JP7365020B2 - ゲルを有する物体の製造法 - Google Patents

Description

本発明は、ゲルを有する物体の製造法に関する。

従来から、外科手術等の練習用等に医療モデルが提案されている。例えば、特許文献１では、３Ｄプリンタのインクにポリマーからなるゲル材料を用い、患者一人一人の臓器の３Ｄデータを基に造形を行うことにより、医療モデルを作製する技術を提案している。

特開２０１７－０２６６８０号公報

しかしながら、外科手術等の練習用という観点からすれば、患者一人一人の臓器の３Ｄデータを基に造形を行うというのは、手間がかかるばかりでなく、高いコストを余儀なくされると思われる。これは、医療の分野に限らずいかなる分野においても言えることである。

そこで本発明の目的は、製造を容易にすることを可能とし、且つ低コスト化を可能とするゲルを有する物体の製造法およびゲルを有する物体および成形材料を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の、ゲルを有する物体の製造法は、３Ｄプリンタを用いて、熱伝導率、表面の粗さ、硬度、または弾力性から選ばれる１以上の物性または色の違う複数の樹脂材料を、成形型の部位毎に配置して、成形型を作製する工程と、熱可逆性、熱硬化性、カチオン反応性のいずれかのゲル化特性を有する成形材料を成形型に供給し、成形物を得る工程、または、熱可逆性、熱硬化性、カチオン反応性のいずれかのゲル化特性を有する１以上の成形材料を、成形物の部位毎に異なる物性を有するように、成形型を用いて成形し、成形物を得る工程と、を有する

ここで、成形物は、生体組織を模した成形物であることとしても良い。

また、成形物中に、成形物とは異なる生体組織を模した成形物、または手術材料の一部または全部を埋設させることとしても良い。

また、生体組織を模した成形物、または手術材料の一部または全部を、物性または色の違う複数の樹脂材料で製造することとしても良い。

また、成形物とは異なる生体組織を模した成形物、または手術材料は、３Ｄプリンタを用いて形のあるものを造形する造形物および／または、成形型を用いて成形する第２成形物を有することとしても良い。

また、成形材料が、寒天、カラギーナン、ファーセレラン、ゼラチン、キサンタンガム、カシアガム、グアーガム、タラガム、ローカストビーンガム、フェヌグリークガム、グルコマンナン、タマリンドガム、ジェランガム、ネーティブジェランガム、アルギン酸塩、ペクチン、カードラン、澱粉、卵白、卵白加工物、ポリビニルアルコール、乳清タンパク質素材、ゼラチン酵素反応物、タマリンドガム酵素反応物、サイリウムシードガム、から選ばれるいずれか１以上を有することとしても良い。

また、成形物とは異なる生体組織を模した成形物、または手術材料と、成形物が、それぞれ視覚により判別できる異なる色彩をなすこととしても良い。

また、ゲルを有する物体は、手術練習用、または医療用ロボットの操作の習得用のゲルを有する物体であることとしても良い。

上記目的を達成するため、本発明の、ゲルを有する物体は、熱可逆性、熱硬化性、カチオン反応性のいずれかのゲル化特性を有するものから選ばれるいずれか１以上を有する成形材料を使用し、部位により異なる物性を有するゲルを配置した成形物と、成形物に全部または一部が埋設される、成形物とは異なる生体組織を模したもの、または手術材料と、を有する。

ここで、ゲルが、ハイドロゲル化剤を含有する水溶液において、ゾルからゲルに転移する、ゲル化転移温度より５℃高い溶液粘度と、ゲル化転移温度より２０℃高い溶液粘度との溶液粘度の差が１～２００mPa・sの範囲にあるゲル状の被膜素材、または、ゾルからゲルへの転移が１価および／または２価のカチオンを介して行われるゲル状の被膜素材のいずれか１以上を、少なくとも１層以上有することとしても良い。

また、ゲルが、ネイティブジェランガム、κカラギーナン、または寒天であり、ゾルからゲルへの転移が１価または２価いずれか１以上のカチオンを介して行われるゲル状の被膜素材がアルギン酸ナトリウム、アルギン酸カリウム、アルギン酸アンモニウム、ＬＭペクチン、脱アシルジェランガム、ナトリウム型κカラギーナン、から選ばれるいずれか１以上であり、１価および／または２価のカチオンがナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム、のいずれか１以上であることとしても良い。

また、成形物が含気されていることとしても良い。

上記目的を達成するため、本発明の、３Ｄプリンタを用いて、物性または色の違う複数の樹脂材料により、熱伝導率、表面の粗さ、硬度、または弾力性から選ばれる１以上を、部位によって配置を調整した成形型により、ゲルを成形する成形材料は、寒天、カラギーナン、ファーセレラン、ゼラチン、キサンタンガム、カシアガム、グアーガム、タラガム、ローカストビーンガム、フェヌグリークガム、グルコマンナン、タマリンドガム、ジェランガム、ネーティブジェランガム、アルギン酸塩、ペクチン、カードラン、澱粉、卵白、卵白加工物、ポリビニルアルコール、乳清タンパク質素材、ゼラチン酵素反応物、タマリンドガム酵素反応物、サイリウムシードガムから選ばれるいずれか１以上、を有する。

本発明では、製造を容易にすることを可能とし、且つ低コスト化を可能とするゲルを有する物体の製造法およびゲルを有する物体および成形材料を提供することができる。

第１の実施の形態に係る成形型の製造法のフロー図である。 第１の実施の形態で使用する一組の成形型の斜視図である。 第１の実施の形態で使用する一組の成形型の図面代用写真である。 第１の実施の形態の一組の成形型が閉じた状態を示す斜視図である。 第１の実施の形態に係る成形の状態を示す模式図である。 第１の実施の形態に係る成形型の転写凹部に成形物が入った状態を示す断面模式図である。 第２の実施の形態に係る血管の外観図である。 第２の実施の形態に係る肝臓の臓器モデルの外観図である。 第２の実施の形態に係る一組の肝臓用の成形型の図面代用写真である。 第２の実施の形態に係る一組の肝臓用の成形型の転写凹部に臓器モデルをはめ込んだ図面代用写真である。 第２の実施の形態に係る臓器モデルの図面代用写真である。 第３の実施の形態に係る成形物に水溶性樹脂を配置した状態を示す断面模式図である。 図１２の状態から水溶性樹脂を溶かして、成形物に空洞を形成した状態を示す断面模式図である。 第３の実施の形態の変形例に係る成形物に水溶性樹脂を配置した状態を示す断面模式図である。 図１４の状態から水溶性樹脂を溶かして、成形物に通路を形成した状態を示す断面模式図である。 第４の実施の形態に係る成形型の斜視図である。 第４の実施の形態に係る成形型の斜視図である。 図１６のＡ－Ａ断面図である。 第４の実施の形態に係る成形型の製造法のフロー図である。 第４の実施の形態に係る血管の製造フロー図である。 ゲルを成形型に入れる前の、血管の成形型への配置状態を示す斜視図である。 第４の実施形態の変形例を示す血管の斜視図である。

以下、複数の実施形態について、図面に基づいて説明する。ここで、ゲルとは、たとえば、臓器または人間の皮膚程度に柔らかいものである。また、「ゲルを有する物体」とは、少なくともゲル単体を含む物体のことである。さらに、本明細書では、成形型等を用いて素材を一定の形に作ることを「成形」（molding）といい、後述する三次元プリンタ（３Ｄプリンタ）等で形のあるものをつくることを「造形」（shaping）という。さらに、本明細書において、「硬い」と表現される物は、ショア硬度９５以上であり、ゲルのように「柔らかい」と表現されるものは、ショア硬度９５未満である。また、本明細書では、「ゲル」を成形型で成形したものを「成形物」といい、第２の実施の形態において、生体組織を模した成形物（便宜上、以下「生体組織をもしたもの」と記す）を３Ｄプリンタでつくったものを「造形物」という。さらに、第２の実施の形態において、生体組織を模したものを成形型でつくったものを「第２成形物」という。また、本明細書において「樹脂材料」とは、単一樹脂、異なる樹脂を混合したもの、樹脂に金属またはセラミック等を混ぜた材料を含むものとする。

（第１の実施の形態に係るゲルを有する物体の製造法の内容）
以下、第１の実施の形態に係るゲルを有する物体の製造法について、図面を参照しながら説明する。図１は、第１の実施の形態に係る成形型の製造法のフロー図である。図２は、第１の実施の形態で使用する一組の成形型の斜視図である。図３は、第１の実施の形態で使用する一組の成形型の図面代用写真である。図４は、第１の実施の形態の一組の成形型が閉じた状態を示す斜視図である。図５は、第１の実施の形態に係る成形の状態を示す模式図である。

まず、図１に示す工程Ｓを行う。工程Ｓは、３Ｄプリンタを用いて物体の形状を転写した成形型を造形する工程である。３Ｄプリンタは、三次元印刷機器、三次元プリンタ、または三次元造形機等と言われるものである。また、３Ｄプリンタは、三次元ＣＡＤ（computer-aided design）データに基づき、３Ｄの造形物を印刷し製造するものである。また、３Ｄプリンタの印刷は、例えば印刷する際に紫外線硬化樹脂材料等の光硬化性樹脂材料を一層ずつ形成し、その都度紫外線を照射して樹脂材料を硬化させる操作を繰り返すことで樹脂材料層を形成し、徐々に３次元形状を印刷、つまり造形していく。この光硬化性樹脂は、紫外線で硬化する樹脂以外に、ブラックライト、レーザー等の光で硬化する樹脂を含む。これは、第２，３また４の実施の形態にて用いられる３Ｄプリンタ用の光硬化性樹脂も同様である。

