JP7554399B2 - Modeling method - Google Patents
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Description
本発明は、造形方法に関する。 The present invention relates to a molding method.
三次元立体造形技術の進歩はめざましく、熱溶融積層法、バインダージェッティング法、光造形法、粉末焼結積層造形法、マテリアルジェッティング法などの様々な3Dプリンタが製造業において用いられている。また、3Dプリンタで用いる材料としては、従来から知られている金属及び樹脂に加え、多様な材料が開発されている。これら多様な材料に対応した新規用途も提案されており、産業分野のみならず、医療分野及びヘルスケア分野等への応用も期待されている。医療分野における3Dプリンタの応用例としては、例えば、チタン、ハイドロキシアパタイト、PEEK等によるインプラント可能な人工骨の造形、細胞の直接積層による人工臓器の研究などへの応用が挙げられる。ヘルスケア分野における3Dプリンタの応用例としては、例えば、個人特有の形状を反映する必要のある補聴器具や義肢などへの応用が挙げられる。 Three-dimensional modeling technology has made remarkable progress, and various 3D printers using methods such as fused deposition modeling, binder jetting, photolithography, powder sintering, and material jetting are used in the manufacturing industry. In addition to the conventional metals and resins, a variety of materials have been developed as materials for use in 3D printers. New applications for these various materials have also been proposed, and applications are expected not only in the industrial field but also in the medical and healthcare fields. Examples of applications of 3D printers in the medical field include, for example, the creation of implantable artificial bones using titanium, hydroxyapatite, PEEK, etc., and research into artificial organs by direct cell layering. Examples of applications of 3D printers in the healthcare field include, for example, applications to hearing aids and prosthetic limbs that need to reflect the unique shapes of each individual.
医療分野における3Dプリンタの他の応用例としては、手術トレーニングやシミュレーションを目的とし、実際の臓器形状や生体を模したモデルへの応用が期待される。このようなモデルへの応用が期待される背景として、近年、医療機器の開発が進み、従来の大きく切り開き取り除く医療から、カテーテル、内視鏡、ロボットアシスト等による患者への負担が少ない低侵襲型医療が主流になりつつある点が挙げられる。これら医療機器を用いた手術オペレーションは、非常に高度な技術と熟練を要するため、医療事故防止の観点から適切なモデルを用いた手術トレーニングの重要性が認識されているためである。また、実施事例の少ない難手術においては、事前に対象部位の詳細を再現したモデルを得ることができれば、綿密な術前シミュレーションをすることが可能になる。 Another application of 3D printers in the medical field is the use of models that mimic the shape of actual organs or living organisms for the purpose of surgical training and simulation. The background to the expected application to such models is that medical equipment has been developed in recent years, and minimally invasive medical treatments that place less strain on patients, such as catheters, endoscopes, and robot assistance, are becoming mainstream, replacing the traditional medical treatments that involve large incisions and removal. Surgical operations using these medical equipment require very advanced technology and expertise, so the importance of surgical training using appropriate models is recognized from the perspective of preventing medical accidents. Furthermore, in difficult surgeries that are rarely performed, if a model that reproduces the details of the target area can be obtained in advance, it will be possible to perform detailed preoperative simulations.
従来から知られている臓器等を模したモデルとしては、3Dプリンタで作製され、アクリル系樹脂およびウレタン系樹脂等のハードマテリアルで構成されるモデルが挙げられる。しかし、ハードマテリアルは材料として硬く、実際の臓器における質感を再現することは困難である。
また、従来から知られている臓器等を模した他のモデルとしては、鋳型を用いて注型法で作製され、特許文献1で開示されているようなシリコーンエラストマーおよびポリビニルアルコール等の水性ゲルで構成されるモデルなどが挙げられる。注型法で作製する場合、材料選択の幅が広く、ポリビニルアルコール等の実際の臓器における質感に近い材料を用いて作製することができる。しかし、注型法は、単一材料により一体形成する方法であるため、作製したい臓器の部位や疾患領域等に基づいて生じる臓器内の物性分布を再現することは困難である。
更に、実際の臓器における質感は直接接触して測定することが困難であるため、一般的には、医師からのヒアリング結果を基に実際の臓器に近い質感に合わせこんでいく作業が必要になる。しかし、ヒアリング対象となる患者ごとに質感の情報は異なるため、特定の患者の臓器における質感を再現したモデルを作製することは困難である。
Conventionally known models that mimic organs include models that are made with a 3D printer and are made of hard materials such as acrylic resins and urethane resins. However, hard materials are hard, and it is difficult to reproduce the texture of actual organs.
Other conventional models that mimic organs and the like include models that are made by a casting method using a mold and are made of an aqueous gel such as silicone elastomer and polyvinyl alcohol, as disclosed in Patent Document 1. When made by the casting method, there is a wide range of material options, and it is possible to make it using a material such as polyvinyl alcohol that has a texture similar to that of an actual organ. However, since the casting method is a method of integrally forming an organ using a single material, it is difficult to reproduce the distribution of physical properties within the organ that occurs based on the part of the organ to be made, the diseased area, etc.
Furthermore, since it is difficult to measure the texture of an actual organ by direct contact, it is generally necessary to match the texture of the organ to a similar one based on the results of interviews with doctors. However, since the texture information differs for each patient interviewed, it is difficult to create a model that reproduces the texture of a specific patient's organ.
本発明は、生体を測定することにより取得される生体物性が精度良く再現された立体造形物の造形方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a method for forming a three-dimensional object that accurately reproduces the biological properties obtained by measuring a living body.
本発明は、生体の医用3Dデータに基づき、3Dプリンタを用いて立体造形物を造形する造形工程を有する造形方法であって、前記医用3Dデータは、前記生体を医用画像撮影装置で撮影することにより取得される医用画像データと、前記生体をMRE測定することにより取得される生体物性と、に基づいて作成され、前記立体造形物は、前記生体物性の分布に対応する強度物性の分布を有することを特徴とする造形方法に関する。 The present invention relates to a modeling method having a modeling step of using a 3D printer to create a three-dimensional object based on medical 3D data of a living body, the medical 3D data being created based on medical image data acquired by photographing the living body with a medical imaging device and on biological properties acquired by performing MRE measurement on the living body, and the three-dimensional object having a distribution of strength properties corresponding to the distribution of the biological properties.
本発明によれば、生体を測定することにより取得される生体物性が精度良く再現された立体造形物を造形できる造形方法を提供することができる。 The present invention provides a modeling method that can produce a three-dimensional object that accurately reproduces the biological properties obtained by measuring a living body.
1.造形方法
本発明の造形方法は、生体の医用3Dデータに基づき、3Dプリンタを用いて立体造形物(「モデル」とも称する)を造形する造形工程を有する。また、本発明の造形方法は、必要に応じて、上記造形工程より前に実行される工程として、生体の医用3Dデータを取得する取得工程と、医用3Dデータに基づいて造形用3Dデータを生成する生成工程と、を有してもよい。更に、本発明の造形方法は、必要に応じて、上記造形工程より後に実行される工程として、造形された立体造形物の精度を評価する評価工程を有してもよい。
本開示において「生体」とは、ヒト又はヒト以外の生物を構成する少なくとも一部を表し、対象の数は1つでもあってもよいし複数であってもよい。なお、ヒト又はヒト以外の生物を構成する少なくとも一部とは、例えば、胸部などの生体中における所定の領域、生体中における所定の臓器などを表す。
また、本開示において「生体の医用3Dデータに基づき、3Dプリンタを用いて立体造形物を造形する」とは、医用3Dデータを3Dプリンタに入力して立体造形物を造形するような直接的に医用3Dデータを用いる場合に限定されず、医用3Dデータに基づいて生成された造形用3Dデータなどを3Dプリンタに入力して立体造形物を造形するような間接的に医用3Dデータを用いる場合も表す。
1. Modeling Method The modeling method of the present invention includes a modeling step of modeling a three-dimensional object (also referred to as a "model") using a 3D printer based on medical 3D data of a living body. The modeling method of the present invention may also include, as necessary, an acquisition step of acquiring medical 3D data of the living body and a generation step of generating 3D data for modeling based on the medical 3D data, as steps executed prior to the modeling step. Furthermore, the modeling method of the present invention may also include, as necessary, an evaluation step of evaluating the accuracy of the modeled three-dimensional object, as a step executed after the modeling step.
In the present disclosure, the term "living body" refers to at least a part of a human or non-human organism, and the number of subjects may be one or more. Note that at least a part of a human or non-human organism refers to, for example, a predetermined region in a living body, such as the chest, a predetermined organ in a living body, etc.
In addition, in the present disclosure, "creating a three-dimensional object using a 3D printer based on medical 3D data of a living body" is not limited to the case of directly using medical 3D data, such as inputting the medical 3D data into a 3D printer to create a three-dimensional object, but also refers to the case of indirectly using medical 3D data, such as inputting 3D data for modeling generated based on the medical 3D data into a 3D printer to create a three-dimensional object.
(1)取得工程
本発明の造形方法は、生体の医用3Dデータを取得する取得工程を有することが好ましい。本開示において「医用3Dデータ」とは、少なくとも、生体を医用画像撮影装置により撮影することにより取得される医用画像データと、生体をMRE測定することにより取得される生体物性と、に基づき作成されるデータを表す。すなわち、生体の医用3Dデータを取得する取得工程は、生体を医用画像撮影装置により撮影することで医用画像データを取得する撮影工程と、生体をMRE測定することにより生体物性を取得する測定工程と、医用画像データ及び生体物性に基づき医用3Dデータを作成する作成工程と、を有する。
(1) Acquisition step The modeling method of the present invention preferably includes an acquisition step of acquiring medical 3D data of a living body. In the present disclosure, "medical 3D data" refers to data created based on at least medical image data acquired by photographing a living body with a medical imaging device and biological properties acquired by MRE measurement of the living body. That is, the acquisition step of acquiring medical 3D data of a living body includes an imaging step of acquiring medical image data by photographing the living body with a medical imaging device, a measurement step of acquiring biological properties by MRE measurement of the living body, and a creation step of creating medical 3D data based on the medical image data and the biological properties.
(I)撮影工程
撮影工程は、生体を医用画像撮影装置により撮影することで医用画像データを取得する工程である。医用画像撮影装置は、モダリティとも称され、被検体である生体をスキャンして医用画像データを取得する装置である。医用画像撮影装置としては、例えば、CT(Computed Tomography)装置、MRI(Magnetic Resonance Imaging)装置、超音波診断装置などが挙げられる。これらの中でも、後述する測定工程におけるMRE測定も行える観点からMRI装置を用いることが好ましい。医用画像撮影装置は、生体の断面を複数回撮影するスライス断層撮影を行う。これにより、図1に示すように、生体の断面を示す画像である医用画像データを複数取得できる。この複数の医用画像データ(「医用画像データセット」とも称する)は、それぞれ、医療画像交換に関する国際標準規格であるDICOM形式の画像であることが好ましい。また、医用画像データは、医用画像撮影装置により取得される画像濃度を示す画像濃度情報を含む。画像濃度は、例えば、医用画像撮影装置としてCT装置を用いた場合はCT値(X線透過率)であり、MRI装置を用いた場合はMRI信号値であり、超音波診断装置を用いた場合は反射強度である。
(I) Photographing Process The photographing process is a process of acquiring medical image data by photographing a living body with a medical imaging device. The medical imaging device is also called a modality, and is a device that scans a living body as a subject to acquire medical image data. Examples of the medical imaging device include a CT (Computed Tomography) device, an MRI (Magnetic Resonance Imaging) device, and an ultrasonic diagnostic device. Among these, it is preferable to use an MRI device from the viewpoint of also performing MRE measurement in the measurement process described later. The medical imaging device performs slice tomography to photograph a cross section of the living body multiple times. As a result, as shown in FIG. 1, multiple medical image data, which are images showing the cross sections of the living body, can be acquired. Each of these multiple medical image data (also called a "medical image data set") is preferably an image in the DICOM format, which is an international standard for medical image exchange. In addition, the medical image data includes image density information indicating the image density acquired by the medical imaging device. The image density is, for example, a CT value (X-ray transmittance) when a CT device is used as the medical imaging device, an MRI signal value when an MRI device is used, and reflection intensity when an ultrasound diagnostic device is used.
