JP4540225B2 - マグネシウムおよびカーボネート置換ヒドロキシアパタイトの製造方法 - Google Patents
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Description
(技術分野)
本発明は、加熱時に安定で、ナトリウムまたはアンモニウムを含まないマグネシウムおよびカーボネート置換ヒドロキシアパタイト組成物の製造方法に関する。
【0002】
(背景技術)
合成ヒドロキシアパタイトCa10(PO4)6(OH)2は、多孔質、粒状、プラズマ吹付および稠密形態において、骨置換材料として使用されていることが報告されている。ヒドロキシアパタイトは、構造的に骨物質と類似していることが研究により示されている。しかし、ヒドロキシアパタイトは、化学量論的燐酸カルシウムアパタイトの1種である。ヒトおよび動物の骨は、3〜7重量%の有意量のカーボネートを含有することが報告されている。さらに、ヒトおよび動物の骨は、役0.5重量%のマグネシウムをも含んでいる。カーボネート基は、それぞれBおよびAと称される2つの部位、ホスフェート部位およびヒドロキシル部位において置換し得ることが明らかにされており、骨無機物質は主としてB型アパタイトである。化学組成におけるこの類似性の結果として、マグネシウム/カーボネート置換ヒドロキシアパタイトは、金属インプラントへのプラズマ吹付被膜および多孔質ヒドロキシアパタイトセラミック骨置換物のような商業用途に現在使用されている未置換化学量論的ヒドロキシアパタイトより高い生物活性を有すると考えられる。カーボネート置換ヒドロキシアパタイトは、クロマトグラフィーおよび精製、例えば、吸着による重金属イオンの除去にも使用し得る。
【0003】
マグネシウム/カーボネート置換ヒドロキシアパタイトセラミック材料の製造は、商業的に利用するために、簡単かつ再現性でなければならない。さらに、焼成/焼結の際に、好ましくない二次相(secondary phases)(例えば、燐酸三カルシウムまたは酸化カルシウム)に分解しないように、マグネシウム/カーボネート置換ヒドロキシアパタイト組成物は熱安定性でなければならない。さらに、この熱処理の際に、カーボネート置換ヒドロキシアパタイトは、ヒドロキシアパタイト構造内に置換されたカーボネートイオンを失ってはならない。
【0004】
これまで、マグネシウム/カーボネート置換ヒドロキシアパタイト組成物の製造のために報告されている方法によれば、加熱時に安定でなく、望ましくない相、例えばβ−燐酸トリカルシウムに分解する物質が得られていた。
例えば、A. Bigi, G. Falini, E. Foresti, M. Gazzano, A. Ripamonti及びN. Roveri, "Magnesium influence on hydroxyapatite crystallization", J. Inorg. Biochem., 49 (1993) 69-78.
R.N. Correia, M.C.F. Magalhaes, P.A.A.P. Marques及びA.M.R. Senos, "Wet synthesis and characterisation of modified hydroxyapatite powders", J. Mat. Sc. Mater. in Med., 7 (1996) 501-505.
R.Z. LeGeros, R. Kijkowska, C. Bautista及びJ.P. LeGeros, "Synergistic effects of magnesium and carbonate on properties of biological and synthesis apatites", Conn. Tiss. Res., 33 (1995) 203-209.
