JP2017026791A

JP2017026791A - 立体造形モデル、手技練習用臓器モデルおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2017026791A
Application number: JP2015144653A
Authority: JP
Inventors: 松村　貴志; Takashi Matsumura; 貴志松村; 義浩法兼; Yoshihiro Norikane; 新美　達也; Tatsuya Niimi; 達也新美; 寛岩田; Hiroshi Iwata
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2015-07-22
Filing date: 2015-07-22
Publication date: 2017-02-02
Anticipated expiration: 2035-07-22
Also published as: JP6748934B2

Abstract

【課題】血管や疾患部等の内部構造を忠実に再現でき、かつ臓器の触感及び切れ味が所望の臓器に極めて近く、更に手術用メスでの切開が可能な立体造形モデルの提供。【解決手段】ハイドロゲル構造体２０と、該ハイドロゲル構造体２０の表面の外周に形成された皮膜２１とを有する立体造形モデル１０であって、立体造形モデル１０を、温度２５℃、湿度５０％ＲＨの環境下において１週間保管した時の立体造形モデル１０の質量減少率が５％以下であることを特徴とする立体造形モデル１０。【選択図】図２

Description

本発明は、外科手術等の手術シミュレーション用として好適な立体造形モデルに関する。

従来より、外科手術等の手技練習用にはシリコーン、ウレタンエラストマー、スチレンエラストマー等で製造された臓器モデルが提案されている（例えば、特許文献１参照）。患者の術後の回復の良否及びＱＯＬ向上のためにも、外科医と補助スタッフの手技レベルを一定水準以上に向上することが求められている。そのためにも、より人間の臓器に触感や、超音波メス、電気メス等の手術デバイスの使用感の類似した臓器モデルを提供することが求められている。しかし、現在普及している擬似モデルは触感や内部構造が実物とは程遠いものである。

このため、より実物に近い臓器を用いて練習する必要があり、ウェットラボと呼ばれるミニブタを用いた動物実験による手術トレーニングが行われている。しかし、前記ウェットラボの場合もミニブタでは人間の臓器とは異なる部位もあった。また、練習のために適切な疾患を持ったミニブタを提供することは困難であった。更に、ミニブタを生育し、鮮度を維持管理できる環境は非常に高価であり、練習のために何度もウェットラボを開催することは現実的に困難であった。
したがって、外科医の手技能力を向上するために形状だけでなく触感、切れ味等の質感についても忠実に再現した立体造形モデルが必須であった。

一方、実際の手術に際して患者本人の臓器を忠実に再現された臓器モデルがあれば、術前に手術計画を立案する際に実際にこれを切ったり、縫合したりするシミュレーションが可能になり、難易度の高い腫瘍摘出手術などの成功率を向上することが可能となる。
また、質感を再現することを目的とした臓器モデルとしては、ポリビニルアルコールを主体とする材料が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

従来の臓器モデルは、実物の臓器に比較して比較的硬く、また、血管や腫瘍部分等の内部構造（内包物）を忠実に再現することができていなかった。このため、血管や疾患部等の内部構造を忠実に再現でき、かつ臓器の触感及び切れ味が所望の臓器に極めて近く、更に手術用メスでの切開が可能な立体造形モデルの提供が望まれている。
そこで、本発明は、血管や疾患部等の内部構造を忠実に再現でき、かつ臓器の触感及び切れ味が所望の臓器に極めて近く、更に手術用メスでの切開が可能な立体造形モデルを提供することを目的とする。
また、本発明はこの立体造形モデルの保存安定性、形状保持性、外観性などを付与することを目的とする。

前記課題を解決するための手段としての本発明の立体造形モデルは、ハイドロゲル構造体と、該ハイドロゲル構造体の表面の外周に形成された皮膜とを有する立体造形モデルであって、該立体造形モデルを、温度２５℃、湿度５０％ＲＨの環境下において１週間保管した時の立体造形モデルの質量減少率が５％以下であることを特徴とする立体造形モデル、である。

本発明によると、血管や疾患部等の内部構造を忠実に再現でき、かつ臓器の触感及び切れ味が所望の臓器に極めて近く、更に手術用メスでの切開が可能な立体造形モデルを提供することができる。
また、本発明によると、保存安定性、形状保持性、外観性向上などが付与された上記立体造形モデルを提供することが出来る。

肝臓の臓器モデルの一例を示す概略図である。表面に皮膜を形成した肝臓の臓器モデルを示す図である。表面に熱収縮フィルムをラミネートした肝臓の臓器モデルを示す図である。

（立体造形モデル）
本発明の立体造形モデルは、有機ポリマーと、水に分散可能な層状粘土鉱物とが複合化して形成された三次元網目構造中に水が包含されているハイドロゲルからなる立体構造物（以下、「ハイドロゲル構造体」という）の表面の外周に皮膜が形成されている。更に、ハイドロゲル構造体は必要に応じてその他の成分を含んでなる。

前記立体造形モデルは、機械的強度を保持し、弾力を臓器と同等にする必要がある。このために、立体造形モデルは、有機ポリマーと、水に分散可能な層状粘土鉱物とを複合化したハイドロゲルを含む。
このハイドロゲルは、有機ポリマーと、水に分散可能な層状粘土鉱物とが複合化して形成された三次元網目構造中に水が包含された構造を有しており、有機ポリマーと、水に分散可能な層状粘土鉱物とを含むハイドロゲル前駆体液を用いることにより作製することができる。

この場合、前記有機ポリマーと前記層状粘土鉱物との含有比率を変更することによって、適切な硬さ、粘弾性等の臓器情報を忠実に再現することが可能となる。即ち、有機ポリマーと、水に分散可能な層状粘土鉱物とが複合化して形成された三次元網目構造の中に、水が包含されている有機−無機複合ハイドロゲルを含むことにより、機械的強度を保持し、弾力を臓器と同等にすることができる。また、前記有機−無機複合ハイドロゲルは、前記構成を有することにより、伸張性が向上する。更に、臓器と同等の触感が得られ、手術用メス等による切れ味が所望の臓器と極めて近くなる。

