JP7739769B2 - Organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid, hydrogel modeled object, and method for manufacturing hydrogel modeled object - Google Patents
Organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid, hydrogel modeled object, and method for manufacturing hydrogel modeled objectInfo
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Description
本発明は、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液、有機無機複合ハイドロゲル、ハイドロゲル造形物、及びハイドロゲル造形物の製造方法に関する。 The present invention relates to an organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid, an organic-inorganic composite hydrogel, a hydrogel modeled object, and a method for manufacturing a hydrogel modeled object.
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、又は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。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医療用臓器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。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医療用臓器モデルを作製できれば、綿密な術前シミュレーションを行うことが可能になる。 In recent years, advances in the development of medical devices have led to a shift away from traditional medical treatments that involve large incisions and removal to minimally invasive treatments that place less strain on patients, such as those using catheters, endoscopes, or robotic assistance. Surgical operations using these medical devices require highly advanced techniques and expertise, and the importance of surgical training using appropriate medical organ models is recognized from the perspective of preventing medical accidents. Furthermore, for difficult surgeries with few actual cases, if medical organ models that reproduce the details of the target area can be created in advance, it will be possible to perform detailed preoperative simulations.
このような医療用臓器モデルとしては、例えば、三次元(3D)プリンターで作製されたアクリル系樹脂モデル又はウレタン系樹脂モデル、あるいは鋳型による注型法で作製したシリコーン樹脂モデルなどが用いられている。しかし、上記樹脂製の医療用臓器モデルは樹脂が固いため、縫合及び電気メス等の電気エネルギーデバイスによる切開といった実際の手技操作に適用できないという問題がある。
また、寒天やコンニャク等の天然食物由来のハイドロゲルは電気メスで切開可能であるが、任意の形状に立体造形することが難しく、強度が非常に弱いことから電気メスによる切開の感覚及び縫合操作が正確に再現できないという問題がある。
Examples of such medical organ models include acrylic resin models or urethane resin models made with a three-dimensional (3D) printer, or silicone resin models made by a casting method using a mold. However, the resin medical organ models described above have the problem that they cannot be used for actual procedures such as suturing and incision using an electric energy device such as an electric scalpel because the resin is hard.
Furthermore, although hydrogels derived from natural foods such as agar and konjac can be cut with an electric scalpel, they are difficult to mold into any desired three-dimensional shape, and because they have very low strength, the sensation of cutting with an electric scalpel and the suturing operation cannot be accurately reproduced.
そこで、前記問題点を解決するため、例えば、無機鉱物と、ホスホン酸化合物と、ポリマーとを含むハイドロゲル造形体が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 To solve these problems, a hydrogel modeling object containing, for example, an inorganic mineral, a phosphonic acid compound, and a polymer has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
本発明は、優れた圧縮応力及び破断限界を有し、縫合及び電気メス等の電気エネルギーデバイスによる切開が可能なハイドロゲル造形物を造形することができる有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide an organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid that has excellent compressive stress and breaking limit, and can be used to create hydrogel-modeled objects that can be sutured or cut using electrical energy devices such as electric scalpels.
前記課題を解決するための手段としての本発明の有機無機複合ハイドロゲル前駆体液は、金属酸化物と、モノマーと、塩と、キレート剤と、水とを含む。 The organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid of the present invention, which serves as a means for solving the above problems, contains a metal oxide, a monomer, a salt, a chelating agent, and water.
本発明によると、優れた圧縮応力及び破断限界を有し、縫合及び電気メス等の電気エネルギーデバイスによる切開が可能なハイドロゲル造形物を造形することができる有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を提供することができる。 The present invention provides an organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid that has excellent compressive stress and breaking limit, and can be used to create hydrogel-modeled objects that can be sutured or cut using electrical energy devices such as electric scalpels.
(有機無機複合ハイドロゲル前駆体液)
本発明の有機無機複合ハイドロゲル前駆体液は、金属酸化物と、モノマーと、塩と、キレート剤と、水とを含み、更に必要に応じてその他の成分を含む。
(Organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid)
The organic-inorganic composite hydrogel liquid precursor of the present invention contains a metal oxide, a monomer, a salt, a chelating agent, and water, and may further contain other components as required.
一般的に用いられるアクリル系樹脂モデル又はウレタン系樹脂モデル、あるいは鋳型による注型法で作製したシリコーン樹脂モデルなどは電気伝導性がなく、電気メスなどのエネルギーデバイスによる切開はできないという問題がある。また、モノマー、水、鉱物、及びホスホン酸を含むハイドロゲル前駆体液を用いて造形したハイドロゲル造形物は電気伝導性が低く、電気メスなどのエネルギーデバイスの切開中に炭化物等が付着し、切断性が悪いという問題がある。 Commonly used acrylic resin models or urethane resin models, as well as silicone resin models made by casting using a mold, have the problem of lacking electrical conductivity and being unable to be cut with energy devices such as electric scalpels. Furthermore, hydrogel objects made using a hydrogel precursor liquid containing monomers, water, minerals, and phosphonic acid have low electrical conductivity, and carbonized materials and other materials tend to adhere during cutting with energy devices such as electric scalpels, resulting in poor cuttability.
本発明においては、金属酸化物と、モノマーと、塩と、キレート剤と、水とを含む有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を用いることにより、優れた圧縮応力及び破断限界を有し、縫合及び電気メス等の電気エネルギーデバイスによる切開が可能なハイドロゲル造形物を造形することができる。また、本発明の有機無機複合ハイドロゲル前駆体液は、低粘度に調製することが可能であるため、各種ハイドロゲル造形物の造形用液体として好適に用いることができる。 In the present invention, by using an organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid containing a metal oxide, a monomer, a salt, a chelating agent, and water, it is possible to fabricate a hydrogel-modeled object that has excellent compressive stress and breaking limit and can be sutured or cut using an electrical energy device such as an electric scalpel. Furthermore, because the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid of the present invention can be prepared to have a low viscosity, it can be suitably used as a modeling liquid for various hydrogel-modeled objects.
<モノマー>
モノマーとしては、重合性モノマーが好適に用いられる。重合性モノマーとしては、単官能モノマー、2官能又は3官能以上の多官能モノマーなどが挙げられる。本発明のハイドロゲル立体造形用組成物に含まれるモノマーは、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。
<Monomer>
The monomer is preferably a polymerizable monomer. Examples of the polymerizable monomer include monofunctional monomers and polyfunctional monomers having two or more functional groups. The monomers contained in the hydrogel 3D modeling composition of the present invention may be used alone or in combination of two or more types.
-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、メタクリルアミド、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等の(メタ)アクリルアミド誘導体、その他の単官能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。
(メタ)アクリルアミド誘導体としては、例えば、N,N-ジメチル(メタ)アクリルアミド、N-イソプロピル(メタ)アクリルアミド、N-メチロール(メタ)アクリルアミド、(メタ)アクリロイルモルホリン、メチレンビス(メタ)アクリルアミドなどが挙げられる。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、N,N-ジメチルアクリルアミド、メチレンビスアクリルアミドが好ましい。
- Monofunctional monomer -
Examples of monofunctional monomers include (meth)acrylamide derivatives such as acrylamide, methacrylamide, N-substituted acrylamide derivatives, N,N-disubstituted acrylamide derivatives, N-substituted methacrylamide derivatives, and N,N-disubstituted methacrylamide derivatives, as well as other monofunctional monomers. These may be used alone or in combination of two or more.
Examples of (meth)acrylamide derivatives include N,N-dimethyl(meth)acrylamide, N-isopropyl(meth)acrylamide, N-methylol(meth)acrylamide, (meth)acryloylmorpholine, and methylenebis(meth)acrylamide. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, N,N-dimethylacrylamide and methylenebisacrylamide are preferred.
その他の単官能モノマーとしては、例えば、アクリレート、アルキルアクリレート、メタクリレート、アルキルメタクリレートなどが挙げられる。
アクリレートとしては、例えば、ヒドロキシエチルアクリレート、ヒドロキシプロピルアクリレート、ジメチルアミノエチルアクリレート、ジメチルアミノプロピルアクリレート、アルキルアクリレートなどが挙げられる。
アルキルアクリレートとしては、例えば、メチルアクリレート、エチルアクリレート、ブチルアクリレート、2-エチルヘキシルアクリレートラウリルアクリレートなどが挙げられる。
メタクリレートとしては、例えば、ヒドロキシエチルメタクリレート、ヒドロキシプロピルメタクリレート、ジメチルアミノエチルメタクリレート、ジメチルアミノプロピルメタクリレート、アルキルメタクリレートなどが挙げられる。
アルキルメタクリレートとしては、例えば、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、ブチルメタクリレート、ラウリルメタクリレート、ステアリルメタクリレート、グリシジルメタクリレートなどが挙げられる。
更に、その他の単官能モノマーとしては、例えば、2-エチルヘキシル(メタ)アクリレート(EHA)、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート(HEA)、2-ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート(HPA)、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、イソボニル(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。
Other monofunctional monomers include, for example, acrylate, alkyl acrylate, methacrylate, and alkyl methacrylate.
Examples of the acrylate include hydroxyethyl acrylate, hydroxypropyl acrylate, dimethylaminoethyl acrylate, dimethylaminopropyl acrylate, and alkyl acrylate.
Examples of alkyl acrylates include methyl acrylate, ethyl acrylate, butyl acrylate, 2-ethylhexyl acrylate, and lauryl acrylate.
Examples of methacrylates include hydroxyethyl methacrylate, hydroxypropyl methacrylate, dimethylaminoethyl methacrylate, dimethylaminopropyl methacrylate, and alkyl methacrylates.
Examples of alkyl methacrylates include methyl methacrylate, ethyl methacrylate, butyl methacrylate, lauryl methacrylate, stearyl methacrylate, and glycidyl methacrylate.
Further, other monofunctional monomers include, for example, 2-ethylhexyl (meth)acrylate (EHA), 2-hydroxyethyl (meth)acrylate (HEA), 2-hydroxypropyl (meth)acrylate (HPA), caprolactone-modified tetrahydrofurfuryl (meth)acrylate, isobornyl (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, ethoxylated nonylphenol (meth)acrylate, etc. These may be used alone or in combination of two or more.
-多官能モノマー-
多官能モノマーとしては、二官能のモノマー又は三官能以上のモノマーが挙げられる。
二官能のモノマーとしては、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(MANDA)、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(HPNDA)、1,3-ブタンジオールジ(メタ)アクリレート(BGDA)、1,4-ブタンジオールジ(メタ)アクリレート(BUDA)、1,6-ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート(HDDA)、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(DEGDA)、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート(NPGDA)、トリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート(TPGDA)、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。
- Polyfunctional Monomer -
The polyfunctional monomer may be a difunctional monomer or a trifunctional or higher functional monomer.
Examples of bifunctional monomers 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 (MANDA), hydroxypivalic acid neopentyl glycol ester di(meth)acrylate (HPNDA), 1,3-butanediol di(meth)acrylate (BGDA), 1,4-butanediol di(meth)acrylate (BUDA), and 1,6-hexanediol di(meth)acrylate. Examples of suitable di(meth)acrylates include diethylene glycol di(meth)acrylate (HDDA), 1,9-nonanediol di(meth)acrylate, diethylene glycol di(meth)acrylate (DEGDA), neopentyl glycol di(meth)acrylate (NPGDA), tripropylene glycol di(meth)acrylate (TPGDA), 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.