【0005】
JP−A−6245992は、欠陥骨を補修するためのCa、Mg、Pおよび/またはカーボネート含有ヒドロキシアパタイトの製造方法を開示している。この公報に開示された方法は、沈殿法ではなく、焼成の後に単相ではない、ヒドロキシアパタイトとα−またはβ−Ca3(PO4)2またはCaOとを含む二相である物質を生成する。得られた生成物の(Ca+Mg)/P比は1.50〜1.67である。
【0006】
更に湿式沈殿法は、通常、炭酸イオン源としてNa2CO3または(NH4)2CO3を用いる。これは、望まれていない付加的イオンNa+またはNH4+がヒドロキシアパタイト構造に置換するという問題を生じる。
【0007】
(発明が解決しようとする課題)
これまでマグネシウム/カーボネート置換ヒドロキシアパタイトが商業的に製造されなかったのは、その安定性に問題があったからである。
【0008】
(その解決方法)
本発明者らは、加熱時に安定で、ナトリウムまたはアンモニウムイオンを含んでいない物質を生成するマグネシウム/カーボネート置換ヒドロキシアパタイトの新しい製造方法を開発した。
すなわち、本発明は、マグネシウムおよびカーボネートにより置換された単相ヒドロキシアパタイト組成物の製造方法であって、
(i)H+イオンおよびCa 2+ 以外のカチオンを含まないCO3 2-およびPO4 3-イオンを含む水溶液を調製し、
(ii)工程(i)からの溶液を、カルシウムおよびマグネシウム含有水溶液または水性懸濁液と混合し、
(iii)工程(ii)で形成された沈殿物を回収および乾燥する
ことを含んでなり、カルシウムおよびマグネシウム含有水溶液または水性懸濁液並びに燐含有溶液中の(Ca+Mg)/P比は、混合された時、1.67またはそれ以上に保持される製造方法を提供する。
【0009】
本発明により製造されるマグネシウム/カーボネート置換ヒドロキシアパタイトは、新規であると考えられ、そこで、本発明はさらなる要旨において、ヒドロキシアパタイト構造に置換した0.5重量%までのマグネシウムおよび1重量%までのカーボネートを含んでなり、Na+またはNH4+イオンを含まず、(Ca+Mg)/P比は1.67より大きい、マグネシウムおよびカーボネートにより置換された単相ヒドロキシアパタイト組成物を提供する。
好ましくは、(Ca+Mg)/P比は、1.68またはそれ以上である。
【0010】
本発明の方法を実施する際、工程(i)の水溶液は、水中に二酸化炭素を通気して炭酸を形成し、次に燐酸H3PO4をそれに添加するか、または、二酸化炭素ガスを高圧下に水に添加し、次に燐酸をそれに添加することによって調製することができる。溶液によって吸収される二酸化炭素の量は、H3PO4の添加前の溶液のpHから計算することができる。約4.0のpHにおいて、溶液は二酸化炭素によって充分に飽和される。一般に、反応にPO4 3-イオンを与えるために、H3PO4が炭酸溶液に添加される。
【0011】
あるいは、H3PO4の溶液に二酸化炭素を通気するか、または加圧下に二酸化炭素をH3PO4の溶液に添加して、系中でCO3 2-イオンを形成することによって、工程(i)の水溶液を調製することができる。気化する際に溶液をカーボネート化する固体として、CO2を導入することもできる。
【0012】
工程(ii)において、工程(i)からの溶液を、カルシウムおよびマグネシウム含有水溶液または懸濁液と混合する。使用できるカルシウム化合物には、硝酸カルシウムCa(NO3)2または水酸化カルシウムCa(OH)2が含まれる。使用できるマグネシウム化合物には硝酸マグネシウムまたは酢酸マグネシウムが含まれる。工程(i)からの溶液を、カルシウムおよびマグネシウム含有溶液または懸濁液に滴下することによって、混合を行うのが好ましい。しかし、合わした混合物を激しく攪拌して沈殿反応が生じるようにすることができるなら、工程(i)からの溶液および工程(ii)からの溶液または懸濁液を大量に混合することができる。
【0013】
工程(ii)の混合の際に、混合物中に二酸化炭素を通気することができる。
混合した際に、カルシウムおよびマグネシウム含有溶液または懸濁液、および燐含有溶液における(Ca+Mg)/P比を1.67またはそれ以上に保持する。
好ましくは、(Ca+Mg)/P比は、1.67に保持される。
【0014】
反応物の添加が終了した後、必要であれば、アンモニアを添加して混合物のpHをpH10〜11に調節する。このようにアンモニアが添加される場合には、最終生成物からアンモニアを除去する適切な工程が行われる。
【0015】
