(57)【要約】【課題】  温和な反応場でリン酸ソースとＣａ2+とを反応させることにより、比表面積が極めて大きなナノファイバー状のHApを得る。【解決手段】  リン酸含有ゼラチンゲルにＣａ2+含有溶液を接触させ、プロトンＨ+とのイオン交換によりＣａ2+をゼラチンゲルに拡散させ、リン酸水素カルシウム水和物を生成する。DCPDの結晶水を除去した後、アルカリ処理することによりHApが合成される。ゼラチンゲルへの添加物やアルカリ処理液によってHApを形態制御できる。【選択図】      図２７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リン酸又は水溶性リン酸塩をゼラチンゲルに均一分散させたリン酸含有ゼラチンゲルを用意し、
Ｃａ2+含有溶液をリン酸含有ゼラチンゲルに接触させてＣａ2+含有溶液からゼラチンゲルにＣａ2+を拡散させ、Ｃａ2+とリン酸又はリン酸塩との反応で反応生成物(リン酸水素カルシウム二水和物：DCPD)を生成させると共に反応に寄与しないゼラチンゲルをゾル化し、
ゾル化したゼラチンゲルを濾別したゼラチン含有反応生成物を乾燥して、リン酸水素カルシウム二水和物(DCPD)を無水リン酸水素カルシウム(DCP)に変化させ、
次いで、無水リン酸水素カルシウム(DCP)をアルカリ処理することを特徴とするナノ格子状又はナノファイバー状ヒドロキシアパタイトの製造方法。
【請求項２】
Ｃａ2+含有溶液との接触処理に先立って、リン酸含有ゼラチンゲルを流動性のない弱酸性に調整する請求項１記載の製造方法。
【請求項３】
無水リン酸水素カルシウムをｐＨ１３以上のアルカリ液で処理し、ヒドロキシアパタイトのナノファイバーが格子状に絡み合った多孔質階層構造にする請求項１記載の製造方法。
【請求項４】
無水リン酸水素カルシウムをｐＨ９〜１１のアルカリ液で処理し、ヒドロキシアパタイトの微結晶がａ軸及びｃ軸方向に成長したナノファイバーにする請求項１記載の製造方法。
【請求項５】
ナノファイバー状の無水リン酸水素カルシウムが格子状に絡み合った多孔質階層構造をもち、多孔質階層構造の内部及び表面にゼラチンが存在していることを特徴とするヒドロキシアパタイト製造用中間体。
【請求項６】
含有率：１〜８質量％でゼラチンが多孔質階層構造の内部及び表面に存在している請求項５記載のヒドロキシアパタイト製造用中間体。
【請求項７】
無水リン酸水素カルシウムをｐＨ１３以上のアルカリ液で処理し作製されたヒドロキシアパタイトであり、無水リン酸水素カルシウムの内部構造を引き継いでナノファイバーが格子状に絡み合った多孔質階層構造をもっていることを特徴とするナノ格子状ヒドロキシアパタイト。
【請求項８】
無水リン酸水素カルシウムが請求項５又は６記載の中間体である請求項７記載のナノ格子状ヒドロキシアパタイト。
【請求項９】
無水リン酸水素カルシウムをｐＨ９〜１１のアルカリ液で処理し作製されたヒドロキシアパタイトであり、ナノメータオーダの径をもっていることを特徴とするナノファイバー状ヒドロキシアパタイト。
【請求項１０】
無水リン酸水素カルシウムが請求項５又は６の中間体である請求項９記載のナノファイバー状ヒドロキシアパタイト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工歯根，人工骨等の医療用材料，イオン交換体，蛋白質吸着剤，触媒等としての展開が期待されるヒドロキシアパタイトを製造する方法，ナノファイバー状又はナノ格子状ヒドロキシアパタイト製造に好適な中間体及びナノ格子状ヒドロキシアパタイトに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から生体材料として用いられている金属，セラミック，高分子等は、生体適合性，親和性，化学的安定性，機械的強度等を十分に満足していない。これに対して、ヒドロキシアパタイト(HAp：Ca5(PO4)3OH)や類似組成のリン酸カルシウム系化合物は、優れた生体適合性，親和性，蛋白質吸着性を示すことから生体機能材料として医療分野への応用が期待されている。
なかでも、HApは、脊椎動物の歯や骨を構成する無機物の主成分であり、生体骨と直接結合できる程度に高い生体親和性を示すので人工骨として多用されている。Ｃａ2+とリン酸イオンが高密度で規則配列した両性イオン交換体でもあり、蛋白質、拡散、細胞等を選択吸着する静電相互作用に着目し、クロマトグラフィー用充填剤，イオン交換体材料等、種々の機能性材料への応用が期待されている。
【０００３】
HApの合成には、水熱合成，均一沈殿，リフラックス法，寒天ゲル法，アルギン酸塩紡糸等の方法が採用されているが、結晶生成工程の制御が十分でないため構造が不均質で十分な微細化が実現できず、取扱いが容易で実用に耐える大きな比表面積で均質のナノファイバー状HApを形成できなかった。
たとえば、特許文献１では、ゼラチンのスラリー中で顆粒状に成長させたα-リン酸三カルシウムを飽和水蒸気下で水熱処理することによりHApの針状粒子を合成している。水熱合成法では粉末状のHApが得られるが、水熱雰囲気下で結晶成長が進行するため結晶粒径や集合状態を制御できず、作製可能な微細結晶粒に限界がある。しかも、階層化した構造にならないため、付与できる機能も制約される。
【特許文献１】特開2004-315299号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
欠陥のないHAp結晶を得るためには、水熱合成に代わる合成法が必要である。本発明者等は、欠陥導入が水熱合成時の高温雰囲気や結晶の急速成長に原因があると考え、HAp結晶に与える熱影響が少なく温和な環境下で反応が進行するゲル法に着目し、反応過程がHApの形態に及ぼす影響を種々調査・検討した。その結果、水溶性蛋白であるコラーゲン(ゼラチン)のゲルを用い、ゼラチンゲルを反応場として合成するとき、結晶成長の高度制御が可能となり、従来法では得られなかった結晶性が高く均質なナノファイバー状HApが得られることを見出した。
【０００５】
本発明は、ゼラチンゲル中でリン酸水素カルシウムが特異形態の結晶に成長する知見をベースに、リン酸水素カルシウム結晶の成長後にゼラチンゲルを除去してアルカリ処理することにより、人工歯根，人工骨，細胞の足場等の生体材料や吸着剤として有用なHApを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、次の工程を経てヒドロキシアパタイトを製造する。
・リン酸又は水溶性リン酸塩をゼラチンゲルに均一分散させたリン酸含有ゼラチンゲルを用意
・Ｃａ2+含有溶液をリン酸含有ゼラチンゲルに接触させる。Ｃａ2+がＣａ2+含有溶液からゼラチンゲルに拡散してリン酸又はリン酸塩と反応し、リン酸水素カルシウム二水和物(DCPD)が生成する。DCPDの生成に伴い、ゼラチンゲルが流動性の高いゾルになる。静置接触に先立って、リン酸含有ゼラチンゲルを流動性のない弱酸性に調整しておくことが好ましい。
【０００７】
