フェムト秒レーザーが拓く結晶多形制御技術

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H02774
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 森 勇介 大阪大学, 工学研究科, 教授 (90252618)
• 研究分担者: 高野 和文 京都府立大学, 生命環境科学研究科, 教授 (40346185) ; 吉川 洋史 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (50551173)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 結晶成長

研究実績の概要

アセトアミノフェンの準安定形（Ⅱ形）の大量合成に向け、種々のポリマーを用いて実験を行なっている際、偶然的に、溶液を攪拌するだけでより不安定な結晶形の三水和物結晶が得られることを見出した。三水和物結晶は以前の研究において、ポリマー添加条件で得ることに成功していた。ポリマー法で得られた三水和物の安定性が高く、これを溶媒媒介相転移させることで良質なⅡ形結晶が得られていたが、結晶がやや着色するなどの特徴もあり、添加物の微量混入も示唆されていた。今回の発見は添加物無しの溶液中に、撹拌効果向上のためにガラス球を入れ、ロータリーシェイカーで撹拌するという手法であり、添加物の混在は問題にならない。この方法により、これまではmlオーダーでの結晶合成であったものをリットルオーダーにまで拡大することに成功した。また、スケールアップしても三水和物の結晶化確率は100%を維持し、かつ溶液中において極めて安定に存在した。つまり、他の結晶形が混在しないことを示す。この三水和物と、超音波印加法で得られるⅡ形結晶を用いて、リットルオーダーの溶媒媒介相転移を行った。種結晶のサイズと相転移温度を制御し、極めて欠陥が少ない良質なⅡ形結晶が一度の合成で24.9g得られるようになった。これは、本研究室でこれまでに実現していた手法で一回に得られるⅡ形結晶の590倍という量であり、飛躍的な技術向上である。
新規材料としては、前年度に導入したアスピリン、およびイブプロフェンを引き続き対象として研究を実施している。アスピリンについて、今回見出したガラス球を用いた溶液撹拌法を試したが、こちらの系においては準安定形の結晶化実現には至らなかった。結晶化条件（過飽和度や温度等）を改善することで、今後適用可能性が広がると考えている。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究の大筋の一つである大量生産については、偶然的に発見したガラス球を用いた溶液撹拌法により、飛躍的な進歩を遂げた。目標としていたリットルオーダーを実現できたことが大きな節目と考えている。リットルオーダーの結晶化を実現したことで、例えばmixed suspen- sion, mixed product removal (MSMPR) crystallization法など（A. D. Randolph and M. A. Larson, Theory of Particulate Processes: Analysis and Techniques of Continuous Crystallization (Academic, New York, 1988) 2nd ed., K. Tahara, M. O’Mahony, and A. S. Myerson, Cryst. Growth Des. 15, 5149(2015).）の他技術との組み合わせで、工業ラインに乗せることも可能であるという見通しが立った。

今後の研究の推進方策

これまでにも検討を重ねてきたフェムト秒レーザー照射技術、超音波印加法、ポリマー法に加えて、新たに発見したガラス球を用いた溶液撹拌法の他物質への適用可能性を広げる。現時点では、物質によって作り分けに適した方法が異なっている。例えばアセトアミノフェンについては4種類の技術全てが特異的に結晶の準安定形を結晶化させる。一方でアスピリンはフェムト秒レーザーによってのみ、イブプロフェンはテンプレート法によってのみ準安定形の作り分けが実現している。それぞれの材料には溶解度や溶解温度、多形間の物性の差が大きい小さいなどの異なる特徴がある。4種類の技術がこれらのモデル物質に適用できる条件を再度検討しながら、物質特徴と適切な技術を整理しなおす。新たな材料に挑戦する時には、どの手法に期待できるかなどをまとめていくことで、技術応用の効率を向上する。

