JP6783627B2

JP6783627B2 - 積層フィルム

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Publication number: JP6783627B2
Application number: JP2016215867A
Authority: JP
Inventors: 宏明今井; 誠法斉藤
Original assignee: Keio University; Aicello Corp
Current assignee: Keio University; Aicello Corp
Priority date: 2016-11-04
Filing date: 2016-11-04
Publication date: 2020-11-11
Anticipated expiration: 2036-11-04
Also published as: JP2018069691A

Description

本発明は積層フィルム及びその製造方法に関する。

水酸アパタイトやフッ素アパタイト等は生物の歯や骨を構成する材料として知られており、またそれらは高い生体親和性を有する性質を利用して、人工骨や骨充填剤として利用される。
特に、フッ素アパタイトは歯のエナメル質を構成し、強固な構造を有するので、より耐う蝕性に優れる。
また、生体内のアパタイトは方位が揃ったナノ結晶集積体の形態で存在するため、上記のアパタイトの結晶も、そのサイズ、形状、方位、集積状態を制御することが重要である。特に、アパタイトの結晶には板状結晶や柱状結晶等の種類があり、どの構造の結晶を得るかは、その利用性の点において極めて重要である。

そして、例えば特許文献１において有機高分子を主成分とする基材表面をシランカップリング剤で処理した後、カルシウムイオンとリン酸イオンを含有する水溶液中に浸漬して、該基材表面に生体活性水酸アパタイト膜を設けることが知られている。しかしながら、得られた生体活性水酸アパタイト膜を構成する結晶が、どのようなサイズ、形状、方位、集積状況を有するのかまでは不明である。

特許文献２には、有機高分子からなる基材を、カルシウムとリンを含む第一の水溶液と接触させた後に乾燥する第一工程と、第一工程を経た基材を、飽和ないし過飽和の濃度のアパタイト成分を含む第二の水溶液に接触させる第二工程と、を含む水酸アパタイト膜の製造方法が記載されている。しかしながら、この文献によっても、得られたアパタイト膜を構成する結晶が、どのようなサイズ、形状、方位、集積状況を有するのかまでは不明である。

特開平０６−２９３５０４号公報特開平１０−２８７４１１号公報

従来のアパタイト膜の製造によっては、結晶構造を制御することが困難であった。さらに、製造条件や方法が複雑であると共に十分に厚みを有するアパタイト膜を得ることができなかった。中でも制御されたフッ素アパタイトの柱状結晶からなる膜を得ることができなかった。
そのため、アパタイト膜を生体に適用して、骨や歯等の再生を行う場合においても、十分に再生効果を得ることが困難であった。
本発明はそのような実情を考慮してなされたもので、十分な生体適合性と厚みを有するアパタイト膜を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は以下の通りである。
１. ポリビニルアルコール系樹脂フィルムの少なくとも一面にフッ素アパタイトの柱状結晶からなる層が形成されてなる積層フィルム。
２．フッ素アパタイトの柱状結晶がｃ軸配向されている１に記載の積層フィルム。
３．柱状結晶からなる層は、ｃ軸配向されたフッ素アパタイトの結晶がそのｃ軸方向に複数層形成されている２に記載の積層フィルム。
４．ポリビニルアルコール系樹脂フィルムが水溶性である１〜３のいずれかに記載の積層フィルム。
５．４０℃未満のフッ化物イオン含有リン酸カルシウム水溶液、又はアニオン性有機化合物を添加したフッ化物イオン含有リン酸カルシウム水溶液に、ポリビニルアルコール系樹脂フィルムを浸漬し、該ポリビニルアルコール系樹脂フィルムの少なくとも一面にフッ素アパタイトの柱状結晶を形成させる工程を有する１〜４のいずれかに記載の積層フィルムの製造方法。
６．４０℃以上の水で１〜４のいずれかに記載の積層フィルムを処理し、ポリビニルアルコール系樹脂フィルムを溶解・除去し、フッ素アパタイトの柱状結晶からなる層を取り出す工程を有するフッ素アパタイト柱状結晶のフィルムの製造方法。
７．フッ素アパタイトの柱状結晶からなる層からなるフィルム。

本発明によれば、大きさ等が制御された柱状結晶のフッ素アパタイトからなる膜を得ることができ、しかも膜厚を十分に厚くすることができるので、生体の必要な箇所に対して適用し、骨や歯の再生に十分に寄与することができる。また、柱状結晶構造を有するため、生体適合性が高く、細胞培養用シートとしての利用も可能である。

（ａ）種結晶を形成させずに、フッ素アパタイトの結晶層を１層設けた図。（ｂ）種結晶を形成させずに、フッ素アパタイトの結晶層を２層設けた図。（ａ）種結晶を形成させた図。（ｂ）種結晶を形成させて、フッ素アパタイトの結晶層を１層設けた図。（ｃ）種結晶を形成させて、フッ素アパタイトの結晶層を２層設けた図。実施例１により得た結晶のＳＥＭ画像。実施例１により得た結晶のＸＲＤパターン。比較例１により得た結晶のＳＥＭ画像。実施例２により得た結晶のＳＥＭ画像。実施例２により得た結晶の浸漬時間毎のＳＥＭ像とナノロッド（柱状結晶）径の関係。実施例２により得た結晶のＸＲＤパターン。比較例２により得た結晶のＳＥＭ画像。比較例３により得た結晶のＳＥＭ画像。実施例３の第１段階後のＳＥＭ画像。実施例３により得た結晶のＳＥＭ画像。実施例３により得た結晶のＸＲＤパターン。実施例７により得た結晶のＳＥＭ画像。実施例７により得た結晶のＳＥＭ画像。実施例７により得た結晶のＸＲＤパターン。

（ポリビニルアルコール系樹脂フィルム）
本発明において使用するポリビニルアルコール系樹脂フィルムとしては、その表面にフッ素アパタイトの結晶を付着させて成長できるものであること、加えて、任意の温度の水やエタノール等の有機溶媒に適度に可溶性であること、及び／又は分解性であることが必要である。

