光造形アディティブ・マニュファクチャリングによるバイオセラミック製インプラントの作製
桐

.

は じめ

原聡

秀に

光造形は任意形状の断面を積層して複雑形状の立体を構築する加工法である．金属やセラミックスのナノ微粒子を分散した光硬化性樹脂をガラス基板上へ薄く塗布し，表面へのレーザ描画もしくはマイクロパターン露光により任意形状の硬化断面を形成しつつ，積層により複雑形状の構造体を精密作製する．得られる複合材料の前駆体に脱脂および焼結処理を施せば，金属やセラミックス製の機能性構造体を自在に作製することも可能である．これまでに，バイオセラミックス製の生体インプラントをはじめ様々な機能性セラミック部材の開発を進めてきた．幾何学的構造により特異な機能を発現さ

図1

光造形アディティブ・マニュファクチャリングの原理．

せるための空間パターンの設計など基盤となる考え方を含め，光造形プロセスの基礎理論から応用展開までを紹介する．の高いセラミック粒子を分散し，マイクロ波を強く反射する.

セラミック造形

フォトニッククリスタルや吸収するフォトニックフラクタルに関する研究開発を進めた．両者は電磁波機能材料として応光造形法のプロセス概要を図に示し工程を以下に述べ

用物理の分野で理論が提唱され，シミュレーション上で優れる．紫外線照射により重合硬化する液体樹脂を容器に入れ，た効果が示唆されていたが，工学的に実現性のある製造プロ機械的に昇降する金属平板ステージを液中に沈める．ステーセスが見当たらず実用化の目算は立っていなかった．つまりジ上面と樹脂液面を一定距離に保ち，紫外線レーザを照射す

光造形法を用いることで電磁気機能の実証実験に初めて成功

ると焦点部分が重合硬化する．ビームを走査して任意の図形した事例である(5)(6)．

を描くとステージ上に薄い固体面が形成される．ステージを2005 年頃からは更なるプロセス技術の改良を進めるとと樹脂液中へさらに降下させて再び紫外線レーザ描画を行う

もに，金属ならびにセラミック部材の実用造形に着手した．と，前段の固体面上に新たな硬化層が形成されると同時に両図のごとく紫外線硬化性の液体樹脂へ金属やセラミック製者が接合される．ステージ降下と紫外線レーザ描画を繰り返のナノ微粒子を高濃度に分散し，ペースト状に調整した素材せば，複雑形状の樹脂モデルを精密かつ高速に作製できる．

を造形に用いる手法を考案した．光造形装置のステージ上に以上の成形手法は十数年前にラピッドプロトタイピングの名微粒子ペーストを平滑塗布し，紫外線レーザ照射により任意称で世に出た技術であり，近年ではアディティブマニュファ形状を描画して 2 次元断面を形成した．塗布と描画を繰りクチャリングとして工業的に分類され， 3D プリンタの一種返して積み重ねることで各層を接合し，複雑形状の 3 次元として汎用装置が出回り現在に至る(1)(4)．

構造を精密に作製した．樹脂製の構造体に微粒子を高濃度に2000 年頃には液体樹脂へ金属やセラミックス製の微粒子分散させることが可能になり，脱脂ならびに焼結処理を経てを混合することを我々が発案し，機能性複合材料の創製プロ金属ならびにセラミック製の実用部材が得られるようになっセスとして確立した．エポキシ樹脂へ酸化チタンなど誘電率た(7)(8)．当該プロセス装置は産学連携により得られたもので大阪大学接合科学研究所教授(〒5670047 茨木市美穂ヶ丘111)Fabrication of Bioceramic Implants by Stereolithographic Additive Manufacturing; Soshu Kirihara(Joining and Welding ResearchInstitute, Osaka University, Ibaraki)
Keywords: stereolithography, additive manufacturing, nanoparticles resin paste, bioceramic implant, dental ceramic crown
2017年11月30日受理[doi:10.2320/materia.57.155]

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japan


図3
図2

微粒子ペーストを用いた光造形法．

あり，大阪大学との共同出願として知的財産の取得も果たした．

アルミナ粒子を分散したアクリル樹脂製造形体(a)(c)ならびにガラスコーティング処理を施した焼結体 (d)(f)．

焼結体の機械的特性を調査するために，光造形と粉体焼成により 4 mm × 20 mm × 1.2 mm の曲げ試験片を 12 本作製した．表面を研磨成形し 6 本の試料にはガラス浸透処理を施.

