JP3959564B2 - 表層から芯部まで多孔質アパタイトに転換された固体物質の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は表層から芯部まで多孔質アパタイトに転換された固形物質の製造方法に関する。アパタイトは、脊椎動物の骨や歯の主成分に類似した化学組成を有し、生体親和性に優れていることから、骨や歯の修復材などとして使用されているが、特に多孔質のものは生体高分子や生体有害有機又は無機イオンの吸着材、薬剤徐放担持体、微生物や酵素の担持体、トリクレン等有機塩素化合物の無害化分解触媒として有用な材料である。
【０００２】
【従来の技術】
アパタイトは、一般式Ａ₁₀（ＭＯ₄ ）₆ Ｘ₂ （ここでＡはＣｕ，Ｂａ，Ｍｇ，Ｓｒ，Ｐｂ，Ｃｄ，Ｚｎ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ａｌ，Ｌａなどの１、２、３価の陽イオン、ＭはＰ，Ａｓ，Ｖ，Ｓ，Ｓｉなど、ＸはＦ，ＯＨ，Ｃｌ，Ｏなど）の組成を持つ鉱物の総称である。この中で生体と最も関係が深いのはＣａ₁₀（ＰＯ₄)₆(ＯＨ)₂で表わされるハイドロキシアパタイトである。ハイドロキシアパタイトは一般式Ｃａ₁₀（ＰＯ₄)₆(ＯＨ)_2-x・ｎＨ₂ Ｏ（０≦ｎ≦２．５，０≦ｘ≦２．５）であり、カルシウム及び（ＯＨ）基は不定比性を持つことが知られている。
【０００３】
アパタイト硬化体は通常ハイドロキシアパタイト粉を９００〜１１００℃、１０ＭＰａ程度のホットプレス条件下で焼結し、圧縮強度１００ＭＰａ程度の硬化体を得ている。多孔質アパタイトの製造方法としては、リン酸カルシウムセメントの水硬反応を利用する方法、粒度調整したアパタイト粒子又はそれにポリマー粒子を混合して成形・燒結する方法が知られている。しかし前者ではセメント粉体の製造で、後者では燒結で、それぞれ高温過程を必要とし、コスト高になる問題が指摘され、より簡便・廉価なプロセスの開発が要望されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、生体高分子や生体有害有機又は無機イオンの吸着材、薬剤徐放担持体、微生物や酵素の担持体などとして利用される表層から芯部まで多孔質アパタイトに転換された固体物質を、高温過程を経ることなく、簡便に製造する方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る表層から芯部まで多孔質アパタイトに転換された固体物質の製造方法は、珪灰石（ウォラストナイト）または石膏の水和硬化体を、水溶液中のリン酸イオン濃度が０．１モル／Ｌ（リッター）以上、ｐＨ７．０以上の水溶液と接触させて反応させることで、前記珪灰石（ウォラストナイト）または石膏の水和硬化体の表層から芯部まで、特定の厚さと巾を有する六角板状のアパタイトであって、その結晶粒子間に所定の隙間を有し且つ細孔を有し、そして亀裂のない多孔質アパタイトに転換することを特徴とする。
【０００６】
例えば石膏の水和硬化体（二水石膏）は、リン酸イオンを含む水溶液としてリン酸水素二アンモニウム水溶液を使用した場合、次のような反応でアパタイトへ転化する。
(10-x)CaSO₄・2H₂O+6(NH₄)₂HPO₄+nH₂O
→ Ca_10-xH_x(PO₄)₆(OH)_2-x・nH₂O+6(NH₄)₂SO₄+(4-x)H₂SO₄+(18-x)H₂O
ここで、生成系の初めの化学式はアパタイトの一般示性式で、０≦ｎ≦２．５；０≦Ｘ≦２．５である。
【０００７】
出発原料となるカルシウム含有固体物質としては、珪灰石（ウォラストナイト）または石膏の水和硬化体などの人工原料又はこれに更に骨材や補強材を加えたもののいずれであっても良い。出発原料の形状としては、粉粒状、破砕物状、繊維状、板状、ブロック状など、任意の形状で良い。
【０００８】
