脂成形体を前記中子と共に前記外型から脱型する工程と、
e)前記軟質樹脂成形体の外部から力を加えて該軟質樹脂成形体を変形させることにより、前記開口を通過可能な程度に前記中子を小さく変形させる工程と、
f)小さく変形した前記中子を前記軟質樹脂成形体の開口から外部に排出する工程と
を備えることを特徴とする。
この場合、中空構造体の外部形状に応じて、複数の割型から外型を構成すると良い。

また、本願の第２発明は、前記軟質樹脂成形体の外部から力を加えて該軟質樹脂成形体を変形させることにより、前記中子は破砕され、前記開口を通過可能な程度に小さく断片化されることを特徴とする。

前記第１及び第２発明においては、前記中子の強度を、作業者が手で中子を変形させることができる程度の強度に設定することが好ましく、このようにすれば、作業者が手で軟質樹脂成形体を押圧したり握ったりして該軟質樹脂成形体を変形させることで前記中子を変形させることができる。

また、前記空洞部の三次元データを作成し、その三次元データに基づいて光造形法により光硬化性樹脂製の中子を形成すると良く、前記三次元データは、前記中空構造体のＭＲＩ又はＣＴスキャンで得た断層データから作成すると良い。

さらに、前記外型は、前記中空構造体の外部形状の三次元データを作製し、そのデータに基づく光造形法により前記中空構造体の外部形状を有する光硬化性樹脂成形体を形成し、当該光硬化性樹脂成形体を外枠内にセットして、前記外枠と前記光硬化性樹脂成形体の間に合成樹脂を流入させ、硬化した後に前記光硬化性樹脂成形体を取り出すことで形成することができる。

この場合、前記中空構造体の外部形状の三次元データは、前記中空構造体のＭＲＩ又はＣＴスキャンで得た断層データから作成すると良い。

本願の第３発明は、外型内にセットされ、前記外型との間隙に液状の軟質樹脂材料を注入し、固化させることにより中空構造体の樹脂成形体を製造するために用いられる中空状の中子であって、前記軟質樹脂成形体に外部から力を加えて該軟質樹脂成形体を変形させることにより前記開口を通過可能な程度に小さく変形可能な中空状の中子である。

又、本願の第４発明は、第３発明において、前記軟質樹脂成形体に外部から力を加えて当該軟質樹脂成形体を変形させることにより前記開口を通過可能な程度に小さく断片化可能であることを特徴する。
第３及び第４発明においては、前記中子が、光造形法を用いて光硬化性樹脂材料を硬化させることにより形成された中空状の中子であることが好ましい。

本発明の製造方法によれば、中子を小さく変形させて、あるいは小さく断片化させて、軟質樹脂成形体の開口から外部に排出することができるので、内部形状が複雑な中空構造体であっても一体成形することができる。従って、軟質樹脂材料を適宜選択することで、中空構造体の弾力性や質感、触感を模倣した軟質樹脂成形体を作製することができる。この場合、中子の強度を、作業者が手で力を加えることで変形させたり断片化させたりできる程度に設定すれば、軟質樹脂成形体の外部から力を加えて中子を変形させたり断片化させたりするための特別な装置が不要となる。

さらに、本発明の製造方法を用いて心臓の軟質樹脂成形体を作製する場合、患者本人のＭＲＩ又はＣＴスキャンで得た断層データを用いて心臓の内部形状や外部形状の三次元データを作成すれば、オーダーメイドの心臓モデルを作製することができ、この心臓モデルを用いて術前シミュレーションを行うことで、患者の心臓の異常を事前に把握することができる。

本発明の一実施形態に係る軟質樹脂成形体の斜視図。 軟質樹脂成形体の製造工程図。 軟質樹脂成形体の外部から力を加えて変形させ、中子を破砕して断片化する工程の説明図。 本発明の一実施例に係る小児心臓の軟質樹脂成形モデルの製造に用いたマスターモデル及び中子の光硬化性樹脂の物性表。 マスターモデルの外観写真。 外型の外観写真。 異なる二方向から見た中子の外観写真。 心臓モデルの外観写真。 心臓モデルを用いたシミュレーションの様子を示す図。

