JPWO2018159417A1 - 針状ヒドロキシアパタイトを含む複合材料成形体の製造方法及び複合材料成形体 - Google Patents

Abstract

製造方法は、針状ヒドロキシアパタイトを含む複合材料成形体の製造方法である。この製造方法は、少なくとも、α−リン酸三カルシウムを含むリン酸カルシウム化合物、リンを含まないカルシウム化合物、セルロースナノファイバー、並びに、水及び／又は親水性溶媒からなる水系溶媒を混合して混合物を得る調合工程と、混合物を用いて成形体を形成する成形工程と、成形体を乾燥させる乾燥工程と、乾燥後の成形体を合成処理する合成工程と、を有する。

Description

本開示は、針状ヒドロキシアパタイトを含む複合材料成形体の製造方法及び複合材料成形体に関する。

生体材料、カラム用充填材料、複合材料の補強用フィラーとして、針状にしたリン酸カルシウム粒子は有用な素材である。特に微細で高度に針状化したヒドロキシアパタイトは、生体骨に対する生物学的な組織親和性や、特異なタンパク質吸着特性を示す材料になり得る。

針状のヒドロキシアパタイトを作製する方法としては、カルシウム化合物とリン化合物とを含む原料、或いはリン酸カルシウムを含む原料を、水又は親水性有機溶媒と混合し、１２０℃以上かつ加圧条件下で水熱合成する方法が知られている（例えば特許文献１及び２参照）。

特開２００１−２８７９０３号公報 特開２００２−２７４８２２号公報

しかしながら、特許文献１及び２に開示された方法で得られた針状ヒドロキシアパタイト粒子を人工骨、人工歯等の生体硬組織を代替する材料や入手困難となっている象牙の代替材料に用いる場合、成形時に針状体が粉砕されることがあり、必ずしも充分な強度を有しているとは言えない。また、得られた成形体はその後の焼成で変形するため、再加工が必要となるなどの問題がある。また、上記方法では、オートクレーブなどの内部を高温高圧にできる耐圧反応容器を用いて、１２０℃以上の高温かつ加圧条件下という過酷な条件で水熱合成を行うため、装置コストやエネルギーコストが高く、生産性に劣るという問題がある。そのため、上述したような生体硬組織の代替材料や象牙代替材料としても使用できるより優れた強度を有する材料を、より穏やかな条件で製造することができる製造方法が望まれている。

本開示は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、合成条件を比較的低温（例えば１００℃以下）で行った場合であっても、人工骨、人工歯等の生体硬組織を代替する材料や、入手困難となっている象牙の代替材料としても使用可能な優れた強度を有する針状ヒドロキシアパタイトを含む複合材料成形体を得ることができる、複合材料成形体の製造方法を提供することを目的とする。本開示はまた、上述した生体硬組織の代替材料や象牙代替材料としても焼成することなく使用可能な、優れた強度を有する複合材料成形体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示の一側面に係る針状ヒドロキシアパタイトを含む複合材料成形体の製造方法は、少なくとも、α−リン酸三カルシウムを含むリン酸カルシウム化合物、リンを含まないカルシウム化合物、セルロースナノファイバー、並びに、水及び／又は親水性溶媒からなる水系溶媒を混合して混合物を得る調合工程と、上記混合物を用いて成形体を形成する成形工程と、上記成形体を乾燥させる乾燥工程と、乾燥後の上記成形体を合成処理する合成工程と、を有する。

上記製造方法によれば、複合材料成形体を形成する混合物にセルロースナノファイバーを含有させることにより、有機バインダー等を添加する必要も、成形体を焼成する必要もなく、高強度の複合材料成形体を得ることができる。ここで、例えばカゼインやカルボキシメチルセルロース等の有機バインダーを多く用いた場合、それらがα−リン酸三カルシウム粉の表面をコーティングしてしまうことがあり、合成処理しても針状ヒドロキシアパタイトが生成し難くなる傾向があるという問題がある。これに対し、セルロースナノファイバーを用いた場合には、α−リン酸三カルシウム粉の表面がコーティングされることなく針状ヒドロキシアパタイトが効率的に生成すると共に、針状ヒドロキシアパタイトとセルロースナノファイバーとが絡み合い、得られる複合材料成形体の強度を飛躍的に向上させることができる。また、上記製造方法においては、混合物を成形及び乾燥させることで、セルロースナノファイバーの強い水素結合によりα−リン酸三カルシウムの粒子間にセルロースナノファイバーのネットワークが形成されることから、その後の例えば飽和水蒸気下の条件での合成を経て非常に高強度の複合材料成形体を得ることができる。更に、上記製造方法によれば、原料としてα−リン酸三カルシウムを用いることで、乾燥後の成形体の合成処理により、合成処理を比較的低温（例えば１００℃以下）で行った場合であっても、針状ヒドロキシアパタイトを効率的に生成することができる。以上のように、上記製造方法によれば、水熱合成のような高温高圧の過酷な条件での合成処理を行うことなく針状ヒドロキシアパタイトを生成することができると共に、この針状ヒドロキシアパタイトとセルロースナノファイバーとが複合化されて強度が大幅に向上した複合材料成形体を、焼成することなく製造することができる。

