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WO2018143120A1 - セラミックス結晶の被覆層を有する複合体とその製造方法 - Google Patents

セラミックス結晶の被覆層を有する複合体とその製造方法 Download PDF

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WO2018143120A1
WO2018143120A1 PCT/JP2018/002683 JP2018002683W WO2018143120A1 WO 2018143120 A1 WO2018143120 A1 WO 2018143120A1 JP 2018002683 W JP2018002683 W JP 2018002683W WO 2018143120 A1 WO2018143120 A1 WO 2018143120A1
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WO
WIPO (PCT)
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composite
core
base material
ceramic layer
solution
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PCT/JP2018/002683
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English (en)
French (fr)
Inventor
永田　夫久江
達也 宮島
加藤　且也
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Priority to JP2018565526A priority patent/JP6967294B2/ja
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Definitions

  • the present invention relates to a base material containing a hydrophilic polymer, a composite having a ceramic crystal covering the base material, and a method for producing the same.
  • the base material By coating the base material with a ceramic layer to produce a composite, chemical resistance, chemical resistance, oxidation resistance, wear resistance, corrosion resistance, etc. can be imparted to the base material, or high destruction of the base material Strength, high toughness, toughness, high hardness, high elasticity, functionalized gradient, etc. can be achieved. If this ceramic layer is thin, this composite can be both light and strong. In addition, if this ceramic layer is composed of calcium phosphate ceramics, this composite can be used as a biocompatible material including proteins, adsorption-separating materials, filters supplementing viruses, biosensors, artificial bones, and artificial tooth roots. It can be applied to materials. If the calcium phosphate layer covering the substrate is made of a continuous crystal layer, the optical function and internal stability of the composite can be further improved. In recent years, with the advancement of base materials, a material in which a ceramic layer is thinly and uniformly coated on the surface of the base material has attracted attention.
  • Patent Document 1 describes a method of forming a calcium phosphate compound layer on part or all of the surface of an organic polymer substrate.
  • Patent Document 1 only describes that a needle-like or plate-like calcium phosphate compound exists at the interface between the calcium phosphate compound layer and the organic polymer substrate, and describes the thickness of the coating layer. It has not been.
  • Patent Document 2 describes a complex having a hydrophobic polymer as a core and calcium phosphate as a shell.
  • An object of the present invention is to provide a composite in which a ceramic crystal is thinly and uniformly coated on a base material containing a hydrophilic polymer.
  • the composite of the present invention includes a base material containing a hydrophilic polymer and a ceramic layer covering at least a part of the surface of the base material, and the ceramic layer includes a crystal having a laminated structure.
  • the method for producing a composite of the present invention is a method for producing a composite having a base material and a ceramic layer covering at least a part of the surface of the base material, and a dispersion in which the base material is dispersed; It has the process of mixing and stirring the 1st solution containing a calcium ion and the 2nd solution containing a phosphate ion.
  • a composite in which ceramic crystals are thinly and uniformly coated on a substrate containing a hydrophilic polymer can be obtained.
  • FIG. 2 is a transmission electron micrograph of the composite of Example 1.
  • FIG. 2 is a transmission electron micrograph of the composite of Example 1.
  • FIG. 4 is a transmission electron micrograph of the composite of Example 2.
  • FIG. 4 is a transmission electron micrograph of the composite of Example 3.
  • FIG. 4 is a transmission electron micrograph of the composite of Example 4.
  • FIG. 6 is a transmission electron micrograph of the composite of Example 5.
  • FIG. 6 is a transmission electron micrograph of the composite of Example 6.
  • the composite according to the embodiment of the present invention includes a base material and a ceramic layer that covers at least a part of the surface of the base material.
  • the base material contains a hydrophilic polymer.
  • the hydrophilic polymer include proteins, peptides, polysaccharides, and synthetic polymers, but are not particularly limited.
  • the hydrophilic polymer is preferably a protein or a polysaccharide.
  • the hydrophilic polymer is preferably at least one of gelatin and BSA.
  • the hydrophilic polymer is preferably at least one of pectin, hyaluronic acid, and carboxymethylcellulose.
  • the hydrophilic functional group possessed by the substrate include, but are not limited to, a carboxyl group, a sulfo group, and a phosphate group.
  • the ceramic layer includes crystals having a laminated structure.
  • the ceramic layer may be composed of crystals having a laminated structure.
  • the crystal having a stacked structure preferably contains calcium phosphate.
  • Calcium phosphate is a salt composed of calcium ions (Ca 2+ ) and phosphate ions (PO 4 3 ⁇ ) or diphosphate ions (P 2 O 7 4 ⁇ ).
  • calcium phosphate contained in the ceramic layer of this embodiment for example, calcium dihydrogen phosphate (Ca (H 2 PO 4 ) 2 ), calcium dihydrogen phosphate monohydrate (Ca (H 2 PO 4 ) 2 .H 2 O), calcium hydrogen phosphate (CaHPO 4 ), calcium hydrogen phosphate dihydrate (CaHPO 4 .2H 2 O), tricalcium phosphate (Ca 3 (PO 4 ) 2 ), octacalcium phosphate (Ca 8 H 2 (PO 4) 6 ⁇ 5H 2 O), hydroxyapatite (Ca 10 (PO 4) 6 (OH) 2) , and the like.
  • Calcium phosphate preferably contains hydroxyapatite.
  • the hydroxyapatite layered structure is preferably a structure in which hydroxyapatite is laminated in the c-axis direction toward the outside of the substrate. By laminating hydroxyapatite in the c-axis direction toward the outside of the base material, the ceramic layer becomes strong and the base material can be stably held.
  • this laminated structure exists over the whole surface of a ceramic layer, for example, the outermost shell of a ceramic crystal is comprised from the hydroxyapatite which has a regular crystal structure.
  • the ceramic layer of this embodiment at least a part of calcium or phosphoric acid contained in calcium phosphate is chemically bonded to the hydrophilic functional group on the substrate surface. That is, the calcium or phosphoric acid present in the inner part of the ceramic layer and the functional group derived from the anionic group present on the substrate surface are chemically bonded. For this reason, the ceramic layer of this embodiment is hard to peel from a base material and to be hard to break.