(II)測定工程
測定工程は、生体をMRE測定することで生体物性を取得する工程である。MRE測定とは、磁気共鳴エラストグラフィー(MRE:Magnetic Resonance Elastography)の手法により測定することを表す。本手法は、加振装置を用いて被検体内部にせん断波を生成しながらMRI装置で撮影することで、被検体内部の粘弾性分布を測定する非侵襲的な手法である。すなわち、生体をMRE測定することで取得される生体物性とは粘弾性であることが好ましい。なお、生体の粘弾性を取得する方法としては、MRE測定を行う方法以外に、超音波エラストグラフィーによる測定を行う方法が挙げられる。この点、超音波エラストグラフィーによる測定は得られる情報が1次元であるのに対し、MRE測定は得られる情報が2次元であって3Dデータの生成が容易であるため、MRE測定を行うことが好ましい。なお、測定対象が、心臓や血管等の臓器自体が周期的な運動を伴うものである場合、この運動に伴う臓器の変形量を計測し、力学モデル等に基づいて計測値から生体物性を推測する方法も挙げられる。しかし、この方法で得られる生体物性はあくまで推測値であり、生体の正確な情報取得性の観点でMRE測定に劣る。加えて、この方法を用いることができるのは、測定対象が心臓や血管等の周期的な運動を伴う臓器である場合に限定されるため、周期的な運動を伴わない臓器または周期的な運動に伴う変形量の計測が困難である臓器も測定対象にすることができる点でMRE測定を行うことが好ましい。また、MRE測定は、MRI装置のオプション機能としてシステムに含まれることが多く、撮影工程及び測定工程を同一のMRI装置により実行できる点でも好ましい。これに付随して、MRI装置による撮影工程とMRI装置による測定工程は、ほぼ同時に行うことができる。ほぼ同時に行えることで、患者等の被検体の負担を軽減できる点、医用画像データの取得時と生体物性の取得時がほぼ同時となり正確な生体の情報を得ることができる点などで好ましい。特に、後者の点に関しては、撮影および測定の対象が、経時的に形状、物性等の面で変化を生じやすい性質を有する生体であることを考慮すると、重要な観点となる。なお、ほぼ同時とは、撮影工程の時間および測定工程の時間の少なくとも一部が重複している場合、一度のMRI装置の使用で撮影工程および測定工程の両方を実行できる場合などを表す。また、MRE測定は、生体に対して行えるので、生体中で血圧が付与されている状態の臓器における生体物性を取得できる点でも好ましい。
(II) Measuring step The measuring step is a step of acquiring biological properties by MRE measurement of a biological body. MRE measurement refers to measurement by a method of magnetic resonance elastography (MRE). This method is a non-invasive method of measuring the viscoelastic distribution inside a biological body by generating shear waves inside the biological body using a vibration device and taking an image with an MRI device. That is, the biological property acquired by MRE measurement of a biological body is preferably viscoelasticity. In addition to the method of performing MRE measurement, a method of performing measurement by ultrasonic elastography can be mentioned as a method of acquiring viscoelasticity of a biological body. In this regard, while the information obtained by measurement by ultrasonic elastography is one-dimensional, the information obtained by MRE measurement is two-dimensional, and 3D data can be easily generated, so that MRE measurement is preferable. In addition, when the measurement target is an organ such as the heart or blood vessels that itself undergoes periodic motion, a method of measuring the amount of deformation of the organ accompanying this motion and estimating the biophysical properties from the measured values based on a mechanical model or the like can also be mentioned. However, the biophysical properties obtained by this method are merely estimated values, and are inferior to MRE measurement in terms of accurate information acquisition of the living body. In addition, this method can be used only when the measurement target is an organ that undergoes periodic motion such as the heart or blood vessels, so MRE measurement is preferable in that organs that do not undergo periodic motion or organs for which it is difficult to measure the amount of deformation accompanying periodic motion can also be used as measurement targets. In addition, MRE measurement is often included in the system as an optional function of the MRI device, and is also preferable in that the imaging process and the measurement process can be performed by the same MRI device. In addition to this, the imaging process by the MRI device and the measurement process by the MRI device can be performed almost simultaneously. It is preferable in that the burden on the subject such as a patient can be reduced by performing them almost simultaneously, and that the time of acquiring medical image data and the time of acquiring biophysical properties are almost simultaneous, thereby obtaining accurate information on the living body. In particular, the latter point is an important point considering that the subject of imaging and measurement is a living body that is prone to change over time in terms of shape, physical properties, etc. Note that "almost simultaneously" refers to a case where the imaging process and the measurement process overlap at least partially, or where both the imaging process and the measurement process can be performed by using an MRI device once. In addition, MRE measurement is preferable in that it can be performed on a living body, and therefore the physical properties of the organ in the living body can be obtained in a state where blood pressure is applied.
(III)作成工程
作成工程は、撮影工程で取得した医用画像データおよび測定工程で取得した生体物性に基づき医用3Dデータを作成する工程である。医用3Dデータは、医用画像データに基づいて作成される複数のボクセルと、ボクセルごとに付与された医用画像データにおける画像濃度を示す画像濃度情報と、ボクセルごとに付与された生体物性を示す生体物性情報と、を含む情報である。言い換えると、医用3Dデータは、ボクセル、画像濃度情報、及び生体物性情報が関連付けられた情報である。
(III) Creation Process The creation process is a process of creating medical 3D data based on the medical image data acquired in the imaging process and the biological properties acquired in the measurement process. The medical 3D data is information including a plurality of voxels created based on the medical image data, image density information indicating the image density in the medical image data assigned to each voxel, and biological property information indicating the biological properties assigned to each voxel. In other words, the medical 3D data is information in which the voxels, the image density information, and the biological property information are associated with each other.
医用3Dデータを作成する方法について具体的に説明する。
まず、撮影工程で取得した医用画像データから、医用画像撮影装置又は当該医用画像撮影装置と関連する画像処理装置(「医用画像撮影装置等」とも称する)により、3D画像処理に対応する医用3Dデータが作成される。医用3Dデータは、図2に示すような立方体等の最小単位を少なくとも1つ含むボクセルの集合体であり、ボクセルごとに様々な情報を関連付けることができる。次に、医用画像撮影装置等が、ボクセルごとに、撮影工程で取得した医用画像データにおける画像濃度を示す画像濃度情報を関連付ける。更に、医用画像撮影装置等が、ボクセルごとに、測定工程で取得した生体物性を示す生体物性情報を関連付ける。これにより、図3に示すように、ボクセル、画像濃度情報、及び生体物性情報が関連付けられた情報である医用3Dデータを作成できる。医用3Dデータは、画像濃度情報を用い、ボクセル領域分割(セグメンテーション)を行うことができる。ボクセル領域分割とは、画像濃度が近いボクセルを分類してセグメント化(区分化)することを表す。これにより、医用3Dデータに基づき、生体の内部構造の形状認識、構造分割、組織分析、及び3D画像解析等が可能になり、例えば、生体の医用3Dデータから肝臓等の所定の組織の医用3Dデータを取得することができる。本発明では、図4に示すように、医用3Dデータをボクセル領域分割することで取得される部分領域における医用3Dデータを領域別医用3Dデータと称する。なお、領域別医用3Dデータは、医用3Dデータに含まれる一概念であるとする。
A method for creating medical 3D data will be specifically described.
First, medical 3D data corresponding to 3D image processing is created from medical image data acquired in the imaging process by a medical imaging device or an image processing device related to the medical imaging device (also referred to as "medical imaging device, etc."). Medical 3D data is a collection of voxels including at least one minimum unit such as a cube as shown in FIG. 2, and various information can be associated with each voxel. Next, the medical imaging device, etc. associates image density information indicating image density in the medical image data acquired in the imaging process with each voxel. Furthermore, the medical imaging device, etc. associates biological property information indicating biological properties acquired in the measurement process with each voxel. As a result, medical 3D data, which is information in which voxels, image density information, and biological property information are associated, can be created as shown in FIG. 3. The medical 3D data can be segmented into voxel regions using image density information. Voxel region segmentation refers to classifying and segmenting voxels with similar image densities. This enables shape recognition, structure division, tissue analysis, and 3D image analysis of the internal structure of a living body based on the medical 3D data, and for example, medical 3D data of a specific tissue such as the liver can be obtained from the medical 3D data of a living body. In the present invention, medical 3D data in a partial region obtained by dividing the medical 3D data into voxel regions as shown in Fig. 4 is referred to as regional medical 3D data. Note that regional medical 3D data is considered to be one concept included in medical 3D data.
(2)生成工程
本発明の造形方法は、医用3Dデータに基づいて造形用3Dデータを生成する生成工程を有することが好ましい。本開示において「造形用3Dデータ」とは、医用3Dデータに基づいて生成されるデータであって、3Dプリンタに入力されるデータを表す。造形用3Dデータは、1つのデータから構成されてもよいし、複数のデータから構成されてもよい。以下、造形用3Dデータを生成する方法の具体例2つを説明するが、本方法としてはこれらに限定されない。
(2) Generation Step The modeling method of the present invention preferably includes a generation step of generating 3D modeling data based on medical 3D data. In this disclosure, "3D modeling data" refers to data generated based on medical 3D data and input to a 3D printer. The 3D modeling data may be composed of one piece of data or may be composed of multiple pieces of data. Below, two specific examples of a method for generating 3D modeling data will be described, but the present method is not limited to these.
(I)STL形式のデータを含む造形用3Dデータの生成
医用3Dデータに基づいてSTL(Standard Triangulated Language)形式のデータを含む造形用3Dデータを生成する場合について説明する。
この場合、図5に示すように、医用3Dデータをボクセル領域分割して取得された領域別医用3Dデータに対し、サーフェースモデル変換を行うことで領域別医用3Dデータに対応するSTL形式のデータを作成する。なお、STL形式のデータはサーフェイスデータであるため、サーフェースモデル変換を行うことで領域別医用3Dデータのボクセルごとに付与された生体物性情報は失われる。そのため、サーフェースモデル変換とは別に、領域別医用3Dデータから、ボクセルの位置を示す位置情報と、位置情報ごとに付与された生体物性情報と、を含む3D造形用生体物性情報を作成する。なお、位置情報ごとに付与された生体物性情報とは、位置情報の示す位置にあったボクセルに関連付けられていた生体物性情報である。すなわち、本説明でいう造形用3Dデータは、STL形式のデータと3D造形用生体物性情報とを含む。
(I) Generation of 3D Modeling Data Including Data in STL Format A case will be described where 3D modeling data including data in STL (Standard Triangulated Language) format is generated based on medical 3D data.
In this case, as shown in Fig. 5, surface model conversion is performed on the regional medical 3D data obtained by dividing the medical 3D data into voxel regions, and data in the STL format corresponding to the regional medical 3D data is created. Since the STL format data is surface data, the biological property information assigned to each voxel of the regional medical 3D data is lost by performing surface model conversion. Therefore, apart from the surface model conversion, biological property information for 3D printing is created from the regional medical 3D data, including position information indicating the position of the voxel and biological property information assigned to each position information. The biological property information assigned to each position information is biological property information associated with the voxel located at the position indicated by the position information. That is, the 3D data for printing in this description includes data in the STL format and biological property information for 3D printing.
(II)FAV形式のデータを含む造形用3Dデータの生成
医用3Dデータに基づいてFAV(FAbricatable Voxel)形式のデータを含む造形用3Dデータを生成する場合について説明する。
この場合、図6に示すように、医用3Dデータをボクセル領域分割して取得された領域別医用3Dデータに対し、FAVフォーマット変換を行うことで領域別医用3Dデータに対応するFAV形式のデータを作成する。なお、FAV形式のデータは、STL形式のデータのようにサーフェイスデータではなく、ボクセルデータとして定義されている。これにより、画像濃度情報や生体物性情報等が付与されたボクセルデータである医用3Dデータを、画像濃度情報や生体物性情報等が付与されたままFAV形式のデータに変換することができる。すなわち、STL形式のデータに変換したときのように、別途、生体物性情報等の必要情報に関するデータ処理を行う工程を省ける点で好ましい。
(II) Generation of 3D Modeling Data Including Data in FAV Format A case will be described where 3D modeling data including data in the FAV (Fabricatable Voxel) format is generated based on medical 3D data.
In this case, as shown in Fig. 6, the medical 3D data is divided into voxel regions, and the medical 3D data by region is obtained by performing FAV format conversion to generate FAV format data corresponding to the medical 3D data by region. Note that the FAV format data is defined as voxel data, not as surface data as in the STL format data. This allows the medical 3D data, which is voxel data to which image density information, biological property information, etc. are added, to be converted to FAV format data with the image density information, biological property information, etc. added. In other words, this is preferable in that it can omit a separate data processing process for necessary information such as biological property information, as in the case of conversion to STL format data.
(3)造形工程
本発明の造形方法は、生体の医用3Dデータに基づき、3Dプリンタを用いて立体造形物を造形する造形工程を有する。また、上記の通り、本開示において「生体の医用3Dデータに基づき、3Dプリンタを用いて立体造形物を造形する」とは、医用3Dデータを3Dプリンタに入力して立体造形物を造形するような直接的に医用3Dデータを用いる場合に限定されず、医用3Dデータに基づいて生成された造形用3Dデータなどを3Dプリンタに入力して立体造形物を造形するような間接的に医用3Dデータを用いる場合も表す。以下、医用3Dデータに基づいて生成された造形用3Dデータを3Dプリンタに入力して立体造形物を造形する場合を一例に造形工程について説明する。
(3) Modeling process The modeling method of the present invention includes a modeling process of modeling a three-dimensional object using a 3D printer based on medical 3D data of a living body. As described above, in this disclosure, "modeling a three-dimensional object using a 3D printer based on medical 3D data of a living body" is not limited to a case where medical 3D data is directly used, such as inputting medical 3D data to a 3D printer to model a three-dimensional object, but also refers to a case where medical 3D data is indirectly used, such as inputting modeling 3D data generated based on medical 3D data to a 3D printer to model a three-dimensional object. Hereinafter, the modeling process will be described using as an example a case where modeling 3D data generated based on medical 3D data is input to a 3D printer to model a three-dimensional object.
