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2017年 10月 の投稿一覧

歯科材料シロップ重合とポリエチレンフィルム材料設計

観光地のお土産として景観・寺院・動物などミニチュアを透明樹脂で固化した文鎮や置物を子供のころ見た記憶がある。その時、どのようにして作るのか不思議だなぁとしか考えなかった。長じて樹脂業界にお世話になって成形といえば熱可塑性樹脂の射出、ブロー、押出・・・とひたすら汎用の成形及び材料の開発に従事してきた。

それが、歯科分野を知る機会が訪れたとき子供の頃の不思議さが氷解した。歯科業界の人には常識・旧聞・何が不思議？と思われるとあろうが、このブログ読者の中には小生と同じ経験の人もおり、多分ヘエ～と同感するあろうから紹介する。

アクリル樹脂は光線透過率９２％以上の高透明樹脂である。自動車のテールランプはアクリル性であるのは、、後続車両の運転手が前走行車両のストップの赤を視認する時間が他の透明材料より短いからであると自動車ランプメーカーの技術者から聞いたことがある。自動車ランプメーカーでは視認時間コンマ何秒を競って商品開発をしていた。セイフティ機能の付いた現在のクルマでは笑い話になっているが、鮮鋭性とシークエンス方向指示搭載のクルマにとってアクリル樹脂は貴重な材料である。フロントのランプカバーはポリカーボネート樹脂であり、これは衝突時に破壊しにくいことが採用理由である。前述のお土産封止文鎮などに利用されるアクリルの分子量は１０万前後であるが、強度と耐久性が要求される歯科材料の分子量は１２０万～１５０万の超高分子量アクリル樹脂が基本となっている。非常に強度が高く、水族館のパネルにも利用されている程である。但し、これを溶融させても粘度が極めて高いので歯科の精密な型に入れては成形できない。そこで液体のアクリルモノマー（アクリルポリマーの出発原料）と混合すると、超高分子量アクリル樹脂は膨潤し、シロップ状態になって注型することができる。注型した後は加温してアクリルモノマーをラジカル重合させる仕組みである。後で重合したアクリルの分子量は低分子量なので、最終的には超高分子アクリルと低分子アクリルが組み合わされた材料となる。分子量分布をGPC（ゲルパーミヤカラム）法で測定すると見事に高分子量のピークと低分子量にピークを有するツインピークとなっている。この材料が長らく適用されてきたが、最近は中間の分子量のアクリル樹脂に強化材を複合したハイブリッドレジンなるものが出現している。こちらの分子量分布は１ピークである。

一方、１９８０年ごろポリエチレンメーカーが懸命に開発していた材料と成形法がある。ショッピングバッグやレジ袋に利用されている極薄フィルムである。薄肉にして強靱なフィルムは高強度の超高分子量のポリエチレンと、それだけではフィルム成形できないので、低分子量ポリエチレン半分からなる分子構造をしている。アクリル歯科材料と違ってシロップにはならないので、独自の技術開発をした。最終的には超高分子量による強靱性を確保しつつ成形が可能という点では類似している。分子量分布を測定するとツインピークとなっている。ポリエチレンの開発者と歯科材料の開発者が相互交流をしていれば、早期に新規材料開発ができたのではないかとも、今だから言える。

車の運転と健康管理

バスやタクシーの運転手さんが突然の体調変化により運転不能になり事故を起こす、又は乗客が懸命にハンドル操作をして寸でのところで回避した報道も目にする。また高速道路の逆走による多重衝突事故も相変わらず多い。前者は乗務時の運行管理者の事前チェックでは見つけられない事案である。また、後者の原因は認知症かスマホナビ不注意であるが、認知症は医者から本人に断定的な宣告をし難いこともあり運転可能・不可能のゾーンが曖昧になっていることにも一理ありそうだ。自動車のハンドルや椅子背もたれにセンサーを埋め込み脈拍数パターンなどを読み取り運転手の平時の状態からシフトして危険ゾーンに入るときには警告するか、通信コネクトを通じて管理できるシステムの開発が産総研を中心のコンソーシアムにて進んでいる。手始めに脳卒中、テンカン、認知症など疾病患者の生理検査データーとドライビングシュミレーター操作時の心拍数、ブレーキタイミング、ハンドル操作、視線などデーターの採取に着手し疾病独特のパターンを抽出しているとのこと。今後疾病種類を増やして実用化が数年後には実用化するとの報道もある。

つい最近不幸な事件が発生した。夜間の高速道路上でのトラブル。ある学者は高速道路の設計が悪いと指摘。それよりも頭に血が上り事の見境ができない運転者を何とかしないといけない。デンソーでは頭部の血流をモニタリングするシステムを開発、ドイツＺＦ社は一歩進んで血流が高くなると警告がでて、それでも従わないと安全なところまで自動運転して停車させるテストを実施している。道路をどう改良するか分からないので、こちらがスマートである。

自動車運転に限らず日頃の健康状態をモニタリングしてかかり付けのドクターに診察してもらう遠隔健康診断システムが来年からスタートする。精緻画面の双方向会話デバイスとしてタブレットで可能になったこと、政府の遠隔診療への後押しも大きい。現在、診断医療費の扱いを準備中とのことだが、これらのシステムが充実するとドクター、看護師の体力負担も軽減されることが期待される。血圧、血中酸素濃度、心拍数などはデバイスを装着する必要があるが、東北大学を中心とする研究グループでは毎日洗面台の鏡の前に立つだけで体調変化を読み取る試みがある。確かに脳梗塞などは顔面の微小な変化に現れるので有力な手法である。