本発明で使用されるポリビニルアルコール系樹脂フィルムは、変性又は未変性のいずれでもよい。変性の場合は、主鎖中に本発明の効果を阻害しない範囲で、例えば１０モル％以下、好ましくは７モル％以下の範囲において、他の単量体を共重合させることができる。かかる単量体としては、例えば、エチレン、プロピレン、イソブチレン、α−オクテン、α−ドデセン、α−オクタデセン等のオレフィン類、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸、マレイン酸、無水マレイン酸、イタコン酸等の不飽和酸類あるいはその塩あるいはモノまたはジアルキルエステル等、アクリロニトリル、メタアクリロニトリル等のニトリル類、アクリルアミド、メタクリルアミド等のアミド類、エチレンスルホン酸、アリルスルホン酸、メタアリルスルホン酸等のオレフィンスルホン酸あるいはその塩、アルキルビニルエーテル類、ポリオキシエチレン（メタ）アリルエーテル、ポリオキシプロピレン（メタ）アリルエーテル等のポリオキシアルキレン（メタ）アリルエーテル、ポリオキシエチレン（メタ）アクリレート、ポリオキシプロピレン（メタ）アクリレート等のポリオキシアルキレン（メタ）アクリレート、ポリオキシエチレン（メタ）アクリルアミド、ポリオキシプロピレン（メタ）アクリルアミド等のポリオキシアルキレン（メタ）アクリルアミド、ポリオキシエチレン（１−（メタ）アクリルアミド−１，１−ジメチルプロピル）エステル、ポリオキシエチレンビニルエーテル、ポリオキシプロピレンビニルエーテル、ポリオキシエチレンアリルアミン、ポリオキシプロピレンアリルアミン、ポリオキシエチレンビニルアミン、ポリオキシプロピレンビニルアミン、ジアクリルアセトンアミド、Ｎ−アクリルアミドメチルトリメチルアンモニウムクロライド、アリルトリメチルアンモニウムクロライド、ジメチルジアリルアンモニウムクロリド、ジメチルアリルビニルケトン、Ｎ−ビニルピロリドン、塩化ビニル、塩化ビニリデン等が挙げられる。これらの他の単量体は、単独でも複数を組み合わせて用いてもよい。

そしてポリビニルアルコール系樹脂フィルムの中でも、フッ素アパタイトの柱状結晶の形成及び水への溶解度を適切な範囲とすることを考慮すると、重合度が３００〜５０００が好ましく、５００〜３０００がさらに好ましく、及び／又は、けん化度が９５．０ｍｏｌ％以上が好ましく、９９．０ｍｏｌ％以上がさらに好ましく、及び／又は、水（７３ｍＮ／ｍ）に対する表面の接触角は８度以上５０度以下が好ましく、２０度以上３０度以下がさらに好ましく、及び／又は、Ｊ．Ｆ．Ｋｅｎｎｙ法（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｏｌｙｍｅｒｓｃｉｅｎｃｅＰａｒｔＡ−１ｖｏｌ．４６７９−６９８（１９６６））で測定されたポリビニルアルコール系樹脂フィルムの結晶化度が５０％以上であることが好ましく、６０％以上がさらに好ましい。重合度、けん化度、接触角や結晶化度がこの範囲を外れる場合には、ポリビニルアルコール系樹脂フィルムが膨潤し過ぎたり、溶解したりして、その表面のフッ素アパタイトの柱状結晶を形成できない可能性がある。ただし、けん化度が７０．０ｍｏｌ％以上の範囲において、本発明の効果を阻害しない範囲であれば、ホウ酸、ホルムアルデヒド、酒石酸、クエン酸、金属化合物、ジオール化合物、両末端にビニルスルホン基を有する化合物等でポリビニルアルコール系樹脂フィルムを部分的に架橋することが可能であり、この場合、４０℃未満の水温で溶解せず、４０℃以上の水温で溶解することが好ましい。

ポリビニルアルコール系樹脂フィルムは、必要に応じてグリセリン、ジグリセリン、エチレングリコール、トリメチノールプロパンなどの多価アルコール系、ソルビトール、グルコース、キシリトールなどの糖アルコール系の化合物を可塑剤として含んでいてもよく、及び／又は、シリカ、タルク、澱粉、ガラスビーズ、スチレン系共重合体、アクリル系共重合体などをフィルムの密着防止剤として含んでいてもよい。
ポリビニルアルコール系樹脂フィルムの膜厚は、表面に形成されたフッ素アパタイトの柱状結晶を保持できること、フッ素アパタイトの柱状結晶を形成後に、加温した水等によって速やかに溶解できることが可能な範囲の膜厚でよく、１０μｍ〜５００μｍ程度の厚みを有することが好ましい。また、寸法安定性の向上を目的として、必要に応じて一軸延伸や二軸延伸をしておくこともできる。
またポリビニルアルコール系樹脂フィルムの形状は、いわゆる平面のフィルム状であってもよく、あるいは用途に応じて、環状、Ｕ字状、半球状、又は歯や骨等の組織の少なくとも一部形状に沿った形状等の任意の形状とすることができる。このような任意の形状を維持するための樹脂板、金型等の治具にポリビニルアルコール系樹脂フィルムをテープ等で固定することができ、ポリビニルアルコール系樹脂フィルムの少なくとも一方の面に粘着層を設けることによっても固定することができる。
ポリビニルアルコール系樹脂フィルムの少なくとも１方の面に溶解性及び／又は分解性を向上させるため、又はフッ素アパタイトの結晶の表面に凹凸を設けるために、凹凸を設けることができる。