まず、上記のSTL形式のデータを含む造形用3Dデータが3Dプリンタに入力される場合について説明する。この場合、造形用3Dデータは、STL形式のデータと3D造形用生体物性情報とを含む。これらデータは同時に入力されてもよいし、別々に入力されてもよい。
3Dプリンタは、入力されたSTL形式のデータを印刷用2D画像データセットに変換する。印刷用2D画像データセットとは、複数の印刷用2D画像データを含むデータセットであり、印刷用2D画像データとは、Z軸方向における3Dプリンタの解像度に合わせてSTL形式のデータをスライスすることで得られる二次元のスライスデータである。次に、3Dプリンタは、入力された3D造形用生体物性情報に基づき、印刷用2D画像データの各領域における強度物性を示す強度物性情報を付与する。この印刷用2D画像データ及び印刷用2D画像データの各領域における強度物性情報に基づき、3Dプリンタで複数種類の造形用組成物をそれぞれ所定の領域に所定の吐出量で吐出し硬化する工程を繰り返すことにより、生体物性の分布に対応する強度物性の分布を有する立体造形物を造形することができる。ここで、本開示において「強度物性」とは、3Dプリンタにより造形される立体造形物の物性を表し、具体的には、生体物性に対応する物性であるため粘弾性を表す。
First, a case will be described in which 3D modeling data including the above-mentioned STL format data is input to a 3D printer. In this case, the 3D modeling data includes STL format data and biological property information for 3D modeling. These data may be input simultaneously or separately.
The 3D printer converts the input data in the STL format into a 2D image data set for printing. The 2D image data set for printing is a data set including a plurality of 2D image data for printing, and the 2D image data for printing is two-dimensional slice data obtained by slicing the data in the STL format in accordance with the resolution of the 3D printer in the Z-axis direction. Next, the 3D printer imparts strength property information indicating the strength property in each region of the 2D image data for printing based on the input biological property information for 3D printing. Based on the 2D image data for printing and the strength property information in each region of the 2D image data for printing, the 3D printer repeats the process of discharging a plurality of types of modeling compositions in a predetermined amount into each predetermined region and curing them, thereby forming a three-dimensional object having a distribution of strength properties corresponding to the distribution of biological properties. Here, in the present disclosure, the "strength property" represents the property of a three-dimensional object formed by a 3D printer, and specifically, represents viscoelasticity since it is a property corresponding to biological properties.
次に、上記のFAV形式のデータを含む造形用3Dデータが3Dプリンタに入力される場合について説明する。
3Dプリンタは、入力されたFAV形式のデータを、上記同様のスライスデータである印刷用2D画像データセットに変換する。但し、印刷用2D画像データセットに含まれる各印刷用2D画像データは、FAV形式のデータに含まれる生体物性情報に基づき、各領域における強度物性を示す強度物性情報が付与されている。この印刷用2D画像データ及び印刷用2D画像データの各領域における強度物性情報に基づき、3Dプリンタで複数種類の造形用組成物をそれぞれ所定の領域に所定の吐出量で吐出し硬化する工程を繰り返すことにより、生体物性の分布に対応する強度物性の分布を有する立体造形物を造形することができる。
Next, a case where 3D modeling data including the above-mentioned FAV format data is input to a 3D printer will be described.
The 3D printer converts the input data in the FAV format into a 2D image data set for printing, which is slice data similar to the above. However, each 2D image data set for printing included in the 2D image data set for printing is provided with strength property information indicating the strength property in each region based on the biological property information included in the FAV format data. Based on the 2D image data for printing and the strength property information in each region of the 2D image data for printing, the 3D printer repeats the process of ejecting a plurality of types of modeling compositions in a predetermined ejection amount into each predetermined region and curing them, thereby forming a three-dimensional object having a distribution of strength properties corresponding to the distribution of biological properties.
造形工程において使用される3Dプリンタとしては、例えば、複数種類の造形用組成物をそれぞれ所定の領域に所定の吐出量で吐出することにより、造形される立体造形物の強度物性を部位ごとに制御できるプリンタが挙げられる。具体的には、インクジェットヘッドで造形用組成物を吐出するマテリアルジェッティング方式(MJ方式)の3Dプリンタが挙げられる。 Examples of 3D printers used in the modeling process include printers that can control the strength properties of the three-dimensional object to be modeled for each part by discharging multiple types of modeling compositions in predetermined amounts onto each predetermined area.Specific examples include material jetting (MJ) type 3D printers that discharge modeling compositions using an inkjet head.
上記のように、3Dプリンタを用いて強度物性を生体物性と対応させる方法としては、強度物性を階調により表現できる3Dプリンタを用いる方法が挙げられる。そこで、本方法の一例を説明する。
まず、高い強度物性を有する立体造形物を造形可能な高強度造形用組成物と、低い強度物性を有する立体造形物を造形可能な低強度造形用組成物と、を準備する。これら造形用組成物は、少なくともそれぞれ1種類用いるが、それぞれ複数種類用いてもよい。このとき、高強度造形用組成物により造形される立体造形物の強度物性は生体中における生体物性の最大値以上であることが好ましく、低強度造形用組成物により造形される立体造形物の強度物性は生体中における生体物性の最小値以下であることが好ましい。
次に、立体造形物の強度物性を、あるグリッド領域を埋めるために配置する造形用組成物のパターンにより制御する。例えば、図7に示すように、7階調の強度物性による表現が必要な場合、6区画を最小単位としたグリッドを高強度造形用組成物及び低強度造形用組成物で埋める組み合わせパターンにより、7階調の強度表現が可能になる。単位グリッドの区画数を増やすことで様々な階調表現が可能になる。これはXY平面で配置することにより平面方向、Z方向で配置することにより、縦方向の強度分布を設定することができ、これにより生体物性の分布に対応する強度物性の分布を有する立体造形物を造形することができる。すなわち、本開示において「生体物性の分布に対応する強度物性の分布」とは、分布内における強度物性が対応する位置における生体物性と同一である場合に限定されず、階調表現により実現される強度物性が対応する位置における生体物性と近似する場合も含まれる。近似する場合としては、例えば、強度物性(後述するモデル物性と同義)の生体物性に対する差異が5%以内である場合などが挙げられる。また、本開示において「階調」とは、上記の通り、複数種類の造形用組成物がそれぞれ配置されることで形成される配置パターンであって、配置パターンごとに硬化物における強度物性が異なるものを表す。
なお、本方法は、ボクセルとして表現可能なため、FAVなどのボクセルフォーマットと対応させると効率がよい。また、単位区画を埋める造形用組成物の液滴数は任意の構成でよい。
また、3Dプリンタで表現できる階調における強度物性を、事前にMRE測定などで把握しておくことで、より正確に、生体物性の分布に対応する強度物性の分布を有する立体造形物を造形することができる。
As described above, as a method for using a 3D printer to make the strength properties correspond to the biological properties, a method using a 3D printer capable of expressing the strength properties by gradation can be given. Hereinafter, an example of this method will be described.
First, a high-strength shaping composition capable of forming a three-dimensional object having high strength properties and a low-strength shaping composition capable of forming a three-dimensional object having low strength properties are prepared. At least one type of each of these shaping compositions is used, but multiple types of each may be used. In this case, it is preferable that the strength property of the three-dimensional object formed from the high-strength shaping composition is equal to or greater than the maximum value of the biological property in a living body, and it is preferable that the strength property of the three-dimensional object formed from the low-strength shaping composition is equal to or less than the minimum value of the biological property in a living body.
Next, the strength properties of the three-dimensional object are controlled by the pattern of the molding composition arranged to fill a certain grid area. For example, as shown in FIG. 7, when an expression with seven gradations of strength properties is required, a combination pattern in which a grid with six sections as a minimum unit is filled with a high-strength molding composition and a low-strength molding composition enables the expression of seven gradations of strength. By increasing the number of sections of the unit grid, various gradations can be expressed. By arranging in the XY plane, the planar intensity distribution can be set, and by arranging in the Z direction, the vertical intensity distribution can be set, thereby forming a three-dimensional object having a distribution of strength properties corresponding to the distribution of biological properties. That is, in the present disclosure, the "distribution of strength properties corresponding to the distribution of biological properties" is not limited to the case where the strength properties in the distribution are the same as the biological properties at the corresponding position, but also includes the case where the strength properties realized by the gradation expression are similar to the biological properties at the corresponding position. Examples of the case where they are similar include the case where the difference between the strength properties (synonymous with the model properties described later) and the biological properties is within 5%. In addition, in the present disclosure, "gradation" refers to an arrangement pattern formed by respectively arranging multiple types of molding compositions, as described above, in which the strength properties of the cured product differ for each arrangement pattern.
In addition, since this method can be expressed as voxels, it is efficient to make it compatible with a voxel format such as FAV. Also, the number of droplets of the modeling composition filling the unit section may be any number.
Furthermore, by understanding the intensity properties in the gradations that can be expressed by the 3D printer in advance using MRE measurements, it is possible to more accurately create a three-dimensional object having a distribution of intensity properties that corresponds to the distribution of biological properties.
(4)評価工程
本発明の造形方法は、造形された立体造形物の精度を評価する評価工程を有してもよい。評価工程は、取得工程(具体的には、取得工程中の測定工程)において生体をMRE測定することにより取得される生体物性を示す生体物性情報と、造形工程において造形された立体造形物(モデル)をMRE測定することにより取得されるモデル物性を示すモデル物性情報と、に基づき、造形された立体造形物の精度を評価する工程である。なお、本工程は、人が実行してもよいし、パソコン等の情報処理装置が実行してもよい。
(4) Evaluation step The modeling method of the present invention may include an evaluation step of evaluating the accuracy of the modeled three-dimensional object. The evaluation step is a step of evaluating the accuracy of the modeled three-dimensional object based on biological property information indicating biological properties acquired by MRE measurement of a living body in the acquisition step (specifically, the measurement step in the acquisition step) and model property information indicating model properties acquired by MRE measurement of the three-dimensional object (model) modeled in the modeling step. This step may be performed by a person or by an information processing device such as a personal computer.
まず、生体物性情報およびモデル物性情報に基づき造形された立体造形物の精度を評価する方法について説明する。
立体造形物の精度を評価する方法としては、例えば、生体物性の分布およびモデル物性の分布がほぼ同一の分布を示しているかを判断することで精度を評価する方法、生体および立体造形物の対応する部位においてほぼ同一の生体物性およびモデル物性を有しているかを判断することで精度を評価する方法などが挙げられる。
First, a method for evaluating the accuracy of a three-dimensional object formed based on the biological physical property information and the model physical property information will be described.
Methods for evaluating the accuracy of a three-dimensional object include, for example, a method for evaluating the accuracy by determining whether the distribution of biological properties and the distribution of model physical properties are approximately identical, and a method for evaluating the accuracy by determining whether corresponding parts of a living organism and a three-dimensional object have approximately identical biological properties and model physical properties.
生体および立体造形物の対応する部位とは、例えば、生体および立体造形物に対して同じ基準で座標を割り当てた場合においてほぼ同一の座標となる生体中の部位および立体造形物中の部位、生体中の特定構造を有する部位(腫瘍部等)および生体中の当該特定構造を有する部位を模した立体造形物中の部位(腫瘍部を模した部位等)などが挙げられる。
生体および立体造形物の対応する部位においてほぼ同一の生体物性およびモデル物性を有しているかを判断する基準の一例としては、当該対応する部位においてモデル物性の生体物性に対する差異が5%以内であることが挙げられる。なお、差異に関しては、5%以内に限られず、求められる精度の程度により適宜選択でき、例えば、50%以内、40%以内、30%以内、20%以内、10%以内などであってもよいが、高精度であることを評価できる観点から差異が小さいことが好ましい。
Corresponding parts of a living organism and a three-dimensional object include, for example, parts in a living organism and parts in a three-dimensional object that have approximately the same coordinates when coordinates are assigned to the living organism and the three-dimensional object using the same criteria, parts in a living organism that have a specific structure (such as a tumor) and parts in a three-dimensional object that mimic a part in a living organism that has the specific structure (such as a part that mimics a tumor).
An example of a criterion for determining whether corresponding parts of a living organism and a three-dimensional object have substantially identical living organism properties and model properties is that the difference between the model properties and the living organism properties at the corresponding parts is within 5%. Note that the difference is not limited to within 5% and can be appropriately selected depending on the degree of accuracy required, and may be within 50%, 40%, 30%, 20%, 10%, or the like, but it is preferable that the difference is small from the viewpoint of being able to evaluate high accuracy.
