3D ゲルプリンターが開拓する
医療・福祉のためのデザイナブル材料科学
佐々木寛之
川上1).


は じめ勝
古 川 英 光2)3)にゲルとはゲルとは，高分子の網目が架橋することで立体的な網目構造を形成し，水などの溶媒を含んだ物質である(図)．固体と液体の中間の状態をとる物質であり，組成などの要因により，粘性のある液体から，固い個体まで様々な形態をとりうる．他方で機能という点から見ると，生体組織のような柔軟

図1

ゲルの分子構造．

性と頑強さを併せもち，外界とエネルギー・物質のやり取りができる開放系の材料という面も持っている．このようなユニークな特性を持つ材料でありながら，その壊れやすさや脆

ing Network structure Gel, ICN ゲル)および透明形状記憶ゲ

さゆえに，これまでゲルの用途は高吸水性樹脂，イオン交換ル(Transparent Shape Memory Gel, TSMG)を，高強度ゲ樹脂，ソフトコンタクトレンズなどに限定されていた(1)．
ルの開発史を通して紹介するとともに，3D ゲルプリンター技術あるいは 3 次元ゲル造形物の医療・福祉への有用性を3D プリンター紹介する．

3D プリンターは 3 次元のデータを元に印刷(造形)する装.

置であり， 3D データを直接造形することで，入れ子構造，中空構造などの射出成型ではこれまで困難とされてきた形状を造形することを可能とした．これまでに開発されている

高 強 度 ゲ ル

Double Network Gel(DN ゲル)

3D プリンターの印刷方式には，光造形方式，熱溶解積層方

上述したようにゲルはその脆さゆえに造形に制限があり，式，粉末焼結方式，インクジェット方式などがある．登場時造形物が限られてしまうという課題があった．しかし，近年はもっぱら製作現場における試作品の作成に用いられてきたでは以下で述べるダブルネットワークゲル(Double Networkが，現在では性能の向上，低価格化等にともない，様々な分Gel, DN ゲル)をはじめとし，日本を中心として様々な高強野(自動車，医療機器，航空宇宙， MEMS など)での普及が度ゲルが開発され，新しい工業材料として注目されている．
DN ゲルとは，その名の通り 2 種類の高分子が互いに入り始まっている．
3D プリンターで使用される材料は主にプラスチック樹脂組んだ網目を形成したゲルである(図(a))(2)(4)．

や金属などが挙げられるが，我々は「ゲルを材料とする 3D第 1 段階として，側鎖が強電解質であるゲルを合成すプリンター」( 3D ゲルプリンター)を開発している．そしる．解離したイオンが浸透圧差を生じさせ，網目は大きく膨て，この 3D ゲルプリント技術を用いて医療・福祉分野に活潤し，強い剛直性を持つようになる．第 2 段階として，中用出来る造形物の作製を行っている．

性で柔らかい網目を持つモノマーを第一段階のゲルに浸潤さ

本稿では 3D ゲルプリンターの材料となる 3 種類のゲル，微粒子ダブルネットワークゲル( Particle DoubleGel,せたのちに，これを架橋する．このようにして合成されたゲNetwork

ルは含水率 90 にもかかわらず 40 MPa という高い破断応

PDN ゲル)，相互架橋網目構造ゲル(InterCrosslink-力を持つ(図 2( b ))． DN ゲルは 2003 年に開発されたゲルで山形大学大学院理工学研究科機械システム工学専攻1)研究員 2)准教授 3)教授
Designable Materials Science for Medical and Welfare Pioneered by 3D Gel Printer; Sasaki Hiroyuki, Kawakami Masaru and Furukawa
Hidemitsu (Department of Mechanical Systems Engineering, Graduate School of Science and Engineering, Yamagata University,Yonezawa)
Keywords: 3D Gel Printer, SWIMER, PDN Gel, ICN Gel, SMG, Designable Gel
2018年 1 月24日受理[doi:10.2320/materia.57.159]

