JPH0415165B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、カルシウム−リン系アパタイトの製
造法に関するものである。 カルシウム−リン系アパタイトは、生体高分
子、ふつ素イオン、重金属イオンなどの吸着剤と
して独特の性能を有しており、近年は、その生体
親和性を利用してタンパク質や酵素などの分離の
ためのクロマトグラフイー用充填剤としても有用
視され、また人工骨や人工歯などのバイオセラミ
ツクス材料としても注目されている物質である。 従来、このアパタイトの製造法に関しては、古
くから数多くの方法が知られているが、大別すれ
ば、次の様な方法が例示される。 (1) 乾式合成法と称せられる固体拡散反応による
方法。 (2) 水熱合成法と称せられる高圧下での反応によ
る方法。この方法は、主に、大きな結晶を得る
目的で行なわれる。 (3) 湿式合成法と称せられる、水溶液イオンによ
つて直接沈殿させる方法。 しかしながら、(1)の乾式合成法は高温で長時間
反応させる必要があるために、多くのエネルギー
を消費することや団体−団体反応であるため組成
の均一性が得にくいことに難点がある。また(2)の
水熱合成法は高圧での反応を行なわせるために装
置が高価であり、操作が複雑であるなどの問題が
ある。(3)の湿式合成法では、反応により生成した
アパタイトの沈殿物を別、洗浄及び乾燥などの
操作を行わなければならず、多くの工程が必要で
あり、操作が煩雑であるなどの欠点を有してい
る。 本発明者らは、上述の従来技術の欠点を解消
し、しかも工程数が少なく、簡便な操作によつて
カルシウム−リン系アパタイトを製造する方法に
ついて、種々研究を重ねた結果、本発明を完成す
るに至つた。 即ち、本発明は、カルシウム−リン系アパタイ
イトの新規な製造方法を提供するものである。本
発明方法においては、出発原料として、原子、分
子レベルでの原料の均一な混合を実現するため
に、水と相溶性の可燃性有機溶媒又は水と相溶性
の可燃性有機溶媒と水の混合溶媒に溶解させた均
一な組成の原料溶液を用いるものであつて、混合
による沈殿物を生じさせないことが一特徴となつ
ている。 これまでに、アパタイトに関する数多くの湿式
合成法が提案されているが、それら従来技術にお
ける湿式合成法に共通する考え方は、例えば、カ
ルシウム塩水溶液とリン化合物水溶液とを90〜
100℃でPHを８付近に保持しながら、脱炭酸雰囲
気中で混合し、沈澱を生成させる方法の例などに
見られるように、アパタイトを沈殿物として直接
的に生成せしめ、水溶液から過などの操作によ
つて分離回収することを基本としている。このた
め、従来の湿式合成法において使用されているカ
ルシウム化合物及びリン化合物としては、例え
ば、Ca（NO₃）₂、CaCl₂、Ca（OH）₂、CaF₂、
H₃PO₄、CaHPO₄・2H₂O、（NH₄）₂HPO₄、
NH₄H₂PO₄、KH₂PO₄、Na₂HPO₄などカルシウ
ム及びリンの無機化合物が使用されている。 ところで、このような従来方法によると、カル
シウム塩の水溶液とリン化合物水溶液を混合し、
イオンの直線的反応によつて沈殿を生成させアパ
タイトへ結晶化させるという過程は、原料塩の種
類や濃度、混合手順と混合速度、PH調節など非常
に多くの因子によつて、様々な結果を生ずるの
で、配合比通りの組成の沈殿を得ることが困難で
あり、カルシウムとリンのモル比Ca／Ｐや生成
粉体の物理化学的特性を再現性よくコントロール
することは極めて困難であつた。また、沈殿物の
過洗浄、乾燥、粉砕など多工程並びに多くの装
置を必要とし、その操作も熟練を必要とするなど
の数々の難点があつた。 かかる従来法に対し、本発明方法の技術的一特
徴は、従来技術の湿式合成法における沈殿生成と
結晶化過程における難点を解決するために、水と
相溶性の可燃性有機溶媒又は水と相溶性の可燃性
有機溶媒と水との混合溶媒を用いて、これら溶媒
に可溶性のカルシウムの無機化合物及びリンの有
機化合物を溶解して、沈殿が生じない均一な組成
の溶液を調製し、これを原料溶液とすることにあ
る。 そして、本発明方法においては、この原料溶液
