KR20100087411A - 상형성용 조성물, 상형성용 조성물을 이용한 입체상의 제조방법 및 3차원 구조체의 제조 방법 - Google Patents

상형성용 조성물, 상형성용 조성물을 이용한 입체상의 제조방법 및 3차원 구조체의 제조 방법 Download PDF

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코타로 시미즈
신야 와사다
히로노부 오카모토
신로 타카이
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넥스트21 케이 케이
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Abstract

[과제]　본 발명은 소량의 수분으로 경화가 시작되어, 소정의 경도를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명은 수술 연습용 등으로 이용되는 3차원 생체 모형을 라피드 프로토타입법에 의한 제조에 적합한 상형성용 조성물, 상기 조성물을 이용한 입체상, 및 3차원 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
[해결 수단]　상기 과제는 반수석고 등의 칼슘계 물질에 폴리비닐 알코올 수지를 배합시킨 상형성용 조성물로서, 상기 폴리비닐 알코올 수지는 상기 칼슘계 물질과 상기 폴리비닐 알코올 수지의 합계 중량을 100 중량부로 했을 때, 2 중량부~20 중량부의 함량으로 배합되는 상형성용 조성물 등에 의해 해결된다.

Description

상형성용 조성물, 상형성용 조성물을 이용한 입체상의 제조방법 및 3차원 구조체의 제조 방법{FIGURE-FORMING COMPOSITION, PROCESS FOR PRODUCTION OF FIGURES IN THREE DIMENSIONS BY USING THE COMPOSITION AND PROCESS FOR PRODUCTION OF THREE-DIMENSIONAL STRUCTURES}
본 발명은 상형성용 조성물, 입체상 또는 3차원 구조체의 제조 방법, 및 3차원 생체 모형 등에 관한 것이다. 보다 상세하게 설명하면, 본 발명은 기본적으로는 비교적 다량의 폴리비닐 알코올 수지(및 경화촉진제)를 포함함으로, 소량의 수분으로 일정한 강도를 얻기에 충분한 특성을 가지는 상형성용 조성물에 관한 것이다. 그리고, 본 발명은 상기 상형성용 조성물을 이용하여, 소량의 수분으로 패터닝 한 층을 복수로 쌓음으로써 정교한 입체상을 신속히 얻을 수 있어, 그러한 입체상을 얻은 후에 충분한 수분(바람직하게는 물과 가교제)을 첨가하여, 바람직한 강도를 갖는 3차원 구조체를 얻는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 제조 방법을 이용하여 오더 메이드의 3차원 생체 모형 등을 제조할 수 있는 기술에 관한 것이다.
예를 들면, 정형외과 등의 의료 현장에서는 골부 등의 3차원 생체 모형을 제조하여 수술 연습을 하고 싶다고 하는 요망이 있다. 또한, 환자의 환부를 포함한 부위의 3차원 모형을 이용함으로써, 수술 전에 구체적인 이미지를 가지고 수술을 계획하고 싶다고 하는 요망도 있다. 그렇지만, 종래에는 오더 메이드의 3차원적인 생체 모형을 얻는 것이 용이하지 않았다. 또한, 3차원 생체 모형에는 왁스가 포함되어 있어서 멸균 처리를 하면 왁스가 녹아나오기 때문에, 수술실까지 반입할 수가 없었다.
　
최근 간단하고 쉽게 3차원 구조체를 제조하기 위한 것으로서 라피드프로토타이핑（Rapid Prototyping） 장치(예를 들면, 특표 2001－524897호 공보, 특표 2003－531220호 공보, 특표 2004－538191호 공보, 특표 2005－503939호 공보, 미국 특허 5204055호 명세서, 미국 특허 5340656호 명세서, 미국 특허 5387380호 명세서, 미국 특허 6007318호 명세서, 미국 특허 6375874호 명세서, 미국 특허 5902441호 명세서 및 6416850호 명세서 등을 예를 들고, 이것들을 참조하기 위해서 본 명세서 안에 삽입했다.)나 라피드프로토타이핑 방법이 급속히 보급되고 있다. 입체 조형된 삼차원 물체는 장치의 부품의 프로토타입(prototype 시제품)등으로써, 그 성능을 조사하기 위해 이용된다. 종래에는 부품 등의 성능을 조사하기 위해, 금형을 이용한 사출 성형 등에 따라 부품의 시제품을 제조하고 있었다. 라피드프로토타입 방법은, 그러한 종래의 방법과 비교하면, 시간적, 비용적으로 메리트가 크다. 라피드프로토타입법으로서 단면 형상 데이터로부터 박층을 성형하고, 상기 박층을 적층 하는 광조형법, 분체 소결법, 분체결착법 및 고체 기초 경화법 등이 알려져 있다.
　　　
광조형법은 조형하고 싶은 입체의 단면 형상 데이터에 근거하여, 용기에 수용한 액체의 광경화성 수지에 레이저 빔을 조사하여 박층으로써 고형화한다. 그 후, 상기 박층 위에 동일한 액체의 광경화성 수지를 흘려 넣고, 레이저 빔을 조사한다. 광조형법은 상기 작업을 반복하는 것으로서, 박층을 적층시켜 3차원 형상을 얻는 방법이다. 그러나 광경화성 수지는 빛에 곧 반응해 버리며, 또한 액체이기 때문에 그 취급이 어렵다. 게다가, 수지 경화시에 수축이 일어나기 때문에 조형된 물체의 정밀도(精密度)가 반드시 좋지는 않다는 문제가 있다.
　　　
분체 소결법은 광조형법의 광경화성 수지 대신 분체를 이용하여 레이저 빔을 조사함에 의해, 분체를 소결하여 고체화 함으로써 박층을 형성하고, 상기 박층을 적층하는 것이다. 이러한 분체 소결법에 의하면 금속이나 세라믹 재료를 이용한 3차원 구조체를 제조할 수 있다. 그러나 분체를 소결 시키기 위해서는 고출력의 레이저를 사용하지 않으면 안되며, 또한 광학계의 제어가 어려운 문제가 있다.
　　　
분체 접착법은 분체 소결법과 같이 분체를 이용하는 것이다. 한편, 분체 접착법은 분체 소결법과는 달리, 접착제를 이용하여 각 박층을 적층시켜서 굳히는 것이다. 이 방법에 의하면 비교적 신속하게 3차원 구조체를 제조할 수 있다. 그러나 분체 접착법은 분체를 접착제로 결합시키는 것이기 때문에, 최종적인 구조체는 충 분한 강도를 갖지 못하는 결점이 있다. 또한, 접착제에 의해 고정되므로 연속적인 층 구성을 갖지 못하는 문제도 있다.
　
고체 기초 경화법은 우선 단면 형상 데이터에 근거하여 마스크 패턴을 형성하고, 광경화 수지가 도포된 수지층 위에 상기 마스크 패턴을 겹쳐서 자외선을 조사한다. 충분히 자외선을 조사한 후, 미경화부의 자외선 수지층을 제거하고, 미경화부의 자외선 수지층 제거에 의해 형성된 요부(凹部)에 열경화성 수지를 충전한다. 충전한 열경화 수지를 응고시키면, 경화된 자외선 경화 수지와 경화된 열경화 수지에 의해 박막이 형성된다. 이 박막을 적층하여 입체로 만든 후, 자외선 경화 수지를 용해시켜 제거한다. 상기 방법에서는 미경화부의 자외선 수지층을 흡인 제거할 때에 소음이 발생하는 문제가 있고, 게다가 정밀도가 높은 조형을 얻을 수 없는 문제가 있다.
　　　
특개 평 10－207194호 공보(이하, 특허 문헌 1)에는 분체를 시트상에 형성한 박층을 적층하는 것에 따라 3차원 물체를 조형하는 적층 조형 방법이 개시되어 있다. 동(同)공보에는 “3차원 물체의 임의의 단면 형상 데이터에 근거하는 정전 잠상을 유전체 표면에 형성하는 공정과, 상기 정전 잠상을 대전성 분체로 현상 하는 공정과, 상기 대전성 분체를 시트상에 형성하는 공정과, 상기 시트상 대전성 분체를 스테이지에 전사 하는 공정을 포함하며, 상기 각 공정을 반복하여 스테이지상에 시트상 대전성 분체를 적층함으로써 3차원 물체를 조형한다” 고 기재되어 있다.
　　　
그러나 특개 평 10－207194호 공보(이하, 특허 문헌 1)에 개시된 3차원 물체를 조형하는 방법은 기본적으로는, 복사기에 이용되는 전자 사진 감광체 드럼을 이용해서, 대전한 분체의 박층을 형성하여 적층하는 것으로써 3차원 구조체를 제조 하는 것이다. 따라서 동 공보에 개시된 방법은 석고 등을 이용하여 3차원 구조체를 제조한다는 용도에 적절하지 않았다.
　　
특개 2002－67174호 공보(이하, 특허 문헌 2)에는 “대상물의 형상에 관한 형상 데이터를 입력하는 형상 데이터 입력 수단과, 상기 대상물의 촉감에 관한 촉감 정보를 입력하는 촉감 정보 입력 수단과, 상기 형상 데이터와 상기 촉감 정보에 근거하여, 상기 대상물의 형상 및 촉감을 재현하기 위한 상기 조형용 데이터를 생성하는 데이터 생성 수단을 포함한다” 라고 기재되어 있어, 3차원 조형용이 되는 조형용 데이터를 생성하기 위한 장치가 개시되어 있다. 동 공보에 개시된 장치를 이용하면 대상물의 촉감을 충분히 재현할 수 있다고 여겨지고 있다.
　　　
특개 2002－67174호 공보(이하, 특허 문헌 2)에는 라피드프로토타이핑 장치로서 분말 조형 방식 또는 분말 소결법 등에 이용되는 것이 개시되어 있다. 그렇지만, 특히 석고류를 이용하는 것에 대해서는 기재되어 있지 않았다.
　　　
특개 2005－148578호 공보(이하, 특허 문헌 3)에는 물체의 단층 데이터에 근 거하여 석고 분말의 단층을 얻고, 상기 단층을 바인더로 고정하면서 적층시키는 것으로서 경질 입체 모형을 제조하는 기술이 개시되어 있다(동 공보의 단락［0008］, 단락［0026］참조).
　　　
그렇지만, 특개 2005－148578호 공보(이하, 특허 문헌 3)에 개시된 기술은 주로 장기(臟器)의 입체 모형을 제조하는 것이기 때문에, 석고 등을 적층시켜서 얻을 수 있는 경질 입체 모형을 연화 시키는 것을 특징으로 한다(예를 들면, 청구항 14, 단락［0022］~단락［0034］ 참조). 따라서 석고 분말을 이용하여 경질 입체 모형을 제조하는 공정에 대해서는 상세하게 설명되어 있지 않다. 또한, 상기 기술은 장기의 입체 모형을 제조하기 위한 것으로서, 그 입체 모형은 뼈와 같은 경도를 갖지 않으므로, 외과 수술 연습용으로는 꼭 적합한 것은 아니다. 또한, 동 공보로 얻을 수 있는 입체 모형은 오토클레이브(autoclave) 처리를 하지 않고, 통상적으로 왁스에 침지하는 것 이외에 바인더 등에 왁스 성분이 포함된다. 이 때문에, 입체 모형을 오토클레이브로 가열하면, 왁스 성분이 녹아 나와서 형상이나 경도가 변화되는 문제가 있다.
　　　
한편, 석고는 건재(建材)나 입체 모형의 제조에 널리 이용되고 있다. 예를 들면, 특개 소 63－25021호 공보에는 반수석고(半水石膏)에 폴리비닐 알코올 섬유를 혼입하는 기술이 개시되어 있다(동 문헌 좌측 상단 9행~16행). 그러나 동 문헌에서 폴리비닐 알코올 섬유는 형태 분열을 방지하기 위해 석고에 혼입되는 섬유의 일례에 지나지 않는다.
　　　
덧붙여 건재(建材) 등의 분야에서는 석고로 만든 성형체의 강도를 높이기 위한 것으로서, 반수석고에 폴리비닐 알코올 수지를 배합하는 것이 알려져 있다. 예를 들면, 특개 평 5－319890호 공보, 특개 평 8－337459호 공보, 특개 평 9－48681호 공보, 및 특개 2000－178064호 공보 등에는 석고와 폴리비닐 알코올 수지를 이용하는 발명이 개시되어 있다.
　　　
상기 특개 평 5－319890호 공보(이하, 특허 문헌 4)에는 “80℃의 물에 20분 동안 90% 이상이 용해되는 폴리비닐 알코올계 집합체 분말(A) 및 상기 폴리비닐 알코올계 집합체를 증점(增粘)시킬 수 있는 분말(B)을 반수석고를 주성분으로 하는 분체(C)에 배합한 석고 조성물”에 대해 개시되어 있다. 그 실시예에서는 반수석고(半水石膏) 100 중량부에 말레산(maleic acid) 2몰%를 공중합 한 중합도 1750, 켄화도 98 몰%, 입자 지름 30 메쉬패스의 카르복실기변성 폴리비닐 알코올 1 중량부를 혼합하고 있다. 그렇지만, 상기 기술은 폴리비닐 알코올 수지의 함유량이 적고, 반드시 소량의 물로 충분한 경도를 얻을 수는 없다. 무엇보다도 동 공보에서는 석고 조성물을 슬러리(slurry)상태로 이용하는 것을 목적으로 하기 때문에, 폴리비닐 알코올 수지의 함유량이 적어도 문제가 없다.
상기 특개평 8－337459호 공보(이하, 특허 문헌 5)에는 “a) 석고 100 중량 부, 및 b) 석고 100 중량부에 대해서, 수성 유탁액 고형분을 0.5~20 중량부 함유하는 혼합물이며, 상기 수성 유탁액은 물과, i) 융점이 40－80℃인 파라핀 탄화수소, ii) 상기 파라핀 탄화수소 100 중량부에 대해서, 몬탄왁스를 약 1~200 중량부, 및 iii) 상기 파라핀 탄화수소 100 중량부에 대해서, 폴리비닐 알코올을 약 1~50 중량부 포함하는 상기 혼합물을 함유 하며, 수화(水化)에 의해 내수성 석고 생성물을 형성하는 경화 가능한 석고 조성물”이 개시되어 있다(동공보의 청구항 4 참조). 그렇지만, 파라핀 왁스를 함유하고 있기 때문에, 성형품을 오토클레이브에 넣으면 밀랍 성분이 녹아 나와, 형상 및 경도가 변화한다.
