JP6590449B2 - 3dプリンティング用の生体適合インク - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、その全体がここに参照することによって本願に援用される、2015年11月3日出願の米国仮特許出願第62/250,074号に対する米国法典第35編特許法第119条に基づく優先権を主張する。
本発明は、インク、特に、3次元(3D)プリンティングシステムと共に使用するための生体適合インクに関する。
米国サウスカロライナ州ロックヒル所在の3D Systemsが製造するProJet(商標)3Dプリンターなどの幾つかの市販の3Dプリンターは、プリントヘッドを通じて液体として噴射されて、さまざまな3D物体、物品、又は部品を形成する造形材料としても知られているインクを使用する。他の3Dプリンティングシステムもまた、プリントヘッドを通じて噴射される、あるいは、その他の方法で基材上に分配される、インクを使用する。幾つかの事例では、インクは周囲温度で固体であり、高い噴射温度で液体へと変化する。他の事例では、インクは周囲温度で液体である。さらには、幾つかの事例では、インクは、基材上へのインクの分配及び/又は堆積の後に硬化されてもよい。
他の3Dプリンターは、流体のインク又は造形材料、若しくは粉末のインク又は造形材料のリザーバ、バット、又は容器から3D物品を形成する。幾つかの事例では、結合材料、若しくはレーザ又は他のエネルギー源を使用して、段階的にインク又は造形材料の層を選択的に凝固又は固結し、3D物品を提供する。
3Dプリンティングシステム用のインクは、上述の態様を含む、さまざまな用途のためのさまざまな物品の形成に用いることができる。しかしながら、幾つかのプリントされた3D物品は、不十分な生体適合性を示す。例えば、このような物品の幾つかは、重大な細胞毒性を誘発する。したがって、従前のインクの幾つかは、物品が生物学的組織と接触する用途など、一部の用途のための3D物品の形成には不適当でありうる。
したがって、高度の生体適合性及び/又は低い細胞毒性を必要とする用途を含めた、3Dプリンティングのための改善されたインクが必要とされている。
一態様において、幾つかの実施形態では、従前のインクに対し、1つ以上の利点を提供することができる、3Dプリンターと共に使用するためのインクが、本明細書に記載される。幾つかの実施形態では、例えば、本明細書に記載されるインクを使用して、高い生体適合性、低い細胞毒性、及び/又は少量の抽出可能な材料(又は「抽出可能物(extractables)」)を有するプリントされた物品を提供することができる。このような「抽出可能物」には、3Dプリンティングプロセスで「残された」固結されない又は未硬化のインク又はインク成分が含まれうる。よって、幾つかの事例では、本明細書に記載されるインクを使用して、生体用、食品、及び/又は他の消費者向けの用途のための3D物品を形成することができる。加えて、本明細書に記載されるインクは、幾つかの事例では、高い機械的強度及び/又は耐熱性などの1つ以上の望ましい機械的又は熱的特性も示す、生体適合性のプリントされた物品を提供することができる。
幾つかの実施形態では、本明細書に記載される3Dプリンティングシステムで使用するためのインクは、約10〜60質量%の硬化性オリゴマー材料、約30〜80質量%の硬化性モノマー材料、及び約10〜35質量%の自己硬化性感光性オリゴマーを含み、ここで、質量パーセントはインクの総重量に基づいている。加えて、幾つかの事例では、インクの総重量に基づいて、硬化性オリゴマー材料は、10〜30質量%の量でインク中に存在し、硬化性モノマー材料は、約50〜70質量%の量でインク中に存在する。さらには、幾つかの事例では、自己硬化性感光性オリゴマーは、インクの総重量に基づいて、約15〜35質量%又は約20〜35質量%の量でインク中に存在する。さらには、幾つかの実施形態では、本明細書に記載されるインクは、該インクの総重量に基づいて、約0.5質量%未満又は約0.01質量%未満の非硬化性光開始剤を含む。加えて、幾つかの事例では、本明細書に記載されるインクは、着色剤、抑制剤、及び安定剤からなる群より選択される1つ以上の添加剤をさらに含む。
さらには、幾つかの実施形態では、本明細書に記載されるインクの硬化性オリゴマー材料は、ウレタン(メタ)アクリレートオリゴマー、ポリエステル(メタ)アクリレート、エポキシ(メタ)アクリレートオリゴマー、又はそれらの組合せを含む。硬化性モノマー材料は、幾つかの事例では、単官能(メタ)アクリレート、二官能(メタ)アクリレート、三官能(メタ)アクリレート、四官能(メタ)アクリレート、五官能(メタ)アクリレート、又はそれらの組合せを含む。加えて、幾つかの事例では、自己硬化性感光性オリゴマーは、1つ以上のエチレン性不飽和部分を含む。
別の態様では、3D物品をプリントする方法が本明細書に記載される。幾つかの事例では、本明細書に記載される3D物品をプリントする方法は、「マルチジェットモデリング」(MJM)法などの噴射方法である。幾つかのこのような事例では、本方法は、流動状態の本明細書に記載されるインクの層を、基材上に選択的に堆積させる工程を含む。さらには、インクの層は、コンピュータ可読フォーマットでの3D物品の画像に従って堆積させることができる。加えて、本明細書に記載される方法は、インクの層を硬化させる工程をさらに含んでいてもよい。
本明細書に記載される3D物品をプリントする方法はまた、「光造形」(SLA)法であってもよい。例えば、幾つかの実施形態では、本明細書に記載される3D物品をプリントする方法は、容器内に本明細書に記載されるインクを流動状態で保持する工程、及び容器内のインクにエネルギーを選択的に印加して、インクの第1の流動層の少なくとも一部を凝固させ、それによって、物品の第1の断面を画成する第1の凝固層を形成する工程を含む。このような方法は、第1の凝固層を上昇又は下降させて、容器内の流体インクの表面にインクの第2の流動層を提供する工程、及び、次いで容器内のインクにエネルギーを選択的に印加して、インクの第2の流動層の少なくとも一部を凝固させ、それによって、物品の第2の断面を画成する第2の凝固層を形成する工程をさらに含みうる。このような事例では、第1の断面及び第2の断面は、z方向において互いに結合されうる。
さらに別の態様では、プリントされた3D物品が本明細書に記載される。このような3D物品は、本明細書に記載されるインクから、及び/又は、本明細書に記載される方法を使用して、形成することができる。加えて、このような3D物品は、高い生体適合性、低い細胞毒性、及び少量の抽出可能物を示すことができる。
これら及び他の実施形態は、以下の詳細な説明において、さらに詳細に記載される。
本明細書に記載される実施形態は、以下の詳細な説明及び実施例を参照することによって、より容易に理解することができる。しかしながら、本明細書に記載される要素、装置及び方法は、詳細な説明及び実施例に提示される特定の実施形態に限定されない。これらの実施形態は本開示の原理の単なる例示であることが認識されるべきである。本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、多くの修正及び適合が、当業者に容易に明らかになるであろう。
加えて、本開示の範囲はすべて、その中に含まれる任意及び全ての部分的範囲を包含するものと理解されるべきである。例えば、「1.0〜10.0」と記載される範囲は、例えば、1.0〜5.3、又は4.7〜10.0、又は3.6〜7.9など、1.0以上の最小値から開始して10.0以下の最大値で終わる、任意かつ全ての部分的範囲を含むとみなされるべきである。
本明細書に開示されるすべての範囲はまた、特に明記されない限り、その範囲の端点も含むとみなされるべきである。例えば、「5〜10」の範囲は、一般に、5及び10の端点を含むとみなされるべきである。
さらには、語句「最大で/最長で」が数量又は分量と共に用いられる場合、その量は、少なくとも検出可能な数量又は分量であることが理解されるべきである。例えば、「最大で」指定された量までの量で存在する材料は、検出可能な量から、その指定された量を含めて、最大でその指定された量まで、存在しうる。
「3次元プリンティングシステム」、「3次元プリンター」、「プリンティング」などの用語は、概して、光造形、選択的堆積、噴射、熱溶解積層法、マルチジェットモデリング、及び、造形用の材料又はインクを使用して3次元物体を製作する、当技術分野で知られている又は将来知られるであろう他の付加製造技術によって、3次元の物品又は物体を製造するためのさまざまな固体自由形状製作技法について記載するものである。
I.3Dプリンティング用インク
一態様において、3Dプリンターと共に使用するためのインクが、本明細書に記載される。幾つかの実施形態では、本明細書に記載されるインクは、硬化性オリゴマー材料、硬化性モノマー材料、及び自己硬化性感光性オリゴマーを含む。加えて、本明細書に記載されるインクは、幾つかの事例では、分子染料、微粒子無機顔料、又は微粒子有機着色剤などの着色剤をさらに含む。本明細書に記載されるインクはまた、抑制剤及び安定剤からなる群より選択される1つ以上の添加剤も含みうる。さらには、幾つかの事例では、本明細書に記載されるインクは、非硬化性光開始剤を含まない、又は実質的に含まない。
