JP6832646B2 - アパタイトセラミックスおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、銀を含有するアパタイトセラミックスと、その製造方法に関する。

水酸アパタイト〔組成式：Ｃａ_１０(ＰＯ_４)_６(ＯＨ)_２〕や炭酸アパタイト〔組成式：Ｃａ_１０(ＰＯ_４)_６ＣＯ_３〕は、生体適合性に優れ、体内で骨と直接結合する性質を持つことから、人工骨補填材や、人工関節等への生体活性コーティング材として、広く臨床応用されている。なかでも、水酸アパタイト（以下、ハイドロキシアパタイトともいう）に銀または銀イオンを担持させた抗菌性アパタイトは、広い抗菌スペクトルを有するため、生体埋植用のインプラント等の分野において、埋植手術後における細菌感染を防止または抑制できると期待されており、それに関する多数の報告がなされている（非特許文献１〜３等を参照）。

これらの報告は、いずれも、銀イオン(Ａｇ^＋)が水酸アパタイトのカルシウムイオン(Ｃａ^２＋)と置換した、銀置換水酸アパタイト（銀置換ハイドロキシアパタイト）の合成およびその結晶構造に関する研究であり、たとえば、非特許文献１には、湿式合成により銀置換水酸アパタイトを合成した際、ａ軸，ｃ軸の増加とともに、銀が、水酸アパタイトのＣａＩサイトに置換したとの報告がある。また、非特許文献２には、マイクロウェーブ法により作製した銀置換水酸アパタイトを加熱した場合、７００℃の温度までは、その構造を維持していることが報告されている。さらに、非特許文献３には、湿式合成により作製した各種Ｃａ／Ｐ比の銀置換水酸アパタイトを熱処理した場合の、結晶相の変化が報告されている。

なお、これらの研究では、前述の水酸アパタイトおよび銀置換水酸アパタイト〔組成式：Ｃａ_１０−ｘＡｇ_ｘ(ＰＯ_４)_６(ＯＨ)_２〕の水酸基(ＯＨ⁻)をＡサイト（Ａ型）、リン酸基(ＰＯ_４ ^３−)をＢサイト（Ｂ型）と呼ぶ場合がある。また、水酸アパタイト（六方晶系）の六角柱状（針状）結晶の底面（端面）はｃ面、側面（壁面）はａ面であり、底面（ｃ面）に垂直な柱状結晶の成長方向をｃ軸、底面（ｃ面）に平行な、ｃ軸周りの径（半径）方向をａ軸と呼び、ｃ軸方向に柱状（鎖状）に配列された９配位のカルシウをＣａＩ(columnar Ca)サイト、水酸基の酸素を三角らせん状に取り囲む７配位のカルシウム(Ｃａ^２＋)をＣａＩＩ(screw axis Ca)サイトと呼ぶ。

L. Badrour, A. Sadel, M. Zahir, L. Kimakh, AE. Hajbi, "Synthesis and physical and chemical characterization of Ｃａ１０−ｘＡｇｘ(ＰＯ４)６(ＯＨ)２−ｘ ｘ ａｐａｔｉｔｅ" Annales de Chimie Science des Materiaux, Vol.23, Issue 1-2, (1998), P61-64 N. Rameshbabu, TS. Sampath Kumar, TG. Prabhakar, VS. Sastry, KV. Murty, K.Prasad Rao, "Antibacterial nanosized silver substituted: S ynthesis and characterization", Journal of Biomedical Materials Research Part A, Vol.80, Issue 3, (2007), P581-591 O. Gokcekaya, K. Ueda, T. Narushima, C. Ergun, "Synthesis and characterization of Ag - containing calcium phosphates with various Ca/P ratios ", Materials Science and Engineering: C, Vol.53, (2015), P111-119

前述のように水酸アパタイトは、湿式合成法等により容易にカルシウムを銀に置換して、抗菌性を簡単に付与できるという利点を有する。しかしながら、湿式合成法等によって作製された銀置換水酸アパタイトは、結晶性が低く、その後に加熱処理（焼成）等を行った場合、温度上昇に伴う水酸アパタイトの結晶化または焼結の進展によって、リン酸第３カルシウムβ相（β−ＴＣＰ），酸化カルシウム（ＣａＯ）の析出や、金属銀の析出とその粒成長（大形化）が生じるという、問題があった。