  • the thickness of the ceramic layer of the present embodiment is 0.3 nm to 50 nm, preferably 1 nm to 20 nm, more preferably 1 nm to 10 nm, it is suitable for applications such as imparting hardness or chemical resistance to an organic base material. Yes. This is because when the absolute amount of the ceramic layer is small, hardness and chemical resistance can be imparted without impairing the lightness of the base material. Furthermore, by making the thickness of the ceramic layer smaller than the wavelength of visible light, it is possible to suppress damage to the optical characteristics of the substrate.
  • the composite of this embodiment may be core-shell type particles having a base material as a core and a ceramic layer as a shell.
  • complex which concerns on embodiment of this invention is a manufacturing method of the composite_body
  • the base material is disperse
  • the dispersion medium of the dispersion liquid and the solvent of the first solution and the second solution are preferably water. This is because it is easy to prepare and handle the dispersion, the first solution, and the second solution.
  • the substrate may contain a hydrophilic polymer.
  • the base material is dispersed in a shape to be coated with ceramic crystals.
  • This dispersion can be prepared by mixing a base material and a dispersion medium and, if necessary, stirring using a propeller-type stirrer or a magnetic stirrer. Note that the base material may be dispersed in the first solution, or the base material may be dispersed in the second solution.
  • the first solution which is an aqueous solution, includes calcium nitrate tetrahydrate aqueous solution, calcium chloride aqueous solution, calcium chloride monohydrate aqueous solution, calcium chlorate dihydrate aqueous solution, calcium perchlorate aqueous solution, calcium bromide aqueous solution, acetic acid
  • An aqueous calcium solution can be exemplified, but there is no particular limitation.
  • the concentration of calcium ions in the first solution is 2 mol / L or less, preferably 1 ⁇ 10 ⁇ 6 mol / L to 2 ⁇ 10 ⁇ 1 mol / L. This is because calcium phosphate can be regularly deposited on the surface of the substrate.
  • the second solution which is an aqueous solution, includes diammonium hydrogen phosphate aqueous solution, ammonium dihydrogen phosphate aqueous solution, disodium hydrogen phosphate aqueous solution, sodium dihydrogen phosphate monohydrate aqueous solution, sodium dihydrogen phosphate diwater
  • aqueous solution of a hydrate, an aqueous potassium phosphate solution, an aqueous dipotassium hydrogen phosphate solution, an aqueous potassium dihydrogen phosphate solution, and an aqueous phosphoric acid solution include, but are not limited to.
  • the base material is dispersed.
  • the order in which the dispersion in which the base material is dispersed, the first solution, and the second solution are mixed is not particularly limited. In addition, it is preferable to stir the dispersion in which the base material is dispersed, the first solution, and the second solution in an environment of pH 9 or higher.
  • the ratio of the amount of calcium ions in the first solution to the amount of phosphate ions in the second solution is preferably 0.8-20. This is because the hydroxyapatite to be deposited has a molar ratio of 1.7, and if the molar ratio of the material is the same, the hydroxyapatite can be efficiently precipitated.
  • the method of stirring is not particularly limited. For example, it can stir using stirring means, such as a propeller-type stirrer and a magnetic stirrer.
  • the stirring time is, for example, 10 minutes to 120 hours, and preferably 1 hour to 72 hours in order to promote precipitation of calcium phosphate on the surface of the substrate.
  • a composite dispersion containing the base material and ceramic crystals formed on the surface of the base material is obtained.
  • the complex can be isolated by solid-liquid separation of the dispersion by filtration, centrifugation, lyophilization, and the like. Since the method for producing a composite according to this embodiment can be carried out at room temperature and normal pressure, it is possible to suppress denaturation of the substrate and to reduce the burden on the environment. In addition, it can also heat as needed.
  • Gelatin (Nippi, HMG-BP) (0.005 g) was dispersed in distilled water (65 mL). 10 mL of 0.018 mol / L calcium acetate aqueous solution was added to this dispersion, and the mixture was stirred at 300 rpm for 5 minutes using a magnetic stirrer, and further 25 mL of 0.003 mol / L diammonium hydrogen phosphate aqueous solution was added and stirred. Then, it stirred for 24 hours at 300 rpm using the magnetic stirrer, and obtained the aqueous dispersion liquid of the composite_body
  • FIG. 2 is a transmission electron micrograph of the core-shell particles observed at a higher magnification. From a lattice image obtained by a transmission electron microscope, it was found that hydroxyapatite was laminated in the c-axis direction toward the outside of the shell.
  • Example 2 50 mg of bovine serum albumin (Sigma, Bovine Serum Albumin, BSA) was added to 100 mL of 0.010 mol / L calcium acetate aqueous solution, and the mixture was stirred at 300 rpm for 5 minutes using a magnetic stirrer, and 0.006 mol / L hydrogen phosphate 100 mL of an aqueous diammonium solution was further added dropwise and stirred. Then, it stirred at 300 rpm for 3 hours using the magnetic stirrer, and obtained the aqueous dispersion liquid of the composite_body
  • BSA Bovine Serum Albumin
  • FIG. 1 A transmission electron micrograph of this core-shell type particle is shown in FIG. From this photograph, it was confirmed that a ceramic crystal shell having a thickness of about 5 nm was uniformly coated on the surface of BSA as a core. Further, it was found from a lattice image obtained by a transmission electron microscope that hydroxyapatite was laminated in the c-axis direction toward the outside of the shell.
  • Example 3 0.05 g of pectin (manufactured by Wako Pure Chemicals, 164-00552) was dispersed in 160 mL of distilled water. 20 mL of 0.080 mol / L calcium acetate aqueous solution was added to this dispersion, and the mixture was stirred for 5 minutes at 300 rpm using a magnetic stirrer. Further, 25 mL of 0.048 mol / L diammonium hydrogen phosphate aqueous solution was added and stirred.
  • the mixture was stirred at 300 rpm for 24 hours using a magnetic stirrer to obtain an aqueous dispersion of core-shell particles in which hydroxyapatite crystals were formed on the surface of pectin.