・ゾル化したゼラチンを濾別すると、反応生成物であるDCPDが得られるが、該DCPDの内部及び表面にはゼラチンが存在している。このゼラチン含有反応生成物を１００℃未満(好ましくは、７０℃未満)の温度で乾燥すると、DCPDが無水リン酸水素カルシウム(DCP)に変化する。
・作製したDCPをアルカリ処理する。ｐＨ１３以上のアルカリ液で処理するとヒドロキシアパタイトのナノファイバーが格子状に絡み合った多孔質階層構造をもつヒドロキシアパタイト，ｐＨ９〜１１のアルカリ液で処理すると微結晶がｃ軸方向に成長したナノファイバー状のヒドロキシアパタイトが得られる。
【０００８】
乾燥後に得られる中間体は、ナノファイバー状のDCPが格子状に絡み合った多孔質階層構造をもち、多孔質階層構造の内部及び表面にゼラチンが存在している。ゼラチンは、DCPDの脱水反応を促進させ、従来の合成法からは予測できない内部構造をもつDCP，ひいてはHApが生成する原因である。好ましくは、含有率：１〜８質量％でゼラチンが多孔質階層構造のDCPに含まれている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明者等は、リン酸を含むポリアクリル酸のゲルを反応場としてHAp結晶を生成させると、層状構造の結晶が成長することを発表している（非特許文献１）。発表した方法では、重合前のモノマー溶液にリン酸水素二アンモニウムを添加し、予めリン酸イオンを含むポリアクリル酸のハイドロゲルを用意する。
ハイドロゲルにＣａ2+含有溶液を載せ、Ｃａ2+をゲル中に拡散させると、温和な環境下で反応が進行するため欠陥の少ないリン酸カルシウム結晶がポリマー内部に析出する。Ｃａ2+の拡散方向に沿って十数μｍの層状にリン酸カルシウム結晶が析出するので、リン酸カルシウム結晶が有機高分子(ポリアクリル酸)と三次元的に絡み合った階層構造をもつ有機・無機複合体が得られる。
【非特許文献１】Chemical Communications (2003) 1952-1953
【００１０】
ポリアクリル酸を用いたHApの合成ではポリアクリル酸のゲルが丸ごと固まって有機高分子-アパタイト複合体となり、有機高分子(ポリアクリル酸)と三次元的に絡み合った状態からHApを分離することは容易でない。そこで、ポリアクリル酸に代え、種々の有機物のゲルを反応場に使用してみた。
ゼラチンゲル内部でリン酸カルシウム結晶を合成させると、内部に数％のゼラチンを含むリン酸水素カルシウム二水和物(DCPD：CaHPO4・2H2O)の結晶が得られ、リン酸カルシウム生成時のイオン交換反応でゾル化したゼラチンが反応生成物から容易に分離できる。ゼラチン含有DCPD結晶を６０℃で乾燥すると無水リン酸水素カルシウム(DCP：CaHPO4)に変化する。
【００１１】
DCPは、結晶が規則的に並んだ複雑な網目状の多孔質階層構造をもっている。DCPの多孔質階層構造は、反応条件を変化させることにより制御できる。このDCPを比較的高いｐＨでアルカリ処理すると多孔質階層構造を引き継いだ構造のHAp結晶が得られ、低ｐＨでアルカリ処理すると微結晶がｃ軸方向に成長した幅：数ｎｍ〜数十ｎｍのナノファイバー状HApが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
反応場としてのゼラチンゲルは、種々の水溶性蛋白を水に分散させてゲル化することにより用意される。水溶性蛋白の種類に特段の制約が加わるものではないが、リン酸カルシウム結晶の表面にあるＣａ2+と相互作用し、その形態を変化させる上で、物理的架橋がなく動ける状態のカルボキシル基含有有機高分子等が好ましい。代表的には、関東化学から「鹿一級」として市販されているゼラチン粉末が使用される。
【００１３】
ゼラチンゲルに、リン酸ソースとしてリン酸，水溶性リン酸塩の一種又は二種以上が添加される。リン酸ソースはゼラチンゲルに均一分散し、ゼラチンゲルとの間に特別な結合は生じない。反応場のｐＨ調整を容易にする上ではリン酸二水素アンモニウムＮＨ4Ｈ2ＰＯ4，リン酸水素二アンモニウム(ＮＨ4)2ＨＰＯ4が好適なリン酸ソースである。リン酸ソースは、HAp結晶に必要な量のリン酸根を確保する上でゼラチンゲルに５質量％以上添加する必要があるが、３０質量％を超える過剰添加はゼラチンの均一溶解を阻害し生成ゲルを不均質化する虞がある。
【００１４】
リン酸含有ゼラチンゲルにＣａ2+含有溶液を接触させると、ゼラチンゲルにＣａ2+が拡散する。Ｃａ(ＮＯ3)2・４Ｈ2Ｏ，ＣａＣｌ2等、種々のＣａ2+を含む溶液を使用可能であるが、Ｃｌ-等の不純物が混入する虞のない硝酸カルシウムＣａ(ＮＯ3)2が好ましい。溶液のＣａ2+濃度は、反応をスムーズに進行させるため好ましくは２.０〜１０.０モル／ｌの範囲に調整される。
【００１５】
Ｃａ2+含有溶液を用いた接触処理に際し、適度な硬さをもち流動性のないゲルとするためリン酸含有ゼラチンゲルを弱酸性で室温程度に維持する。ｐＨ調整には、合成されたHAp結晶に不純物が持ち込まれないようにトリス塩酸の使用が好ましい。因みに、ＣａＣｌ2溶液でｐＨ調製すると、反応生成物に塩素が取り込まれやすい。セラチンゲルの上に載せるＣａ2+含有溶液は、同様にトリス塩酸でｐＨ７.５程度に調整される。
【００１６】
接触処理には、たとえばリン酸含有ゼラチンゲルの上にＣａ2+含有溶液を置く静置接触方式が採用される。静置接触により、Ｃａ2+含有溶液から拡散したＣａ2+がリン酸含有ゼラチンゲルのプロトン(Ｈ+)とイオン交換する。イオン交換によってDCPDが生成し、ゼラチンゲル中のプロトン(Ｈ+)が減少し、ゼラチンゲルがゾル(溶液)化する。ゾル化は、ゼラチンを構成するアミノ酸の-Ｃ=Ｏと-ＮＨが水素結合を介して架橋した構造における水素結合がＣａ2+で切断されて架橋構造が解ける結果と考えられる。
生成したDCPDは沈殿となり、ゾル化したゼラチンから濾別できる。
【００１７】
ゼラチンから分離されたDCPDを乾燥すると、結晶表面に付着残留しているゼラチンによって結晶水が引き抜かれた無水物(DCP)になる。結晶水の引抜きが円滑に進行することも、ゼラチン使用の効果である。乾燥温度は、脱水促進剤として有効なゼラチンを次のアルカリ処理工程でも確保するため、２００℃以下が好ましい。２００℃を超える乾燥温度ではゼラチンの熱分解が懸念される。
【００１８】
脱水前後でマクロ形態に変化はみられないが、DCPの内部にナノスケールの格子状多孔質構造がFESEMで観察される。この状態でのゼラチンはマクロには観察されないがミクロ的にはDCPの表面を覆っており、ゼラチンのＣＯＯ-が結晶表面のＣａ2+と静電気的に結合していると考えられる。すなわち、ＣＯＯ-とＣａ2+との相互反応によってゼラチンが特定のDCP表面に吸着し、DCPDがDCPに転移する際に微細構造が形成される。
【００１９】
