JP3570993B2 - カルシウムホスファート過飽和溶液の製造方法およびその溶液を利用したカルシウムホスファート結晶薄膜製造方法 - Google Patents
カルシウムホスファート過飽和溶液の製造方法およびその溶液を利用したカルシウムホスファート結晶薄膜製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、過飽和カルシウムホスファート溶液の製造方法及びその溶液を利用して固体表面上にカルシウムホスファート結晶薄膜を製造する方法に関するものである。
【０００２】
具体的には、温度を低くしたり、加えて選択的に適切な緩衝システムを使用することにより、水溶液内でカルシウムホスファート結晶の沈澱反応を抑制して、高濃度のカルシウムイオンおよびホスファートイオンの過飽和溶液を製造できる。このように製造した溶液を利用して、固体表面上に反応性が高く結晶度が低い品質が優秀なカルシウムホスファート結晶薄膜を短い時間内に製造する方法に関するものである。
【０００３】
【発明の背景】
カルシウムホスファート結晶は、生体適合性（ｂｉｏｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）があるものとして知られている。その中でも燐灰石結晶（ａｐａｔｉｔｅ ｃｒｙｓｔａｌ）は、唯一生体石灰化組織に存在するものであり（Ｈ．−Ｍ． Ｋｉｍ ｅｔ ａｌ．， ｊ． Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ． Ｒｅｓ．， １０， １５８９−１６０１， １９９５； 米国特許第５，５６５，５０２号明細書； 及び米国特許第５，６９１，３９７号明細書 ），骨の代替物質として使用されてきた。また、燐灰石結晶は、金属で作られた生体材料の表面に燐灰石結晶膜を生成させ、組織との適合性を高めるために、または、固体粒子としても広く使われてきた（Ｒ． Ｇ． Ｔ． Ｇｅｅｓｉｎｋ， Ｃｌｉｎ． Ｏｒｔｈｏｐ． Ｒｅｌａｔ． Ｒｅｓ．， ２６１， ３９−５８， １９９０およびＭ． Ｇ． Ｄｕｎｎ ａｎｄ Ｓ． Ｈ． Ｍａｘｉａｎ， Ｊ． Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｆｆｅｃｔ． Ｍｅｄ． Ｉｍｐｌａｎｔｓ， １， １９３−２０３， １９９１）。
【０００４】
今まで、カルシウムホスファート結晶を使うことにより生体適合性を高める目的で、カルシウムホスファート結晶を形成するためのいろいろなコーティング方法が開発されたが、特に、チタニウムなどの基質表面に燐灰石膜を塗布する方法が開発されてきた。その中でも、最も広く使われる方法は、プラズマコーティングである。この方法では、高温で燐灰石膜を生成して成長させるために水酸化燐灰石（ｈｙｄｒｏｘｙ ａｐａｔｉｔｅ）を生成する。この水酸化燐灰石は結晶度がとても高く、大きさが大きいため生体反応性が低い欠点があった。それに、燐灰石結晶の他に副産物として他の相のカルシウムホスファートやカルシウムオキシドのような物質も生成するものであると知られている（Ｈ． Ｇ． Ｐｆａｆｆ ｅｔ ａｌ．， Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＨＡ−Ｃｏａｔｉｎｇｓ ｉｎ ’Ｂｉｏｃｅｒａｍｉｃｓ’， ｖｏｌ． ６， ｅｄｓ．， Ｐ． Ｄｕｃｈｅｙｎｅ ａｎｄ Ｄ． Ｃｈｒｉｓｔｉａｎｓｅｎ， ｐｐ． ４１９−４２４， Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ−Ｈｅｉｎｅｍａｎｎ Ｌｔｄ．， １９９３）．そして、今まで、このような副産物が生体適合性にどのような悪い影響を与えるのか、正確に確認されなければならない。したがって、骨燐灰石結晶と同じように結晶度が低いことにより生体反応性が好ましく、大きさが小さいことにより反応表面積が広い燐灰石結晶膜を基質表面に生成する方法の開発が求められてきた。
【０００５】
カルシウムイオン、ホスファートイオン及びヒドロキシルイオンで構成されている純粋な水酸化燐灰石結晶は、長い棒のような構造が並列している化学量論的な（ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ）結晶で、結晶度が高い。反面、骨や石灰化軟骨組織から分離された生体結晶（ｂｉｏｃｒｙｓｔａｌ）は、非化学量論的な（ｎｏｎｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ）燐灰石であり結晶度が低い（Ｅｌｌｉｏｔｔ Ｊ． Ｃ． Ｉｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ ｔｈｅ Ａｐａｔｉｔｅｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｃａｌｃｉｕｍ Ｏｒｔｈｏｐｈｏｓｐｈａｔｅｓ， Ｓｔｕｄｉｅｓ ｉｎ Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ １８， Ａｍｓｔｅｒｄａｍ： Ｅｌｓｅｖｉｅｒ， ｐｐ １１１−１９０， １９９４）。生体結晶は、大きさがとても小さい薄い板構造のナノクリスタル（骨の場合は長さ２７．３×幅１５．８ｎｍ， 石灰化軟骨組織の場合は長さ１０３×幅６８ｎｍ）であり、比表面積がとても広いため生体結晶の表面の反応性が高く、代謝活性を示す（Ｈ．−Ｍ．Ｋｉｍ ｅｔ ａｌ．， ｊ． Ｂｏｎｅ−Ｍｉｎｅｒ． Ｒｅｓ． １０： １５８９−１６０１， １９９５； Ｐｏｓｎｅｒ Ａ． Ｓ． ｅｔ． ａｌ． Ｓｋｅｌｅｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ： Ａｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ａｐｐｒｏａｃｈ， Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ： Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， ｐｐ １６７−１９２， １９７９）。
【０００６】
結晶学的な特性が、生体結晶と似た結晶膜を生成するために、カルシウムおよびホスファートイオン溶液を使用して、低温で固体表面に結晶膜を直接形成させる方法が開発された。しかし、過飽和溶液で自発的に起きる沈殿現象のため、イオンを高濃度で維持できず、溶液中の［Ｃａ２＋］×［ＨＰＯ４ ２−］の濃度を６ｍＭ２より高く維持することは困難であった（Ｈ． Ｂ． Ｗｅｎ ｅｔ ａｌ．， Ｊ． Ｂｉｏｍｅｄ． Ｍａｔｅｒ． Ｒｅｓ．， ４１， ２７−２３６， １９９８）。また、このような低い過飽和濃度では、とても限られた狭い範囲の温度及び固体表面の条件でだけ固体表面に結晶膜を生成できる。つまり、温度は、約３７℃程度に維持しなければならず、コーティング工程は、表面の条件によっては、一ヶ月より長い時間がかかった。温度は、結晶膜の結晶学的特徴を決定する要素である。また、温度に敏感な生理活性物質を固体上に生成された結晶にさらにかぶせる場合には、さらに温度を低くしなければならない。したがって、温度を調節したり、さらに低くしなければならない場合には、上記のような方法を使用できない。また、大部分の場合において、電荷を帯びた表面だけ、基質に用いることができた。
【０００７】