また、立体造形モデルはハイドロゲル中に水を含むことを特徴としているため、保存安定性に若干の課題がある。即ち、大気中保存における水分乾燥及びカビの発生により、品質を低下させることがある。
また、臓器同等の触感のため、自重によりその形状維持が難しい場合がある。
以上の様な点に鑑み、ハイドロゲル構造体の表面の外周に皮膜を存在させることが必要である。これにより、上記の課題を改良することが可能になる。

［ハイドロゲル前駆体液］
前記ハイドロゲル前駆体液は、有機ポリマーと、水に分散可能な層状粘土鉱物とを含み、水を含むことが好ましく、更に必要に応じてその他の成分を含有する。

＜有機ポリマー＞
前記有機ポリマーとしては、例えば、アミド基、アミノ基、水酸基、テトラメチルアンモニウム基、シラノール基、エポキシ基などを有する有機ポリマーが挙げられる。前記有機ポリマーは、水系のゲルの強度を保つために有利な構成成分である。
前記有機ポリマーは、水溶性を示す限りにおいて、ホモポリマー（単独重合体）であってもよいし、ヘテロポリマー（共重合体）であってもよく、また、変性されていてもよいし、公知の官能基が導入されていてもよく、また塩の形態であってもよい。

本発明において、前記有機ポリマーの水溶性は、例えば、３０℃の水１００ｇに該有機ポリマーを１ｇ混合して撹拌したとき、その９０質量％以上が溶解するものを意味する。
前記有機ポリマーを重合させて得るための重合性モノマーとしては、例えば、アクリルアミド、Ｎ−置換アクリルアミド誘導体、Ｎ，Ｎ−ジ置換アクリルアミド誘導体、Ｎ−置換メタクリルアミド誘導体、Ｎ，Ｎ−ジ置換メタクリルアミド誘導体、などが挙げられる。
これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
前記重合性モノマーの具体例としては、例えば、アクリルアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドなどが挙げられる。
前記重合性モノマーの含有量は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、ハイドロゲル前駆体液全量に対して、０．５質量％〜２０質量％が好ましい。

＜層状粘土鉱物＞
前記層状粘土鉱物とは、水中で一次結晶のレベルで均一に分散可能な層状粘土鉱物であり、例えば、水膨潤性スメクタイト、水膨潤性雲母などが挙げられる。より具体的には、ナトリウムを層間イオンとして含む水膨潤性ヘクトライト、水膨潤性モンモリナイト、水膨潤性サポナイト、水膨潤性合成雲母などが挙げられる。
前記層状粘土鉱物としては、上記例示したものを、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよく、また、適宜合成したものであってもよいし、市販品であってもよい。

前記市販品としては、例えば、合成ヘクトライト（ラポナイトＸＬＧ、ＲｏｃｋＷｏｏｄ社製）、ＳＷＮ（ＣｏｏｐＣｈｅｍｉｃａｌＬｔｄ．製）、フッ素化ヘクトライトＳＷＦ（ＣｏｏｐＣｈｅｍｉｃａｌＬｔｄ．製）などが挙げられる。
前記層状粘土鉱物の含有量は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、ハイドロゲル前駆体液全量に対して、１質量％〜４０質量％が好ましい。

＜水＞
前記水としては、例えば、イオン交換水、限外濾過水、逆浸透水、蒸留水等の純水、又は超純水を用いることができる。
前記水には、保湿性付与、抗菌性付与、導電性付与、硬度調整などの目的に応じて有機溶媒等のその他の成分を溶解ないし分散させてもよい。

本発明の立体造形モデルは、水を含有することから、乾燥して力学特性が変化したり、カビ等の繁殖が進行し、不衛生になることが懸念される場合には、適宜乾燥防止機能を付与することが好ましい。

前記乾燥防止機能を付与するために、形成した立体造形モデルの表面に保湿性を有する皮膜を設ける。前記保湿性皮膜の形成方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、立体造形モデルを高保湿多糖体（Ｔｒｅｍｏｉｓｔ−ＴＰ、マツモト交商株式会社製）０．０１質量％水溶液に４０℃で３０分間含浸し、乾燥することで薄膜を形成する方法、オイル等の不揮発成分を立体造形モデルの表面に塗布する方法、などが挙げられる。

＜その他の成分＞
前記ハイドロゲル前駆体液には、本発明の目的を阻害しない範囲で、例えば、防腐剤、着色剤、香料、酸化防止剤等のその他の成分を含有することができる。
前記防腐剤としては、例えば、デヒドロ酢酸塩、ソルビン酸塩、安息香酸塩、ぺンタクロロフェノールナトリウム、２−ピリジンチオール−１−オキサイドナトリウム、２，４−ジメチル−６−アセトキシ−ｍ−ジオキサン、１，２−ベンズチアゾリン−３−オンなどが挙げられる。
前記着色剤を用いることにより、立体造形モデルを人体の臓器に近似した色に着色することができる。

前記立体造形モデルには、色及び硬度のいずれかが異なる内包物（内部構造）が目的の位置に配置されていることが好ましい。これにより、手術前に手術用メスを入れる位置を確認するモデルとしても用いることができる。
前記内包物としては、例えば、血管、管、疾患部等の模倣物；空洞、襞（ひだ）などが挙げられる。
前記硬度の調整は、例えば、前記ハイドロゲル前駆体液中に含まれる層状粘土鉱物の含有量を変化させることにより行うことができる。
前記色の調整は、例えば、前記ハイドロゲル前駆体液に着色剤を添加することにより行うことができる。
前記着色剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば染料、顔料が挙げられる。

