(57)【要約】【課題】造形時の形状自由度が高い構造体において、高温においても高強度を維持することが可能な、構造体及び構造体の製造方法を提供すること。【解決手段】本発明によれば、構造体であって、基材層と被覆層とを備え、前記基材層は、熱可塑性を有する熱可塑性材料から形成され、ここで前記熱可塑性材料は、外力を加えることによりその形状が可変に構成されるもので、前記被覆層は、熱可塑性を有しない非熱可塑性材料から形成され、前記基材層の少なくとも一部を被覆することによって当該構造体の形状を維持可能に構成される、構造体が提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造体であって、基材層と被覆層とを備え、
前記基材層は、熱可塑性を有する熱可塑性材料から形成され、ここで前記熱可塑性材料は、外力を加えることによりその形状が可変に構成されるもので、
前記被覆層は、
熱可塑性を有しない非熱可塑性材料から形成され、
前記基材層の少なくとも一部を被覆することによって当該構造体の形状を維持可能に構成される、
構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の構造体において、
前記熱可塑性材料は、形状記憶ポリマーを含む形状記憶材料である、
構造体。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の構造体において、
前記基材層は、複数の孔を有し、
前記被覆層は、前記複数の孔の少なくとも一部を被覆することによって当該構造体の形状を維持可能に構成される、
構造体。
【請求項４】
請求項３に記載の構造体において、
前記被覆層は、複数の空孔を有し、当該構造体が多孔性を有するように構成される、
構造体。
【請求項５】
請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の構造体において、
前記基材層は、複数の層が積層された積層構造体であって、前記層は、それぞれ並列する複数の線状樹脂からなる、
構造体。
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れか１つに記載の構造体において、
前記非熱可塑性材料は、光硬化型樹脂又は常温硬化型樹脂である、
構造体。
【請求項７】
構造体の製造方法であって、
基材層形成工程と、被覆層形成工程とを備え、
前記基材層形成工程では、熱可塑性を有する熱可塑性材料を３Ｄプリンタで積層させて前記構造体における基材層を形成し、
前記被覆層形成工程では、
前記基材層の少なくとも一部に、熱可塑性を有しない非熱可塑性材料を含浸又は塗布し、
続いて、前記非熱可塑性材料を硬化させて前記構造体における被覆層を形成する、
製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の製造方法において、
前記基材層形成工程は、基材層１次形状造形工程と、基材層２次形状賦形工程とを備え、
前記基材層１次形状造形工程では、前記３Ｄプリンタで積層させて前記構造体における基材層を形成し、
前記基材層２次形状賦形工程では、前記基材層１次形状造形工程後の前記基材層に外力を加えることにより最終形状に賦形加工する、
製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造体及び構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ギプス、シーネ、サポータなどの医療用固定具では、患者毎に異なる形状である患部に高い密着性で適合し、使用中は患部を保護できるだけの強度を維持する必要がある。従来、石膏粉末と綿布で構成されたギプス包帯などが用いられていたが、複雑な３次元形状を持つ患部に対して高い密着性を確保するのは困難であった。
【０００３】
このような状況の中で、熱可塑性樹脂を用いた医療用固定材及び医療用固定具が特許文献１に提案されている。特許文献１では、熱可塑性樹脂が柔らかくなる温度で人体の患部に沿わせて変形させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−５５８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１で記述されている医療用固定具では熱可塑性樹脂を主たる構造体としているため、次の問題が発生する。熱可塑性樹脂を人体の患部に沿わせて変形させるため、患者の熱傷をさけるには熱可塑性樹脂の融点（融解温度範囲）を人の体温から極端には高くできず、熱可塑性樹脂の材料選択が限定される。そのため目的に対して必ずしも十分な強度が得られない。また、融点が体温に近い医療用固定具では少しの温度上昇でも軟化と変形が起きるため、入浴や温水洗浄などが制限され、使用可能温度範囲が低く抑えられる。
