(57)【要約】【課題】様々な粒子サイズ、粒子形状及び比表面積を有するアパタイト粉末の製造方法を提供する。【解決手段】アパタイト粉末製造方法において、カルシウム塩及びリン酸塩を含む混合水溶液を提供する段階と、前記水溶液内のカルシウム塩及びリン酸塩を反応させ、前記アパタイトとは異なる相を有する中間反応物を生成する段階と、前記中間反応物からアパタイト粉末を合成するために前記水溶液を熟成させる段階と、前記水溶液に沈澱したスラリーを乾燥させる段階とを含む。【選択図】図１ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カルシウム塩及びリン酸塩を含む混合水溶液を提供する段階と、
前記水溶液内にガスを供給しながらリン酸カルシウム化合物を合成する段階と、
前記合成されたリン酸カルシウム化合物を乾燥させる段階と、を含むアパタイト粉末製造方法。
【請求項２】
前記リン酸カルシウム化合物を合成する段階は、
前記水溶液内のカルシウム塩とリン酸塩を反応させて中間反応物を生成する段階と、
前記中間反応物からリン酸カルシウム化合物を合成する段階と、を含む請求項１に記載のアパタイト製造方法。
【請求項３】
前記中間生成物がリン酸二カルシウム二水和物である請求項２に記載のアパタイト製造方法。
【請求項４】
前記カルシウム塩が、硝酸カルシウム、炭酸カルシウム、塩化カルシウム、水酸化カルシウム及び酢酸カルシウムからなる群より選択された１種以上の塩を含む請求項１に記載のアパタイト製造方法。
【請求項５】
前記リン酸塩が、リン酸、第１リン酸ナトリウム、第２リン酸ナトリウム、第１リン酸カリウム、第２リン酸カリウム、第１リン酸アンモニウム及び第２リン酸アンモニウムからなる群より選択された１種以上の塩を含む請求項１に記載のアパタイト製造方法。
【請求項６】
前記混合水溶液が、マグネシウムイオン、バリウムイオン及びストロンチウムイオンからなる群より選択された１種以上のイオンをさらに含む請求項１に記載のアパタイト製造方法。
【請求項７】
前記混合水溶液が、フッ素イオン、塩素イオン及び炭酸イオンからなる群より選択された１種以上のイオンをさらに含む請求項１に記載のアパタイト製造方法。
【請求項８】
前記混合水溶液が、二酸化チタニウム、酸化マンガン、酸化バナジウム及び酸化銅からなる群より選択された１種以上の酸化物をさらに含む請求項１に記載のアパタイト製造方法。
【請求項９】
前記混合水溶液が、銀、白金及びパラジウムからなる群より選択された１種以上の金属をさらに含む請求項１に記載のアパタイト製造方法。
【請求項１０】
前記混合水溶液提供段階は、
カルシウム塩を含む水溶液を攪拌する段階と、
リン酸塩を含む水溶液を攪拌する段階と、
前記カルシウム塩水溶液を前記リン酸塩水溶液に混合する段階と、を有する請求項１に記載のアパタイト製造方法。
【請求項１１】
前記リン酸塩を含む水溶液を攪拌する段階は、リン酸塩を含む水溶液にヘリウム、アルゴン、水素、酸素、窒素及び二酸化炭素からなる群より選択された１種以上のガスを供給しながら攪拌する段階である請求項１０に記載のアパタイト製造方法。
【請求項１２】
前記リン酸塩を含む水溶液を攪拌する段階において、前記リン酸塩水溶液は、マグネシウムイオン、バリウムイオン、ストロンチウムイオン、フッ素イオン、塩素イオン、炭酸イオン、酸化チタニウム、酸化マンガン、酸化バナジウム、酸化銅、銀、白金及びパラジウムからなる群より選択された１種以上の触媒物質をさらに含む請求項１０又は１１に記載のアパタイト製造方法。
【請求項１３】
前記ガスはヘリウム、アルゴン、水素、酸素、窒素及び二酸化炭素からなる群より選択された１種以上のガスを含む請求項１に記載のアパタイト製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アパタイト製造方法に関し、より詳しくは、様々な形状、大きさ及び気孔率を有するアパタイト製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アパタイトは、生体親和性に優れた材料として知られており、その代表的な例が水酸化アパタイトである。水酸化アパタイトは、一般式Ｃａ１０（ＰＯ４）６（ＯＨ）２−ｘ・ｎＨ２Ｏ（０≦ｎ≦２.５、０≦ｘ≦２.５）で表わされる。本明細書において、アパタイトは、前記水酸化アパタイトと前記水酸化アパタイトの化学式において水酸基（ＯＨ−）の位置に炭酸基（ＣＯ３２−）、酸素基（Ｏ２−）、フッ素基（Ｆ−）、塩素基（Ｃｌ−）などの陰イオンが置換された形を通称する用語として用いられる。
【０００３】
アパタイトは、人間身体の骨を構成する物質と非常に類似の成分からなっているため、人工骨移植物質として脚光を浴びている。また、アパタイトは、生体用セラミックスの強化材、骨欠損部の充填材、重金属イオンの交換体、カラムクロマトグラフィの充填材、蛋白質及び核酸などの生体高分子物質やアミノ酸などの吸着材、抗菌及び防臭用材料として非常に様々な分野に適用されている。
【０００４】
ところが、アパタイトは、用途に合う特性を提供するため、各適用分野別に適した粒子形状及び粒子サイズを有することが要求されている。また、気孔サイズ及び気孔量もアパタイトの特性発現に重要な役割を果たす。
【０００５】