前記染料としては、以下に説明するようなものが挙げられる。
ブラック染料としては、例えば、ＭＳＢＬＡＣＫＶＰＣ（三井化学株式会社製）、ＡＩＺＥＮＳＯＴＢＬＡＣＫ−１、ＡＩＺＥＮＳＯＴＢＬＡＣＫ−５（保土谷化学株式会社製）、ＲＥＳＯＲＩＮＢＬＡＣＫＧＳＮ２００％、ＲＥＳＯＬＩＮＢＬＡＣＫＢＳ（バイエルジャパン社製）、ＫＡＹＡＳＥＴＢＬＡＣＫＡ−Ｎ（日本化薬株式会社製）、ＤＡＩＷＡＢＬＡＣＫＭＳＣ（ダイワ化成株式会社製）、ＨＳＢ−２０２（三菱化成株式会社製）、ＮＥＰＴＵＮＥＢＬＡＣＫＸ６０、ＮＥＯＰＥＮＢＬＡＣＫＸ５８（ＢＡＳＦジャパン社製）、ＯｌｅｏｓｏｌＦａｓｔＢＬＡＣＫＲＬ（田岡化学工業株式会社製）、ＣｈｕｏＢＬＡＣＫ８０、ＣｈｕｏＢＬＡＣＫ８０−１５（中央合成化学株式会社製）などが挙げられる。

マゼンタ染料としては、例えば、ＭＳＭａｇｅｎｔａＶＰ、ＭＳＭａｇｅｎｔａＨＭ−１４５０、ＭＳＭａｇｅｎｔａＨｓｏ−１４７（三井化学株式会社製）、ＡＩＺＥＮＳＯＴＲｅｄ−１、ＡＩＺＥＮＳＯＴＲｅｄ−２、ＡＩＺＥＮＳＯＴＲｅｄ−３、ＡＩＺＥＮＳＯＴＰｉｎｋ−１、ＳＰＩＲＯＮＲｅｄＧＥＨＳＰＥＣＩＡＬ（保土谷化学株式会社製）、ＲＥＳＯＬＩＮＲｅｄＦＢ２００％、ＭＡＣＲＯＬＥＸＲｅｄＶｉｏｌｅｔＲ、ＭＡＣＲＯＬＥＸＲＯＴ５Ｂ（バイエルジャパン社製）、ＫＡＹＡＳＥＴＲｅｄＢ、ＫＡＹＡＳＥＴＲｅｄ１３０、ＫＡＹＡＳＥＴＲｅｄ８０２（日本化薬株式会社製）、ＰＨＬＯＸＩＮ，ＲＯＳＥＢＥＮＧＡＬ、ＡＣＩＤＲｅｄ（ダイワ化成株式会社製）、ＨＳＲ−３１、ＤＩＡＲＥＳＩＮＲｅｄＫ（三菱化成株式会社製）、ＯｉｌＲｅｄ（ＢＡＳＦジャパン社製）、ＯｉｌＰｉｎｋ３３０（中央合成化学株式会社製）などが挙げられる。

シアン染料としては、例えば、ＭＳＣｙａｎＨＭ−１２３８、ＭＳＣｙａｎＨＳｏ−１６、ＣｙａｎＨｓｏ−１４４、ＭＳＣｙａｎＶＰＧ（三井化学株式会社製）、ＡＩＺＥＮＳＯＴＢｌｕｅ−４（保土谷化学株式会社製）、ＲＥＳＯＬＩＮＢＲ．ＢｌｕｅＢＧＬＮ２００％、ＭＡＣＲＯＬＥＸＢｌｕｅＲＲ、ＣＥＲＥＳＢｌｕｅＧＮ、ＳＩＲＩＵＳＳＵＰＲＡＴＵＲＱ．ＢｌｕｅＺ−ＢＧＬ、ＳＩＲＩＵＳＳＵＰＲＡＴＵＲＱ．ＢｌｕｅＦＢ−ＬＬ３３０％（バイエルジャパン社製）、ＫＡＹＡＳＥＴＢｌｕｅＦｒ、ＫＡＹＡＳＥＴＢｌｕｅＮ、ＫＡＹＡＳＥＴＢｌｕｅ８１４、Ｔｕｒｑ．ＢｌｕｅＧＬ−５２００、ＬｉｇｈｔＢｌｕｅＢＧＬ−５２００（日本化薬株式会社製）、ＤＡＩＷＡＢｌｕｅ７０００、ＯｌｅｏｓｏｌＦａｓｔＢｌｕｅＧＬ（ダイワ化成株式会社製）、ＤＩＡＲＥＳＩＮＢｌｕｅＰ（三菱化成株式会社製）、ＳＵＤＡＮＢｌｕｅ６７０、ＮＥＯＰＥＮＢｌｕｅ８０８、ＺＡＰＯＮＢｌｕｅ８０６（ＢＡＳＦジャパン社製）などが挙げられる。