なお、一般的にリン酸三カルシウムやヒドロキシアパタイト等のバイオセラミックスからなる人工骨や充填剤は、汎用セラミックスと同様に、粉体を固めただけでは強度が出ないことから、焼成が必要とされる。これに対し、本開示の一側面に係る製造方法では、焼成することなく優れた強度を有する複合材料成形体を製造することができる。例えば、皮質骨（緻密骨）の曲げ強さは約５０〜１５０ＭＰａであるが、本開示の一側面に係る製造方法によれば、上記皮質骨に近い強度を有する複合材料成形体を得ることができる。また、本開示の一側面によれば、焼成工程が不要となるため、環境にも優しい複合材料成形体の製造方法を提供することができる。

一実施形態では、上記調合工程において、上記カルシウム化合物を、合成後のヒドロキシアパタイトのＣａ／Ｐ比にあわせるために、上記混合物のＣａ／Ｐ比（原子比）が１．５０超１．８０以下となるように添加してもよい。人工骨や人工歯の材料となるヒドロキシアパタイトはＣａ_１０（ＰＯ_４）_６（ＯＨ）_２で表され、そのＣａ／Ｐ比は１．６７である。一方、α−リン酸三カルシウムのＣａ／Ｐ比は１．５であるため、水酸化カルシウムなどのカルシウム化合物を添加してＣａ／Ｐ比を１．６７に近づけてもよい。カルシウム化合物の添加量を調整して混合物のＣａ／Ｐ比が１．５０超１．８０以下となるようにすることで、得られる複合材料成形体のＣａ／Ｐ比を１．６７に近づけることができ、生体材料として有用なものとなる。

一実施形態では、上記調合工程において、上記セルロースナノファイバーを上記リン酸カルシウム化合物１００質量部に対して１０〜４０質量部添加してもよい。セルロースナノファイバーの添加量を１０質量部以上とすることで、より充分な強度を有する複合材料成形体を得ることができ、添加量を４０質量部以下とすることで、有機分が適度に少なく生体材料により適した複合材料成形体を得ることができる。

一実施形態では、上記製造方法は、上記成形工程の前に、上記混合物から上記水系溶媒の一部又は全てを除去する除去工程を有していてもよい。混合物からある程度又は全ての水系溶媒を除去しておくことで、成形時間の短縮と成形体の形成が容易となる。

一実施形態では、上記成形工程において、上記混合物をプレス成形しながら上記水系溶媒の一部又は全てを除去して上記成形体を形成してもよい。上記方法によれば、作業の効率化が図れると共に、成形体の形成が容易となる。また、混合物にある程度水系溶媒を残した状態で成形を行い、プレス成形しながら水系溶媒の一部又は全てを除去することで、当該成形時及びその後の乾燥時にセルロースナノファイバーが水素結合により強固なネットワークを形成しやすく、より高強度な複合材料成形体を得ることができる。

一実施形態では、上記合成工程において、乾燥後の上記成形体を６０〜１２０℃の温度、又は、８０〜１００℃の温度で合成処理してもよい。混合物中にセルロースナノファイバーを含有させることから、合成処理は６０〜１２０℃の穏やかな温度条件で行うことが好ましい。また、この温度条件とすることで、セルロースナノファイバーの水素結合により形成されたネットワークを維持することができ、より高強度な複合材料成形体を得ることができる。また、上記製造方法によれば、６０〜１２０℃という比較的低温の条件で合成処理を行った場合であっても、針状ヒドロキシアパタイトを効率的に生成することができ、針状ヒドロキシアパタイトとセルロースナノファイバーとが複合化されて強度が大幅に向上した複合材料成形体を得ることができる。

本開示の他の側面に係る複合材料成形体は、針状ヒドロキシアパタイトとセルロースナノファイバーとを含む。上記複合材料成形体は、針状ヒドロキシアパタイトとセルロースナノファイバーとを含むことにより、優れた強度を得ることができる。

一実施形態では、上記複合材料成形体は、Ｃａ／Ｐ比が１．５０超１．８０以下であってもよい。Ｃａ／Ｐ比が１．６７付近であることで、複合材料成形体は生体材料として有用なものとなる。

一実施形態では、上記複合材料成形体は、上記セルロースナノファイバー同士が水素結合した構造を有していてもよい。セルロースナノファイバー同士が水素結合していることで、セルロースナノファイバーの強固なネットワークが形成され、更にこのネットワークと針状ヒドロキシアパタイトとが絡み合うことで、複合材料成形体はより高い強度を得ることができる。

本開示の一側面及び実施形態によれば、合成を比較的低温（例えば１００℃以下）で行った場合であっても、人工骨、人工歯等の生体硬組織を代替する材料や、入手困難となっている象牙の代替材料としても使用可能な優れた強度を有する針状ヒドロキシアパタイトを含む複合材料成形体を得ることができる、複合材料成形体の製造方法を提供することができる。本開示の他の側面及び実施形態によれば、上述した生体硬組織の代替材料や象牙代替材料としても焼成することなく使用可能な、優れた強度を有する複合材料成形体を提供することができる。

