JPH0544404B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 第一燐酸カルシウム（モノカル）を含む酸性
プレミツクス溶液を作成する工程と、水酸化カル
シウムの飽和液を作成する工程と、攪拌した水酸
化カルシウムを有する反応容器内に外気条件下で
酸性プレミツクス液を、反応容器内の混合液のペ
ーハー値が11以上となるような割合で計量して導
入しヒドロキシルアパタイト沈澱物を作成する工
程と、ヒドロキシルアパタイト沈澱物を回収する
工程とを包有してなるスルー溶液反応によりヒド
ロキシルアパタイトを製造するヒドロキシルアパ
タイトの製造法。

２ 反応容器内への酸性プレミツクス計量導入
中、混合液のペーハー値を12〜13の間に維持して
なる特許請求の範囲第１項記載のヒドロキシルア
パタイトの製造法。

３ 第一燐酸カルシウム（モノカル）及び反応体
を実質的にいずれの反応体にも過剰を生ずる事な
く化学量論的割合で反応せしめてなる特許請求の
範囲第１項記載のヒドロキシルアパタイトの製造
法。

４ 酸性プレミツクス溶液を水酸化カルシウムを
有する反応容器内に、水酸化カルシウムが溶解し
反応した水酸化カルシウムと置換される割合に実
質的に等しい割合で計量して導入し、反応容器の
混合液のペーハー値をアルカリペーハー値に維持
してなる特許請求の範囲第３項記載のヒドロキシ
ルアパタイトの製造法。

５ 酸性反応条件下で、水酸化カルシウムの飽和
液を有する反応容器内に燐酸を計量して導入し強
く攪拌し第一燐酸カルシウム（モノカル）を含む
酸性プレミツクス溶液を作成する第１の工程と、
主反応容器内で水酸化カルシウムの飽和溶液を作
成する第２の工程と、強く撹拌されている水酸化
カルシウムの飽和溶液を有した主反応容器内にモ
ノカルを含む酸性プレミツクス溶液を、主反応容
器内の溶液のペーハー値が11以上に維持するよう
な割合で計量し導入してヒドロキシルアパタイト
沈澱物を得る第３の工程と、ヒドロキシルアパタ
イト沈澱物を回収する第４の工程とを包有してな
るスルー溶液反応によりヒドロキシルアパタイト
を製造する２段階のヒドロキシルアパタイトの製
造法。

６ 第１の工程で作成される酸性プレミツクス溶
液のペーハー値を1.5〜3.5の範囲内にし、ヒドロ
キシルアパタイト作成中の第３の工程での主反応
容器内の溶液のペーハー値を12〜13の範囲内に維
持してなる特許請求の範囲第５項記載の２段階の
ヒドロキシルアパタイトの製造法。

７ 酸性プレミツクス溶液を主反応容器内におい
て、水酸化カルシウムが溶解して反応した水酸化
カルシウムと置換させ、主反応容器内の混合液の
ペーハー値をアルカリペーハー値に維持するよう
な割合に実質的に等しい割合で計量し導入してな
る特許請求の範囲第５項記載の２段階のヒドロキ
シルアパタイトの製造法。

８ ヒドロキシルアパタイト沈澱物を５〜30分
間、700〜1100℃の間の温度で焼成し結晶性ヒド
ロキシルアパタイトを作成してなる特許請求の範
囲第５項記載の２段階のヒドロキシルアパタイト
の製造法。

９ 酸性反応条件下で、第１の量の水酸化カルシ
ウムの飽和液を有する反応容器内に燐酸を計量し
て導入し、強く攪拌して第一燐酸カルシウム（モ
ノカル）を含む酸性プレミツクス溶液を作成する
第１の工程と、主反応容器内で第１の量の水酸化
カルシウムに対し調整した第２の量の水酸化カル
シウムの飽和溶液を作成する第２の工程と、強く
攪拌されている水酸化カルシウムの飽和溶液を有
する主反応容器内にモノカルを含む酸性プレミツ
クス溶液を、主反応容器内の溶液のペーハー値が
11以上に維持するような割合で計量し導入してヒ
ドロキシルアパタイト沈澱物を得る第３の工程
と、ヒドロキシルアパタイト沈澱物を回収する第
４の工程とを包有してなるスルー溶液反応により
ヒドロキシルアパタイトを製造する２段階のヒド
ロキシルアパタイトの製造法。