そのため、抗菌性インプラント等に用いられる、銀置換水酸アパタイトを焼成したアパタイトセラミックスは、成形，焼成中に析出し粒成長した金属銀の近傍にのみ抗菌性が偏よって発現するという不均一性が生じる可能性があった。また、金属銀が脱離してしまい、所要の抗菌性を維持できないという可能性がある。さらに、このアパタイトセラミックスを、人工関節等の摺動部の近くに適用しようとする場合、脱落した銀が、関節摺動部内に入り込むことで摺動部材の摩耗の原因となるおそれもある。

本発明の目的は、焼成を行っても金属銀の粒塊が大形化することのない、均質な抗菌性と耐久性に優れるアパタイトセラミックスおよびその製造方法を提供することである。

本発明は、水酸アパタイトと銀とで構成されたアパタイトセラミックスであって、走査型電子顕微鏡によって観察される金属銀粒子のうち、粒子径が０．１〜２．０μｍの金属銀粒子の個数の割合が、観察される全金属銀粒子の個数に対して９５％以上であり、前記銀の含有量が、前記アパタイトセラミックス全体に対して０．０９３重量％以上９．３重量％未満であることを特徴とするアパタイトセラミックスである。

一方、本発明のアパタイトセラミックスの製造方法は、結晶中に炭酸基を含有する炭酸含有水酸アパタイトの粉末と銀または酸化銀との混合物に、エタノールを加えて混錬し、スラリー状のアパタイト組成物を作製する工程と、前記スラリー状のアパタイト組成物から前記エタノールを蒸発させて取り除き、粉末状のアパタイト組成物を得る工程と、前記粉末状のアパタイト組成物を金型容器に入れて加圧し、所定形状のアパタイト組成物体を作製する工程と、前記アパタイト組成物体を、９００〜１２００℃の範囲内の設定温度まで加熱して焼成し、セラミックス中に一旦固溶した銀が粒子状の金属銀として析出するアパタイトセラミックスを得る工程と、を備えることを特徴とする。

また、本発明のアパタイトセラミックスの製造方法は、前記セラミックス中に析出した金属銀のうち、粒子径が０．１〜２．０μｍの金属銀粒子の個数が、走査型電子顕微鏡によって観察される全金属銀粒子の個数の９５％以上を占めることを特徴とする。

さらに、本発明のアパタイトセラミックスの製造方法は、前記銀の含有量が、前記アパタイトセラミックス全体に対して０．０９３重量％以上９．３重量％未満である構成を特徴とし、前記炭酸含有水酸アパタイト中の炭酸基含有量が、０．１重量％以上６．０重量％以下である構成を特徴とする。

なお、本発明のアパタイトセラミックスの原材料として用いられる「炭酸含有水酸アパタイト」（炭酸ハイドロキシアパタイト）の組成式は、たとえばＣａ_１０−ｙ[(ＰＯ_４)_６−ｙ(ＣＯ_３)_ｙ][(ＯＨ)_２−２ｚ(ＣＯ_３)_ｚ]で表され、そのカルシウムの一部を銀に置換したアパタイトセラミックスの組成式は、たとえばＣａ_{１０−ｘ−ｙ}Ａｇ_ｘ[(ＰＯ_４)_６−ｙ(ＣＯ_３)_ｙ][(ＯＨ)_２−２ｚ(ＣＯ_３)_ｚ]で表記されるものである。

本発明によれば、抗菌性および耐久性に優れる、アパタイトセラミックスを、効率よく製造することができる。すなわち、得られたアパタイトセラミックスは、焼成後に、走査型電子顕微鏡によって観察される金属銀粒子のうち、粒子径が０．１〜２．０μｍの金属銀粒子の個数の割合が、観察される全金属銀粒子の個数に対して９５％以上になっている。そのため、本発明のアパタイトセラミックス（成形体）は、セラミックス中に存在する銀粒子が、均一に満遍なく分布しており、さらに大形の銀粒塊がないため、その抗菌性の発露にむらがないようになっている。

さらに、本発明の低温焼成アパタイトセラミックスのなかでも、前記炭酸含有水酸アパタイト中の炭酸基含有量が、０．１重量％以上６．０重量％以下であるものは、焼成（昇温）中に前記炭酸基が前記炭酸含有水酸アパタイト中の水酸基(ＯＨ⁻：Ａサイト)に効率的に置換し、これにより水酸アパタイトの六角柱状結晶のａ軸〔底面（ｃ面）に平行な、ｃ軸周りの径（半径）方向の長さ〕が拡大する。したがって、この構成によって、銀イオン(Ａｇ^＋)の、水酸アパタイトのカルシウムイオン(Ｃａ^２＋)との置換が容易となり、結果として、銀（銀イオン）のアパタイト結晶中への固溶量の増加によって、銀の析出量を制御することができる。

