研究成果報告[3] : ⾰新的⽣産・製造技術

デザイナブルゲルの⾰新的3Dプリンティング技術による新市場創出
研究開発責任者 ： 古川 英光 （⼭形⼤学）
実施機関：⼭形⼤学、JSR株式会社、サンアロー株式会社
SIP⾰新的設計⽣産技術公開シンポジウム2016
⽇時： 2016年11⽉14⽇（⽉）
場所： ヒューリックホール

SIP⾰新的設計⽣産技術が実現するデライトものづくり
ＳＩＰ⾰新的設計⽣産技術ではデライトものづくりの中でA.感性 B.潜在価値 C.複雑・迅速造形 D.⾼性能・新機能に集中的に取り組む

顧客価値（満⾜）

Ａ.感性

新しいものづくり＝ デライトものづくり

Ｂ.潜在価値

Ｃ.複雑・迅速造形

デライト性
喜び・魅⼒
驚き

Ｄ.⾼性能・新機能

従来ものづくり性能
品質
機能的価値（品質等）

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世界初! 3Dゲルプリンター

3D-CADデータ

先進的ゲル材料の⾃由造形が可能な世界初の3Dプリンタ

⾼強度ゲル3Dゲルプリンター
⾰新的ブレークスルー技術！ UV照射部分のみゲル化！

•造形モデルは3D-CADソフトで作製
化学×機械•型では作れない複雑・中空構造を迅速造形•⼭形⼤学で開発された先進的ゲル材料の3D⾃由造形が可能
R. Hidema, K. Sugita, H. Furukwa, Trans. J. Soc. Mech. Eng. (A), 77, 1002-1006 (2011)
H. Muroi, J. Gong, H. Furukawa, J. Solid Mech. Mater. Eng., 2013.

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⽣体組織は、⾻格（⾻、⻭等）を除いて、すべて軟組織から構成されている

軟組織の例：
血管、筋肉軟骨、腱、靭帯
生体軟組織は、水分を50〜80%も含んでいる

ゲル・・・つまりヒューマンフレンドリーデバイスとして、ゲルは必須
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⽣体軟組織固有の機能
関節軟骨

血管・物質透過性 〇・潤滑性〇・衝撃吸収性 〇・潤滑性〇

低摩擦係数 ～0.001⇒血管内外との物質のやり取り⇒滑らかな運動の確保

Hard & Dry材料

しかし、これまでの生体代替物はのみでできているため、これらの機能を有しない。ゴムでも実現できない。

人工関節・衝撃吸収 ×・潤滑性 △⇒運動の厳しい制限

人工血管・物質透過性 ×・潤滑性△⇒血栓形成

コンタクトレンズは1990年代にハードからソフトに急激に代わり今では90%以上がソフトに代わった。
ゲルによる酸素透過性、フィット感の向上が鍵。ゲルの特性が破壊的イノベーションを起こす！

6⾼強度ゲル従来のゲル

ダブルネットワークゲル（DNゲル）

含水率:90-95%
破断応力:0.1-1MPa

含水率:90%
破断応力:10-40MPa

大量の溶媒を含みながらもゴムや生体軟骨に匹敵する強度をもつゲルの創製に初めて成功 !

今、⾼強度ゲルを活かした、新しい機能性材料の研究がブームになりつつある。

Gong, J. P.; Katsuyama, Y.; Kurokawa, T.; Osada, Y. Adv. Mater. 2003, 15, 1155.7

⾼強度ゲルは低摩擦！

高強度・低摩擦を兼ね備えると？
耐荷重性
摩擦係数400kgf/cm2μ≒10-4 ということは・・・

400kg
40g

面積1cm2のゲルシートに、400kgの荷物を乗せても壊れず、この荷物は40gの力で動かせる！

1cm

ひざ関節の軟骨の機能に匹敵生体適合性もある！

⽇本発!
さまざまな⾰新的⾼強度ゲル
ResearchBackground
2001

2002

2003

環動ゲル

ナノコンポジットゲル

ダブルネットワークゲル

Okumura and ItoHaraguchi

Kurokawa, Gong, et al.

2008

2010

2011

2012

テトラPEGゲル

アクアマテリアル

相互架橋ゲル

透明形状記憶ゲル(山形大学)(山形大学)

Sakai, et al.

Aida, et al.

Takada, Furukawa, et al.

Yokoo, Furukawa, et al.

高強度ゲル研究は日本が世界を圧倒的にリード 9

⼭形⼤学発 3Dプリンタブルな先進ゲル
P-DNゲル（パーティクルダブルネットワークゲル）

ICNゲル
SMG
（相互架橋網⽬ゲル） （形状記憶ゲル）

結晶ゲル

ゲル粒⼦を⾼分⼦でつないで⾼強度化⼆種の相互架橋で⾼延性・⾼含⽔率

室温で塑性変形し加熱で元に戻る【P-DN Gel】Junji Saito, Hidemitsu Furukawa, Jian Ping Gong, et al., “Robust bonding and one-step facile synthesis of toughhydrogels with desirable shape by virtue of the double network structure”, Polym. Chem., 2, 575-585 (2010)【ICN Gel】 Go Takada, Ruri Hidema, Hidemitsu Furukawa, “Ultrahigh Ductile Gels Developed by Inter Cross-linking Network(ICN)”, J. Solid Mech. Mater. Eng., 6, 169 (2012)【SMG】⽇出間るり, 吉沢泰介, カイリビンナサルディン, 古川英光, “形状記憶ゲルの繊維強化による⾃⼰修復材料の創製” ,⽇本機械学会論⽂集Ａ編, 77, 764 - 768, (2011)10先進的ゲル材料(1)Research
Background 相互架橋網⽬ゲル
ICN Gel