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japanこれは未反応の光硬化性ゲル水溶液をバスタブと呼ばれる容器に入れ，光ファイバーを溶液内部に差し込み，溶液内の決められた座標へ配置させたファイバーの先端部から UV光を照射し，これを XY 方向へ走査する．一層の造形が完了したら，ステージを Z 方向に降下させ，再び XY 方向への造形を行う．これを繰り返すことにより，ゲルの 3 次元自由造形を行う．現在の開発機における UV 光のスポット径，Z 方向の積層ピッチは共に 500 mm である．
図 2 (a)DN ゲルの分子構造および(b)DN ゲルに対する破断実
験(強い局所圧力を加えても砕けることなく，元の形状に戻る．
）．

造形は常に液中で行われるので，ゲルを空気中に置いた際に見られるような，乾燥による変形の問題が起こらない(7)．
また造形されたゲル部分はバスタブ下部に沈み込み，未反応あるが，いまだに世界最高の強度を誇る．
ゲルの自由造形

しかし，DN ゲルは強い強度を持つ一方で，切削による加工に難がある．そのため型を作成してゲル未反応溶液を流し溶液とほぼ同じ密度を持つため，重力による変形が抑えられるため，ほかの方法で見られるような，造形物を支えるサポートと呼ばれる部材を作成する必要がない．
SWIMER の材料「PDN ゲル」込み，その後架橋重合させることになるが，この方式では中SWIM ER は材料として微粒子ダブルネットワークゲル

空構造を作ることが難しく，また膨潤によりサイズの調整が(Particle
Double Network Gel, PDN ゲル)を使用している．

必要になるという問題点が生じる．

PDN ゲルとは，上述した，DN ゲルにおける第 1 段階のゲ

そこで我々は 3D プリンターの技術をつかってゲルの自由ル(硬化状態)を微粒子状に粉砕し，これを第 2 段階の未反造形を行う研究に着手した．そして後で述べるような様々な応ゲル溶液に膨潤させ，この膨潤したスラリー状溶液を光照プロトタイプを造形することに成功している．次項で我々が射によって硬化させたものである(図 3 (b ))． P DN ゲルは開発した 3D ゲルプリンターについて説明する．

従来の DN ゲルと同等の力学特性を持ちながら，高精度な自由造形が可能な材料である．

. 3D ゲルプリンター

3D ゲルプリンター「SWIMER｣(5)(6)

現在，山形大学工学部機械システム工学科ソフトウェッ
トマター工学研究室は 3D ゲルプリンターの開発を企業と合同で行っており，プリンターの制御はサンアロー株式会社，ゲル材料の改良は JSR 株式会社が担当している．



SWIMER による中空構造のゲル造形物

図は SWIM ER で造形した中空構造のゲルの写真である．先にも述べたようにサポート材を作ることなく中空の物体を作成することができる．
ゲル溶液は照射するレーザーの強度や走査速度を変えることで，架橋密度，すなわちゲルの硬度に差を持たせることが2014 年度末には国立研究開発法人新エネルギー・産業技できる．これを利用して，部位によって異なる感触を持つ造術総合開発機構( NEDO )の「 SIP (戦略的イノベーション創形物の作製が可能になる．これは臓器モデルなどの製作の際造プログラム)/革新的設計生産技術」に採択され，さらに開に，肝硬変や腫瘍のしこりなどを再現したモデルの作成を可発が進んでいる．

能とする技術になると期待される．

現在開発中のプリンターは複数の方式があるが，はじめに光造形方式による 3D ゲルプリンター「SWIMER; Soft andWet Intelligent MatterEasy Realizer」(図(a))について説

吐出型 3D ゲルプリンター

吐出型 3D ゲルプリンター(図)は，造形物とサポートを同時に積層していく方式のプリンターである．UV 硬化樹脂明する．

図3
(a)3D ゲルプリンター SWIMER および(b)PDN ゲルと SWIM
ER を用いたゲル造形物作製工程．

ミ ニ 特 集図 6 (a ) ICN ゲルおよび(b) ICN ゲル造形物の特性(透明度が高く，高強度を持ち，引っ張り，ねじり，圧縮に強い．
）．
図 4 SWIMER を用いて造形された，中空構造を持った高強度ゲルの構造物．

