JP5061341B2 - 結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、水と陰イオン性界面活性剤の存在下で加熱処理することにより非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子から結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を製造する方法に関する。

ヒドロキシアパタイト（Ｃａ_１０（ＰＯ_４）_６（ＯＨ）_２）は、骨や歯などの無機成分に近い組成であることから生体適合性を有し、骨や歯の修復材料としての利用が報告されている。また、アミノ酸やタンパク質等を分離するためのクロマトグラフィー用の充填剤としての利用も検討されている。このような様々な用途に対応するために、ヒドロキシアパタイト微粒子のサイズや形状について制御することのできる手法が求められていた。

特開平３−２６１６１２号公報（特許文献１）には、カルシウム塩水溶液にリン酸塩水溶液をヒドロキシアパタイト換算析出速度以下で、Ｃａ／Ｐモル比が１．６７となるように混合し、撹拌しながら２時間以上煮沸し、生成した沈殿を濾取、水洗の後、アニオン性界面活性剤水溶液と混合することからなるヒドロキシアパタイト分散液の製造方法について記載されている。この方法は、粗大凝集粒子を多量に析出させずに安定したヒドロキシアパタイト微粒子分散液を得るために、撹拌しながら分散剤としてアニオン性界面活性剤を用いる方法であり、アニオン性界面活性剤の存在が、生成するヒドロキシアパタイト微粒子の形状に影響を与えるものではなかった。

特開平３−２６１６１２号公報

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子のサイズ及び形状を制御することのできる非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子からの結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の製造方法を提供することを目的とするものである。

上記課題は、非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を水と陰イオン性界面活性剤の存在下で加熱処理する結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の製造方法を提供することによって解決される。

このとき、加熱処理によって、得られる結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の形状を制御することが好適であり、非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子がカルシウム塩とリン酸塩とを水溶液中で反応させて得られたものであることが好適である。水溶液中で反応させて得られた非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を洗浄して、水溶液中に溶解している未反応物及び副生物を除いてから加熱処理することが好適であり、非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を洗浄した後に洗浄液と分離してから加熱処理することが好適である。非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の粒径が５〜１００ｎｍの範囲にあることが好適であり、加熱処理の際の温度が３５〜４００℃の範囲にあることが好適である。陰イオン性界面活性剤がスルホン酸塩又は硫酸塩であることが好適であり、得られる結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の形状が針状又は棒状であることが好適である。また、得られる結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の縦長さが７０〜５００ｎｍであり、かつアスペクト比が３〜２０であることも好適である。

本発明の製造方法によれば、サイズ及び形状が制御された結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を提供することが可能である。

本発明は、水と陰イオン性界面活性剤の存在下で加熱処理することにより非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子から結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を製造する方法である。このことにより、サイズ及び形状が制御された結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を得ることが可能となる。

本発明で用いられる非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子は特に限定されず、好適にはカルシウム塩とリン酸又はリン酸塩とを水溶液中で反応させることにより得られる。カルシウム塩としては、硝酸カルシウム、塩化カルシウム、酢酸カルシウム、水酸化カルシウム等を用いることができ、これらは１種類のみを用いてもよいし、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。リン酸塩としては、リン酸アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム、リン酸二水素アンモニウム、リン酸ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸二水素ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸水素二カリウム、リン酸二水素カリウム等を用いることができ、これらは１種類のみを用いてもよいし、２種類以上を組み合わせてもよい。

上記非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子は、好適にはカルシウム塩水溶液とリン酸塩水溶液を一定条件で混合することにより得られる。混合する方法は特に限定されず、攪拌機、超音波、ホモジナイザー等を用いることができ、混合する際の温度は０〜３０℃の範囲にあることが好ましい。用いられるカルシウム塩水溶液の濃度は、０．０１〜１０ｍｏｌ／Ｌの範囲にあることが好ましく、リン酸塩水溶液の濃度は、０．０１〜１０ｍｏｌ／Ｌの範囲にあることが好ましい。このとき、上記カルシウム塩水溶液及び上記リン酸塩水溶液をアルカリ水溶液でｐＨが８〜１２になるように調整することが好ましい。用いられるアルカリ水溶液としては、アンモニア水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カルシウム水溶液等が挙げられる。

上記非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子は、アンモニア水溶液によりｐＨを調整された硝酸カルシウム水溶液とリン酸水素二アンモニウム水溶液とを混合する場合を例にとれば、以下のような反応式により得られる。
１０Ｃａ（ＮＯ_３）_２＋６（ＮＨ_４）_２ＨＰＯ_４＋８ＮＨ_４ＯＨ
→ Ｃａ_１０（ＰＯ_４）_６（ＯＨ）_２＋２０ＮＨ_４ＮＯ_３＋６Ｈ_２Ｏ （１）
このとき、析出するヒドロキシアパタイト微粒子は非晶性であり、本発明においてこの非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子が得られる工程を析出工程という。