例えば、移植用人工骨材としてのアパタイトは非常に高い強度が要求される。非特許文献１には、針状のアパタイト粒子を球状のアパタイト粒子と混合して繊維強化型アパタイト(fiber-reinforced apatite)を製造する方法が開示されている。針状アパタイト粒子を製造する他の方法としては、特許文献１に開示されている方法がある。
【０００６】
骨充填材又はプラスチックやゴムなどの補強用材料として用いられるアパタイトは板状粒子からなることが好ましい。このような板状アパタイトを製造する方法を開示した例としては、特許文献２がある。
【０００７】
蛋白質又は医薬品をアパタイトに含浸させて人体に伝達させるためには、小さいサイズの気孔を含有する多孔性の板状粒子が要求される。特許文献３は、このような多孔性板状アパタイトの製造方法の一例を開示している。
【０００８】
抗菌及び防臭用材料として用いられるアパタイトは、大きい比表面積を提供して悪臭成分の吸着を容易にすること、この悪臭成分を必要に応じて分解又は殺菌するための触媒物質が内部に含有されていることが好ましい場合がある。このような分野への活用方法の一例を開示したものとしては、特許文献４と特許文献５がある。特許文献４は、アパタイトの一部のカルシウムイオンをマグネシウム（Ｍｇ）などで置換することにより、高い気孔率を有するアパタイトを製造する方法を開示しており、特許文献５は、吸着・光分解機能を有する多孔質のアパタイト−酸化チタニウム複合体を開示している。特許文献５において、アパタイトは匂い分子の吸着特性を増大させ、酸化チタニウムは光触媒反応によって吸着された匂い分子を分解する作用をする。
【０００９】
このように、アパタイトは適用分野によって様々な粒子サイズ、粒子形状及び比表面積を有することが非常に重要である。
【００１０】
針状アパタイトの製造のために用いられる従来の方法には水熱合成法と固相反応法がある。一例として、特許文献６は、アルカリ金属塩の存在下でアパタイト、リン酸カルシウム及びリン酸二カルシウムなどを８００℃〜１２００℃の温度範囲で熱処理することにより、針状のアパタイト粉末を合成する方法を開示している。他の例として、前述した特許文献１は、まず、針状のβリン酸カルシウム（β−Ｃａ（ＰＯ３）２）粉末に酸化カルシウム等の原料を混合した後、８００℃〜１２００℃の温度範囲で熱処理して針状のアパタイト粉末を製造する方法を開示しており、特許文献７と特許文献８は、カルシウム塩とリン酸塩を含んだ水溶液に尿素を添加して９０℃〜１８０℃の温度範囲で水熱合成することにより、針状アパタイトを合成する方法を開示している。
【００１１】
一方、板状アパタイトの製造方法には水熱合成法が主に用いられている。その一例として、特許文献９は１〜２００ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力下で板状アパタイト粉末を水熱合成する方法を開示しており、特許文献１０はリン酸塩とカルシウム塩の混合水溶液に脂肪酸アミンなどのアミン系化合物を添加して水熱合成することにより、板状アパタイトを製造する方法を開示している。
【００１２】
このように、従来では針状又は板状のアパタイト粒子の製造を主に固相反応法及び水熱合成法に依存してきた。ところが、このような従来の方法は多くの問題点を抱えている。
【００１３】
固相反応法は、熱処理温度が約８００℃〜１２００℃の高温なので、製造された粒子が数十μｍに至る程度に大きくなるという問題点があり、反応後、混合、仮焼、粉砕などの複雑な後続工程が必要とされるので、工業的に有利な方法にはなれない。
【００１４】
一方、水熱合成法は、一般に非晶質の沈澱したリン酸カルシウム化合物を用いてオートクレーブで約１５０〜２５０℃の温度範囲で反応させる方法であって、沈澱及び水熱合成法という２段階の工程を要し、いろいろの添加剤を共に混合しなければならず、工程自体が複雑であって量産に問題があった。
【特許文献１】米国特許第６,２２８,３３９号明細書
【特許文献２】特開２００２−２７４８２１号公報
【特許文献３】米国特許第６,５５８,７０３号明細書
【特許文献４】米国公開特許第２００２−００３１４８９号明細書
【特許文献５】特開２０００−１６７４１０号公報
【特許文献６】特開平５−１７１１０号公報
【特許文献７】特開平２−１４１５００号公報
【特許文献８】特開平４−１６６００号公報
【特許文献９】米国特許第５，４２７，７５４号明細書
【特許文献１０】特開平１０−４５４０５号公報
【非特許文献１】「米国セラミック学会誌」、Ｓｕｃｈａｎｅｋ等、ｖｏｌ ８０、ｐ.２８０５〜２８１３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、様々な粒子サイズ、粒子形状及び比表面積を有するアパタイト粉末の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明は、アパタイト粉末製造方法において、カルシウム塩及びリン酸塩を含む混合水溶液を提供する段階と、前記水溶液内のカルシウム塩及びリン酸塩を反応させ、前記アパタイトとは異なる相を有する中間反応物を生成する段階と、前記中間反応物からアパタイト粉末を合成するために前記水溶液を熟成させる段階と、前記水溶液に沈澱したスラリーを乾燥させる段階とを含むアパタイト製造方法を提供する。