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(TMPTA)、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート(PETA)、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート(DPHA)、トリアリルイソシアネート、ε-カプロラクトン変性ジペンタエリスリトールの(メタ)アクリレート、トリス(2ーヒドロキシエチル)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。 Examples of trifunctional or higher functional monomers include trimethylolpropane tri(meth)acrylate (TMPTA), pentaerythritol tri(meth)acrylate (PETA), dipentaerythritol hexa(meth)acrylate (DPHA), triallyl isocyanate, (meth)acrylate of ε-caprolactone-modified dipentaerythritol, tris(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, and penta(meth)acrylate esters. These may be used alone or in combination of two or more.
モノマーの含有量は、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の全量に対して、0.5質量%以上50質量%以下が好ましく、20質量%以上40質量%以下がより好ましい。5質量%以上50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の鉱物の分散安定性が向上する。
モノマーは、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。
モノマーは、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。本発明において「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 content of the monomer is preferably 0.5% by mass to 50% by mass, more preferably 20% by mass to 40% by mass, based on the total amount of the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid. By setting the content to 5% by mass to 50% by mass, the dispersion stability of the mineral in the hydrogel 3D modeling composition is improved.
The monomer is preferably water-soluble. Water-soluble means that, for example, when 100 g of water at 30° C. and 1 g of the monomer are mixed and stirred, 90 mass % or more of the monomer is dissolved.
The monomer is preferably a compound having a photopolymerizable functional group. In the present invention, the term "polymerizable functional group" refers to a functional group that undergoes a polymerization reaction upon irradiation with active energy rays or the addition of heat, and the term "photopolymerizable functional group" particularly refers to a functional group that undergoes a polymerization reaction upon irradiation with active energy rays. Examples of the photopolymerizable functional group 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 compounds having a (meth)acrylamide group, (meth)acrylate compounds, compounds having a (meth)acryloyl group, compounds having a vinyl group, and compounds having an allyl group.
<金属酸化物>
前記ハイドロゲル前駆体液には水に分散可能な金属酸化物を添加することができる。これにより、優れた圧縮応力及び破断限界を有し、より実際の臓器に近い力学特性を持つハイドロゲル造形物が得られる。
前記水に分散可能な金属酸化物としては、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、金属酸化物微粒子、層状鉱物などが挙げられる。
金属酸化物微粒子としては、例えば、SiO2、TiO2、ZnO、ZrO2、CeO2、Co(OH)2等の金属酸化物微粒子;SiO2-TiO2、ZrO2-CeO2、Fe/MnOx、Ni/MnOx、Co/MnOx、Cu/NiOx等の複合金属酸化物微粒子などが挙げられる。
金属酸化物微粒子の体積平均粒子径としては、1nm以上1,000nm以下が好ましく、10nm以上500nm以下がより好ましい。
<Metal oxides>
The hydrogel liquid precursor may contain a water-dispersible metal oxide, which allows for the production of a hydrogel modeled object with excellent compressive stress and rupture limit, and mechanical properties closer to those of a real organ.
The water-dispersible metal oxide is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples thereof include metal oxide fine particles and layered minerals.
Examples of metal oxide fine particles include metal oxide fine particles such as SiO 2 , TiO 2 , ZnO, ZrO 2 , CeO 2 , and Co(OH) 2 ; and composite metal oxide fine particles such as SiO 2 —TiO 2 , ZrO 2 —CeO 2 , Fe/MnO x , Ni/MnO x , Co/MnO x , and Cu/NiO x .
The volume average particle size of the metal oxide fine particles is preferably 1 nm or more and 1,000 nm or less, and more preferably 10 nm or more and 500 nm or less.
層状鉱物としては、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、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。
前記水膨潤性とは、層状鉱物の層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。
前記水膨潤性層状粘土鉱物としては、前記例示したものを、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよく、また、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。
前記市販品としては、例えば、合成ヘクトライト(ラポナイトXLG、RockWood社製)、合成ヘクトライト(ラポナイトRD、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、合成ヘクトライトが好ましい。
The layered mineral is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose, and examples thereof include water-swellable layered clay minerals.
Examples of water-swellable layered clay minerals include water-swellable smectite, water-swellable mica, etc. More specifically, water-swellable hectorite, water-swellable montmorillonite, water-swellable saponite, water-swellable synthetic mica, etc., which contain sodium as an interlayer ion.
The water swelling property means that water molecules are inserted between the layers of the layered mineral and the mineral is dispersed in water.
As the water-swellable layered clay mineral, the above-mentioned examples may be used alone or in combination of two or more kinds, and may be suitably synthesized or may be a commercially available product.
Examples of commercially available products include synthetic hectorite (Laponite XLG, manufactured by RockWood), synthetic hectorite (Laponite RD, manufactured by RockWood), SWN (manufactured by Coop Chemical Ltd.), and fluorinated hectorite SWF (manufactured by Coop Chemical Ltd.). Of these, synthetic hectorite is preferred.
金属酸化物の含有量は、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の全量に対して、10質量%以下が好ましく、1質量%以上10質量%以下がより好ましく、1質量%以上5質量%以下が更に好ましい。
金属酸化物の含有量が10質量%以下であると、優れた圧縮応力及び破断限界を有し、縫合及び電気メス等の電気エネルギーデバイスによる切開が可能なハイドロゲル造形物を造形することができる。
The content of the metal oxide is preferably 10% by mass or less, more preferably 1% by mass to 10% by mass, and even more preferably 1% by mass to 5% by mass, based on the total amount of the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid.
When the metal oxide content is 10% by mass or less, it is possible to form a hydrogel-modeled object that has excellent compressive stress and rupture limit and can be sutured or cut with an electric energy device such as an electric scalpel.
<塩>
塩は、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を用いて造形したハイドロゲル造形物に電気導電性を付与することができる化合物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、例えば、無機塩、有機塩などが挙げられる。
無機塩としては、例えば、硝酸カリウム(KNO3)、塩化カリウム(KCl)、硫酸カリウム(K2SO4)、塩化ナトリウム(NaCl)、塩化鉄(III)6水和物などが挙げられる。
有機塩としては、例えば、酢酸ナトリウム、メチルアミン塩酸塩、アニリン塩酸塩などが挙げられる。
塩の含有量は、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の全量に対して、1質量%以上20質量%以下が好ましく、1質量%以上10質量%以下がより好ましい。
塩の含有量が1質量%以上20質量%以下であると、優れた圧縮応力及び破断限界を有し、縫合及び電気メス等の電気エネルギーデバイスによる切開が可能なハイドロゲル造形物を造形することができる。
<Salt>
The salt is not particularly limited as long as it is a compound that can impart electrical conductivity to a hydrogel object formed using the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid, and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples of the salt include inorganic salts and organic salts.
Examples of inorganic salts include potassium nitrate (KNO 3 ), potassium chloride (KCl), potassium sulfate (K 2 SO 4 ), sodium chloride (NaCl), and iron (III) chloride hexahydrate.
Examples of organic salts include sodium acetate, methylamine hydrochloride, and aniline hydrochloride.
The salt content is preferably 1% by mass or more and 20% by mass or less, and more preferably 1% by mass or more and 10% by mass or less, based on the total amount of the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid.
When the salt content is from 1% by mass to 20% by mass, it is possible to form a hydrogel-modeled object that has excellent compressive stress and rupture limit and can be sutured or cut with an electric energy device such as an electric scalpel.
<水>
水を含むことにより、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を用いて造形したハイドロゲル造形物とすることができる。
水としては、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、イオン交換水、限外濾過水、逆浸透水、蒸留水等の純水、超純水などが挙げられる。
水は、保湿性付与、抗菌性付与、導電性付与、硬度調整等の目的に応じて、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。
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、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の全量に対して、30質量%以上が好ましく、40質量%以上がより好ましく、50.0質量%以上であることが更に好ましい。また、90質量%以下が好ましく、80質量%以下がより好ましい。
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。
<Water>
By including water, a hydrogel-modeled object can be formed using the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid.
The water is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples include pure water such as ion-exchanged water, ultrafiltered water, reverse osmosis water, and distilled water, and ultrapure water.
Other components such as organic solvents may be dissolved or dispersed in the water depending on the purpose, such as imparting moisture retention, antibacterial properties, electrical conductivity, or adjusting hardness.
The water content can be appropriately selected depending on the purpose, but is preferably 30% by mass or more, more preferably 40% by mass or more, and even more preferably 50.0% by mass or more, based on the total amount of the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid, and is preferably 90% by mass or less, and more preferably 80% by mass or less.
In addition, other components such as organic solvents may be dissolved or dispersed in the water depending on the purpose, such as imparting moisture retention, antibacterial properties, electrical conductivity, or adjusting hardness.
<キレート剤>
前記キレート剤としては、キレート作用を有する化合物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、例えば、アミノカルボン酸系キレート剤、キレート金属塩、カルボン酸系キレート剤などが挙げられる。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。
<Chelating agent>
The chelating agent is not particularly limited as long as it is a compound having a chelating effect and can be appropriately selected depending on the purpose, and examples thereof include aminocarboxylic acid chelating agents, chelating metal salts, carboxylic acid chelating agents, etc. These may be used alone or in combination of two or more.
前記アミノカルボン酸系キレート剤としては、例えば、エチレンジアミン四酢酸(EDTA)、ニトリロ三酢酸(NTA)、ジエチレントリアミン五酢酸(DTPA)、トリエチレンテトラアミン六酢酸(TTHA)、1,2-ジアミノプロパン-N,N,N’,N’-四酢酸(PDTA)、N-(2-ヒドロキシエチル)エチレンジアミン-N,N’,N’-三酢酸(HEDTA)、エチレンジアミン-N,N’-ジコハク酸(EDDS)、ジヒドロキシエチルグリシン(DHEG)、1,3-ジアミノ-2-プロパノール-N,N,N’,N’-四酢酸(DPTA-OH)、ヒドロキシイミノ二酢酸(HIDA)、エチレングリコールビス(β-アミノエチルエーテル)-N,N,N’,N’-四酢酸(GEDTA)、ジカルボキシメチルグルタミン酸(CMGA)、N,N,N’,N’-テトラメチルエチレンジアミン、フィチン酸などが挙げられる。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。 Examples of the aminocarboxylic acid chelating agent include ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), nitrilotriacetic acid (NTA), diethylenetriaminepentaacetic acid (DTPA), triethylenetetraaminehexaacetic acid (TTHA), 1,2-diaminopropane-N,N,N',N'-tetraacetic acid (PDTA), N-(2-hydroxyethyl)ethylenediamine-N,N',N'-triacetic acid (HEDTA), ethylenediamine-N,N'-disuccinic acid ( Examples include EDDS), dihydroxyethylglycine (DHEG), 1,3-diamino-2-propanol-N,N,N',N'-tetraacetic acid (DPTA-OH), hydroxyiminodiacetic acid (HIDA), ethylene glycol bis(β-aminoethyl ether)-N,N,N',N'-tetraacetic acid (GEDTA), dicarboxymethylglutamic acid (CMGA), N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine, and phytic acid. These may be used alone or in combination of two or more.
