(57)【要約】【課題】安価なケイ酸ナトリウムを原料とし、噴霧乾燥法を利用した簡易な操作で、微細で均質な多孔性球状シリカゲル粒子を大量に製造する方法を提供すること。【解決手段】ケイ酸ナトリウムにカルシウム、マグネシウム、アルミニウム等の２価又は３価の金属イオンを含む溶解度の低い塩の飽和水溶液又は過飽和水溶液を添加して混合溶液とし、これを噴霧乾燥することによってシリカゲル粒子を形成できる。さらに、このシリカゲル粒子を酸性溶液中で中和すれば、多孔性球状シリカゲル粒子とすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケイ酸ナトリウム水溶液に、２価又は３価の金属イオンを含む溶解度の低い塩の飽和水溶液又は過飽和水溶液を添加して混合溶液とする混合工程と、
前記混合溶液を、噴霧乾燥法によって球状シリカゲル粒子へと固形化する固形化工程と、
前記球状シリカゲル粒子を酸性溶液で中和する中和工程と、を有する球状シリカゲル粒子の製造方法。
【請求項２】
前記塩がカルシウム又はマグネシウムの水酸化物、硫酸塩、亜硫酸塩、炭酸塩又は重炭酸塩である請求項１に記載の球状シリカゲル微粒子の製造方法。
【請求項３】
前記ケイ酸ナトリウム水溶液の濃度が30重量％以上60重量％以下である請求項１又は２に記載の球状シリカゲル粒子の製造方法。
【請求項４】
前記混合工程におけるケイ酸ナトリウムと前記塩との混合比率が、モル比で10：1〜4：1の範囲内である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の球状シリカゲル粒子の製造方法。
【請求項５】
前記塩がカルシウムの水酸化物、硫酸塩、亜硫酸塩、炭酸塩又は重炭酸塩であり、
前記酸性溶液がリン酸溶液である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の球状シリカゲル粒子の製造方法。
【請求項６】
前記混合工程において、前記混合溶液に薬物を添加することにより、該薬物を球状シリカゲル粒子内に内包させる請求項５に記載の球状シリカゲル粒子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケイ酸ナトリウム（水ガラス）を原料として、噴霧乾燥法を利用して、均質な球状シリカゲル粒子を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリカゲル（silica gel）とは、メタケイ酸ナトリウム（Na2SiO3）の水溶液を放置することによって生じる酸成分の加水分解で得られるケイ酸ゲルを及びすることによって得られる。多孔質で比が大きいため、乾燥剤や触媒の担体等として利用される。無色半透明であるが、水分の指示薬として塩化コバルト（II）を添加したものは青（水分吸着力が大）から淡桃色（水分吸着力はほとんどない）を呈している。加熱すると水分を放出して、乾燥剤として再生される。
【０００３】
農薬や医薬品等の薬物をシリカゲルに内包させるカプセル化技術も幅広く研究されているが、主にゾル−ゲル化法を用いた製造方法であり、テトラエトキシシラン、テトラメトキシシラン等を原料とするためにコスト高にならざるを得ない（非特許文献１）。また、シリカゲルによって内包物をコーティングする方法も提案されているが、コーティングのコントロールが難しいという欠点がある（非特許文献２）。
【０００４】
一方、ケイ酸アルカリ水溶液と酸溶液とを反応させ、熱処理して得られたシリカヒドロゲルを湿式粉砕し、噴霧乾燥させて非晶質シリカ粒状体を製造する方法が、特許文献１に開示されている。
【０００５】
また、ケイ酸ナトリウムに亜塩素酸ナトリウムを加えて噴霧乾燥させ、硫酸マグネシウム水溶液中でスラリー化した後、さらに噴霧乾燥するシリケート含有粉末の製造方法が、特許文献２に開示されている。
【０００６】
また、ケイ酸ナトリウムの加水分解で得られるコロイド状シリカを乾燥して粉末とし、クロル基を有するシリコン系処理剤で表面改質することを特徴とするナトリウム非含有シリカ組成物の製造方法が、特許文献３に開示されている。
【特許文献１】特開平７−１９６３１０号公報
【特許文献２】特表２００２−５０１８７２号公報
【特許文献３】特開２００５−９７０１７号公報
【非特許文献１】Journal of Sol-Gel Science and Technology, “Encapsulation of Microbial Cells into Silica Gel”, Vol. 13, Page. 283-287, 1998.
