特許 7595337 制御装置と、三次元造形物の製造方法および制御プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-28

(45)【発行日】2024-12-06

(54)【発明の名称】制御装置と、三次元造形物の製造方法および制御プログラム

(51)【国際特許分類】

   A61L 27/56 20060101AFI20241129BHJP

   A61F 2/28 20060101ALI20241129BHJP

   A61L 27/12 20060101ALI20241129BHJP

   A61L 27/58 20060101ALI20241129BHJP

   B01D 39/20 20060101ALI20241129BHJP

【ＦＩ】

A61L27/56

A61F2/28

A61L27/12

A61L27/58

B01D39/20 D

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2020169561

(22)【出願日】2020-10-07

(65)【公開番号】P2022061568

(43)【公開日】2022-04-19

【審査請求日】2023-09-07

(73)【特許権者】

【識別番号】503359821

【氏名又は名称】国立研究開発法人理化学研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100097515

【弁理士】

【氏名又は名称】堀田 実

(74)【代理人】

【識別番号】100136700

【弁理士】

【氏名又は名称】野村 俊博

(72)【発明者】

【氏名】横田 秀夫

(72)【発明者】

【氏名】山澤 建二

(72)【発明者】

【氏名】辻村 有紀

(72)【発明者】

【氏名】大山 慎太郎

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 政樹

【審査官】今村 明子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１７４７９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１８７０５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１８６９０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－３０５０７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０４５２９５０５（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開平０３－２６１６８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００７－５０１０５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１０－５３１６９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２２３３７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２２４６５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００５／０１１５３６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ａ６１Ｌ

Ａ６１Ｆ

Ｂ０１Ｄ

ＣＡｐｌｕｓ／ＲＥＧＩＳＴＲＹ／ＭＥＤＬＩＮＥ／ＥＭＢＡＳＥ／ＢＩＯＳＩＳ（ＳＴＮ）

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

三次元造形物の三次元形状を表わす形状データに基づいて三次元造形装置を制御する制御装置であって、
粉末状のセラミック材料を用いてセラミック層を形成する層形成工程と、
前記形状データに基づいて、前記層の目標範囲に、キレート剤を含む硬化液を付与させる硬化液付与工程と、
を前記三次元造形装置に繰り返し実行させて、積み重ねた前記層の前記目標範囲において、前記セラミック材料と前記キレート剤との反応物による前記三次元造形物を前記三次元造形装置に形成させ、
各前記層の前記目標範囲において、前記三次元造形物の一方側部分と他方側部分となる領域をそれぞれ一方側領域と他方側領域として、前記形状データが示す前記一方側領域と前記他方側領域の各々の位置範囲に基づいて、前記一方側領域に対して単位面積あたりに付与する前記硬化液の量を、前記他方側領域に対して単位面積あたりに付与する前記硬化液の量よりも多くすることにより、前記一方側部分を緻密質な緻密質部分に形成し、前記他方側部分を多孔質な多孔質部分に形成する前記硬化液付与工程を前記三次元造形装置に実行させ、
前記セラミック材料は、リン酸カルシウムであり、前記キレート剤は、１分子当たり３個以上のリン酸基又はカルボキシル基を有する有機化合物であり、
前記三次元造形物において、当該三次元造形物の構成材料が占める空間の割合を緻密度として、前記緻密質部分は、緻密度が第１しきい値以上となっている領域であり、前記多孔質部分は、緻密度が第２しきい値未満となっている領域であり、前記第１しきい値は、７０％以上であり９０％以下の範囲内の値であり、前記第２しきい値は、３０％以上であり６５％以下の範囲内の値である、制御装置。

【請求項2】

各前記層の前記目標範囲において、前記三次元造形物の前記一方側部分と前記他方側部分との中間部分となる領域を中間領域として、前記形状データが示す前記一方側領域と前記他方側領域と前記中間領域の各々の位置範囲に基づいて、前記中間領域に対して単位面積あたりに付与する前記硬化液の量を、前記一方側領域に対して単位面積あたりに付与する前記硬化液の量よりも少なく、前記他方側領域に対して単位面積あたりに付与する前記硬化液の量よりも多くすることにより、前記中間部分を、前記多孔質部分の緻密度よりも高く、前記緻密質部分の緻密度よりも低い緻密度を有する部分に形成する前記硬化液付与工程を前記三次元造形装置に実行させる、請求項１に記載の制御装置。

【請求項3】

前記緻密質部分の緻密度は、８０％以上であり、前記多孔質部分の緻密度は、６０％未満である、請求項１又は２に記載の制御装置。

【請求項4】

前記リン酸カルシウムは、α－リン酸三カルシウム（α－ＴＣＰ）、β－リン酸三カルシウム（β－ＴＣＰ）、リン酸八カルシウム（ＯＣＰ）、及び炭酸アパタイトのいずれかである、請求項１～３のいずれか一項に記載の制御装置。

【請求項5】

前記有機化合物は、エチドロン酸、フィチン酸、及びクエン酸のいずれかである、請求項１～４のいずれか一項に記載の制御装置。

【請求項6】

前記三次元造形物は、人工骨であり、
前記人工骨は、生体骨の欠損部分に充填されて該生体骨とともに骨体を形成するものであり、
前記人工骨は、前記骨体の外面となる外側面と、前記骨体の内部に位置することになる内側面とを有し、
前記外側面は、前記緻密質部分により形成され、前記多孔質部分は、前記内側面を形成する、請求項１～５のいずれか一項に記載の制御装置。

