JP5131736B2 - ケイ素溶出バテライトの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、骨修復材料として有用な生体活性材料に関し、特に生体吸収性高分子用の機能性フィラーであるケイ素溶出炭酸カルシウムの製造方法に関する。

最近の生体関連材料の研究技術動向を見ると、材料と骨とを結合させるという材料設計から、本物の骨を再生させるための材料設計に研究内容がシフトしており、骨形成に及ぼすケイ素の役割が注目され、ケイ素含有を特徴とした材料設計が数多く見られる（非特許文献１）。例えば、ケイ素の徐放により細胞への遺伝子的働きかけが行なわれ、骨生成が促進されることが報告されている（非特許文献２）。また、３種の炭酸カルシウム（カルサイト、アラゴナイト、バテライト）とポリ乳酸の複合体を擬似体液に浸漬させると、最も短時間で骨似アパタイトがその表面に生成したものはバテライトとポリ乳酸の複合体であることが示されている（非特許文献３）。これらのことから、ケイ素を徐放するバテライトが骨生成を促進する機能を有する骨修復材料用フィラーとして要望されている。

炭酸ガス化合法によるバテライトの生成方法としてメタノールなどの有機媒体を利用した製法が従来から数多く報告されている（非特許文献４、特許文献１，２，３）。有機媒体を用いない方法としては、水酸化カルシウムの水懸濁液にアミノ酸またはその塩を添加して炭酸化することを特徴とするバテライトの製造法が提案されている（特許文献４）。しかしながら、有機媒体を用いないで、水溶液中へのケイ素溶出が確認された骨修復材料用に適したケイ素含有バテライトを製造する方法は提案されていない。

都留寛治、小川哲朗、大串 始、「生体関連材料の研究技術および標準化の動向」、セラミックス、41、549-553 (2006） H.Maeda, T.Kasuga, and L.L.Hench, "Preparation of Poly(L-lactic acid)-Polysiloxane-Calcium Carbonate Hybrid Membranes for Guided Bone Regeneration", Biomaterials, 27, 1216-1222 (2006) H.Maeda, T.Kasuga, M.Nogami, and Y.Ota, "Preparation of Calcium Carbonate Composite and Their Apatite-Forming Ability in Simulated Body Fluid", J.Ceram.Soc.Japan, 112, S804-808 (2004) 中前勝彦、西山総治、山城二郎、藤村保夫、浦野彰良、戸崎裕、松本恒隆、「メタノール系における炭酸カルシウムの合成とその表面特性」日本接着協会誌、21,414-420(1985) 特開昭61-77622 特開昭63-103824 特開平4-31315 特開昭64-72916

本発明に係るケイ素溶出炭酸カルシウムは、好ましくは0.1wt%以上のケイ素を含有し、水、水１．０Lに対して３７〜７５ｇの消石灰、及び消石灰に対して４４〜２５ｗｔ％のγ−アミノプロピルトリエトキシシランを混合させた懸濁液中に炭酸ガスを吹き込むことで得られる。好ましくは撹拌されている20〜40℃の懸濁液１．０Lに対して０．５〜２．０L/minの流量で炭酸ガスを吹き込む。

本発明に係るケイ素溶出炭酸カルシウムは、好ましくは0.1wt%以上のケイ素を含有し、水、消石灰、及び有機ケイ素化合物としてγ−アミノプロピルトリエトキシシランを混合させた懸濁液中に炭酸ガスを吹き込むことで得られる。

本発明に係る製造方法により製造されたケイ素溶出炭酸カルシウムはバテライト相からなり、ケイ素を水溶液中に溶出させることのできる新規な機能を有する粒子であって、生体材料などの分野で様々な応用が期待される。炭酸カルシウムは、新しく骨が生成されるにつれて生体内に吸収されるか分解して体外に排出され、最終的には自己骨によって欠損部が修復される有用な骨修復用生体材料であるが、これに早く新しい骨の生成を促進させるケイ素を含有させ、さらに骨修復機能を高めることも期待される。本発明に係るケイ素溶出炭酸カルシウムの製造方法はメタノールなどの有機媒体を必要としないため、製造設備、操業条件が大幅に簡略、簡便化され、上記のような可能性を持った機能性微粒子を容易かつ効率よく製造することができる。

