JP2575170B2 - 球状ヒドロキシアパタイトの製造方法 - Google Patents

球状ヒドロキシアパタイトの製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は新規な球状ヒドロキシアパタイト(以下ヒド
ロキシアパタイトをHAPと言う。)の製造方法に関する
ものである。
[従来の技術及び問題点] HAPは、生体高分子、重金属イオンなどの吸着剤とし
て高い性能を有しており、タンパク質や酵素などの分離
のためのクロマトグラフィー用カラム充填材として有用
視されている。
従来HAPを合成する方法に関しては、多くの方法が知
られているが、以下の三つの方法に大別することが出来
る。
(1)固体間反応によってHAPを合成する乾式合成法。
(2)高温高圧の水溶液中でHAPの単結晶を合成する水
熱合成法。
(3)水溶液中でカルシウムイオンとリン酸イオンを反
応させ、HAPの沈澱を得る湿式合成法。
しかしながら、これらの合成法で得られたHAP粒子
は、粒子径が小さく目詰まりを起こしやすいこと、不定
形であるためかさ密度が小さく、そのため充填密度が上
がらず、分離能が低いことなどが問題点であった。
そこで近年これらの問題点を解決するために、クロマ
トグラフィー用カラム充填材として球状HAPが用いられ
るようになってきた。これは、HAPを球状化することに
よって充填密度を向上させることがその狙いである。
この球状HAPの合成法としては、以下に示す2つの方
法が知られている。
(1)HAPゲルを、噴霧乾燥機で造粒した後、400〜700
℃の温度で焼成し、球状HAPを得る方法。
(2)カルシウム塩とリン酸塩が溶解した溶液の噴霧熱
分解によって、球状HAPを得る方法。
しかしながら、これらの方法は噴霧された液滴からの
溶媒の蒸発量をコントロールするのが難しく、球状粒子
が得られる条件の範囲が非常に狭いこと、また得られた
球状HAPはサブミクロン程度の粒子径を持つ一次粒子の
集合体であり、粒子中に連続孔、及び独立気孔を多く含
んでいるため、粒子自体の強度が小さく、高圧で溶離液
を流すと、粒子がつぶれ、目詰まりを起こすという問題
点を有していた。
[問題点を解決するための手段] 本発明者らは、クロマトグラフィー用カラム充填材と
して使用した場合に、高い吸着性能を有しながら、高密
度での充填が可能で、且つ流体の通過における目詰まり
の発生が防止された球状HAPを開発すべく鋭意研究を重
ねた。
その結果、平均粒子径が0.1〜100μmで、特定の表面
粗度係数と粒子密度とを有する新規な球状HAPを得るこ
とに成功し、該球状HAPが、前記クロマトグラフィー用
カラム充填材における課題を全て達成し得ることを見い
だし、本発明を完成するに至った。
本発明による得られるHAPのうち、クロマトグラフィ
ー用カラム充填材などとして特に好適なものは、平均粒
子径0.1〜100μm、表面粗度係数Fsrが1≦Fsr≦5、粒
子密度2.8g/cm3以上である球状ヒドロキシアパタイトで
ある。
本明細書において、表面粗度係数Fsrとは、以下の式
によって定義される。
Fsr=S/Sw ここで、S(m2/g)は、粒子の比表面積であり、BET
法で測定される値である。また、Swは粒子が真球状であ
ると仮定したときの、粒度分布から計算される比表面積
であり、次式によって計算される。
ここで、diは測定された粒度分布の区分ごとの代表
径、ni、Wi、Viはそれぞれ代表径diで示される区間に存
在する粒子数、粒子の重量、粒子の体積である。すなわ
ち、Fsrは連続孔の存在に基づく粒子表面の荒さを示し
ており、Ssrが1に近いほど表面が平滑であることを示
す。
本明細書において、粒子密度とは粒子中の閉じた空孔
(独立気孔)を含めた密度であり、ピクノメーター法で
測定される。
本明細書において、球状とは、粒子の円形度が0.90以
上、好ましくは0.95以上の粒子を言う。かかる円形度
は、粉体の走査型電子顕微鏡写真を撮り、その写真の単
位視野内に観察されるn個の粒子について、輪郭の長さ
(Li)と、その粒子の写真上の面積と同じ面積を有する
円の周長(Mi)とを測定し、次式で算出される。円形度
が1.00に近いほど、粒子は真球に近いことを示す。
従来、平均粒子径が0.1〜100μmの球状HAPにおい
て、表面粗度係数Fsrが1≦Fsr≦5で且つ粒子密度が2.