前記キレート金属塩としては、例えば、エチレンジアミン四酢酸金属塩、ジエチレントリアミン五酢酸金属塩などが挙げられる。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。 Examples of the chelate metal salt include metal salts of ethylenediaminetetraacetic acid and metal salts of diethylenetriaminepentaacetic acid. These may be used alone or in combination of two or more.
前記カルボン酸系キレート剤としては、例えば、グルコン酸、コハク酸、クエン酸などが挙げられる。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。キレート剤を含むことで、金属酸化物の分散を安定化させ、有機無機ハイドロゲル前駆体液のゲル化を抑制することができる。 Examples of the carboxylic acid-based chelating agent include gluconic acid, succinic acid, and citric acid. These may be used alone or in combination of two or more. The inclusion of a chelating agent stabilizes the dispersion of the metal oxide and inhibits gelation of the organic/inorganic hydrogel precursor liquid.
前記キレート剤の含有量は、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の全量に対して、0.1質量%以上5質量%以下が好ましく、0.1質量%以上2質量%以下がより好ましい。 The content of the chelating agent is preferably 0.1% by mass or more and 5% by mass or less, and more preferably 0.1% by mass or more and 2% by mass or less, relative to the total amount of the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid.
<その他の成分>
その他の成分としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、安定化剤、表面処理剤、重合開始剤、色材、粘度調整剤、接着性付与剤、酸化防止剤、老化防止剤、架橋促進剤、紫外線吸収剤、可塑剤、防腐剤、分散剤、pH調整剤などが挙げられる。
<Other ingredients>
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 accelerators, ultraviolet absorbers, plasticizers, preservatives, dispersants, and pH adjusters.
-安定化剤-
安定化剤は、液体としての特性を安定化するために必要に応じて用いられる。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。
-Stabilizer-
A stabilizer may be used as needed to stabilize the liquid properties, and examples of the stabilizer include high-concentration phosphates, glycols, and nonionic surfactants.
-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。
-Surface treatment agent-
Examples of the surface treatment agent include polyester resin, polyvinyl acetate resin, silicone resin, coumarone resin, fatty acid ester, glyceride, wax, and the like.
-重合開始剤-
重合開始剤としては、熱重合開始剤、光重合開始剤などが挙げられる。光造形法の場合は光重合開始剤が用いられ、型造形法の場合は熱重合開始剤と光重合開始剤とを共に用いることができる。
- Polymerization initiator -
Examples of the polymerization initiator include a thermal polymerization initiator, a photopolymerization initiator, etc. In the case of a stereolithography method, a photopolymerization initiator is used, and in the case of a mold molding method, both a thermal polymerization initiator and a photopolymerization initiator can be used.
光重合開始剤としては、光、特に波長220nm乃至500nm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。
光重合開始剤としては、例えば、アセトフェノン、2,2-ジエトキシアセトフェノン、p-ジメチルアミノアセトフェノン、ベンゾフェノン、2-クロロベンゾフェノン、p,p’-ジクロロベンゾフェノン、p,p-ビスジエチルアミノベンゾフェノン、ミヒラーケトン、ベンジル、ベンゾイン、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾインイソプロピルエーテル、ベンゾイン-n-プロピルエーテル、ベンゾインイソブチルエーテル、ベンゾイン-n-ブチルエーテル、ベンジルメチルケタール、チオキサントン、2-クロロチオキサントン、2-ヒドロキシ-2-メチル-1-フェニル-1-オン、1-(4-イソプロピルフェニル)2-ヒドロキシ-2-メチルプロパン-1-オン、メチルベンゾイルフォーメート、1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、アゾビスイソブチロニトリル、ベンゾイルペルオキシド、ジ-tert-ブチルペルオキシドなどが挙げられる。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。
As the photopolymerization initiator, any substance that generates radicals when irradiated with light, particularly ultraviolet light having a wavelength of 220 nm to 500 nm, can be used.
Examples of photopolymerization initiators include acetophenone, 2,2-diethoxyacetophenone, p-dimethylaminoacetophenone, benzophenone, 2-chlorobenzophenone, p,p'-dichlorobenzophenone, p,p-bisdiethylaminobenzophenone, Michler's ketone, benzil, benzoin, benzoin methyl ether, benzoin ethyl ether, benzoin isopropyl ether, benzoin-n-propyl ether, benzoin isobutyl ether, benzoin-n-butyl ether, benzyl methyl ketal, thioxanthone, 2-chlorothioxanthone, 2-hydroxy-2-methyl-1-phenyl-1-one, 1-(4-isopropylphenyl)2-hydroxy-2-methylpropan-1-one, methylbenzoyl formate, 1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone, azobisisobutyronitrile, benzoyl peroxide, and di-tert-butyl peroxide. These may be used alone or in combination of two or more.
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。 There are no particular restrictions on the thermal polymerization initiator and it can be selected appropriately depending on the purpose. Examples include azo initiators, peroxide initiators, persulfate initiators, and redox (oxidation-reduction) initiators.
アゾ系開始剤としては、市販品を用いることができ、該市販品としては、例えば、VA-044、VA-46B、V-50、VA-057、VA-061、VA-067、VA-086、2,2’-アゾビス(4-メトキシ-2,4-ジメチルバレロニトリル)(VAZO 33)、2,2’-アゾビス(2-アミジノプロパン)二塩酸塩(VAZO 50)、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)(VAZO 52)、2,2’-アゾビス(イソブチロニトリル)(VAZO 64)、2,2’-アゾビス-2-メチルブチロニトリル(VAZO 67)、1,1-アゾビス(1-シクロヘキサンカルボニトリル)(VAZO 88)(いずれも、DuPont Chemical社から入手可能、なお、「VAZO」は商標である。)、2,2’-アゾビス(2-シクロプロピルプロピオニトリル)、2,2’-アゾビス(メチルイソブチレ-ト)(V-601)(和光純薬工業株式会社より入手可能)などが挙げられる。 Commercially available azo initiators can be used, such as VA-044, VA-46B, V-50, VA-057, VA-061, VA-067, VA-086, 2,2'-azobis(4-methoxy-2,4-dimethylvaleronitrile) (VAZO 33), 2,2'-azobis(2-amidinopropane) dihydrochloride (VAZO 50), 2,2'-azobis(2,4-dimethylvaleronitrile) (VAZO 52), 2,2'-azobis(isobutyronitrile) (VAZO 64), 2,2'-azobis-2-methylbutyronitrile (VAZO 67), and 1,1-azobis(1-cyclohexanecarbonitrile) (VAZO 88) (all available from DuPont). (Available from the Chemical Company of America; "VAZO" is a trademark.), 2,2'-azobis(2-cyclopropylpropionitrile), 2,2'-azobis(methyl isobutyrate) (V-601) (available from Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), etc.
過酸化物開始剤としては、例えば、過酸化ベンゾイル、過酸化アセチル、過酸化ラウロイル、過酸化デカノイル、ジセチルパーオキシジカーボネート、ジ(4-t-ブチルシクロヘキシル)パーオキシジカーボネート(Perkadox 16S)(Akzo Nobel社から入手可能、なお「Perkadox」は商標である。)、ジ(2-エチルヘキシル)パーオキシジカーボネート、t-ブチルパーオキシピバレート(Lupersol 11)(Elf Atochem社から入手可能、なお、「Lupersol」は商標である。)、t-ブチルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート(Trigonox 21-C50)(Akzo Nobel社から入手可能、なお、「Trigonox」は商標である)、過酸化ジクミルなどが挙げられる。 Examples of peroxide initiators include benzoyl peroxide, acetyl peroxide, lauroyl peroxide, decanoyl peroxide, dicetyl peroxydicarbonate, di(4-t-butylcyclohexyl)peroxydicarbonate (Perkadox 16S) (available from Akzo Nobel, where "Perkadox" is a trademark), di(2-ethylhexyl)peroxydicarbonate, t-butyl peroxypivalate (Lupersol 11) (available from Elf Atochem, where "Lupersol" is a trademark), t-butylperoxy-2-ethylhexanoate (Trigonox 21-C50) (available from Akzo Nobel, where "Trigonox" is a trademark), and dicumyl peroxide.
過硫酸塩開始剤としては、例えば、過硫酸カリウム、過硫酸ナトリウム、過硫酸アンモニウムなどが挙げられる。
レドックス(酸化還元)開始剤としては、例えば、過硫酸塩開始剤と、メタ亜硫酸水素ナトリウム、亜硫酸水素ナトリウムのような還元剤との組み合わせ、有機過酸化物と第3級アミンに基づく系、例えば、過酸化ベンゾイルとジメチルアニリンに基づく系、有機ヒドロパーオキシドと遷移金属に基づく系、クメンヒドロパーオキシドとコバルトナフテートに基づく系などが挙げられる。
Examples of persulfate initiators include potassium persulfate, sodium persulfate, and ammonium persulfate.
Redox (oxidation-reduction) initiators include, for example, combinations of persulfate initiators with reducing agents such as sodium metabisulfite and sodium bisulfite, systems based on organic peroxides and tertiary amines, e.g., systems based on benzoyl peroxide and dimethylaniline, systems based on organic hydroperoxides and transition metals, and systems based on cumene hydroperoxide and cobalt naphthate.
-色材-
色材としては、例えば、ブラック、ホワイト、マゼンタ、シアン、イエロー、グリーン、オレンジ、金や銀等の光沢色などを付与する種々の顔料又は染料を用いることができる。
なお、マテリアルジェッティング方式に用いる場合、ブラック、シアン、マゼンタ、イエロー、及びホワイト等の各色のものを用いることで、フルカラーの造形物を造形することができる。
- Coloring materials -
As the coloring material, for example, various pigments or dyes that impart black, white, magenta, cyan, yellow, green, orange, or glossy colors such as gold or silver can be used.
When used in the material jetting method, full-color objects can be produced by using inks of various colors such as black, cyan, magenta, yellow, and white.
顔料としては、無機顔料又は有機顔料を使用することができる。
無機顔料としては、例えば、ファーネスブラック、ランプブラック、アセチレンブラック、チャネルブラック等のカーボンブラック(C.I.ピグメントブラック7)類、酸化鉄、酸化チタンを使用することができる。
有機顔料としては、例えば、不溶性アゾ顔料、縮合アゾ顔料、アゾレーキ、キレートアゾ顔料等のアゾ顔料、フタロシアニン顔料、ペリレン及びペリノン顔料、アントラキノン顔料、キナクリドン顔料、ジオキサン顔料、チオインジゴ顔料、イソインドリノン顔料、キノフタロン顔料等の多環式顔料、染料キレート(例えば、塩基性染料型キレート、酸性染料型キレート等)、染色レーキ(例えば、塩基性染料型レーキ、酸性染料型レーキ等)、ニトロ顔料、ニトロソ顔料、アニリンブラック、昼光蛍光顔料などが挙げられる。
また、顔料の分散性をより良好なものとするため、分散剤を更に含んでもよい。分散剤としては、特に限定されないが、例えば、高分子分散剤などの顔料分散物を調製するのに慣用されている分散剤が挙げられる。
As the pigment, inorganic or organic pigments can be used.