図 7 吐出型 3D ゲルプリンターによる造形．
(a)電動義手の指の腹部および(b)骨の入った指．
図5

吐出型 3D ゲルプリンター．

を径 500 mm 前後の吐出ノズルから押し出し，一層の造形ごとに UV 照射によって固める．この繰り返しで外殻部を積層し，ある程度の高さに来たらゲル溶液を内部に注入して，UV 照射で硬化させる．つまり外殻部が型のような役目を果たす．造形終了後は外殻材料を手で破壊して，中のゲルを取り出すことになる．


吐出型 3D ゲルプリンターの材料「ICN ゲル」

このプリンターで使用する材料は相互架橋網目構造ゲル(InterCrosslinking Network structure Gel, ICN ゲル)と呼図 8 SMG の分子構造．( a ) SMG の分子構造( DMAAm モノポリマーに SA が linking し，高強度ゲル状態を保つ(b)40°C以上での SMG 分子構造( SA が融解し， DMAAm モノポリマーのみのゲルとなり柔軟性を持つ）．

ばれる材料である(図( a ))． DN ゲルのように複数のポリマー種による網目構造を有するゲルであるが，異種のポリマー鎖が相互に架橋している点が異なる．これにより，高い延アクリル酸ステアリル(Stearyl Acrylate, SA)を配合したゲ性を持たせることが可能となる(図 6(b))．

ルである(図)．

図に，吐出型 3D ゲルプリンターによる造形物の例を示

この SA が DMAAm ゲルに相互架橋(crosslinking)しておした．電動義手の指の腹部(図 7(a))や，骨の入った指(図 7りゲルを高強度化している．SA はおよそ30～40°Cで融解す(b))を作製した．

るため，例えば40°C以上のお湯に浸すと SA のみが溶融し，



形状記憶ゲル「Shape Memory Gel, SMG｣(8)形状記憶ゲル(Shape

相互架橋が解消され DMAAm モノポリマーゲル状態になり柔軟性を持ったゲルになる．ここで例えば 20 °C 以下の水なSMG)は1995年にどに浸すことで SA が再度 DMAAm ゲルに相互架橋するた

Osada らによって発表された(8)． SMG は高分子の結晶性のめ， 40 °C 以上の柔軟な状態で形成した形状を保ったまま保側鎖の相転移によって可逆的に硬さが変化するという特徴を存することが出来る．更に 40 °C 以上のお湯などに浸せば元持つ．SMG のメカニズムはかなり複雑で未だその詳細が不の SMG 状態に戻すことが可能であり，使用用途にもよるが明な点もあるため，簡単ではあるがその特性を説明したいと

SMG そのものの強度が許す限り，ほぼ無限に再利用できる思う．という非常に有用な利点を有している．この現象に関してはMemoryGel,

SMG の 構 造 は N,N ジ メ チ ル ア ク リ ル ア ミ ド ( N,N 
Dimethylacrylamide,DMAAm)によるモノポリマーゲルに

ま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japan

次に述べる透明形状記憶ゲル(TSMG)の説明と合わせて述
べたいと思う．



図10

.
図 9 SMG の形状記憶特性(TSMG を使用)．
(a)TSMG の初期状態 (b)高温のお湯(約40°C)に浸した後，自由に形状を変化させ，水に浸し自由造形状態を保存できる(c)再度，高温のお湯に浸すことで元の状態に戻すことが可能である．

3D プリントされた TSMG 眼内レンズ(6)．

医療および福祉分野へ期待される効果

以上紹介した 3D ゲルプリンターがどのような場面で利用されるのか，また社会にどのような波及効果があるのかを考えていきたい．


医療現場での応用

3D プリンターは特に医療分野での応用が期待されている．
SMG は多くの研究者により更なる開発やさまざまな分野

T SMG の紹介の際に眼内レンズへの応用を紹介したが，への応用を試みられ成果を得た(9)．しかしながら，これまで3D ゲルプリンターが医療分野へ応用されている例を他の臓に開発された形状記憶ゲルは，不透明で脆いという弱点があ器モデルの製作例を用いて更に紹介していきたいと思う．