１０ 第１の工程で作成された酸性プレミツクス
溶液のペーハー値を実質的に２にし、ヒドロキシ
ルアパタイト作成中の第３の工程での主反応容器
内の溶液のペーハー値を約12〜13の範囲に維持し
てなる特許請求の範囲第９項記載の２段階のヒド
ロキシルアパタイトの製造法。

技術分野 本発明は人間あるいは他の動物の移植材料とし
て有用なヒドロキシルアパタイトの製造法、特に
結晶粒径及び表面焼きなましを容易に調整可能な
ヒドロキシルアパタイトの製造法に関する。

背景技術 ヒドロキシルアパタイトとは、鉱物学で化学式
Ca₁₀（PO₄）₆（OH）₂または単位化学式Ca₅（PO₄）₃
（OH）で表され、生物の硬質組織、例えば骨、
歯等の無機物の１つの材料である。また化学命名
法によれば、このヒドロキシルアパタイトはペン
タカルシウム・トリフオスフエート
（pentacalcium triphosphate）とも呼ばれ、カ
ルシウムと燐との理論原子比（Ca／Ｐ比）は1.67
に近く、その物理的構造はＸ線回析法により決定
される。生物の歯若しくは骨の主成分は天然鉱物
材であるが、移植及び歯若しくは骨の置換物とし
て焼成セラミツクの合成材料を製造する提案が多
くなされている。この場合主として合成材料を天
然材料に近づける試みがなされている。ここで、
天然材料に近づけるとは合成材料の化学的純度の
点即ちCa／Ｐ原子比、多孔性、密度、熱的安定
性等々の物理的特性を近づけることのみを意味す
るのではない。

米国特許第4097935号には焼成セラミツクとし
て高純度ヒドロキシルアパタイトが提案されてお
り、これは平均結晶サイズが0.2〜3μｍで、平滑
曲平面に沿い孔若しくは裂開がなく且つ複屈折も
なく、Ca／Ｐ原子比も理論Ca／Ｐ原子比に近い。
またこの焼成セラミツクは燐酸アンモニウムと水
酸化カルシウムとを水性媒体内で、ペーハー値を
10〜12に調整して反応させ、アモルフアス沈澱物
を得ることにより作成される。このアモルフアス
沈澱物は分離し乾燥した後、1000〜1250℃の温度
で焼成される。このとき温度を減少させるに応じ
有効焼成時間も長くなるので、例えば1000℃程度
の相対的に低温では最大３時間必要になる。アモ
ルフアス材料に多孔質を付与する場合、この材料
を焼成処理中焼き尽くした（burn out）有機結
合剤と混合するか、あるいは焼成体に機械的に穴
が鑽孔される。しかしながら、この材料は熱的に
不安定で、トリカルシウム・ホスフエート
（tricalcium phosphate）とも呼ばれるホワイト
ロキート（whitlockite）に分解される。

一方米国特許第4548959号には移植材料として
有用な合成セラミツク・ヒドロキシルアパタイト
が開示され、この移植材料のCa／Ｐ原子比は1.67
〜1.69、平均結晶サイズが４〜20μｍ、密度が
3.14〜3.16ｇ／c.c.であり、熱安定性が良好で、ホ
ワイトロキートが1350℃で少なくとも１時間の加
熱後にも現れないと言われる。この製造法では、
不活性雰囲気中で燐酸水溶液と水酸化カルシウム
とが反応せしめられる。またこの製造法では特に
作成された酸化カルシウムを加圧水和化
（hydrate）処理して得られる水酸化カルシウム
を使用する必要がある。更に、所望の沈澱物を得
るに、沈澱反応を高圧高温で行う必要がある。こ
のようにこの製造法では費用あるいはエネルギが
かかる。且つ得られたゼラチン状沈澱物を次に
850〜1400℃で0.5〜５時間の間、好ましくは1250
〜1400℃で１〜３時間の間焼成処理する必要があ
り、使用エネルギが更に多くなる。