  • the aqueous dispersion was subjected to solid-liquid separation by centrifugation, and then the solid was freeze-dried to obtain core-shell particles having a width of about 20 nm and a length of about 500 nm.
  • FIG. 4 shows a transmission electron micrograph of this core-shell type particle. From this photograph, it was confirmed that a ceramic crystal shell having a thickness of about 10 nm was uniformly coated on the surface of the core pectin. Further, it was found from a lattice image obtained by a transmission electron microscope that hydroxyapatite was laminated in the c-axis direction toward the outside of the shell.
  • Example 4 0.1 g of sodium hyaluronate (089-10343, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was dispersed in 200 mL of distilled water. 2 mL of a 2.00 mol / L calcium acetate aqueous solution was added to this dispersion, followed by stirring at 300 rpm for 5 minutes using a magnetic stirrer. Further, 2 mL of a 1.20 mol / L diammonium hydrogen phosphate aqueous solution was added and stirred.
  • FIG. 5 shows a transmission electron micrograph of the core-shell type particles. From this photograph, it was found that the core-shell type particles had a structure in which a hydroxyapatite crystal shell having a thickness of about 5 nm covered the periphery of a core in which hyaluronic acid fibers were spheroidized. Furthermore, it was found that the crystal plane of the surface of the core-shell type particle was the c-plane.
  • Example 5 0.1 g of carboxymethyl cellulose (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, 039-01335) was dispersed in 200 mL of distilled water. 2 mL of 0.80 mol / L calcium acetate aqueous solution was added to this dispersion, and stirred at 300 rpm for 5 minutes using a magnetic stirrer. 2 mL of 0.48 mol / L diammonium hydrogen phosphate aqueous solution was further added and stirred.
  • FIG. 1 A transmission electron micrograph of this core-shell type particle is shown in FIG. From this photograph, it was found that the core-shell type particles had a structure in which the core carboxymethyl cellulose fiber was covered with a hydroxyapatite crystal shell having a thickness of about 10 nm. Furthermore, it was found that the crystal plane of the surface of the core-shell type particle was the c-plane.
  • Fibrous core-shell particles were obtained in the same manner as in Example 5 except that a 2.00 mol / L calcium acetate aqueous solution and a 1.20 mol / L diammonium hydrogen phosphate aqueous solution were used.
  • a transmission electron micrograph of the core-shell type particles is shown in FIG. From this photograph, it was found that the core-shell type particles had a structure in which a carboxymethyl cellulose fiber having a width of about 5 nm was used as a core and a hydroxyapatite crystal shell having a thickness of about 5 nm was covered around the core. Furthermore, it was found that the crystal plane of the surface of the core-shell type particle was the c-plane.
  • Example 7 0.1 g of pectin (manufactured by Wako Pure Chemicals, 164-00552) was dispersed in 160 mL of distilled water. 20 mL of 0.020 mol / L calcium acetate aqueous solution was added to this dispersion, and the mixture was stirred for 5 minutes at 300 rpm using a magnetic stirrer. 20 mL of 0.012 mol / L diammonium hydrogen phosphate aqueous solution was further added and stirred. Thereafter, the mixture was stirred for 72 hours at 300 rpm using a magnetic stirrer to obtain an aqueous dispersion of core-shell particles in which hydroxyapatite crystals were formed on the surface of pectin. The aqueous dispersion was desalted using a dialysis membrane and then freeze-dried to obtain sheet-like core-shell type particles.
  • the core-shell type particle is a sheet in which a fibrous composite having a pectin core and a hydroxyapatite crystal shell having a thickness of about 5 nm is covered in a short direction. It turns out that it has a structure. Furthermore, it was found that the crystal plane of the surface of the core-shell type particle was the c-plane.
  • Example 8 Example, except that a 0.040 mol / L calcium acetate aqueous solution and a 0.024 mol / L diammonium hydrogen phosphate aqueous solution were used, and the stirring using a magnetic stirrer was changed from 72 hours to 24 hours.
  • sheet-like core-shell type particles were obtained. From the transmission electron micrograph of the core-shell type particle, the core-shell type particle is a sheet in which a fibrous complex having a pectin as a core and covered with a hydroxyapatite crystal shell having a thickness of about 3 nm is connected in the short direction. It turns out that it has a structure. Furthermore, it was found that the crystal plane of the surface of the core-shell type particle was the c-plane.
  • Example 9 Sheet-like core-shell particles were obtained in the same manner as in Example 8, except that a 0.080 mol / L calcium acetate aqueous solution and a 0.048 mol / L diammonium hydrogen phosphate aqueous solution were used.
  • the core-shell type particle is a sheet in which a fibrous composite having a pectin core and a hydroxyapatite crystal shell having a thickness of about 5 nm is covered in a short direction. It turns out that it has a structure. Furthermore, it was found that the crystal plane of the surface of the core-shell type particle was the c-plane.
  • Example 10 Except for using 0.80 mol / L calcium acetate aqueous solution and 0.48 mol / L diammonium hydrogen phosphate aqueous solution 20 mL, and performing solid-liquid separation of the aqueous dispersion of core-shell particles by centrifugation.
  • sheet-like core-shell type particles were obtained.
  • the core-shell type particle is a sheet in which a fibrous complex having a pectin as a core and covered with a hydroxyapatite crystal shell having a thickness of about 10 nm is connected in the short direction. It turns out that it has a structure. Furthermore, it was found that the crystal plane of the surface of the core-shell type particle was the c-plane.
  • Example 11 0.1 g of carboxymethyl cellulose (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 039-01335) was dispersed in 160 mL of distilled water. 20 mL of 0.020 mol / L calcium acetate aqueous solution was added to this dispersion, and the mixture was stirred for 5 minutes at 300 rpm using a magnetic stirrer. 20 mL of 0.012 mol / L diammonium hydrogen phosphate aqueous solution was further added and stirred.