本開示の一実施形態に係る複合材料成形体の製造方法の流れを示すフローチャートである。 成形工程に用いるプレス成形機の一実施形態を示す模式図である。 プレス成形機の濾過フィルターを示す模式図である。 実施例１で得られた複合材料成形体の電子顕微鏡写真である。 実施例２で得られた複合材料成形体の電子顕微鏡写真である。 比較例１で得られた複合材料成形体の電子顕微鏡写真である。 比較例２で得られた複合材料成形体の電子顕微鏡写真である。 実施例１の処理前後の成形体のＸＲＤパターンである。 実施例２の処理前後の成形体のＸＲＤパターンである。 比較例１の処理前後の成形体のＸＲＤパターンである。 比較例２の処理前後の成形体のＸＲＤパターンである。

以下、図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面中、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。

本開示の針状ヒドロキシアパタイトを含む複合材料成形体の製造方法は、少なくとも、α−リン酸三カルシウムを含むリン酸カルシウム化合物、リンを含まないカルシウム化合物、セルロースナノファイバー、並びに、水及び／又は親水性溶媒からなる水系溶媒を混合して混合物を得る調合工程と、上記混合物を用いて成形体を形成する成形工程と、上記成形体を乾燥させる乾燥工程と、乾燥後の上記成形体を合成処理する合成工程と、を有する方法である。上記製造方法は、上記成形工程の前、且つ上記調合工程の後に、上記混合物から上記水系溶媒の一部又は全てを除去する除去工程を更に有していてもよい。また、上記製造方法は、上記合成工程の後に、合成後の成形体を乾燥させる第２の乾燥工程を更に有していてもよい。

図１は、本開示の一実施形態に係る複合材料成形体の製造方法の流れを示すフローチャートである。図１に示すように、本実施形態の製造方法では、材料を混合して混合物を得る調合工程Ｓ１、得られた混合物から当該混合物に含まれる水系溶媒の一部又は全てを除去する除去工程Ｓ２、水系溶媒がある程度又は全て除去された混合物を成形して成形体を得る成形工程Ｓ３、得られた成形体を乾燥させる乾燥工程Ｓ４、乾燥後の成形体を合成処理する合成工程Ｓ５、及び、合成後の成形体を乾燥させる第２の乾燥工程Ｓ６を経て、複合材料成形体を完成させる（Ｓ７）。以下、各工程について詳細に説明する。

（調合工程Ｓ１）
調合工程Ｓ１では、少なくとも、α−リン酸三カルシウムを含むリン酸カルシウム化合物、水酸化カルシウム等のリンを含まないカルシウム化合物、セルロースナノファイバー、並びに、水及び／又は親水性溶媒からなる水系溶媒を混合して混合物を得る。混合方法は各材料を充分に混合できる方法であれば特に限定されない。混合は、例えば撹拌機、ハンドミキサー、自動乳鉢等を用いて撹拌することにより行うことができる。混合方法は、セルロースナノファイバーにダメージを与えない方法であれば特に限定されない。例えば、ホモジナイザーのようなセルロースナノファイバーにダメージを与えるおそれがある混合方法は好ましくない。

α−リン酸三カルシウムは、Ｃａ_３（ＰＯ_４）_２で表される、Ｃａ／Ｐ比（原子比）が１．５である粒子状の材料である。α−リン酸三カルシウムは、水中で徐々に骨の主成分であるヒドロキシアパタイト（Ｃａ_１０（ＰＯ_４）_６（ＯＨ）_２）に転化する性質を持つ。α−リン酸三カルシウムは粒子状であるが、例えば６０〜１２０℃、６〜２４時間程度の条件で合成（密閉容器内で水蒸気に接触）することで、粒子表面から針状のヒドロキシアパタイトが生成する。なお、本開示において針状とは、針状、繊維状、ロッド状、板状といった形状を含む。

リン酸三カルシウムには、α型（高温安定相）とβ型（低温安定相）が存在する。本実施形態では、合成により針状のヒドロキシアパタイトを生成するために、原料としてα型リン酸三カルシウム（α−リン酸三カルシウム）を用いることを必須とする。原料としてβ型リン酸三カルシウムを用いた場合、合成処理しても針状ヒドロキシアパタイトに転化し難い。但し、β−リン酸三カルシウムを１１７０℃以上に加熱すると、α−リン酸三カルシウムに結晶構造が変化する。そのため、本実施形態においては、出発原料としてβ−リン酸三カルシウムを用い、これを１１７０℃以上、好ましくは１２００〜１４００℃又は１４００℃を超える温度で加熱して、α−リン酸三カルシウムに加熱変化させた材料を用いてもよい。また、α型（高温安定相）のリン酸三カルシウムには、単斜晶系（α−ＴＣＰ）と六方晶系（α’−ＴＣＰ）が存在するが、本開示においてはいずれも使用可能である。α−ＴＣＰ及びα’−ＴＣＰの中では、水との反応性に優れ、針状ヒドロキシアパタイトに転化しやすいことから、α−ＴＣＰの方がより好ましい。リン酸三カルシウムは１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。

