JP6676245B2 - ３ｄプリント物を積層造形する方法 - Google Patents

Description

本発明は、３Ｄプリント物を積層造形する方法に関する。

３Ｄプリントにおいては原料がコア技術の一つとなっており、現状ではプラスチック、金属、セラミックスの３つが主流とされている。しかし、将来を見据えた場合、多様な材料によるプリントが必須となる。

プラスチックが初期の頃から運用されていたのに対し、金属は３Ｄプリントの発展後期になって出現した。初期のプラスチックを主原料としていた時代、３Ｄプリントは機器製造の技術とはみなされていなかったが、金属プリント技術の開発によってこうした見方にも徐々に変化が表れてきた。現在、金属３Ｄプリントには主に２つの方法がある。一つは、金属粉末を平らに敷き（或いは、サーマルプラスチック接着剤を塗布し）、これを直接レーザ光で選択的に溶融又は接着してから、接着成形されたものをオーブンで焼結する方法である。もう一つはプリントノズルから溶融金属を押し出す方法であり、設計案に基づいてノズルを移動させることで、噴出される金属を精密に成形する。過去、消費財向け３Ｄプリンタではプラスチック材質しか使用できなかったが、プリンタ及び原料技術の進歩に伴って、現在では一部の消費財向け装置で金属粉末とゲルを混合したような特殊材質の原料を使用可能となっている。しかし、純金属用３Ｄプリンタについては今なお非常に高価であり、とても消費財レベルではない。

プラスチックと金属のほかに、セラミックスとガラスもまた３Ｄプリント原料の一つとされるが、これらの原料はいずれも応用に限界がある。現在、セラミックスプリントの一般的な方式としては、セラミックス粉末をプリントヘッドで噴射して凝固剤又は光硬化樹脂を加える方式と、プリントヘッドからスラリーを押し出して初期成形体を形成した後、オーブンで焼成する方式の２種類が主に存在している。いずれの方式であったとしても、セラミックスプリントは２段階以上のプロセスを必要とし、プリント後には更に施釉してオーブンで焼成せねばならない。また、変形しやすさ、成形体の乾燥に時間を要する、膨張係数の制御といった課題も存在する。現在、セラミックスプリントが最も応用されている分野の一つが医療であり、例えば入れ歯や骨格等の人体部位の作製に用いられている。この分野でセラミックスプリントを応用するにあたっては、まず歯型や骨格形状を断層撮影してから、セラミックスインプラントを３Ｄプリントすることで、製作コストの低減、癒合時間の加速、製品のカスタマイズ、或いは手術時間の短縮といった難題に対処しようとしている。

市場にはすでに多孔質リン酸塩系のバイオセラミックスインプラントが存在しているが、大部分が機械性能に劣っている。また、精密且つ複雑形状の骨材については開発が容易でなく、開発コストが高騰するほか、骨の癒合・治療を更に促進するような機能も有していない。そこで、本発明では、新たな温度逆応答性ヒドロゲル等圧収縮技術を用いることで、マイクロポアを有し、且つ良好な機械的応力を達成可能なだけでなく、成分及び焼結条件を制御することで異なる二相リン酸塩（ＨＡｐ／ＴＣＰ）比率のバイオセラミックスとなり得る多孔質二相リン酸塩（ＨＡｐ／ＴＣＰ）バイオセラミックスの製造プロセスを開発した。これに現在の３Ｄバイオプリント技術を組み合わせれば、精密且つ複雑形状の多孔質骨材をカスタマイズ可能になるものと予測される。更に、骨の成長を促進する薬物を伴えば、骨誘導能と骨伝導能を兼ね備えた活気的な骨材となることが期待される。

１９８０年代には、当時「積層造形」又は「ラピッドプロトタイピング」と称されていたものがすでに出現しており、工業的大量製造前の金型製造や設計、校正に応用されてきた。近年になってこれらの技術が続々と特許期限を迎えていることに加え、工業発展の基礎が進歩したことから、こうした技術は次第に生活面に広く応用されるようになっている。また、こうした技術の発展により、独自設計やカスタマイズといったニーズはかつてのようにコスト面で制限されることがなくなった。逆に、こうした技術によって実現は容易となっており、時間やコスト面での制限が大幅に低減していることから、カスタマイズという言葉までもが注目され発展する傾向にある。これにより、平面の２次元構造が３次元の立体に変換され、具現化されている。現時点で発明者が知る限り、温度逆応答性ヒドロゲル等圧収縮システム（ｐ（ＮｉＰＰＡｍ），ｐ（ＮｉＰＡＡｍ−ＭＭＡ）等）による多孔質セラミックスの製造に関しては、発明者が特許及び文献を保有していることを除き、その他類似の文献は存在していない。また、本発明は３Ｄプリント可能なセラミックス材料のプリント技術を発展させるものである。即ち、温度逆応答性ヒドロゲル等圧収縮システムを利用して、標準化及びカスタマイズされたセラミックス製品をプリントするとともに、疎水性油液を使用し、且つセラミックス焼結過程を温度制御及び補助することで、より良好な収縮精密化機能を発揮するものである。本発明は、従来のセラミックス、バイオメディカルセラミックス、電子構造セラミックス等に応用可能であり、市場価値において高い潜在力を有している。