8g/cm3以上の粒子は全く知られていない。即ち、従来よ
り知られている方法により得られる球状HAPは、平均粒
子径が上記範囲のものは存在するが、これらの球状HAP
は、前記したように製法上内部に連続孔や独立気孔を有
する。従って、かかる球状HAPは表面粗度係数Fsrが10以
上であったり、また粒子密度も2.8g/cm3未満となったり
する。
本発明によって得られる球状HAPは、球状であると共
に前記した特定の表面粗度係数及び粒子密度を有するた
め、クロマトグラフィー用カラム充填材として優れた性
能を発揮する。即ち、球状であるため、クロマトグラフ
ィー用カラム内に高充填が可能であると共に、前記した
特定の表面粗度係数及び粒子密度を有するため、流体の
通過による破損が極めて少なく、該粒子の破片によって
起こる目詰まりがなく、長期間安定して使用が可能であ
り、しかも吸着性能も高く、優れた分解能を示す。
本発明によって得られる球状HAPのカラム充填材が適
用可能なクロマトグラフィーは特に制限されないが、液
体クロマトグラフィーにおいて最も効果を発揮する。そ
のうち、タンパク質、酵素等の生体高分子の分析に特に
有効である。
本発明の方法は、Ca/P原子比が1.5〜1.8のリン酸カル
シウム粉末(以下、CP粉末という)を、分散状態で温度
1600℃以上の火炎と接触させる方法である。
一般に、HAPは1570℃付近でリン酸三カルシウムとリ
ン酸四カルシウムに分解することが知られている。(P.
V.Pibond,Ann.Chim.(Paris),,381(1973).参
照) これに対して、本発明の上記方法は、HAPを火炎中で
溶融する場合には、該火炎中の水蒸気により、HAPの分
解が極めて少ないという知見に基づきなされたもので従
来の常識からは全く予期されないものである。
即ち、本発明の方法によれば、火炎中に導入されたCP
粉末は、火炎中の水蒸気により分解が防止されながら、
その粒子の全体が溶融された後、表面張力によって球状
になる。溶融状態の粒子は球状の形状を維持したまま、
火炎中を通過し、冷却されて固化し、回収される。
本発明においてCP粉末を分散状態にするための気体と
しては、汎用の気体を特に制限なく用いることができる
が、好適に使用される気体は、空気、酸素、アルゴン等
である。粉末の分散には、CP粉末の粒子が気体中に浮遊
させる方法が特に制限なく実施される。また、CP粉末の
火炎中への導入にも公知の手段が限定されずに採用され
る。好ましい方法としては、気体とCP粉末の混合物を火
炎中に噴射する方法がある。
本発明において火炎は、温度が1600℃以上である可燃
性ガスの炎であればよい。火炎の形成手段として、可燃
性のガスを燃料とした多重管のバーナーの持つ火炎発生
装置が適している。即ち、該可燃性のガス、空気及びCP
粉末を多重管から同時に供給するようにした装置が好適
である。可燃性のガスとしては、公知の可燃性ガスが限
定されることなく用いられるが、メタン、プロパン、ブ
タン、アセチレン、水素等が好適である。特に、HAPの
分解を抑えるためには、火炎中の水蒸気分圧が高い水素
が好適に用いられる。
本発明において、火炎の温度は1600℃以上であれば限
定されない。1600℃以上の温度が必要な理由は、CP粉末
を溶融せしめるためである。好ましくは、1700〜3000℃
の火炎温度が好適に使用される。
また、CP粉末の火炎中での滞留時間は、該粉末の粒
径、火炎の温度などを考慮して、火炎中で該粉末が溶融
状態となるように適宜決めることことが出来る。一般
に、滞留時間をあまり長くすると、HAPが分解し、リン