α−リン酸三カルシウムの粒径は特に限定されないが、複合材料成形体の充分な強度を得る観点、及び、合成により高アスペクト比の針状ヒドロキシアパタイトを効率的に生成する観点から、平均粒径３〜１５μｍであることが好ましく、平均粒径３〜８μｍであることがより好ましい。上記粒径はレーザー回折法により測定することができる。

混合物には、リン酸カルシウム化合物として、α−リン酸三カルシウム以外の他のリン酸カルシウム化合物を添加してもよい。他のリン酸カルシウム化合物としては、例えば、リン酸水素カルシウム、リン酸水素カルシウム二水和物、リン酸四カルシウム、リン酸八カルシウム、メタリン酸カルシウム等が挙げられる。他のリン酸カルシウム化合物を添加することにより、反応性を高めたり、ゆっくりと反応させるといった調整が可能になるので、結果的にできあがる複合材料成形体の微細構造を変化させることができ、強度の調整（向上又は低下）が可能となる。他のリン酸カルシウム化合物は１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。

上記他のリン酸カルシウム化合物を混合物に添加する場合、その添加量は、α−リン酸三カルシウムに対する他のリン酸カルシウム化合物のモル比（他のリン酸カルシウム化合物のモル数／α−リン酸三カルシウムのモル数）が０．５以下となる量とすることが好ましく、０．２５以下となる量とすることがより好ましい。上記モル比が０．５以下であれば、充分な割合のα−リン酸三カルシウムが存在するため、針状ヒドロキシアパタイトを含む高強度な複合材料成形体が得られやすい。

リンを含まないカルシウム化合物（分子内にリン原子を含まずカルシウム原子を含む化合物）は、合成後のヒドロキシアパタイトのＣａ／Ｐ比を調整するために用いられる。上記カルシウム化合物は、リン酸カルシウム化合物のようなリンを含む化合物以外のカルシウム化合物を意味する。上記カルシウム化合物としては、水酸化カルシウム、塩化カルシウム、硝酸カルシウム、硝酸カルシウム水和物、硫酸カルシウム、炭酸カルシウム、炭酸カルシウム水和物、有機酸カルシウム（酢酸カルシウム、乳酸カルシウムなど）等が挙げられる。これらの中でも、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）_２）が特に好ましい。カルシウム化合物としては、一般的なものを特に制限なく用いることができる。カルシウム化合物は１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。なお、上述したように、混合物にはα−リン酸三カルシウム以外のリン酸カルシウム化合物も含めることが可能である。

混合物におけるリンを含まないカルシウム化合物の添加量は、混合物のＣａ／Ｐ比が１．５０超１．８０以下となる量とすることが好ましく、Ｃａ／Ｐ比が１．６６〜１．７０となる量とすることがより好ましく、Ｃａ／Ｐ比が１．６７となる量とすることが特に好ましい。カルシウム化合物の添加量を上記のように調整することで、得られる複合材料成形体のＣａ／Ｐ比が１．６７に近づき、生体材料として有用なものとなる。

セルロースナノファイバーは、木材から得られる木材繊維（パルプ）を１ミクロンの数百分の一以下のナノオーダーにまで高度にナノ化（微細化）したバイオマス素材である。セルロースナノファイバーは植物繊維由来であることから、生産・廃棄に関する環境負荷が小さく、軽量であることが特徴である。また、セルロースナノファイバーは、弾性率が高く、温度変化に伴う伸縮が小さいといった優れた特性を有する。このセルロースナノファイバーを混合物中に添加し、成形、乾燥及び合成を経て針状ヒドロキシアパタイトと複合化することで、非常に高強度の複合材料成形体を得ることができる。セルロースナノファイバーは１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。

混合物におけるセルロースナノファイバーの添加量は、リン酸カルシウム化合物（α−リン酸三カルシウム及び必要に応じて添加される他のリン酸カルシウム化合物の総量）１００質量部に対して５〜４０質量部であることが好ましく、１０〜３０質量部であることがより好ましく、１５〜３０質量部であることが更に好ましく、２０〜３０質量部であることが特に好ましい。この添加量が５質量部以上であると、より充分な強度を有する複合材料成形体を得ることができる傾向があり、４０質量部以下であると、有機分が適度に少なく生体材料により適した複合材料成形体を得ることができる傾向がある。

水系溶媒としては、水、親水性溶媒又はそれらの混合溶媒を用いることができる。セルロースナノファイバーは水への分散性が優れているため、水系溶媒としては水を用いることが好ましい。

水としては、蒸留水、イオン交換水、純水、超純水、水道水等を用いることができる。これらの中でも、蒸留水、イオン交換水、純水、超純水が好ましい。

親水性溶媒としては、水と相溶性のある溶媒であれば特に問題ないが、環境上、９９．５％エタノール、工業用エタノールや消毒用エタノールを用いることが好ましい。

混合物における水系溶媒の添加量は、溶媒の種類及びセルロースナノファイバーの濃度、種類により異なるため、一概に規定できないが、セルロースナノファイバーが充分分散できる量としては、リン酸カルシウム化合物１００質量部に対して５００〜１０００質量部が好ましい。

混合物には、上記以外の材料を添加してもよい。例えば、リン酸を混合物に添加してもよい。リン酸を添加することにより、反応性を高めたり、ゆっくりと反応させるといった調整が可能になるので、結果的にできあがる複合材料成形体の微細構造を変化させることができ、強度の調整（向上又は低下）が可能となる。

