JPH0780683B2

JPH0780683B2 - リン酸四カルシウムおよびリン酸四カルシウム硬化体

Info

Publication number: JPH0780683B2
Application number: JP2169434A
Authority: JP
Inventors: 彰利井村; 徹斉藤
Original assignee: 大阪セメント株式会社
Priority date: 1990-06-27
Filing date: 1990-06-27
Publication date: 1995-08-30
Anticipated expiration: 2010-08-30
Also published as: JPH0459611A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、人工骨用材料、歯科材料などとして有用なリ
ン酸四カルシウム、リン酸四カルシウム硬化体およびそ
れらの製造法に関する。

なお、本明細書において、“熔融状態”とは、原料粉末
が加熱されることにより、固相の一部または全体が液相
として流動するにいたった状態をいい、また、“焼結状
態”とは、原料粉末が加熱されて、流動するにはいたっ
ていないものの、粉末粒子が外見上消失し、焼き締まっ
て新しい結晶相を形成して、ある程度の強度を持つ固体
となった状態をいう。さらに、“ポーラスな状態”と
は、原料粉末が加熱されて各粉末粒子は互いに固相反応
してはいるが、新しい結晶相やガラス相は形成しておら
ず、各粉末粒子がその形態を完全に失うことなく、ほぼ
そのまま存在している状態をいう。

また、本明細書において、“部”および“％”とあるの
は、それぞれ“重量部”および“重量％”を表わす。

従来技術とその問題点リン酸四カルシウム｛Ca₄（PO₄）₂Ｏ｝は、骨、歯など
の主要無機成分である水酸アパタイト｛Ca₁₀（PO₄）
₆（OH）₂｝に結晶構造上類似したリン酸化合物の一種で
ある。リン酸四カルシウムは、水酸アパタイトよりも塩
基性が高く、化学的活性も高いので、常温で無機酸水溶
液、飽和および不飽和有機酸水溶液、不飽和有機酸の単
独重合体および共重合体の水溶液、生理食塩水などと容
易に反応して、水酸アパタイトに転化しながら硬化する
性質を有している。そして、これらの硬化体は、生体親
和性があり、人工骨材料、歯科材料などとして有用であ
る。

従来、リン酸四カルシウムの製造原料としては、Ca源と
してCaCO₃、CaO、Ca（OH）₂などが使用され、またＰ源
としてP₂O₅、H₃PO₄、NH₄H₂PO₄、（NH₄）₂HPO₄などが使
用され、さらにCaおよびＰ源としてCaHPO₄、CaHPO₄・2H
₂O、Ca（H₂PO₄）₂、γ‐Ca₂P₂O₇などが使用されてい
る。リン酸四カルシウムの製造方法は、使用する原料の
相違により、各種の方法が存在するが、CaCo₃粉末とCaH
PO₄・2H₂O粉末とを混合し、焼成する下記の乾式製造法
が最も一般的である。

2CaCO₃+2CaHPO₄・2H₂O→Ca₄（PO₄）₂Ｏ＋2CO₂+5H₂O この方法では、原料粉末混合物を1300〜1600℃程度の温
度で焼成した後、約400℃まで急冷（冷却速度10℃／分
程度以上）することが必要であり、リン酸四カルシウム
を多量に含むリン酸カルシウム系化合物の混合物を得て
いる。この方法では、焼成温度を1600℃以上とすると、
生成物がポーラス部分と熔融部分との不均一な混相を形
成したり、部分的に着色したりして、リン酸四カルシウ
ムの品質の低下とバラツキが問題となる。また、焼成温
度が1300〜1600℃程度の温度範囲にあっても、生成した
リン酸四カルシウムは、反応性が高く、非常に不安定で
ある為、冷却速度が低い場合には、1200〜400℃の温度
域で大気中の水蒸気を吸収して、容易に水酸アパタイト
を生成する。従って、この方法では、リン酸四カルシウ
ムの収率を高めるとともに、純度が高く且つ安定した品
質の製品を得るためには、焼成温度、冷却時の焼成炉内
雰囲気中の水分含有量、冷却速度などを厳重に管理する
必要がある。

しかるに、焼成炉内雰囲気中の水分を除去することは、
実際の操作上困難である。また、焼成炉内で生成物を強
制的に冷却することも、技術的に困難であるばかりでな
く、急冷に伴う炉壁耐火物の損傷の原因ともなる。