本発明の３Ｄセラミックスプリントに関する特許では、主として温度逆応答性ヒドロゲルを等圧収縮可能とする方式で製造プロセスを簡略化しつつ、良好な両連続相の相互貫入型孔経路、良好に制御される収縮率のほか、高度な緻密化によりセラミックス足場の機械性能がとりわけ良好になる等の利点が得られるため、特許技術取得の機会を持ち得る。なお、対応する３Ｄプリント材料システムにおいて、唯一セラミックス材料については未だ研究開発の初期段階にある。すでに同種の技術はいくつか存在しているが、本技術には高い特異性及び高度な緻密化焼結との特性があるため、従来のセラミックス、ガラス、精密セラミックス及び金属等の市場価値において高い潜在力を有している。また、特に医療器材であるバイオセラミックスインプラントや、歯科用ジルコニア、アルミナ等のクラウン向けセラミックス材料などがより適切なターゲットとなる。

例えば、人工バイオセラミックスインプラントの標準化やカスタマイズのプロセスに応用可能である。いずれにせよ、多孔質バイオセラミックスの気孔率とサイズを制御し／骨細胞の生長や薬物の制御に有利な範囲とすることが必要なため、多孔質吸収可能性バイオセラミックスの製造方法／多孔質セラミックスの製造技術はバイオメディカル業界においてすでに広く応用されている。しかし、そこで応用される発泡技術又は高分子粒残留法をもって実現する場合には、応用される材料種別を必ずしもリン酸カルシウム系バイオセラミックスの多孔質製造に適用できるとは限らない。これは、材料に適切な機械性能や非毒性があるか否かに起因している。また、両連続相における相互貫入型経路孔の実現もまたもう一つの解決すべき課題となっている。

本発明は、温度逆応答性を有するヒドロゲル／セラミックス材料を３Ｄプリント （積層造形）成形技術によって製造及び成形することを目的とする。方法としては、温度逆応答性ヒドロゲルシステム（ｐ（ＮｉＰＡＡｍ）、ｐ（ＮｉＰＡＡｍ−ＭＭＡ）等）の温度逆応答特性とバイオセラミックス粉末の攪拌使用を利用しつつ、３Ｄプリントデバイスで製造及び成形を行う。温度逆応答性ヒドロゲル溶液は、セラミックス粉末の違いに応じて、粘度、濃度及び添加比率が調整される。温度逆応答性ヒドロゲル溶液は、大多数のセラミックス製造に必要とされる機械的力による押圧成形にかかるコストや時間に代えて、温度制御によりセラミックス粉末間の均一収縮を効果的に向上させられる。また、温度逆応答性ヒドロゲルの特性から金型による制限を受けずに済むため、成形方式や様式の多様性が向上する。また、３Ｄプリント技術の進歩に伴い、温度逆応答性ヒドロゲルの温度逆応答特性を利用して温度制御によるプリント成形を実施することから、形態面での制限を受けることがなく、且つ、規則的な相互貫入型孔を具備させられる。よって、従来のバイオセラミックス製造における制限から解放される。

したがって、本発明は、セラミックス構造を３Ｄプリント可能な温度逆応答性を有する等圧収縮可能なヒドロゲルとセラミックス粉末との混合システムを提供する。当該システムは、温度逆応答性ヒドロゲルを含有して使用する。前記温度逆応答性ヒドロゲルとしては、例えば、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドポリマー（ｐｏｌｙ（Ｎ−ｉｓｏｐｒｏｐｙｌａｃｒｙｌａｍｉｄｅ，ｐ（ＮｉＰＡＡｍ））、Ｎ−イソプロピルアクリルアミド−メタクリル酸共重合体（ｐｏｌｙ（Ｎ−ｉｓｏｐｒｏｐｙｌａｃｒｙｌａｍｉｄｅ−ｃｏ−ｍｅｔｈａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ，ｐ（ＮｉＰＡＡｍ−ＭＡＡ））及び類似の温度逆応答性化合物が可能である。また、前記バイオセラミックス材料としては、水酸燐灰石（ＨＡ）、リン酸三カルシウム（ＴＣＰ）、高密度アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、生物活性ガラス（Ｂｉｏｇｌａｓｓ，ＢＧ）及び類似のバイオセラミックス材料が可能である。また、前記バイオセラミックスを３Ｄプリントする技術としては、積層成形（ＦＤＭ，Ｆｕｓｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ）、薄膜積層法（ＬＤＰ，Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）、ステレオリソグラフィー（ＳＬＡ）及び関連の３Ｄプリント技術が可能である。

