JP3896436B2

JP3896436B2 - 水酸アパタイト皮膜の製造方法

Info

Publication number: JP3896436B2
Application number: JP35620797A
Authority: JP
Inventors: 善之横川; 哲也亀山; ゆかり河本; かおり西澤; 夫久江永田; 泰志墨; 光史岡田; 雅彦奥山
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1997-12-08
Filing date: 1997-12-08
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2017-12-08
Also published as: JPH11171515A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定の２種類或いは３種類の水溶液を用い、必要に応じて特定の条件の下に、基材の表面に水酸アパタイト皮膜を製造する方法に関する。本発明の方法によれば、各種の基材の表面に生体活性に優れる水酸アパタイト皮膜を形成することができ、各種の医療用具、医療用材等に応用することができる。また、織物、不織布等を基材として、それらを構成する繊維の表面に水酸アパタイト皮膜を形成し、マスク及び各種のフィルタ材等とすることもできる。
【０００２】
【従来の技術】
基材の表面に水酸アパタイト皮膜を形成する方法としては、プラズマ溶射法（特開昭６２−３４５５９号公報、特開昭６２−５７５４８号公報、特開昭６３−１６０６６３号公報）、カルシウムとリンとを含む溶液又は化合物を基材の表面に塗布し、焼結させる方法（特開昭６２−２３１６６９号公報、特開昭６３−２４９５２号公報、特開昭６３−４６１６５号公報）等が挙げられる。また、スパッタリング法（特開昭５８−１０９０４９号公報）、フレーム溶射法（日本セラミックス協会１９８８第１回秋季シンポジウム講演予稿集ｐ．ｐ．４０１- ４０２) 、ガラスフリットによる焼付法〔第９回バイオマテリアル学会大会予稿集（１９８７）ｐ．６〕、電気泳動法（日本セラミックス協会１９８８第１回秋季シンポジウム講演予稿集ｐ．ｐ．４１７−４１８) なども知られている。
【０００３】
更に、生体における骨形成のメカニズムを模倣し、基材の表面に予め水酸アパタイトの核生成を誘導するサイトを導入した後、これを擬似体液に浸漬して核を成長させる方法も提案されている。この核生成誘導サイトを導入する方法としては、生体活性ガラスを用いる方法（特開平４−１４１１７７号公報、特開平６−２９３５０６号公報、特公平６−２９１２６号公報、特公平７−２４６８６号公報）、及び基材をリン酸エステル化する方法（特開平８−２６０３４８号公報）等がある。
【０００４】
しかしながら、プラズマ溶射法等、高温での処理を必要とする方法では、有機高分子材料などからなる耐熱性の低い基材には適用が難しい。また、形成される水酸アパタイト皮膜が、生体におけるアパタイトとは異なる種類のものである等の問題もある。一方、生体における骨形成のメカニズムを模倣した方法では、セラミックス等の耐熱性の高い材料ばかりでなく、有機高分子材料等の耐熱性の低い材料からなる基材であっても、生体におけるとほぼ同様のアパタイト皮膜を形成させることができる。しかし、生体活性ガラスを用いて、アパタイト核の誘導サイトを基材の表面に導入する方法では、ＣａＯ−ＳｉＯ₂系のガラスを溶融し、これを粉砕、分級して所要のガラス粒子を調製する必要がある。また、基材をリン酸エステル化する方法では、基材をリン酸エステル化した後、部分的に加水分解するといった工程が必要であり、何れにしても面倒な操作を要する。
【０００５】
