九州シンクロトロン光研究センター
県有ビームライン利用報告書
課 題 番 号 ： 1401155F

Ｂ Ｌ 番 号 ： BL-11（様式第 5 号）
Fe 添 加 型 非 晶 質 リ ン 酸 カ ル シ ウ ム の 結 晶 化 過 程 に お け る Fe の 局 所 構 造 評 価
Local structure around Fe atom in amorphous calcium phosphate during crystallization
process
佐 藤 充 孝 1, 東 郷 政 一 2, 中 平 敦 1,2

Mitsutaka Sato 1 , Masakazu Togo 2 and Atushi Nakahria 1 , 2
1. 東 北 大 学 金 属 材 料 研 究 所 附 属 研 究 施 設 関 西 セ ン タ ー
2. 大 阪 府 立 大 学

1. Kansai Center for Industrial Materials Research, Tohoku University
2. Osaka Prefecture University※１※２

先 端 創 生 利 用（ 長 期 タ イ プ 、長 期 ト ラ イ ア ル ユ ー ス 、長 期 産 学 連 携 ユ ー ス ）課 題 は 、実 施 課 題
名 の 末 尾 に 期 を 表 す （ Ⅰ ）、（ Ⅱ ）、（ Ⅲ ） を 追 記 し て く だ さ い 。
利 用 情 報 の 開 示 が 必 要 な 課 題 は 、本 利 用 報 告 書 と は 別 に 利 用 年 度 終 了 後 二 年 以 内 に 研 究 成 果 公
開 ｛ 論 文 （ 査 読 付 ） の 発 表 又 は 研 究 セ ン タ ー の 研 究 成 果 公 報 で 公 表 ｝ が 必 要 で す 。 (ト ラ イ アルユース、及び産学連携ユースを除く)

１．概要（注：結論を含めて下さい）
高 濃 度 に Fe を 含 ん だ ハ イ ド ロ キ シ ア パ タ イ ト を 得 る た め に 、 ゾ ル ゲ ル 法 を 用 い て Fe
添 加 型 非 晶 質 リ ン 酸 カ ル シ ウ ム を 合 成 し 、 熱 処 理 の 有 無 に よ る Fe 添 加 の 影 響 を 調 査 した 。得 ら れ た 試 料 は い ず れ も 非 晶 質 リ ン 酸 カ ル シ ウ ム で あ っ た 。ま た 、Fe の 添 加 量 の 変
化 に 伴 う Ca お よ び Fe 近 傍 の 局 所 構 造 の 変 化 は 生 じ て い な い こ と が 明 ら か と な っ た 。
（ English ）In order to obtain a hydroxyapatite containing Fe with a high concentration, Fe doped
amorphous calcium phosphate was synthesized by sol-gel method, and the effect of Fe addition
before and after heat treatment were investigated. Obtained Fe doped calcium phosphatesamples had an amorphous structure in all preparation condition. Besides, there were nochanges on the local structure around Ca and Fe atom by increasing the ratio of Fe.

