(57)【要約】【課題】有機高分子マトリックスの内部に鉱物が効率よく充填された有機高分子マトリックスと鉱物との複合体を簡便に製造できる方法を提供する。【解決手段】プロトンドナーとなる成分とプロトンアクセプターとなる成分を有する有機高分子マトリックスの内部に、陽イオンとプロトンドナー性とプロトンアクセプター性を有する陰イオンが含まれることにより超分子コンプレックスが形成されてこのコンプレックスの相転移により形成される有機高分子マトリックスと鉱物との複合体。この複合体を、プロトンドナーとなる成分とプロトンアクセプターとなる成分を有する有機高分子マトリックスを、陽イオンとプロトンドナー性とプロトンアクセプター性を有する陰イオンを含む鉱物の原料水溶液に浸漬し、当該有機高分子マトリックスの内部に鉱物を形成することにより製造する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトンドナーとなる成分とプロトンアクセプターとなる成分を有する有機高分子マトリックスの内部に鉱物が結合していることを特徴とする有機高分子マトリックスと鉱物との複合体。
【請求項２】
プロトンドナーとなる成分とプロトンアクセプターとなる成分を有する有機高分子マトリックスを、陽イオンとプロトンドナー性とプロトンアクセプター性を有する陰イオンを含む鉱物の原料水溶液に浸漬し、当該有機高分子マトリックスの内部に鉱物を結合することを特徴とする有機高分子マトリックスと鉱物との複合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生物鉱化作用（バイオミネラリゼーション）の分子機構を人工的に再現することにより、有機高分子マトリックスの内部に鉱物が結合している有機高分子マトリックスと鉱物との３次元的複合体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
脊椎動物の骨はヒドロキシアパタイトと有機高分子の複合体であり、サンゴやウニ、貝などの外骨格は炭酸カルシウムと有機高分子の複合体である。また珪藻の細胞壁は有機高分子を含んだ二酸化珪素である。これらは軽量高強度な複合材料であるために自由にその形状や大きさを変化させたものが人工的に製造できれば、複合材料としての利用価値は高いと言える。また本来生体適合性を有するために特にヒドロキシアパタイトと有機高分子の複合体は人工骨材料などとして有望なものであり、これに関する数多くの研究開発が活発に行われている。
有機高分子材料と鉱物の３次元複合体を製造する場合、当該有機高分子材料は耐熱性に劣るため、焼結、水熱合成等の方法は不適であり、従来より有機高分子が存在する水溶液中において所用の鉱物を析出させる方法が採用されている。
【０００３】
ところが、水への溶解度が低い鉱物では有機高分子マトリックスの内部に析出させるには、多大な労力と長時間を要するという難点がある。また有機高分子と無機塩は強固な物理的或いは化学的親和性をもって結合している必要があり、単なる混合成型法あるいは共沈法によっては求める複合体を得ることは出来ない。
【０００４】
現在、この種の複合体を得る方法としては、例えばカルシウムイオンを含む溶液とリン酸イオンを含む溶液とをそれぞれ別個に設け、それらの両溶液中に、たとえばポリビニルアルコールゲルのような膨潤性有機高分子基板を交互に浸漬する方法（非特許文献１参照）が知られている。
しかし、この方法は、高分子基板の浸漬を交互に繰り返す作業が必要であり、操作が繁雑であるばかりでなく、完全に内部に連続相として鉱物を生成させることは困難であった。
【０００５】