そこで、本発明者らは、先に、これらの面倒な操作を必要としない水酸アパタイト皮膜の形成方法を提案した。即ち、基材を、少なくともカルシウムとリンとを含む水溶液に浸漬した後、これを水溶液から取り出し、乾燥する工程と、乾燥後の基材を、実質的に飽和乃至過飽和濃度の水酸アパタイト成分が溶解した水溶液に浸漬する工程によって、基材の表面に水酸アパタイト皮膜を形成させるものである。この方法によれば簡易な操作で水酸アパタイトを析出させることができる。しかし、基材が大きい場合など、その全表面に水酸アパタイトを十分に析出させることができなかったり、或いは均一に析出させることができないことがある。これは、乾燥工程において、水酸アパタイト核を誘導するサイトであるリン酸カルシウム塩が、基材の表面に均一に析出しないためであると考えられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来の問題を解決するものであり、少なくともカルシウムとリンとを含む水溶液等、特定の２種類或いは３種類の水溶液を用いて、特に高温での処理を要することなく、基材の表面に水酸アパタイト皮膜を形成するものである。このように、本発明は、耐熱性の低い基材にも容易に適用することができ、また、基材の大小にかかわらず、その表面に均一な水酸アパタイト皮膜を形成することができる水酸アパタイト皮膜の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１発明の水酸アパタイト皮膜の製造方法は、少なくともカルシウムとリンとを含む第１水溶液に基材を浸漬した後、該第１水溶液から該基材を取り出して乾燥する第１工程と、乾燥後の上記基材をアルカリ性の第２水溶液に浸漬する第２工程と、を備え、上記基材の表面に水酸アパタイト皮膜を形成させることを特徴とする。さらに、第１発明は、上記第２水溶液が、水酸アパタイト成分を含まないアルカリ性水溶液であることも特徴とする。
【０００８】
また、第２発明の水酸アパタイト皮膜の製造方法は、少なくともカルシウムとリンとを含む第１水溶液に基材を浸漬した後、該第１水溶液から該基材を取り出して乾燥する第１工程と、乾燥後の上記基材をアルカリ性の第２水溶液に浸漬する第２工程と、該第２水溶液から取り出した上記基材を、実質的に飽和乃至過飽和濃度のアパタイト成分を含有する第３水溶液に浸漬する第３工程と、を備え、上記基材の表面に水酸アパタイト皮膜を形成させることを特徴とする。さらに、第２発明は、上記第２水溶液が、水酸アパタイト成分を含まないアルカリ性水溶液であることも特徴とする。
【０００９】
上記「第１水溶液」は酸性、中性、アルカリ性のいずれであってもよいが、第４発明のように、そのｐＨを酸性領域、特に「１〜５」の酸性領域に調整することが好ましい。リン酸カルシウム塩は中性からアルカリ性の領域においては水に対する溶解度が低いが、酸性領域においては溶解度が著しく高くなる。そのため、第１水溶液を酸性の溶液とすれば、カルシウムとリンとを高濃度で含む水溶液とすることができる。それによって、より多くのリン酸カルシウム塩を析出させることができ、基材の表面に均一な水酸アパタイト皮膜を形成することができる。
【００１０】
また、上記「第２水溶液」としては、水酸アパタイト成分を含まないアルカリ性の水溶液であれば何を使用してもよい。例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、アンモニア等を水に溶解した液を用いることができる。この第２水溶液のｐＨは８〜１４、特に９〜１２の範囲が好ましい。更に、上記「第２工程」における水酸アパタイトの析出をより均一にするため、上記「第１工程」において、第５発明のように、第１溶液に浸漬中の基材に「超音波を照射」することが好ましい。この超音波の照射によって基材の細部にまで溶液が浸入する。それによって、乾燥後、細部にまでリン酸カルシウム塩が付着した基材を得ることができ、これを第２水溶液に浸漬することによって、より均一な水酸アパタイト皮膜を形成することができる。
【００１１】
尚、第１及び第２工程は１０〜５０℃程度の温度において実施することができ、常温付近、即ち、２０〜３５℃において操作することができる。このように、第１及び第２工程は、加熱も冷却も特に必要とはせず、簡易な装置で、容易に実施することができる。また、浸漬時間は温度にもよるが特に限定はされず、第１工程は数分から数時間、第２工程は数時間から数十時間とすることができる。
【００１２】
基材は親水性であることが好ましい。基材が疎水性である場合は、水溶液が基材に十分に濡れないため、リン酸カルシウムが均一に付着しないことがある。この基材の表面を水溶液に濡れ易くするため、第６発明のように、「親水基」を有する基材を使用するか、第７発明のように、基材の表面に予め「親水基」を導入しておくことが好ましい。また、第８発明のように、基材の表面を予め「粗面化」しておくことによって、基材の表面を水に濡れ易くすることもできる。このようにして基材の表面の親水性を向上させることによって、より均質な水酸アパタイト皮膜を形成することができる。
