JPH0415166B2 - - 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新
しい製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
して独特に性能を有しており、近年、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望視さ
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、カルシウム−リン系アパタイトの製造方
法に関しては、古くから数多くの方法が知られて
いるが、それらは、大別すれば、次の様な方法で
ある。 (1) 乾式合成法と称せられる固体拡散反応によつ
てアパタイトを合成する方法。 (2) 水熱合成法と称せられる高圧下での反応によ
るアパタイトの合成方法。これは、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
つて直線的にアパタイトを沈殿させる方法。 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
を消費することや固体一固体反応であるため組成
の均一性の点に難点があり、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、操作も複雑であるなどの難点があり、さら
に、(3)の湿式合成法は、反応により生成したアパ
タイトの沈殿物の別、洗浄及び乾燥などに多く
の工程が必要であり取扱いや操作が煩雑であるな
ど、いずれも欠点を有するものである。 現在まで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、それらの従来技術の湿式
合成法に共通する考え方は、例えば、カルシウム
塩化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、沈殿を生成させる方法の例にも見られるよ
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
収するという考え方に基づくものである。 しかしながら、この方法によると、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
の直接的反応によつて沈殿を生成させ、アパタイ
トへ結晶化させる過程は原料塩の種類や濃度、原
料の混合手順と混合速度、PH調節など非常に多く
の因子によつて影響されるので、配合比通りの組
成の沈殿を得ることが難かしく、カルシウムとリ
ンのモル比Ca／Ｐや生成粉体の物理化学特性を
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、粉砕と
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難点があつた。 本発明者らは、上述の如き従来技術における欠
点を解消し、しかも工程数が少なく、簡便な方法
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ものである。 本発明方法の技術的特徴の一について言えば、
まず、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、水ま
たは水と相溶性の有機溶媒を、それぞれ、単独で
溶媒として用い、または、水と相溶性の有機溶媒
と水との混合溶媒を溶媒として用い、その溶媒に
対し可溶性のカルシウムの無機化合物または酢酸
カルシウム及びリンの無機化合物と、更に必要に
応じて酸とを加えて混合し、溶解して沈殿が生じ
ない酸性溶液を調製し、これを原料溶液とするこ
とである。これは、従来の湿式合成法が、溶液中
から、イオンの直接的反応によつてアパタイトの
沈殿を生ぜしめるために溶液をアルカリ性にPHコ
ントロールするのに対し、本発明方法において
は、これとは逆に、溶液を酸性に保ち、成分間の
反応による沈殿の生成を防ぎ、均一な組成の溶液
状態を保つというものであり、また、そのため
に、必要に応じて、硝酸、塩酸などの酸が加えら
れる。 次いで、上述の原料溶液を噴霧熱分解反応に付
するが、この噴霧熱分解反応の際、反応時の成分
の偏析が極めて小さく、溶液の時の組成の均一性
を生成物にまで持ちきたすことができる。また、
この反応に要する時間は、数秒以下である。この
ように本発明の方法は、従来技術の乾式合成法に
おける高温での長時間の反応時間を要するといる
難点をも解消するものである。 アパタイトの合成に、従来技術が長時間を費や
し、数多くの工程が必要とするものであるのに対
し、本発明の方法は、僅かに数秒以下の極めて短
かい時間で合成反応を行なわせることができ、し
かも、過、洗浄、乾燥などの煩雑な工程を全く
必要とせず直接アパタイト粉対を得ることができ
るという優れた利点を有する。 また、本発明の方法は、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うこ
とができるという利点を有する。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は、CaCl₂・
2H₂Oの如き塩素を含むカルシウム化合物を原料
として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トの固溶ア