本発明者らは、上記の問題点を解決すべく努力の結果、温度を下げたり、それに加えて選択的に適切な緩衝システムを選択することにより、水溶液内でカルシウムホスファート結晶の沈殿反応を抑制し、高濃度のカルシウムイオン及びホスファートイオンの過飽和溶液を製造でき、このように製造した溶液を利用することによって、固体表面上に反応性が良く、結晶性が低く品質が優秀なカルシウムホスファート結晶薄膜を短い時間内に生成でき、このように生成されたカルシウムホスファート結晶薄膜は、生体適合性を持つということを明らかにして、本発明を完成した。
【０００８】
【発明の要旨】
本発明目的は、カルシウムイオンとホスファートイオンの濃度を高く維持できるカルシウムホスファート過飽和溶液の製造方法を提供することである。本発明の他の目的は、上記方法によって得た溶液を利用して、固体表面の上に反応性が良く結晶度が低く、品質が優秀なカルシウムホスファート結晶薄膜を短い時間内に製造する方法を提供することである。
【０００９】
【詳細な説明】
本発明は、
１） カルシウムホスファート結晶または、カルシウムとホスファートの塩を酸性溶液に溶かしてカルシウムイオンとホスファートイオンの高濃度溶液を製造する段階（段階１）、
２） 段階１で製造されたカルシウムイオンとホスファートイオンの高濃度酸性溶液を低い温度で、アルカリ溶液と混合する段階（段階２）、および
３） 溶液中でのさらなる沈殿反応と結晶の成長を抑制するために、段階２で製造された溶液から、沈殿および結晶成長の核として行動し得る無定型カルシウムホスファート微粒子または結晶を除去する段階（段階３）
を含むカルシウムイオンとホスファートイオンの濃度を高く維持できる過飽和カルシウムホスファート溶液の製造方法を提供する。
【００１０】
段階２で、低い温度のために溶液内でのカルシウムホスファートの同種沈殿（ｈｏｍｅｇｅｎｅｏｕｓ ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ）が抑制され、それによって自由イオンが失われないため、以後、カルシウムホスファート薄膜形成に使用できる。また、適切な緩衝システムを使用することによってこのような抑制効果は増進される。
【００１１】
本発明の過飽和カルシウムホスファート溶液の製造には、どのような種類のカルシウム塩とホスファート塩でもすべて使用できる。また、本発明では、どんな種類のカルシウムホスファート結晶でもすべて使用できる。本発明で使用されるカルシウムホスファート結晶は、公知の合成方法によって得ることができる。たとえば、Ｃ． Ｒｅｙ等によって報告されているように（Ｃａｌｃｉｆ． Ｔｉｓｓｕｅ Ｉｎｔ．， ４５， １５７−１６４， １９８９； Ｃａｌｃｉｆ． Ｔｉｓｓｕｅ Ｉｎｔ解除． ４６， １５７−１６４， １９９０）Ｃａ（ＮＯ３）２・４Ｈ２Ｏ を蒸留水に溶かした溶液と（ＮＨ４）２ＨＰＯ４と液体アンモニアを蒸留水に溶かした溶液を急激に混合して濾過し、凍結乾燥させて燐灰石を得ることができる。また、ＣａＣｌ２・２Ｈ２ＯとＫＨ２ＰＯ４を使用して燐灰石を得ることができる。また、本発明に使用される燐灰石結晶は、骨組織から分離することもできる（Ｈ．−Ｍ． Ｋｉｍ等， Ｊ． Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ． Ｒｅｓ． １０， １５８９−１６０１， １９９５）。合成されたカルシウムホスファート結晶を利用する場合は、溶液内に含まれるイオンの種類を、カルシウムイオン、ホスファートイオン、炭酸イオン等、結晶を構成するイオンだけに制限できるという長所がある。また、石灰化組織を酸性溶液で脱石灰して製造された溶液を段階２に使用することもできる。
【００１２】
上記カルシウムホスファート結晶を溶解させるために使用される酸性溶液には、どんな種類の酸も使用できる。たとえば、Ｎ−［２−ヒドロキシエチル］ピペラジン−Ｎ’−［２−エタンスルホン酸］， Ｎ−トリス−［ヒドロキシメチル］メチル−２−アミノエタンスルホン酸， １，４−ピペラジンジエタンスルホン酸， （３−Ｎ−モルホリノ）プロパンスルホン酸， 酢酸のような一般的な有機酸、ＨＣｌ， ＨＢｒ， ＨＩ， Ｈ２ＳＯ４， Ｈ３ＰＯ４， ＨＮＯ３， Ｈ２ＣＯ３のような無機酸またはこれらの混合物を使用できる。好ましくは、ＨＣｌとＮ−［２−ヒドロキシエチル］ピペラジン−Ｎ’−［２−エタンスルホン酸］を使用する。カルシウムホスファート結晶は、アルカリ溶液と混合された溶液状態で、結晶沈殿物の生成が可能な濃度より多く溶解させる。
【００１３】
無定形のカルシウムホスファート微粒子の析出のために、アルカリ溶液をカルシウムホスファートが溶解している酸性溶液に加える。このとき溶液内カルシウムホスファートの沈殿反応を抑制し、自由イオンを高濃度で維持させるためには、両溶液の温度及び反応温度を低く維持しなければならない。好ましくは、０〜３７℃に維持される。
【００１４】
アルカリ溶液としては、ＮａＯＨ， ＫＯＨ， ＬｉＯＨ， Ｃａ（ＯＨ）２， Ｍｇ（ＯＨ）２， ＮＨ４ＯＨのような一般的な無機塩基、トリス［ヒドロキシメチル］アミノメタン、ビス［２−ヒドロキシエチル］アミノトリス［ヒドロキシメチル］メタン、１，３−ビス［トリス（ヒドロキシメチル）メチルアミノ］プロパンのような有機塩基またはこれらの混合物を使用できる。このとき有機緩衝剤を、求めるｐＨ範囲によってまた各緩衝剤の緩衝範囲を考慮して選択する。また、過飽和カルシウムホスファートイオン溶液の製造が可能な境界になる温度は、無機塩基を使用するときより有機塩基を使用するときがより高いかも知れない。
【００１５】
このアルカリ溶液は、混合溶液のｐＨが６．０〜８．０、好ましくは、７．０〜７．６になるように添加する。カルシウムホスファート結晶は、ｐＨによって、生成される結晶学的特性が変化する。したがって、 ｐＨを調整することによって求める型の結晶を得ることができる。ジカルシウムホスファート二水和物の結晶を製造するための過飽和溶液のｐＨは６．０〜６．５に、オクタカルシウムホスファートの結晶を製造するための過飽和水溶液のｐＨは６．５〜６．８に、また生体材料とし広く使用されている燐灰石結晶膜を製造するためにはｐＨを６．８〜８．０にそれぞれ調節する。
【００１６】
その次に、上記溶液を使用して均一な表面を持った燐灰石膜を得るためには、溶液内に生成された無定形カルシウムホスファート微粒子を除去しておくことが好ましい。アルカリ溶液で中和した溶液に含まれる無定形カルシウムホスファート微粒子は、通常の濾過法や遠心分離法で除去できる。濾過法を実行すれば、溶液内の病原菌も同時に除去できるため、後でさらに滅菌する必要がない。
【００１７】
本発明によって製造された過飽和カルシウムホスファート溶液のイオン濃度は、反応条件によって、６．０〜３０．０ ｍＭ２ ［Ｃａ２＋］×［ＨＰＯ４ ２−］である。溶液のイオン濃度が同種沈殿が生じる程度に十分に高い場合であっても、前記工程の温度を下げることによって溶液内の沈殿または結晶の生成は抑制される。しかし、この溶液を固体表面と接触させると、このような沈殿抑制効果を越えて異種沈殿（ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ）により表面に結晶が生成し付着し成長し得る。
【００１８】
さらにこの溶液内の自由イオン濃度はとても高いため、低い温度でも異種沈殿によってたやすく結晶が生成し得る。また、電荷量が小さい表面状態と同様に高いエネルギーが必要な条件下においても異種沈殿によって、たやすく結晶が生成され得る。その結果、今まで開発された方法では結晶を生成させられなかった条件下でもいろいろな材料の表面にカルシウムホスファート結晶膜を形成することができる。