ゼラチンは、DCPDから結晶水を取り除くのに有効であり、好ましくは１〜８質量％の割合でDCPDの表面及び内部の双方に存在している。かかるゼラチンの存在は、リン酸含有ゼラチンゲルとＣａ2+含有溶液との接触処理によって初めて得られ、ナノファイバーが格子状に絡み合った多孔質階層構造を形成する要件である。幅：２０〜５０ｎｍ，長さ：数μｍのナノファイバーを作製する上でも、所定量のゼラチン存在が有効である。
【００２０】
次いで、DCP(ＣａＨＰＯ4)をアルカリ処理すると、式(１)の反応に従ってHAp(Ｃａ5(ＰＯ4) 3ＯＨ)が生成する。
5ＣａＨＰＯ4＋Ｈ2Ｏ → Ｃａ5(ＰＯ4) 3ＯＨ＋2Ｈ3ＰＯ4  ・・・・(1)
アルカリ処理には、アンモニア水，水酸化ナトリウム溶液，水酸化カリウム溶液等が使用され、アルカリの種類や処理条件によって得られるHApの形態が異なる。
【００２１】
たとえば、ｐＨ１０のアンモニア水にリン酸水素カルシウムを３時間反応させると、結晶がｃ軸方向に成長し、ナノファイバー状のHApが得られる。ｐＨ１３.６の水酸化ナトリウム溶液で５分処理すると、式(1)の反応が急速に進行し、DCPの多孔質階層構造を引き継いだ格子状多孔質構造になる。何れの場合も、反応の進行に伴いｐＨ変動しやすいので適宜アルカリを補充することにより、反応条件の安定化を図る。アルカリ液のｐＨ値に応じてヒドロキシアパタイトの形態がナノファイバー状，ナノ格子状の間で変化するが、ｐＨ１２以上ではナノ格子状形態が強く現れ、ｐＨ９〜１１ではナノファイバー状形態が強く現れる。
【００２２】
合成されたHAp結晶は、コラーゲン繊維に近似する線径：２０〜５０ｎｍの微細繊維が複雑に絡み合った多孔質階層構造又は長さ数μｍのナノファイバー状になっている。何れも微細で溶解しやすく強度も高いため、骨欠損部の充填材，細胞培養用スキャホールドとして有用である。また、溶媒が透過しタンパク質等が吸着しやすい階層構造のHAp結晶は、クロマトグラフィ材料，イオン交換材料，フィルター等としての用途展開も期待できる。
【実施例】
【００２３】
〔ゼラチンゲル，Ｃａ2+含有溶液の用意〕
純水：４５ｍｌにＮＨ4Ｈ2ＰＯ4：６.３ｇ(１.２モル／ｌ)を溶解し、約７０℃に加熱した溶液にゼラチン粉末（鹿一級：関東化学製）：５.０ｇを加え、完全溶解させた。調製された前駆溶液をサンプル管に２０ｇ採取し、４℃の冷蔵庫内に１日保持することによりリン酸イオン含有ゼラチンゲルを用意した。
Ｃａ2+含有溶液は、Ｃａ(ＮＯ3)2・４Ｈ2Ｏ：４.０モル／ｌとなるように硝酸カルシウム水和物を純水：５０ｍｌに添加し、１０分攪拌した後、トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン：０.１ｇ，０.１Ｍ塩酸でｐＨ７.５に調整することによりカルシウム緩衝液とした。
Ｃａ2+含有溶液をゼラチンゲルに接触させてＣａ2+を拡散させた後、乾燥，アルカリ処理を経てHApを合成するが、各工程で生成したDCPD，DCP又はHAp結晶の物性を次の方法で適宜調査した。
【００２４】
・Ｘ線回折
粉砕した生成物を試料ホルダーに固定し、Ｃｕターゲットを用いた５０ｋＶ，１００ｍＡのＸ線回折で結晶を同定した。板状の結晶については、広い面を試料ホルダーと平行にして両面テープで試料ホルダーに押し付け、結晶学的な方位を推定した。
・FESEM観察
アルミニウム製試料ホルダーの上面に導電性両面テープでサンプルを接着し、Ａｕ-Ｐｔ合金を蒸着した。蒸着後のサンプルを走査型顕微鏡の試料ステージに載置し、FESEM画像を撮影した。
【００２５】
・FETEM観察
十分に乾燥させた生成物を粉砕し、少量を純水に入れて十分に分散させた。分散液を銅メッシュに滴下し、常温で作製したサンプルを透過型電子顕微鏡にかけ、FESEM画像を撮影した。
・赤外吸光度測定(FT-IR)
生成物から作成されたペレットを赤外分光光度計にかけ、波数領域：４００〜４０００ｃｍ-1の赤外線透過率を測定した。
【００２６】
・示差熱重量測定(TG-DTA)
粉砕した生成物を白金製の試料皿に載せ、昇温速度：５℃／分で８００℃まで加熱し示差熱重量を測定した。
・窒素吸着
試料を１１０℃で２時間脱気した後、窒素吸着機を用いて試料の細孔構造を調査した。測定には、０.０１〜０.９９の範囲で相対圧を変化させて吸着等温線を作成し、得られたデータを基にBET法で比表面積を求めた。
【００２７】
〔接触処理〕
ゼラチンゲル：２０ｇの表面を純水で洗浄した後、Ｃａ2+含有溶液：２０ｍｌをゼラチンゲルに静かに載せ、２５℃で接触処理した。リン酸イオンを含むゼラチンゲルは黄色く透明であったが、Ｃａ2+含有溶液を載せるとゼラチンゲル／Ｃａ2+含有溶液の界面が瞬時に白濁した。界面の白濁はＣａ2+の拡散，ひいてはゲル内部での結晶生成を意味する。
【００２８】
接触時間が長くなるに従って、ゼラチンゲルの流動性が高くなりゾル化した。ゼラチンゲルのゾル化は、結合が非常に弱い水素結合を介してアミノ酸の-Ｃ=Ｏと-ＮＨが架橋している構造がＣａ2+の拡散によって崩壊した結果と考えられる。
６時間の接触処理でゼラチンゲルが完全にゾル化し、結晶が沈殿となった。結晶を純水で洗浄することなく、ゾル化したゼラチンゲルから吸引濾過で分離した。濾別後に、大きさ約２ｍｍの無色透明な板状結晶が得られた。
【００２９】
板状結晶の断面をミクロ観察したところ、数百ｎｍの層間距離で多数の板状結晶が積み重なった階層構造をもっていた。図１のＸ線回折(XRD)パターンから、当該生成物はDCPDであり、(０１０)面を上にした板状結晶であることが判る。なお、図１の１０〜３０度にみられるブロードなピークは、試料を接着固定した両面テープに由来する。
【００３０】
次いで、生成物から作製されたペレットを赤外分光光度計にかけ、波数領域：４００〜４０００ｃｍ-1のIRスペクトルを測定し、ゼラチン粉末，Ｃａ2+含有ゼラチン，市販DCPDと比較した。
図２の測定結果にみられるように、ゼラチン粉末とＣａ2+を含むゼラチンではスペクトルが大きく異なっており、カルボキシル基-ＣＯＯＨのイオン化による影響が窺われる。
ゼラチンゲル内で合成されたDCPDでは、DCPDによる吸収の他に１３８０ｃｍ-1付近にゼラチンの-ＣＯＯ-とＣａ2+の結合に起因する吸収が必要に強く出ている。他方、市販DCPDでは、１３８０ｃｍ-1付近に吸収がみられない。
【００３１】
当該吸収は板状DCPD結晶の内部や表面にゼラチンが存在していることを意味し、ゼラチンゲルマトリックスを利用することにより新規な有機-無機複合体が合成された証拠である。１６５３ｃｍ-1，３０００〜３６００ｃｍ-1の吸収はDCPD内の結晶水に由来するものであり、この吸収がブロードになっていることは、合成されたDCPD結晶に含まれる結晶水が市販のDCPDより少ないことを示唆している。
【００３２】
〔乾燥〕
濾別したDCPD結晶を６０℃の恒温槽で１日乾燥すると、無色透明な板状結晶が約２ｍｍの板状マクロ構造を保ったまま白濁した。乾燥後のXRDパターンを示す図３から、６０℃乾燥によってDCPDがDCPに変化していることが確認される。なお、(a)の２０〜３０度にみられるブロードなピークはガラスに由来し、(b)の２０〜２５度にみられるブロードなピークは両面テープに由来する。