アパタイトの生成反応はｐＨが７．０以上の中性又は塩基性領域で進行する。ｐＨ変動が酸性領域にまで及ばないように反応液のｐＨを高目にしておくこと、及び反応液量を多くしておくことが必要である。水溶液中のリン酸イオンの濃度は、出発原料中のカルシウム分をアパタイトへ転換するに充分であれば特に規定されるものではないが、０．１モル／Ｌ（リッター）以上、好ましくは０．５モル／Ｌ以上、更に好ましくは１．０モル／Ｌ以上、２．５モル／Ｌまでの範囲とすることが望ましい。ｐＨが７．０未満の酸性の場合は完全なアパタイトへの転換が得られず、酸性域で安定なリン酸水素カルシウム（ＣａＨＰＯ₄ 、鉱物名：モネタイト）を副生する。しかし反応の初期にｐＨ７．０未満の酸性領域であることは差し支えない。だがその場合は、反応中にアルカリを添加してｐＨを７．０以上にすることが必要である。
【０００９】
反応温度は特に限定されないが、アパタイトへの転換反応を速めるため、６０℃以上、好ましくは８０℃以上とするのが良い。
【００１０】
反応時間は、リン酸イオン濃度、反応温度及び多孔質アパタイト化された表層の所望の厚さにより異なるので、一定の基準を定めることはできないが、通常数時間から数日の範囲である。
【００１１】
リン酸イオンを含み且つｐＨが７．０以上の水溶液としては、正リン酸の水溶液にアンモニア、水酸化ナトリウム及び水酸化カリウムの内の少なくとも１種を加えてｐＨを７．０以上に調整したもの、或はリン酸二水素アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム、リン酸二水素ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸二水素カリウム及びリン酸水素二カリウムよりなる群から選ばれる少なくとも１種の水溶液で、必要に応じてアルカリ性物質を添加してｐＨを調整したものが使用できる。
【００１２】
本発明により生成するアパタイトは厚さ０．３μｍ以下、巾２．０〜１０μｍの六角板状のアパタイト特有の結晶で、その結晶粒子間の隙間は０．５から０．７μｍの多孔質である。
【００１３】
このようにして製造された多孔質アパタイトを少なくとも表層に有する固体物質は、数μｍオーダーの細孔を有するので、細菌、微生物、酵素類の担持体、アパタイトが持つ多様なイオン交換能を利用した、例えば浄水剤、薬剤除去剤などに有用である。
【００１４】
カルシウム含有固体物質からアパタイトへの転換反応は、カルシウム含有固体物質の外側から内部に向かってアパタイト化が進行する拡散ないしは界面反応律速型の反応である。この際、転換反応過程における応力歪みの発生の問題と、表層のみをアパタイト化した場合における芯部のカルシウム含有固体物質と生成したアパタイト結晶の親和性の問題がある。
【００１５】
粉粒体の表層のみをアパタイト化する場合は参考例１〜４のように比較的低温（７０〜１００℃）で短時間の反応で良いので応力歪みの発生の問題は考慮しなくても良い。石膏、ポルトランドセメント、ケイ酸カルシウム（珪灰石）などでは親和性が高く、比較的強固に多孔質アパタイト結晶と固着しているが、石灰石では付着性が弱い。一方、同じ炭酸カルシウム系ではあるが、貝殻、うに殻、サンゴなどの生物由来、すなわち蛋白質等を含有する複合炭酸カルシウム系では表層に生成したアパタイト結晶と水素結合を生じるため強固に結合し、安定していることが分った。
【００１６】