なお、上記のように、生体およびモデルの対応する部位における生体物性情報およびモデル物性情報を比較するためには、生体物性が測定された生体中の位置を示す情報およびモデル物性が測定された立体造形物中の位置を示す情報もあることが好ましい。そのため、立体造形物の精度を評価する場合、ボクセル、画像濃度情報、及び生体物性情報が関連付けられた情報である医用3Dデータと、ボクセル、画像濃度情報、及びモデル物性情報が関連付けられた情報であるモデル3Dデータと、を用い、これらデータにそれぞれ含まれる生体物性情報およびモデル物性情報を比較することが好ましい。ボクセルが上記の位置を示す情報に相当するためである。なお、モデル3Dデータは、医用3Dデータと同様にして取得されるデータであって、少なくとも、立体造形物を医用画像撮影装置により撮影することにより取得されるモデル画像データと、立体造形物をMRE測定することにより取得されるモデル物性と、に基づき作成されるデータを表す。 As described above, in order to compare the biological property information and the model property information at the corresponding parts of the biological body and the model, it is preferable to also have information indicating the position in the biological body where the biological property was measured and information indicating the position in the three-dimensional object where the model property was measured. Therefore, when evaluating the accuracy of the three-dimensional object, it is preferable to use medical 3D data, which is information in which voxels, image density information, and biological property information are associated, and model 3D data, which is information in which voxels, image density information, and model property information are associated, and compare the biological property information and the model property information contained in these data. This is because voxels correspond to the information indicating the above-mentioned position. Note that the model 3D data is data obtained in the same manner as the medical 3D data, and represents data created based on at least model image data obtained by photographing the three-dimensional object with a medical imaging device and model properties obtained by MRE measurement of the three-dimensional object.
なお、本評価工程は、立体造形物をMRE測定することにより取得されるモデル物性を用いる。これは、立体造形物を構成する材料の主成分の一つとして、水素原子核を信号源とするMRE測定に適している水が含まれていることが好ましいことを表す。すなわち、立体造形物を構成する材料として、後述するようなハイドロゲルが含有されていることが好ましい。 This evaluation process uses model properties obtained by MRE measurement of the three-dimensional object. This means that it is preferable that the material constituting the three-dimensional object contains water as one of the main components, which is suitable for MRE measurement using hydrogen nuclei as a signal source. In other words, it is preferable that the material constituting the three-dimensional object contains a hydrogel as described below.
2.造形用組成物
造形工程において用いられる造形用組成物について説明する。造形用組成物としては、3Dプリンタで用いることができ、生体物性の分布に対応する強度物性の分布を有する立体造形物を造形することができる組成物であればよく、例えば、エラストマーおよびゲル等を造形するための前駆体としての組成物が挙げられる。これらの中でも、構成する材料の主成分の一つとして、生体と同様に水を含むハイドロゲルを造形するための前駆体としての組成物(「ハイドロゲル立体造形用組成物」と称する)が好ましい。以下、造形用組成物の一例としてハイドロゲル立体造形用組成物について説明する。
2. Modeling Composition The modeling composition used in the modeling process will be described. The modeling composition may be any composition that can be used in a 3D printer and can model a three-dimensional object having a distribution of strength properties corresponding to the distribution of biological properties, and examples of such compositions include compositions serving as precursors for modeling elastomers and gels. Among these, a composition serving as a precursor for modeling a hydrogel that contains water, similar to a living body, as one of the main components of the constituent materials (referred to as a "hydrogel three-dimensional modeling composition") is preferred. Hereinafter, a hydrogel three-dimensional modeling composition will be described as an example of a modeling composition.
ハイドロゲル立体造形用組成物は、水、重合性化合物を含有し、必要に応じて、鉱物、有機溶剤、その他成分を含有してもよい。
本開示において「ハイドロゲル立体造形用組成物」とは、光などの活性エネルギー線又は熱を照射されることで硬化してハイドロゲルを形成する液体組成物であって、特にハイドロゲルからなる立体造形物を造形するために用いられる液体組成物を意味する。また、本開示において「ハイドロゲル」とは、ポリマーを含む三次元網目構造の中に水が包含されている構造体を表し、かかる三次元網目構造が、ポリマーと鉱物とが複合化して形成される三次元網目構造である場合、特に「有機無機複合ハイドロゲル」という。なお、ハイドロゲルは水を主成分として含み、具体的には、水の含有量がハイドロゲルの全量に対して30.0質量%以上であることが好ましく、40.0質量%以上であることがより好ましく、50.0質量%以上であることが更に好ましい。
The hydrogel composition for three-dimensional modeling contains water and a polymerizable compound, and may contain minerals, organic solvents, and other components, as necessary.
In the present disclosure, the term "hydrogel three-dimensional modeling composition" refers to a liquid composition that hardens to form a hydrogel by irradiation with active energy rays such as light or heat, and is particularly used to model a three-dimensional object made of a hydrogel. In addition, in the present disclosure, the term "hydrogel" refers to a structure in which water is contained in a three-dimensional network structure containing a polymer, and when such a three-dimensional network structure is a three-dimensional network structure formed by the composite of a polymer and a mineral, it is particularly called an "organic-inorganic composite hydrogel." Note that the hydrogel contains water as a main component, and specifically, the content of water is preferably 30.0% by mass or more, more preferably 40.0% by mass or more, and even more preferably 50.0% by mass or more, based on the total amount of the hydrogel.
(1)水
ハイドロゲル立体造形用組成物は水を含む。水としては、一般的に溶媒として用い得るものであれば特に限定されず、例えば、イオン交換水、限外濾過水、逆浸透水、及び蒸留水等の純水、並びに超純水などを用いることができる。
水の含有量は、目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、ハイドロゲル立体造形用組成物を臓器モデルの造形に用いる場合、ハイドロゲル立体造形用組成物の全量に対して30.0質量%以上90.0質量%以下であることが好ましく、40.0質量%以上90.0質量%以下であることがより好ましい。
なお、水には、保湿性付与、抗菌性付与、導電性付与、硬度調整などの目的に応じて有機溶媒等のその他の成分を溶解又は分散させてもよい。
(1) Water The hydrogel three-dimensional modeling composition contains water. The water is not particularly limited as long as it can be used as a solvent in general, and examples of water that can be used include pure water such as ion-exchanged water, ultrafiltered water, reverse osmosis water, and distilled water, and ultrapure water.
The water content can be appropriately selected depending on the purpose; for example, when the hydrogel 3D modeling composition is used to model an organ model, the water content is preferably 30.0% by mass or more and 90.0% by mass or less, and more preferably 40.0% by mass or more and 90.0% by mass or less, relative to the total amount of the hydrogel 3D modeling composition.
In addition, other components such as organic solvents may be dissolved or dispersed in the water depending on the purpose of imparting moisture retention, antibacterial properties, electrical conductivity, adjusting hardness, etc.
(2)重合性化合物
ハイドロゲル立体造形用組成物は重合性の官能基を有する化合物である重合性化合物を含む。重合性化合物としては、モノマー、オリゴマー等が挙げられる。重合性化合物は、活性エネルギー線又は熱を照射されることで重合してポリマーの少なくとも一部を形成する。すなわち、ポリマーは、重合性化合物に由来する構造単位を有する。また、ポリマーは、鉱物と架橋して複合化し、ハイドロゲル中で三次元網目構造を形成することが好ましい。ここで、重合性化合物は、水溶性であることが好ましい。水溶性とは、例えば、30℃の水100g及びモノマー1gを混合して撹拌したとき、モノマーの90質量%以上が溶解することを表す。
(2) Polymerizable Compound The hydrogel three-dimensional modeling composition contains a polymerizable compound, which is a compound having a polymerizable functional group. Examples of the polymerizable compound include monomers and oligomers. The polymerizable compound is polymerized by irradiation with active energy rays or heat to form at least a part of a polymer. That is, the polymer has a structural unit derived from the polymerizable compound. In addition, it is preferable that the polymer is crosslinked with a mineral to form a composite and form a three-dimensional network structure in the hydrogel. Here, it is preferable that the polymerizable compound is water-soluble. Water-soluble means that, for example, when 100 g of water at 30° C. and 1 g of monomer are mixed and stirred, 90% by mass or more of the monomer is dissolved.
重合性化合物は、重合性の官能基を有する化合物であれば特に制限はないが、光重合性の官能基を有する化合物であることが好ましい。本開示において「重合性官能基」とは、活性エネルギー線の照射や熱の付加により重合反応を起こす官能基を意味し、「光重合性官能基」は特に活性エネルギー線の照射により重合反応を起こす官能基を意味する。光重合性官能基としては、これに限定するものではないが、例えば(メタ)アクリロイル基、ビニル基、アリル基等のエチレン性不飽和結合を有する基、エポキシ基などの環状エーテル基が挙げられる。エチレン性不飽和結合を有する基を含む化合物の具体例としては、例えば、(メタ)アクリルアミド基を有する化合物、(メタ)アクリレート化合物、(メタ)アクリロイル基を有する化合物、ビニル基を有する化合物、アリル基を有する化合物などが挙げられる。 The polymerizable compound is not particularly limited as long as it has a polymerizable functional group, but is preferably a compound having a photopolymerizable functional group. In this disclosure, the term "polymerizable functional group" refers to a functional group that undergoes a polymerization reaction when irradiated with active energy rays or when heat is added, and the term "photopolymerizable functional group" refers to a functional group that undergoes a polymerization reaction when irradiated with active energy rays. Examples of photopolymerizable functional groups include, but are not limited to, groups having an ethylenically unsaturated bond such as a (meth)acryloyl group, a vinyl group, or an allyl group, and cyclic ether groups such as an epoxy group. Specific examples of compounds containing a group having an ethylenically unsaturated bond include, for example, a compound having a (meth)acrylamide group, a (meth)acrylate compound, a compound having a (meth)acryloyl group, a compound having a vinyl group, and a compound having an allyl group.
(I)モノマー
重合性化合物として用い得るモノマーは、好ましくは不飽和炭素-炭素結合などの重合性官能基を1つ以上有する化合物であり、例えば、単官能モノマー、多官能モノマーなどが挙げられる。更に、多官能モノマーとしては、二官能モノマー、三官能以上のモノマーなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
(I) Monomer The monomer that can be used as the polymerizable compound is preferably a compound having one or more polymerizable functional groups such as an unsaturated carbon-carbon bond, and examples thereof include monofunctional monomers and polyfunctional monomers. Furthermore, examples of polyfunctional monomers include bifunctional monomers and trifunctional or higher functional monomers. These may be used alone or in combination of two or more.
(A)単官能モノマー
単官能モノマーとしては、例えば、アクリルアミド、N-置換アクリルアミド誘導体、N,N-ジ置換アクリルアミド誘導体、N-置換メタクリルアミド誘導体、N,N-ジ置換メタクリルアミド誘導体、アクリル酸、2-エチルヘキシル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、カプロラクトン変性テトラヒドロフルフリル(メタ)アクリレート、3-メトキシブチル(メタ)アクリレート、テトラヒドロフルフリル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート、2-フェノキシエチル(メタ)アクリレート、イソデシル(メタ)アクリレート、イソオクチル(メタ)アクリレート、トリデシル(メタ)アクリレート、カプロラクトン(メタ)アクリレート、エトキシ化ノニルフェノール(メタ)アクリレートなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、アクリルアミド、N,N-ジメチルアクリルアミド、N-イソプロピルアクリルアミド、アクリロイルモルホリン、ヒドロキシエチルアクリルアミド、イソボルニル(メタ)アクリレートなどが好ましい。
(A) Monofunctional Monomer Examples of the monofunctional monomer include acrylamide, N-substituted acrylamide derivatives, N,N-disubstituted acrylamide derivatives, N-substituted methacrylamide derivatives, N,N-disubstituted methacrylamide derivatives, acrylic acid, 2-ethylhexyl (meth)acrylate, 2-hydroxyethyl (meth)acrylate, 2-hydroxypropyl (meth)acrylate, caprolactone-modified tetrahydrofurfuryl (meth)acrylate, 3-methoxybutyl (meth)acrylate, tetrahydrofurfuryl (meth)acrylate, lauryl (meth)acrylate, 2-phenoxyethyl (meth)acrylate, isodecyl (meth)acrylate, isooctyl (meth)acrylate, tridecyl (meth)acrylate, caprolactone (meth)acrylate, and ethoxylated nonylphenol (meth)acrylate. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, acrylamide, N,N-dimethylacrylamide, N-isopropylacrylamide, acryloylmorpholine, hydroxyethylacrylamide, isobornyl (meth)acrylate, and the like are preferable.
単官能モノマーの含有量としては、ハイドロゲル立体造形用組成物の全量に対して、0.5質量%以上30.0質量%以下が好ましい。 The content of the monofunctional monomer is preferably 0.5% by mass or more and 30.0% by mass or less based on the total amount of the hydrogel three-dimensional modeling composition.
(B)二官能モノマー
二官能モノマーとしては、例えば、トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、テトラエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールヒドロキシピバリン酸エステルジ(メタ)アクリレート、ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールエステルジ(メタ)アクリレート、1,3-ブタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,4-ブタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,6-ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、1,9-ノナンジオールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、カプロラクトン変性ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールエステルジ(メタ)アクリレート、プロポキシ化オペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、エトキシ変性ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコール200ジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコール400ジ(メタ)アクリレートなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
(B) Bifunctional Monomer Examples of the bifunctional monomer include tripropylene glycol di(meth)acrylate, triethylene glycol di(meth)acrylate, tetraethylene glycol di(meth)acrylate, polypropylene glycol di(meth)acrylate, neopentyl glycol hydroxypivalic acid ester di(meth)acrylate, hydroxypivalic acid neopentyl glycol ester di(meth)acrylate, 1,3-butanediol di(meth)acrylate, 1,4-butanediol di(meth)acrylate, and 1,6-hexanediol di(meth)acrylate. Examples of such acrylates include 1,9-nonanediol di(meth)acrylate, diethylene glycol di(meth)acrylate, neopentyl glycol di(meth)acrylate, tripropylene glycol di(meth)acrylate, caprolactone-modified hydroxypivalic acid neopentyl glycol ester di(meth)acrylate, propoxylated dipentyl glycol di(meth)acrylate, ethoxy-modified bisphenol A di(meth)acrylate, polyethylene glycol 200 di(meth)acrylate, and polyethylene glycol 400 di(meth)acrylate. These may be used alone or in combination of two or more.