【請求項7】

前記多孔質部分が形成している前記内側面は、前記生体骨により形成されている、前記欠損部分の内面に隣接する面である、請求項６に記載の制御装置。

【請求項8】

前記硬化液付与工程において、細胞を含む細胞含有液、細胞と成長因子の両方を含む細胞含有液、又は成長因子を含む成長因子含有液を、各前記層の前記目標範囲の全体又は所定領域に滴下又は噴射するように前記三次元造形装置を制御する、請求項６又は７に記載の制御装置。

【請求項9】

三次元造形物の三次元形状を表わす形状データに基づいて、当該三次元造形物を製造する方法であって、
粉末状のセラミック材料を用いてセラミック層を形成する層形成工程と、
前記形状データに基づいて、前記層の目標範囲に、キレート剤を含む硬化液を付与する硬化液付与工程と、を有し、
前記層形成工程と前記硬化液付与工程を繰り返すことにより、積み重ねた前記層の前記目標範囲において、前記セラミック材料と前記キレート剤との反応物により形成された前記三次元造形物を形成し、
各前記層の前記目標範囲において、前記三次元造形物の一方側部分と他方側部分となる領域をそれぞれ一方側領域と他方側領域として、前記硬化液付与工程では、前記形状データが示す前記一方側領域と前記他方側領域の各々の位置範囲に基づいて、前記一方側領域に対して単位面積あたりに付与する前記硬化液の量を、前記他方側領域に対して単位面積あたりに付与する前記硬化液の量よりも多くすることにより、前記一方側部分を緻密質な緻密質部分に形成し、前記他方側部分を多孔質な多孔質部分に形成し、
前記セラミック材料は、リン酸カルシウムであり、前記キレート剤は、１分子当たり３個以上のリン酸基又はカルボキシル基を有する有機化合物であり、
前記三次元造形物において、当該三次元造形物の構成材料が占める空間の割合を緻密度として、前記緻密質部分は、緻密度が第１しきい値以上となっている領域であり、前記多孔質部分は、緻密度が第２しきい値未満となっている領域であり、前記第１しきい値は、７０％以上であり９０％以下の範囲内の値であり、前記第２しきい値は、３０％以上であり６５％以下の範囲内の値である、三次元造形物の製造方法。

【請求項10】

各前記層の前記目標範囲において、前記三次元造形物の前記一方側部分と前記他方側部分との中間部分となる領域を中間領域として、前記硬化液付与工程において、前記形状データが示す前記一方側領域と前記他方側領域と前記中間領域の各々の位置範囲に基づいて、前記中間領域に対して単位面積あたりに付与する前記硬化液の量を、前記一方側領域に対して単位面積あたりに付与する前記硬化液の量よりも少なく、前記他方側領域に対して単位面積あたりに付与する前記硬化液の量よりも多くすることにより、前記中間部分を、前記多孔質部分の緻密度よりも高く、前記緻密質部分の緻密度よりも低い緻密度を有する部分に形成する、請求項９に記載の三次元造形物の製造方法。

【請求項11】

前記三次元造形物を形成した後に、前記三次元造形物を洗浄する洗浄工程を有する、請求項９又は１０に記載の三次元造形物の製造方法。

【請求項12】

三次元造形物の三次元形状を表わす形状データに基づいて三次元造形装置を制御するための制御プログラムであって、
粉末状のセラミック材料を用いてセラミック層を前記三次元造形装置に形成させる層形成処理と、
前記形状データに基づいて、前記層の目標範囲に、キレート剤を含む硬化液を前記三次元造形装置に付与させる硬化液付与処理と、をコンピュータに実行させ、
前記層形成処理と前記硬化液付与処理を繰り返し前記コンピュータに実行させ、積み重ねた前記層の前記目標範囲において、前記セラミック材料と前記キレート剤との反応物による前記三次元造形物を前記三次元造形装置に形成させ、
各前記層の前記目標範囲において、前記三次元造形物の一方側部分と他方側部分となる領域をそれぞれ一方側領域と他方側領域として、前記形状データが示す前記一方側領域と前記他方側領域の各々の位置範囲に基づいて、前記一方側領域に対して単位面積あたりに付与する前記硬化液の量を、前記他方側領域に対して単位面積あたりに付与する前記硬化液の量よりも多くすることにより、前記一方側部分を緻密質な緻密質部分に形成し、前記他方側部分を多孔質な多孔質部分に形成する前記硬化液付与処理を前記コンピュータに実行させ、
前記セラミック材料は、リン酸カルシウムであり、前記キレート剤は、１分子当たり３個以上のリン酸基又はカルボキシル基を有する有機化合物であり、
前記三次元造形物において、当該三次元造形物の構成材料が占める空間の割合を緻密度として、前記緻密質部分は、緻密度が第１しきい値以上となっている領域であり、前記多孔質部分は、緻密度が第２しきい値未満となっている領域であり、前記第１しきい値は、７０％以上であり９０％以下の範囲内の値であり、前記第２しきい値は、３０％以上であり６５％以下の範囲内の値である、制御プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、三次元造形物の三次元形状を表わす形状データに基づいて三次元造形装置を制御する制御装置と、セラミック材料を用いて形成される三次元造形物の製造方法および制御プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

セラミック材料を用いて形成された三次元造形物として、人工骨がある。人工骨は、骨折等により生じた骨の欠損部分に充填される。バイオセラミック材料から形成した人工骨では、金属材料で形成された人工骨と違って、生体骨への置換性が得られる。すなわち、バイオセラミック材料を用いた人工骨は、生体における骨の欠損部分へ充填された後、新たな骨の成長により本来の骨に融合し置換され得る。