本発明の一実施形態に係る樹脂成形体の製造方法について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る中空構造体の軟質樹脂成形体の外観図を、図２は軟質樹脂成形体の製造工程を示している。軟質樹脂成形体１は、空洞部２と、この空洞部２と外部とをつなぐ開口３を有している。軟質樹脂成形体１は軟質樹脂材料から構成されており、外部から手で力を加えることで容易に変形させることができる。

次に、前記軟質樹脂成形体１の製造方法を説明する。成形対象となる中空構造体の外部形状及び空洞部の形状（内部形状）の三次元データを作成する（Ｓ１）。外部形状及び内部形状の三次元データは、例えばＭＲＩ（磁気共鳴映像法）又はＣＴ（コンピュータ断層撮影）スキャンで得られた中空構造体の断層データに基づき、作成することができる。
次に、得られた外部形状及び内部形状の三次元データに基づき外型及び中子をそれぞれ作製する。

（外型の作製）
中空構造体の断層データを光造形に必要な積層データ（三次元データ）に変換し、この積層データに基づき光造形法による中空構造体の光硬化性樹脂成形体（マスターモデル）を作製する（Ｓ２）。具体的には、積層データに基づいて、液状光硬化性樹脂中にレーザー光を照射して前記液状硬化性樹脂の硬化層を形成し、これらを順次積層することでマスターモデルを作製する。このとき、中空構造体の外部形状からパーティングラインやゲート口等を設定する。なお、このように中空構造体の断層データを用いて光造形法によりマスターモデルを作製することにより、マスターモデルの型を作製しなくても済む。また、光造形法を用いてマスターモデルを作製することで、中空構造体と同様、中空状にすることができ、マスターモデル用の樹脂材料の量を少なくすることができる。
次に、マスターモデルを型枠に入れ、該型枠内に液状合成樹脂を流し込み硬化させる。その後、型枠内の合成樹脂が硬化して形成された合成樹脂成形体を型枠から取り出し、パーティングラインで切断してマスターモデルを取り外す。これにより、複数の割型からなる外型が完成する（Ｓ３）。前記液状合成樹脂は熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、室温硬化性樹脂のいずれでも良い。

（中子の作製）
中空構造体の断層データから空洞部の輪郭を確定し、この輪郭に内部方向に所定の厚みを加えた中子用の積層データ（三次元データ）に変換する。そして、この積層データに基づき、光造形法を用いて光硬化性樹脂製の中空状の中子を作製する（Ｓ４）。

（軟質樹脂成形体の形成）
次に、外型内に中子をセットし、外型と中子の間の空隙に液状の軟質樹脂材料を注入し、固化させる。その後、外型を取り外して中子と一体になった軟質樹脂成形体１を得る。この状態で、軟質樹脂成形体１の外部から力を加えて変形させ、内部の中子を破砕して断片化し、軟質樹脂成形体１の開口から外部に排出する。図３は、軟質樹脂成形体１に外部から力を加えて変形させたときの様子を模式的に示す図である。軟質樹脂成形体１が変形することにより中子４が破砕されて断片化され、該軟質樹脂成形体１の内面から剥がれ落ちる。このとき断片化した中子４の大きさが開口３よりも大きければ、軟質樹脂成形体１の外部から力を加えて軟質樹脂成形体１をさらに変形させ、中子４をさらに小さく断片化して開口３から外部に排出する。
以上により、中空状の軟質樹脂成形体１が得られる。ここで、軟質樹脂材料は熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、室温硬化性樹脂のいずれでも良い。また、外型と中子の間の空隙には液状の軟質樹脂材料を真空注型することが好ましい。

次に、本発明を小児心臓の軟質樹脂成形モデルの製造方法に適用した具体的な実施例について説明する。なお、小児心臓には、左右心房及び左右心室と、これら心房及び心室に繋がる、動脈（大動脈、肺動脈）及び静脈（大静脈、肺静脈）の一部が含まれるものとする。心房や心室、動脈や静脈の一部が本発明の空洞部に相当し、動脈や静脈の先端及び途中の複数の開口が「空洞部と外部をつなぐ開口」に相当する。これら開口は 動脈及び静脈を途中で切断したり、動脈及び静脈から枝分かれする毛細血管を切断したりすることでできたものである（図８参照）。
まず、MSCT（Multi-Slice X-ray Computed Tomography）装置から出力される小児患者の心臓の断層データ（DICOM（Digital Imaging and Communication in Medicine）データ）を光造形用データ（SLTデータ）に変換すると共に、この光造形用データを処理して小児心臓の樹脂成形モデル（以下、「小児心臓モデル」という）の作製に不要な毛細血管データを除去した。