【００３３】
一般に、ＣａＨＰＯ4・２Ｈ2Ｏ(DCPD)→ＣａＨＰＯ4(DCP)＋２Ｈ2Ｏの脱水反応は１１５〜２１０℃で生じる反応であるが、本発明では６０℃の低温乾燥でDCPDがDCPに変化しており、DCPD内に存在しているゼラチンの脱水反応促進作用が窺われる。本来吸水性が強いゼラチン分子がDCPD結晶の内部に存在することによってＨ2Ｏ分子と強く結合する結果、低温でもDCPD結晶の水和水が奪われ、DCPDの脱水が促進されると考えられる。なお、板状結晶のXRDパターンでは(１００)が強く現れているが、粉砕したDCPD結晶では(０１０)が強く現れている。
【００３４】
図４に示す示差熱分析の結果は、２１０℃あたりまで吸着水の脱離に由来する約０.５質量％程度の重量減少，２１０〜４５０℃にかけてDCPからβ-Ｃａ2Ｐ2Ｏ7(２ＣａＨＰＯ4→Ｃａ2Ｐ2Ｏ7＋Ｈ2Ｏ)への転移に由来する重量減少を示している。９９.５質量％のDCPからＨ2Ｏが脱離すると９２.９質量％のβ-Ｃａ2Ｐ2Ｏ7が残るはずであるが、５００℃の時点では減少量が２質量％多い９０.９質量％となっている。反応式から計算される量よりも多い重量減少は、ゼラチンの熱分解が原因であると考えられ、乾燥前のDCPD結晶が約２質量％のゼラチンを含む有機・無機複合体であることを示している。
【００３５】
比較のため、ゼラチンを含まないDCP(市販のDCPDを２００℃で焼成することにより得られたDCP)の示差熱分析結果を図５に示す。この場合にも、２１０℃あたりまで吸着水の脱離に由来する約３.２質量％程度の重量減少，２１０〜４５０℃にかけてDCPからβ-Ｃａ2Ｐ2Ｏ7への転移に由来する重量減少が検出される。９６.８質量％のDCPからＨ2Ｏが脱離すると９０.３質量％のβ-Ｃａ2Ｐ2Ｏ7が残ることになり、５００℃の時点における重量と一致している。この対比からも、本発明に従って合成されたDCPD結晶に乾燥前の状態で約２質量％のゼラチンが含まれていることが推定できる。
【００３６】
６０℃乾燥後のIRスペクトルを示した図６は、１３８０ｃｍ-1付近にみられるゼラチンの-ＣＯＯ-とＣａ2+の結合による吸収が乾燥前と比較してＣａ2+を含むゼラチンに近い形になっていることを表し、ゼラチン／DCP結晶間の相互作用が弱まっていることを示唆している。１６５３ｃｍ-1，３０００〜３６００ｃｍ-1の結晶水に由来する吸収が乾燥後ではブロードになっていることからも、６０℃乾燥によるDCPD→DCPの変化が読み取れる。
【００３７】
６０℃乾燥で得られたDCP結晶をFESEM，FETEMで観察した結果を図７に示す。光学顕微鏡で白濁した板状結晶(a)として観察されたDCP結晶は、(b)〜(d)のSEM像で幅：２００ｎｍ，厚さ：２００ｎｍ，長さ：２〜５μｍの細かな板状結晶の集合体が網目状に積み重なった構造になっていた。個々の板状結晶を詳細に調査すると、更に２０〜５０ｎｍの細かい結晶が向きを揃えて並んだナノ格子が観察された。電子線回折の結果は＜００１＞，＜１００＞が強く出ており、ａ，ｃ軸方向に結晶成長した構造になっていることを示している。
【００３８】
ゼラチンゲルがDCPの結晶形態に及ぼす影響を比較調査するため、ゾル状のゼラチンにＣａ2+含有溶液を静かに載せて反応させた。この場合にも、Ｃａ2+の拡散に伴ってゼラチンゾル内で結晶が生成し沈殿した。濾過分離された結晶は、板状結晶ではなく約２０μｍの白い球状結晶であった。
比較試験から明らかなように、ゼラチンを含むDCPDの板状結晶を得る上でゲルマトリクスの存在が重要であることが判る。ゲルマトリクスの反応場でDCPDが大きな板状結晶に成長する理由は、ゾル，ゲル内で異なる物質移動に由来すると考えられる。すなわち、ゲル内での物質移動は拡散のみであるため、結晶核の生成や結晶成長は緩慢に進行する。その結果、結晶方位の優先度が強く現れた板状結晶に成長する。また、結晶の生成・成長に伴ってゲルからゾルに変化したゼラチンは移動自由度が高くなり、DCPD結晶内部に取り込まれ複合化される。
【００３９】
ゼラチンゾル内で生成した結晶にゼラチンが含まれていることは、IRスペクトル回折から確認できる。しかし、当該ゼラチンは、２００℃の焼成脱水による結晶内部の構造変化やXRDスペクトル回折から、結晶内部に取り込まれたものでなく結晶表面に付着したものであることが推定される。このことは、ゲル中に比較してゾル中で結晶の生成・成長が促進され、結晶内部にまでゼラチンが侵入できなかったことを意味する。
以上の結果から、ゼラチンゲルを反応場とすることにより、図７に示すナノ格子状の多孔質結晶構造をもち結晶内部にゼラチンを取り込んだDCPD結晶が作製され、ゼラチンがDCPD→DCPの転移を促進させて径：２０〜５０ｎｍの微細結晶が規則的，階層的に積み重なったナノ格子状の多孔質構造が形成されることが判る。
【００４０】
次いで、結晶内部に取り込まれたゼラチンの分布状態を検討する。
DCPD結晶は、図８に示すようにｂ軸と垂直方向に[ＣａＨＰＯ4]のシートが並び、シート間にＨ2Ｏ分子が挟まった構造になっている。ゼラチンを含むDCPD結晶のXRDパターン（図１）のDCPD(０２０)ピークを拡大した図９にみられるように、他のピークにシフトがなくDCPD(０２０)ピークの低角側への僅かなシフトから(０１０)面間隔の広りが窺われ、Ｈ2Ｏ層へのゼラチン侵入又はＨ2Ｏ分子のゼラチン置換が推測される。
【００４１】
ピークシフトした距離(２θ=０.４度)からブラッグの式ｎλ＝２ｄsinθに従って広がった大きさｄを計算すると、ｄ＝０.０４Åと算出される。この値は、ゼラチン分子の大きさに比較すると非常に小さく、DCPDのＨ2Ｏ層に挟まったゼラチンが(０１０)面間隔を拡げた原因でないことを意味している。したがって、ゼラチン分子が一部のＨ2Ｏ分子と置換していると考えられ、結晶水による吸収がブロードになり結晶中のＨ2Ｏ量が少なくなっているIRスペクトルの回折結果(図２)でも支持される。
【００４２】
ゼラチン分子が一部のＨ2Ｏ分子と置換しているとの前提で、ゼラチン置換率は次のように求められる。DCPDの分子量は１７２であり、そのうちＨ2Ｏ(=３６)が約２１質量％を占めている。生成したDCPD内に約２質量％のゼラチンが存在しているので、Ｈ2Ｏ層の約１０質量％がゼラチンで置換されている。このように置換率が約１０質量％と低いことから、XRDパターンのピークシフトが僅かであったと考えられる。
【００４３】
結晶内部に存在するゼラチンがDCPD→DCP転移に及ぼす影響は、ゼラチンから結晶を取り出す際に純水で十分洗浄したサンプルとの比較から解明できる。十分に純水洗浄したサンプルは、図１０(a)に示すように６０℃乾燥後も無色透明な板状結晶であった。当該結晶のFESEM像(b)には、乾燥前と同様なクラックが結晶表面に観察されたが一枚の板状構造であった。すなわち、純水洗浄した結晶を６０℃乾燥しても結晶構造に実質的な変化が生じておらず、ゼラチン存在下の構造変化を期待できない。ゼラチンが存在しない系では６０℃乾燥でDCPD→DCP転移が生じていないことも、XRDパターン（図１１）から確認できる。