　　　
상기 특개 평 9－48681호 공보(이하, 특허 문헌 6)에는 “석고경화체(石膏硬化體)의 표면에 아크릴 에멀젼, 초산비닐 에멀젼 또는 폴리비닐 알코올 도료를 칠하여 제조되는 석고경화체”가 개시되어 있다. 동 공보에서 폴리비닐 알코올 도료는 어디까지나 석고경화체의 표면에 도포하는 성분으로 기재되어 있다.
상기 특개 2000－178064호 공보(이하, 특허 문헌 7)에는 “석고, 폴리비닐
알코올 수지 및 불소계 화합물을 함유하는 것을 특징으로 하는 석고 경화물”이 개시되어 있고(동 공보의 청구항 1을 참조), 그 함량은 "석고 100 중량부에 대해서, 폴리비닐 알코올 수지가 1~30 중량부(더욱 바람직하게는 5~20 중량부)" 가 바람직한 것으로 여겨진다(동 공보의 단락［0009］참조). 다만, 동 공보에 개시되어 있는 석고 경화물은 불소계 화합물을 필수 요소로 하며, 단락［0011］에 개시된 것처럼, 물과의 혼합이 의도되어 있다.　　　
특표 2003－531220호 공보(이하, 특허 문헌 8)에는 고형 물체를 삼차원 인쇄하기 위한 조성물에 대해서 개시되어 있다. 그렇지만, 특히 칼슘계 물질을 이용하는 것이라도, 폴리비닐 알코올 유도체를 이용하는 것은 아니다. 이 때문에, RP법으로 신속하고 또한 정교한 입체상을 얻는 것은 곤란했다.
　　　
특표 2001－524897호 공보(이하, 특허 문헌 9)에는 재료 분말 층을 형성하고, 상기 분말 재료 층을 물 등의 패턴상에 도포하여 상기 패턴상에 결합된 분말 재료 층을 형성하며, 이러한 스텝을 반복하는 것으로서 분말 재료를 일체화한 성형체의 제조 방법이 개시되어 있다(청구항 1). 그리고 그 실시예에서는 분말 재료로서 폴리비닐 알코올 그 자체를 이용하여 성형체를 얻은 것으로 기재되어 있다(제9페이지). 그러나 폴리비닐 알코올만을 이용하는 경우에는 실제로 RP법에 의해 성형체를 얻는 것이 곤란하다.
　　　[특허 문헌 1]　특개 평 10－207194호 공보
　　　[특허 문헌 2]　특개 2002－67174호 공보
　　　[특허 문헌 3]　특개 2005－148578호 공보
　　　[특허 문헌 4]　특개 평 5－319890호 공보
　　　[특허 문헌 5]　특개 평 8－337459호 공보
　　　[특허 문헌 6]　특개 평 9－48681호 공보
　　　[특허 문헌 7]　특개 2000－178064호 공보
　　　[특허 문헌 8]　특표 2003－531220호 공보
　　　[특허 문헌 9]　특표 2001－524897호 공보
[발명이 해결하려고 하는 과제]　　
본 발명에 따른 상형성용 조성물은 소량의 수분으로 경화가 시작되어, 소정의 경도를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명은 라피드프로토타입법에 의한 수술 연습용 등으로 이용되는 3차원 생체 모형 제조에 적합한 상형성용 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
　　　
본 발명은 상기와 같은 상형성용 조성물을 이용하여 3차원 생체 모형, 임플란트 또는 인공뼈등의 3차원 구조체 생체 모형을 얻기 위한 가짜 구조물 등의 입체상을 얻는 것을 목적으로 한다.
　　
또한, 본 발명은 상기와 같은 상형성용 조성물을 이용하여 3차원 생체 모형, 임플란트 또는 인공뼈 등의 3차원 구조체를 얻는 것을 목적으로 한다. 특히, 본 발명은 비교적 균일하고, 정밀도가 높으며, 오토클레이브등에 의해 고온에 노출되어도 형상이 변화하지 않는 3차원 구조체를 얻는 것을 목적으로 한다.
　　　
본 발명은 수술 연습, 수술 계획의 설명, 또는 환자 앞에서 환자의 뼈 또는 이를 포함한 부위의 설명 등에 이용할 수 있는 오더 메이드의 3차원 생체 모형, 매몰(埋沒)에 적합한 형상을 갖는 오더 메이드의 임플란트 또는 인공뼈 제공을 목적으로 한다.
　[과제해결수단]
본 발명은 기본적으로는 비교적 다량의 폴리비닐 알코올 수지(및 경화촉진제)를 포함하는 것으로, 특히 라피드프로토타입법에 적합하고, 소량의 수분으로 일정한 강도를 얻기에 충분한 특성을 갖는 석고 조성물 등의 상형성용 조성물을 얻을 수 있다는 지견에 근거한 것이다. 그리고 그러한 상형성용 조성물을 이용하여 소량의 수분으로 패터닝 한 층을 복수로 쌓음으로써, 정교한 입체상을 신속히 얻을 수 있으며, 상기 입체상을 얻은 후에 충분한 수분(바람직하게는 물과 가교제)을 첨가하면 바람직한 강도를 갖는 석고 경화물 등의 3차원 구조체를 얻을 수 있다는 지견에 근거한 것이다. 그리고 그러한 제조 방법을 이용하여 오더 메이드의 3차원 생체 모형, 임플란트 또는 인공뼈 등을 제조할 수 있다는 지견에 근거한 것이다.
　　　
본 발명의 제1측면과 관련되는 상형성용 조성물은 반수석고 등의 칼슘계 물질에 폴리비닐 알코올 수지를 배합시킨 상형성용 조성물이며, 상기 폴리비닐 알코올 수지는 상기 칼슘계 물질과 상기 폴리비닐 알코올 수지의 합계 중량을 100 중량부로 하였을 때, 2 중량부~20 중량부로 배합되는 상형성용 조성물이다. 본 발명의 상형성용 조성물은 바람직하게는 칼슘계 물질을 주성분으로 한다.
　　　
본 명세서에서 「상형성용 조성물」이란 경화되어, 성형체가 되기 전의 칼슘계 물질을 함유 하는 조성물을 의미한다. 칼슘계 물질을 보다 구체적으로 설명하면, 반수석고 등의 석고； 또는 수산 아파타이트(apatite), 탄산 아파타이트, 불소 아파타이트, 염소 아파타이트, β－TCP, α－TCP, 메타린산칼슘, 인산4칼슘, 인산 수소 칼슘, 인산2수소칼슘, 피로린산칼슘 등의 인산 칼슘계 물질, 탄산칼슘, 황산칼슘, 그러한 염(鹽), 또는 그러한 용매화물로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 들 수 있다. 상기 나열한 것들 중에서는 석고가 바람직하고, 특히 실시예로 실증된 것처럼 반수석고가 바람직하다. 다만, 석고 대신, 또는 석고와 함께 인산 칼슘계 물질을 적당한 양으로 포함하는 것도 좋다. 또한, 인산 칼슘계 물질을 필러 등으로서 이용해도 좋다. 수산 아파타이트 등의 인산 칼슘계 물질도 석고와 마찬가지로 수분을 흡수하여 경화하므로, 석고 등과 동일하게 이용할 수가 있고, 게다가 얻어진 3차원 구조체를 임플란트나 인공뼈 등으로 이용할 수 있기 때문에 바람직하다. 또한, 석고는 석고(せっこう), 석고(石こう), 석고(セッコウ) 등의 용어가 일반적으로 이용되며, 그 중 「석고」(石こう)가 JIS등으로도 이용되고 있지만, 본 명세서에서는 읽기 쉽고, 통일된 용어를 사용하기 위해서「석고」(石膏)라는 용어를 이용한다.
　　　
본 명세서에서 「반수석고 」란, 일반적으로 삼방정계(三方晶系)의 결정형을 가지며, 조성식이 CaSO4·1/2H2O인 화합물이다. 다만, 결정형에 의해 α형태와 β형태로 분류되는데, 이러한 결정형은 분말 X선법, 캐피러리(capillary)해석법, 하나왈트법(Hanawalt method) 등을 적절히 이용하여 용이하게 분류할 수 있다. 또한, 각각의 비중은 2.76 및 2.64 전후이기 때문에, 이러한 비중에 의해서 분류할 수도 있다. 본 발명에서는 α형태의 반수석고, β형태의 반수석고, 또는 이러한 혼합물을 적당히 이용할 수 있으나, 후술하는 바와 같이 α형태의 반수석고를 이용하는 것이 바람직하다.
　　　
석고 및 폴리비닐 알코올 수지를 함유하는 상형성용 조성물은 건재(건축용 재료)로서 이용하는 경우에는 석고와 물을 혼화하여 슬러리 상태로 만들고, 상기 슬러리 상태의 상형성용 조성물에 폴리비닐 알코올 수지를 첨가한 것이었다. 또한, 슬러리 상태의 상형성용 조성물을 틀(型)에 흘려 넣거나 벽에 발라서 이용하고 있었다. 이 때, 폴리비닐 알코올 수지의 함유량이 1 중량%를 넘을 경우에는, 거품이 발생하는 문제가 있으며, 거품이 생긴 상태의 상형성용 조성물을 이용하면 성형이 곤란하고, 제조된 성형체의 강도가 약하다는 문제가 있었다. 이 때문에, 폴리비닐 알코올의 함유량은 통상 1 중량% 이하였다. 본 발명의 상형성용 조성물은 실질적으로 결정수(結晶水) 이외의 물을 포함하지 않기 때문에(예를 들면, 전체 중량의 1 중량% 이하, 바람직하게는 0.5 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 전혀 포함하지 않는다. 폴리비닐 알코올 수지를 비교적 대량으로 배합하더라도 거품의 발생을 방지할 수 있다. 본 발명의 상형성용 조성물은 폴리비닐 알코올 수지를 비교적 다량으로 배합한 것으로서, 소량의 수분에 의해 수화경화(水和硬化)하는 경우에도 신속히 일정 경도를 얻을 수 있어, 높은 강도를 유지할 수 있다.
　　　
본 발명의 상형성용 조성물은 특히 3차원 생체 모형, 임플란트, 또는 인공뼈 등의 3차원 구조체에 바람직하게 이용할 수가 있다. 보다 상세하게는, 분말 상태의 상형성용 조성물 층을 구성하고, 경화시키고 싶은 부분에 물방울이나 바인더 수용액 등의 수분을 첨가하여 경화 부분을 형성하는 것을 반복함으로써 3차원 구조체를 얻는 제조 방법으로 바람직하게 이용되는 상형성용 조성물을 제공할 수 있다. 이러한 사용 방법에서는 상형성용 조성물을 물과 함께 연화합할 필요가 없기 때문에, 폴리비닐 알코올 수지를 비교적 대량으로 배합하더라도 거품이 발생하는 문제가 없다. 이 때문에, 본 발명의 상형성용 조성물을 바람직하게 이용할 수 있는 것이다. 또한, 본 발명의 상형성용 조성물은 경화시킨 상형성용 조성물 층을 차례로 겹치는 것이기 때문에, 비교적 신속하게 상형성용 조성물을 경화하는 것이 바람직하다. 한편, 본 발명의 상형성용 조성물에는 건재와 같이 충분한 유동성을 부여할 필요는 없다. 이 때문에, 실질적으로 수분을 포함하지 않은 상태로 경화시키기 위한 준비로서, 상형성용 조성물이 경화하는데 필요한 최소한의 수분을 첨가하여 경화 반응을 일으킬 수 있으므로 신속하게 경화시킬 수 있는 것이다. 이 때문에, 상형성용 조성물을 이용한 복수의 층에 의해 구성되는 경화물을 이용한 3차원 성형체(입체상)를 효과적으로 제조할 수 있게 되는 것이다. 또한, 폴리비닐 알코올 수지가 비교적 다량으로 포함되어 있으므로(설령 석고가 불완전 경화 상태일 경우에도), 형상을 유지하기에 충분한 강도를 갖는 입체상을 얻을 수 있다. 또한, 그러한 강도를 갖는 입체상을 형성한 후, 수분을 충분히 공급하여, 석고의 경화 반응을 충분히 진행시킴으로써, 적절한 강도를 가지는 3차원 구조체를 얻을 수 있다.
　　　
본 발명의 제1의 측면과 관련되는 상형성용 조성물의 바람직한 태양은 칼슘계 물질에 폴리비닐 알코올 수지 및 경화촉진제를 배합시킨 상형성용 조성물이며；상기 경화촉진제는 이수석고(二水石膏), 알칼리 금속 유산염, 알칼리 토금속 유산염, 알칼리 금속 염화물, 알칼리 토금속 염화물, 무기산의 암모늄염, 및 명반류로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 경화촉진제이며；상기 칼슘계 물질과 상기 폴리비닐 알코올 수지의 합계 중량을 100 중량부로 했을 때, 상기 폴리비닐 알코올 수지는 2 중량부~8 중량부로 배합되고, 상기 경화촉진제는 0.1 중량부~5 중량부로 배합되는 상형성용 조성물이다.
　　　
상술한 바와 같이, 상형성용 조성물에 경화촉진제를 적당히 첨가하여, 단시간에 상형성용 조성물을 경화시킬 수 있다. 본 발명의 상형성용 조성물의 바람직한 이용 형태는 3차원 모형을 제조하는 것이다. 또한, 상형성용 조성물 층 중에서 경화시키고 싶은 부분에 물방울등의 수분을 첨가함으로써, 석고가 경화된 부분을 형성하고, 상기 과정을 반복하여 3차원 구조체를 얻는 것이다. 따라서, 통상의 건재를 이용하는 경우에 비해서, 일시적으로 얻어지는 경화물은 강도가 뒤떨어질 가능성이 있다. 또한, 본 발명에서는 경화시킨 상형성용 조성물의 층을 차례로 겹쳐야 하기 때문에, 비교적 신속하게 상형성용 조성물을 경화시킬 필요가 있다. 한편, 본 발명의 상형성용 조성물에는 건재와 같이 충분한 유동성을 부여할 필요는 없다. 이 때문에, 실질적으로 수분을 포함하지 않은 상태로 경화시키기 위한 준비를 갖추고, 상형성용 조성물의 경화를 위해 필요한 최소한의 물을 첨가하는 것으로, 경화 반응을 일으킬 수가 있으므로 신속하게 경화시킬 수 있는 것이다. 이 때문에, 상형성용 조성물을 이용한 복수의 층에 의해 구성되는 석고를 이용한 3차원 성형체(입체상)를 효과적으로 제조할 수 있는 것이다. 또한, 본 발명의 상형성용 조성물은 복수의 층을 차례로 형성해야 하므로, 비교적 신속하게 상형성용 조성물이 어느 정도의 강도를 갖는 성형체(입체상)가 되는 것이 바람직하다. 거기서, 상기와 같은 경화촉진제를 배합하는 것으로, 상형성용 조성물이 경화하는 속도를 증가시킬 수가 있으므로, 신속하게 일정한 경도를 갖는 석고 성형체(입체상)를 얻을 수 있다.
