MZzre"αﾉ亜ｃｈ"oﾉqgy陥鰹ﾉ,ﾉVひ.６伽ﾉ3ﾉ”.ノイ3-ﾉｲ７ 《論文》 コアーシェル構造を有するボリスチレンーハイドロキシ アパタイト複合粒子の調製 ゥ 柴田裕史*l・佐野雄哉*1．小倉卓*2．油井研一*２．酒井秀樹*2.3．阿部正彦*2.3,橋本和明*１ P r e p a r a t i o n o f P o l y s t y r e n e H y d r o x y a p a t i t e C o m p o s i t e P a r t i c l e s withCore-ShellStructure Ｔ ｈ ｉ ｓ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ａ ｉ ｍ ｓ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｐ １ ℃ p a r a t i o n o f p o l y s t y r e n e h y d r o x y a p a t i t e c o m p o s i t e p a l t i c l e s w i t h c o r e s h e l l s t r u c t u r e t h r o u g h a l i q u i d p h a s e p r o c e s s u s i n g n o n i o n i c s u r f a c t a n t s ・ S E M a n d T E M i m a g e s c l e a r l y s h o w e d t h a t t h e t h i n f i l m w a s f b r m e d o n t h e s u r f a c e o f p o l y s t y r e n e ､ X R D p a t t e m a n d F T I R s p e c t r a i n d i c a t e d t h a t t h e t h i n f i l m f b r m e d o n t h e s u r f a c e o f p o l y s t y r e n e c o n s i s t e d o f h y d r o x y a p a t i t e ・ T h e s e r e s u l t s d e m o n s t r a t e d t h a t p o l y s t y r e n e h y d r o x y a p a t i t e c o m p o s i t e p a r t i c l e s w i t h c o r e s h e l l s t r u c t u r e w e r e o b t a i n e d ・ Ｋ ｅ ｙ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ： H y d r o x y a p a t i t e , P o l y s t y r e n e , C o r e S h e l l S t r u c t u 1 ℃ ReceivedSeptember28,２０１３;AcceptedNovember27,２０１３ １．緒言 ぴ陰イオンの両者に対する優れたイオン交換特性 を有する5) 7)ことから，環境汚染物質の除去な 水 酸 ア パ タ イ ト （ C a l o ( P O 4 ) 6 ( O H ) 2 ； H A p ) ' )4 ） どが可能な吸着剤としても着目されている。 リン酸カルシウムの合成は，炭酸カルシウムや に代表されるリン酸カルシウムは．生体硬組織の 主成分として知られ，その優れた生体適合‘性から リン酸水素アンモニウムなどの原料粉末を混合し 骨置換材や骨補填材などの生体材料として広く応 焼成することで調製する乾式法8)∼'0)と，カルシ 用されているI)'2)。また，ＨＡｐには陽イオンおよ ウムイオンおよびリン酸イオンを出発原料とし， ｐＨを調整することで調製する湿式法'１)∼'3)とに 大別される。