【００４４】
純水洗浄したサンプルの示差熱重量の測定結果（図１２）は、２１０℃近傍までDCPDの脱水反応(ＣａＨＰＯ4・２Ｈ2Ｏ→ＣａＨＰＯ4＋２Ｈ2Ｏ)に由来する約９質量％の重量減少があり、２１０〜５００℃の温度域ではDCP→β-Ｃａ2Ｐ2Ｏ7の転移に由来する重量減少を示している。DCPの量９１.０質量％からＨ2Ｏが抜けると、８４.９質量％のβ-Ｃａ2Ｐ2Ｏ7が残るはずである。しかし、図１２では、４２５℃の段階で予測値より２質量％少ない８２.５質量％のβ-Ｃａ2Ｐ2Ｏ7が残っている。
余分な重量減少はゼラチンの熱分解に起因すると考えられるが、DCPDの脱水反応で２０質量％以上の重量減少が生じるはずであり、重量減少の計測値(９質量％)は予測値よりかなり少なくなっている。計測値，予測値のズレは、２１０℃の段階で結晶水が残っていることを示唆している。
【００４５】
ゼラチンの-ＣＯＯ-とＣａ2+との結合に由来する吸収は、純水洗浄したサンプルのIRスペクトル（図１３）でも検出され、結晶内におけるゼラチンの存在が窺われる。しかし、当該IRスペクトルを純水洗浄しないサンプルのIRスペクトル（b）と比較すると弱くなっており、結晶内に存在するゼラチンが純水洗浄で減少していることが判る。
また、純水洗浄したサンプルのXRDパターン(図１４)にはDCPDの(０２０)ピークの明確な低角側へのシフトが検出されなかったが、ブロードになっていることから(０２０)の面間隔が広がっていることが窺われる。
以上の結果から、DCPD結晶に含まれているゼラチンは純水洗浄で減少するものの、依然として結晶内に残存していることが判る。しかし、純水洗浄したDCPD結晶を６０℃乾燥しても，DCPD→DCP転移がほとんど生じていない。
【００４６】
DCPD→DCP転移の有無は、結晶内にゼラチンが存在しているにも拘わらずゼラチンが作用する場合と作用しない場合とがあることを示しており、DCPD結晶に存在するゼラチンが純水洗浄で減少したことに原因を求めることができる。結晶内に取り込まれたゼラチンが純水洗浄で除去されるとは考えにくいことから、純水洗浄で除去されるゼラチンは結晶表面にあるゼラチンであろう。
すなわち、純水洗浄していないDCPD結晶の表面にはゼラチンが存在しており、６０℃乾燥の際に結晶表面のゼラチンがDCPD→DCP転移を促す。この反応はゼラチンのある結晶表面から起こり、結晶表面での反応開始を契機として結晶内部まで反応が進行すると考えられる。他方，純水洗浄したDCPD結晶では、結晶表面にゼラチンが存在しないため表面での転移反応が起こらず、結晶内部にゼラチンがあるにも拘わらず６０℃乾燥後もほとんどDCPDのまま維持される。
【００４７】
純水洗浄で転移反応が生じ難くなることは、純水洗浄したDCPD結晶に後からゼラチンを載せ６０℃で乾燥する実験で確認できる。具体的には、約７０℃の熱水：４５ｍｌにゼラチン：５.０ｇを完全に溶解させて室温まで冷却したゼラチン溶液を用意し、純水洗浄したDCPD結晶にゼラチンを載せ、拡散反応で生じた結晶を吸引濾過で取り出し、６０℃で乾燥した。
乾燥後の生成物をX線回折して得られたXRDパターン(図１５)は、一部未反応のDCPDが残っていること及びDCPの生成を示している。このことから、ゼラチンをDCPD結晶に載せることによってもDCPD→DCPの転移反応が進行するといえる。
【００４８】
乾燥後の結晶は、図１６の(ａ)に示すように板状構造を維持したまま白濁しており、幅：２００〜５００ｎｍ，厚さ：１μｍ，長さ：５μｍの細かな板状結晶の集合体がナノ格子状に積み重なる多孔質構造(b)，(c)になっていた。したがって、DCPD結晶にゼラチンを後から載せても，純水洗浄しない場合と同様な結晶構造が生成した。多層構造をSEM，TEMで詳細に観察(d)〜(f)すると、５０〜２００ｎｍの微結晶集合体で個々の板が形成されていることが判った。
図１６の結晶を純水洗浄せずに得られた結晶(図７)と比較すると、内部構造を構成するユニットが全体的に大きくなっており、結晶に含まれるゼラチンの量が少ない影響が現れている。
【００４９】
以上の結果から、DCPD結晶表面にあるゼラチンが脱水反応に大きな影響を及ぼしていることが判る。具体的には、ゼラチンを後から載せることでDCPD結晶表面にゼラチンが付着するが、付着したゼラチンが結晶表面で脱水反応を生起させ、該反応の開始を契機として結晶内部でも脱水反応が生じ、結果として内部構造が大きく変化したといえる。したがって、DCPD結晶の脱水反応には、結晶内部だけでなく結晶表面にもゼラチンの存在が必要である。
【００５０】
純水洗浄したDCPD結晶を３５０℃で１時間焼成することによりDCPに転移させ、ゼラチンの存在状態がDCPDの多孔質構造形成に及ぼす影響を調査した。焼成後のXRDパターンからDCPへの転移を確認でき、SEM像でも多孔質な内部構造が観察された。DCPが多孔質の内部構造をもつことから、DCPD内部のゼラチンが結晶を微細化して多孔質構造を構築する作用を脱水時に発現したことが窺われる。
【００５１】
次いで、結晶内部に存在するゼラチンが脱水反応に及ぼす影響を次のように調査した。
約７０℃の熱水：４５ｍｌにゼラチン：５.０ｇを完全に溶解させ、室温まで冷却することによりゼラチン溶液を用意した。濾紙上のDCPD(市販品)にゼラチン溶液を載せ、Ｃａ2+拡散後に吸引濾過でサンプルを取り出した。サンプルを６０℃乾燥した後でＸ線回折したところXRDパターンからDCPD結晶であることを確認できたが、FESEM像からは構造変化が観察されなかった。この結果は、結晶表面にゼラチンが存在しているだけでは脱水反応が起こらず、結晶内部及び結晶表面の双方におけるゼラチンの存在が脱水反応の促進に必要なことを示している。
【００５２】
結晶内部及び結晶表面にあるゼラチンがDCPD→DCP転移を促進させた原因は次のように推測される。
まず、DCPDからDCPに転移するには、b軸と垂直方向に並んだＨ2Ｏの脱離が必要である(図８)。ゼラチンを含むDCPD結晶の６０℃乾燥で得られた結晶はＨ2Ｏ層の一部がゼラチンで置換された構造になっており、吸水性の高いゼラチン分子がＨ2Ｏ分子と強く結合するため、DCPD結晶内からＨ2Ｏ分子を奪う脱水反応が促進される。脱水反応に際し、DCPDは結晶方位を揃えたままでDCPに転移するが、内部には制御されたナノ格子状の多孔質構造が形成される。
【００５３】
６０℃乾燥の時間を変化させ所定の反応時間ごとにＸ線回折及びSEM観察することにより、DCPD→DCP転移反応の途中経過を観察した。図１７のXRDパターンから、反応時間を長くするほどDCPDの減少，DCPの増加がみられ、DCPD→DCP転移が反応時間に応じて進行していることが判る。図１８のFESEM像に示すように、乾燥３時間のサンプル(a)では、まだ密に詰まった板状結晶が検出され、板の側面が荒れていることも観察された。乾燥５時間のサンプル(b)では、大きな板状結晶の側面が微細化していることが確認でき、DCPD→DCP転移反応が結晶の側面から開始されることが読み取れる。更に乾燥時間を１８時間と長くしたサンプル(c)では、結晶内部まで進行した転移反応が観察された。