【００１３】
第１及び第２発明において、上記「基材」は特に限定されず、金属、セラミックス、有機高分子材料など、いずれも用いることができる。本発明では、高温での処理を必要としないため、特に、第９発明のように、上記「有機高分子材料」のような、耐熱性が低く、高温での処理によって変質してしまう材料からなる基材にも適用することができる。このような耐熱性の低い基材としては、各種の天然繊維、合成繊維からなる織布、不織布、編み物及びフェルト等の布地が挙げられる。また、ポリウレタン、ポリスチレン及びポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンなど、各種の樹脂からなる連泡型の発泡体を使用することもできる。更に、ポリエチレン、ポリプロピレン等からなる多孔質フィルム及び多孔質中空糸膜を用いることもできる。このような基材を使用することにより、各種のフイルタ材等を得ることができる。
【００１４】
本発明では、第１発明のように、第１工程と第２工程とによって、基材の表面に、実用上、十分な性能を有する水酸アパタイト皮膜を形成することができる。また、第２発明のように、第１発明の第２工程に続いて上記「第３工程」を実施することによって、基材の表面に水酸アパタイトをより均一に、且つ多量に析出させることができる。
【００１５】
この第３工程において用いられる上記「第３水溶液」は、第１０発明のように、そのｐＨを「５〜９」とすることが好ましい。このｐＨが５未満では、水酸アパタイトが水に溶解してしまって、却って皮膜が薄くなってしまうことがある。また、ｐＨが９を越えると、溶液中に水酸アパタイトの沈殿が生成し、選択的に基材の表面に析出させることが難しくなる。更に、第１１発明のように、第３水溶液として「１〜１．５倍濃度」の「擬似体液」を用いることが好ましい。この程度の濃度の擬似体液では、そのイオンの状態が長時間安定に保たれるため好ましい。
【００１６】
また、第３水溶液の温度は、第１２発明のように「１０〜７０℃」の範囲とすることが好ましい。この液温が１０℃未満では、水酸アパタイトの析出量が極端に低下する。一方、液温が７０℃を越えると、水酸アパタイトではなく、第三リン酸カルシウム（ＴＣＰ）等、他のリン化合物が生成する。この第３水溶液の温度は２０〜６０℃、特に２５〜４５℃とすることが好ましい。この範囲の液温であれば、所要量の水酸アパタイトを析出させることができる。尚、第３水溶液への浸漬時間は特に限定はされないが、数日間程度とすることができる。
【００１７】
本発明の方法によって基材の表面に水酸アパタイト皮膜が形成されるメカニズムは明らかではないが、以下のように推察される。
先ず、第１工程において、第１水溶液が付着した基材を乾燥させると、溶液の濃度が高くなり、溶液中に含まれるＣａ²⁺とＨ₂ＰＯ₄ ^1-又はＨＰＯ₄ ^2-がリン酸カルシウム塩として基材の表面に析出する。このリン酸カルシウム塩は酸性塩であるＣａ（Ｈ₂ＰＯ₄）₂として析出する。
【００１８】
その後、乾燥させた基材をアルカリ性の第２水溶液に浸漬すると、Ｃａ（Ｈ₂ＰＯ₄）₂は易溶性であるため一旦溶液中に溶解する。しかし、基材近傍ではリン酸或いはカルシウムイオンの濃度が上昇し、過飽和となり、また、リン酸カルシウムはアルカリ領域では極めて溶解度が低いため、直ちに弱アルカリ塩である水酸アパタイトとなって析出し、基材の表面に水酸アパタイト皮膜が形成される。次いで、この基材を第３水溶液に浸漬すると、第２工程で形成された水酸アパタイト皮膜に溶液中のＣａ²⁺とＨＰＯ₄ ^2-が取り込まれることにより、この水酸アパタイト皮膜が厚くなっていく。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、実施例によって本発明を詳しく説明する。
実施例１
第１工程；先ず、塩酸水溶液にＴＣＰを２５ミリモル／リットルの濃度となるように溶解し、第１水溶液を調製した。この水溶液のｐＨは約２であった。この酸性の水溶液２０ミリリットルを超音波洗浄機の浴槽内に入れ、１００％セルロースの織物からなる重量約０．０３ｇの基材を浸漬した。水溶液の温度は２５℃とした。浸漬時間は１０分とし、その間、基材に超音波を照射した。その後、基材を洗浄機から取り出し、その表面に水溶液が付着したまま６０℃に調温された恒温槽に入れて乾燥した。
