Development of high strength and bone-like bio-function biopolymer by heat stretching 3D printing

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K14019
• Research Institution: Yuge National College of Maritime Technology
• Principal Investigator: 福田 英次 弓削商船高等専門学校, 電子機械工学科, 准教授 (30536553)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 生体用材料 / ポリエーテルエーテルケトン / ３Dプリンター

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，生体材料の一種であるポリエーテルエーテルケトン（以降，PEEKと記述する）を高い負荷のかかる人工関節においても適用可能な強度に強化することを目的としている．
平成30年度は，一般的な樹脂材料と比較して融点の高いPEEKを溶融するために，400度程度まで加熱できるよう３Dプリンターのヒートノズルを改良した．また，それに伴い，周囲の部品等に耐熱対策を行った．試作造形においては，種々の造形条件や造形体と3Dプリンターの土台との定着方法について検討し，概ね３Dモデル通りの形状が造形できる基礎となる造形条件を見出した．その後，基礎となる造形条件を基に，造形条件の１つである造形時の走査速度がPEEK造形体の機械的性質に及ぼす影響について調査した．造形時の走査速度を変化させることで，PEEK造形体の最大引張強さおよび引張変形強度に変化が認められた．
令和元年度は，PEEK造形体の強度に影響を及ぼす結晶化度を挙げるために，熱処理を施した．造形後のPEEKは，透明度が高く非結晶状態であるのに対して，熱処理を施すことで透明度が低下した．これは，PEEK造形体の結晶化度が増加してことを意味している．また，熱処理後のPEEK造形体の引張張強度は，熱処理前のそれと比較して1.5倍増加した．造形時の走査速度が増加するに従って熱処理後の引張強度が造形する傾向にあった．
令和2年度は，種々の造形条件で造形したPEEK造形体の結晶化度と結晶部の配向性について示差走査熱量測定を実施した．測定結果より造形条件によって発熱再結晶の発現の有無やそのピーク幅に差異が認められた．このことは，造形条件によって，PEEK造形体の結晶の配向性や結晶化度を制御できることおよびそれを利用してPEEK造形体の機械的性質を制御できる可能性を示唆している．