　　　
본 발명의 제1의 측면과 관련되는 상형성용 조성물의 바람직한 태양은 상기 반수석고가 α형태의 반수석고인 상기 상형성용 조성물 중 어느 하나이다. 그 이유는 후술하는 바와 같다.
　　　
본 발명의 제1의 측면과 관련되는 상형성용 조성물의 바람직한 태양에서, 상기 폴리비닐 알코올 수지는 중합도가 2×102 이상 3×103 이하인 상기 상형성용 조성물 중 어느 하나이다. 폴리비닐 알코올 수지의 평균중합도는, 중합도가 2×102 미만인 경우에는 진흙 상태 물질(泥狀物)의 점도가 낮아지고, 반대로 3×103을 넘으면 진흙 상태 물질의 점도가 너무 높아져서 물에 용해되기 어려우므로, 폴리비닐 알코올 수지의 평균 중합도는 2×102~3×103인 것이 바람직하며, 5×102~2.5×103 이라도 좋다. 다만, 본 발명의 상형성용 조성물은 틀 등에 넣을 필요가 없고, 또한, 연화할 필요가 없기 때문에 예를 들면, 중합도가 3×103~1×104인 것을 이용해도 된다. 또한, 중합도가 작으면, 물을 첨가하여 슬러리를 만들었을 때, 석고의 침강이 일어나기 때문에 문제가 되지만, 본 발명의 상형성용 조성물은 슬러리 상태로 할 필요가 없고, 점도가 낮으며, 소량의 물에 용해되기 쉽기 때문에, 중합도가 5×10~1.9×102 인 것이 바람직하며, 1×102~1. 5×102 라도 좋다.
　　　
본 발명의 제1의 측면과 관련되는 상형성용 조성물의 바람직한 태양에서, 상기 폴리비닐 알코올 수지는 켄화도가 70 몰% 이상인 상기 상형성용 조성물 중 어느 하나이다. 켄화도가 70 몰% 미만인 경우에는 입체상의 기계적 강도가 향상되지 않기 때문에, 켄화도는 70 몰% 이상인 것이 바람직하고, 80 몰%~99.5 몰%(본 명세서에서 A~B는 A 이상 B 이하를 의미한다.)로 하는 것이 보다 바람직하다.
　　　
본 발명의 제1의 측면과 관련되는 상형성용 조성물의 바람직한 태양에서, 상기 폴리비닐 알코올 수지는「아세트아세틸기, 시릴기, 제4급 암모늄 염기, 카본산기, 카본산의 무기 염기, 설폰산기, 설폰산의 무기 염기, 케톤기, 메르캅토기 및 아미노기」로 이루어진 군에서 선택된 1 또는 2개 이상의 관능기를 갖는 폴리비닐 알코올 변성체 수지를 함유하는 상기 상형성용 조성물 중 어느 하나이다.
　　　
본 발명의 제1의 측면과 관련되는 상형성용 조성물의 바람직한 태양에서, 상기 폴리비닐 알코올 수지는 아세트아세틸기를 갖는 폴리비닐 알코올 변성체 수지를 포함하는 상기 상형성용 조성물 중 어느 하나이다. 관능기로서 아세트아세틸기를 갖는 폴리비닐 알코올 수지를 이용하면 상형성용 조성물 내에서 킬레이트 구조가 형성되므로, 비교적 신속하게 상형성용 조성물의 경화가 진행된다.
　　　
본 발명의 제2의 측면과 관련되는 입체상의 제조 방법은, 기본적으로는 라피드 프로토타입법(RP법)에 근거하여 입체상을 제조하는 방법으로서, 분말 상태의 상기 상형성용 조성물 중 어느 하나를 이용하는 것이다. 상기 상형성용 조성물을 이용하는 것이기 때문에, 적은 양의 수분을 첨가한 층을 복수층으로 겹치더라도, 형상을 유지하기에 충분한 강도를 갖는 입체상을 신속하게 형성할 수 있다.
　　　
보다 구체적으로 설명하면, 본 발명의 제2의 측면과 관련되는 입체상의 제조 방법은 물체의 3차원 형상에 관한 정보에 근거한 상기 3차원 형상을 복수층에 분할하여 얻을 수 있는 각 층의 단면 형상에 관한 정보를 얻는 단면 형상 취득 공정(스텝 A1)과；상기 단면 형상 취득 공정에 의해 얻어진 상기 단면 형상 정보로부터, 제1층의 단면 형상에 관한 정보를 읽어내고, 읽어낸 정보에 근거하여 상형성용 조성물을 이용해서 상기 단면 형상을 재현한 제1단면상을 형성하는 제1단층상형성 공정(스텝 A2－1)과, 상기 단면 형상 취득 공정에 의해 얻어진 상기 단면 형상 정보로부터 상기 제1단면상 위의 층에 해당되는 제2층의 단면 형상에 관한 정보를 읽어내고, 읽어낸 정보에 근거하여 상형성용 조성물을 이용해서 상기 단면 형상을 재현한 제2단면상을 상기 제1단면상과 겹쳐지도록 형성하는 제2단층상형성 공정(스텝 A2－2)과, 상기 제2단층상형성 공정과 같이, 상기 단면 형상 취득 공정에 의해 얻은 상기 단면 형상 정보로부터, 상기 형성하려는 층의 단면 형상에 관한 정보를 읽어내고, 읽어낸 정보에 근거하여 상형성용 조성물을 이용해서 상기 단면 형상을 재현한 층의 단면상을 이전의 공정으로 얻은 단면상과 겹쳐지도록 형성하는 공정을 반복하여, 물체의 형상을 재현한 입체상을 얻기 위한 입체상 취득 공정(스텝 A2－n)을 포함하며, 상기 단층상형성 공정의 적어도 1개 이상의 공정(바람직하게는 모든 공정)은 상기 기재된 상형성용 조성물 중 어느하나의 분말을 층상으로 하여, 상형성용 조성물층을 형성하는 상형성용 조성물층 취득 공정과, 상기 상형성용 조성물층 취득 공정으로 형성된 상형성용 조성물 층에 그 층의 단면 형상에 관한 정보에 근거하여 수분(바람직하게는 바인더 수용액, 또는 가교제수용액)을 첨가함으로써, 상기 상형성용 조성물층의 소정 부분을 습윤 시키는 수분 첨가 공정을 포함하는 물체의 형상을 재현한 입체상의 제조 방법이다. 또한, 상형성용 조성물로서 본 명세서에 기재된 것을 적절히 이용할 수 있다. 이와 같이 소정의 패턴상에 수분을 첨가하여, 수분이 첨가된 패턴에 대응하는 부분의 수화 반응 등을 촉진함으로써, 패턴상의 경화물을 얻을 수 있다.
　　　
본 명세서에서, 「입체상」이란 상형성용 조성물에 물, 바인더 수용액, 가교제 수용액 등의 수분을 첨가하고 수화 반응을 진행시켜서, 적어도 일정기간 강도를 유지할 수 있도록 함으로써, 대상 물체의 형상을 재현시킨 석고상 등의 상을 의미한다. 본 명세서의 「입체상」에는 특히 복수의 층으로 형성되어 최종적인 3차원 구조체를 얻기 전, 석고 등의 수화 반응이 완전하게 끝나지 않은 상태의 것이 포함된다. 다만, 본 명세서에서의 「입체상」은 수화 반응이 완전하게 진행되지 않은 것으로 한정되는 것은 아니며, 성형시에는 수화 반응이 완전하게 진행되지 않았지만, 공기중의 수분을 흡수함으로써 수화 반응이 진행된 것도 포함된다.
　　　
본 발명의 제2의 측면과 관련되는 입체상의 제조 방법의 바람직한 태양은 상기 각 층의 단면 형상에 관한 정보에 각 층의 분류 정보가 포함되어 있어, 상기 수분 첨가 공정에서 상기 색(色)분류 정보에 따라 착색 성분을 포함한 수분이 첨가되는 상기 기재된 입체상의 제조 방법이다.
　　　
본 발명의 3차원 모형은 예를 들면, 수술 연습용 3차원 생체 모형 등으로 이용된다. 통상의 모형에서는 표면만 착색되어 있으면 충분하고, 내부까지 착색하는 것을 고려하지는 않았다. 그렇지만 외과나 치과 연습용 등에 사용할 경우, 뼈 부분 또는 이빨의 부분을 깎았을 때, 곧바로 석고의 색이 노출되거나, 뼈나 이빨 부분과 피부(살) 부분과의 구별이 되지 않아, 사실적이지 못하다. 그래서 상기 태양과 관련되는 입체상의 제조 방법에서는, 그러한 부분이 구별 되도록 색분류가 된다. 본 발명의 입체상의 제조 방법은, 종래의 입체상의 제조 방법과 같이 소정의 틀에 석고를 넣어 상을 얻는 방법이 아니기 때문에, 이러한 패터닝을 용이하게 실시할 수 있다. 구체적으로는 엑스레이 사진 등에서 뼈 또는 이빨의 부분과 피부의 부분(또는 신경의 부분) 등을 농담(膿淡)이 다른 상(像)으로 얻을 수 있으므로, 엑스레이 사진 등에서 각 층의 단면 형상에 관한 정보를 얻을 때, 뼈 또는 이빨의 부분과 피부 등의 부분을 다른 패턴으로 얻고 그것을 기억해 두어서, 뼈 또는 이빨의 부분에 대해서는 단순한 물방울(또는 흰색 등의 착색료를 함유한 물방울)을 첨가하는 한편, 피부 등의 부분에 대해서는 소정의 착색료(빨강 등)를 함유한 물방울을 첨가하면 좋다. 상기 패터닝은 공지(公知)의 인쇄 기술을 이용하여 용이하게 실시할 수가 있다.
　　　
본 발명의 제3의 측면과 관련된 3차원 구조체의 제조 방법은, 기본적으로는 상기의 상형성용 조성물을 이용한 상기의 입체상의 제조 방법에 의해 얻을 수 있는 입체상을 이용하여, 3차원 생체 모형, 임플란트 또는 인공뼈 등의 3차원 경화체를 얻는 3차원 구조체의 제조 방법에 관한 것이다. 그리고 상술한 바와 같이, 특정의 상형성용 조성물을 이용하여 경화체를 얻는 것이기 때문에, 신속하고 적절하게 수술 연습용 생체 모형 등의 경화체를 얻을 수 있게 된다. 종래의 RP법은 임플란트나 인공뼈를 만들기 위한 것이 아니었으며, 만일 종래의 방법으로 임플란트나 인공뼈를 제조한다 하더라도, 왁스 등이 포함되어 있어 멸균 처리를 실시할 수 없기 때문에, 수술 등에는 이용할 수 없다. 그렇지만, 본 발명의 3차원 구조체의 제조 방법에서는 소정의 조성물을 이용하기 때문에, 왁스를 포함하지 않아도 충분한 강도를 갖는 임플란트나 인공뼈를 제조할 수 있고, 또한 오토클레이브 멸균 등을 견딜 수 있는 3차원 구조체를 제조할 수 있다.
　　　
본 명세서에서, 「3차원 구조체」란 대상물의 형상을 재현한 경화물을 의미하며, 구체적으로는 생체 모형 등의 3차원 모형, 생체 내에 뼈 등의 대체물로 넣는 인공뼈, 임플란트 등을 들 수 있다.
　　　
보다 구체적으로 설명하면, 본 발명의 제3의 측면과 관련되는 3차원 구조체의 제조 방법은 상기 기재된 입체상의 제조 방법 중 어느 하나에 의해 얻을 수 있는 입체상으로부터 경화되지 않은 상형성용 조성물 분말을 없애기 위한 석고 분말 제거 공정(스텝 B1)과； 상기 석고 분말 제거 공정으로 분말이 제거된 입체상에 수분을 첨가하기 위한 수분 첨가 공정(스텝 B2)과； 상기 수분 첨가 공정으로 수분이 첨가된 입체상을 건조시키는 건조 공정(스텝 B3); 을 포함하는 3차원 구조체의 제조 방법이다.
　　　
상기 입체상의 제조 방법에 의해 얻을 수 있는 입체상은, 기본적으로는 인쇄 기술을 이용하여 상형성용 조성물에 수분을 첨가하는 것이기 때문에, 수화에 의한 석고 등의 경화 반응이 충분히 진행되지 않을 가능성이 높다. 따라서 일단 얻을 수 있는 입체상으로부터 모양 형성에 관계가 없는 경화되지 않은 부분에 남아 있는 분말을 제거한 후, 수분을 첨가하여 수화에 의한 석고 등의 경화 반응을 촉진시킨다. 이에 의하여, 석고 등의 경화 반응이 진행되어, 보다 균질하고 충분한 강도를 갖는 경화체를 제조할 수 있게 된다. 또한, 수분을 첨가한 상태의 입체상을 건조 공정에 의해 건조시켜서 수분을 증발시키는 것이 바람직하다는 것은 말할 필요도 없다. 또한, 입체상을 얻은 후에, 왁스를 함침(含浸)시킴으로써 경화체를 얻는 방법도 생각할 수 있다. 그러나 왁스를 함침시킨 경화체는 오토클레이브나 증기 멸균 처리를 가했을 경우, 왁스가 녹아 나오는 문제가 있으므로, 고온에서의 멸균 처리가 불가능하여, 수술실에 반입할 수 없다. 한편, 본 발명의 3차원 구조체의 제조 방법은 왁스를 함침 시키는 것을 반드시 필요로 하지는 않기 때문에, 상기 문제점이 없는 3차원 구조체를 얻을 수 있다.
　　
본 발명의 제3의 측면과 관련된 3차원 구조체 제조 방법의 바람직한 태양은, 상기 수분 첨가 공정(스텝 B2)은 상기 석고 분말 제거 공정으로 분말이 제거된 입체상에 수분을 분무하거나 입체상을 고습도 분위기에 두어 입체상 표면에 수분을 부착시키는 분무 공정(스텝 B2－1)과, 상기 분무 공정을 거친 뒤에, 입체상을 수중에 침지하는 침지 공정(스텝 B2－2)을 포함하는 상기 기재된 3차원 구조체의 제조 방법에 관한 것이다. 상기에서, 고습도 분위기란 예를 들어, 습도가 80%~100%인 경우(바람직하게는 습도가 90%~100%인 경우)를 의미한다. 또한, 가습기 등에 물, 가교제 수용액, 바인더 수용액 등을 넣어서 상기 공정에 이용되는 용기나 밀폐계(密閉系)에 수증기, 미스트(mist), 또는 소정의 성분이 포함된 증기를 충만시킴으로써, 고습도 분위기를 달성할 수 있다.