り造型物作製や臨床医学分野への応用に対しては未だ難点を有したままである．


透明形状記憶ゲル「 Transparent

これまで手術現場では， CT や MRI 画像といった平面画像，もしくは再現された CG 像をもとに，医師が臓器の形やShapeMemoryGel, TSMG｣(10)

患部の位置を把握し，そこで作られた頭の中のイメージと，経験や勘を頼りに手術を行っていた．しかし臓器の形，血管や腫瘍の位置といった情報が正確に表現されている臓器モデ

上述した SMG の弱点を解消すべく我々は透明度の高いルを作ることができれば，これをもとにより綿密な手術計画

SMG 作製に着手し，その開発に成功した．これは山形大学を練ったり，事前に手技練習を行ったりすることが可能になで独自に開発された新たな透明 SMG ( TransparentShapeる．また患者に手術の説明を行う(インフォームドコンセン

Memory Gel, TSMG)であり，これまでの SMG が有していト)際にも，患者自身の臓器モデルは非常に役に立つであろた不透明さや脆さという弱点を克服した機能性ゲルであう．

る(10)．その光学素子としての役割は大いに期待されている
(図)．


眼内レンズへの応用

実際に近年， 3D プリンターを用いた臓器モデルの製作がマスコミに紹介され，話題を呼んでいる．しかしながら，これらの臓器モデルの製作には，高価な 3D プリンター(およそ数千万円)と材料( 1 キロで数万から 10万円程度)を必要とTSMG の展開例の一つとして，眼内レンズの開発を挙げし，用いる材料も実際の臓器よりも固いといった問題点がある．上述したがこれまでの SMG では例えば白内障治療におる．そのため，プリンターのコストを大幅に下げ，材料にはいて，人工の眼内レンズを装着する手術は難しいとされてお人体と同じ硬さを持つものを使うことが期待されている．

り，高い技術を必要としていた．しかし，この T SMG をそのようなモデルを開発するための方法として，我々は，用いれば，レンズと，レンズを固定するループ部を小さく折ゲルを材料とした臓器モデルの開発を行っている．図は，りたたんだ状態で眼内に挿入し，その後に温度を上げること腎臓内部の血管や尿管部をプラスチック樹脂を用いて，またで，レンズとしての形に戻すことも可能であるため，手術を腎臓の形状をゲルを用いて造形された臓器モデルの試作例で容易に行える可能性が期待されている．この T SMG 技術ある．と，前述のゲル 3D プリント技術を組み合わせることで，患このモデルはゲルの溶液を腎臓の形をした鋳型に流し込む

者ごとにカスタマイズされた眼内レンズが製作可能になると方式で製作されているが，今後は上述したゲル 3D プリンタ期待している．図に 3D プリントした眼内レンズの写真をーを用いて，尿管や血管，腫瘍部，腎臓形状をそれぞれ違う示す．このほかにも， 3D プリント技術によって，さまざま硬さを持った，すべてゲルでできたモデルの開発を進めていな形状の T SMG が造形できることから，他分野への応用る．

も大いに期待されるところである．



ミ ニ 特 集ての説明を行い，次にそれらの今後の展開について我々の展望を述べた．個人個人のニーズに合わせた造形物作成を行うことができる点が 3D プリンターの強みの一つであり，その材料として，人の組成に近いゲルを用いることで，多くの分野において，製品開発，特に医療，看護，介護分野での製品開発が大きく進展すると我々は期待している．
また，我々は 3D プリンターを用いて作られるゲル造形物のことを「デザイナブルゲル」と呼ぶこととした． 2016 年
11 月には，我々は山形大学において，このデザイナブル技術をコアとするベンチャー会社「株式会社ディライトマター」を設立した．この大学発ベンチャー企業を窓口として，ユー
図11

開発中のゲル臓器モデル．

ザー(企業)にデザイナブル技術を利用してもらうことで，新製品開発，新市場の開拓を目指している．ゲルの活用を考えておられる方に，ディライトマター社をぜひ積極的に利用し義手への応用ていただきたい．