且つ米国特許第4324772号には、酸化カルシウ
ム（石灰）と燐酸との水溶液を反応させることに
よりヒドロキシルアパタイトを連続的且つ２段階
で製造する方法が開示されている。第１の段階で
は、約9.5〜約11の範囲内のペーハー値で強く攪
拌することにより反応させ、約90％の反応がこの
第１の段階で完了される。この反応は、次段でも
約７〜約7.4のペーハー値を維持するに必要な量
の燐酸を更に追加して強く攪拌することにより継
続される。この反応により得られた生成物をフラ
ツシユ乾燥した後、サブミクロンサイズの粉末ヒ
ドロキシルアパタイトを回収する。

発明の開示 上述した従来のヒドロキシルアパタイトの製造
法に対していずれも製造工程が簡素化され、消費
エネルギ量が低減されると共に経済性が向上され
ることが望まれていた。

従つて本発明は上記の諸条件を満足し得るヒド
ロキシルアパタイトの製造を提供すると共に、特
に基本的に大気圧下且つ周囲温度で第一燐酸カル
シウムと水酸化カルシウムとを反応させた酸性溶
液からヒドロキシルアパタイトを製造するような
いわゆるスルー溶液（through−solution）合成
法を供することにある。また一方大気条件下で
は、第一燐酸カルシウムの溶解度は水酸化カルシ
ウムより大幅に大で、溶液内での水酸化カルシウ
ムと第一燐酸カルシウムとの比は、７：３〜２：
１から５：３〜１：１の範囲に亘る混合比で４種
類の異なる生成物を生じる少なくとも４個の別個
の反応があるので、極めて制御しずらいが、本発
明においては所望のヒドロキシルアパタイト生成
物を作成する際の生成物の精度が向上し、化学的
物理的特性の変動が抑制され得ることになる。

更に、本発明の一の目的は副反応を引き起こす
事なく正確に制御可能なスルー溶液合成法による
ヒドロキシルアパタイトの製造法を提供すること
にある。

本発明の別の一の目的は迅速に焼成処理可能な
ヒドロキシルアパタイトの製造法を提供すること
にある。

本発明の別の一の目的は工業的に生産可能で且
つ迅速で経済的なヒドロキシルアパタイトの製造
法を提供することにある。

本発明においては第一燐酸カルシウム（モノカ
ル）を含む酸性プレミツクス溶液を作成する工程
と、水酸化カルシウムの飽和液を作成する工程
と、攪拌した水酸化カルシウムを有する反応容器
内に外気条件下で酸性プレミツクス液を、反応容
器内の混合液のペーハー値が11以上となるような
割合で計量して導入しヒドロキシルアパタイト沈
澱物を作成する工程と、ヒドロキシルアパタイト
沈澱物を回収する工程とを包有してなるスルー溶
液反応によりヒドロキシルアパタイトを製造する
ヒドロキシルアパタイトの製造法が提供される。

本発明によれば、燐酸カルシウム酸性溶液と水
酸化カルシウムとがほぼ飽和状態で反応せしめら
れ、アモルフアス・ヒドロキシルアパタイト沈澱
物が副反応を引き起こす事なく得られる。このヒ
ドロキシルアパタイト沈澱物を分離し乾燥した
後、700〜1100℃で約５〜30分間焼成されて所望
のセラミツク・ヒドロキシルアパタイト材が得ら
れる。