【0003】

特許文献１では、リン酸カルシウム等のセラミック材料の粉末骨材を用いて、粉末積層法により人工骨を形成し、その後、人工骨を水溶液に浸し減圧処理することにより、人工骨内部の気体を水溶液に置換し、次いで、静置して水和反応を生じさせて人工骨の強度を向上させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第４５７５２９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来において、セラミック材料を用いて形成された三次元造形物は、強度を確保する目的等のために、内部の緻密度を高くする必要があるが、緻密度が低い方が好ましい場合もある。三次元造形物が人工骨である場合には、人工骨の強度を確保するために、内部の緻密度を高くする必要があるが、緻密度が高すぎると、新たな骨の成長が妨げられるので、生体骨との融合や生体骨への置換に時間がかかる。一方、人工骨の緻密度が低いと、生体骨を補強するための強度が不足する。

【0006】

そこで、本発明の主要な目的は、三次元造形物において、緻密度が高い場合の特性と、緻密度が低い場合の特性の両方が得られ、かつ、高い強度が得られるようにすることにある。

【0007】

また、本発明の副次的な目的は、人工骨において、生体骨に対する融合性及び置換性の少なくともいずれかと高い強度との両方が得られるようにすることにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上述の目的を達成するため、本発明による三次元造形物は、一方側において緻密質に形成された緻密質部分と、他方側において多孔質に形成された多孔質部分と、を有し、前記緻密質部分と前記多孔質部分とは、セラミック材料とキレート剤との反応物により形成されている。この三次元造形物は、人工骨であってよい。

【0009】

また、本発明による三次元造形物の製造方法は、粉末状のセラミック材料を用いてセラミック層を形成する層形成工程と、前記層の目標範囲に、キレート剤を含む硬化液を付与する硬化液付与工程と、を有し、
前記層形成工程と前記硬化液付与工程を繰り返して、積み重ねた前記層の前記目標範囲において、前記セラミック材料とキレート剤との反応物により三次元造形物を形成し、
前記目標範囲において、前記三次元造形物の一方側部分と他方側部分となる領域をそれぞれ一方側領域と他方側領域として、前記硬化液付与工程では、一方側領域に対して単位面積あたりに付与する前記硬化液の量を、他方側領域に対して単位面積あたりに付与する前記硬化液の量よりも多くする。

【0010】

また、本発明による制御プログラムは、三次元造形装置を制御するためのプログラムであって、
粉末状のセラミック材料を用いてセラミック層を三次元造形装置に形成させる層形成処理と、
前記層の目標範囲に、キレート剤を含む硬化液を前記三次元造形装置に付与させる硬化液付与処理と、をコンピュータに実行させ、
前記層形成処理と前記硬化液付与処理を繰り返し前記コンピュータに実行させ、積み重ねた前記層の前記目標範囲において、前記セラミック材料とキレート剤との反応物による三次元造形物を前記三次元造形装置に形成させ、
前記目標範囲において、前記三次元造形物の一方側部分と他方側部分となる領域をそれぞれ一方側領域と他方側領域として、一方側領域に対して単位面積あたりに付与する前記硬化液の量を、他方側領域に対して単位面積あたりに付与する前記硬化液の量よりも多くするように、前記硬化液付与処理を前記コンピュータに実行させる。

【発明の効果】

【0011】

本発明による三次元構造物は、緻密度が高い緻密質部分と緻密度が低い多孔質部分を有するので、緻密度が高い場合の特性と、緻密度が低い場合の特性との両方が得られる。また、多孔質部分は、セラミック材料とキレート剤との反応物により形成されているので、多孔質部分であっても高い強度が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本実施形態による三次元造形物の一例を示す概略構成図である。

【図2】図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である。

【図3】本実施形態による三次元造形物の製造方法を示すフローチャートである。

【図4A】三次元造形物の製造方法の説明図である。

【図4B】三次元造形物の製造方法の別の説明図である。

【図5】本実施形態による三次元造形物の別の例を示す概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

【0014】

（三次元造形物の構成）
図１は、本実施形態における三次元造形物１０の一例を示す図である。図１は、三次元造形物１０は人工骨である場合を示すが、三次元造形物１０は、人工骨に限定されず、後述のようにフィルタや触媒担体等として適用されてもよい。以下で、人工骨１０に特定していない三次元造形物１０に関する記載は、三次元造形物１０が人工骨である場合とそうでない場合の両方に当てはまる。

【0015】

人工骨１０は、生体（人又は動物）における生体骨２０の欠損部分２０ａに充填される。図１は、人工骨１０が、人の皮膚２の内側の生体骨２０の欠損部分２０ａに充填された状態を示す。欠損部分２０ａは、例えば、損傷（例えば骨折）により生じた部分であってもよいし、整形外科手術の骨切り術により形成された部分であってもよい。図１に例示する生体骨２０は、人の大腿骨であるが、本実施形態による人工骨１０が充填可能な欠損部分は、人の脛骨、上腕骨、胸骨、頭蓋骨、又は他の箇所の骨の欠損部分であってもよいし、人以外の動物の生体骨の欠損部分であってもよい。

【0016】

図２は、図１における人工骨１０のＩＩ－ＩＩ線断面図である。なお、図２の断面と平行な、図１の人工骨１０の各断面は、図２と同様の断面であってよい。

【0017】

三次元造形物１０は、一方側（図２では右側）において緻密質に形成された緻密質部分３と、他方側（図２では左側）において多孔質に形成された多孔質部分５とを有する。三次元造形物１０において、緻密質部分３となる一方側と、多孔質部分５となる他方側は、それぞれ、三次元造形物１０における一端側と他端側（図２では、この図の右側と左側）であってよいが、これに限定されず、例えば、三次元造形物１０における外周側と内部中央側（又は内部中央側と外周側）とであってもよい。