【０００６】
本発明は、かかる事情を鑑みてなされたものであり、造形時の形状自由度が高い構造体において、高温においても高強度を維持することが可能な、構造体及び構造体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、構造体であって、基材層と被覆層とを備え、前記基材層は、熱可塑性を有する熱可塑性材料から形成され、ここで前記熱可塑性材料は、外力を加えることによりその形状が可変に構成されるもので、前記被覆層は、熱可塑性を有しない非熱可塑性材料から形成され、前記基材層の少なくとも一部を被覆することによって当該構造体の形状を維持可能に構成される、構造体が提供される。
【０００８】
本発明に係る構造体は、基材層に用いる熱可塑性樹脂の特性を利用して高い自由度で造形・賦形を行なうことが可能であり、基材層形状が確定した後に非熱可塑性材料である被覆層を形成することで、高温でも高強度を維持することが可能であるという有利な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係る構造体を模式的に示す斜視図。
【図２】［図２Ａ］図１の構造体を部分拡大した正面図。［図２Ｂ］図２Ａ中のＡ−Ａ断面で切断した断面図。
【図３】［図３Ａ］［図３Ｂ］第１の実施形態に係る構造体の基材層２の製造方法を示す図。
【図４】［図４Ａ］［図４Ｂ］第１の実施形態に係る構造体の被覆層３の製造方法を示す図。
【図５】第１の実施形態に係る構造体を足首の取り外し型ギプスに適用した模式図。
【図６】［図６Ａ］第２の実施形態に係る構造体を部分拡大した表面図。［図６Ｂ］図６Ａ中のＢ−Ｂ断面で切断した断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。
１．第１の実施形態：構造体１の構成
【００１１】
第１節では、本発明の実施形態（第１の実施形態）に係る構造体１の構成について説明する。図１に構造体１の全体図、図２Ａに図１の構造体を部分拡大した正面図、図２Ｂに図２Ａ中Ａ−Ａ断面で切断した断面図を示す。
【００１２】
＜基材層２＞
図２Ａにおいて基材層２は横方向の基材層２ａ、及び縦方向の基材層２ｂが交互に積層された積層構造体であり、基材層２ａ、基材層２ｂ共に熱可塑性材料によって構成されている。なお、縦方向の基材層２ｂは図２Ａ中で奥の層に存在し、表面には出ていない点に留意されたい。図２Ａ、図２Ｂでは基材層２（２ａ，２ｂ）は直交する直線状である熱可塑性材料（特許請求の範囲における「線状樹脂」の一例）で構成されている。同一層内に存在する複数の直線状である熱可塑性材料間には、空隙２１が設けられる。すなわち、全体として格子状の形状となっている。
【００１３】
換言すると、基材層２は、複数の層が積層された積層構造体であって、各層は、それぞれ並列する複数の線状樹脂からなる、ここで、図２Ａ、図２Ｂでは具体例として直交する直線状の構成を示しているが、形状を限定するものではない。直線の場合であれば任意の角度で交差しても良く、また曲線状の集合体でも構わない。
【００１４】
図２Ｂに示す断面図では上から下に凹んだ形状を示している。形状の変化の態様は限定されるものではなく、熱可塑性材料が変形可能となる熱可塑性温度範囲で変形させた後に温度を下げることで、形を固定化することができる。
【００１５】
基材層２には形状記憶ポリマー（Ｓｈａｐｅ  Ｍｅｍｏｒｙ  Ｐｏｌｙｍｅｒ：ＳＭＰ）などの形状記憶材料を使用することが可能である。形状記憶ポリマーは、形状記憶特性を有する材料であり、所定の回復温度（ガラス転移温度：Ｔｇ）以上に加熱することで弾性によって原形状に復帰する特性を有する。ガラス転移温度Ｔｇは、例えば３０〜１００℃であり、具体的には例えば３０、３２、３４、３６、３８、４０、４２、４４、４６、４８、５０、５２、５４、５６、５８、６０、６２、６４、６６、６８、７０、７２、７４、７６、７８、８０、８２、８４、８６、８８、９０、９２、９４、９６、９８、１００℃であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。
【００１６】
基材層２に形状記憶ポリマーを使用する場合、Ｔｇを超える温度で外力を加えて２次形状に賦形し、外力を維持したままＴｇ未満の温度に冷却すると２次形状が固定される。Ｔｇ未満の温度では、外力を取り除いても原形状に復帰しない。一方、Ｔｇを超える温度に加熱し、外力を加えない状態にすると、弾性によって原形状に復帰する。原形状は例えば形状記憶ポリマーを溶融させた状態で成形する３Ｄプリンタを用いて所望の形状に成形することが可能である。形状記憶ポリマーとしては、ゴム弾性を有するポリマーが挙げられ、例えば、ポリノルボルネン、トランスポリイソプレン、スチレン−ブタジエン共重合体、ポリウレタンなどが挙げられる。