三次元ＣＡＤデータは、例えば三次元スキャナで対象物をスキャニングすることで、対象物の三次元ＣＡＤデータの一部または全部が得られる。三次元スキャナとは、非接触式のものは、主に光つまり電磁波を使うもので、レーザーなどを対象物に照射してその反射光を解析し、三次元ＣＡＤデータを得るものである。また、臓器モデルの三次元ＣＡＤデータを得るには、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）または、ＣＴ（Computed Tomography）スキャナ等を用いることができる。また、三次元ＣＡＤデータは、三次元スキャナまたはＭＲＩまたは、ＣＴスキャナ等を用いなくとも、コンピュータで三次元ＣＡＤのソフトウェアを操作して、モデリングにより、その一部または全部を得ることもできる。

そして、物体の形状を転写した一組の成形型１ａ，１ｂの三次元ＣＡＤデータを作成する。この「物体」は、人間の心臓とする。人間の心臓の三次元ＣＡＤデータ（Ａ）は、人間の心臓をＭＲＩまたは、ＣＴスキャナ等でスキャニングして作成する（Ｓ１）。そして、一組の成形型１ａ，１ｂのそれぞれの、後述する転写部２ａ，２ｂ以外の部分の三次元ＣＡＤデータ（Ｂ１，Ｂ２）を一つずつ作成する（Ｓ２）。三次元ＣＡＤデータ（Ｂ１，Ｂ２）は、コンピュータで三次元ＣＡＤのソフトウェアを操作して作成する。

そして、人間の心臓の三次元ＣＡＤデータ（Ａ）を加工する（Ｓ３）。加工点は、２つある。１つ目の加工点は、人間の心臓の三次元ＣＡＤデータ（Ａ）の凹凸を逆にする加工である。これは、一組の成形型１ａ，１ｂで人間の心臓を成形するため、その三次元ＣＡＤデータ（Ａ）の凹凸は逆にする必要があるためである。２つ目の加工点は一組の成形型１ａ，１ｂに、人間の心臓の形状を分配するため、人間の心臓の三次元ＣＡＤデータ（Ａ）の凹凸を逆にしたものを、約半分に分け、Ａ１，Ａ２の２つの三次元ＣＡＤデータとする加工である（Ｓ３）。これらの加工も、コンピュータで三次元ＣＡＤのソフトウェアを操作して行う。

そして、三次元ＣＡＤデータ（Ａ１）と、三次元ＣＡＤデータ（Ｂ１）を組み合わせる、または加える（Ｓ４）。同様に三次元ＣＡＤデータ（Ａ２）と、三次元ＣＡＤデータ（Ｂ２）を組み合わせる、または加える（Ｓ４）。すなわち、
Ａ１＋Ｂ１→Ｃ１
Ａ２＋Ｂ２→Ｃ２
といったデータの操作を行い、三次元ＣＡＤデータ（Ｃ１）と、三次元ＣＡＤデータ（Ｃ２）を得る。三次元ＣＡＤデータ（Ｃ１）は、成形型１ａの三次元ＣＡＤデータであり、三次元ＣＡＤデータ（Ｃ２）は、成形型１ｂの三次元ＣＡＤデータである。これらの操作も、コンピュータで三次元ＣＡＤのソフトウェアを操作して行う。

そして、一組の成形型１ａ，１ｂの三次元ＣＡＤデータ（Ｃ１，Ｃ２）に基づいて、３Ｄプリンタを用いて、一組の成形型１ａ，１ｂをそれぞれ造形する（Ｓ５）。これで工程Ｓが完了する。これ以外の３Ｄプリンタで造形した成形型を作成する方法を採用しても良い。この成形型は、樹脂材料からなり、一組の成形型１ａ，１ｂの組み合わせからなる。片方の成形型１ａには、人間の心臓の約半分の形状が転写されている転写凹部２ａがあり、もう片方の成形型１ｂには、上述した人間の心臓の約半分の残りの約半分の形状が転写されている転写凹部２ｂがある。転写凹部２ａ，２ｂは、一組の成形型１ａ，１ｂが閉じた状態で、密着するように接触し合う基準面３ａ，３ｂよりも凹んでいる。

片方の成形型１ａには、「物体」の形状が転写されていない領域に凹部４ａ，４ｂ，４ｃがあり、もう片方の成形型１ｂには、「物体」の形状が転写されていない領域に凹部４ａ，４ｂ，４ｃと嵌め合わせることのできる凸部５ａ，５ｂ，５ｃがある。この凹部４ａと凸部５ａ、凹部４ｂと凸部５ｂ、凹部４ｃと凸部５ｃとを嵌め合わることで、転写凹部２ａと転写凹部２ｂとの位置が合う。このように位置を合わせて、一組の成形型１ａ，１ｂが閉じた状態、且つ基準面３ａ，３ｂが互いに密着するように接触し合うようになれば、両転写凹部２ａ，２ｂにより形成された空間が正確に人間の心臓の形状となるようにできる。

一組の成形型１ａ，１ｂが開いた状態では、外部から転写凹部２ａ，２ｂに成形材料を供給する溝６ａ，６ｂが、一組の成形型１ａ，１ｂのそれぞれに設けられる。そして、一組の成形型１ａ，１ｂが閉じた状態では、２つの溝６ａ，６ｂが経路となり、外部から両転写部２ａ，２ｂに成形材料を供給する成形材料供給経路７となる。

次に、成形材料を用意し、一組の成形型１ａ，１ｂを用いて成形する。成形材料は、熱可逆性のゲル化特性を有するものである。具体的な成形材料は、水に寒天を混ぜたものである。この混合比率は、水１０００ｇに対して粉状の寒天が２０ｇである。これを加熱溶解し寒天をゾル状態にした後、上述の一組の成形型１ａ，１ｂを閉じた状態で、成形材料供給経路７から成形材料を供給する。成形材料である、ゾル状の寒天の水溶液は、６０℃程度では粘度が低く、転写凹部２ａ，２ｂの細かいところまで入り込むことができる。なお、ゾル状の寒天の水溶液は、一組の成形型１ａ，１ｂが閉じた状態、且つ基準面３ａ，３ｂが互いに密着するように接触し合う状態では、一組の成形型１ａ，１ｂの隙間から滲み出ることは殆どなかった。
成形材料は、熱可逆性、熱硬化性、カチオン反応性のいずれかによりゲル化する特性を有するハイドロコロイドより選択される。
熱可逆性のゲルは、加熱により溶解し冷却により凝固する性質を持ち、例えば、寒天、カラギーナン、ファーセレラン、ゼラチン、キサンタンガム、カシアガム、グアーガム、タラガム、ローカストビーンガム、フェヌグリークガム、グルコマンナン、タマリンドガム、ジェランガム、ネーティブジェランガム、澱粉より選ばれる１以上の材料が例示される。このうち例えばキサンタンガムはカシアガム、タラガム、ローカストビーンガム、サイリウムシードガムのいずれか１以上との複合物によりゲル化する特性を持つ。
熱硬化性のゲルは、水またはぬるま湯で溶解し、加熱により凝固する性質を持ち、例えば、カードラン、卵白、卵白加工物などが例示される。
カチオン反応性を有するゲルは、溶解した水溶液にカルシウムイオンなどのカチオンを加えて架橋構造をとるなどにより凝固する性質を持ち、アルギン酸塩（アルギン酸ナトリウム、アルギン酸カリウムなど）、ペクチン、グアーガム、ポリビニルアルコールなどが例示される。
熱可逆性、熱硬化性、カチオン反応性のいずれかによりゲル化する特性を有するハイドロコロイドは、ゲル化を阻害しない限りにおいて、上記材料から選ばれるいずれか１以上を配合することとしても良い。
これらの材料は、粉体の場合、事前に配合し混合されていてもいいし、この混合粉体を溶解して成形液にしてもいい。これらは使いやすいように計量され、包装されていることが好ましい。熱可逆性の成形液（液状の成形材料または成形物を言う、以下同じ）は常温に保存されゲル化している場合には、成型時には加熱再溶解して使用される。
カチオン反応性の成形液は、成形時にカルシウムなどカチオンを同時に加えて使用される。さらに成型物が腐敗しないように必要に応じて、メチルパラベンやエチルパラベンなどの防腐剤を加えることができる。
生体組織を模したゲルを有する物体の物性は、それぞれの生体組織に合わせることが好ましい。このために、熱可逆性、熱硬化性、カチオン反応性のいずれかによりゲル化する特性を有するハイドロコロイドの物性が重要である。
従来の３Ｄプリンタにおける工業材料では、その硬度にショア硬さを用いる場合が多い。本発明のショア硬さとしては、生体組織それぞれにより異なるが、例えばゴムショア硬さＡ１０以下程度の硬さと表すことができる。
一方、本発明では、ゲル状物のレオロジー特性を表す測定として、テクスチャーアナライザーやレオメーターによる破断強度と破断歪みにより表現することができ、精度の高い生体組織の模倣が可能になった。
破断強度は、本発明のゲルに応力をかけ破断するときの荷重であり、破断歪みは本発明のゲルに応力をかけ破断するまでの変形距離で表すことができる。それぞれの生体組織に合わせて本発明のゲルを有する物体の材料を組み合わせることが出来る。