【００２０】
第２工程；乾燥後の基材を濃度１Ｎの水酸化ナトリウム水溶液に、２５℃で２４時間浸漬した。この第２工程の操作によって、基材のほぼ全面に水酸アパタイト皮膜が形成された（図１の「第２工程後」を参照）。また、この基材の重量は約０．００５ｇ増加しており、これは形成された水酸アパタイト皮膜の重量である。
【００２１】
実施例２
第２工程における第２水溶液を濃度１Ｎのアンモニウム水溶液に代えた他は実施例１と同様にして操作した。その結果、基材のほぼ全面に水酸アパタイト皮膜が形成された。この基材の重量は約０．００７ｇ増加していた。
実施例３
第２工程における第２水溶液を飽和濃度の水酸化カルシウム水溶液に代えた他は実施例１と同様にして操作した。その結果、基材のほぼ全面に水酸アパタイト皮膜が形成された。この基材の重量は約０．００３ｇ増加していた。
【００２２】
実施例４
第１水溶液を約２００ミリリットル使用し、約１．５ｇの基材を用いた他は実施例２と同様にして操作した。その結果、基材のほぼ全面に水酸アパタイト皮膜が形成された。この基材の重量は約０．１５ｇ増加していた。このように本発明の方法では、大きな基材であっても、水酸アパタイトが十分に、且つ均一に析出することが分かる。
実施例５
１００％セルロースの不織布からなる重量約０．１４ｇの基材を使用した他は実施例４と同様にして操作した。その結果、基材のほぼ全面に水酸アパタイト皮膜が形成された。この基材の重量は約０．０１ｇ増加していた。
【００２３】
実施例６〜８
実施例１〜３において得られた水酸アパタイト皮膜が形成された基材を、表１のイオン組成及びイオン濃度を有する第３水溶液（１．５倍濃度の擬似体液に相当する。）２５０ミリリットルにそれぞれ浸漬した。この第３水溶液のｐＨは、トリスヒドロキシメチルアミノメタンと塩酸によって約７．２に調整した。水溶液の温度を３６．５℃とし、４８時間浸漬した。その後、基材を取り出し、水洗後６０℃で乾燥した。この第３工程の操作によって、基材のほぼ全面により多量の水酸アパタイトが析出し、厚い皮膜が形成された（図１の「第３工程後」を参照）。これらの基材の重量はそれぞれ約０．０２８ｇ、０．０２６ｇ及び０．０２６ｇ増加しており、これは形成された水酸アパタイト皮膜の重量である。このように、第３工程を経ていない実施例１〜３の場合に比べて水酸アパタイトの析出量が著しく増大していることが分かる。
【００２４】

【００２５】
実施例９
実施例４において得られた水酸アパタイト皮膜が形成された基材を、上記と同様にしてｐＨ調整された第３水溶液２リットルに同じ温度で７日間浸漬した他は実施例６〜８と同様にして第３工程を実施した。この操作により基材のほぼ全面に水酸アパタイト皮膜が形成された。この基材の重量は約０．５１ｇ増加していた。
【００２６】
実施例１０
実施例５において得られた水酸アパタイト皮膜が形成された基材を、上記と同様にしてｐＨ調整された第３水溶液２５０ミリリットルに同じ温度で５日間浸漬した他は実施例６〜８と同様にして第３工程を実施した。この操作により基材のほぼ全面に水酸アパタイト皮膜が形成された。この基材の重量は約０．０８ｇ増加していた。
【００２７】
図１は、水酸アパタイト皮膜を形成する前の基材の表面（「基材のみ」と表記）、及び実施例１において第１工程を実施した後の基材の表面、並びに第２工程を実施した後の、基材の表面に水酸アパタイト皮膜が形成された積層体の表面（「第１工程後」及び「第２工程後」と表記）のＸ線回折のチャートである。また、実施例６において実施例１の水酸アパタイト皮膜が形成された基材を用いた場合の、第３工程を実施した後の積層体の表面（「第３工程後」と表記）のＸ線回折のチャートである。図１によれば、基材のみ及び第１工程後では、水酸アパタイトの回折ピークはまったく現れていない。一方、第２工程後では、水酸アパタイトの２本の回折ピーク（２θ＝２６°及び３２°）が明らかに観察される。更に、第３工程後では、これらピークの回折強度が非常に大きくなっており、これによっても水酸アパタイトの析出量の増大が裏付けられている。
【００２８】
比較例１