酸三カルシウム及びリン酸四カルシウムが生成する。そ
のため、滞留時間は0.01〜10秒とすることが望ましい。
また、火炎と接触して生成する球状HAP粉末の回収に
は、公知の方法が限定されることなく採用される。好適
には、サイクロン、バグフィルター等の回収装置の使用
が採用される。
上記製法によって、本発明の球状HAPを得ることが出
来る。この球状HAPはそのままクロマトグラフィーカラ
ム充填材として用いることもできるが、回収されたまま
の球状HAPは溶融後急冷されるため、一部がガラス状態
となっていることがある。この場合、得られた球状HAP
の結晶性を上げるために、加熱処理を行うことが好まし
い。かかる加熱処理温度は、300〜1000℃の温度範囲が
好適に用いられる。また、加熱時間は0.5〜10時間が一
般的である。
本発明の球状HAPの原料として用いられるCP粉末は、C
a−P原子比が1.5〜1.8であれば特に限定されないが、
粉末状のHAP(以下、HAP粉末という。)を用いると、火
炎と接触後の分解が少ないために、好適である。CP粉末
を得るための原料及び製法は特に限定されないが、例え
ば、原料は、Ca源としてCaCO3、CaO、Ca(OH)、P源
としてP2O5、H3PO4、NH4H2PO4、(NH42HPO4、CaとP
の両方を含有するCaHPO4・2H2O、CaHPO4、Ca(H2PO4
、Ca2P2O7等が考えられ、原料によって種々の製造方
法があるが、公知のCaHPO4・2H2OをCaCO3と混和焼成す
る乾式製造法が好適である。
この反応は、 6CaHPO4・2H2O+4CaCO3→ Ca10(PO4(OH)+4CO2+10H2O の反応式で示され、水蒸気を含む大気中で焼成すること
で純粋なHAP粉末が得られる。焼成温度は、700〜1400℃
が一般的に用いられる。
また、球状HAPの原料に用いられるCP粉末は、0.01〜1
00μmの平均粒子径を持つものが用いられる。
本発明により得られる球状HAPは、クロマトグラフィ
ーの分離能を向上させるために、他の元素を制限なく固
溶させることが出来る。例えば、フッ素、ナトリウム、
塩素、カリウム、マグネシウム、などが挙げられる。添
加の方法も制限されないが、例えば、他の元素を予めCP
粉末に固溶させた原料粒子を火炎と接触させる、あるい
は添加する元素を含む塩をCP粉末と共に火炎と接触させ
るなどの方法が挙げられる。
本発明により得られる球状HAPを用いたクロマトグラ
フィー用カラム充填材の使用方法は、従来のHAPクロマ
トグラフィー用カラム充填材と同じである。
また、クロマトグラフィー用カラム充填材として用い
るには、充填密度を高めるために、前記製造方法で製造
した球状HAPを分級し、粒度分布いの揃った粒子を用い
ることが好ましい。この場合、平均粒径1〜20μmの粒
子が好適に使用される。
また、本発明により得られる球状HAPはクロマトグラ
フィー用カラム充填材以外の用途にも制限されず用いる
ことが出来る。例えば、骨充填材や生体用レジンのフィ
ラーとしての用途が考えられる。
[効果] 本発明により得られる球状HAPは、クロマトグラフィ
ー用カラム充填材として用いた場合、球状であるため充
填密度が高く、高い分離性能を持つ。また、粒子が緻密
質であるため、強度が高く、粒子の目詰まりが起こりに
くい。従って、従来の球状HAPカラム充填材と比較し
て、扱い易く分離性能の高いHAPカラム充填材を提供す
ることができる。
[実施例] 以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、