本実施の形態における、ゲルを有する物体として使用できる、第１のゲル状の皮膜素材について述べる。ハイドロゲル化剤を含有する水溶液において、ゾルからゲルに転移する温度（ゲル化転移温度）より５℃高い溶液粘度と、ゲル化転移温度より２０℃高い溶液粘度との溶液粘度の差が１～２００mPa・sの範囲にあり、且つゲル形成能力が極めて高く、ゲル化転移温度より数度低い温度で目的のゲル強度に達し、その後は温度変化によるゲル強度の変化量が少ないゲル状の被膜素材としては、ネイティブジェランガム、κカラギーナン、寒天、キサンタンガムとガラクトマンナン、キサンタンガムとグルコマンナン、脱アシルジェランガム、があるが作業性が良く、液性の良好なネイティブジェランガム、κカラギーナン、寒天が好ましい。
本実施の形態における、ゲルを有する物体として好ましく使用できる皮膜素材について述べる。皮膜が均一に適度な厚さに形成されるために皮膜素材に要求される条件としては、
（１）皮膜を塗布する時に、ゲル化力を有するハイドロコロイド溶液（ゾル）の粘度が低いこと。粘度が高いと厚い皮膜になり、目的とする薄さの皮膜が得られない。
（２）塗布される温度付近のゾル粘度と、ゾルからゲルに転移する温度（ゲル化転移温度）付近のゾル粘度との差が小さく且つ低粘度であること（塗布後速やかにゲル化させるため、塗布はなるべくゲル化転移温度に近い温度で行うことが好ましいため）。
（３）ゲル化力を有するハイドロコロイド溶液（ゾル）が塗布された後は速やかにゲル化して固まること。
などが挙げられる。
また、ゲル化力を有するハイドロコロイド溶液（ゾル）として、１価または２価のカチオンと反応することにより瞬時にゲル化するものでもよい。
具体的には、
第１のゲル状の皮膜素材については、ゲル化力を有するハイドロコロイド水溶液においてゲル化転移温度より５℃高い溶液粘度と、ゲル化転移温度より２０℃高い溶液粘度との差が１～２００mPa・sの範囲であり、且つゲル形成能力が極めて高く、ゲル化転移温度より数度低い温度で目的のゲル強度に達し、その後は温度変化によるゲル強度の変化量が少ないことが挙げられ、ネイティブジェランガム、κカラギーナン、寒天が挙げられる。
第２のゲル状の皮膜素材については、ゾルからゲルへの転移が１価または２価のカチオンを介して行われることを特徴とするゲル状の被覆素材が挙げられ、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸カリウム、アルギン酸アンモニウム、ＬＭペクチン、脱アシルジェランガム、アゾトバクタービネランジーガム、ナトリウム型κカラギーナンが挙げられる。
このような皮膜を少なくとも１層以上有する皮膜素材が、本実施の形態における、ゲルを有する物体として好ましく使用できる皮膜素材である。

本実施の形態における、ゲルを有する物体として使用できる、第２のゲル状の皮膜素材について述べる。ゾルからゲルに転移が１価または２価のカチオンを介して行われることを特徴とするゲル状の被膜素材としてはアルギン酸ナトリウム、アルギン酸カリウム、アルギン酸アンモニウム、ＬＭペクチン、脱アシルジェランガム、アゾトバクタービネランジーガム、ナトリウム型κカラギーナンが挙げられる。
ここで、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸カリウム、アルギン酸アンモニウム、ＬＭペクチン、脱アシルジェランガム、アゾトバクタービネランジーガムは、カルシウムイオンと反応しゲルを形成する。脱アシルジェランガムはカルシウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオン等と反応してゲルを形成する。ナトリウム型κカラギーナンはカリウム、ナトリウム、カルシウム、マグネシウム等と反応してゲルを形成する。

皮膜を設ける目的は、本発明のゲルを有する物体を、手術練習用または医療用ロボットの操作の習得用に使用する場合、臓器表面の漿膜などを模倣するためである。
皮膜を形成させる方法としては、第１のゲル状の皮膜素材ではゲルを有する物体に対し、（１）ハイドロゲル化剤を含有する水溶液に含侵させて引き上げる、（２）ハイドロゲル化剤を含有する水溶液を塗布する、（３）ハイドロゲル化剤を含有する水溶液を吹き付ける方法などがある。
第２のゲル状の皮膜素材では、（１）ゲルを有する物体にハイドロゲル化剤を含有する水溶液を浸漬、塗布、吹き付けなどにより付着させた後、１価又は２価いずれか１以上のカチオンを浸漬、塗布、吹き付けなどにより付着させる方法、（２）ゲルを有する物体に１価又は２価いずれか１以上のカチオンを浸漬、塗布、吹き付けなどにより付着や含侵させた後、ハイドロゲル化剤を含有する水溶液を浸漬、塗布、吹き付けなどにより付着させる方法などがある。また、ゲルを有する物体の製造時に１価又は２価いずれか１以上を溶解して混ぜ込み、成型後にハイドロゲル化剤を含有する水溶液を浸漬、塗布、吹き付けなどにより付着させる方法でも良い。
第１のゲル状の皮膜素材および第２のゲル状の皮膜素材としては、上記ハイドロゲル化剤溶液には、糖類、乳化剤、ポリオール、上記外のハイドロコロイド、ミネラル、色素、繊維、などを含んでも良い。糖類には単糖、２糖、オリゴ糖、デキストリン、これらの糖アルコール、乳化剤は一般的に使用されているものであれば特に限定されない。ポリオールはグリセリン、プロピレングリコール、ブチレングリコールなどが挙げられる。ハイドロコロイドには、澱粉、ゼラチン、グアーガム、ローカストビーンガム、タラガム、フェヌグリークガム、カシアガム、ＨＭペクチン、タマリンドガム、などが挙げられる。ミネラル、色素、繊維は特にこだわらない。

また、成形物に気体を含有させる（含気させることにより）ことにより、含気させないものに比重が小さく柔らかな成形物を作ることができる。気体の大きさ（直径）は特に限定されないが、ナノバブルと呼ばれるナノスケールの微細なものから５ｍｍ程度の大きいものでも良い。
含気させる方法としては、成形材料の溶液に乳化剤、タンパク、ペプチド、などの気泡剤を加え撹拌により気泡させ含気させる方法、成型材料の溶液に直接気体を吹き込んで含気させる方法、成型材料の溶液に重炭酸ナトリウムなどの気体を発生する物質または酸のいずれか一方を溶解しておき、この溶液にもう一方の気体を発生する物質または酸を添加して気体を発生させ含気させる方法などがあるが、含気させることができれば特に方法にこだわるものではない。

また、成形物には、臓器の変性を模した、変性素材を添加してもよい。変性素材とは、たとえば、電気メスが臓器に接触したとき等に、タンパク変性により焦げたりするものを模したものである。変性素材の材料としては、糖類、タンパク質、ポリフェノール、アミノ酸、セルロース類などが挙げられる。変性素材は、フィルム状にして、臓器モデルに発布しても良いし、臓器モデルに練り込むように含ませても良い。フィルム状の変性素材の厚みは、１０μｍ以上５ｍｍ以下が好ましい。臓器モデルに変性素材を添加することによって、例えば電気メスを使用して手術の練習をした場合において、表皮、血管付近、臓器深部などに、電気メスが接触して焦げた状態を臓器モデル等で表現することが可能となる。なお、メス等を通じて執刀者に伝わる変性素材の質感は、変性素材の材料を、糖類、タンパク質、ポリフェノール、アミノ酸、セルロース類などとしたときには、本物の表皮、血管、臓器等の「焦げ」にそっくりなものとすることができる。臓器モデルにフィルム状の変性素材を発布することによって、臓器モデル製造時に変性素材を練り込む必要がなく、製造が容易となる。また、フィルム状の変性素材とすることで、変性素材を必要な箇所にのみ発布できるので効率的である。また、フィルム状の変性素材は、それを塗布するだけで臓器モデル等に添加できるので、用時調整が可能である。さらに、フィルム状の変性素材は、血管周辺、表皮、などの電気メスの練習を行いたい箇所にのみ、簡易的に模倣試験ができる 。
ここで、変性素材を臓器モデルに練り込むように含ませる方法を説明する。たとえば、成形材料が熱可逆性のゲルの場合には、成形材料を水に溶解させる前、又は溶解させた後に変性素材を加え溶解する。この変性素材入りの成形材料を有する溶液を、成形型に流し込んで冷却しゲル化させることで、変性素材を熱可逆性のゲルを有する臓器モデルに練り込むように含ませることができる。
また、たとえば、成形材料が熱硬化性のゲルの場合は、成形材料を水又はぬるま湯に溶解又は分散後、また卵白などの溶液状態の成形材料は直接、変性素材を加え、この変性素材入りの成形材料を有する溶液を、成形型に流し込んで加熱しゲル化させる。これで、変性素材を熱硬化性のゲルを有する臓器モデルに練り込むように含ませることができる。
また、たとえば、成形材料がカチオン反応性ゲルの場合は、成形材料を水に溶解させる前、又は溶解させた後に変性素材を加え溶解する。この変性素材入りの成形材料を有する溶液に難溶性カルシウム等を加え成形型に流し込んで冷却しゲル化させる。これで、変性素材をカチオン反応性のゲルを有する臓器モデルに練り込むように含ませることができる。
次に、変性素材を、フィルム状にする方法について説明する。まず、寒天、こんにゃく、カラギーナン、ゼラチン、セルロース誘導体、プルラン等のフィルム基材を使用してフィルムを作製する場合において、フィルム基材が溶液の状態のときに、そのフィルム基材に変性素材を加えフィルム化する方法がある。
次に、成膜した状態のフィルムを、溶液状態の変性素材に浸漬したり、溶液状態の変性素材を噴霧したりしてフィルムに含浸させ乾燥する方法により変性素材を含んだフィルムが作製できる。
これらのフィルムを臓器モデルに直接、又は水などに膨潤させた後に発布する。これにより臓器モデルに密着させることができる。
また、予め成形型に接着剤等を使用してフィルムを貼り付け、この成形型に成形材料の溶液を流し込んでゲル化させても良い。

