過飽和液相レーザプロセッシングによるリン酸カルシウム球状粒子合成と機能付加
国立研究開発法人

産業技術総合研究所 ナノ材料研究部門
研究員 中村 真紀（平成 26 年度奨励研究助成 AF-2014223）

キーワード：レーザ，リン酸カルシウム，機能性粒子

１．研究の目的と背景シウム球状粒子への機能付加（磁性、抗菌性）を試みた。

ヒトの歯や骨の無機成分であるリン酸カルシウムは、生まず、これらの金属イオンを様々な濃度で添加して過飽和体適合性と安全性に優れた材料である。中でも、サブマイ液相レーザプロセッシングを実施し、生成粒子の組成・構クロメートルサイズのリン酸カルシウム球状粒子は、薬剤造などを調べた。続いて、得られた結果を解析し、機能性などの体内送達用担体として有用である。このため、生体リン酸カルシウム球状粒子を合成するための、基礎的条件応用可能な安全性と、簡便・迅速性を兼ね備えた、サブマを追求した。さらに、合成粒子の機能（磁性ならびに抗菌イクロメートルサイズのリン酸カルシウム球状粒子合成性）について、予備的な評価を行った。

法の開発が望まれている。
近年、液相中に分散させた金属・金属酸化物などの原料

２．実験方法粉体に、紫外・可視領域の低エネルギーパルスレーザ光を2.1 過飽和液相レーザプロセッシング照射するだけで、サブマイクロメートルサイズの球状粒子カルシウムイオン水溶液（CaCl2 または Ca(NO3)2∙4H2O）、を得る手法が報告され、レーザプロセッシングによる簡便リン酸イオン水溶液（K2HPO4∙3H2O）、各種金属イオン水な球状粒子合成法として注目されている 1)。しかし、この溶液（FeCl2∙4H2O または AgNO3）をそれぞれ調製し、最手法では、紫外・可視領域においてレーザ光吸収性に乏し終濃度として、Ca: 16.7 mM，P: 10 mM，Fe(II) or Ag(I): 0, 1,いリン酸カルシウムの原料粉体から球状粒子を合成する

2, 5, 10, 20 mM となるように混合し、過飽和溶液を調製しことはできなかった。

た。この過飽和溶液（4 mL）に、攪拌下，非集光の Nd:YAG

これに対し、我々は最近、リン酸カルシウムの原料粉体パルスレーザ光（Quanta-Ray LAB-150-30, Spectra- Physicsに代えて、カルシウムイオン水溶液とリン酸イオン水溶液

製, 周波数：30 Hz, 波長：355 nm, エネルギー密度：200を混合して調製されるリン酸カルシウム過飽和溶液を原mJ/pulse/cm2）を 20 または 30 分間照射した（図１）。照射料とし、同溶液中に光吸収剤として鉄(III)イオンを添加す

後、遠心操作により析出物を回収し、試料を得た。得られることで、紫外レーザ光照射によりサブマイクロメートルた試料は、更なる遠心操作により、分画Ｌ（500 rpm, 5 分サイズのリン酸カルシウム球状粒子を合成する技術（過飽で沈降させた分画）ならびに分画Ｓ（分画Ｌの上澄液を和液相レーザプロセッシング）を開発した 2)。本手法は、1000 rpm, 10 分で沈降させた分画）に分けた。

簡便（一段階工程）かつ迅速（数十分）であり、界面活性剤や有機溶媒などの有害試薬を一切用いず、安価な無機塩の水溶液のみを原料としている。本手法においては、過飽和溶液中に添加された鉄(III)イオンが、リン酸カルシウム析出物に取り込まれることで、レーザプロセッシングにおける析出物の光吸収と、同析出物の溶融・球状化を促していると推測される。実際、本手法で得られたリン酸カルシ
ウム中には、鉄イオンが種々の含有量で担持されていた。
従って、鉄(III)イオンに代えて、他の金属イオンを光吸収剤として適用できれば、同イオンの特性に応じた様々な機能をリン酸カルシウム球状粒子に付加できると期待され