【００１７】
本発明において、前記中間反応物は、リン酸二カルシウム二水和物(dicalcium
phosphate dihydrate)であることが好ましい。前記カルシウム塩は水酸化カルシウムであり、前記リン酸塩はリン酸であることを好ましい。本発明の前記熟成段階は５〜９０℃で行うことができる。本発明の方法によって板状の粒子を有するアパタイト粉末が製造できる。
【００１８】
また、上記目的を達成するために、本発明は、カルシウム塩及びリン酸塩を含む混合水溶液を提供する段階と、前記水溶液内にガスを供給しながらリン酸カルシウム化合物を合成する段階と、前記合成されたリン酸カルシウム化合物を乾燥させる段階とを含むアパタイト粉末製造方法を提供する。
【００１９】
本発明において、前記合成段階は、前記水溶液内のカルシウム塩とリン酸塩を反応させて中間反応物を生成する段階と、前記中間反応物からリン酸カルシウム化合物を合成する段階とを含むことができる。前記中間生成物はリン酸二カルシウム二水和物である。
【００２０】
本発明において、前記カルシウム塩は、硝酸カルシウム、炭酸カルシウム、塩化カルシウム、水酸化カルシウム及び酢酸カルシウムからなる群より選択された１種以上の塩を含むことができる。また、前記リン酸塩は、リン酸、第１リン酸ナトリウム、第２リン酸ナトリウム、第１リン酸カリウム、第２リン酸カリウム、第１リン酸アンモニウム及び第２リン酸アンモニウムからなる群より選択された１種以上の塩を含むことができる。本発明において、前記混合水溶液は、マグネシウムイオン、バリウムイオン及びストロンチウムイオンからなる群より選択された１種以上のイオン、二酸化チタニウム、酸化マンガン、酸化バナジウム及び酸化銅からなる群より選択された１種以上の酸化物、銀、白金及びパラジウムからなる群より選択された１種以上の金属、又はフッ素イオン、塩素イオン及び炭酸イオンからなる群より選択された１種以上のイオンをさらに含むこともできる。
【００２１】
本発明の前記合成段階で供給されるガスは、ヘリウム、アルゴン、水素、酸素、窒素及び二酸化炭素からなる群より選択された１種以上のガスを含むことができる。本発明の前記沈澱段階において、前記混合水溶液は約５℃〜９０℃に維持されることが好ましい。また、前記混合水溶液はｐＨ３.０〜１４.０に維持されることが好ましい。本発明において、前記水溶液はリンに対するカルシウムのモル比が約１〜１０の範囲にあることが好ましい。
【００２２】
本発明において、前記混合水溶液提供段階は、カルシウム塩を含む水溶液を攪拌する段階と、リン酸塩を含む水溶液を攪拌する段階と、前記カルシウム塩水溶液を前記リン酸塩水溶液に混合する段階とを含むことができる。前記リン酸塩攪拌段階ではヘリウム、アルゴン、水素、酸素、窒素及び二酸化炭素からなる群より選択された１種以上のガスが供給されることもできる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の方法によれば、アパタイトは、カルシウム塩とリン酸塩からリン酸二カルシウム二水和物(dicalcium phosphate dihydrate, 以下「ＤＣＰＤ」という)のような中間反応生成物をまず形成した後再析出されることを特徴としている。よって、この過程で粒子のサイズ及び形状を制御することができ、ガスの供給又は供給ガスの種類によって、様々な形状及びサイズを有するアパタイト粒子の製造が可能である。
【００２４】
また、本発明の製造方法によれば、反応温度及び乾燥条件を調節して様々な気孔率と比表面積を有するアパタイト粉末を得ることができる。よって、本発明の方法によれば、特定の応用分野で要求される仕様に合う物性を有するアパタイトを提供することができる。
【００２５】
これにより、本発明は、人体移植用高強度アパタイト複合体として要求される針状又は板状のアパタイト粒子、骨充填材及びゴムと製紙の充填材として用いられるための板状のアパタイト粒子、人体に供給される蛋白質或いは医薬品伝達体用に適したハニカム構造の多孔性アパタイト粒子、及び抗菌及び防臭用材料として利用可能な様々な金属イオンと陰イオンあるいは各種の触媒を含有した多孔性のアパタイト粒子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、添付図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００２７】
図１ａは本発明の方法に使用される反応装置１００の構造を示す概略図である。
【００２８】
図１ａを参照すると、本発明の反応装置１００は、反応容器１１０、供給ガスタンク１２０、雰囲気ガスタンク１３０、ガスブロワー１５０及びヒータ１６０を備える。また、前記反応装置１００は水溶液１４０のｐＨ測定、温度測定、水溶液攪拌のために装入されたｐＨメーター１４４、温度計１４６及び攪拌器１４２をさらに備える。
【００２９】
前記供給ガスタンク１２０は、保管された圧縮ガスを前記水溶液内に供給する。供給されるガスが前記反応容器内の水溶液に均一に供給できるように、前記反応容器１１０の底面にはガスブロワー１５０が備えられている。前記ガスブロワー１５０はガス流入口１１６及びガス流入導管１２１を介して前記供給ガスタンク１２０に連結される。前記供給されるガスの供給及び供給流量を制御するために、ガス流入導管１２１には開閉弁１２４とレギュレータ１２２が備えられている。
