JP2004099433A

JP2004099433A - 金属イオンで一部置換または表面担持されたリン酸カルシウム多孔質球形粒子とリン酸カルシウム多孔質多層球形粒子

Info

Publication number: JP2004099433A
Application number: JP2003299362A
Authority: JP
Inventors: Junzo Tanaka; 田中　順三; Toshiyuki Ikoma; 生駒　俊之; Tetsushi Taguchi; 田口　哲志
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute for Materials Science
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute for Materials Science
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2003-08-22
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】　微量で正確な量の化学物質を分離できるクロマトグラフィー用素材等として有用な、新しい機能性粒子を提供する。
【解決手段】　金属イオンを担持もしくは置換したリン酸カルシウムの粒径０．１〜１００μｍの多孔質球形粒子とする。
【選択図】　図１

Description

　この出願の発明は、細胞増殖用足場素材、クロマトグラフィー素材等に有用なリン酸カルシウムの多孔質球形粒子と多孔質多層球形粒子に関するものである。

　従来より、リン酸カルシウムをスプレイドライヤーで噴霧してリン酸カルシウムの球形粒子を製造する方法が知られている（たとえば特許文献１〜３）。また、リン酸三カルシウムの一部を亜鉛で置換した焼結体や多孔質体、そのセメント材等も既に知られている。

　そして、実際に、リン酸カルシウムの球形粒子は歯科用セメント、クロマトグラフィー用素材等に利用されている。そして、リン酸カルシウムの粒子は生体適合材料、あるいはＤＤＳキャリヤー等の生体関連材料としてよく知られ、その利用の拡大が期待されており、特に、生体関連の物質との多層化やそれらの担持による機能性の向上や複合化が期待されているものである。
特開昭６２−２３０６０７号公報特開平１−１５２５８０号公報特開平４−１７５２１３号公報

　しかしながら、従来では、このような機能性の向上や複合化のためにリン酸カルシウム粒子が備えるべき特性や多層化、付着担持のための要件についての検討はほとんど進展していないのが実情である。実際、たとえば、リン酸カルシウム球形粒子との高分子等の複合体を製造する方法についても、リン酸カルシウム球形粒子に多糖類やコラーゲン等の高分子材料を単に被覆するにとどまっており、被覆や複合体の構造、それらの状態等をナノオーダで調製するための方法は知られていない。

　そこで、この出願の発明は、以上のとおりの従来技術の限界と問題点を解消し、粒子への多層化によって微量の化学物質でも的確に分離できるクロマトグラフィー用素材等として有用な、その構造や性質の制御された、リン酸カルシウムの新しい粒子やその焼成体、そしてそれらの複合体を提供することを課題としている。

　この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、リン酸カルシウムに金属イオンが０．０００１〜１０ｗｔ％の範囲で置換または表面担持されている、粒径が０．１〜１００μｍの範囲のリン酸カルシウム多孔質球形粒子を提供する。第２には、ＢＥＴ法（比表面積測定法）による比表面積・細孔分布測定による気孔率が２０％以上で比表面積が２０ｍ²／ｇ以上であることを特徴とする上記多孔質球形粒子を提供し、第３には、リン酸カルシウムの微結晶からスプレードライ等により形成された多孔質粒子であることを特徴とする上記多孔質球形粒子を提供し、第４には、置換または表面担持されている金属イオンが亜鉛、マグネシウム、鉄および銅の各イオンの１種または２種以上である上記の多孔質球形粒子を、第５には、１００℃〜８００℃の温度範囲で焼成されたものであることを特徴とするリン酸カルシウム多孔質球形粒子を、第６には、生体高分子もしくはポリエチレングリコール等の生体適合性高分子が被覆もしくは担持されたリン酸カルシウム多孔質球形粒子を、第７には、生体高分子がグリコサミノグリカンであるリン酸カルシウム多孔質球形粒子を提供する。そして、第８には、上記多孔質球形粒子に、さらに無機質多孔性粒子が被覆もしくは担持されている多孔質多層球形粒子を提供し、第９には、無機質多孔質材がリン酸カルシウム系材料または炭酸カルシウム系無機材料である上記多孔質多層球形粒子を、第１０には、表面または内部に生体高分子もしくはポリエチレングリコール等の生体適合性高分子が担持されている多孔質多層球形粒子を、第１１には、生体高分子がグリコサミノグリカンであることを特徴とするリン酸カルシウム多孔質多層球形粒子を提供する。