Examples of inorganic pigments that can be used include carbon blacks (C.I. Pigment Black 7) such as furnace black, lamp black, acetylene black, and channel black, iron oxide, and titanium oxide.
Examples of organic pigments include azo pigments such as insoluble azo pigments, condensed azo pigments, azo lakes, and chelate azo pigments; polycyclic pigments such as phthalocyanine pigments, perylene and perinone pigments, anthraquinone pigments, quinacridone pigments, dioxane pigments, thioindigo pigments, isoindolinone pigments, and quinophthalone pigments; dye chelates (e.g., basic dye chelates, acid dye chelates, etc.); dye lakes (e.g., basic dye lakes, acid dye lakes, etc.); nitro pigments, nitroso pigments, aniline black, and daylight fluorescent pigments.
Furthermore, in order to improve the dispersibility of the pigment, a dispersant may be further contained. The dispersant is not particularly limited, but examples thereof include dispersants commonly used in preparing pigment dispersions, such as polymer dispersants.
染料としては、例えば、酸性染料、直接染料、反応性染料、塩基性染料などが挙げられる。 Dyes include, for example, acid dyes, direct dyes, reactive dyes, and basic dyes.
色材の含有量は、特に制限はなく、所望の色濃度や有機無機複合ハイドロゲル前駆体液中における分散性等を考慮して適宜設定することができるが、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の全量に対して、0.1質量%以上20質量%以下が好ましい。 There are no particular restrictions on the amount of colorant contained, and it can be set appropriately taking into consideration the desired color density and dispersibility in the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid, but it is preferably 0.1% by mass or more and 20% by mass or less of the total amount of the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid.
本発明の有機無機複合ハイドロゲル前駆体液は、金属酸化物、モノマー、塩、水、及びキレート剤、更に必要に応じてその他の成分を用いて調製することができ、その調製方法及び条件について特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、上記各成分をボールミル、キティーミル、ディスクミル、ピンミル、ダイノーミルなどの分散機に投入し、混合することにより調製することができる。 The organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid of the present invention can be prepared using a metal oxide, a monomer, a salt, water, a chelating agent, and, if necessary, other components. There are no particular restrictions on the preparation method or conditions, which can be selected appropriately depending on the purpose. For example, it can be prepared by adding the above components to a dispersing machine such as a ball mill, Kitty mill, disc mill, pin mill, or Dyno mill and mixing them.
有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の粘度は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、マテリアルジェッティング法の場合は、25℃での粘度が3mPa・s以上40mPa・s以下が好ましく、5mPa・s以上30mPa・s以下がより好ましい。25℃での粘度が3mPa・s未満であると、造形の際に、吐出方向が曲がる、或いは吐出しないなど吐出が不安定になることがあり、40mPa・sを超えると、吐出しないことがある。また、インクジェットヘッドの温度を変更することにより、収容した有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の粘度をこれらの値に調整してもよい。 The viscosity of the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid is not particularly limited and can be selected appropriately depending on the purpose. However, in the case of the material jetting method, the viscosity at 25°C is preferably 3 mPa·s or more and 40 mPa·s or less, and more preferably 5 mPa·s or more and 30 mPa·s or less. If the viscosity at 25°C is less than 3 mPa·s, the ejection may become unstable during modeling, such as the ejection direction changing or no ejection at all. If the viscosity exceeds 40 mPa·s, ejection may not occur. The viscosity of the contained organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid may also be adjusted to these values by changing the temperature of the inkjet head.
ステレオリソグラフィー法の場合は、造形槽中の硬化物を安定に維持させる観点から、25℃での粘度が、50mPa・s以上が好ましく、100mPa・s以上がより好ましく、200mPa・s以上が更に好ましく、取扱い性の観点から、20,000mPa・s以下が好ましく、15,000mPa・s以下がより好ましく、12,000mPa・s以下がより更に好ましい。
なお、造形槽の温度を変更することで、収容した有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の粘度をこれらの値に調整してもよい。
In the case of stereolithography, from the viewpoint of stably maintaining the cured product in the modeling tank, the viscosity at 25°C is preferably 50 mPa·s or more, more preferably 100 mPa·s or more, and even more preferably 200 mPa·s or more, and from the viewpoint of handleability, the viscosity is preferably 20,000 mPa·s or less, more preferably 15,000 mPa·s or less, and even more preferably 12,000 mPa·s or less.
The viscosity of the contained organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid may be adjusted to these values by changing the temperature of the modeling tank.
型造形法の場合は、25℃における粘度が、3mPa・s以上1000mPa・s以下が好ましく、3mPa・s以上100mPa・s以下がより好ましい。25℃での粘度が、1000mPa・sを超えると、粘度が高いため型に注入する際のハンドリング性が低下する。 In the case of mold molding, the viscosity at 25°C is preferably 3 mPa·s or more and 1000 mPa·s or less, and more preferably 3 mPa·s or more and 100 mPa·s or less. If the viscosity at 25°C exceeds 1000 mPa·s, the high viscosity will reduce handling when pouring into a mold.
粘度は、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25℃の環境下で測定することができる。粘度は、例えば、モノマー、水に分散させる鉱物、又は異なる粘度の溶媒の混合により調整することができる。 The viscosity can be measured at 25°C using, for example, a rotational viscometer (VISCOMATE VM-150III, manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd.). The viscosity can be adjusted, for example, by mixing monomers, minerals dispersed in water, or solvents with different viscosities.
(有機無機複合ハイドロゲル)
本発明の有機無機複合ハイドロゲルは、金属酸化物と、ポリマーと、塩と、キレート剤と、水とを含み、更に必要に応じてその他の成分を含む。
ポリマーは、上記有機無機複合ハイドロゲル前駆体液におけるモノマーが重合してなるポリマーである。
金属酸化物、塩、キレート剤、水、及びその他の成分については、上記有機無機複合ハイドロゲル前駆体液における金属酸化物、塩、キレート剤、水、及びその他の成分と同様のものを用いることができる。
(organic-inorganic composite hydrogel)
The organic-inorganic composite hydrogel of the present invention contains a metal oxide, a polymer, a salt, a chelating agent, and water, and may further contain other components as required.
The polymer is a polymer obtained by polymerizing the monomer in the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid.
The metal oxide, salt, chelating agent, water, and other components may be the same as those in the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid.
本発明において「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。 In the present invention, the term "hydrogel" refers to a structure in which water is trapped within a three-dimensional network structure containing a polymer. When such a three-dimensional network structure is formed by combining a polymer and a mineral, it is particularly referred to as an "organic-inorganic composite hydrogel." Note that hydrogels contain water as their main component; specifically, the water content 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, of the total amount of the hydrogel.
(ハイドロゲル造形物の製造方法)
本発明のハイドロゲル造形物の製造方法は、本発明の有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を用いて、ハイドロゲル前駆体液膜を形成する液膜形成工程と、前記ハイドロゲル前駆体液膜を硬化して層を形成する液膜硬化工程と、を含み、更に必要に応じてその他の工程を含む。
前記液膜形成工程がインクジェット印刷法で行われることが好ましい。
(Method for manufacturing a hydrogel modeled object)
The method for producing a hydrogel modeled object of the present invention includes a liquid film formation step of forming a hydrogel precursor liquid film using the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid of the present invention, and a liquid film curing step of curing the hydrogel precursor liquid film to form a layer, and may further include other steps as necessary.
The liquid film forming step is preferably carried out by inkjet printing.
本発明のハイドロゲル造形物の製造方法は、本発明の有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を用いて、型に注入し、前記有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を硬化させた後、型を除去することによりハイドロゲル造形物を製造する。 The method for producing a hydrogel modeled object of the present invention involves injecting the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid of the present invention into a mold, allowing the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid to harden, and then removing the mold to produce a hydrogel modeled object.
本発明の有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を用いてハイドロゲル造形物を製造する方法としては、具体的には、以下の第1の形態から第3の形態が挙げられる。 Specific examples of methods for producing a hydrogel modeled object using the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid of the present invention include the following first to third methods.
<第1の形態のハイドロゲル造形物の製造方法>
第1の形態の製造方法は、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液膜を形成する液膜形成工程と、前記有機無機複合ハイドロゲル前駆体液膜を硬化して層を形成する液膜硬化工程と、を繰り返し、前記層を積層させてハイドロゲル造形物を形成し、更に必要に応じてその他の工程を含む。前記液膜形成工程は、インクジェット印刷法で行われることが好ましく、これを一般に「マテリアルジェッティング法」と呼ぶ。
第1の形態のハイドロゲルモデル造形物の製造方法は、ヘッドの個数を増やすことにより、着色インクや他の樹脂系材料を同時に造形できるため、カラー造形や樹脂系部材とのハイブリッド造形に対応できる。
第1の形態のハイドロゲルモデル造形物の製造方法においては、前記各工程を複数回繰り返すものである。前記繰り返し回数としては、造形するハイドロゲル造形物の大きさ、形状、構造などに応じて異なり一概には規定できないが、1層あたりの厚みが10μm~50μmの範囲であれば、精度よく、剥離することもなく造形することが可能であるため、造形するハイドロゲル造形物の高さ分だけ繰り返して積層することが好ましい。
<Method for producing a hydrogel modeled object according to the first embodiment>
The first embodiment of the manufacturing method comprises repeating a liquid film formation step of forming an organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid film and a liquid film curing step of curing the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid film to form a layer, and then laminating the layers to form a hydrogel-modeled object, and further includes other steps as necessary. The liquid film formation step is preferably performed by inkjet printing, which is generally referred to as a "material jetting method."
The first form of manufacturing method for a hydrogel model object can accommodate color modeling and hybrid modeling with resin-based components by increasing the number of heads, making it possible to simultaneously model colored inks and other resin-based materials.
In the first embodiment of the method for manufacturing a hydrogel model object, each of the steps is repeated multiple times. The number of repetitions cannot be generally determined as it varies depending on the size, shape, and structure of the hydrogel model object to be manufactured. However, it is preferable to repeat the steps multiple times to the height of the hydrogel model object to be manufactured, because a layer thickness in the range of 10 μm to 50 μm per layer allows for accurate manufacturing without peeling.
-液膜形成工程及び液膜形成手段-
液膜形成工程は、本発明の有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を付与して、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液膜を形成する工程であり、液膜形成手段により実施される。
- Liquid film forming process and liquid film forming means -
The liquid film forming step is a step of applying the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid of the present invention to form an organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid film, and is carried out by a liquid film forming means.
液膜形成手段としては、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、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。なお、これらの方式を実施するには公知の装置を好適に使用することができる。
これらの中でも、前記ディスペンサー方式は、液滴の定量性に優れるが、塗布面積が狭くなり、前記スプレー方式は、簡便に微細な吐出物を形成でき、塗布面積が広く、塗布性に優れるが、液滴の定量性が悪く、スプレー流による飛散が発生する。このため、本発明においては、前記インクジェット方式が特に好ましい。前記インクジェット方式は、前記スプレー方式に比べ、液滴の定量性がよく、前記ディスペンサー方式に比べ、塗布面積が広くできる利点があり、複雑な立体形状を精度よくかつ効率よく形成し得る点で好ましい。
The liquid film forming means is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose, and examples thereof include a dispenser method, a spray method, an inkjet method, etc. Note that known devices can be suitably used to implement these methods.