【非特許文献１】Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  （１９９８）ｐ７１１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、有機高分子マトリックスの内部に鉱物が強固に効率よく結合・充填された有機高分子マトリックスと鉱物との複合体およびその簡便な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】
【０００７】
この出願によれば、以下の発明が提供される。
（１）プロトンドナーとなる成分とプロトンアクセプターとなる成分を有する有機高分子マトリックスの内部に鉱物が結合されていることを特徴とする有機高分子マトリックスと鉱物との複合体。
（２）プロトンドナーとなる成分とプロトンアクセプターとなる成分を有する有機高分子マトリックスを、陽イオンとプロトンドナー性とプロトンアクセプター性を有する陰イオンを含む鉱物の原料水溶液に浸漬し、当該有機高分子マトリックスの内部に鉱物を結合することを特徴とする有機高分子マトリックスと鉱物との複合体の製造方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の有機高分子マトリックスと鉱物との複合体は、鉱物を構成する原料となる陰イオンが水素結合により有機高分子マトリックス内部に吸着すると同時にその陽イオンが静電引力によりマトリックス内部に取り込まれ、これにより有機高分子マトリックスは超分子コンプレックスへと組み替えられる。そして、この超分子コンプレックスが相転移して有機高分子マトリックスと鉱物の固溶体を形成するから、得られた固溶体は、鉱物が、たとえば、ヒドロキシアパタイトである場合には人工骨等の生体材料や骨芽細胞培養用プレートなどに、炭酸カルシウムの場合には海苔糸状体の培養基板、珪酸ナトリウムの場合には、酸素透過性コンタクトレンズなどとして利用することができる。
本発明の製造方法によれば、有機高分子マトリックスの内部に鉱物が効率よく充填・形成された有機高分子マトリックスと鉱物との複合体を簡便に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の有機高分子マトリックスと鉱物との複合体は、プロトンドナーとなる成分とプロトンアクセプターとなる成分を有する有機高分子マトリックスの内部に鉱物が結合していることを特徴としている。
本発明の複合体では、プロトンドナーとなる成分とプロトンアクセプターとなる成分を含む有機高分子マトリックスの内部に、鉱物を形成する原料となる溶液中の陰イオン（これもプロトンアクセプターの部分とプロトンドナー部分を持つ）がマトリックスのドナー部と陰イオンのアクセプター部が水素結合すると共にマトリックスのアクセプター部と陰イオンのドナー部が水素結合することにより取り込まれ、この取り込まれた陰イオンの反対荷電を持つ陽イオンも同時に静電相互作用により有機高分子マトリックス内部に取り込まれ、全体として超分子コンプレックスを構成することになる。ここで、超分子コンプレックスとは、上述の有機高分子マトリックスに陰イオンが水素結合しそれに伴って陽イオンが静電相互作用により結合した系にさらにＤｏｎｎａｎ平衡による溶液中の陽イオンと陰イオンが分配された複合膨潤体を意味する。
溶液の濃度が高い場合あるいは溶液のpHによってはこの超分子コンプレックスは不安定化し、より安定な、有機高分子マトリックスと鉱物の固溶体へと相転移する。またこの時、有機高分子マトリックスを浸漬する水溶液に高分子電解質を添加することにより、各イオン濃度を高濃度に維持することが効果的である。
【００１０】