そのため，生体材料として広範に応 * ’ S h i b a t a H i r o b u m i , S a n o Y U y a a n d H a s h i m o t o K a z u a k i 千葉工業大学工学部 用されている高分子などの有機物質とリン酸カル シウムの複合化を行うためには,前者では焼成時 千葉県習志野市津田沼2-17-1（〒275-0016） における高分子などの有機物質の焼失,後者では * ２ ０ g U r a T 園 k u , A b u r a i K e n i c h i , S a k a i H i d e k i a n d A b e Masahiko 東京理科大学理工学部 有機物質と出発原料となるイオン間の低い濡れ性 が問題となり，均一な複合材料を調製することは 千葉県野田市山崎2641（〒278-8510） *３Sak副HidekiandAbeMasahiko 東京理科大学総合研究機構 千葉県野田市山崎2641(〒278-8510） 困難である。一方,著者らは，非イオン性界面活 性剤存在下において湿式法でリン酸カルシウムの ( 1 4 3 ） １ Ｍｈ”ね/歴cA"oﾉひ８，ノリb“1,ﾉVb､６(2013） 合成を行うと，非イオン性界面活性剤が形成する ２．３コアーシェル構造を有するＰＳ−ＨＡｐの 合成 ミセルの親水基近傍でのみＨＡｐの晶析反応が進 行し，カプセル様構造を形成することを報告し， イオン交換水ｌＯｍｌにＦｌ２７を０．０１ｇ添加し， リン酸カルシウムの合成において非イオン性界面 室温で１時間かくはんを行うことでＦｌ２７水溶 活性剤の構造規定剤としての有用性について明ら 液の調製を行った。次に，前駆粒子０．０１９およ かにした'4)。ここで,湿式法による有機物質とリ び69％硝酸１ｍlをFl27水溶液に加え,前駆粒 ン酸カルシウム複合材料調製時における濡れ性の 子が完全に溶解するまで室温でかくはんした。そ 改善に非イオン‘性界面活性剤を用いることがで の後,ＰＳ分散溶液０．７ｍｌを加え，室温で３０分 きれば，リン酸カルシウムによる被覆が必要な有 かくはんを行い，アンモニア水溶液５ｍlを添加 機物質を合成するための新規な方法となり，様々 な生体材料の合成に必要な汎用性の高い技術に しｐＨを11に調整した。得られた水溶液を２０００ rpm,３０分の条件で遠心分離を行い，上澄みを なると推測される。そこで本研究では，バイオイ 除去しイオン交換水をｌＯｍｌ加えた。さらに１０ メージングやドラッグデリバリーシステムのキヤ 分間の超音波照射を行った後に，試料を得た(以 リヤーとして検討が行われているポリスチレン 後，この試料については「Fl27粒子」と表記す (PS)に着目し，その表面がＨＡｐで被覆されたコ アーシェル構造を有するＰＳ−ＨＡｐ複合粒子を合 る)。また，比較のためＦ127を添加しないで同様 の方法で粒子を調製した(以後，この試料につい 成することを目的とした。 ては「無添加粒子」と表記する)｡得られた試料の 構造特性について，ＸＲＤ測定,FT-IR測定,電界 ２．実験 放射型走査電子顕微鏡(FE-SEM；株式会社日立 ハイテクノロジーズS-4700）および透過型電子 ２．１試薬 顕微鏡(TEM；株式会社日立ハイテクノロジーズ 炭酸カルシウム(CaCO3；キシダ化学株式会社） およびリン酸水素カルシウム二水和物(CaHP04. 2H２０；キシダ化学株式会社）をカルシウムおよ H-76SO)観察によって検討した。 ３．結果および考察 びリン源として用いた。コアとなるポリスチレ ３．１前駆粒子の同定 ンには,Polysciences製の２．５ｗｔ％ＰＳ分散溶 界面活性剤には，ポリオキシエチレン(PEO）と Fig.１に得られた前駆粒子のＸＲＤパターンを 示す｡ＨＡｐに帰属される回折ピークのみが観測 ポリオキシプロピレン(PPO)のトリブロック共 され,α-リン酸三カルシウム(α-TCP)などの他の 重合体であるプルロニック系界面活性剤Ｆ１２７ リン酸カルシウム化合物に帰属される回折ピー 液(直径２００，m）を用いた。また，非イオン性 (PEO60PPOl20PEO60；BASFジャパン株式会社） クは観測されなかった｡Fig.２にFTLIRスペクト を用いた｡ｐＨ調整剤には,３０％アンモニア水溶 ルを示す｡５７０および６１０ｃｍ '近傍にPO4の変 液(関東化学株式会社)を用いた。 