また本発明によれば、希釈溶液、好ましくは第
一燐酸カルシウム（モノカル（monocal））と水
酸化カルシウムのほぼ飽和状態の溶液を混合し、
その後分離し（例えば遠心分離）して沈澱物を
得、この沈澱物を乾燥し、約５〜30分間700〜
1100℃で焼成することによりCa／Ｐ原子比が理
論Ca／Ｐ原子比に近いヒドロキシルアパタイト
を得るヒドロキシルアパタイト製造法が提供され
る。且つまた本発明によれば、第一燐酸カルシウ
ム（モノカル）の希釈水溶液が正確に調整した割
合で水酸化カルシウムの希釈水溶液と接触されて
アモルフアス・ヒドロキシルアパタイト沈澱物が
得られる。

且つ本発明によれば、まず第１の量の酸化カル
シウムで酸性プリミツクスを作り、次に残りの第
２の量の水酸化カルシウムにそれを加えることに
より水和条件が実質的に低減される。後半の第２
の量の水酸化カルシウムは飽和されたスラリ（塩
基性溶液）からなる。一方溶液の反応は実質的に
反応を通して塩基性水酸化カルシウム溶液の最初
のペーハー値を維持することにより行われる。こ
れは、スラリの固形相の水酸化カルシウムが溶解
する割合で溶液中の水酸化カルシウムとの反応に
比例した割合及び量でモノカルあるいは他の酸性
プリミツクスを極めて緩かに加え、溶液中の水酸
化カルシウム濃度を維持させることにより達成さ
れる。このとき低いペーハー値をもつて主反応容
器内に他の燐酸カルシウムが生成されることを防
止するために攪拌され得る。酸性プリミツクスの
塩基性水酸化カルシウム溶液に対する添加割合は
正確にモニターされ緩かに行われて水酸化カルシ
ウムが確実に十分に溶解され得且つ適正に化学量
論的に維持され得る。更に強く連続的に攪拌し、
水酸化カルシウムを溶解して溶液中の反応した水
酸化カルシウムと置換される割合に実質的に等し
い割合で酸性プリミツクスを導入することによ
り、好ましくない燐酸カルシウム副産物を生成す
る副反応が阻止され得、上述の如くこれは溶液の
ペーハー値を維持することにより達成されること
になる。反応溶液のペーハー値は反応中11以下と
ならないことが好ましい。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明のヒドロキシルアパタイト製造法
を説明するための簡略説明図である。

発明を実施するための最良の形態 本発明によれば、基本的に出発反応体として燐
酸カルシウム（モノカル）の酸性プリミツクスを
用い水酸化カルシウムに一連の反応を与えてヒド
ロキシルアパタイトを製造する方法が提供され
る。水酸化カルシウム溶液が全体で化学量輪的に
燐酸カルシウム（モノカル）と反応し変換する状
態は次の反応式で表される。

3Ca（H₂PO₄）₂・2H₂O＋7Ca（OH）₂…2Ca₅（P
O₄）₃OH＋18H₂O……(1) この反応は単一段で実行出来る。好ましい実験例
によれば、この反応は水酸化カルシウム反応体を
少なくとも２個の別個の段に分け、第１の量の水
酸化カルシウムと燐酸とを反応させて酸性プリミ
ツクス溶液を作成し、次にプリミツクスと残りの
第２の量の水酸化カルシウム溶液とをアルカリ条
件下で組み合わせることにより実行される。この
場合水酸化カルシウムは次の各反応式用に分けら
れる。

2H₃PO₄＋Ca（OH）₂…Ca（H₂PO₄）₂＋2H₂O
……(2) 3Ca（H₂PO₄）₂＋7Ca（OH）₂…2Ca（PO₄
）₃OH＋12H₂O……(3) 水酸化カルシウム反応体の分ける割合を正確に
調整することにより、反応が飽和状態下で有効に
進行し得る。これは、基本的には第１の反応容器
（反応(2)）で得られる燐酸カルシウム（モノカル）
の酸性プリミツクスの、反応(3)に必要な水酸化カ
ルシウムの残量を有する主反応容器内への導入を
極めて緩かに計量して行うことにより遂行され
る。プリミツクス容器を連続的に強く攪拌しなが
ら主反応容器内に導入する際ペーハー値をモニタ
ーして、アルカリ反応媒体を維持し酸性への変換
を防止することによりスルー溶液反応が得られ
る。主反応容器は実質的に総ての反応体が消費さ
れるまでの最初の塩基性（アルカリ性）ペーハー
値に維持し、この場合溶解による好ましい沈澱物
としてヒドロキシルアパタイトが得られる。換言
するに、プレミツクスが主反応容器内に導入され
る際、この酸性プレミツクス溶液を次のような割
合で追加する、即ち酸性プレミツクス溶液を溶液
内の水酸化カルシウムと反応させ（従つて沈澱物
を生成するとき溶液から水酸化カルシウムを溶解
し）、主反応容器の懸濁固形分から余分な水酸化
カルシウムを水酸化カルシウム溶液内に溶解して
実質的に飽和した状態に維持するときと実質的に
同一の割合でヒドロキシルアパタイトを生成す
る。これは、反応が実質的に完了するまで主反応
容器のペーハー値を11以上、好ましくは約12〜約
13の範囲内の維持することにより達成される。