第１水溶液として、上記の実施例６〜１０において第３水溶液として用いたものを使用し、この水溶液２００ミリリットルに、１００％セルロースの織物からなる重量約１．５ｇの基材を浸漬した。水溶液の温度は２５℃とした。浸漬時間は１０分とし、水溶液から取り出した基材を６０℃で乾燥した。その後、第２水溶液として、上記と同様に実施例６〜１０において第３水溶液として用いたものを使用し、基材を、３６．５℃に調温されたこの水溶液２リットルに１０日間浸漬した。しかし、この操作によっては基材のほぼ全面に均一に水酸アパタイト皮膜を形成することができず、水酸アパタイトが基材表面の一部のみに析出し、皮膜が偏在していた。また、この基材の重量は約０．２４ｇ増加しており、これは不均質ではあるが、形成された水酸アパタイト皮膜の重量である。
【００２９】
比較例２
基材を１００％セルロースの不織布０．１４ｇとし、第２水溶液として上記と同様にしてｐＨ調整された第３水溶液２５０ミリリットルを用い、６日間浸漬した他は比較例１と同様にして操作した。しかし、この操作では水酸アパタイト皮膜は形成されず、基材の重量にも変化はなかった。
比較例３
アンモニウム水溶液に浸漬する第２工程を実施しなかった他は実施例１０と同様にして操作した。しかし、この操作では水酸アパタイト皮膜は形成されず、基材の重量にも変化はなかった。
【００３０】
【発明の効果】
第１発明の水酸アパタイト皮膜の製造方法によれば、特に、合成繊維等からなる織布、不織布等、耐熱性の低い基材であっても、その表面に容易に水酸アパタイト皮膜を製造することができる。また、第２発明のように、更に、工程を増やすことによって、水酸アパタイトの析出量を増大させることができ、より厚い水酸アパタイト皮膜を確実に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１及び第２発明において、水酸アパタイト皮膜を形成する前の基材の表面、及び第１工程を実施した後の基材の表面、並びに第２工程、更には第３工程を実施した後の、基材の表面に水酸アパタイト皮膜が形成された積層体の表面のＸ線回折のチャートである。

Claims

少なくともカルシウムとリンとを含む第１水溶液に基材を浸漬した後、該第１水溶液から該基材を取り出して乾燥する第１工程と、乾燥後の上記基材をアルカリ性の第２水溶液に浸漬する第２工程と、を備え、上記基材の表面に水酸アパタイト皮膜を形成させる水酸アパタイト皮膜の製造方法であって、
上記第２水溶液が、水酸アパタイト成分を含まないアルカリ性水溶液であることを特徴とする水酸アパタイト皮膜の製造方法。
少なくともカルシウムとリンとを含む第１水溶液に基材を浸漬した後、該第１水溶液から該基材を取り出して乾燥する第１工程と、乾燥後の上記基材をアルカリ性の第２水溶液に浸漬する第２工程と、該第２水溶液から取り出した上記基材を、実質的に飽和乃至過飽和濃度のアパタイト成分を含有する第３水溶液に浸漬する第３工程と、を備え、上記基材の表面に水酸アパタイト皮膜を形成させる水酸アパタイト皮膜の製造方法であって、
上記第２水溶液が、水酸アパタイト成分を含まないアルカリ性水溶液であることを特徴とする水酸アパタイト皮膜の製造方法。
上記第２水溶液が、水酸化ナトリウム水溶液、アンモニウム水溶液、又は水酸化カルシウム水溶液である請求項１又は２記載の水酸アパタイト皮膜の製造方法。
上記第１水溶液のｐＨが１〜５である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の水酸アパタイト皮膜の製造方法。
上記第１水溶液に浸漬中の上記基材に、超音波を照射する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の水酸アパタイト皮膜の製造方法。
上記基材が親水基を有している請求項１乃至５のいずれか１項に記載の水酸アパタイト皮膜の製造方法。
上記基材の表面に親水基が導入されている請求項１乃至６のいずれか１項に記載の水酸アパタイト皮膜の製造方法。
上記基材の表面が粗面化されている請求項１乃至７のいずれか１項に記載の水酸アパタイト皮膜の製造方法。
上記基材が有機高分子材料からなるものである請求項１乃至８のいずれか１項に記載の水酸アパタイト皮膜の製造方法。
上記第３水溶液のｐＨが５〜９である請求項２記載の水酸アパタイト皮膜の製造方法。
上記第３水溶液が１〜１．５倍濃度の擬似体液である請求項２又は１０記載の水酸アパタイト皮膜の製造方法。
上記第３水溶液の温度が１０〜７０℃である請求項２、１０又は１１記載の水酸アパタイト皮膜の製造方法。