| 研究課題/領域番号 |
18K09673
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
小山 重人 東北大学, 大学病院, 准教授 (10225089)
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| 研究分担者 |
佐々木 啓一 東北大学, 歯学研究科, 教授 (30178644)
古川 英光 山形大学, 大学院理工学研究科, 教授 (50282827)
金高 弘恭 東北大学, 歯学研究科, 准教授 (50292222)
川上 勝 山形大学, 有機材料システム研究推進本部, 准教授 (70452117)
佐藤 奈央子 東北大学, 大学病院, 助教 (80510015)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 口腔・鼻咽腔印象採得方法 / 形状記憶ゲル / バルーン技術 / ３次元ゲルプリンター |
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| 研究実績の概要 |
形状記憶ゲル材料とバルーン技術を応用した3次元口腔・鼻咽腔印象採得方法を開発するために、先ず形状記憶バルーン膜の組成を決定し、この時の強度を測定した。これより必要な強度を有する2層バルーン膜を用いた形状記憶バルーンを試作に製作に成功し、形態記録に適した表層と内層バルーンゲル膜の組成を検討することができた。
また、3次元ゲルプリンターで形状記憶ゲルをバルーン状に造形する方法について検討した結果、同じ形状のものを、Z軸を変更しながら3層構造にし、中間である2層目に空洞となるようPETフィルムなどでレーザー光を遮断することで空洞を形成することによりバルーン状に造形することができた。
さらに印象採得に応用できることが確認でき、印象精度に関する基礎データを得ることができた。この時柔らかい形状記憶ゲルと硬いゲルの2層構造とすることで精度が上がるとの結果から、3次元造形された形状記憶ゲルにも2層構造ができないか検討を行った。初めに硬い形状記憶ゲルを造形し、そこから均一な空隙をとった外枠を使い柔らかい形状記憶ゲルを流し込むことで製作できる可能性が示唆された。
今後も本研究を継続しこの開発目的が達成された場合、治療時間が短縮、治療が簡便化され、患者の痛みや身体的負担が軽減され、医療の安全性が向上する。また、軟性バルーン膜や形状記憶ゲルの操作条件を調節することで、骨支持のない軟組織の形態記録が可能となる現行の印象採得に代わる新しい方法となりうることが示唆された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
１．形状記憶バルーン膜の開発を行った。バルーン膜は印象面を軟性バルーン膜、支持面を硬性バルーン膜とする２層バルーン膜とするため、ジメチルアクリルアミド、アクリル酸ドデジル、アクリル酸オクタデシル、メチルンベスアクリルアミド、ベンゾフェノン試薬を用い、配合比を調整することにより、適切な硬性バルーン膜および軟性バルーン膜の組成を検討し、適切な硬度を付与できた。
次に、それぞれの物性を引張試験にて検討したところ、硬性バルーン膜は降伏時の応力4.06Mpa、ひずみ0.11、破断時の応力4.06Mpa、ひずみ0.11およびヤング率は48.67Mpaを示した。一方、軟性バルーン膜は降伏時の応力1.85Mpa、ひずみ0.09、破断時の応力7.48Mpa、ひずみ6.18およびヤング率は27.37Mpaを示した。
２．形状記憶を有する２層バルーン膜で印象面を軟性バルーン膜、支持面を硬性バルーン膜とする２層バルーン膜の製作を行った。最適化条件を見つけ出すことを目的として、①軟性バルーン膜（印象面）の厚さ0.5mm、硬性バルーン膜（支持面）の厚さ1.0mm、②印象面；1.0mm、支持面;1.0mm、③印象面；1.5mm、支持面;0.5mmの３通りの２層バルーン膜作製条件について検討を行った。硬度は①、②、③の順に硬かった。
３．条件①から③で作製した２層バルーン膜の印象精度の評価を行ったところ、軟性バルーン膜の厚さ0.5mm、硬性バルーン膜の厚さ1.0mmとする２層バルーン膜での印象精度が一番高く、実際に形状を印象できた。
４．バルーン状３次元プリンティング方法としてガラス版を使用した袋状の造形について検討を行い、同じ形状のものを、Z軸を変更しながら3層構造にし、中間である2層目に空洞となるようPETフィルムなどでレーザー光を遮断することで空洞を形成しバルーン状にすることができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後の研究の推進するための重要な検討課題として、形状記憶ゲルと３次元プリンティング方法を用いたバルーン製作方法の確立となる。形状記憶ゲル形成方法として浴槽に沈めながら造形を行う方法と、ガラス版に枠を付け少量のゲルを流し板状に造形を行う方法がある。特徴として前者は造形時間が掛かりまたバルーン状にするためには造形物の大きさの制限があり、浴槽用に変換を行うことが複雑であるのに対し後者は短時間で製作が可能である。今後STLデータのやり取りを行いより良い形状を模索していく必要がある。
バルーン状3Dプリンティングについて、通常レーザー光が下層に突き抜けないようUV吸収剤を混合しているが、この場合突き抜けるような構造をとることで造形回数を少なくできる可能性がある。しかしながら遮蔽物が中間に維持し続けられる工夫が必要である。また、バルーン状形状記憶ゲル形成法の別案として風船等の外面に状記憶ゲルをコーティングし硬化させ製作する方法や、風船内部に状記憶ゲルを注入し窒素で膨らませ硬化させる方法も考えられるので、早急に適切な製作方法を確立していく予定である。また引き続き、形態記録に最適な形状記憶ゲル組成の検討を行い、特に１）軟組織の形態記録に適した表層と内層バルーンゲル膜の弾性率および膨張率の検討、２）瞬時に拡張・収縮するための適切なバルーン形態、厚みおよび表層と内層ゲルの比率の検討、３）適切なスイッチング温度の検討を行う必要であると考えられた。さらに、形状記憶システム構築後、ヒトの顎顔面欠損形態を模した実験モデルにて形状記録評価を行い、臨床応用に向けた研究結果の検証を行う予定である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
３０年度に、形態記録に最適な形状記憶ゲル組成と3次元ゲルプリンター精度の分析行い、その結果を基にバルーン状3Dプリンティング方法を確立して学術大会において発表する予定であったが、バルーン形態、バルーンゲル膜の弾性率および膨張率の検討が不十分であったため、計画を変更し、厚みおよび表層と内層ゲルの比率の解析を主に行うこととしたため、次年度使用額が生じた。
このため、バルーン状3Dプリンティング方法を確立と学会発表を次年度に行うこととし、未使用額はその経費に充てることしたい。
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