問題点を解決するための手段本発明者は、上記の如き技術の現状に鑑みて鋭意研究を
重ねた結果、特定量の硼素化合物又は硼素化合物とアル
ミニウム化合物とを添加した原料配合物を焼結または熔
融するまで加熱する場合には、従来技術の問題点が大巾
に軽減若しくは実質的に解消されることを見出した。ま
た、この様にして得られたリン酸四カルシウムから得ら
れる硬化体も、従来品に優るとも劣らない物性を具備し
ていることを見出した。

すなわち、本発明は、下記のリン酸四カルシウム、リン
酸四カルシウム硬化体およびそれらの製造法を提供する
ものである： Ca/P＝２（モル比）となる様にカルシウム源材料粉
末とリン源材料粉末を配合し、さらにリン酸四カルシウ
ムの論理生成量100部に対し硼素化合物（B₂O₃として）
0.005〜５部またはアルミニウム化合物（Al₂O₃として）
と硼素化合物（B₂O₃として）との混合物を0.005〜５部
添加し、1400℃以上の温度で焼結もしくは熔融させるこ
とを特徴とするリン酸四カルシウムの製造方法。

上記項に記載の製造方法により得られたリン酸四
カルシウム。

上記項の製造方法により得られたリン酸四カルシ
ウムの粉末に該粉末重量の12〜50％（酸として）の有機
酸水溶液を混和することを特徴とするリン酸四カルシウ
ム硬化体の製造方法。

有機酸水溶液が、（ａ） TCAサイクル系カルボン酸、（ｂ）一般式（式中、ｎは50〜50000である）（ｃ）一般式（式中、ｌは５〜10、ｍは１〜５、ｎは50〜50000であ
る）で表されるアクリル酸−イタコン酸共重合体、および（ｄ）一般式（式中、ｌは５〜10、ｍは１〜５、ｎは50〜50000であ
る）で表されるアクリル酸−フマル酸共重合体の少なくとも
一種を30〜60％含む請求項に記載のリン酸四カルシウ
ム硬化体の製造方法。

有機酸水溶液がその重量の10％までのリン酸をさら
に含有する上記項に記載のリン酸四カルシウム硬化体
の製造方法。

上記項に記載の方法により製造されたリン酸四カ
ルシウム硬化体。

本発明において、リン酸四カルシウムの製造原料は、前
記の従来法において使用されているものと同じであって
良い。しかしながら、生成したリン酸四カルシウムを生
体材料として使用する場合には、安全性などの観点から
食品添加剤として認められているもの、例えば、CaHP
O₄、CaHPO₄・2H₂O、CaCO₃、Ca₃（PO₄）₂などを使用する
ことが好ましい。これらは、通常20μｍ以下、平均５μ
ｍ程度の粉末として使用する。

また、リン酸四カルシウムの製造原料に配合する硼素化
合物としては、B₂O₃、H₃BO₃、Li₂B₄O₇、Na₂B₂O₇、BaB₂O
₄、MgB₂O₄などが例示され、これらは単独でまたは２種
以上を混合して使用することができる。これらの中で
は、焼成物の均一性、焼成温度の調整、生成物の色調な
どの観点からは、B₂O₃がより好ましい。硼素化合物も、
通常20μｍ以下、平均５μｍ程度の粉末として使用す
る。

また、硼素化合物とともにリン酸四カルシウムの製造原
料に配合するアルミニウム化合物としては、Al₂O₃、Al
（OH）₃、Al（PO）₃、AlPO₄、Al（H₂PO₄）₃、AlCl₃、Al
F₃、AlI₃、Al₂（SiO₃）₃、Al₂SiO₅、Al₂（SO₄）₃、Al₂T
iO₅、Na₃AlF₆などが例示され、これらは単独でまたは２
種以上を混合して使用することができる。これらの内で
は、やはり焼成物の均一性、焼成温度の調整、生成物の
色調などの観点からは、Al₂O₃がより好ましい。アルミ
ニウム化合物も、通常20μｍ以下、平均５μｍ程度の粉
末として使用する。