【0018】

緻密質部分３と多孔質部分５とは、セラミック材料とキレート剤との反応物により形成されている。すなわち、セラミック材料は、キレート剤とのキレート反応の結果、硬化して上記反応物となっている。より詳しくは、キレート剤がセラミックス材料を溶解させ、そこで発生したカルシウムイオンをキレート剤がトラップすることで硬化した上記反応物が得られる。つまり、キレート反応に加えて、セラミックス材料の溶融後の固着が生じることで上記反応物が得られる。なお、キレート反応とは、２座又はそれ以上の多座配位子が環を形成して中心金属と結合する化学反応を意味する。キレート剤とは、上記反応物をつくる配位子（多座配位子）を持つ化合物を意味する。

【0019】

緻密質部分３は、緻密度が第１しきい値以上となっている領域である。多孔質部分５は、緻密度が第２しきい値未満となっている領域である。緻密度は、三次元造形物１０において、その構成材料（上記反応物）が占める空間の割合（占有率）を示す。したがって、空隙が全く生じないように構成材料が完全に詰められた領域では緻密度は１００％である。第１しきい値は、７０％以上であり９０％以下の範囲内の値（例えば８０％）であってよく、第２しきい値は、３０％以上であり６５％以下の範囲内の値（例えば６０％）であってよい。なお、緻密質部分３の緻密度の上限は、１００％であってよい。多孔質部分５の緻密度の下限は、１０％以上であり２０％以下の範囲内の値（例えば２０％）であってよい。

【0020】

三次元造形物１０は、緻密質部分３と多孔質部分５との間においてセラミック材料とキレート剤との反応物により形成された中間部分７を有していてもよい。中間部分７の緻密度は、多孔質部分５の緻密度よりも高く、緻密質部分３の緻密度よりも低い。中間部分７は、緻密質部分３と多孔質部分５のそれぞれと直接結合されている。一例では、中間部分７において、（例えば、緻密質部分３との境界から多孔質部分５との境界まで）緻密質部分３側から多孔質部分５側へ移行するにつれて緻密度が徐々に下がっている。別の例では、中間部分７の全体にわたって、緻密度が均一であってもよい。なお、中間部分７が設けられない場合には、緻密質部分３と多孔質部分５とは互いに直接結合されている。

【0021】

三次元造形物１０の全体が、主に上記反応物により形成されていてよい。例えば、三次元造形物１０の全重量に対する、三次元造形物１０を構成する上記反応物の重量の割合が、８０％以上（又は９０％以上）であってよく、１００％以下であってよい。三次元造形物１０が人工骨である場合、人工骨１０は上記反応物以外の成分として後述の細胞と成長因子の一方又は両方を含んでいてよい。

【0022】

上述のセラミック材料は、リン酸カルシウムであってよい。このリン酸カルシウムは、例えば、α－リン酸三カルシウム（α－ＴＣＰ）、β－リン酸三カルシウム（β－ＴＣＰ）、リン酸八カルシウム（ＯＣＰ）、又は炭酸アパタイトあってよいが、特定のリン酸カルシウムに限定されない。

【0023】

また、上述のキレート剤は、１分子当たり３個以上のリン酸基又はカルボキシル基を有する有機化合物であってよい。この有機化合物は、エチドロン酸、フィチン酸、又はクエン酸であってよいが、これらに限定されない。

【0024】

人工骨１０は、生体骨２０の欠損部分２０ａに充填されて当該生体骨２０とともに骨体３０を形成するものである。図１は、生体骨２０と、その欠損部分２０ａに充填された人工骨１０とにより骨体３０を形成している状態の一例を示している。人工骨１０が、生体骨２０の欠損部分２０ａに充填された状態を、以下で単に充填状態という。

【0025】

人工骨１０は、充填状態において骨体３０の外面となる外側面１０ａと、充填状態において骨体３０の内部に位置することになる内側面１０ｂとを有する。骨体３０の外面は、生体の外側（皮膚２の側）を向く面である。外側面１０ａ（例えば外側面１０ａの全体）は、緻密質部分３により形成されており、多孔質部分５は、内側面１０ｂ（内側面１０ｂにおいて緻密質部分３に属しない部分）を形成している。充填状態において、多孔質部分５が形成している内側面１０ｂは、欠損部分２０ａの内面に隣接（例えば接触）しており、当該内面は、生体骨２０により形成されている。

【0026】

緻密質部分３が形成している内側面１０ｂとして、互いに異なる方向を向く複数の内側面１０ｂが存在してよい。図１と図２の例では、内側面１０ｂとして第１～第５の内側面１０ｂ１～１０ｂ５が形成されている。第１の内側面１０ｂ１は、外側面１０ａと反対側（図２の左側）を向いており、欠損部分２０ａを区画する内面のうち欠損部分２０ａの底面に隣接（接触）する。第２及び第３の内側面１０ｂ２，１０ｂ３は、第１の内側面１０ｂ１と外側面１０ａとの間に位置し、互いに反対側（図２の上側と下側）を向いている。第４及び第５の内側面１０ｂ４，１０ｂ５は、第１の内側面１０ｂ１と外側面１０ａとの間に位置するとともに、第２の内側面１０ｂ２と第３の内側面１０ｂ３との間に位置し、互いに反対側（図１の上側と下側）を向いている。