毛細血管データの除去処理後のデータを元に、光造形法を用い、光硬化性樹脂を材料として小児心臓モデルのマスターモデルを作製した。光硬化性樹脂は、エポキシ系の耐熱ＡＢＳライク樹脂ＳＣＲ７３５（ＪＳＲ社製）を用いた。図４は、この光硬化性樹脂の物性表を示している。また、図５は、得られた小児心臓のマスターモデルの外観を示す。本実施例では、マスターモデルは中空状であり、図５に示すように小児心臓の開口に相当する部分が全て塞がれた状態にある。なお、マスターモデルは外部形状が小児心臓の外部形状と同じであれば、中実状、中空状のいずれでも良いが、本実施例のように中空状にすると光硬化性樹脂材料の量を少なくすることができ、コスト低減を図ることができる。

このマスターモデルを外枠内にセットして外枠とマスターモデルの間に室温硬化型のシリコーンゴム（シリコーンＲＴＶゴム（品番KE-1314-2）、信越化学工業株式会社製）を注入し、硬化させて外型を作製した。このシリコーンＲＴＶゴム（品番KE-1314-2）は高強度、高引き裂き、高伸長半透明のゴム特性を有し、比較的複雑な型取りに適したている。得られた外型の外観を図６に示す。図６に示す外型は２個の割型から構成されている。

次に、小児心臓の断層データから心臓の空洞部（左右心房、左右心室）の輪郭形状の三次元データを作成し、この三次元データから肉厚分をオフセットして中子の光造形用データ（SLTデータ）を得た。中子の肉厚が薄いほど該中子を容易に変形（破砕）させることができるが、薄すぎると中子の強度が低下する。従って、中子の材料樹脂によっても異なるが、変形の容易さと強度を比較考量して中子の肉厚を設定することが好ましい。本実施例では、中子の肉厚を0.3〜0.5mm程度、例えば0.4mmに設定した。そして、この光造形用データを用いて光造形法で中子を作製した。用いた光硬化性樹脂材料は、上述のマスターモデルと同じである。図７に、異なる二方向から見たときの中子の外観を示す。

続いて、中子を外型内にセットし、外型と中子の間の間隙に液状の軟質樹脂材料を真空状態で流し込み、硬化させて外型内から中子と共に小児心臓モデルを取り出した。軟質樹脂材料には、３成分系の真空注型用ウレタン樹脂（ハイキャスト３４００Ｎ、Ｈ＆Ｋ Ｌｔｄ．社製）、硬度スコアが３０となるように調製したものを用いた。そして、この小児心臓モデルに外部から力を加えて該小児心臓モデルを変形させ、中子を破砕した。破砕により断片化した中子は、小児心臓モデルが備える複数の動脈及び静脈の切断端のいずれかの開口から外部に排出した。得られた心臓モデルの外観を図８に示す。

得られた小児心臓モデルについて医師が心臓切開のシミュレーションを行ったところ、実際の小児心臓と類似する弾力性、触感、質感を有することが分かった。また、小児心臓の内部形状が再現されていることが分かった。図９に小児心臓モデルを用いたシミュレーションの様子を示す。

本実施例で得られた心臓モデルを切開したところ、断片化した中子が完全に排出されておらず、一部が心臓モデルの内部に残っていたが、心臓切開のシミュレーションには支障が無かった。つまり、本発明に係る製造方法で「小さく変形した前記中子を前記軟質樹脂成形体の開口から外部に排出する」こととは、小さく変形した中子の全てを軟質樹脂成形体の内部から外部に排出する場合に限らず、一部の中子が軟質樹脂成形体の内部に残っている場合もいう。

尚、本発明は上記した実施形態、実施例に限定されるものではなく、例えば次のような変形が可能である。
軟質樹脂成形体の表面を異なる色の塗料で塗り分けても良く、或いは、予め異なる色素で着色された複数の軟質樹脂材料を用いて軟質樹脂成形体を形成しても良い。例えば心臓モデルにおいては、心房、心室、静脈、動脈の各部の表面に異なる色の塗料を塗布したり、異なる色素で着色された軟質樹脂材料を用いて形成したりすると、外観から小児心臓の各部を容易に区別することができる。