本発明は、以下の技術的利点を有する。

（１）温度逆応答性ヒドロゲルは温度上昇時に等圧収縮する能力を有するため、焼結粉体の緻密化が可能である。原理としては、粉末の冷間等方圧加圧（ｃｏｌｄ ｉｓｏｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｉｎｇ，ＣＩＰ）成形技術に類似しており、均一に収縮することで収縮時の内部応力を低減可能となる。そのため、ゆっくりと時間をかける収縮・乾燥過程が不要となり、即座に焼結過程を実施可能となる。且つ、亀裂のない焼結体及び好ましい機械的性質を得やすくなる。

（２）温度逆応答性ヒドロゲルの粘性によれば、均一な攪拌によって気孔をスラリー状の成形体に導入可能となるため、焼結後も孔を保留できる。また、３Ｄプリントに有利となるよう真空で攪拌して気体を除去すれば、複雑形状や相互貫入型孔を持つ基本プリント製品を実施するための３Ｄプリントインク材料とすることができる。

（３）３Ｄプリント過程で制御されるパラメータには以下がある。ａ．装置の各種温度、圧力、速度、プリント孔径等。ｂ．セラミックスプリントインク材料の粉粒体サイズ、固液比、粘度、ヒドロゲル濃度。ｃ．プリント槽の基板は液体油相で浸漬する必要がある。徐々に油の高さを制御することで、プリント材料の温度を制御できるほか、水相のスラリー状混合プリント材料を油で被覆可能となる。これにより、後の高温収縮焼結過程にいっそう有利となり、セラミックス焼結の高度な緻密化を達成可能となる。

温度逆応答性ヒドロゲルを３Ｄプリントに応用するにあたり、光硬化開始剤を添加してもよい。これによれば、ＵＶ光を照射して硬化成形することが可能となる。このような硬化方式によれば、プリント精密度の向上や複雑形状の製造が可能となる。

本発明は、３Ｄプリント物を積層造形する方法であって、（ａ）３Ｄプリンタによって、１又は複数層のスラリーをプリント及び積層し、前記スラリーがセラミックス粉末の組成物を含有し、（ｂ）更に、前記１又は複数層のスラリーの周囲に油を注入し、注入する油の高さが前記スラリーの高さよりも低く、（ｃ）所望の幾何形状を有する本体が得られるまで、ステップ（ａ）及び（ｂ）を繰り返し、且つ、（ｄ）前記本体を加熱焼結することで前記３Ｄプリント物を取得し、前記３Ｄプリンタのプリント台座の温度が３０〜８０℃である、ことを含む方法を提供する。

好ましい実施例において、前記スラリーは組成物であり、セラミックス粉末、ガラス粉末又は金属粉末を含む。他の好ましい実施例において、前記油は、合成油系物（例えば、ポリグルコール、シリコーン油、フッ素オイル、リン酸エステル、ポリエーテル等）、鉱油物（例えば、パラフィン、ラウリルアルコール等）、植物油（例えば、オリーブ油、大豆油等）、炭化水素鉱油、液体パラフィン又は合成炭化水素を含むがこれらに限らない。他の好ましい実施例において、前記セラミックス粉末は、水酸燐灰石（ＨＡ）、リン酸三カルシウム（ＴＣＰ）、高密度アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、生物活性ガラス（Ｂｉｏｇｌａｓｓ，ＢＧ）、炭化物系セラミックス材料（例えば炭化ケイ素（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ）等）、窒化物系セラミックス材料（例えば窒化ケイ素（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ）等）、ケイ酸アルミニウム（ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｓｉｌｉｃａｔｅ）、ホウ化物セラミックス材料又はケイ化物セラミックス材料を含むがこれらに限らない。

好ましい実施例において、前記スラリーの粘度は１００〜９００ｃＰの範囲であり、前記３Ｄプリンタのノズルサイズは１９〜３０Ｇの範囲であり、前記３Ｄプリンタのプリント速度は０．１〜５ｃｍ／ｓの範囲である。

好ましい実施例において、前記加熱には、２時間以内でゆっくりと６００〜６５０℃まで加熱して（３〜６℃／ｍｉｎ）、前記温度を３０〜６０分間維持する第１段階と、２０〜３０分以内で急速に温度を１１５０〜１２５０℃まで上昇させて（１５〜２５℃／ｍｉｎ）、前記温度を１０〜３０分間維持する第２段階と、１０〜３０分以内でゆっくりと１２５０〜１３５０℃まで加熱して（３〜６℃／ｍｉｎ）、前記温度を１〜３時間維持する第３段階と、冷却によりゆっくりと温度を２５℃まで低下させる第４段階と、を含む。