角振動に帰属されるピークが,９６０およびｌＯ４０ 行った。その後，大気中，１１００℃で１２時間焼成 ｃｍ−ｌ近傍にPO4の伸縮振動に帰属されるピーク が，それぞれ観測された'5)。また,３５７０ｃｍ ’近 傍に見られるＨＡｐに由来する水酸基のピークが 観測された15)｡一方,７１０cIfi-I近傍に見られるピ ロリン酸カルシウムのP207に起因するピーク'6） を行った(以後，この粒子を｢前駆粒子」と表記す は観測されなかった。これらの結果は.前駆粒子 る)｡得られた試料は,Ｘ線回折(XRD；株式会社 にはα-TCPやピロリン酸カルシウムなどの副生 リガクRAD-2c)測定および赤外吸収スペクトル 成物は含まれず，化学量論組成の結晶性の良い (FTLIR；日本分光株式会社ＦＴ/IRF4200)測定に ＨＡｐのみが生成していることを示し，得られた 前駆粒子はＨＡｐ粒子であることがわかった。 ２．２前駆粒子の合成 Ｃａ/Ｐ比が１．６７となるようにCaCO3および Ca1匹０４．２H20を秤量した後，1時間乾式混合を よって評価した。 ２ ( 1 4 4 ） MaZerjIα／IeC""O/09)ノレO/､Ｊ１，１V0.0（‘(ﾉﾉＪノ 1０００ 〈 詠 甲一 ■1 800 毒一切匡幽逗一 ００ ０ ０ ６ ４ 侭 砿 碑 § 、 ｂ ｌ 1 内 面 兎 些 応官 200 Ｌ ｐ ０２ ロ ｌ０ ！ , Pq誌 ５００，齢、 H 服 3 ０ ４ ０ ５ ０ ２ｅ／deg｢ｅｅ(>七通Kα） ｈ▲恥 （ b ） Figo1XRDpatter殿oftheobtainedp麺･ticles ｒ四Ｆ『 1nｏ 副 ６ 詞 ⑳○仁の善一Ｅ⑩匡、﹂﹄ ０４ ０２ ０ ６ ０狐 ハ Ⅲ叩 弓 ､ 鱒 ６ 500ｎｍ ( 鋤 3500３０００２５００２０００１５００．１０００５００ Wavenumber／ｃｍ−１ Fig.２Ｆ'１F､IRspectrumoftheobtainedpartiicIes ５００，ｍ ３．２コアーシェル構造を有するＰＳ−ＨＡｐ複 Fig.３SEMimagesofthepolystyl･eneparticles 合粒子の合成 （(乱)ａｎｄ(b))afteraI1d(c)befbl･ereaction inthe（a）presenceand（b）ａｂｓｅｎｃｅｏｆ ＨＡｐ粒子および硝酸を含む溶液を用いて， Ｆ１２７ Fl27存在下におけるリン酸カルシウムの合成を 検討した。Fig.３(a)に得られた粒子(Fl27粒子） のＳＥＭ像を示す。また，比較のため，Ｆｌ２７を添 加しないで調製した無添加粒子のＳＥＭ像をＦｉｇ ３(b）に，ＰＳのＳＥＭ像をFig.３(c)にそれぞれ示 す｡Ｆｉｇ３(b)および(c)のＳＥＭ像では，直径２００ TEM観察を行った。Fig.４(a)に得られた粒子の TEM像を示す。また，Fig.４(b)にＰＳのＴＥＭ像 ，ｍ程度のＰＳ粒子が観察されたのに対し，Ｆｌ２７ を比較のために示す。直径２００，ｍのＰＳ粒子の 存在下で得られた粒子のＳＥＭ像(Fig.３(a))では 表面に５，ｍ程度の薄膜が形成し，被覆されてい 次に，Ｆｌ２７粒子の構造を詳細に検討するため， 直径２００，ｍの粒子表面に薄い被膜が形成してい る様子が観察された。また，Fig.４(a)のＴＥＭ像 る様子が観察された。また，Fig.３(b)および(c） では，ＳＥＭ像で観察された被膜により粒子同士 には，カーボンテープに由来すると考えられる網 が接着している部分(矢印で挟まれた部分）も観 目状の物質も観察された。これは，被膜が形成し 察された。これらの結果から，得られた粒子はコ ている粒子は，その被膜により凝集しているのに アーシェル構造を有することがわかった。一方， 対･し，その他の粒子では，カーポンテープ上に比 Ｆｉｇ３(b)に示したＦ１２７を添加しないで調製した 較的均一に分散し，その下のカーボンテープまで 無添加粒子では，ＰＳ表面における薄膜の形成は 観察されたためと考えられる。 確認されず，コアーシェル構造は形成しなかった ( 1 4 5 ） ３ 脳冨Mlfeﾉａｍ２ｃ〃"oﾉo幻ﾉ叱/,31,ﾉＶｂ.