Unveiling morphology phase transition mechanism of calcium phosphate system from crystal growth record

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K05282
• Research Institution: National Institute of Technology, Toyama College
• Principal Investigator: 豊嶋 剛司 富山高等専門学校, その他部局等, 准教授 (60447076)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 結晶成長 / リン酸カルシウム / モルフォロジー

Outline of Annual Research Achievements

リン酸カルシウム2水和物(DCPD)は他のリン酸カルシウム塩へ転化したり、転化の際に水溶液中に共存する一部のイオンを、結晶構造中に取り込むことで固定化したりする性質を利用する生体材料や環境材料としての研究が進められている。この材料の使用環境が多岐に渡ることから優先される物理的・化学的性質が異なるため、用途に応じた粒子形状への作り分け技術の確立が必要である。本研究はモルフォロジー制御技術を確立するために必要な基礎的知見として、モルフォロジー変化機構解明を目的としている。申請者はカルシウムイオンとリン酸イオンの反応から生成されるDCPDが濃度と共にpH変化を起こす際に飽和度が連動することに注目し、両イオンの供給速度を制御することが重要と考え、新たに構築したミスト混合システムにより原料供給の抑制を試みた．その結果、通常の溶液混合法で得られる花冠状や平板状粒子とは異なる針状DCPDの合成に成功した．昨年度までの取り組みとして生成した試料に対し一定の時間間隔でフィルター回収を行っていたが、反応容器壁面や拡販羽に結露した溶液が混入することで生じたと推測される形状の粒子混和が課題であった．そこで合成システムのデザインを変更し、結露した溶液の混入回避を試みた．本システムにおいて結晶核が生成するまでの時間が長く、生成開始からモルフォロジー変化までは時間が1～2桁程度短いことから、ミスト供給時の流路の僅かな違いにより生成物の経時変化の再現性が新たな課題として生じた．そのため、結晶核が生成開始した条件の溶液を回収し、その溶液を新たな出発溶液として用いることによって核生成までの時間を短縮し、生成物のモルフォロジー経時変化の再現性向上を試みた．針状粒子が平板状粒子にモルフォロジー変化をする際、針状粒子の長手方向が一度減じてから平板粒子が等方的に成長する溶解・再析出工程を挟まる知見が新たに得られた．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

ミスト飽和環境に置かれた反応容器や拡販羽に結露した溶液が混入した際に得られる粒子はモルフォロジー経時変化を追跡するにあたり、他の大多数の粒子と反応時間が著しく異なる不純物である．一方で、そのような不純物を観察から除外することは観察者の恣意性に繋がってしまうことから、本研究における経時変化の追跡に適しているとは言い難い．このような理由から結露による不純物混入を回避することを目的とした合成システム改良に時間がかかったことに加え、新たに構築したシステムで生成した粒子の経時変化において試料回収時間と生成物の経時変化に矛盾が生じたことから、再現性確立のための合成プロセスの見直しを行ったことが研究計画より進捗が遅れることとなった理由である．加えて年度当初に感染症拡大防止を目的とした研究活動の禁止期間が設けられたことから予定が遅れることとなった．

Strategy for Future Research Activity

昨年度の研究計画で予定していた収束イオンビーム加工機を用いた試料片切り出し加工と、透過電子顕微鏡を用いた成長方位の評価や粒界の観察に着手することが出来なかったため、実施予定である．また、昨年度得られたモルフォロジー変化が生じるまでの反応時間や、試料のサイズから光学顕微鏡でのリアルタイム観察、動画撮影によるモルフォロジー変化を追跡することが技術的にも十分に実現可能であると判断されるため、システムに組み込むことを検討する．

Causes of Carryover

モルフォロジー変化履歴を追跡するにあたり、妨げであった結露混入由来の不純物を取り除くことを目的として合成システムの改良と再現性の確認に時間がかかり、研究計画に遅延が生じたため、予算執行計画にずれが生じた．また感染症拡大防止の観点から参加を検討していた学会の中止や延期の理由から予算執行がなされなかったことが次年度使用額が生じた理由である．翌年度分として請求した助成金と合算した新たな使用計画として、延期された学会への参加として使用を検討することに加え、実験の結果、光学顕微鏡を用いたリアルタイム観察が技術的にも十分に実現可能と判断されるため、動画撮影のための記憶媒体や既存の顕微鏡システムに合成システムを組み込むための物品費として使用を計画している．