JPH0193409A - 水酸アパタイトの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はカルシウムからなる有機金属化合物と、リン酸
とを有機溶媒中で反応させ縮合反応物を得、さらにこれ
を含水溶媒下で熟成し結晶性水酸アパタイトを得る製造
方法に関する。

最近、リン酸カルシウム系物質は生体材料や工業材料の
原材料として有効であることが認識されてきており、今
後特に生体材料系の材料として極めて多くの需要が予想
されている。特に水酸アパタイト（Ｃａ５（ＰＯ４）３
（ＯＨ）　）は天然歯、天然骨の主成分であり優れた生
体親和性を示すことから人工歯、人工骨の生体材料とし
て有用な物質である。

これまでにリン酸カルシウム系物質の製造方法に関して
は生化学や地質鉱物学などの基礎化学分野で知られてい
たが、あくまで学術的な知見を得るための研究の一部に
過ぎず、生産を目的として検討が実施され始めたのはご
く最近になってからである。

これまでに報告されている従来の製造方法を大別すると
水熱法を含み水溶液中の反応による湿式法と高温下の固
相反応による乾式法に二分される。

すなわち以下の概要にまとめられる。

（１）水溶性のリン酸塩とカルシウム塩とを水溶液中で
反応させる湿式合成法。

（２）オートクレーブ中で無水リン酸カルシウムとリン
酸を水熱反応させる湿式合成法。

（３）　９００℃以上の高温でリン酸三カルシウムと酸
化カルシウムを水蒸気流下で反応させる乾式合成法。

しかしながら上記（２）、　（３）の製造方法はともに
高温や高圧で反応を行うため、装置が高価なものとなり
、さらに消費エネルギーも莫大なものとなる。（１）の
製造方法に於いては、僅かな条件の違いにより生成物の
組成が大きく影響され、さらに化学量論組成の水酸アパ
タイトを得るには２０日以上という長い時間を要する。

しかもその間、ｐ■、温度などを厳密に管理しなくては
ならず操作が煩雑になり、その結果品質の再現性がとぼ
しい。

しかも、カルシウムとリンの比（以下Ｃａ／Ｐ比と記述
する。）が化学量論比の１．６７以下のカルシウム欠損
型の水酸アパタイトが生成し易く、この様な非化学量論
水酸アパタイトは化学量論組成のものよりも熱的安定性
に欠け、高温での焼結時にリン酸三カルシウム、ピロリ
ン酸カルシウム、酸化カルシウムへ分解が生じ易く水酸
アパタイトの製造方法として適するとは言えない。

他方、製品の高純度化、高均質化を目標としてアルコキ
シド法により水酸アパタイトを合成する試みがある。す
なわちカルシウム源に硝酸カルシウム、リン源にリン酸
トリメチルを用い、有機溶媒中でアンモニア水を用い加
水分解しゲル化させてこれを焼成することにより水酸ア
パタイトを得る。しかしながらこのアルコキシドの加水
分解法では、ゲル化時間が１〜３ケ月程度必要なため、
実用の製造方法とは言えない。

従って、高純度であり、高均質な化学量論水酸アパタイ
トの、簡便な製造方法の達成は重要な技術的課題であっ
た。

〔目的〕

従って、本発明の目的は高純度、高均質な化学量論組成
の水酸アパタイトを多量に簡便に生産できる新規製造方
法を提供することにある。

〔概要〕

本発明は、カルシウムと有機基とが酸素を介して結合し
た構造を有する有機金属化合物と、これと綜合反応し得
るリン酸とを有機溶媒中で反応させ、生成した縮合反応
物を水の存在下で還流することにより結晶化させ、生成
した水酸アパタイトを採取することを特徴とする結晶性
水酸アパタイトの製造方法よりなる。

〔製品の性状〕

本発明の結晶性水酸アパタイトは結晶質と一部非晶質と
の混合物であるが、わずかな熱量を加えることにより結
晶質物質として製造される。

これらの結晶質はすべて水酸アパタイトに帰属する。

本発明の水酸アパタイトの構成元素の分布は一様であり
、どの部分を観測しても組成に差はない。この水酸アパ
タイトはサブミクロメータ以下の微粒子から構成されて
いる。