　以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、生体適合材料としてのリン酸カルシウムの特徴を生かしつつ、さらに生体高分子や無機多孔材による粒子の多層化やそれらの担持によって、微量の化学物質でも的確に分離できるクロマトグラフィー用素材等として有用な、その構造や性質の制御された、リン酸カルシウムの新しい機能性粒子やその焼成体、そしてそれらの複合体が提供される。

　この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

　まず、金属イオンは多くの高分子に対して結合性が高いことはよく知られているが、この出願の発明はこのような性質を利用し、リン酸カルシウム系微結晶の構成の一部を金属イオンと置換させるか、または金属イオンを表面担持させ、これを多孔質球形粒子とすることにより、リン酸カルシウムの生体適合性を保持したまま、しかも各種高分子、特に生体高分子との結合性を向上させている。さらにこの出願の発明は、金属イオンで一部置換または表面担持したリン酸カルシウム系微結晶からの多孔質球形粒子の表面を無機質の多孔材で被覆することによって吸着性を高めてもいる。

　このように、リン酸カルシウムの表面の結合性および吸着性を高めることによって、無機材料と有機材料との複合材料として性質を持つ細胞増殖の足場用素材、空気清浄フィルター、クロマトグラフィー用等として有用な機能性素材が提供される。

　この出願の発明のリン酸カルシウム多孔質粒子は、
　　　Ａ）　金属イオンで一部置換または表面担持されている
　　　Ｂ）　粒径が０．１〜１００μｍの範囲である
　　　Ｃ）　多孔質球形粒子である
ことを基本的な特徴としている。

　この場合の金属イオンについては、その種類は多孔質球形粒子の用途、目的に対応して各種のものが選択されてよく、より一般的には、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）がその代表例として示される。その他、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、スズ（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）等々のものが考慮されてよい。

　また、リン酸カルシウムについても、周知のアパタイトをはじめとして各種であってよい。金属イオンによるリン酸カルシウムの一部置換や表面担持は、その構成原子のカルシウムの置換としてあってよく、もしくは、イオン結合やイオン性の吸着によって表面に金属イオンが担持されていてもよい。

　このような金属イオンによる一部置換や担持された粒径０．１〜１００μｍの範囲のリン酸カルシウム多孔質球形粒子はこれまでに知られていないものである。

　粒径が０．１μｍ未満もしくは１００μｍを超える場合には、多孔質球形粒子としての製造が難しくなる。

　また、形状としては、球形と規定されているが、ひずんだ形状や楕円形等もこの球形の規定に含まれる。

　そして、この出願の発明のリン酸カルシウム多孔質球形粒子は、担体やキャリヤー素材として使用するためには、ＢＥＴ法（比表面積測定法）による比表面積・細孔分布測定による気孔率が２０％以上で比表面積が２０ｍ²／ｇ以上である
ことが望ましい。なお、この場合の気孔率については下記の計算式によって算出されるものである。

　　　気孔率＝ＢＥＴ総容積／（ＢＥＴ総容積＋アパタイトの容積）
　　　アパタイトの密度＝３．１６ｇ／ｃｍ³
　　　　　　　　　　　→　アパタイトの容積＝１／３．１６
　また、この出願の発明の上記リン酸カルシウム多孔質球形粒子については、リン酸カルシウムの微結晶よりスプレードライ法等によって形成した球形粒子が好ましいものとして示される。この場合には、たとえば、金属塩等の金属化合物の共存下にリン酸水溶液と水酸化カルシウム縣濁液との混合によって生成される微結晶縣濁液を用いてスプレードライによって球形粒子を形成することができる。

　金属イオンで一部置換したり、表面を担持したリン酸カルシウム微結晶はこのような湿式法やあるいは乾式法で合成し、次いでスプレードライ法で噴霧することにより球形微粒子とすることができる。そしてまた、得られた粒子は１００℃〜８００℃で焼成してもよい。

　リン酸カルシウムの微結晶の大きさは限定されているわけではないが、粒径１ｎｍ〜１００ｎｍ程度が好ましく、物性や作業性等を考えれば５ｎｍ〜５０ｎｍ程度の範囲が好ましい。