【非特許文献２】Journal of Material Chemistry, “Sol-gel encapsulation of bacteria: a comparison between alkoxide and aqueous routes”, Vol. 11, Page. 2039-2044, 2001.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
シリカゲルを粉末又は粒子状とする場合には、特許文献１又は特許文献３に開示されているように、ケイ酸ナトリウムを中和してゲル状とした上で乾燥し、固形化する方法が採用される。これは、ケイ酸ナトリウムが非常に高粘度の物質であるため、中和することによって一旦ゲル状に調整しなければ乾燥して固形化できないためである。このため、粉末又は微粒子状のシリカゲルを得ようとすれば、固形化したシリカゲルを粉砕しなければならず、均質な粒子径のシリカゲル粒子を調整することは困難であった。
【０００８】
また、特許文献２に開示されているシリケート含有粉末の製造方法では、噴霧乾燥を２回行う必要があり、図１３から明らかなように粒子径の小さな粒子と大きな粒子が混在しており、均質な粒子を調整することはできない。
【０００９】
本発明は、安価なケイ酸ナトリウムを原料とし、噴霧乾燥法を利用した簡易な操作で、微細で均質な球状シリカゲル粒子を大量に製造する方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、ケイ酸ナトリウムにカルシウム、マグネシウム、アルミニウム等の２価又は３価の金属イオンを含む溶解度の低い塩の飽和水溶液又は過飽和水溶液を添加して混合溶液とすれば、噴霧乾燥によってシリカゲル粒子を形成できることを見出した。さらに、このシリカゲル粒子を酸性溶液中で中和すれば、多孔性球状シリカゲル粒子となることも見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１１】
具体的に、本発明は、
ケイ酸ナトリウム水溶液に、２価又は３価の金属イオンを含む溶解度の低い塩の過飽和水溶液を添加して混合溶液とする混合工程と、
前記混合溶液を、噴霧乾燥法によって球状シリカゲル粒子へと固形化する固形化工程と、
前記球状シリカゲル粒子を酸性溶液で中和する中和工程と、を有する球状シリカゲル粒子の製造方法に関する（請求項１）。
【００１２】
ケイ酸ナトリウム水溶液に塩化カルシウム水溶液等を添加すれば、不溶性のケイ酸カルシウム等が形成されるために、非常に短時間のうちに強固なゲル化が起こり噴霧乾燥することができない。しかし、同じカルシウム塩であっても、溶解度の低い塩の過飽和溶液を添加した場合には、ゲル化に時間がかかるために噴霧乾燥によってシリカゲル粒子を形成することができる。
【００１３】
こうして形成される球状シリカゲル粒子は、比表面積がほとんど0m2/g であるが、酸性溶液中で中和工程を行うことにより、500m2/g程度の多孔質とすることができる。これは同じ混合溶液を噴霧乾燥せずに固形化し、粉砕したシリカゲル粒子よりも大きな比表面積である。
【００１４】
２価又は３価の金属イオンを含む溶解度の低い塩は、カルシウム又はマグネシウムの水酸化物、硫酸塩、亜硫酸塩、炭酸塩又は重炭酸塩であることが好ましい（請求項２）。
【００１５】
前記ケイ酸ナトリウム水溶液の濃度は、30重量％以上60重量％以下であることが好ましい（請求項３）。30重量％未満では固形化が困難であり、60重量％を超えると噴霧が困難となるからである。
【００１６】
前記ゲル化工程におけるケイ酸ナトリウムと前記塩との混合比率は、モル比で10：1〜4：1の範囲内であることが好ましい（請求項４）。
【００１７】
前記塩がカルシウムの水酸化物、硫酸塩、亜硫酸塩、炭酸塩又は重炭酸塩であり、前記酸性溶液がリン酸溶液であることが好ましい（請求項５）。ケイ酸ナトリウム溶液にカルシウムイオンを添加してシリカゲル粒子とした場合、リン酸溶液中で中和することにより、アパタイト様物質が表面に形成され、球状シリカゲル粒子がタンパク質吸着能を発揮するためである。
【００１８】
前記混合工程において、前記混合溶液に薬物を添加することにより、該薬物を球状シリカゲル粒子内に内包させることも可能である（請求項６）。この場合、内包された薬物は、中和工程を行うことによって多孔質化した球状シリカゲル粒子の細孔を通じて、徐放させることができる。このため、薬物を内包させた多孔性球状シリカゲル粒子は、徐放性製剤としての機能を発揮しうる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の球状のシリカゲル粒子の製造方法によれば、均質な球状のシリカゲル粒子を、低コストかつ容易に大量生産することが可能となる。また、得られる球状シリカゲルは、多孔質であり、タンパク質吸着性（生体適合性）を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、適宜図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、以下の記載に限定されない。