次に、インクの特定の成分に目を向けると、本明細書に記載されるインクは、オリゴマー及びモノマーの硬化性材料を含む。硬化性材料には、ここでは参照の目的で、1つ以上の硬化可能な又は重合可能な部分を含む化学種が含まれる。「重合可能な部分」には、ここでは参照の目的で、重合又は硬化されて、プリントされた3D物品又は物体を提供することができる部分が含まれる。このような重合又は硬化は、本開示の目的と矛盾しない任意の方式で行うことができる。幾つかの実施形態では、例えば、重合又は硬化には、重合性又は硬化性材料に、重合又は架橋反応を開始するのに十分なエネルギーを有する電磁放射線を照射することが含まれる。例えば、幾つかの事例では、紫外線(UV)照射を使用することができる。よって、幾つかの事例では、重合可能な部分には、UV重合可能な部分など、光重合性又は光硬化性の部分が含まれる。幾つかの実施形態では、本明細書に記載される硬化性材料は、約300nm〜約400nm、又は約320nm〜約380nmの範囲の波長において、光重合性又は光硬化性である。あるいは、他の事例では、硬化性材料は、電磁スペクトルの可視波長において光重合性である。
さらには、重合反応には、幾つかの事例では、エチレン性不飽和の位置(points)を含めた不飽和の位置間のものなど、フリーラジカル重合反応が含まれる。他の重合反応も使用することができる。当業者に理解されるように、本明細書に記載される硬化性材料の重合又は硬化に用いられる重合反応には、互いに反応して1つ以上の共有結合を形成することができる1つ以上の官能基又は官能性部分を有する複数の「モノマー」又は化学種の反応が含まれうる。
本明細書に記載される硬化性材料の重合可能な部分の非限定的な例の1つは、ビニル部分、アリル部分、又は(メタ)アクリレート部分などのエチレン性不飽和部分であり、ここで、用語「(メタ)アクリレート」には、アクリレート又はメタクリレート、若しくはそれらの混合物又は組合せが含まれる。
加えて、本明細書に記載される硬化性材料は、単官能性、二官能性、三官能性、四官能性、五官能性、又はより高次の官能性の硬化性材料でありうる。「単官能性」の硬化性材料には、ここでは参照の目的で、1つの硬化可能又は重合可能な部分を含む化学種が含まれる。同様に、「二官能性」の硬化性材料には、2つの硬化可能な又は重合可能な部分を含む化学種が含まれ;「三官能性」の硬化性材料には、3つの硬化可能な又は重合可能な部分を含む化学種が含まれ;「四官能性」の硬化性材料には、4つの硬化可能な又は重合可能な部分を含む化学種が含まれ;「五官能性」の硬化性材料には、5つの硬化可能な又は重合可能な部分を含む化学種が含まれる。よって、幾つかの実施形態では、本明細書に記載されるインクの単官能性硬化性材料はモノ(メタ)アクリレートを含み、本明細書に記載されるインクの二官能性の硬化性材料はジ(メタ)アクリレートを含み、本明細書に記載されるインクの三官能性の硬化性材料はトリ(メタ)アクリレートを含み、本明細書に記載されるインクの四官能性の硬化性材料はテトラ(メタ)アクリレートを含み、本明細書に記載されるインクの五官能性の硬化性材料はペンタ(メタ)アクリレートを含む。他の単官能性、二官能性、三官能性、四官能性、及び五官能性の硬化性材料も使用することができる。
さらには、単官能性、二官能性、三官能性、四官能性、及び五官能性の硬化性材料には、幾つかの事例では、比較的低分子量の種又は比較的高分子量の種が含まれうる。例えば、硬化性材料は、「モノマー」種又は分子種(すなわち、それ自体はポリマー又はオリゴマーではなく、比較的低分子量の種である、若しくは比較的低粘度の種である、種)、若しくは、本明細書に記載される不飽和の1つ以上の位置を通じてなど、さらなる重合を受けることが可能である、「オリゴマー」種(すなわち、それ自体がポリマー又はオリゴマーであり、比較的高分子量の種である、若しくは比較的高粘度の種である、種)のいずれかを含みうる、又はそれらでありうる。よって、幾つかの事例では、硬化性材料における「モノマー」種又は分子種の集団(population)は、該集団全体にわたり、一貫性のある又は明確に定められた分子構造及び/又は式(例えば、エトキシル化された(4)ビスフェノールAジアクリレートの特定された質量によって示すことができるものなど)を有しうる。対照的に、硬化性材料における「オリゴマー」種の集団は、該集団全体にわたり、変動する分子構造及び/又は式(例えば、不均一な分子量分布を有するウレタンアクリレートの特定された質量によって、又は、その集団内にエチレングリコール単位の分布及び/又はエトキシ単位の分布を有する、エトキシル化されたポリエチレングリコールの特定された質量によって、示すことができるものなど)を有しうる。さらには、硬化性「オリゴマー」材料の重量平均分子量は、概して、約400〜10,000、約600〜10,000、又は約500〜7,000の範囲でありうる。硬化性「モノマー」材料の分子量は、対照的に、概して、600未満、500未満、400未満、300未満、200未満、又は100未満でありうる。加えて、幾つかの実施形態では、硬化性「モノマー」材料は、ASTM D2983に準拠して測定して、25℃で500センチポアズ(cP)以下の粘度を有するのに対し、硬化性「オリゴマー」材料は、ASTM D2983に準拠して測定して、25℃で1000cP以上の粘度を有する。
概して、本開示の目的と矛盾しない任意の硬化性モノマー材料を用いることができる。幾つかの事例では、本明細書に記載されるインクの硬化性モノマー材料は、1つ以上の単官能、二官能、三官能、四官能(メタ)アクリレート、及び/又は五官能(メタ)アクリレートなど、1種類以上の(メタ)アクリレートを含む。幾つかの実施形態では、例えば、硬化性モノマー材料は、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、n−プロピル(メタ)アクリレート、n−ブチル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、n−ヘキシル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、n−オクチル(メタ)アクリレート、n−デシル(メタ)アクリレート、n−ドデシル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−又は3−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、2−メトキシエチル(メタ)アクリレート、2−エトキシエチル(メタ)アクリレート、2−又は3−エトキシプロピル(メタ)アクリレート、テトラヒドロフルフリルメタクリレート、イソボルニル(メタ)アクリレート、2−(2−エトキシエトキシ)エチルアクリレート、シクロヘキシルメタクリレート、2−フェノキシエチルアクリレート、グリシジルアクリレート、イソデシルアクリレート、2−フェノキシエチル(メタ)アクリレート、ラウリルメタクリレート、又はそれらの組合せを含む。幾つかの実施形態では、硬化性モノマー材料は、アリルアクリレート、アリルメタクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリシクロデカンジメタノールジアクリレート、及びシクロヘキサンジメタノールジアクリレートのうちの1つ以上を含む。加えて、幾つかの事例では、硬化性モノマー材料は、1,3−又は1,4−ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、1,6−ヘキサンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、トリプロピレングリコール、1,4−ジヒドロキシメチルシクロヘキサン、2,2−ビス(4−ヒドロキシシクロヘキシル)プロパン又はビス(4−ヒドロキシシクロヘキシル)メタン、ヒドロキノン、4,4’−ジヒドロキシビフェニル、ビスフェノールA、ビスフェノールF、又はビスフェノールSを含めた、脂肪族、脂環式又は芳香族のジオールのジアクリレート及び/又はジメタクリレートエステルを含む。本明細書に記載される硬化性モノマー材料には、1,1−トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールモノヒドロキシトリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールモノヒドロキシペンタ(メタ)アクリレート、及び/又はビス(トリメチロールプロパン)テトラ(メタ)アクリレートも含まれうる。さらには、幾つかの事例では、硬化性モノマー材料は、エトキシル化又はプロポキシル化されたネオペンチルグリコール、エトキシル化又はプロポキシル化されたビスフェノールA、エトキシル化又はプロポキシル化されたビスフェノールF、エトキシル化又はプロポキシル化されたビスフェノールS、エトキシル化又はプロポキシル化された1,1,1−トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、又はエトキシル化又はプロポキシル化されたグリセロールトリ(メタ)アクリレートなどのエトキシル化又はプロポキシル化された種を含みうる。