上記非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の粒径は、５〜１００ｎｍの範囲にあることが好ましく、１０〜７０ｎｍの範囲にあることがより好ましい。このような範囲の数値とすることによって、後の熟成工程においてサイズ及び形状が均一な結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子が形成されやすくなる。

本発明においては、上記非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を水と陰イオン性界面活性剤の存在下で加熱処理することにより結晶性ヒロドキシアパタイト微粒子が得られる。この加熱処理を行うことにより、溶解・再析出を繰り返して結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子が得られる。本発明においてこの加熱処理する工程を熟成工程という。このときの加熱処理する方法は限定されず、攪拌しながら加熱してもよいが、静置された状態で熟成することがより好ましい。特に、遠心分離又は濾別した後の湿潤状態の非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を静置された状態で加熱することが好ましい。

上記加熱処理の際の温度は、３５〜４００℃の範囲にあることが好ましい。加熱処理の温度が３５℃未満の場合、非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の結晶化が困難となるおそれがあり、より好適には５０℃以上であり、さらに好適には７０℃以上である。一方、加熱処理の温度が４００℃を超える場合、加熱装置が大がかりになるおそれがあり、より好適には３００℃以下であり、さらに好適には２５０℃以下である。

本発明は、上記非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を加熱処理する際に、水と陰イオン性界面活性剤の存在下で行うことを特徴とする。このことにより、得られる結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子のサイズ及び形状を制御することができる。後の実施例でも示すように、非イオン性界面活性剤や陽イオン性界面活性剤を用いた場合には得られる結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の成長が不十分であることが認められ、陰イオン性界面活性剤特有の現象であった。その理由は必ずしも明らかではないが、ヒドロキシアパタイトは熟成工程で溶解・再析出を繰り返すため、陰イオン性界面活性剤が存在すると、Ｃａ^２＋イオンと負電荷を持つ界面活性剤の親水基とが相互作用して錯体を形成すると考えられる。実際、遠心分離後にヒドロキシアパタイト微粒子の上に白色のゲル状物質が形成されることも確認されている。

用いられる陰イオン性界面活性剤としては特に限定されないが、スルホン酸塩又は硫酸塩であることが好ましい。スルホン酸塩としては、ジ（２−エチルヘキシル）スルホコハク酸ナトリウム（ＡＯＴ）等が挙げられ、硫酸塩としてはドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）等が挙げられる。

上記陰イオン性界面活性剤は、水溶液として用いられることが好ましい。当該水溶液を上記非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子と混合した後に加熱処理することにより結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子が得られる。混合する方法は、陰イオン性界面活性剤水溶液と非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子が均一に攪拌されるのであれば特に限定されない。混合する際の温度は０〜５０℃の範囲にあることが好ましい。用いられる陰イオン性界面活性剤水溶液の濃度は、０．００１〜１ｍｏｌ／Ｌの範囲にあることが好ましい。

本発明では、予め非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を洗浄して、水溶液中に溶解している未反応物及び副生物を除いてから加熱処理して結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を得る方法が好ましい。洗浄する際に用いる洗浄液としては特に限定されず、水、エタノール、アセトン等を用いることができるが、未反応イオン等の未反応物や副生成物を取り除く観点からは水を用いることが好ましい。このとき、水の代わりに洗浄液として陰イオン性界面活性剤水溶液を用いることで、一度の操作でイオン等の未反応物や副生成物を取り除くとともに非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の近傍に均一に陰イオン性界面活性剤を配置させることができる。

また、本発明において、上記非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を洗浄した後に洗浄液と分離してから加熱処理して結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を得る方法が好ましい。洗浄した後に非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子と洗浄液とを分離する方法は特に限定されず、遠心分離、濾過等により行うことができるが、操作が簡便である観点からは遠心分離により上澄み液を取り除く方法が好ましい。

本発明の製造方法は、非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を析出させる工程（析出工程）と、非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を洗浄した後に洗浄液と分離し（洗浄工程）、水と陰イオン性界面活性剤の存在下で熟成を行う工程（熟成工程）の３工程により行われることが好ましい。このことによりサイズ及び形状が制御された結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を得ることが可能となる。陰イオン性界面活性剤は、上記析出工程の際に添加されていてもよいが、得られる結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子のサイズ及び形状をより均一に制御する観点からは、未反応イオン等の未反応物及び副生物を取り除く上記洗浄工程の後に添加することがより好ましい。

本発明の方法により得られた結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の形状は、好適には針状又は棒状である。このときの結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の縦長さは、７０〜５００ｎｍの範囲にあることが好ましい。また、上記結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子のアスペクト比は３〜２０の範囲にあることが好ましい。非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を水と陰イオン性界面活性剤の存在下で加熱処理する際の温度を変化させることによりこの結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の縦長さ及びアスペクト比を制御することができる。