また、混合物には、更なる強度向上のためにポリ乳酸エマルジョン（生分解性樹脂）を添加してもよい。

（除去工程Ｓ２）
除去工程Ｓ２では、調合工程Ｓ１で作製した混合物から、当該混合物に含まれる水系溶媒の一部もしくは全てを除去する。水系溶媒の除去方法としては、乾燥、濾過、遠心分離等の方法が挙げられる。乾燥方法としては、常温常圧での乾燥、加温による乾燥、減圧乾燥、凍結乾燥等が挙げられる。これらの方法で水系溶媒を除去することで、混合物を、水系溶媒を含まない混合粉末としてもよい。また、調合工程Ｓ１において自動乳鉢で原料の混合を行った場合、そのまま自動乳鉢により常温常圧で粉末状になるまで撹拌を続けることで、水系溶媒を除去してもよい。なお、α−リン酸三カルシウムがヒドロキシアパタイトに転化することを抑制する観点から、除去工程は、４０℃以下の温度で行うことが好ましく、常温（２５℃）以下の温度で行うことがより好ましい。

除去工程Ｓ２後の混合物に残存する水系溶媒の含有量については、特に制限はなく成形工程Ｓ３で行う成形法で成形体が製造できるものであればよいが、成形体の形成が容易となる範囲にすることが好ましい。混合物をプレス成形しながら水系溶媒の一部又は全てを除去して成形体を形成する場合においては、混合物に残存する水系溶媒の含有量は、混合物全量を基準として、５０〜８０質量％であってもよく、６０〜７０質量％であってもよい。また、除去工程Ｓ２において混合物から水系溶媒を全て除去した場合には、水系溶媒が残存していないため、次の成形工程Ｓ３において水系溶媒の除去を伴わずにプレス成形等による成形を行うことができる。

（成形工程Ｓ３）
成形工程Ｓ３で用いる混合物は、除去工程Ｓ２により水系溶媒が除去された混合物、もしくは水系溶媒がある程度残っている混合物のどちらでもよい。成形工程Ｓ３では、これらの混合物（原料混合物）を成形して成形体を得る。成形は、プレス成形により行うことが好ましい。プレス成形は、水系溶媒が除去された混合粉末を加圧することで行うことができる。また、水系溶媒を含んだ状態であっても１００℃程度に加熱して水系溶媒を揮発させながら加圧することで、プレス成形を行ってもよい。また、常温で成形した後、乾燥させてもよい。更に、成形は、減圧しながら行ってもよい。

成形工程Ｓ３をプレス成形により行う場合、混合物をプレス成形しながら水系溶媒の一部又は全てを除去して成形体を形成することが好ましい。この方法として、例えば図２に示したような構造を有するプレス成形機を用いて水系溶媒を除去しながらプレス成形する方法が挙げられる。図２に示したプレス成形機１００は、パンチ１０と、ダイス（成形金型）２０と、濾過フィルター３０と、ベース４０とを備えており、ダイス２０と濾過フィルター３０とベース４０とは、積層された状態で、ボルト穴３６を介してボルト７０により固定されている。また、ダイス２０と濾過フィルター３０との間には、メンブレンフィルター５０が挟み込まれた状態で配置されている。成形は、ダイス２０のキャビティ６０内に混合物を投入し、キャビティ６０内を減圧しながらパンチ１０により加圧することにより行われる。このとき、混合物に含まれる水系溶媒は、キャビティ６０の底部に配置されたメンブレンフィルター５０及び濾過フィルター３０により抽出され、濾過フィルター３０に設けられた孔３２、及び、ベース４０に設けられた排水路４２を介して排出される。

図３はプレス成形機１００の濾過フィルター３０を示す模式図である。図３は、濾過フィルター３０を図２におけるダイス２０側から見た図である。図３に示すように、濾過フィルター３０には、混合物から水系溶媒を抽出するための多数の孔３２が設けられている。孔３２の直径は、例えば表面から一定の深さまではφ１ｍｍ程度であり、そこから反対側の表面まではφ３ｍｍ程度である。孔３２の直径は適宜調整できる。また、多数の孔３２の外周部にＯリング３８が配置されている。このような濾過フィルター３０を備えたプレス成形機１００を用いて混合物をプレス成形することにより、水系溶媒の一部又は全てを除去しながら成形体を形成することができる。

（乾燥工程Ｓ４）
乾燥工程Ｓ４では、成形工程Ｓ３で作製した成形体を脱型し、乾燥機内にて常温〜５０℃、好ましくは３０〜５０℃、より好ましくは４０〜５０℃の温度で２４〜４８時間乾燥させる。

乾燥工程Ｓ４後の成形体に残存する水系溶媒の含有量は、成形体全量を基準として、０．５質量％以下（０〜０．５質量％）であってもよく、０．１質量％以下（０〜０．１質量％）であってもよい。残存する水系溶媒の含有量が上記範囲内であることで、乾燥工程Ｓ４及び合成工程Ｓ５においてセルロースナノファイバーの水素結合によるネットワークを充分に形成することができ、また、合成工程Ｓ５において針状ヒドロキシアパタイトを効率的に生成することができる。