【００５４】
６０℃乾燥の経過時間に伴うXRDパターン，微細構造の変化は、DCPD→DCP転移反応が結晶の側面から始まっていることを示す。結晶側面とはｂ軸と平行な面であり、その垂直方向にＣａＨＰＯ4層及びＨ2Ｏ層が交互に並んだ層状構造が形成されている。結晶側面に転移反応の開始点があることは、Ｈ2Ｏ層内にあるゼラチンがDCPDからＨ2Ｏ分子を引き抜くことによって脱水反応が進行することを意味している。すなわち、図１９に示すように、転移反応は結晶全体でなく側面(表面)でのみ生起し、当該表面から結晶内部に向けて転移反応が進行したと考えられる。かかる転移反応の進行形態は、結晶表面におけるゼラチンの存在が脱水反応の促進に必要との推論にも一致する。
【００５５】
〔ナノ格子状多孔質階層構造の形成メカニズム〕
以上の結果から、DCPDの脱水反応がゼラチンで促進され、階層状の多孔質構造が内部に形成されることが判った。そこで、市販のDCPDからDCPを作製する比較試験により、多孔質階層構造が形成されるメカニズムを調査した。市販のDCPD結晶を２００℃で１時間焼成することにより得られたDCPは、図２０のXRDパターンにみられるように、焼成によってDCPに変化しており、板状のまま測定したところDCPの(０１０)，(００１)ピークが強く出ていた。
【００５６】
結晶構造の観察結果は，図２１に示すように焼成後もマクロな板状構造が維持されていることを示している。結晶断面にはＨ2Ｏの脱離痕であるクラックがｂ軸と垂直方向に延びていたが、焼成後のDCPもDCPDと同様な緻密板状構造を維持していた。ｂ軸方向に沿った結晶の厚さは、DCPDで約４μｍがDCPで約３μｍと小さくなっていた。結晶厚みの減少は、ｂ軸と垂直方向に存在するＨ2Ｏ層が抜けてDCPに変化したことを示している。市販DCPDの結晶構造と比較すると焼成で生成したDCPの大きさはｂ軸と垂直方向に関し約３／４減少しており、図８のモデルを元にした計算結果と一致している。
【００５７】
一般に、DCPD結晶は、図２２に示すように(０１０)面を上にし、側面に(００１)面をもった板状構造を取りやすい。DCPDの焼成で得られるDCPも同様な板状構造をもっていると考えられる。(００１)が強く出たXRDパターンは、試料ホルダーに板状結晶を押し付けたときに側面が上を向いた結果である。SEM観察の際に断面(側面)を上にした結晶が比較的多く観察されたことも、側面が上を向いた状態で板状結晶が試料ホルダーに押し付けられることを示している。
【００５８】
ゼラチンゲル内で生成したDCPD結晶を６０℃乾燥させると、２０〜５０ｎｍの小さな粒子が階層的に規則的に並んで積み重なったナノ格子状の多孔質構造をもつDCPが形成される。ナノ格子状多孔質構造を構成する２０〜５０ｎｍの小さなDCP粒子は、図２３に示すように角度１０４度の平行四辺形(ａ)の形状になっている。ＤＣＰ単位格子(b)のβ角が１０３.８度であることから、多孔質階層構造の微粒子は(０１０)面を上にしてａ，ｃ軸方向に延びた構造になっているといえる。板状結晶の集合体が多孔質階層構造を形成するときの交差角度はほぼ一定の値(約１０４度)をとっている。
【００５９】
以上の結果から、ナノ格子状多孔質階層構造が形成されるメカニズムを次のように説明できる。
多孔質階層構造を構成する最小単位の結晶は、図２４に示すように、(０１０)面を上にしa，c軸方向に延びたDCP微粒子(a)である。当該微粒子が向きを揃えて並ぶと、一枚の板状結晶ができる。更に板状結晶が集合し一定の角度で交差することにより、ナノ格子状多孔質構造(c)が形成される。板状結晶の交差角度は約１０４度であり、DCP単位格子のβ角にほぼ一致している。このことから、DCP微粒子にはａ軸方向とｃ軸方向に成長するものがあり、それぞれが結晶方位を揃えて積み重なることによりナノ格子状の多孔質階層構造が構築される。このような多孔質階層構造の構築は電子線回折結果とも一致しており、約１０４度の角度で微粒子がナノ格子状につながっている図２３のTEM像(d)も多孔質階層構造の形成メカニズムを支持している。
【００６０】
ゼラチンを含む系でDCPD→DCP転移を生起させると、ナノ格子状の多孔質階層構造をもつDCP結晶が生成するが、多孔質階層構造形成に及ぼすゼラチンの定量的な影響は次のように説明できる。
ゼラチンは種々のアミノ酸から構成される物質であるが、最も含有量の多いグリシン(-ＮＨ-ＣＨ2-ＣＯＯ-)nだけで構成されていると仮定する。２質量％のゼラチンを含むDCPの全体重量を１００ｇとすると、DCPは９８ｇ，ゼラチンは２ｇ含まれ、ｎ=１.６５×１０22個の-ＮＨ-ＣＨ2-ＣＯＯ-が存在することになる。一方、９８ｇのDCP(密度：２.９３ｇ／ｃｍ3)は総体積が３.３４×１０-5ｍ3と計算される。
【００６１】
幅：２００ｎｍ，厚さ：２００ｎｍ，長さ：２μｍの結晶の体積は８×１０-20ｍ3／個であるから、DCP９８ｇの中に４.２×１０14個の結晶があることになる。結晶の表面積は１.６８×１０-12ｍ2／個であるので、DCP９８ｇ(=４.２×１０14個)の総表面積は７.０×１０2ｍ2となり、比表面積では７.１ｍ2／ｇと計算される。比表面積の計算結果は、BET法による測定値２.２８ｍ2／ｇに比較すると若干大きいものの妥当な値である。
DCP９８ｇの総表面積７.０×１０2ｍ2を１.６５×１０22個の-ＮＨ-ＣＨ2-ＣＯＯ-が覆うと仮定すると、-ＮＨ-ＣＨ2-ＣＯＯ-一分子当り約４２.７Å2となる。この値は、直線状態として見積もった-ＮＨ-ＣＨ2-ＣＯＯ-の大きさ４.４４×２.１６=９.６Å2に比較すると若干大きいが、オーダー的には妥当な値である。
【００６２】
〔アルカリ処理：HApの作製〕
DCPD，DCPをアルカリ処理すると次式の加水分解反応が進行し、HApが得られる。生成したHApの形態は、アルカリ処理時のｐＨ値によって大きく異なる
５ＣａＨＰＯ4・２Ｈ2Ｏ→Ｃａ5(ＰＯ4)3ＯＨ＋２Ｈ3ＰＯ4
５ＣａＨＰＯ4＋２Ｈ2Ｏ→Ｃａ5(ＰＯ4)3ＯＨ＋２Ｈ3ＰＯ4
【００６３】
・高ｐＨ値のアルカリ溶液中で反応させた場合
高ｐＨ値のアルカリ液を用いた処理では、６０℃乾燥で得られたDCP結晶を１０質量％ＮａＯＨ水溶液(ｐＨ１３.６)に入れ、９５℃で５分反応させた。DCP結晶はアルカリ処理で当初のマクロな板状形態を維持したまま大部分がHApに変化していた。得られたHApを粉砕しＸ線回折したところ、図２５に示すようにHApの(００２)ピークが強く出ており、ｃ軸方向に成長したＨＡｐ結晶と考えられる。板状のまま測定した場合、(１１０)，(０１０)ピークが多少強く出たXRDパターンであった。生成したHAp結晶のIRスペクトル(図２６)にはゼラチンに由来する吸収ピークがなく、DCPD結晶内からゼラチンがアルカリ処理で完全除去されていることが確認される。
【００６４】