の組成の均一性を生成物に至るまで維持すること
を噴霧熱分解法により溶液中の成分の偏析が起こ
る体積を極めて微細なものとし、溶媒の蒸発、燃
焼を急速に行なつて、液滴内での成分の偏析を極
めて小さくするようにすることにより達成したも
のである。 本発明の方法により、従来技術がアパタイトの
合成に長時間を費やす必要があるのに比し、わず
かに数秒以下の極めて短い時間で合成反応を終了
することができ、しかも過、洗浄、乾燥などの
煩雑な工程を全く必要とせず直線粉体を得ること
ができるという格別の効果が得られる。 さらに、本発明の方法によれば塩素や臭素など
のハロゲンを含んだアパタイトの合成も容易に行
なえるという利点がもたらされる。例えば従来塩
素アパタイトは高温固相反応か加圧水熱反応での
み合成されており、常圧湿式法では合成されてい
なかつたが、本発明の方法において、CaCl₂・
2H₂OやNH₄Clの如き塩素を含む原料を用いるこ
とによつて、容易に塩素アパタイトや、塩素アパ
タイトと水酸アパタイの固溶アパタイトを合成す
ることができる。臭素アパタイトや臭素固溶アパ
タイトについてもCaBr₂・2H₂OやNH₄Brなどを
用いて実施することができる。 本発明方法による噴霧熱分解反応により生成す
る粉体は、通常、サブミクロンの粒子が密にある
いは粗く固着・焼結して、全体として中空球状と
なつた微小粉体として得られ、原料化合物の種類
や組合せ、噴霧熱分解条件によつては、非晶質相
のもの、アパタイト結晶質相と非晶質相の両相を
含んでいもの、アパタイトの他に遊離生成した
CaOなどや副生成物を含んでいるものなど、種々
の場合があるが、いずれも、比表面積が大きく、
反応活性に富む粉体である。用途・目的によつて
は、こうした反応活性に富んだ粉体を使用するほ
うが望ましい場合もあり、また反応活性を小さく
したり、結晶化度を高めたり、未反応成分や副生
成物を減少させ、または無くしたりするほうが望
ましい場合もある。その場合には、噴霧熱分解反
応によつて生成した粉体を更に種々な雰囲気中
で、アパタイトが分解せずに安定に存在し得る温
度範囲の所望の温度で、加熱処理することによつ
て、上述の諸物性をコントロールすることができ
る。例えば、水酸アパタイトについては、空気雰
囲気中1400℃以下の所望の温度で加熱処理するこ
とによつて、所望の物性のものが得られる。 また、例えば、塩粗アパタイトに関しては、原
料溶液の調製条件や噴霧熱分解条件を選ぶことに
より、得られる噴霧熱分解生成物を加熱した場合
におよそ500〜1000℃の温度範囲では、塩化リン
酸カルシウム（Ca₂PO₄Cl）に変化し、1000℃以
上の高温で再び塩素アパタイトに変化するような
生成物を得ることもできる。従つて、この場合に
もさらに、適切な温度条件を選択することにより
加熱処理によつて、塩素アパタイトを得ることが
できる。 なお、塩化リン酸カルシムウに関しては、以上
の如き事実により、次のことが判る。すなわち、
本発明方法の上記原料溶液の調製にあたり、可溶
性のリンの有機化合物と塩化カルシウムとを用
い、それらの溶液中の濃度を適宜選択して、その
原料溶液を前記の噴霧熱分解処理に付し、次いで
500〜1000℃の加熱処理を行うことにより、塩化
リン酸カルシウムを製造することができる。 なお、本発明の方法により生成したアパタイト
中に、遊離生成したCaO等が含まれている場合
に、目的物質の使用上それらを充分に除去するほ
うが望ましい場合には、通常よく知られた方法、
例えば、塩化アンモニウム水溶液などを用いて抽
出除去し、純粋なアパタイトとすることができ
る。 本発明方法をさらに具体的に説明すると以下の
通りである。本発明方法においては、まず、水と
相溶性の可燃性有機溶媒又は水と相溶性の可燃性
有機溶媒と水の混合溶媒に対し、可溶性のリンの
有機化合物と、硝酸カルシウム、塩化カルシウ
ム、臭化カルシウムのうちから選ばれた１種もし
くは２種のカルシウム化合物と、更に、必要に応
じて、塩化アンモニウム、臭化アンモニウムのう
ちから選ばれた１種とを、加えて混合し溶解して
均一な組成の原料溶液を調製するのであるが、こ
れらの原料を混合する順序は、必ずしも特定され