以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的に説明する。本実施例において結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子のサイズ及び形状は、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）を用いて観察し、１００個の微粒子を任意に選択して得られた値の平均値から得た。ここで、非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子は粒径を、結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子はその縦長さと横長さを測定し、アスペクト比は、縦長さと横長さの比（縦長さ／横長さ）から得た。また、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いてＸＲＤパターンを測定した。結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の製造工程図を図１に示す。

実施例１
（１）非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の製造
０．５ｍｏｌ／Ｌの硝酸カルシウム水溶液５ｍｌに水１２．５ｍｌを加え、１．０ｍｏｌ／Ｌのアンモニア水溶液によりｐＨを１０に調整した。続いて１．０ｍｏｌ／Ｌのアンモニア水溶液によりｐＨを１０に調整した０．５ｍｏｌ／Ｌのリン酸水素二アンモニウム水溶液３ｍｌを添加した後、２０℃で３０分攪拌して、遠心分離後に上澄み液を取り除くことにより非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を得た。

（２）結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の製造
０．０２ｍｏｌ／Ｌのジ（２−エチルヘキシル）スルホコハク酸ナトリウム（ＡＯＴ）水溶液を用いて、得られた非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を洗浄し、遠心分離後に上澄み液を取り除いた。この洗浄操作を２回繰り返した後、それぞれ２０、３０、４０、６０、９０及び２００℃にて２４時間熟成を行った。アセトンを用いて洗浄し、遠心分離後に真空乾燥して微粒子を得た。得られた微粒子のＳＴＥＭ写真を図２〜７に示す。図１３にＸＲＤパターンを示す。また、図１６及び図１７に得られた微粒子の縦長さ（平均粒径）及びアスペクト比を示す。

実施例２
実施例１において、ＡＯＴ水溶液の代わりに、それぞれドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）水溶液、臭化ドデシルトリメチルアンモニウム（ＤＴＡＢ）水溶液、テトラエチレングリコールモノドデシルエーテル（Ｃ_１２Ｅ_４）を用いて洗浄を行い、熟成を９０℃のみで行った以外は実施例１と同様にして結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を得た。得られた結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子のＳＴＥＭ写真を図８〜図１０に示す。図１４にＸＲＤパターンを示す。また、図１８及び図１９に得られた結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の縦長さ及びアスペクト比を示す。

比較例１
実施例１において、ＡＯＴ水溶液の代わりに水で洗浄し、９０℃のみで熟成を行い、熟成後にアセトンを用いた洗浄及び真空乾燥を行わなかったこと以外は実施例１と同様にして結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を得た。結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子のＳＴＥＭ写真を図１１に示す。図１５にＸＲＤパターンを示す。また、図１６及び図１７に得られた結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の縦長さ及びアスペクト比を示す。

比較例２
（１）非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の製造
０．５ｍｏｌ／Ｌの硝酸カルシウム水溶液５ｍｌに０．０２ｍｏｌ／ＬのＡＯＴ水溶液１２．５ｍｌを加え、１．０ｍｏｌ／Ｌのアンモニア水溶液によりｐＨを１０に調整した。続いて１．０ｍｏｌ／Ｌのアンモニア水溶液によりｐＨを１０に調整した０．５ｍｏｌ／Ｌのリン酸水素二アンモニウム水溶液３ｍｌを添加した後、２０℃で３０分攪拌して、遠心分離後に上澄み液を取り除くことにより非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を得た。

（２）結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の製造
アセトンを用いて、得られた非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を洗浄し、遠心分離後に上澄み液を取り除いた。続いて、水を用いて同様に洗浄し、遠心分離後に上澄み液を取り除いた。熟成時の温度を９０℃にて２４時間熟成を行い、結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を得た。得られた結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子のＳＴＥＭ写真を図１２に示す。図１５にＸＲＤパターンを示す。

図１５に示される９０℃で熟成して得られた結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子のＸＲＤパターンより、実施例１、比較例１及び２のいずれにおいてもヒドロキシアパタイト微粒子の結晶に由来するピークが観察されたが、実施例１においては特に鋭いピークが観察され、より規則性の向上した結晶が得られていることがわかる。また、比較例１及び２で得られた結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子は、図１１及び図１２のＳＴＥＭ写真からわかるようにいずれも縦長さ３０〜５０ｎｍの針状微粒子であったが、実施例１で得られた結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子は、図６のＳＴＥＭ写真からわかるように９０〜１６０ｎｍの棒状微粒子であった。