得られたHAp結晶は、図２７に示すように当初の板状形態(a)を維持したまま白濁していた。HAp結晶の内部構造をSEM観察すると、長さ２００〜５００ｎｍの針状結晶がナノ格子状に積み重なった構造になっていた。TEM像は、針状結晶が大きさ約２０ｎｍの楕円状微結晶が凝集した構造になっていることを示している。楕円状のHAp微結晶は、(００２)ピークが強く出たXRDパターンをもつことから、ｃ軸方向に伸びた構造になっているといえる。更に微結晶が向きを揃えて並んだTEM像から、図２８に示す階層構造の構築が推測される。
【００６５】
ところで、DCPDの(０１０)面のＣａ2+配置とHApの(０１０)面のＣａ配置とはほぼ合致していることから、DCPの(０１０)面とも一致すると考えられる。面方位の一致性は、図２９に示すように(０１０)面を上にした平板上DCPが結晶方位を揃えてHApに転移していることを意味し、マクロな板状形態が維持されていることからも支持される。
DCPのｃ軸は板面に対して横を向いており、得られたHApも針状結晶が寝ていることからｃ軸が板面に対して横を向いているといえる。したがって、DCPD→DCP転移は結晶方位を揃えて起こった反応といえる。ところで、ｃ軸に延びた楕円状微結晶が向きを揃えて針状結晶が構成されると考えるとｃ軸が交差することになり、針状結晶を構成する微結晶の並び方に二通り挙げられる。
【００６６】
第一の並び方は、DCP結晶の(１００)面と(００１)面の結晶構造が類似しており、HApに転移する際にDCPのa，c軸共にHApのc軸になる並び方であり、図３０にモデルを示す。
第二の並び方は、楕円状微結晶がc軸方向に並んだ針状結晶及び楕円状微結晶がａ軸方向に並んだ針状結晶が共存することに起因する並び方である。後者の場合、針状結晶の大きさや配向方向は、アルカリ処理前のナノ格子状多孔質構造を構成する板状結晶に依存すると考えられる。
【００６７】
そこで、HAp結晶のナノ格子状多孔質構造を構成する角度をみると、図３２に示すように針状HAp結晶が決まった角度で交差しており、交差角度はほぼ１０４度であったことから、アルカリ処理前のDCPの多孔質階層構造と同様の構造といえる。内部構造の類似性は、元の多孔質構造を引き継いでHApに転移したことを示唆している。更に、個々の針状結晶は約２０ｎｍの微結晶が向きを揃えて並んだ構造になっていることから、階層的といえる。この階層構造も、DCPがもっていた内部構造を引き継いだものである。
得られたHApの比表面積は６８.６ｍ2／ｇになっており、DCPの比表面積２.２８ｍ2／ｇに比較して非常に大きな値であった。比表面積の大幅な増大は、結晶サイズが小さくなり且つDCP結晶を覆っていたゼラチンがアルカリ処理で除去された結果、より多孔質の構造になったことを示す。
【００６８】
比較のため、市販のDCPD結晶を用いる以外は同様な条件下でHAp結晶を作製した。得られた結晶は、当初のマクロな板状構造を維持したままHApに完全転移していた。このHAp結晶を粉砕してＸ線回折したところ、HApの(００２)ピークが強く出たXRDパターン(図３３)が得られ、ｃ軸方向に成長したHAp結晶であることが窺われる。なお、板状結晶のままX線回折した場合、(００２)、(１０１)ピークは強く出ていたが(１１０)ピークのないXRDパターンであった。
【００６９】
当該HAp結晶のSEM像は、図３４に示すように、針状結晶が平たい面と垂直方向に並んだ構造を示した。これは、強アルカリ溶液(ｐＨ１３.６)と高温(９５℃)条件下で反応させたため、DCPD結晶の表面から反応が一気に進行し、表面と垂直な方向にｃ軸が成長したことを示唆している。二層に割れた構造(a)も多く観察されており、DCPD板状構造の上下両方から反応が進行し、厚み方向中心でぶつかって反応が止まったことを示唆している。二層に割れた構造をもつHApでは、結晶表面が乱れた構造(b)になっていた。
【００７０】
・処理時間が結晶構造に与える影響
１０質量％ＮａＯＨ水溶液(ｐＨ１３.６，９５℃）との反応時間を長くとり、反応時間がＨＡｐ結晶構造に及ぼす影響を調査した。３時間の反応で得られたHAp結晶は、長さ約５００nmの針状結晶がナノ格子状に積み重なった構造(図３５)をもっており、針状結晶は更に小さな結晶が向きを揃えて並んだ構造であった。図３５のSEM像は、反応時間を長くしてもHApの結晶構造に変化が生じないことを示している。
【００７１】
・反応温度が結晶構造に与える影響
完全にナノ格子状多孔質構造になったHAp結晶を作製する上では、反応速度が遅いほど好ましい。そこで、温度を３５℃に下げた１０質量％ＮａＯＨ水溶液(ｐＨ１３.６）にDCP結晶を浸漬し、１時間の反応後に取り出した。得られた結晶は、XRDパターンから全てHApに転移していることが判った。図３６のSEM像にみられるように全てナノ格子状の多孔質構造になっており、板表面と垂直方向に並んだ針状結晶(図３４）は観察されなかった。この結果は、低温で緩慢に反応させることにより、当初の多孔質階層構造を引き継いで比表面積が一層高いHApが得られることを示している。
【００７２】
・低ｐＨ値のアルカリ溶液中で反応させた場合
低ｐＨ値のアルカリ液を用いた処理では、合成されたDCP：０.３ｇを純水：１００ｍｌに入れ、ＮＨ4ＯＨでｐＨ１０に調製した後、９５℃で３時間ゆっくり攪拌することにより反応させた。反応継続中、ＮＨ4ＯＨを適宜追加することによりアルカリ液のｐＨ値を１０に保った。この方法でも、当初のマクロな板状構造が維持されたまま、図３７に示すようにHApに完全転移していた。高ｐＨ溶液中で作成したHAp結晶(図２５)と比較すると、XRDパターンがシャープになっており、温和な反応条件下で結晶性の高いHApが合成されたことが推察される。
【００７３】
得られたHAp結晶は、図３８に示すように幅：２０〜５０nm、長さ：２μｍ以上のナノファイバー状HAp結晶が凝集した構造になっていた。六角柱状の繊維(e)が観察されたことから、六方晶でｃ軸方向に延びた構造であることが判る。HAp結晶の比表面積は２３.２ｍ2／ｇであり、高ｐＨ値のアルカリ液中で作製したHAp結晶の比表面積(６８.６ｍ2／ｇ)に比較して小さな値であった。比表面積の低下は、低ｐＨ値のアルカリ溶液中では反応が緩慢に進行し、結晶が大きく成長したことに起因すると考えられる。
【００７４】
以上のようにして得られたＨＡｐ結晶は、マクロ的には大きな板状構造を維持し、ナノファイバー状結晶が集合した内部構造になっている。一般的な繊維状HAp合成法は水熱法や尿素を用いた均一沈殿法等であり何れも高温・高圧条件下の合成法であり、大気圧下９５℃という比較的低温での繊維状HApの作製は、本発明の他に例を見ない。しかも、従来報告されている繊維状HApは幅が小さくても数百ｎｍであり、本発明で得られる幅：２０〜５０ｎｍのHAp結晶は従来法から予測できる範囲を超えている。
【００７５】