【００１９】
また本発明は、
１） カルシウムホスファート結晶またはカルシウム塩とホスファート塩を酸性溶液に溶かして、カルシウムイオンとホスファートイオンとの高濃度溶液を製造する段階（段階１）、
２） 段階１で製造されたカルシウムイオンとホスファートイオンの高濃度酸性溶液を低い温度で、アルカリ溶液と混合する段階（段階２）、
３） 段階２で製造された溶液から、沈殿および結晶成長の核として行動し得る無定形カルシウムホスファート微粒子または結晶を、溶液中でのさらなる沈殿と結晶の成長を抑えるために除去する段階（段階３）、および
４）段階３で製造された溶液を固体表面に適用し、カルシウムホスファート結晶の薄膜を製造する段階（段階４）
からなるカルシウムホスファート薄膜の製造方法を提供する。
【００２０】
カルシウムホスファート結晶の薄膜は、カルシウムイオンとホスファートイオンの前記過飽和溶液を固体表面に接触させ、それを培養することによって製造できる。
【００２１】
段階４での薄膜形成時の温度は０〜６０℃であり、好ましくは固体表面に結晶が形成される初期段階では０〜３７℃にし、その後この結晶を増殖および成熟させる段階では０〜６０℃である。結晶形成の初期段階、増殖段階および成熟段階の反応時間は、反応条件および固体表面の種類によって変わることがある。
【００２２】
結晶膜を形成する表面は、金属、セラミック、有機ポリマー、ガラス、動物や植物の生体組織表面などの材料の表面が含まれる。たとえば、前記溶液は、骨の成長のための核を提供するだけではなく、薬物および細胞運搬に使用されているポリグリコール酸、ポリラクト酸、ポリ（ラクティン−グリコール酸）共重合体等の多孔性ポリマーに適用しカルシウムホスファート燐灰石薄膜を製造するのに利用することもできる。
【００２３】
また、固体基質に使われる物質の幾何学的構造も制限がない。したがって、平板形、円筒形、立方体、円錐形、角柱またはこれらの複合形状など多様な構造がカルシウムホスファート薄膜を生成するための基質として使用できる。また、その固体表面は、電荷を帯びたものだけではなく電荷を帯びていないものでもよい。
【００２４】
本発明によって製造される過飽和のカルシウムイオンとホスファートイオンの溶液は、温度を下げることによって非常に高濃縮できる。低い温度は、カルシウムホスファートの同種沈殿を抑制する。高濃縮された溶液は、適当な緩衝システム、たとえて言うなら、適当な酸性またはアルカリ性溶液を使用することによってさらに安定化できる。
【００２５】
特に、本発明の高濃縮されたカルシウムホスファートの過飽和溶液の濃度は、以前の技術と比較するととても高く、カルシウムホスファート結晶の薄膜を金属、セラミック、有機高分子、ガラス、動物や植物の組織のような物体のどんな表面にも早く生成することが可能である。また、上記の溶液を使用することによって０〜６０℃という低い温度においても結晶の薄膜を表面に形成できる。あわせて、前記溶液を使用して製造されたカルシウムホスファートの薄膜は、繊維芽細胞， 骨芽細胞， 破骨細胞， 歯根細胞などの、色々な細胞をその表面に付着させ増殖することができるという生体適応性があり、生体物質に応用できる可能性も持っている。
【００２６】
【実施例】
実際的で、望ましい本発明の実施例を下記に記述する。
【００２７】
ただし、下記の実施例は、本発明を例示する為だけのものであり、本発明の内容が実施例によって限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更したり向上させることができる。
＜実施例１＞ 過飽和カルシウムホスファート溶液１の製造
Ｃａ（ＮＯ３）２・４Ｈ２Ｏ １７．７ｍｇを蒸留水２５０ｍｌに溶かした溶液と（ＮＨ４）２ＨＰＯ４ ４０ｍｇと液体アンモニア１ｍｌを蒸留水５００ｍｌに溶かした溶液を急激に混合し濾過し、凍結乾燥させて燐灰石結晶を合成した。燐灰石結晶４００ｍｇを０．２ ＭのＨＣｌ ４０ｍｌに溶解しカルシウムホスファートイオンを含む酸性イオン溶液を製造した。この酸性溶液を０．２ ＭのＨＣｌで稀釈してカルシウムホスファートの濃度が１５％になるようにした。前記溶液を０．２ ＮのＮａＯＨと混合し撹拌してｐＨ７．４のイオン溶液を製造した。前記のすべての溶液の温度は、４℃に維持した。このとき無定形カルシウムホスファートが急激に生成されたが、温度を低くしたため無定形カルシウムホスファート微粒子の生成に参与しなかった自由イオンが残っており、析出した結晶の量は、ゆっくりと減少し、平衡になった。この溶液を４℃で１０分間放置後、０．２ｍｍのフィルターを使用し生成した無定形カルシウムホスファート微粒子を除去し、中和された緩衝溶液（ｎｅｕｔｒａｌｉｚｅｄ ｉｏｎｉｃ ｂｕｆｆｅｒ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を製造した。
【００２８】
製造された溶液は、原子吸収スペクトル法（Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ， 米国）と測色法により、イオンの濃度が１５〜２０ ｍＭ２［Ｃａ２＋］×［ＨＰＯ４ ２−］であり、過飽和溶液であることが確認できた。
【００２９】
このようにして得られた過飽和溶液は、使用するまで４℃で保管した。
＜実施例２＞ 過飽和カルシウムホスファート溶液２の製造
０．２ ＮのＮａＯＨ溶液の代わりに０．２ Ｍトリス［ヒドロキシメチル］アミノメタンを使用してアルカリ溶液を製造し、これを使ってｐＨ７．４のトリス−ＨＣｌ緩衝溶液を製造すること以外は、実施例１と同じ条件でカルシウムホスファート溶液を製造した。
【００３０】
製造された溶液は、原子吸収スペクトル法（Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ， 米国）と測色法により、イオンの濃度が１５〜２０ ｍＭ２［Ｃａ２＋］×［ＨＰＯ４ ２−］であり、過飽和溶液であることが確認できた。
【００３１】
このようにして得られた過飽和溶液は、使用するまで４℃で保管した。
＜実施例３＞ 過飽和カルシウムホスファート溶液３の製造
酸性溶液の種類を代えること以外は、実施例１と同じ条件でカルシウムホスファート溶液を製造した。
【００３２】
酸性溶液には、ＨＣｌの代わりに、Ｎ−［２−ヒドロキシエチル］ピペラジン−Ｎ’−［２−エタンスルホン酸］とＨＣｌを使用して製造した。０．１ ＮのＨＣｌ溶液を ０．２ ＭのＮ−［２−ヒドロキシエチル］ピペラジン−Ｎ’−［２−エタンスルホン酸］溶液に添加して、Ｎ−［２−ヒドロキシエチル］ピペラジン−Ｎ’−［２−エタンスルホン酸］溶液のｐＨは、常に４．０に維持した。カルシウムイオンとホスファートイオンを含む酸性溶液は、０．２ ＮのＮａＯＨ溶液と混合し撹拌して ｐＨ７．４のヘペス（Ｈｅｐｅｓ）緩衝溶液を製造した。
【００３３】
製造された溶液は、原子吸収スペクトル法（Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ， 米国）と測色法により、イオンの濃度が１５〜２０ ｍＭ２［Ｃａ２＋］×［ＨＰＯ４ ２−］であり、過飽和溶液であることが確認できた。
このようにして得られた過飽和溶液は、使用するまで４℃で保管した。
＜実施例４＞ 過飽和カルシウムホスファート溶液４の製造
ＣａＣｌ２・２Ｈ２Ｏ ９３ｍｇとＫＨ２ＰＯ４ ５２ｍｇを直接０．２ ＭのＨＣｌ溶液７５ｍｌに直接溶かすことを除けば、実施例１と同じ条件でカルシウムホスファート溶液を製造した。
【００３４】