図１

過飽和液相レーザプロセッシングの概略図る。
そこで本研究では、磁性材料の原料である鉄(II)イオン、2.2 生成粒子の組成・構造評価

ならびに、抗菌性を示す銀(I)イオンを光吸収剤として用い得られた粒子の組成・構造は、走査型電子顕微鏡（SEM:て過飽和液相レーザプロセッシングを実施し、リン酸カルXL30, FEI 製）
ならびに透過型電子顕微鏡（TEM: JEM-2010,

JEOL 製; Tecnai Osiris, FEI 製）観察、エネルギー分散型 X線分光法（EDX: Genesis2000, EDAX 製）、X 線回折法（XRD:M18X, MAC Science 製）により調べた。
2.3 生成粒子の抗菌性評価
得られた粒子を超純水に分散し（0, 0.1, 0.5 mg/mL）、ミュータンス菌の懸濁液に加えて 24 時間インキュベートした。インキュベート後、細菌懸濁液の濁度（総細菌量に対応）を測定した（590 nm）。

３．研究成果3.1 鉄(II)を光吸収剤とする過飽和液相レーザプロセ
ッシング 3)
本項では、まず、光吸収剤として 5 mM の鉄(II)イオンをリン酸カルシウム過飽和溶液に添加し、レーザ光照射（20 分）を行った。得られた粒子の SEM 観察の結果、分画Ｓにサブマイクロメートルサイズの球状粒子、分画Ｌにマイクロメートルサイズの球状粒子が観察された（図２）。
また、EDX による元素分析により、粒子は、分画Ｓ、分画Ｌともにカルシウム（Ca）、リン（P）、鉄（Fe）、酸素（O）を含むことがわかった（図３）。XRD パターンでは、分画Ｓ、分画Ｌともに、30°を中心にブロードなハローが図３検出された（図４）。以上の結果から、分画Ｓおよび分画の EDX スペクトル（鉄(II)イオン：5 mM、照射時間：20

Ｌの粒子はいずれも、アモルファスの鉄含有リン酸カルシ分）（シリコン（Si）：下地の基板、炭素（C）：蒸着カーボウムであると考えられた。

ンに由来）

図２

図４

分画Ｓ（上）ならびに分画Ｌ（下）に得られた粒子の SEM 像（鉄(II)イオン：5 mM、照射時間：20 分）

分画Ｓ（上）ならびに分画Ｌ（下）に得られた粒子

分画Ｓ（上）ならびに分画Ｌ（下）に得られた粒子の XRD パターン（鉄(II)イオン：5 mM、照射時間：20 分）

続いて、過飽和溶液中の鉄(II)イオン濃度を変化させてレーザ光照射（30 分）を行った。各濃度における生成物かったため、球状粒子がわずかにしか生成しなかったと考えられる。

を SEM 観察し、球状粒子生成の有無を調べた。鉄(II)イオ

以上、過飽和液相レーザプロセッシングによる球状粒子

ン濃度が 0 mM の場合には、球状粒子は観察されなかった。

合成技術において、鉄(III)イオンと同様、鉄(II)イオンも光

また、鉄(II)イオン濃度が 1 mM の場合には、わずかに球吸収剤として有用であることが明らかとなった。ただし、状粒子が観察されたが、遠心操作では球状粒子のみを得る

得られた鉄含有リン酸カルシウム球状粒子は、アモルファことができなかった。一方で、鉄(II)イオン濃度が 2 mMス状であり、磁性を示す酸化鉄（マグネタイト）は含まれの場合には、分画Ｓにサブマイクロメートルサイズの球状ていなかった。一般に、マグネタイトは、鉄(II)イオンと粒子が得られ、5～20 mM では、それに加えて分画Ｌにマ鉄(III)イオンの共存下、液性を塩基性にすることで生成すイクロメートルサイズの球状粒子が得られた。なお、得らる。鉄(II)イオンは鉄(III)イオンへと酸化されやすいことかれた球状粒子は、鉄含有リン酸カルシウムであり、鉄(II)ら、鉄(II)イオンを光吸収剤として添加したリン酸カルシ