十分に成形材料が転写凹部２ａ，２ｂの細かいところまで入り込んだ後、一組の成形型１ａ，１ｂの温度を２０℃まで冷却する。これで成形が終了する。人間の心臓の臓器モデル８は、透光性を有するものである。一組の成形型１ａ，１ｂは、何度も成形材料の成形に用いることができる。なお、臓器モデル８の全体は、成形型１ａ，１ｂを用いて成形しているため、成形物１９となる。以上で、第１の実施の形態に係るゲルを有する物体が製造される。

図５は、一組の成形型１ａ，１ｂが透明であると仮定して、その成形物である人間の心臓の臓器モデル８が見えるようにした、模式図である。

（第１の実施の形態によって得られる主な効果）
第１の実施の形態は、３Ｄプリンタで得られた成形型を用いることから、その成形物である人間の心臓の臓器モデル８の製造を容易にすることを可能としている。また、成形型１ａ，１ｂは、何度も成形材料の成形に用いることができることから、臓器モデル８の製造の低コスト化を可能とすることができる。

第１の実施の形態によって得られる臓器モデル８は、触感が本物そっくりのものとすることが可能である。また、この臓器モデル８は、メスまたはペアンで切った感触を本物そっくりのものとすることが可能である。そのため、この臓器モデル８は、手術前の練習に用いたり、医者の研修の際に用いるのに適している。また、臓器モデル８は、手術の縫合練習の際に、その臓器モデル８に対して縫合練習できるため、有用である。また、臓器モデル８は、腫瘍等までに辿り着くまでのルートをシュミュレーションする際にも、その臓器モデル８を使ってシュミュレーションができるため、有用である。また、臓器モデル８は、手術の際等の、注射の練習の際に、その臓器モデル８に対して注射できるため、有用である。また、臓器モデル８等は、医療機器の評価および安全性等の試験、または検証の際に臓器モデル８を用いてできるため、有用である。また、臓器モデル８は、医療用ロボットの操作の習得の研修等の際に、その臓器モデル８に対して医療用ロボットを動かすことができ、有用である。また、臓器モデル８は、ＰＴＣ（経皮経肝胆管造影法）またはＰＴＣＤ（経皮経肝胆管ドレナージ）の練習の際に、臓器モデル８に対して検査等を行うことができるため、有用である。また、臓器モデル８は、超音波医療装置をシュミュレーションにも使える。また、臓器モデル８と同様のゲル（成形物）で食道から胃に至るチューブ状の物、または肛門から腸に至るチューブ状の物を作れば、内視鏡検査の練習ができる。臓器等を切る回数が多い程名医になるといわれるため、この臓器モデル８を用いて経験を積むことができる場合には、この臓器モデル８は医学に多大な貢献をするものと考えられる。また、この臓器モデル８は、食品の一種である寒天を主成分としているため、廃棄物になっても環境調和性が高い。また、生きている動物をわざわざ殺し、臓器を取り出して、人間の臓器モデル（代替物）を得るようなことが、従来は行われてきたことがあるが、本実施の形態では、そのような余計な殺生をする必要がない。また、成形材料の寒天等に対する水の量の増減により、成形物の柔らかさを調節できるし、繊維質のもの等を混ぜることにより、成形物の質感を変えることができるため、様々な柔らかさおよび質感の成形型を得る事ができる。

第１の実施の形態では、３Ｄプリンタを用いて臓器モデル８の一組の成形型１ａ，１ｂを製造している。３Ｄプリンタは、三次元ＣＡＤデータを驚くほど忠実に印刷物、つまり造形物の形状に反映できる特徴を有する。３Ｄプリンタは、１６μｍの細かい凹凸も表現できると言われている。そのため、血管等の細かい凹凸を忠実に転写凹部２ａ，２ｂに転写した成形型を製造できる。この細かい凹凸を忠実に転写する効果は、従来の金型等を採用した場合には、到底得られず、３Ｄプリンタを用いて成形型１ａ，１ｂを製造した場合に初めて得られる効果である。しかも、３Ｄプリンタを用いた一組の成形型１ａ，１ｂの製造に要するコストおよび時間は、従来の金型の約１／６とすることができる。

転写凹部２ａ，２ｂは、例えば、図６に示すような成形型１ａの転写凹部２ａの断面模式図において、入り口９が奥側１０よりも狭い形状の箇所があったとしても、臓器モデル８つまり成形物１９は離型できる。その理由は、成形材料が寒天であり、液状とも言える成形物１９が非常に低い粘性であるため、入り口９が奥側１０よりも狭い形状であっても、形状を変えて入り口９の狭い形状を掻い潜ることができるためである。

（第２の実施の形態に係るゲルを有する物体の製造法の内容）
以下、第２の実施の形態に係るゲルを有する物体の製造法について、図面を参照しながら説明する。図７は、第２の実施の形態に係る血管１１（成形物とは異なる生体組織を模したもの、または手術材料）の外観図である。図８は、肝臓の臓器モデルの外観図である。図９は、第２の実施の形態に係る一組の肝臓用の成形型の図面代用写真である。図１０は、第２の実施の形態に係る一組の肝臓用の成形型の転写凹部に臓器モデルをはめ込んだ図面代用写真である。図１１は、第２の実施の形態に係る臓器モデルの図面代用写真である。なお、特に明記しない限り、第２の実施の形態に係る成形型の製造法、ゲルすなわち成形物２１の材料および成形法は、第１の実施の形態と同様とし、その詳細な説明を省略する。

第２の実施の形態に係るゲルを有する物体は、成形物２１と血管１１とを有する人間の肝臓の臓器モデル２２である。臓器モデル２２は、血管１１の一部が成形物２１の中に埋設されるものである。この血管１１は、樹脂材料製で、３Ｄプリンタで造形したものである。また血管１１は、青色と赤色で着色している。血管１１は、成形物２１よりも硬い部分となる。成形物２１は、寒天と水を成形材料として製造する柔らかい物、すなわちゲルであるため、臓器モデル２２は、第２の実施の形態に係るゲルを有する物体となる。なお、血管１１には、太い幹１１ａとなる動脈部分と、細い血管部分１１ｂがある。
このように、血管１１等の生体組織と成形物２１は、それぞれ視覚により判別できるように異なる色彩をなすことが好ましく、さらに人体または動物の生体組織を模した色彩をなすことがより好ましい。また、成形物２１は、一の生体組織を模したもの（血管１１）とは別の、生体組織を模したもの（肝臓）である。

血管１１は、成形の際に、成形型１ａ，１ｂと同様の成形型２０ａ，２０ｂの中で、その一部が成形物２１に埋設される。その埋設をする方法について説明する。この一組の成形型２０ａ，２０ｂは、樹脂材料からなる。片方の成形型２０ａには、人間の肝臓の約半分の形状が転写されている転写凹部２３ａがあり、もう片方の成形型２０ｂには、上述した人間の肝臓の約半分の残りの約半分の形状が転写されている転写凹部２３ｂがある。転写凹部２３ａ，２３ｂは、一組の成形型２０ａ，２０ｂが閉じた状態で、密着するように接触し合う基準面２４ａ，２４ｂよりも凹んでいる。

片方の成形型２０ａには、「物体」の形状が転写されていない領域に凹部２５ａ，２５ｂ，２５ｃがあり、もう片方の成形型２０ｂには、「物体」の形状が転写されていない領域に凹部２５ａ，２５ｂ，２５ｃと嵌め合わせることのできる凸部２６ａ，２６ｂ，２６ｃがある。この凹部２５ａと凸部２６ａ、凹部２５ｂと凸部２６ｂ、凹部２５ｃと凸部２６ｃとを嵌め合わることで、転写凹部２３ａと転写凹部２３ｂとの位置が合う。このように位置を合わせて、一組の成形型２０ａ，２０ｂが閉じた状態、且つ基準面２４ａ，２４ｂが互いに密着するように接触し合うようになれば、両転写凹部２３ａ，２３ｂにより形成された空間が正確に人間の肝臓の形状となるようにできる。

なお、一組の成形型２０ａ，２０ｂが開いた状態では、外部から転写凹部２３ａ，２３ｂに成形材料を供給する溝２７ａ，２７ｂが、一組の成形型２０ａ，２０ｂのそれぞれに設けられる。そして、一組の成形型２０ａ，２０ｂが閉じた状態では、２つの溝２７ａ，２７ｂが経路となり、外部から両転写凹部２３ａ，２３ｂに成形材料を供給する成形材料供給経路２８となる。

