JPH0458406B2

JPH0458406B2 -

Info

Publication number: JPH0458406B2
Application number: JP8847985A
Authority: JP
Inventors: Senya Inoe; Akira Ono
Original assignee: Kanto Chemical Co Inc
Current assignee: Kanto Chemical Co Inc
Priority date: 1985-04-26
Filing date: 1985-04-26
Publication date: 1992-09-17
Also published as: JPS61247610A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、第三リン酸カルシウムの新しい製法
に関するものである。第三リン酸カルシウム（Tertiary Calcium
Phosphate）、Ca₃（PO₄）₂、は、リン酸三カルシ
ウム（Tricalcium Phosphate）とも呼ばれてお
り、1180℃以下で熱力学的に安定なβ型、1180℃
から1430℃で安定なα型、及び1430℃以上の高温
で安定なα′型が知られている。この第三リン酸カ
ルシウムは古くから陶磁器類の釉薬、研磨剤、あ
るいは、高融点を有する特性を利用して鋳造用の
滑剤などに用いられてきた。また、近年になつて
β型の第三リン酸カルシウムの多孔体は、生体親
和性に優れ、骨の欠損部に埋入すると、孔の中に
侵入した骨により吸収され最終的には自家骨によ
り完全に置き換えられて生体内に異物を残さない
特性を有することが明らかにされたことによりバ
イオアクテイブなインプラントセラミツクスとし
て注目されている。従来、第三リン酸カルシウムの製法に関して
は、大別して次のような方法が知られている。 (1) 乾式合成法と称せられる固体拡散反応によつ
て第三リン酸カルシウムを合成する方法。 (2) 湿式合成と称せられる、水溶液イオンの直接
的反応によつて非晶質リン酸カルシウムを沈殿
させ、過、洗浄、乾燥等の工程を経た後に更
に高温で加熱処理して第三リン酸カルシウムに
変換する方法。 (1)の乾式合成法は、Ca／Ｐ比のコントロール
が容易ではあるが、しかしながら、例えばβ−ピ
ロリン酸カルシウムと炭酸カルシウムを等モルず
つ混合し、1100℃で10時間程度加熱して第三リン
酸カルシウムを合成する例から明らかな如く、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−固体反応で
あるため組成の均一の点に難点がある。また、β
型第三リン酸カルシウムを骨置換材料として利用
する場合には、β型第三リン酸カルシウムの生体
内での溶解吸収速度のコントロールが必要とされ
ており、そのためにβ型第三リン酸カルシウムの
合成方法、合成温度は重要な要因の一つであると
ころ、乾式合成法によるβ型第三リン酸カルシウ
ムは、合成時に既に高温での長時間の熱履歴を受
けているために、反応活性を変えうる余地がほど
んど無くなるなどの難点がある。また、(2)の湿式
合成法、例えば、硝酸カルシウム水溶液とリン酸
水素二アンモニウムとをPHを10付近に保持しなが
ら、脱炭酸雰囲気中で混合し、非晶質リン酸カル
シウムの沈殿を生成させ、過し、アンモニア水
で洗浄後、乾燥し、更に600℃から1300℃程度の
温度で加熱処理して第三リン酸カルシウムに変換
するなどの方法である。しかしながら、この方法によると、カルシウム
塩の水溶液とリン水溶液を混合し、イオンの直接
的反応によつて非晶質リン酸カルシウムの沈殿を
生成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を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
原子比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
る。また、この方法は、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る。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
によつて第三リン酸カルシウムを製造する方法に
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。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
つて非晶質リン酸カルシウム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と生
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う
難点をも解消するものである。従来技術の湿式合成法により生成される沈殿物
は、湿式生成ヒドロキシアパタイトの前駆物質と
して知られている非晶質リン酸カルシウムである
から、目的の結晶質第三リン酸カルシウムに変換
するためには沈殿物の過、洗浄、乾燥などの煩
雑な工程を経た後に加熱処理することが必要であ
る。これに対して、本発明の方法においては、
過、洗浄、乾燥などを煩雑な工程を全く必要とせ
ず、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、直接に目的
とする結晶質の第三リン酸カルシウムを含む粉体
を生成できるという優れた利点を有する。本発明方法においては、原料溶液中の第三リン
酸カルシウムの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配合比通
り配合比を有する第三リン酸カルシウムを製造す
ることができるから、理論組成の第三リン酸カル
シウム〔Ca／Ｐ＝1.5〕を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
ムとリンの原子比の理論組成比からずらした組成
の第三リン酸カルシウムを製造することも容易に
行なうことができるので本発明の方法は、第三リ
ン酸カルシウムの組成においてカルシウムとリン
の原子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うことができ
る。また、本発明の方法において、原料の混合を溶
液状態で行なうから、必要に応じて、カルシウム
とリン以外の微量の元素を均一に添加混合するこ
とが容易であるという利点を有する。例えば、第
三リン酸カルシウムをバイオセラミツクス用粉体
として用いるときに、哺乳動物の骨に通常含まれ
る微量のNa、Mg、Si、Ｋ、Fe、Cu、Zn、Sr、