Among these, the dispenser method is excellent in droplet quantity but has a narrow coating area, while the spray method can easily form finely ejected material, has a wide coating area, and is excellent in coating ability but has poor droplet quantity and causes scattering due to the spray flow. For this reason, the inkjet method is particularly preferred in the present invention. The inkjet method has the advantages of better droplet quantity than the spray method, a wider coating area than the dispenser method, and is preferred in that it can form complex three-dimensional shapes with high precision and efficiency.
-液膜硬化工程及び液膜硬化手段-
液膜硬化工程は、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液膜を硬化して層を形成する工程であり、液膜硬化手段により実施される。
液膜硬化工程では、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液膜は活性エネルギー線を照射することにより硬化する。
活性エネルギー線としては、光が好ましく、特に波長220nm以上400nm以下の紫外線が好ましい。紫外線の他、電子線、α線、β線、γ線、X線等の、組成物中の重合性成分の重合反応を進める上で必要なエネルギーを付与できるものであればよく、特に限定されない。特に高エネルギーな光源を使用する場合には、重合開始剤を使用しなくても重合反応を進めることができる。また、紫外線照射の場合、環境保護の観点から水銀フリー化が強く望まれており、GaN系半導体紫外発光デバイスへの置き換えは産業的、環境的にも非常に有用である。更に、紫外線発光ダイオード(UV-LED)及び紫外線レーザダイオード(UV-LD)は小型、高寿命、高効率、低コストであり、紫外線光源として好ましい。
- Liquid film hardening process and liquid film hardening means -
The liquid film hardening step is a step of hardening the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid film to form a layer, and is carried out by a liquid film hardening means.
In the liquid film curing step, the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid film is cured by irradiating it with active energy rays.
As the active energy ray, light is preferred, and ultraviolet light with a wavelength of 220 nm or more and 400 nm or less is particularly preferred. In addition to ultraviolet light, electron beams, α-rays, β-rays, γ-rays, X-rays, and other light sources that can impart the energy necessary to promote the polymerization reaction of the polymerizable components in the composition are not particularly limited. When a particularly high-energy light source is used, the polymerization reaction can proceed without the use of a polymerization initiator. Furthermore, in the case of ultraviolet irradiation, mercury-free irradiation is strongly desired from the perspective of environmental protection, and replacement with GaN-based semiconductor ultraviolet light-emitting devices is extremely useful from both an industrial and environmental perspective. Furthermore, ultraviolet light-emitting diodes (UV-LEDs) and ultraviolet laser diodes (UV-LDs) are preferred as ultraviolet light sources due to their compact size, long life, high efficiency, and low cost.
「マテリアルジェッティング法」の立体造形物の製造装置としては市販品を用いることができる。市販のマテリアルジェッティング方式の立体造形物の製造装置としては、例えば、アジリスタ(株式会社キーエンス製)などが挙げられる。 Commercially available equipment can be used to manufacture three-dimensional objects using the "material jetting method." Examples of commercially available equipment for manufacturing three-dimensional objects using the material jetting method include the Agilista (manufactured by Keyence Corporation).
ここで、図1は、「マテリアルジェッティング法」の三次元プリンター10を示す。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て、造形体用液体材料噴射ヘッドユニット11から有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を、支持体用液体材料噴射ヘッドユニット12、12から支持体形成用液体材料を噴射する。隣接した紫外線照射機13、13で有機無機複合ハイドロゲル前駆体液及び支持体形成用液体材料を硬化しながら積層する。更に、三次元プリンター10は、造形体支持基板14と、平滑化部材16が含まれる。
液体材料噴射ヘッドユニット11、12及び紫外線照射機13と、ハイドロゲル造形物17及び支持体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。
三次元プリンター10では、紫外線照射機13、13は矢印A、Bいずれの方向に移動する際も使用し、その紫外線照射に伴って発生する熱により、積層された支持体形成用液体材料表面が平滑化され、結果としてハイドロゲル造形物の寸法安定性が向上できる。
造形終了後、図2に示すようにハイドロゲル造形物17と支持体18を水平方向に引っ張り剥離したところ、支持体18は一体として剥離され、ハイドロゲル造形物17を容易に取り出すことができる。
FIG. 1 shows a three-dimensional printer 10 that uses the "material jetting method." Using a head unit with an array of inkjet heads, an organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid is sprayed from a liquid material-jetting head unit 11 for forming a model, and a liquid material for forming a support is sprayed from liquid material-jetting head units 12, 12 for forming a support. The organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid and the liquid material for forming a support are layered while being cured by adjacent ultraviolet irradiators 13, 13. The three-dimensional printer 10 also includes a support substrate 14 for forming a model, and a smoothing member 16.
To maintain a constant gap between the liquid material jetting head units 11 and 12 and the ultraviolet irradiator 13 and the hydrogel model 17 and the support 18, the stage 15 is lowered according to the number of layers to be stacked.
In the three-dimensional printer 10, the ultraviolet irradiators 13, 13 are used when moving in either the direction of arrows A or B, and the heat generated by the ultraviolet irradiation smoothes the surface of the layered liquid material for forming the support, thereby improving the dimensional stability of the hydrogel object.
After the modeling was completed, the hydrogel model 17 and the support 18 were pulled horizontally to separate them, as shown in FIG. 2. The support 18 was separated as a single unit, and the hydrogel model 17 could be easily removed.
<第2の形態のハイドロゲル造形物の製造方法>
第2の形態のハイドロゲル造形物の製造方法としては、例えば、ステレオリソグラフィー法が挙げられる。
ステレオリソグラフィー法は有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を一層ずつ露光することにより、順次硬化させ積層させてハイドロゲル造形物を造形する。
この積層体の各層は、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の液面に光を照射することにより得られる。なお、液面は、リコーター等で均すことができる。このとき、光を選択的に照射すると、所望のパターンの断面を有する硬化物(断面硬化層)を得ることができる。
第2の形態のハイドロゲル造形物の製造方法は、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液に光を照射して、該有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の硬化物(断面硬化層)を形成し、この硬化物(断面硬化層)の上に、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を再度供給し、光を照射して、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の硬化物(断面硬化層)を更に形成し、以後、これを繰り返すことにより、複数の硬化物(断面硬化層)を積層し一体化してなるハイドロゲル造形物を得るものである。
<Method for producing a hydrogel modeled object according to the second embodiment>
The second embodiment of the method for producing a hydrogel modeled object may be, for example, a stereolithography method.
The stereolithography method involves exposing an organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid layer by layer, allowing it to cure and stack sequentially to form a hydrogel object.
Each layer of this laminate is obtained by irradiating the liquid surface of the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid with light. The liquid surface can be leveled using a recoater or the like. At this time, selective irradiation with light can produce a cured product (cross-sectional cured layer) with a cross-section of the desired pattern.
In the second embodiment of the method for producing a hydrogel-modeled object, the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid is irradiated with light to form a cured product (cross-sectional cured layer) of the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid, and then the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid is again supplied onto this cured product (cross-sectional cured layer) and irradiated with light to form a further cured product (cross-sectional cured layer) of the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid. By repeating this process, a hydrogel-modeled object is obtained in which a plurality of cured products (cross-sectional cured layers) are stacked and integrated.
有機無機複合ハイドロゲル前駆体液に光を選択的に照射する手段としては、特に制限されるものではなく、種々の手段を採用することができる。例えば、(a)レーザー光、又はレンズ、ミラー等を用いて得られた収束光等を走査させながら有機無機複合ハイドロゲル前駆体液に照射する手段、(b)所定のパターンの光透過部を有するマスクを用い、このマスクを介して非収束光を有機無機複合ハイドロゲル前駆体液に照射する手段、(c)多数の光ファイバーを束ねてなる導光部材を用い、この導光部材における所定のパターンに対応する光ファイバーを介して、光を有機無機複合ハイドロゲル前駆体液に照射する手段、(d)一定の領域毎に一括露光を繰り返し実行する手段、などを採用することができる。
また、上記(b)のマスクを用いる手段においては、マスクとして、液晶表示装置と同様の原理により、所定のパターンに従って、光透過領域と光不透過領域とよりなるマスク像を電気光学的に形成するものを用いることもできる。
The means for selectively irradiating the organic-inorganic composite hydrogel liquid precursor with light is not particularly limited, and various means can be employed, such as (a) a means for irradiating the organic-inorganic composite hydrogel liquid precursor with laser light or convergent light obtained using a lens, mirror, or the like while scanning the organic-inorganic composite hydrogel liquid precursor, (b) a means for using a mask having light-transmitting portions with a predetermined pattern and irradiating the organic-inorganic composite hydrogel liquid precursor with unconverged light through the mask, (c) a means for using a light-guiding member formed by bundling a large number of optical fibers and irradiating the organic-inorganic composite hydrogel liquid precursor with light through optical fibers corresponding to the predetermined pattern on the light-guiding member, and (d) a means for repeatedly performing batch exposure for each predetermined region.
In addition, in the means using a mask as described above in (b), a mask that electro-optically forms a mask image consisting of light-transmitting areas and light-non-transmitting areas according to a predetermined pattern can also be used, based on the same principle as a liquid crystal display device.
目的とするハイドロゲル造形物が、微細な部分を有するもの、又は高い寸法精度が要求されるものである場合には、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液に選択的に光を照射する手段として、スポット径の小さいレーザー光を走査する手段を採用することが好ましい。
なお、容器内に有機無機複合ハイドロゲル前駆体液が収容されている場合、光の照射面(例えば、収束光の走査平面)は、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の液面、透光性容器の器壁との接触面の何れであってもよい。有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の液面又は器壁との接触面を光の照射面とする場合には、容器の外部から直接又は器壁を介して光を照射することができる。
When the desired hydrogel object has minute features or requires high dimensional accuracy, it is preferable to employ a means for scanning with a laser beam having a small spot diameter as a means for selectively irradiating the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid with light.
When an organic-inorganic composite hydrogel liquid precursor is contained in a container, the surface to be irradiated with light (for example, the scanning plane of the convergent light) may be either the liquid surface of the organic-inorganic composite hydrogel liquid precursor or the surface in contact with the container wall of the light-transmitting container. When the liquid surface of the organic-inorganic composite hydrogel liquid precursor or the surface in contact with the container wall is used as the surface to be irradiated with light, the light can be irradiated directly from outside the container or through the container wall.