（合成工程Ｓ５）
合成工程Ｓ５では、乾燥工程Ｓ４で乾燥した成形体を、密閉容器内で、好ましくは１２０℃以下、より好ましくは６０〜１２０℃、更に好ましくは８０〜１００℃の温度で６〜１２０時間水蒸気と接触させる処理により合成を行う。上記の条件で合成を行うことにより、α−リン酸三カルシウムを針状ヒドロキシアパタイトに転化させることができる。合成工程Ｓ５では、オートクレーブのような大掛かりな装置は必要とせず、密閉可能な容器を特に制限なく用いることができる。

（第２の乾燥工程Ｓ６）
第２の乾燥工程Ｓ６では、合成後の成形体を、乾燥機内にて常温〜５０℃、好ましくは、３０〜５０℃の温度で６時間以上乾燥させる。これにより、成形体に残存した水系溶媒、及び、合成時に成形体に付着した水分を除去する。

本実施形態の製造方法によれば、上述した各工程を経て、針状ヒドロキシアパタイトとセルロースナノファイバーとが複合化されて強度が大幅に向上した複合材料成形体を製造することができる。また、本実施形態の製造方法は、焼成工程を有さない製造方法であることができる。本実施形態の製造方法によれば、例えば１２０℃を超える温度での焼成を行うことなく、優れた強度を有する複合材料成形体を得ることができる。

次に、本開示の複合材料成形体の一実施形態について説明する。本実施形態の複合材料成形体は、針状ヒドロキシアパタイトとセルロースナノファイバーとを含むものである。

上記複合材料成形体は、Ｃａ／Ｐ比が１．５０超１．８０以下であることが好ましく、１．６６〜１．６８であることがより好ましく、１．６７であることが特に好ましい。複合材料成形体が上記Ｃａ／Ｐ比を有することで、生体材料として有用なものとなる。複合材料成形体のＣａ／Ｐ比は、ＩＣＰ発光分析装置（定量分析）、蛍光Ｘ線分析装置、エネルギー分散型Ｘ線マイクロアナライザー等により測定することができる。

上記複合材料成形体は、セルロースナノファイバー同士が水素結合した構造を有することが好ましい。また、上記複合材料成形体は、セルロースナノファイバーの水素結合により形成されたネットワークと、針状ヒドロキシアパタイトとが絡み合って複合化された構造を有していることが好ましい。このような構造は、例えば電子顕微鏡観察により確認することができる。このような構造を有することで、複合材料成形体は優れた強度を得ることができる。このような構造を有する複合材料成形体は、上述した複合材料成形体の製造方法により製造することができる。

以上、本開示の複合材料成形体の製造方法及び複合材料成形体の好ましい実施の形態について詳述したが、本開示は上述した実施の形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本開示の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

本開示の製造方法で製造された複合材料成形体、及び、本開示の複合材料成形体は、人工骨、人工歯等の生体硬組織を代替する材料や、入手困難となっている象牙の代替材料として好適に用いることができる。なお、上記複合材料成形体の形状は特に限定されず、具体的な用途に応じて、複合材料成形体を製造した後に所望の形状に加工することができる。また、本開示の製造方法により上記複合材料成形体を製造する場合、成形工程において予め、具体的な用途に応じた所望の形状に成形してもよい。

以下、実施例及び比較例に基づいて本開示をより具体的に説明するが、本開示は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
セルロースナノファイバー２０質量部（固形分）を蒸留水９００質量部に充分に分散させた後、α−リン酸三カルシウム９０．１２質量部及びリン酸水素カルシウム９．８８質量部（α−リン酸三カルシウムとリン酸水素カルシウムのモル比＝４：１）、並びに、所定量の水酸化カルシウムを添加し、ハンドミキサーで５分間撹拌混合して混合物を調合した（調合工程）。ここで、水酸化カルシウムの配合量は、得られる混合物のＣａ／Ｐ比が１．６７となる量とした。

得られた混合物を、メンブレンフィルターにて３時間ほど脱水・ろ過し、混合物に残存する水の含有量を６０〜７０質量％に調整した（除去工程）。除去工程によりある程度水分を取り除いた混合物を、図２に示したプレス成形機のキャビティ内に投入し、キャビティ内を減圧しながらゆっくり加圧成形した。プレス成形機のキャビティの底部には、メンブレンフィルターと１ｍｍ程度の孔が設けられた濾過フィルターとが配置されており、加圧成形しながら溶媒を抽出させて成形体を形成した（成形工程）。

脱型後の成形体を４０〜５０℃の乾燥機内で７２時間乾燥させた（乾燥工程）。次いで、乾燥後の成形体を、８０〜１００℃、２４時間の条件で合成させた（合成工程）。合成は、ガラス製密閉容器内で成形体を水蒸気に接触させることにより行った。合成後の成形体を、常温〜５０℃で７２時間乾燥させることにより（第２の乾燥工程）、針状ヒドロキシアパタイトとセルロースナノファイバーとを含む複合材料成形体を得た。