本発明の有機高分子マトリックスと鉱物との複合体の製造方法は、有機高分子マトリックスとして、プロトンドナーとなる成分とプロトンアクセプターとなる成分を有する有機高分子を用い、この有機高分子マトリックスを、陽イオンとプロトンドナー性とプロトンアクセプター性を有する陰イオンを含む鉱物の原料水溶液に浸漬し、当該有機高分子マトリックスの内部に鉱物を形成することを特徴としている。
【００１１】
本発明で用いる高分子マトリックスは、プロトンドナーとなる成分とプロトンアクセプターとなる成分を有することが必要である。プロトンドナーとなる成分としては、たとえば−ＯＨや−ＮＨ２などが、プロトンアクセプターとなる成分としては、たとえば−ＣＯＯ−などが挙げられる。
これらの成分は、同一の高分子鎖に存在しても、或いは別の高分子種に存在してそれら高分子を複合化させたものでよい。この場合、複合とは混合、共重合、架橋など何れの態様であってよい。
前者の具体的な例としては、たとえば、カルボキシメチルセルロースを挙げることができる。
後者の具体的な例としては、例えば−ＯＨを持つポリビニルアルコール（ＰＶＡ）と−ＣＯＯＨを持つポリアクリル酸（ＰＡＡ）を混合し架橋したもの、―ＮＨ２を持つキトサン、あるいは−ＯＨを持つコラーゲンと−ＣＯＯＨを持つポリアクリル酸（ＰＡＡ）やポリアスパラギン酸の混合物が挙げられる。
またその形状としては、溶液中から内部へ原料イオンが供給できれば良く、例えば、フィルムなどの板状物、棒状物、角状物、円筒状物、球状物などが挙げられる。
【００１２】
本発明では、有機高分子マトリックス内部で新しい固溶体相が形成されそれが大きくなることにより元のマトリックスの大部分が固溶体となる。これにより３次元的に連続した有機高分子と鉱物の固溶体を得ることが出来る。超分子コンプレックスが固溶体に相転移する際には加水分解または脱水を伴う。得られた固溶体は、その外側に新たに有機高分子マトリックスを付加して再度水溶液中で浸漬することにより、その大きさを増大させることが可能である。
【００１３】
本発明で用いる鉱物の原料水溶液とは、陽イオンと陰イオンからなり、その陰イオン成分が溶液中でプロトンドナー性とプロトンアクセプター性を持ち、そのような形のイオンの見かけ上の加水分解或いは脱水により鉱物を形成するものを指す。
陽イオンとしては殆ど全ての種類が利用可能である。陰イオンとしては水溶液中で水素結合においてプロトンアクセプターとプロトンドナーの両方の振る舞いを持つものが選択される。例えば水溶液中でリン酸水素イオン、炭酸水素イオン、珪酸水素イオンを生ずるようなものであればよい。これらのイオンで構成される解離性の塩を水に溶解させることによっても或いは、リン酸塩、炭酸塩を溶解させて溶液濃度を適当なpHに保つことによっても所用の陰イオンを含む水溶液は得ることができる。
【００１４】
具体的にはヒドロキシアパタイトを得る場合にはＣａＣｌ２とＮａ２ＨＰＯ４を溶解しｐＨをＨＰＯ４２−の形になるよう維持すればよい。ＣａＣｌ２の代わりにＣａ（ＮＯ３）２等を、Ｎａ２ＨＰＯ４の代わりにＫＨ２ＰＯ４等を用いることも可能である。Ｃａの代わりにＢａ等を用いればヒドロキシアパタイトのＣａがＢａに置換した鉱物を得ることが出来る。炭酸カルシウムを得る場合には例えばＣａＣｌ２とＮａ２ＣＯ３を溶解しｐＨをＨＣＯ３-が主な陰イオンとなるように調整すればよい。この場合もＣａＣｌ２の代わりに例えばＣａ（ＮＯ３）２等を、Ｎａ２ＣＯ３の代わりにＫＨＣＯ３等を用いても良い。Ｃａイオンの代わりにＣｕ、Ｃｄ、Ｂａ等を用いれば炭酸カルシウムのＣａが各々の元素に置換した鉱物を得ることが出来る。ＳｉＯ２を形成させるためには例えばＮａ２ＳｉＯ３を含む溶液を用いればよい。
【００１５】