本発明のハイドロゲル造形物は、上述したように、光積層造形法等の光学的立体造形法により製造することができる。光学的立体造形法においては、通常、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の特定部分を硬化させた後、光の照射位置(照射面)を、既硬化部分から未硬化部分に連続的に又は段階的に移動させることにより、硬化部分を積層させて所望の立体形状とする。ここで、照射位置の移動は、種々の方法によって行うことができ、例えば、光源、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の収容容器、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の既硬化部分の何れかを移動させたり、収容容器に有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を追加供給したりする方法などが挙げられる。
ステレオリソグラフィー造形装置としては市販品を用いることができる。市販のステレオリソグラフィー造形装置としては、例えば、Form2(Formlabs社製)などが挙げられる。
As described above, the hydrogel-shaped object of the present invention can be produced by a photolithography method such as photo-assisted fabrication. In photolithography, a specific portion of an organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid is cured, and then the light irradiation position (irradiation surface) is moved continuously or stepwise from the cured portion to the uncured portion, thereby laminating the cured portions to form a desired three-dimensional shape. The irradiation position can be moved by various methods, such as moving the light source, the container containing the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid, or the cured portion of the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid, or adding additional organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid to the container.
A commercially available stereolithography modeling apparatus can be used, such as Form2 (manufactured by Formlabs).
<第3の形態のハイドロゲル造形物の製造方法>
第3の形態のハイドロゲル造形物の製造方法は、鋳型を用いた注型法が挙げられる。
本方法ではテンプレートとなる鋳型を作製する。鋳型の作製方法としては、マテリアルジェッティング法、ステレオリソグラフィー法、バインダージェット法、FDM法など、3Dプリンターを用いる事ができる。また、CNC切削加工を用いてもよい。
これらにより作製した鋳型の内部中空部分に有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を注入又は充填する。透過性を有する樹脂で鋳型を作製した場合は有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を光重合開始剤にてUV硬化型にすればUVランプにて簡易的に有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を硬化させることができる。
非透過性の樹脂で鋳型を形成した場合は、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を熱重合開始剤にて熱硬化型にすれば熱エネルギーにより有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を硬化させることができる。
これらの方法で有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を硬化した後、鋳型を剥離、又は破砕等により除去することでハイドロゲル造形物を取り出すことができる。
<Method for producing a hydrogel modeled object according to the third embodiment>
The third embodiment of the method for producing a hydrogel modeled object is a casting method using a mold.
This method involves fabricating a mold that serves as a template. The mold can be fabricated using a 3D printer, material jetting, stereolithography, binder jetting, FDM, or other methods. Alternatively, CNC cutting can be used.
The hollow interior of the mold thus prepared is then filled with the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid. If the mold is made of a transparent resin, the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid can be made UV-curable with a photopolymerization initiator, allowing the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid to be easily cured using a UV lamp.
When the mold is made of an impermeable resin, the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid can be hardened by thermal energy by making the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid a thermosetting type using a thermal polymerization initiator.
After the organic-inorganic composite hydrogel liquid precursor is hardened by these methods, the template can be removed by peeling or crushing, and the hydrogel modeled object can be taken out.
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。 Examples of the present invention are described below, but the present invention is not limited to these examples in any way.
(実施例1)
<有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の調製>
まず、純水74.5質量部を撹拌させながら、金属酸化物として[Mg5.34Li0.66Si8O20(OH)4]Na-
0.66の組成を有する合成ヘクトライト(ラポナイトRD、RockWood社製)1.4質量部を少しずつ添加し、更にエチドロン酸(1-ヒドロキシエタン-1,1-ジホスホン酸、東京化成工業株式会社製)0.1質量部を添加し、撹拌して分散液を調製した。
次に、得られた分散液に、重合性モノマーとして、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N,N-ジメチルアクリルアミド(富士フイルム和光純薬株式会社製)22.4質量部、メチレンビスアクリルアミド(東京化成工業株式会社製)0.2質量部を添加した。
次に、キレート剤としてN,N,N’,N’-テトラメチルエチレンジアミン(富士フイルム和光純薬株式会社製)0.1質量部を添加した。
次に、重合開始剤として過硫酸アンモニウム(富士フイルム和光純薬株式会社製)の10質量%水溶液0.3質量部を加え、撹拌した。
次に、塩としてNaCl(富士フイルム和光純薬株式会社製)1質量部を加え撹拌し、実施例1の有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を調製した。
Example 1
<Preparation of organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid>
First, 1.4 parts by mass of synthetic hectorite (Laponite RD, manufactured by Rockwood) having a composition of [ Mg5.34Li0.66Si8O20 (OH) 4 ]Na - 0.66 as a metal oxide was gradually added to 74.5 parts by mass of pure water while stirring, and then 0.1 parts by mass of etidronic acid (1-hydroxyethane-1,1-diphosphonic acid, manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) was added and stirred to prepare a dispersion.
Next, 22.4 parts by mass of N,N-dimethylacrylamide (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 0.2 parts by mass of methylenebisacrylamide (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.), which had been passed through an activated alumina column to remove the polymerization inhibitor, were added as polymerizable monomers to the obtained dispersion.
Next, 0.1 parts by mass of N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added as a chelating agent.
Next, 0.3 parts by mass of a 10% by mass aqueous solution of ammonium persulfate (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added as a polymerization initiator, and the mixture was stirred.
Next, 1 part by mass of NaCl (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added as a salt and stirred to prepare an organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid of Example 1.
次に、得られた有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を用い、以下のようにして、破断限界試験片、圧縮応力試験片、及び医療用臓器モデルを作製し、以下のようにして、破断限界試験、圧縮応力試験、切開試験、及び縫合試験を実施した。結果を表1に示した。 Next, using the obtained organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid, breaking limit test pieces, compressive stress test pieces, and medical organ models were prepared as described below, and breaking limit tests, compressive stress tests, incision tests, and suture tests were conducted as described below. The results are shown in Table 1.
<破断限界試験>
-破断限界試験片の作製(型造形)-
ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)ブロックに切削加工によりテストパターン(JIS K6251に基づき、ダンベル状3号形とした)を深さ5mmで形成した。この型に有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を充填し、窒素雰囲気下、24時間放置することにより硬化させ、破断限界試験片を作製した。作製した破断限界試験片を用い、下記に示す方法により破断限界を測定した。
<Breaking limit test>
- Preparation of fracture limit test pieces (mold making) -
A test pattern (dumbbell-shaped No. 3, based on JIS K6251) was cut into a polytetrafluoroethylene (PTFE) block to a depth of 5 mm. This mold was filled with an organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid and allowed to harden for 24 hours under a nitrogen atmosphere to prepare a fracture limit test piece. The fracture limit of the prepared fracture limit test piece was measured using the method described below.
-破断限界の測定-
作製した破断限界試験片について、JIS K 6251に基づき、引張試験機(AG-10kNX、株式会社島津製作所製)を用い、500mm/minの引張速度で試験を行い、前記引張試験の際、標線間距離の変化より伸び率(%)を算出し、破断限界の評価とした。
医療用臓器モデル材料として用いる場合、臓器に似た柔軟性を示す点から、300%以上の破断限界であることが好ましい。なお、本引張試験機において試験片の変形が見られず、測定限界10kNを超え、エラーとなったものについては測定範囲外とする。
- Measurement of breaking limit -
The prepared fracture limit test pieces were subjected to a test at a tensile speed of 500 mm/min using a tensile tester (AG-10kNX, manufactured by Shimadzu Corporation) in accordance with JIS K 6251. During the tensile test, the elongation (%) was calculated from the change in the gauge length, and this was used to evaluate the fracture limit.
When used as a medical organ model material, a breaking limit of 300% or more is preferable in order to exhibit flexibility similar to that of an organ. Note that in this tensile testing machine, specimens that show no deformation and exceed the measurement limit of 10 kN, resulting in an error, are considered outside the measurement range.
<圧縮応力試験>
-圧縮応力試験片の作製(型造形)-
ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)ブロックに切削加工によりテストパターン(30mm×30mm×10mm)を形成した。この型に有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を充填し、室温にて窒素雰囲気下、24時間放置することにより硬化させ、30mm×30mm×10mmの圧縮応力試験片を作製した。これを用い、下記に示す方法により圧縮応力及びヤング率を評価した。
<Compression stress test>
-Preparation of compressive stress test specimens (mold making)-
A test pattern (30 mm x 30 mm x 10 mm) was formed in a polytetrafluoroethylene (PTFE) block by cutting. This mold was filled with an organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid and allowed to harden at room temperature under a nitrogen atmosphere for 24 hours, producing a 30 mm x 30 mm x 10 mm compressive stress test piece. The compressive stress and Young's modulus were evaluated using this test piece according to the following method.
-圧縮応力及びヤング率の測定-
圧縮応力の評価に用いた圧縮試験機及び測定方法は以下の通りである。
万能試験機(株式会社島津製作所製、AG-I)、ロードセル1kN、1kN用圧縮ジグを設け、上記各実施例、比較例における圧縮応力試験モデルを設置した。ロードセルに掛かる圧縮に対する応力をコンピュータに記録し、変位量に対する応力をプロットし60%圧縮時の圧縮応力を評価した。また初期変位量の傾きから臓器としての質感指標となるヤング率を測定した。
医療用臓器モデル材料として用いる場合、臓器に似た柔軟性を示す点から、圧縮応力は0.1MPa~1.5MPa、ヤング率は0.05MPa~1MPaの範囲であることが好ましい。なお、圧縮応力として本試験機においてサンプルの変形が見られず、測定限界1kNを超え、エラーとなったものについては測定範囲外とする。
- Measurement of compressive stress and Young's modulus -
The compression tester and measurement method used for evaluating the compressive stress are as follows.
A universal testing machine (Shimadzu Corporation, AG-I), a 1 kN load cell, and a 1 kN compression jig were installed, and the compressive stress test models for each of the above examples and comparative examples were placed in the machine. The stress against the compression applied to the load cell was recorded in a computer, and the stress against the displacement was plotted to evaluate the compressive stress at 60% compression. In addition, Young's modulus, which serves as an index of organ texture, was measured from the slope of the initial displacement.
When used as a medical organ model material, in order to exhibit flexibility similar to that of an organ, it is preferable that the compressive stress be in the range of 0.1 MPa to 1.5 MPa and the Young's modulus be in the range of 0.05 MPa to 1 MPa. Note that compressive stresses that do not cause deformation of the sample in this testing machine and exceed the measurement limit of 1 kN, resulting in an error, are considered outside the measurement range.
<切開試験及び縫合試験>
-切開試験及び縫合試験用医療用臓器モデルの作製(型造形)-
ステレオリソグラフィー造形装置(Form2、Formlabs社製)を用い、腎臓実質部を模した注型用型を作製した。この型に有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を流し込み、窒素雰囲気下、24時間放置することで硬化させ、型を取り外すことで腎臓を模した医療用臓器モデルを得た。これを用いて、下記に示す方法により切開試験及び縫合試験を実施した。
<Incision test and suture test>
- Creation of medical organ models for incision and suture tests (mold making) -
A casting mold simulating the kidney parenchyma was fabricated using a stereolithography modeling device (Form2, manufactured by Formlabs). An organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid was poured into this mold and allowed to harden for 24 hours under a nitrogen atmosphere. The mold was then removed to obtain a medical organ model simulating the kidney. Using this, an incision test and a suture test were performed according to the methods described below.