本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
尚、本分中並びに実施例中に示した材料の性状に関する
諸量の定義及びそれらの測定方法については次の通りで
ある。
(1)平均粒子径 得られた粒子を水に分散させて、粒度分布計(CAPA−
500、堀場製作所製、あるいは、マイクロトラック、リ
ードアンドノーストラップ社製)で測定した。測定原理
は遠心沈降法、及びレーザー光による散乱回折像の測定
によるものである。
(2)構造 X線回折測定装置(日本電子(株)社製)を用いて粉
末のX線回折を測定し、得られた粒子の構造を同定し
た。
(3)比表面積 柴田化学機器工業株式会社、迅速表面積測定装置SA−
1000を用いた。測定原理はBET法である。
(4)粒子の円形度、表面粗度係数 前記の方法で行った。
(5)粒子密度 ピクノメータ法で行った。
実施例1 CaHPO4・2H2O粉末とCaCO3粉末を3:2(モル比)で混合
し、70℃飽和水蒸気を含む空気を毎分6リットル吹き込
みながら、1400℃で2時間焼成した。生成した粒子はHA
PであることをX線回折図から確認した。このHAPをアル
ミナ製ボールミルにかけ、3時間粉砕した。これを250
メッシュの目開きのふるいにかけHAP粉末(平均粒径10.
4μm)を得た。
上記のHAP粉末を、多重管を有するバーナーより毎分
5.5gの供給速度で、水素(40リットル/分)、酸素(20
リットル/分)及び空気(30リットル/分)と共に燃焼
室に供給し、火炎中に分散させて溶融した。HAP粉末は
火炎中で瞬時に溶融状態となったのち、火炎から出ると
冷却されて固化した。該粒子をサイクロンで回収した。
得られた粒子は、X線回折測定の結果、HAPであること
を確認した。また、円形度0.98、平均粒径8.21μm、比
表面積0.75m2/g、表面粗度係数2.45、粒子密度3.14g/cm
3であった。この粒子及び粒子の断面のSEM写真を、それ
ぞれ第1、2図に示した。
上記方法によって得られた該球状HAPを内径6mm、有効
長10cmのステンレス製カラムに充填した。このカラムを
用いて、トリプトファン(0.2重量%)、牛血清アルブ
ミン(5.0重量%)、リゾチウム(2.0重量%)、チトク
ロムC(1.0重量%)を含有する混合溶液を試料として
展開を行った。展開はリン酸緩衝液10mM(pH6.8)と350
mM(pH6.8)による直線密度勾配法により行い、上記試
料を10μl注入した。また流速は1ml/minで行った。送
液圧力は23kg/cm2であった。タンパク質の検出は280nm
の吸光度を測定した。このカラムにより得られたクロマ
トグラムを第3図に示した。第3図から試料中の4成分
がきれいに分離されていることがわかる。またチトクロ
ムCの酸化体、還元体のピークのきれいに分かれ、分離
能が優れていることがわかる。
また、上記試料の分離を300回行った。300回目に得ら
れたクロマトグラムを第4図に示した。第4図からわか
る通り、本発明のカラムは300回目の使用に対しても優
れた分離性能を示し、劣化は見られなかった。
実施例2 CaHPO4・2H2O粉末とCaCO3粉末をCa/P原子比が1.5〜1.
8となるように混合し、70℃飽和水蒸気を含む空気を毎
分6リットル吹き込みながら、1400℃で2時間焼成し、
CP粉末を得た。このCP粉末をアルミナ製ボールミルにか
け、3時間粉砕した。これを250メッシュの目開きのふ
るいにかけCP粉末を得た。
上記のCP粉末を、多重管を有するバーナーより毎分5.