【0027】

なお、内側面１０ｂの数は、この例に限定されず、人工骨１０が充填される欠損部分２０ａの形状に応じて異なる。三次元造形物（人工骨）１０は、直方体、角柱形状、円柱形状、角錐形状、円錐形状、切頭円柱形状、切頭角錐形状、又は薄片状を有していてよい。角柱形状又は円柱形状の人工骨１０の場合には、円柱形状の一方の端面が外側面１０ａであってよい。角錐形状、円錐形状、切頭円柱形状、又は切頭角錐形状の人工骨１０の場合には、当該形状の底面が外側面１０ａであってよい。薄片状の人工骨１０の場合、当該人工骨１０は、頭蓋骨（例えば頭蓋冠）をその厚み方向に貫通する欠損部分２０ａに充填されるものであってもよく、この場合、人工骨１０の厚み方向を向く一方の側面が上述の外側面１０ａである。

【0028】

また、人工骨１０は、細胞と成長因子の一方又は両方を含んでいてよい。細胞と成長因子は、後でより詳しく説明するが、人工骨１０が本来の骨組織に入れ替わることを促進させるためのものである。

【0029】

（三次元造形物の製造方法）
図３は、本発明の実施形態による三次元造形物（人工骨）１０の製造方法を示すフローチャートである。

【0030】

ステップＳ１において、製作対象である三次元造形物１０の三次元形状のデータ（以下で、単に形状データともいう）を作成する。三次元造形物１０が人工骨である場合、ステップＳ１において、生体骨２０の欠損部分２０ａの三次元形状のデータに基づいて、当該欠損部分２０ａに充填する人工骨１０の三次元形状を表わす形状データを作成する。形状データは、三次元造形物１０における一方側部分となる緻密質部分３と三次元造形物１０における他方側部分となる多孔質部分５がそれぞれ占める三次元的な範囲を表わすデータを含んでいてよい。更に、形状データは、三次元造形物１０において緻密質部分３と多孔質部分５との間の部分となる中間部分７が占める三次元的な範囲を表わすデータを含んでいてよい。

【0031】

形状データの作成は、人がコンピュータの入力装置（キーボードやマウスなど）を操作することによりなされてよい。三次元造形物１０が人工骨１０の場合、例えば、コンピュータのディスプレイに欠損部分２０ａの三次元形状のデータを表示させ、人が、このデータを見ながら、入力装置を操作することにより形状データを作成してよい。欠損部分２０ａの三次元形状のデータは、生体骨２０における欠損部分２０ａを含む領域の三次元形状データであり、例えばCTスキャンによって得られたものであってよい。欠損部分２０ａの三次元形状のデータと形状データは、例えばＣＡＤデータであってよい。

【0032】

ステップＳ２において、ステップＳ１で作成した形状データに基づいて、粉末積層法により三次元造形物１０を製作する造形処理を行う。すなわち、ステップＳ２では、後述する三次元造形装置１００（３Ｄプリンタ）が、形状データに基づいて、粉末状のセラミック材料による層を形成して硬化させ、硬化した当該層の上面に同様の処理を行い、新たに硬化した層の上面に対し同様の処理を繰り返すことにより、硬化して一体化された多数の層からなる３次元形状の人工骨１０を形成する。なお、上述の形状データは、これらの多数の層にそれぞれ対応する多数のスライスデータから構成されている。

【0033】

図４Ａは、造形処理の説明図であり、ステップＳ２に用いられる三次元造形装置１００の構成例を示す。図４Ａの三次元造形装置１００は、粉末積層法で三次元造形物１０を製作する。三次元造形装置１００は、上下に移動する昇降底面部１１１ａを底部に有し粉末状のセラミック材料２（以下で単に粉末１０２ともいう）が導入される造形容器１１１と、粉末１０２を造形容器１１１に導入する粉末導入装置１１２と、造形容器１１１に導入された粉末１０２を部分的に硬化させる硬化装置１１３を備える。また、上述のステップＳ１で作成された形状データを記憶する記憶装置１１４と、三次元造形装置１００の動作を制御する制御装置１１５とが設けられる。

【0034】

ステップＳ２は、層形成工程のステップＳ２１と硬化液付与工程のステップＳ２２を有する。ステップＳ２において、三次元造形装置１００は、次のステップＳ２１とステップＳ２２を、この順で繰り返すことにより、三次元造形物１０１を製作する。

【0035】

ステップＳ２１では、粉末１０２を用いてセラミック層を形成する。例えば、図４Ａのように、制御装置１１５が粉末導入装置１１２を制御することにより、粉末導入装置１１２は、一層分の粉末１０２を造形容器１１１に導入する。この時、造形容器１１１に導入された粉末１０２の上面が水平になるように、粉末導入装置１１２は粉末１０２を造形容器１１１に導入する。

【0036】

図４Ａの例では、粉末導入装置１１２は、昇降底面部１１２ａ１を有し粉末１０２が蓄えられた粉末容器１１２ａと、ローラ１１２ｂとを有する。粉末容器１１２ａの上面は開口している。制御装置１１５は、一層分に対応する距離だけ昇降底面部１１２ａ１を上昇させる。次いで、制御装置１１５は、図４Ａのように、ローラ１１２ｂを、粉末容器１１２ａの開口に関して造形容器１１１と反対側から、水平に、この開口と造形容器１１１の開口を横切るように移動させる。これにより、粉末容器１１２ａの開口から上昇した一層分の粉末１０２が造形容器１１１に導入される。この方法で、一層分の粉末１０２が、造形容器１１１に導入され、導入された粉末１０２の上面が水平にされる。