(C)三官能以上のモノマー
三官能以上のモノマーとしては、例えば、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート、トリアリルイソシアヌレート、ε-カプロラクトン変性ジペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ε-カプロラクトン変性ジペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ε-カプロラクトン変性ジペンタエリスリトールペンタ(メタ)アクリレート、ε-カプロラクトン変性ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート、トリス(2-ヒドロキシエチル)イソシアヌレートトリ(メタ)アクリレート、エトキシ化トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート,プロポキシ化トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート,プロポキシ化グリセリルトリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールヒドロキシペンタ(メタ)アクリレート、エトキシ化ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ペンタ(メタ)アクリレートエステルなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
(C) Trifunctional or higher monomers Examples of trifunctional or higher monomers include trimethylolpropane tri(meth)acrylate, pentaerythritol tri(meth)acrylate, dipentaerythritol hexa(meth)acrylate, triallyl isocyanurate, ε-caprolactone-modified dipentaerythritol tri(meth)acrylate, ε-caprolactone-modified dipentaerythritol tetra(meth)acrylate, ε-caprolactone-modified dipentaerythritol penta(meth)acrylate, ε-caprolactone-modified dipentaerythritol hexa(meth)acrylate, tris Examples of such compounds include (2-hydroxyethyl)isocyanurate tri(meth)acrylate, ethoxylated trimethylolpropane tri(meth)acrylate, propoxylated trimethylolpropane tri(meth)acrylate, propoxylated glyceryl tri(meth)acrylate, pentaerythritol tetra(meth)acrylate, ditrimethylolpropane tetra(meth)acrylate, dipentaerythritol hydroxypenta(meth)acrylate, ethoxylated pentaerythritol tetra(meth)acrylate, penta(meth)acrylate ester, etc. These compounds may be used alone or in combination of two or more.
多官能モノマーの含有量としては、ハイドロゲル立体造形用組成物の全量に対して、0.01質量%以上10.0質量%以下が好ましい。 The content of the polyfunctional monomer is preferably 0.01% by mass or more and 10.0% by mass or less based on the total amount of the hydrogel three-dimensional modeling composition.
(II)オリゴマー
オリゴマーは、上記単官能モノマーの低重合体や末端に反応性不飽和結合基を有する低重合体である。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
(II) Oligomer The oligomer is a low polymer of the above-mentioned monofunctional monomer or a low polymer having a reactive unsaturated bond group at the end. These may be used alone or in combination of two or more kinds.
(3)鉱物
ハイドロゲル立体造形用組成物は鉱物を含むことが好ましい。鉱物は、上記重合性化合物から形成されるポリマーと結合することが可能な鉱物であれば特に限定されず、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、層状粘土鉱物、特に水膨潤性層状粘土鉱物などが挙げられる。
水膨潤性層状粘土鉱物について図8を用いて説明する。図8は、鉱物としての水膨潤性層状粘土鉱物、及び水膨潤性層状粘土鉱物を水中で分散させた状態の一例を示す模式図である。図8の上図に示すように、水膨潤性層状粘土鉱物は、単一層の状態で存在しており、単位格子を結晶内に持つ二次元円盤状の結晶が積み重なった状態を呈している。そして、図8の上図の水膨潤性層状粘土鉱物を水中で分散させると、図8の下図に示すように、各単一層が分離して、複数の二次元円盤状の結晶となる。
なお、水膨潤性とは、図8に示すように層状粘土鉱物の各単一層の間に水分子が挿入され、水中に分散される性質を意味する。また、水膨潤性層状粘土鉱物の単一層の形状は円盤状に限定されず、他の形状であってもよい。
(3) Mineral The hydrogel composition for three-dimensional modeling preferably contains a mineral. The mineral is not particularly limited as long as it is capable of bonding with the polymer formed from the polymerizable compound, and may be appropriately selected depending on the purpose. For example, layered clay minerals, particularly water-swellable layered clay minerals, may be mentioned.
The water-swellable layered clay mineral will be described with reference to FIG. 8. FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of a water-swellable layered clay mineral as a mineral and a state in which the water-swellable layered clay mineral is dispersed in water. As shown in the upper diagram of FIG. 8, the water-swellable layered clay mineral exists in a single layer state, and exhibits a state in which two-dimensional disk-shaped crystals having unit lattices within the crystal are stacked. When the water-swellable layered clay mineral in the upper diagram of FIG. 8 is dispersed in water, each single layer separates to form a plurality of two-dimensional disk-shaped crystals, as shown in the lower diagram of FIG. 8.
The term "water-swellable" refers to the property of water molecules being inserted between the individual monolayers of the layered clay mineral and dispersing in water, as shown in Fig. 8. The shape of the monolayer of the water-swellable layered clay mineral is not limited to a disk shape, and may be other shapes.
水膨潤性層状粘土鉱物としては、例えば、水膨潤性スメクタイト、水膨潤性雲母などが挙げられる。より具体的には、ナトリウムを層間イオンとして含む水膨潤性ヘクトライト、水膨潤性モンモリナイト、水膨潤性サポナイト、水膨潤性合成雲母などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、高弾性のハイドロゲルが得られる点から、水膨潤性ヘクトライトが好ましい。
水膨潤性ヘクトライトは、適宜合成したものであってもよいし、市販品であってもよい。市販品としては、例えば、合成ヘクトライト(ラポナイトXLG、RockWood社製)、SWN(Coop Chemical Ltd.製)、フッ素化ヘクトライトSWF(Coop Chemical Ltd.製)などが挙げられる。これらの中でも、ハイドロゲルの弾性率を向上させる点から、合成ヘクトライトが好ましい。
Examples of water-swellable layered clay minerals include water-swellable smectite and water-swellable mica. More specifically, water-swellable hectorite, water-swellable montmorillonite, water-swellable saponite, water-swellable synthetic mica, and the like, each containing sodium as an interlayer ion, may be used. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, water-swellable hectorite is preferred because it can produce a highly elastic hydrogel.
The water-swellable hectorite may be appropriately synthesized or may be a commercially available product. Examples of commercially available products include synthetic hectorite (Laponite XLG, manufactured by Rockwood), SWN (manufactured by Coop Chemical Ltd.), and fluorinated hectorite SWF (manufactured by Coop Chemical Ltd.). Among these, synthetic hectorite is preferred from the viewpoint of improving the elastic modulus of the hydrogel.
鉱物の含有量としては、ハイドロゲル立体造形用組成物の全量に対して、1.0質量%以上40.0質量%以下が好ましい。 The mineral content is preferably 1.0% by mass or more and 40.0% by mass or less based on the total amount of the hydrogel 3D modeling composition.
(4)有機溶媒
ハイドロゲル立体造形用組成物は必要に応じて有機溶剤を含んでもよい。有機溶媒は、例えば、ハイドロゲルの保湿性を高めること等を目的として含有される。
有機溶媒としては、例えば、炭素数1~4のアルキルアルコール類、アミド類、ケトン類、ケトンアルコール類、エーテル類、多価アルコール類、ポリアルキレングリコール類、多価アルコールの低級アルコールエーテル類、アルカノールアミン類、N-メチル-2-ピロリドンなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
これらの中でも、保湿性の点から、多価アルコールが好ましく、具体的にはエチレングリコール、プロピレングリコール、1,2-プロパンジオール、1,2-ブタンジオール、1,3-ブタンジオール、1,4-ブタンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、1,2,6-ヘキサントリオール、チオグリコール、ヘキシレングリコール、グリセリン等の多価アルコール類が良好に使用される。
有機溶媒の含有量としては、ハイドロゲル立体造形用組成物の全量に対して、10.0質量%以上50.0質量%以下が好ましい。10.0質量%以上であることでハイドロゲル立体造形用組成物の乾燥を抑制でき、50.0質量%以下であることでハイドロゲル立体造形用組成物中における鉱物の分散性を向上できる。
(4) Organic Solvent The hydrogel three-dimensional modeling composition may contain an organic solvent, if necessary. The organic solvent is contained for the purpose of increasing the moisture retention of the hydrogel, for example.
Examples of the organic solvent include alkyl alcohols having 1 to 4 carbon atoms, amides, ketones, ketone alcohols, ethers, polyhydric alcohols, polyalkylene glycols, lower alcohol ethers of polyhydric alcohols, alkanolamines, N-methyl-2-pyrrolidone, etc. These may be used alone or in combination of two or more.
Among these, polyhydric alcohols are preferred from the viewpoint of moisturizing properties, and specifically, polyhydric alcohols such as ethylene glycol, propylene glycol, 1,2-propanediol, 1,2-butanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, diethylene glycol, triethylene glycol, 1,2,6-hexanetriol, thioglycol, hexylene glycol, and glycerin are preferably used.
The content of the organic solvent is preferably 10.0% by mass or more and 50.0% by mass or less based on the total amount of the hydrogel 3D modeling composition, in which case drying of the hydrogel 3D modeling composition can be suppressed, and dispersibility of the mineral in the hydrogel 3D modeling composition can be improved by setting the content to 50.0% by mass or less.
(5)その他成分
ハイドロゲル立体造形用組成物は必要に応じてその他成分を含んでもよい。
その他成分としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、安定化剤、表面処理剤、重合開始剤、着色剤、粘度調整剤、接着性付与剤、酸化防止剤、老化防止剤、架橋剤、紫外線吸収剤、可塑剤、防腐剤、金属イオン、フィラー、金属微粒子、分散剤などが挙げられる。
(5) Other Components The hydrogel three-dimensional modeling composition may contain other components as necessary.
The other components are not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the other components include stabilizers, surface treatment agents, polymerization initiators, colorants, viscosity modifiers, adhesion promoters, antioxidants, antiaging agents, crosslinking agents, ultraviolet absorbers, plasticizers, preservatives, metal ions, fillers, metal fine particles, and dispersants.
(I)安定化剤
安定化剤は、鉱物を安定して分散させ、ハイドロゲル立体造形用組成物のゾル状態を保つために含有される。また、ハイドロゲル立体造形用組成物を液滴として吐出する方式に用いる場合、液体としての特性安定化を目的として安定化剤が含有される。
安定化剤としては、例えば、高濃度リン酸塩、グリコール、非イオン界面活性剤などが挙げられる。
(I) Stabilizer The stabilizer is contained in order to stably disperse the mineral and maintain the sol state of the hydrogel 3D modeling composition. In addition, when the hydrogel 3D modeling composition is used in a method of ejecting the composition as droplets, the stabilizer is contained in order to stabilize the properties of the composition as a liquid.
Stabilizers include, for example, high concentration phosphates, glycols, non-ionic surfactants, and the like.
(II)表面処理剤
表面処理剤としては、例えば、ポリエステル樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、シリコーン樹脂、クマロン樹脂、脂肪酸エステル、グリセライド、ワックスなどが挙げられる。
(II) Surface Treatment Agent Examples of the surface treatment agent include polyester resins, polyvinyl acetate resins, silicone resins, coumarone resins, fatty acid esters, glycerides, and waxes.
(III)重合開始剤
重合開始剤としては、例えば、熱重合開始剤、光重合開始剤などが挙げられる。これらの中でも、保存安定性の点から、活性エネルギー線を照射することによりラジカル又はカチオンを生成する光重合開始剤が好ましい。
光重合開始剤としては、光(特に波長220nm以上400nm以下の紫外線)の照射によりラジカルを生成する任意の物質を用いることができる。
熱重合開始剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、アゾ系開始剤、過酸化物開始剤、過硫酸塩開始剤、レドックス(酸化還元)開始剤などが挙げられる。
(III) Polymerization initiator Examples of the polymerization initiator include a thermal polymerization initiator, a photopolymerization initiator, etc. Among these, from the viewpoint of storage stability, a photopolymerization initiator that generates a radical or a cation by irradiation with an active energy ray is preferred.
As the photopolymerization initiator, any substance that generates radicals when irradiated with light (particularly ultraviolet light having a wavelength of 220 nm or more and 400 nm or less) can be used.
The thermal polymerization initiator is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the thermal polymerization initiator include azo-based initiators, peroxide initiators, persulfate initiators, and redox (oxidation-reduction) initiators.
(6)ハイドロゲル立体造形用組成物の物性
ハイドロゲル立体造形用組成物の25℃における粘度は、3.0mPa・s以上20.0mPa・s以下が好ましく、6.0mPa・s以上12.0mPa・s以下がより好ましい。粘度が3.0mPa・s以上20.0mPa・s以下であることで、3Dプリンター(特にマテリアルジェッティング方式)における液滴吐出などに好適に適用することができる。なお、粘度の測定は、例えば、回転粘度計(VISCOMATE VM-150III、東機産業株式会社製)などを用いて測定することができる。
(6) Physical properties of the hydrogel three-dimensional modeling composition The viscosity of the hydrogel three-dimensional modeling composition at 25 ° C. is preferably 3.0 mPa · s or more and 20.0 mPa · s or less, more preferably 6.0 mPa · s or more and 12.0 mPa · s or less. By having a viscosity of 3.0 mPa · s or more and 20.0 mPa · s or less, it can be suitably applied to droplet ejection in a 3D printer (particularly a material jetting method). The viscosity can be measured using, for example, a rotational viscometer (VISCOMATE VM-150III, manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd.).
