革新的設計生産技術
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
発表者：古川 英光 （山形大学）
研究テーマ責任者：川上 勝 （山形大学）
参画機関：山形大学，JSR株式会社，サンアロー株式会社，株式会社ディライトマター

背景：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.

1

背景： 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, 1155.2

背景：日本が圧倒的にリードする革新的高強度ゲル研究
Research Background
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.

伊藤耕三先生(内閣府ImPACT)

原口和敏教授

グン教授,長田義仁教授

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.
酒井崇匡准教授

Aida, et al.
相田卓三教授Takada, Furukawa, et al.

古川英光

Yokoo, Furukawa, et al.

古川英光

ソフトマター・ゲルのノーベル賞を日本から出す。キーは実用化！

3生体組織は、骨格（骨、歯等）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
4

“3Dプリンタブルな柔らかくて強い滑るゲル”の“市場”と”価値”

水晶体・角膜ソフトロボティクス

・酸素透過性 〇・フィット感 〇・省エネ〇・メンテフリー 〇ゲル眼内レンズ

ゲル摺動シール

関節軟骨

血管・衝撃吸収性
・潤滑性〇〇

低摩擦係数 ～0.001⇒滑らかな運動の確保

静音・低摩擦・
環境に優しい・物質透過性 〇・潤滑性〇⇒血管内外との物質のやり取り
5背景： 広がる3Dゲルの適用範囲
ヘルスケア産業への貢献
3Dゲルプリンターにより，三次元細胞培養のための足場を造形．
田勢他，日本機械学会論文集，(2017) より.

人工臓器作製へ貢献→再生医療分野に貢献

先端産業（自動車等）への貢献
スプーン形状
形状変形

フォーク
形状

ゲル材料のロボッ
トハンドへの応用（滋賀県立大学山野准教授らと共同研究）

箸形状

ロボット開発分野に貢献

3D食品プリンター
により，見た目にも楽しい嚥下食を．
Kodama et al., “Future Foods”,Chap. 9 (2017) より.

介護・看護分野に貢献

マイクロ流路の3Dプリント
Takamatsu et al., 232nd
ECS meeting. M01 No.
2113 (2017) より.

MEMS分野に貢献
6

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5μm（2017年より新規着手、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7での新たな市場、ビジネスロールモデルを創出する

研究開発成果：デザイナブルゲル ツール群

ディスペンサ式
３Ｄゲルプリンタ
テストユース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）

3Dゲルプリンタ
専用ゲルインク

バスタブ式
３Ｄゲルプリンタ
プロトタイプ機

３Ｄゲルスキャナ
技術実証機
SPH法：Smoothed Particle Hydrodynamics(平滑化粒子流体力学)8

研究開発成果：ゲル積層シミュレーション
入力パラメータ

初期配置

モデル形状
解析時間

境界条件
解析領域

ソフトウェア特徴 3Dビューアーを持ったUI
 長さの単位選択可能
 境界条件付与のためのGUIによる任意の境界面選択
 結果のアニメーション表示、動画作成

出力パラメータ
粒子位置
流速
圧力

せん断速度
温度

滞留時間
粘度
密度9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
200 um

直径200μｍ・高さ200μｍの円柱パターン

10研究開発成果：ゲル眼内レンズの3Dプリント
3D Printed Inter Ocular Lens (IOL)
Haptics

Optics
One layer

Optics [mm] Haptics [mm]One layer

6.00.5Multi layer

6.00.6※Measured with calipers

Multi layer(Left: UV absorber, Right: No UV absorber)・Suppress spread of gelation
・Transparent

UV absorber suppress both scattering lightand white turbidity

Kumagai, H., Sakai, K., Kawakami, M. et al.
Microsyst Technol (2017). doi:10.1007/s00542-017-3386-9デザイナブルゲル ロードマップ
2000
1cm

2017

2012

2022

Diameter : 22.5 mm
Thickness: 2.0 mm

RepRap方式
高強度ゲルの開発
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(SIP外でオープンソースPJを並行実施中)

3D data

対象製品分野：一般ユーザー(教育，ホビーなど)
造形精度よりも低コスト化が要求される10mm

O k u m u ra a n d Ito

1mm

H a ra g u ch i

K u ro k a w a , G o n g , et a l.

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)

対象製品分野：ヘルスケア、医食
必要造形精度：～1mm

ゲ
高強度ゲル研究は日本が世界を 圧倒的にリ ードル
造 100μm
形
精度
10μm

A id a , et a l.