【0037】

ステップＳ２２では、ステップＳ２１で形成された層の上面における目標範囲に、キレート剤を含む液体である硬化液（以下で単に硬化液ともいう）を付与する。例えば、制御装置１１５が一層分の上述のスライスデータに基づいて、硬化装置１１３を制御することにより、硬化装置１１３は、図４Ｂのように、層の上記目標範囲に硬化液を付与する。これにより、目標範囲の粉末状のセラミック材料１０２が、硬化液に含まれるキレート剤とのキレート反応の結果、硬化した反応物となる。

【0038】

ステップＳ２２では、硬化液付与量の制御が行われる。すなわち、ステップＳ２１で形成された層の上記目標範囲において、三次元造形物１０の一方側部分と他方側部分となる領域をそれぞれ一方側領域と他方側領域として、形状データに基づいて、一方側領域に対して単位面積あたりに硬化装置１１３が付与する硬化液の量を、他方側領域に対して単位面積あたりに硬化装置１１３が付与する硬化液の量よりも多くする。これにより、一方側領域は緻密層部分３を構成し、他方側部分は多孔質部分５を構成するように硬化する。

【0039】

このような硬化液付与量の制御では、更に、ステップＳ２１で形成された層の目標範囲において、一方側領域と他方側領域との間の領域を中間領域として、中間領域に対して単位面積あたりに硬化装置１１３が付与する硬化液の量を、一方側領域に対して単位面積あたりに硬化装置１１３が付与する硬化液の量よりも少なく、他方側領域に対して単位面積あたりに硬化装置１１３が付与する硬化液の量よりも多くしてもよい。これにより、中間領域が中間部分７を構成するように硬化する。

【0040】

また、硬化液付与量の制御において、中間領域内の位置に応じて、当該位置に対して、単位面積あたりに硬化装置１１３が付与する硬化液の量を変化させてもよい。例えば、中間領域において一方側領域側から他方側領域側へ位置が移行するにつれて、当該位置に対して、単位面積あたりに硬化装置１１３が付与する硬化液の量を徐々に少なくしてもよい。これにより、緻密質部分３側から多孔質部分５側へ移行するにつれて緻密度が徐々に下がっている中間部分７が形成される。

【0041】

上述の硬化液付与量の制御は、形状データ（スライスデータ）が示す一方側領域、他方側領域、および中間領域の位置範囲に基づいて、制御装置１１５により行われてよい。

【0042】

ステップＳ２２が終了したら、制御装置１１５は、一層分の厚みだけ昇降底面部１１１ａを下降させる。その後、再びステップＳ２１とステップＳ２２を行う。このように、ステップＳ２１とステップＳ２２を繰り返すことにより、セラミック材料とキレート剤との反応物により形成された三次元造形物（人工骨）１０を形成する。すなわち、形状データの全てのスライスデータに対応する全ての層を形成して硬化させることにより、三次元造形物１０を形成する。このように全ての層を形成して硬化させたら、ステップＳ３へ移行する。

【0043】

ステップＳ３では、ステップＳ２により形成された三次元造形物１０を、造形容器１１１から取り出し、三次元造形物１０の全体を液体（例えば水）で洗浄する。例えば、三次元造形物１０に水を流して、三次元造形物１０から、キレート反応に寄与しなかった残留キレート剤、及び硬化液に含まれている他の成分（例えば後述の界面活性剤など）を取り除く。

【0044】

以下で、上述のステップＳ２の造形処理について、より詳しく説明する。

【0045】

＜セラミック材料と硬化液＞
上述のステップＳ２１で用いる粉末状のセラミック材料１０２は、リン酸カルシウムであってよい。このリン酸カルシウムは、α－リン酸三カルシウム（α－ＴＣＰ）、β－リン酸三カルシウム（β－ＴＣＰ）、リン酸八カルシウム（ＯＣＰ）、及び炭酸アパタイトの何れかであってよい。

【0046】

ステップＳ２２で用いる硬化液は、少なくともキレート剤を含む液体である。この硬化液は、水にキレート剤が溶けたものであってよい。キレート剤は、１分子当たり３個以上のリン酸基又はカルボキシル基を有する有機化合物である。この有機化合物は、エチドロン酸、フィチン酸、及びクエン酸の何れかであってよい。

【0047】

硬化液は、キレート剤以外に、他の物質を含んでいてもよい。例えば、硬化液は、更に界面活性剤を含んでいてもよい。

【0048】

＜三次元造形装置の具体例＞
三次元造形装置１００は、インクジェットプリンタを用いたものであってもよい。すなわち、三次元造形装置１００の上述の硬化装置１１３は、インクジェットプリンタの構成要素であってよい。この場合、インクジェットプリンタのインクとして、又は、当該インクの代わりに、上記硬化液が用いられる。また、この場合、硬化装置１１３は、硬化液を滴下又は噴射する複数のヘッド１１３ａが設けられ移動可能なキャリッジである。

【0049】

上述のステップＳ２２では、制御装置１１５の制御により、層の目標範囲の上方において当該目標範囲に沿ってキャリッジ１１３が移動させられるとともに、ヘッド１１３ａが硬化液を当該目標範囲における各位置へ滴下又は噴射する。これにより、層の目標範囲の全体に硬化液が付与される。