転写凹部２３ａ，２３ｂには血管１１の太い幹１１ａを配置する転写凹部２３ｃ，２３ｄが含まれており、そのスペースに血管１１を配置する。すると、一組の成形型２０ａ，２０ｂが閉じた状態では、血管１１が動かなくなり、細い血管部分１１ｂは、転写凹部２３ａ，２３ｂによって形成された空間に配置される。その後、転写凹部２３ａ，２３ｂの残りの隙間に、寒天と水からなる成形材料を成形材料供給経路２８から充填し、第１の実施の形態と同様に成形物２１を成形する。以上によって、成形物２１に血管１１が埋設された臓器モデル２２を製造できる。図１１に示すように、成形物２１に埋設されているのは、主に細い血管部分１１ｂであり、太い幹１１ａ部分は、多くが成形物２１に埋設されてない。

（第２の実施の形態によって得られる主な効果）
第２の実施の形態は、血管１１の部分の触感を異なるものとした人間の肝臓の臓器モデル１８を得ることができた。臓器モデル２２は、血管１１の部分を固くし、成形物２１を寒天と水で柔らかくしているため、血管１１の部分が際立った臓器モデル２２である。

また、臓器モデル１８は、血管１１の位置を意識しながら手術の練習ができる。従って、より実践に近い手術練習用の臓器モデル１８を提供できる。また、血管１１は、１度臓器モデル２２に使い、成形物２１の部分をメス等で切った後、何度も再利用ができるため、臓器モデル２２のより大きなコスト削減となる。

また、第２の実施の形態によって得られる効果には、第１の実施の形態の効果を含む。

（第３の実施の形態に係るゲルを有する物体の製造法の内容）
以下、第３の実施の形態に係るゲルを有する物体の製造法について、図面を参照しながら説明する。図１２は、第３の実施の形態に係る成形物３２に水溶性樹脂を配置した状態を示す断面模式図である。図１３は、図１２の状態から水溶性樹脂を溶かして、成形物３２に空洞を形成した状態を示す断面模式図である。なお、特に明記しない限り、第３の実施の形態に係る成形型の製造法、ゲルすなわち成形物３２の材料および成形法は、第１の実施の形態と同様とし、その詳細な説明を省略する。

第３の実施の形態は、成形物３２を人間の心臓の臓器モデル３３とする。臓器モデル３３には、空洞１２が開いている。この空洞１２は、第１の実施の形態に係る臓器モデル８と同様の成形の際に、８０℃以下の水に溶ける物質、ここではポリビルアルコールからなる水溶性樹脂１３を、成形材料の中に配置し、成形が終わったら、室温の約２５℃で水溶性樹脂１３を水に接触することで作る。水溶性樹脂１３は、８０℃以下の水に溶けるため、臓器モデル８ｂの中に仕込み、溶けた後は空洞１２となる。

（第３の実施の形態によって得られる主な効果）
第３の実施の形態によって臓器モデル３３に空洞１２を作ることができる。人間の心臓は、右心房、左心房、右心室、左心室等の空洞を有するため、第３の実施の形態によって、臓器モデル３３をリアルに作ることが可能となる。また、臓器モデル以外の「物体」の場合には、第３の実施の形態によって、より複雑な形状を容易に作ることができる。

水溶性樹脂１３は、臓器モデル３３の断面図において、入り口１４が奥側１５よりも狭い形状の箇所があったとしても、溶けてしまえば入り口１４から排出できる。そのため、複雑な形状の空洞１２を臓器モデル３３に形成できる。

また、第３の実施の形態によって得られる効果には、第１の実施の形態の効果を含む。

（実験）
以下、上記ゲル化特性を有する材料の実施例について実験１から５を記述する。
実験１
熱可逆性の成形材料の成形実験
表１に示した配合にて成形物を作製した（作製量１０００ｇとなるよう最終的に水の量を調節した）。
サンプル１～６は、水に成形物素材（成形材料の一部）を添加し分散後に加熱溶解した後、色素、グリセリンを加え混ぜ合わせ、成形材料を作製した。これを３Ｄプリンタで作製した成形型１ａ，１ｂに充填し１０℃に冷却することにより成形物を作製した。また、第２の実施形態と同様に、血管１１と共に成形材料を３Ｄプリンタで作製した成形型２０ａ，２０ｂに充填し１０℃に冷却することにより、ゲルを有する物体を作製した。
寒天：伊那寒天大和（商品名） 伊那食品工業株式会社製
カラギーナン：イナゲルＥ－１５０（商品名） 伊那食品工業株式会社製
ローカストビーンガム：イナゲル Ｌ－８５（商品名） 伊那食品工業株式会社製
グルコマンナン：イナゲルマンナン１００（商品名） 伊那食品工業株式会社製
キサンタンガム：イナゲルＶ－１０（商品名） 伊那食品工業株式会社製
タマリンドガム：イナゲルＶ－２５０Ｃ（商品名） 伊那食品工業株式会社製
ネーティブジェランガム：ＬＴ－１００（商品名） ＣＰケルコ製
サイリウムシードガム：イナゲルＡ－４５０（商品名） 伊那食品工業株式会社製
実験１の実験結果：サンプル１～７の成形物１９，２１は、その成形物の形状を力（重力を含む）を加えない状態で維持でき、心臓または肝臓の細かい凹凸を忠実に再現でき、それらの触感とそっくりのものとすることが可能だった。

実験２
熱硬化性の成形材料の成形実験
表２に示した配合にて成形物を作製した（作製量１０００ｇとなるよう最終的に水の量を調節した）。
サンプル８は、水にカードランと澱粉、グリセリン、色素を添加し分散後に、３Ｄプリンタで作製した成形型１ａ，１ｂに充填した。これを９５℃に加熱することにより成形物を作製した。
また、水にカードランと澱粉、グリセリン、色素を添加し分散後に３Ｄプリンタで作製した成形型２０ａ，２０ｂに、第２の実施形態と同様に、血管１１と共に充填した。これを９５℃に加熱することによりゲルを有する物体を作製した。
カードラン：武田キリン食品株式会社製
澱粉 ：マツノリンＭ（商品名） 松谷化学工業株式会社製
実験２の実験結果：サンプル８の成形物１９，２１は、その成形物の形状を力（重力を含む）を加えない状態で維持でき、心臓または肝臓の細かい凹凸を忠実に再現でき、それらの触感とそっくりのものとすることが可能だった。

実験３
カチオン反応性の成形材料の成形実験
表３に示した配合にて成形物を作製した（作製量１０００ｇとなるよう最終的に水の量を調節した）。
サンプル９は、水にアルギン酸ナトリウム、リン酸１カルシウム、グルコノデルタラクトンを溶解し、成形型に充填し２４時間放置し成形物を作製した。
サンプル１０は水にグリセリン、ポリビニルアルコール、硼砂を溶解し成形型に充填した。６０℃に加温しカチオンと反応させ成形物を作製した。
サンプル１１は水にジェランガムを分散し加熱溶解した。これに乳酸カルシウムの１０％水溶液を添加した。熱時に成形型に充填し、２０℃に冷却することによりカルシウムと反応させ成形物を作製した。

これら成形型は、３Ｄプリンタで作製した成形型１ａ，１ｂ、および成形型２０ａ，２０ｂである。成形型２０ａ，２０ｂを用いる場合には、第２の実施形態と同様に、血管１１と共にサンプル９～１１を成形した。
アルギン酸ナトリウム：イナゲルＧＳ－１３０（商品名） 伊那食品工業株式会社製
ポリビニルアルコール：ハイビスワコー（商品名） 和光純薬製
ジェランガム：ケルコゲル（商品名） ＣＰケルコ製
寒天：伊那寒天大和（商品名） 伊那食品工業株式会社製
カラギーナン：イナゲルＥ－１５０（商品名） 伊那食品工業株式会社製
ローカストビーンガム：イナゲル Ｌ－８５（商品名） 伊那食品工業株式会社製
グルコマンナン：イナゲルマンナン１００（商品名） 伊那食品工業株式会社製
キサンタンガム：イナゲルＶ－１０（商品名） 伊那食品工業株式会社製
タマリンドガム：イナゲルＶ－２５０Ｃ（商品名） 伊那食品工業株式会社製

実験３の実験結果：サンプル９～１１の成形物１９，２１，３２は、その成形物の形状を力（重力を含む）を加えない状態で維持でき、心臓または肝臓の細かい凹凸を忠実に再現でき、それらの触感とそっくりのものとすることが可能だった。

なお、実験１，２，３で使用した溶媒は、全て水としたが、溶質の種類によっては、溶媒の一部または全部をアルコール等の有機溶媒等としても良い。
以上のサンプル１～１１以外の、熱可逆性、熱硬化性、カチオン反応性のいずれかのゲル化特性を有する成形材料、たとえば、寒天、カラギーナン、ファーセレラン、ゼラチン、キサンタンガム、カシアガム、グアーガム、タラガム、ローカストビーンガム、フェヌグリークガム、グルコマンナン、タマリンドガム、ジェランガム、ネーティブジェランガム、アルギン酸塩、ペクチン、カードラン、澱粉、卵白、卵白加工物、ポリビニルアルコールから選ばれるいずれか１以上を有する成形材料（配合比を変えたものを含む）は、概ねサンプル１～１１と同等の実験結果が得られる。