又、熱的安定性に優れ、１２００℃に於いても長時間安
定であり酸化カルシウム、リン酸三カルシウム等に分解
しない。

〔発明の効果〕

１）本発明の製造方法は従来の方法に比較し高濃度での
反応が可能であることから、製品に対する溶媒量の割合
を少なくすることができ、又、反応時間を短縮化するこ
とが出来る。

２）本発明の複合酸化物は選択的な反応を行って得られ
るため、構成元素が均一に分布し、偏析がない。これに
よりこの発明による水酸アパタイト粉体から作られる焼
結体は機械強度等に向上が計られ、製造上奏止まりの向
上が期待され、著しく有用な効果を発揮する。

３）又、本発明の製造方法は特に特殊な操作を必要とせ
ず、簡便な操作である。しかも反応条件は常圧、低温で
実施するため合成装置も複雑なものを使う必要がない。

〔用途〕

つまり本発明の結晶質水酸アパタイトは、生体材料に特
に好適に用いられる。又、近年湿度センサー等にも使用
が検討されており電子材料への応用にも使用される。

〔製造方法〕

有機基と酸素を介してカルシウムが結合した構造を有す
る有機金属化合物と、リン酸を、該化合物と反応せず、
溶解又は分散する非水系溶媒又は非水系分散媒中に添加
し、異種化合物の間に選択的に縮合反応させ、アパタイ
ト前駆体とし、この非晶質前駆体に水を反応させるべく
、水と加熱還流することにより生成物を得る結晶質水酸
アパタイトの製造方法である。

〔原料〕

■）有機金属化合物 上記有機金属化合物は、特に限定されず公知のものが使
用できるが、一般には、一般弐Ｃａ（ＯＲ）　！　（但
しＲはアルキル基）で表示される金属アルコキシド化合
物、あるいはＣａ（ＲＣＯＯ）ｎで表示される化合物、
キレートのようにカルシウムを配位する構造をもつ化合
物など、金属と有機基が酸素を介して結合した化合物が
好ましい。特にこれらの化合物を例示するならばＣａ（
ＯＣＨｓ）　ｔ　、　Ｃ’ａ（ＯＣＪｓ）　ｔ　、　Ｃ
ａ（ＯＣｔｌ（ＣＨｓ）　ｔ）　ｔ　。

Ｃａ（ＣＩＩａＣＯＯ）　ｔ　、　Ｃａ（ＯＣＨｔＣＨ
ｔＯ）　、　Ｃａ（ＣＨ３ＣＯＣＨｔＣＨａ）　を等が
掲げられるがこれらの化合物は本発明に於いて使用可能
な原料の一部であってこれらに限定されるものではない
。

２）リン酸 リン酸は市販の原料がそのまま使用できるが好ましくは
脱水重合してないものがよい。

３）水 水のｐＨは中性あるいはアルカリ側に保持することか必
要である。

〔溶媒〕

溶媒は前記金属化合物、及び有機金属化合物を溶解、又
は分散するものであるならば、特に限定されずに使用で
きるが、操作性、入手の容易性の理由で、アルコール類
、グリコール類、芳香族類、アミン類、エステル類など
が可能であるが、これらに限定されるものではない。又
これらの非水系溶媒を数種類混合して用いることも可能
である。

〔反応のフロー〕

本発明に於ける前記有機金属化合物は予め非水系溶媒又
は分散媒に希釈し調整する。

他方、該混合溶液と反応リン酸は予め非水系の溶媒又は
分散媒に希釈し調整する。

ざらに又、前記原料を溶解した調整液の濃度は、低過ぎ
ると溶媒の使用量が増大し、高過ぎると反応の制御が難
しくなり、取り扱いが不便になるのでこれを勘案して適
宜決定する。

一般には原料濃度が５０％重以下、好ましくは５〜５０
％重の範囲の濃度にして使用することが好ましい。上記
カルシウム溶液にリン酸溶液を注加し、あるいは溶媒又
は分散媒中に各溶液を注加し、第１番目の反応を完結す
る。

さらにこの反応器中に水を注加し所定の温度、時間例え
ば２５℃、３時間で加熱還流したのち第２番目の反応を
完結する。

この第１番目の反応の段階でカルシウムにリン酸が求核
置換反応し、かっ、多官能基のため縮合反応か進み、結
果的にカルシウムとリンが酸素を介在して結合するため
均一な原子分布となり偏析はなくなる。