　　　
즉, 상기 태양의 3차원 구조체의 제조 방법에서는, 얻어진 입체상을 갑자기 물에 침지하면 형태가 무너지는 문제 등이 발생할 수도 있다는 점을 고려하여, 우선은 표면(바람직하게는 표면 전체)에 수분을 첨가하여 표면의 수화를 촉진시킴으로써, 수화에 의한 석고의 경화 반응을 촉진시켜(바람직하게는 건조시켜) 형태 붕괴를 방지한 후, 수중에 침지하여 충분히 경화 반응을 촉진시키는 것이다.
　　　
본 발명의 제3의 측면과 관련되는 3차원 구조체의 제조 방법의 바람직한 태양은, 상기 수분 첨가 공정(스텝 B2)은 (1) 전기 석고 분말 제거 공정으로 분말이 제거된 입체상에 수분을 분무하거나 입체상을 고습도 분위기에 두어 입체상 표면에 수분을 부착시키는 분무 공정과, 상기 분무 공정을 거친 뒤에, 입체상을 가교제수용액 중에 침지하는 침지 공정과, (2) 상기 석고 분말 제거 공정으로 분말이 제거된 입체상에 가교제수용액을 분무하거나 입체상을 가교제수용액의 고습도 분위기에 두어 입체상 표면에 가교제수용액을 부착시키는 분무 공정과, 상기 분무 공정을 거친 뒤에, 입체상을 가교제수용액 중에 침지하는 침지 공정, 또는 (3) 상기 석고 분말 제거 공정으로 분말이 제거된 입체상에 수분을 분무하거나 입체상을 고습도 분위기에 두어 입체상 표면에 수분을 부착시키는 분무 공정과, 상기 분무 공정을 거친 뒤에, 입체상을 수중에 침지시키고, 상기 입체상을 가교제수용액 중에 침지하는 침지 공정 중에서 어느 하나를 포함하는 상기 기재된 3차원 구조체의 제조 방법이다.
　　　
이와 같이 가교제수용액을 첨가하여 입체상 안에서 가교를 진행시킴으로써, 충분한 강도를 갖는 3차원 구조체를 얻을 수 있게 된다. 또한, 가교제수용액의 바람직한 예로서 에틸렌 디아민 수용액 또는 디에탄올 아민 수용액을 사용할 수 있으며, 에틸렌 디아민 및 디에탄올 아민 수용액을 사용할 수도 있다.
　　　
본 발명의 제4의 측면과 관련된 3차원 구조체는 환자의 뼈 또는 이빨을 포함한 부위의 3차원 생체 모형, 임플란트 또는 인공뼈에 관한 것이다. 종래의 일반적인 형상을 갖는 생체 모형은 공업적으로 양산되고 있으며, 과학실 등에서 사용되고 있다. 그렇지만 일반적인 모형만으로는 수술 연습, 수술 계획의 설명, 또는 환자 앞에서 환자의 뼈 또는 이빨을 포함한 부위를 설명하기에 적합하지 않다. 또한, 환자 개인의 뼈 또는 이빨을 포함한 부위의 3차원 생체 모형, 임플란트 및 인공뼈는 양산할 필요가 없다. 따라서, 본 발명은 수술 연습, 수술 계획의 설명, 환자 앞에서 환자의 뼈 또는 이빨을 포함한 부위의 설명 등에 이용할 수 있는 오더 메이드의 3차원 생체 모형 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.
　　　
구체적으로는, 본 발명의 제4의 측면과 관련된 3차원 구조체는, 상기 물체의 형상은 환자의 뼈 또는 이빨을 포함한 부위의 형상이며, 상기 기재된 3차원 구조체의 제조 방법 중 어느 하나에 따라 제조된, 환자의 뼈 또는 이빨을 포함한 부위의 3차원 구조체에 관한 것이다. 상기 제조 방법에 따르면, 오더 메이드의 3차원 구조체를 주형 등 고가의 장치를 제조하지 않고도 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 3차원 생체 모형은, 환자의 뼈 또는 이빨을 포함한 부위를 재현한 것이기 때문에, 뼈를 자르는 라인을 용이하게 설계할 수 있을 뿐만 아니라, 뼈를 이동시키는 시뮬레이션을 용이하게 실시할 수 있다. 또한, 임플란트나 플레이트 등을 매몰 시키는 시뮬레이션 등도 용이하게 실시할 수 있다. 물론, 실제의 3차원 생체 모형을 의사 등 시술자가 볼 수 있으므로, 시술자가 실제 수술 전에 시술 부위에 대해 깊게 이해할 수 있도록 도와주는 것은 물론이다. 또한, 시술 전에 환자에게 구체적 이미지를 이용하여 수술 내용을 설명할 수 있으므로, 환자의 이해를 도움과 동시에, 환자를 안심시킬 수 있다. 게다가, 종래의 모형은 왁스 성분 등을 포함하기 때문에 오토클레이브나 고온 멸균을 할 수 없으므로, 수술실에 반입할 수가 없다. 그러나 본 발명의 3차원 생체 모형의 바람직한 태양은 왁스 성분 등을 포함하지 않기 때문에, 오토클레이브나 고온 멸균이 가능하므로 수술실에 반입할 수 있다. 이것에 의해, 시술자는, 한 번 실시한 시술 시뮬레이션을 용이하게 생각해 낼 수가 있다. 물론, 상기와 같이 얻어진 임플란트나 인공뼈 등 생체 내에 매입 하는 매몰물은, 적절한 형상을 갖는 것이기 때문에, 치과적 치료 또는 외과적 치료 등에 바람직하게 이용할 수가 있다.
　[발명의 효과]
본 발명에 의하면, 칼슘계 물질에 소정량의 폴리비닐 알코올 수지(또는 경화촉진제)를 포함하기 때문에, 소량의 수분으로 경화가 시작되어 소정의 경도를 얻을 수 있다. 특히, 라피도 프로토타입법(RP법)에 의한 3차원 모형의 제조에 적합한 상형성용 조성물을 제공할 수 있다.
　　　　
본 발명은 상기와 같은 상형성용 조성물을 이용하는 것으로, RP법 등을 이용하여 3차원 생체 모형을 얻기 위한 임시 구조물 등인 입체상을 얻을 수 있다.　
본 발명은 상기와 같은 상형성용 조성물 및 상기의 입체상을 이용하여, 수술 연습용 등의 3차원 생체 모형인 석고경화체를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명은 입체상에 포함되는 석고를 충분히 수화 시킴으로써, 비교적 균일하고 정밀도가 높은 석고경화체를 얻을 수 있으며, 왁스 등을 혼입할 필요가 없기 때문에 오토클레이브 등에 의해 고온에 노출되어도 형상이 변화되지 않는 석고경화체를 얻을 수 있다.
　　　본 발명에 의하면 수술의 연습, 수술 계획의 설명, 환자 앞에서 환자의 뼈 또는 이빨을 포함한 부위의 설명 등에 이용할 수 있고, 게다가 수술실에 반입할 수 있고 바람직하게는 오더메이드의 3차원 생체 모형 등의 3차원 구조체를 제공할 수 있다.
　[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]
　　　
　[상형성용 조성물]
본 발명의 제1의 측면과 관련된 상형성용 조성물은 칼슘계 물질에 폴리비닐 알코올 수지를 배합시킨 상형성용 조성물이며, 상기 폴리비닐 알코올 수지는 상기 칼슘계 물질과 상기 폴리비닐 알코올 수지의 합계 중량을 100 중량부로 했을 때, 2 중량부~8 중량부의 함량으로 배합되는 상형성용 조성물이다.
　　　
본 발명의 제1의 측면과 관련된 상형성용 조성물의 바람직한 태양은, 칼슘계 물질에 폴리비닐 알코올 수지 및 경화촉진제를 배합시킨 상형성용 조성물이며； 상기 경화촉진제는 이수석고, 알칼리 금속 유산염, 알칼리 토금속 유산염, 알칼리 금속 염화물, 알칼리 토금속 염화물, 무기산의 암모늄염, 및 명반류로 구성된 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 경화촉진제이며； 상기 칼슘계 물질과 상기 폴리비닐 알코올 수지의 합계 중량을 100 중량부로 했을 때, 상기 폴리비닐 알코올 수지는 2 중량부~8 중량부의 함량으로 배합되고, 상기 경화촉진제는 0.1 중량부~5 중량부의 함량으로 배합되는 상형성용 조성물이다. 또한, 상기 태양과 관련된 상형성용 조성물은 칼슘계 물질, 폴리비닐 알코올 수지 및 경화촉진제 만으로 구성되는 것이 바람직하다.
　　　
상술한 바와 같이, 이러한 상형성용 조성물은 결정수 이외에는 실질적으로 수분을 포함하지 않는 것이 바람직하고, 분말 상태인 것이 바람직하다. 건재용인 상형성용 조성물의 경우에는 물 등과 함께 충분히 교반하여 용해시키기 때문에, 원료가 되는 석고 분말 입자의 지름은 문제되지 않는다. 그렇지만 본 발명의 상형성용 조성물은 슬러리 상태로 하는 것이 반드시 의도되어 있지 않기 때문에, 칼슘계 물질 분말의 입자 지름은 거의 균일하다고 보는 것이 바람직하다. 이러한 관점에서, 본 발명의 칼슘계 물질은 JISR1619(파인 세라믹스(fine ceramics) 분말의 액상침강광투과법에 의한 입자 지름 분포 측정 방법)에 근거한 입자 분포의 측정에서, 최대 분포로부터 플러스 마이너스 10%의 입자 지름 분포의 범위 내에, 50 중량%이상, 바람직하게는 70 중량%이상, 더욱 바람직하게는 85 중량%이상, 보다 바람직하게는 95 중량% 이상의 분자가 포함된 것일 수 있다. 이러한 분포는 원료 분말 선별 작업을 반복 실시함으로써 달성할 수 있다.
　　　
본 발명에서 칼슘계 물질의 바람직한 예로는 석고를 들 수 있다. 또한, 석고의 예로서 α형태의 반수석고, β형태의 반수석고, 또는 이러한 혼합물을 적절히 이용할 수 있으나, α형태의 반수석고가 바람직하다. α형태의 반수석고는 β형태의 반수석고에 비해, 적은 수분으로 연화상태를 달성하여 경화를 진행시킬 수 있기 때문이다. 분체를 형성할 수 있는 경사면의 최대 경사각인 안식각(安息角)이 작은 것을 이용하면, 성형시에 가루를 균일하게 넓힐 수가 있으므로 바람직하다. 이러한 관점에서 반수석고(또는 상형성용 조성물)의 안식각은 30도~45도로 할 수 있으며, 바람직하게는 35도~40도로 할 수 있다.
　　　
본 발명에 있어서, 폴리비닐 알코올 수지는 특정한 종류로 한정되지 않고, 공지의 폴리비닐 알코올 수지(폴리비닐 알코올(-[C(OH) HCH2]n-) 또는 관능기를 적당히 갖는 폴리비닐 알코올 수지)를 적절히 이용할 수 있다. 폴리비닐 알코올 수지로서 일반적으로는 폴리 초산비닐의 저급 알코올 용액을 알칼리나 산 등의 켄화 촉매에 의해 켄화한 켄화물 또는 그 유도체를 이용할 수 있다. 또한, 폴리비닐 알코올 수지로서 초산비닐과 공중합성을 가지는 단량체와 초산비닐과의 공중합체의 켄화물 등을 이용할 수도 있다. 그러한 초산비닐과 공중합성을 가지는 단량체로서 예를 들면 에틸렌, 프로필렌, 이소부틸렌, α－옥텐, α－도데센,α－옥타데센 등의 올레핀류, 아크릴산, 메타크릴산, 크로톤산, 말레인산, 무수 말레산, 이타콘산 등의 불포화 산류 또는 그 염 또는 디알킬에스테르 등, 아크릴로니트릴, 메타아크릴로니트릴 등의 니트릴류, 아크릴 아미드, 메타크릴 아미드 등의 아미드류, 에틸렌 설폰산, 아릴 설폰산, 메타아릴 설폰산 등의 올레핀 설폰산 또는 그 염, 알킬 비닐 에테르류, N－아크릴 아미드 메틸 새 메틸 암모늄 클로라이드, 아릴 새 메틸 암모늄 클로라이드, 디메틸 디알릴 암모늄 염화물, 디메틸 아릴 비닐 케톤, N－비닐 피롤리돈, 염화 비닐, 염화 비닐리덴, 폴리옥시 에틸렌(메타) 아릴 에테르, 폴리옥시 프로필렌(메타) 아릴 에테르 등의 폴리옥시 알킬렌(메타) 아릴 에테르, 폴리옥시 에틸렌(메타) 아크릴레이트, 폴리옥시 프로필렌(메타) 아크릴레이트 등의 폴리옥시 알킬렌(메타) 아크릴레이트, 폴리옥시 에틸렌(메타) 아크릴 아미드, 폴리옥시 프로필렌(메타) 아크릴 아미드 등의 폴리옥시 알킬렌(메타) 아크릴 아미드, 폴리옥시 에틸렌(1－(메타) 아크릴 아미드-1, 1－디메틸 프로필) 에스테르, 폴리옥시 에틸렌 비닐 에테르, 폴리옥시 프로필렌 비닐 에테르, 폴리옥시 에틸렌 아릴 아민, 폴리옥시 프로필렌 아릴 아민, 폴리옥시 에틸렌 비닐 아민, 폴리옥시 프로필렌 비닐 아민 등을 들 수 있지만, 가장 적합하게는 초산비닐의 단독 집합체의 켄화물, 초산비닐과 에틸렌, 불포화산 혹은 그 염, 알킬 에스테르 및 올레핀 설폰산 혹은 그 염과의 공중합체의 켄 화물이 이용된다.