本明細書に記載される幾つかの実施形態において有用な市販の硬化性モノマー材料のさらなる非限定的な例としては、次のものが挙げられる:SR506という商品名でSARTOMER社から市販される、イソボルニルアクリレート(IBOA);SR423Aという商品名でSARTOMER社から市販される、イソボルニルメタクリレート;SR272という商品名でSARTOMER社から市販される、トリエチレングリコールジアクリレート;SR205という商品名でSARTOMER社から市販される、トリエチレングリコールジメタクリレート;SR833Sという商品名でSARTOMER社から市販される、トリシクロデカンジメタノールジアクリレート;SR368という商品名でSARTOMER社から市販される、トリス(2−ヒドロキシエチル)イソシアヌレートトリアクリレート;SR339という商品名でSARTOMER社から市販される、2−フェノキシエチルアクリレート;SR349という商品名でSARTOMER社から市販される、エトキシル化(3モル)ビスフェノールAジアクリレート、;及び、SR399LVという商品名でSARTOMER社から市販される、ジペンタエリスリトールペンタアクリレート。他の市販の硬化性モノマー材料も使用することができる。
硬化性モノマー材料は、本明細書に記載されるインク中に、本開示の目的と矛盾しない任意の量で存在しうる。幾つかの事例では、硬化性モノマー材料は、合計で、インクの総重量に基づいて、最大で約80質量%、最大で約70質量%、最大で約60質量%、又は最大で約50質量%の量で存在する。幾つかの事例では、本明細書に記載されるインクは、該インクの総重量に基づいて、約30〜80質量%の硬化性モノマー材料を含む。幾つかの実施形態では、インクは、該インクの総重量に基づいて、約30〜70質量%、30〜75質量%、30〜60質量%、40〜80質量%、40〜75質量%、40〜70質量%、40〜60質量%、45〜80質量%、50〜80質量%、50〜75質量%、50〜70質量%、又は60〜80質量%の硬化性モノマー材料を含む。
加えて、本開示の目的と矛盾しない任意の硬化性オリゴマー材料を、本明細書に記載されるインクに用いることができる。幾つかの事例では、例えば、硬化性オリゴマー材料は、ポリエステル(メタ)アクリレートオリゴマー、ウレタン(メタ)アクリレートオリゴマー、又はエポキシ(メタ)アクリレートオリゴマーを含む。さらには、幾つかの実施形態では、本明細書に記載される硬化性オリゴマー材料は、脂肪族ポリエステルウレタンアクリレートオリゴマー、及び/又は、EBECRYL7100などのアクリレートアミンオリゴマー樹脂を含む。幾つかの事例では、本明細書に記載される硬化性オリゴマー材料は、ポリプロピレングリコールモノ(メタ)アクリレート又はポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレートを含む。幾つかの実施形態では、硬化性オリゴマー材料は、単官能性脂肪族ウレタン(メタ)アクリレートを含む。さらには、幾つかの事例では、硬化性オリゴマー材料は、ポリエチレングリコール、エトキシル化又はプロポキシル化されたネオペンチルグリコール、エトキシル化又はプロポキシル化されたビスフェノールA、エトキシル化又はプロポキシル化されたビスフェノールF、エトキシル化又はプロポキシル化されたビスフェノールS、エトキシル化又はプロポキシル化された1,1,1−トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、又はエトキシル化又はプロポキシル化されたグリセロールトリ(メタ)アクリレートを含めた、脂肪族、脂環式又は芳香族ジオールのジアクリレート及び/又はジメタクリレートエステルを含む。
本明細書に記載される幾つかの実施形態において有用な市販の硬化性オリゴマー材料の幾つかの非限定的な例としては、次のものが挙げられる:SR611という商品名でSARTOMER社から市販される、アルコキシル化されたテトラヒドロフルフリルアクリレート;GENOMER1122という商品名でRAHN USA社から市販される、単官能性ウレタンアクリレート;及び、EBECRYL8402という商品名でALLNEX社から市販される、脂肪族ウレタンジアクリレート。他の市販の硬化性オリゴマー材料も使用することができる。
本明細書に記載されるインクにおける使用に適したウレタン(メタ)アクリレートは、幾つかの事例では、典型的には、ヒドロキシル末端化されたウレタンをアクリル酸又はメタクリル酸と反応させて対応するウレタン(メタ)アクリレートを得ることによって、若しくは、イソシアネート末端化されたプレポリマーをヒドロキシアルキルアクリレート又はメタクリレートと反応させてウレタン(メタ)アクリレートを得ることによって、既知の方法で調製することができる。適切な方法は、とりわけ、欧州特許出願公開第114982号及び同第133908号の各明細書に開示されている。このような(メタ)アクリレートオリゴマーの重量平均分子量は、幾つかの事例では、約400〜10,000又は約500〜7,000でありうる。ウレタン(メタ)アクリレートはまた、CN980、CN981、CN975及びCN2901という製品名でSARTOMER社から、若しくは、BR−741という製品名でBOMAR Specialties Co.社からも市販されている。本明細書に記載される幾つかの実施形態では、ウレタン(メタ)アクリレートオリゴマーは、ASTM D2983に準拠した方式で測定して、約50℃で約140,000センチポアズ(cP)〜約160,000cP、若しくは、約50℃で約125,000cP〜約175,000cPの範囲の粘度を有する。幾つかの事例では、ウレタン(メタ)アクリレートオリゴマーは、ASTM D2983に準拠した方式で測定して、約50℃で約100,000cP〜約200,000cP、若しくは、約50℃で約10,000cP〜約300,000cPの範囲の粘度を有する。
硬化性オリゴマー材料は、本明細書に記載されるインク中に、本開示の目的と矛盾しない任意の量で存在しうる。幾つかの事例では、硬化性オリゴマー材料は、合計で、インクの総重量に基づいて、最大で約60質量%、最大で約50質量%、最大で約40質量%、最大で約30質量%、又は最大で約20質量%の量でインク中に存在する。幾つかの事例では、本明細書に記載されるインクは、該インクの総重量に基づいて、約10〜60質量%の硬化性オリゴマー材料を含む。幾つかの実施形態では、インクは、該インクの総重量に基づいて、約10〜50質量%、10〜40質量%、10〜30質量%、10〜20質量%、15〜40質量%、15〜30質量%、20〜60質量%、20〜50質量%、20〜40質量%、30〜60質量%、30〜50質量%、又は40〜60質量%の硬化性オリゴマー材料を含む。
加えて、本明細書に記載されるインク中の硬化性オリゴマー材料の硬化性モノマー材料に対する比は、本明細書でさらに説明するように、圧電式プリントヘッドを使用してインクを分配する3Dプリンティングシステム、又は光造形3Dプリンティングシステムなどの所望の3Dプリンティングシステムにおける使用に適した粘度を有するインクを提供するように選択されうることが理解されるべきである。
本明細書に記載されるインクはまた、自己硬化性感光性オリゴマーも含む。本明細書に記載されるインクの自己硬化性感光性オリゴマーは、インクの硬化性オリゴマー材料とは異なること、及び、この2つの構成成分は、インクの異なる構成成分であることが理解されるべきである。本開示の目的と矛盾しない任意の自己硬化性感光性オリゴマーを、本明細書に記載されるインクに使用することができる。加えて、このような「オリゴマー」は、複数の繰り返し単位から形成されても形成されなくてもよい。代わりに、上述したように、「オリゴマー」は、400超、500超、又は700超の分子量を有する種など、比較的高分子量の種でありうることが理解されるべきである。幾つかの事例では、本明細書に記載されるインクの自己硬化性感光性オリゴマーは、約400〜10,000、約400〜5000、約400〜2000、約400〜1000、約500〜10,000、約500〜5000、約500〜2000、約500〜1000、約700〜2000、又は約700〜1500の重量平均分子量を有する。
さらには、「自己硬化性」の感光性オリゴマーは、1つ以上の硬化性部分を含むことが理解されるべきである。自己硬化性オリゴマーの「硬化性部分」には、ここでは参照の目的で、モノマー及びオリゴマーの硬化性材料についての上述の方式のものを含めた、インクのモノマー及びオリゴマーの硬化性材料の重合可能な部分と重合、硬化、又は反応することができる部分が含まれる。例えば、幾つかの実施形態では、自己硬化性感光性オリゴマーは、1つ以上の(メタ)アクリレート部分など、1つ以上のエチレン性不飽和部分を含む。
加えて、「感光性」の自己硬化性オリゴマーは、特定の波長の光又は電磁放射線を含めた、光又は電磁放射線の存在に応答して、重合又は硬化されうることもさらに理解されるべきである。例えば、幾つかの事例では、自己硬化性感光性オリゴマーは、320〜380nm、340〜370nm、又は350〜360nmの波長を有するUV光など、UV光に曝露されたときに重合又は硬化する。よって、このような事例では、自己硬化性感光性オリゴマーは、上記波長の範囲における、インクの光開始剤でありうる。さらには、幾つかの実施形態では、本明細書に記載されるインクの自己硬化性感光性オリゴマーは、300nm未満の平均又はピーク波長を有する光に曝露されたときに、重合又は硬化しない、若しくは実質的に重合又は硬化しない。特定の波長を有する光に曝露されたときに「実質的に」重合又は硬化しない自己硬化性感光性オリゴマーは、幾つかの事例では、最長で10秒間、最長で5秒間、又は最長で1秒間、光に曝露されたときに、10%未満、5%未満、又は1%未満の重合しか受けない。よって、このような事例では、自己硬化性感光性光開始剤は、300nm未満の硬化波長におけるインクの光開始剤ではない。
