| 研究課題/領域番号 |
26350546
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| 研究機関 | 芝浦工業大学 |
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研究代表者 |
足立 吉隆 芝浦工業大学, システム理工学部, 教授 (70407229)
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| 研究分担者 |
中村 朝夫 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (50155818)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 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 / 光架橋剤 |
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| 研究実績の概要 |
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ゲルで再現した人体模型の硬さや変形が妥当かどうかを測定する計測装置の研究を行った．
1)UVゲルに用いる母材の研究では2種類のUVゲル，①光ラジカル重合によって硬化するラジカルUVゲルと②光カチオン重合によって硬化するカチオンUVゲル，について様々な実験を行った．ラジカルUVゲルは前年度の研究で積層時の接着力が弱いことが判明したため，その原因の特定と対策を行った．ラジカルUVゲルが所定の機能・性能を得られない場合の代替案として前年度から研究を始めたカチオンUVゲルについては基礎的な物理特性を調べる実験を行った．カチオンUVゲルは，光重合開始剤を添加することによって紫外線光で硬化するエポキシシリコーンを母材にして，柔らかさを調整するためにジメチルシリコーンを混合する．カチオンUVゲルを硬化させるには紫外線光を当てると同時に，シリコーン全体を加熱する必要がある．シリコーンが白濁することなく，最短で硬化する条件や接着強さを調べた．更に人体組織を再現するのに必要な柔らかさを実現できるかどうかを実験により調べた．
２）この研究では体表から筋肉や臓器，さらには骨までを一体で造形することを目標にしている．これにより本物と同様の触診が実現できると考えている．造形した疑似人体組織では単にその硬さを再現するだけでなく，触診時に内部構造物が変形することや移動することを再現することも重要である．本年度では疑似人体組織の硬さを測定するだけでなく，内部の変形の様子を外部から確認できるオリジナル測定装置を開発した．柔らかい疑似人体組織に外部から力を加えると，内部に配置したビーズが移動する．これを計測装置下部に配置した2台のデジタルカメラでステレオ観測することにより，外力を与えたときに疑似人体組織内部の変形や移動を計測することが可能になった．
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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
前年度の実験でラジカルUVゲル同士の接着に課題があったため，代替案としてカチオンUVゲルを採用し，その物理特性を調べる実験を行った．カチオンUVゲルは光重合開始剤，エポキシシリコーン，ジメチルシリコーンを混合することで作製する．それまでの研究では酸素による硬化阻害がないことなどが分かっていた．今年度はカチオンUVゲルの物理特性を詳細に調べた．光カチオン重合開始剤を0.1vol%，紫外線照射時間を2分，加熱温度を70℃，加熱時間を4分として，カチオンUVゲルの表面が完全に硬化する前に次のシリコーンを流し込み硬化させると，十分な接着強さが得られることが分かった．また，エポキシシリコーンとジメチルシリコーンの混合比を変えると硬さを変化させることができた．実験の結果，皮下脂肪や上腕二頭筋，大胸筋，軟骨の硬さを実現することができた．
前年度の実験ではラジカルUVゲル同士を接着する場合，酸素のない環境を用意して，その中で紫外線光を当てる必要があった．このため電動ステージやディスペンサを，酸素を通さない幕で覆ってその中を窒素で充満させるという大掛かりな装置を製作して実験を行っていた．条件を変えて様々な実験を繰り返すうちに，光ラジカル重合開始剤の濃度を1.0vol%にすることで酸素阻害による硬化不良や接着不良が生じないことが分かった．さらに作製した試験片による引っ張り強さを調べたところ，十分な接着力があることが判明した．
2台のデジタルカメラによる計測装置を開発した．透明なシリコーンで疑似人体組織を作ることにより，外部から力を与えたときの内部変形を三次元的に計測できるようになった．内部変形は配置したビーズを計測するが，ビーズが球ではなくてドーナツ型をしているため，撮影したビーズ画像のどこを中心にするかによって計測誤差が生じるためデータの処理方法を検討中である．
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| 今後の研究の推進方策 |
本年度も引き続き実験による検証を中心とした研究を実施していく．いくつかの実験を並行に実施するため，修士と学部の学生に実験補助をお願いして，効率的に研究を進める．ディスペンサを搭載した実験装置で疑似人体組織を造形する際にいくつかの問題点があった．例えばシリコーンを貯めておく穴あきプレートの素材や，その穴の加工精度である．それらを改善するための改良も年度末に行った．このため検証実験の効率化がさらに進むと考えている．
前年度まではラジカルUVゲルとカチオンUVゲルの二種類の紫外線硬化ゲルについて，どちらの紫外線硬化ゲルが疑似人体組織に相応しいかという実験を行ってきた．その結果，疑似人体組織を造形するにはラジカルUVゲルが有利である事が判明したため，本年度はラジカルUVゲルに絞って実験を行う．空気中でも酸素阻害を生じることなく硬化や接着が可能になったことが昨年度の大きな前進である．酸素阻害を考慮する必要がないため，実験環境の酸素を窒素に置換する必要がない．このため実験の準備時間が大幅に短縮できるようになった．
本年度は空洞の造形に注力する．血管などの空洞を造形する方法については平面構造による基礎実験は終了しているので，血管の走向を模した立体的な空洞の造形方法を確立する．ラジカルUVゲルを利用することが決まったため，カチオンUVゲルのように実験環境を高温にする必要が無いため，過去に実験で使用した寒天などを利用して空洞を造形して，血液を模した液体を流して血圧を再現する予定である．
本年度は最終年度であるため研究実施計画の通り，これまでの成果を踏まえて疑似人体組織を完成させる．さらにその物理特性を計測して評価を行う．硬さの測定や，外力を与えたときに内部がどのように変形するかを計測する装置も本年度から開発中である．これを活用して人体組織の色，形，硬さの再現を目指す．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
使用するシリコーンオイル（ジメチルシリコーン，メタクリルシリコーン，エポキシシリコーン）や光架橋剤（光カチオン重合開始剤，光ラジカル重合開始剤）などの薬剤の使用量が想定よりも少なかったため．
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| 次年度使用額の使用計画 |
本年度は最終年度ということもあり様々な実験が予定されている．このため薬剤の使用量などが増える可能性が高い．有効に使用していきたい．
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