　金属イオンで置換したり、金属イオンを担持したリン酸カルシウム多孔質球形粒子は、その内部もしくは表面に高分子、たとえば生体高分子やポリエチレングリコール等の生体適合性高分子を被覆または担持させることができる。生体高分子は、生体組織を構成する１種または２種以上のものとして考慮され、たとえばヒアルロン酸やコンドロイチン硫酸等のグリコサミノグリカンが例示される。また、多孔質粒子には、その細孔の内部や表面に無機質多孔材を担持もしくは被覆することや、さらに、この被覆体の内部や表面に上記と同様の高分子、たとえば生体高分子を担持させてもよい。

　高分子や無機質多孔材の担持、被覆は、各種の方法によって可能とされ、たとえばこれらの水溶液や縣濁液中へのリン酸カルシウム多孔質粒子の浸漬、あるいはリン酸カルシウム多孔質粒子へのスプレーや反応堆積等の手段によって実現される。

　以上の担持や被覆の量（割合）は、得られた多孔質粒子や多孔質多層粒子の利用目的、用途に応じて適宜にされてよいことは言うまでもない。

　被覆する無機多孔質材としてはリン酸カルシウム系材料や炭酸カルシウム系等が好ましい。

　そこで以下に実施例を示し、さらに詳しくこの出願の発明について説明する。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。

　＜実施例１＞
　１．３６ｇまたは１３．６ｇの塩化亜鉛をリン酸水溶液（０．６ｍｏｌ／ｌ）の１リットルに溶解させて２種類の試料を作成した。この２種類の試料のそれぞれを２リットルの水酸化カルシウム縣濁液（０．５ｍｏｌ／ｌ）に攪拌しながら２０ｍｌ／ｍｉｎの滴下速度で加えた。このようにして得られた亜鉛（Ｚｎ）イオン担持アパタイト縣濁液を１８０℃に保持した２流体ノズルを用いたスプレイドライヤーで噴霧して球形粒子を作製した。球形粒子の粒径は１〜１０μｍの範囲であった。添付した図面１は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を例示したものである。

　さらに、１０ｍｌの精製水に３０ｍｇのコンドロイチン硫酸（ＣｈＳ）を分散させたものを上記球形粒子５００ｍｇに添加して、精製水で洗浄しながら吸引ろ過した後、凍結乾燥した。

　また、比較のために塩化亜鉛を溶解させない以外は全て同じ条件で製造したアパタイト球形粒子を同じ条件で処理したものを凍結乾燥した。

　このようにして作成した３種類の球形粒子を赤外線スペクトル（ＩＲ）、熱分析（ＴＧ−ＤＴＧＡ）、走査型電子顕微鏡観察（ＳＥＭ）、エネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ）で分析した。ＩＲ測定から、亜鉛イオン含有アパタイトではＣｈＳの官能基であるＳＯ₃が観測された。しかし、亜鉛非含有アパタイトではＳＯ₃が観測されなかった。熱分析の結果、亜鉛含有アパタイトではＣｈＳに特有の発熱が３００℃付近に観測されたが、亜鉛非含有アパタイトでは発熱が観測されなかった。ＥＤＸ分析でも亜鉛含有アパタイトは硫黄に特有なスペクトルを示したが、亜鉛非含有アパタイトでは観測されなかった。なお、亜鉛の含有量に応じてコンドロイチン硫酸（ＣｈＳ）含有量は約２ｗｔ％から約４ｗｔ％へと増加した。

　＜実施例２＞
　実施例１において製造した球形粒子を用いて、コンドロイチン硫酸（ＣｈＳ）に代えて、１０ｍｌの精製水中に３０ｍｌのヒアルロン酸（ＨｙＡ）を分散させ、精製水で洗浄を行ないながら吸引ろ過した後、凍結乾燥を行なった。熱分析の結果、亜鉛含有アパタイトを用いた場合はヒアルロン酸（ＨｙＡ）に特異的な発熱が３００℃付近に観測された。ヒアルロン酸（ＨｙＡ）含有量はコンドロイチン硫酸（ＣｈＳ）を用いた場合とほぼ同量であった。

　＜実施例３＞
　実施例１（１３．６ｇ：塩化亜鉛）において製造したアパタイト球形粒子の薄片化をおこない、その内部構造を透過型電子顕微鏡で観察した。図２はその観察像を例示したものである。得られた球形粒子は、内部が空洞な多孔質体であることが確認された。