イオン濃度の増加に伴って、球状粒子内の鉄含有量も増加

ウム過飽和溶液中では、鉄(II)イオンと鉄(III)イオンが共存した。

していると考えられる。しかし、同過飽和溶液が弱酸性で本反応における球状粒子生成のメカニズムは、鉄(III)イオンを光吸収剤とした場合と同様と考えられる。3 種の原あったために、マグネタイトが析出しなかったと推測される。

料イオン水溶液を混合すると、溶液中に鉄を含むリン酸カそこで、リン酸カルシウム球状粒子中にマグネタイトをルシウムの不定形粒子が直ちに析出する。この不定形粒子析出させるため、鉄(II)イオン（20 mM）を添加したリンの分散液にパルスレーザ光を照射すると、レーザ光吸収性酸カルシウム過飽和溶液に、水酸化ナトリウム（25 mM）の不定形粒子が瞬間的にレーザ光を吸収し、加熱されて溶を加え、溶液の pH を上昇させ、この溶液にレーザ光を 20融液滴となる。さらに、レーザパルス間隔で周囲の溶液に分間照射した。SEM 観察（図５ａ）ならびに EDX（図５より急冷され、球状のまま固化し、球状粒子となると考えｂ）により、分画Ｓにカルシウム（Ca）、リン（P）、鉄（Fe）、られる。このようにして生成した球状粒子は、溶液中の原酸素（O）から成る、サブマイクロメートルサイズの球状料イオンなどを取り込みながら徐々に成長し、サブマイク粒子の生成が確認された。同粒子の XRD パターンには、ロメートルサイズ（条件によってはマイクロメートルサイマグネタイトならびにウスタイトに由来する回折ピークズ）の鉄含有リン酸カルシウム球状粒子が生成すると推察が検出された（図５ｃ）。また、TEM 観察では、サブマイされる。低濃度の鉄(II)イオン（1 mM）では、レーザ光照クロメートルサイズの粒子中に多数のナノ粒子が見られ射前に析出する不定形粒子のレーザ光吸収性が十分でなたことから（図５ｄ）、得られた粒子は、リン酸カルシウ

図５

磁性リン酸カルシウム球状粒子（ａ）SEM 像、（ｂ）EDX スペクトル、（ｃ）XRD パターン、（ｄ）TEM 像

ムを主成分とするサブマイクロメートルサイズの球状マ分）を行った。得られた粒子の SEM 観察（図７ａ）ならトリックス中に、多数のマグネタイト（ウスタイトも共存）

びに EDX（図７ｂ）の結果、分画Ｓにカルシウム（Ca）、ナノ粒子を含む構造を持つと考えられた。なお、得られたリン（P）、銀（Ag）、酸素（O）から成る、サブマイクロ粒子は、磁石に引き付けられたことから（図６）、磁性リメートルサイズの球状粒子が観察された。また、同粒子のン酸カルシウム球状粒子が生成したと言える。

XRD パターンには、金属銀に由来するピークが検出された（図７ｃ）。更に粒子の断面分析を行った結果、得られた粒子は、リン酸カルシウムを主成分とするサブマイクロメートルサイズの球状マトリックス中に、多数の金属銀ナノ粒子を含む構造を持つと考えられた（図７ｄ）。本反応
においては、レーザ光照射により、銀(I)イオンが光還元され、リン酸カルシウム球状粒子の内部あるいは表面に金属銀ナノ粒子が析出したと推測される。
続いて、過飽和溶液中の銀(I)イオン濃度を変化させてレーザ光照射（20 分）を行い、生成物の SEM 観察により球

図６

磁性リン酸カルシウム球状粒子の分散液と磁石へ状粒子生成の有無を調べた。その結果、銀(I)イオン濃度が1～2 mM の場合には、球状粒子とともに不定形粒子が生の反応成し、遠心操作で球状粒子のみを得ることができなかった
以上、鉄(II)イオンを光吸収剤として用いた過飽和液相のに対し、銀(I)イオン濃度が 5～20 mM の場合には、サブレーザプロセッシングにおいて、溶液の pH を適切に設定マイクロメートルサイズの球状粒子を得ることができた。