図１３のＸＲＤパターンより、２０℃及び３０℃で熟成を行った場合は、非晶性を示すハローピークとなり、４０℃以上で結晶性を示すピークが観察された。図２のＳＴＥＭ写真より、２０℃では粒径約３０ｎｍの不定形微粒子が観察され、図３より３０℃ではその一部が繊維状に変化していた。図４より４０℃では全てが細長い針状微粒子が観察され、図５〜８からわかるように６０℃から２００℃へと熟成時の温度が高くなるにつれて、太い棒状微粒子が観察された。また、図１６及び図１７からも、４０℃以上で縦長さが１００ｎｍを超えるとともにアスペクト比が１０を超えた値が得られ、細長い針状微粒子となっていることがわかる。６０℃から２００℃へと熟成温度が高くなるにつれて、縦長さはそれほど変化していないが、アスペクト比が低下していることから横方向に結晶成長して太く短い棒状微粒子となっていることがわかる。一方、３０℃では結晶性微粒子と非晶性微粒子が混在していた。図１６及び図１７中の３０℃における結果は、結晶性微粒子と非晶性微粒子をそれぞれ５０個ずつ任意に選択して得られた値の平均値から算出したものである。

図９及び図１０のＳＴＥＭ写真からわかるように、陽イオン性界面活性剤であるＤＴＡＢ及び非イオン性界面活性剤であるＣ_１２Ｅ_４では、界面活性剤を用いなかった比較例１の場合と同様に、縦長さ約３０〜５０ｎｍの針状微粒子が観察された。一方、図８からわかるように、ＡＯＴとは疎水基の構造が主に異なる陰イオン性界面活性剤であるＳＤＳでも、ＡＯＴを用いた実施例１の場合と同様に棒状微粒子が観察された。

本発明で得られる結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の製造工程を示す図である。 実施例１において２０℃で熟成して得られた微粒子のＳＴＥＭ写真である。 実施例１において３０℃で熟成して得られた微粒子のＳＴＥＭ写真である。 実施例１において４０℃で熟成して得られた微粒子のＳＴＥＭ写真である。 実施例１において６０℃で熟成して得られた微粒子のＳＴＥＭ写真である。 実施例１において９０℃で熟成して得られた微粒子のＳＴＥＭ写真である。 実施例１において２００℃で熟成して得られた微粒子のＳＴＥＭ写真である。 実施例２においてＳＤＳを用いて９０℃で熟成して得られた微粒子のＳＴＥＭ写真である。 実施例２においてＤＴＡＢを用いて９０℃で熟成して得られた微粒子のＳＴＥＭ写真である。 実施例２においてＣ_１２Ｅ_４を用いて９０℃で熟成して得られた微粒子のＳＴＥＭ写真である。 比較例１で得られた微粒子のＳＴＥＭ写真である。 比較例２で得られた微粒子のＳＴＥＭ写真である。 実施例１で得られた微粒子のＸＲＤパターンである。 実施例１及び実施例２で得られた微粒子のＸＲＤパターンである。 実施例１、比較例１及び２で得られた微粒子のＸＲＤパターンである。 実施例１において熟成温度と微粒子の縦長さの関係を示す図である。 実施例１において熟成温度と微粒子のアスペクト比の関係を示す図である。 実施例１及び実施例２において界面活性剤の種類と微粒子の縦長さの関係を示す図である。 実施例１及び実施例２において界面活性剤の種類と微粒子のアスペクト比の関係を示す図である。

Claims (10)

1. 非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を水と陰イオン性界面活性剤の存在下で加熱処理する結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の製造方法。
2. 前記加熱処理によって、得られる結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の形状を制御する請求項１記載の結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の製造方法。
3. 前記非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子がカルシウム塩とリン酸塩とを水溶液中で反応させて得られたものである請求項１又は２記載の結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の製造方法。
4. 上記水溶液中で反応させて得られた非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を洗浄して、水溶液中に溶解している未反応物及び副生物を除いてから加熱処理する請求項３記載の結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の製造方法。
5. 前記非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子を洗浄した後に洗浄液と分離してから加熱処理する請求項４記載の結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の製造方法。
6. 前記非晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の粒径が５〜１００ｎｍの範囲にある請求項１〜５のいずれか記載の結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の製造方法。
7. 前記加熱処理の際の温度が３５〜４００℃の範囲にある請求項１〜６のいずれか記載の結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の製造方法。
8. 前記陰イオン性界面活性剤がスルホン酸塩又は硫酸塩である請求項１〜７のいずれか記載の結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の製造方法。
9. 得られる結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の形状が針状又は棒状である請求項１〜８のいずれか記載の結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の製造方法。
10. 得られる結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の縦長さが７０〜５００ｎｍであり、かつアスペクト比が３〜２０である請求項９記載の結晶性ヒドロキシアパタイト微粒子の製造方法。