T a k a d a , Fu ru k a w a , et a l.

10mm

ディスペンサ方式（2015年開発完了→ベンチャーへ）2008

S a k a i, et a l.

Y o k o o , Fu ru k a w a , et a l.

バスタブ・レーザー方式（2016年技術実証完了）

対象製品分野：ロボット・アクチュエータ
必要造形精度：～100μm

マイクロ光造形バスタブ方式（2017年より開発着手）
200 um対象製品分野：ポリマーMEMS，DDS
必要造形精度：～10μm

ナノ光造形バスタブ方式（次期ターゲット）

1μm

2027

対象製品分野：再生医療，分子デバイス
必要造形精度：～100nm

今後のスケジュール
1. ディスペンサ式3Dゲルプリンタ目標値：0.5 mm例1） ロボット用ゲル指先
例2） ゲル臓器モデル
現状

ゲル指先を複合した義手ゲル臓器モデル

2. バスタブ式3Dゲルプリンタ目標値： 50μm例1） ゲル摺動リング・ゲルシール

200 um例2） 眼内レンズプロトタイプ
例3） スキャフォールド

スキャフォールド ゲル摺動リング(内径9.8mm)

3. マイクロ光造形式高精度3Dゲルプリンタ目標値：5μm例1） ゲルMEMS
今年度 例2） 形状記憶ゲル眼内レンズ開発中

例3） マイクロパターンスキャフォールド
今年度内に解像度5μmを実現可能な3Dゲルプリンタの装置開発を完了する。

折りたたみ可能で動的にフィットする
形状記憶ゲル製のスマート眼内レンズのモデル

13社会実装に向けて：ベンチャー活用
グローバル企業・地域企業・関連機関の多数のニーズ

グローバル-地域
B to B 企業

グローバル-地域
B to C 企業

共同開発(基礎研究)

山形県工業技術センター

事業化ユーザーの拡大

山形大学
3Dプリント技術

教育機関
科学・博物館地域産業
医療・食品

共同開発(地方での事業化)
ディライトマター社
3Dプリント技術
ディスペンサー光硬化式3D
プリンティングシステム

2017年
11月設立

技術の改善項目
フィードバックの加速更なる改善項目

山形県内の事業化の加速
相乗効果

技術改善項目の発見の加速

マーケット
拡大

新産業・雇用創出による地方創生

3Dデザイナブルゲルを強みにグローバルニッチトップを目指す

14

社会実装に向けて：ベンチャー活用

SIP発ベンチャー
2017年11月1日 設立

15

社会実装に向けて：ベンチャー活用

16

社会実装に向けて：ベンチャー活用

17

社会実装に向けて：コンソーシアム構築
3Dコンソーシアム概念(案)
山形県
産業技術振興機構想定される連携大学：

人oooo

カナダ サイモンフレーザー大学 (SFU)
カナダ ブリティッシュコロンビア工科大学 (BCIT)
会津大学 (UoA)
アメリカ ジョンズ・ホプキンズ大学 (JHU)
その他にも連携しグローバルにユーザーを開拓する想定される連携企業：
パナソニック、リコー、キャノンなどの3Dプリンター
関連

Application
製品

技術支援
県工業技術センター

食品
・米沢栄養大学

量産化

ものづくり
材料X

企業(地元)

機械
多数の
3Dプリンターメーカー

多数の材料メーカー

デザイナブルゲル技術

医療ゲル

自動車

ロボット

・株式会社ディライトマター

・山大グリーン材料研・早稲田大学・滋賀県立大学・山大医学部＜古川研究室＞+他拠点の技術

中堅・中小企業が3Dゲル造形技術を活用できるオープンな場を構築
19
2018年4月6日 キックオフシンポジウム@東京を計画中！

まとめ
実施内容
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→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
ＳＩＰ終了時のアウトプット
ツール：ディスペンサ式(精度500μ), バスタブ式(精度50μ) ,マイクロ光造形式(精度5μ)場の提供：ベンチャー企業【目指す姿、社会的価値】
・大学発ベンチャー企業によるサービス
ビジネス立ち上げと地域創生
・３D試作サービス
・３Dプリンティング用材料開発支援
・生産技術への３D技術導入コンサル
ティング
コンソーシアム（案）で、企業が3D造形技術を活用できるオープンな場を構築し、社会実装を目指す！

目指す姿に至るシナリオ

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