Baなどを第三リン酸カルシウムに微量配合する
ことが望ましい場合には、カルシウムを含む原料
溶液に対し、それに可溶性で、これらの元素を含
有している化合物を微量混合して、均一に溶解し
て溶液を調製し、それを噴霧熱分解することによ
り容易に目的とする生成物を得ることができる。本発明は、第１の方法として、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
の混合溶媒を溶媒用い、その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、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、熱分解反応を
行なわせることにより、従来技術における欠点を
解消し、第三リン酸カルシウム粉体を直接生成す
る方法を提供するものである。本発明は第２の方法として、上記の第１の方法
により得られた第三リン酸カルシウム粉体をおよ
そ400℃以上の温度で更に加熱処理することによ
つて、反応活性などを粉体特性をコントロールし
たα型またはβ型の所望の型の第三リン酸カルシ
ウムを製造する方法を提供するものである。本発明の第１の方法によれば、噴霧熱分解反応
が生ずる、700℃程度の比較的低い温度での合成
においても、生成する粉体は、目的とする第三リ
ン酸カルシウムの結晶質相、あるいは第三リン酸
カルシウムの結晶質相と非晶質相が混在したもの
であるが、その第三リン酸カルシウムはＸ線回析
分析によりα型第三リン酸カルシウムであること
が明らかとなつた。本来、α型第三リン酸カルシ
ウムは1180℃から1430℃の高温下で熱力学的に安
定な相とされている〔D.E.C.Corbridge、“The
Structural Chemistry of Phosphorus、”
Elsevier Scientific Pub.Co.（1974）〕から、上記
の条件により生成されるα型第三リン酸カルシウ
ムは、準安定状態のものと考えられる。更に、よ
り高い噴霧熱分解温度での合成においては直接第
三リン酸カルシウム粉体が得られことはもちろん
である。従来技術における湿式合成法では、直
接、第三リン酸カルシウムの結晶質粉体を得るこ
とはできないので、本発明の第１の方法により上
述の如く、直接に第三リン酸カルシウム結晶質粉
体を合成することができるということは格別の利
点であるということができる。本発明の第２の方法によれば、上記の第１の方
法により生成された粉体を種々の温度で加熱処理
することにより、α型またはβ型の結晶系の選択
や、粉体の反応活性の大きさ、結晶成長の度合、
焼結時の収縮率などの第三リン酸カルシウム粉体
の種々な特性をコントロールすることができる。
また、準安定状態のα型第三リン酸カルシムウを
加熱してゆくと、準安定状態のα型第三リン酸カ
ルシウムから、一旦、β型第三リン酸カルシウム
に転移し、更に昇温すると再び高温型のα型第三
リン酸カルシウムに転移するが、その転移温度
は、使用する原料化合物の種類や合成条件などに
よつて、α型からβ型への転移温度はおよそ750°
から950℃まで、またβ型からα型への転移は、
およそ1150°から1250℃まで変化することが見い
出された。このことは、原料化合物の種類や合成
条件を選択することにより、所望の型の第三リン
酸カルシウムの存在する温度範囲を広くしたり、
同じ型の第三リン酸カルシウムでも加熱処理温度
を変えて活性の高いものや活性の低い粉体を得る
ことができることを意味するものであり、バイオ
セラミツクス用原料粉体などの製造において極め
て有利なことである。更に本発明の方法は、上述の如く、従来技術の
難点を解消する第三リン酸カルシウムの新規な製
造方法であるばかりでなく、生成する第三リン酸
カルシウムの性状そのものも従来技術による第三
リン酸カルシウムとは異なるという特徴を有す
る。即ち、従来技術により得られる第三リン酸カ
ルシウムは乾式合成法による場合は、通常は、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粉度分布の幅
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、生成する第三リン酸
カルシウムは、初めから微細に粉体として得ら
れ、通常、サブミクロン〜数10ミクロンの球状の
粉体である。そしてその粒径、原料溶液の調製に
用いる原料の種類の濃度、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という利点を有する。第三リン酸カルシウムをセラミツクス用原料と
して用いる場合においては、第三リン酸カルシウ
ムの成形体を高温で焼結するので、これに用いる
第三リン酸カルシウム原料粉体は、焼結性に優れ
ていなければならない。しかし、乾式合成法によ
るものは、第三リン酸カルシウムの合成時におい
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、より高い温度での焼結を必
要とする。これに対して、本発明の方法による第
三リン酸カルシウム粉体は、焼結に対する活性が
大きい。更に、本発明の方法によれば、Ca／Ｐ比を理
論組成比により意図的にずらして、第三リン酸カ
ルシウム中にヒドロキシアパタイトやピロリン酸
カルシウムなどを定量的に混在させることが容易
になし得るという利点を有する。本発明方法により得られた第三リン酸カルシウ
ムは、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第三リン酸カル
シウム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、いずれいも市販の安価な無機化
合物であり、そのように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
品位の第三リン酸カルシウムを安定して製造して
得ることは、工業的に大きな意義がある。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
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と
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、サイク
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、第三リン酸カルシウム結晶質相と非晶質相の
両相を含んでいたり、第三リン酸カルシウムの他
の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、α型ある
いはβ型の第三リン酸カルシウム結晶形の所望の