【００３０】
前記反応容器１１０内の水溶液１４０は、前記反応容器１１０の底面及び／又は側面に備えられたヒータ１６０によって一定の温度に維持される。前記ヒータ１６０としては内部に熱線１６２を備えた通常のものが使用できる。
【００３１】
本発明の前記反応装置１００には、大気中に存在するＣＯ２等のガスが前記水溶液１４０に溶解されることを防止するために、雰囲気ガスを供給する装置をさらに備えている。本発明において、雰囲気ガスタンク１３０内の雰囲気ガスは、レギュレータ１３２、調節弁１３４を介して前記反応容器１１０へ供給される。前記雰囲気ガスは、ガス流入口１１２を介して前記反応容器内に流入し、ガス流出口１１４を介して大気中に排出される。本発明において、前記雰囲気ガスとしてはＮ２ガスが使用されることが好ましい。
【００３２】
図１ｂは本発明のアパタイト製造方法を説明するフローチャートである。
【００３３】
図１ｂを参照すると、まず、別途の容器でカルシウム塩水溶液を攪拌する（Ｓ１００）。本発明で使用可能なカルシウム塩の種類には制限がなく、例えば硝酸カルシウム（Ｃａ（ＮＯ３）２）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）２）又は酢酸カルシウム（Ｃａ（ＣＨ３ＣＯＯ）２）などが使用できる。前記カルシウム塩の１種以上を混合して使用する場合がある。前記カルシウム塩は常温で適正な時間攪拌される。
【００３４】
前記カルシウム塩水溶液とは別途に、リン酸塩水溶液を攪拌する（Ｓ２００）。本発明で使用されるリン酸塩の種類には制限がなく、例えばリン酸（Ｈ３ＰＯ４）、第１リン酸ナトリウム（ＮａＨ２ＰＯ４）、第２リン酸ナトリウム（Ｎａ２ＨＰＯ４）、第１リン酸カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）、第２リン酸カリウム（Ｋ２ＨＰＯ４）、第１リン酸アンモニウム（ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４）又は第２リン酸アンモニウム（（ＮＨ４）２ＨＰＯ４）などが使用できる。本発明において、前記リン酸塩の１種以上を混合して使用する場合がある。
【００３５】
前記攪拌段階（Ｓ２００）は、図１ａの反応容器１１０内で行われるか、別途の容器で行われることができる。攪拌を容易にするために、必要に応じて供給ガスタンク１２０から一定流量のガスを持続的に供給できる。前記ガスは後述の熟成段階で供給されるガスと同種類のガスが供給されることが好ましい。また、前記カルシウム塩水溶液の攪拌の際に、必要に応じて、最終製造されるアパタイトの特性向上のための物質、例えば粒子成長制御又は触媒機能を行う物質が添加されて共に攪拌できる。前記添加物質としてはマグネシウムイオン（Ｍｇ２＋）、バリウムイオン（Ｂａ２＋）、ストロンチウムイオン（Ｓｒ２＋）などのアルカリ土金属イオン、又は二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化マンガン（ＭｎＯ）、酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、酸化銅（ＣｕＯ）等の酸化物、又は銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）の金属が使用できる。前記添加物質の１種以上を混合して使用する場合がある。また、アパタイトの脱臭性能の向上及び／又は人体に使用される時の生体親和性の向上のために、フッ酸イオン（Ｆ−）、塩素イオン（Ｃｌ−）、炭酸イオン（ＣＯ３２−）などの陰イオンが添加されることもできる。
【００３６】
次に、反応容器１１０内に前記カルシウム塩水溶液とリン酸塩水溶液を混合する（Ｓ３００）。このように製造された混合水溶液のカルシウム塩とリン酸塩の比は適切に選択できる。例えば、水酸化アパタイトの製造の際、前記Ｃａ／Ｐの化学量論的モル比は約１.６７であるが、前記モル比より大きい又は小さい値を有する水溶液も本発明で使用可能である。
【００３７】
本発明において、前記モル比は約１〜１０範囲にあることが好ましい。Ｃａ／Ｐのモル比が１より小さい場合には、乾燥した粉末にリン酸一カルシウムなどの二次相が残留し、１０より大きい場合には、沈澱物にカルシウム塩が存在して純粋なアパタイトの生成が困難である。また、後述の熟成段階（Ｓ５００）でアパタイトを含むリン酸カルシウム化合物の生成反応が遅い場合、反応促進のために前記混合水溶液内にカルシウムイオン又はリン酸イオンをさらに添加するなどによって、工程中にモル比を変化させることもできる。
【００３８】
前述した混合段階（Ｓ３００）によって前記水溶液内のカルシウム塩とリン酸塩の反応が開始し、その反応の結果としてリン酸二カルシウム二水和物(dicalcium phosphate dihydrate, 以下「ＤＣＰＤ」という)のような水和物が中間反応物として生成される（Ｓ４００）。
【００３９】
反応によって生成される前記中間反応物は、使用されたカルシウム塩とリン酸塩の種類によって決定され、その一例として、ＤＣＰＤ形成反応は次の反応式１で表現できる。