イエロー染料としては、例えば、ＭＳＹｅｌｌｏｗＨＳｍ−４１、ＹｅｌｌｏｗＫＸ−７、ＹｅｌｌｏｗＥＸ−２７（三井化学株式会社製）、ＡＩＺＥＮＳＯＴＹｅｌｌｏｗ−１、ＡＩＺＥＮＳＯＴＹｅｌｌｏＷ−３、ＡＩＺＥＮＳＯＴＹｅｌｌｏｗ−６（保土谷化学株式会社製）、ＭＡＣＲＯＬＥＸＹｅｌｌｏｗ６Ｇ、ＭＡＣＲＯＬＥＸＦＬＵＯＲ、Ｙｅｌｌｏｗ１０ＧＮ（バイエルジャパン社製）、ＫＡＹＡＳＥＴＹｅｌｌｏｗＳＦ−Ｇ、ＫＡＹＡＳＥＴＹｅｌｌｏｗ２Ｇ、ＫＡＹＡＳＥＴＹｅｌｌｏｗＡ−Ｇ、ＫＡＹＡＳＥＴＹｅｌｌｏｗＥ−Ｇ（日本化薬株式会社製）、ＤＡＩＷＡＹｅｌｌｏｗ３３０ＨＢ（ダイワ化成株式会社製）、ＨＳＹ−６８（三菱化成株式会社製）、ＳＵＤＡＮＹｅｌｌｏｗ１４６、ＮＥＯＰＥＮＹｅｌｌｏｗ０７５（ＢＡＳＦジャパン社製）、ＯｉｌＹｅｌｌｏｗ１２９（中央合成化学株式会社製）などが挙げられる。

前記顔料としては、各種の有機顔料及び無機顔料を使用することができ、例えば、アゾレーキ、不溶性アゾ顔料、縮合アゾ顔料及びキレートアゾ顔料等のアゾ顔料、フタロシアニン顔料、ペリレン顔料、アントセキノン顔料、キナクリドン顔料、ジオキサジン顔料、チオインジゴ顔料、イソインドリノン顔料、キノフタロン顔料等の多環式顔料などが挙げられる。前記顔料としては、具体的には、カラーインデックスに記載される下記の番号の有機又は無機顔料が使用できる。

赤又はマゼンタ顔料としては、例えば、ＰｉｇｍｅｎｔＲｅｄ３、５、１９、２２、３１、３８、４３、４８：１、４８：２、４８：３、４８：４、４８：５、４９：１、５３：１、５７：１、５７：２、５８：４、６３：１、８１、８１：１、８１：２、８１：３、８１：４、８８、１０４、１０８、１１２、１２２、１２３、１４４、１４６、１４９、１６６、１６８、１６９、１７０、１７７、１７８、１７９、１８４、１８５、２０８、２１６、２２６、２５７、ＰｉｇｍｅｎｔＶｉｏｌｅｔ３、１９、２３、２９、３０、３７、５０、８８、ＰｉｇｍｅｎｔＯｒａｎｇｅ１３、１６、２０、３６などが挙げられる。

青又はシアン顔料としては、例えば、ｐｉｇｍｅｎｔＢｌｕｅ１、１５、１５：１、１５：２、１５：３、１５：４、１５：６、１６、１７−１、２２、２７、２８、２９、３６、６０などが挙げられる。
緑顔料としては、例えば、ＰｉｇｍｅｎｔＧｒｅｅｎ７、２６、３６、５０などが挙げられる。
黄顔料としては、例えば、ＰｉｇｍｅｎｔＹｅｌｌｏｗ１、３、１２、１３、１４、１７、３４、３５、３７、５５、７４、８１、８３、９３、９４、９５、９７、１０８、１０９、１１０、１３７、１３８、１３９、１５３、１５４、１５５、１５７、１６６、１６７、１６８、１８０、１８５、１９３などが挙げられる。
黒顔料としては、例えば、ＰｉｇｍｅｎｔＢｌａｃｋ７、２８、２６などが挙げられる。