そして、本発明のアパタイトセラミックスが、前記混合物を、９００〜１２００℃の温度域で焼成して得られる成形体である場合、常温から所定温度に達するまでの間の５００〜９００℃に昇温した段階で、アパタイト結晶中に固溶して一旦吸収された銀が、セラミックスの温度上昇に伴ってゆっくりと徐放されて析出し、アパタイトセラミックス中に、粒径の小さな金属銀のみが満遍なく分散されて存在する状態となる。これにより、銀粒塊の成長（大形化）やその生成を抑制することができる。

一方、本発明のアパタイトセラミックスの製造方法によれば、前述のような、大きな銀粒塊を持たない、抗菌性および耐久性に優れる、アパタイトセラミックスを、効率よく製造することができる。また、そのアパタイトセラミックスを、再現性良く製造することができる。

（ａ）〜（ｅ）は順に、銀を０．９３重量％含有する炭酸含有水酸アパタイト（ＨＡＰ−１００）を、４００℃，６００℃，８００℃，１０００℃，１２００℃で加熱処理して得られるアパタイトセラミックスの状態を示す電子顕微鏡写真である。 （ａ）〜（ｅ）は順に、銀を０．９３重量％含有する炭酸含有水酸アパタイト（ＨＡＰ−２００）を、４００℃，６００℃，８００℃，１０００℃，１２００℃で加熱処理して得られるアパタイトセラミックスの状態を示す電子顕微鏡写真である。 （ａ）〜（ｅ）は順に、銀を０．９３重量％含有する炭酸含有水酸アパタイト（ＨＡＰ−３００）を、４００℃，６００℃，８００℃，１０００℃，１２００℃で加熱処理して得られるアパタイトセラミックスの状態を示す電子顕微鏡写真である。 銀を０．９３重量％含有する炭酸含有水酸アパタイト（ＨＡＰ−１００）を１０００℃で焼成して得られるアパタイトセラミックスに存在する金属銀粒子の粒径分布を示すグラフである。 銀を０．９３重量％含有する炭酸含有水酸アパタイト（ＨＡＰ−２００）を１０００℃で焼成して得られるアパタイトセラミックスに存在する金属銀粒子の粒径分布を示すグラフである。 銀を０．９３重量％含有する炭酸含有水酸アパタイト（ＨＡＰ−３００）を１０００℃で焼成して得られるアパタイトセラミックスに存在する金属銀粒子の粒径分布を示すグラフである。 ４００〜１２００℃で加熱処理した、銀を０．９３重量％含有するアパタイトセラミックスのＸ線回折パターンを示すチャート図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態にかかるアパタイトセラミックスは、アパタイト結晶中に炭酸基を含有する炭酸含有水酸アパタイト粉末（炭酸ハイドロキシアパタイト：ＣＯ_３ＨＡｐ）と、酸化銀（Ａｇ_２Ｏ）とを原料とし、これらの原料をミル等で充分に混錬した後、加圧成形して成形体とするとともに、この成形体を、アパタイトの焼結が始まる１２００℃を超えない、通常９００〜１２００℃、好ましくは１０００〜１２００℃の範囲内の温度域で焼成して、前記の酸化銀に由来する小粒径の銀（金属銀）を、セラミックス中に、均一に析出させたものである。なお、本発明における「銀を析出させる」とは、まず、加熱により所定温度（約６００〜８００℃）に到達して、水酸アパタイトの結晶中に銀イオンとして分散固溶して観察できなくなった銀粒子が、その後のさらなる温度上昇により水酸アパタイトの結晶格子から離脱して、単独の金属銀として顕在化することを言う。

その製造方法は、まず、原料となるアパタイト結晶中に炭酸基を含有する炭酸含有水酸アパタイトの粉末と、酸化銀とを準備する。使用する酸化銀に特に制約はなく、粉末状の市販品を用いる。

炭酸含有水酸アパタイトは、たとえば組成式Ｃａ_１０−ｙ[(ＰＯ_４)_６−ｙ(ＣＯ_３)_ｙ][(ＯＨ)_２−２ｚ(ＣＯ_３)_ｚ]で表される化合物であり、その水酸アパタイト（結晶）中に、通常０．１重量％以上６．０重量％以下、好ましくは０．５重量％以上５．５重量％以下、より好ましくは１．０重量％以上５．０重量％以下の炭酸基を含有するものである。