さらには、幾つかの事例では、本明細書に記載されるインクの自己硬化性感光性オリゴマーは、フリーラジカル種を生成するような方式で、UV光などの開始光(initiating light)への曝露によって除去、開裂、及び/又はその他の方法で変換することができる、1つ以上の部分又は化学結合を含む。このような部分は、ここでは参照の目的で、「感光性」又は「不安定な(labile)」部分と称されうる。さらには、このような不安定な部分から生成されるこのようなフリーラジカル種は、自己硬化性感光性オリゴマーの重合又は硬化のため、及び/又は、インクのモノマー及び/又はオリゴマーの硬化性材料の重合又は硬化のための光開始剤としての役目を果たすことができる。
幾つかの実施形態では、本明細書に記載される自己硬化性感光性オリゴマーは、1つ以上の不安定な部分を有する、単官能性又は多官能性(メタ)アクリレートオリゴマーを含む。1つ以上の不安定な部分は、幾つかの事例では、アリールケトンなどのケトン部分、又はアルキルアリールケトン部分を含む。さらには、幾つかの事例では、オリゴマーの不安定な部分及びオリゴマーの(メタ)アクリレート部分は、オリゴマーの対向する両端部に位置する。例えば、幾つかの実施形態では、不安定な部分及び(メタ)アクリレート部分は、α,ωの空間的関係を有する。加えて、幾つかの事例では、不安定な部分及び(メタ)アクリレート部分は、置換又は非置換、及び/又は、分岐状又は直線状でありうる、C6〜C30、C6〜C20、又はC10〜C20のアルキル又はアリール部分を含む疎水性部分など、疎水性部分によって分離される。Cn部分は、「n」個の炭素原子を有する部分であることが理解されるべきである。幾つかの事例では、自己硬化性感光性オリゴマーは、ウレタン(メタ)アクリレートの第1の末端又は終端に1つ以上の不安定な部分と、ウレタン(メタ)アクリレートの第2の末端又は終端に1つ以上の(メタ)アクリレート部分とを含む、ウレタン(メタ)アクリレートを含む。幾つかの実施形態では、自己硬化性感光性オリゴマーは、Narayan−Sarathyらに対する米国特許出願公開第2005/0261391号明細書、又はNarayan−Sarathyらに対する米国特許第7,504,441号明細書に記載される、放射線硬化型のオーバープリントワニスを含む。本明細書に記載されるインクの幾つかの実施形態における使用に適した自己硬化性感光性オリゴマーのさらなる非限定的な例としては、ASHLAND社のFLEXCURE樹脂(FLEXCURE OPV120、OPV130、及びOPV140など)及びEBERCRYL社のLEO材料(LEO10101及びLEO10102など)が挙げられる。
本明細書に記載される自己硬化性感光性オリゴマーは、本開示の目的と矛盾しない任意の量で、インク中に存在しうる。幾つかの事例では、例えば、自己硬化性感光性オリゴマーは、インクの総重量に基づいて、最大で約40質量%、最大で約35質量%、最大で約30質量%、又は最大で約20質量%の量でインク中に存在する。幾つかの実施形態では、自己硬化性感光性オリゴマーは、インクの総重量に基づいて、約10〜40質量%、10〜35質量%、10〜30質量%、15〜35質量%、15〜30質量%、20〜40質量%、又は20〜35質量%の量で、インク中に存在する。
本明細書に記載されるインクはまた、着色剤も含みうる。本明細書に記載されるインクの着色剤は、微粒子顔料などの微粒子着色剤、又は分子染料などの分子着色剤でありうる。本開示の目的と矛盾しない、このような任意の微粒子又は分子着色剤を使用することができる。幾つかの事例では、例えば、インクの着色剤は、TiO及び/又はZnOなどの無機顔料を含む。幾つかの実施形態では、インクの着色剤は、RGB、sRGB、CMY、CMYK、L*a*b*、又はPantone(登録商標)カラー化スキームに使用するための着色剤を含む。幾つかの事例では、本明細書に記載されるインクの1つ以上の着色剤は、白色を呈する。他の事例では、着色剤は黒色を呈する。本明細書に記載される幾つかの実施形態における使用に適した着色剤の幾つかの非限定的な例としては、SUN UVDJ107、SUN UVDJ150、SUN UVDJ322、SUN UVDJ350、SUN UVDJ354、RJA D3010−FX−Y150、RJA D3410−FX−Y150、RJA D3410−FX−K、PENN COLOR9B898、及びPENN COLOR9B989が挙げられる。さらには、幾つかの事例では、本明細書に記載される微粒子着色剤は、約5μm未満、又は約1μm未満の平均粒径を有する。幾つかの事例では、本明細書に記載される微粒子着色剤は、約400nm未満、約300nm未満、約250nm未満、約200nm未満、又は約150nm未満の平均粒径など、約500nm未満の平均粒径を有する。幾つかの事例では、微粒子着色剤は、約50〜5000nm、約50〜1000nm、又は約50〜500nmの平均粒径を有する。
着色剤は、本明細書に記載されるインク中に、本開示の目的と矛盾しない任意の量で存在しうる。幾つかの事例では、着色剤は、インクの総重量に基づいて、最大で約2質量%まで量、又は約0.005〜2質量%、0.01〜2質量%、0.01〜1.5質量%、0.01〜1質量%、0.01〜0.5質量%、0.1〜2質量%、0.1〜1質量%、0.1〜0.5質量%、又は0.5〜1.5質量%の量で、インク中に存在する。
さらには、本明細書に記載されるインクは、幾つかの実施形態では、1つ以上の他の添加剤をさらに含む。幾つかの事例では、例えば、本明細書に記載されるインクは、1つ以上の重合抑制剤及び/又は安定剤をさらに含む。重合抑制剤は、組成物にさらなる熱安定性をもたらすために、インクに添加されうる。本開示の目的と矛盾しない任意の重合抑制剤を使用することができる。さらには、重合抑制剤は、重合の速度を遅らせる又は低下させることができる、及び/又は、ある期間、又は重合抑制剤が消費されるまでの「誘導時間」の間、重合が発生するのを防ぐことができる。さらに、幾つかの事例では、本明細書に記載される重合抑制剤は、「付加型」の抑制剤である。本明細書に記載される抑制剤はまた、「連鎖移動型」の抑制剤であってもよい。幾つかの事例では、適切な重合抑制剤は、メトキシヒドロキノン(MEHQ)を含む。
安定剤は、幾つかの実施形態では、1つ以上の抗酸化剤を含む。安定剤は、本開示の目的と矛盾しない任意の抗酸化剤を含みうる。幾つかの事例では、適切な抗酸化剤としては、本明細書に記載される幾つかの実施形態において重合抑制剤としても使用可能な、ブチル化ヒドロキシトルエン(BHT)を含めた、さまざまなアリール化合物が挙げられる。より一般的には、単一の種が、安定剤と重合抑制剤の両方の役割を果たすことができる。幾つかの事例では、異なる抑制剤及び/又は安定剤が、異なる効果をもたらす、及び/又は、相乗的に作用する、複数の抑制剤及び/又は安定剤を使用することも可能である。
重合抑制剤及び/又は安定剤は、本開示の目的と矛盾しない任意の量で、インク中に存在しうる。幾つかの実施形態では、重合抑制剤は、約0.01質量%〜約2質量%、又は約0.05質量%〜約1質量%の範囲の量で存在する。同様に、幾つかの事例では、安定剤は、インクの総重量に基づいて、約0.1質量%〜約5質量%、約0.5質量%〜約4質量%、又は約1質量%〜約3質量%の範囲の量で、インク中に存在する。
加えて、幾つかの事例では、本明細書に記載されるインクは、該インク中に含まれない、又はほんの少量しか含まれない成分によってさらに特徴付けることができる。例えば、幾つかの実施形態では、本明細書に記載されるインクは、非硬化性光開始剤を含まない、又は実質的に含まない。本明細書で用いられる場合、非硬化性光開始剤を「実質的に」含まないインク、又は非硬化性光開始剤が「実質的に」除外されているインクは、該インクの総重量に基づいて、約1質量%未満、約0.5質量%未満、約0.1質量%未満、約0.07質量%未満、約0.05質量%未満、又は約0.01質量%未満の非硬化性光開始剤を含みうる。よって、幾つかの事例では、本明細書に記載されるインクは、該インクの総重量に基づいて、0〜0.5質量%、0〜0.1質量%、0〜0.07質量%、0〜0.05質量%、又は0〜0.01質量%の非硬化性光開始剤を含む。さらには、「非硬化性」の光開始剤は、本明細書で用いられる場合、エチレン性不飽和部分など、インクの硬化性材料と重合又は硬化可能な部分を含まない、任意の光開始剤を含みうる。例えば、幾つかの事例では、非硬化性光開始剤は、(メタ)アクリレート部分を含まない。
幾つかの実施形態では、このような除外される又は実質的に除外される非硬化性光開始剤としては、約250nm〜約400nm、又は約300nm〜約385nmの光を吸収して、フリーラジカルを生成するように動作可能な、アルファ開裂型(単分子分解過程)光開始剤又は水素引き抜き型光増感剤−第三級アミン相乗剤が挙げられる。アルファ開裂型の光開始剤の例は、Irgacure184(CAS947−19−3)、Irgacure369(CAS119313−12−1)、及びIrgacure819(CAS162881−26−7)である。光増感剤−アミンの組合せの例は、ジエチルアミノエチルメタクリレートと共に用いるDarocur BP(CAS119−61−9)である。