更に図面を参照するに燐酸カルシウムを含む酸
性プレミツクス溶液を、希釈タンク１０内におい
て市販の良い等級の低濃度燐酸を希釈して約20〜
30重量％の燐酸溶液を作成して得る。且つプレミ
ツクスタンク１１内に水酸化カルシウム及び水を
加えて水酸化カルシウムを過度に含んだ溶液を作
成し、この希釈した燐酸溶液をプレミツクスタン
ク１１に入れ、高速攪拌機１２により強く攪拌す
る。プレミツクスタンク１１に加える水の量は変
更できる。存在する水酸化カルシウムの量によ
り、所定量の水を与え、プレミツクスタンク１１
及び主反応タンク１３内で維持する温度で、所定
量の水酸化カルシウムが溶解可能となる。反応熱
を制御するため加える水の量は、約30℃以下の低
温条件を維持し、プレミツクスタンク１１と主反
応タンク１３の両方内での水酸化カルシウムの溶
解度が最高になるように設定する。燐酸はプレミ
ツクスタンク１１内に僅量、継続的に加え、一時
的な反応生成物の生成の際、プレミツクスタンク
１１内で所定量の水により酸化カルシウムを良好
に溶解し得る。これによりプレミツクスタンス１
１内の最初に存在する水内でよりも多く水酸化カ
ルシウムが溶解可能となる。プレミツクスタンク
１１内に酸性溶液を緩かに導入することにより、
相当の量の懸濁水酸化カルシウムを溶解して酸性
燐酸カルシウム（モノカル）プレミツクスを作成
する。

主反応タンク１３内での同一の工程が行われ
る。即ち所定量の水と溶解されるより多くの水酸
化カルシウムを主反応タンク１３内に加える。そ
の後、高速攪拌機１４により渦が出来る程度に強
く攪拌しながら、第１の量の酸性水酸化カルシウ
ムプレミツクスを徐々に加え、主反応タンク１３
内のペーハー値を11以上に維持し、副反応を防止
する。アルカリ条件下では、過剰の水酸化カルシ
ウムをアモルフアスヒドロキシルアパタイトの沈
澱割合と実質的に同一の割合で溶解する。渦が出
来る程度に強く攪拌するので、懸濁した過剰の水
酸化カルシウム粒子を含む総ての反応体は主反応
タンク１３全体に拡散する。これら試薬により、
溶液内で反応し水酸化カルシウムの溶解の割合と
の平衡状態から外れない割合でヒドロキシルアパ
タイトが沈澱する。溶解した水酸化カルシウム粒
子は更に加えた酸性燐酸カルシウム（モノカル）
と反応する。

プレミツクスタンク１１及び主反応タンク１３
の両方での条件には夫々程度は異なるが水酸化カ
ルシウム溶液を飽和させる工程が含まれる。本発
明の最適の実施態様によれば、酸性プレミツクス
が燐酸カルシウム（モノカル）と燐酸との溶液で
なり、ペーハー値が約1.5〜3.5の範囲、特に好ま
しくは約２にされ。残りの酸化カルシウムを主反
応タンク１３に正確に加えると、反応が実質的に
終了するまで高いペーハー値（少なくとも11）、
好ましくは約12〜13に維持される。