ハイドロゲル立体造形用組成物の表面張力は、20mN/m以上45mN/m以下が好ましく、25mN/m以上34mN/m以下がより好ましい。表面張力が、20mN/m以上であると、吐出安定性を向上でき、45mN/m以下であると、造形用の吐出ノズル等にハイドロゲル立体造形用組成物を充填しやすくなる。なお、表面張力の測定は、例えば、表面張力計(自動接触角計DM-701、協和界面科学株式会社製)などを用いて測定することができる。 The surface tension of the hydrogel 3D modeling composition is preferably 20 mN/m or more and 45 mN/m or less, and more preferably 25 mN/m or more and 34 mN/m or less. If the surface tension is 20 mN/m or more, the ejection stability can be improved, and if it is 45 mN/m or less, it becomes easier to fill the hydrogel 3D modeling composition into an ejection nozzle for modeling. The surface tension can be measured, for example, using a surface tensiometer (automatic contact angle meter DM-701, manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.).
3.3Dプリンタを用いて立体造形物を造形する方法
3Dプリンタ(以下、「造形装置」とも称する)で立体造形物を造形する方法の一例として、マテリアルジェッティング方式の3Dプリンタで上記のハイドロゲル立体造形用組成物を用いてハイドロゲル立体造形物を造形する方法について説明する。
3. Method for Forming a Three-Dimensional Object Using a 3D Printer As an example of a method for forming a three-dimensional object using a 3D printer (hereinafter also referred to as a "modeling device"), a method for forming a hydrogel three-dimensional object using the above-mentioned hydrogel three-dimensional modeling composition with a material jetting type 3D printer will be described.
マテリアルジェッティング方式によるハイドロゲル立体造形物の造形方法は、ハイドロゲル立体造形用組成物の液滴を付与して液膜を形成する液膜形成工程と、ハイドロゲル立体造形用組成物の液膜を硬化させる硬化工程と、を有し、液膜形成工程及び硬化工程を順次繰り返すことを特徴とする。なお、ハイドロゲル立体造形物の造形方法は、必要に応じて、ハイドロゲル立体造形物を支持する支持体を造形する支持体造形工程、その他工程を有してもよい。
マテリアルジェッティング方式によるハイドロゲル立体造形物の造形装置は、ハイドロゲル立体造形用組成物を収容している収容手段と、収容されていたハイドロゲル立体造形用組成物の液滴を付与して液膜を形成する液膜形成手段と、ハイドロゲル立体造形用組成物の液膜を硬化させる硬化手段と、を有し、液膜形成手段による液膜形成及び硬化手段による硬化を順次繰り返すことを特徴とする。
The method for forming a hydrogel three-dimensional object by the material jetting method includes a liquid film forming step of applying droplets of a hydrogel three-dimensional object composition to form a liquid film, and a curing step of curing the liquid film of the hydrogel three-dimensional object composition, and is characterized in that the liquid film forming step and the curing step are repeated in sequence. Note that the method for forming a hydrogel three-dimensional object may include a support modeling step of modeling a support that supports the hydrogel three-dimensional object and other steps, as necessary.
The device for forming a hydrogel 3D object using a material jetting method comprises a storage means for storing a hydrogel 3D modeling composition, a liquid film forming means for applying droplets of the stored hydrogel 3D modeling composition to form a liquid film, and a hardening means for hardening the liquid film of the hydrogel 3D modeling composition, and is characterized in that the liquid film formation by the liquid film forming means and the hardening by the hardening means are sequentially repeated.
まず、図9及び図10を用いてマテリアルジェッティング方式について説明する。図9は、ハイドロゲル立体造形物の造形装置の一例を示す模式図である。図10は、ハイドロゲル立体造形物を支持体から剥離した一例を示す模式図である。図9に示すマテリアルジェッティング方式のハイドロゲル立体造形物の造形装置10は、インクジェットヘッドを配列したヘッドユニットを用い、ハイドロゲル立体造形用組成物噴射ヘッドユニット11からハイドロゲル立体造形用組成物収容容器に収容されていたハイドロゲル立体造形用組成物を、支持体造形用組成物噴射ヘッドユニット12から支持体造形用組成物収容容器に収容されていた支持体造形用組成物を、造形体支持基板14に向けて噴射し、隣接した紫外線照射機13でハイドロゲル立体造形用組成物及び支持体造形用組成物を硬化しながら積層する。ここで、支持体造形用組成物とは、光などの活性エネルギー線又は熱を照射されることで硬化し、ハイドロゲル立体造形物を支持する支持体を造形する液体組成物を表し、例えば、アクリル系材料などが挙げられる。なお、造形装置10は、噴射されたハイドロゲル立体造形用組成物を平坦化する平滑化部材16を有してもよい。 First, the material jetting method will be described with reference to Figures 9 and 10. Figure 9 is a schematic diagram showing an example of a modeling device for a hydrogel three-dimensional object. Figure 10 is a schematic diagram showing an example of peeling off a hydrogel three-dimensional object from a support. The modeling device 10 for a hydrogel three-dimensional object using the material jetting method shown in Figure 9 uses a head unit in which inkjet heads are arranged, and sprays the hydrogel three-dimensional modeling composition contained in a hydrogel three-dimensional modeling composition storage container from the hydrogel three-dimensional modeling composition jetting head unit 11 and the support modeling composition contained in a support modeling composition storage container from the support modeling composition jetting head unit 12 toward a modeling body support substrate 14, and stacks the hydrogel three-dimensional modeling composition and the support modeling composition while curing them with the adjacent ultraviolet irradiator 13. Here, the support modeling composition represents a liquid composition that is cured by irradiation with active energy rays such as light or heat, and forms a support that supports a hydrogel three-dimensional object, and examples of such compositions include acrylic materials. The modeling device 10 may also have a smoothing member 16 that smoothes the sprayed hydrogel three-dimensional modeling composition.
造形装置10は、ハイドロゲル立体造形用組成物噴射ヘッドユニット11、支持体造形用組成物噴射ヘッドユニット12、及び紫外線照射機13と、立体造形物(ハイドロゲル)17及び支持体(サポート材)18とのギャップを一定に保つため、積層回数に合わせて、ステージ15を下げながら積層する。 The modeling device 10 stacks the layers while lowering the stage 15 according to the number of layers in order to maintain a constant gap between the hydrogel 3D modeling composition jetting head unit 11, the support modeling composition jetting head unit 12, and the ultraviolet irradiator 13 and the 3D object (hydrogel) 17 and the support (support material) 18.
造形装置10における紫外線照射機13は、矢印A、Bいずれの方向に移動する際も使用され、紫外線照射に伴って発生する熱により、積層表面が平滑化され、結果として立体造形物17の寸法安定性が向上する。 The ultraviolet irradiator 13 in the modeling device 10 is used when moving in either direction of arrow A or B, and the heat generated by ultraviolet irradiation smoothes the layered surface, resulting in improved dimensional stability of the three-dimensional object 17.
造形装置10における造形が終了後、図10に示すように立体造形物17と支持体18を水平方向に引っ張ることにより、支持体18は一体として剥離され、立体造形物17を容易に取り出すことができる。 After the modeling in the modeling device 10 is completed, the three-dimensional object 17 and the support 18 are pulled horizontally as shown in FIG. 10, and the support 18 is peeled off as a unit, allowing the three-dimensional object 17 to be easily removed.
(1)液膜形成工程
液膜形成工程においてハイドロゲル立体造形用組成物を付与する方法としては、液滴が適切な精度で目的の位置に付与できる方式であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、公知の液滴吐出方式を用いることができる。液滴吐出方式の具体例としては、例えば、ディスペンサー方式、スプレー方式、インクジェット方式などが挙げられるが、インクジェット方式であることが好ましい。
(1) Liquid film forming process In the liquid film forming process, the method of applying the hydrogel three-dimensional modeling composition is not particularly limited as long as it is a method that can apply droplets to the target position with appropriate accuracy, and can be appropriately selected depending on the purpose, and a known droplet ejection method can be used. Specific examples of the droplet ejection method include a dispenser method, a spray method, and an inkjet method, and the inkjet method is preferable.
ハイドロゲル立体造形用組成物の液滴の体積は、例えば、2pL以上60pL以下が好ましく、15pL以上30pL以下がより好ましい。液滴の体積が2pL以上であると吐出安定性を向上でき、60pL以下であると、造形用の吐出ノズル等にハイドロゲル立体造形用組成物を充填する際に、充填が容易になる。 The volume of the droplets of the hydrogel 3D modeling composition is, for example, preferably 2 pL or more and 60 pL or less, and more preferably 15 pL or more and 30 pL or less. If the volume of the droplets is 2 pL or more, the ejection stability can be improved, and if it is 60 pL or less, it becomes easier to fill the hydrogel 3D modeling composition into an ejection nozzle for modeling, etc.
(2)硬化工程
硬化工程においてハイドロゲル立体造形用組成物の液膜を硬化させる硬化手段は、例えば、紫外線(UV)照射ランプ、電子線などが挙げられる。紫外線(UV)照射ランプの種類としては、例えば、高圧水銀灯、超高圧水銀灯、メタルハライドなどが挙げられる。
ハイドロゲル立体造形用組成物に対する硬化手段としては、UV-LED(Ultra Violet-Light Emitting Diode:紫外線発光ダイオード)が好適に使用される。LEDの発光波長としては特に制限するものではなく、一般的には365nm、375nm、385nm、395nm、405nm等があるが、造形物への色の影響を考慮すると、開始剤の吸収が大きくなるように、短波長発光の方が有利である。また、UV-LEDは、一般的に用いられる紫外線照射ランプ(高圧水銀灯、超高圧水銀灯、メタルハライドランプ)、電子線などにくらべ、硬化時に生じる熱エネルギーが小さく、ハイドロゲルの熱損傷が小さくなる。特に、ハイドロゲル立体造形用組成物により造形されるハイドロゲルは、水を含有する状態で使用されるため、この効果は顕著なものである。
(2) Curing Step In the curing step, the liquid film of the hydrogel three-dimensional modeling composition can be cured by, for example, an ultraviolet (UV) irradiation lamp, an electron beam, etc. Examples of the type of ultraviolet (UV) irradiation lamp include a high-pressure mercury lamp, an ultra-high-pressure mercury lamp, a metal halide lamp, etc.
As a curing means for the hydrogel three-dimensional modeling composition, a UV-LED (Ultra Violet-Light Emitting Diode) is preferably used. The emission wavelength of the LED is not particularly limited, and generally includes 365 nm, 375 nm, 385 nm, 395 nm, 405 nm, etc., but in consideration of the effect of color on the modeled object, it is more advantageous to emit light with a short wavelength so that the absorption of the initiator is increased. In addition, compared with commonly used ultraviolet irradiation lamps (high pressure mercury lamps, ultra-high pressure mercury lamps, metal halide lamps), electron beams, etc., UV-LEDs generate less heat energy during curing, and the thermal damage to the hydrogel is reduced. In particular, since the hydrogel modeled by the hydrogel three-dimensional modeling composition is used in a state containing water, this effect is remarkable.
ハイドロゲル立体造形物の造形方法は、ハイドロゲル立体造形用組成物の液滴を付与して液膜を形成する液膜形成工程と、ハイドロゲル立体造形用組成物の液膜を硬化させる硬化工程と、を有し、液膜形成工程及び硬化工程を順次繰り返す。このとき、繰り返し回数としては、特に制限はなく、造形するハイドロゲル立体造形物の大きさ、形状などに応じて適宜選択することができる。また、硬化後の1層あたりの平均厚みは、10μm以上50μm以下が好ましい。平均厚みが10μm以上50μm以下であることで、精度よく、且つ剥離を少なく造形することが可能である。 The method for forming a hydrogel three-dimensional object includes a liquid film forming step of applying droplets of a hydrogel three-dimensional object forming composition to form a liquid film, and a curing step of curing the liquid film of the hydrogel three-dimensional object forming composition, and the liquid film forming step and the curing step are repeated in sequence. At this time, the number of repetitions is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the size, shape, etc. of the hydrogel three-dimensional object to be formed. In addition, the average thickness per layer after curing is preferably 10 μm or more and 50 μm or less. By having an average thickness of 10 μm or more and 50 μm or less, it is possible to form the object with high precision and with little peeling.