一方、粉粒体より大きい板状、ブロック状などの成型体の深部まで、或は完全にアパタイト化しようとする場合の反応過程においては、アパタイト層と芯部のカルシウム含有固体物質層との反応界面には両層の物質の違いによる密度差（比容積差）による応力歪みが発生する。例えばカルシウム含有固体物質として二水石膏を使用した場合、その密度はアパタイト：３．２１ｇ／ｃｍ³ 、二水石膏：２．３２ｇ／ｃｍ³ 、半水石膏（１００℃以上で二水石膏の脱水により生成）：２．７ｇ／ｃｍ³ 、無水石膏（１２０℃以上で半水石膏の脱水により生成）：２．９３ｇ／ｃｍ³ である。この密度差による界面応力歪みが大きい場合、或は急激に発生した場合、界面剥離によって亀裂が発生する。従って、反応液濃度、反応処理時間、反応温度、および反応液ｐＨをそれぞれ適切に設定して転換反応を進める必要がある。特に反応温度が高すぎると反応が加速されるので亀裂を生じ易くなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
【００１８】
（参考例１）
２モル／Ｌ濃度のＨ₃ ＰＯ₄ 水溶液に水酸化ナトリウムを加えｐＨ１１．０の塩基性リン酸水溶液５００ｍＬを調製した。その水溶液を７０℃に設定した恒温水槽に保持し、７０℃の恒温に達した後に粒径１．０〜１．５ｍｍの石灰石粉砕物約１０ｇを投入し１０時間反応させた。反応後濾紙にて濾過分別し、蒸留水で十分洗浄した後、１００℃の乾燥機中で２０時間乾燥して表層がアパタイト化した粒径１．０〜１．５ｍｍの石灰石を得た。このものを走査型電子顕微鏡で観察したところ、厚さ０．２〜０．３μｍ、巾２．０〜３．０μｍの六角板状のアパタイト特有の結晶が石灰石表面に竪方向にそろって生成していた。結晶間の隙間は０．５から０．７μｍであり、多孔質であった。また表層をメノウ乳鉢中ですりつぶし粉末Ｘ線回折により同定したところ、ハイドロオキシアパタイトであることが分った。なお、乳鉢で生成物を全部すりつぶし微粉砕した粉末試料をＸ線回折により同定したところ、炭酸カルシウムとアパタイトの２相が同定できた。このことから芯部が未反応の石灰石であり外周部はアパタイト板状結晶が竪方向に生成していることが分った。なお、反応時間をさらに長くし、しかも反応促進するためにマグネチックスターラーで撹拌しながら４８時間反応したところ、ほぼ同一粒子形状のアパタイト粒子が分散した乳濁色のスラリー状となった。
【００１９】
（参考例２）
１モル／ＬのＨ₃ ＰＯ₄ 水溶液にアンモニア水を加えＰＨ９．１の水溶液５００ｍＬを調製した。その水溶液を９５℃に設定した恒温水槽に保持し、９５℃の恒温に達した後に貝殻（赤貝）の１．０〜１．５ｍｍ粉砕物約１ｇを入れ４時間反応させた。反応後、濾紙にて濾過分別し蒸留水にて十分洗浄した。固形分を１００℃の乾燥器中で２時間乾燥した。赤貝の貝殻の反応前の走査型電子顕微鏡写真と反応後の走査型電子顕微鏡写真を対比したところ、本反応物も参考例１と同様厚さ０．２〜０．３μｍ、巾４〜６μｍの六角板状の結晶が竪方向にびっしり並んでおり、結晶間の隙間が認められ、表層に多孔質状アパタイトを有し中心部が赤貝の貝殻である粒子が得られたことを確認した。赤貝の貝殻の反応前の走査型電子顕微鏡写真にはアパタイトの板状結晶は認められなかった。
【００２０】
参考例２で得た多孔質アパタイトを表層に有し芯部が赤貝の貝殻である１．０〜１．５ｍｍの粒状固体物質を１４０℃で２時間滅菌処理した。これに工業技術院微生物工業技術研究所に寄託している微工研菌寄第１２９５４号（ＦＥＲＭＰ−１２９５４：以下ＦＥＲＭと略称）を酵母エキス０．２重量％、ペプトン０．５重量％を添加しｐＨを７．０に調整した液体培地を用いて１３０ｒｐｍの回転数で１６８時間振とう培養して培養液１ｍＬあたり１×１０⁹ 個になるよう大量培養した。このＦＥＲＭはフザリウム属の植物病原菌に抗菌活性を有する微生物でアルカリ性で活性を示す。参考例２の試料の微生物担持性能を調べるため、担持体として９．９５ｇを計量し撹拌しながら１ｍＬのＦＥＲＭを滅菌水１ｍＬで希釈し合計２ｍＬを加えた。このものは担持体１ｇあたり１×１０⁸ 個のＦＥＲＭを担持していた。担持体の性能を調査する目的で３８℃の温度条件下インキュベート直後と１０日、２０日及び３０日後における定着率を調査した結果を表１に示す。このようにして得られた担持体の性能は高いものであった。なお出発原料の赤貝の貝殻は全く担持能力を示さなかった。