なお、一般に、水酸アパタイト（ハイドロキシアパタイト）は、人工的に合成する場合、乾式合成法では炭酸イオン(ＣＯ_３ ^２−)が水酸基(ＯＨ)Ａサイトに置換したＡ型が、湿式合成法では炭酸イオンがリン酸(ＰＯ_４)基Ｂサイトに置換したＢ型と呼ばれる炭酸含有水酸アパタイトが、優先的に生成されることが知られている。本実施形態の場合、湿式合成により製造された水酸アパタイトを好適に採用する。具体的には、結晶性の高い炭酸含有ハイドロキシアパタイト粉末、たとえば、太平化学産業社製高純度リン酸カルシウム ＨＡＰシリーズ、ＨＰＡ−１００，ＨＰＡ−２００，ＨＰＡ−３００（グレード名）等を準備する。

つぎに、準備した炭酸含有水酸アパタイト粉末（Ａ型，Ｂ型混合）に対して、銀を添加するが、その全体に対する銀の含有量を、通常０．０９３重量％以上９．３重量％未満、好ましくは０．０９３重量％以上５．５８重量％以下、より好ましくは０．０９３重量％以上１．８６重量％以下となるように銀を添加・混合する。さらに分散混合用溶媒としてエタノールを添加して、混錬により充分に混合・分散させる。なお、銀は、前述のように酸化銀（Ａｇ_２Ｏ）として添加され、その添加部数（重量部数）は、炭酸含有水酸アパタイト粉末の重量を１００とした場合、酸化銀の形でたとえば約１．０１〜１１．１重量部添加される。これは、金属銀（Ａｇ）換算で約０．０９４〜１０．３重量部の添加である。

なお、酸化銀に由来する銀の、炭酸含有水酸アパタイト混合物全体に対する含有量が、０．０９３重量％未満の場合は、銀に由来するアパタイトセラミックスの抗菌性能が充分に発揮されないおそれがある。また、逆に、銀の含有量が、９．３重量％以上の場合は、すべての銀がアパタイトセラミックス中に一旦固溶することができず、その残存粒塊がセラミックス中に留まってしまうおそれがある。

混合物の混合・混錬は、ボールミル等を用いて行う。たとえば、溶媒としてエタノールを添加した、炭酸含有水酸アパタイトと酸化銀との混合物に、混錬用メディアとしてジルコニアボール等を加え、たとえば重量比が粉末（混合物）：溶媒：メディア＝１：２：６となるよう配合して、混錬用のポリエチレン容器に入れ、５０回転／分の回転数で２４時間、ボールミル混合を行い、スラリー状のアパタイト組成物を作製する。

ついで、エバポレーター等の吸引手段を用いて、スラリー状のアパタイトからエタノールを蒸発させて取り除き、粉末状のアパタイト組成物を得た。ちなみに、この状態では、分析によっても原料の酸化銀（Ａｇ_２Ｏ）のピークは確認されず、代わりに銀（Ａｇ）のピークが確認された。これは、エタノールを添加したボールミル混合中に、酸化銀が銀に還元されたためと考えられる。

つぎに、粉末状のアパタイト組成物を金型容器等に入れて加圧成形し、所定形状のアパタイト組成物体を作製する。成形方法は、特に限定されるものではないが、金型プレスや冷間等方加圧（ＣＩＰ）等を用いて行うことが好ましい。なお、目的とするインプラント等の形状に応じて、ＣＩＰ等の完了した成形体（アパタイト組成物体）に、切削加工や研削加工等を施してもよい。

ついで、所望の形状に成形されたアパタイト組成物体を、電気炉等を用いて、通常９００〜１２００℃、好ましくは１０００〜１２００℃の範囲内の設定温度まで加熱して焼成し、小径の銀粒子が満遍なく析出したアパタイトセラミックス（製品）を作製する。

電気炉等による加熱（温度）プロファイルは適宜設定できるが、たとえば、最高温度を１０００±１０℃と設定した場合は、この最高温度の状態を１〜３時間程度維持する等、設定最高温度の状態を１〜３時間程度保持するように、加熱プロファイルを設定する。なお、先に述べた銀イオンがアパタイト結晶中に分散固溶する時間的猶予を与えるために、昇温の途中で、６００〜８００℃で維持する時間を１〜３時間程度設けてもよい。