６(2013） １ ０８６４２ 御割鞘叫蕊 玩窒⑩この︺仁一 競健鐙 砿腰 ・肇〆適鶴 州、︲§︾ １Ｆ躍蒔因Ｆ ，，’９想 驚恥畷蔚篭零 値師“泳駕忽篭 ｂ ( ■ ＝ 噌 闘Ｎ q 牌■ 且 Ｅ ■ ＷＩ一正 Ｉ n 鍵 町 − ＞ ← ３０２６/de鍔e(入…）５０ ６ﾛ ■ ‘ : Ｌ Ｉ F i g . ５ ４ ■ ，ｍ竪胴 XRDpattemsofthepoIystyreIIeparticieS r e a c t e d w i t h F 1 2 7 , c a l c i u m ａ ｎ 〔 i p h o s p h o 1 I ･ I l I s sou〕rcespR･esenceand(b)absenceofFiI27 Fig.４TEMimagesofthepolystyrelleparticleS after（a）ａｎｄbefore(b）reactionwith F127,calciumandphosphorussources 1００ の。こ”差Ｅの匡⑱●二 ０４ ０２ ０ ６ ５ １ ０ ことから，コアーシェル構造の形成にはＦｌ２７が ﾛ 必要であることが明らかとなった。 4000３５００３０００２５００２０００１５００１０００５００ Wavenumber／ｃｍ･１ 最後にＰＳ表面に形成した被膜を同定するた め，ＸＲＤ測定およびFT-IR測定を行った。Ｆｉｇ５ にＸＲＤパターンを示す。ＨＡＰに帰属されるピー Fig.６FTLIRsl)ectrumofthepolystyrenepaR･極cles l･eactedwithF127,ｃａｌｃｉｕｍａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ＳＯ１ＩｒＣｅＳ クのみが観測された。また,a-TCPなどの他のリ ン酸カルシウム化合物に帰属される回折ピークは 観測されなかった。一方,Fig.1に比べ,ＨＡｐの ピークの半値幅は大きく，ブロードな回折線であ ３．３コアーシェル構造を有するＰＳ−ＨＡＰ複 合粒子の形成機構 ることから，低結晶性の微細粒子であると考えら れる。また，これらのＸＲＤパターンには違いが 本実験で得られたコアーシェル構造を有する あったことから．結晶構造的には同じＨＡｐであ ＰＳ−ＨＡｐ複合粒子の形成機構について考察す るが，これらの間には溶解折出反応が起こってい る。まず,Ｆ１２７がＰＳ表面に疎水基であるＰＰＯ ることが示唆された｡Fig.６にFT-IRスペクトル 部分で吸着し，親水基であるＰＥＯ部分によりＰＳ を示す｡Fig.２と同様に,５７０および６１０ｃｍ '近 傍にpO4の変角振動に,９６０および’０４０ｃｍ '近 表面が被覆された状態となる。その後，ＰＥＯ部分 に浸透圧を駆動力とすることでカルシウムイオン 傍にＰＯ４の伸縮振動に帰属されるピークが，ま およびリン酸イオンが侵入する。次に，ｐＨ調整 た，３５７０ｃｍ ’近傍に見られるＨＡＰに由来する 剤として添加したアンモニウムイオンが，同様に 水酸基のピークがそれぞれ観測された。さらに， 浸透圧を駆動力とすることでＰＥＯ部分に侵入す 2900ｃｍ ’近傍には，界面活性剤のＣ−Ｈ伸縮振 る。ここで，侵入したカルシウムイオン，リン酸 動に起因するピークも観測された。以上の結果か イオンおよびアンモニウムイオンは，バルクに存 ら，ｐＳ表面に形成した被膜は結晶性の低いＨＡＰ であり，コアーシェル構造を有するＰＳ−ＨＡｐ複 在する場合に比べて自由度は低くなるため，ＰＥＯ 合粒子が得られたことが明らかとなった。 応場が形成される。この濃厚濃度の反応場におい ４ 部分に存在することとなり，ごく微少な安定な反 ( 1 4 6 ） Mbre"α/"c〃"oﾉ09〕′叱ﾉ.31,ﾉＶｂ.６(20J3） て，反応系で最も溶解度の低いＨＡｐの晶析反応 が進行し,ＰＳ表面にＨＡｐの被膜が形成されるこ とで，コアーシェル構造を有するＰＳ−ＨＡｐ複合 Kalkura,Ｊ:jMb彪澱Ｓ℃』..．jＭｎ”Ｍどd１，２０，Ｓ７７ 粒子が形成したものと考えられる。 （ 2 0 0 9 ) ． Girija,Ｙ,Yokogawa,Ｒ・Kesavamoorthy， MPalanichamy，Ｋ・Asokan，Ｓ・Narayana ４）Ｇ・CKoumoulidis,Ａ・RKatsoulidis,Ａ．K ４．