　＜実施例４＞
　実施例１（１３．６ｇ：塩化亜鉛）において製造したアパタイト粒子を１ｍｏｌ／１リットルの塩化カルシウム溶液に浸漬し、遠心分離後、さらに１ｍｏｌ／１リットルのＮａＨＣＯ₃溶液に浸漬した。得られた複合体のＸ線回折を測定した結果、炭酸カルシウムが検出された。さらに熱分析により、その重量変化を調べたところ、アパタイトに対して１２ｗｔ％の炭酸カルシウムが含有していることが明らかとなった。また、ＳＥＭ観察の結果、アパタイト表面には炭酸カルシウムの結晶は観察されなかったことから、炭酸カルシウムはアパタイト球形粒子内部に存在していることが確認された。

　＜実施例５＞
　実施例１（１３．６ｇ：塩化亜鉛）において製造したアパタイト球形粒子を各温度にて焼成し、ＢＥＴ法（比表面測定法）による窒素ガスを用いた比表面積・細孔分布測定を行なった。焼成温度に従い、比表面積・ＢＥＴ総容量は小さくなり、たとえば、１８０℃における焼成では、比表面積８８ｍ²／ｇ、ＢＥＴ総容量０．４４ｍｌ／ｇ、気孔率５８％；６００℃では、比表面積５６ｍ²／ｇ、ＢＥＴ総容量０．２４ｍｌ／ｇ、気孔率４３％；８００℃では、比表面積４５ｍ²／ｇ、ＢＥＴ総容量０．１３ｍｌ／ｇ、気孔率２９％であったものが、１２００℃で焼成した試料では細孔は殆ど検出できなかった。また細孔分布は１８０℃で焼成した場合は、ＢＥＴ法により６０ｎｍに最大の分布を示した。この関係を示したグラフが図３である。

　なお、上記の焼成温度のいずれの焼成においても、粒子の凝集は実質的に生起していないことが確認されている。

この発明の方法で製造した多孔質球形粒子の電子顕微鏡写真である。実施例３における透過型電子顕微鏡像を例示したものである。１８０℃で焼成した時のＢＥＴ法で測定した細孔分布図である。

Claims

　リン酸カルシウムに金属イオンが０．０００１〜１０ｗｔ％の範囲で置換または表面担持されている、粒径が０．１〜１００μｍの範囲のリン酸カルシウム多孔質球形粒子。
　ＢＥＴ法（比表面積測定法）による比表面積・細孔分布測定による気孔率が２０％以上で比表面積が２０ｍ²／ｇ以上であることを特徴とする
請求項１のリン酸カルシウム多孔質球形粒子。
　リン酸カルシウムの微結晶からスプレードライ等により形成された多孔質粒子であることを特徴とする請求項１または２のリン酸カルシウム多孔質球形粒子。
　置換または表面担持されている金属イオンが亜鉛、マグネシウム、鉄および銅の各イオンの１種または２種以上であることを特徴とする請求項１または２のリン酸カルシウム多孔質球形粒子。
　リン酸カルシウム多孔質粒子であって、請求項１ないし４のいずれかの粒子が１００℃〜８００℃の温度範囲において焼成されたものであることを特徴とするリン酸カルシウム多孔質球形粒子。
　生体高分子もしくはポリエチレングリコール等の生体適合性高分子が被覆もしくは担持されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかのリン酸カルシウム多孔質球形粒子。
　生体高分子がグリコサミノグリカンであることを特徴とする請求項６のリン酸カルシウム多孔質球形粒子。
　請求項１ないし７のいずれかのリン酸カルシウム多孔質球形粒子に、無機質多孔質材が被覆されていることを特徴とする多孔質多層球形粒子。
　無機質多孔質材がリン酸カルシウム系材料または炭酸カルシウム系材料であることを特徴とする請求項８のリン酸カルシウム多孔質多層球形粒子。
　生体高分子もしくはポリエチレングリコール等の生体適合性高分子が担持されていることを特徴とする請求項８または９のリン酸カルシウム多孔質多層球形粒子。
　生体高分子がグリコサミノグリカンであることを特徴とする請求項１０のリン酸カルシウム多孔質多層球形粒子。