実験４
サンプル４で作製したゲルを有する物体に皮膜を形成した。
実験結果
皮膜１～１０は、いずれも良好な皮膜が形成された。

実験５
サンプル１、サンプル８、及びサンプル９について含気を行った。
サンプル１は、成形型に充填前の５０℃の溶液に重曹を０．５％添加溶解後、１０％クエン酸溶液を５％添加して発泡させ含気させ、これを成形型に充填して急冷し成形させた。
サンプル８は、成型型に充填前の４０℃の溶液に微細エアノズルを入れて空気を送り込んで含気させた。これを成形型に充填し、９５℃に加熱して成形させた。
サンプル９は、成型型に充填前の２０℃の溶液に、製菓用粉末卵白を２％添加し高速撹拌機で含気させ、速やかに成形型に充填して２４時間放置して成形物させた。
サンプル１、サンプル８、及びサンプル９に含気したゲルを有する物体は、含気しないものに比べ比重が軽く柔らかい感触になった。
サンプル１、サンプル８、及びサンプル９に含気したゲルは、その感触から、人間の肺の臓器モデルの作製に特に適している。

（第４の実施の形態に係るゲルを有する物体の製造法の内容）
以下、第４の実施の形態に係るゲルを有する物体の製造法について、図面を参照しながら説明する。なお、特に明記しない限り、第４の実施の形態に係る成形型の製造法、ゲルすなわち成形物の材料および成形法は、第２の実施の形態と同様とし、その詳細な説明を省略する。また、図１６，図１７は、第４の実施の形態に係る成形型５０ａ，５０ｂの斜視図であり、図９および図１０に示した成形型２０ａ，２０ｂと同じ形状のものである。そのため、成形型２０ａ，２０ｂと実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

成形型５０ａ，５０ｂは、物性と色の違う複数の樹脂材料を、所定の位置に配置させたものである。樹脂材料の物性は、たとえば、硬さ、表面の粗さ、耐熱性、熱伝導率等である。その物性の樹脂材料が特定のものとなり、特定の配置となるように、３Ｄプリンタの印刷状態を調節して、成形型５０ａ，５０ｂを造形する。このとき、三次元ＣＡＤデータには、樹脂材料の物性と色等を配置するデータ等が追加される。そして、３Ｄプリンタには、物性と色の違う複数の樹脂材料を、所定の位置に配置させることのできる機能を有するものが用いられる。

図１６，図１７および図１６のＡ－Ａ断面図である、図１８を用いて、成形型５０ａ，５０ｂの樹脂材料と、その配置を説明する。基準面２４ａ，２４ｂおよび外壁５４等、成形型５０ａ，５０ｂのうち、転写部２３ａ，２３ｂおよび後述する縁部２３３ａ，２３３ｂ以外の部分の外壁５４には、耐熱性が他の成形型５０ａ，５０ｂの部位よりも高い樹脂材料を用いる。これは、成形中に最も温度が上がるのは、基準面２４ａ，２４ｂおよび外壁５４等だからである。

そして、図１８に示すように、成形型５０ａのうち、断面内層５３には、靭性（弾力性）が他の部位よりも高い樹脂材料を用いる。これは、成形型５０ａ，５０ｂの略全体の柔軟性を付与するためである。仮に外壁５４と同等の樹脂材料で成形型５０ａ，５０ｂを形成すると、成形型５０ａにヒビが入るおそれがある。なお、成形型５０ａだけでなく、成形型５０ｂの断面も、図１８に示すような柔軟性を有する断面内層５３を有している。

転写部２３ａ，２３ｂのうち、血管５２（図中には示していないが、第４の実施の形態に係る血管は、血管１１とは区別するため、血管５２と記す。以下同じ。）以外の肝臓の形状を転写する転写部２３０ａ，２３０ｂには、熱伝導率が他の部位よりも低い樹脂材料を用いる。この場合、熱伝導率が０．１５（Ｗ／ｍ・Ｋ）のものを用いているが、この値以外でも良い。これは、転写部２３０ａ，２３０ｂが、非常に複雑な形状であるため、そこに流入するゲルを流動性が良いものとし、極力ゆっくりと硬化させ、成形不良等を起こし難くするためである。このように、ゲルの硬化速度を遅くすると、硬化速度を速くするよりも、一般にゲルの含水量が増えて、ゲルが柔らかくなる。

そして、転写部２３ａ，２３ｂのうち、肝臓の血管５２の太い幹５２ａ部分を転写する転写部２３２ａ，２３２ｂには、熱伝導率が他の部位よりも高い樹脂材料を用いる。これは、血管５２が血管１１と同様に、樹脂材料製で、３Ｄプリンタで造形したものであるため、成形型５０ａ，５０ｂによって成形されるものでなく、成形不良等を起こすことがなく、ゆっくりと温度を下げる必要が無いためである。むしろ、血管５２は、成形型５０ａ，５０ｂによる加熱を極力避けて、変形等を抑制する必要があるためである。

そして、転写部２３ａ，２３ｂの周囲全体を約５ｍｍ囲う領域である、縁部２３３ａは、ゴムのような感触で、弾力のある樹脂材料を用いる。ここで用いる樹脂材料のショア硬度は、６０°である。縁部２３３ａ，２３３ｂは、ゲルを成形型５０ａ，５０ｂが閉じた状態で型内に入れる際に、ゲルが成形型５０ａ，５０ｂの間を流れ出さないために、密閉を保つためのものである。そのため、図１６，図１７では明確に示していないが、図１８に示すように、縁部２３３ａ，２３３ｂは、基準面２４ａ，２４ｂよりも若干突出している。この突出している部分により、基準面２４ａ，２４ｂを合わせて、成形型５０ａ，５０ｂを閉じた状態としたときに、前述の密閉を保っている。図１６，図１７の破線は、縁部２３３ａ，２３３ｂの基準面２４ａ，２４ｂとの境界を示している。

図１９に、第４の実施の形態に係る成形型５０ａ，５０ｂの製造法のフロー図を示す。成形型５０ａ，５０ｂの製造法は、第１の実施形態における成形型１ａ，１ｂを示した図１の、ステップＳ１からステップＳ４と同じステップを経る（Ｓ１１）。その後、ステップＳ１からステップＳ４で得られた三次元ＣＡＤデータに、成形型５０ａ，５０ｂの、各部位が立体的形状で仕切られた複数の区画を設定する（Ｓ１２）。次いで、三次元ＣＡＤデータに、各々の区画に対してどのような物性と色の樹脂材料を供給するかを設定する（Ｓ１３）。

そして、一組の成形型５０ａ，５０ｂの三次元ＣＡＤデータに基づいて、前述の３Ｄプリンタを用いて、一組の成形型５０ａ，５０ｂをそれぞれ造形する（Ｓ１４）。このとき３Ｄプリンタは、複数種の樹脂材料を混ぜ合わせて、特定の物性を持った樹脂材料となるように噴射し、各区画を形成する。この成形型５０ａ，５０ｂは、一組の成形型５０ａ，５０ｂの組み合わせからなる。片方の成形型５０ａには、人間の肝臓の約半分の形状が転写されている転写凹部２３ａがあり、もう片方の成形型５０ｂには、上述した人間の肝臓の約半分の残りの約半分の形状が転写されている転写凹部２３ｂがある。転写凹部２３ａ，２３ｂは、一組の成形型５０ａ，５０ｂが閉じた状態で、密着するように接触し合う基準面２４ａ，２４ｂよりも凹んでいる。

血管５２は、物性または色の違う複数の樹脂材料で製造される。また、血管５２は血管１１と外形が同一である。たとえば、血管５２には太い幹５２ａである動脈部分と、細い血管部分５２ｂとがある。ここで、血管５２の部位によって硬さ等を変更する。この血管５２も、物性と色の違う複数の樹脂材料を、所定の位置に配置させることのできる機能を有する３Ｄプリンタを用いて製造される。製造方法は、成形型５０ａの製造法と同様である。図２０にその製造フロー図を示す。血管５２の三次元ＣＡＤデータに、立体的形状で仕切られた複数の区画を設定する（Ｓ２２）。次いで、三次元ＣＡＤデータに、各々の区画に対してどのような物性と色をした樹脂材料を供給するかを設定する（Ｓ２３）。そして、血管５２の三次元ＣＡＤデータに基づいて、血管５２を造形する（Ｓ２４）。

第４の実施の形態において、成形型５０ａ，５０ｂで成形された人間の肝臓の臓器モデルには、血管５２ではなく、第２の実施の形態で用いた血管１１を用いても良い。また、血管５２、血管１１に代えて他の血管を用いても良い。

図２１は、ゲルを成形型５０ａに入れる前の、血管５２の成形型５０ａへの配置状態を示す図である。動脈５２ａは、転写部２３２ａにほぼ隙間なく嵌入されている。そのため、血管５２は、動脈５２ａが転写部２３２ａによって固定されていて、ガタツキ等は生じなかった。その上、動脈５２ａは、成形型５０ｂの転写部２３２ｂにもほぼ隙間なく嵌入される。そのため、細い血管部分５２ｂが転写部２３０ａ，２３０ｂに接触することなく転写部２３０ａ，２３０ｂの中で浮いている状態とすることができる。そのため、細い血管部分５２ｂがゲル中に完全に埋まった成形物を得ることができる。このことは、第２の実施の形態でも同様である。なお、図２１では、縁部２３３ａ，２３３ｂの記載を省略している。