加えて、幾つかの事例では、本明細書に記載されるインクから除外される又は実質的に除外される非硬化性光開始剤としては、ベンゾイン、ベンゾインメチルエーテル、ベンゾインエチルエーテル及びベンゾインイソプロピルエーテルなどのベンゾインエーテル類、ベンゾインイソプロピフェニルエーテル及び酢酸ベンゾインを含むベンゾイン類;アセトフェノン、2,2−ジメトキシアセトフェノン及び1,1−ジクロロアセトフェノンを含むアセトフェノン類;ベンジル;ベンジルジメチルケタール及びベンジルジエチルケタールなどのベンジルケタール類;2−メチルアントラキノン、2−エチルアントラキノン、2−tert−ブチルアントラキノン、1−クロロアントラキノン及び2−アミルアントラキノンなどのアントラキノン類;トリフェニルホスフィン;2,4,6−トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド(ルシリンTPO)などのベンゾイルホスフィンオキシド類;ベンゾフェノン及び4,4’−ビス(N,N’−ジメチルアミノ)ベンゾフェノンなどのベンゾフェノン類;チオキサントン類及びキサントン類;アクリジン誘導体、フェナジン誘導体、キノキサリン誘導体又は1−フェニル−1,2−プロパンジオン、2−O−ベンゾイルオキシム、1−アミノフェニルケトン類;若しくは、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、フェニル1−ヒドロキシイソプロピルケトン及び4−イソプロピルフェニル1−ヒドロキシイソプロピルケトンなどの1−ヒドロキシフェニルケトン類が挙げられる。
除外される又は実質的に除外される非硬化性光開始剤はまた、アセトフェノン類、2,2−ジアルコキシベンゾフェノン類、並びに、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン又は2−ヒドロキシイソプロピルフェニルケトン(すなわち、2−ヒドロキシ−2,2−ジメチルアセトフェノン)などの1−ヒドロキシフェニルケトン類を含む、HeCdレーザ放射源と共に使用するように動作可能な光開始剤も含む。加えて、幾つかの事例では、除外される又は実質的に除外される光開始剤は、ベンジルジメチルケタールなどのベンジルケタールを含む、Arレーザ放射源と共に使用するように動作可能な光開始剤を含む。幾つかの実施形態では、除外される又は実質的に除外される光開始剤としては、α−ヒドロキシフェニルケトン、ベンジルジメチルケタール又は2,4,6−トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド又はそれらの混合物が挙げられる。
本明細書に記載されるインクから除外又は実質的に除外されうる非硬化性光開始剤の別の種類として、化学線を吸収し、重合開始のためのフリーラジカルを生成することができるイオン性染料−対イオン化合物が挙げられる。幾つかのイオン性染料−対イオン化合物及びそれらの動作モードは、欧州特許出願公開第0223587号、並びに、米国特許第4,751,102号;同第4,772,530号;及び、同第4,772,541号の各明細書に開示されている。
同様に、幾つかの実施形態では、本明細書に記載されるインクは、1つ以上の増感剤を含まない、又は実質的に含まない。概して、増感剤は、存在しうる1つ以上の光開始剤の有効性を高めるために、インクに加えることができる。本明細書で用いられる場合、増感剤を「実質的に」含まない、あるいは、増感剤が「実質的に」除外されている、本明細書に記載されるインクは、該インクの総重量に基づいて、約0.5質量%未満、約0.1質量%未満、約0.07質量%未満、約0.05質量%未満、又は約0.01質量%未満の増感剤を含みうる。幾つかの事例では、除外される又は実質的に除外される増感剤には、イソプロピルチオキサントン(ITX)又は2−クロロチオキサントン(CTX)が含まれる。
加えて、幾つかの実施形態では、本明細書に記載されるインクは、非硬化性光開始剤及び/又は増感剤を含まない、又は実質的に含まないことに加えて、より一般的には、非硬化性の成分を含まない、又は実質的に含まない。存在しうる非硬化性の着色剤、重合抑制剤、又は安定剤を除いて、本明細書に記載されるインクは、幾つかの事例では、インクの総重量に基づいて、約1質量%未満、約0.5質量%未満、又は約0.1質量%未満の非硬化性の成分を含む。
例えば、幾つかの実施形態では、本明細書に記載されるインクは、非硬化性の粘度改質剤を含まない、又は実質的に含まない場合があり、ここで、「非硬化性」の粘度改質剤は、インクの硬化性材料で重合又は硬化可能な部分を含まない、又は実質的に含まない。幾つかの事例では、例えば、非硬化性の粘度改質剤は、(メタ)アクリレート部分などのエチレン性不飽和部分を含まない、又は実質的に含まない。本明細書で用いられる場合、ある部分を「実質的に」含まない粘度改質剤は、該粘度改質剤の総量に基づいて、該部分を約10モル%未満又は約5モル%未満で含みうる。同様に、本明細書で用いられる場合、非硬化性の粘度改質剤を「実質的に」含まないインクは、該インクの総重量に基づいて、約5質量%未満、約3質量%未満、約1質量%未満、約0.5質量%未満、又は約0.1質量%未満の非硬化性の粘度改質剤を含みうる。本明細書に記載されるインクから除外又は実質的に除外されうる非硬化性の粘度改質剤の非限定的な例としては、単一の飽和脂肪酸、又は複数の飽和脂肪酸の組合せ、若しくは、植物油などの油が挙げられる。
本明細書に記載されるインクは、さまざまな望ましい特性を示すことができる。例えば、本明細書に記載されるインクは、本開示の目的と矛盾しない、任意の凝固点、融点、及び/又は他の相転移温度を有しうる。幾つかの事例では、インクは、相変化インクと共に使用するように設計された3Dプリンティングシステムを含む、幾つかの3Dプリンティングシステムに用いられる温度と一致する凝固点及び融点を有する。幾つかの実施形態では、インクの凝固点は約40℃を超える。幾つかの事例では、例えば、インクは、約45℃〜約55℃、又は約50℃〜約80℃の範囲の温度を中心とする凝固点を有する。幾つかの事例では、インクは、約40℃未満、又は約30℃未満の凝固点を有する。
さらには、本明細書に記載される幾つかの実施形態では、インクは、シャープな凝固点又は他の相転移を示す。幾つかの事例では、例えば、インクは、約1〜10℃、約1〜8℃、又は約1〜5℃の範囲など、狭い温度範囲で凝固する。幾つかの実施形態では、シャープな凝固点を有するインクは、X±2.5℃の範囲の温度で凝固し、ここで、Xは、凝固点の中心となる温度(例えば、X=65℃)である。
加えて、本明細書に記載されるインクは、幾つかの事例では、幾つかの3Dプリンティングシステムにおいて経験する噴射温度において流体である。さらには、幾つかの実施形態では、インクは、3次元的にプリントされた物品又は物体の製作中に、ひとたび表面に堆積されると、凝固する。あるいは、他の事例では、インクは、表面に堆積される際に、実質的に流体のまま保持される。インクの凝固は、幾つかの実施形態では、インク又はインク成分の相変化を通じて生じる。相変化は、液体から固体への相変化、又は液体から半固体への相変化を含みうる。さらには、幾つかの事例では、インクの凝固は、低粘度状態から高粘度状態への粘度の増加など、インクの粘度の増加を含む。インクの凝固はまた、インクの硬化に起因して生じてもよい。
加えて、幾つかの実施形態では、本明細書に記載されるインクは、未硬化時に、マルチジェットモデリング又は光造形システムなど、1つ以上の3Dプリンティングシステムの要件及びパラメータと一致する粘度プロファイルを有する。幾つかの事例では、例えば、本明細書に記載されるインクは、ASTM規格D2983に準拠して測定して(例えば、BrookfieldモデルDV−II+粘度計を使用)、約80℃の温度など、本システムの噴射温度において、約8.0cP〜約14.0cP、又は約9.0〜約14.0cPの範囲の動粘度を有する。幾つかの実施形態では、インクは、約80℃の温度で、約9.5〜12.5cP、又は約10.5〜12.5cPの動粘度を有する。幾つかの事例では、インクは、約85〜87℃の温度で、約8.0〜10.0cPの粘度を有する。幾つかの実施形態では、本明細書に記載されるインクは、ASTM D2983に準拠して測定して、約65℃の温度で、約8.0〜19.0cP、約8.0〜13.5cP、約11.0〜14.0cP、約11.5〜13.5cP、又は約12.0〜13.0cPの動粘度を有する。他の事例では、本明細書に記載されるインクは、未硬化時に、ASTM D2983に準拠して測定して、30℃で、約200〜2000cP、約200〜900cP、約300〜900cP、約300〜800cP、約400〜1000cP、約400〜900cP、約400〜800cP、約400〜600cP、約450〜550cP、約500〜700cP、約500〜600cP、又は約500〜550cPの動粘度を示す。幾つかの事例では、本明細書に記載されるインクは、未硬化時に、ASTM D2983に準拠して測定して、約100cP未満又は約1000cP超の動粘度を示す。
さらには、本明細書に記載されるインクは、幾つかの実施形態では、1つ以上の望ましい特徴の組合せを示しうる。幾つかの事例では、例えば、未硬化状態のインクは、以下の特性の1つ以上を有する:
1.約30℃未満、約25℃未満、又は約15℃未満の凝固点;
2.70〜95℃で約9〜14cP、又は25〜35℃で約400〜1000cPの粘度;及び
3.室温(25℃)で少なくとも6カ月の熱安定性。