結言 Ladavos,ＲＪ・Pomonis,Ｃ・CTrapalis,Ａ・m 本研究では，ＰＳおよび非イオン性界面活性剤 Sdoukos,ＴＩＣ､Vaimakis,Ｊ:ＣＯ"ojd〃7彫加Ｃｅ であるＦ１２７存在下においてリン酸カルシウムの ”.,259,254(2003)． 合成を行い,その構造特性について検討を行った。 ５）YMurakami，Ｋ、Sugo，Ｔ､Yoshitake，Ｍ・ その結果,ＰＳにＦｌ２７を吸着させることで,ＰＳ Hirano,TOkuyama,S2p.Ｐ"啄琵cﾙ"ｏｆ,103, 表面近傍でのみＨＡｐの晶析反応を進行させるこ とができ，コアーシェル構造を有するＰＳ−ＨＡｐ 1 6 1 ( 2 0 1 3 ) ． ６）Ｓ､Sugiyama,Ｈ・Matsumoto,Ｈ､Hayashi,Ｊ・Ｂ 複合粒子が得られることを明らかにした。ＰＳに ＭＣ伽,Ｃｂ"り雄S"が4,169,17(2000)． は蛍光マーカーなどを含むものが市販されている ７）ＹＸｕ,Ｆ､Ｗ・Schwartz,Ｓ､Ｊ､Traina,Ｅ"Ｗ”"・ ことから，本研究で得られた粒子はバイオイメー Ｓｂｊ・たｃｈ"o1,28,1472(1994)． ジングなどの分野への応用を期待することができ ８）Ｃ,Ｃ､Silva,Ｍ､ＲＦ､Graca,Ｍ､Ａ・Valente,Ａ、 る。また，カルシウムイオンおよびリン酸イオン Ｓ､Ｂ・Sombla,JjMZ7”８℃』.,42,3851(2007)． を出発原料に用いた有機物質表面のリン酸カルシ ９）ＷKim,Ｆ,Saito,J:Ｃ〃e腕.助ｇ〃".,３３，７６８ ウムの被覆において，非イオン性界面活性剤はそ （ 2 0 0 0 ) ． の表面に特異的な反応場を与えるため，効果的に 10)Ｋ,Prabakaran,Ｓ､Raieswari,Slpec"oc肺加． 機能することも明らかとなった。特に本研究で得 ＡＣ”4,74,1127(2009)． られた手法は.微細領域におけるリン酸カルシウ １１）Ｊ・Andersson,Ｅ､Johannessen,Ｓ・Areva,N ムの被覆技術として期待することができ，リン酸 Baccile,mAzais,Ｍ・Linden,｡ﾉ:jMZ7〃Ｃ〃e〃.， カルシウムの被覆を必要とする新たな生体材料の １ ７ ， ４ ６ ３ ( 2 0 0 7 ) ． 調製を行う上で重要な知見を与えるものと考えら １２)Ａ､Onda,Ｓ,Ogo,KKajiyoshi,Ｋ､Yanagi‐ れる。 sawa,Ｍｎ”Ｌｅ".,62,1406(2008)． ､１３）Ｓ‘Ｍ､Schmidt,Ｊ・McDonald，Ｅ・Ｔ･Pineda， 謝辞 Ａ・MVerwilst,Ｙ､Chen，Ｒ・Josephs,Ａ、Ｅ・ 本研究は,JSPＳ科学研究費補助金(若手研究 Ostafin,Micmpom"ｓＭｾsQpom"ｓＭｂ花γ・'９４， (B)25820344)の助成を受けたものである。 ３ ３ ０ ( 2 0 0 6 ) ． １４)佐野雄哉,柴田裕史,小倉卓,油井研一,酒井 参考文献 秀樹．阿部正彦,橋本和明，材料技術,３１，３９ （ 2 0 1 3 ) ． l）Ｒ､Ｔ・McMahon,Ｌ・Wang,Ｒ､Skoracki,Ａ、 １ ５ ） Ｊ ､ C E l l i o t t , “ S t r u c t u r e a n d C h e m i s t r y o f t h e A p a t i t e s a n d O t h e r C a l c i u m O r t h o p h o s p h a t e s ， ， ， Ｂ､Math皿Ｊ:Bjo腕edMZIrexRes.Ｂ:App/、 Ｂわ”〃,101B,３８７(2013)． 2），．Ａ，Cardoso，』．Ａ，Jansen，Ｓ、Ｃ、G Leeuwenburgh，Ｊ:Bjo"ed､MtIrexReS．Ｂ６． ｐ ､ 1 7 0 , E l s e v i e L A m s t e r d a m ( 1 9 9 4 ) ． １６）Ｃ．Ｃ,Ribeiro,Ｃ､Ｃ・BaITias,Ｍ､Ａ・Barbosa,Ｊ： Ｍ上JrexSbj.､畑口彪殿Ｍと｡1,17,455(2006)． 411pﾉＢわ〃α”,100B,2316(2013)． 3）Ｓ､PrakashParthiban,Ｋ,Elayaraja,ＥＫ． ( 1 4 7 ） ５
© Copyright 2024 ExpyDoc