　　　
본 발명에서는 건재 등과 달리, 상형성용 조성물을 틀 등에 넣을 필요가 없고, 연화합할 필요가 없기 때문에, 폴리비닐 알코올 수지의 켄화도나 평균 중합도를 특별히 한정하지 않는다. 한편, 켄화도가 70 몰% 미만인 경우에는 입체상의 기계적 강도를 향상시킬 수 없기 때문에, 켄화도는 70 몰% 이상인 것이 바람직하고, 80 몰%~99.5 몰%인 것이 더욱 바람직하다. 폴리비닐 알코올 수지의 평균 중합도는, 중합도가 2×102 미만이면 진흙 상태의 물질(泥狀物)의 점도가 낮아지고, 반대로 3×103을 넘으면 진흙 상태의 물질의 점도가 너무 높아져서 물에 용해되기 어려워지므로, 중합도는 2×102~3×103인 것이 바람직하며, 5×102~2.5×103인 것도 좋다. 다만, 본 발명에서의 상형성용 조성물은 틀 등에 넣을 필요가 없고, 연화할 필요가 없기 때문에 예를 들면, 중합도가 3×103~1×104인 것을 이용해도 된다. 또한, 중합도가 낮으면 물을 첨가하여 슬러리로 만들 경우, 석고가 침강되는 것이 문제가 되나, 본 발명의 상형성용 조성물은 슬러리 상태로 할 필요가 없고, 점도가 낮으며, 소량의 물에도 용해하기 쉽기 때문에, 중합도가 5×10~1.9×102인 것이 바람직하며, 1×102~1.5×102인 것이라도 좋다. 중합도나 분자량은 공지의 방법에 따라 반응 시간이나 반응 조건을 적절히 조정함으로써 제어할 수 있다.
　　　
폴리비닐 알코올 수지로서 완전 켄화형의 경우에는, 켄화도가 90 몰%이상 99.5 몰%이하인 것이 바람직하며, 98.5 몰% 이상 99.5 몰% 이하인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 점도는 1×10~2×10 mPa·s인 것을 이용하는 것이 바람직하다. 점도는 JIS등의 규격(예를 들면, JIS　K　7367)에 따라 측정하는 것이 좋다.
　　　
또한, 폴리비닐 알코올 수지는 폴리비닐 알코올 수지 그 자체를 사용해도 무방하며, 적절히 관능기를 도입한 폴리비닐 알코올 유도체 수지를 사용할 수도 있다. 또한, 상기 관능기가 부분적으로 도입된 것을 사용해도 되며, 복수 종류의 폴리비닐 알코올 수지의 혼합물을 사용해도 된다. 이러한 관능기로는 아세트아세틸기, 시릴기, 제4급 암모늄 염기, 카본산기, 카본산의 무기 염기, 설폰산기, 설폰산의 무기 염기, 케톤기, 메르캅토기, 아미노기 등이 있고, 상기 관능기가 1종 또는 2종 이상 포함되어 있어도 된다. 이 중에서도 아세트아세틸기 또는 시릴기가 바람직하고, 가장 바람직한 것은 관능기로서 아세트아세틸기를 갖는 것이다. 또한, 관능기의 비율은 모든 수산기(－OH)가 관능기로 치환된 것도 좋고, 전체의 5%~95%의 수산기가 관능기로 치환되어도 좋고, 10%~20%, 70%~90%, 30%~70% 라도 좋다. 특히, 분자 내에 아세트아세틸기를 갖는 것은 분자 내에 아세트아세틸기를 포함하는 것으로서, 경화촉진제 등에 포함되는 금속 이온과 킬레이트를 형성하여, 소량의 수분으로 신속하게 소정의 경도를 달성할 수 있다. 또한, 이러한 관능기는 유기 합성의 통상의 방법에 의해 적당히 얻을 수 있는 폴리비닐 알코올 수지에 도입할 수 있고, 도입하는 관능기의 종류나 비율도 유기 합성의 통상의 방법에 따라 제어할 수 있다.
　　　
상기 폴리비닐 알코올 수지는 후술하는 실시예에 의해 실증된 것처럼, 상기 칼슘계 물질과 상기 폴리비닐 알코올 수지의 합계 중량을 100 중량부로 했을 때, 2 중량부~8 중량부의 함량으로 배합된다. 후술하는 실시예에 의해 실증된 것처럼, 폴리비닐 알코올 수지는 3 중량부~7 중량부인 것이 바람직하고, 3 중량부~6 중량부 또는 4 중량부~7 중량부여도 좋으며, 4 중량부~6 중량부, 또는 4.5 중량부~5.5 중량부여도 좋다. 폴리비닐 알코올 수지가 적으면 적절한 경도를 얻을 수 없다. 한편, 폴리비닐 알코올 수지를 너무 대량으로 포함하면,오토클레이브 멸균 등에 내성이 있는 3차원 구조체를 얻기 곤란하다.
　　　
본 발명의 상형성용 조성물은, 상기 폴리비닐 알코올 수지가 칼슘계 물질과는 따로 포함되는 배합체여도 좋으며, 칼슘계 물질과 폴리비닐 알코올 수지 등이 혼합된 것이어도 좋다. 상기 어느 경우라도, 분말 상태인 것이 바람직하고, 분말의 크기는 상기 기재된 범위인 것이 바람직하다.
　　　
본 발명의 경화촉진제는, 이수석고, 알칼리 금속 유산염, 알칼리 토금속 유산염, 알칼리 금속 염화물, 알칼리 토금속 염화물, 무기산 암모늄염, 및 명반류로 구성된 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 경화촉진제이다. 알칼리 금속 유산염으로서 황산나트륨, 및 황산칼륨을 들 수 있다. 알칼리 토금속 유산염으로서 황산마그네슘, 황산칼슘, 및 황산바륨을 들 수 있다. 알칼리 금속 염화물로서 염화 리튬, 염화 나트륨, 및 염화 칼륨을 들 수 있다. 알칼리 토금속 염화물로서 염화 마그네슘, 및 염화 칼슘을 들 수 있다. 무기산 암모늄염으로서 염산 암모늄을 들 수 있다. 명반류로서 황산알루미늄·칼륨 12수(황산칼륨알루미늄 12수)：AlK(SO4)2·12 H2O 등의 칼륨명반, AlNa(SO4)2·12H2O등의 나트륨명반, NH4Al(SO4)2·12H2O 등의 암모늄명반 등을 들 수 있다. 이 중에서, 황산 마그네슘, 염화 나트륨, 황산 나트륨, 및 황산 칼슘으로 구성되는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 바람직하게 이용할 수 있다. 또한, 이수석고와；이수석고의 다른 성분으로서 황산 마그네슘, 염화 나트륨, 황산 나트륨, 및 황산 칼슘으로 구성되는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 합한 것도 바람직하게 이용할 수 있다. 또한, 경화촉진제로서 금속염을 함유 하는 것은 소정의 관능기를 갖는 폴리비닐 알코올과의 사이에 킬레이트 구조를 형성하여, 입체상 또는 3차원 구조체의 강도를 높이므로 바람직하다.
　　　　
경화촉진제의 함량은 칼슘계 물질과 폴리비닐 알코올 수지의 합계 중량을 100 중량부로 했을 때, 0.1 중량부~5 중량부가 되도록 배합하면 좋다. 경화촉진제로서 이수석고를 이용하는 경우, 이수석고의 함량은 0.5 중량부~5 중량부로 할 수 있다. 한편, 이수석고를 포함하지 않는 경화촉진제를 이용하는 경우, 경화촉진제의 함량은 수석고(水石膏)와 폴리비닐 알코올 수지의 합계 중량을 100 중량부로 했을 때, 0.1 중량부~5 중량부로 할 수 있으며, 바람직하게는 0.1 중량부~3 중량부, 더욱 바람직하게는 0.3 중량부~2 중량부, 보다 바람직하게는 0.4 중량부~1.5 중량부로 할 수 있다.
　　　　
경화촉진제는 상형성용 조성물에 있어서의 공지의 방법에 따라, 상형성용 조성물에 배합하면 된다. 본 발명의 상형성용 조성물은, 본 발명의 상형성용 조성물의 기능을 유지할 수 있는 범위 내에서 상기한 것 이외의 공지의 조성을 적당히 더 포함해도 된다.　
　　　　
［입체상 제조 방법］
본 발명은 최종적으로는 수술 연습용 3차원 생체 모형 등, 석고경화체를 얻는 것을 목적으로 하나, 그 전에 경도가 불충분한 것을 포함하는 입체상을 얻게 되므로, 먼저 입체상을 얻기 위한 입체상의 제조 방법에 대해 설명한다.
　　　
본 발명의 제2의 측면과 관련되는 입체상의 제조 방법은, 기본적으로는 라피도 프로토타입법(RP법)에 근거하여 입체상을 제조함에 있어서 방법으로서, 분말 상태의 상기 상형성용 조성물 중 어느 하나를 이용하는 것이다. 상기 상형성용 조성물을 이용하므로, 적은 양의 수분(물, 가교제 수용액, RP장치에 이용되는 공지의 바인더 수용액 등)을 첨가한 층을 복수층 겹치더라도, 형상을 유지하기 위해서 충분한 강도를 갖는 입체상을 신속히 형성할 수 있게 된다. 또한, 소량의 물에 의해 어느 정도의 강도를 가지는 층이 상하에 인접하는 층과 접착하여 일체적인 입체상을 이루는 것이 바람직하다. 종래의 상형성용 조성물을 그대로 이용하는 경우에는 상기 특성을 가지는 입체상을 얻을 수 없으며, 본 발명의 상형성용 조성물을 이용함으로써, 본 측면과 관련된 입체상의 제조 방법을 실현할 수 있다고 생각된다.
　　　
보다 구체적으로 설명하면, 본 발명의 제2의 측면과 관련된 입체상의 제조 방법은 물체의 3차원 형상에 관한 정보에 근거한 상기 3차원 형상을 복수층에 분할하여 얻을 수 있는 각층의 단면 형상에 관한 정보를 얻는 단면 형상 취득 공정(스텝 A1)과；상기 단면 형상 취득 공정에 의해 얻어진 상기 단면 형상 정보로부터, 제1층의 단면 형상에 관한 정보를 읽어내고, 읽어낸 정보에 근거하여 상형성용 조성물을 이용해서 상기 단면 형상을 재현 한 제1단면상을 형성하는 제1단층상형성 공정(스텝 A2－1)과, 상기 단면 형상 취득 공정에 의해 얻어진 상기 단면 형상 정보로부터 상기 제1단면상 위의 층에 해당되는 제2층의 단면 형상에 관한 정보를 읽어내고, 읽어낸 정보에 근거하여 상형성용 조성물을 이용해서 상기 단면 형상을 재현한 제2단면상을 상기 제1단면상과 겹쳐지도록 형성하는 제2단층상형성 공정(스텝 A2－2)과, 상기 제2단층상형성 공정과 같이, 상기 단면 형상 취득 공정에 의해 얻은 상기 단면 형상 정보로부터, 상기 형성하려는 층의 단면 형상에 관한 정보를 읽어내고, 읽어낸 정보에 근거하여 상형성용 조성물을 이용해서 상기 단면 형상을 재현한 층의 단면상을 이전의 공정으로 얻은 단면상과 겹쳐지도록 형성하는 공정을 반복하여, 물체의 형상을 재현 한 입체상을 얻기 위한 입체상 취득 공정(스텝 A2－n)을 포함하며, 상기 단층상형성 공정의 적어도 1개 이상의 공정은 상기 기재된 상형성용 조성물 중 어느하나의 분말을 층상으로 하여, 상형성용 조성물층을 형성하는 상형성용 조성물층 취득 공정과, 상기 상형성용 조성물층 취득 공정으로 형성된 상형성용 조성물 층에 그 층의 단면 형상에 관한 정보에 근거하여 수분을 첨가함으로써, 상기 상형성용 조성물층의 소정 부분을 습윤 시키는 수분 첨가 공정을 포함하는 물체의 형상을 재현한 입체상의 제조 방법이다. 이하, 각 공정에 대해 설명한다.
　　　
단면 형상 취득 공정은 물체의 3차원 형상에 관한 정보에 근거한 상기 3차원 형상을 복수층에 분할하여 얻을 수 있는 각 층의 단면 형상에 관한 정보를 얻기 위한 공정이다(스텝 A1). 본 발명의 제2의 측면과 관련된 입체상의 제조 방법의 바람직한 태양은, 상기 각 층의 단면 형상에 관한 정보에는 각 층의 분류 정보가 포함되어 있어서, 상기 수분 첨가 공정에서는 상기 분류 정보에 따라, 착색 성분을 포함한 수분이 첨가되는, 상기 기재된 입체상의 제조 방법이다.
　　　
본 발명의 제2의 측면과 관련된 입체상의 제조 방법은, 이른바 라피드프로토타입법으로 이용되는 공지의 장치를 이용하여 공정 등을 프로그램 함으로써 용이하게 실시할 수 있다. 구체적으로는 라피드프로토타입용 프로그램을 탑재한 컴퓨터 등에 의해 용이하게 실행할 수 있다. 상기 컴퓨터는 입출력부, CPU 등의 제어부, 연산부, 및 메모리를 구비하고 있으며, 인터페이스 등의 입출력부를 통하여 입체상을 제조하는 입체상제조부와 접속된다. 그리고 입체상제조부는 상기 컴퓨터의 지령에 따라 입체상을 형성하기 위해 상하로 이동할 수 있는 가동식 테이블과；상기 컴퓨터의 지령에 따라 상기 가동식 테이블상에 상형성용 조성물의 층을 형성하기 위하여, 상형성용 조성물 분말 저장부로부터 상형성용 조성물 분말을 꺼내서 상형성용 조성물층을 형성하는 상형성용 조성물층 형성부와；컴퓨터의 지령에 따라 상기 상형성용 조성물층에 물 또는 소정의 수용액을 첨가하는 인쇄부를 구비한다.