  • the core-shell type particles are composed of a carboxymethyl cellulose fiber as a core and a fibrous composite in which the circumference is covered with a hydroxyapatite crystal shell having a thickness of about 2 nm. It was found to have a sheet structure. Furthermore, it was found that the crystal plane of the surface of the core-shell type particle was the c-plane.
  • Example 12 0.5 g of carboxymethyl cellulose (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, 039-01335) was dispersed in 180 mL of distilled water. 20 mL of 0.020 mol / L calcium acetate aqueous solution was added to this dispersion, and the mixture was stirred for 5 minutes at 300 rpm using a magnetic stirrer. 20 mL of 0.012 mol / L diammonium hydrogen phosphate aqueous solution was further added and stirred.
  • this core-shell type particle is composed of a carboxymethyl cellulose fiber as a core and a fibrous composite in which the circumference is covered with a hydroxyapatite crystal shell having a thickness of about 5 nm. It was found to have a sheet structure. Furthermore, it was found that the crystal plane of the surface of the core-shell type particle was the c-plane.
  • Example 13 After stirring for 72 hours at 300 rpm using a magnetic stirrer, sheet-like core-shell particles were obtained in the same manner as in Example 12 except that the temperature was raised from room temperature to 60 ° C. From the transmission electron micrograph of this core-shell type particle, this core-shell type particle is composed of a carboxymethyl cellulose fiber as a core and a fibrous composite in which the circumference is covered with a hydroxyapatite crystal shell having a thickness of about 10 nm. It was found to have a sheet structure. Furthermore, it was found that the crystal plane of the surface of the core-shell type particle was the c-plane.
  • Example 14 Sheet-like core-shell particles were obtained in the same manner as in Example 8, except that a 0.020 mol / L calcium acetate aqueous solution and a 0.012 mol / L diammonium hydrogen phosphate aqueous solution were used.
  • the core-shell type particle is a sheet in which a fibrous complex having a pectin as a core and a hydroxyapatite crystal shell having a thickness of about 1 nm is covered in a short direction. It turns out that it has a structure. Furthermore, it was found that the crystal plane of the surface of the core-shell type particle was the c-plane.
  • the composite of the present invention can be used for imparting hardness or chemical resistance to organic base materials.

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Abstract