人 工歯冠した．歯科分野で使用されている La2O3 ・ B2O3 ・ Al2O3 ・SiO2 系ガラス( VITA In Ceram 社製 Alumina Glass Pow-

歯科治療においてセラミックス製人工歯冠の需要が高まっder )を表面に塗布し 1100 °C 2 h の加熱後にブラスト処理でており，オールセラミッククラウンと呼ばれるインプラント余剰ガラスを除去した．図 3( d )( f)が示すようにガラス浸は，天然歯の色調が再現可能で金属アレルギー等の歯周組織透前後において形態変化は見られず，ビッカース硬度は標準への悪影響が少なく生体親和性が良好である(9)(10) ． Al2O3

的な Al2O3 焼結体と同等の約 1600 Hv を示した． 3 点曲げ粉末を分散したアクリル樹脂で実際の歯冠形状を作製し，光試験を行ったところ，ガラス浸透後の強度は 800± 11 MPa造形の形態再現性を確認した．また，精密成型した前駆体にで ISO6872 歯科用セラミックの基準を満たし，臼歯部の人脱脂焼結を施してフルセラミック人工歯冠を作製し，機械的工歯冠における実用強度 400～800 MPa を達成した(11)．

強度を踏まえた検討も行った．
グラフィック・ソフトウェア(マテリアライズ社製Mag-.

人 工 海 綿 骨ics)を用いて，上顎左側 6 臼歯の 3 次元構造を 2 次元断面の集合体に変換し造形装置に転送した．ステージ上に層厚 30

事故や病気が原因で臓器や組織が欠損もしくは機能が不全mm で塗布したペースト表面に波長 355 nm の紫外線レーザとなった場合に，人工的に培養した臓器や組織をはじめ機能で描画し，得られた任意形状の 2 次元硬化層を387層積み重を代替する材料や機械を用いて，状態を回復させる医療分野

ね，複雑形状の 3 次元の人工歯冠モデルを造形した．ペーが再生医学である(12)．その中で骨の欠損における有効な治スト素材としては，平均粒径 170 nm の Al2O3 粉末を体積割

療法は人工骨移植であり，体の他部位から採取された自身の合40で分散した光硬化性のアクリル樹脂(JSR 社製KC骨である自家骨や，ドナーや骨バンクから提供される他人の1159)を用いた．

人間骨である同種骨をはじめ，動物の骨やサンゴなど生物由得られた造形体を昇温速度 0.1 °C / min で加熱し 600 °C 2 h来も素材として用いられてきた(13) ．しかしながら自家骨はの脱脂を施した後に，昇温速度 8 °C / min で加熱し 1500°
C 2

採取量に限界があり，同種骨には拒絶反応やドナー選定などh の焼結を施した．図に人工歯冠の造形体と焼結体の写真の課題が未だ残されている．生物由来材料の利用に関してを 示 す ．造 形 体 は重 合 硬 化を 経 て 3 次 元形 状 を 保っ て おは，感染症の不安をはじめ生体親和性が人間の骨よりも低い

り，内部でセラミック粒子が均一に分散していた．設計モデ点が指摘されていた．また，移植した材料内部の骨再生量もルの複雑形状は精密に再現されており，層間剥離や積層によ非常に低いことから，移植材料と自家骨との強度差から生じる段差は認められなかった．造形体と焼結体の形態に大きなる骨折が懸念されていた(14) ．現在では，リン酸カルシウム変形は見られなかった．焼結体の表面を走査型電子顕微鏡でを主成分とした生体活性セラミックスとして，周囲の骨組織観察したところ，結晶粒径は約 2 ～ 4 mm と均一であり過度と接合しやすく比較的強度も高いハイドロキシアパタイトの粒成長は観察されなかった．焼結密度をアルキメデス法でHAp(Hydoroxyapatite)や，一定期間の自然な代謝活動によ測定したところ，相対密度 98 を示し十分な緻密化が確認

り骨組織に置換吸収される b 型リン酸三カルシウム bTCPされた．

( Beta Tricalcium Phosphate )などが，人工骨インプラント

ミ ニ 特 集図4

ハイドロキシアパタイト製海綿骨構造(a) モデル，(b) 光造体物，(c) 焼結体．の構成素材として主流となっている．
人工骨には細胞や組織が侵入する微小な空洞や気孔が必要

図5

傾斜構造を有する人工海綿骨における生体液の流体プロファイル．

工骨インプラントとして図 4 ( c )が脱脂焼結を経て得られた．異なるアスペクト比を持つ格子配列が導入され，気孔率であり，それらが内部まで侵入する海綿構造が理想とされて53 ～ 80 の傾斜構造が実現されている．熱処理にともなういる．したがって，インプラント部材において気孔率を制御