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などの如きカルシウム化合物を用いて行う
ことができる。 原料溶液中のアパタイト成分を沈殿させること
なく、そのまま噴霧熱分解するという本発明の方
法の一特徴により、原料溶液中のカルシウムとリ
ンの配合比通りの配合比を有する生成物アパタイ
トを容易に製造することができるから、湿式法に
おいては実現困難な理論組成のアパタイト
〔Ca／Ｐ＝５／３〕をも容易に得ることができる
のはもちろん、目的・用途に応じて意図的にカル
シウムとリンのモル比を理論組成比からずらした
組成のアパタイトを製造することも容易に行ない
得るなど、本発明の方法は、アパタイトの組成に
おいてカルシウムとリンのモル比のコントロール
を行うことが容易になし得、再現性に優れた方法
であると言える。 更に本発明の製造方法は、上述の如く、従来技
術の難点を解消するアパタイトの新規な製造方法
であるのみならず、生成するアパタイトの性大そ
のものも従来技術によるアパタイトとは異なると
いう多くの特徴を有する。即ち、従来技術により
得られたアパタイトは湿式合成法による場合は、
通常、沈殿物を乾燥した塊状物として得られるも
のであり、また、乾式合成法による場合は、生成
物は、塊状の焼結体として得られるものであるか
ら、各種の用途に用いるための原料粉体とするた
めには、それらの塊状物を粉砕しなければならな
い。しかも粉砕された粉体の形状は不定形で粒度
分布の幅も広いものとなるために目的に合つた粒
径や粒度分布を有する粉体を得るためには、更に
分級操作などの工程を必要とすることが多い。こ
れに対して、本発明の方法によれば、生成するア
パタイトは、初めから微細な粉体として得られ、
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、全体としてサブミクロン〜数10ミ
クロンの球状となつた粉体である。そしてその球
状粉体の粒径は、原料溶液の調製に用いる原料の
種類や溶液の濃度、噴霧熱分解条件などを選択す
ることにより変えることができる。従つて、粉砕
工程による時間の消費とそれに伴う不純物の混入
などの恐れが無いばかりでなく、球状粉体である
ための優れた充填性と、更にはカルシウムとリン
のモル比のコントロールの容易さを生かして、モ
ル比が理論組成比からはずれたアパタイトを生成
させることができ、したがつて、表面活性の高い
吸着剤や触媒あるいはクロマトグラフイー用充填
剤として用いるのに好適なアパタイトが得られ
る。また、セラミツク用原料として用いる場合に
は、アパタイトの成型体を高温で焼結するので、
これに用いるアパタイト原料粉体は、熱安定性に
優れていなければならず、そのためには、カルシ
ウムとリンのモル比が理論組成比であるアパタイ
トが望ましい。この点から云えば、理論組成のア
パタイトを合成し易い乾式合成法によるアパタイ
トも、セラミツクス用原料として適しているとい
うことはできるが、しかし、乾式合成法によるも
のは、アパタイトの合成時において、既に高温で
反応を行なつているので、その熱履歴のために、
それを粉砕してセラミツクス用原料として用いる
ときの粉体の焼結に対する活性は小さなものとな
つてしまう。そのため、緻密な焼結体を得るため
には、より高い温高での焼結を必要とし、一方、
高温になるほど、アパタイトが分解する割合が増
大するという不利点を伴う。これに対して、本発
明の方法によるアパタイト粉体は、乾式合成法に
よるような高温下での長時間の熱履歴を受けてい
ないために反応活性が高く、また理論組成のアパ
タイトの合成が容易であるから、焼結性に優れ、
熱安定性の高いセラミツクス用原料粉体を提供す
ることができる。このため、本発明方法によるも
のは、人工骨などのバイオセラミツクス用原料と
して使用するのに好適である。 更に、このような特徴を有するアパタイトを製
造するための原料について言えば、本発明の方法
において使用するカルシウム化合物及びリン化合
物は、いずれも市販の安価な無機化合物であり、
そのような原料を用いて上述の如く、極めて短か
い時間で簡便な方法によつて、高品位のアパタイ
トを安定して製造し得ることは、工業的に多きな
意義がある。 次に本発明の方法につき具体的に説明する。ま
ず、出発原料として、水または水と相溶性の有機
溶媒を各々単独で溶媒として用い、あるいはま
た、水と相溶性の有機溶媒と水との混合溶媒を溶
媒として用い、それらの各溶媒に対し、可溶性の
カルシウムの無機化合物及びリンの無機化合物
と、更に必要に応じて酸とを加えて混合し、全体
を溶解して酸性の原料溶液を調製する。この際の
溶液調製のための原料の混合の順序は、必ずしも
上述の順序に特定されるものではなく、沈殿を生
じないような順序で相互に混合しさえすればよ
い。混合のための時間は、選択した原料によつて
異なるが、全原料が溶解し、均一な組成の溶液に
なるまで充分に撹拌を行なう。次いで、このよう
にして調製して得られた溶液を、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
ナーなどの火炎中に噴霧し、あるいはガス炉、電
気炉、高温のガスなどにより原料溶液が熱分解を
起こす温度域の所望の温度に予め加熱された加熱
帯域中に噴霧する。かくして、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や燃焼と、溶質
の固化・熱分解反応を生ぜしめる。溶媒として、
水に対して相溶性である可燃性有機溶媒または、
水に対して相溶性の可燃性有機溶媒と水との混合