本発明においては、この様な原料をCa/Pのモル比が２と
なる様に配合し、さらにこの原料配合物から生成される
リン酸四カルシウムの理論量100部に対し、硼素化合物
（B₂O₃として）を0.005〜５部、あるいは硼素化合物（B
₂O₃として）とアルミニウム化合物（Al₂O₃として）との
混合物を0.005〜５部添加して、1400℃以上の温度で焼
成して、焼結もしくは熔融させた後、炉内で自然放冷す
る。冷却速度は、原料の使用量、炉の容量および構造な
どにより、大巾に変わり得るが、いずれの場合にも、従
来法における様な10℃／分以上という急冷に比して、極
めて緩やかな冷却である。焼成に際しては、上記の全成
分を含む原料粉末混合物を崩壊しない程度に形成してお
き、焼結すれば、原料粉末混合物および焼成物を収容す
るための容器も不要となり、取扱いも容易であり、焼成
炉内を容積を有効利用することが出来るので、有利であ
る。リン酸四カルシウムの理論生成量100部に対する硼
素化合物のより好ましい添加量は、B₂O₃として0.5〜２
部程度であり、硼素化合物とアルミニウム化合物との混
合物のより好ましい添加量は、B₂O₃として0.5〜２部程
度で且つAl₂O₃として１〜２部である、またより好まし
い焼成温度は、1500〜1550℃である。

第１図にCa/Pのモル比が２である原料配合物に対するB₂
O₃の添加量（生成されるべきリン酸四カルシウムの理論
量100部に対する添加量）、焼成温度と焼結および熔融
状態との関係を示す。また、第２図にAl₂O₃を添加した
場合の同様の関係を示し、更に、第３図にB₂O₃とAl₂O₃
との等量混合物を添加した場合の同様の関係を示す。第
１図乃至第３図から、焼結および熔融状態は、添加物の
配合量によって、かなり自由に調整することが可能なる
ことが明らかである。例えば、Al₂O₃の配合量を２％と
すれば、焼成温度を約1520℃とすることにより、焼結物
が得られる。また、B₂O₃とAl₂O₃との等量混合物の場合
には、その配合量を1.5％とすれば、焼成温度を約1510
℃とすることにより、焼結物が得られる。

また、第４図にCa/Pのモル比が２である原料配合物に対
するB₂O₃の添加量（生成されるべきリン酸四カルシウム
の理論量100部に対する添加量）、焼成温度と生成物中
に占めるリン酸四カルシウムの割合との関係を模式的に
示す。また、第５図にAl₂O₃を添加した場合の同様の関
係を模式的に示し、更に、第６図にB₂O₃とAl₂O₃との等
量混合物を添加した場合の同様の関係を模式的に示す。
添加物の配合量が５％を超える場合には、水酸アパタイ
トが多量に形成されるようになるので、添加物の配合量
は５％以下とすべきことが明らかである。

上記の様にして得られたリン酸四カルシウムは、非常に
固く焼き締まっており、水酸アパタイトへの転化もほと
んど生じていない。また、従来の焼成法により得られる
リン酸四カルシウムは、通常灰白色であるが、使用する
原料の種類、微量不純物の影響などにより、焼成物が部
分的または全体的に濃暗色、灰緑色などに着色されて、
審美性の点から生体材料としての価値を失う場合も少な
くない。しかるに、特定量のB₂O₃またはB₂O₃とAl₂O₃と
の混合物を配合する本発明方法により得られるリン酸四
カルシウムは、使用する原料の種類、微量不純物などに
影響されず、全体として均一に淡青色乃至水色に着色し
た美麗なものである。

なお、本発明によるリン酸四カルシウムは、原料配合物
にさらに他の添加物を併用することにより、その性質を
改善することが出来る。例えば、リン酸四カルシウムに
Ｘ線造影性、抗菌性などを付与するためには、BaSO₄、B
aCO₃、BaO、SrSO₄、SrCO₃などのアルカリ土類金属化合
物、BaSiF₆、SnF₂、CaF₂、NaF、AlF₃、BaF₂、Na₂SiF₆、
Na₃AlF₆などの含フッ素化合物：（BiO）₂CO₃、Bi₂O₃、M
gO、SiO₂、TiO₂、ZrO₂などの一種または二種以上を添加
することが出来る。これらの任意添加物は、前記必須添
加物の最大60％程度までに代替して使用することが出来
る。これらの任意添加物も、通常20μｍ以下、平均５μ
ｍ程度の粉末として使用する。