２．背景と目的
ハイドロキシアパタイトはリン酸カルシウム系化合物の一種であり、生体内の主要な無機成分であるため、人工的に合成された物でも高い生体活性、生体適合性を有し、医療分野において硬組織代替材料として幅広く利用されている。しかし、人工的に合成されたハイドロキシアパタイトは、生体内における吸収性に難があり、埋入後も長期間残存したままになってしまう。我々は、生体内での吸収を促進させるために、ハイドロキシアパタイトが有する高いイオン交換能に着目し、Si、Mg、Mn をはじめとした様々な元素をハイドロキシアパタイトに固溶させ、生体活性や吸収性等を評価している。中でも、Fe を固溶させたハイドロキシアパタイトは磁気ビーズとしての応用が期待できるため、ドラッグデリバリー材料や温熱療法への利用が可能となる。
これまでの報告から、Fe のハイドロキシアパタイトへの固溶限は非常に小さく、数%程度であることが知られているが、ゾルゲル法を用いて非晶質リン酸カルシウムを合成する際に Fe を添加することにより、高濃度の Fe を含有した非晶質リン酸カルシウムの合成に成功した。そこで、本申請では、Fe 添加量の異なる非晶質リン酸カルシウムおよびそれらを熱処理した試料に対して Fe-K端および Ca-K 端の XAFS 測定を行い、Fe の固溶状態を明らかにすることを目的とする。
３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
測定試料として、ゾルゲル法により合成した非晶質リン酸カルシウムおよびFeをCaに対して0 ~10 mol%添加して合成したFe添加型非晶質リン酸カルシウムを用いた。Ca-K端のXAFS測定では、所定量の試料とBNを混合させ、一軸加圧形成によりペレット状の試料とした。測定は透過法、クイックスキャン法を用いて行った。一方、Fe-K端の測定では、それぞれの試料をポリプロピレン袋に封入後、シリコンドリフト検出器(SDD)を用いた蛍光法によりステップスキャン法を用いて測定を行った。Fe-K端の測定では濃度が希薄であるため、濃度により積算回数を変化させることでSN比の向上に努めた。
得られた測定データは、リガク社製のソフトウェアであるREX2000を用い、smoothing point : 3、smoothing step : 1の条件でスムージング処理後に解析を行った。
４．実験結果と考察
図1に合成したFe添加型非晶質リン酸カルシウム(Fe-ACP)のCa-K端 XANESスペクトルを示す。一般的に、4040 eVおよび4046 eVで観測される吸収帯は、1s→4pおよび1s→3p 遷移であることが報告されており1), 2)、この位置での吸収は結合エネルギーに相当する。その結果、測定原子の酸化数に対する情報を得ることができる。さらに、スペクトルに現れる吸収ピークから最外殻軌道に強く関連した中心原子への配位状況がわかり、吸収原子の価数が大きくなるほどエッジは高エネルギー側へシフトすることが知られている。Ca-K端のプレエッジでは、1s→3dの遷移に帰属し8面体対称性を表す3)。また、プレエッジにおけるピーク強度は、配位子場対称性を表すことで知られており2)、Ca-K
端においてもCaサイトの対称性の増加とともにプレエッジのピーク強度が大きくなることが報告されている4)。得られたスペクトルはいずれのFe添加量においてもその位置はほぼ等しく、リファレンスである市販のHApと比較すると高エネルギー側へのシフトが確認された。したがって、ACPはHApと比較して、近接しているOの数（配位数）が増加していることが示唆されたが、Fe添加量の違いによるACPのCa近傍における構造上の変化は確認されなかった。さらに、4036 eVでのCa-K
端プレエッジの強度についても全てのCa/P 比で等しかった。したがって、ACPにおいて、Ca/P比は、Ca近傍の局所構造に影響せず、すべてのCa/PでCaの局所構造は同じであることが示唆された。
図2にCa-K端EXAFSスペクトルをフーリエ変換し得られた動径構造関数を示す。Ca原子の第1近接原子はOであり(Ca-O)、全てのFe-ACPとリファレンスであるHApで一致した。しかし、HApでは第2、3近接（Ca-P、Ca-Ca）が確認されたが、Fe-ACPにおいては確認されず消失していた。非晶質物質では、動径構造関数が第1近接のみ観測されることが報告されていることから、合成されたFe-ACPは、Fe添加およびその添加量に関わらず、Ca周辺の局所構造についても非晶質構造を有しており、長距離秩序性が欠落していることが示された。さらに、ACPとHApの第1近接は一致することから、ACPは、短範囲での規則性を有しており、HApの最小単位（クラスター）であることが示唆された。しかし、EXAFSからでは、短距離構造を知ることは極めて困難であるので、今後更なる検討が必要である。動径構造関数からカーブフィッティングにより算出したCa-O結合距離はそれぞれ0.237 (市販
HAp)、0.238 (0 mol%)、0.237(1 mol%)、 0.239 (5 mol%) and 0.239 (10 mol%) nmであった。
図3に合成した試料のFe-K端XANESスペクトルを示す。Fe-K端の測定では、市販のFeO、 α-Fe2O3、α-FeOOH、Fe3(PO4)2･8H2OおよびFePO4･4H2Oをリファレンスとした。得られたスペクトルは、いずれのFe添加量においてもピークシフトやプレエッジピークの強度変化などは観察されず、Fe近傍の局所構造は添加量の増加に伴い変化していないことが示唆された。また、吸収端のエネルギー位置から、添加したFe源は価数が変化することなく3価として試料中に存在していることが明らかとなった。リファレンスとの比較から、試料から得られたスペクトルはFePO4･4H2Oによく似た形状を示しており、ACPの一部のCaがFeに置換されている可能性が示唆された。

図 1 合成した試料の Ca-K 端 XANES
スペクトル

図 2 合成した試料の Ca-K 端動径分布
関数

図 3 合成した試料の Fe-K 端 XANES
スペクトル

５．今後の課題
熱処理後の試料に対しても同様の解析を進めていき、熱処理に伴う結晶化挙動およびそれに伴うFe の化学状態の変化を明らかにし、論文投稿を行う予定である。
６．参考文献1)2)3)
4)J.L.Fulton, S.M.Heald, Y.S.Badyal and J.M.Simonson, J.Phys.Chem. A 107 4688 (2003).
D.R.Neuville, L.Cormier, A.M.Flank, V.Briois and D.Massiot, Chem. Geology, 213 153 (2004).
L.Cormier and D.R.Neuville, Chem.Geology, 213 103 (2004)
D.R.Neuville, L.Cormier, A.M.Flank, V.Briois and D.Massiot, Chem. Geology, 213 153 (2004)

７．論文発表・特許（注：本課題に関連するこれまでの代表的な成果）
今回の測定で得られたデータを利用し、現在論文を投稿している。

８．キーワード（注：試料及び実験方法を特定する用語を２～３）Fe 添加型非晶質リン酸カルシウム、XAFS、ゾルゲル法

９．研究成果公開について（注：※２に記載した研究成果の公開について①と②のうち該当しない方を消してください。また、論文（査読付）発表と研究センターへの報告、または研究成果公報への原稿提出時期を記入してください（2013 年度実施課題は 2015 年度末が期限となります。）
長期タイプ課題は、ご利用の最終期の利用報告書にご記入ください。
① 論文（査読付）発表の報告（報告時期： 2014 年 10 月）