【００２１】
本発明の球状のシリカゲル粒子の製造方法の概略フローチャートを、図１に示す。本発明では、まず、ステップＳ１として、ケイ酸ナトリウム水溶液（濃度30重量％〜60重量％以下）を用意し、これに２価又は３価の金属イオンを含む溶解度の低い塩の飽和水溶液又は過飽和水溶液を添加して混合溶液とする（混合工程）。
【００２２】
ここで、２価又は３価の金属イオンを含む溶解度の低い塩としては、カルシウム又はマグネシウムの水酸化物、硫酸塩、亜硫酸塩、炭酸塩又は重炭酸塩が好ましいが、これ以外にもアルミニウムの水酸化物、炭酸塩、重炭酸塩等も使用可能である。
【００２３】
２価又は３価の金属イオンを含む溶解度の低い塩は、飽和溶液又は過飽和溶液としてケイ酸ナトリウム水溶液に添加する。これら溶解度の低い塩とケイ酸ナトリウムとの混合比率は、モル比で10：1〜4：1の範囲内とするのが好ましいが、ケイ酸ナトリウム水溶液に直接固体の塩を添加すると、不均一なゲルとなってしまう。
【００２４】
溶解度の低い塩の混合比率が高いほど、ゲル化に要する時間が短縮される。また、ケイ酸ナトリウム水溶液を加熱しておくことによっても、ゲル化に要する時間が短縮される。ここで、溶解度の低い塩の過飽和水溶液として、水酸化カルシウム（Ca(OH)2）過飽和水溶液（9重量％）を45重量％のケイ酸ナトリウム（Na2SiO3）水溶液に添加する場合における、Na2SiO3／Ca(OH)2のモル比とゲル化時間（室温及び70℃）との関係を、表１に示す。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
なお、ゲル化時間とは、水酸化カルシウム過飽和水溶液等の２価又は３価の金属イオンを含む溶解度の低い塩の飽和水溶液又は過飽和水溶液を、ケイ酸ナトリウム水溶液に添加して撹拌した直後から、混合溶液がゲル状となるまでに要した時間をいう。例えば、表１に示したゲル化時間は、ビーカー内でこれら２種類の溶液を混合してから、静置状態でビーカーを傾斜させても混合溶液が動かなくなるまでの時間を表示している。
【００２７】
次に、ステップＳ２として、ゲル状となった前駆溶液を、噴霧乾燥法によって乾燥させ、シリカゲル粒子へと固形化する（固形化工程）。ケイ酸ナトリウム水溶液（水ガラス）は非常に粘度が高いため、そのまま噴霧乾燥しても固形化させることはできないが、ゲル状の前駆溶液とした後は噴霧乾燥によって固形化が可能となる。噴霧乾燥には公知の装置を用いることが可能であるが、温度は60℃以上100℃以下とすることが好ましい。
【００２８】
次に、ステップＳ３として、酸性溶液中にシリカゲル粒子を浸漬して中和することによって、シリカゲル粒子を多孔質化し、比表面積を増大させることができる（中和工程）。
【００２９】
酸性溶液としてはリン酸又は塩化アンモニウム溶液が好ましい。リン酸の場合には濃度を5mol/L以上とすることが好ましく、塩化アンモニウムの場合には濃度を15重量％以上30重量％以下とすることが好ましい。
【００３０】
［実施例１］
本発明の実施例１として、以下の方法でシリカゲル粒子を製造した。まず、水酸化カルシウム過飽和水溶液（9重量％）3.67gを、45重量％のケイ酸ナトリウム水溶液6.67gを入れたビーカー中に添加し（Na2SiO3／Ca(OH)2のモル比は5.47、室温）、ガラス棒で撹拌し、混合溶液とした（混合工程）。
【００３１】
直ちに、混合溶液を図２に示す噴霧乾燥装置の符号６に示す場所へとセットした。この噴霧乾燥装置では、混合溶液はチューブ７からスプレーノズル２へと吸引され、チューブ７を経てエアコンプレッサー３から供給される圧縮空気と混合され、乾燥室９内へと噴霧される。乾燥室９の底面にはフィルター４があり、乾燥窒９内の空気は、チューブ１０を経て吸引ポンプ５へと吸引される。
【００３２】
そして、乾燥室９内部をヒーター１によって約80℃に加熱し、混合溶液をスプレーノズル２から下方に噴霧乾燥し、混合溶液を固形化した（固形化工程）。形成されたシリカゲル粒子は、フィルター４上に粉末として析出した。
【００３３】
シリカゲル粒子は、ノズルスプレー２からの混合溶液の噴霧終了後に取り出した。そして、その1gをビーカーに入れたリン酸溶液（濃度100％、JIS特級）10mL中に30分間浸漬することによって中和した（中和工程）。その後、中和後のシリカゲル粒子を、精製水を用いて洗浄し、乾燥器内にて120℃で一晩乾燥させた。乾燥後のシリカゲル粒子を、実施例１の球状シリカゲル粒子とした。
【００３４】
実施例１の球状シリカゲル粒子の電子顕微鏡写真（1500倍）を、図３に示す。実施例１のシリカゲル粒子は、形の整った球状粒子であることが確認された。
【００３５】
