Development of bioactive ceramics using cellulose/apatite composite spherical beads

• Project/Area Number: 19K05050
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26030:Composite materials and interfaces-related
• Research Institution: Kumamoto Industrial Research Institute
• Principal Investigator: Shirosaki Tomohiro 熊本県産業技術センター(ものづくり室、材料・地域資源室、食品加工室), その他部局等, 研究参事 (70554054)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高藤 誠 熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 教授 (50332086) ; 龍 直哉 熊本県産業技術センター(ものづくり室、材料・地域資源室、食品加工室), その他部局等, 研究主任 (90743641)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2019: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: セルロース / 球状粒子 / リン酸カルシウム / ヒドロキシアパタイト / リン酸三カルシウム / 多孔質材料 / マイクロ球状粒子 / コア-シェル構造 / 擬似体液 / TEMPO酸化 / 骨代替材料 / 歯科材料 / 足場材料

Outline of Research at the Start

骨再生に有効な充填材を指向した、均一な連続孔を有する高結晶性ヒドロキシアパタイトを開発する。骨欠損部に充填して骨の再生を誘導するためには、連続孔を持つことが必要であり、十分な強度も重要である。①セルロースを原料とする10から200 μmの均一な粒子径の球状粒子を、TEMPO触媒で処理することによってカルボキシル化セルロースマイクロ球状粒子を調製し、②擬似体液中でセルロース球状粒子の表面にヒドロキシアパタイト核を形成させたセルロース/アパタイト複合球状粒子を調製する。③複合粒子を起点としてアパタイト結晶を成長させた後、焼成することによって、均一な連続孔を有するヒドロキシアパタイト結晶を調製する。

Outline of Final Research Achievements

Carboxylated cellulose microbeads with different particle size and the amount of carboxy groups were prepared. Cellulose/apatite composites were prepared using the carboxylated cellulose microbeads as template. Macroporous ceramics were prepared by calcination of the composites.The compressive strength and crystal structure of the resulted macroporous calcium phosphate ceramics could be controlled by the amounts of carboxyl groups of cellulose spherical microbeads and additional amounts of the template microbeads. Furthermore, macroporous ceramics with continuous pores could be prepared using cellulose microfiber and microbeads at the same time.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究で開発した多孔質セラミックスのテンプレートとして用いたマイクロ球状粒子は、植物由来のセルロースを原料としており、脱石油由来マイクロビーズとして期待される材料を、セルロースナノファイバーを調製する技術を応用して更に発展させたものである。簡便な方法で均質で連続した空孔を持ち、骨や歯の代替材料として十分な強度をもったアパタイトを得る方法を確立し、アパタイトの結晶構造へのテンプレート粒子の影響を科学的に検証しており、社会的意義と共に学術的意義も高い成果である。

Research Products

• [Presentation] TEMPO酸化セルロースマイクロビーズを利用した多孔質セラミックスの開発 (2021)
  • Author(s): 城崎智洋, 龍 直哉, 堀川真希, 高藤 誠, 永岡昭二
  • Organizer: セルロース学会第２８回年次大会
• [Presentation] TEMPO触媒酸化反応による吸水性セルロースマイクロ球状粒子の開発と応用展開 (2021)
  • Author(s): 城崎智洋
  • Organizer: 令和2年度第2回CNF・公設試研究者向け勉強会
• [Presentation] TEMPO酸化セルロースマイクロビーズを利用したバイオアクティブヒドロキシアパタイトの開発 (2020)
  • Author(s): 城崎智洋, 藏屋眸, 龍直哉, 堀川真希, 高藤誠, 永岡昭二, 伊原博隆
  • Organizer: 第69回高分子討論会
• [Presentation] TEMPO酸化反応によるカルボキシル化セルロースマイクロ球状粒子の開発と応用 (2020)
  • Author(s): 城崎智洋
  • Organizer: 第４回 繊維学会西部支部若手講演会
  • Invited
• [Presentation] バイオアクティブセラミックスのためのTEMPO酸化セルロース・アパタイト複合粒子の開発 (2019)
  • Author(s): 藏屋眸, 城崎智洋, 堀川真希, 佐藤崇雄, 高藤誠, 永岡昭二, 伊原博隆
  • Organizer: セルロース学会第26回年次大会
• [Presentation] TEMPO-treated cellulose/apatite core-shell microbeads for scaffold of bone substitute materials (2019)
  • Author(s): Hitomi Kuraya, Tomohiro Shirosaki, Makoto Takafuji, Shoji Nagaoka, Hirotaka Ihara
  • Organizer: Pusan-Gyeongnam/Kyushu-Seibu Joint Symposium on High Polymers (19th) and Fibers (17th) (PGKS2019)）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] カルボキシル化セルロースマイクロ球状粒子を利用したバイオアクティブセラミックスの開発 (2019)
  • Author(s): 城崎 智洋, 藏屋 眸, 高藤 誠, 永岡 昭二, 伊原 博隆
  • Organizer: 第２９回日本MRS年次大会
• [Book] 生分解性プラスチックの素材・技術開発～海洋プラスチック汚染問題を見据えて～ (2019)
  • Author(s): 望月正嗣, 田中周平, 兼廣春之, 寺田通弘, 岡国正雄, 植松正吾, 糸賀公人, 金高武志, 岡本昌司, 土井幹雄, 長濱宅磨, 金子達雄, 山口有朋, 宇山浩, 花市岳, 内村元一, 城崎智洋, 永岡昭二
  • Total Pages: 343
  • Publisher: (株)エヌ・ティー・エス