好ましい実施例において、前記スラリーは、（ａ）ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）（ｐ（ＮｉＰＡＡｍ））又はポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド−共重合−メタクリル酸）（ｐ（ＮｉＰＡＡｍ−ＭＡＡ））を合成するステップと、（ｂ）分散剤とヒドロキシアパタイトを混合するステップと、（ｃ）ステップ（ａ）の前記ｐ（ＮｉＰＡＡｍ）又は前記ｐ（ＮｉＰＡＡｍ−ＭＡＡ）と水を混合してヒドロゲル溶液を取得するステップと、（ｄ）ステップ（ｃ）の前記ヒドロゲル溶液とステップ（ｂ）の生成物を混合して混合物を生成するステップと、（ｅ）ステップ（ｄ）の前記混合物を攪拌して前記スラリーを生成するステップと、から作製される。他の好ましい実施例において、ポリマー粒子はポリエチレンを含むがこれに限らない。

他の好ましい実施例において、ステップ（ｂ）の前記ヒドロキシアパタイトと前記分散剤は重量パーセントで２５：１〜２５：５の比率範囲で混合する。ステップ（ｂ）における前記分散剤としては、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリメタクリル酸（ＰＭＡ）又はポリビニルアルコール（ＰＶＡ）及びその類似物が可能である。ステップ（ｂ）の前記ヒドロキシアパタイト又はリン酸三カルシウムは、混合前に高温炉で７００〜９００℃に焼結される。ステップ（ｃ）の前記ｐ（ＮｉＰＡＡｍ−ＭＡＡ）と水は、体積比で１：１０〜２：１の比率範囲で混合される。ステップ（ｅ）の高分子粒子は、ステップ（ｄ）における混合物の総体積の５〜５０％に等しい体積を有する。

他の好ましい実施例において、前記方法は、更に光硬化開始剤をステップ（ｃ）のヒドロゲル溶液に添加することで、前記スラリーをＵＶ照射により光硬化成形可能とする。即ち、温度逆応答性ヒドロゲルをＵＶ硬化成形する。前記光硬化開始剤の種類としては、遊離基型の光硬化開始剤又はカチオン型の光硬化開始剤が含まれる。前記遊離基型の光硬化開始剤はアクリル酸又は不飽和ポリエステルを含むがこれらに限らず、前記カチオン型の光硬化開始剤はエポキシド、トリメチレンオキシド又はビニルエーテルを含むがこれらに限らない。

好ましい実施例において、前記多孔質セラミックス組成物は、ナノポア又はマイクロポアを有し、且つ、バイオマテリアル足場（ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌ ｓｃａｆｆｏｌｄ）として使用可能である。前記バイオマテリアル足場は一部生体により吸収可能である。好ましい実施例において、前記バイオマテリアル足場は人工骨として使用されるとともに、骨形成刺激物質と混合される。前記骨形成刺激物質は、骨髄、ＢＭＰ成長因子、血管新生因子、スタチン系薬物（ｓｔａｔｉｎ ｄｒｕｇｓ）、ビスホスホネート薬物、骨細胞、幹細胞及びその薬物担体からなる群より選択される。他の好ましい実施例において、前記バイオマテリアル足場は治療剤の担体として用いられる。好ましい実施例において、前記治療剤は抗生物質薬である。

本発明は、セラミックス構造を３Ｄプリント可能な温度逆応答性を有するヒドロゲルとセラミックス粉末との混合システムを提供する。当該システムは、温度逆応答性ヒドロゲルを含有して使用する。前記温度逆応答性ヒドロゲルとしては、例えば、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドポリマー（ｐｏｌｙ（Ｎ−ｉｓｏｐｒｏｐｙｌａｃｒｙｌａｍｉｄｅ，ＰＮＩＰＡＡＭ）、Ｎ−イソプロピルアクリルアミド−メタクリル酸共重合体（ｐｏｌｙ（Ｎ−ｉｓｏｐｒｏｐｙｌａｃｒｙｌａｍｉｄｅ−ｃｏ−ｍｅｔｈａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ，ＰＮＩＰＡＡＭ−ＭＡＡ））及び類似の温度応答性化合物が可能である。前記バイオセラミックス材料としては、水酸燐灰石（ＨＡ）、リン酸三カルシウム（ＴＣＰ）、高密度アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、生物活性ガラス（Ｂｉｏｇｌａｓｓ，ＢＧ）及び類似のバイオセラミックス材料が可能である。前記バイオセラミックスを３Ｄプリントする技術としては、積層成形（ＦＤＭ，Ｆｕｓｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ）、薄膜積層法（ＬＤＰ，Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）、ステレオリソグラフィー（ＳＬＡ）及び関連の３Ｄプリント技術が可能である。