（フッ化物イオン含有リン酸カルシウム水溶液、又はアニオン性有機化合物を添加したフッ化物イオン含有リン酸カルシウム水溶液）
フッ化物イオン含有リン酸カルシウム水溶液、又はアニオン性有機化合物を添加したフッ化物イオン含有リン酸カルシウム水溶液としては、公知の人造体液（又は疑似体液という）にフッ化物イオンを添加して得た人造体液を使用することができる。人造体液は、人の血液から赤血球、白血球及び血漿板等の有機物を除去してなる液体に相当する組成を有するものであり、リン酸水素イオンやカルシウムイオンを含み骨組織成分が形成され得るものであり、リン酸水素イオン濃度は１．００ｍｍｏｌ／ｄｍ^３である。
このときのフッ化物イオン含有リン酸カルシウム水溶液、又はアニオン性有機化合物を添加したフッ化物イオン含有リン酸カルシウム水溶液中のフッ化物イオン濃度としては、０．２０〜２．００ｍｍｏｌ／ｄｍ^３以下であることが好ましく、さらに好ましくは０．５０〜１．５０ｍｍｏｌ／ｄｍ^３である。
また、フッ化物イオン含有リン酸カルシウム水溶液、又はアニオン性有機化合物を添加したフッ化物イオン含有リン酸カルシウム水溶液中のリン酸水素イオン濃度としては、１．００ｍｍｏｌ／ｄｍ^３（１倍濃度とする）以上が好ましく、さらに好ましくは１．２５〜５．００ｍｍｏｌ／ｄｍ^３、より好ましくは１．５０〜２．５０ｍｍｏｌ／ｄｍ^３である。そしてカルシウムイオン濃度としては、上記の各濃度のリン酸水素イオンと反応してリン酸カルシウムとなるために必要な濃度であればよい。
また、フッ化物イオン、カルシウムとリン酸を含有する溶液としては、例えば、リン酸二水素ナトリウム、塩化カルシウム二水和物、塩化ナトリウム、塩酸、及び必要に応じて、フッ化ナトリウム等を溶解させてフッ化物イオンを含有する溶液であり、条件によって、水酸アパタイト、フッ素アパタイト、リン酸八カルシウム及びβ−リン酸三カルシウム等を析出することができる溶液である。

（本発明の積層フィルムの製造方法）
本発明の積層フィルムは、ポリビニルアルコール系樹脂フィルムの少なくとも一面にフッ素アパタイトの結晶を積層させてなる積層フィルムである。そのような積層フィルムを製造する方法としては、上記のポリビニルアルコール系樹脂フィルムの少なくとも一方の面を、好ましくは３０〜４０℃の人造体液、又はカルシウムとリン酸等を含有する溶液（これらを合わせて以下溶液と総称する）と接触させることを基本とする。
そのため、上記のポリビニルアルコール系樹脂フィルムを、例えば枠内に固定し、次いでその枠ごと上記溶液中に３〜１５０時間浸漬し、溶液から取り出し、必要に応じて乾燥する。このような浸漬工程は１回でもよく、また、複数回浸漬工程を行うことによって、該ポリビニルアルコール系樹脂フィルムの少なくとも一方の面に、アパタイトの結晶からなる層を形成させることもできる。
ポリビニルアルコール系樹脂フィルムを枠内に固定する際に、該ポリビニルアルコール系樹脂フィルムが溶液によって膨潤する性質を有する場合には、予め一軸延伸や二軸延伸しておく等の処理をしたり、例えば板状の基材上に接着、溶着等の手段によって、ポリビニルアルコール系樹脂フィルムが膨潤しても寸法変化することを極力抑制したりすることができる。
なお、溶液中にアニオン性の有機化合物を、アニオン基の濃度が好ましくは０．５０〜３．００ｍｍｏｌ／ｄｍ^３、好ましくは０．５０〜１．００ｍｍｏｌ／ｄｍ^３となるように、含有させておくことにより、ａ軸方向への結晶成長を抑制でき、さらにナノロッドの径がより小さい結晶を得ることができる。アニオン性の有機化合物としては、Ｄ−アスパラギン酸、L-アスパラギン酸、アスパラギン、グルタミン、グルタミン酸、アラニン、アルギニン、システイン、グリシン、ヒスチジン、ロイシン、イソロイシン、リシン、メチオニン、フェニルアラニン、プロリン、セリン、トレオニン、トリプトファン、チロシン、バリン等のアミノ基とカルボキシル基を有するアミノ酸が生体適合性の点から望ましい。

フッ素アパタイトの結晶は六方晶系の結晶であり、その結晶はａ面とｃ面を有し、ａ軸配向した結晶とｃ軸に沿って成長したフッ素アパタイト結晶がある。本発明における柱状結晶はｃ軸配向したものである。
このような柱状結晶を得るために、上記溶液中に浸漬し、ポリビニルアルコール系樹脂フィルムの少なくとも一面にフッ素アパタイト結晶を析出する浸漬工程を１回行うことができる。このときポリビニルアルコール系樹脂フィルム上に形成されるフッ素アパタイトの結晶の構造としては、例えば図１（ａ）に示す通りとなる。このときには、結晶の表面における各結晶の向きが多様である。これに対して結晶を成長させるための浸漬工程を２回行うと、フッ素アパタイトの結晶も２段階で成長する。その結果、図１（ｂ）に示すように、１段階目において成長した結晶の上にさらに２段階目の層の結晶が成長する。その結果、２段階目の結晶の表面は、結晶の向きが図１（ａ）で示した結晶の向きに比べて、よりｃ軸（ポリビニルアルコール系樹脂フィルムの表面に垂直方向の軸）に揃った向きとなり、生体に適用する際には、より適合性に優れる可能性がある。
なお、複数回行う場合には、それぞれの浸漬工程が同じ条件の工程であっても良い。
又は図２（ａ）に示すように、１回目の浸漬工程は、特に高濃度の溶液を使用し、比較的短時間の浸漬を行い、ポリビニルアルコール系樹脂フィルム表面にその後の結晶成長のための種結晶を析出させるに留め、次いで１回目の浸漬工程に使用した溶液よりも低濃度の溶液によって、浸漬工程を１回行って図２（ｂ）に示す状態とし、さらに必要に応じて、図２（ｃ）に示すように、同じ浸漬工程をもう一回行うことによって、該種結晶を基にして実質的に結晶成長をさせても良い。なお、本発明において複数回の浸漬工程によりフッ素アパタイト結晶を得る際には、このような１回目の浸漬工程による種結晶の層は、複数層にカウントしない。