EP−0625490Bの開示に従って、工程(iii)からの乾燥沈殿物を、湿潤二酸化炭素雰囲気中で焼成/焼結する。特に、気体1リットルあたり0.001g〜0.10gの水を含有する二酸化炭素中で、900℃〜1200℃の温度において、乾燥沈殿物を焼成する。焼結雰囲気として使用される二酸化炭素が、気体1リットルあたり0.01g〜0.02gの水を含有するのが好ましい。焼結時間は一般に、24時間まで、好ましくは10分〜4時間である。
【0016】
焼結は一般に、大気圧、即ち非負荷圧において行われるが、使用される炉の特定の形態によって大気圧よりわずかに高い圧力が生じる場合もある。
【0017】
本発明の製造方法により製造したマグネシウムおよびカーボネート置換ヒドロキシアパタイト組成物は、通常、0.5重量%までのマグネシウム、および1重量%までの、好ましくは1重量%のカーボネートを含んでいる。
【0018】
本発明の製造方法によれば、加熱時にも安定な、マグネシウムおよびカーボネート置換単相ヒドロキシアパタイト組成物を製造することができる。この物質は、従来文献に報告されてきたマグネシウムおよびカーボネート置換ヒドロキシアパタイトとは非常に異なっている。
【0019】
本発明の方法によって製造される単相マグネシウムおよびカーボネート置換ヒドロキシアパタイト組成物は、H+およびCa2+以外のカチオンの実質的不存在下において製造される。従って、該組成物は、それらの構造中に置換されたNa+またはNH4+のような他のカチオンを含まず、従って、改良された生物適合性を有する。本発明によって製造されるマグネシウムおよびカーボネート置換ヒドロキシアパタイト組成物は、ヒドロキシアパタイトが使用されるどのような用途においても使用することができ、例えば、金属インプラントにおけるプラズマ吹付被膜の形成、多孔質セラミック骨置換物の形成、高密度ポリエチレンのようなポリマー物質との複合材料の製造、骨欠陥をパッキングするかまたは充填する顆粒またはビーズ、クロマトグラフィーに使用される物質、または吸着による重金属の除去のような精製法に用いられる物質として、使用することができる。
【0020】
以下の実施例により本発明をさらに詳しく説明する。
実施例1〜4
36.92gのCa(OH)2(AnalaR、BDH)を、1リットルの脱イオン水に分散させて、水酸化カルシウムの懸濁液を調製した。これに、1.318gのMg(NO3)2・6H2O(BDH、AnalaR)を添加した。次の反応の前に、この懸濁液を15分間攪拌して溶液Aを生成した。
【0021】
二酸化炭素(CO2)ガスを、30分間にわたって、0.75リットルの脱イオン水中に通気し、その間に、溶液のpHが約7から約4に低下した。0.3モル(34.588g)の燐酸H3PO4(BDH GPR 85%アッセイ)を、0.75リットルのCO2処理水に添加し、次に、脱イオン水を使用してこの溶液を合計1リットルにして、溶液Bを生成した。
【0022】
溶液Bを溶液Aに滴下し、絶えず攪拌した。溶液Bの添加は、約3時間にわたって室温において行った。溶液Bを添加した後、約10mLのアンモニア(BDH AnalaR)により、得られた混合物のpHを10.5〜11に調節した。その混合物を、2時間攪拌し、次に、攪拌せず一夜熟成させた。熟成された混合物を濾過し、フィルターケークを脱イオン水(100mL×2)で洗浄して、残留アンモニアを除去し、80℃で一夜乾燥した。乾燥したフィルターケークを砕き、すりつぶして、100μm未満の平均粒度を有する微細粉末にした。
【0023】
種々の量のCa(OH)2およびMg(NO3)2を使用し、一方、同量(0.3モル)のH3PO4を使用して、前記に説明した手順を3回繰り返して、マグネシウムおよびカーボネート置換ヒドロキシアパタイトを製造した。
【0024】
詳細を表1に示す。
【0025】
【表1】
【0026】
前記のように製造されたカーボネート置換ヒドロキシアパタイトは、CO2/H2O雰囲気中で900℃〜1200℃において熱安定性であった。これらより高い温度において、ヒドロキシアタパイトおよび酸化カルシウム/炭酸カルシウムの部分的分解が観察された。
【0027】
XRFおよびCHN分析の結果を下記表2に示す。
【表2】
【0028】
本発明において製造されたままのマグネシウム/カーボネート置換ヒドロキシアパタイト粉末および加熱/焼成された物質のCHN分析による化学分析により、窒素(従ってアンモニア)は存在していないことが示された。
【0029】