(3)支持体造形工程
支持体造形工程において使用される支持体造形用組成物は、光などの活性エネルギー線又は熱を照射されることで硬化し、ハイドロゲル立体造形物を支持する支持体を造形する液体組成物である。支持体造形用組成物の組成は、ハイドロゲル立体造形用組成物とは異なる。具体的には、硬化性材料及び重合開始剤などを含み、水及び鉱物は含まないことが好ましい。硬化性材料としては、活性エネルギー線(紫外線、電子線等)照射、加熱等により重合反応を生じて硬化する化合物であり、例えば、活性エネルギー線硬化性化合物、熱硬化性化合物などが挙げられる。これらの中でも、常温で液体の材料が好ましい。
支持体造形用組成物は、ハイドロゲル立体造形用組成物とは異なる位置に付与される。これは、支持体造形用組成物とハイドロゲル立体造形用組成物とが重ならないことを意味し、支持体造形用組成物とハイドロゲル立体造形用組成物とが隣接していてもよい。
支持体造形用組成物を付与する方法としては、ハイドロゲル立体造形用組成物を付与する方法と同様の方法が挙げられる。
(3) Support Modeling Process The support modeling composition used in the support modeling process is a liquid composition that hardens when irradiated with active energy rays such as light or heat, and models a support that supports a hydrogel three-dimensional object. The composition for the support modeling composition is different from the composition for hydrogel three-dimensional modeling. Specifically, it preferably contains a hardening material and a polymerization initiator, and does not contain water or minerals. The hardening material is a compound that hardens by polymerization reaction when irradiated with active energy rays (ultraviolet rays, electron beams, etc.), heated, etc., and examples of such compounds include active energy ray-curable compounds and thermosetting compounds. Among these, materials that are liquid at room temperature are preferred.
The support forming composition is applied to a position different from that of the hydrogel 3D modeling composition. This means that the support forming composition and the hydrogel 3D modeling composition do not overlap each other, and the support forming composition and the hydrogel 3D modeling composition may be adjacent to each other.
The method for applying the support modeling composition can be the same as the method for applying the hydrogel three-dimensional modeling composition.
(4)その他工程
その他の工程としては、例えば、液膜を平滑化させる工程、剥離工程、立体造形物の研磨工程、立体造形物の清浄工程などが挙げられるが、液膜を平滑化させる工程を含むことが好ましい。液膜形成工程にて形成された液膜は、全ての位置で狙いの膜厚(層厚)になっているとは限らないためである。例えば、インクジェット方式で液膜形成する場合、不吐出やドット間段差が生じる場合などがあり、高精度な立体造形物を形成することが困難になることがある。これら課題に対しては、液膜を形成した後に機械的に平滑化する(均す)、液膜を硬化して得られるハイドロゲル薄膜を機械的に削り取る、平滑度を検知して次の層の積層時に製膜量をドットレベルで調整する、などの方法が考えられる。なお、ハイドロゲル立体造形物が臓器モデルを対象として造形される場合、ハイドロゲルの硬度は比較的柔らかいため、平滑化の方法としては、液膜を機械的に均す方法が好ましい。機械的に平滑化する方法とは、例えば、ブレード形状の部材で均す、ローラー形状の部材で均すなどの方法が挙げられる。
(4) Other steps Examples of other steps include a step of smoothing the liquid film, a peeling step, a polishing step of the three-dimensional object, and a cleaning step of the three-dimensional object, but it is preferable to include a step of smoothing the liquid film. This is because the liquid film formed in the liquid film forming step does not necessarily have a target film thickness (layer thickness) at all positions. For example, when forming a liquid film using an inkjet method, there are cases where non-ejection or steps between dots occur, making it difficult to form a three-dimensional object with high precision. To address these issues, methods such as mechanically smoothing (leveling) the liquid film after it is formed, mechanically scraping off the thin hydrogel film obtained by hardening the liquid film, detecting the smoothness and adjusting the amount of film formation at the dot level when laminating the next layer, etc. are conceivable. Note that when a hydrogel three-dimensional object is formed for an organ model, the hardness of the hydrogel is relatively soft, so that a method of mechanically leveling the liquid film is preferable as a method of smoothing. Examples of mechanically smoothing methods include a method of leveling with a blade-shaped member or a roller-shaped member.
(5)強度物性が異なる部位を有するハイドロゲル立体造形物の造形方法
次に、ハイドロゲル立体造形物の造形方法のより具体的な説明として、強度物性が異なる部位を有するハイドロゲル立体造形物の造形方法の一例について説明する。以下の説明では、組成の異なる2種類のハイドロゲル立体造形用組成物を用いる態様を例として詳細を説明するが、かかる態様に限定されるものではない。当業者であれば、かかる説明からさらなる態様(例えば、3種類以上のハイドロゲル立体造形用組成物を用いる態様など)について容易に理解するものである。
(5) Method for Forming a Hydrogel 3D Object Having Parts with Different Strength Properties Next, as a more specific explanation of the method for forming a hydrogel 3D object, an example of a method for forming a hydrogel 3D object having parts with different strength properties will be described. In the following explanation, a detailed explanation will be given using an example in which two types of hydrogel 3D modeling compositions with different compositions are used, but the present invention is not limited to this example. Those skilled in the art will easily understand other examples (e.g., an example in which three or more types of hydrogel 3D modeling compositions are used) from this explanation.
強度物性が異なる部位を有するハイドロゲル立体造形物の造形方法は、組成の異なる複数のハイドロゲル立体造形用組成物の液滴をそれぞれ付与することで、組成の異なる複数の領域を有する液膜を形成する液膜形成工程と、液膜を硬化させる硬化工程と、を有し、液膜形成工程及び硬化工程を順次繰り返すことを特徴とする。
なお、上記造形方法は、組成の異なる複数のハイドロゲル立体造形用組成物をそれぞれ収容している収容手段と、収容されていた組成の異なる複数のハイドロゲル立体造形用組成物の液滴をそれぞれ付与することで、組成の異なる複数の領域を有する液膜を形成する液膜形成手段と、液膜を硬化させる硬化手段と、を有し、液膜形成手段による液膜形成及び硬化手段による硬化を順次繰り返すことを特徴とするハイドロゲル立体造形物の造形装置を用いる。
具体的には、まず、第一のハイドロゲル立体造形用組成物と、第一のハイドロゲル立体造形用組成物とは組成の異なる第二のハイドロゲル立体造形用組成物と、を用い、各ハイドロゲル立体造形用組成物の液滴の、それぞれ、付与する位置及び付与量を制御することにより、組成が異なる複数の領域を連続的に有する液膜を形成する。なお、第一のハイドロゲル立体造形用組成物は上記の高強度造形用組成物の一例であるとし、第二のハイドロゲル立体造形用組成物は上記の低強度造形用組成物の一例であるとする。次に、この液膜を硬化させて上記領域を連続的に有する1層分の硬化膜を形成する。その後、液膜の形成と硬化とを順次繰り返すことで硬化膜を積層し、強度物性が異なる複数の部位を連続的に有するハイドロゲル立体造形物を造形する。なお、ハイドロゲル立体造形物における強度物性が異なる複数の部位は、1層分の硬化膜の中で強度物性が異なることにより存在していてもよいし、硬化膜間で強度物性が異なることにより存在していてもよい。
The method for forming a hydrogel three-dimensional object having regions with different strength properties includes a liquid film formation process in which a liquid film having multiple regions with different compositions is formed by applying droplets of multiple hydrogel three-dimensional modeling compositions each having a different composition, and a hardening process in which the liquid film is hardened, and is characterized by sequentially repeating the liquid film formation process and the hardening process.
The above-mentioned modeling method uses a hydrogel 3D object modeling device that includes a storage means for storing a plurality of hydrogel 3D modeling compositions each having a different composition, a liquid film forming means for forming a liquid film having a plurality of regions having different compositions by applying droplets of each of the stored hydrogel 3D modeling compositions each having a different composition, and a hardening means for hardening the liquid film, and is characterized in that liquid film formation by the liquid film forming means and hardening by the hardening means are repeated in sequence.
Specifically, a first hydrogel 3D modeling composition and a second hydrogel 3D modeling composition having a different composition from the first hydrogel 3D modeling composition are used, and the positions and amounts of droplets of each hydrogel 3D modeling composition are controlled to form a liquid film having a continuous plurality of regions with different compositions. The first hydrogel 3D modeling composition is an example of the high-strength modeling composition, and the second hydrogel 3D modeling composition is an example of the low-strength modeling composition. Next, the liquid film is hardened to form one layer of a cured film having the continuous plurality of regions. Then, the liquid film is formed and cured by sequentially repeating the formation and curing of the liquid film to stack the cured films, thereby forming a hydrogel 3D object having a continuous plurality of regions with different strength properties. The multiple regions with different strength properties in the hydrogel 3D object may be present due to the difference in strength properties within one layer of the cured film, or may be present due to the difference in strength properties between the cured films.
4.立体造形物の用途
立体造形物の用途としては、例えば、生体の組織を模した組織モデルなどが挙げられるが、ヒトの組織モデルであることが好ましい。ここで、組織とは、生体を構成する機能器官である。従って、組織は、内臓に限らず、骨、皮膚、血管など生体を構成するあらゆる器官を含む。また、組織モデルは、臓器モデルであることが好ましい。
臓器モデルの用途としては2つに大別できる。1つは汎用用途における臓器モデルであり、もう1つは個別用途における臓器モデルである。汎用用途における臓器モデルとしては、例えば、医療機器開発における性能確認、校正、トレーニング、教育現場における構造確認などに用いられる臓器モデルである。この場合の臓器モデルは、対象とする臓器の平均的な形状・物性を有する。また、この場合の臓器モデルは、主に健常者のデータを基に造形され、単独もしくは複数人のデータが平均化されたモデルであることが好ましい。個別用途における臓器モデルとしては、例えば、医療現場におけるインフォームドコンセント、術前シミュレーション、術式トレーニングなどに用いられる臓器モデルである。この場合の臓器モデルは、対象とする患者個人の患部を含む臓器の形状・物性を有する。また、この場合の臓器モデルは、患者個人のデータを基に造形され、患部が再現されたモデルであることが好ましい。
立体造形物をヒトの臓器モデルとして用いる場合、立体造形物を形成するハイドロゲルなどの材料における水の含有量は、立体造形物全量に対して70質量%以上85質量%以下であることが好ましい。70質量%以上85質量%以下であることで、ヒトの臓器モデルが対象とする実際のヒトの臓器と同等の水分含有量とすることができ、好適に使用することができる。なお、具体的には、ヒトの心臓モデルであれば約80質量%であることが好ましく、ヒトの腎臓モデルであれば約83質量%であることが好ましく、ヒトの脳又は腸のモデルであれば約75質量%であることが好ましい。従って、立体造形物における水の含有量は、立体造形物全量に対して75質量%以上83質量%以下であることがより好ましい。
4. Uses of the Three-dimensional Object Uses of the three-dimensional object include, for example, tissue models imitating tissues of a living body, and preferably human tissue models. Here, tissue refers to functional organs that constitute a living body. Therefore, tissue is not limited to internal organs, but includes all organs that constitute a living body, such as bones, skin, and blood vessels. Moreover, the tissue model is preferably an organ model.
The uses of organ models can be broadly divided into two categories. One is an organ model for general-purpose use, and the other is an organ model for individual use. The organ model for general-purpose use is, for example, an organ model used for performance confirmation in medical device development, calibration, training, structural confirmation in educational settings, and the like. In this case, the organ model has the average shape and physical properties of the target organ. In addition, in this case, the organ model is preferably a model that is mainly modeled based on data of healthy individuals, and data of a single or multiple individuals is averaged. In this case, the organ model for individual use is, for example, an organ model used for informed consent, preoperative simulation, surgical training, and the like in medical settings. In this case, the organ model has the shape and physical properties of the organ including the affected area of the target individual patient. In addition, in this case, the organ model is preferably a model that is modeled based on data of an individual patient, and the affected area is reproduced.
When the three-dimensional object is used as a human organ model, the water content in the material such as hydrogel forming the three-dimensional object is preferably 70% by mass or more and 85% by mass or less with respect to the total amount of the three-dimensional object. By being 70% by mass or more and 85% by mass or less, the water content of the human organ model can be made equivalent to that of the actual human organ that is the subject of the human organ model, and the human organ model can be used preferably. Specifically, the water content is preferably about 80% by mass for a human heart model, about 83% by mass for a human kidney model, and about 75% by mass for a human brain or intestine model. Therefore, the water content of the three-dimensional object is more preferably 75% by mass or more and 83% by mass or less with respect to the total amount of the three-dimensional object.
以下、本発明の例を説明するが、本発明はこれら例に何ら限定されるものではない。 The following describes examples of the present invention, but the present invention is not limited to these examples.