　　　
단면 형상 취득 공정에서는, 복수의 엑스레이 사진 등에서 대상 물체의 3차원 형상에 관한 정보를 얻어서, 상기 3차원 형상을 복수의 층에 의해 구성되는 단면 형상에 분할한 상을 얻는 것이 좋다. 또한, 임플란트나 인공뼈의 3차원 형상은, 예를 들면 이하와 같은 방법으로 얻는 것이 좋다. 우선, 결손부를 보충하기 위한 임플란트나 인공뼈를 얻는 경우에는, 일반적으로 결손부는 본래 좌우 대칭에 가까운 형상을 갖는 부분(예를 들면, 오른쪽 다리의 뼈와 왼발의 뼈)을 가지고 있으므로, 그 대상이 되는 부위의 뼈의 형상을 대상으로 하도록 컴퓨터 시뮬레이션을 실시하여, 대상으로 하는 물체의 3차원 형상에 관한 정보를 얻어도 좋다. 또한, 치과용 임플란트 등을 제조하는 경우, 환부 자체의 형상이, 재현을 위한 바람직한 형상이 아닌 경우가 있다. 이러한 경우에는 주위의 이빨이나 뼈의 형상 등을 참고 하여, 3 DCG(3차원 컴퓨터 그래픽스) 등을 이용해서 대상물의 형상을 묘사하여, 컴퓨터에 입력함으로써 3차원 형상에 관한 정보를 얻고, 컴퓨터로 상기 3차원 형상에 근거하여 각 단면 형상에 관한 정보를 얻어내는 것도 괜찮다. 구체적으로는 입력 신호가 포인팅 디바이스(pointing device)로부터 CPU에 입력되면, CPU는 입력된 신호에 근거하여 CD－ROM이나 하드 디스크 등의 기억부에 격납된 제어 프로그램을 읽어낸다. 그리고 CPU는 제어 프로그램의 지령에 근거하여, 기억부에 기억되어 있는 엑스레이 사진상 등을 스캔하고, 스캔 된 여러 개의 2차원상을 모아서 3차원 형상에 관한 상을 얻는다. 덧붙여 이 때, 엑스레이 사진 등에서는 뼈 등의 부위와 피부 등의 부위의 농담이 다르게 나타나므로, 엑스레이 사진을 스캐닝 하여 상을 얻을 때에, 농담이 크게 다른 부위에 의해 윤곽을 얻는 것 이외에도, 그 윤곽에 의해 둘러싸인 부위의 농담이 소정의 값의 범위인지 아닌지를 판단하고, 윤곽으로 둘러싸인 부위 간의 농담을 비교함으로써, 뼈 등의 부위와 피부 등의 부위의 패터닝 정보를 얻어, 이 패터닝 정보를 기억하도록 해도 된다. 또한, 3차원 형상에 관한 상을 얻었을 경우, 예를 들면, z축(지상에서 위쪽 방향) 등의 방향에 따라, 상기 3차원 형상을 둥글게 잘라서, 복수의 층 마다 단면 형상을 얻는다.
　　　
층의 두께는 포인팅 디바이스 등의 입력 정보에 따라 적절히 조정할 수 있도록 해도 되고, 미리 설정된 값에 따라 제어되도록 해도 된다. 층의 두께가 두꺼우면, 정교한 경화체를 얻을 수 없고, 인쇄 기구 등을 이용하여 물방울을 첨가하는 것만으로는 형상을 유지할 수 있을 정도의 경도가 유지되지 않는 문제가 있다. 한편, 층의 두께가 너무 얇으면, 많은 단면 화상을 얻어야만 하므로, 컴퓨터의 하드웨어 용량에 부담이 가게 될 뿐더러, 제조를 실시하기 위해서 많은 시간이 걸리게 된다. 이러한 관점에서, 각 층의 두께로서 1×10μm~5mm이 바람직하며, 1×10μm~5mm 또는, 1×102μm~1mm 라도 좋다. 또한, 각 층의 두께는 균일한 것이 바람직하지만, 불균일 해도 무방하다.
　　　
제1단층상형성 공정은 상기 단면 형상 취득 공정에 의해 얻어진 상기 단면 형상 정보로부터 제1층의 단면 형상에 관한 정보를 읽어내고, 읽어낸 정보에 근거해서 상형성용 조성물을 이용하여 상기 단면 형상을 재현한 제1단면상을 형성하기 위한 공정(스텝 A2－1)이다.
　　　
제2단층상형성 공정은 상기 단면 형상 취득 공정에 의해 얻어진 상기 단면 형상 정보로부터, 상기 제1단면상 위의 층에 해당되는 제2층의 단면 형상에 관한 정보를 읽어내고, 읽어낸 정보에 근거해서 상형성용 조성물을 이용하여 상기 단면 형상을 재현한 제2의 단면상을 상기 제1단면상과 겹쳐지도록 형성하기 위한 공정이다(스텝 A2－2)
　　　
다음으로, 상기 제2단층상형성 공정과 같이, 상기 단면 형상 취득 공정에 의해 얻어진 상기 단면 형상 정보로부터 상기 형성하려는 층의 단면 형상에 관한 정보를 읽어내고, 읽어낸 정보에 근거해서 상형성용 조성물을 이용하여 상기 단면 형상을 재현한 층의 단면상을 이전의 공정으로 얻어진 단면상과 겹쳐지도록 형성하는 공정을 반복한다.
　　　
상기 단층상형성 공정의 적어도 1개 이상의 공정은, 상기 기재된 상형성용 조성물 중 어느 하나의 분말을 층상으로 하여, 상형성용 조성물층을 형성하는 상형성용 조성물층 취득 공정과, 상기 상형성용 조성물층 취득 공정으로 형성된 상형성용 조성물의 층에 그 층의 단면 형상에 관한 정보에 근거하여 수분을 첨가함으로써, 상기 상형성용 조성물층의 소정 부분을 습윤 시키는 수분 첨가 공정을 포함하는 물체의 형상을 재현한 입체상의 제조 방법이다.
　　
이하, 각 단층상형성 공정의 예를 설명한다. 각 단층상형성 공정에서는, CPU가 제어 프로그램의 지령을 받아 상형성용 조성물층의 두께에 관한 정보를 읽어내어 이를 입출력 장치로부터 출력한다. 상기 두께에 관한 정보를 받은 입체상제조부는 상기 컴퓨터의 지령에 따라 가동식 테이블을 하부로 이동시킨다. 이 때, 하부로 이동시키는 거리가 상형성용 조성물층의 두께가 되므로, 이 이동거리에 관한 정보도 컴퓨터로부터 출력되어, 그 이동거리 정보에 따라 테이블이 이동하게 된다. 또한, 각 층의 두께가 같은 경우에는 입체상제조부의 기억부가 이 정보를 기억하므로, 각 층을 형성할 때마다 같은 정보를 이용해도 된다.
　　　
다음으로, CPU가 제어 프로그램의 지령을 받아 예를 들면, 상형성용 조성물층의 두께에 관한 정보를 읽어내어, 상형성용 조성물의 층의 형성에 적격인 상형성용 조성물의 양을 연산하여 입출력부로부터 출력한다. 이 양은 일정하게 되어 있어도 되고, 일단 입체상제조부에 전달한 후에, 입체상제조부의 기억부가 이 정보를 기억하여 각 층을 형성할 때에 같은 정보를 이용해도 된다. 상기 상형성용 조성물층에 관한 정보를 받은 입체상제조부는 상기 컴퓨터의 지령에 따라, 상형성용 조성물층 형성부에 상형성용 조성물 분말 저장부로부터 상형성용 조성물 분말을 꺼내도록 하여, 테이블 위에 분말을 개방시킨다. 그리고, 적당히 스퀴지(squeegee)나 주걱 등을 이동시켜서, 상형성용 조성물 층이 균일하게 되도록 제어시켜도 된다. 이와 같이 하여, 가동식 테이블 위에(이미 층이 형성되고 있는 경우라면, 먼저 형성된 상형성용 조성물층 위에) 상형성용 조성물 층이 형성된다.
　　　
다음으로, CPU가 제어 프로그램의 지령을 받아 각 층의 단면 형상이나, 패터닝에 관한 정보를 읽어내서 입출력부로부터 출력한다. 입체상제조부는 컴퓨터의 지령에 따라, 인쇄부를 작동시켜, 상기 상형성용 조성물 층에 물 또는 소정의 수용액(물, 가교제수용액, 라피드프로토타입용의 바인더 수용액 등)을 첨가한다. 이러한 기구는 공지의 인쇄기의 제어 기구를 이용함으로써 용이하게 목적을 달성할 수 있다. 또한, 이 때 첨가되는 물 또는 수용액의 조성, 농도, 및 양 등의 제반 조건은 적절히 조정할 수 있다. 예를 들면, 포인팅 디바이스 등에 제반 조건에 관한 정보를 입력하고, 입력한 정보를 컴퓨터의 기억부에 기억시켜서, 상기 제반 조건에 관한 정보에 따라 CPU가 필요한 정보를 읽어내어 연산부에 의해 연산을 실시하게 함으로써 인쇄부의 동작을 제어하면 좋다. 인쇄부는 통상의 인쇄 기술과 같으며, 잉크 대신에 물방울 등이 첨가되도록 하면 좋다. 또한, 상기 상형성용 조성물 층에 첨가되는 액체 바인더 재료는, 유기물 또는 무기물이어도 된다. 사용되는 대표적인 유기 바인더 재료는 폴리머 수지 또는 폴리카르복실산과 같은 세라믹 선구체이다. 무기 바인더는 바인더가 최종 물품에 배합되는 경우에 사용되며 이러한 용도에는 일반적으로 실리카가 이용된다.
　　　
기술상식에서는, 각 층을 형성하는 단계에서, 수화 반응을 진행시키기 위해서 필요로 하는 수분량 이상의 수분을 첨가하고 건조시키는 것을 반복한다. 그러나, 본 발명의 입체상의 제조 방법(본 발명의 경화물의 제조 방법)에서는, 상기의 단계에서, 석고의 수화 반응을 완전하게 진행할 필요가 없다. 따라서, 각 단층상형성 공정에서는, 예를 들면, 상형성용 조성물을 완전하게 수화 시키기 위해서 필요로 하는 물의 양을 100 중량부로 했을 때, 예를 들면 1 중량부~50 중량부 첨가하는 것이 바람직하고, 또한, 1 중량부~20 중량부를 첨가하는 것도 좋고, 2 중량부~10 중량부를 첨가해도 좋으며, 그 함량을 3 중량부~5 중량부로 해도 좋다. 이러한 소량의 수분에서는 완전하게 석고의 수화 반응이 진행되지 않는다. 그렇지만 본 발명에서는 최소한의 강도를 유지하기 위한 충분한 강도를 갖는 층을 신속히 얻을 수 있고, 물이 소량이기 때문에 수분이 의도하지 않은 부분에 확산되는 사태를 방지할 수 있어서 원하는 단면 구조를 갖는 층을 얻을 수 있다. 특히, 2 종류 이상의 패터닝을 갖는 단면 구조를 얻는 경우 등에는 2종 이상의 물 또는 수용액이 혼합되지 않는 것이 중요한데, 수분을 소량으로 첨가함으로써, 상기 용액들이 섞이는 사태를 효과적으로 방지할 수 있게 된다.
　　　
단층상형성 공정을 반복한 후에는, 얻어진 적층체가 어느 정도의 강도를 구비하게 될 때까지 건조시키는 것이 바람직하다. 건조는 저습, 고온 분위기(예를 들면, 습도 0%~10%, 온도 50℃~2×102℃)에서 실시해도 되지만, 상온 상압 환경 하에서 실시해도 된다. 상온 상압 조건에서의 건조 시간은 얻어진 입체상의 크기, 수분율, 각 층의 두께 등에 따라 적절히 조정하면 좋으며, 1분 ~1시간, 5분 ~3×10분, 또는 5분 ~2×10분으로 해도 좋다. 즉, 본 발명에서는 라피드프로토타입법을 이용하며, 폴리비닐 알코올 수지가 많이 함유 된 것을 이용하므로, 비교적 경도가 높은 입체상을 신속하게 얻을 수 있다. 게다가 상기 단계에서는 충분히 물을 포함할 필요도 없기 때문에, 건조 시간을 많이 단축할 수 있게 된다. 그리고 건조 후에는 물체의 형상을 재현한 입체상을 얻을 수 있게 된다.
　　　
상기와 같은 방법으로 얻어진 입체상은 석고의 수화 반응이 진행되고 있지 않을 가능성이 높다. 따라서, 완전하게 수화 반응이 진행된 것에 비해 낮은 강도를 가질 것으로 예상된다. 그렇지만 수분이 적은 상태로 패터닝을 실시함으로써, 의도하지 않은 부분에까지 수분이 배어 나와 그 부분이 경화하는 사태를 방지할 수 있게 된다. 따라서 상기 입체상의 제조 방법은, 신속하고 정교한 형상을 갖는 입체상을 제조하기 위해서 유용하다고 할 수 있다. 한편, 상기와 같은 방법으로 얻어진 입체상은, 정교한 형상을 가짐에도 불구하고 수화 반응이 충분히 진행되고 있지 않기 때문에 낮은 강도를 가질 것으로 예상된다. 여기에서, 충분한 강도를 얻고 싶은 경우에는 후술 하는 경화물의 제조 방법에 따라, 수화 반응을 진행시키면 된다.
　　　
［3차원 구조체의 제조 방법］
상기 기재된 바와 같이, 본 발명의 제3의 측면과 관련된 3차원 구조체의 제조 방법은 기본적으로는 상기한 각 공정에 의해 얻어진 입체상을 물 또는 수용액에 침지하는 것 등에 의하여 수분을 첨가하여, 석고의 수화 반응을 진행시킨 뒤, 이것을 건조시킴으로써 충분한 경도를 갖는 경화물을 얻는 것이다.
　　　
즉, 본 발명의 제3의 측면과 관련된 3차원 구조체의 제조 방법은, 기본적으로는 상기 기재된 입체상의 제조 방법 중 어느 하나에 의해서 얻어진 입체상으로부터, 경화되고 있지 않은 상형성용 조성물 분말을 없애기 위한 석고 분말 제거 공정(스텝 B1)과；상기 석고 분말 제거 공정으로 분말이 제거된 입체상에 수분을 첨가하기 위한 수분 첨가 공정(스텝 B2)과；상기 수분 첨가 공정으로 수분이 첨가된 입체상을 건조시키는 건조 공정(스텝 B3)을 포함하는；3차원 구조체의 제조 방법에 관한 것이다. 이하, 각 공정에 대해 설명한다.
　　　
석고 분말 제거 공정은 입체상으로부터 경화되고 있지 않은 상형성용 조성물의 분말을 없애기 위한 공정이다(스텝 B1). 상기 공정에서는, 예를 들면, 에어브러쉬(airbrush)에 의해 입체상에 공기를 불어넣음으로써, 경화되고 있지 않은 석고 분말을 날려 버리면 좋다. 풍량(風量)이나 에어브러쉬의 형상 등은 적절히 조정하면 좋은 공지의 것을 이용할 수 있다. 석고 분말 제거 공정에 필요한 시간도 적절히 조절하면 좋으며, 구체적으로는 5분~1시간으로 할 수 있고, 10분~30분이 바람직하다.
　　　
수분 첨가 공정은 상기 석고 분말 제거 공정으로 분말이 제거된 입체상에 수분을 첨가하기 위한 공정이다(스텝 B2). 상기 수분 첨가 공정에서는 바람직하게는 석고의 수화 반응 진행에 충분한 수분을 입체상에 제공하는 것이다. 상기 수분 첨가 공정으로서 입체상을 물 또는 소정의 수용액에 침지하는 것을 들 수 있다. 이 때, 상기 석고 분말 제거 공정에 의해 분말이 제거되어 있으므로, 형상에 관계 없는 상형성용 조성물 분말이 입체상에 부착하는 사태를 방지할 수 있다.