5gの供給速度で、水素(40リットル/分)、酸素(20リ
ットル/分)及び空気(30リットル/分)と共に燃焼室
に供給し、火炎中に分散させて溶融し、サイクロンで回
収した。得られた粒子の組成はすべてHAPであった。ま
た、得られた粒子の円形度、平均粒径、比表面積、表面
粗度係数、粒子密度を第1表に示した。
上記方法によって得られた球状HAPを実施例1と同様
にカラムに充填し、同様な方法で試料を展開した結果、
実施例1と同様に優れた分離能を示した。
また、上記試料の分離を300回行った。300回使用後で
も送液圧力、クロマトグラムに変化のなかった物を○、
送液圧力の上昇、あるいはクロマトグラムに変化のあっ
た物を×として、併せて第1表に示した。
実施例3 実施例1で得たHAP粉末を、多重管を有するバーナー
より毎分5.5gの供給速度で、水素、酸素及び空気と共に
燃焼室に供給し、種々の温度の火炎中に分散させて接触
させ、サイクロンで回収した。得られた粒子の組成はす
べてHAPであった、また、得られた粒子の円形度、平均
粒径、比表面積、表面粗度係数、粒子密度を第2表に示
した。
上記方法によって得られた球状HAPを実施例1と同様
にカラムに充填し、同様な方法で試料を展開した結果、
第2表の番号1を除いて、実施例1と同様優れた分離能
を示した。
また、上記試料の分離を300回行った。300回使用後で
も送液圧力、クロマトグラムに変化のなかった物を○、
送液圧力の上昇、あるいはクロマトグラムに変化のあっ
た物を×として、併せて第2表に示した。
比較例1 0.5mol/lの水酸化カルシウム懸濁液と0.3mol/lのリン
酸水溶液を、40℃で混合し、24時間攪拌した。該反応溶
液から沈澱を濾過し、この沈澱物に水を加え20重量%の
スラリーとした。
このスラリーを噴霧乾燥機(ヤマト科学社製、GB−2
1)を用いて、140℃の気流中にノズルから噴霧し、得ら
れた粉末をサイクロンで回収した。この粉末を、700℃
で3時間焼成した。
得られた粒子は、X線回折測定の結果、HAPであるこ
とを確認した。また、円形度0.93、平均粒径4.14μm、
比表面積19.3m2/g、表面粗度係数13.7、粒子密度2.74g/
cm3であった。
該HAPを内径6mm、有効長10cmのステンレス製カラムに
充填した。このカラムを用いて、トリプトファン(0.2
重量%)、牛血清アルブミン(5.0重量%)、リゾチウ
ム(2.0重量%)、チトクロムC(1.0重量%)を含有す
る混合溶液を試料として展開を行った。展開はリン酸緩
衝液10mM(pH6.8)と350mM(pH6.8)による直線密度勾
配法により行い、上記試料を10μl注入した。また流速
は1ml/minで行った。送液圧力は74kg/cm2であった。タ
ンパク質の検出は280nmの吸光度を測定した。このカラ
ムにより得られたクロマトグラムを第5図に示した。第
5図からわかるように、第3図と比較してブロードなピ
ークを示した。
また、上記カラムを使用して試料の連続的分離を試み
た結果、100回使用後あたりから、クロマトグラム上の
ピークが更にブロードになった。例として、150回目の
クロマトグラムを第6図に示した。また、圧力も160kg/
cm2に上昇し、これよりカラムが目詰まりしていること
がわかる。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図はそれぞれ実施例1で得られた球状HAP
の粒子構造を示すSEM写真である。 第3図、第4図は、実施例1で得られたクロマトグラム
を示すおのである。 第5図、第6図は、比較例1で得られたクロマトグラム
を示すものである。 第3図から第6図中、Tはトリプトファン、Bは牛血清
アルブミン、Lはリゾチウム、C1、C2はチトクロムCの
クロマト分離ピークを示す。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Ca/P原子比が1.5〜1.8のリン酸カルシウム
    粉末を、分散状態で温度1600℃以上の火炎と接触させる
    ことを特徴とする球状ヒドロキシアパタイトの製造方
    法。
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EP1772188A3 (en) * 2005-10-03 2007-10-31 PENTAX Corporation Method for producing particles, particles, and adsorption apparatus

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JPH01234308A (ja) 1989-09-19

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