るものではなく、沈殿を生じないような順序でさ
えあれば、いずれの順序で混合してもよい。混合
に要する時間は、選択した原料によつて、異な
る。混合にあたつては、充分均一な溶液が得られ
るまで撹拌するのが好ましい。次いで、このよう
にして調製した溶液を加圧ノズルや回転円板など
による公知の噴霧方法により、ガスバーナーなど
の火炎中あるいはガス炉や電気炉などにより予め
700〜1500℃に加熱された加熱帯域中に噴霧して、
数秒以下の極めて短い時間の間に、通常数10ミク
ロン以下の微細な液滴となつた溶液中の溶媒の蒸
発・燃焼と溶質の固化、熱分解反応を行なわせ
る。生成物は通常サブミクロンの粒子が密にある
いは粗く固着・焼結して、全体として中空球状と
なつた微小粉体であり、サイクロンなどによつて
捕集することができる。更に、必要に応じて、噴
霧熱分解反応によつて生成した粉体を、空気、水
蒸気を加えた空気、不活性雰囲気などの種々の雰
囲気中で、アパタイトが分解しない温度範囲の所
望の温度で、加熱処理することにより、結晶化度
や比表面積などをコントロールしたアパタイトを
得ることができる。 本発明方法において使用される前記のリンの有
機化合物の例としては、（CH₃O）₃P、
（C₂H₅O）₃P、〔（CH₃）₂CHO〕₃P、〔CH₃
（CH₂）₃O〕₃P、（C₆H₅）₃P、（C₂H₅O）₂POH、
（C₆H₅）₃PO等が挙げられる。可燃性有機溶媒と
しては例えば、メタノール、エタノール、イソプ
ロパノール等のアルコール類やアセトン等が使用
される。これらは、いずれも特に限定されるもの
ではなく、前述の如く、硝酸カルシウム、塩化カ
ルシウム、臭化カルシウムのうちから選ばれた１
種もしくは２種のカルシウム塩と、均一な組成の
溶液を形成し得るリンの有機化合物あるいは有機
溶媒の組合せであればいずれでもよい。硝酸カル
シウム、塩化カルシウム、臭化カルシウムは、通
常、結晶水を含有しているので、水との混合溶媒
を使用しない場合においても、系中には少量の水
が存在することとなる。使用する原料は、目的と
するカルシムウ−リン系アパタイトに応じて選択
すればよく、例えば水酸アパタイトを合成する場
合には、カルシウム塩として、Ca（NO₃）₂・
4H₂Oなどの硝酸カルシウム塩を使用すればよ
い。また、塩素アパタイトを合成する場合には、
CaCl₂・2H₂O、Ca（NO₃）₂・4H₂OとCaCl₂・
2H₂Oとの併用、Ca（NO₃）₂・4H₂OとNH₄Clの併
用などによつて、塩素アパタイトあるいは水酸ア
パタイトと塩素アパタイトの固溶アパタイトを得
ることができる。臭素アパタイトについても同じ
ようにCaBr₂・2H₂O、Ca（NO₃）₂・4H₂Oと
CaBr₂・2H₂Oの併用、Ca（NO₃）₂・4H₂Oと
NH₄Brの併用などによつて、臭素アパタイトあ
るいは、臭素アパタイトと水酸アパタイトの固溶
アパタイトを得ることができる。 化学量論組成のカルシウム−リン系アパタイト
のカルシウムとリンのモル比Ca／Ｐは、５／３
であるが、本発明方法における実際の反応に際し
ては、原料溶液のカルシウムとリンのモル比
Ca／Ｐが1.25〜1.75の範囲の組成の溶液を用いる
と、いずれの場合も主成分がアパタイトの生成物
が得られる。条件によつては遊離生成したCaOな
どが残存することがあるが、用途・目的によつて
は、充分に使用できる性能のものであり、そのよ
うな生成物も本発明方法によるカルシウム−リン
系アパタイトの範囲に含まれるものであることは
当然である。また、Ca／Ｐが1.25以下であるいは
1.75以上の場合であつても原料の組合せにより、
主成分がアパタイトである生成物が得られること
は、本発明者らにより、実験的に確かめられてい
る、 以下に、実施例を挙げ、本末栄を更に詳細に、
具体的に、説明するが、本発明はこれらに限定さ
れるものではない。 実施例 １ Ca（NO₃）₂・4H₂O36.90ｇを約200mlのエタノー
ルに溶解し、この溶液に（C₂H₅O）₃P15.58ｇを加
えて撹拌して混合溶解し、更にエタノールを加え
て、全量が250mlの均一な原料溶液を調製した。
次いでこの原料溶液を毎分10mlの割合並びに圧縮