図１は、生体用ヒドロゲルセラミックス材料を３Ｄプリントする際の条件パラメータを示す。 図２は、３Ｄプリント技術ではバイオセラミックスの孔のサイズ、間隔、パターンを効果的に制御可能なことを示す。 図３は、焼結密度の均一収縮及び強化の実施例を示す。 図４は、リン酸塩セラミックスにおける含油有無別の収縮率の比較を示す。 図５は、ジルコニアセラミックスにおける含油有無別の収縮率の比較を示す。 図６は、相互貫入型孔を有するリン酸三カルシウムバイオセラミックス複合材料足場（ｓｃａｆｆｏｌｄ）の３Ｄプリントを示す。 図７は、リン酸三カルシウムバイオセラミックス複合材料足場（ｓｃａｆｆｏｌｄ）のＵＶ硬化成形による３Ｄプリントを示す。 図８は、リン酸塩セラミックスをＵＶ硬化成形した場合の含油収縮率の比較を示す。 図９は、不均一収縮したセラミックスの亀裂を示す図である（乾燥が過度に急速であった場合、不均一収縮によりサンプルに湾曲や亀裂が生じる）。 図１０は、油膜を含まずに乾燥させた乾燥粉末の収縮を示す図である。加熱過程ではグリーン体周囲のヒドロゲルが先に収縮するが、昇温過程でその周囲の水分が失われることから、外側粒子の高度な収縮緻密化が容易ではない。結果、続く昇温過程で内側の粉末に隙間が生じやすくなる。 図１１は、油膜を含んだ状態で乾燥させた乾燥粉末の収縮を示す図である。加熱過程では、グリーン体の周囲が油膜に覆われているためヒドロゲル全体が有利に収縮し、水が外側へと排出される。これにより、高い収縮率をもって焼結緻密化が補助される。また、内部の粉末については、続く昇温過程で気孔率が高温焼結により拡散し、大幅に低下する。