フッ素アパタイト層を複数層設けるには、１回の浸漬工程のみではなく、上記図１に示すように、その後に長いアパタイト層を設けるための浸漬工程を１回以上行うことが好ましく、さらに、上記図２に示すように、１回目の浸漬工程を種結晶層を得る工程とし、その後長いフッ素アパタイト層を形成させるための浸漬工程を２回以上行うことが各フッ素アパタイト層の結晶がより緻密になり好ましい。図２（ｂ）（ｃ）に示すように、図２（ｂ）よりも図２（ｃ）の方が、フッ素アパタイト結晶の表面が、よりｃ軸に沿っていることがわかる。
このように、種結晶層を設けた後に１回以上の浸漬工程を採用することによって、１回の浸漬工程のみで結晶（ナノロッド）を得るよりも、全体として厚い膜厚の結晶層を得ることができる。それと同時に、２回目以降の各浸漬工程により得られた結晶層をより緻密な層として、さらにポリビニルアルコール系樹脂フィルム表面に対して垂直方向、つまりｃ軸方向に伸びた結晶（ナノロッド）を得ることができる。
このようにして得た長いナノロッドのフッ素アパタイト層はより正確に並んでｃ軸方向に伸びることによって、得られたフッ素アパタイト結晶を生体に適合させたときに、より高い強度を備え、かつより速やかに生体の骨成分と同化し易くなる可能性がある。

（積層フィルム）
上記の方法等により得られる本発明の積層フィルムは、上記のポリビニルアルコール系樹脂フィルムの少なくとも一方の面に、フッ素アパタイトの柱状結晶が成長してなるものであり、人造体液等の溶液に浸漬する回数分だけ、柱状結晶がその高さ方向に積層された構造を有する。
そのため、用途に応じて、溶液の濃度や温度、ポリビニルアルコール系樹脂フィルムを溶液に浸漬する回数や時間等を調整して、フッ素アパタイト結晶の層の厚さや緻密さを調整することができる。
フッ素アパタイトの層が１層形成された積層フィルム上のフッ素アパタイトの柱状結晶の層は、その膜厚が３．０〜８．０μｍ、好ましくは４．０〜７．０μｍである。なおこの膜厚は積層フィルムの断面のＳＥＭ画像上において無作為に選んだ５０点の各点の膜厚を平均して得た。
そのフッ素アパタイト結晶の最上層の表面における１つ１つの結晶の平均径は３００〜６００ｎｍ、好ましくは４００〜５５０ｎｍである。なお１つ１つの結晶の平均径は、ＳＥＭ画像上にて、無作為に選んだ５０個の結晶の径を平均して得た。
以下、膜厚及び結晶の平均径はこれらの方法によって求めたものである。

フッ素アパタイトの層が２層以上形成された積層フィルム上のフッ素アパタイトの柱状結晶の層は、そのフッ素アパタイト層１層あたりの膜厚が３．０〜８．０μｍ、好ましくは４．０〜７．０μｍであり、そのフッ素アパタイト結晶の各層の（先端部）最上部における１つ１つの結晶の平均径は２５０〜５００ｎｍ、好ましくは３００〜４５０ｎｍ、各層の結晶の最下部（その直下の層のフッ素アパタイト結晶の頂部から新規に成長した直ぐ上のフッ素アパタイト層の最下部）の平均径は３５〜６０ｎｍである。
である。
なお、溶液中にＤ−アスパラギン酸を含有するときには、形成されたフッ素アパタイト層１層あたりの膜厚が２．０〜６．０μｍ、好ましくは２．５〜５．０μｍであり、そのフッ素アパタイト結晶の各層の（先端部）最上部における１つ１つの結晶の平均径は１５０〜３００ｎｍ、好ましくは１８０〜２７０ｎｍ、各層の結晶の最下部（その下のアパタイト結晶から新規に成長した直ぐ上のフッ素アパタイト層の最下部）の平均径は２０〜３５ｎｍである。

（アパタイト自立膜）
上記積層フィルムを例えば４０℃以上の水に浸漬する等して、ポリビニルアルコール系樹脂フィルムを溶解することができる。その結果、フッ素アパタイト層のみからなるフッ素アパタイト自立膜を得ることができる。その厚さや結晶の構造等は上記した積層フィルムの一部の層として形成されたフッ素アパタイト層に由来する。

（本発明の積層フィルムの用途）
本発明の積層フィルムは、その少なくとも一面にフッ素アパタイトの柱状結晶層が形成されているという構造を利用して、生体内、例えば、歯、骨、軟骨等に対する生体インプラント、エナメル質の再生、骨成分の再生、さらに、生体に埋設又は非埋設にて直接接して使用される部材表面として使用される。また、細胞培養用シートとしても使用できる。
このときポリビニルアルコール系樹脂フィルムの少なくとも一方の面にアパタイト膜が形成された状態にて使用することができる。特にポリビニルアルコール系樹脂フィルムが生体内にて分解性を有するときには好ましい。
あるいは、フッ素アパタイト自立膜として、単独のフッ素アパタイト膜として生体に適用することもできる。

（準備）
ＮａＣｌを４０．５ｇ、ＣａＣｌ_２・２Ｈ_２Ｏを１．８４７５ｇ、Ｎａ_２ＨＰＯ_４を０．７３５ｇ、３５ｗｔ％ＨＣｌを８．８７５ｇを、純水に溶解して、５００ｃｍ^３のリン酸カルシウム水溶液を調製した。このときのリン酸水素イオン濃度は１０ｍｍｏｌ／ｄｍ^３である。以下、この溶液を１０倍濃度リン酸カルシウム水溶液と総称する。なお、人造体液は１倍濃度リン酸カルシウム水溶液（リン酸水素イオンの濃度は１．０ｍｍｏｌ／ｄｍ^３）である。
上記１０倍濃度リン酸カルシウム水溶液Ａを下記に示される実施例および比較例に記載の濃度に希釈し、フッ化物イオン濃度はＮａＦを添加することにより調製した。
各種高分子樹脂フィルムをポリプロピレン製樹脂板に固定し、表１に示される試料を準備した。ポリビニルアルコールフィルムの結晶化度は熱処理温度にて調整した。