以上のように、本実施形態のアパタイトセラミックスの製造方法は、焼成温度を９００〜１２００℃、好ましくは１０００〜１２００℃の範囲内とすることにより、焼成後に存在する銀粒子が、セラミックス中に均一に満遍なく分布するとともに、大形の銀粒塊がなく、粒径の小さな金属銀のみが満遍なく分散されて並ぶ状態となる。

つぎに、得られた、銀含有アパタイトセラミックスの成形体の状態について、以下の実施例のなかで説明する。

実施例では、原料の、アパタイト結晶中に炭酸基を含有する炭酸含有水酸アパタイト（炭酸含有ハイドロキシアパタイト：ＣＯ_３ＨＡｐ）として、太平化学産業社製高純度リン酸カルシウム ＨＡＰ−１００（白色粉末：粒径１．７ｍｍ以下），ＨＡＰ−２００（白色粉末：平均粒径５〜２０μｍ），ＨＡＰ−３００（白色粉末）を用い、酸化銀（Ａｇ_２Ｏ）として、関東化学社製酸化銀粉末（平均粒径０．１〜１００μｍ）を用いて、酸化銀粉末に由来する銀の混合割合が１重量％になるように炭酸含有ハイドロキシアパタイト粉末と混合し、それぞれ、アパタイト結晶中のカルシウムの一部を銀に置換した実施例１（Ａｇ−ＨＡＰ−１００）グループ，実施例２（Ａｇ−ＨＡＰ−２００）グループおよび実施例３（Ａｇ−ＨＡＰ−３００）グループを作製した。

［実施例サンプルの作製］
炭酸含有ハイドロキシアパタイト粉末と、所定量（１重量％）の酸化銀粉末とを混合し、溶媒として無水エタノール、混錬用メディアとして５ｍｍφジルコニアボールを添加して、重量比で粉末（混合物）：溶媒：メディアが１：２：６となる配合で、これらを混錬用ポリエチレン容器に収容し、ボールミル機で５０回転／分×２４時間回転させて、充分に混合・分散されたスラリー状のアパタイト組成物を作製した。

混合後スラリーを取り出し、エバポレーターを用いて無水エタノールを蒸発させて混合粉末を得た。ついで、各銀濃度の混合粉末を、直径２４ｍｍφの金型および抗菌試験用に直径８０ｍｍφの金型に収容し、一軸プレスにて仮成形した後、２９４ＭＰａの圧力で冷間等方加圧（ＣＩＰ）処理を行い、加熱処理用のタブレット状アパタイト組成物体を作製した。

つぎに、電気炉中（大気圧下）で各サンプルの加熱焼成を行った。加熱条件は、４００℃，６００℃，８００℃，１０００℃，１２００℃で、それぞれ２時間加熱した。

得られた銀含有ハイドロキシアパタイトの電子顕微鏡写真を図１〜図３に示す。なお、電子顕微鏡は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：ＳＮ−３４００Ｎ，日立製作所社製）を用いた。

図１は、原料の炭酸含有ハイドロキシアパタイトに、ＨＡＰ−１００を使用した実施形態１のものであり、（ｄ）１０００℃焼成品と（ｅ）１２００℃焼成品においては、大きな金属銀の粒塊が複数見られる。

図２は、原料の炭酸含有ハイドロキシアパタイトに、ＨＡＰ−２００を使用した実施形態２のものであり、（ｂ）６００℃焼成品と（ｃ）８００℃焼成品においては、金属銀の粒子が全く見られない状態となった。また、（ｄ）１０００℃焼成品と（ｅ）１２００℃焼成品においては、金属銀の粒子は散見されるものの、大きな粒塊は観察されなかった。

図３は、原料の炭酸含有ハイドロキシアパタイトに、ＨＡＰ−３００を使用した実施形態３ものであり、ＨＡＰ−１００（図１）と同様、（ｄ）１０００℃焼成品と（ｅ）１２００℃焼成品においては、大きな金属銀の粒塊が複数見られる状態であった。

つぎに、得られた各サンプルのうち、実施例１（Ａｇ−ＨＡＰ−１００）の１０００℃焼成品〔図１（ｄ）に相当〕、実施例２（Ａｇ−ＨＡＰ−２００）の１０００℃焼成品〔図２（ｄ）に相当〕、実施例３（Ａｇ−ＨＡＰ−３００）の１０００℃焼成品〔図３（ｄ）に相当〕を用いて、サンプル中に存在する銀粒子（銀粒塊）の粒径分布を、以下の方法により計測した。結果を図４〜図６の粒度分布図に示す。