以下の実施例は限定を意図するものではなく、本発明の各態様及び特徴を代表するものにすぎない。

本発明は、３Ｄプリント技術によるバイオセラミックス、即ちバイオメディカルセラミックス（Ｂｉｏｃｅｒａｍｉｃｓ）の成形（積層造形）に関する。温度応答性ヒドロゲルにより多孔質セラミックス組成物を製造する方法については、米国特許ＵＳ８９４０２０３を参照すればよい。本発明では、温度応答性ヒドロゲルと３Ｄプリント技術を組み合わせることで多孔質セラミックスを製造する。そのため、本発明の目標は下記となる。
（１）温度逆応答性ヒドロゲル／セラミックス粉末が、最適な３Ｄプリント成形の条件範囲となるよう比率を調整する。
（２）３Ｄプリント製造過程において条件範囲を最適に制御する。
（３）３Ｄプリントによりバイオセラミックス（ＨＡｐ／β−ＴＣＰ）／温度逆応答性ヒドロゲル（ｐ（ＮｉＰＡＡｍ−ＭＭＡ））を製造し、測定・分析する。
（４）３Ｄプリントにより含油（例えばシリコーン油）バイオセラミックス（ＨＡｐ／β−ＴＣＰ）／温度応答性ヒドロゲル（ｐ（ＮｉＰＡＡｍ−ＭＭＡ））を製造し、測定・分析する。
（５）３Ｄプリントによりバイオセラミックス（ジルコニア，ＺｒＯ_２）／温度逆応答性ヒドロゲル（ｐ（ＮｉＰＡＡｍ−ＭＭＡ））を製造し、測定・分析する。
（６）３Ｄプリントにより含油（例えばシリコーン油）バイオセラミックス（ジルコニア，ＺｒＯ_２）／温度逆応答性ヒドロゲル（ｐ（ＮｉＰＡＡｍ−ＭＭＡ））を製造し、測定・分析する。
（７）温度逆応答性ヒドロゲルセラミックスにＵＶ硬化開始剤を添加して、光硬化プリントを実施する。
温度逆応答性ヒドロゲル溶液とセラミックス粉末の混合・攪拌比率は、温度逆応答性ヒドロゲル溶液の重量パーセント濃度（ｗｔ％）及びセラミックス粉末のグラム重量に依拠した。また、温度逆応答性ヒドロゲル／バイオセラミックスの３Ｄプリント条件は、温度逆応答性ヒドロゲルの温度応答特性に基づき設計した。プリント台座の温度を調整することで温度逆応答性ヒドロゲルが相転移収縮するよう制御し、セラミックス粉末間を密着させることで成形効果を達成した。なお、その他のプリント制御条件としては、プリントヘッドの材料押出供給圧、プリント速度、プリント材料供給端のニードル口径サイズが存在した。３Ｄプリント製造によりバイオセラミックスを成形した後、対照群としてセラミックスを被覆する油系物（検証ではシリコーン油を一例とした）の添加有無別に高温焼結操作を実施し、焼結前後及び油系物による被覆有無間で収縮サイズや比率を比較した。また、温度逆応答性ヒドロゲルシステムと３Ｄプリント技術を組み合わせて異なるセラミックス粉末に適用する場合について、２種類の異なるセラミックス粉末で検証した。初歩の結果によれば、温度逆応答性ヒドロゲルとバイオセラミックスを混合・攪拌した後のコロイド粘度は約１００〜９００ｃＰに達する必要があったが、これは３Ｄプリンタのガスによる材料押出供給範囲である５０〜２００，０００ｍＰａ．ｓに一致していた。なお、バイオセラミックス粉末の粒子サイズ及びプリントラインの太さに応じて、プリントニードルのサイズは１９〜３０Ｇの範囲のものを選択し、製造を実施した。また、３Ｄプリント製造におけるプリントヘッドの移動速度はラインの太さを決定する要素の一つであるが、実際に測定したところ、プリント速度は０．１〜５（ｃｍ／ｓ）の範囲が最適であった。また、３Ｄプリントにより製造した油類（シリコーン油、炭化水素鉱油、液体パラフィン、パラフィン、合成炭化水素等）含有有無別のバイオセラミックス（ＨＡｐ／β−ＴＣＰ）／温度逆応答性ヒドロゲル（ｐ（ＮｉＰＡＡｍ−ＭＭＡ）又はｐ（ＮｉＰＡＡｍ））について焼結前後の収縮率を比較したところ、含油被覆群は高い収縮比率を有しており、最高で２７．９％の収縮率に達した。また、異なるバイオセラミックス粉末について比較すべく、３Ｄプリントにより含油有無別にバイオセラミックス（ジルコニア，ＺｒＯ_２）／温度逆応答性ヒドロゲル（ｐ（ＮｉＰＡＡｍ−ＭＭＡ））を製造した場合にも、焼結前後の収縮率については同様に含油被覆群が高い収縮比率を有しており、最高で３６％の収縮率に達した。ここで、焼結後のセラミックスを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したところ、正面から見た孔のサイズは約５００μｍであった。また、側面から表面形状を観察したところ、３Ｄプリント成形に特有の筋条に交錯したスタック形状が見られた。本発明は、バイオセラミックスの３Ｄプリントに適用されるシステムの構築に成功した。このシステムでは、温度逆応答性ヒドロゲルを様々なバイオセラミックス材料と合わせて使用でき、且つ、３Ｄプリントデバイスは温度制御により多様な形態をプリント可能となる。また、温度逆応答性ヒドロゲルと油相溶液を組み合わせて使用することで、バイオセラミックスの収縮効果は更に向上する。

１．温度逆応答性ヒドロゲル溶液とセラミックス粉末の混合・攪拌比率は、温度逆応答性ヒドロゲル溶液の重量パーセント濃度（ｗｔ％）とセラミックス粉末のグラム重量に依拠し、最も好ましい実例としては、セラミックス粉末の特性差に応じて調整される。以下に、実際の実施における比率を示す。

（１）リン酸カルシウム系（β−ＴＣＰ）セラミックス粉末を１ｍＬの１５％温度逆応答性ヒドロゲル溶液に２．０ｇ添加し、真空で８分間攪拌・混合することでプリント可能なスラリーを取得した。
（２）ジルコニア（ＺｒＯ_２）セラミックス粉末を１ｍＬの１０％温度逆応答性ヒドロゲル溶液に１．８ｇ添加し、真空で８分間攪拌・混合することでプリント可能なスラリーを取得した。
（３）水酸燐灰石（ＨＡｐ）セラミックス粉末を１ｍＬの１５％温度逆応答性ヒドロゲル溶液に２．０ｇ添加し、真空で８分間攪拌・混合することでプリント可能なスラリーを取得した。

２．温度逆応答性ヒドロゲル／バイオセラミックスの３Ｄプリント条件は、温度逆応答性ヒドロゲルの温度応答特性に基づき設計される。プリント台座の温度を調整することで温度逆応答性ヒドロゲルが相転移収縮するよう制御し、セラミックス粉末間を密着させることで成形効果を達成する。なお、その他のプリント制御条件としては、プリントヘッドの材料押出供給圧、プリント速度、プリント材料供給端のニードル口径サイズが存在する。

