JPH03500161A - ヒドロキシルアパタイトの製造法 - 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】 ヒドロキシルアバやイトの製造法 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Ｃａ１ｏ（ＰＯ４）＊（ＯＨ）ｚ 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・トリフオスフェート（ｐｅｎｔａｃａｌ ｃｉｕｓ　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線回折法により決定 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ックの合成材料を製造する提＊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４．０９７．９３５号には焼成セラミッ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 的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Ｃ ａ／Ｐ原子比に近い。またこの焼成セラミッ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ｌＯ〜１２に調整して反応させ、アモル ファス沈澱物を得ることにより作成される。

このアモルファ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。アモルファス材料 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　ｏｕ ｔ）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用孔される。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・ホスフェート（ｔｒｉ ｃａｌｃｉｕｍ　ｐｈｏｓｐｈａｔｅ）とも呼ばれるホワイトロキート（ｗｈｉ ｔ］ｏｃｋｉｔｅ）に分解される。

一方米国特許第４．５４８．９５９号には移植材料として有用な合成セラミック ・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１．６ ７〜１．６９、平均結晶サイズが４〜２０μｍ、密度が３．１４〜３．１６　ｇ ／ｃｃ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°Ｃ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４．３２４．７７２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】ｌの範囲内のペーハー値で強く撹拌することに 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のベーハー値を維持するに必要な量の燐酸を更に追加して 強く撹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ッシ ュ乾燥した後、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１−されることが望ま れていた。

従って本発明はＬ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目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：ｌから５：３〜】：１の範囲に里る混合比で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−トし、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−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−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−の目的は工業的に生産可能でＨ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）を含む酸性プレミックス溶液 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、撹拌した水酸 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ックス液を、反応容 器内の混合液のベーハー値が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、アモルファス・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ック・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（ｗ ＋ｏｎｏｃａｌ））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 分離しく例えば遠心分離）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。ｎ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ァ 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ックスを作り 、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ックスを極めて緩 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。

このとき低いべ一ハー値をもって主反応容器内に他の燐酸カルシウムが生成され るごとを防止するために撹拌され得る。酸性プリミッ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■つ適正に化学量論的に維持され得る。更に強く連 続的に撹拌し、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ッ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 如くこれは溶液のベ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、基本的には出発反応体として燐酸カルシウム（モノカル）の酸 性ブリミッ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 タイトを製造ス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論的 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（ＨｔＰＯ＊）ｔ”２Ｈｔｏ　＋　７Ｃａ（ＯＦＩ）ｔ−−−２Ｃａｓ（ ＰＯａ）ｓＯＨ＋　１８ＨｔＯ・・・（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ックス溶液を作成し、次にプリミックスと残 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。

２ＬＰＯａ　＋　Ｃａ（ＯＨ）ｔ　−−−Ｃａ（ＨｙＰＯ４）ｔ　”　２ＨｔＯ −（２）３Ｃａ（ＨｙＰＯ，）ｚ　＋　７Ｃａ（ＤＨ）ｒ−２Ｃａ−（ＰＯ−） ＪＲ＋　１２ＲｔＯ−（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）の酸性ブリ ミックスの、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。プリミックス容器 を連続的に強く撹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最初の塩基性（アルカリ性 ）ベーノ１−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、プレミックスが主反応容器内に導入され る際、この酸性プレミックス溶液を次のような割合で追加する、即ち酸性プレミ ックス溶液を溶液内の水酸化カルシウムと反応させ（従っ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ベーハー値を１１以、Ｌ１好ましく は約１２〜約１３の範囲内に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ックス溶液を、希釈タン クｌＯ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。

且つプレミックスタンク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ックスタンク １１に入れ、高速撹拌機１２により強く撹拌する。プレミックスタンクｌ】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、プレミックスタンク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℃以下の低湿条件を維持し、プレミックスタンク１１と主反応タンク１ ３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 プレミックスタンク１１内に重量、継続的に加え、一時的な反応生成物の生成の 際、プレミックスタンク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。これによりプレミックスタンクｌｌ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。プレミックスタンク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）プレミックスを作成する。