上述したように、粘度は、ASTM D2983に準拠して測定することができる(例えば、BrookfieldモデルDV−II+粘度計を使用)。加えて、ここでは参照の目的で、「熱的に安定」な材料は、期間の始めと終わりに、特定の温度(例えば、室温)で測定した場合に、特定の期間(例えば3日間)にわたって約35パーセント以下の粘度変化を示す。幾つかの実施形態では、粘度変化は、より大きい粘度値に基づいて、約30パーセント以下、又は約20パーセント以下である。幾つかの事例では、粘度変化は、約10パーセント〜約20パーセント、又は約25パーセント〜約30パーセントである。さらには、幾つかの実施形態では、粘度の変化は粘度の増加である。
本明細書に記載されるインクはまた、硬化した状態において、上述のものに加えて、さまざまな望ましい特性も示すことができる。「硬化」した状態のインクは、本明細書で用いられる場合、少なくとも部分的に重合及び/又は架橋されている、硬化性材料又は重合性成分を含むインクを含む。例えば、幾つかの事例では、硬化したインクは、少なくとも約10%が重合又は架橋されている、あるいは少なくとも約30%が重合又は架橋されている。幾つかの実施形態では、硬化したインクは、少なくとも約50%、少なくとも約70%、少なくとも約80%、又は少なくとも約90%が、重合又は架橋されている。幾つかの事例では、硬化したインクは、約10%〜約99%が重合又は架橋されている。
幾つかの事例では、本明細書に記載されるインクは、硬化時に、ASTM D638に準拠して測定して、約10〜30%、約10〜40%、約10〜20%、又は約15〜30%の破断伸びを有する。さらには、本明細書に記載される硬化されたインクは、幾つかの事例では、ASTM D638に準拠して測定して、約3500〜7000psi、又は約4000〜6000psiの引張強度を有しうる。加えて、本明細書に記載される硬化したインクは、幾つかの実施形態では、ASTM D638に準拠して測定して、約100〜400ksi、又は約150〜300ksiの引張弾性率を有しうる。
本明細書に記載されるインクはまた、高い生体適合性及び/又は低い細胞毒性も示しうる。例えば、幾つかの事例では、本明細書に記載されるインクが、硬化時に、後述するように、ANSI/AAMI/ISO10993−5:2009に準拠して測定して、2未満の細胞毒性グレードを示す。幾つかの実施形態では、本明細書に記載されるインクは、硬化時に、ANSI/AAMI/ISO10993−5:2009に準拠して測定して、0又は1の細胞毒性グレードを示す。
さらには、幾つかの事例では、本明細書に記載されるインクは、硬化時に、複数の前述の特性を示すことができる。例えば、幾つかの実施形態では、インクは、硬化時に、ASTM D638に準拠して測定して、約4000〜6000psiの引張強度;ASTM D638に準拠して測定して、約150〜300ksiの引張弾性率;ASTM D638に準拠して測定して、約10〜20%の破断伸び;及び、ANSI/AAMI/ISO10993−5:2009に準拠して測定して、0又は1の細胞毒性グレードを有する。
本明細書に記載されるインクは、本開示の目的と矛盾しない任意の方式で製造することができる。幾つかの実施形態では、例えば、本明細書に記載されるインクの調製方法は、インクの成分を混合する工程、混合物を溶融する工程、及び溶融混合物を濾過する工程を含む。混合物を溶融する工程は、幾つかの事例では、約75℃の温度で、又は約75℃〜約85℃の範囲の温度で行われる。幾つかの実施形態では、本明細書に記載されるインクは、該インクのすべての成分を反応容器内に入れる工程、及び、結果として得られる混合物を、攪拌しつつ、約75℃〜約85℃の範囲の温度へと加熱する工程によって製造される。加熱及び攪拌は、混合物が実質的に均質な溶融状態に達するまで継続される。概して、溶融混合物は、噴射又は押出、若しくは他のプリンティング法に干渉しうる大きい望ましくない粒子を除去するために、流動可能な状態で濾過されうる。濾過された混合物は、次に、周囲温度へと冷却され、3Dプリンティングシステムで使用する準備ができるまで保管されうる。
II.3D物品をプリントする方法
別の態様では、3D物品又は物体をプリントする方法が本明細書に記載される。本明細書に記載される3D物品又は物体をプリントする方法は、一層毎に本明細書に記載されるインクの複数の層から3D物品を形成する工程を含みうる。上記セクションIで述べた任意のインクを使用することができる。例えば、幾つかの事例では、インクは、該インクの総重量に基づいて、10〜60質量%の硬化性オリゴマー材料、30〜80質量%の硬化性モノマー材料、及び10〜35質量%の自己硬化性感光性オリゴマーを含む。さらには、幾つかの事例では、インクは、非硬化性光開始剤を含まない、又は実質的に含まない。さらには、インクの層は、コンピュータ可読フォーマットでの3D物品の画像に従って堆積させることができる。幾つかの実施形態では、インクは、予め選択されたコンピュータ支援設計(CAD)パラメータに従って堆積される。さらには、幾つかの事例では、本明細書に記載されるインクの1つ以上の層は、約10μm〜約100μm、約10μm〜約80μm、約10μm〜約50μm、約20μm〜約100μm、約20μm〜約80μm、又は約20μm〜約40μmの厚さを有する。他の厚さもまた可能である。
加えて、本明細書に記載される3D物品をプリントする方法は、所謂マルチジェットモデリング又は光造形3Dプリンティング法を含みうることが理解されるべきである。例えば、幾つかの事例では、3D物品をプリントするマルチジェット法は、3Dプリンティングシステムのビルドパッドなどの基材上に、流動状態の本明細書に記載されるインクの層を選択的に堆積させる工程を含む。加えて、幾つかの実施形態では、本明細書に記載される方法は、インクの層のうちの少なくとも1つを支持材で支持する工程をさらに含む。本開示の目的と矛盾しない任意の支持材を使用することができる。
本明細書に記載される方法はまた、インクの層を硬化させる工程も含む。例えば、幾つかの事例では、本明細書に記載される3D物品をプリントする方法は、インクを十分な波長及び強度の電磁放射線に供して該インクを硬化させる工程をさらに含み、ここで、該硬化工程は、インクの1つ以上の成分の1つ以上の重合可能な部分又は官能基を重合する工程を含みうる。幾つかの事例では、堆積されたインクの層は、インクの別の層又は隣接する層の堆積前に、硬化される。加えて、堆積されたインクの1つ以上の層を硬化する工程は、幾つかの実施形態では、UV光などの1つ以上の層を電磁放射線に曝露することによって行われる。さらには、幾つかの事例では、UV光は、320〜380nm、340〜370nm、又は350〜360nmの平均波長を有する。さらには、幾つかの事例では、UV光は、300nm未満の平均波長を有しない。
さらには、幾つかの実施形態では、予め選択された量の本明細書に記載されるインクは、適切な温度へと加熱され、適切なインクジェットプリンターの一又は複数のプリントヘッドを通じて噴射されて、プリントチャンバ内のプリントパッド上に層を形成する。幾つかの事例では、インクの各層は、予め選択されたCADパラメータに従って堆積される。インクの堆積に適したプリントヘッドは、幾つかの実施形態では、圧電式プリントヘッドである。本明細書に記載されるインク及び支持材の堆積に適したさらなるプリントヘッドは、さまざまなインクジェットプリンティング装置製造業者から市販されている。例えば、幾つかの事例では、Xerox、Hewlett Packard、又はRicohのプリントヘッドを使用することができる。
加えて、幾つかの実施形態では、本明細書に記載されるインクは、堆積の際に実質的に流体のままである。あるいは、他の事例では、インクは、堆積の際に相変化を示す、及び/又は、堆積の際に凝固する。さらには、幾つかの事例では、プリント環境の温度は、インクの噴射された液滴が受け面と接触すると凝固するように、制御することができる。他の実施形態では、インクの噴射された液滴は、受け面と接触しても凝固せず、実質的に流動状態のままである。加えて、幾つかの事例では、各層の堆積後、堆積された材料は、次の層の堆積前に、平坦化され、電磁放射線(例えばUV)で硬化される。任意選択的に、幾つかの層が平坦化及び硬化の前に堆積されてもよく、あるいは、複数の層を堆積及び硬化させた後に、続いて1つ以上の層が堆積され、次に硬化せずに平坦化されてもよい。平坦化は、分配される材料を平らにすることによって、材料の硬化前に1つ以上の層の厚さを修正して過剰の材料を除去し、プリンターの支持プラットフォーム上に均一で滑らかな露出面又は平坦な上向きの面を生成する。幾つかの実施形態では、平坦化は、1つ以上のプリンティング方向においては逆回転(counter-rotating)してよいが、1つ以上の他のプリンティング方向においては逆回転しない、ローラなどのワイパ装置を用いて達成される。幾つかの事例では、ワイパ装置は、ローラと、該ローラから過剰の材料を除去するワイパとを備えている。さらには、幾つかの事例では、ワイパ装置は加熱される。硬化前の本明細書に記載される噴射されたインクの堅さ(consistency)は、幾つかの実施形態では、望ましくは、その形状を保持するのに十分であるべきであり、平坦化装置から過度の粘性抵抗を被るべきではないことに留意すべきである。