この反応はすこぶる早いため特に触媒の必要はないが、
反応を制御する意味から第１番目の反応速度を制御する
ための触媒を用いることも出来る。

この様にして得られた第１番目の縮合物は非晶質リン酸
カルシウムであり、反応系は無水であるため、焼成して
も水酸アパタイトとはならずオキシアパタイト（Ｃａ＋
ｏ（ＰＯａ）ｇｏ）となる。

そこで第１番目の反応で得られた非晶質リン酸カルシウ
ムの分散触媒中に水を注加し、所定の温度、例えば数１
０−１００℃で加熱還流を所定の時間、例えばθ〜数時
間行う。この結果得られた反応生成物を濾液と分離、洗
浄、乾燥し、所定の条件、例えば１２００℃、ｌｈｒで
焼成すれば結晶性水酸アパタイトの焼成体を得る。

〔反応機構〕

第１段目の反応機構 カルシウムは陽性の強い元素であり、そのアルコキシド
は塩基として作用することが知られている。このため１
式のようにカルシウムのアルコキシドと、リン酸の酸塩
基反応によりＣａ−０−Ｐ結合が形成され、副生成物と
してアルコールが生成する。

ＯＨＯＨ ＲＯ−Ｃｍ−ＯＲ十旧）−Ｐ−ＯＨ−ｅ　ＲＯ−Ｃａ　
−ＯＲ＋　：　０−Ｐ−ＯＨ０■ →ＲＯ−Ｃｍ　−０−Ｐ　−ＯＨ＋　ＲＯＨ（１）（Ｒ
はフルキル基等） 上記反応を繰り返し非晶質リン酸カルシウムが生成する
。カルシウムフルコキシド（Ｃａ（ＯＲ）ｚ　）に対し
てリン酸（Ｈ，ＰＯ，）をモル比１．６７で反応させた
場合、生成する非晶質リン酸カルシウムのＣａ／Ｐモル
比が１．６７になることから、この反応は、下記の様な
反応式であると推定される。

５Ｃａ（ＯＲ）ｔ＋３ＨｓＰＯｉ　−Ｃａ５（Ｐｏ４）
ｓ（ＯＲ）＋　９ＲＯ■第２段目の反応機構 上記合成法で得られた非晶質リン酸カルシウムはＣａ／
Ｐ比はアパタイトと゛同様の１，６７であるため水の存
在下で比較的短時間で結晶性アパタイトが生成するもの
と推定される。

ｎＨｔ。

Ｃａｗ　（ＰＯ−）　３（ＯＲ）→Ｃａｓ　（ＰＯ４）
　（ＯＨ）　＋　ＲＯＢ〔性状の観察方法〕 （１）Ｘ線回折 結晶相の同定 一般に結晶構造の判定はＸ線回折法で回折することによ
り確認することが出来る。

実験例では、理学電気株式会社製Ｘ線回折装置ＲＡＤ−
Ｉ［Ｂを使用し、Ｃｕ管球に４０ｋＶ、　２０ｍＡの負
荷条件でＸ線を発生させ、回折プロファイルを測定し、
ＪＣＰＤＳの粉末回折標準データを基に結晶構造を同定
した。

１丑Ｌ１ 上記Ｘ線回折プロファイルより約２０ケの回折ビークデ
ータを基に最小二乗法により決定した。

（２）組成の分布 構成元素の分布は、微視領域の観察を可能とするＥＰＭ
Ａ、　ＥＤＸ等により数点に亘り観測し、組成均一を結
論するのが現状の評価方法である。

実験例では、日本電子株式会社製操作型電子顕微鏡（Ｊ
Ｓト２０Ｔ）、及びＬＩＮＫ社製エネルギー分散型Ｘ線
分光器（ＥＤＸ）Ｑ−２００Ｊを用い、微細構造の観察
、及び微小領域の組成分析を実施した。

（３）化学分析 アパタイト中のＣａ分、Ｐ分は、それぞれＥＤＴＡ逆滴
定法及びモリブデンブルー（アスコルピン酸）吸光光度
法により定量し、Ｃａ／Ｐ比を求めた。

〔実験例〕

比較実験 本発明の利点は水処理することにより、短時間で熱的に
安定な結晶性の良いアパタイトが得られることにある。

そこで、比較実験として、従来行われてきたカルシウム
塩とリン酸塩の水溶液中での中和反応によるアパタイト
の合成を試みた。

酢酸カルシウム０．０５ｍｏｆ２を２００ｍＱの水に溶
解させ、これに０．３Ｍのリン酸水溶液１００ｍＱを加
えて白色の沈澱を得、これを９８℃で６時間熟成したの
ち、濾別して１５０℃で乾燥し、白色粉末を得た。第１
図に生成物の粉末Ｘ線回折パターン、第２図に８００℃
２時間焼成した試料の粉末Ｘ線回折パターンを示す。第
１図、第２図から生成物は結晶性の悪いアパタイトであ
り、８００℃の低温でＴＣＰへの分解が確認された。