【００１７】
形状記憶ポリマーを用いた基材層２を、例えば医療用固定具に利用することができる。人体の各部位に対応した平均的な形状を原形状とすることで、個々の患者に対応した微調整を繰り返し実施することが可能となる。
【００１８】
形状記憶ポリマーは単独で使用することもできるが、形状記憶特性を損なわない限り、別の成分を含んでいてもよい。形状記憶ポリマー以外の成分としては、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィンなどの樹脂やフィラーなどが挙げられる。形状記憶特性を積極的に活用する場合、基材層２中の形状記憶ポリマーの割合は、例えば５０〜１００質量％が好ましく、具体的には例えば５０、５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８、５９、６０、６１、６２、６３、６４、６５、６６、６７、６８、６９、７０、７１、７２、７３、７４、７５、７６、７７、７８、７９、８０、８１、８２、８３、８４、８５、８６、８７、８８、８９、９０、９１、９２、９３、９４、９５、９６、９７、９８、９９、１００質量％であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。このとき、基材層２全体としての回復温度は、通常、形状記憶ポリマーのガラス転移温度と一致する。
【００１９】
＜被覆層３＞
被覆層３は、基材層２の少なくとも一部を被覆するように配置される。図２Ａ、図２Ｂでは、基材層２（２ａ、２ｂ）間の全ての空間を被覆層３で充填しているが、必ずしも構造体１の全領域を被覆層３で充填する必要はなく、一部領域のみを被覆する事も可能である。
【００２０】
被覆層３には熱可塑性を有しない非熱可塑性材料が用いられる。熱可塑性を有する基材層２が柔らかくなる高温であっても、被覆層３は高い弾性率を保つ点が重要である。
【００２１】
被覆層３にはセメントや石膏など無機材料も使用可能であるが、医療用固定具などでは脆弱性が小さく、適度な柔軟性を有する樹脂が好ましい。製造方法は後述するが、先に基材層２を形成した後、基材層２の空間に被覆層３を充填する方法を取ることができる、ＵＶレジンなどの光硬化型樹脂や常温硬化樹脂を用いることができる。ＵＶレジンとしては具体的には例えば、ラジカル硬化型としてアクリレート系モノマー・オリゴマー、カチオン硬化型として脂環式エポキシ、グリシジル型エポキシ、オキセタン化合物、ビニルエーテルモノマーなどが、また常温硬化樹脂としては２液混合型エポキシレジンなどが利用できるが、これらの材料に限定されるものではない。
【００２２】
換言すると、基材層２は、複数の孔を有し、被覆層３は、複数の孔の少なくとも一部を被覆することによって構造体１の形状を維持可能に構成される。
【００２３】
２．構造体１の製造方法
構造体１の製造方法を工程順に図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、図４Ｂに示す。図３Ａ、図３Ｂが基材層２の製造工程で、図４Ａ、図４Ｂが被覆層３の製造工程である。以下、図面に沿って説明する。
【００２４】
＜基材層形成工程＞
図３Ａでは３Ｄプリンタにより基材層２を形成している。ここでは、例としてノズルＮＺを水平に走査し、熱可塑性材料である基材層２の原料を加熱した状態でノズルＮＺから線状に吐出し線状樹脂を形成している。同一水平面となる層内では熱可塑性を有する線状樹脂は延伸方向を同一として並列に位置し、異なる層毎に直交させた上で積層することで、基材層２（２ａ、２ｂ）を格子状に形成し、基材層１次形状造形工程としている。ここでは線状樹脂を格子状に積層した形状を１次形状としているが、これに限定されるものではない。
【００２５】
続いて、図３Ｂに示す通り基材層２を所望の外形となるように外力を加える。図３Ｂでは上部から凹ませる様に外力を加え、基材層２次形状賦形工程としている。基材層２が一般的な熱可塑性材料である場合は、柔軟性がある融点近傍で、基材層２に形状記憶ポリマーを使用する場合はガラス転移温度Ｔｇを跨ぐ形で外力を加え続けることにより２次形状を形成する。なお、第１節で記述した通り基材層２としての最終形状である２次形状は限定されず、任意の形状を取ることができる。
【００２６】
図３Ａ、図３Ｂでは基材層１次形状造形工程と基材層２次形状賦形工程を分けた場合を説明したが、３Ｄプリンタで造形する際に、ノズルＮＺを水平走査だけでなく、別のノズルＮＺによって垂直走査も同時に行うことにより、基材層２の形成工程を１つの工程にまとめることも可能である。
【００２７】
＜被覆層形成工程＞