空気を毎分10の割合で、二流体噴霧ノズルの液
供給側及びガス供給側に供給して、ガスバーナー
の火炎中に噴霧した。微細な液滴となつた原料溶
液は、火炎中で溶媒の蒸発・燃焼によつて瞬間的
に加熱され熱分解反応が起つた。熱分解反応時の
温度は、1050〜1105℃であつた。このようにして
生成した粉体をサイクロン方式によつて捕集し、
電子顕微鏡で観察した結果、0.2〜0.5ミクロンの
粒子が密に焼結した中空球状微小粉体であつた。
次にこの生成粉体のＸ線回折分析を行つた結果、
得られた粉体は、水酸アパタイトの結晶質相と非
晶質相の両相を含み、未反応成分のCaOが残存し
ていた。 実施例 ２ 実施例１の方法により得られた粉体を空気雰囲
気中で５℃／minの割合で昇温し、1300℃で１時
間加熱処理を行い、５℃／minの割合で冷却し
た。この加熱処理によつて得られた生成物のＸ線
回折の測定結果を第１図に示す。第１図から明ら
かなように、本実施例により得られた生成は、結
晶のよく成長した水酸アパタイト（六方晶）であ
り、高温での水酸アパタイトの分解は認められな
かつた。 実施例 ３ CaCl₂・2H₂045.94ｇを約200mlのエタノールに
溶解し、この溶液に（C₂H₅O）₃P31.16ｇを加えて
撹拌して混合、溶解し、更にエタノールを加え
て、全量が250mlの均一な原料溶液を調製した。
次いで、この原料溶液を実施例１と同様の方法に
より噴霧熱分解を行つた。この生成粉体のＸ線回
折の測定結果を第２図に示す。第２図から明らか
なように、この生成粉体は、塩素アパタイトの結
晶質相と非晶質相の両相を含むことが確認され
た。 実施例 ４ (a)：実施例３の方法により得られた粉体を空気雰
囲気中で５℃／minの割合で昇温し、一定温度
で１時間保持し、５℃／minの割合で冷却する
加熱処理方法において、400、600、800、1000
℃の各温度でそれぞれ実験を行つた。400℃で
加熱処理した生成物のＸ線回折を測定した結
果、第２図と同様の塩素アパタイトの回折図形
を示し、回折強度はわずかながら大きくなり結
晶子の成長が認められた。ところが600℃及び
800℃で加熱処理した生成物のＸ線回折測定の
結果は、いずれもASTMカード19−247に記載
の塩化リン酸カルシウム（Ca₂PO₄Cl）の特性
回折ピークと一致した。800℃で加熱処理した
生成物のＸ線回折の測定結果を第３図に示す。
1000℃で加熱処理した生成物のＸ線回折を測定
した結果、塩化リン酸カルシウムによる回折ピ
ークが減少し、塩素アパタイトの生成による回
折線が認められる回折図が瀬られた。この一連
の実験により、塩素アパタイトと非晶質相の両
相を含む粉体（実施例３の方法により得られる
粉体）を加熱処理すると、400℃では塩素アパ
タイトのまま存在するが600〜800℃では塩化リ
ン酸カルシウムに変化し、1000℃より高温にな
ると、再び塩素アパタイトに変化してゆく様子
が確認された。 (b)：実施例３の方法により得られた粉体を空気雰
囲気中で５℃／minの割合で昇温し、1200℃で
１時間保持し、５℃／minの割合で冷却した。
この加熱処理によつて、得られた生成物を硝酸
に溶解して硝酸銀溶液による白濁試験を行い、
塩化銀の沈殿が生じるのを確認した。前記の生
成物のＸ線回折測定を行つた結果を第４図に示
す。第４図から明らかなように、この生成物
は、塩素アパタイトであり、主ピークは、回折
角度2θ＝31.4°に（211）の回折ピークと2θ＝
32.3°に（112）と（300）の重複した回折ピー
クが測定された。 実施例 ５ Ca（NO₃）₂・4H₂O36.90ｇを約180mlのエタノー
ルに溶解し、この溶液に（C₂H₅O）₃P15.58ｇを加
えて撹拌して混合、溶解した。次いで、この溶液
に、NH₄Br4.90ｇを水25mlに溶解して調製した
臭化アンモニウムの水溶液を加えよく混合し、更
にエタノールを追加混合して、全量が250mlの均
一な原料溶液を調製した。それからこの原料溶液
を実施例１と同様の方法により噴霧熱分解を行つ
た。得られた粉体を実施例４と同じ条件で加熱処
理を行つた。得られた生成物のＸ線回折を測定し
た結果、第１図と同様な水酸アパタイト型（六方