＜反応式１＞
Ｃａ２＋＋ＨＰＯ２−４＋２Ｈ２Ｏ
→ Ｃａ（ＨＰＯ４）・２Ｈ２Ｏ
【００４０】
次に、前記中間反応物からリン酸カルシウム化合物を合成するための熟成段階（Ｓ５００）が行われる。前記熟成段階（Ｓ５００）におけるＤＣＰＤからアパタイトを生成する反応は次の反応式２で表現できる。
＜反応式２＞
６Ｃａ（ＨＰＯ４）・２Ｈ２Ｏ＋４Ｃａ２＋ 
→ Ｃａ１０（ＰＯ４）６（ＯＨ）２＋１０Ｈ２Ｏ＋８Ｈ＋
【００４１】
本発明の熟成段階（Ｓ５００）によって生成されるリン酸カルシウム化合物は、アパタイトの他にもリン酸一カルシウム（Ｃａ２Ｐ２Ｏ７）、リン酸三カルシウム（Ｃａ３（ＰＯ４）２）及び六リン酸四カルシウム（Ｃａ４Ｐ６Ｏ１９）を含むことができる。本発明で沈澱するリン酸カルシウム化合物のうち、リン酸一カルシウム、リン酸三カルシウム及び六リン酸四カルシウムを含む二次相とアパタイトの比は後述の工程条件を考慮して適切に選択できる。
【００４２】
前記熟成段階（Ｓ５００）は、様々な温度範囲で行われることができる。本発明において、水溶液１４０の温度は反応速度及び粒子のサイズに影響を及ぼすので、所望の粒子サイズに応じて適切に選択できる。本発明で好ましい反応温度は約５℃〜９０℃である。
【００４３】
前記熟成段階（Ｓ５００）において、熟成時間は生成されるリン酸カルシウム化合物の種類と関連しているので、これを考慮して適切に選択されるべきである。本発明の実施例によれば、反応時間が１０分未満の場合には、沈澱スラリー内にＤＣＰＤのような中間反応物の含量が高く、リン酸一カルシウム（Ｃａ２Ｐ２Ｏ７）などの二次相が存在するため、純粋なアパタイトを得ることが難しい。一方、熟成時間は沈澱量と粒子のサイズに影響を及ぼす。本発明の実施例によれば、熟成時間の増加は粒子サイズの増加をもたらす。したがって、本発明において、熟成時間は所望の粒子サイズに合わせて適切に選択できる。ところが、４８時間以上の反応時間は粒子のサイズや収率などに及ぼす影響が微々であるため、実用的な面で無意味である。
【００４４】
前記熟成段階（Ｓ５００）において、前記混合水溶液のｐＨは３.０〜１４.０の範囲に維持されることが好ましい。水溶液のｐＨは沈澱するリン酸カルシウム化合物の種類と関連がある。例えば、水酸化アパタイトの場合、ｐＨが３.０以下では純粋なアパタイトが得られない。
【００４５】
前述した熟成段階（Ｓ５００）は、前記反応容器１１０内にそのまま維持された状態で、或いは攪拌器１４２による攪拌と同時に行うこともできるが、前記供給ガスタンク１２０から一定流量のガスを水溶液内に供給しながら行うこともできる。これは、本発明においてもう一つの重要な特徴を成す。前述したように、アパタイトは応用分野に応じて様々な形状、大きさ及び比表面積を有することが要求されるが、本発明者は、熟成段階（Ｓ５００）で前記水溶液内に任意のガスを供給することにより、生成されるアパタイトの粒子形状、粒子サイズ及び比表面積を様々に調節することが可能なことを発見した。
【００４６】
本発明で使用可能な供給ガスは、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、水素（Ｈ２）、酸素（Ｏ２）、窒素（Ｎ２）又は二酸化炭素（ＣＯ２）などがあり、これらのガスが混合されて供給されることもできる。また、本発明の前記熟成段階（Ｓ５００）で注入されるガスの流量は、アパタイトを含むリン酸カルシウム化合物の生成速度に影響を及ぼすので、諸般工程条件を考慮して適切に選定できる。例えば、本発明において９００ｃｃの混合水溶液で実験した結果によれば、ガス流量が１００ｃｃ／ｍｉｎ以下の場合には、ガス供給が粒子の生成に及ぼす影響が微々であり、２０００ｃｃ／ｍｉｎ以上の場合には、水溶液の蒸発が激しくて再現性のある粉末の合成が困難であった。勿論、前記ガス流量の選定には、反応容器内の水溶液の量及び水溶液中のカルシウム塩とリン酸塩の含有量を一緒に考慮すべきである。
【００４７】
反応が完了すると、沈澱したスラリーを乾燥させる（Ｓ６００）。乾燥は−５０℃〜−１００℃及び約６．７Ｐａ(約５０ｍＴｏｒｒ)以下で行われる凍結乾燥方式を使用することができる。前記凍結乾燥方式は粒子の凝集及び成長を抑制することができるため、微細な粉末が得られる点において好ましい。反面、粒子サイズの大きい粉末を所望する場合には、通常の乾燥方式、すなわち２５℃〜２００℃の温度及び常圧で乾燥させる方式を使用することもできる。前記乾燥段階（Ｓ６００）によってアパタイトの製造が完了する。
【実施例】
【００４８】
以下、前述した本発明の様々な側面を好適な実施例によって具体的に説明する。
実施例１は前述した本発明のアパタイト生成メカニズムを示す実施例である。
【００４９】
＜実施例１＞
水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）２）３６.６８９ｇを４５０ｃｃの蒸留水と混合して常温で約３０分間攪拌して水酸化カルシウム水溶液を準備した。本実施例、及び下記の実施例で使用される蒸留水は、二酸化炭素の溶解による影響を排除するために、１００℃で沸かした後、さらに常温に冷却させる過程で窒素ガスを吹き込んで脱炭酸(Decarbonation)処理したものである。
【００５０】