型に変換したり、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
およそ400℃以上の所望の温度で加熱処理するこ
とにより、上述の種々な粉体特性はコントロール
した第三リン酸カルシウム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）・4H₂O、Ca（CH₃COO）₂・H₂O、CaCi₂・
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、２−メトキ
シエタノール、エチレングリコール、アセトンな
ど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、硝酸が好適である。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、目的とする第三リ
ン酸カルシウムの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体
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
は、原料化合物中の残留水分や結晶水などのため
に、結果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、沈殿を生じないで原料溶液
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第三リン酸カルシウムにつ
いて説明すると、通常、化学量論組成の第三リン
酸カルシウムのカルシウムとリンの原子比Ca／
Ｐは1.5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原
子比Ca／Ｐが1.30〜1.56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第三リン酸カル
シウムである生成物が得られる。またCa／Ｐ比
が1.30以下あるいは1.56以上の場合であつても、
原料の組合せによつては、主成分が第三リン酸カ
ルシウム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1.5
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第三リン酸カル
シウム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亜リン酸6.56ｇをメタノール75mlに溶解した溶
液に、Ca（NO₃）₂・4H₂O28.34ｇをメタノール100
mlに溶解した溶液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。微細な液摘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た。この生成粉体のＸ線回折
と測定結果を第１図に示した。第１図から明らか
なように、本発明方法による生成粉体は、1180℃
から1430℃の高温下で熱力学的に安定な相とされ
ているα型第三リン酸カルシウム結晶相の回折図
形と同じ回折図形を示した。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、1000℃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、実施例で得ら
れたα型第三リン酸カルシウムが完全にβ型第三
リン酸カルシウムに相転移していた。実施例３ NH₄H₂PO₃7.92ｇを水25mlに溶解し、更に硝酸
５mlを加えて調製した溶液に、Ca（NO₃）₂・
4H₂O28.34ｇを水50mlに溶解した溶液を加えて混
合し、更にそれにエタノール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
溶液を実施例１と同様の方法により、火炎中に憤
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、α型第三リン酸
カルシウムの結晶質相と、僅かな非晶質相とを含
んだ粉体であつた。実施例４ Ca（NO₃）₂・4H₂O56.68ｇを水80mlに溶解し、
更に硝酸10mlを加えた溶液に、NH₄H₂PO₄18.40
ｇを水70ml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１ml／minを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た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α型第三
リン酸カルシウムの結晶質相と非晶質相が混在し
た粉体であつた。実施例５〜７実施例１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５〜17を行
い、各種の第三リン酸カルシウムを得た。熱分解
温度、加熱処理条件および生成物の主成分は、第
１表に示すとおりである。

【表】

【表】ドロキシアパタイトを意味する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例１により得られたα型第三リ
ン酸カルシウムのＸ線回折図を示す図であり、第
２図は、実施例２により得られたβ型第三リン酸
カルシウムのＸ線回折図を示す図である。

Claims

【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、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、その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、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、熱分解反応により第三リン酸カル
シウムを生成せしめることを特徴とする第三リン
酸カルシウムの製法。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、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、その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、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第三リン酸カルシ
ウムを生成せしめ、その第三リン酸カルシウムの
粉体を更に加熱処理することを特徴とする第三リ
ン酸カルシウムの製法。