本発明によるリン酸四カルシウム硬化体は、上記の方法
により製造されたリン酸四カルシウム粉末100部（粒度
は、通常20μｍ以下、平均５μｍ程度）に該粉末重量の
12〜50％（酸として）の有機酸水溶液を混和することに
より得られる。

この様な有機酸としては、下記のようなものが使用でき
る。

（ａ）クエン酸、酒石酸、マロン酸、リンゴ酸、マレ
イン酸、乳酸、フマル酸、アスコルビン酸、コハク酸、
グルコン酸、グルタル酸、ピルビル酸などのTCAサイク
ル系カルボン酸類。

（ｂ）一般式（式中、ｎは50〜50000である）で表されるアクリル酸
の単独重合体。

（ｃ）一般式（式中、ｌは５〜10、ｍは１〜５、ｎは50〜50000であ
る）で表されるアクリル酸−イタコン酸共重合体。

（ｄ）一般式（式中、ｌは５〜10、ｍは１〜５、ｎは50〜50000であ
る）で表されるアクリル酸−フマル酸共重合体。

これらの酸は、単独で又は２種以上の混合形態で使用す
ることが可能であり、通常濃度30〜60％程度の純粋を溶
媒とする水溶液の形態で使用される。

また、有機酸水溶液には、その重量の10％までのリン酸
を更に含有することができる。リン酸は、特に身体親和
性のある酸ではないが、リン酸四カルシウムと反応する
ことにより、アパタイトを生成し、硬化する。そして、
この硬化体は、リン酸を含まない硬化体よりも強度が強
い。

この様にして得られるリン酸四カルシウム硬化体は、リ
ン酸四カルシウム粉末のかさ比重が大きいので、従来品
に対して、それ自体のかさ比重が著しく大きくなり、破
砕強度も高くなっている。従って、この様な硬化体は、
人工骨用材料、歯科材料などの生体用材料として有用で
ある。

発明の効果本発明によれば、下記の如き顕著な効果が得られる。

（１）原料粉末配合物の焼結乃至熔融という操作によ
り、従来法とは異なって、急冷操作、焼成炉内の除湿乾
燥などを行う必要はなくなった。

従って、特殊な構造の焼成炉を必要とせず、通常の焼成
炉により製造を行うことが出来るので、製造コストが低
減される。

（２）リン酸四カルシウムの収率が高く、また得られ
るリン酸四カルシウムは、高純度である。

（３） Ca源化合物とＰ源化合物とを焼成する場合に
は、使用する化合物の純度にもよるが、1600℃程度以上
でなければ、熔融しない。これに対し、B₂O₃或いはB₂O₃
とAl₂O₃とを併用する本発明方法では、焼結乃至熔融温
度が大巾に低下するので、エネルギー的に有利である。

（４） B₂O₃或いはB₂O₃とAl₂O₃とを併用することによ
り、焼結温度範囲が拡がるので、製品のロットによるバ
ラツキ、生成物内部の成分組成の不均一などが大巾に減
少して、均一で品質の安定した製品が得られる。

（５） Ca源化合物とＰ源化合物とのみを焼成すれば、
美観に劣る製品となる場合でも、B₂O₃或いはB₂O₃とAl₂O
₃とを併用することにより、淡青色乃至水色の均一に着
色された美麗な製品が得られる。

（６）本発明によるリン酸四カルシウム硬化体は、か
さ比重が大きく、破砕強度も高い。

実施例以下に実施例および比較例を示し、本発明の特徴とする
ところをより一層明確にする。

実施例１平均粒度５μｍ程度の粉末状のCaCO₃とCaHPO₄・2H₂Oと
を1:1のモル比で混合し、さらにB₂O₃を混合物重量の0.5
％の割合で添加して、大気中1550℃で２時間炉内焼成し
て、焼結させた後、炉内で自然放冷し、400℃に下降し
た時点で炉外に取出した。