（評価方法）
ポリビニルアルコールのけん化度
試料１〜５に使用されるポリビニルアルコールのけん化度についてＪＩＳＫ６７２６（１９９４）に準拠して測定した。

ポリビニルアルコールフィルムの結晶化度
試料１〜５のポリビニルアルコールフィルムについてＦＴ−ＩＲ（ＴＥＲＭＯＡＶＡＴＡＲ３６０）を用いて式１に示されるＪ．Ｆ．Ｋｅｎｎｙ法（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｏｌｙｍｅｒｓｃｉｅｎｃｅＰａｒｔＡ−１ｖｏｌ．４６７９−６９８（１９６６））により測定した。
結晶化度（％）＝９２×（１１４０ｃｍ^−１付近のピーク強度）
／（１４２０ｃｍ^−１付近のピーク強度）―１８（式１）

接触角測定
試料１〜９の各高分子樹脂フィルムについて、水（７３ｍＮ／ｍ）に対する接触角を接触角計（協和界面科学：ＤＲＯＰＭＡＳＴＥＲ）にて測定した。

ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）による観察
試料の表面をＳＥＭによって観察した。試料台に張り付けた導電性テープにフッ素アパタイト結晶（又はポリビニルアルコールフィルム上に形成されたフッ素アパタイト結晶）を載せ、オスミウムプラズマコーティング装置（真空デバイス：ＨＰＣ―１Ｓ）によってコーティングを行った。コーティング済みの試料をＳＥＭ（キーエンス：ＶＥ−９８００）により観察した。

ＸＲＤ（Ｘ線解析）
試料ホルダーを固定し、Ｘ線回析装置（リガク：ＭｉｎｉＦｌｅｘＩＩ）で解析を行った。Ｘ線源としてＣｕＫαを使用し、管電圧５０ｋＶ、管電流１２０ｍＡの条件で、連続スキャン法により２θ―３〜６０°の走査範囲で測定を行った。

[実施例１]
試料１について下記のサンプルａ〜ｅにより、リン酸カルシウム水溶液中のフッ化物イオン濃度が異なることにより、得られた結晶の形態を確認した。
ポリビニルアルコールフィルム表面上のＳＥＭ画像を図３に、ＸＲＤパターンを図４に示す。なお、ＳＥＭ画像を得るにあたり、ポリビニルアルコールフィルムを９０℃の温水により溶解して、フッ素アパタイトの層のみからなるシートを得た。

（サンプルａ）
フッ化物イオン濃度が１．５０ｍｍｏｌ／ｄｍ^３で、３７℃の、２．０倍濃度リン酸カルシウム水溶液（ｐＨ７．２）中に、試料１を２４時間浸漬した。その結果の拡大倍率が異なるＳＥＭ画像を図３のａ１〜３に示す。

（サンプルｂ）
フッ化物イオン濃度が１．０５ｍｍｏｌ／ｄｍ^３で、３７℃の、２．０倍濃度リン酸カルシウム水溶液（ｐＨ７．２）中に試料１を２４時間浸漬した。その結果の拡大倍率が異なるＳＥＭ画像を図３のｂ１〜３に示す。

（サンプルｃ）
フッ化物イオン濃度が０．５３ｍｍｏｌ／ｄｍ^３で、３７℃の、２．０倍濃度リン酸カルシウム水溶液（ｐＨ７．２）中に、試料１を２４時間浸漬した。その結果の拡大倍率が異なるＳＥＭ画像を図３のｃ１〜３に示す。

（サンプルｄ）
フッ化物イオン濃度が０．２６ｍｍｏｌ／ｄｍ^３で、３７℃の、２．０倍濃度リン酸カルシウム水溶液（ｐＨ７．２）中に、試料１を２４時間浸漬した。その結果の拡大倍率が異なるＳＥＭ画像を図３のｄ１〜３に示す。

（サンプルｅ）
フッ化物イオン濃度が０ｍｍｏｌ／ｄｍ^３で、３７℃の、２．０倍濃度リン酸カルシウム水溶液（ｐＨ７．２）中に、試料１を２４時間浸漬した。その結果の拡大倍率が異なるＳＥＭ画像を図３のｅ１〜３に示す。

（実施例１の結果）
図３によれば、フッ化物イオン濃度が０ｍｍｏｌ／ｄｍ^３であって、フッ化物イオンを含有しないサンプルｅでは、ポリビニルアルコールフィルム表面に何ら変化がみられないが、フッ化物イオン濃度が低いサンプルｄでは、ポリビニルアルコールフィルム表面の５０％程度の範囲にフッ素アパタイトの結晶が確認された。
さらに、サンプルｃ、ｂ及びａとフッ化物イオン濃度が高くなるに従い、ポリビニルアルコールフィルム表面でのフッ素アパタイトの被覆量が増加したことがわかる。またフッ素アパタイトの結晶はｃ軸方向に結晶が成長してなる柱状（ロッド状）であることもわかる。また、図４によれば、サンプルａ〜ｃにはフッ素アパタイトの結晶に由来するピーク（００２）（２１１）が現れている。サンプルｄにはフッ素アパタイトの結晶に由来するピーク（２１１）が現れている。
この原因として、フッ化物イオン濃度が高くなると、フッ化物イオンとポリビニルアルコールフィルムのヒドロキシル基との相互作用が高まり、これを起点に結晶核生成が誘起されることが考えられる。
なお、図４によれば、サンプルｃ以上のフッ化物イオンの濃度であればフッ素アパタイトの結晶に由来するピークが生成することがわかる。

［比較例１］
試料１について下記のサンプルａ〜ｃにより、高濃度のリン酸カルシウム水溶液中における結晶の形態を確認した。
ポリビニルアルコールフィルム表面上のＳＥＭ画像を図５に示す。

（サンプルａ）
フッ化物イオン濃度が０ｍｍｏｌ／ｄｍ^３で、３７℃の、２．５倍濃度リン酸カルシウム水溶液（ｐＨ７．２）中に、試料１を２４時間浸漬した。その結果の拡大倍率が異なるＳＥＭ画像を図５のａ１〜３に示す。