⼆種類の異なる⾼分⼦間の相互架橋で⾼強度化

含⽔率96%でありながら破断伸び600%の⾼延性
Go Takada, Ruri Hidema, Hidemitsu Furukawa, “Ultrahigh Ductile Gels Developed byInter Cross-linking Network (ICN)”, J. Solid Mech. Mater. Eng., 6, 169 (2012)

先進的ゲル材料(2)Research
Background 透明形状記憶ゲル

室温冷却

加熱

元の形

元の形

元の形

変形
⽇出間るり, 吉沢泰介, カイリビンナサルディン, 古川英光, “形状記憶ゲルの繊維強化による⾃⼰修復材料の創製” , ⽇本機械学会論⽂集Ａ編, 77, 764 - 768, (2011)しかし、従来の⼯法では、加⼯は難しい
切削が難しい割れる

柔らかすぎて離型できない

形状が変わりやすい

従来の切削加工・注型加工が適用できない！
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ゲルを三次元直接造形する「バスタブ」⽅式プリンタ
高強度ゲルの原料

ゲルの乾燥粉末
UV光で溶液中に反応を起こす

3Dデジタルデータから造形された高強度ゲル3Dゲルプリンタ内部の反応槽「バスタブ」

水溶性アクリルモノマー、架橋剤、UV重合開始剤の水溶液

3D-CADで描いた、3Dデジタルデータ
3Dゲルプリンタ14先進的ゲル材料の⾃由造形を可能にする3Dプリンティング技術

ディスペンサ式
３Ｄゲルプリンター
テストユース機

3Dゲルプリンター
専用ゲルインク

３Ｄゲルスキャナー
バスタブ式
技術実証機
３Ｄゲルプリンター
プロトタイプ機

デザイナブルゲル
造形用ソフトウェアの開発

ゲル積層シミュレーション（粒子法）

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先進的ゲル材料で開発した3D造形物

高精細なゲルの３D造形物

骨入り指モデル3Dゲル眼内レンズ

高透明で柔軟なゲルの３次元自由造形		

直径200μｍ・高さ200μｍの円柱パターン

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⾰新的設計⽣産技術の実⽤化
・研究成果のツール化【ソフトウェア（プログラム等）、ハードウェア（装置等）】
・開発した技術等を拠点に設置し、活⽤事例の作成を中⼼に研究成果の実⽤化を進めていく
サテライト
拠点

ハブ拠点

【ハードウェア】
新機能・複雑造形等【ソフトウェア】
感性、潜在価値等

情報共有【イノベーションスタイル】
研究開発成果を使⽤した企業や個⼈ユーザの意⾒を得て新たな問題点を洗い出し、研究開発に迅速にフィードバックする、⼀連の試⾏錯誤を繰り返す仕組み【仕組の構築】拠点による成果普及

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最終⽬標

市場創出を可能にする“デザイナブルゲル”プラットフォームの構築
1. 3Dゲルプリンティングシステム普及機
ディスペンサ式システム（精度500μm (2016年計画、前倒し実現））
2. 3Dゲルプリンティングシステム特殊機
バスタブ式システム（精度50μm（2019年計画））
3. 3Dゲルスキャン技術の開発
走査型顕微光散乱（造形物内部構造の精度保証、アドイン化によるリアルタイム造形精度確認）

ユーザニーズの掘り起こし、ユーザに合わせた要素技術開発

デバイス、サービスを提供することで、新分野（医療、ロボット等）の進展に貢献し、同分野での新たな市場、ビジネスロールモデルを創出する 18

2016年11⽉1⽇ ベンチャー企業設⽴！
世界初！

3Dゲルプリンティング技術の⼤学発ベンチャー

本⽇11⽉14⽇ 午前10時に記者会⾒・プレスリリース

info@d-lightmatter.com

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新市場創出デザイナブルゲルの⾰新的3Dプリンティングシステムによる新分野の進展⽀援と新市場創出

経済・雇⽤・医療・福祉

ユーザとの共創研究開発責任者：古川英光 （⼭形⼤学）
実施機関：⼭形⼤学、JSR株式会社、サンアロー株式会社

オーダーメイド・カスタムメイド

ロボット・⼈⼯臓器の開発を⾰新する3D製造技術の実現
ユーザ

はかる人

⼤学発
社長
ベンチャー企業

つくる人
ロボット指先3Dゲルプリンタ

つくる！

はかる！

⾼強度ゲルゲルスキャナ
iPS細胞3D培地
ソフト臓器モデル
⼈⼯軟⾻

3Dゲルプリンタ

⼭形発 地域イノベーション

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