本発明の実施の形態によれば、以下の工程を経ることにより、本発明に係るケイ素溶出炭酸カルシウムを製造することできる。

水：1.0Lに対して消石灰：37〜75gを加えた懸濁液に、消石灰に対して44〜125wt%のγ−アミノプロピルトリエトキシシランを添加後、炭酸ガスを吹き込むことによってケイ素を含有する炭酸カルシウムが生成される。消石灰の濃度を高くすると消石灰とγ−アミノプロピルトリエトキシシランの反応や炭酸化反応で高粘度、もしくはゲル化して炭酸ガスの吹き込みによる均質な合成反応が妨げられるため、水：1.0Lに対して消石灰：75g以下が好ましい。一方、低濃度の消石灰懸濁液では1バッチあたりの生産量が減少して生産効率が悪化するので、水：1.0Lに対して消石灰：37g以上が好ましい。水、消石灰、γ−アミノプロピルトリエトキシシランを混合、撹拌されている20〜40℃未満の懸濁液：約1.0Lに対して流量約0.5〜2.0L/min、好ましくは約1.0L/minで炭酸ガスを懸濁液がpH=7〜8となるまで吹き込む。炭酸ガスの吹き込み量を2.0L/minより多くしても反応時間の短縮は望めず、また0.5L/min未満では炭酸化時間が長くなり、生産効率が悪化するほか、バテライトからカルサイトへの転移も生じることがある。炭酸化工程を40℃以上で行なうとカルサイトの析出が生じるので、通常の室温（20〜30℃）程度で行なうことが好ましい。

γ−アミノプロピルトリエトキシシランは消石灰に対して44〜125wt%添加すると、主としてバテライトからなる炭酸カルシウムが析出する。44wt%未満の添加量ではカルサイトが、125wt%を越える添加量では炭酸カルシウムではない結晶が析出し易い。なお有機ケイ素化合物としてテトラエトキシシランを用いた場合、バテライトを析出させる効果は認められないことが判明している。

生成物を吸引ろ過して回収し乾燥することにより、ケイ素溶出炭酸カルシウムが得られる。

本発明に係るバテライトを蒸留水（DW）やリン酸緩衝生理食塩水（PBS）に浸漬すると、液中にケイ素が溶出される。なお本明細書において「ケイ素溶出」とは、骨修復に有用な程度のケイ素を供給可能な「100倍のPBS懸濁液中（37℃）の1日経過後のSi濃度が10ppm以上になるもの」と定義される。

以下、本発明に係るケイ素溶出炭酸カルシウムの製造方法の実施例について説明する。以下の実施例についての説明は本発明をより深く理解するためのものであって、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。

各実施例、比較例では以下に示す原料を使用した。
・消石灰：ミクロスターT 純度96%以上 矢橋工業株式会社
・テトラエトキシシラン： TSL8124 純度97%以上 GE東芝シリコーン株式会社
・γ‐アミノプロピルトリエトキシシラン： TSL8331 純度98%以上 GE東芝シリコーン株式会社
・炭酸ガス：高純度液化炭酸ガス 純度99.9% 大洋化学工業株式会社
形態は走査型電子顕微鏡（SEM）S-570（日立製作所）により観察した。結晶相の同定にはＸ線回折装置（XRD）XRD-6100（島津製作所）で得られたX線回折パターンを用いた。バテライトのSi含有量は蛍光Ｘ線分析装置（FX）RIX3000（理学電機工業）により、溶出液中のSiとCa濃度は高周波プラズマ発光分析装置（ICP）ICPS-7510（島津製作所）により測定した。

（実施例１）
蒸留水：2.0L、消石灰：75g、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン：100ml（対消石灰：約125wt%）を混合した懸濁液20℃にタービン羽根で撹拌（周速度約1.4m/s）しながら炭酸ガス（2L/min）をpH=7〜8となるまで80分間吹き込んだ。生成物をろ過して回収し、約110℃で乾燥させて試料１を得た。SEM写真を図１に、XRDパターンを図４に示す。Si含有量は0.7wt%で、試料１はケイ素含有バテライトであることが確認された。試料１：2gとDWあるいはPBS：198gを混合した懸濁液を 37℃に保持された恒温器に静置した。所定時間浸漬させた後、懸濁液を固液分離して液中のSiとCa濃度をICPにて測定した。１日経過後のDW、PBS中のSi濃度はそれぞれ94ppm、93ppmで、Ca濃度は3ppm、9ppmであった。図５にPBSへのSi溶出特性を示す。