基材層２の形成工程が完了した後に被覆層３を形成する。ここでは例として被覆層３材料にＵＶレジンを使用するものとしている。図４Ａに、被覆層３の硬化前原料である液体樹脂３１に基材層２を含浸している様子を示す。基材層２の空隙の大きさと液体樹脂３１の粘度の調整により基材層２の空隙２１に液体樹脂３１を行き渡らせることが可能である。図４Ａでは、液体樹脂３１に基材層２を含浸させた場合を示しているが、基材層２が薄い場合や構造体１の表面のみに被覆層３を形成したい場合などでは、液体樹脂３１を塗布することも可能である。
【００２８】
基材層２に液体樹脂３１を含浸させた構造物に紫外線を照射して硬化させている様子を図４Ｂに示す。ここでは被覆層３の材料例としてＵＶレジンを使用したため、紫外線照射としている。また、光硬化型樹脂なら硬化に適した波長の光照射、常温硬化型樹脂なら硬化が進むまでの常温放置することで被覆層が形成でき、構造体１が完成する。
【００２９】
３．構造体１の医療用固定具への適用
構造体１を医療用固定具として、足首ＦＴの取り外し型ギプス（シーネ）に応用した例を図５に示す。ここでは基材層２（不図示）には形状記憶ポリマー、被覆層３（不図示）にはＵＶレジンを使用している。踵部を含む複雑な形状である足首ＦＴの患部に対して高い密着性を有するギプスが造形できている。
【００３０】
４．第２の実施形態
第４節では、第２の実施形態に係る構造体１について説明する。すなわち、次のような態様によって、本実施形態に係る構造体１をさらに創意工夫してもよい。
【００３１】
前節までの説明では基材層２形成後の空隙を全て被覆層で充填していたが、基材層２における空隙の大きさや被覆層３を形成する際の液体樹脂３１の粘度を調整することにより、完成後の構造体１として多孔性を有することも可能である。換言すると、被覆層３は、複数の空孔４を有し、構造体１が多孔性を有するように構成される。
【００３２】
図６Ａに、複数の空孔４を具備し、全体として多孔性を有する第２の実施形態に係る構造体１の部分拡大した表面図を示す。また、図６Ａ中Ｂ−Ｂで切断した断面図を図６Ｂに示す。ここでは水平方向、垂直方向ともに外界と通じる空孔としているが、基材層２の粗密を層毎に調整するなどの手法により空孔の方向性を限定することも可能であり、弾性率に異方性を持たせることができる。
【００３３】
さらには、基材層２を形成する際に閉じた空間を予め用意し（不図示）、被覆層３が入り込まない構成とすることもできる。基材層２と被覆層３及び空隙の堆積割合を変化させることで、構造体１全体としての弾性率を調整することが可能となる。
【００３４】
５．結言
以上のように、本実施形態によれば、造形時の形状自由度が高い構造体において、高温においても高強度を維持することが可能な、構造体１を実施することができる。
【００３５】
かかる構造体１は、基材層２と被覆層３とを備え、前記基材層２は、熱可塑性を有する熱可塑性材料から形成され、ここで前記熱可塑性材料は、外力を加えることによりその形状が可変に構成されるもので、前記被覆層３は、熱可塑性を有しない非熱可塑性材料から形成され、前記基材層２の少なくとも一部を被覆することによって当該構造体の形状を維持可能に構成される。
【００３６】
また、構造体において、造形時の形状自由度が高く、高温においても高強度を維持することが可能な構造体１の製造方法を実施することができる。
【００３７】
かかる製造方法は、構造体１の製造方法であって、基材層２形成工程と、被覆層３形成工程とを備え、前記基材層２形成工程では、熱可塑性を有する熱可塑性材料を３Ｄプリンタで積層させて前記構造体における基材層２を形成し、前記被覆層３形成工程では、前記基材層２の少なくとも一部に、熱可塑性を有しない非熱可塑性材料を含浸又は塗布し、続いて、前記非熱可塑性材料を硬化させて前記構造体１における被覆層３を形成する。
【００３８】
最後に、本発明に係る種々の実施形態を説明したが、これらは、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。当該新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。当該実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３９】
１    ：構造体
２    ：基材層
２ａ  ：基材層
２ｂ  ：基材層
２１  ：空隙
３    ：被覆層
３１  ：液体樹脂
４    ：空孔
ＮＺ  ：ノズル
ＦＴ  ：足首
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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