図１ａの反応容器１１０にリン酸（Ｈ３ＰＯ４）３１.１３１ｇを４５０ｃｃの蒸留水と混合し、常温で３０分間攪拌してリン酸水溶液を準備した。次に、準備された水酸化カルシウム水溶液を前記反応容器１１０に急激に注入して前記リン酸水溶液と混合し、熟成させた後、沈澱したスラリーを乾燥させた。前記熟成段階において、前記水溶液の温度は３０℃に維持した。熟成過程で反応物の相変化を観察するために、熟成時間を変化させて実験した。
【００５１】
図２は３０℃の熟成温度で熟成時間を１０分、４０分、１時間、２時間、１２時間、２４時間、３６時間、４８時間に変えて得られたそれぞれの粉末に対するＸ線回折パターンである。
【００５２】
図示の回路パターンから分かるように、熟成時間が２時間以下の場合、ＤＣＰＤの（０２０）面を示す高い強度のピークが検出された反面、水酸化アパタイトのピークはほぼ検出されなかった。これからリン酸塩とカルシウム塩の反応によってアパタイトが生成される前に中間生成物として結晶質ＤＣＰＤが先に生成されることを確認することができた。熟成時間が１２時間を経過するにつれて、ＤＣＰＤピークは著しく減少し、２４時間熟成させて得られた粉末からはＤＣＰＤピークを検出することができなかった。
【００５３】
図３ａ及び図３ｂは３０℃の熟成温度でそれぞれ１０分及び１２時間の熟成過程を経て得られた粉末の走査電子顕微鏡写真である。図３ａより、１０分間熟成した粉末が数十〜数百ミクロンの粗大なＤＣＰＤ粒子からなっており、ＤＣＰＤ粒子の表面に微細なアパタイト粒子が成長していることが分かった。この微細な粒子は、１２時間の熟成を経ると、
図３ｂに示されているように板状の粒子に成長した。
【００５４】
本実施例によって水溶液内のカルシウム塩とリン酸塩は、まず反応式１によってＤＣＰＤを生成した後、水酸化アパタイトとして析出されることを確認することができた。
【００５５】
下記の実施例２〜実施例８は、ガス供給及び供給ガス種類によって生成されるアパタイトの粒子形状、粒子サイズ及び比表面積が様々に変化することを示す実施例である。
【００５６】
＜実施例２＞
前述した実施例１と同一の条件で水酸化カルシウム水溶液とリン酸水溶液を混合して混合水溶液を製造した。
【００５７】
熟成段階において、前記水溶液は３０℃及び８０℃の温度で４８時間維持した。また、乾燥条件が粒子サイズに及ぼす影響を調べるために、温度−５０℃、圧力約７９９．８Ｐａ（約６ｍＴｏｒｒ）で凍結乾燥させた場合と、温度１５０℃で常圧乾燥させた場合とを比較した。
【００５８】
前記４つの条件に対して粒子形状、粒子サイズ及び比表面積のデータを表１に示した。比表面積は米国Ｍｉｃｒｏｍｅｒｔｉｃｓ社のＢＥＴ測定装備であるＡＳＡＰ２０１０装備を用いて測定した。
【００５９】
表１に示すように、熟成温度及び乾燥方式に関係なく板状の粉末を得ることができた。反応温度３０℃で４８時間熟成させ凍結乾燥させた試片の場合、粒子サイズが約１〜２.４μｍに達し、比表面積が７５.２ｍ２／ｇであることが分かる。熟成温度が増加するにつれて、粒子サイズは増加し、比表面積は減少した。乾燥温度が増加する場合にも同様の傾向性を示した。
【００６０】
＜実施例３＞
図１ａの反応容器１１０にリン酸（Ｈ３ＰＯ４）３１.１３１ｇを４５０ｃｃの蒸留水と混合し、二酸化炭素（ＣＯ２）ガスを５００ｃｃ／ｍｉｎで吹き込み、常温で３０分間攪拌してリン酸カルシウム水溶液を準備した。次に、実施例２と同一の方法で準備された水酸化カルシウム水溶液を前記反応容器１１０に急激に注入して前記リン酸水溶液と混合した後熟成させた。前記熟成過程で二酸化炭素ガスを５００ｃｃ／ｍｉｎの流量で持続的に注入した。次に、沈澱したスラリーを乾燥させてアパタイト粉末を製造した。熟成温度及び乾燥温度が生成された水酸化アパタイトの粒子サイズに及ぼす影響を調べるために、実施例２と同一の条件で熟成及び乾燥させた。
【００６１】
各条件による粒子形状、粒子サイズ及び比表面積のデータを表１に示した。
【００６２】
表１より、熟成温度が増加すると、粒子サイズが増加し、比表面積が減少することが分かり、凍結乾燥によって、一般乾燥の場合より粒子サイズが小さくて比表面積が大きい粒子を得ることができることが分かった。
【００６３】
図４ａ及び図４ｂは前記４つの条件のうち、熟成温度を３０℃に維持して凍結乾燥させた試片に対するＸ線回折パターン及び走査電子顕微鏡写真を示す。図４ａの回折パターンから、沈澱物が純粋な水酸化アパタイトからなっていることが分かる。一方、図示してはいないが、本実施例とは異なり、熟成時間を２４時間以下に維持した場合には、沈澱物にリン酸一カルシウム（Ｃａ２Ｐ２Ｏ７）などの二次相が残留することをＸ線回折パターンから確認することができた。図４ｂより、気孔直径１００〜３００ｎｍ程度のハニカム構造の多孔性板状アパタイト粒子が生成されることが分かる。この粉末の比表面積は約１８１ｍ２／ｇであった。
【００６４】
＜実施例４＞
供給ガスを酸素（Ｏ２）に変えたことを除いては、実施例３と同一の条件で実験した。本実施例で生成されたアパタイト粒子は針状であった。実施例３と同様に４つの条件で得られたアパタイトの粒子サイズ及び比表面積のデータを表１に示した。
【００６５】