本発明においてヒドロキシアパタイトを形成させる場合、イオンを供給するＣａ塩としては、塩化カルシウム、硝酸カルシウム、臭化カルシウム、ヨウ化カルシウム、フッ化カルシウム、水酸化カルシウムなどが使用可能であるが、原料入手の容易性や経済性、溶解性などを考慮すると塩化カルシウムが望ましい。本発明に用いる水溶液のＣａ塩濃度は、通常０．１〜１０ｍＭが好ましく、１〜６ｍＭがより好ましい。また、そのＣａ塩の濃度は、他の原料物質であるリン酸塩よりも過剰量が好ましく、より好ましくはリン酸塩の５／３倍程度である。
また、リン酸イオンを供給するリン酸塩としては、リン酸水素二アンモニウム、リン酸二水素アンモニウム、リン酸水素二カリウム、リン酸二水素カリウム、リン酸三カリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸二水素ナトリウム、リン酸三ナトリウムなどを用いることが出来るが、安定性、潮解性および水溶液のｐＨなどを考慮した場合、リン酸水素二ナトリウムを用いることが好ましい。
【００１６】
本発明においては、プロトンドナーとなる成分とプロトンアクセプターとなる成分を有する有機高分子マトリックスを、陽イオンとプロトンドナー性とプロトンアクセプター性を有する陰イオンを含む鉱物の原料水溶液に浸漬し、当該有機高分子マトリックスの内部に鉱物を形成するものであるが、溶液中のイオンの活動度積を低下させる効果を持つ理由から、前記両イオンを含む水溶液に高分子電解質を添加しておくことが好ましい。これにより結果的に溶液中のイオン濃度を高めることが出来る。
【００１７】
高分子電解質としては、イオン性高分子化合物またはその塩が用いられ、例えば、ポリアニオンとしては、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、水溶性カルボキシメチルセルロース、ポリスチレンスルホン酸、ポリアスパラギン酸などの合成高分子やアニオン性の生物由来タンパク質、多糖、糖タンパクを用いる。或いは場合によってはそれらの混合物や共重合物を用いることが出来る。ポリカチオンとしては例えばポリアリルアミン、ポリエチレンイミン、キトサンなどや生物由来のカチオン性タンパク質、多糖、糖タンパクを用いる。或いは場合によってはそれらの混合物や共重合物を用いることができる。
【００１８】
高分子電解質の濃度は、例えばＨＡＰの場合には水溶液中でＨＡＰが析出して懸濁状態で浮遊し、ＨＡＰ／高分子複合体の形成に悪影響を及ぼさない量である。一般的にはポリマーの繰り返し単位濃度で０．０１〜２ｍＭが好ましく、０．０５〜１ｍＭがより好ましい。これ以上の多量を用いた場合でも析出物を得ることは可能であるが、同時に液体中に沈殿物が生成するし高分子マトリックス表面に析出物が形成されて内部にまで形成が起きないという問題があるから、必要以上に高濃度のものを用いるのは効率が低い。
【００１９】
本発明の複合体は、従来のものとは異なり、有機高分子としてプロトンドナーとなる成分とプロトンアクセプターとなる成分を有する有機高分子マトリックスを用いたことから、当該マトリックスの内部に鉱物が強固に結合、充填・形成されたものとなる。
また、この有機高分子マトリックスと鉱物との複合体は、鉱物を構成する原料となる陰イオンが水素結合により有機高分子マトリックス内部に吸着すると同時にその陽イオンが静電引力によりマトリックス内部に取り込まれ、これにより有機高分子マトリックスは超分子コンプレックスへと組み替えられ。これが前駆体となる。そして、この前駆体である超分子コンプレックスが相転移して有機高分子マトリックスと鉱物の固溶体を形成することから得られた固溶体は、鉱物が、たとえば、ヒドロキシアパタイトである場合には人工骨等の生体材料や骨芽細胞培養用プレートなどに、炭酸カルシウムの場合には海苔糸状体培養基板などに、珪酸ナトリウムの場合には酸素透過性コンタクトレンズなどとして利用することができる。
【実施例】
【００２０】