製造された溶液は、原子吸収スペクトル法（Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ， 米国）と測色法により、イオンの濃度が１５〜２０ ｍＭ２［Ｃａ２＋］×［ＨＰＯ４ ２−］であり、過飽和溶液であることが確認できた。
【００３５】
このようにして得られた過飽和溶液は、使用するまで４℃で保管した。
＜実施例５＞ 過飽和カルシウムホスファート溶液５の製造
０．２ ＮのＮａＯＨの代わりに０．２ Ｍトリス［ヒドロキシメチル］アミノメタンを使用してアルカリ溶液を製造し、これを使ってｐＨ７．４のトリス−ＨＣｌ緩衝溶液を製造しすること以外は、実施例４と同じ条件でカルシウムホスファート溶液を製造した。
【００３６】
製造された溶液は、原子吸収スペクトル法（Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ， 米国）と測色法によりで測定した結果、イオンの濃度が１５〜２０ ｍＭ２［Ｃａ２＋］×［ＨＰＯ４ ２−］であり、過飽和溶液であることが確認できた。
このようにして得られた過飽和溶液は、使用するまで４℃で保管した。
＜実施例６＞ 過飽和カルシウムホスファート溶液６の製造
酸性溶液の種類を代えること以外は、実施例４と同じ条件でカルシウムホスファート溶液を製造した。
【００３７】
酸性溶液には、ＨＣｌの代わりに、Ｎ−［２−ヒドロキシエチル］ピペラジン−Ｎ’−［２−エタンスルホン酸］とＨＣｌを使用して製造した。０．１ ＮのＨＣｌ溶液を ０．２ ＭのＮ−［２−ヒドロキシエチル］ピペラジン−Ｎ’−［２−エタンスルホン酸］溶液に添加して、Ｎ−［２−ヒドロキシエチル］ピペラジン−Ｎ’−［２−エタンスルホン酸］溶液のｐＨは、常に４．０に維持した。カルシウムイオンとホスファートイオンを含む酸性溶液は、０．２ ＮのＮａＯＨ溶液と混合し撹拌して ｐＨ７．４のヘペス緩衝溶液を製造した。
【００３８】
製造された溶液は、原子吸収スペクトル法（Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ， 米国）と測色法により、イオンの濃度が１５〜２０ ｍＭ２［Ｃａ２＋］×［ＨＰＯ４ ２−］であり、過飽和溶液であることが確認できた。
【００３９】
このようにして得られた過飽和溶液は、使用するまで４℃で保管した。
＜実施例７＞ 燐灰石１の薄膜の製造
実施例１で製造した過飽和溶液を培養皿（Ｃｏｒｎｉｎｇ， 米国）に注いだ後、８℃に維持された恒温槽に２時間置いた。その後、温度を２０℃まで上げてこの温度で２４時間さらに放置して薄膜を生成させた。
【００４０】
カルシウムホスファート燐灰石結晶で構成された薄膜は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ） （８４０Ａ， ＪＥＯＬ， 日本）で観察した。表面を１０，０００倍に拡大したＳＥＭ写真を図１に示す。図１から分かるように本発明の方法によって製造された燐灰石薄膜は、結晶の大きさが均一であり安定した構造を持っていた。培養皿の上に生成された結晶の大きさは、長さが１６．７±３．７ｎｍ、幅が１２．２±２．４ｎｍ（ｎ＝５０）であった。
【００４１】
培養皿の表面から掻出した結晶を掻出し、１００ｍＡ、５０ｋＶでパウダーＸ線回折（ＸＲＤ）（ＭＸＰ１８， Ｍａｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ， 日本）により分析した。その結果、薄膜には燐灰石以外の他の層のカルシウムホスファート結晶はなく、この燐灰石結晶は、骨結晶と類似して低い結晶度を持っているということが分かった（表１参照）。このように結晶の大きさが極度に小さくなることによって比表面積が広くなり、それによって燐灰石結晶の表面の反応性が高くなり、細胞または有機環境下で高い相互作用が可能になった。
【００４２】
【表１】
【００４３】
＜実施例８〜１２＞ 燐灰石２〜６の薄膜の製造
実施例２〜６で製造した溶液を使用して、実施例７と同じ条件でそれぞれ燐灰石薄膜を製造した。
【００４４】
このように製造された燐灰石薄膜のＳＥＭ写真は、実施例７で製造された薄膜のＳＥＭ写真と類似していた。つまり、製造された燐灰石薄膜の結晶の大きさは均一で安定した構造を持っていた。
＜実施例１３＞ 燐灰石１の薄膜の製造および生体適合性試験
培養皿の代わりにポリラクチン９１０ （ｖｉｃｒｙｌ）繊維を使用することを除けば、実施例７と同じ条件で燐灰石薄膜を製造した。その後、燐灰石薄膜が形成されたその繊維を繊維芽細胞Ｌ９２９（ＡＴＣＣ ＮＣＴＣ ｃｌｏｎｅ ９２９）培養液内に入れて、空気９５％と二酸化炭素５％を供給するＣＯ２恒温槽中、３７℃で培養した。３日後この繊維をＳＥＭ（×１，３００）で観察した。
【００４５】
図２に示されるように、細胞がカルシウムホスファート燐灰石の薄膜上に均一で安定に付着し、増殖した。その結果、本発明によって製造されるカルシウムホスファート燐灰石薄膜は、生体適合性があることが確認できた。
＜実施例１４〜１８＞ 燐灰石２〜６の薄膜の製造および生体適合性試験
実施例２〜６で製造した溶液を使用して、実施例１３と同じ条件でそれぞれ燐灰石薄膜を製造した。その後、上記燐灰石薄膜上に実施例１３と同じ条件で繊維芽細胞を培養した。
【００４６】
このように製造された燐灰石薄膜のＳＥＭ写真は、実施例１３で製造された薄膜のＳＥＭ写真と類似していた。つまり、細胞がカルシウムホスファート燐灰石の薄膜上に均一で安定に付着し、増殖した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によって製造された燐灰石結晶薄膜の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の写真（×１０，０００）を示したものである。
【図２】繊維表面に形成された本発明の燐灰石結晶薄膜上で培養された細胞の走査電子顕微鏡写真（×１，３００）を示したものである。
【発明の属する技術分野】
本発明は、過飽和カルシウムホスファート溶液の製造方法及びその溶液を利用して固体表面上にカルシウムホスファート結晶薄膜を製造する方法に関するものである。
【０００２】
具体的には、温度を低くしたり、加えて選択的に適切な緩衝システムを使用することにより、水溶液内でカルシウムホスファート結晶の沈澱反応を抑制して、高濃度のカルシウムイオンおよびホスファートイオンの過飽和溶液を製造できる。このように製造した溶液を利用して、固体表面上に反応性が高く結晶度が低い品質が優秀なカルシウムホスファート結晶薄膜を短い時間内に製造する方法に関するものである。
【０００３】
【発明の背景】
カルシウムホスファート結晶は、生体適合性（ｂｉｏｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）があるものとして知られている。その中でも燐灰石結晶（ａｐａｔｉｔｅ ｃｒｙｓｔａｌ）は、唯一生体石灰化組織に存在するものであり（Ｈ．−Ｍ． Ｋｉｍ ｅｔ ａｌ．， ｊ． Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ． Ｒｅｓ．， １０， １５８９−１６０１， １９９５； 米国特許第５，５６５，５０２号明細書； 及び米国特許第５，６９１，３９７号明細書 ），骨の代替物質として使用されてきた。また、燐灰石結晶は、金属で作られた生体材料の表面に燐灰石結晶膜を生成させ、組織との適合性を高めるために、または、固体粒子としても広く使われてきた（Ｒ． Ｇ． Ｔ． Ｇｅｅｓｉｎｋ， Ｃｌｉｎ． Ｏｒｔｈｏｐ． Ｒｅｌａｔ． Ｒｅｓ．， ２６１， ３９−５８， １９９０およびＭ． Ｇ． Ｄｕｎｎ ａｎｄ Ｓ． Ｈ． Ｍａｘｉａｎ， Ｊ． Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｆｆｅｃｔ． Ｍｅｄ． Ｉｍｐｌａｎｔｓ， １， １９３−２０３， １９９１）。