溶媒を溶媒として用いる場合には、可燃性有機溶
媒自体の燃焼による燃焼熱も熱分解反応に必要な
熱源として利用することができる。また、水に対
して相溶性の有機溶媒と水との混合溶媒中の有機
溶媒を燃焼させずに混合溶媒の蒸発を促進させる
ために用いる場合や、水を単独で溶媒として用い
る場合には、上述の如きガス炉などの熱の供給源
を必要とする。あるいは、有機溶媒の燃焼熱と、
ガス炉などによる加熱源の両方を併用することも
できる。熱分解反応により生成した粉体は、サク
ロン方式などにより捕集する。 噴霧熱分解反応により生成する粉体は、原料化
合物の種類や組合せ、噴霧熱分解条件によつて
は、非晶質相であつたり、アパタイト結晶質相と
非晶質相の両相を含んでいたり、アパタイトの他
に未反応成分や副生成物が混在したりする種々の
場合があるが、いずれも、反応活性に富む粉体で
あり、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
る。また、別の用途・目的によつては、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または無くしたりするほうが
望ましい場合もあり、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り、
結晶化度などの種々な粉体特性をコントロールし
たアパタイトを得ることができる。 例をあげて言えば、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
処理を行なうことによつて、上述の目的を達する
ことができる。 また、塩素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適宜選ぶことによ
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℃の温度範囲で塩化リン酸
カルシウム（Ca₂PO₄Cl）に変化し、1000℃以下
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
適切な加熱処理によつて、塩素アパタイトを得る
ことができる。 本発明方法において使用されるカルシウムの無
機化合物及びリンの無機化合物としては、Ca
（NO₃）₂・4H₂O、CaCl₂・2H₂O、CaBr₂・2H₂O、
CaHPO₄・2H₂O、NH₄H₂PO₄、NH₄H₂PO₃、
NH₄H₂PO₂、H₃PO₄、H₃PO₃、H₃PO₂などが挙
げられ、また、有機溶媒としては、メタノール、
エタノール、イソプロパノールなどのアルコール
類やアセトンを使用するのが好適であるが、これ
らに特に限定されるものではなく、混合によつ
て、沈殿を生じない均一な溶液を調製し得る原料
の組合せであればいずれでもよい。また、そのた
めに、必要に応じて加える酸としては、硝酸や塩
酸は好適なものである。例えば、水酸アパタイト
を合成する場合に、使用する酸としては、硝酸が
好適であり、塩素を含んだアパタイトを合成する
場合には、硝酸の他に、塩酸を使用することもで
きる。更に、本発明方法において使用される溶媒
としては熱分解の方法や原料の組合せ、目的とす
るアパタイトを粉体特性などに応じて、水を単独
で溶媒として用い、あるいは上述の如き水に対し
て相溶性の有機溶媒を単独で溶媒として用い、あ
るいは水に対して相溶性の有機溶媒と水との混合
溶媒を溶媒として用いることができる。なお、水
に対して相溶性の有機溶媒を単独で溶媒として用
いる場合でも、原料化合物の組合せによつて、原
料化合物中の残留水分や結晶水などのために、結
晶として反応系が水と有機溶媒との混合溶媒を用
いた系になることもあるが、これらのいずれの場
合であつても、沈殿を生じない原料溶液が調製で
きるものであれば、本発明の方法における溶媒と
して使用することができる。 本発明方法におけるアパタイトについて説明す
ると、通常、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1.60〜1.85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。またCa／Ｐが1.60以下あるいは
1.85以上の場合であつても、原料の組合せによつ
ては、主成分がアパタイトである生成物が得られ
ることが実験的に確かめられている。このよう
に、Ca／Ｐ比が５／３からはずれると条件によ
つては、未反応成分や副生成物が混在することが
あるが用途・目的によつては充分に使用し得る性
能のものであり、そのような生成物も本発明方法
におけるカルシウム−リン系アパタイトの範囲に
当然含まれるものである。 以下、実施例を挙げ、本発明を更に詳細に説明
するが本発明は、これに限定されるものではな
い。 実施例 １ Ca（NO₃）₂・4H₂O14.76ｇを水50mlに溶解した
溶液に、NH₄H₂PO₂3.11ｇを水35mlに溶解した溶
液を加えて混合し、更にエタノール100mlを加え
て撹拌混合し、原料溶液を調製した。次いで、こ
の原料溶液を毎分20ml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。生成
した粉体は、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、0.1〜0.5ミクロンの粒
子が密に焼結した球状粉体であることが認められ
た。この生成粉体のＸ線回折の測定結果を第１図