【0050】

この場合、ステップＳ２２における硬化液付与量の制御では、制御装置１１５は、上述の一方側領域に対して単位面積あたりに硬化液を付与するのに用いるヘッド１１３ａの数を、上述の他方側領域に対して単位面積あたりに硬化液を付与するのに用いるヘッド１１３ａの数よりも多くすることにより、上述のように硬化液付与量の制御を行ってもよい。

【0051】

また、上述の中間領域についても同様に、制御装置１１５は、中間領域に対して単位面積あたりに硬化液を付与するのに用いるヘッド１１３ａの数を、上述の一方側領域に対して単位面積あたりに硬化液を付与するのに用いるヘッド１１３ａの数よりも少なくし、上述の他方側領域に対して単位面積あたりに硬化液を付与するのに用いるヘッド１１３ａの数よりも多くすることにより、上述の硬化液付与量の制御を行ってもよい。この場合、制御装置１１５は、中間領域において一方側領域側から他方側領域側へ位置が移行するにつれて、当該位置に対して、単位面積あたりに硬化液を付与するのに用いるヘッド１１３ａの数を徐々に少なくしてもよい。これにより、緻密質部分３側から多孔質部分５側へ移行するにつれて緻密度が徐々に下がっている中間部分７が形成されてよい。

【0052】

＜細胞と成長因子＞
三次元造形物１０が人工骨である場合に、生体骨２０へ人工骨１０を充填した後に人工骨１０が生体骨２０の本来の骨組織に入れ替わることを促進させる目的で、ステップＳ２２において、層の上記目標範囲の全体又は所定部分に細胞と成長因子の一方又は両方を付与してもよい。細胞は、骨組織内に存在する細胞（例えば骨芽細胞や破骨細胞）でもよいし、分化前の幹細胞でもよいし、或いは、これらの一方又は両方であってもよい。成長因子は、強力な骨再生の誘導能をもつ骨形成因子（ＢＭＰ）であってもよいし、骨細胞成長や基質成長を促すサイトカインとしての塩基性繊維芽細胞増殖因子（ｂ－ＦＧＦ）、トランスフォーミング増殖因子（ＴＧＦβ）、インスリン様増殖因子（ＩＧＦ－１）等であってもよい。

【0053】

細胞を人工骨１０に付与する場合には、細胞を含む細胞含有液を用意する。例えば、細胞含有液は、細胞が液体中に分散しているものであってよい。上述のステップＳ２２において、上述のキャリッジ１１３に設けた別のヘッド１１３ｂから、細胞含有液を層の目標範囲の全体又は所定領域に滴下又は噴射する。この所定領域は、例えば多孔質部分５となる上記他方側領域であってよい。

【0054】

細胞に加えて成長因子を人工骨１０に付与する場合には、上述の細胞含有液に成長因子を含ませてもよいし、上述の細胞含有液とは別に、成長因子を含む成長因子含有液を用意してもよい。後者の場合、上述のステップＳ２２において、上述のキャリッジ１１３に設けた更に別のヘッド（図示せず）から、成長因子含有液を層の目標範囲の全体又は所定領域（例えば上記他方側領域）に滴下又は噴射する。なお、細胞と成長因子のうち成長因子のみを人工骨１０に付与する場合、上述のステップＳ２２において、上述のキャリッジ１１３に設けたヘッド１１３ｂから、上述の成長因子含有液を層の目標範囲の全体又は所定領域（例えば上記他方側領域）に滴下又は噴射する。

【0055】

（実施形態による効果）
上述した三次元造形物１０は、緻密度が高い緻密質部分３と緻密度が低い多孔質部分５を有するので、緻密度が高い場合の特性と、緻密度が低い場合の特性との両方が得られる。

【0056】

多孔質部分５は、セラミック材料とキレート剤との反応物により形成されているので、多孔質部分５であっても高い強度が得られる。例えば、三次元造形物１０が人工骨である場合、多孔質部分５は、緻密度が６０％であっても、２５～３０ＭＰａの強度が得られる。

【0057】

また、三次元造形物１０が人工骨である場合、人工骨１０と生体骨２０とにより骨体３０を形成するように人工骨１０が生体骨２０の欠損部分２０ａに充填された充填状態で、多孔質部分５よりも高い強度を有する緻密質部分３が、骨体３０の外面を形成している。したがって、緻密質部分３により、外部からの衝撃に対して、欠損部分２０ａ（すなわち、欠損部分２０ａに充填された人工骨１０）を確実に保護することができる。

【0058】

また、上記充填状態で、多孔質部分５が形成している内側面１０ｂは、生体骨２０の欠損部分２０ａの内面に隣接（例えば接触）している。したがって、欠損部分２０ａの内面から、生体骨２０から新たな骨組織（骨質）が人工骨１０内に入りやすい。したがって、生体骨２０に対して高い融合性及び置換性を有する人工骨１０が実現される。

【0059】

また、上述の造形処理のステップＳ２２において、粉末１０２の層に付与する硬化液の量を変化させるだけで、緻密質部分３と多孔質部分５を簡単に形成することができる。また、三次元造形物１０は、セラミック材料とキレート剤との反応物により形成され、当該反応物自体が高い強度を有するので、強度を高めるための焼成処理等を不要にすることができる。

【0060】

緻密質部分３と多孔質部分５の間に中間部分７を設けてもよい。この場合、中間部分７において、緻密質部分３側から多孔質部分５側へ移行するにつれて緻密度が徐々に下がっていることにより、三次元造形物１０の強度を高めることができる。

【0061】

（制御プログラム）
上述のステップＳ２の造形処理を行うための制御プログラムが、記憶装置１１４に記憶されていてもよいし、制御装置１１５としてのコンピュータが読み取り可能な他の記憶装置に記憶されていてもよい。