図５ａ、図５ｂは熟成温度を３０℃に維持して凍結乾燥させた試片に対するＸ線回折パターン及び走査電子顕微鏡写真であって、長さ約３００〜４００ｎｍ、厚さ５０〜７０ｎｍの針状の水酸化アパタイトが生成されることを確認することができた。この粉末の比表面積は７８.３ｍ２／ｇであった。
【００６６】
＜実施例５＞
供給ガスを水素（Ｈ２）に変えたことを除いては、実施例３と同一の条件で実験した。本実施例で生成されたアパタイト粒子は針状であった。図６ａ及び図６ｂはそれぞれ熟成温度を３０℃に維持して凍結乾燥させた試片に対するＸ線回折パターン及び走査電子顕微鏡写真であって、長さ約５００〜６００ｎｍ、厚さ８０〜１２０ｎｍの針状の水酸化アパタイトが生成されることを確認することができる。この粉末の比表面積は５５.１ｍ２／ｇであった。表１から、粒子サイズ及び比表面積に及ぼす熟成温度及び乾燥温度の影響は実施例３と同様の傾向性を示すことが分かった。
【００６７】
＜実施例６＞
供給ガスを窒素（Ｎ２）に変えたことを除いては、実施例３と同一の条件で実験した。本実施例では、非常に大きい板状のアパタイト粒子が生成された。図７ａ及び図７ｂはそれぞれ熟成温度を３０℃に維持し凍結乾燥させた試片に対するＸ線回折パターン及び走査電子顕微鏡写真であって、幅約１〜２μｍ、厚さ約５０ｎｍの板状の水酸化アパタイトが生成されることを確認することができる。この粉末の比表面積は８７.２ｍ２／ｇであった。
【００６８】
＜実施例７＞
供給ガスをヘリウム（Ｈｅ）に変えたことを除いては、実施例３と同一の条件で実験した。本実施例では、非常に大きい板状のアパタイト粒子が生成された。表１から、熟成温度を３０℃に維持して凍結乾燥させた試片の場合、粒子サイズが約１〜３μｍに達し、比表面積が７０.６ｍ２／ｇであることを分かる。熟成温度が増加するにつれて、粒子サイズが約１０倍程度増加し、比表面積が著しく増加することが分かった。乾燥温度が増加する場合にも同様の傾向性を示した。
【００６９】
＜実施例８＞
供給ガスをアルゴン（Ａｒ）に変えたことを除いては、実施例３と同一の条件で実験した。本実施例では、非常に大きい板状のアパタイト粒子が生成された。表１より、熟成温度を３０℃に維持して凍結乾燥させた試片の場合、粒子サイズが約１〜３μｍに達し、比表面積が６５.３ｍ２／ｇであることを分かった。実施例７の場合と同様に、熟成温度が増加するにつれて、粒子サイズ及び比表面積の著しい増減傾向を示した。乾燥温度が増加する場合にも類似の傾向性を示した。
【００７０】
【表１】
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【００７１】
一方、前述したように、アパタイト粉末の脱臭、抗菌、生体用材料などの用途に適するようにするため、他のイオン、酸化物又は金属などの物質が粉末内部に含有されることが好ましい。下記の実施例９及び実施例１０は、本発明の方法を用いて前記のようなアパタイト粉末を製造する例を説明するものである。
【００７２】
＜実施例９＞
リン酸塩水溶液に約９.２３ｇのＭｇ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏ（カルシウムイオンに対してＭｇイオンが約８モル％）を反応容器に仕込んで攪拌した。次に、攪拌された水酸化カルシウム水溶液を前記反応容器に注入して混合水溶液を製造した後、酸素ガスを供給し、４８時間熟成させた。反応後、得られたスラリーを凍結乾燥させた。その他の条件は実施例４と同一であった。
【００７３】
このように得られたアパタイト粉末に対するＸ線回折パターン及び走査電子顕微鏡写真をそれぞれ図８ａ及び図８ｂに示した。図示したように、本実施例によって長さ約１００〜２００ｎｍ、厚さ２０〜４０ｎｍの針状アパタイト粒子が得られた。前述した実施例４と比較するとき、マグネシウム（Ｍｇ）イオンの添加によってアパタイト粒子成長が抑制される効果を得ることができることが分かる。
【００７４】
一方、マグネシウムイオンをカルシウムイオンに対して２０モル％以上添加する場合には、リン酸三カルシウム（Ｃａ３（ＰＯ４）２）相が生成されることを確認することができた。したがって、純粋なアパタイト粉末を得るためには、添加されるカルシウムイオンの量が２０モル％を超過しないことが好ましい。
【００７５】
＜実施例１０＞
リン酸塩水溶液に４９.８４ｇ（５０ｗｔ％）の酸化チタニウム（ＴｉＯ２）を反応容器に仕込んで攪拌した。次に、攪拌された水酸化カルシウム水溶液を前記反応容器に注入して混合水溶液を製造した後、窒素ガスを供給し、４８時間熟成させた。反応後、得られたスラリーを凍結乾燥させた。その他の実験条件は実施例６と同一であった。
【００７６】
このように得られたアパタイト粉末に対するＸ線回折パターン及び走査電子顕微鏡写真をそれぞれ図９ａ及び図９ｂに示した。図示したように、直径３０〜１２０ｎｍの球状アパタイト／酸化チタニウム混合粉末が得られた。
【００７７】
アパタイト／酸化チタニウム混合粉末を脱臭等の目的で使用するためには、二酸化チタンが１０ｗｔ％以上添加されることが好ましい。なぜなら、二酸化チタンの添加量が１０ｗｔ％以下の場合、光分解効率が著しく低下するためである。また、前述した実施例９とは異なり、添加された二酸化炭素の含量が８０ｗｔ％以上の場合には、リン酸一カルシウム（Ｃａ２Ｐ２Ｏ７）などの二次相が残留することを確認することができた。したがって、純粋なアパタイトの製造のためには二酸化チタンの含量が８０ｗｔ％以下に維持されることが好ましい。