［銀の粒径（粒度）分布の測定方法］
各焼結体の断面写真を、加速電圧：１５ｋＶ、観察倍率：２０００倍の条件で走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて反射電子像で取得した。各試料につき、１０枚ずつ反射電子像を取得し、各ＳＥＭ写真上にて、画像解析ソフト（Ｗｉｎ ＲＯＯＦ）を用いて、銀粒子部分と、その他のハイドロキシアパタイト部分と、を２値化処理を行い、各銀粒子の円相当径を測定し、銀の粒径分布の結果を得た。

図４に記載のグラフより、実施例１（１重量％銀含有、原料にＨＡＰ−１００を使用）の１０００℃焼成品では、その焼成後に、最大横断径０．１〜４．４μｍの銀粒子が多数存在し、そのうち、粒子径が０．１〜２．０μｍの金属銀粒子の個数が、観察された全金属銀粒子の個数の９６％を占めることがわかった。また、実際の計測では、
最大横断径０．１〜２．０μｍの粒子の個数：１５３個
最大横断径が２．０μｍを超える粒子の個数：６個
であった。

図５に記載のグラフより、実施例２（１重量％銀含有、原料にＨＡＰ−２００を使用）の１０００℃焼成品では、その焼成後に、最大横断径０．１〜１．４μｍの銀粒子が多数存在し、そのうち、粒子径が０．１〜２．０μｍの金属銀粒子の個数が、観察された全金属銀粒子の個数の１００％を占めることがわかった。また、実際の計測では、
最大横断径０．１〜２．０μｍの粒子の個数：１８２個
最大横断径が２．０μｍを超える粒子の個数：０個
であり、実施例１や実施例３と比べても、最も均質なアパタイトセラミックスを得ることができた。

図６に記載のグラフより、実施例３（１重量％銀含有、原料にＨＡＰ−３００を使用）の１０００℃焼成品では、その焼成後に、最大横断径０．１〜４．４μｍの銀粒子が多数存在し、そのうち、粒子径が０．１〜２．０μｍの金属銀粒子の個数が、観察された全金属銀粒子の個数の９６％を占めることがわかった。また、実際の計測では、
最大横断径０．１〜２．０μｍの粒子の個数：１９６個
最大横断径が２．０μｍを超える粒子の個数：８個
であった。

ついで、得られたサンプルのうち、実施例２（Ａｇ−ＨＡＰ−２００）の８００℃焼成品〔図２（ｃ）〕、１０００℃焼成品〔図２（ｄ）〕、１２００℃焼成品〔図２（ｅ）〕を用いて、抗菌性を評価した。

［抗菌性の評価］
抗菌試験は、メチシリン耐性黄色ブドウ球菌（ＭＲＳＡ，ＵＯＥＨ６）を用いて実施した。非働化牛血清（インビトロジェン社製）培地を用いて、菌数が１ｍＬあたり６．９×１０^５ｃｅｌｌ／ｍＬの菌数になるように調整し、試験菌液とした。シャーレ内に設置した滅菌済の実施例２の各サンプルの上に、０．４ｍＬの試験菌液を滴下し、菌液の上に４０ｍｍ×４０ｍｍ角のポリエチレンフィルで覆って、養生した。そして、３５℃大気圧下で２４時間培養後、生菌数を計測した。なお、試験は、各サンプルともｎ＝３とし、それぞれ、銀を添加しないアパタイトセラミックスを作製して、コントロール（ブランク）とした。

＜抗菌性試験の結果＞
生 菌 数 （ＣＦＵ） 試験開始時 ２４時間後
実施例２ 800℃焼成品 ２.１×１０^５ ＜１０
1000℃焼成品 ２.１×１０^５ ＜１０
1200℃焼成品 ２.１×１０^５ ４.６×１０^３
コントロール 800焼成品 ２.１×１０^５ ４.３×１０^６
1000焼成品 ２.１×１０^５ １.７×１０^７
1200焼成品 ２.１×１０^５ １.５×１０^７