親水性高分子を含む基材上に、セラミックス結晶が薄く均一に被覆された複合体を提供する。複合体は、親水性高分子を含む基材と、基材の表面の少なくとも一部を被覆するセラミックス層とを有し、セラミックス層が積層構造を有する結晶を含んでいる。セラミックス層はリン酸カルシウムを含んでいてもよい。セラミックス層の厚みは０．３ｎｍ～５０ｎｍである。複合体は、基材が分散している分散液と、カルシウムイオンを含む第一溶液と、リン酸イオンを含む第二溶液を混合して撹拌する工程を経て製造される。

Description

セラミックス結晶の被覆層を有する複合体とその製造方法
　本発明は、親水性高分子を含む基材と、この基材を被覆するセラミックス結晶を有する複合体とその製造方法に関するものである。
　基材をセラミックス層で被覆して複合体を作製することにより、耐化学性、耐薬品性、耐酸化性、耐摩耗性、耐腐食性などを基材に付与できたり、基材の高破壊強度化、高靱性化、強靱化、高硬度化、高弾性化、傾斜機能化などができたりする。このセラミックス層が薄ければ、この複合体は軽さと強さが両立できる。さらに、このセラミックス層がリン酸カルシウムセラミックスから構成されていれば、この複合体は、タンパク質などの吸着分離用素材、ウイルスなどを補足するフィルター、バイオセンサ、人工骨、人工歯根をはじめとする生体適合性材料などに応用できる。基材を被覆するリン酸カルシウム層が、連続的なひとつながりの結晶層でできていれば、複合体の光学的機能や内部安定性をより向上させることができる。近年、基材の高度化の中で、基材表面に薄く均一にセラミックス層を被覆させた材料が関心を集めている。
　上記目的に対して、基材の表面にセラミックス被膜を形成する方法が各種報告されている。例えば、この被膜形成方法としては、プラズマ溶射法、スパッタリング法、フレーム溶射法、焼き付け法などがあるが、高温処理による基材への障害が欠点となる。このため、比較的低温でセラミックス被膜を薄く形成する方法が必要とされている。特許文献１には、有機ポリマー基材の表面の一部または全部にリン酸カルシウム系化合物層を形成させる手法が記載されている。しかしながら、特許文献１には、リン酸カルシウム系化合物層と有機ポリマー基材との界面に針状あるいは板状のリン酸カルシウム系化合物が存在することが記載されているに過ぎず、被覆層の厚みについては記載されていない。特許文献２には、疎水性高分子をコアとし、リン酸カルシウムをシェルとする複合体が記載されている。
特開２００３－２５３０２３号公報 国際公開第２０１６／０３５７５０号
　本発明は、親水性高分子を含む基材に、セラミックス結晶が薄く均一に被覆された複合体を提供することを目的とする。
　本発明の複合体は、親水性高分子を含む基材と、基材の表面の少なくとも一部を被覆するセラミックス層とを有し、セラミックス層が積層構造を有する結晶を含む。本発明の複合体の製造方法は、基材と、基材の表面の少なくとも一部を被覆するセラミックス層とを有する複合体の製造方法であって、基材が分散している分散液と、カルシウムイオンを含む第一溶液と、リン酸イオンを含む第二溶液を混合して撹拌する工程を有する。
　本発明によれば、親水性高分子を含む基材上に、セラミックス結晶が薄く均一に被覆された複合体が得られる。
実施例１の複合体の透過型電子顕微鏡写真。 実施例１の複合体の透過型電子顕微鏡写真。 実施例２の複合体の透過型電子顕微鏡写真。 実施例３の複合体の透過型電子顕微鏡写真。 実施例４の複合体の透過型電子顕微鏡写真。 実施例５の複合体の透過型電子顕微鏡写真。 実施例６の複合体の透過型電子顕微鏡写真。
　以下、本発明の複合体と複合体の製造方法について、実施形態と実施例に基づいて説明する。なお、重複説明は適宜省略する。また、２つの数値の間に「～」を記載して数値範囲を表す場合には、この２つの数値も数値範囲に含まれる。
　本発明の実施形態に係る複合体は、基材と、基材の表面の少なくとも一部を被覆するセラミックス層とを有している。基材は、親水性高分子を含んでいる。親水性高分子としては、タンパク質、ペプチド、多糖類、合成高分子などが例示できるが、特に制限はない。親水性高分子はタンパク質または多糖類であることが好ましい。タンパク質の中でも、親水性高分子は、ゼラチンおよびＢＳＡの少なくとも一方であることが好ましい。また、多糖類の中でも、親水性高分子は、ペクチン、ヒアルロン酸、およびカルボキシメチルセルロースの少なくとも一種であることが好ましい。基材が有している親水性官能基としては、カルボキシル基、スルホ基、リン酸基などが例示できるが、これらに限定されない。
　セラミックス層は積層構造を有する結晶を含んでいる。セラミックス層は、積層構造を有する結晶から構成されていてもよい。積層構造を有する結晶は、リン酸カルシウムを含んでいることが好ましい。リン酸カルシウムは、カルシウムイオン（Ｃａ２＋）と、リン酸イオン（ＰＯ４ ３－）または二リン酸イオン（Ｐ２Ｏ７ ４－）とからなる塩である。本実施形態のセラミックス層に含まれるリン酸カルシウムとしては、例えばリン酸二水素カルシウム（Ｃａ（Ｈ２ＰＯ４）２）、リン酸二水素カルシウム一水和物（Ｃａ（Ｈ２ＰＯ４）２・Ｈ２Ｏ）、リン酸水素カルシウム（ＣａＨＰＯ４）、リン酸水素カルシウム二水和物（ＣａＨＰＯ４・２Ｈ２Ｏ）、リン酸三カルシウム（Ｃａ３（ＰＯ４）２）、リン酸八カルシウム（Ｃａ８Ｈ２（ＰＯ４）６・５Ｈ２Ｏ）、ヒドロキシアパタイト（Ｃａ１０（ＰＯ４）６（ＯＨ）２）などが挙げられる。
　リン酸カルシウムは、ヒドロキシアパタイトを含むことが好ましい。そして、このヒドロキシアパタイトの積層構造は、基材の外側に向かってヒドロキシアパタイトがｃ軸方向に積層されたものであることが好ましい。基材の外側に向かってヒドロキシアパタイトがｃ軸方向に積層することによって、セラミックス層が強固になり、基材を安定して保持することができる。なお、この積層構造がセラミックス層の全面に渡って存在すること、例えば、セラミックス結晶の最外殻が、規則的な結晶構造を有するヒドロキシアパタイトから構成されていることが好ましい。
　本実施形態のセラミックス層は、リン酸カルシウムに含まれるカルシウムまたはリン酸の少なくとも一部が、基材表面の親水性官能基と化学結合している。すなわち、セラミックス層の内側部分に存在するカルシウムまたはリン酸と、基材表面に存在するアニオン性基に由来する官能基とが化学結合している。このため、本実施形態のセラミックス層は、基材から剥離しにくく壊れにくい。