歯科に関しては個人で唾液を採取して試験紙の上にドロップすると疾病毎に試験紙の色濃淡が変化する方式が開発されている。唾液で変色した試験片を歯科医に持参すると、虫歯、歯槽膿漏など口腔内情報が判定できる。どこまで普及するか面白い事業アイテムには違いない。

筆者は15年ほど前に20年後の次世代クルマコンセプトに係わったことがある。炭素繊維複合材による軽量化、ＥＶなどのメカの他にハンドル、背もたれからの信号取り出し健康診断機能を提案などに織り込んだ。現在のＩＯＴ時代になって実現化しつつあるのが何より嬉しい。

分子式

「この分子式の意味が分かりますか？」と質問されて正直うろたえたことがある。極端に言えば、肉２００ｇ、タマネギ半分、塩胡椒少々、オイルスプーン１杯の原料比率表現のレシピから一体何の料理になるのかを当てなさいと聞かれたに等しい。分子を構成している原子配置がどうなっていて、それが他の原子と結合しているのか、またその様式によって全く立体構造や機能が異なる。

中学、高校初期の化学はさして数学の知識を必要としない一種の「記憶科目」の性格があったが、本当のことを言えば非常に複雑なので、そこそこに納めるには分子式は便利だったのが実態ではなかろうかと思う。水の分子式　H2O 誰でも知っている。上述の料理レシピ原料比率と同じで水素２個、酸素１個と原子の種類と比を表現しているだけで形や機能までは読むことは困難である。

同じ水の分子式でありながら形や機能が異なる事例を紹介する。

血液の主成分は水であるが、血管との界面では液体でありながら氷の結晶のような規則正しい形態であり、その上にやや結晶が崩れた層を有する二重パイプ構造となっている。血管を保護する目的でこのような構造になっている。（九大 田中教授）パイプの中を流れる血液中の水とは分子式は同じでもこのように形と機能が違うのである。体外人工心臓装置の材料は樹脂であるが、樹脂と水の界面において水の構造が体内血管と同じになるように工夫された樹脂材料設計をしている

翻って冒頭の分子式は複数の元素と原子数の比は表現してある。これから機能を紐解くにはコンピューターケミストリーを駆動させると幾つかのありうる結合パターン、立体構造が与えられる。コンピューターケミストリーは医薬品合成や治験予測が代表的であるが、樹脂材料でも添加剤の効き目などが大雑把であるが選別できるようになっている。記憶科目と勝手に思い込んでいた化学が実はレベルの高い量子化学を少なくとも理解する必要がある科目だったのだ。

冒頭の質問をした人には、それよりはやや低いレベルでの回答で勘弁してもらったが、剛速球の質問は刺激的だった。商品を販売するにはカタログや技術資料などで得られる情報に加えて、自分が納得するには分子式から何が読み取れるのか理解した上で販売したいとの思いで質問されたと推察した。希有な経験をした。

合成紙

衆議院選挙である。公示日から街では選挙ポスターを目にすることになる。常在戦場とはいえ、今回の選挙ばかりはポスターの刷り直しなど悲喜こもごもと想像できる。選挙ポスターは色鮮やかで、文字や写真写りがよく、なにより風雨に強く破れない紙を必要としている。昭和の中期まではパルプからなる紙であったが、昭和４５年前後から「合成紙」の開発が進み、やがてポリプロピレン材料をベースとする合成紙が選挙ポスターに採用された。ポリプロピレンは水濡れや油汚れにも強い樹脂であるが、ポスターにとって肝心の印刷インクを弾いてしまう特徴がある。樹脂が水やアルコール、溶剤と親和性がどの程度あるのかの指標として溶解性パラメーターなるものがある。（分子の凝集エネルギーを基に算出される）。溶解性パレメーターの低いフッ素樹脂はフライパン表面コートなどに利用され、逆に高いものとして衛生商品に採用されている吸水性樹脂がある。ポリプロピレンやポリエチレンはフッ素樹脂に近いところに相溶性パラメーターがある。インクは水性インクでも油性インクでも相溶性パラメーターは高くポリプロピレンのそれと相当離れているので濡れが悪いこととなる。インクの相溶性パラメーターと近い樹脂としてポリスチレンを利用するか、ポリプロピレンのインク濡れを改良するか２つの方法が検討された。簡単に種明かしをすればポリプロピレン樹脂に粒径の細かい無機フィラーを配合してフィルムを成形し、ついでフィルムを延伸すると無機フィラーとポリプロピレンの境界にミクロボイドが生成する。このボイドにインクをトラップさせることで印刷が可能となった。合成紙は少なくとも表皮層／コア層／表皮層の３層からなっており、コア層は縦方向に延伸され、表皮層は縦・横に延伸されている。延伸することでボイドの生成の他に強度を上げる効果がでる。投票用紙も合成紙であるが鉛筆で書けるのも、このボイドを利用している。開票速度がアップしたのも合成紙が一役買っている。ポリプロピレンを延伸することで折り曲げに対して抵抗性が強くなるので、投票箱の中で半開き状態なるからである。

シャンプーボトルなどの水濡れ商品表示など多く利用されている。歯科技工では石膏練りシートにも採用されている。水濡れて練り作業でも皺にならない強度が利用されている。

フィルムを延伸するのではなく、紙ライクを成形する手法がもう一つある。高密度ポリエチレン樹脂を溶融し極細ノズルから吐き出した不織布を軽くプレスすることで紙ライクとなる。高密度ポリエチレンは樹脂の中では放射線遮蔽が高いことから、福島原発事故の防護服として頻繁に目にすることになった。ポリプロピレン合成紙、高密度ポリエチレン不織布は紙粉が出ないなどパルプ由来の紙と異なる特徴で医療分野に利用されて行くことが予想される。