生成物のＸ線回折結果を第７図（Ａ）として示す。

第７図の結果から、生成物が実質的にリン酸四カルシウ
ムのみからなっていることが明らかである。

実施例２平均粒径５μｍ程度の粉末状のCaCO₃とCaHPO₄・2H₂Oと
を1:1のモル比で混合し、さらにB₂O₃及びAl₂O₃をそれぞ
れ混合物重量の0.5％の割合で添加して、大気中1500℃
で２時間炉内焼成して、焼結させた後、炉内で自然放冷
し、400℃に下降した時点で炉外に取出した。

生成物のＸ線回折結果を第７図（Ｂ）として示す。

実施例３平均粒度５μｍ程度の粉末状のCaCO₃とCaHPO₄・2H₂Oと
を1:1のモル比で混合し、さらにAl₂O₃を混合物重量の0.
5％の割合で添加して、大気中1500℃で２時間炉内焼成
して、焼結させた後、炉内で自然放冷し、400℃に下降
した時点で炉外に取出した。

生成物のＸ線回折結果を第７図（Ｃ）として示す。

比較例１ B₂O₃及びAl₂O₃を添加しない以外は実施例１と同様の操
作を行なった。生成物は、ポーラス状のものであった。

生成物のＸ線回折結果を第７図に（Ｄ）として示す。

第７図の結果から、生成物がリン酸四カルシウムの他に
大量の水酸アパタイトを含んでいることが明らかであ
る。

実施例４ B₂O₃の添加量を0.005〜10％の範囲とし且つ焼結温度を1
400〜1600℃の範囲として、参考例１と同様の操作を行
なった。

生成物のＸ線回折結果を第８図Ａ〜Ｇに示す。

第８図Ａ〜ＧとB₂O₃添加量および焼成温度との関係は、
以下の通りである。

I.第８図Ａ B₂O₃ :10％焼成温度:1350℃ II.第８図Ｂ B₂O₃ :5％焼成温度:1400℃ III.第８図Ｃ B₂O₃ :3％焼成温度:1500℃ IV.第８図Ｄ B₂O₃ :1％焼成温度:1500℃ V.第８図Ｅ B₂O₃ :0.5％焼成温度:1500℃ VI.第８図Ｆ B₂O₃ :0.1％焼成温度:1570℃ VII.第８図Ｇ B₂O₃ :0.005％焼成温度:1600℃ 第８図Ａ〜Ｇに示す結果から、B₂O₃添加量が５％以下で
あれば、焼結及び溶融温度の降下も著るしく、リン酸四
カルシウムも良好に生成される。しかしながら、B₂O₃を
５％を上回る量添加しても、焼結または溶融温度の著る
しい降下は認められなくなり、逆にリン酸四カルシウム
の生成を阻害するようになるので、B₂O₃の添加量は、５
％を上限とする。

実施例５ B₂O₃に代えてAl₂O₃を使用する以外は実施例４と同様の
操作を行なった。

生成物のＸ線回折結果を第９図Ａ〜Ｇに示す。

第９図Ａ〜Ｇに示す結果から、Al₂O₃添加量が５％以下
であれば、焼結及び溶融温度の降下も著るしく、リン酸
四カルシウムも良好に生成される。しかしながら、Al₂O
₃を５％を上回る量添加しても、焼結または溶融温度の
著るしい降下は認められなくなり、逆にリン酸四カルシ
ウムの生成を阻害するようになるので、Al₂O₃の添加量
は、５％を上限とする。

実施例６ B₂O₃とAl₂O₃との等量混合物を使用する以外は実施例４
と同様の操作を行なった。

生成物のＸ線回折結果を第10図Ａ〜Ｇに示す。

第10図Ａ〜Ｇに示す結果から、B₂O₃とAl₂O₃との等量混
合物の添加量が５％以下であれば、溶融温度の降下も著
るしく、リン酸四カルシウムも良好に生成される。しか
しながら、等量混合物を５％を上回る量添加しても、溶
融温度の著るしい降下は認められなくなり、逆にリン酸
四カルシウムの生成を阻害するようになるので、B₂O₃と
Al₂O₃との等量混合物の添加量は、５％を上限とする。