【０００４】
今まで、カルシウムホスファート結晶を使うことにより生体適合性を高める目的で、カルシウムホスファート結晶を形成するためのいろいろなコーティング方法が開発されたが、特に、チタニウムなどの基質表面に燐灰石膜を塗布する方法が開発されてきた。その中でも、最も広く使われる方法は、プラズマコーティングである。この方法では、高温で燐灰石膜を生成して成長させるために水酸化燐灰石（ｈｙｄｒｏｘｙ ａｐａｔｉｔｅ）を生成する。この水酸化燐灰石は結晶度がとても高く、大きさが大きいため生体反応性が低い欠点があった。それに、燐灰石結晶の他に副産物として他の相のカルシウムホスファートやカルシウムオキシドのような物質も生成するものであると知られている（Ｈ． Ｇ． Ｐｆａｆｆ ｅｔ ａｌ．， Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＨＡ−Ｃｏａｔｉｎｇｓ ｉｎ ’Ｂｉｏｃｅｒａｍｉｃｓ’， ｖｏｌ． ６， ｅｄｓ．， Ｐ． Ｄｕｃｈｅｙｎｅ ａｎｄ Ｄ． Ｃｈｒｉｓｔｉａｎｓｅｎ， ｐｐ． ４１９−４２４， Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ−Ｈｅｉｎｅｍａｎｎ Ｌｔｄ．， １９９３）．そして、今まで、このような副産物が生体適合性にどのような悪い影響を与えるのか、正確に確認されなければならない。したがって、骨燐灰石結晶と同じように結晶度が低いことにより生体反応性が好ましく、大きさが小さいことにより反応表面積が広い燐灰石結晶膜を基質表面に生成する方法の開発が求められてきた。
【０００５】
カルシウムイオン、ホスファートイオン及びヒドロキシルイオンで構成されている純粋な水酸化燐灰石結晶は、長い棒のような構造が並列している化学量論的な（ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ）結晶で、結晶度が高い。反面、骨や石灰化軟骨組織から分離された生体結晶（ｂｉｏｃｒｙｓｔａｌ）は、非化学量論的な（ｎｏｎｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ）燐灰石であり結晶度が低い（Ｅｌｌｉｏｔｔ Ｊ． Ｃ． Ｉｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ ｔｈｅ Ａｐａｔｉｔｅｓ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｃａｌｃｉｕｍ Ｏｒｔｈｏｐｈｏｓｐｈａｔｅｓ， Ｓｔｕｄｉｅｓ ｉｎ Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ １８， Ａｍｓｔｅｒｄａｍ： Ｅｌｓｅｖｉｅｒ， ｐｐ １１１−１９０， １９９４）。生体結晶は、大きさがとても小さい薄い板構造のナノクリスタル（骨の場合は長さ２７．３×幅１５．８ｎｍ， 石灰化軟骨組織の場合は長さ１０３×幅６８ｎｍ）であり、比表面積がとても広いため生体結晶の表面の反応性が高く、代謝活性を示す（Ｈ．−Ｍ．Ｋｉｍ ｅｔ ａｌ．， ｊ． Ｂｏｎｅ−Ｍｉｎｅｒ． Ｒｅｓ． １０： １５８９−１６０１， １９９５； Ｐｏｓｎｅｒ Ａ． Ｓ． ｅｔ． ａｌ． Ｓｋｅｌｅｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ： Ａｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ａｐｐｒｏａｃｈ， Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ： Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， ｐｐ １６７−１９２， １９７９）。
【０００６】
結晶学的な特性が、生体結晶と似た結晶膜を生成するために、カルシウムおよびホスファートイオン溶液を使用して、低温で固体表面に結晶膜を直接形成させる方法が開発された。しかし、過飽和溶液で自発的に起きる沈殿現象のため、イオンを高濃度で維持できず、溶液中の［Ｃａ２＋］×［ＨＰＯ４ ２−］の濃度を６ｍＭ２より高く維持することは困難であった（Ｈ． Ｂ． Ｗｅｎ ｅｔ ａｌ．， Ｊ． Ｂｉｏｍｅｄ． Ｍａｔｅｒ． Ｒｅｓ．， ４１， ２７−２３６， １９９８）。また、このような低い過飽和濃度では、とても限られた狭い範囲の温度及び固体表面の条件でだけ固体表面に結晶膜を生成できる。つまり、温度は、約３７℃程度に維持しなければならず、コーティング工程は、表面の条件によっては、一ヶ月より長い時間がかかった。温度は、結晶膜の結晶学的特徴を決定する要素である。また、温度に敏感な生理活性物質を固体上に生成された結晶にさらにかぶせる場合には、さらに温度を低くしなければならない。したがって、温度を調節したり、さらに低くしなければならない場合には、上記のような方法を使用できない。また、大部分の場合において、電荷を帯びた表面だけ、基質に用いることができた。
【０００７】
本発明者らは、上記の問題点を解決すべく努力の結果、温度を下げたり、それに加えて選択的に適切な緩衝システムを選択することにより、水溶液内でカルシウムホスファート結晶の沈殿反応を抑制し、高濃度のカルシウムイオン及びホスファートイオンの過飽和溶液を製造でき、このように製造した溶液を利用することによって、固体表面上に反応性が良く、結晶性が低く品質が優秀なカルシウムホスファート結晶薄膜を短い時間内に生成でき、このように生成されたカルシウムホスファート結晶薄膜は、生体適合性を持つということを明らかにして、本発明を完成した。
【０００８】
【発明の要旨】
本発明目的は、カルシウムイオンとホスファートイオンの濃度を高く維持できるカルシウムホスファート過飽和溶液の製造方法を提供することである。本発明の他の目的は、上記方法によって得た溶液を利用して、固体表面の上に反応性が良く結晶度が低く、品質が優秀なカルシウムホスファート結晶薄膜を短い時間内に製造する方法を提供することである。
【０００９】
【詳細な説明】
本発明は、
１） カルシウムホスファート結晶または、カルシウムとホスファートの塩を酸性溶液に溶かしてカルシウムイオンとホスファートイオンの高濃度溶液を製造する段階（段階１）、
２） 段階１で製造されたカルシウムイオンとホスファートイオンの高濃度酸性溶液を低い温度で、アルカリ溶液と混合する段階（段階２）、および
３） 溶液中でのさらなる沈殿反応と結晶の成長を抑制するために、段階２で製造された溶液から、沈殿および結晶成長の核として行動し得る無定型カルシウムホスファート微粒子または結晶を除去する段階（段階３）
を含むカルシウムイオンとホスファートイオンの濃度を高く維持できる過飽和カルシウムホスファート溶液の製造方法を提供する。
【００１０】
段階２で、低い温度のために溶液内でのカルシウムホスファートの同種沈殿（ｈｏｍｅｇｅｎｅｏｕｓ ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ）が抑制され、それによって自由イオンが失われないため、以後、カルシウムホスファート薄膜形成に使用できる。また、適切な緩衝システムを使用することによってこのような抑制効果は増進される。