　本実施形態のセラミックス層は、厚みが０．３ｎｍ～５０ｎｍ、好ましくは１ｎｍ～２０ｎｍ、さらに好ましくは１ｎｍ～１０ｎｍである場合、有機系基材の硬度付与や耐化学性付与などの用途に適している。セラミックス層の絶対量が少ないことにより、基材の軽さを損なうことなく、硬度や耐化学性が付与できるからである。さらに、セラミックス層の厚みを可視光の波長よりも小さくすることで、基材の光学的特性を損なうことが抑えられるからである。本実施形態の複合体は、基材をコアとし、セラミックス層をシェルとするコアシェル型粒子であってもよい。
　本発明の実施形態に係る複合体の製造方法は、基材と、基材の表面の少なくとも一部を被覆するセラミックス層とを有する複合体の製造方法であって、基材が分散している分散液と、カルシウムイオンを含む第一溶液と、リン酸イオンを含む第二溶液を混合して撹拌する工程を有する。分散液の分散媒、ならびに第一溶液および第二溶液の溶媒が水であることが好ましい。分散液、第一溶液、および第二溶液の調製や取り扱いが容易だからである。また、基材は、親水性高分子を含んでいてもよい。
　分散液には、セラミックス結晶を被覆させたい形状で基材が分散している。この分散液は、基材と分散媒を混合し、必要に応じて、プロペラ型撹拌機やマグネティックスターラーなどを用いた撹拌によって調製できる。なお、第一溶液に基材を分散させておいてもよいし、第二溶液に基材を分散させておいてもよい。水溶液である第一溶液としては、硝酸カルシウム四水和物水溶液、塩化カルシウム水溶液、塩化カルシウム一水和物水溶液、塩素酸カルシウム二水和物水溶液、過塩素酸カルシウム水溶液、臭化カルシウム水溶液、酢酸カルシウム水溶液などが例示できるが、特に制限はない。
　第一溶液のカルシウムイオンの濃度は、２ｍｏｌ／Ｌ以下、好ましくは１×１０－６ｍｏｌ／Ｌ～２×１０－１ｍｏｌ／Ｌであることが好ましい。基材の表面にリン酸カルシウムを規則的に析出させることができるからである。また、水溶液である第二溶液としては、リン酸水素二アンモニウム水溶液、リン酸二水素アンモニウム水溶液、リン酸水素二ナトリウム水溶液、リン酸二水素ナトリウム一水和物水溶液、リン酸二水素ナトリウム二水和物水溶液、リン酸カリウム水溶液、リン酸水素二カリウム水溶液、リン酸二水素カリウム水溶液、リン酸水溶液などが例示できるが、特に制限はない。
　本実施形態の複合体の製造方法では、基材が分散している分散液と、第一溶液と、第二溶液を混合して撹拌する工程に代えて、（１）基材が分散しており、カルシウムイオンを含む分散液と、第二溶液を混合して撹拌する工程、または（２）基材が分散しており、リン酸イオンを含む分散液と、第一溶液を混合して撹拌する工程であってもよい。基材が分散している分散液と、第一溶液と、第二溶液を混合する順番は特に限定されない。なお、ｐＨ９以上の環境下で、基材が分散している分散液と、第一溶液と、第二溶液を撹拌することが好ましい。
　第二溶液中のリン酸イオンの物質量に対する第一溶液中のカルシウムイオンの物質量の比、いわゆるモル比は、０．８～２０であることが好ましい。析出させたいヒドロキシアパタイトのこれらのモル比が１．７であり、材料のモル比も同程度であると効率よく析出させられるからである。撹拌の方法は特に限定されない。例えば、プロペラ型撹拌機やマグネティックスターラーなどの撹拌手段を用いて撹拌することができる。撹拌時間は、例えば１０分～１２０時間であり、基材の表面にリン酸カルシウムの析出を促すために１時間～７２時間であることが好ましい。
　この混合して撹拌する工程を経て、基材と、この基材の表面に形成されたセラミックス結晶を含む複合体の分散体が得られる。濾過、遠心分離、凍結乾燥などによってこの分散液を固液分離して、この複合体を単離できる。本実施形態の複合体の製造方法は、常温常圧で実施できるため、基材の変性を抑えることができる上、環境への負荷が少ない。なお、必要に応じて加熱することもできる。
　つぎに、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、実施例により限定されない。
［実施例１］
　ゼラチン（ニッピ製、ＨＭＧ－ＢＰ）０．００５ｇを蒸留水６５ｍＬ中に分散した。０．０１８ｍｏｌ／Ｌの酢酸カルシウム水溶液１０ｍＬをこの分散液に加え、マグネティックスターラーを用いて３００ｒｐｍで５分間撹拌し、０．００３ｍｏｌ／Ｌのリン酸水素二アンモニウム水溶液２５ｍＬをさらに加えて撹拌した。その後、マグネティックスターラーを用いて３００ｒｐｍで２４時間撹拌し、ゼラチンの表面にリン酸カルシウム結晶が被覆された複合体の水分散液を得た。この分散液を遠心分離で固液分離した後、凍結乾燥させてコアシェル型粒子を得た。
　このコアシェル型粒子の透過型電子顕微鏡写真を図１に示す。この写真から、コアであるゼラチン繊維の表面に、厚み約５ｎｍのセラミックス結晶のシェルが均一に被覆していることを確認した。図２は、このコアシェル型粒子をさらに高倍率で観察した透過型電子顕微鏡写真である。透過型電子顕微鏡による格子像から、シェルの外側に向かってヒドロキシアパタイトがｃ軸方向に積層していることがわかった。
［実施例２］
　０．０１０ｍｏｌ／Ｌの酢酸カルシウム水溶液１００ｍＬ中にウシ血清アルブミン（シグマ製、Ｂｏｖｉｎｅ　Ｓｅｒｕｍ　Ａｌｂｕｍｉｎ、ＢＳＡ）５０ｍｇを加え、マグネティックスターラーを用いて３００ｒｐｍで５分間撹拌し、０．００６ｍｏｌ／Ｌのリン酸水素二アンモニウム水溶液１００ｍＬをさらに滴下して撹拌した。その後、マグネティックスターラーを用いて３００ｒｐｍで３時間撹拌し、ＢＳＡの表面にリン酸カルシウム結晶が被覆された複合体の水分散液を得た。この分散液を濾過した後、凍結乾燥させてコアシェル型粒子を得た。
　このコアシェル型粒子の透過型電子顕微鏡写真を図３に示す。この写真から、コアであるＢＳＡの表面に、厚み約５ｎｍのセラミックス結晶のシェルが均一に被覆していることを確認した。また、透過型電子顕微鏡による格子像から、シェルの外側に向かってヒドロキシアパタイトがｃ軸方向に積層していることがわかった。
［実施例３］