次の例として義手の製作をしめす．図 7(a)は近年 Exiii 株

最後に，本稿で紹介したゲルの自由造形技術，3D ゲルプ式会社が公表したオープンソースの義手「 HACKberry 」でリンターが，工学，産業，医療，福祉などのさまざまな分野ある．これは製作に必要な 3D データや回路図，プログラムで今後おおいに活用され，当分野の発展に寄与できることを等，すべてが公開され，誰もが安価で義手を製作できるオー願っている．

プンソース型のプロジェクトである．

文

我々はこの義手「 HACKberry 」のデータを元に，指先の献

腹の部品を 3D ゲルプリンターで制作した．ゲルの柔らかさ，吸着性を活かし，小さなものや重たいもの，滑りやすいものを掴み上げることができるようになった．
また ， 図 7 ( b )に は， 吐 出型 3D ゲ ルプ リ ンタ ー を用 いて，内部に骨(これも硬いゲルが用いられている)が入った指モデルをしめした．義手以外にも，介護ロボットの指などにこれを用いることによって，より人体に近い質感を持ち，安全性を高めたロボットの開発に 3D ゲルプリンターが貢献できると期待される．


社会・福祉分野への展開

これまで 3D プリンターは製造業において，試作に用いられることが多かったが，3D プリンター技術の進展により，航空・宇宙分野などでは最終製品を 3D プリンターで製作することが可能になってきている．また，装置が普及していくにつれ，他分野においても， 3D プリンターによって製品を直接製作する機会が増えていくであろう．そこでは個人のニーズに合わせたオリジナルな製品を多品種，少量造形されるということである．従来の 3D プリンターは金属やプラスチックが主な材料であったが，ここに，人間の肌に触れる部位の材料として適しており，そのため触感や硬さが，人の満足度により深く関わる「ゲル」が 3D プリンターの材料として( 1 ) 吉田 亮高分子ゲル，共立出版，(2004).
( 2 ) J. P. Gong, Y. Katsuyama, T. Kurokawa and Y. Osada: Advanced Materials, 15(2003), 11551158.
( 3 ) 中島 祐，聾 剣萍物性研究，93(2010), 551557.
( 4 ) J. Saito, H. Furukawa, T. Kurokawa, R. Kuwabara, S. Kuroda,
J. Hu, Y. Tanaka, J. P. Gong, N. Kitamura and K. Yasuda:
Polym. Chem., 2(2011), 575580.
( 5 ) H. Muroi, R. Hidema, J. P. Gong and H. Furukawa: J. Solid
Mech. Mater. Eng., 7(2013), 163168.
( 6 ) 古川英光日本機械学会2017年度年次大会講演論文集，2017,J0470405.
( 7 ) 岡田耕治，渡邊洋輔，斎藤 梓，川上 勝，古川英光ネットワークポリマー，37(2016), 8186.
( 8 ) Y. Osada and A. Matsuda: Shape Memory in Hydrogels,Nature, 376(1995), 219.
( 9 ) M. H. Kabir, J. P. Gong, Y. Watanabe, M. Makino and H.
Furukawa: JPS Conference Proceedings, 1(2014), 012048.
(10) H. Kumagai, K. Sakai, M. Kawakami, H. Furukawa, K.
Murase and T. Sunada: Microsystem Technologies, 24(2018),725731.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
佐々木寛之
2012年 山形大学大学院医学系研究科博士前期課程修了
2017年 山形大学大学院理工学研究科古川英光研究室研究員
2018年 4 月現職
専門分野生命工学◎ゲル材料および 3D ゲルプリンタティング技術を応用したゲル造形物の開発に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

加わることで，よりユーザーのニーズにマッチした製品が，3D プリンターを用いて試作，または最終製品の製作に用いることができ，医療，介護，在宅医療やロボット産業などの分野に大きなインパクトを与えることができると期待される．

.

お わりに佐々木寛之

川上勝

古川英光

本項では先ず 3D ゲルプリンターとゲルの自由造形についま て り あ 第57巻 第 4 号(2018)Materia Japan