-切開試験-
得られた医療用臓器モデルについて、エネルギーデバイスとして高周波電流電気メスを用いた切開試験を実施した。
切開試験は電気メスPROG(DS3M、株式会社モリタ製)を用い、C-1チップ(刃)をセットし、CUTモードに設定して実施した。切開試験は、下記の初期切断性と継続切断性に分けて行った。
-Incision test-
The obtained medical organ model was subjected to an incision test using a high-frequency electric scalpel as an energy device.
The cutting test was carried out using an electric scalpel PROG (DS3M, manufactured by Morita Corporation) with a C-1 tip (blade) set in CUT mode. The cutting test was divided into the following initial cutting ability and continuous cutting ability.
--初期切断性の評価--
初期切断性は、医療用臓器モデルに導電性があり、電気メスに対応できているか確認するものであり、45度で電気メスを保持し、刃を10mm押し込んだ際、医療用臓器モデルを焼き切りながら刃が沈むか否かを下記基準で評価した。
[評価基準]
〇:焼き切られた状態で刃を10mm入れることができた場合
△:導電性が不足し、煙が出るが切れない、もしくは途中で切れなくなった場合
×:全く切れない場合
--Evaluation of initial cutting ability--
The initial cutting ability was evaluated to confirm whether the medical organ model was conductive and compatible with an electric scalpel. When the electric scalpel was held at a 45-degree angle and the blade was pushed in 10 mm, whether the blade sank while burning through the medical organ model was evaluated according to the following criteria.
[Evaluation criteria]
〇: When the blade can be inserted 10 mm after being burned off △: When the conductivity is insufficient and smoke comes out but the blade cannot be cut, or when the blade stops cutting halfway through ×: When the blade cannot be cut at all
--継続切断性の評価--
継続切断性は操作性評価として、医療用臓器モデルがスムーズに連続して切断できることを評価する。初期切断性と連続し、刃を10mm入れた状態から長さ50mm継続して深さ10mmの直線状の切れ込みを入れ、下記の基準により継続切断性を評価した。
[評価基準]
〇:問題なく医療用臓器モデルが焼かれながら切れ込みが入った場合
△:途中で電気メスの刃にスス(煤)が付着し、切れにくくなるが50mm切断できた場合
×:全く切れない(無反応もしくは電気メスの刃が入っていかない)場合
--Evaluation of continuous cutting ability--
The continuous cutting ability was evaluated as an evaluation of operability, assessing whether the medical organ model could be cut smoothly and continuously. Following the initial cutting ability, a linear cut of 10 mm depth was made over a length of 50 mm from a state where the blade was inserted 10 mm, and the continuous cutting ability was evaluated according to the following criteria.
[Evaluation criteria]
〇: When the medical organ model was burned without any problems and a cut was made. △: When soot adhered to the electric scalpel blade during the process, making it difficult to cut, but it was able to cut 50 mm. ×: When it was not possible to cut at all (no reaction or the electric scalpel blade did not go in).
-縫合試験-
縫合試験は医療用臓器モデルをカッターナイフにて長さ30mm、深さ10mmの切れ込みを入れた後、手術用針糸としてLTR-1練習用針付縫合糸(フジモリ産業株式会社製)を用い、切れ込みを跨ぐようにしてジグザグに3回針にて糸を通した後、糸の両端をつまみ、医療用臓器モデルを持ち上げる操作ができるか否かを確認し、下記の基準で評価した。
[評価基準]
〇:問題なく縫合でき、臓器モデルを持ち上げることができた場合
△:縫合はできたが、持ち上げると臓器モデルが破れてしまう場合
×:針を通した際に臓器モデルがちぎれたり、もしくは臓器モデルが硬すぎて針が入らない場合
-Suture test-
In the suture test, a 30 mm long and 10 mm deep incision was made in the medical organ model with a cutter knife, and then an LTR-1 training needle suture (manufactured by Fujimori Sangyo Co., Ltd.) was used as the surgical needle thread, and the thread was passed through the needle three times in a zigzag pattern across the incision. After that, both ends of the thread were pinched, and it was confirmed whether or not the medical organ model could be lifted, and the test was evaluated according to the following criteria.
[Evaluation criteria]
〇: The organ model was sutured without any problems and could be lifted up. △: The organ model was sutured, but it broke when lifted up. ×: The organ model broke when the needle was passed through, or the organ model was too hard to pass the needle through.
(実施例2)
-有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の調製-
実施例1において、純水を75.4質量部に変更し、NaClを0.1質量部に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例2の有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を調製した。
次に、得られた有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を用い、実施例1と同様にして、破断限界試験片、圧縮応力試験片、及び医療用臓器モデルを作製し、実施例1と同様にして、破断限界試験、圧縮応力試験、切開試験、及び縫合試験を実施した。結果を表1に示した。
Example 2
- Preparation of organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid -
An organic-inorganic composite hydrogel liquid precursor of Example 2 was prepared in the same manner as in Example 1, except that the amount of pure water was changed to 75.4 parts by mass and the amount of NaCl was changed to 0.1 parts by mass.
Next, using the obtained organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid, a breaking limit test piece, a compressive stress test piece, and a medical organ model were prepared in the same manner as in Example 1, and a breaking limit test, a compressive stress test, an incision test, and a suture test were carried out in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
(実施例3)
-有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の調製-
実施例1において、純水を68.5質量部に変更し、ラポナイトRDを1.2質量部に変更し、N,N-ジメチルアクリルアミドを19.4質量部に変更し、N,N,N’,N’-テトラメチルエチレンジアミンを0.3質量部に変更し、NaClを10質量部に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例3の有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を調製した。
次に、得られた有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を用い、実施例1と同様にして、破断限界試験片、圧縮応力試験片、及び医療用臓器モデルを作製し、実施例1と同様にして、破断限界試験、圧縮応力試験、切開試験、及び縫合試験を実施した。結果を表1に示した。
Example 3
- Preparation of organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid -
An organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid of Example 3 was prepared in the same manner as in Example 1, except that the amount of pure water in Example 1 was changed to 68.5 parts by mass, the amount of Laponite RD to 1.2 parts by mass, the amount of N,N-dimethylacrylamide to 19.4 parts by mass, the amount of N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine to 0.3 parts by mass, and the amount of NaCl to 10 parts by mass.
Next, using the obtained organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid, a breaking limit test piece, a compressive stress test piece, and a medical organ model were prepared in the same manner as in Example 1, and a breaking limit test, a compressive stress test, an incision test, and a suture test were carried out in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
(実施例4)
-有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の調製-
実施例1において、ラポナイトRDを4.2質量部に変更し、N,N-ジメチルアクリルアミドを19.6質量部に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例4の有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を調製した。
次に、得られた有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を用い、実施例1と同様にして、破断限界試験片、圧縮応力試験片、及び医療用臓器モデルを作製し、実施例1と同様にして、破断限界試験、圧縮応力試験、切開試験、及び縫合試験を実施した。結果を表1に示した。
Example 4
- Preparation of organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid -
An organic-inorganic composite hydrogel liquid precursor of Example 4 was prepared in the same manner as in Example 1, except that the amount of Laponite RD was changed to 4.2 parts by mass and the amount of N,N-dimethylacrylamide was changed to 19.6 parts by mass.
Next, using the obtained organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid, a breaking limit test piece, a compressive stress test piece, and a medical organ model were prepared in the same manner as in Example 1, and a breaking limit test, a compressive stress test, an incision test, and a suture test were carried out in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
(実施例5)
-有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の調製-
実施例1において、NaClを塩化鉄(III)6水和物(富士フイルム和光純薬株式会社製)に代えた以外は、実施例1にして、実施例5の有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を調製した。
次に、得られた有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を用い、実施例1と同様にして、破断限界試験片、圧縮応力試験片、及び医療用臓器モデルを作製し、実施例1と同様にして、破断限界試験、圧縮応力試験、切開試験、及び縫合試験を実施した。結果を表1に示した。
Example 5
- Preparation of organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid -
An organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid of Example 5 was prepared in the same manner as in Example 1, except that NaCl in Example 1 was replaced with iron (III) chloride hexahydrate (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.).
Next, using the obtained organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid, a breaking limit test piece, a compressive stress test piece, and a medical organ model were prepared in the same manner as in Example 1, and a breaking limit test, a compressive stress test, an incision test, and a suture test were carried out in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
(実施例6)
-有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の調製-
実施例1において、過硫酸アンモニウムを1-ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン(商品名:イルガキュア184、BASF株式会社製)に代えた以外は、実施例1と同様にして、実施例6の有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を調製した。
次に、得られた有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を用い、以下のマテリアルジェッティング法により、実施例1と同様の破断限界試験片、圧縮応力試験片、及び医療用臓器モデルを作製し、実施例1と同様にして、破断限界試験、圧縮応力試験、切開試験、及び縫合試験を実施した。結果を表2に示した。
Example 6
- Preparation of organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid -
An organic-inorganic composite hydrogel liquid precursor of Example 6 was prepared in the same manner as in Example 1, except that ammonium persulfate in Example 1 was replaced with 1-hydroxycyclohexyl phenyl ketone (trade name: Irgacure 184, manufactured by BASF Corporation).
Next, the obtained organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid was used to prepare a breaking limit test piece, a compressive stress test piece, and a medical organ model similar to those in Example 1 by the following material jetting method, and a breaking limit test, a compressive stress test, an incision test, and a suture test were carried out in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 2.
-マテリアルジェッティング(MJ)法による造形-
マテリアルジェッティング法(MJ)による3DプリンターとしてMateriART-3DU1(株式会社マイクロジェット製)にモデル剤として前記有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を使用し、実施例1と同様の破断限界試験片、圧縮応力試験片、及び医療用臓器モデルを直接造形した。
-Modeling using the Material Jetting (MJ) method-
The organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid was used as a modeling agent in a MaterialART-3DU1 (manufactured by Microjet Co., Ltd.) 3D printer using the material jetting (MJ) method, and a breaking limit test piece, a compressive stress test piece, and a medical organ model similar to those in Example 1 were directly modeled.
(実施例7)
実施例6の有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を用い、以下のステレオリソグラフィー法により、実施例1と同様の破断限界試験片、圧縮応力試験片、及び医療用臓器モデルを作製し、実施例1と同様にして、破断限界試験、圧縮応力試験、切開試験、及び縫合試験を実施した。結果を表2に示した。
Example 7
Using the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid of Example 6, a breaking limit test piece, a compressive stress test piece, and a medical organ model similar to those in Example 1 were prepared by the following stereolithography method, and a breaking limit test, a compressive stress test, an incision test, and a suture test were carried out in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 2.
-ステレオリソグラフィー(SLA)法による造形-
ステレオリソグラフィー(SLA)法による3DプリンターとしてForm2(Formlabs社製)を使用し、造形インクとして実施例6の有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を使用し、実施例1と同様の破断限界試験片、圧縮応力試験片、及び医療用臓器モデルを直接造形した。
-Modeling using the stereolithography (SLA) method-
Using a Form2 (manufactured by Formlabs) as a 3D printer by the stereolithography (SLA) method and using the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid of Example 6 as the modeling ink, a breaking limit test piece, a compressive stress test piece, and a medical organ model similar to those of Example 1 were directly modeled.