さらには、支持材は、用いられる場合には、インクについて上述したものと一致する方式で堆積させることができる。支持材は、例えば、該支持材がインクの1つ以上の層に隣接する又はそれと連続するように、予め選択されたCADパラメータに従って堆積することができる。支持材の噴射された液滴は、幾つかの実施形態では、受け面と接触すると凝固又は固化する。幾つかの事例では、堆積された支持材もまた、平坦化に供される。
インク及び支持材の層状堆積は、3D物品が形成されるまで繰り返すことができる。幾つかの実施形態では、3D物品をプリントする方法は、インクから支持材を除去する工程をさらに含む。
光造形(SLA)を使用して、本明細書に記載されるインクから3D物品を形成することも可能である。例えば、幾つかの事例では、3D物品をプリントする方法は、容器内に本明細書に記載されるインクを流動状態で保持する工程、及び、容器内のインクにエネルギーを選択的に印加して、インクの流動層の少なくとも一部を凝固させ、それによって3D物品の断面を画成する凝固層を形成する工程を含む。加えて、本明細書に記載される方法は、インクの凝固層を上昇又は下降させて、容器内の流体インクの表面に、凝固していないインクの新しい又は第2の流動層を提供し、その後、再び、容器内のインクにエネルギーを選択的に印加して、インクの新しい又は第2の流動層の少なくとも一部を凝固させ、3D物品の第2の断面を画成する第2の凝固層を形成する工程をさらに含みうる。さらには、3D物品の第1及び第2の断面は、インクを凝固させるためにエネルギーを印加することによって、z方向(又は、上記上昇又は下降方向に対応するビルド方向)に、互いに結合又は接着させることができる。さらには、容器内のインクにエネルギーを選択的に印加する工程は、インクを硬化させるのに十分なエネルギーを有する、UV放射線などの電磁放射線を適用する工程を含みうる。幾つかの事例では、UV光は、320〜380nm、340〜370nm、又は350〜360nmの平均波長を有する。さらには、幾つかの実施形態では、UV光は、300nm未満の平均波長を有しない。幾つかの事例では、硬化放射線は、コンピュータ制御されたレーザ光線によってもたらされる。加えて、幾つかの事例では、インクの凝固層の上昇又は下降は、流体インクの容器内に配置されたエレベータプラットフォームを使用して行われる。本明細書に記載される方法はまた、エレベータプラットフォームを上昇又は下降させることによってもたらされた流体インクの新しい層を平坦化する工程も含む。このような平坦化は、幾つかの事例では、ワイパ又はローラによって行うことができる。
3D物品を提供するために、前述のプロセスを所望の回数だけ繰り返すことができることがさらに理解されるべきである。例えば、幾つかの事例では、このプロセスを「n」回繰り返すことができ、ここで、nは、最大で約100,000、最大で約50,000、最大で約10,000、最大で約5000、最大で約1000、又は最大で約500でありうる。よって、幾つかの実施形態では、本明細書に記載される3D物品をプリントする方法は、容器内のインクにエネルギーを選択的に印加して、インクのn番目の流動層の少なくとも一部を凝固させ、それによって3D物品のn番目の断面を画成するn番目の凝固層を形成する工程、インクのn番目の凝固層を上昇又は下降させて、容器内の流体インクの表面に、凝固していないインクの(n+1)番目の層を提供する工程、容器内のインクの(n+1)番目の層にエネルギーを選択的に印加して、インクの(n+1)番目の層の少なくとも一部を凝固させて、3D物品の(n+1)番目の断面を画成する(n+1)番目の凝固層を形成する工程、インクの(n+1)番目の凝固層を上昇又は下降させて、容器内の流体インクの表面に、凝固していないインクの(n+2)番目の層を提供する工程、並びに、上記工程を繰り返し続けて3D物品を形成する工程を含みうる。さらには、インクの層にエネルギーを選択的に印加する工程など、本明細書に記載される方法の1つ以上の工程は、コンピュータ可読フォーマットでの3D物品の画像に従って行うことができることが理解されるべきである。光造形を使用する3Dプリンティングの一般的な方法は、とりわけ、米国特許第5,904,889号及び同第6,558,606号の各明細書にさらに記載されている。
上述のプリンティング法を実施することによって、本明細書に記載されるインクから、高い特徴解像度を有するプリントされた3D物品を提供することができる。物品の「特徴解像度」とは、ここでは参照の目的で、物品の制御可能な物理的特徴の最小サイズでありうる。物品の特徴解像度は、マイクロメートル(μm)などの距離の単位、又は1インチあたりのドット数(dpi)の単位で記述することができる。当業者に理解されるように、より高い特徴解像度は、より高いdpi値に対応し、また、μm単位における、より短い距離に対応する。幾つかの事例では、本明細書に記載されるインクの堆積又は凝固によって形成される物品は、高温におけるものを含めて、約500μm以下、約200μm以下、約100μm以下、又は約50μm以下の特徴解像度を有しうる。幾つかの実施形態では、物品は、約50μm〜約500μm、約50μm〜約200μm、約50μm〜約100μm、又は約100μm〜約200μmの特徴解像度を有する。それに応じて、幾つかの事例では、本明細書に記載される物品は、少なくとも約100dpi、少なくとも約200dpi、少なくとも約250dpi、少なくとも約400dpi、又は少なくとも約500dpiの特徴解像度を有する。幾つかの事例では、物品の特徴解像度は、約100dpi〜約600dpi、約100dpi〜約250dpi、又は約200dpi〜約600dpiである。
III.プリントされた3D物品
別の態様では、プリントされた3D物品が本明細書に記載される。幾つかの実施形態では、プリントされた3D物品は、本明細書に記載されるインクから形成される。上記セクションIに記載される任意のインクを使用することができる。例えば、幾つかの事例では、インクは、該インクの総重量に基づいて、10〜60質量%の硬化性オリゴマー材料、30〜80質量%の硬化性モノマー材料、及び10〜35質量%の自己硬化性感光性オリゴマーを含む。さらには、幾つかの事例では、インクは、非硬化性光開始剤を含まない、又は実質的に含まない。本明細書でさらに説明するように、このようなインクから形成されるプリントされた3D物品は、硬化時に、高い生体適合性及び/又は低い細胞毒性を示すことができる。例えば、このようなプリントされた3D物品は、後述するように、ANSI/AAMI/ISO10993−5:2009に準拠して測定して、0又は1の細胞毒性グレードを示しうる。よって、本明細書に記載されるプリントされた3D物品は、幾つかの事例では、さまざまな生体用、食品、及び/又は消費者向けの用途に使用することができる。
本明細書に記載される幾つかの実施形態は、以下の非限定的な実施例に、さらに例証される。
本明細書に記載される幾つかの実施形態に従うインクを以下のように調製した。詳細には、さまざまなインクを調製するために、表Iの構成成分を反応容器内で混合した。表Iの数量は、インクの総重量に基づいて、特定されたインクの各構成成分の質量%を表している。各インクについて、適切な混合物を、攪拌しつつ、約75〜85℃の温度へと加熱した。混合物が実質的に均質化した溶融状態に達するまで、加熱及び攪拌を続けた。次いで、溶融混合物を濾過した。次に、ろ過された混合物を周囲温度まで放冷した。
インク1については、硬化性モノマー材料(表Iの「硬化性モノマー材料」)は、SR272、IBOA、及びSR833Sの混合物であった。インク2については、硬化性モノマー材料は、SR272、SR506、SR833S、SR349、及びSR399LVの混合物であった。すべてのインクについての硬化性オリゴマー材料(表Iの「硬化性オリゴマー材料」)は、BR741であった。すべてのインクについての自己硬化性感光性オリゴマー(表Iの「自己硬化性オリゴマー」)は、LEO10101であった。安定剤(表Iの「安定剤」)は、すべてのインクについて、BHTであった。
インク1のさまざまな機械的/物理的特性を、表IIに提供する。表IIの伸長、引張強度、及び引張弾性率の値は、ASTM D638に準拠して測定した。ドッグボーン試験片は、MJM 3Dプリンティングシステムを使用して形成した。硬化は、PHOSEON FE300UV光源(365nm、8V)を使用して行った。
インク1及びインク2(及び、それらから形成されたプリントされた物品)の生体適合性を、ANSI/AAMI/ISO10993−5:2009に準拠して評価した。詳細には、細胞毒性/溶出試験/MEM抽出評価を、MJM 3Dプリンティングシステム(インク1)又はSLA 3Dプリンティングシステム(インク2)を使用して形成された、四角形の硬化したプリント物品からなる試験物品に対して行った。
細胞培養物の調製:L−929(ATCC細胞株CCL1、NCTCクローン929)マウス線維芽細胞の複数の培養物を、5%血清を補充した細胞培養培地を使用して調製し、5±1%のCOを伴う加湿インキュベータ内において37±1℃でインキュベートした。80%超のコンフルエンスを有する細胞単層を形成させるために、抽出培地を適用する前に、細胞培養物を24〜48時間、播種した(plated)。