　　　
본 발명의 제3의 측면과 관련된 3차원 구조체의 제조 방법의 바람직한 태양은, 상기 수분 첨가 공정(스텝 B2)은 상기 석고 분말 제거 공정으로 분말이 제거된 입체상에 무적(霧滴) 상태의 수분을 분무하거나 입체상을 고습도 분위기에 두어 입체상 표면에 수분을 부착시키는 분무 공정(스텝 B2－1)과, 상기 분무 공정을 거친 뒤에, 입체상을 수중에 침지하는 침지 공정(스텝 B2－2)을 포함하는 것이다.
　　　
얻어진 입체상을 갑자기 물에 침지하면, 형태가 붕괴되는 등의 문제가 발생하는 경우도 있다. 따라서, 상기 태양의 3차원 구조체의 제조 방법에서는 상기의 문제를 고려하여, 우선은 표면(바람직하게는 표면 전체)에 수분을 첨가하여, 표면만으로도 수화에 의한 석고의 경화 반응을 촉진시키고(바람직하게는 건조시키고), 형태 붕괴를 방지한 후에, 수중에 침지함으로써, 충분히 경화 반응을 촉진시키는 것이다. 분무 공정에서는, 예를 들면, 공지의 분무기를 이용하여, 물 또는 소정의 수용액(바람직하게는 물, 가교제 수용액, 또는 바인더 수용액)을 입체상의 표면에 분무한다. 또는 입체상을 고습도 분위기에 두어서 입체상 표면에 물 등을 부착시킨다. 그리고 수분을 분무한 후, 건조시켜서 침지하는 것이 좋다. 건조는 저습, 고온 분위기(예를 들면, 습도 0%~10%, 온도 50℃~2×102℃)에서 건조시켜도 되지만, 상온, 상압 환경 하에서 실시해도 된다. 상온, 상압 조건에서의 건조 시간은 얻어진 입체상의 크기나, 수분율, 각 층의 두께 등에 따라 적절히 조절하는 것이 좋지만, 1×10분~2시간으로 할 수 있고, 15분~1시간으로 할 수도 있으며, 2×10분 ~4×10분으로 해도 된다. 침지 공정에서는 충분한 물 또는 수용액에 입체상을 침지한다. 침지 시간은 입체상의 크기 등에 따라 적절히 조절하는 것이 좋으나, 1×10분~2시간으로 할 수 있고, 15분~1시간으로 할 수도 있으며, 2×10분~4×10분으로 해도 된다.
　　　
본 발명의 제3의 측면과 관련된 3차원 구조체의 제조 방법의 바람직한 태양은, 상기 수분 첨가 공정(스텝 B2)은 (1) 상기 석고 분말 제거 공정에 의해 분말이 제거된 입체상에 무장의 수분을 분무하거나 입체상을 고습도 분위기에 두어 입체상 표면에 수분을 부착시키는 분무 공정과, 상기 분무 공정을 거친 뒤에, 입체상을 가교제수용액 중에 침지하는 침지 공정, (2) 상기 석고 분말 제거 공정으로 분말이 제거된 입체상에 무적(霧滴)상태의 가교제수용액을 분무하거나 입체상을 가교제수용액의 고습도 분위기에 두어 입체상 표면에 가교제수용액을 부착시키는 분무 공정과 상기 분무 공정을 거친 뒤에, 입체상을 가교제수용액 중에 침지하는 침지 공정, 또는 (3) 상기 석고 분말 제거 공정으로 분말이 제거된 입체상에 수분을 분무하거나 입체상을 고습도 분위기에 두어 입체상 표면에 수분을 부착시키는 분무 공정과, 상기 분무 공정을 거친 뒤에, 입체상을 수중에 침지시키고, 상기 입체상을 가교제수용액 중에 침지하는 침지 공정 중에서 어느 하나를 포함하는 상기 기재된 3차원 구조체의 제조 방법이다. 특히, 아세트아세틸기 변성 폴리비닐 알코올 수지를 이용한 것은 상기 기재된 공정 중에서(1) 또는 (3) 공정이 바람직하다. 왜냐하면, 먼저 물에 의해 킬레이트 구조 생성을 촉진시킨 후에, 가교제로 가교를 촉진시키는 것이, 3차원 구조체의 강도나 균일성의 관점에서 볼 때 바람직하기 때문이다.
　　　
상기와 같이 가교제수용액 등 가교제를 첨가함으로써 입체상 안에서 가교를 진행시켜, 충분한 강도를 갖는 3차원 구조체를 얻을 수 있게 된다. 그리고 분무 공정 및 침지 공정은 상기 기재된 바와 같이 실시하면 좋다. 또한, 가교제수용액의 농도는 이용하는 폴리비닐 알코올 수지의 종류 또는 얻으려는 경화물의 경도 등에 따라 적절히 조절하는 것이 좋다. 구체적으로는 가교제수용액의 농도를 1×10－2×용적%~2×10 용적%로 할 수 있고, 바람직하게는 1×10－1 용적%~1.5×10 용적%로 할 수 있다. 또한, 가교제로서 에틸렌 디아민 또는 디에탄올 아민 등의 아민계 가교제로 바꾸거나, 이것들 모두, 포름알데히드나 글리옥살 등의 알데히드계 화합물, 멜라민-포름알데히드 축합물이나 요소-포름알데히드 축합물 등의 메틸올계 화합물, 붕산이나 붕사 등의 붕소 함유 화합물, 2, 4－톨릴렌 디이소시아네이트, 2, 6－톨릴렌 디이소시아네이트, m－페닐렌 디이소시아네이트, p－페닐렌 디이소시아네이트 또는 4, 4'-디페닐 메탄 디이소시아네이트 등의 이소시아네이트계 화합물, 또는 시란캅링제 등을 적절히 이용해도 된다. 또한, 이중에서도 가교제로서 에틸렌 디아민 또는 디에탄올 아민 등의 아민계 가교제가 바람직하고, 구체적으로는 후술 할 실시예에 의해 실증된 것처럼, 에틸렌 디아민 또는 디에탄올 아민 중 어느 하나 또는 양쪽 모두가 보다 바람직하다.
　　　
건조 공정은 상기 수분 첨가 공정으로 수분이 첨가된 입체상을 건조시키기 위한 공정이다(스텝 B3). 건조는 저습, 고온 분위기(예를 들면, 습도 0%~10%, 온도 50℃~2×102℃)에서 실시해도 되지만, 상온, 상압 환경 하에서 실시해도 된다. 상온, 상압 조건에서의 건조 시간은 입체상의 크기나, 수분율, 각 층의 두께 등에 따라 적절히 조절하면 좋으나, 1시간~4일로 할 수 있고, 4시간~3일로 할 수도 있으며, 6시간~2일로 해도 좋다.
　　
상기의 방법으로 얻은 3차원 구조체는 정교한 형상을 가지는 입체상에 근거하여, 그 강도를 강화함으로써 얻을 수 있으므로, 정교한 형상을 갖게 된다. 또한, 상기 3차원 구조체는 기본적으로는 왁스를 필요로 하지 않기 때문에, 고온 처리를 가하더라도 형상이 변하거나, 왁스 성분이 용출 하는 문제가 없다. 따라서, 3차원 구조체를 고온에서 멸균하여 수술실 등에 반입할 수 있다. 더욱이, 이 3차원 구조체는 수화 반응이 진행되고 있으므로 약(略)균일한 강도를 갖는 치밀한 경화물을 얻을 수 있어, 수술 연습 등을 위한 생체 모형 등으로 만들어서 효과적으로 이용할 수 있다. 또한, 본 발명의 3차원 구조체의 바람직한 태양에서는, 예를 들면, 뼈나 이빨의 부분이 흰색 또는 흰색 계통의 색으로, 피부 등에 상당하는 부분은 빨강 계통의 색으로 착색되며, 표면뿐만 아니라, 내부까지 상기의 색으로 착색되어 있으므로, 수술 연습 등을 실시할 때에, 종래의 것에 비하여 보다 현실에 가까운 감각을 가지고 수술 연습이나, 수술 계획 등을 실시할 수 있다.
　　　
［3차원 구조체］
본 발명의 제4의 측면과 관련된 3차원 생체 모형은, 환자의 뼈 또는 이빨을 포함한 부위의 형상을 갖는 3차원 구조체에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 발명의 제4의 측면과 관련된 3차원 구조체는, 상기 물체의 형상은 환자의 뼈 또는 이빨을 포함한 부위의 형상이며, 상기 기재된 3차원 구조체의 제조 방법 중 어느 하나에 따라 제조된, 환자의 뼈 또는 이빨을 포함한 부위의 3차원 구조체에 관한 것이다. 상기 제조 방법에 따라 제조하므로, 오더 메이드의 3차원 생체 모형, 임플란트 또는 인공뼈 등을 주형 등 고가의 장치(device)를 제조하지 않고도 용이하게 제조할 수 있다. 그리고 얻을 수 있는 3차원 생체 모형은 환자의 뼈 또는 이빨을 포함한 부위를 재현한 것이므로, 뼈를 자르는 라인을 용이하게 설계할 수 있을 뿐만 아니라, 뼈를 이동시키는 시뮬레이션 또한 용이하게 실시할 수 있다. 또한, 임플란트나 플레이트 등을 매몰시키는 시뮬레이션 등도 용이하게 실시할 수 있다. 물론, 실제 3차원 생체 모형을 의사 등 시술자가 봄으로써, 실제 수술 전에 시술 부위를 깊게 이해할 수도 있다. 또한, 시술 전에 환자에게 구체적 이미지를 통해서 수술 내용을 설명할 수 있게 되므로, 환자의 이해를 도움과 동시에 환자를 안심시킬 수 있다. 더욱이, 종래의 모형은 왁스 성분 등을 포함하기 때문에, 오토클레이브나 고온 멸균을 실시할 수 없고, 수술실에 반입할 수가 없다. 그러나 본 발명의 3차원 생체 모형의 바람직한 태양에서는, 왁스 성분 등을 포함하지 않기 때문에, 오토클레이브나 고온 멸균을 실시할 수 있고 수술실에 반입할 수 있으므로, 한 번 실행한 시술 시뮬레이션을 용이하게 생각해 낼 수 있다. 물론, 상기와 같이 하여 얻을 수 있는 임플란트나 인공뼈 등 생체 내에 매몰하는 보형물은 적절한 형상을 가지는 것이며, 오토클레이브 등으로 멸균할 수 있으므로, 치과 또는 외과 치료 등에 바람직하게 이용할 수 있다. 즉, 본 발명은 상기와 같은 방법으로 형성한 임플란트 또는 인공뼈를 이용하여, 임플란트 또는 인공뼈를 환부에 매몰하는, 이빨 또는 뼈와 관련된 질환의 치료 방법도 제공할 수 있다. 특히, 사고 등으로 뼈의 결손 부위가 생겼을 경우에, 대칭이 되는 부위의 형상으로부터 재현하려는 부위의 형상을 추정하고, 상기 추정한 형상에 근거하여 3차원 인공뼈를 얻어서 결손부에 매몰하는 뼈관련 질환의 치료 방법을 제공할 수 있다. 또한, 치과용 임플란트를 제조하여 매몰 하는 경우에, 그 임플란트 매몰부를 제외한 부위의 생체 모형과 함께 임플란트 또는 임플란트 모형을 제조하여, 환자에게 실제의 이미지를 이해시킴으로써, 만족감을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 의사도 구체적인 시술 이미지를 용이하게 확인할 수 있게 된다.
1. 도 1은 실시예 1에 의해 제조된 대상물의 형상을 나타내는 도면이다.
2. 도 2는 대퇴골의 3차원 구조체를 제조하기 위해 그린 3DCG 화상을 나타내는 도면이다.
3. 도 3은 3차원 구조체의 절삭성(切削性)을 평가하는 상태를 나타내는 사진이다.
4. 도 4는 실시예 5에서 제조한 관절 부분의 3차원 구조체를 설명하기 위한 도면이다. 도 4(a)는 제조하려는 물체의 3DCG이며, 도 4(b)는 제조된 3차원 구조체의 사진이다.
5. 도 5는 실시예 6에서 제조한 생체 모형과 그 이용 예를 설명하기 위한 사진이다. 도 5(a)는 제조하려는 생체 모형을 나타내는 도면이며, 도 5(b)는 제조한 생체 모형을 부분적으로 절단하여, 절단 후의 생체 모형 동작을 모사(模寫)한 것을 나타낸 도면이다.
<부호의 설명>
1　3차원 구조체
2　생체 부분
3　대(臺)
<실시예 1>
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명은 실시예로서 설명되는 구체적인 예로 한정되는 것은 아니며, 당업자의 기술 상식에 따라 여러 가지 응용을 더할 수 있는 것이다.
원료로서 이하의 것을 이용하였다. 즉, 반수석고(半水石膏)로서 산에스 석 고 주식회사제 소석고(燒石膏)；폴리비닐 알코올(PVA)로서 일본합성사제；이수석고로서 산에스 석고 주식회사제 이수석고；황산칼륨으로서 화광순약제 시약 1급；염화 나트륨으로서 화광순약제 시약 1급을 이용하였다.
　　　
본 실시예에서는 상형성용 조성물로서 반수석고 95 중량부, 일본합성사제 PVAZ－100을 5 중량부, 경화촉진제로서 이수석고를 0.5 중량부 이용했다. 상형성용 조성물은 분말이며, 입경이 균일하게 되도록 선별한다.
　　　
상기 상형성용 조성물을 이용하여, 소정의 처리 지시를 입력한 Z－코퍼레이션(Z－corporation)사제 RP장치로 입체상을 제조하였다. 이러한 입체상을 제조하는 공정은 그 RP장치의 메뉴얼과는 달리, 본 명세서에 개시된 공정을 채용하였다. 도 1은 실시예 1에 의해 제조한 대상물의 형상을 나타내는 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에서는 아랫턱의 형상을 갖는 입체상 및 3차원 구조체를 제조하였다. 상형성용 조성물을 이용하여 단면 형상을 재현한 층의 단면상을 이전의 공정으로 얻을 수 있었던 단면상과 겹쳐지게 형성하기 위해서, ZB56 칼라 바인더를 이용하였다. 얻어진 입체상을 10분 동안 실온에서 건조시킨 후, 입체상을 꺼냈다. 통상, 입체상의 건조에는 2~6시간이 걸리므로, 상기 건조 시간은 지극히 짧다고 말할 수 있다.
　　　
건조 후, 에어브러쉬에서 20분동안 분말을 제거하였다. 그 후, 분무기로 물 을 분무한 후에 실온에서 30분 동안 건조시켰다. 그 후, 물에 30분간 침지시킨 뒤에, 물에서 꺼내고, 실온에서 12시간 동안 건조시켜 3차원 구조체를 얻었다. 이 때, 특히 왁스 등에는 침지시키지 않았다.