前記顔料としては、市販品を用いることができ、該市販品としては、例えば、クロモファインイエロー２０８０、５９００、５９３０、ＡＦ−１３００、２７００Ｌ、クロモファインオレンジ３７００Ｌ、６７３０、クロモファインスカーレット６７５０、クロモファインマゼンタ６８８０、６８８６、６８９１Ｎ、６７９０、６８８７、クロモファインバイオレットＲＥ、クロモファインレッド６８２０、６８３０、クロモファインブルーＨＳ−３、５１８７、５１０８、５１９７、５０８５Ｎ、ＳＲ−５０２０、５０２６、５０５０、４９２０、４９２７、４９３７、４８２４、４９３３ＧＮ−ＥＰ、４９４０、４９７３、５２０５、５２０８、５２１４、５２２１、５０００Ｐ、クロモファイングリーン２ＧＮ、２ＧＯ、２Ｇ−５５０Ｄ、５３１０、５３７０、６８３０、クロモファインブラックＡ−１１０３、セイカファストエロー１０ＧＨ、Ａ−３、２０３５、２０５４、２２００、２２７０、２３００、２４００（Ｂ）、２５００、２６００、ＺＡＹ−２６０、２７００（Ｂ）、２７７０、セイカファストレッド８０４０、Ｃ４０５（Ｆ）、ＣＡ１２０、ＬＲ−１１６、１５３１Ｂ、８０６０Ｒ、１５４７、ＺＡＷ−２６２、１５３７Ｂ、ＧＹ、４Ｒ−４０１６、３８２０、３８９１、ＺＡ−２１５、セイカファストカーミン６Ｂ１４７６Ｔ−７、１４８３ＬＴ、３８４０、３８７０、セイカファストボルドー１０Ｂ−４３０、セイカライトローズＲ４０、セイカライトバイオレットＢ８００、７８０５、セイカファストマルーン４６０Ｎ、セイカファストオレンジ９００、２９００、セイカライトブルーＣ７１８、Ａ６１２、シアニンブルー４９３３Ｍ、４９３３ＧＮ−ＥＰ、４９４０、４９７３（以上、大日精化工業株式会社製）；ＫＥＴＹｅｌｌｏｗ４０１、４０２、４０３、４０４、４０５、４０６、４１６、４２４、ＫＥＴＯｒａｎｇｅ５０１、ＫＥＴＲｅｄ３０１、３０２、３０３、３０４、３０５、３０６、３０７、３０８、３０９、３１０、３３６、３３７、３３８、３４６、ＫＥＴＢｌｕｅ１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１１１、１１８、１２４、ＫＥＴＧｒｅｅｎ２０１（以上、ＤＩＣ株式会社製）；ＣｏｌｏｒｔｅｘＹｅｌｌｏｗ３０１、３１４、３１５、３１６、Ｐ−６２４、３１４、Ｕ１０ＧＮ、Ｕ３ＧＮ、ＵＮＮ、ＵＡ−４１４、Ｕ２６３、ＦｉｎｅｃｏｌＹｅｌｌｏｗＴ−１３、Ｔ−０５、ＰｉｇｍｅｎｔＹｅｌｌｏｗ１７０５、ＣｏｌｏｒｔｅｘＯｒａｎｇｅ２０２、ＣｏｌｏｒｔｅｘＲｅｄ１０１、１０３、１１５、１１６、Ｄ３Ｂ、Ｐ−６２５、１０２、Ｈ−１０２４、１０５Ｃ、ＵＦＮ、ＵＣＮ、ＵＢＮ、Ｕ３ＢＮ、ＵＲＮ、ＵＧＮ、ＵＧ２７６、Ｕ４５６、Ｕ４５７、１０５Ｃ、ＵＳＮ、ＣｏｌｏｒｔｅｘＭａｒｏｏｎ６０１、ＣｏｌｏｒｔｅｘＢｒｏｗｎＢ６１０Ｎ、ＣｏｌｏｒｔｅｘＶｉｏｌｅｔ６００、ＰｉｇｍｅｎｔＲｅｄ１２２、ＣｏｌｏｒｔｅｘＢｌｕｅ５１６、５１７、５１８、５１９、Ａ８１８、Ｐ−９０８、５１０、ＣｏｌｏｒｔｅｘＧｒｅｅｎ４０２、４０３、ＣｏｌｏｒｔｅｘＢｌａｃｋ７０２、Ｕ９０５（以上、山陽色素株式会社製）；ＬｉｏｎｏｌＹｅｌｌｏｗ１４０５Ｇ、ＬｉｏｎｏｌＢｌｕｅＦＧ７３３０、ＦＧ７３５０、ＦＧ７４００Ｇ、ＦＧ７４０５Ｇ、ＥＳ、ＥＳＰ−Ｓ（以上、東洋インキ製造株式会社製）；ＴｏｎｅｒＭａｇｅｎｔａＥ０２、ＰｅｒｍａｎｅｎｔＲｕｂｉｎＦ６Ｂ、ＴｏｎｅｒＹｅｌｌｏｗＨＧ、ＰｅｒｍａｎｅｎｔＹｅｌｌｏｗＧＧ−０２、ＨｏｓｔａｐｅａｍＢｌｕｅＢ２Ｇ（以上、ヘキストインダストリ社製）；カーボンブラック＃２６００、＃２４００、＃２３５０、＃２２００、＃１０００、＃９９０、＃９８０、＃９７０、＃９６０、＃９５０、＃８５０、ＭＣＦ８８、＃７５０、＃６５０、ＭＡ６００、ＭＡ７、ＭＡ８、ＭＡ１１、ＭＡ１００、ＭＡ１００Ｒ、ＭＡ７７、＃５２、＃５０、＃４７、＃４５、＃４５Ｌ、＃４０、＃３３、＃３２、＃３０、＃２５、＃２０、＃１０、＃５、＃４４、ＣＦ９（以上、三菱化学株式会社製）などが挙げられる。
前記着色剤の添加量は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、ハイドロゲル前駆体液全量に対して、０．１質量％〜５質量％が好ましい。

ハイドロゲルのゴム硬度は、６〜６０が好ましく、８〜２０がより好ましい。
前記ゴム硬度が、６未満であると、造形中に形が崩れることがあり、６０を超えると、造形後剥離の際に割れることがある。
なお、前記ゴム硬度は、デュロメータ（テクロック社製、ＧＳ−７１８Ｎ）などを用いて測定することができる。

＜立体造形モデルの製造方法＞
本発明の立体造形モデルの製造方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、一般的に立体造形モデルは複雑な形状を再現する必要があり、更に複数の性質の異なる部位が混在する必要があるため、以下に示すような製造方法が好ましい。
例えば、適切な加工方法で型を製作し、型にハイドロゲル前駆体液を注入し硬化させる方法である。また、血管等の内包物は別途成形しておき、型の所定位置に配置することができる。

前記型、及び前記血管等の内包物としては、金属や樹脂を切削加工、光造形、又は３次元プリンターなどで製造することが好ましい。
また、３次元プリンターと呼ばれる造形装置を用いて、ハイドロゲル前駆体液と、必要に応じて支持体液とを積層する方法を採用することも可能である。
より具体的には、インクジェット方式を用いたマテリアルジェット造形装置によりハイドロゲル前駆体を吐出して成形することが精度よく形状を成形する点から好ましい。

支持体液は３次元プリンターにて立体造形物を作製する際、作製構造物を支持し、安定造形を実現するため、同時に支持体を作製するために使用する液である。支持体は作製造形物完成後には除去される。支持体の具体的材料としてはポリエステル、ポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート、ＰＰＳ、ポリプロピレン、ＰＶＡ、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、セロハン、アセテート、ポリスチレン、ポリカーボネート、ナイロン、ポリイミド、フッ素樹脂、パラフィンワックス、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、等があげられる。

［３次元プリンターによる製造方法］
まずは、ハイドロゲル前駆体を含む液体を、適切な精度で目的の場所に塗布する。この際、塗布の方式は塗布できる方式であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ディスペンサー方式、スプレー方式、インクジェット方式などが挙げられる。なお、これらの方式を実施するには公知の装置を好適に使用することができる。塗布の操作は繰り返し行われる。繰り返し回数としては、作製する立体造形物の大きさ、形状、構造などに応じて異なり一概には規定できないが、１層あたりの厚みが１０μｍ〜５０μｍの範囲であれば、精度よく、剥離することもなく造形することが可能であるため、作製する立体造形物の高さ分だけ繰り返して積層することが必要である。