（実施例２）
セルロースナノファイバー２０質量部（固形分）を蒸留水９００質量部に充分に分散させた後、α−リン酸三カルシウム１００質量部、及び、所定量の水酸化カルシウムを添加し、ハンドミキサーで５分間撹拌混合して混合物を調合した（調合工程）。ここで、水酸化カルシウムの配合量は、得られる混合物のＣａ／Ｐ比が１．６７となる量とした。上記調合工程で得られた混合物を用いたこと以外は実施例１と同様にして除去工程、成形工程、乾燥工程、合成工程及び第２の乾燥工程を行い、針状ヒドロキシアパタイトとセルロースナノファイバーとを含む複合材料成形体を得た。

（比較例１）
セルロースナノファイバー２０質量部（固形分）を蒸留水９００質量部に充分に分散させた後、リン酸水素カルシウム１００質量部、及び、所定量の水酸化カルシウムを添加し、ハンドミキサーで５分間撹拌混合して混合物を調合した（調合工程）。ここで、水酸化カルシウムの配合量は、得られる混合物のＣａ／Ｐ比が１．６７となる量とした。上記調合工程で得られた混合物を用いたこと以外は実施例１と同様にして除去工程、成形工程、乾燥工程、合成工程及び第２の乾燥工程を行い、複合材料成形体を得た。

（比較例２）
ヒドロキシアパタイト１００質量部とセルロースナノファイバー２０質量部（固形分）と蒸留水９００質量部とをハンドミキサーで５分間撹拌混合し、混合物を調合した（調合工程）。上記調合工程で得られた混合物を用いたこと以外は実施例１と同様にして除去工程、成形工程、乾燥工程、合成工程及び第２の乾燥工程を行い、複合材料成形体を得た。

各実施例及び比較例において混合物の調合に用いた各材料及びその配合量は、表１にまとめて示した。

なお、表１に示した配合量の単位は質量部であり、溶媒以外の材料の配合量は固形分の配合量を示す。また、表１中の各材料の詳細は以下の通りである。
（粒子状骨材）
α−リン酸三カルシウム（α−ＴＣＰ）：Ｃａ_３（ＰＯ_４）_２、太平化学産業（株）製、Ｃａ／Ｐ比＝１．５
リン酸水素カルシウム（無水リン酸水素カルシウム、ＤＣＰＡ）：ＣａＨＰＯ_４、太平化学産業（株）製、Ｃａ／Ｐ比＝１
ヒドロキシアパタイト（ＨＡｐ）：Ｃａ_１０（ＰＯ_４）_６（ＯＨ）_２、太平化学産業（株）製、Ｃａ／Ｐ比＝１．６７
水酸化カルシウム：Ｃａ（ＯＨ）_２、和光純薬工業（株）製
（フィラー）
セルロースナノファイバー：（株）スギノマシン製、商品名「ビンフィス」

＜複合材料成形体の分析＞
実施例及び比較例で得られた複合材料成形体について、走査型電子顕微鏡（日本電子株式会社製、型式ＪＳＭ−７５００Ｆ）を用いて観察した。図４〜７に、実施例１〜２及び比較例１〜２で得られた複合材料成形体の断面（内部）の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真（倍率：１０００、３０００、３００００倍）を示す。図４〜７中の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ倍率を変えて撮影したＳＥＭ写真であり、（ａ）が１０００倍、（ｂ）が３０００倍、（ｃ）が３００００倍の倍率である。図４（実施例１）及び図５（実施例２）から、実施例１及び２で得られた複合材料成形体の内部には、針状の析出物（直径約５０ｎｍ、長さ５００ｎｍ）が絡み合って析出していることが確認できる。一方、図６（比較例１）及び図７（比較例２）から、比較例１及び２で得られた複合材料成形体の内部には針状の析出物が確認できなかった。

実施例及び比較例における合成処理前の原料の混合粉末と合成処理により得られた複合材料成形体の結晶相について、Ｘ線回折装置（（株）リガク製、商品名「ＲＩＮＴ２１００」、線源：ＣｕＫα線）を用いて、２θ＝３°〜５０°の範囲で粉末Ｘ線回折（ＸＲＤ）パターンを測定した。図８〜１１に、実施例１〜２及び比較例１〜２の合成処理前の原料の混合粉末（処理前）及び合成処理後の複合材料成形体（処理後）の粉末ＸＲＤパターンを示す。図８（実施例１）及び図９（実施例２）に示すように、実施例１及び２では原料由来のα−リン三酸カルシウム（α−ＴＣＰ）のピークが合成処理後に消失し、ヒドロキシアパタイト（ＨＡｐ）に帰属されるピークのみが見られた。この結果とＳＥＭ写真の結果から、実施例１及び２の複合材料成形体内部の針状析出物はヒドロキシアパタイトであることが確認された。一方、図１０に示すように、比較例１では原料由来のリン酸水素カルシウム（ＤＣＰＡ）のピークが合成処理後でも消失せず、ヒドロキシアパタイト（ＨＡｐ）に帰属されるピークが見られなかった。これらの結果から、比較例１の複合材料成形体では、ヒドロキシアパタイトが生成していないことが確認された。また、図１１に示すように、比較例２では原料由来のヒドロキシアパタイト（ＨＡｐ）に帰属されるピークが、原料混合物と合成処理前後でほぼ同じ位置に見られた。この結果とＳＥＭ写真の結果から、比較例２の複合材料成形体では、原料であるヒドロキシアパタイトが針状に変化することなくそのままの状態で存在していることが確認された。