また、硬化時の弾力性や触感等が異なる複数の軟質樹脂材料を用いて軟質樹脂成形体を形成しても良い。例えば心臓モデルの場合は、弾力性等が異なる樹脂材料を用いて心房、心室、静脈、動脈の各部を形成すると、実際の心臓の弾力性や触感等により一層近似した心臓モデルを提供することができる。

ガラス繊維やカーボン繊維等の充填材を含有する軟質樹脂材料を用いて軟質樹脂成形体を形成しても良く、この場合は、機械的強度に優れた軟質樹脂成形体を得ることができる。
上記実施形態及び実施例では、中子を破砕し、断片化して軟質樹脂成形体の開口から外部に排出するようにしたが、中子を小さく変形（永久変形）させて軟質樹脂成形体の開口から外部に排出するようにしても良い。

中子を容易に変形させたり破砕させたりできるように、中子の内表面や外表面に溝状のカッティングラインを設けても良い。カッティングラインは、軟質樹脂成形体の外部から力を加えたときにその力が中子に伝わりにくい部分、例えば小児心臓の軟質樹脂成形体を製造する場合、左心室と右心室の境界付近、心房と心室の境界の弁付近に位置する中子の外表面や内表面にカッティングラインを設けると良い。

１…軟質樹脂成形体
２…空洞部
３…開口
４…中子

本発明は、中空構造体の樹脂成形体の製造方法及び中子並びに中空構造体の樹脂成形体に関し、特には内部形状が複雑な中空構造体の樹脂成形体の製造方法及び中子並びに中空構造体の樹脂成形体に関する。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、内部形状が複雑な中空構造体であっても一体成形可能な樹脂成形体の製造方法及び中子並びに中空構造体の樹脂成形体を提供することである。

上記課題を解決するために成された本願の第１発明は、
空洞部と、この空洞部と外部とをつなぐ開口とを有する中空構造体の樹脂成形品を製造する方法であって、
a)前記空洞部の形状に対応する、中空状の中子を形成する工程と、
b)前記中空構造体の外部形状に対応する外型を形成する工程と、
c)前記外型内に前記中子をセットし、該外型と該中子の間に形成される空隙に液状の軟質樹脂材料を注入する工程と、
d)前記軟質樹脂材料が固化することにより形成される軟質樹脂成形体を前記中子と共に外型から脱型する工程と、
e)前記軟質樹脂成形体の外部から力を加えて該軟質樹脂成形体を変形させることにより前記中子を破砕し、前記開口を通過可能な程度に前記中子を小さく断片化する工程と、
f)小さく断片化された前記中子を前記軟質樹脂成形体の開口から外部に排出する工程と
を備えることを特徴とする。
この場合、中空構造体の外部形状に応じて、複数の割型から外型を構成すると良い。

前記第１発明においては、前記中子の強度を、作業者が手で中子を破砕することができる程度の強度に設定することが好ましく、このようにすれば、作業者が手で軟質樹脂成形体を押圧したり握ったりして該軟質樹脂成形体を変形させることで前記中子を破砕するることができる。

本願の第２発明は、外型内にセットされ、前記外型との間隙に液状の軟質樹脂材料を注入し、固化させることにより、開口を有する中空構造体の軟質樹脂成形体を製造するために用いられる中空状の中子であって、前記軟質樹脂成形体に外部から力を加えて当該軟質樹脂成形体を変形させることにより破砕されて前記開口を通過可能な程度に小さく断片化可能な中空状の中子である。

第２発明においては、前記中子が、光造形法を用いて光硬化性樹脂材料を硬化させることにより形成された中空状の中子であることが好ましい。
また、本願の第３発明は、上記した製造方法を用いて製造された中空構造体の樹脂成形体である。

このマスターモデルを外枠内にセットして外枠とマスターモデルの間に室温硬化型のシリコーンゴム（シリコーンＲＴＶゴム（品番KE-1314-2）、信越化学工業株式会社製）を注入し、硬化させて外型を作製した。このシリコーンＲＴＶゴム（品番KE-1314-2）は高強度、高引き裂き、高伸長半透明のゴム特性を有し、比較的複雑な型取りに適している。得られた外型の外観を図６に示す。図６に示す外型は２個の割型から構成されている。