（サンプルｂ）
フッ化物イオン濃度が１．０５ｍｍｏｌ／ｄｍ^３で、３７℃の、２．５倍濃度リン酸カルシウム水溶液（ｐＨ７．２）中に、試料１を２４時間浸漬した。その結果の拡大倍率が異なるＳＥＭ画像を図５のｂ１〜３に示す。

（サンプルｃ）
フッ化物イオン濃度が１．５０ｍｍｏｌ／ｄｍ^３で、３７℃の、２．５倍濃度リン酸カルシウム水溶液（ｐＨ７．２）中に、試料１を２４時間浸漬した。その結果の拡大倍率が異なるＳＥＭ画像を図５のｃ１〜３に示す。

（比較例１の結果）
比較例１によれば、いずれのサンプルにおいても、浸漬時において均一核が形成し、結晶が容器内に沈殿した。サンプルａによれば、柱状結晶ではなくシート状結晶が形成されていた。フッ化物イオン濃度が１．０５ｍｍｏｌ／ｄｍ^３及び１．５０ｍｍｏｌ／ｄｍ^３であるサンプルｂ及びｃによると小さい柱状（ロッド状）結晶の集積体が形成されるが、濃度が高いために、その上に別の結晶体がランダムな方向に形成されてｃ軸に配向した結晶ではなかった。

［実施例２］
試料１について下記のサンプルａ〜ｃにより、リン酸カルシウム水溶液中に浸漬する時間をより長時間にすることによって得られた結晶の形態の変化を確認した。
ポリビニルアルコールフィルム表面上のＳＥＭ画像を図６に、浸漬時間毎のＳＥＭ画像とナノロッド（柱状結晶）径の関係を図７に、下記のサンプルａのときと同じフッ化物イオン濃度での場合において、浸漬時間を変化させたときのＸＲＤパターンを図８に示す。なお、図８中の（ｄ）は浸漬前のポリビニルアルコールフィルムの測定結果である。
なお、フッ素アパタイト自立膜を得るにあたり、サンプルａ〜ｃのポリビニルアルコールフィルムを９０℃の温水により溶解した。

（サンプルａ）
フッ化物イオン濃度が１．５０ｍｍｏｌ／ｄｍ^３で、３７℃の２．０倍濃度リン酸カルシウム水溶液（ｐＨ７．２）中に、試料１を１２０時間浸漬した。その結果の拡大倍率が異なるＳＥＭ画像を図６のａ１〜３に示す。

（サンプルｂ）
フッ化物イオン濃度が１．０５ｍｍｏｌ／ｄｍ^３で、３７℃の、２．０倍濃度リン酸カルシウム水溶液（ｐＨ７．２）中に、試料１を１２０時間浸漬した。その結果の拡大倍率が異なるＳＥＭ画像を図６のｂ１〜３に示す。

（サンプルｃ）
フッ化物イオン濃度が０ｍｍｏｌ／ｄｍ^３で、３７℃の、２．０倍濃度リン酸カルシウム水溶液（ｐＨ７．２）中に、試料１を１２０時間浸漬した。その結果の拡大倍率が異なるＳＥＭ画像を図６のｃ１〜３に示す。

（実施例２の結果）
図６のサンプルａ及びｂの結果によれば、フッ化物イオンを含有しないサンプルｃに比べて結晶が形成されない領域が減少し、かつ、上記実施例１のサンプルａ及びｂと比較すると、結晶がより密に、かつ１つ１つの結晶がより太く形成されていることがわかる。
また図７に示した、浸漬時間毎のＳＥＭ画像とナノロッド径の関係によれば、浸漬時間が２４時間のときには、ナノロッド径は１０１ｎｍ程度であるが、１２０時間の浸漬により６０３ｎｍと大幅にロッド径が増加した。
実施例１に記載の図４のサンプルａおよびｂと図８のサンプルａおよびｂを比較すると、浸漬時間が２４〜１２０時間と時間経過につれて、ｃ軸配向に由来する（００２）ピークが強くなり、本来の最強ピークである（２１１）を上回った。
なお、サンプルａ〜ｃについて得られたフッ素アパタイト層を有するポリビニルアルコールフィルムを９０℃の温水に浸漬してポリビニルアルコールを溶解・除去することで、サンプルａおよびｂではフッ素アパタイト自立膜を得たが、崩壊し易い脆い膜であった。サンプルｃについてはポリビニルアルコールの溶解過程で膜が崩壊した。

［比較例２］
試料１についてフッ化物イオンを含有しない２．０倍濃度リン酸カルシウム水溶液（ｐＨ７．２）に、ポリアスパラギン酸をカルボキシル基の濃度が０．５０ｍｍｏｌ／ｄｍ^３又は１．５０ｍｍｏｌ／ｄｍ^３となるように添加した。得られた３７℃の２．０倍濃度リン酸カルシウム水溶液に、試料１を２４〜１２０時間浸漬した。
浸漬後のＳＥＭ画像を図９に示す。図９の（ａ）はカルボキシル基０．５０ｍｍｏｌ／ｄｍ^３で２４時間浸漬、（ｂ）はカルボキシル基０．５０ｍｍｏｌ／ｄｍ^３で１２０時間浸漬、（ｃ）はカルボキシル基１．５０ｍｍｏｌ／ｄｍ^３で２４時間浸漬、（ｄ）はカルボキシル基１．５０ｍｍｏｌ／ｄｍ^３で１２０時間浸漬したものである。
比較例２によれば、ポリアスパラギン酸の濃度に関わらずポリビニルアルコールフィルム上には柱状（ロッド状）結晶を得ることができなかった。カルボキシル基の濃度が１．５０ｍｍｏｌ／ｄｍ^３である場合には、半球状の薄く拡がった形状の結晶を確認するのみである。リン酸カルシウム中のカルシウムイオンがポリアスパラギン酸に吸着されるためにこのような現象が起きたと考えられる。