ナノファイバー状HApは蛋白質吸着剤，イオン交換体，骨補填材，スキャホルド等の用途に応用される材料であり、コラーゲン繊維に近い幅であることから生体適合性，親和性等の機能や効率で優れた特性を期待できる。ナノファイバー状HApの構造は熱的にも安定している。たとえば、７００℃で焼成しても、図３９に示すように焼成前と同様なナノファイバー状構造が維持されており、熱が加わる環境下での使用に適したHAp結晶であるといえる。
【００７６】
比較のため、市販のDCPDを低ｐＨ値のアルカリ溶液中で処理することによりHApを作製した。XRDパターンからDCP→HApの転移が確認されたが、ナノ格子状多孔質構造をもつDCPから合成されたHApに比較して結晶性に劣っていた。図４０のSEM像も、薄膜状又は花弁状結晶が集合した内部構造を示しており、本発明と同様な内部構造のHApは作製されなかった。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
以上に説明したように、本発明に従って合成されたHApは、数十ｎｍの径をもつナノファイバー状HApが三次元的に絡み合った多孔質階層構造又はナノファイバーになっており、生体適合性を初め生体材料として優れた特性を備えている。また、極めて大きな比表面積を利用し、吸着剤，触媒，イオン交換材等、表面反応を促進させる用途への展開も期待される。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】Ｃａ2+の拡散でゼラチンゲル内に生成したDCPD結晶のXRDパターン
【図２】同DCPD結晶のIRスペクトルを市販DCPD結晶と対比したグラフ
【図３】同DCPD結晶の６０℃乾燥で得られたDCP結晶のXRDパターン
【図４】６０℃乾燥で得られたDCP結晶の示差熱分析結果を示すグラフ
【図５】ゼラチンを含まない市販DCPD結晶を２００℃で焼成して得たDCP結晶の示差熱分析結果を示すグラフ
【図６】ゼラチンの有無が６０℃乾燥で得たDCP結晶のXRDパターンに及ぼす影響を表したグラフ
【図７】６０℃乾燥後に得られたDCP結晶のマクロ組織，ミクロ組織を示す顕微鏡写真
【図８】ｂ軸と垂直な方向から見たDCPD結晶構造のモデル
【図９】純水洗浄したDCPD結晶のXRDパターンの(０２０)ピークを拡大したグラフ
【図１０】純水洗浄したDCPDの結晶構造を示す顕微鏡写真
【図１１】純水洗浄したDCPDのXRDパターン
【図１２】純水洗浄したDCPDの示差熱分析結果を示すグラフ
【図１３】純水洗浄の有無がDCPDのIRスペクトルに及ぼす影響を表したグラフ
【図１４】純水洗浄したDCPD結晶のXRDパターンの(０２０)ピークを拡大したグラフ
【図１５】純水洗浄したDCPD結晶にゼラチンを後から載せて作製したDCP結晶のXRDパターンをゼラチン搭載前後で比較したグラフ
【図１６】純水洗浄したDCPD結晶にゼラチンを後から載せて作製したDCP結晶のマクロ構造，ミクロ構造を示す顕微鏡写真
【図１７】６０℃での乾燥時間がDCP結晶のXRDパターンに及ぼす影響を表したグラフ
【図１８】６０℃での乾燥時間がDCP結晶の結晶構造に及ぼす影響を表した顕微鏡写真
【図１９】DCPD→DCPの転移反応を説明するモデル
【図２０】市販DCPDから作製したDCPのXRDパターン
【図２１】市販DCPDから作製したDCPの顕微鏡写真
【図２２】板状のDCPD結晶とDCP結晶との面方位関係を説明する図
【図２３】ナノ格子状の多孔質階層構造をもつDCP結晶の説明図
【図２４】ナノ格子状の多孔質階層構造が形成される過程を説明する図
【図２５】高ｐＨ値のアルカリ溶液を用いた処理で作製されたHAp結晶のXRDパターン
【図２６】作製されたHAp結晶のIRスペクトルを標準HApと対比したグラフ
【図２７】作製されたHAp結晶のマクロ構造，ミクロ構造を示す顕微鏡写真
【図２８】多孔質階層構造をもつHAp結晶のモデル
【図２９】板状のDCP結晶とHAp結晶における結晶方位の関係を説明する図
【図３０】ｃ軸が交差して並ぶことで階層構造が形成される説明図
【図３１】結晶方位を揃えて微結晶が並ぶことで階層構造が形成される説明図
【図３２】HAp結晶のナノ格子状多孔質構造を示す顕微鏡写真
【図３３】市販DCPDから合成されたHAp結晶のXRDパターン
【図３４】市販DCPDから合成したHAp結晶の顕微鏡写真
【図３５】反応時間の長いアルカリ処理で合成されたHAp結晶の顕微鏡写真
【図３６】反応温度の低いアルカリ処理で合成されたHAp結晶の顕微鏡写真
【図３７】低pH値のアルカリ溶液を用いた処理で合成されたHAp結晶のXRDパターン
【図３８】低pH値のアルカリ溶液を用いた処理で合成されたHAp結晶の顕微鏡写真
【図３９】７００℃で焼成したHAp結晶の顕微鏡写真
【図４０】低pH値のアルカリ溶液を用いた処理で市販DCPDから合成されたHAp結晶の顕微鏡写真
【図１】
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【図２】
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【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８】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１７】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２２】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３３】
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【図３７】
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【図７】
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【図１０】
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【図１６】
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【図１８】
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【図２１】
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【図２３】
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【図２７】
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【図３２】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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