（第４の実施の形態によって得られる主な効果）
第４の実施の形態によって、成形型５０ａ，５０ｂの各区画の硬さ、表面の粗さ、耐熱性、弾力性および熱伝導率等を変えることができる。たとえば、成形型５０ａ，５０ｂの各区画の熱伝導率を変えることができると、ゲルの硬化速度を部分的に調整することができる。また、成形型５０ａ，５０ｂの各区画の硬さを変えることができると、成形型５０ａ，５０ｂの頑丈さまたは強度を部分的に調整することができる。また、成形型５０ａ，５０ｂの表面の粗さを変えることができると、成形型５０ａ，５０ｂの意匠性等を部分的に調整することができる。また、成形型５０ａ，５０ｂの各区画の耐熱性を変えることができると、成形型５０ａ，５０ｂの耐熱性を部分的に調整することができる。また、成形型５０ａ，５０ｂの各区画の弾力性を変えることができると、縁部２３３ａ，２３３ｂによる成形型５０ａ，５０ｂの密閉、または、断面内層５３による成形型５０ａ，５０ｂの略全体の柔軟性の付与が実現できる。

３Ｄプリンタは、樹脂材料を蓄積および供給するインクカートリッジを６本まで搭載でき、各々のカートリッジから樹脂材料を同時に噴射可能である。そのため、成形型５０ａ，５０ｂの製造に必要な樹脂材料を、一度の印刷作業で、繋ぎ部材を必要としない一体造形物（一つのかたまり）として配置し、成形型５０ａ，５０ｂを製造できる。

第４の実施の形態のように、成形型５０ａ，５０ｂの各区画の硬さ等を変えることによって、人間の肝臓等の臓器モデルの、成形物の部分をよりリアルに作ることができる。人間の肝臓は、人工物ではないため、厳密に言えば各所の硬さ等が違うはずなのに、ゲルで成形物を作った場合には、どうしても人間の肝臓の各所が同じ硬さ等となってしまう。そのような人間の肝臓の微妙な質感を、臓器モデルで実現可能とするのが、第４の実施の形態である。

縁部２３３ａ，２３３ｂの樹脂材料は、成形型５０ａ，５０ｂではなく、金型をベースに作った場合には、ゴム等を金型の所定箇所に貼り付けて形成するのが通常である。この金型に貼り付けたゴム等は、非常に剥がれやすいのが通常である。しかし、成形型５０ａは、一体造形物であるため、縁部２３３ａ，２３３ｂが極めて剥がれにくい。

（他の形態）
上述した第１、第２、第３または第４の実施の形態に係るゲルを有する物体の製造法は、本発明の好適な形態の一例ではあるが、これに限定されるものではなく本発明の要旨を変更しない範囲において種々の変形実施が可能である。

第１、第２、第３または第４の実施の形態では、「物体」を人間の心臓または肝臓の臓器モデル８，２２，３３としている。しかし、人間の腎臓の臓器モデル等、他の臓器モデルにしても良い。また、動物の臓器モデルとしても良い。さらに、人間等の皮膚、眼球、または脳等のいわゆる医療モデルを「物体」にしても良い。この医療モデルの「医療」には、外科医療等に加え、歯科、形成外科、美容外科等を含む。さらには、人形等の医療とは全く無関係の分野における、ゲルを有する物体にしても良い。たとえば、釣りの疑似餌に用いられるミミズ（ワーム）等を「物体」としても良い。ワームを寒天等で作れば、それを廃棄しても自然環境に悪影響を与えることは少ない。

第１、第２、第３または第４の実施の形態では、成形物１９，２１，３２の成形材料は、水と寒天との混合し加熱溶解したゾル状態としたが、その他に熱可逆性、熱硬化性、カチオン反応性のいずれかのゲル化特性を有するものまたは樹脂を含むもの等、ゲル強度や粘弾性の異なる材料を用いても良い。この理由は、臓器等の柔らかさに近い触感を実現できるためである。また、成形材料は、水に寒天を混ぜたものを用い、この混合比率を、水１０００ｇに対して粉状の寒天が２０ｇとした。しかし混合し溶解された溶液濃度は、適宜変えることができる。たとえば、成形物を柔らかくしたいときには、水分量を増やし、成形物を硬くしたいときには、水分量を減らす等する。また、実験１から５で用いたゲル等は、第１、第２、第３または第４の実施の形態で用いることができることは言うまでもない。

３Ｄプリンタを用いて作製される、成形物１９，２１，３２の成形材料としては、熱可逆性、熱硬化性、カチオン反応性のいずれかのゲル化特性を有する材料が好ましく、たとえば、寒天、カラギーナン、ファーセレラン、ゼラチン、キサンタンガム、カシアガム、グアーガム、タラガム、ローカストビーンガム、フェヌグリークガム、グルコマンナン、タマリンドガム、ジェランガム、ネーティブジェランガム、アルギン酸塩、ペクチン、カードラン、澱粉、卵白、卵白加工物、ポリビニルアルコール、サイリウムシードガムから選ばれるいずれか１以上を有することが好ましい。この理由は、臓器等の柔らかさに近い触感を実現できるためである。また、熱可逆性、熱硬化性、カチオン反応性のいずれかのゲル化特性を有する材料は、通常は冷却、加熱、カチオン反応させることにより成形材料をゲル化させるが、それ以外の方法でゲル化させても良い。

第１、第２、第３または第４の実施の形態では、臓器モデル８，２２，３３は、透光性を有するものである。しかし、臓器モデル８，２２，３３の色は任意の色とすることができる。たとえばその臓器そっくりの色とすることができる。また、硬い部分である血管１１は、成形物１９，２１，３２とは異なる色となる部分を有することとしても良い。また、たとえば、食品の着色料を成形材料に混ぜることで、臓器モデル８，２２，３３に着色ができる。また、成形後に臓器モデル８，２２，３３の表面に着色することもできる。

第１、第２、第３または第４の実施の形態では、人間の心臓または肝臓の三次元ＣＡＤデータは、人間の心臓を三次元スキャナでスキャニングして得ている。しかし、「物体」の三次元ＣＡＤデータは、必ずしも三次元スキャナで得る必要はなく、たとえば、三次元ＣＡＤを操作して得ても良い。

第２の実施の形態では、人間の肝臓の臓器モデル２２のうちで、際立たせる部分を血管１１（成形物２１とは異なる生体組織を模したもの）とした。しかし、臓器モデル８ａのうちで、際立たせる部分は血管１１に限らず、たとえば図８に示すように、腫瘍１１ｃの部分とすることができる。腫瘍１１ｃの部分は、人間の肝臓の中でも硬いため、腫瘍１１ｃの部分を固くし、他の部分を柔らかくした人間の肝臓の臓器モデルは、よりリアルな臓器モデルとなる。また、そのような臓器モデルは、腫瘍摘出手術の練習に使うことができる。また、ゲルを有する物体には、臓器等を含む生体組織を模したものを、その一部または全部埋設させても良い。この生体組織には、腫瘍、結石、歯、歯石から選ばれるいずれか１以上を含むものとする。ここで、生体組織は、３Ｄプリンタを用いて造形してもよいし、成形型を用いて成形したものでもよい。

前記生体組織としては、人体または動物の体の一部または全部を模したものであり、例えば人の場合、大脳、小脳、脳幹、心臓、肺、気管支、咽頭、舌、耳、眼、胃、小腸、大腸、胆のう、肝臓、腎臓、膵臓、食道、十二指腸、副腎、精巣、膀胱、子宮、乳房、筋肉、動脈、静脈、リンパ、脊髄、骨、爪、皮膚から選ばれるいずれか１以上を模しても良い。さらに正常細胞のみならず腫瘍などの異常細胞を成形、造形しても良い。

また、「生体組織を模したもの」には、現実の生体組織の形状または質感とは、あえて異ならせたものを含む。たとえば、血管５２と、第４の実施の形態では説明しなかった肝臓中の静脈があるとすると、その動脈５２ａと静脈の硬さは、医師が注射針等の医療処置器具を当てたときに、動脈５２ａに当てたのか静脈に当てたとかが、感触としてわかるように異なるものであっても良い。この、医療処置器具が当たったときの感触が異なる「生体組織を模したもの」は、研修医が手術等の練習をするときに、非常に有益である。このような、硬さ等の異なる「生体組織を模したもの」の造形には、第４の実施の形態で用いた３Ｄプリンタが適している。

前記生体組織以外の成形物２１とは異なる生体組織を模したもの、または手術材料としては、インプラントのような手術材料（たとえばチタンプレートまたはチタンネジのような、金属プレートまたは金属ネジ、人工弁、人工骨、カルシウムまたはカルシウム化合物、点滴針、樹脂製のチューブ、等の意図的に体内に残す人工物）がある。また、手術材料としては、摘出手術の摘出の対象となる、意図しないで体内に残ることがある人工物（ガーゼ、銃弾、注射針等）もある。