Mg含有量の計算値および測定値は非常によく一致していた。(Ca+Mg)/Pの測定値は全て、モル比の計算値より大きく、ヒドロキシアパタイトについてのCa/Pモル比1.67よりも大きかった。存在するカーボネートのいくつかは、PO4サイトで置換したのに違いなく(Bタイプ置換)、従って、(Ca+Mg)/(P+C)と表されるモル比となる。炭酸イオンのBタイプ置換がなければ、高い(Ca+Mg)/Pモル比は、試料がCaおよび/またはMgリッチであったことを示唆する。
【0030】
図1および図2は、製造されたままのおよび焼結/焼成した(1000℃、CO2/H2O)実施例1〜4のカーボネート置換ヒドロキシアパタイト試料のX線回折データ、およびCa/P比が1.67である未置換ヒドロキシアパタイトのX線回折データである。X線回折データは、酸化カルシウムまたは酸化マグネシウムの第2相に帰属できるピークを示していない。これは、マグネシウム/カーボネート置換ヒドロキシアパタイトのモル比が純ヒドロキシアパタイト(HA)に近似していることを示唆している。
【0031】
製造されたままの物質に対するMg含有量の増加の効果は、回折ピークの幅の非常にわずかの増加であり、これは結晶サイズの減少に対応する(図1)。製造されたままの物質についての回折図のいずれにも、付加的な相は観察されなかった。Mgを含む焼結/焼成試料のX線回折図は、HAに対応するピークしか示さなかった。
【図面の簡単な説明】
【図1】 製造されたままの実施例1〜4のカーボネート置換ヒドロキシアパタイト試料のX線回折データ、およびCa/P比が1.67である未置換ヒドロキシアパタイトのX線回折データである。
【図2】 焼結/焼成した実施例1〜4のカーボネート置換ヒドロキシアパタイト試料のX線回折データ、およびCa/P比が1.67である未置換ヒドロキシアパタイトのX線回折データである。
Claims (12)
- マグネシウムおよびカーボネートにより置換された単相ヒドロキシアパタイト組成物の製造方法であって、
(i)H+イオンおよびCa 2+ 以外のカチオンを含まないCO3 2-およびPO4 3-イオンを含む水溶液を調製し、
(ii)工程(i)からの溶液を、カルシウムおよびマグネシウム含有水溶液または水性懸濁液と混合し、
(iii)工程(ii)で形成された沈殿物を回収および乾燥する
ことを含んでなり、カルシウムおよびマグネシウム含有水溶液または水性懸濁液並びに燐含有溶液中の(Ca+Mg)/P比は、混合された時、1.67またはそれ以上に保持される製造方法。 - 水中にCO2を通気して炭酸の溶液を得、次にH3PO4をそれに添加することによって、工程(i)の水溶液を調製する請求項1に記載の製造方法。
- 該炭酸溶液が、H3PO4の添加の前に、4のpHを有する請求項2に記載の製造方法。
- 工程(ii)からの溶液を、攪拌しながら、カルシウムおよびマグネシウム含有水溶液または懸濁液に滴下する請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。
- 工程(i)において使用される溶液または懸濁液は、硝酸カルシウムまたは水酸化カルシウム、および硝酸マグネシウムまたは酢酸マグネシウムから調製する請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法。
- 混合工程(ii)の間に、工程(i)からの溶液中にCO2を通す請求項1〜5のいずれかに記載の製造方法。
- カルシウムおよびマグネシウム含有溶液または懸濁液および燐含有溶液を混合した際に、(Ca+Mg)/P比が1.67である請求項1〜6のいずれかに記載の製造方法。
- 工程(iii)からの乾燥沈殿物を、気体1リットルあたり0.001〜0.10gの水を含有する二酸化炭素中で、900℃〜1200℃の温度において焼成する請求項1〜7のいずれかに記載の製造方法。
- カーボネート化ヒドロキシアパタイト組成物が、1重量%までのCO3 2-イオンを含んで成る請求項1〜8のいずれかに記載の製造方法。
- マグネシウムおよびカーボネート置換ヒドロキシアパタイトのマグネシウム含有量は、Mg0.5重量%までである請求項1〜9のいずれかに記載の製造方法。
- ヒドロキシアパタイト構造に置換した0.5重量%までのマグネシウムおよび1重量%までのカーボネートを含んでなり、Na+またはNH 4 +イオンを含まず、(Ca+Mg)/P比は1.67より大きい、マグネシウムおよびカーボネートにより置換された単相ヒドロキシアパタイト組成物。
- (Ca+Mg)/P比は1.68またはそれ以上である請求項11に記載の単相ヒドロキシアパタイト組成物。
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