（実施例２）
蒸留水：2.0L、消石灰：150g、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン：70ml（対消石灰：約44wt%）を混合した懸濁液20℃にタービン羽根で撹拌（周速度約1.4m/s）しながら炭酸ガス（2L/min）をpH=7〜8となるまで125分間吹き込んだ。生成物をろ過して回収し、約110℃で乾燥させて試料２を得た。SEM写真を図２に、XRDパターンを図４に示す。Si含有量は0.6wt%で、試料２はケイ素含有バテライトであることが確認された。試料２：2gとDWあるいはPBS：198gを混合した懸濁液を 37℃に保持された恒温器に静置した。所定時間浸漬させた後、懸濁液を固液分離して液中のSiとCa濃度をICPにて測定した。１日経過後のDW、PBS中のSi濃度はそれぞれ73ppm、88ppmで、Ca濃度は4ppm、8ppmあった。図５にPBSへのSi溶出特性を示す。

（比較例１）
蒸留水：2.0L、消石灰：150gを混合した懸濁液20℃にタービン羽根で撹拌（周速度約1.4m/s）しながら炭酸ガス（2L/min）をpH=7〜8となるまで85分間吹き込んだ。生成物をろ過して回収し、約110℃で乾燥させて試料３を得た。Si含有量は0.006wt%で、試料３はケイ素をほとんど含まないカルサイトであることが確認された。試料３：2gとDWあるいはPBS：198gを混合した懸濁液を 37℃に保持された恒温器に静置した。所定時間浸漬させた後、懸濁液を固液分離して液中のSiとCa濃度をICPにて測定した。DW、PBS中にSiはほとんど検出されなかった。１日経過後のDW、PBS中のCa濃度は6ppm、8ppmあった。図５にPBSへのSi溶出特性を示す。

（比較例２）
蒸留水：2.0L、消石灰：150g、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン：60ml（対消石灰：約38wt%）を混合した懸濁液20℃にタービン羽根で撹拌（周速度約1.4m/s）しながら炭酸ガス（2L/min）をpH=7〜8となるまで90分間吹き込んだ。生成物をろ過して回収し、約110℃で乾燥させて試料４を得た。XRDパターンを図４に示す。試料４はカルサイトであることが確認された。

（比較例３）
蒸留水：2.0L、消石灰：75g、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン：125ml（対消石灰：約157wt%）を混合した懸濁液20℃にタービン羽根で撹拌（周速度約1.4m/s）しながら炭酸ガス（2L/min）をpH=7〜8となるまで110分間吹き込んだ。生成物をろ過して回収し、約110℃で乾燥させて試料５を得た。XRDパターンを図４に示す。試料５は炭酸カルシウムではないことが確認された。

（比較例４）
蒸留水：2.0L、消石灰：150g、テトラエトキシシラン：70ml（対消石灰：約44wt%）を混合した懸濁液20℃にタービン羽根で撹拌（周速度約1.4m/s）しながら炭酸ガス（2L/min）をpH=7〜8となるまで75分間吹き込んだ。生成物をろ過して回収し、約110℃で乾燥させて試料６を得た。SEM写真を図３に、XRDパターンを図４に示す。試料６はカルサイトであることが確認された。

図１は、本発明に係るケイ素溶出炭酸カルシウムの製造方法の実施例１により得られた試料１の走査型電子顕微鏡写真である。 図２は、本発明に係るケイ素溶出炭酸カルシウムの製造方法の実施例２により得られた試料２の走査型電子顕微鏡写真である。 図３は、本発明に係るケイ素溶出炭酸カルシウムの製造方法の比較例４により得られた試料６の走査型電子顕微鏡写真である。 図４は、試料１，２，４，５，６のX線回折パターンを示した図である。 図５は、試料１，２，３のリン酸緩衝生理食塩水へのケイ素溶出特性を示した図である。

Claims (2)

1. 水、水１．０Lに対して３７〜７５ｇの消石灰、及び消石灰に対して４４〜１２５ｗｔ％のγ−アミノプロピルトリエトキシシランを混合させた懸濁液中に炭酸ガスを吹き込むことを特徴とするケイ素溶出炭酸カルシウムの製造方法。
2. 撹拌されている20〜40℃未満の懸濁液１．０Lに対して０．５〜２．０L/minの流量で炭酸ガスを吹き込む請求項1に記載のケイ素溶出炭酸カルシウムの製造方法。
   

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