［比較例３］
試料１についてフッ化物イオンを含有しない２．０倍濃度リン酸カルシウム水溶液（ｐＨ７．２）に、Ｄ−アスパラギン酸を８．３ｍｍｏｌ／ｄｍ^３となるように添加した。得られた３７℃の２．０倍濃度リン酸カルシウム水溶液に、試料１を２４〜１２０時間浸漬した。
浸漬後のＳＥＭ画像を図１０に示す。図１０の（ａ）は２４時間浸漬したもの、（ｂ）は１２０時間浸漬したものである。
比較例３によれば、Ｄ−アスパラギン酸を添加するとポリビニルアルコールフィルム上には柱状（ロッド状）結晶を得ることができなかった。リン酸カルシウム中のカルシウムイオンがＤ−アスパラギン酸に吸着されるためにこのような現象が起きたと考えられる。

［実施例３］
試料１についてフッ化物イオン含有リン酸カルシウム水溶液中に浸漬する工程を２回行うことによって、２段階の結晶成長を行った。
（第１段階（下地形成））
フッ化物イオン濃度が１．５０ｍｍｏｌ／ｄｍ^３で３７℃の、２．５倍濃度リン酸カルシウム水溶液（ｐＨ７．２）中に、試料１を６時間浸漬した。その結果の拡大倍率が異なるＳＥＭ画像を図１１のａ〜ｃに示す。大きさが２ｎｍのフッ素アパタイトのナノロッド構造体が高密度に成長していた。
（第２段階（結晶成長））
フッ化物イオン濃度が１．５０ｍｍｏｌ／ｄｍ^３で３７℃の、２．０倍濃度リン酸カルシウム水溶液（ｐＨ７．２）中に、第１段階により得た、表面に大きさが２ｎｍのフッ素アパタイトのナノロッド構造体が高密度に成長している試料１を、２４時間浸漬、及び１２０時間浸漬した。

（実施例３の結果）
実施例３の結果を図１２及び図１３に示す。図１２の（ａ１）及び（ａ２）は、第２段階において２４時間浸漬した試料１の表面のＳＥＭ画像であり、（ｂ）はその結晶が形成されたポリビニルアルコールフィルムの断面、（ｃ１）及び（ｃ２）は、第２段階において１２０時間浸漬した試料１の表面のＳＥＭ画像であり、（ｄ）はその結晶が形成されたポリビニルアルコールフィルムの断面である。
この断面によれば、フッ素アパタイトのナノロッドがポリビニルアルコールフィルム表面から垂直方向に成長していることを確認でき、２４時間浸漬したときに形成されたフッ素アパタイトの厚さは５．８±０．３μｍ、ナノロッドのロッド径は４４０±９１ｎｍ、１２０時間浸漬したときのフッ素アパタイトの厚さは６．４±０．２μｍ、ナノロッドのロッド径は５１２±９２ｎｍであった。

図１３はＸＲＤパターンの測定結果である。図中（ａ）は第２段階において１２０時間浸漬後のパターン、（ｂ）は第２段階において２４時間浸漬後のパターン、（ｃ）は第１段階終了後のパターン、（ｄ）はフッ化物イオン濃度が１．５０ｍｍｏｌ／ｄｍ^３で３７℃の、２．０倍濃度リン酸カルシウム水溶液（ｐＨ７．２）中に、試料１を１２０時間浸漬したときのパターンである。
（ｃ）においては、フッ素アパタイト由来のパターンを確認できなかったが（ｂ）さらに（ａ）と浸漬時間を長くするほど（００２）（００４）のピークが強くなり、ナノロッドがｃ軸配向することを確認できた。（ｄ）のように１段階で１２０時間浸漬するよりもこれらのピークが強いことがわかる。
なお、図１２の（ａ１）及び（ａ２）にあたるフッ素アパタイトの結晶層が形成されたポリビニルアルコールフィルムを、温水に浸漬して該ポリビニルアルコールフィルムを溶解すると、フッ素アパタイト自立膜が得られたが非常に脆い膜であった。

［実施例４］
試料２について実施例３と同様な実験を実施した。実施例３と同様にポリビニルアルコールフィルム表面にフッ素アパタイトに由来する柱状結晶の生成が観察された。

［実施例５］
試料３について実施例３と同様な実験を実施した。実施例３と同様にポリビニルアルコールフィルム表面にフッ素アパタイトに由来する柱状結晶の生成が観察された。

［実施例６］
試料４について実施例３と同様な実験を実施した。実施例３と同様にポリビニルアルコールフィルム表面にフッ素アパタイトに由来する柱状結晶の生成が観察された。

［比較例４］
試料５について実施例３と同様な実験を実施した。結晶成長工程にてポリビニルアルコールフィルムが溶解したため、フッ素アパタイトに由来する柱状結晶は観察されなかった。

［比較例５］
試料６について実施例３と同様な実験を実施した。ポリビニルブチラール表面にフッ素アパタイトに由来する柱状結晶がわずかに確認できるに過ぎなかった。

［比較例６］
試料７について実施例３と同様な実験を実施した。ポリウレタン表面にフッ素アパタイトに由来する柱状結晶がわずかに確認できるに過ぎなかった。

［比較例７］
試料８について実施例３と同様な実験を実施した。ポリアミド６６表面にフッ素アパタイトに由来する柱状結晶がわずかに確認できるに過ぎなかった。

［比較例８］
試料９について実施例３と同様な実験を実施した。ポリプロピレン表面にはフッ素アパタイトの結晶が析出しなかった。

［実施例７］
試料１についてフッ化物イオン含有リン酸カルシウム水溶液中に浸漬する工程を３回以上行うことによって、３段階以上の結晶成長を行った。
このため、上記実施例３の第１段階（下地形成）及び第２段階（２４時間浸漬による結晶成長）の工程をそのまま実施し、次いで一旦乾燥させた後に、この第２段階の工程をそのままさらに１回以上実施した。なおその第２段階に相当する工程の前には乾燥工程を設けた。