続いて、中子を外型内にセットし、外型と中子の間の間隙に液状の軟質樹脂材料を真空状態で流し込み、硬化させて外型内から中子と共に小児心臓モデルを取り出した。軟質樹脂材料には、３成分系の真空注型用ウレタン樹脂（ハイキャスト３４００Ｎ、Ｈ＆Ｋ Ｌｔｄ．社製）を、硬度スコアが３０となるように調製したものを用いた。そして、この小児心臓モデルに外部から力を加えて該小児心臓モデルを変形させ、中子を破砕した。破砕により断片化した中子は、小児心臓モデルが備える複数の動脈及び静脈の切断端のいずれかの開口から外部に排出した。得られた心臓モデルの外観を図８に示す。

中子を容易に変形させたり破砕させたりできるように、中子の内表面や外表面に溝状のカッティングラインを設けても良い。カッティングラインは、軟質樹脂成形体の外部から力を加えたときにその力が中子に伝わりにくい部分、例えば小児心臓の軟質樹脂成形体を製造する場合、左心室と右心室の境界付近、心房と心室の境界の弁付近に位置する中子の外表面や内表面に設けると良い。

Claims (11)

1. 空洞部と、この空洞部と外部とをつなぐ開口とを有する中空構造体の樹脂成形体を製造する方法であって、
   a)前記空洞部の形状に対応する、中空状の中子を形成する工程と、
   b)前記中空構造体の外部形状に対応する外型を形成する工程と、
   c)前記外型内に前記中子をセットし、該外型と該中子の間に形成される空隙に液状の軟質樹脂材料を注入する工程と、
   d)前記軟質樹脂材料が固化することにより形成される軟質樹脂成形体を前記中子と共に外型から脱型する工程と、
   e)前記軟質樹脂成形体の外部から力を加えて該軟質樹脂成形体を変形させることにより、前記開口を通過可能な程度に前記中子を小さく変形させる工程と、
   f)小さく変形した前記中子を前記軟質樹脂成形体の開口から外部に排出する工程と
   を備えることを特徴とする中空構造体の樹脂成形体の製造方法。
2. 前記軟質樹脂成形体の外部から力を加えて該軟質樹脂成形体を変形させることにより、前記中子は破砕され、前記開口を通過可能な程度に小さく断片化されることを特徴とする請求項１に記載の中空構造体の樹脂成形体の製造方法。
3. 前記空洞部の輪郭形状の三次元データを作成し、その三次元データに基づく光造形法により光硬化性樹脂製の中子を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の中空構造体の樹脂成形体の製造方法。
4. 前記中空構造体のＭＲＩ又はＣＴスキャンで得た断層データに基づき前記空洞部の輪郭形状の三次元データを作成することを特徴とする請求項３に記載の中空構造体の樹脂成形体の製造方法。
5. 前記中子の厚みが1mm以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の中空構造体の樹脂成形体の製造方法。
6. 前記中空構造体の外部形状の三次元データを作成し、そのデータに基づく光造形法により前記中空構造体の外部形状を有する光硬化性樹脂成形体を形成し、当該光硬化性樹脂成形体を外枠内にセットして、前記外枠と前記光硬化性樹脂成形体の間に合成樹脂を流入させ、硬化した後に前記光硬化性樹脂成形体を取り出すことで外型を形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の中空構造体の樹脂成形体の製造方法。
7. 前記中空構造体のＭＲＩ又はＣＴスキャンで得た断層データに基づき前記中空構造体の外部形状の三次元データを作成することを特徴とする請求項６のいずれかに記載の中空構造体の樹脂成形体の製造方法。
8. 前記中空構造体が心臓であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の中空構造体の樹脂成形体の製造方法。
9. 外型内にセットされ、前記外型との間隙に液状の軟質樹脂材料を注入し、固化させることにより、開口を有する中空構造体の軟質樹脂成形体を製造するために用いられる中空状の中子であって、
   前記軟質樹脂成形体に外部から力を加えて当該軟質樹脂成形体を変形させることにより前記開口を通過可能な程度に小さく変形可能な中空状の中子。
10. 請求項９に記載の中空状の中子において、
    前記開口を通過可能な程度に小さく変形可能とは、前記開口を通過可能な程度に小さく断片化可能であることを特徴とする中空状の中子。
11. 請求項９又は１０に記載の中空状の中子において、
    光造形法を用いて光硬化性樹脂材料を硬化させることにより形成されることを特徴とする中空状の中子。