　　
실시예에 의해 얻을 수 있는 입체상 및 3차원 구조체를 입체상을 꺼낼 때의 강도, 3차원 구조체 표면의 윤택성, 절삭성, 및 증기 멸균 후의 강도의 관점에서 평가하였다. 입체상을 꺼낼 때의 강도는 입체상을 건조시킨 후 꺼냈을 때, 형태가 붕괴되지 않는 경우를○, 약간 형태가 붕괴되는 경우를△, 형태가 붕괴되는 경우를 ×로 표시하였다. 윤택성은 육안으로 평가하였다. 절삭성은 얻어진 3차원 구조체를 외과용 수술도구로 절삭하여, 실제의 뼈의 감촉에 가까운지 여부로 평가하였다. 증기 멸균 후의 강도는 115℃, 30분의 오토클레이브처리를 실시한 후에 강도가 유지되고 있는지 여부로 평가하였다.
　　
얻어진 입체상 및 3차원 구조체는 입체상을 꺼낼 때의 강도, 증기 멸균 후의 강도, 표면의 윤택성, 및 절삭성 모두 우수했다(○).
<실시예 2>
［오토클레이브시험］
오토클레이브처리에 대한 내성과 바람직한 PVA 및 가교 처리와의 관계를 조사하기 위해 본 실시예를 실시했다. 예를 들면, EDA 5%는 건조시킨 입체상의 표면 에 물을 분무하여 건조시킨 후, 에틸렌 디아민 5 용적% 수용액에 침지시킨 것을 나타낸다. 또한, 오토클레이브내성 평가는 115℃, 30 분의 오토클레이브처리를 실시하여, 오토클레이브장치 내의 온도가 60℃이 될 때까지 정치(靜置) 한 후, 오토클레이브장치로부터 3차원 구조체(여기에서는 윗턱의 생체 모형을 제조하였다)를 꺼낼 수 있으면 ○으로 표시하고, 할 수 없으면 ×로 표시하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다. 또한 하기와 같이 표 1에서 가로줄은 시험을 실시하지 않은 것을 나타낸다. PVA의 종류는 일본합성사제 PVA의 제품 번호이다.
　　　
[표 1]
오토클레이브 시험 결과의 표시
Figure 112008076656316-PCT00001
표 1로부터, EDA의 농도가 너무 높아도 양호한 3차원 구조체를 얻을 수 없음을 알 수 있다.
<실시예 3>
　　　［크랙 시험］
절삭성이 뼈 등과 유사한지 여부를 확인하기 위해서 크랙 시험을 실시하였다. 평가는 대체로 뼈의 생체 모형을 제조하고, 상기 제조한 생체 모형(3차원 구조체)으로부터 테스트 부분을 작성하여, 못(직경 3.2 mm) 4개를 일렬로 박아, 크랙이 발생하는지 여부를 육안으로 검증하였다. 도 2는 대퇴골의 3차원 구조체를 제조하기 위해 묘사한 3 DCG 화상을 나타내는 도면이다. 즉, 본 실시예에서는 도 2에 나타나는 대상물의 입체 형상을 바탕으로 각 층의 단면도를 얻고, 상기 얻어진 단면도에 근거하여, 도 2에 나타낸 대퇴골의 형상을 재현 하는 입체상을 형성함으로써 3차원 구조체를 제조하였다. 크랙이 생기지 않으면 ○으로 표시하고, 크랙이 생겼을 경우는 ×으로 표시하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다. 또한 얻어진 3차원 구조체를 이용하여 절삭성 평가도 실시하였다. 도 3은 3차원 구조체의 절삭성을 평가하는 상태를 나타내는 사진이다. 절삭성을 평가에서는 앞의 실시예와 같은 결과를 얻을 수 있었다.
[표 2]
크랙시험 결과의 표시
Figure 112008076656316-PCT00002
<실시예 4>
［굴곡강도 시험］
다음으로는 굴곡강도를 JISR1609에 근거하여 측정하였으며, 그 결과를 표 3에 나타내었다. 표에서 수치의 단위는 MPa이다. 또한, ※표시는 침지 공정에서 테스트 부분이 망가져 측정할 수 없었던 것을 나타낸다.
　　　
[표 3]
굴곡강도시험 결과의 표시
Figure 112008076656316-PCT00003
<실시예 5>
도 4는 실시예 5에 의해 제조한 관절 부분의 3차원 구조체를 설명하기 위한 도면이다. 도 4(a)는 얻으려는 물체의 3 DCG이며, 도 4(b)는 얻어진 3차원 구조체의 사진이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 3차원 구조체(1)는, 뼈 등을 포함한 생체 부분(2)과 그 부분을 지탱하는 받침대(3)를 포함하는 것이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의하면, 정교한 3차원 구조체를 신속하게 제조할 수 있다. 그리고 그러한 모형을 이용하여 환자의 이해 등을 도울 수 있다. 또한, 적절한 형상을 갖는 임플란트나 인공뼈 등을 제조할 수 있게 된다.
<실시예 6>
도 5는 실시예 6에 의해 제조한 생체 모형과 그 이용 예를 설명하기 위한 사진이다. 도 5(a)는 얻어진 생체 모형을 나타내며, 도 5(b)는 얻어진 생체 모형을 부분적으로 절단하고, 절단 후의 생체 모형의 동작을 시뮬레이션 한 것을 나타낸다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 3차원 구조체인 3차원 모형을 이용하면, 절삭 후의 각 골조직의 상황 등을 용이하게 파악할 수 있게 된다.
본 발명의 상형성용 조성물은, 통상의 상형성용 조성물과 같이 건재 등에 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 예를 들면, 3차원 생체 모형 등의 3차원 모형이나, 임플란트 또는 인공뼈 등에 바람직하게 이용할 수 있다.
　　　
본 발명의 입체상의 제조 방법은, 본 발명의 입체상을 얻기 위해 이용할 수 있다. 그리고 본 발명의 입체상의 제조 방법은, 신속하고 정교한 형상을 갖는 입체상을 제조하기 위해서 유용하다고 할 수 있다. 이 입체상은, 예를 들면, 이대로 소정의 형상을 갖는 상으로서 이용해도 된다. 한편, 상기와 같은 방법으로 얻을 수 있는 입체상은 정교한 형상을 가지고 있음에도 불구하고, 수화 반응이 충분히 진행되어 있지 않기 때문에 강도가 낮을 것으로 예상된다. 따라서, 본 발명의 입체상은 예를 들면, 수화 반응이 충분히 진행된 경화물을 제조하는데에 이용할 수 있다.
　　　
본 발명의 3차원 구조체의 제조 방법은, 예를 들면 생체 모형 등의 3차원 구조체를 얻기 위해 이용될 수 있다. 생체 모형은 의료기기 산업 등에 매우 적합하 게 이용될 수 있다.
　　　
본 발명의 3차원 구조체는 오더 메이드의 생체 모형, 임플란트, 인공뼈 등으로 제조되어, 의료기기 산업 등에 매우 적합하게 이용될 수 있다.

Claims (16)

  1. 칼슘계 물질에 폴리비닐 알코올 수지를 배합시킨 상형성용 조성물로서,
    상기 폴리비닐 알코올 수지는 상기 칼슘계 물질과 상기 폴리비닐 알코올 수지의 합계 중량을 100 중량부로 하였을 때, 2 중량부~8 중량부의 함량으로 배합되는 상형성용 조성물.
  2. 칼슘계 물질에 폴리비닐 알코올 수지 및 경화촉진제를 배합시킨 상형성용 조성물로서；
    상기 경화촉진제는 이수석고, 알칼리 금속 유산염, 알칼리 토금속 유산염, 알칼리 금속 염화물, 알칼리 토금속 염화물, 무기산의 암모늄염, 및 명반류로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 경화촉진제이며；
    상기 칼슘계 물질과 상기 폴리비닐 알코올 수지의 합계 중량을 100 중량부로 했을 때, 상기 폴리비닐 알코올 수지는 2 중량부~8 중량부의 함량으로 배합되고, 상기 경화촉진제는 0.1 중량부~5 중량부의 함량으로 배합되는 상형성용 조성물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 칼슘계 물질은 석고；또는 수산 아파타이트, 탄산 아파타이트, 불소 아 파타이트, 염소 아파타이트, β－TCP, α－TCP, 메타린산칼슘, 인산4칼슘, 인산 수소 칼슘, 인산2수소칼슘, 피로린산칼슘, 탄산칼슘, 황산칼슘, 그러한 염, 또는 그러한 용매화물로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 상형성용 조성물.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 칼슘계 물질은 반수석고인 상형성용 조성물.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 칼슘계 물질은 α형 반수석고인 상형성용 조성물.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 폴리비닐 알코올 수지는 중합도가 2×102이상 3×103 이하인 상형성용 조성물.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 폴리비닐 알코올 수지는 켄화도가 70 몰% 이상인 상형성용 조성물.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 폴리비닐 알코올 수지는 「아세트아세틸기, 시릴기, 제4급 암모늄 염기, 카본산기, 카본산의 무기 염기, 설폰산기, 설폰산의 무기 염기, 케톤기, 메르캅토기 및 아미노기」로 이루어진 군에서 선택된 1 또는 2개 이상의 관능기를 갖는 폴리비닐 알코올 변성체 수지를 함유하는 상형성용 조성물.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 폴리비닐 알코올 수지는 아세트아세틸기를 갖는 폴리비닐 알코올 변성체 수지를 포함하는 상형성용 조성물.
  10. 물체의 3차원 형상에 관한 정보에 근거하여 상기 3차원 형상을 복수층에 분할하여 얻을 수 있는 각 층의 단면 형상에 관한 정보를 얻는 단면 형상 취득 공정과；
    상기 단면 형상 취득 공정에 의해 얻어진 상기 단면 형상 정보로부터, 제1층의 단면 형상에 관한 정보를 읽어내고, 읽어낸 정보에 근거하여 상형성용 조성물을 이용해서 상기 단면 형상을 재현한 제1단면상을 형성하는 제1단층상형성 공정과,
    상기 단면 형상 취득 공정에 의해 얻어진 상기 단면 형상 정보로부터 상기 제1단면상 위의 층에 해당되는 제2층의 단면 형상에 관한 정보를 읽어내고, 읽어낸 정보에 근거하여 상형성용 조성물을 이용해서 상기 단면 형상을 재현한 제2단면상을, 상기 제1단면상과 겹쳐지도록 형성하는 제2단층상형성 공정과,
    상기 제2단층상형성 공정과 같이, 상기 단면 형상 취득 공정에 의해 얻어진 상기 단면 형상 정보로부터, 상기 형성하려는 층의 단면 형상에 관한 정보를 읽어내고, 읽어낸 정보에 근거하여 상형성용 조성물을 이용해서 상기 단면 형상을 재현한 층의 단면상을 이전의 공정으로 얻어진 단면상과 겹쳐지도록 형성하는 공정을 반복하고,
    물체의 형상을 재현한 입체상을 얻기 위한 입체상 취득 공정을 포함하며,
    상기 단층상형성 공정의 적어도 1개 이상의 공정은 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 상형성용 조성물 분말을 층상으로 하여 상형성용 조성물층을 형성하는 상형성용 조성물층 취득 공정과,
    상기 상형성용 조성물층 취득 공정으로 형성된 상형성용 조성물 층에, 그 층의 단면 형상에 관한 정보에 근거하여 수분을 첨가함으로써, 상기 상형성용 조성물층의 소정 부분을 습윤 시키는 수분 첨가 공정을 포함하는 물체의 형상을 재현한 입체상의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 각 층의 단면 형상에 관한 정보에는 각 층의 분류 정보가 포함되어 있어, 상기 수분 첨가 공정에서는 상기 분류 정보에 따라 착색 성분을 포함한 수분이 첨가되는 입체상의 제조 방법.
  12. 상기 청구항 10에 기재된 입체상의 제조 방법에 의해 얻어진 입체상으로부터, 경화되어 있지 않은 상형성용 조성물 분말을 없애기 위한 석고 분말 제거 공정과；
    상기 석고 분말 제거 공정으로 분말이 제거된 입체상에 수분을 첨가하기 위한 수분 첨가 공정과；
    상기 수분 첨가 공정으로 수분이 첨가된 입체상을 건조시키는 공정; 을 포함하는 3차원 구조체의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 석고 분말 제거 공정을 거친 후의 상기 수분 첨가 공정은,
    상기 석고 분말 제거 공정으로 분말이 제거된 입체상에 무적(霧滴)상태의 수분을 분무하거나 입체상을 고습도 분위기에 두어 입체상 표면에 수분을 부착시키는 분무 공정과,
    상기 분무 공정을 거친 뒤에, 입체상을 물 또는 수용액 중에 침지하는 침지 공정을 포함하는 3차원 구조체의 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 석고 분말 제거 공정을 거친 후의 상기 수분 첨가 공정은,
    상기 석고 분말 제거 공정으로 분말이 제거된 입체상에 무적(霧滴)상태의 수분을 분무하거나 입체상을 고습도 분위기에 두어 입체상 표면에 수분을 부착시키는 분무 공정과 상기 분무 공정을 거친 뒤에, 입체상을 가교제수용액 중에 침지하는 침지 공정;
    상기 석고 분말 제거 공정으로 분말이 제거된 입체상에 무적(霧滴)상태의 가교제수용액을 분무하거나 입체상을 가교제수용액의 고습도 분위기에 두어 입체상 표면에 가교제수용액을 부착시키는 분무 공정과 상기 분무 공정을 거친 뒤에, 입체상을 물 또는 가교제수용액 중에 침지하는 침지 공정；또는
    상기 석고 분말 제거 공정으로 분말이 제거된 입체상에 무적(霧滴)상태의 수분을 분무하거나 입체상을 고습도 분위기에 두어 입체상 표면에 수분을 부착시키는 분무 공정과 상기 분무 공정을 거친 뒤에, 입체상을 수중에 침지하고, 한층 더 상기 입체상을 가교제수용액 중에 침지하는 침지 공정; 을 포함하는 3차원 구조체의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 가교제는 에틸렌 디아민 또는 디에탄올 아민 중 어느 하나, 또는 양쪽 모두를 포함하는 3차원 구조체의 제조 방법.
  16. 상기 물체의 형상은 환자의 뼈 또는 이빨을 포함한 부위의 형상이며, 청구항 12에 기재된 3차원 구조체의 제조 방법에 따라 제조된, 환자의 뼈 또는 이빨을 포함한 부위의 3차원 구조체.
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