以下実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこの実施例により何ら限定されるものではない。
【００２１】
実施例１
［ＨＡＰ形成用水溶液の調製］
平均分子量約２０００のポリアクリル酸（ＰＡＡ）を高分子電解質として用いて、ＰＡＡをモノマー単位で０．１３９ｍＭ、塩化カルシウムを５ｍＭ、リン酸水素二アンモニウムを３ｍＭ、ＮａＣｌを１４０ｍＭ含みＴｒｓ−ＨＣｌバッファでｐＨを７．４に調整したＨＡＰ形成用水溶液２００ｍＬを用意した。
［有機高分子マトリックス（ＰＶＡ／ＰＡＡ）の調製］
重合度約２０００のＰＶＡを1ｗｔ％含む水溶液と分子量約２５０，０００のＰＡＡを１ｗｔ％含む水溶液を同量混合し、良く攪拌した後シャーレに注ぎ乾燥させた。乾燥後、出来た膜をはがし１１０℃で１時間加熱架橋した。
［ＰＶＡ／ＰＡＡ−ＨＡＰ複合体の製造］
この高分子基板膜、乾燥重量でM0=１１．０ｍｇを３０℃に保った上記水溶液に浸漬した。膜は溶液中で膨潤し、T=２４時間浸漬した後、乾燥したところ元の乾燥基板膜に対してΔM=５．９ｍｇの重量増加を得た。得られたＨＡＰ／高分子複合体のＨＡＰ率を、
ＨＡＰ率（％）：W＝１００×ΔM／M
で評価すれば、W=３４．９％となる。ただしここにMは得られた有機無機固溶体の乾燥重量である。この複合体は透明であり湿潤状態では図１の様に柔軟であった。図１は複合体をピンセットの片側に載せたものであり、半分に曲がって垂れている状態を表している。
同様の方法で乾燥重量M0=７．５ｍｇの基板膜を３３３時間浸漬した後、乾燥したところ元の乾燥基板膜に対して１９．７ｍｇの重量増加を得た。ＨＡＰ率はW=７２．４％となる。この複合体も図２の様に透明であったが柔軟性はなかった。図２では、左側が乾燥基板膜、右側が乾燥状態での複合体膜を表している。また透明であることを表すために、台紙に文字を印刷してある。
この場合のＨＡＰ／高分子複合体の形成過程を把握するために時間経過を追って複合体の重量増加と水中での膨潤度を測定して図３に模式的に表した。ここでM’は水中での膨潤状態での重量を表す。この図はすなわち以下のことを示している。複合体の重量増加に伴い複合体の膨潤度は低下し、充分時間が経過した後は重量増加は停止すると言える。この時点では有機高分子マトリックス内部は殆どＨＡＰで占められていると考えられる。
図４は複合体を粉砕し粉末Ｘ線回折を行った結果である。これよりＨＡＰと同じ結晶格子を持つことが確認された。ＩＣＰ分析によれば［Ｃａ］／［Ｐ］＝１．７２となりＨＡＰの理論値１．６７に近く、両分析より生成物はＨＡＰと確認した。
【００２２】
実施例２
［ＣＭＣ−ＨＡＰ複合体の製造］
カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）ナトリウム塩、（Ｃ６Ｈ９Ｏ４−ＯＣＨ２ＣＯＯＮａ）ｎ、ｎ＝ｃａ  ５００、を１％水溶液からシャーレに製膜し乾燥後、塩酸に浸漬洗浄してＮａを除去した膜を用意した。
上記膜M0=１６．５ｍｇを実施例１で用いたと同じ組成の水溶液にT=１１９時間浸漬することにより２３ｍｇの重量増加を得、ＨＡＰ率W=５８．２％を得た。図５に示したように、粉末Ｘ線回折により結晶格子はＨＡＰと一致し、ＩＣＰ分析により［Ｃａ］／［Ｐ］＝１．７を得た。これらによりＨＡＰであると確認された。
【００２３】
実施例３
［キトサン／ＰＡＡ−ＨＡＰ複合体の製造］
重合度約１０００のキトサンを１ｗｔ％、蟻酸を３．５ｗｔ％含む水溶液と分子量約２５０，０００のＰＡＡの１ｗｔ％水溶液を２：１の比率で混合攪拌した液をシャーレに注ぎ乾燥させた。これによりキトサン／ＰＡＡ膜を得た。