【0062】

制御プログラムは、粉末状のセラミック材料１０２を用いてセラミック層を三次元造形装置１００に形成させる層形成処理をコンピュータ１１５に実行させる。この層形成処理は、上述のステップＳ２１を三次元造形装置１００に行わせる処理である。

【0063】

また、制御プログラムは、層の上記目標範囲に、キレート剤を含む硬化液を三次元造形装置１００に付与させる硬化液付与処理をコンピュータ１１５に実行させる。この硬化液付与処理は、上述のステップＳ２２を三次元造形装置１００に行わせる処理である。

【0064】

制御プログラムは、層形成処理と硬化液付与処理を繰り返しコンピュータ１１５に実行させる。これにより、コンピュータ１１５は、三次元造形装置１００にステップＳ２１とステップＳ２２を繰り返し行わせる。

【0065】

（三次元造形物の他の例）
上述した三次元造形物１０は、人工骨以外のものであってもよい。例えば、三次元造形物１０は、通過する流体中の粒子を捕集するフィルタであってもよい。

【0066】

フィルタ１０は、例えば、排ガス浄化フィルタ、空気清浄フィルタ、又は液体フィルタであってよい。排ガス浄化フィルタは、内燃機関やボイラー等の熱機関の排気流路に設けられ、熱機関からの排気ガスに含まれる粒子を捕集する。空気清浄フィルタは、建物や自動車等の室内の空気を循環させる流路に設けられ、循環する空気中の粒子を捕集する。液体フィルタは、燃料や作動油等の液体中の粒子（異物）を捕集する。

【0067】

図５は、三次元造形物１０としてのフィルタの概略構成図である。フィルタ１０において、緻密質部分３と多孔質部分５は、流体が通過可能になっている。多孔質部分５は、通過する流体の上流側のフィルタ部を構成し、緻密質部分３は、通過する流体の下流側のフィルタ部を構成する。また、図５のように、フィルタ１０に中間部分７が設けられる場合には、中間部分７も、流体が通過可能になっている。

【0068】

このような構成において、流体が、多孔質部分５からフィルタ１０内へ流入して多孔質部分５を通過し、次いで中間部分７を通過し、その後、緻密質部分３を通過して、フィルタ１０の外部へ流出する。この過程で、流体中の粒子がフィルタ１０に捕集される。流体中の粒子のうち、大きい粒子は、多孔質部分５で捕集され、中間の大きさの粒子は、中間部分７で捕集され、小さい粒子は緻密質部分３で捕集される。

【0069】

フィルタ１０を所定期間使用した後は、例えば、緻密質部分３側から多孔質部分５側に向けてフィルタ１０内に加圧水を流すことで、フィルタ１０に蓄積された粒子を取り除いて、フィルタ１０を再度使用してもよい。

【0070】

また、三次元造形物１０は、触媒担体であってもよい。この場合、触媒担体１０は、上述のフィルタと同じ構成（図５の構成）を有していてよい。触媒担体１０には、その内部（例えば図５の多孔質部分５、中間部分７、及び緻密質部分３）などに触媒が担持される。触媒担体１０は、その内部を通過する流体（液体又はガス）の所定の化学反応を促進させる。図５の例の場合には、流体は、多孔質部分５から触媒担体１０内へ流入して多孔質部分５を通過し、次いで中間部分７を通過し、その後、緻密質部分３を通過して、触媒担体１０の外部へ流出する。あるいは、これと逆の順で、流体は、触媒担体１０を通過してもよい。

【0071】

なお、図５の例では、多孔質部分５、緻密質部分３、及び中間部分７の各々の形状は、円柱形であるが、他の形状であってもよい。また、図５の例では、フィルタ１０又は触媒担体１０の全体形状は、円柱形であるが、角柱形状などの他の形状であってもよい。また、フィルタ１０又は触媒担体１０において、多孔質部分５が円柱形状であり、中間部分７が多孔質部分５の外周面を囲むように設けられた円筒形であり、緻密質部分３が中間部分７の外周面を囲むように設けられた円筒形であってもよい。この場合、流体は、多孔質部分５にその軸方向に流入した後、その径方向に中間部分７と緻密質部分３を順に通過するようになっていてもよい。

【0072】

触媒担体１０の場合、緻密質部分３が円柱形状であり、中間部分７が緻密質部分３の外周面を囲むように設けられた円筒形であり、多孔質部分５が中間部分７の外周面を囲むように設けられた円筒形であってもよい。この場合、流体は、緻密質部分３にその軸方向に流入した後、その径方向に中間部分７と多孔質部分５を順に通過するようになっていてもよい。

【0073】

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、本発明の実施形態による三次元造形物１０は、上述した複数の事項の全て有していなくてもよく、上述した複数の事項のうち一部のみを有していてもよい。

【符号の説明】

【0074】

２ 皮膚、３ 緻密質部分、５ 多孔質部分、７ 中間部分、１０ 三次元造形物（人工骨）、１０ａ 外側面、１０ｂ 内側面、２０ 生体骨、２０ａ 欠損部分、３０ 骨体、１００ 三次元造形装置、１０２ 粉末状のセラミック材料（粉末）、１１１ 造形容器、１１１ａ 昇降底面部、１１２ 粉末導入装置、１１２ａ 粉末容器、１１２ａ１ 昇降底面部、１１２ｂ ローラ、１１３ 硬化装置（キャリッジ）、１１３ａ ヘッド、１１３ｂ ヘッド、１１４ 記憶装置、１１５ 制御装置（コンピュータ）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】