（１）３Ｄプリント製造におけるプリントヘッドの移動速度はラインの太さを決定する要素の一つであるが、実際に測定したところ、プリント速度は０．１〜５（ｃｍ／ｓ）の範囲が最適であった。
（２）３Ｄプリント製造におけるプリントヘッドの材料供給速度はラインの太さを決定する要素の一つであるが、実際に測定したところ、最適な材料供給速度は主として２３Ｇニードル（内径０．３４ｍｍ）であり、ガスによる材料押出供給に必要な気圧は±４．５ｂａｒであった。
（３）３Ｄプリント製造における温度逆応答性ヒドロゲルの硬化成形条件として、台座の温度を上昇させることで温度逆応答性ヒドロゲルを相転移収縮させた。なお、このときの温度は±４０℃とした。また、他の好ましい実施例において、プリント台座の温度は３０〜８０℃まで加熱した。

３．温度逆応答性ヒドロゲル／バイオセラミックスの３Ｄプリント製造では、プリント完了後の焼結操作実施前に、プリントを完了したセラミックスを油系物で被覆してから、高温炉に送り込んで焼結する。以下に、油系物による被覆有無間の収縮差及びセラミックスの焼結温度について述べる。

（１）上記で攪拌・混合した水酸燐灰石スラリーをプリント成形し、直径約１４ｍｍ×高さ３ｍｍの対象物をプリントした。そして、いずれかをシリコーン油で被覆してから高温炉に送り込み、±１２５０℃の温度勾配で６〜８時間焼結した。完成後に直径と高さを測定し、収縮率を取得したところ（図４参照）、シリコーン油を添加しなかったセラミックスブロックの焼結後の収縮比率については、直径が１０％、高さが１１．０％であった。一方、シリコーン油を滴下したセラミックスブロックの焼結後の収縮比率については、直径が２７．９％、高さが２１．３％であった。
（２）上記で攪拌・混合したジルコニアスラリーをプリント成形し、直径約１８．１０ｍｍの対象物をプリントした。そして、いずれかをシリコーン油で被覆してから高温炉に送り込み、±１４００℃の温度勾配で６〜８時間焼結した。完成後に直径と高さを測定し、収縮率を取得したところ（図５参照）、シリコーン油を添加しなかったセラミックスブロックの焼結後の収縮比率は直径２３．４％であった。一方、シリコーン油を滴下したセラミックスブロックの焼結後の収縮比率については、直径３６．０８％となった。

４．温度逆応答性ヒドロゲル／バイオセラミックスの３Ｄプリント成形技術について述べると、先の硬化技術では温度制御を利用してプリント製造を実施していた。しかし、温度逆応答性ヒドロゲルは光硬化メカニズムを有する官能基構造であるため、光硬化開始剤を添加することで光硬化成形方式に変換してプリントすることが可能となる。

光硬化プリントの実施例としては、１５％の温度逆応答性ヒドロゲルに１〜５％の光硬化開始剤Ｉ２９５９（ＵＶ吸収波長３６５ｍｍ）を添加して１〜２日間攪拌した。その後、水酸燐灰石（ＨＡｐ）セラミックス粉末と攪拌し、１ｍＬの１５％温度逆応答性ヒドロゲル溶液に２．０ｇの水酸燐灰石セラミックス粉末を添加して、真空で８分間攪拌することでプリント可能なスラリーを取得した。プリント時にはＵＶモジュールを設定し、光硬化経路と関連の照射時間を提供することで硬化成形を実施した（図７参照）。そして、直径１５ｍｍ×高さ５ｍｍのセラミックスをプリントし、シリコーン油を滴下することで被覆してから、高温炉に送って±１２５０℃の温度勾配で６〜８時間焼結した。完成後に直径と高さを測定し、焼結後のサイズを得たところ、直径１１．２６ｍｍ、高さ３．８８ｍｍのセラミックスブロックとなり、収縮比率は直径が２５％、高さが２２．４％であった（図８参照）。

結果：
上記の実験結果より、以下が確認された。
（１）本発明で採用する温度逆応答性ヒドロゲルをセラミックス粉末と混合・攪拌して３Ｄプリント成形を実施する技術は、実行可能な３Ｄプリント成形技術である。
（２）３Ｄプリント成形過程ではプリントのパラメータを調整可能であり、スラリー供給速度、プリントヘッドの移動速度、台座の温度、プリントニードルの内径といった関連のパラメータを制御して製造する。
（３）温度逆応答性ヒドロゲルシステムは複数のセラミックス粉末と混合・攪拌されて、製造及び焼結を実施可能である。また、温度逆応答性ヒドロゲルの相転移収縮特性を利用して、硬化成形によるプリントを実施可能であるとともに、焼結過程で温度を上昇させることで収縮力を強化させられる。これによれば、従来のセラミックス技術における等圧工法と同じく、上記の実験結果で示したように１０〜２０％の収縮率を達成可能である。
（４）本発明の実験では、プリント完了後のセラミックス対象物に油系物を滴下することで被覆操作を実施する場合を提示した。この手順によれば、セラミックス焼結時の収縮効果を有効に上昇させることができ、上記の実験結果で示したように、２０〜４０％の収縮率を達成可能である。即ち、油系物を滴下しなかったセラミックスよりも高い収縮率を達成可能となる。
（５）本発明で使用する温度逆応答性ヒドロゲル材料は、光硬化開始剤を添加することで光硬化能力を有するコロイド材料に変換可能である。この場合、プリント時にＵＶ光を照射することで、収縮能力を変化させることなく硬化効果を達成可能となる。