に示した。第１図から明らかなように、本方法に
よる生成粉体は、結晶の良く成長した水酸アパタ
イトであつた。３本の主ピークは、（211）の回折
ピークが回折角度2θ＝31.7°に、また（112）の回
折ピークが2θ＝32.2°に、そして（300）の回折ピ
ークが2θ＝32.9°にそれぞれ測定された。 実施例 ２ Ca（NO₃）₂・4H₂O29.52ｇを水40mlに溶解し、
更に硝酸５mlを加えて調製した溶液に、リン酸
（H₃PO₄含量85.6％）8.59ｇを水20mlに溶解した
溶液を加えて混合し、更にそれにエタノール120
mlを加えて撹拌混合し、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、火炎中に噴霧して熱分解を行つた。この方法
により得られた粉体は、Ｘ線回折の測定の結果、
水酸アパタイトの結晶質相と、僅かな非晶質相と
を含んだ粉体であつた。 実施例 ３ 実施例２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
回折測定を行つた結果、実施例２で得られた水酸
アパタイトより更に結晶の成長した水酸アパタイ
トであり、高温での分解は認められなかつた。従
つて、加熱処理によつて、熱安定性の高い、結晶
の良く成長した水酸アパタイトが得られることが
確認された。 実施例 ４ CaCl₂・2H₂O18.38ｇを水35mlに溶解し、更に
塩酸５mlを加えて調製した溶液に、
NH₄H₂PO₄8.63ｇを水20mlに溶解し更に塩酸５ml
を加えて調製した溶液を加えて混合し、それに更
にエタノール120mlを加えて撹拌混合し、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、火炎中に噴霧して熱分解を
行つた。この方法により得られた粉体のＸ線回折
の測定結果を第２図に示した。第２図から明らか
なように、この粉体は、塩素アパタイトによる回
折パターンを示し、主ピークは、回折角度2θ＝
31.4°に（211）の回折ピークと、2θ＝32.2°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・4H₂O14.76ｇを水50mlに溶解し、
更に硝酸５mlを加えた溶液に、NH₄H₂PO₄4.31ｇ
を水35mlに溶解した溶液を加えて混合し、原料溶
液を調製した。次いで、予め1200℃に加熱された
電気炉の反応管（30φ×1000mm）の一端から、上
記原料溶液を２ml／minの割合で反応管内に噴霧
した。微細な液滴となつた原料溶液は、反応管を
通過する間に加熱され熱分解反応が起つた。生成
物は反応管の他の端に接続した受器に捕集し、熱
分解によつて生じたガスや水蒸気はアスピレータ
で吸引し、系外に排気した。この方法により得ら
れた粉体は、Ｘ線回折測定の結果、水酸アパタイ
トの結晶質相と非晶質相が混在し、その他に僅か
に炭酸カルシウムのピークが認められた。 実施例 ６ メタノール190mlに亜リン酸3.08ｇを溶解し、
更にこの溶液にCaCl₂6.94ｇを溶解して原料溶液
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、火炎中に噴霧し、熱分解反応
を行つた。生成し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。得られた生
成物は、硝酸銀溶液による塩素の検出とＸ線回折
測定結果とにより、水酸アパタイトと塩素アパタ
イトの固溶アパタイトであることが確認された。 実施例 ７〜17 実施例１および実施例５の操作に準拠して、第
１表に示した原料およびその配合割合を用いて実
施例７〜17を行い、各種のカルシウム−リン系ア
パタイトを得た。熱分解温度、加熱処理条件およ
び生成物の主成分、第１表に示すとおりである。

【表】

【表】 る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明方法の実施例１の方法により
得られた水酸アパタイトのＸ線回折図を示す図で
あり、第２図は、本発明方法の実施例４の方法に
より得られた塩素アパタイトのＸ線回折図を示す
図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水または水と相溶性の有機溶媒を、それぞ
   れ、単独で溶媒として用い、または水に対して相
   溶性の有機溶媒と水との混合溶媒を溶媒として用
   い、その溶媒に対し可溶性のカルシウムの無機化
   合物または酢酸カルシムウとリンの無機化合物と
   を加えて混合し、溶解して酸性の原料溶液を調製
   し、その原料溶液を火炎中または加熱帯域中に噴
   霧して、熱分解反応によりカルシウム−リン系ア
   パタイトを生成せしめることを特徴とするカルシ
   ウム−リン系アパタイトの製法。 ２ 水または水と相溶性の有機溶媒を、それぞ
   れ、単独で溶媒として用い、または水と相溶性の
   有機溶媒と水との混合溶媒を溶媒として用い、そ
   の溶媒に対し可溶性のカルシウムの無機化合物ま
   たは酢酸カルシウムとリンの無機化合物とを加え
   て混合し、溶解して酸性の原料溶液を調製し、そ
   の原料溶液を火炎中または加熱帯域中に噴霧して
   熱分解反応によりカルシウム−リン系アパタイト
   を生成せしめ、そのカルシウム−リン系アパタイ
   トの粉体を更に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法。