これらの中でも、前記ディスペンサー方式は、液滴の定量性に優れるが、塗布面積が狭くなり、前記スプレー方式は、簡便に微細な吐出物を形成でき、塗布面積が広く、塗布性に優れるが、液滴の定量性が悪く、スプレー流による飛散が発生する。このため、本発明においては、前記インクジェット方式を採用することが特に好ましい。前記インクジェット方式は、前記スプレー方式に比べ、液滴の定量性が良く、前記ディスペンサー方式に比べ、塗布面積が広くできる利点があり、複雑な立体形状を精度良くかつ効率よく形成し得る点で好ましい。

次いで、上記で形成された膜を硬化させる。
前記膜を硬化する手段としては、例えば、紫外線（ＵＶ）照射ランプ、電子線などが挙げられる。前記膜を硬化する手段には、オゾンを除去する機構が具備されることが好ましい。
前記紫外線（ＵＶ）照射ランプの種類としては、例えば、高圧水銀灯、超高圧水銀灯、メタルハライド、ＬＥＤランプなどが挙げられる。

前記超高圧水銀灯は点光源であるが、光学系と組み合わせて光利用効率を高くしたＤｅｅｐＵＶタイプは、短波長領域の照射が可能である。
前記メタルハライドは、波長領域が広いため着色物に有効であり、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｆｅ等の金属のハロゲン化物が用いられ、光重合開始剤の吸収スペクトルに合わせて適宜選択することができる。硬化に用いられるランプとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ＦｕｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍ社製のＨランプ、Ｄランプ、又はＶランプ等のような市販されているものを使用することができる。

以上の様な方法により、ハイドロゲル構造体を形成する。
次いで、以下に示すような方法により、ハイドロゲル構造体の表面の外周に、皮膜を設けることで本発明の立体造形モデルを製造することが出来る。

＜皮膜の形成＞
ハイドロゲル構造体の表面の外周に設けた皮膜は下記の（１）〜（３）の効果を目的としている。
（１）ハイドロゲル構造体の形状を維持する。
（２）立体造形モデルの保存性（耐乾燥性、防腐性）を向上する。
（３）ハイドロゲル構造体の外観性を改善する。

ハイドロゲル構造体の形状を維持するためには、造形物の自重による崩壊を防ぐため、皮膜に弾性力をもたせることが望ましい。皮膜の有無における立体造形モデルのヤング率の差が０．０１ＭＰａ以上であることが望ましい。皮膜形成材料としては、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート、ＰＰＳ、ポリプロピレン、ＰＶＡ、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、セロハン、アセテート、ポリスチレン、ポリカーボネート、ナイロン、ポリイミド、フッ素樹脂、パラフィンワックス等を挙げることができる。
また、皮膜の膜厚が薄いほど、立体造形物の質感が保たれるため、皮膜の膜厚としては２００μｍ以下が望ましい。

保存性を向上するためには、耐乾燥性や防腐性を向上する必要がある。
耐乾燥性を向上するには皮膜の水蒸気透過度（ＪＩＳＫ７１２９）が５００ｇ／ｍ^２・ｄ以下であり、また、酸素透過度（ＪＩＳＺ１７０２）が１００，０００ｃｃ／ｍ^２／ｈｒ／ａｔｍ以下であることが望ましい。

防腐性を向上させるためには、前記皮膜に防腐剤を混合すれば良い。前記防腐剤としては、例えば、デヒドロ酢酸塩、ソルビン酸塩、安息香酸塩、ぺンタクロロフェノールナトリウム、２−ピリジンチオール−１−オキサイドナトリウム、２，４−ジメチル−６−アセトキシ−ｍ−ジオキサン、１，２−ベンズチアゾリン−３−オンなどが挙げられる。

ハイドロゲル構造体の表面に皮膜を形成することで、外観性を改善することができる。例えば、ハイドロゲル構造体の表面に傷や表面荒れが存在する場合は皮膜により外観性を補うことができる。また、表面の皮膜が犠牲層となることで、内部のハイドロゲル構造体を保護することができる。また、ハイドロゲル構造体の表面はマーキングなどの記入を行うことができないが、ハイドロゲル構造体の表面に皮膜を形成することにより、術前シミュレーションの際手順マーキングを書き込むことができるため、モデルとしての機能性を付与することができる。

皮膜の形成方法は、上記の機能を向上するものであれば、特に方法を特定するものではないが、以下の様な方法を挙げることが出来る。
例えば、前記皮膜形成材料を、溶媒に溶解して、ハイドロゲル構造体の表面に塗布するものである。塗布方法としては、刷毛で塗布する、スプレー等で塗布する、浸漬塗工するなどの方法が挙げられる。
また、前記皮膜形成材料として熱収縮フィルムを用い、ハイドロゲル構造体の表面にラミネート形成する方法が挙げられる。
また、前記皮膜形成材料を溶剤に溶解して、ハイドロゲル構造体を前記３次元プリンターで造形する際に同時に皮膜を形成しても良い。

本発明の立体造形モデルが適用できる臓器には、特に制限はなく、人体内のあらゆる内臓部位を再現することが可能であるが、例えば、脳、心臓、食道、胃、膀胱、小腸、大腸、肝臓、腎臓、膵臓、脾臓、子宮などが挙げられる。

また、本発明の立体造形モデルは、血管や疾患部等の内部構造を忠実に再現でき、かつ臓器の触感及び切れ味が所望の臓器に極めて近く、更に手術用メスでの切開が可能である。このため、例えば、医師、大学の医学部、病院などにおいて、医師、研修医、医学生などの手技練習用の臓器モデル、製造された手術用メスを出荷する前に、その切れ味を検査するための手術用メスの切れ味検査用の臓器モデル、手術を行う前に手術用メスの切れ味を確認するための臓器モデルなどとして好適である。