することで、リン酸カルシウム球状粒子に磁性を付加できまた、鉄(II)イオンの場合と同様、過飽和溶液中の銀(I)イることが明らかになった。

オン濃度の増加に伴って、球状粒子内の銀含有量も増加した。

3.2

銀(I)を光吸収剤とする過飽和液相レーザプロセッ

シング4)

次に、5 mM の銀(I)イオンを添加した過飽和溶液から得られた粒子を用いて、虫歯菌であるミュータンス菌に対し本項では、まず、光吸収剤として 5 mM の銀(I)イオンをて予備的な抗菌性評価を行った。粒子の濃度を変化させてリン酸カルシウム過飽和溶液に添加し、レーザ光照射（20

細菌懸濁液に添加した結果、濃度依存的にミュータンス菌

図７

抗菌性リン酸カルシウム球状粒子（ａ）SEM 像、（ｂ）EDX スペクトル、（ｃ）XRD パターン、（ｄ）粒子断面のTEM 像（エポキシ樹脂に包埋後、イオンミリング法により薄膜化）

の増殖が抑制された（図８）。すなわち、得られた粒子はあることが明らかとなった。また、反応条件を適切に設定抗菌性リン酸カルシウム球状粒子であると言える。

することで、リン酸カルシウム球状粒子に、磁性や抗菌性といった機能を付加できることがわかった。本手法は、簡便かつ迅速であり、安価な無機塩の水溶液のみを原料とすることから、機能性リン酸カルシウム球状粒子の合成技術としての応用が期待される。

謝辞

本研究の遂行にあたり、産業技術総合研究所の大矢根綾子博士、清水禎樹博士、川口建二博士、北海道大学の宮治裕史博士、宮田さほり氏からご指導、ご協力をいただきました。粒子断面の TEM 解析は、つくばイノベーションアリーナ推進センターに依頼しました。また、多大なご支援
図８

抗菌性リン酸カルシウム球状粒子を添加した細菌を頂きました公益財団法人天田財団に感謝いたします。

懸濁液の濁度（n = 6, ＊P < 0.05）

参考文献
以上、過飽和液相レーザプロセッシングによる球状粒子

1) Hongqiang Wang, Alexander Pyatenko, Kenji Kawaguchi,

合成技術において、鉄(III)イオン、鉄(II)イオンに加えて、Xiangyou Li, Zaneta Swiatkowska-Warkocka and Naoto

銀(I)イオンも光吸収剤として有用であること、また、銀(I)Koshizaki, Angew. Chem. Int. Ed., 19, 6361-6364 (2010).

イオンを光吸収剤として用いることにより、リン酸カルシ2) Maki Nakamura, Ayako Oyane, Ikuko Sakamaki, Yoshie

ウム球状粒子に抗菌性を付加できることが明らかになっ

Ishikawa, Yoshiki Shimizu, Kenji Koga, Kenji Kawaguchi

た。

and Naoto Koshizaki, RSC Adv., 4, 38442-38445 (2014).
3) Maki Nakamura, Ayako Oyane, Ikuko Sakamaki, Yoshie

４．結論
過飽和液相レーザプロセッシングによる球状粒子合成

Ishikawa, Yoshiki Shimizu and Kenji Kawaguchi, Phys.
Chem. Chem. Phys., 17, 8836-8842 (2015).

技術において、これまでに報告した鉄(III)イオンと同様、

4) Maki Nakamura, Ayako Oyane, Yoshiki Shimizu, Saori

鉄(II)イオンならびに銀(I)イオンも光吸収剤として有用でMiyata, Ayumi Saeki and Hirofumi Miyaji, Acta Biomater.,
http://dx.doi.org/10.1016/j.actbio.2016.09.015 (2016).