Claims (15)

1. ３Ｄプリント物を積層造形する方法であって、
   （ａ）３Ｄプリンタによって、１又は複数層のスラリーをプリント及び積層し、前記スラリーがセラミックス粉末の組成物を含有し、
   （ｂ）更に、前記１又は複数層のスラリーの周囲に油を注入し、注入する油の高さが前記スラリーの高さよりも低く、
   （ｃ）所望の幾何形状を有する本体が得られるまで、ステップ（ａ）及び（ｂ）を繰り返し、且つ、
   （ｄ）前記本体を加熱焼結することで前記３Ｄプリント物を取得し、前記３Ｄプリンタのプリント台座の温度が３０〜８０℃である、ことを含む方法。
2. 前記スラリーは組成物であり、セラミックス粉末、ガラス粉末又は金属粉末を含む請求項１に記載の方法。
3. 前記セラミックス粉末は、水酸燐灰石、リン酸三カルシウム、高密度アルミナ、ジルコニア、生物活性ガラス、炭化物系セラミックス材料、窒化物系セラミックス材料、ケイ酸アルミニウム、ホウ化物セラミックス材料又はケイ化物セラミックス材料を含む請求項２に記載の方法。
4. 前記油は、ポリグリコール、シリコーン油、フッ素オイル、リン酸エステル、ポリエーテル、パラフィン、ラウリルアルコール、オリーブ油、大豆油、炭化水素鉱油、液体パラフィン又は合成炭化水素を含む請求項１に記載の方法。
5. 前記スラリーの粘度は１００〜９００ｃＰの範囲である請求項１に記載の方法。
6. 前記３Ｄプリンタのノズルサイズは１９〜３０Ｇの範囲である請求項１に記載の方法。
7. 前記３Ｄプリンタのプリント速度は０．１〜５ｃｍ／ｓの範囲である請求項１に記載の方法。
8. 前記スラリーは、
   （ａ）ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）（ｐ（ＮｉＰＡＡｍ））又はポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド−共重合−メタクリル酸）（ｐ（ＮｉＰＡＡｍ−ＭＡＡ））を合成するステップと、
   （ｂ）分散剤とヒドロキシアパタイトを混合するステップと、
   （ｃ）ステップ（ａ）の前記ｐ（ＮｉＰＡＡｍ）又は前記ｐ（ＮｉＰＡＡｍ−ＭＡＡ）と水を混合してヒドロゲル溶液を取得するステップと、
   （ｄ）ステップ（ｃ）の前記ヒドロゲル溶液とステップ（ｂ）の生成物を混合して混合物を生成するステップと、
   （ｅ）ステップ（ｄ）の前記混合物を攪拌して前記スラリーを生成するステップと、から作製される請求項１に記載の方法。
9. 更に、ステップ（ｅ）の前にポリマー粒子をステップ（ｄ）の前記混合物に添加する請求項８に記載の方法。
10. ステップ（ｂ）の前記ヒドロキシアパタイトと前記分散剤は重量パーセントで２５：１〜２５：５の比率範囲で混合する請求項８に記載の方法。
11. ステップ（ｂ）における前記分散剤は、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリメタクリル酸（ＰＭＡ）又はポリビニルアルコール（ＰＶＡ）である請求項８に記載の方法。
12. ステップ（ｃ）の前記ｐ（ＮｉＰＡＡｍ−ＭＡＡ）と水は、体積比で１：１０〜２：１の比率範囲で混合される請求項８に記載の方法。
13. 更に、光硬化開始剤をステップ（ｃ）のヒドロゲル溶液に添加することで、前記スラリーをＵＶ照射により光硬化成形可能とする請求項８に記載の方法。
14. 前記光硬化開始剤は、遊離基型の光硬化開始剤又はカチオン型の光硬化開始剤である請求項１３に記載の方法。
15. 前記遊離基型の光硬化開始剤はアクリル酸又は不飽和ポリエステルを含み、前記カチオン型の光硬化開始剤はエポキシド、トリメチレンオキシド又はビニルエーテルを含む請求項１４に記載の方法。