実験例１ エチレングリコール１００ｍ（！に金属カルシウム０．
０５ｍｏＱを加え１００〜１１０℃で３時間還流したの
ち、室温まで冷却してカルシウムグリコキシドのエチレ
ングリコール溶液を合成した。又、０．６Ｍのリン酸エ
タノール溶液を調整し、５０ｍρをカルシウムグリコキ
シドエチレングリコール溶液に注加し、のち１時間攪拌
して、非晶質リン酸カルシウムの沈澱を得た。

さらにこの反応系に、イオン交換水１０．０　ｍ　Ｑを
加え９７℃で３時間還流したのち、濾別し、エタノール
で洗浄し、乾燥して、水酸アパタイトを得た。

第３図にこのＸ線回折図を、第４図に１２００℃。

２時間空気中で焼成した粉末のＸ線回折図を示す。第４
図よりＣｕＸａ線による回折角度は３１　、７　。

３２．２．３２．８°に主ピークを有し、ＪＣＰＤＳカ
ード９−４３２に記載の水酸アパタイトの特性回折ピー
クと一致した。

この水酸アパタイト粉末を化学分析したところ、理論組
成から求まるＣａ／Ｐ比１．６６にほぼ等しい１．６７
を得た。又、ＥＤＸにより組成分布を観察しても不均一
な分布は認められず、全ての視野に亘り一様にＣａ／Ｐ
比が１．６７であった。

この水酸アパタイトの高温での結晶相は安定であり、比
較例で得られた粉末体が８００℃で熱分解したのに比較
し、数時間１２００℃の雰囲気下でも、安定にアパタイ
ト構造を維持していた。

実施例２ 実施例１の操作におけるイオン交換水を塩酸でｐ＋＋ｔ
に調整した水で置き換え、他の操作は全て実施例！と同
一とし、合成を行った。

この結果得られた粉体のＸ線回折図第５図に、又、第６
図に１２００℃で焼成した粉体のＸ線回折図を示す。

この結果により、第２の反応による水のｐｌ＋の影響は
大きく　、ＴＣＰ及びＣａ＊Ｐｔ０ａへの分解が観測さ
れる。

従って、第２の反応で用いる水のｐＨは酸側にあっては
アパタイトの合成を阻害する。

実施例３ 実施例２の操作におけるＩ）Ｈｌに調整した水の代わり
に、ｐＨ１２に調整した水を用い、他の操作は実施例１
．２と全て同一とし合成を行った。

この結果得られた粉末のＸ線回折図を第７図に、又、第
８図に１２００℃で焼成した粉末のＸ線回折図を示す。

この結果から水のｐＨがアルカリ側にあるこの実施例に
おいて単相のアパタイトのみが析出した。

【図面の簡単な説明】

第１図は比較実験により合成された粉末のＸ線回折図、
第２図は比較実験により合成した粉末を１２００℃で熱
処理した後のＸ線回折図、第３図は実施例１により合成
された粉末のＸ線回折図、第４図は実施例１の粉末を１
２００℃で熱処理した後のＸ線回折図、第５図は実施例
２により合成された粉末のＸ線回折図、第６図は実施例
２の粉末を１２００℃で熱処理した後のＸ線回折図、第
７図は実施例３により合成された粉末のＸ線回折図、第
８図は実施例３の粉末を１２００℃で熱処理した後のＸ
線回折図である。 特許出願人　株式会社アドバンス 第１図 第２図 第４図 １υ　　　２０　　　　　　　　　　　ｔＫ）６０第６
図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）カルシウムと有機基とが酸素を介して結合した構
   造を有する有機金属化合物と、これと縮合反応し得るリ
   ン酸とを有機溶媒中で反応させ、生成した縮合反応物を
   中性あるいはアルカリ性の水の存在下で還流することに
   より結晶化させることを特徴とする結晶性水酸アパタイ
   トの製造方法。