晶）の回折図形を示し、遊離生成したCaOのピー
クが残存していた。また、この生成物を硝酸に溶
解して、硝酸銀溶液を用いて臭素の検出を行つた
ところ、臭化銀の沈殿が生じ、臭素の存在が確認
された。従つて、本実施例により得られた生成物
は水酸アパタイトと臭素アパタイトの固溶アパタ
イトであることが判る。 実施例 ６ CaBr₂・2H₂O36.87ｇを約180mlのエタノール
に溶解し、この溶液に（C₂H₅O）₃P15.58ｇを加え
て、撹拌して混合溶解し更に、エタノールを加え
て、全量が250mlの均一な原料溶液を調製した。
次いで、この原料溶液を実施例１と同様の方法に
より噴霧熱分解を行つた。得られた粉体を実施例
４(b)と同じ条件で加熱処理を行つた。得られた生
成物のＸ線回折を測定した結果、第４図と同じパ
ターンの回折図形を示し、硝酸銀溶液により臭素
の存在が確認された。従つて、上記の生成物は臭
素アパタイトであることが判る。 実施例 ７〜18 Ca（NO₃）₂・4H₂O、CaCl₂、CaCl₂・2H₂O、
CaBr₂・・2H₂O、NH₄Cl、（CH₃O）₃P、
（C₂H₅O）₃P、〔（CH₃）₂CHO〕₃P、〔CH₃
（CH₂）₃O〕₃P、（C₆H₅O）₃P、（C₆H₅）₃PO、
（C₂H₅O）₂POH、メタノール、エタノール、イソ
プロパノール、アセトン、H₂Oなどを、原料成
分として用い、第１表に示したそれぞれの原料配
合割合に従つて調製し、第１表に示した以外の条
件については、実施例１と同様な条件により、噴
霧熱分解操作を行い種々のカルシウム−リン系ア
パタイトを合成した。

【表】

【表】 【図面の簡単な説明】

第１図は実施例２において得られた水酸アパタ
イトのＸ線回折図であり、第２図は、実施例３に
おいて得られた塩素アパタイトのＸ線回折図であ
る。第３図は、実施例４(a)において、800℃の加
熱処理によつて得られた塩化リン酸カルシウムの
Ｘ線回折図であり、第４図は、実施例４(b)におい
て得られた塩素アパタイトのＸ線回折図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水と相溶性の可燃性有機溶媒又は水と相溶性
   の可燃性有機溶媒と水との混合溶媒に対し、硝酸
   カルシウム、塩化カルシウム、臭化カルシウムの
   うちから選ばれた１種もしくは２種のカルシウム
   化合物と、上記溶媒に可溶性のリンの有機化合物
   とを加え、更に、塩化アンモニウム、臭化アンモ
   ニウムのうちから選ばれた１種を加え又は加えず
   混合し溶解して均一な組成の原料溶液を調製し、
   この原料溶液を火炎中又は加熱帯域中に噴霧して
   熱分解反応させることを特徴とするカルシウム−
   リン系アパタイトの製造方法。 ２ 前記のリンの有機化合物として、リンのアル
   コキシドを用いることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の方法。 ３ 前記のリンの有機化合物として、亜リン酸ト
   リエチルを用いることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の方法。 ４ 水と相溶性の可燃性有機溶媒又は水と相溶性
   の可燃性有機溶媒と水との混合溶媒に対し、硝酸
   カルシウム、塩化カルシウム、臭化カルシウムの
   うちから選ばれた１種もしくは２種のカルシウム
   化合物と、上記溶媒に可溶性のリンの有機化合物
   とを加え、更に、塩化アンモニウム、臭化アンモ
   ニウムのうちから選ばれた１種を加え又は加えず
   混合し溶解して均一な組成の原料溶液を調製し、
   この原料溶液を火炎中又は加熱帯域中に噴霧して
   熱分解反応を行なわせ生成する粉体を加熱処理す
   ることを特徴とするカルシウム−リン系アパタイ
   トの製造方法。 ５ 前記のリンの有機化合物として、リンのアル
   コキシドを用いることを特徴とする特許請求の範
   囲第４項記載の方法。 ６ 前記のリンの有機化合物として、亜リン酸ト
   リエチルを用いることを特徴とする特許請求の範
   囲第４項記載の方法。