2021 Fiscal Year Annual Research Report
Unveiling morphology phase transition mechanism of calcium phosphate system from crystal growth record
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18K05282
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| Research Institution | National Institute of Technology, Toyama College |
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Principal Investigator |
豊嶋 剛司 富山高等専門学校, その他部局等, 准教授 (60447076)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 結晶成長 / リン酸カルシウム / モルフォロジー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
第二リン酸カルシウム(DCPD)は生体材料や環境材料等の多様な現場で利用されるため、使用環境に適したモルフォロジーへの制御技術確立が求められている．DCPDは一般に液相合成で得られるが、化学反応中はイオン濃度とpH変化が連動し、飽和度が変わる．そこで原料イオン供給速度の制御が有効と考え、超音波ネブライザーを用いたミスト混合法を考案し、モルフォロジー制御を試みた．
カルシウムイオン溶液とリン酸イオン溶液は同時噴霧では旧来法と差異の無い粒子形状が得られることが確認されたが、一方の溶液を攪拌した状態で他方をミスト化し、噴霧することで針状粒子の合成に成功した．先行研究において、結晶面の帯電状態によってDCPDの異方的溶解挙動が報告されており、本研究で得られた針状粒子の長軸方位との合致を確認した．低濃度環境では結晶面の帯電状態由来のイオン濃度勾配が生じ、ベルグ効果のように異方的成長が起きたと推測される．リアルタイム観察では、供給速度を抑制するイオン種はカルシウムイオンの方がリン酸イオンと比較して異方的成長が顕著となることを確認した．
ミスト混合法では針状粒子は結晶生成初期に限定されることも明らかとなった．結晶に取り込まれるカルシウムイオンの制御が有効という新たな知見から、キレート効果を有するクエン酸イオンの共存下での結晶合成が有効と予測して研究計画を修正し、溶液の初期pH、カルシウムイオンとリン酸イオン濃度、クエン酸イオン濃度をパラメーターとした粒子形状変化を追跡した．クエン酸イオン濃度の増加はDCPD粒子の異方性を高め、予測と合致する結果が得られた．一方で帯電した結晶面の割合の減少によって、粒子の凝集性が向上し、花冠状変化が確認された．クエン酸イオンは常に粒子の異方性増加を促し、個々の花弁が細くなり、緻密化した．最終的に花冠状粒子は、その形状が維持できず崩壊・微細化が確認された．
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