(比較例1)
-有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の調製-
実施例1において、NaClを添加せず、純水を75.5質量部に変更した以外は、実施例1と同様にして、比較例1の有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を調製した。
次に、得られた有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を用い、実施例1と同様にして、破断限界試験片、圧縮応力試験片、及び医療用臓器モデルを作製し、実施例1と同様にして、破断限界試験、圧縮応力試験、切開試験、及び縫合試験を実施した。結果を表2に示した。
(Comparative Example 1)
- Preparation of organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid -
An organic-inorganic composite hydrogel liquid precursor of Comparative Example 1 was prepared in the same manner as in Example 1, except that NaCl was not added and the amount of pure water was changed to 75.5 parts by mass.
Next, using the obtained organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid, a breaking limit test piece, a compressive stress test piece, and a medical organ model were prepared in the same manner as in Example 1, and a breaking limit test, a compressive stress test, an incision test, and a suture test were carried out in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 2.
(比較例2)
市販のマテリアルジェッティング(MJ)法による3Dプリンターとしてアジリスタ(キーエンス株式会社製)を利用してモデル剤AR-M2(キーエンス株式会社製)を用い、実施例1と同様の破断限界試験片、圧縮応力試験片、及び医療用臓器モデルを直接造形し、実施例1と同様にして、破断限界試験、圧縮応力試験、切開試験、及び縫合試験を実施した。結果を表2に示した。
(Comparative Example 2)
Using a commercially available 3D printer, Agilista (manufactured by Keyence Corporation), and model agent AR-M2 (manufactured by Keyence Corporation), the same fracture limit test pieces, compressive stress test pieces, and medical organ models as in Example 1 were directly modeled, and fracture limit tests, compressive stress tests, incision tests, and suture tests were performed in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 2.
(比較例3)
市販のステレオリソグラフィー(SLA)法による3DプリンターとしてForm2(Formlabs株式会社製)を利用してクリアレジン(Formlabs株式会社製)を用い、実施例1と同様の破断限界試験片、圧縮応力試験片、及び医療用臓器モデルを直接造形し、実施例1と同様にして、破断限界試験、圧縮応力試験、切開試験、及び縫合試験を実施した。結果を表2に示した。
(Comparative Example 3)
Using a commercially available stereolithography (SLA) 3D printer, Form2 (manufactured by Formlabs Co., Ltd.), and clear resin (manufactured by Formlabs Co., Ltd.), fracture limit test pieces, compressive stress test pieces, and medical organ models similar to those in Example 1 were directly modeled, and fracture limit tests, compressive stress tests, incision tests, and suture tests were performed in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 2.
(比較例4)
-有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の調製-
実施例1において、キレート剤としてN,N,N’,N’-テトラメチルエチレンジアミン(富士フイルム和光純薬株式会社製)を添加しない以外は、実施例1と同様にして、比較例4の有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を調製した。
この場合、塩としてNaCl(富士フイルム和光純薬株式会社製)1質量部を加え、撹拌した結果、液全体が高粘度化し、流動性が失われたため、造形用インクとして不適であり、造形不能であった。結果を表2に示した。
(Comparative Example 4)
- Preparation of organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid -
An organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid of Comparative Example 4 was prepared in the same manner as in Example 1, except that N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was not added as a chelating agent.
In this case, 1 part by mass of NaCl (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was added as a salt and stirred, resulting in an increase in viscosity of the entire liquid and a loss of fluidity, making it unsuitable as a modeling ink and making modeling impossible. The results are shown in Table 2.
表1及び表2の結果から、実施例1~7は比較例1~3と比べ、電気メスによって切開可能であることがわかった。
塩の添加量が少ない実施例2は他の実施例に比べて電気伝導性が低いため切断性がやや低下した。
比較例1の造形物は、塩を添加しないため、電気メスが適用できなかった。
比較例2及び3の造形物は、非常に固く医療用臓器モデルには不向きであった。
The results in Tables 1 and 2 show that, compared with Comparative Examples 1 to 3, Examples 1 to 7 can be incised using an electric scalpel.
Example 2, in which the amount of salt added was small, had lower electrical conductivity than the other examples, and therefore the cutting ability was slightly reduced.
The shaped object of Comparative Example 1 was not able to be treated with an electric scalpel because no salt was added.
The shaped articles of Comparative Examples 2 and 3 were very hard and unsuitable for use as medical organ models.
本発明の態様としては、例えば、以下のとおりである。
<1> 金属酸化物と、
モノマーと、
塩と、
キレート剤と、
水と、
を含むことを特徴とする有機無機複合ハイドロゲル前駆体液である。
<2> 前記塩が無機塩である、前記<1>に記載の有機無機複合ハイドロゲル前駆体液である。
<3> 前記塩の含有量が、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の全量に対して、0.1質量%以上20質量%以下である、前記<1>から<2>のいずれかである有機無機複合ハイドロゲル前駆体液である。
<4> 前記キレート剤の含有量が、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の全量に対して、0.1質量%以上5質量%以下である、前記<1>から<3>のいずれかである有機無機複合ハイドロゲル前駆体液である。
<5> 前記金属酸化物が、金属酸化物微粒子、複合金属酸化物微粒子、及び層状鉱物のいずれかである、前記<1>から<4>のいずれかである有機無機複合ハイドロゲル前駆体液である。
<6> 前記金属酸化物の含有量が10質量%以下である、前記<1>から<5>のいずれかである有機無機複合ハイドロゲル前駆体液である。
<7> 前記<1>から<6>のいずれかに記載の有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を用いて得られるハイドロゲル造形物である。
<8> 前記<1>から<6>のいずれかに記載の有機無機複合ハイドロゲル前駆体液を用いて、ハイドロゲル前駆体液膜を形成する液膜形成工程と、
前記ハイドロゲル前駆体液膜を硬化して層を形成する液膜硬化工程と、
を含むことを特徴とするハイドロゲル造形物の製造方法である。
<9> 金属酸化物と、ポリマーと、塩と、キレート剤と、水と、を含むことを特徴とする有機無機複合ハイドロゲルである。
The present invention includes, for example, the following aspects.
<1> A metal oxide,
A monomer,
Salt and
A chelating agent;
Water and
The organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid is characterized by comprising:
<2> The organic-inorganic composite hydrogel liquid precursor according to <1>, wherein the salt is an inorganic salt.
<3> The organic-inorganic composite hydrogel liquid precursor according to any one of <1> and <2>, wherein the content of the salt is 0.1 mass % or more and 20 mass % or less relative to the total amount of the organic-inorganic composite hydrogel liquid precursor.
<4> The organic-inorganic composite hydrogel liquid precursor according to any one of <1> to <3>, wherein the content of the chelating agent is 0.1% by mass or more and 5% by mass or less relative to the total amount of the organic-inorganic composite hydrogel liquid precursor.
<5> The organic-inorganic composite hydrogel liquid precursor according to any one of <1> to <4>, wherein the metal oxide is any one of metal oxide fine particles, composite metal oxide fine particles, and layered mineral.
<6> The organic-inorganic composite hydrogel liquid precursor according to any one of <1> to <5>, wherein the content of the metal oxide is 10 mass % or less.
<7> A hydrogel modeled object obtained by using the organic-inorganic composite hydrogel liquid precursor according to any one of <1> to <6>.
<8> A liquid film forming step of forming a hydrogel precursor liquid film using the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid according to any one of <1> to <6>;
a liquid film curing step of curing the hydrogel precursor liquid film to form a layer;
The method for producing a hydrogel modeled object is characterized by comprising the steps of:
<9> An organic-inorganic composite hydrogel comprising a metal oxide, a polymer, a salt, a chelating agent, and water.
前記<1>から<6>のいずれかに記載の有機無機複合ハイドロゲル前駆体液、前記<7>に記載のハイドロゲル造形物、前記<8>に記載のハイドロゲル造形物の製造方法、及び前記<9>に記載の有機無機複合ハイドロゲルによると、従来における諸問題を解決し、本発明の目的を達成することができる。 The organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid described in any one of <1> to <6>, the hydrogel modeled object described in <7>, the method for producing a hydrogel modeled object described in <8>, and the organic-inorganic composite hydrogel described in <9> can solve various problems encountered in the past and achieve the object of the present invention.
10 三次元プリンター
17 ハイドロゲル造形物
10. Three-dimensional printer 17. Hydrogel modeling
Claims (8)
ラジカル重合性の官能基を有するモノマーと、
水溶性の無機塩と、
キレート剤と、
水と、
前記水溶性の無機塩とは異なるラジカル重合開始剤と、
を含み、
前記ラジカル重合性の官能基を有するモノマーにおける前記ラジカル重合性の官能基の数は1つであり、前記ラジカル重合性の官能基はアクリルアミド基であり、
前記水溶性の無機塩は、硝酸カリウム、塩化カリウム、硫酸カリウム、塩化ナトリウム、及び塩化鉄(III)6水和物からなる群から選択される少なくともいずれかであり、
前記キレート剤は、N,N,N',N'-テトラメチルエチレンジアミンであり、
前記層状鉱物の含有量が、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の全量に対して、1質量%以上10質量%以下であり、
前記ラジカル重合性の官能基を有するモノマーの含有量が、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の全量に対して、0.5質量%以上40質量%以下であり、
前記水溶性の無機塩の含有量が、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の全量に対して、0.1質量%以上20質量%以下であり、
前記キレート剤の含有量が、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の全量に対して、0.1質量%以上5質量%以下であり、
前記水の含有量が、有機無機複合ハイドロゲル前駆体液の全量に対して、50.0質量%以上であることを特徴とする有機無機複合ハイドロゲル前駆体液。 Layered minerals;
a monomer having a radical polymerizable functional group;
a water-soluble inorganic salt;
A chelating agent;
Water and
a radical polymerization initiator different from the water-soluble inorganic salt;
Including,
the number of the radical polymerizable functional group in the monomer having a radical polymerizable functional group is one, and the radical polymerizable functional group is an acrylamide group;
the water-soluble inorganic salt is at least one selected from the group consisting of potassium nitrate, potassium chloride, potassium sulfate, sodium chloride, and iron (III) chloride hexahydrate;
the chelating agent is N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine;
the content of the layered mineral is 1% by mass or more and 10% by mass or less with respect to the total amount of the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid,
the content of the monomer having a radically polymerizable functional group is 0.5% by mass or more and 40 % by mass or less with respect to the total amount of the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid,
the content of the water-soluble inorganic salt is 0.1% by mass or more and 20% by mass or less with respect to the total amount of the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid,
the content of the chelating agent is 0.1% by mass or more and 5% by mass or less with respect to the total amount of the organic-inorganic composite hydrogel precursor liquid,
The organic-inorganic composite hydrogel liquid precursor is characterized in that the content of water is 50.0 mass % or more based on the total amount of the organic-inorganic composite hydrogel liquid precursor.
前記ハイドロゲル前駆体液膜を硬化して層を形成する液膜硬化工程と、a liquid film curing step of curing the hydrogel precursor liquid film to form a layer;
を含むことを特徴とするハイドロゲル造形物の製造方法。A method for producing a hydrogel modeled object, comprising:
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