<高強度造形用組成物Aの作製>
まず、イオン交換水に減圧脱気を30分間実施して純水を準備し、この純水580.0質量部を撹拌させながら、水膨潤性粘土鉱物である合成ヘクトライト(ラポナイトRD、BYK社製)67.0質量部を少しずつ添加し、更に撹拌して混合液を作製した。次に、混合液に合成ヘクトライトの分散剤としてエチドロン酸(東京化成工業株式会社製)5.0質量部を添加して分散液を得た。
次に、得られた分散液に、モノマーとして、活性アルミナのカラムを通過させ重合禁止剤を除去したジメチルアクリルアミド(DMAA、東京化成工業株式会社製)262.0質量部を添加した。また、架橋剤としてN,N’-メチレンビスアクリルアミド(MBAA、東京化成工業株式会社製)2.4質量部、ポリエチレングリコールジアクリレート(A-400、新中村化学工業株式会社製)8.0質量部を添加した。更に、乾燥防止剤としてグリセリン(阪本薬品工業株式会社製)300.0質量部を添加して混合した。
次に、重合促進剤としてN,N,N’,N’-テトラメチルエチレンジアミン(TEMED、東京化成工業株式会社製)6.7質量部を添加した。また、界面活性剤としてエマルゲンLS-106(花王株式会社製)を5.3質量部添加して混合した。
次に、氷浴で冷却しながら、光重合開始剤(イルガキュア184、BASF社製)のメタノール4質量%溶液を12.3質量部添加し、攪拌混合の後、減圧脱気を20分間実施した。続いて、ろ過を行い、不純物等を除去し、均質な高強度造形用組成物Aを得た。
<Preparation of high-strength molding composition A>
First, degassing was performed on ion-exchanged water under reduced pressure for 30 minutes to prepare pure water, and 67.0 parts by mass of synthetic hectorite (Laponite RD, manufactured by BYK Corporation), which is a water-swellable clay mineral, was gradually added to 580.0 parts by mass of this pure water while stirring, and further stirred to prepare a mixed liquid. Next, 5.0 parts by mass of etidronic acid (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was added to the mixed liquid as a dispersant for synthetic hectorite to obtain a dispersion liquid.
Next, 262.0 parts by mass of dimethylacrylamide (DMAA, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) from which polymerization inhibitors had been removed by passing through an activated alumina column was added as a monomer to the obtained dispersion. In addition, 2.4 parts by mass of N,N'-methylenebisacrylamide (MBAA, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and 8.0 parts by mass of polyethylene glycol diacrylate (A-400, manufactured by Shin-Nakamura Chemical Co., Ltd.) were added as crosslinking agents. Furthermore, 300.0 parts by mass of glycerin (manufactured by Sakamoto Yakuhin Kogyo Co., Ltd.) were added as a drying inhibitor and mixed.
Next, 6.7 parts by mass of N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine (TEMED, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was added as a polymerization accelerator, and 5.3 parts by mass of Emulgen LS-106 (manufactured by Kao Corporation) was added as a surfactant and mixed.
Next, while cooling in an ice bath, 12.3 parts by mass of a 4% by mass solution of a photopolymerization initiator (Irgacure 184, manufactured by BASF) in methanol was added, and after stirring and mixing, degassing under reduced pressure was performed for 20 minutes. Then, filtration was performed to remove impurities, and a homogeneous high-strength molding composition A was obtained.
-高強度造形用組成物Aの硬化物における粘弾性の測定-
まず、高強度造形用組成物Aを用いてハイドロゲルを作製した。具体的には、31mm×31mm(厚さ10mm)の容器を準備し、高強度造形用組成物Aで内部を満たし、紫外線照射機(ウシオ電機株式会社製、SPOT CURE SP5-250DB)を用いて硬化させた。照射条件は、波長:365nm、照射強度:350mJ/cm2、照射時間:60秒であった。
次に、作製したハイドロゲルの物性をレオメーターにより測定したところ、貯蔵弾性率:8320Pa,損失弾性率:2540Paであった。
-Measurement of viscoelasticity in the cured product of high-strength molding composition A-
First, a hydrogel was produced using the high-strength modeling composition A. Specifically, a container measuring 31 mm × 31 mm (thickness 10 mm) was prepared, the inside of which was filled with the high-strength modeling composition A, and the composition was cured using an ultraviolet irradiator (SPOT CURE SP5-250DB, manufactured by Ushio Inc.). The irradiation conditions were wavelength: 365 nm, irradiation intensity: 350 mJ/cm 2 , and irradiation time: 60 seconds.
Next, the physical properties of the produced hydrogel were measured using a rheometer, and were found to be storage modulus: 8,320 Pa, and loss modulus: 2,540 Pa.
<低強度造形用組成物Bの作製>
まず、イオン交換水に減圧脱気を30分間実施して純水を準備し、この純水580.0質量部を撹拌させながら、水膨潤性粘土鉱物である合成ヘクトライト(ラポナイトRD、BYK社製)67.0質量部を少しずつ添加し、更に撹拌して混合液を作製した。次に、混合液に合成ヘクトライトの分散剤としてエチドロン酸(東京化成工業株式会社製)5.0質量部を添加して分散液を得た。
次に、得られた分散液に、モノマーとして、活性アルミナのカラムを通過させ重合禁止剤を除去したジメチルアクリルアミド(DMAA、東京化成工業株式会社製)262.0質量部を添加した。また、架橋剤としてN,N’-メチレンビスアクリルアミド(MBAA、東京化成工業株式会社製)0.6質量部、ポリエチレングリコールジアクリレート(A-400、新中村化学工業株式会社製)2.0質量部を添加した。更に、乾燥防止剤としてグリセリン(阪本薬品工業株式会社製)300.0質量部を添加して混合した。
次に、重合促進剤としてN,N,N’,N’-テトラメチルエチレンジアミン(TEMED、東京化成工業株式会社製)6.7質量部を添加した。また、界面活性剤としてエマルゲンLS-106(花王株式会社製)を5.3質量部添加して混合した。
次に、氷浴で冷却しながら、光重合開始剤(イルガキュア184、BASF社製)のメタノール4質量%溶液を12.3質量部添加し、攪拌混合の後、減圧脱気を20分間実施した。続いて、ろ過を行い、不純物等を除去し、均質な低強度造形用組成物Bを得た。
<Preparation of low-strength molding composition B>
First, degassing was performed on ion-exchanged water under reduced pressure for 30 minutes to prepare pure water, and 67.0 parts by mass of synthetic hectorite (Laponite RD, manufactured by BYK Corporation), which is a water-swellable clay mineral, was gradually added to 580.0 parts by mass of this pure water while stirring, and further stirred to prepare a mixed liquid. Next, 5.0 parts by mass of etidronic acid (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was added to the mixed liquid as a dispersant for synthetic hectorite to obtain a dispersion liquid.
Next, 262.0 parts by mass of dimethylacrylamide (DMAA, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) from which polymerization inhibitors had been removed by passing through an activated alumina column was added as a monomer to the obtained dispersion. In addition, 0.6 parts by mass of N,N'-methylenebisacrylamide (MBAA, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) and 2.0 parts by mass of polyethylene glycol diacrylate (A-400, manufactured by Shin-Nakamura Chemical Co., Ltd.) were added as crosslinking agents. Furthermore, 300.0 parts by mass of glycerin (manufactured by Sakamoto Yakuhin Kogyo Co., Ltd.) were added as a drying inhibitor and mixed.
Next, 6.7 parts by mass of N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine (TEMED, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was added as a polymerization accelerator, and 5.3 parts by mass of Emulgen LS-106 (manufactured by Kao Corporation) was added as a surfactant and mixed.
Next, while cooling in an ice bath, 12.3 parts by mass of a 4% by mass solution of a photopolymerization initiator (Irgacure 184, manufactured by BASF) in methanol was added, and after stirring and mixing, degassing under reduced pressure was performed for 20 minutes. Then, filtration was performed to remove impurities, and a homogeneous low-strength molding composition B was obtained.
-低強度造形用組成物Bの硬化物における粘弾性の測定-
まず、低強度造形用組成物Bを用いてハイドロゲルを作製した。具体的には、31mm×31mm(厚さ10mm)の容器を準備し、低強度造形用組成物Bで内部を満たし、紫外線照射機(ウシオ電機株式会社製、SPOT CURE SP5-250DB)を用いて硬化させた。照射条件は、波長:365nm、照射強度:350mJ/cm2、照射時間:60秒であった。
次に、作製したハイドロゲルの物性をレオメーターにより測定したところ、貯蔵弾性率:4415Pa,損失弾性率:3104Paであった。
-Measurement of viscoelasticity in the cured product of low-strength molding composition B-
First, a hydrogel was produced using the low-strength modeling composition B. Specifically, a container measuring 31 mm × 31 mm (10 mm thick) was prepared, filled with the low-strength modeling composition B, and cured using an ultraviolet irradiator (SPOT CURE SP5-250DB, manufactured by Ushio Inc.). The irradiation conditions were wavelength: 365 nm, irradiation intensity: 350 mJ/cm 2 , and irradiation time: 60 seconds.
Next, the physical properties of the produced hydrogel were measured using a rheometer, and were found to be storage modulus: 4,415 Pa, and loss modulus: 3,104 Pa.
<医用3Dデータの取得>
MRE測定が可能なMRI装置を用い、脂肪肝を患う患者の肝臓部分を含む医用3Dデータを取得した。本医用3Dデータは、患者をMRI装置で撮影することにより取得される医用画像データと、患者をMRE測定することにより取得される生体物性と、に基づいて作成されていた。具体的には、本医用3Dデータは、医用画像データに基づいて作成される複数のボクセルと、ボクセルごとに付与された医用画像データにおける画像濃度(MRI信号値)を示す画像濃度情報と、ボクセルごとに付与された生体物性(粘弾性)を示す生体物性情報と、を含んでいた。
なお、MRE測定により取得された肝臓部分における生体物性(粘弾性)は、いずれの部位においても、高強度造形用組成物Aの硬化物における粘弾性と低強度造形用組成物Bの硬化物における粘弾性の範囲内であった。
<Acquisition of medical 3D data>
Using an MRI device capable of MRE measurement, medical 3D data including the liver portion of a patient suffering from fatty liver was obtained. This medical 3D data was created based on medical image data obtained by photographing the patient with an MRI device and biological properties obtained by MRE measurement of the patient. Specifically, this medical 3D data included a plurality of voxels created based on the medical image data, image density information indicating the image density (MRI signal value) in the medical image data assigned to each voxel, and biological property information indicating the biological property (viscoelasticity) assigned to each voxel.
Furthermore, the biological properties (viscoelasticity) of the liver obtained by MRE measurement were within the range between the viscoelasticity of the hardened material of high-strength modeling composition A and the viscoelasticity of the hardened material of low-strength modeling composition B in all areas.
<造形用3Dデータの生成>
まず、医用3Dデータをボクセル領域分割し、肝臓部分を示す領域別医用3Dデータを取得した。次に、領域別医用3Dデータに対し、FAVフォーマット変換を行うことで造形用3DデータであるFAV形式のデータを作成した。
<Generation of 3D data for modeling>
First, the medical 3D data was divided into voxel regions to obtain regional medical 3D data showing the liver. Next, the regional medical 3D data was converted into an FAV format to generate FAV format data, which is 3D data for modeling.
<肝臓モデルの造形例>
高強度造形用組成物A及び低強度造形用組成物Bを、それぞれ、図9に示すようなマテリアルジェッティング方式であって、且つ強度物性の階調を表現できる3Dプリンタに収容し、3Dプリンタのインクジェットヘッドに充填した。次に、3Dプリンタに造形用3Dデータを入力し、造形用3Dデータを基に、生体物性の分布に対応する強度物性の分布を有する立体造形物である肝臓モデルの造形を行った。具体的には、インクジェットヘッドから各造形用組成物を噴射させ、液膜形成と硬化を順次繰り返すことで造形した。
<Example of liver model>
The high-strength modeling composition A and the low-strength modeling composition B were each placed in a 3D printer that uses a material jetting method and can express gradations of strength properties as shown in Fig. 9, and the inkjet head of the 3D printer was filled with the material jetting method. Next, 3D modeling data was input to the 3D printer, and a liver model, which is a three-dimensional model having a distribution of strength properties corresponding to the distribution of biological properties, was modeled based on the 3D modeling data. Specifically, each modeling composition was sprayed from the inkjet head, and the liquid film formation and hardening were repeated in sequence to model the liver model.
10 造形装置
11 ハイドロゲル立体造形用組成物噴射ヘッドユニット
12 支持体造形用組成物噴射ヘッドユニット
13 紫外線照射機
14 造形体支持基板
15 ステージ
16 平滑化部材
17 立体造形物(ハイドロゲル)
18 支持体(サポート材)
REFERENCE SIGNS LIST 10 Modeling device 11 Hydrogel three-dimensional modeling composition jetting head unit 12 Support body modeling composition jetting head unit 13 Ultraviolet irradiator 14 Modeling body support substrate 15 Stage 16 Smoothing member 17 Three-dimensional model (hydrogel)
18 Support (support material)
Claims (4)
前記医用3Dデータは、前記生体を医用画像撮影装置で撮影することにより取得される医用画像データと、前記生体をMRE測定することにより取得される生体物性と、に基づいて作成され、
前記臓器モデルは、前記生体物性の分布に対応する強度物性の分布を有し、
前記臓器モデルを構成する材料としてハイドロゲルを含有し、
造形された前記臓器モデルをMRE測定することによって取得された臓器モデル物性の前記生体物性に対する差異を評価する工程を有する、
ことを特徴とする造形方法。 A modeling method including a modeling step of modeling an organ model using a 3D printer based on medical 3D data of a living body,
The medical 3D data is created based on medical image data acquired by photographing the living body with a medical image photographing device and biological properties acquired by measuring the living body by MRE,
the organ model has a distribution of intensity properties corresponding to the distribution of the biological properties,
The organ model contains a hydrogel as a material constituting the organ model,
A step of evaluating a difference between the physical properties of the organ model obtained by subjecting the shaped organ model to MRE measurement and the physical properties of the living body,
A molding method comprising:
The modeling method according to claim 1 , wherein the biological property and the strength property are viscoelasticity.
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