「抗菌性試験」の結果から、銀を含有しないコントロールのサンプルは、いずれも、生菌数が２．１×１０^５ＣＦＵから増加する傾向が見られた。一方、実施例２（ＨＡＰ−２００を使用、銀を１重量％含有）では、８００℃焼成品および１０００℃焼成品が、２４時間後に＜１０ＣＦＵ（測定限界以下）まで菌が死滅し、非常に高い抗菌性を示すことが確認された。

また、実施例２の１２００℃焼成品は、前記の８００℃焼成品および１０００℃焼成品ほど、顕著な抗菌性は示さなかったが、コントロールに比べると十分な抗菌性を示している。抗菌性が比較的低かった理由としては、焼成温度１２００℃では、アパタイト結晶の緻密化（焼結）が進行し、銀粒子が粒成長（粒塊化）してしまったと考えられるのに対し、８００℃焼成品および１０００℃焼成品は、バルク密度が低く気孔が多く存在しているため比表面積が大きいことに加え、銀粒子が微細でかつ多くの銀がカルシウムと置換（固溶）していることで、抗菌性を発揮する銀イオンの溶出が、前記１２００℃焼成品より多かったことが、要因と考えられる。

つぎに、本発明のアパタイトセラミックスにおいて、析出する銀粒子が微細化する理由について、説明する。

図７は、前記実施例２（銀を１重量％含有、原料の炭酸含有ハイドロキシアパタイトにＨＡＰ−２００を使用）の未焼成品および４００〜１２００℃焼成品に、Ｘ線回折による結晶構造解析を行った結果である。なお、Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定は、Ｘ線回折装置（ＰＷ６００３／００，スペクトリス社製）を用いて、ＣｕＫα線を使用し、以下の測定条件で、ＸＲＤパターンを取得した。
管球電圧：４５ｋＶ 管球電流：４０ｍＡ スキャンスピード：２．２°／分

図７の実施例２群のＸＲＤパターンによれば、加熱処理（焼成）前の成形体（ＣＩＰプレス後）の状態では、原材料の酸化銀(Ａｇ_２Ｏ)のピークは確認されず、代わりに銀(Ａｇ)のピークが確認された。これは、ボールミル混合中に、酸化銀が銀に還元されたためと考えられる。

実施例２群では、未焼成品および４００℃焼成品において、銀に帰属する回折ピーク〔図７中では黒塗り丸●Ａｇ(cubic)で表示〕が見られたが、６００℃焼成品および８００℃焼成品では、前記銀のピークは消失した。そして、１０００℃焼成品および１２００℃焼成品では、前記銀のピークが再度現れ、銀の析出が推定された。なお、１０００℃焼成品および１２００℃焼成品では、同時に酸化カルシウム(ＣａＯ)の析出ピーク（白抜き三角△で表示）が確認された。この一連の銀に関する現象は、前述のＳＥＭの観察の結果〔図２の（ｂ）６００℃焼成品，（ｃ）８００℃焼成品〕とも一致する。

すなわち、ＸＲＤパターンと、これとは別に行った実施例２群のＩＲスペクトルの測定から、６００〜８００℃付近における、アパタイト結晶の「ａ軸拡張，ｃ軸収縮」と「Ａサイトへの炭酸イオンの置換の増加」が示唆された。この現象は、大きい平面的な炭酸基(ＣＯ_３ ^２−)グループが、小さく直線的な水酸基(ＯＨ⁻)に置換することにより発生していると考えられる。

ここで、銀イオン(Ａｇ^＋)のイオン半径（１．２８オングストローム）は、カルシウムイオン(Ｃａ^２＋）のイオン半径（０．９９オングストローム）に較べて大きく、しかも、原料に使用したＨＡＰ−２００（水酸アパタイト）は非常に結晶性が高いため、通常、銀イオンは、容易には水酸アパタイト結晶中のカルシウムイオンと置換しにくくなっており、６００℃程度の熱処理までは、銀（金属銀）またはリン酸銀(Ａｇ_３ＰＯ_４)として存在していたと思われる。

そして、６００℃〜８００℃の熱処理で、水酸アパタイト結晶のａ軸が急激に広がったことで、大きなイオン半径の銀イオンの侵入が容易となり、結晶構造中のカルシウムイオン(Ｃａ^２＋）と銀イオン(Ａｇ^＋)との置換が進展したものと考えられる。しかしながら、さらに昇温して、１０００℃以上となった状態では、ＡサイトおよびＢサイト両方から炭酸基が脱離し、ａ軸の拡張は元に戻るとともに、一部の銀イオンは水酸アパタイト結晶格子から脱離して、銀として析出したと考えられる。また、リン酸基サイトから炭酸基が消失したことから、化学量論的な水酸アパタイトの結晶化が進行するとともに、余分なカルシウムイオンは、酸化カルシウムとして析出したと思われる。