　ペクチン（和光純薬製、１６４－００５５２）０．０５ｇを蒸留水１６０ｍＬ中に分散した。０．０８０ｍｏｌ／Ｌの酢酸カルシウム水溶液２０ｍＬをこの分散液に加え、マグネティックスターラーを用いて３００ｒｐｍで５分間撹拌した。０．０４８ｍｏｌ／Ｌのリン酸水素二アンモニウム水溶液２５ｍＬをさらに加えて撹拌した。その後、マグネティックスターラーを用いて３００ｒｐｍで２４時間撹拌し、ペクチンの表面にヒドロキシアパタイト結晶が形成されたコアシェル型粒子の水分散液を得た。この水分散液を遠心分離で固液分離した後、固形物を凍結乾燥させて、幅が約２０ｎｍで、長さが約５００ｎｍのコアシェル型粒子を得た。
　このコアシェル型粒子の透過型電子顕微鏡写真を図４に示す。この写真から、コアであるペクチンの表面に、厚み約１０ｎｍのセラミックス結晶のシェルが均一に被覆していることを確認した。また、透過型電子顕微鏡による格子像から、シェルの外側に向かってヒドロキシアパタイトがｃ軸方向に積層していることがわかった。
［実施例４］
　ヒアルロン酸ナトリウム（和光純薬製、０８９－１０３４３）０．１ｇを蒸留水２００ｍＬ中に分散した。２．００ｍｏｌ／Ｌの酢酸カルシウム水溶液２ｍＬをこの分散液に加え、マグネティックスターラーを用いて３００ｒｐｍで５分間撹拌した。１．２０ｍｏｌ／Ｌのリン酸水素二アンモニウム水溶液２ｍＬをさらに加えて撹拌した。その後、マグネティックスターラーを用いて３００ｒｐｍで２４時間撹拌し、ヒアルロン酸の表面にヒドロキシアパタイト結晶が形成されたコアシェル型粒子の水分散液を得た。この水分散液を遠心分離で固液分離した後、固形物を凍結乾燥させて、直径が約２０ｎｍのコアシェル型粒子を得た。
　このコアシェル型粒子の透過型電子顕微鏡写真を図５に示す。この写真から、このコアシェル型粒子は、ヒアルロン酸繊維が球状化したコアの周囲を、厚み約５ｎｍのヒドロキシアパタイト結晶シェルが覆った構造を備えていることがわかった。さらに、このコアシェル型粒子表面の結晶面がｃ面であることがわかった。
［実施例５］
　カルボキシメチルセルロース（和光純薬製、０３９－０１３３５）０．１ｇを蒸留水２００ｍＬ中に分散した。０．８０ｍｏｌ／Ｌの酢酸カルシウム水溶液２ｍＬをこの分散液に加え、マグネティックスターラーを用いて３００ｒｐｍで５分間撹拌した。０．４８ｍｏｌ／Ｌのリン酸水素二アンモニウム水溶液２ｍＬをさらに加えて撹拌した。その後、マグネティックスターラーを用いて３００ｒｐｍで２４時間撹拌し、カルボキシメチルセルロースの表面にヒドロキシアパタイト結晶が形成されたコアシェル型粒子の水分散液を得た。この水分散液を遠心分離で固液分離した後、固形物を凍結乾燥させて、繊維状コアシェル型粒子を得た。
　このコアシェル型粒子の透過型電子顕微鏡写真を図６に示す。この写真から、このコアシェル型粒子は、コアのカルボキシルメチルセルロース繊維を、厚み約１０ｎｍのヒドロキシアパタイト結晶シェルが覆った構造を備えていることがわかった。さらに、このコアシェル型粒子表面の結晶面がｃ面であることがわかった。
［実施例６］
　２．００ｍｏｌ／Ｌの酢酸カルシウム水溶液および１．２０ｍｏｌ／Ｌのリン酸水素二アンモニウム水溶液を用いた点を除いて、実施例５と同様にして繊維状コアシェル型粒子を得た。このコアシェル型粒子の透過型電子顕微鏡写真を図７に示す。この写真から、このコアシェル型粒子は、幅約５ｎｍのカルボキシルメチルセルロース繊維をコアとし、その周囲を厚み約５ｎｍのヒドロキシアパタイト結晶シェルが覆った構造を備えていることがわかった。さらに、このコアシェル型粒子表面の結晶面がｃ面であることがわかった。
［実施例７］
　ペクチン（和光純薬製、１６４－００５５２）０．１ｇを蒸留水１６０ｍＬ中に分散した。０．０２０ｍｏｌ／Ｌの酢酸カルシウム水溶液２０ｍＬをこの分散液に加え、マグネティックスターラーを用いて３００ｒｐｍで５分間撹拌した。０．０１２ｍｏｌ／Ｌのリン酸水素二アンモニウム水溶液２０ｍＬをさらに加えて撹拌した。その後、マグネティックスターラーを用いて３００ｒｐｍで７２時間撹拌し、ペクチンの表面にヒドロキシアパタイト結晶が形成されたコアシェル型粒子の水分散液を得た。透析膜を用いてこの水分散液を脱塩した後、凍結乾燥させて、シート状コアシェル型粒子を得た。
　このコアシェル型粒子の透過型電子顕微鏡写真から、このコアシェル型粒子は、ペクチンをコアとし、その周囲を厚み約５ｎｍのヒドロキシアパタイト結晶シェルが覆った繊維状複合体が、短手方向に連なったシート構造を備えていることがわかった。さらに、このコアシェル型粒子表面の結晶面がｃ面であることがわかった。
［実施例８］
　０．０４０ｍｏｌ／Ｌの酢酸カルシウム水溶液および０．０２４ｍｏｌ／Ｌのリン酸水素二アンモニウム水溶液を用いた点、ならびにマグネティックスターラーを用いた撹拌を７２時間から２４時間に変更した点を除いて、実施例７と同様にしてシート状コアシェル型粒子を得た。このコアシェル型粒子の透過型電子顕微鏡写真から、このコアシェル型粒子は、ペクチンをコアとし、その周囲を厚み約３ｎｍのヒドロキシアパタイト結晶シェルが覆った繊維状複合体が、短手方向に連なったシート構造を備えていることがわかった。さらに、このコアシェル型粒子表面の結晶面がｃ面であることがわかった。
［実施例９］
　０．０８０ｍｏｌ／Ｌの酢酸カルシウム水溶液および０．０４８ｍｏｌ／Ｌのリン酸水素二アンモニウム水溶液を用いた点を除いて、実施例８と同様にしてシート状コアシェル型粒子を得た。このコアシェル型粒子の透過型電子顕微鏡写真から、このコアシェル型粒子は、ペクチンをコアとし、その周囲を厚み約５ｎｍのヒドロキシアパタイト結晶シェルが覆った繊維状複合体が、短手方向に連なったシート構造を備えていることがわかった。さらに、このコアシェル型粒子表面の結晶面がｃ面であることがわかった。
［実施例１０］
　０．８０ｍｏｌ／Ｌの酢酸カルシウム水溶液および０．４８ｍｏｌ／Ｌのリン酸水素二アンモニウム水溶液２０ｍＬを用いた点、ならびにコアシェル型粒子の水分散液を遠心分離で固液分離した点を除いて、実施例９と同様にしてシート状コアシェル型粒子を得た。このコアシェル型粒子の透過型電子顕微鏡写真から、このコアシェル型粒子は、ペクチンをコアとし、その周囲を厚み約１０ｎｍのヒドロキシアパタイト結晶シェルが覆った繊維状複合体が、短手方向に連なったシート構造を備えていることがわかった。さらに、このコアシェル型粒子表面の結晶面がｃ面であることがわかった。
［実施例１１］