【００１１】
本発明の過飽和カルシウムホスファート溶液の製造には、どのような種類のカルシウム塩とホスファート塩でもすべて使用できる。また、本発明では、どんな種類のカルシウムホスファート結晶でもすべて使用できる。本発明で使用されるカルシウムホスファート結晶は、公知の合成方法によって得ることができる。たとえば、Ｃ． Ｒｅｙ等によって報告されているように（Ｃａｌｃｉｆ． Ｔｉｓｓｕｅ Ｉｎｔ．， ４５， １５７−１６４， １９８９； Ｃａｌｃｉｆ． Ｔｉｓｓｕｅ Ｉｎｔ解除． ４６， １５７−１６４， １９９０）Ｃａ（ＮＯ３）２・４Ｈ２Ｏ を蒸留水に溶かした溶液と（ＮＨ４）２ＨＰＯ４と液体アンモニアを蒸留水に溶かした溶液を急激に混合して濾過し、凍結乾燥させて燐灰石を得ることができる。また、ＣａＣｌ２・２Ｈ２ＯとＫＨ２ＰＯ４を使用して燐灰石を得ることができる。また、本発明に使用される燐灰石結晶は、骨組織から分離することもできる（Ｈ．−Ｍ． Ｋｉｍ等， Ｊ． Ｂｏｎｅ Ｍｉｎｅｒ． Ｒｅｓ． １０， １５８９−１６０１， １９９５）。合成されたカルシウムホスファート結晶を利用する場合は、溶液内に含まれるイオンの種類を、カルシウムイオン、ホスファートイオン、炭酸イオン等、結晶を構成するイオンだけに制限できるという長所がある。また、石灰化組織を酸性溶液で脱石灰して製造された溶液を段階２に使用することもできる。
【００１２】
上記カルシウムホスファート結晶を溶解させるために使用される酸性溶液には、どんな種類の酸も使用できる。たとえば、Ｎ−［２−ヒドロキシエチル］ピペラジン−Ｎ’−［２−エタンスルホン酸］， Ｎ−トリス−［ヒドロキシメチル］メチル−２−アミノエタンスルホン酸， １，４−ピペラジンジエタンスルホン酸， （３−Ｎ−モルホリノ）プロパンスルホン酸， 酢酸のような一般的な有機酸、ＨＣｌ， ＨＢｒ， ＨＩ， Ｈ２ＳＯ４， Ｈ３ＰＯ４， ＨＮＯ３， Ｈ２ＣＯ３のような無機酸またはこれらの混合物を使用できる。好ましくは、ＨＣｌとＮ−［２−ヒドロキシエチル］ピペラジン−Ｎ’−［２−エタンスルホン酸］を使用する。カルシウムホスファート結晶は、アルカリ溶液と混合された溶液状態で、結晶沈殿物の生成が可能な濃度より多く溶解させる。
【００１３】
無定形のカルシウムホスファート微粒子の析出のために、アルカリ溶液をカルシウムホスファートが溶解している酸性溶液に加える。このとき溶液内カルシウムホスファートの沈殿反応を抑制し、自由イオンを高濃度で維持させるためには、両溶液の温度及び反応温度を低く維持しなければならない。好ましくは、０〜３７℃に維持される。
【００１４】
アルカリ溶液としては、ＮａＯＨ， ＫＯＨ， ＬｉＯＨ， Ｃａ（ＯＨ）２， Ｍｇ（ＯＨ）２， ＮＨ４ＯＨのような一般的な無機塩基、トリス［ヒドロキシメチル］アミノメタン、ビス［２−ヒドロキシエチル］アミノトリス［ヒドロキシメチル］メタン、１，３−ビス［トリス（ヒドロキシメチル）メチルアミノ］プロパンのような有機塩基またはこれらの混合物を使用できる。このとき有機緩衝剤を、求めるｐＨ範囲によってまた各緩衝剤の緩衝範囲を考慮して選択する。また、過飽和カルシウムホスファートイオン溶液の製造が可能な境界になる温度は、無機塩基を使用するときより有機塩基を使用するときがより高いかも知れない。
【００１５】
このアルカリ溶液は、混合溶液のｐＨが６．０〜８．０、好ましくは、７．０〜７．６になるように添加する。カルシウムホスファート結晶は、ｐＨによって、生成される結晶学的特性が変化する。したがって、 ｐＨを調整することによって求める型の結晶を得ることができる。ジカルシウムホスファート二水和物の結晶を製造するための過飽和溶液のｐＨは６．０〜６．５に、オクタカルシウムホスファートの結晶を製造するための過飽和水溶液のｐＨは６．５〜６．８に、また生体材料とし広く使用されている燐灰石結晶膜を製造するためにはｐＨを６．８〜８．０にそれぞれ調節する。
【００１６】
その次に、上記溶液を使用して均一な表面を持った燐灰石膜を得るためには、溶液内に生成された無定形カルシウムホスファート微粒子を除去しておくことが好ましい。アルカリ溶液で中和した溶液に含まれる無定形カルシウムホスファート微粒子は、通常の濾過法や遠心分離法で除去できる。濾過法を実行すれば、溶液内の病原菌も同時に除去できるため、後でさらに滅菌する必要がない。
【００１７】
本発明によって製造された過飽和カルシウムホスファート溶液のイオン濃度は、反応条件によって、６．０〜３０．０ ｍＭ２ ［Ｃａ２＋］×［ＨＰＯ４ ２−］である。溶液のイオン濃度が同種沈殿が生じる程度に十分に高い場合であっても、前記工程の温度を下げることによって溶液内の沈殿または結晶の生成は抑制される。しかし、この溶液を固体表面と接触させると、このような沈殿抑制効果を越えて異種沈殿（ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ）により表面に結晶が生成し付着し成長し得る。
【００１８】
さらにこの溶液内の自由イオン濃度はとても高いため、低い温度でも異種沈殿によってたやすく結晶が生成し得る。また、電荷量が小さい表面状態と同様に高いエネルギーが必要な条件下においても異種沈殿によって、たやすく結晶が生成され得る。その結果、今まで開発された方法では結晶を生成させられなかった条件下でもいろいろな材料の表面にカルシウムホスファート結晶膜を形成することができる。
【００１９】
また本発明は、
１） カルシウムホスファート結晶またはカルシウム塩とホスファート塩を酸性溶液に溶かして、カルシウムイオンとホスファートイオンとの高濃度溶液を製造する段階（段階１）、
２） 段階１で製造されたカルシウムイオンとホスファートイオンの高濃度酸性溶液を低い温度で、アルカリ溶液と混合する段階（段階２）、
３） 段階２で製造された溶液から、沈殿および結晶成長の核として行動し得る無定形カルシウムホスファート微粒子または結晶を、溶液中でのさらなる沈殿と結晶の成長を抑えるために除去する段階（段階３）、および
４）段階３で製造された溶液を固体表面に適用し、カルシウムホスファート結晶の薄膜を製造する段階（段階４）
からなるカルシウムホスファート薄膜の製造方法を提供する。
【００２０】
カルシウムホスファート結晶の薄膜は、カルシウムイオンとホスファートイオンの前記過飽和溶液を固体表面に接触させ、それを培養することによって製造できる。
【００２１】
段階４での薄膜形成時の温度は０〜６０℃であり、好ましくは固体表面に結晶が形成される初期段階では０〜３７℃にし、その後この結晶を増殖および成熟させる段階では０〜６０℃である。結晶形成の初期段階、増殖段階および成熟段階の反応時間は、反応条件および固体表面の種類によって変わることがある。
【００２２】
結晶膜を形成する表面は、金属、セラミック、有機ポリマー、ガラス、動物や植物の生体組織表面などの材料の表面が含まれる。たとえば、前記溶液は、骨の成長のための核を提供するだけではなく、薬物および細胞運搬に使用されているポリグリコール酸、ポリラクト酸、ポリ（ラクティン−グリコール酸）共重合体等の多孔性ポリマーに適用しカルシウムホスファート燐灰石薄膜を製造するのに利用することもできる。
【００２３】
また、固体基質に使われる物質の幾何学的構造も制限がない。したがって、平板形、円筒形、立方体、円錐形、角柱またはこれらの複合形状など多様な構造がカルシウムホスファート薄膜を生成するための基質として使用できる。また、その固体表面は、電荷を帯びたものだけではなく電荷を帯びていないものでもよい。