ここで、図１に示す立体造形モデルとしての肝臓モデルを用いて説明する。
肝臓は、上腹部の右側で肋骨の下にある人体最大の臓器であり、成人では重さが１．２ｋｇ〜１．５ｋｇである。肝臓は食べ物から摂取した栄養素を体が利用できる形にしたり、貯蔵・供給する「代謝」、有害物質を無毒化する「解毒」や、脂肪等の分解・吸収を助ける胆汁の分泌等の重要な働きをしている。

図１に示すように、肝臓１０は、肝鎌状間膜１３により前腹壁に固定されており、胆嚢１１と下大静脈１２を結ぶ主分割面（カントリー線）によって右葉１４と左葉１５に分割される。
この肝臓の一部を切り取る手術が肝切除術である。肝切除術の適応となる病気としては、肝臓がん（原発性肝がん）が大部分であり、その他に転移性肝がん、肝良性腫瘍、肝外傷などが対象となる。

肝切除術は、切り方によって部分切除、亜区域切除、区域切除、葉切除、拡大葉切除、３区域切除などの種類がある。これらの部分は肝臓に印が付いているわけではなく、手術に際しては、その部分を栄養する門脈や肝動脈を縛ったり、血管に色素を注入したりして色の変化によって境目を見極めている。そして、電気メス、ハーモニックスカルペル（超音波振動手術器具）、ＣＵＳＡ（超音波外科用吸引装置）、マイクロターゼ（マイクロ波手術器）など、様々な機械を使って肝臓を切除している。
その際の手術シミュレーション用として、血管や疾患部等の内包物を忠実に再現でき、かつ臓器の触感及び切れ味が所望の臓器に極めて近く、更に手術用メスでの切開が可能である本発明の立体造形モデルを好適に用いることができる。

以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。

（実施例１）
＜ハイドロゲル前駆体液の調製＞
以下では、減圧脱気を１０分間実施したイオン交換水を、「純水」と記載する。
まず、開始剤液として、純水９８質量部に対してペルオキソ二硫酸ナトリウム（和光純薬工業株式会社製）２質量部を溶解させた水溶液を準備した。
次に、純水１９５質量部を攪拌させながら、層状粘土鉱物として［Ｍｇ_５．３４Ｌｉ_０．６６Ｓｉ_８Ｏ_２０（ＯＨ）_４］Ｎａ⁻ _０．６６の組成を有する合成ヘクトライト（ラポナイトＸＬＧ、ＲｏｃｋＷｏｏｄ社製）８質量部を少しずつ添加し、攪拌して分散液を作製した。
次に、前記分散液に重合性モノマーとして、活性アルミナのカラムを通過させて重合禁止剤を除去したＮ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド（和光純薬工業株式会社製）を２０質量部添加した。
次に、界面活性剤としてドデシル硫酸ナトリウム（和光純薬工業株式会社製）を０．２質量部添加し、混合した。
次に、得られた混合液を氷浴で冷却しながらテトラメチルエチレンジアミン（和光純薬工業株式会社製）を０．１質量部添加した。
次に、前記開始剤液を５質量部添加して攪拌混合した後、減圧脱気を１０分間実施し、均質なハイドロゲル前駆体液を得た。

＜ハイドロゲル構造体の成形＞
得られたハイドロゲル前駆体液を、以下に示す型に流し込み、２５℃環境下で２０時間静置し、型から取り出すことでハイドロゲル構造体を得た。

＜型の作製＞
インクジェット光造形装置としてのキーエンス社製アジリスタを用い、肝臓の３次元モデルデータを適用して加工した型を製作した。

＜皮膜の形成＞
上記で得たハイドロゲル構造体の表面に、プラスティコート＃１００：大京化学社製をディップ法にて塗布し、厚さ３０μｍのフィルムを形成して、肝臓モデルを得た。

（実施例２）
実施例１と同様にしてハイドロゲル構造体を作製し、得られたハイドロゲル構造体の表面に熱収縮フィルム（シールドエアージャパン：Ｄ−９５５）を用いてヒートガンで加熱し３０μｍの皮膜を形成して、肝臓モデルを得た。

（実施例３）
実施例１においてハイドロゲル構造体の表面にプラスティコート＃１００をスプレー法で塗布し、３０μｍの皮膜を形成した以外は実施例1と同様にして肝臓モデルを得た。

（実施例４）
実施例１に記載の方法で肝臓モデルを造形する際に、血管についてインクジェット光造形装置を用いて造形し、血管が判別可能な着色を行った。この血管を前記型の一部に固定化した後に、実施例１と同じハイドロゲル前駆体液を流し入れ、最後に型からゲル造形物を取り出す際に血管を臓器モデル内に内包する形で残した。以上により、血管が内包された肝臓モデルを作製した。
＜評価＞
得られた肝臓モデルは、透明な実臓器中に血管の位置が正確に再現されているため、手術前に手術用メスを入れる位置を確認するモデルとしても利用可能である視認性を有しているという評価結果を５名の外科医師全員から得られた。

（実施例５）
実施例４の血管について、実施例１と同様にして血管専用の型を製作した。
実施例１のハイドロゲル前駆体液の製造において、着色剤としてＭＳＭａｇｅｎｔａＶＰ（三井化学株式会社製）２質量部を更に添加し、合成ヘクトライト（ラポナイトＸＬＧ、ＲｏｃｋＷｏｏｄ社製）を８質量部から１８質量部に変更した以外は、実施例１と同様にしてハイドロゲル前駆体液を調製し、これを前記血管専用の型に流し込み、より硬度の高いハイドロゲルを形成することにより、着色した血管モデルを形成した。
得られた血管モデルを実施例４と同様にして臓器モデルの型の一部に固定した後に、実施例１と同様のハイドロゲル前駆体液を流し込み、ゲル化後肝臓モデルを取り出した。
＜評価＞
得られた肝臓モデルは、更に血管を縫合可能であるという評価結果を５名の外科医師全員から得られた。