＜曲げ強さの測定＞
実施例及び比較例で得られた複合材料成形体を、８±１ｍｍ×４０±１ｍｍ×厚さ２．２±０．５ｍｍの板状の試験片に加工した。この試験片について、強度試験（インストロン社製、商品名「ＩＮＳＴＲＯＮ５５６６」）を用いて、三点曲げ試験を行った。測定条件は、支点間距離：１５±２ｍｍ、測定速度（ヘッドの移動速度）：１．００ｍｍ／ｍｉｎ、測定温度：室温（１０〜３５℃）とした。５本の試験片の平均値を求めて測定結果とした。結果を表１に示す。

（実施例３）
セルロースナノファイバー２０質量部（固形分）を蒸留水９００質量部に充分に分散させた後、α−リン酸三カルシウム９０．１２質量部及びリン酸水素カルシウム９．８８質量部（α−リン酸三カルシウムとリン酸水素カルシウムのモル比＝４：１）、並びに、所定量の水酸化カルシウムを添加し、自動乳鉢で３０分間以上撹拌混合して混合物を調合した（調合工程）。ここで、水酸化カルシウムの配合量は、得られる混合物のＣａ／Ｐ比が１．６７となる量とした。

自動乳鉢で、常温常圧で粉末状になるまで撹拌を続けることで、混合物から水系溶媒を除去（除去工程）した。得られた混合物を金型で予備成形し、冷間等方圧プレスにより成形体とした（成形工程）。脱型後の成形体を常温常圧で保持し乾燥させた（乾燥工程）。次いで、乾燥後の成形体を、８０〜１００℃、２４時間の条件で合成させた（合成工程）。合成は、ガラス製密閉容器内で成形体を水蒸気に接触させることにより行った。合成後の成形体を、常温〜５０℃で７２時間乾燥させることにより（第２の乾燥工程）、針状ヒドロキシアパタイトとセルロースナノファイバーとを含む複合材料成形体を得た。

上記方法で得られた複合材料成形体について、走査型電子顕微鏡での観察、及び、Ｘ線回折装置による分析を行ったところ、複合材料成形体の内部に針状のヒドロキシアパタイトが析出していることが確認された。また、得られた複合材料成形体の曲げ強さは、実施例１の複合材料成形体の曲げ強さと同程度であった。

以上の結果から明らかなように、実施例の製造方法により、合成を１００℃以下の低温で行った場合であっても、針状ヒドロキシアパタイト及びセルロースナノファイバーを含む優れた強度を有する複合材料成形体が得られることが確認された。

本開示の複合材料成形体の製造方法によれば、合成を比較的低温（例えば１００℃以下）で行った場合であっても、針状ヒドロキシアパタイトを含む優れた強度を有する複合材料成形体を得ることができる。本開示により得られる複合材料成形体は、人工骨、人工歯、人工歯根などの生体硬組織を代替する材料や、入手困難となっている象牙の代替材料として有用である。また、本開示により得られる複合材料成形体は、タンパク質や有害物質を吸着除去する材料として用いることもでき、環境分野への適用も可能である。

１０…パンチ、２０…ダイス、３０…濾過フィルター、３２…孔、４０…ベース、４２…排水路、５０…メンブレンフィルター、６０…キャビティ、１００…プレス成形機。

Claims (9)

1. 少なくとも、α−リン酸三カルシウムを含むリン酸カルシウム化合物、リンを含まないカルシウム化合物、セルロースナノファイバー、並びに、水及び／又は親水性溶媒からなる水系溶媒を混合して混合物を得る調合工程と、
   前記混合物を用いて成形体を形成する成形工程と、
   前記成形体を乾燥させる乾燥工程と、
   乾燥後の前記成形体を合成処理する合成工程と、
   を有する、針状ヒドロキシアパタイトを含む複合材料成形体の製造方法。
2. 前記調合工程において、前記カルシウム化合物を前記混合物のＣａ／Ｐ比が１．５０超１．８０以下となるように添加する、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記調合工程において、前記セルロースナノファイバーを前記リン酸カルシウム化合物１００質量部に対して１０〜４０質量部添加する、請求項１又は２に記載の製造方法。
4. 前記成形工程の前に、前記混合物から前記水系溶媒の一部又は全てを除去する除去工程を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の製造方法。
5. 前記成形工程において、前記混合物をプレス成形しながら前記水系溶媒の一部又は全てを除去して前記成形体を形成する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の製造方法。
6. 前記合成工程において、乾燥後の前記成形体を６０〜１２０℃の温度で合成処理する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の製造方法。
7. 針状ヒドロキシアパタイトとセルロースナノファイバーとを含む、複合材料成形体。
8. Ｃａ／Ｐ比が１．５０超１．８０以下である、請求項７に記載の複合材料成形体。
9. 前記セルロースナノファイバー同士が水素結合した構造を有する、請求項７又は８に記載の複合材料成形体。