更に図面を参照するに、アモルフアスヒドロキ
シルアパタイトを主反応タンク１３から取り出し
濁保持タンク１５に入れ、そこで気圧駆動式攪拌
機２２により数時間の間緩かに攪拌して懸濁状態
に保持し、更に例えばフイルタ／遠心分離装置１
６により分離する。分離したヒドロキシルアパタ
イトは次にオーブン１７内で中間製品となるよう
に乾燥し、炉１８で例えば標準温度及び時間で焼
くことにり焼成して所望のセラミツク製品を作成
する。その後、ヒドロキシルアパタイトはアトリ
ツシヨンミル１９で粒子に粉砕し、分類装置２０
でサイズ及び重量に応じて分類し包装装置２１で
包装する。

以下の実験例には本発明の各種製造法が示され
るが、本発明はかかる実験例に限定されるもので
はないことは理解されよう。

実験例 ヒドロキシルアパタイトを卓上規模で製造するた
め、まず52mlの85％燐酸を100mlの脱イオン水に
加えて酸性プレミツクスを作成した。別に24ｇの
水酸化カルシウムを300mlの脱イオン水に加え攪
拌した。この攪拌した水酸化カルシウム溶液に燐
酸を滴下した。この滴下完了後の酸性プレミツク
スは僅かに黄色味がかつた透明な混合液であり、
ペーハー値は2.1であつた。

残りの78ｇの水酸化カルシウムを600mlを脱イ
オン水に加え攪拌しペーハー値が約11になるまで
この水酸化カルシウムスラリに酸性プレミツクス
を滴下した。この混合液を夜通し攪拌し、次に24
時間放置してフイルタ装置にかけ、固形物を得
た。この固形物は約120ｇであり45℃で数日間乾
燥し焼成した。

実験例 大規模製造装置により、4.245リツトルのNF等
級の燐酸（85−88％H₃PO₄）を酸性希釈タンク
内で19.53リツトルの脱イオン水をもつて希釈し、
次にこれを70.5リツトルの脱イオン水内で懸濁し
た2.075KgのU.S.P等級の水酸化カルシウムスラリ
を有するプレミツクス反応タンク内に、時間当た
り約10リツトルの割合で導入した。これらの材料
は分当たり100〜200回転で駆動される樹脂で被覆
した３刃の羽根車（金属イオンによる汚染を防止
するため）を備えた114リツトル反応タンク内で
24〜25℃の外気温度をもつて混合し、ペーハー値
が約２の透明なプレミツクス溶液を得た。約79リ
ツトルのこのプレミツクス溶液を、93リツトルの
脱イオン水内で懸濁した5.237KgのU.S.P等級の水
酸化カルシウムのスラリを有する189リツトルの
主反応タンク（金属イオンによる汚染を防止する
ため樹脂で被覆される）内に徐々に加え、ペーハ
ー値を12以上に維持した。完全に熟成した（安全
に沈澱させた）後の混合溶液のペーハー値は約
11.5であつた。この混合溶液を二日間熟成して放
置し、フイルタ装置へ送り水洗することなく分離
した。得られた分離物約10Kgを、45℃で乾燥し
1000℃で10分間マツフル炉内で焼成した。

この焼成物の物性を分析した結果、平均結晶サ
イズが約0.2μｍ、分光顕微鏡による分析結果では
複屈折はなく、裂開もなく、水銀多孔性測定装置
による分析結果では多孔性がグラム当たり0.77立
方センチメータであつた。更に密度分析計による
密度は立方センチメータ当たり3.16、また化学分
析によればCa／Ｐ原子比は1.66、Ｘ線回析によつ
たところ得られた結晶性ヒドロキシアパタイトに
は燐酸カルシウムは存在しなかつた。

上述した本発明によれば製造作業の精度が高め
られる上、簡素化され得、消費エネルギ量が低減
され、総じて経済性が顕著に向上される等々の顕
著な効果を達成する。