実施例７実施例１〜３で得られたリン酸四カルシウムの粉末（平
均粒径５μｍ）100部に対し、下記に示す酸水溶液を70
部加えて、硬化体を得た。

一方、比較として、B₂O₃およびAl₂O₃の何れをもを含ま
ない従来のリン酸四カルシウムの粉末を使用する以外
は、上記と同様にして硬化体を得た。

各硬化体の24時間経過後の破砕抗力（kgf/cm²）は、第
１表に示す通りであった。

第１表において、各記号は、以下のことを表わす。

イ…実施例１で得られた粉末ロ…実施例２で得られた粉末ハ…実施例３で得られた粉末ニ…クエン酸40部＋純水60部の水溶液ホ…リンゴ酸52部＋純水60部の水溶液ヘ…クエン酸30部＋ポリカルボン酸５部＋酒石酸10部＋
純水55部の水溶液ト…リンゴ酸40部＋クエン酸５部＋リン酸9.1部＋純水4
5.9部の水溶液本発明により得られたリン酸四カルシウム硬化体の破砕
強度は、従来のリン酸四カルシウムを同様にして硬化さ
せたものに比して、70〜160kgf/cm²程度も向上してい
る。

【図面の簡単な説明】第１図は、Ca/Pのモル比が２である原料配合物に対する
B₂O₃の添加量、焼成温度と焼結および熔融状態との関係
を示すグラフである。第２図は、Ca/Pのモル比が２である原料配合物に対する
Al₂O₃の添加量、焼成温度と焼結および熔融状態との関
係を示すグラフである。第３図は、Ca/Pのモル比が２である原料配合物に対する
B₂O₃とAl₂O₃との等量混合物の添加量、焼成温度と焼結
および熔融状態との関係を示すグラフである。第４図は、Ca/Pのモル比が２である原料配合物に対する
B₂O₃の添加量、焼成温度と生成物中のリン酸四カルシウ
ムの生成割合との関係を示すグラフである。第５図は、Ca/Pのモル比が２である原料配合物に対する
Al₂O₃の添加量、焼成温度と生成物中のリン酸四カルシ
ウムの生成割合との関係を示すグラフである。第６図は、Ca/Pのモル比が２である原料配合物に対する
B₂O₃とAl₂O₃との等量混合物の添加量、焼成温度と生成
物中のリン酸四カルシウムの生成割合との関係を示すグ
ラフである。第７図は、実施例１〜３および比較例１で得られた生成
物のＸ線回折測定結果を示すチャートである。第８図は、実施例４で得られた各生成物のＸ線回折測定
結果を示すチャートである。第９図は、実施例５で得られた各生成物のＸ線回折測定
結果を示すチャートである。第10図は、実施例５で得られた各生成物のＸ線回折測定
結果を示すチャートである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ca/P＝２（モル比）となる様にカルシウム
源材料粉末とリン源材料粉末を配合し、さらにリン酸四
カルシウムの理論生成量100部に対し硼素化合物（B₂O₃
として）0.005〜５部またはアルミニウム化合物（Al₂O₃
として）と硼素化合物（B₂O₃として）との混合物を0.00
5〜５部添加し、1400℃以上の温度で焼結もしくは熔融
させることを特徴とするリン酸四カルシウムの製造方
法。
【請求項２】請求項に記載の製造方法により得られた
リン酸四カルシウム。
【請求項３】請求項の製造方法により得られたリン酸
四カルシウムの粉末に該粉末重量の12〜50％（酸とし
て）の有機酸水溶液を混和することを特徴とするリン酸
四カルシウム硬化体の製造方法。
【請求項４】有機酸水溶液が、（ａ） TCAサイクル系カルボン酸、（ｂ）一般式（式中、ｎは50〜50000である）で表されるアクリル酸の単独重合体、（ｃ）一般式（式中、ｌは５〜10、ｍは１〜５、ｎは50〜50000であ
る）で表されるアクリル酸−イタコン酸共重合体、および（ｄ）一般式（式中、ｌは５〜10、ｍは１〜５、ｎは50〜50000であ
る）で表されるアクリル酸−フマル酸共重合体の少なくとも
一種を30〜60％含む請求項に記載のリン酸四カルシウ
ム硬化体の製造方法。
【請求項５】有機酸水溶液がその重量の10％までのリン
酸をさらに含有する請求項に記載のリン酸四カルシウ
ム硬化体の製造方法。
【請求項６】請求項に記載の方法により製造されたリ
ン酸四カルシウム硬化体。