以上のような理由により、本実施形態のアパタイトセラミックスおよびその製造方法では、セラミックスの焼成温度を、アパタイトの焼結が始まる１２００℃を超えない温度範囲、すなわち９００〜１２００℃、好ましくは１０００〜１２００℃の範囲内の温度域とする。これにより、原料中の銀が、まず、加熱により約６００〜８００℃に到達して、水酸アパタイトの結晶中に銀イオンとして分散固溶し、その後のさらなる温度上昇により、小径の金属銀として、満遍なく均質に析出したものと思われる。

なお、本実施形態では、本発明に好適な、結晶中に０．１重量％以上６．０重量％以下の炭酸基を含有し、結晶性の高い炭酸含有水酸アパタイト粉末として、太平化学産業社製 高純度リン酸カルシウム ＨＡＰシリーズのなかで、ＨＡＰ−１００，ＨＡＰ−２００，ＨＡＰ−３００（グレード名）を使用したが、本発明で用いる炭酸含有水酸アパタイト粉末としては、他の炭酸含有水酸アパタイトを使用することもできる。

使用できる炭酸含有水酸アパタイト粉末の好適な仕様としては、六角柱状結晶の成長の可能なリン酸水素ナトリウム（ＤＣＰＡ，モネタイト）を出発物質とすることが望ましく、湿式合成法を用いて、炭酸基(ＣＯ_３ ^２−)がリン酸基サイト（Ｂサイト）に優先的に置換しているタイプの水酸アパタイトが好ましい。一例としては、炭酸基の含有量は、２．８〜４．８重量％程度であるが、加熱（焼成）前の「Ｂサイト（リン酸基）置換炭酸基／Ａサイト（水酸基）置換炭酸基」の割合が、「１／２」程度かそれ以下で、８００℃の加熱によって、炭酸基がＢサイトから排出すると同時に、Ａサイトに炭酸基が導入されることが可能な結晶構造であることが好ましい。そして、炭酸含有水酸アパタイト単体での比表面積は、１０ｍ^２・ｇ^−１以下で、好ましくは５ｍ^２・ｇ^−１以下。細孔分布は、５ｎｍを超える細孔が少ない分布を持つものが好ましい。

Claims (5)

1. 水酸アパタイトと銀とで構成されたアパタイトセラミックスであって、走査型電子顕微鏡によって観察される金属銀粒子のうち、粒子径が０．１〜２．０μｍの金属銀粒子の個数の割合が、観察される全金属銀粒子の個数に対して９５％以上であり、前記銀の含有量が、前記アパタイトセラミックス全体に対して０．０９３重量％以上９．３重量％未満であることを特徴とするアパタイトセラミックス。
2. 結晶中に炭酸基を含有する炭酸含有水酸アパタイトの粉末と銀または酸化銀との混合物に、エタノールを加えて混錬し、スラリー状のアパタイト組成物を作製する工程と、
   前記スラリー状のアパタイト組成物から前記エタノールを蒸発させて取り除き、粉末状のアパタイト組成物を得る工程と、
   前記粉末状のアパタイト組成物を金型容器に入れて加圧し、所定形状のアパタイト組成物体を作製する工程と、
   前記アパタイト組成物体を、９００〜１２００℃の範囲内の設定温度まで加熱して焼成し、セラミックス中に一旦固溶した銀が粒子状の金属銀として析出するアパタイトセラミックスを得る工程と、
   を備えることを特徴とするアパタイトセラミックスの製造方法。
3. 前記セラミックス中に析出した金属銀のうち、粒子径が０．１〜２．０μｍの金属銀粒子の個数が、走査型電子顕微鏡によって観察される全金属銀粒子の個数の９５％以上を占めることを特徴とする請求項２に記載のアパタイトセラミックスの製造方法。
4. 前記銀の含有量が、前記アパタイトセラミックス全体に対して０．０９３重量％以上９．３重量％未満であることを特徴とする請求項２または３に記載のアパタイトセラミックスの製造方法。
5. 前記炭酸含有水酸アパタイトの粉末中の炭酸含有量が、０．１重量％以上６．０重量％以下であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに記載のアパタイトセラミックスの製造方法。