第２の実施または第４の形態に係る血管１１、５２は、樹脂材料製で、３Ｄプリンタで造形したものとした。しかし、血管１１、５２は、樹脂材料製以外のたとえば、ガラス製等としても良いし、３Ｄプリンタ以外の手法、たとえば、射出成形、圧縮成形、または押し出し成形、ブロー成形、プレス成形、スラッシュ成形、ローテーション成形して得ても良い。ここで、血管１１等の成形物とは異なる生体組織を模したものを、射出成形等の成形型を用いて成形したものを「第２成形物」と言うことにする。「物体」は、血管１１、５２のような造形物または第２成形物の部分を有し、造形物または第２成形物の部分の一部または全部を成形の際に、成形型の中に配置して、成形物１９，２１，３２と共に成形し、成形物１９，２１，３２に埋設しても良い。ここで、「造形物または第２成形物」は、成形物２１と柔らかさが同等、または成形物２１よりも柔らかいものであっても良い。「造形物または第２成形物」のうち造形物は、たとえば３次元プリンタ等で造形したものであり、第２成形物は、たとえば成形型によって成形されたものである。また、血管１１、５２等の生体組織は、中空のゴム製の、マシュマロまたは耳たぶ程度に柔らかいものを３Ｄプリンタで造形できるため、本物の血管そっくりの触感のものを作ることができる。また、そのような中空のゴム製の足などを模した造形物の、中空の中に成形物１９，２１，３２のような柔らかいゲルを入れることで、足に膿（ゲルで作った）を持っている状態に近いものをつくることができ、その治療の練習等をすることができる。

第３の実施の形態では、水溶性樹脂としてポリビルアルコールを用いているが、他の水溶性樹脂、たとえば、ポリアクリルアミド、カルボキシメチルセルロース等を用いても良い。また溶媒は、水ではなく、アルコール等を用いても良い。たとえば、溶媒にアルコールを用いた場合には、低鹸化度のポリビルアルコールを溶質として用い、第３の実施の形態でポリビルアルコールを水に溶かして空洞１２を形成したのと同様のことを行っても良い。

第３の実施の形態では、臓器モデル８ｂに空洞１２を形成している。しかし、臓器モデル３３に通路のような入り口と出口を有する通路を形成しても良い。図１４は、第３の実施の形態の変形例に係る成形物３２に水溶性樹脂を配置した状態を示す断面模式図である。図１５は、図１４の状態から水溶性樹脂を溶かして、成形物４２に通路を形成した状態を示す断面模式図である。臓器モデル４３は、通路１６を有している。通路１６は、入り口１７と出口１８とを有している。水溶性樹脂１３は、通路１６となるべき空間に配置する。そして、水溶性樹脂１３は、成形が終わった後に、２５℃の水に接触させ、溶解させ、通路１６を形成する。

成形型１ａ，１ｂ，２０ａ，２０ｂ，５０ａ，５０ｂは、一部または全部が透明樹脂材料で構成されることとしても良い。透明樹脂材料を用いることで、臓器モデル８，２２，３３，４３、が成形される様子の可視化が可能となる。また、成形型１ａ，１ｂ，２０ａ，２０ｂ，５０ａ，５０ｂは、その製造過程で、たとえば紫外線硬化樹脂材料の流動速度、熱伝導率による材料の硬化速度を変えることが出来るため、成形型１ａ，１ｂ，２０ａ，２０ｂ，５０ａ，５０ｂの硬さを変えることができる。さらに、成形物１９，２１，３２の材料、すなわちゲル材料との密着性を調整することもできる。

血管１１，５２等の硬い部分は、３Ｄプリンタ以外で造形または成形しても良いが、３Ｄプリンタを使う利点が大きい。たとえば、３Ｄプリンタの造形材料となる紫外線硬化樹脂材料とインクジェット方式の３Ｄプリンタの組み合わせにより、物性の違う材料を１回で造形できることができる。たとえば、一つの造形物であっても、部位によって色、硬さまたは、表面の摩擦係数を変えることができる。なお、色については、５０万色以上の設定ができる。さらに、血管１１，５２等の硬い部分の中空形状化が実現できる。

成形型１ａ，１ｂ，２０ａ，２０ｂ，５０ａ，５０ｂは、紫外線硬化樹脂材料等の光硬化性樹脂材料を一層ずつ形成し、その都度紫外線を照射して樹脂材料を硬化させる操作を繰り返すことで樹脂材料層を形成し、徐々に３次元形状を印刷、つまり造形していく。しかし、成形型１ａ，１ｂ，２０ａ，２０ｂ，５０ａ，５０ｂは、このような樹脂材料製のものに限らず、たとえば金属粉を含む樹脂材料を造形材料に用いて３Ｄプリンタで造形し、一旦樹脂材料製の成形型を作り、その後樹脂材料分の焼成および金属粉の焼結を経て、金属製の成形型を作り、用いることができる。

第４の実施形態では、成形型５０ａ，５０ｂの、樹脂材料の熱伝導率、硬さ、耐熱性、弾力性を調整した。しかし、その他に、色，表面の粗さ，吸水性，表面温度，耐衝撃性，粘度，密着性から選ばれる１以上を調整しても良い。

また、第４の実施形態では、ゲルの流動性、硬化速度、または表面の粗さから選ばれる１以上を、部位によって調整した。しかし、その他に、含水量等を調整しても良い。

第４の実施形態では、成形型５０ａ，５０ｂの樹脂材料の配置に際し、各部位が立体的形状で仕切られた複数の区画を設定している（Ｓ１２）。また、血管５２の立体的形状で仕切られた複数の区画を設定している（Ｓ２２）。しかし、造形物への、複数種の樹脂材料の配置に際し、立体的形状で仕切られた複数の区画を設定する以外の方法があれば、その方法を採用しても良い。

第４の実施形態では、たとえば臓器モデルのうち、メス等で切ってはいけない箇所と、切っても良い箇所の硬さを変えることができる。これは、第４の実施形態で使用する３Ｄプリンタは、硬さを含む物性の違う複数の樹脂材料を、所定の位置に配置させることのできる機能を有するものだからである。たとえば、手術の最中、静脈は、絶対に切ってはいけない場合に、その静脈だけの硬さを他の部位より固くした臓器モデルを作製する。すると、執刀の最中に、メス等が静脈に当たると、「硬い」という感触がメス等を通じて執刀者に伝わるため、手術の練習に適した臓器モデルとなる。

図２２は、第４の実施形態の変形例であり、肝臓の臓器モデルの血管５２を示したものであり、そのうち、細い血管部分５２ｂ等で切ってしまった場合に、血液色の断面５５が露出するようにしたものである、従来の臓器モデルには、このような仕掛けを作ることは困難だったが、第４の実施形態に係る３Ｄプリンタには、色の違う複数の樹脂材料を、所定の位置に配置させることのできる機能を有するため、このような仕掛けを容易に作ることができる。このような仕掛けによって、メス等で誤って細い血管部分５２ｂを切ってしまったときに、そのことを執刀者に気づかせることができる。なお、このような、血液色の断面５５が露出する仕掛けは、血管５２の太い幹５２ａ部分に施しても良い。

１ａ，１ｂ，２０ａ，２０ｂ，５０ａ，５０ｂ 成形型
８，２２，３３，４３ 臓器モデル（ゲルを有する物体）
１１、５２ 血管（造形物または成形物、成形物とは異なる生体組織を模したもの、または手術材料）
１３ 水溶性樹脂（８０℃以下の水に溶ける物質）
１９，２１，３２，４２ 成形物（ゲル）

Claims (8)

1. ３Ｄプリンタを用いて、熱伝導率、表面の粗さ、硬度、または弾力性から選ばれる１以上の物性または色の違う複数の樹脂材料を、成形型の部位毎に配置して、前記成形型を作製する工程と、
   熱可逆性、熱硬化性、カチオン反応性のいずれかのゲル化特性を有する成形材料を前記成形型に供給し、成形物を得る工程、または、
   熱可逆性、熱硬化性、カチオン反応性のいずれかのゲル化特性を有する１以上の成形材料を、前記成形物の部位毎に異なる物性を有するように、前記成形型を用いて成形し、前記成形物を得る工程と、
   を有する、ゲルを有する物体の製造法。
2. 前記成形物は、生体組織を模した成形物である請求項１記載のゲルを有する物体の製造法。
3. 前記成形物中に、前記成形物とは異なる生体組織を模した成形物、または手術材料の一部または全部を埋設させることを特徴とする、
   請求項１または２に記載のゲルを有する物体の製造法。
4. 前記生体組織を模した成形物、または手術材料の一部または全部を、物性または色の違う複数の樹脂材料で製造する、
   請求項３に記載のゲルを有する物体の製造法。
5. 前記成形物とは異なる生体組織を模した成形物、または手術材料は、３Ｄプリンタを用いて形のあるものを造形する造形物および／または、成形型を用いて成形する第２成形物を有する、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のゲルを有する物体の製造法。
6. 前記成形材料が、寒天、カラギーナン、ファーセレラン、ゼラチン、キサンタンガム、カシアガム、グアーガム、タラガム、ローカストビーンガム、フェヌグリークガム、グルコマンナン、タマリンドガム、ジェランガム、ネーティブジェランガム、アルギン酸塩、ペクチン、カードラン、澱粉、卵白、卵白加工物、ポリビニルアルコール、乳清タンパク質素材、ゼラチン酵素反応物、タマリンドガム酵素反応物、サイリウムシードガムから選ばれるいずれか１以上を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載のゲルを有する物体の製造法。
7. 前記成形物とは異なる生体組織を模した成形物、または手術材料と、前記成形物が、それぞれ視覚により判別できる異なる色彩をなすことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のゲルを有する物体の製造法。
8. 前記ゲルを有する物体は、手術練習用、または医療用ロボットの操作の習得用の前記ゲルを有する物体である請求項１から７のいずれか１項に記載のゲルを有する物体の製造法。