2014 Fiscal Year Research-status Report
紫外線硬化ゲルを用いた疑似人体組織の３次元造形法の研究
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26350546
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| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
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Principal Investigator |
足立 吉隆 芝浦工業大学, システム工学部, 教授 (70407229)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中村 朝夫 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (50155818)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 3Dプリンティング / マネキン / cadaver / シリコーン / 紫外線硬化 / ゲル / 顔料 / 光架橋剤 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は1)紫外線硬化ゲル(UVゲル)に用いる母材の研究と，2)UVゲルの微小な滴を硬化させ，粒子を作製する方法の研究を行った．
1) UVゲルに用いる母材の研究ではベースとなるシリコーンの実験と，着色のために混入する顔料の影響について調べた．シリコーンの実験では，紫外線硬化時に酸素阻害を受けにくいシリコーンについて調査，実験を行った．顔料の影響に関する研究では顔料の最大粒子径，最多頻度粒子径に着目して，顔料と硬化時間の関係，顔料と硬さの関係，顔料と接着強度の関係についてそれぞれ実験を行った．使用した顔料は最大粒子径が大きい黒(MA100,三菱化学)と小さい白(CR-90-2,石原産業)，最多頻度粒子径が大きい黒と小さい黄(ZAY452,大日精化工業)である．UVゲルの硬化時間を調べた結果，黒の影響が大きく，白と黄の影響はほぼ同じであった．次にUVゲルの硬さ計測を行った．黒と白の顔料の割合を変えながら硬さを計測したところ，黒のみが一番硬く，黒40%/白60%の時が一番柔らかい結果となった．同様に黒と黄の割合を変えて計測を行ったところ黒のみが一番硬く，黒80%/黄20%が一番柔らかい結果となった．接着強度の実験では，UVゲルで接着箇所がある試験片と接着箇所がない試験片を作製し，それらを引っ張り試験機で計測したところ，接着箇所がある試験片は接着箇所がない試験片に比べて引張応力の限界が4割ほど減少することが分かった．
2) UVゲルの微小な滴から粒子を作製する方法の研究では，窒素でバブリングを行ったメタノール中に滴下したUVゲルが硬化するか否かを検証したところ，メタノール中では硬化しないことが分かった．水とメタノールを3：2の比で混合した液体にバブリングを行い，滴下したUVゲルが硬化するかを検証したところ，硬化はするが，滴下ノズルからUVゲルを安定に吐出できないことが分かった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
メタクリルシリコーンに光重合開始剤を混ぜ，酸素を含まない気体中や液体中で紫外線光を当てると架橋反応により硬化することが実験により判明した．これは架橋反応が酸素の影響を受けるためである．酸素を含まない気体や液体を用意して，その中で紫外線光を当てるには大掛かりな装置が必要になるため，酸素の影響を受けないシリコーンが望ましい．本年度はメタクリル以外の様々なシリコーンを検討したところ，エポキシシリコーンに光カチオン開始剤を混ぜ紫外線光を当てると，酸素を21％含んだ空気中や水中でも硬化することが判明した．これが利用できると酸素を除去するための大掛かりな装置が不要になるというメリットがある．しかし，エポキシシリコーンと光カチオン開始剤が非常に高価（4万円／kg，1万円／g）であるため，将来の実用化が難しいという問題もある．このため，他の様々な材料について引き続き検討・実験を行っている最中である．
紫外線硬化ゲルの微小な滴から粒子を作成するためにディスペンサを使用して滴下を行っているが，空気中で滴を重力で落下させると自重でつぶれてしまうことが多い．液中で滴下すると球になることもあるが，混入する顔料によってはディスペンサのノズル（ステンレス）と紫外線硬化ゲルの親和性が高くなり，ノズル上部に紫外線硬化ゲルが上昇して滴下できない現象が起こることが実験により判明した．紫外線硬化ゲルがつぶれないように粘度を調整することや，親和性を低下させるためにノズルのテフロン樹脂加工などで対応可能か検討を行っている．また，本研究で使用している実験装置はディスペンサを0.02mm単位で上下できる機構を有しているので，ノズルの先端に滴をわずかに出した状態で，滴をベースプレート上に着底させ，滴を吐出させながらノズルを引き上げる方法についても実験を行っている．概ね計画通りに研究が進んでいる．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成26年度に引き続き，平成27年度は実験による検証を中心とした研究を実施していく．いくつかの実験は並行に実施することができるため，足立研究室と中村研究室に所属する修士と学部生の学生が実験の補助を行い，効率的に研究を進める予定である．具体的には中村研究室で理論的検証と予備実験を行い，その結果を基にして足立研究室で検証実験を行う予定である．また足立研究室で開発した，ディスペンサを搭載した実験装置の改良が平成26年度に終了し，パソコンで制御プログラムを作成することによりディスペンサのノズル先端をXYZの３方向に0.02mm単位で並進移動させることができるようになった．さらにノズル先端を観察するマイクロスコープも搭載したため，モニター画面上で紫外線硬化ゲルの様子を観察しながら実験を行えるようになった．このため検証実験の効率化がさらに進むと考えている．
平成27年度ではこれまでの研究に加えて３）紫外線硬化ゲルに加える顔料の研究と，４）粒子の接着・積層方法の研究を実施する．新しい顔料はすでに入手済みである．また，これまで紫外線硬化ゲル中に顔料を分散させるためにビーズミルを企業から借用していたが，学内の設備を使用できる可能性が出てきたため，費用やスケジュール面で実験が捗ると期待している．紫外線硬化ゲルを積層させる方法の研究では，改良を加えた実験装置を使用して2層目以降を積み上げる手法を確立させる．直径が0.3mmの粒子に対してノズルを0.02mm単位で移動できるので，性能的には可能である．ただし，ノズルと紫外線硬化ゲルの「濡れ」や粒子同士の「濡れ」の問題などを解決する必要があるため，効率的に実験を行う予定である．また接着方法の研究では，中村研究室でこれまでのような長時間の浸透が不必要なシリコーンが開発されたため，これを使用した実験を行っていく予定である．
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| Causes of Carryover |
エポキシシリコーンを紫外線光で硬化させるために必要な光カチオン開始剤（WPI-124(934-12506)，和光純薬）の最小購入単位が61,700円/5gであり，残った21,078円で購入することができなくなってしまったので，次年度の予算に繰り込むことにした．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
実験で使用する化学薬品を購入するために使用する．化学薬品は高額であるため，予算の使用には最新の注意を払い，過不足なく実験が出来るように計画性を持って研究を実施する．
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Research Products
(5 results)