（比較例１）
実施例１において、ハイドロゲル構造体の表面に皮膜を形成しない以外は、実施例１と同様にして肝臓モデルを得た。

［評価］
下記の評価方法によって実施例１〜３、比較例１の肝臓モデルについて質量減少率及び変色の有無を評価した。
＜評価１＞
肝臓モデルを温度２５℃、湿度５０％ＲＨ環境下に１週間保管した時の保管前と保管後における肝臓モデルの質量変化を測定した。
＜評価２＞
肝臓モデルを室内で１ヶ月間保管した後に立体造形物を切断して立体造形部の内部における変色の有無を観察した。

表１に示されるように、実施例１〜３の肝臓モデルは質量減少が０〜５％と小さく、変色もなかった。
これに対し、皮膜を形成しなかった比較例１の肝臓モデルは質量減少が大きく、また、変色していた。

本発明の態様は、例えば、以下のとおりである。
（１）ハイドロゲル構造体と、該ハイドロゲル構造体の表面の外周に形成された皮膜とを有する立体造形モデルであって、該立体造形モデルを、温度２５℃、湿度５０％ＲＨの環境下において１週間保管した時の立体造形モデルの質量減少率が５％以下であることを特徴とする立体造形モデル。
（２）前記ハイドロゲル構造体が、有機ポリマーと層状粘土鉱物とが複合化して形成されたハイドロゲルからなることを特徴とする上記（１）に記載の立体造形モデル。
（３）前記皮膜の水蒸気透過度が５００ｇ／ｍ^２・ｄ以下であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の立体造形モデル。
（４）前記皮膜の酸素透過度が１００，０００ｃｃ／ｍ^２／ｈｒ／ａｔｍ以下であることを特徴とする請求項１上記（１）〜（３）のいずれかに記載の立体造形モデル。
（５）前記皮膜を形成する前の立体造形モデルと皮膜を形成した後の立体造形モデルとの立体造形モデルのヤング率差が０．０１ＭＰａ以上であることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の立体造形モデル。
（６）上記（１）〜（５）のいずれかに記載の立体造形モデルからなることを特徴とする手技練習用臓器モデル。
（７）少なくとも、有機モノマー、層状粘土鉱物、水を含むハイドロゲル前駆体液を型に注入して硬化、もしくは３次元プリンターにより積層造形して、ハイドロゲル構造体を形成した後、ハイドロゲル構造体の表面に皮膜を塗布形成することを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の立体造形モデルの製造方法。
（８）少なくとも、有機モノマー、層状粘土鉱物、水を含むハイドロゲル前駆体液を型に注入して硬化、もしくは３次元プリンターにより積層造形して、ハイドロゲル構造体を形成した後、ハイドロゲル構造体の表面に熱収縮フィルムをラミネートすることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の立体造形モデルの製造方法。
（９）少なくとも、有機モノマー、層状粘土鉱物、水を含むハイドロゲル前駆体液を型に注入して硬化、もしくは３次元プリンターにより積層造形して、ハイドロゲル構造体を形成した後、ハイドロゲル構造体の表面に皮膜を噴霧形成することを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の立体造形モデルの製造方法。

１０肝臓
１１胆嚢
１２下大静脈
１３肝鎌状間膜
１４右葉
１５左葉
２０ハイドロゲル構造体
２１、２２皮膜

特開２００８−２４１９８８号公報特許第４９９３５１９号公報

Claims

ハイドロゲル構造体と、該ハイドロゲル構造体の表面の外周に形成された皮膜とを有する立体造形モデルであって、該立体造形モデルを、温度２５℃、湿度５０％ＲＨの環境下において１週間保管した時の立体造形モデルの質量減少率が５％以下であることを特徴とする立体造形モデル。
前記ハイドロゲル構造体が、有機ポリマーと層状粘土鉱物とが複合化して形成されたハイドロゲルからなることを特徴とする請求項１に記載の立体造形モデル。
前記皮膜の水蒸気透過度が５００ｇ／ｍ^２・ｄ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の立体造形モデル。
前記皮膜の酸素透過度が１００，０００ｃｃ／ｍ^２／ｈｒ／ａｔｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の立体造形モデル。
前記皮膜を形成する前の立体造形モデルと皮膜を形成した後の立体造形モデルとの立体造形モデルのヤング率差が０．０１ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の立体造形モデル。
請求項１〜５のいずれかに記載の立体造形モデルからなることを特徴とする手技練習用臓器モデル。
少なくとも、有機モノマー、層状粘土鉱物、水を含むハイドロゲル前駆体液を型に注入して硬化、もしくは３次元プリンターにより積層造形して、ハイドロゲル構造体を形成した後、ハイドロゲル構造体の表面に皮膜を塗布形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の立体造形モデルの製造方法。
少なくとも、有機モノマー、層状粘土鉱物、水を含むハイドロゲル前駆体液を型に注入して硬化、もしくは３次元プリンターにより積層造形して、ハイドロゲル構造体を形成した後、ハイドロゲル構造体の表面に熱収縮フィルムをラミネートすることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の立体造形モデルの製造方法。
少なくとも、有機モノマー、層状粘土鉱物、水を含むハイドロゲル前駆体液を型に注入して硬化、もしくは３次元プリンターにより積層造形して、ハイドロゲル構造体を形成した後、ハイドロゲル構造体の表面に皮膜を噴霧形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の立体造形モデルの製造方法。