【００７８】
前述した実施例２〜実施例１０から、ガスの供給又はガスの種類によって粒子形状及び粒子サイズに影響を及ぼすことが分かる。ところが、これを明確に説明することは難しい。但し、本発明によれば、アパタイト相が中間反応物を介して生成されるため、供給されたガスがＤＣＰＤ表面に生成されたアパタイト粒子の成長に影響を及ぼして粒子の形状及びサイズを変化させるものと推定される。
【００７９】
前述した実施例は、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明を実現する例示的なものに過ぎない。前述した具体的な実施例が水酸化アパタイトの製造方法と関連しているものであるが、当該分野で通常の知識を有する者であれば、前述した実施例の方法がアパタイト全般にわたって拡張されるに特別な技術的な考慮が不要であることをよく分かり、また、２種以上の供給ガスを使用する場合にも、本発明の目的とする粒子形状及び粒子サイズの変化が発生し得るという事実を理解し、これを実施するに何の困難も感じないであろう。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１ａ】本発明の実施例に係るアパタイト製造用反応装置を示す概略図である。
【図１ｂ】本発明の実施例に係るアパタイト製造方法を示すフローチャートである。
【図２】本発明によって熟成時間を異にして得られたそれぞれの粉末に対するＸ線回折パターンである。
【図３ａ】図２の熟成時間を異にして得られた粉末のうち、１０分の熟成過程を経て得られた粉末の走査電子顕微鏡写真である。
【図３ｂ】図２の熟成時間を異にして得られた粉末のうち、１２時間の熟成過程を経て得られた粉末の走査電子顕微鏡写真である。
【図４ａ】本発明の実施例によって二酸化ガスを供給して製造した水酸化アパタイトのＸ線回折パターンである。
【図４ｂ】本発明の実施例によって二酸化ガスを供給して製造した水酸化アパタイトの走査電子顕微鏡写真である。
【図５ａ】本発明の実施例によって酸素ガスを供給して製造した水酸化アパタイトのＸ線回折パターンである。
【図５ｂ】本発明の実施例によって酸素ガスを供給して製造した水酸化アパタイトの走査電子顕微鏡写真である。
【図６ａ】本発明の実施例によって水素ガスを供給して製造した水酸化アパタイトのＸ線回折パターンである。
【図６ｂ】本発明の実施例によって水素ガスを供給して製造した水酸化アパタイトの走査電子顕微鏡写真である。
【図７ａ】本発明の実施例によって窒素ガスを供給して製造した水酸化アパタイトのＸ線回折パターンである。
【図７ｂ】本発明の実施例によって窒素ガスを供給して製造した水酸化アパタイトの走査電子顕微鏡写真である。
【図８ａ】本発明の実施例によって酸素ガスを供給して製造したＭｇイオン添加の水酸化アパタイトのＸ線回折パターンである。
【図８ｂ】本発明の実施例によって酸素ガスを供給して製造したＭｇイオン添加の水酸化アパタイトの走査電子顕微鏡写真である。
【図９ａ】本発明の実施例によって窒素ガスを供給して製造したＴｉＯ２粉末添加の水酸化アパタイトのＸ線回折パターンである。
【図９ｂ】本発明の実施例によって窒素ガスを供給して製造したＴｉＯ２粉末添加の水酸化アパタイトの走査電子顕微鏡である。
【符号の説明】
【００８１】
１００    反応装置
１１０    反応容器
１２０    供給ガスタンク
１３０    雰囲気ガスタンク
１５０    ガスブロワー
１６０    ヒータ
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図４ａ】
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【図５ａ】
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【図６ａ】
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【図７ａ】
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【図８ａ】
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【図９ａ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ｂ】
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【図５ｂ】
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【図６ｂ】
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【図７ｂ】
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【図８ｂ】
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【図９ｂ】
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