（実施例７の結果）
得られたフッ素アパタイト層を有するポリビニルアルコールフィルムの面に垂直な断面のＳＥＭ画像を図１４に示す。
図１４の（ａ）は上記実施例３における第２段階を合計で２回行ったときの断面図、（ｂ）（ｃ）（ｄ）は順に３回、４回及び５回行ったときの断面図である。このように結晶成長させる工程を複数回行った際の断面の模式図を図２に示す。実施例３に示される第２段階を１回行う１層構造と、本実施例の２回行う２層構造とでは、本実施例では第２層が第１層より厚みを増すように結晶が成長しており、さらにポリビニルアルコールフィルムの面に対して垂直方向（ｃ軸方向）に結晶が伸びている。この傾向は第２段階を５回行う５層構造においても同様であり、工程を増加させた分だけフッ素アパタイトの結晶層を積層させることができた。

図１５は、上記図１３において（ａ）のときの構造を示す。図１５（ａ）（ｄ）及び（ｅ）はポリビニルアルコールフィルムの厚さ方向に切断して得た断面図、図１５（ｂ）及び（ｃ）はフッ素アパタイト表面の図である。他にも図１４の（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）に相当する場合においても、各層は図１５（ａ）の場合と同様の構造を示す。
第２段階を１回行うと、得られたフッ素アパタイトの厚さは５．８±０．３μｍ、同様に２回行うと厚さは２７．１±５．４μｍ、３回行うと厚さは４７．２±８．９μｍ、４回行うと厚さは６６．４±１１．３μｍ、５回行うと厚さは８７．５±２２．９μｍ、であった。

また、図１６に、これらの得られたフッ素アパタイトのＸＲＤパターンを示す。図１６の（ａ）は上記第２段階を５回行って得たフッ素アパタイトのパターン、（ｂ）は同じく４回行って得たもの、（ｃ）は同じく３回行って得たもの、（ｄ）は同じく２回行って得たもの、（ｅ）は１回行って得たものである。
このＸＲＤパターンによれば、フッ素アパタイトのｃ軸配向に由来する（００２）及び（００４）のピークが、本来の最強ピーク（２１１）よりも強く、フッ素アパタイトを多層積層して得たナノロッドはｃ軸配向していることがわかる。

上記の第２段階を５回行って得た積層されたフッ素アパタイトの各層について、詳細に測定すると、下層のナノロッド先端から、径が５０ｎｍ程度の新規ナノロッドが新たに生成して多層構造を形成させている。そして上層のナノロッドは直下の層のナノロッドの方位を引き継いでエピタキシャル成長している。
各層のナノロッドの先端の最大径は３５０ｎｍ程度であり、その先端から新たに生成するナノロッドの径は５０ｎｍ程度であった。つまり、ナノロッドの径が３５０ｎｍ程度になるまで成長し、そこから５０ｎｍ程度の径で新たなナノロッドが成長することになり、これを繰り返して各層が形成される。
図１４の（ｄ）に示す上記第２段階を５回行って形成されたフッ素アパタイトの各層のナノロッドの先端の径は、ポリビニルアルコールフィルム側から順に第１層が３８２±５９ｎｍ、第２層が３９９±１０３ｎｍ、第３層が４３４±１８１ｎｍ、第４層が３４２±８１ｎｍ、第５層が３２５±６５ｎｍであり、各層の最下部のナノロッドの径は４８±１０ｎｍであった。

（フッ素アパタイト自立膜）
図１４の（ｄ）に示す上記第２段階を５回行って形成されたフッ素アパタイトが形成されたポリビニルアルコールフィルムにおいて、該ポリビニルアルコールフィルムを溶解するために、これを９０℃の温水に１５分間浸漬した。その結果、フッ素アパタイトのみからなるシート状物が得られた。

［実施例８］
実施例３の第１段階と同じ工程を行った後、Ｄ−アスパラギン酸濃度が１．５ｍｍｏｌ／ｄｍ^３、フッ化物イオン濃度が１．５０ｍｍｏｌ／ｄｍ^３で３７℃の、２．０倍濃度リン酸カルシウム水溶液（ｐＨ７．２）中に２４時間浸漬した。そしてこの工程を合計で５回繰り返した。その結果５層構造のフッ素アパタイトのナノロッド配向構造体を得た。

（実施例８の結果）
ポリビニルアルコールフィルム側から順に、柱状結晶の長さは、第１層が２５０±６３ｎｍ、第２層が２３１±５３ｎｍ、第３層が２５１±５４ｎｍ、第４層が２１７±５９ｎｍ、第５層が１９６±４６ｎｍであり、各層の最下部のナノロッドの径は２９±８ｎｍであった。
Ｄ−アスパラギン酸を添加することによりａ軸方向への結晶成長を抑制できること、さらにナノロッドの径や長さもより小さくなった。

１・・・ポリビニルアルコール系樹脂フィルム
２・・・フッ素アパタイトの柱状結晶

Claims

ポリビニルアルコール系樹脂フィルムの少なくとも一面にフッ素アパタイトの柱状結晶からなる層が形成されてなる積層フィルム。
フッ素アパタイトの柱状結晶がｃ軸配向されている請求項１に記載の積層フィルム。
柱状結晶からなる層は、ｃ軸配向されたフッ素アパタイトの結晶がそのｃ軸方向に複数層形成されている請求項２に記載の積層フィルム。
ポリビニルアルコール系樹脂フィルムが水溶性である請求項１〜３のいずれかに記載の積層フィルム。
４０℃未満のフッ化物イオン含有リン酸カルシウム水溶液、又はアニオン性有機化合物を添加したフッ化物イオン含有リン酸カルシウム水溶液に、ポリビニルアルコール系樹脂フィルムを浸漬し、該ポリビニルアルコール系樹脂フィルムの少なくとも一面にフッ素アパタイトの柱状結晶を形成させる工程を有する請求項１〜４のいずれかに記載の積層フィルムの製造方法。
４０℃以上の水で請求項１〜４のいずれかに記載の積層フィルムを処理し、ポリビニルアルコール系樹脂フィルムを溶解・除去し、フッ素アパタイトの柱状結晶からなる層を取り出す工程を有するフッ素アパタイト柱状結晶のフィルムの製造方法。
フッ素アパタイトの柱状結晶からなる層からなるフィルム。