【００２４】
本発明によって製造される過飽和のカルシウムイオンとホスファートイオンの溶液は、温度を下げることによって非常に高濃縮できる。低い温度は、カルシウムホスファートの同種沈殿を抑制する。高濃縮された溶液は、適当な緩衝システム、たとえて言うなら、適当な酸性またはアルカリ性溶液を使用することによってさらに安定化できる。
【００２５】
特に、本発明の高濃縮されたカルシウムホスファートの過飽和溶液の濃度は、以前の技術と比較するととても高く、カルシウムホスファート結晶の薄膜を金属、セラミック、有機高分子、ガラス、動物や植物の組織のような物体のどんな表面にも早く生成することが可能である。また、上記の溶液を使用することによって０〜６０℃という低い温度においても結晶の薄膜を表面に形成できる。あわせて、前記溶液を使用して製造されたカルシウムホスファートの薄膜は、繊維芽細胞， 骨芽細胞， 破骨細胞， 歯根細胞などの、色々な細胞をその表面に付着させ増殖することができるという生体適応性があり、生体物質に応用できる可能性も持っている。
【００２６】
【実施例】
実際的で、望ましい本発明の実施例を下記に記述する。
【００２７】
ただし、下記の実施例は、本発明を例示する為だけのものであり、本発明の内容が実施例によって限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更したり向上させることができる。
＜実施例１＞ 過飽和カルシウムホスファート溶液１の製造
Ｃａ（ＮＯ３）２・４Ｈ２Ｏ １７．７ｍｇを蒸留水２５０ｍｌに溶かした溶液と（ＮＨ４）２ＨＰＯ４ ４０ｍｇと液体アンモニア１ｍｌを蒸留水５００ｍｌに溶かした溶液を急激に混合し濾過し、凍結乾燥させて燐灰石結晶を合成した。燐灰石結晶４００ｍｇを０．２ ＭのＨＣｌ ４０ｍｌに溶解しカルシウムホスファートイオンを含む酸性イオン溶液を製造した。この酸性溶液を０．２ ＭのＨＣｌで稀釈してカルシウムホスファートの濃度が１５％になるようにした。前記溶液を０．２ ＮのＮａＯＨと混合し撹拌してｐＨ７．４のイオン溶液を製造した。前記のすべての溶液の温度は、４℃に維持した。このとき無定形カルシウムホスファートが急激に生成されたが、温度を低くしたため無定形カルシウムホスファート微粒子の生成に参与しなかった自由イオンが残っており、析出した結晶の量は、ゆっくりと減少し、平衡になった。この溶液を４℃で１０分間放置後、０．２ｍｍのフィルターを使用し生成した無定形カルシウムホスファート微粒子を除去し、中和された緩衝溶液（ｎｅｕｔｒａｌｉｚｅｄ ｉｏｎｉｃ ｂｕｆｆｅｒ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を製造した。
【００２８】
製造された溶液は、原子吸収スペクトル法（Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ， 米国）と測色法により、イオンの濃度が１５〜２０ ｍＭ２［Ｃａ２＋］×［ＨＰＯ４ ２−］であり、過飽和溶液であることが確認できた。
【００２９】
このようにして得られた過飽和溶液は、使用するまで４℃で保管した。
＜実施例２＞ 過飽和カルシウムホスファート溶液２の製造
０．２ ＮのＮａＯＨ溶液の代わりに０．２ Ｍトリス［ヒドロキシメチル］アミノメタンを使用してアルカリ溶液を製造し、これを使ってｐＨ７．４のトリス−ＨＣｌ緩衝溶液を製造すること以外は、実施例１と同じ条件でカルシウムホスファート溶液を製造した。
【００３０】
製造された溶液は、原子吸収スペクトル法（Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ， 米国）と測色法により、イオンの濃度が１５〜２０ ｍＭ２［Ｃａ２＋］×［ＨＰＯ４ ２−］であり、過飽和溶液であることが確認できた。
【００３１】
このようにして得られた過飽和溶液は、使用するまで４℃で保管した。
＜実施例３＞ 過飽和カルシウムホスファート溶液３の製造
酸性溶液の種類を代えること以外は、実施例１と同じ条件でカルシウムホスファート溶液を製造した。
【００３２】
酸性溶液には、ＨＣｌの代わりに、Ｎ−［２−ヒドロキシエチル］ピペラジン−Ｎ’−［２−エタンスルホン酸］とＨＣｌを使用して製造した。０．１ ＮのＨＣｌ溶液を ０．２ ＭのＮ−［２−ヒドロキシエチル］ピペラジン−Ｎ’−［２−エタンスルホン酸］溶液に添加して、Ｎ−［２−ヒドロキシエチル］ピペラジン−Ｎ’−［２−エタンスルホン酸］溶液のｐＨは、常に４．０に維持した。カルシウムイオンとホスファートイオンを含む酸性溶液は、０．２ ＮのＮａＯＨ溶液と混合し撹拌して ｐＨ７．４のヘペス（Ｈｅｐｅｓ）緩衝溶液を製造した。
【００３３】
製造された溶液は、原子吸収スペクトル法（Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ， 米国）と測色法により、イオンの濃度が１５〜２０ ｍＭ２［Ｃａ２＋］×［ＨＰＯ４ ２−］であり、過飽和溶液であることが確認できた。
このようにして得られた過飽和溶液は、使用するまで４℃で保管した。
＜実施例４＞ 過飽和カルシウムホスファート溶液４の製造
ＣａＣｌ２・２Ｈ２Ｏ ９３ｍｇとＫＨ２ＰＯ４ ５２ｍｇを直接０．２ ＭのＨＣｌ溶液７５ｍｌに直接溶かすことを除けば、実施例１と同じ条件でカルシウムホスファート溶液を製造した。
【００３４】
製造された溶液は、原子吸収スペクトル法（Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ， 米国）と測色法により、イオンの濃度が１５〜２０ ｍＭ２［Ｃａ２＋］×［ＨＰＯ４ ２−］であり、過飽和溶液であることが確認できた。
【００３５】
このようにして得られた過飽和溶液は、使用するまで４℃で保管した。
＜実施例５＞ 過飽和カルシウムホスファート溶液５の製造
０．２ ＮのＮａＯＨの代わりに０．２ Ｍトリス［ヒドロキシメチル］アミノメタンを使用してアルカリ溶液を製造し、これを使ってｐＨ７．４のトリス−ＨＣｌ緩衝溶液を製造しすること以外は、実施例４と同じ条件でカルシウムホスファート溶液を製造した。
【００３６】
製造された溶液は、原子吸収スペクトル法（Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ， 米国）と測色法によりで測定した結果、イオンの濃度が１５〜２０ ｍＭ２［Ｃａ２＋］×［ＨＰＯ４ ２−］であり、過飽和溶液であることが確認できた。
このようにして得られた過飽和溶液は、使用するまで４℃で保管した。
＜実施例６＞ 過飽和カルシウムホスファート溶液６の製造
酸性溶液の種類を代えること以外は、実施例４と同じ条件でカルシウムホスファート溶液を製造した。
【００３７】
酸性溶液には、ＨＣｌの代わりに、Ｎ−［２−ヒドロキシエチル］ピペラジン−Ｎ’−［２−エタンスルホン酸］とＨＣｌを使用して製造した。０．１ ＮのＨＣｌ溶液を ０．２ ＭのＮ−［２−ヒドロキシエチル］ピペラジン−Ｎ’−［２−エタンスルホン酸］溶液に添加して、Ｎ−［２−ヒドロキシエチル］ピペラジン−Ｎ’−［２−エタンスルホン酸］溶液のｐＨは、常に４．０に維持した。カルシウムイオンとホスファートイオンを含む酸性溶液は、０．２ ＮのＮａＯＨ溶液と混合し撹拌して ｐＨ７．４のヘペス緩衝溶液を製造した。
【００３８】