　カルボキシメチルセルロース（和光純薬製、０３９－０１３３５）０．１ｇを蒸留水１６０ｍＬ中に分散した。０．０２０ｍｏｌ／Ｌの酢酸カルシウム水溶液２０ｍＬをこの分散液に加え、マグネティックスターラーを用いて３００ｒｐｍで５分間撹拌した。０．０１２ｍｏｌ／Ｌのリン酸水素二アンモニウム水溶液２０ｍＬをさらに加えて撹拌した。その後、マグネティックスターラーを用いて３００ｒｐｍで２４時間撹拌し、カルボキシメチルセルロースの表面にヒドロキシアパタイト結晶が形成されたコアシェル型粒子の水分散液を得た。透析膜を用いてこの水分散液を脱塩した後、凍結乾燥させて、シート状コアシェル型粒子を得た。
　このコアシェル型粒子の透過型電子顕微鏡写真から、このコアシェル型粒子は、カルボキシルメチルセルロース繊維をコアとし、その周囲を厚み約２ｎｍのヒドロキシアパタイト結晶シェルが覆った繊維状複合体が、短手方向に連なったシート構造を備えていることがわかった。さらに、このコアシェル型粒子表面の結晶面がｃ面であることがわかった。
［実施例１２］
　カルボキシメチルセルロース（和光純薬製、０３９－０１３３５）０．５ｇを蒸留水１８０ｍＬ中に分散した。０．０２０ｍｏｌ／Ｌの酢酸カルシウム水溶液２０ｍＬをこの分散液に加え、マグネティックスターラーを用いて３００ｒｐｍで５分間撹拌した。０．０１２ｍｏｌ／Ｌのリン酸水素二アンモニウム水溶液２０ｍＬをさらに加えて撹拌した。その後、マグネティックスターラーを用いて３００ｒｐｍで７２時間撹拌し、カルボキシメチルセルロースの表面にヒドロキシアパタイト結晶が形成されたコアシェル型粒子の水分散液を得た。この水分散液を遠心分離で固液分離した後、固形物を凍結乾燥させて、シート状コアシェル型粒子を得た。
　このコアシェル型粒子の透過型電子顕微鏡写真から、このコアシェル型粒子は、カルボキシルメチルセルロース繊維をコアとし、その周囲を厚み約５ｎｍのヒドロキシアパタイト結晶シェルが覆った繊維状複合体が、短手方向に連なったシート構造を備えていることがわかった。さらに、このコアシェル型粒子表面の結晶面がｃ面であることがわかった。
［実施例１３］
　マグネティックスターラーを用いて３００ｒｐｍで７２時間撹拌した後、室温から６０℃まで昇温した点を除いて、実施例１２と同様にしてシート状コアシェル型粒子を得た。このコアシェル型粒子の透過型電子顕微鏡写真から、このコアシェル型粒子は、カルボキシルメチルセルロース繊維をコアとし、その周囲を厚み約１０ｎｍのヒドロキシアパタイト結晶シェルが覆った繊維状複合体が、短手方向に連なったシート構造を備えていることがわかった。さらに、このコアシェル型粒子表面の結晶面がｃ面であることがわかった。
［実施例１４］
　０．０２０ｍｏｌ／Ｌの酢酸カルシウム水溶液および０．０１２ｍｏｌ／Ｌのリン酸水素二アンモニウム水溶液を用いた点を除いて、実施例８と同様にしてシート状コアシェル型粒子を得た。このコアシェル型粒子の透過型電子顕微鏡写真から、このコアシェル型粒子は、ペクチンをコアとし、その周囲を厚み約１ｎｍのヒドロキシアパタイト結晶シェルが覆った繊維状複合体が、短手方向に連なったシート構造を備えていることがわかった。さらに、このコアシェル型粒子表面の結晶面がｃ面であることがわかった。
　本発明の複合体は、有機系基材の硬度付与や耐化学性付与などに利用できる。

Claims (19)

  1. 　親水性高分子を含む基材と、前記基材の表面の少なくとも一部を被覆するセラミックス層とを有し、前記セラミックス層が積層構造を有する結晶を含む複合体。
  2. 　請求項１において、
    　前記セラミックス層が積層構造を有する結晶から構成されている複合体。
  3. 　請求項１または２において、
    　前記積層構造を有する結晶がリン酸カルシウムを含む複合体。
  4. 　請求項３において、
    　前記リン酸カルシウムがヒドロキシアパタイトを含む複合体。
  5. 　請求項４において、
    　前記ヒドロキシアパタイトが前記基材の外側に向かってｃ軸方向に積層されている複合体。
  6. 　請求項１から５のいずれかにおいて、
    　前記セラミックス層の厚みが０．３ｎｍ～５０ｎｍである複合体。
  7. 　請求項６において、
    　前記セラミックス層の厚みが１ｎｍ～２０ｎｍであるセラミックス結晶シェル。
  8. 　請求項７において、
    　前記セラミックス層の厚みが１ｎｍ～１０ｎｍであるセラミックス結晶シェル。
  9. 　請求項１から８のいずれかにおいて、
    　前記基材をコアとし、前記セラミックス層をシェルとするコアシェル型粒子である複合体。
  10. 　請求項１から９のいずれかにおいて、
    　前記基材がシート形状を有する複合体。
  11. 　請求項１から１０のいずれかにおいて、
    　前記親水性高分子がタンパク質である複合体。
  12. 　請求項１１において、
    　前記タンパク質がゼラチンまたはＢＳＡである複合体。
  13. 　請求項１から１０のいずれかにおいて、
    　前記親水性高分子が多糖類である複合体。
  14. 　請求項１３において、
    　前記多糖類が、ペクチン、ヒアルロン酸、またはカルボキシメチルセルロースである複合体。
  15. 　基材と、前記基材の表面の少なくとも一部を被覆するセラミックス層とを有する複合体の製造方法であって、
    　前記基材が分散している分散液と、カルシウムイオンを含む第一溶液と、リン酸イオンを含む第二溶液を混合して撹拌する工程を有する複合体の製造方法。
  16. 　請求項１５において、
    　前記基材が親水性高分子を含む複合体の製造方法。
  17. 　請求項１５または１６において、
    　前記分散液の分散媒、ならびに前記第一溶液および前記第二溶液の溶媒が水である複合体の製造方法。
  18. 　請求項１５から１７のいずれかにおいて、
    　前記第一溶液中のカルシウムイオンの濃度が２ｍｏｌ／Ｌ以下である複合体の製造方法。
  19. 　請求項１５から１８のいずれかにおいて、
    　前記混合して撹拌する工程では、ｐＨ９以上の環境下で、前記分散液と、前記第一溶液と、前記第二溶液を撹拌する複合体の製造方法。
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