また、実施例１の球状シリカゲル粒子について、粒度分布の測定結果を図４に示す。実施例１のシリカゲル粒子の平均粒径は、3.2μmであり、ほとんどが2〜10μmの粒径範囲内に分布していた。このように、実施例１のシリカゲル粒子は、非常に微細、かつ、均質な球状粒子であることが確認された。
【００３６】
［比較例１］
次に、本発明の比較例１として、実施例１と同じ混合溶液を、噴霧乾燥せずに室温で完全にゲル化させた塊1gを、実施例１と同様に中和及び乾燥して得られたシリカゲル粒子を、比較例のシリカゲル粒子とした。
【００３７】
実施例１及び比較例１のシリカゲル粒子について、BET法によって比表面積を測定した。その結果、比較例１のシリカゲル粒子は280m2/gであったのに対して、実施例１のシリカゲル粒子は２倍近い520m2/gもあった。このことから、実施例１のシリカゲル粒子は、比較例のシリカゲル粒子と比較して、単に粒径が小さく球状であるというだけでなく、多孔質でもあることが確認された。
【００３８】
［比較例２］
また、実施例１の固形化工程後のシリカゲル粒子について、中和工程を行わず、乾燥器内にて120℃で一晩乾燥させたものを、本発明の比較例２とした。この比較例２のシリカゲル粒子についても比表面積を測定した結果、ほぼ0m2/gであった。このように、本発明の製造方法において、シリカゲル粒子を多孔質化するためには、中和工程が必須であることが確認された。
【００３９】
［実施例２］
次に、本発明の実施例２として、混合工程において、混合溶液12g当たり蛍光物質として、市販の蛍光ペン（ピンク）のインク0.02gを添加し、中和工程において20重量％の塩化アンモニウム水溶液を使用すること以外、すべて実施例１と同様にして、蛍光物質内包シリカゲル粒子（薬物内包シリカゲル粒子）を製造した。
【００４０】
そして、実施例２の蛍光物質内包シリカゲル粒子を、内径5mm、長さ150ｍｍのガラス管に充填し、両端をシリコン栓で密封した。このガラス管を、図５に示すような溶出装置にセットし、精製水を90mL/minの流量で流し、ガラス管から流出した精製水について、吸光度を測定した。
【００４１】
蛍光物質の1ppm水溶液、ガラス管から１日後、２日後及び３日後に流出した精製水の650nm〜800nmの吸光度測定の結果を、図６に示す。波長による吸光度変化のパターンから、ガラス管から流出した精製水には、少なくとも３日間は蛍光物質が溶出していることが確認された。
【００４２】
また、波長750nmにおける吸光度から、蛍光物質内包シリカゲル粒子1gあたりの溶出液（ガラス管から流出した精製水）中蛍光物質濃度を算出した。その結果を、図７に示す。少なくとも３日間は、蛍光物質濃度が2.1〜2.7ppm/gの範囲内にあり、蛍光物質内包シリカゲル粒子から蛍光物質が安定的に徐放出されていることが確認された。
【００４３】
本発明の製造方法によって得られる球状シリカゲル粒子は多孔質であり、これに薬物を内包させることにより、多数の細孔を通じて薬物を徐放出させることが期待される。実施例２に関する実験結果から、本発明の球状シリカゲル粒子の製造方法によれば、中和工程を行うことで、多孔性球状シリカゲル粒子を薬物の徐放性製剤として利用することも可能である。医薬品を内包させれば医学、薬学分野でドラッグデリバリーシステムとして利用でき、農薬（例えば、除草剤）を内包させれば農業分野においても利用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の球状シリカゲル粒子の製造方法は、化学分野、医薬品分野、農業分野等において、低コストで微細かつ均質な球状シリカゲル粒子を製造するための方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の球状のシリカゲル粒子の製造方法の概略フローチャートである。
【図２】実施例１及び実施例２で使用した噴霧乾燥装置を表す図である。
【図３】実施例１の球状シリカゲル粒子の電子顕微鏡写真（1500倍）である。
【図４】実施例１の球状シリカゲル粒子の粒度分布を示すグラフである。
【図５】実施例２で使用した薬物溶出試験装置である。
【図６】実施例２において、蛍光物質の1ppm水溶液、ガラス管から１日後、２日後及び３日後に流出した精製水の650nm〜800nmの吸光度測定結果を示すグラフである。
【図７】実施例２における蛍光物質内包シリカゲル粒子1gあたりの溶出液中蛍光物質濃度の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４６】
１：ヒーター
２：スプレーノズル
３：エアコンプレッサー
４：フィルター
５：吸引ポンプ
６：混合溶液
７，８，１０：チューブ
９：乾燥室
１１：精製水
１２：ポンプ
１３：ガラス管
１４：蛍光物質内包シリカゲル粒子
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図３】
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