製造された溶液は、原子吸収スペクトル法（Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ， 米国）と測色法により、イオンの濃度が１５〜２０ ｍＭ２［Ｃａ２＋］×［ＨＰＯ４ ２−］であり、過飽和溶液であることが確認できた。
【００３９】
このようにして得られた過飽和溶液は、使用するまで４℃で保管した。
＜実施例７＞ 燐灰石１の薄膜の製造
実施例１で製造した過飽和溶液を培養皿（Ｃｏｒｎｉｎｇ， 米国）に注いだ後、８℃に維持された恒温槽に２時間置いた。その後、温度を２０℃まで上げてこの温度で２４時間さらに放置して薄膜を生成させた。
【００４０】
カルシウムホスファート燐灰石結晶で構成された薄膜は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ） （８４０Ａ， ＪＥＯＬ， 日本）で観察した。表面を１０，０００倍に拡大したＳＥＭ写真を図１に示す。図１から分かるように本発明の方法によって製造された燐灰石薄膜は、結晶の大きさが均一であり安定した構造を持っていた。培養皿の上に生成された結晶の大きさは、長さが１６．７±３．７ｎｍ、幅が１２．２±２．４ｎｍ（ｎ＝５０）であった。
【００４１】
培養皿の表面から掻出した結晶を掻出し、１００ｍＡ、５０ｋＶでパウダーＸ線回折（ＸＲＤ）（ＭＸＰ１８， Ｍａｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ， 日本）により分析した。その結果、薄膜には燐灰石以外の他の層のカルシウムホスファート結晶はなく、この燐灰石結晶は、骨結晶と類似して低い結晶度を持っているということが分かった（表１参照）。このように結晶の大きさが極度に小さくなることによって比表面積が広くなり、それによって燐灰石結晶の表面の反応性が高くなり、細胞または有機環境下で高い相互作用が可能になった。
【００４２】
【表１】
＜実施例８〜１２＞ 燐灰石２〜６の薄膜の製造
実施例２〜６で製造した溶液を使用して、実施例７と同じ条件でそれぞれ燐灰石薄膜を製造した。
【００４４】
このように製造された燐灰石薄膜のＳＥＭ写真は、実施例７で製造された薄膜のＳＥＭ写真と類似していた。つまり、製造された燐灰石薄膜の結晶の大きさは均一で安定した構造を持っていた。
＜実施例１３＞ 燐灰石１の薄膜の製造および生体適合性試験
培養皿の代わりにポリラクチン９１０ （ｖｉｃｒｙｌ）繊維を使用することを除けば、実施例７と同じ条件で燐灰石薄膜を製造した。その後、燐灰石薄膜が形成されたその繊維を繊維芽細胞Ｌ９２９（ＡＴＣＣ ＮＣＴＣ ｃｌｏｎｅ ９２９）培養液内に入れて、空気９５％と二酸化炭素５％を供給するＣＯ２恒温槽中、３７℃で培養した。３日後この繊維をＳＥＭ（×１，３００）で観察した。
【００４５】
図２に示されるように、細胞がカルシウムホスファート燐灰石の薄膜上に均一で安定に付着し、増殖した。その結果、本発明によって製造されるカルシウムホスファート燐灰石薄膜は、生体適合性があることが確認できた。
＜実施例１４〜１８＞ 燐灰石２〜６の薄膜の製造および生体適合性試験
実施例２〜６で製造した溶液を使用して、実施例１３と同じ条件でそれぞれ燐灰石薄膜を製造した。その後、上記燐灰石薄膜上に実施例１３と同じ条件で繊維芽細胞を培養した。
【００４６】
このように製造された燐灰石薄膜のＳＥＭ写真は、実施例１３で製造された薄膜のＳＥＭ写真と類似していた。つまり、細胞がカルシウムホスファート燐灰石の薄膜上に均一で安定に付着し、増殖した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によって製造された燐灰石結晶薄膜の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の写真（×１０，０００）を示したものである。
【図２】繊維表面に形成された本発明の燐灰石結晶薄膜上で培養された細胞の走査電子顕微鏡写真（×１，３００）を示したものである。
Claims (10)
1)カルシウムホスファート結晶または、カルシウムとホスファートの塩を無機酸溶液または無機酸と有機酸の混合溶液に溶かしてカルシウムイオンとホスファートイオンの高濃度溶液を製造する段階(段階1)、
2)段階1で製造されたカルシウムイオンとホスファートイオンの高濃度酸性溶液を０〜３７℃の温度で、アルカリ溶液と混合し、ｐＨを６．０〜８．０にする段階(段階2)、および
3)溶液中でのさらなる沈殿反応と結晶の成長を抑制するために、段階2で製造された溶液から、沈殿および結晶成長の核として行動し得る無定形カルシウムホスファート微粒子または結晶を除去する段階(段階3)
を含むカルシウムイオンとホスファートイオンの濃度を高く維持できる過飽和カルシウムホスファート溶液の製造方法。
2)段階1で製造されたカルシウムイオンとホスファートイオンの高濃度酸性溶液を０〜３７℃の温度で、アルカリ溶液と混合し、ｐＨを６．０〜８．０にする段階(段階2)、および
3)溶液中でのさらなる沈殿反応と結晶の成長を抑制するために、段階2で製造された溶液から、沈殿および結晶成長の核として行動し得る無定形カルシウムホスファート微粒子または結晶を除去する段階(段階3)
を含むカルシウムイオンとホスファートイオンの濃度を高く維持できる過飽和カルシウムホスファート溶液の製造方法。
無機酸は、HCl, HBr, HI, H2SO4, H3PO4, HNO3およびH2CO3からなる群より選ばれ、有機酸は、N-[2-ヒドロキシエチル]ピペラジン-N'-[2-エタンスルホン酸]、N-トリス-[ヒドロキシメチル]メチル-2-アミノエタンスルホン酸、1,4-ピペラジンジエタンスルホン酸、(3-N-モルホリノ)プロパンスルホン酸および酢酸からなる群より選ばれることを特徴とする請求項１記載の過飽和カルシウムホスファート溶液の製造方法。
段階2のアルカリ溶液は、無機塩基、有機塩基またはそれらの混合物を使用して製造することを特徴とする請求項１記載の過飽和カルシウムホスファート溶液の製造方法。
無機塩基は、NaOH, KOH, LiOH, Ca(OH)2, Mg(OH)2およびNH4OHからなる群より選ばれ、有機塩基は、トリス[ヒドロキシメチル]アミノメタン、ビス[2-ヒドロキシエチル]アミノトリス［ヒドロキシメチル]メタンおよび1,3-ビス［トリス(ヒドロキシメチル)メチルアミノ]プロパンからなる群より選ばれることを特徴とする請求項３記載の過飽和カルシウムホスファート溶液の製造方法。
段階3の無定形カルシウムホスファート微粒子または結晶は、多孔質フィルターによる濾過または遠心分離で除去することを特徴とする請求項１記載の過飽和カルシウムホスファート溶液の製造方法。
請求項１記載の方法により製造された過飽和カルシウムホスファート溶液を使用し、固体表面にコーティングすることを特徴とするカルシウムホスファート結晶薄膜の製造方法。
温度は、0〜60℃であることを特徴とする請求項６記載のカルシウムホスファート結晶薄膜の製造方法。
結晶形成の初期段階温度は、0〜37℃であり、結晶の増殖および成熟段階の温度は、0〜60℃であることを特徴とする請求項７記載のカルシウムホスファート結晶薄膜の製造方法。
固体表面は、電荷を帯びまたは電荷を帯びていないことを特徴とする請求項６記載のカルシウムホスファート結晶薄膜の製造方法。
固体表面は、金属、セラミックス、有機高分子、ガラス、動物または植物の生体組織からなる群より選ばれる材料の表面であることを特徴とする請求項６記載のカルシウムホスファート結晶薄膜の製造方法。
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