試験物品の調製及び抽出:各試験物品を小片へと切断し、滅菌ガラス容器内に置いた。抽出培地を加え、各試験物品を完全に浸漬させた。対照物品も同様の方法で調製した。抽出前、溶液は透明であり、微粒子を含んでいないように見えた。試験物品及び対応する対照溶液を、37±1℃で24±2時間インキュベートし、撹拌しつつ抽出した。詳細には、一片の試験物品を、各試験の抽出に使用した。インク1の試料では、一片の全表面積が121.5cmであった。抽出比は60cm/20mLであり(物品の厚さは0.05cm以上であった)、40.5mLの全抽出体積を得た。インク2の試料では、一片の全表面積は57.7cmであった。抽出比は60cm/20mLであり(物品の厚さは0.05cm以上であった)、19.2mLの全抽出体積を得た。抽出培地は最小必須培地(MEM)であった。MEMは、5%の血清を補充した細胞培養培地であり、アール塩を含む、93%の1倍濃度(Single Strength)の最小必須培地(1XMEM)、5%のウマ血清、1%の10,000単位/mLペニシリン−ストレプトマイシン、及び1%の250μg/mLファンギゾン(可溶化アムホテリシンB)で構成されていた。
陽性、陰性、及び試薬対照を調製し、同様の方法で抽出した。インク1及びインク2の両方の陽性対照について、一片の全表面積は28.5cmであった。抽出比は60cm/20mLであり、9.5mLの全抽出体積を得た。インク1の陰性対照では、一片の全表面積は34.6cmであった。インク2の陰性対照では、一片の全表面積は33.3cmであった。抽出比は60cm/20mLであり、11.5mL(インク1)及び11.1mL(インク2)の全抽出体積を得た。インク1及びインク2の両方の試薬対照については、全抽出体積は20mLであった。
試験手順:24±2時間の抽出期間後、各抽出溶媒を目視検査した。色又は透明度の変化は観察されず、微粒子物質は存在していなかった。試験物品及び対照抽出物を、抽出プロセスの終了後、24時間以内に細胞に投与した。抽出物は、希釈せず、濾過せずに使用し、投与前には、いかなる方法でも操作しなかった。
各々がL−929マウス線維芽細胞(ATCC細胞株CCL1、NCTCクローン929)の単層を含む、3つの10cmウェルから増殖培地をデカンテーションし、2mLの1×ダルベッコPBSに交換して、デブリを洗い流した。次に、PBSをデカンテーションし、2mLの試験物品抽出物と交換した。対照抽出物を、試験物品抽出物と同様の方法で投与した。すべての細胞培養物を、5±1%のCOを伴う加湿インキュベータ内で37±1℃で48±2時間、インキュベートした。
すべての培養ウェル内の細胞を、用量投与後、最低24時間及び48±2時間の後に、倍率×100の倒立光学顕微鏡下で観察した。
結果:「採点」又は「等級付け」の目的で、細胞培養物の状態を、下記表IIIの基準に従って等級分けした。48時間の時点における3つの試験ウェルについての平均スコア又はグレードを使用して、細胞毒性応答を決定した。48時間の時点における対照についての平均スコアを使用して、結果を比較した。2(軽度の反応性)より高い数値グレードは、細胞毒性効果とみなされる。結果を下記表IVに提供する。下記表IVにおいて、陽性、陰性、及び試薬の結果は一度しか提示されていない。これらの結果は、インク1の実験とインク2の実験の両方について同じであった。加えて、すべての結果は3回で同じであった。
インク1の試料については、試験物品抽出物で処理した細胞は、24及び48時間でグレード0(反応性なし)の応答を示した。陰性及び試薬対照抽出物で処理した細胞は、各々、24時間及び48時間でグレード0(反応性なし)の応答を示した。陽性対照抽出物で処理した細胞は、24及び48時間でグレード4(激しい反応性)の応答を示した。試験システムが陽性及び陰性対照に対して予想通りに応答したことから、試験を有効とみなした。試験物品抽出物に曝露された細胞の定性的評価に基づいて、試験物品は、細胞毒性効果を有しない(反応性なし)とみなされた。
インク2の試料については、試験物品抽出物で処理した細胞は、24時間でグレード0(反応性なし)の応答、及び48時間でグレード1(僅かな反応性)の応答を示した。陰性及び試薬対照抽出物で処理した細胞は、各々、24時間及び48時間でグレード0(反応性なし)の応答を示した。陽性対照抽出物で処理した細胞は、24及び48時間でグレード4(激しい反応性)の応答を示した。試験システムが陽性及び陰性対照に対して予想通りに応答したことから、試験を有効とみなした。試験物品抽出物に曝露された細胞の定性的評価に基づいて、試験物品は、細胞毒性効果を有しない(僅かな反応性)とみなされた。
Figure 0006590449
Figure 0006590449
Figure 0006590449
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上記インク1及び2に加えて、下記表Vの量を使用する他のインクも提供される。表Vの量は、インクの総重量に基づいて、特定されるインクの各構成成分の質量%を表している。
Figure 0006590449
本明細書で言及されるすべての特許文献は、それらの全体がここに参照することによって本明細書に取り込まれる。本発明のさまざまな実施形態が、本発明のさまざまな目的の達成に関して説明されている。これらの実施形態は本発明の原理を単に例証していることが認識されるべきである。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、それらの数多くの修正及び適合は、当業者にとって容易に明らかになるであろう。

Claims (14)

  1. インクの総重量に基づいて、
    10〜60質量%の硬化性オリゴマー材料、
    30〜80質量%の硬化性モノマー材料、及び
    10〜35質量%の自己硬化性感光性オリゴマー
    を含む、3次元プリンティングシステムに使用するためのインクであって、
    前記自己硬化性感光性オリゴマーが、1つ以上の不安定な部分を含み、かつ
    前記インクが、硬化時に、ANSI/AAMI/ISO10993−5:2009に準拠して測定して、2未満の細胞毒性グレードを有する、
    インク。
  2. 前記硬化性オリゴマー材料が、インクの総重量に基づいて、10〜30質量%又は20〜35質量%の量で前記インク中に存在することを特徴とする、請求項1に記載のインク。
  3. 前記硬化性オリゴマー材料が、ウレタン(メタ)アクリレートオリゴマー、ポリエステル(メタ)アクリレートオリゴマー、エポキシ(メタ)アクリレートオリゴマー、又はそれらの組合せを含むことを特徴とする、請求項1に記載のインク。
  4. 前記硬化性モノマー材料が、インクの総重量に基づいて、40〜70質量%の量で前記インク中に存在することを特徴とする、請求項1に記載のインク。
  5. 前記硬化性モノマー材料が、単官能(メタ)アクリレート、二官能(メタ)アクリレート、三官能(メタ)アクリレート、四官能(メタ)アクリレート、五官能(メタ)アクリレート、又はそれらの組合せを含むことを特徴とする、請求項1に記載のインク。
  6. 前記1つ以上の不安定な部分のうちの少なくとも1つがケトン部分であることを特徴とする、請求項1に記載のインク。
  7. 前記自己硬化性感光性オリゴマーが、340〜370nmにおける前記インクの光開始剤であることを特徴とする、請求項1に記載のインク。
  8. 前記自己硬化性感光性オリゴマーが、1つ以上のエチレン性不飽和部分を含むことを特徴とする、請求項1に記載のインク。
  9. 前記インクが、該インクの総重量に基づいて、
    0〜0.5質量%又は0〜0.01質量%の非硬化性光開始剤をさらに含む
    ことを特徴とする、請求項1に記載のインク。
  10. 前記自己硬化性感光性オリゴマーが、前記1つ以上の不安定な部分に加えて、1つ以上の(メタ)アクリレート部分を含むことを特徴とする、請求項1に記載のインク。
  11. 前記1つ以上の(メタ)アクリレート部分のうちの少なくとも1つ及び前記1つ以上の不安定な部分のうちの少なくとも1つが、前記自己硬化性感光性オリゴマーの対向する両端部にあることを特徴とする、請求項10に記載のインク。
  12. 着色剤、及び/又は、抑制剤及び安定剤からなる群より選択される1つ以上の添加剤をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載のインク。
  13. 3次元物品をプリントする方法であって、
    流動状態のインクの層を基材上に選択的に堆積させる工程
    を含み、
    前記インクが、請求項1〜12のいずれか一項に記載のインクを含む、
    方法。
  14. 3次元物品をプリントする方法であって、
    容器内にインクを流動状態で保持する工程、
    前記容器内の前記インクにエネルギーを選択的に印加して、前記インクの第1の流動層の少なくとも一部を凝固させ、それによって、前記物品の第1の断面を画成する第1の凝固層を形成する工程、
    前記第1の凝固層を上昇又は下降させて前記容器内の前記流体インクの表面に前記インクの第2の流動層を提供する工程、及び
    前記容器内の前記インクにエネルギーを選択的に印加して、前記インクの前記第2の流動層の少なくとも一部を凝固させ、前記物品の第2の断面を画成する第2の凝固層を形成する工程であって、前記第1の断面及び前記第2の断面が、z方向において互いに結合される、工程
    を含み、
    前記インクが、請求項1〜12のいずれか一項に記載のインクを含む、
    方法。
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