上記膜M0=１２．８ｍｇを実施例１で用いたと同じ組成の水溶液にT=３３４時間浸漬することによりΔM=１４．７ｍｇの重量増加を得、ＨＡＰ率W=５３．５％を得た。図６に示したように、粉末Ｘ線回折により結晶系はＨＡＰと一致し、ＩＣＰ分析により［Ｃａ］／［Ｐ］＝１．８を得た。これらによりＨＡＰであると確認された。
【００２４】
実施例４
[ＰＶＡ／ＰＡＡ−ＨＡＰ複合体の構造分析]
実施例１において、ＨＡＰをＰＶＡ／ＰＡＡ内部に形成させる場合、その途中経過時点（ＨＡＰ率W=６２．２％）での膜断面の元素分布をＥＤＡＸにより測定した結果を図７に示した。中心部はＨＡＰ形成相でありＣａ、Ｐ濃度がその外側より高くＣ濃度が低い。ここはＨＡＰ有機高分子の固溶体を形成しており図３の膨潤度に寄与しない。外側の相は膨潤に寄与する相であり、この溶液のｐＨ＝７．４ではリン酸イオンは主としてＨＰＯ４２−の形を取ることから図８の様な超分子コンプレックスを形成していると考えられる。このコンプレックスは本実験条件下では形成が進むにつれて不安定となり、やがてＨＡＰとＰＶＡ／ＰＡＡの固溶体へと相転移している。両相での不連続な変化は相転移であることの証拠である。
なお、この様なＨＡＰ／有機高分子マトリックスの固溶体の形成原理はＨＡＰに限定されるものではなく、他の鉱物でも同様に可能である。例えば炭酸カルシウムの場合は炭酸水素イオンが水素結合により有機超分子を構成しこれが加水分解により相転移を起こすことにより炭酸カルシウムと有機高分子の固溶体が形成される。また二酸化珪素はメタケイ酸水素イオンが水素結合により超分子を構成しこれが脱水することにより相転移を起こし二酸化珪素と有機高分子の固溶体が形成される。陽イオンも原理上Ｃａに限定されることはない。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明により得られた複合体は、予め任意の形態を付与された有機高分子マトリックスと鉱物の固溶体を形成しており、人工骨などの生体材料或いは骨芽細胞培養用のプレートなどに利用可能である。また透明性を利用して、ソフトとハードの中間の性質を持ったコンタクトレンズへの利用が可能である。さらには軽量高強度複合材料として利用される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施例１で得られたＰＶＡ／ＰＡＡ−ＨＡＰ複合体（ＨＡＰ率W=３４．９％）の湿潤状態での写真である。
【図２】実施例１で得られたＰＶＡ／ＰＡＡ−ＨＡＰ複合体（ＨＡＰ率W=７２．４％）の乾燥状態での写真である。
【図３】実施例１で得られたＰＶＡ／ＰＡＡ−ＨＡＰ複合体の重量増加と膨潤度の変化を示すグラフである。
【図４】実施例１で得られたＰＶＡ／ＰＡＡ−ＨＡＰ複合体の粉末Ｘ線回折図である。
【図５】実施例２で得られたＣＭＣ−ＨＡＰ複合体の粉末Ｘ線回折図である
【図６】実施例３で得られたキトサン／ＰＡＡ−ＨＡＰ複合体の粉末Ｘ線回折図である。
【図７】実施例４で得られたＰＶＡ／ＰＡＡ−ＨＡＰ複合体（ＨＡＰ率W=６２．２）の断面の元素分布図である（ＥＤＡＸ）。
【図８】実施例４で得られたＰＶＡ／ＰＡＡ−ＨＡＰ複合体（ＨＡＰ率W=６２．２）の構造の説明図である。
【図３】
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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８】
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【図１】
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【図２】
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