線収縮は水平方向には 23 であり垂直方向に 25 であっすることは非常に重要である．気孔サイズが大き過ぎると人た．これらの寸法変化については，モデル設計に数値をフィ工骨と自家骨で強度差が生じて破損しやすくなり，小さ過ぎードバックし所望の構造へと導ける．焼結助剤は使用していると細胞の侵入を阻害して骨再生が困難になる上に，骨置換ないが，組織に異常粒成長は見られず粒径は均一であり，相速度が速すぎて欠損部を充填できない可能性も生じる(15) ．

対密度は98に達することがアルキメデス法で確認された．

複雑な 3 次元ポーラス構造を内包するインプラント部材の人工骨インプラントにおける生体液の流動性については，精密作製には，従来の紛体焼成プロセスでは困難が予想され有限要素シミュレータ(サイバネットシステムズ社製 AN-たため，我々の研究グループは光造形法と流体解析シミュレ

SYS)を用いて解析した．生体液を層流で非圧縮性のニューーションを駆使し，最適な体液循環を実現し得る傾斜気孔人トン流体として仮定し，傾斜構造中の流体プロファイルを可工骨の作製を検討した．

視化して図に示す．密度 1000 kg/m3 で動粘性係数 1.45×海綿状のポーラス構造を内包する人工骨モデルとして，図10－3 Pa･ s の流体を流入速度 0.235 mm /s ならびに流出面圧

(a)のごとく傾斜型デンドライト構造を設計した．円柱格力 0 atm で海綿構造へ導入し，すべりなしの境界条件を設定

子を等間隔に接続させた配位数 4 の格子構造を基本パターした(16)(17) ．人工骨内の流体速度が 1000 mm / s 以上になるンとして，アスペクト比の幾何学的な制御によりインプランと，せん断力により骨形成細胞の付着が阻害されるとの報告

ト部材における気孔率を傾斜させた．一般的な人体骨は内側がある．傾斜構造を有するデンドライト型の人工骨では，流の多孔質体である海綿組織において，外側の緻密骨に向かい体が適切な速度で全体に分散されていることが確認できる．

気孔率が 50 ～ 80 の範囲で連続的に傾斜している．光造形

骨芽細胞を良好に成長させ得ると考えられ，人工骨を生体埋においては成型用のペースト素材として，粒径 520 mm の入する将来の医療応用にも期待が持てる．

HAp 粉末(太平化学産業社製 Hap 200)を分散したアクリ.

ル系の紫外線硬化樹脂を用いた．混合には自転公転式ミキサ

おわりにー(シンキー社製AR250)を用い，処理時間 5 min および1 min の攪拌と脱泡を 1 セットとして，凝集体が確認できな

光造形法に関するプロセス原理ついて解説するとともに，くなるまで数回処理を続けた．光造形された複合材料の前駆

バイオセラミックス製のインプラントを作製した事例を紹介

体には，昇温速度 1 °C/min で処理温度600°Cまで加熱して保した．人工歯冠の作製においては形状の付与のみならず，機持時間 2 h の脱脂を施し，構造体中の樹脂成分を燃焼分解し械的な実用強度の発現にも成功した．人工海綿骨の作製におた．さらに，昇温速度 5 °C / min で処理温度 1250 °C まで加熱いては傾斜型のポーラス構造を再現し，生体液の効果的な分して処理時間 2 h の焼成を施し，バイオセラミック製の海綿散に期待が持てることを示した．光造形法は計算機支援の設状ポーラス構造を得た．

計・製造・評価プロセスにより，自在な構造形成を実現でき光造形ならびに粉体焼成プロセスにより作製した，傾斜ポる手法である．紫外線硬化性樹脂へ分散するセラミック微粒ーラス構造を内包する人工骨モデルを図 4 に示す．構造設子の種類を検討することで，多様な素材を用いた部材が可能計モデルである図 4( a )にしたがい，光造形サンプルとしてとなるため，医療分野への更なる貢献についても大いに期待

図 4(b)が誤差 50 mm 以下で精密に成型された．さらに，人をしている．

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japan



文

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(17) A. J. F. Stops, et al.: J. Biomechanics, 43(2010), 618.
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1999 年

桐原聡秀

茨城大学大学大学院理工学研究科博士後期課程修了
2003年 大阪大学接合科学研究所，助手
2005年 大阪大学接合科学研究所，准教授
2017年 大阪大学接合科学研究所，教授
専門分野材料工学，構造構築工学◎微粒子ペーストを用いた光造形プロセスを用いて，金属ならびにセラミック製の構造体を作製し，幾何学構造による機能発現をめざして活動．

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ミ ニ 特 集