主反応タンク１３内でも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、高速撹拌機 １４により渦が出来る程度に強く撹拌しながら、第１の量の酸性水酸化カルシウ ムプレミックスを徐々に加え、主反応タンクＪ３内のベーハー値を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 ルファ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撹拌するので、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。

プレミックスタンク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、酸性プレミックスが燐酸カルシウム（モノカル）と燐酸との溶液 でなり、ヘーハー値が約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、アモルファスヒドロキシルアパタイトを主反応タンクＪ ３から取り出し濁保持タンク１５に入れ、そこで気圧駆動式撹拌機２２により数 時間の間緩かに撹拌して懸濁状態に保持し、更に例えばフィルタ／遠心分離装置 １６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よ り焼成して所望のセラミック製品を作成する。その後、ヒドロキシルアパタイト はアトリッションミル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５２ｍ１の８５％燐酸を１００１の脱イオン水に加えて酸性プレ ミックスを作成した。別に２４ｇの水酸化カルシウムを３００１の脱イオン水に 加え撹拌した。この撹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ックスは僅かに黄色味がかった透明な混合液であり、ベーハ ー値は２゜１であった。

残りの７８ｇの水酸化カルシウムを６００讃Ｉの脱イオン水に加え撹拌し、ベー 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ックスを滴 下した。この混合液を夜通し撹拌し、次に２４時間放置してフィルタ装置にかけ 、固形物を得た。この固形物は約１２０ｇであり４５℃で数日間乾燥し暁天規模 製造装置により、４．２４５リツトルのＮＦ等級の燐酸（８５−８８％Ｈ，ＰＯ ，）を酸性希釈タンク内で１９．５３リツトルの脱イオン水をもって希釈し、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ッ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。これらの材料は分力たり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　リットル反応タンク内で２４〜２５℃の外気温 度をもって混合し、ベーハー値が約２の透明なプレミックス溶液を得た。約７９ リツトルのこのプレミックス溶液を、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 　リッ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、ベーハー値を１２以上に維持した。完全に熟成した（完 全に沈澱させた）後の混合溶液のベーハー値は約１１．５であった。この混合溶 液を二日間熟成して放置し、フィルタ装置へ送り水洗することな（分離した。得 られた分離物約１０ｋｇを、４５℃で乾燥しｌ０ＧＯ”Ｃ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 結果では多孔性がダラム当たり０．７７立方センチメータであった。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．］６、また化学分析によればＣａ ／Ｐ原子比は！、６６、Ｘ線回析によったところ得られた結晶性ヒドロキシルア パタイトには燐酸カルシウムは存在しなかった。

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。

国際調査報告

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）第一燐酸カルシウム（モノカル）を含む酸性プレミッ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、撹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ックス液を、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バ タイト沈澱物を作成する工程と、ヒドロキシルアバ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バタイトを製造するヒド ロキシルアバタイトの製造法。
2. （２）反応容器内への酸性プレミックス計量導入中、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バタイト の製造法。
3. （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バタイトの製造法。
4. （４）酸性プレミッ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バタイトの製造法。
5. （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撹拌し第一燐酸カルシウム（モノカル）を含む酸性プレミ ッ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ックス溶液を、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 ルアバタイト沈澱物を得る第３の工程と、ヒドロキシルアバ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バタイト を製造する２段階のヒドロキシルアバタイトの製造法。
6. （６）第１の工程で作成される酸性プレミックス溶液のペーハー値を１．５〜３ ．５の範囲内にし、ヒドロキシルアバタイト作成中の第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バタイトの製造法。
7. （７）酸性プレミッ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バタイトの製造法 。
8. （８）ヒドロキシルアバタイト沈澱物を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バ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バタイトの製造法。
9. （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、強く撹拌して第一燐酸カルシウム（モノカル）を 含む酸性プレミッ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、強く撹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ックス溶液を、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バタ イト沈澱物を得る第３の工程と、ヒドロキシルアバ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バタイトを製造す る２段階のヒドロキシルアバタイトの製造法。
10. （１０）第１の工程で作成された酸性プレミックス溶液のペーハー値を実質的に ２にし、ヒドロキシルアバタイト作成中の第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バタイトの製造法。