【００２１】
【表１】

【００２２】
（参考例３）
１モル／Ｌ濃度のＨ₃ ＰＯ₄ 水溶液に水酸化カリウムを加え、ＰＨ９．３の水溶液５００ｍＬを調製した。その水溶液を１００℃に保持して、繊維直径３０〜５０μｍ繊維長１５０〜２００μｍ、アスペクト比５〜７の天然ウォラストナイト（ケイ酸カルシウム）５ｇを入れ１０時間反応させた。反応後参考例１と同様に濾過洗浄後乾燥して、ウォラストナイトの針状を保持したままＣ軸方向に成長した針状アパタイト結晶が表層に生成した多孔質の繊維形状物質が得られた。
【００２３】
（参考例４）
普通ポルトランドセメント単味に水を加えて混練し粒径２．０〜３．０ｍｍの形状に造粒したのち１週間静置した粒状セメント硬化体を得た。次いで０．１モル／Ｌ濃度のＨ₃ ＰＯ₄ 水溶液にアンモニア水を加えＰＨ９．５の水溶液５００ｍＬを調製した。その水溶液を９０℃に設定して前記粒状セメント硬化体約１０ｇを投入し８時間反応させた。反応終了後、参考例１、２と同様に洗浄乾燥後、ほぼ同一粒径の表面にアパタイト六角板状結晶が竪方向に成長した結晶粒子間の隙間が約５〜１０μｍの多孔質粒状物約１０ｇを得た。
【００２４】
（参考例５）
１辺約１０ｍｍの立方体状の二水石膏硬化体（気孔率２４％、乾燥圧縮強度３４ＭＰａ）約１．７０ｇを１．０モル／Ｌ濃度のリン酸水素二アンモニウム水溶液（ＰＨ８．２）の約５０ｍＬと共に４フッ化エチレン樹脂製圧力容器に密封し８０℃で５日間保持し反応させたところ気孔率５４％、乾燥圧縮強度１１ＭＰａの芯部がモネタイト（ＣａＨＰＯ₄ ）で外側がアパタイトで構成された亀裂無しの多孔体が得られた。この表面部のアパタイトは参考例１、２、４と同様に芯部のモネタイトに六角状結晶のアパタイトが竪方向に生成した結晶粒子間に多数の隙間を持つ多孔質体であった。
【００２５】
（実施例１〜４）（比較例１〜２）（参考例６〜１０）
リン酸水素二アンモニウム水溶液の濃度、反応温度及び反応時間を変えて参考例５と同一の二水石膏硬化体を処理した結果を、参考例５の結果と共に表２に示す。
【００２６】
【表２】

【００２７】
実施例１〜４は１辺約１０ｍｍの立方体状の二水石膏硬化体を多孔質アパタイト化する場合である。リン酸水素二アンモニウム水溶液の濃度が１．０モル／Ｌの場合、反応温度が８０℃、９０℃の場合は５日間かけても芯部まではアパタイト化しないが、しかし反応温度が１００℃以上であれば５日以内に芯部までアパタイト化する。比較例１〜２に示したように反応温度が１８０℃以上であれば１日以内に芯部までアパタイト化するが、しかし亀裂を生じる。従って、芯部までアパタイト化された亀裂のない成型体を得るには、１００℃以上、１６０℃以下の温度で時間をかけて処理することが望ましい。このようにして、芯部まで完全にアパタイト化され、しかも適度な圧縮強度を有するブロック状の多孔質アパタイトが得られる。
【００２８】
【発明の効果】
生体高分子や生体有害有機又は無機イオンの吸着材、薬剤徐放担持体、微生物や酵素の担持体などとして利用される表層から芯部まで多孔質アパタイトに転換された固体物質を、高温過程を経ることなく、簡便に製造できる。

Claims (2)

1. 珪灰石（ウォラストナイト）または石膏の水和硬化体を、水溶液中のリン酸イオン濃度が０．１モル／Ｌ（リッター）以上、ｐＨ７．０以上の水溶液と接触させて反応させることで、前記珪灰石（ウォラストナイト）または石膏の水和硬化体の表層から芯部まで、特定の厚さと巾を有する六角板状のアパタイトであって、その結晶粒子間に所定の隙間を有し且つ細孔を有し、そして亀裂のない多孔質アパタイトに転換することを特徴とする表層から芯部まで多孔質アパタイトに転換された固体物質の製造方法。
2. 反応温度１００℃以上、１６０℃以下で反応させることを特徴とする請求項１に記載の固体物質の製造方法。