研究成果

• [雑誌論文] Large-scale crystallization of acetaminophen trihydrate by a novel stirring technique (2019)
  • 著者名/発表者名: R. Fujimoto, M. Maruyama, S. Okada, H. Adachi, H. Y. Yoshikawa, K. Takano, M. Imanishi, K. Tsukamoto, M. Yoshimura and Y. Mori
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: Vol.12, No.4 ページ: 045503-1～5
  • DOI: 10.7567/1882-0786/ab0666
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Control of Organic Crystal Shape by Femtosecond Laser Ablation (2018)
  • 著者名/発表者名: D. Suzuki, S. Nakabayashi, H. Y. Yoshikawa
  • 雑誌名: Crystal Growth & Design 巻: 18(9) ページ: 4829～4833
  • DOI: 10.1021/acs.cgd.8b00697
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Growth of high-quality metastable crystal of acetaminophen using solution- mediated phase transformation at low supersaturation (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Fujimoto, M. Maruyama, Yo. Mori, S. Okada, H. Adachi, H. Y. Yoshikawa, K. Takano, S. Murakami, H. Matsumura, T. Inoue, M. Imanishi, K. Tsukamoto, M. Yoshimura and Y. Mori
  • 雑誌名: Journal of Crystal Growth 巻: Vol.502, No.5 ページ: 76～82
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2018.09.012
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Crystallization of aspirin form II by femtosecond laser irradiation (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Tsuri, M. Maruyama, R. Fujimoto, S. Okada, H. Adachi, H. Y. Yoshikawa, K. Takano, S. Murakami, H. Matsumura, T. Inoue, K. Tsukamoto, M. Imanishi, M. Yoshimura, and Y. Mori
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: Vol.12, No.1 ページ: 015507-1～4
  • DOI: https://doi.org/10.7567/1882-0786/aaf419
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] In-situ observation of skeletal growth and Solution inclusion formation: A model study using acetaminophen (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Maruyama, K. Nii, R. Fujimoto, Y. Tsuri, M. Yoshimura, Y. Mori
  • 学会等名: XXⅡ MEETING OF THE INTERNATIONAL MINERALOGICAL ASSOCIATION(IMA 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] 隕石学および結晶成長のアプローチによる尿路結石研究の可能性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 丸山美帆子
  • 学会等名: 第47回結晶成長国内会議
• [学会発表] 溶液撹拌による医薬化合物アセトアミノフェンの準安定形 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤本吏輝, 丸山美帆子, 岡田詩乃, 安達宏昭, 吉川洋史, 高野和文, 村上聡, 松村浩由, 井上豪, 塚本勝男, 吉村政志, 森勇介
  • 学会等名: 第47回結晶成長国内会議
• [学会発表] レーザー誘起結晶化技術によるアスピリンの多形晶出と相移転のその場観察 (2018)
  • 著者名/発表者名: 釣優香, 丸山美帆子, 藤本吏輝, 岡田詩乃, 安達宏昭, 吉川洋史, 高野和文, 村上聡, 松村浩由, 井上豪, 今西正幸, 塚本勝男, 吉村政志, 森勇介
  • 学会等名: 第47回結晶成長国内会議
• [学会発表] Crystal growth: a door to the world (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Maruyama
  • 学会等名: International Symposium & School on Crystal Growth Fundamentals (ISSCGF2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Metastable crystallization of acetaminophen by stirring of the solution (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Fujimoto, Yo. Mori, M. Maruyama, S. Okada, H. Adachi, H. Yoshikawa, K. Takano, S. Murakami, H. Matsumura, T. Inoue, K. Tsukamoto, M. Yoshimura, Yu. Mori
  • 学会等名: International Symposium & School on Crystal Growth Fundamentals (ISSCGF2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of urinary stone slice by Raman spectroscopy to elucidate a mechanism of forming urinary stones (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Sawada, M. Maruyama, Y. Tanaka, A. Okada, T. Yasui, K. Monma, M. Yoshimura, Y. Mori
  • 学会等名: International Symposium & School on Crystal Growth Fundamentals (ISSCGF2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Laser-induced crystallization of metastable phase of pharmaceutical compound aspirin (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Tsuri, M. Maruyama, R. Fujimoto, S. Okada, H. Adachi, H. Yoshikawa, K. Takano, S. Murakami, H. Matsumura, T. Inoue, M. Imanishi, K. Tsukamoto, M. Yoshimura, and Y. Mori
  • 学会等名: International Symposium & School on Crystal Growth Fundamentals (ISSCGF2018)
  • 国際学会
• [学会発表] LASER-INDUCED CRYSTALLIZATION OF METASTABLE PHASE OF PHARMACEUTICAL COMPOUND ASPIRIN (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Tsuri，M. Maruyama，S. Okada, H. Adachi, H. Yoshikawa, K. Takano, S. Murakami, H. Matsumura, T. Inoue, M. Imanishi, K. Tsukamoto, M. Yoshimura, and Y. Mori
  • 学会等名: THE 10th INTERNATIONAL CONFERENCE ON PHOTONICS AND APPLICATIONS (ICPA-10)
  • 国際学会
• [図書] 医薬品原薬の結晶化と物性評価:その最先端技術と評価の実際 (2019)
  • 著者名/発表者名: 丸山美帆子，吉村政志，高野和文，森勇介
  • 総ページ数: 261
  • 出版者: シーエムシー出版
  • ISBN: 978-4-7813-1402-0
• [図書] 月間ファインケミカル, Vol.47, No.6 (2018)
  • 著者名/発表者名: 丸山美帆子，吉村政志，森勇介
  • 総ページ数: 91
  • 出版者: シーエムシー出版
  • ISBN: 0913-6150
• [図書] KINETIC CONTROL IN SYNTHES IS AND SELF-ASSEMBLY (2018)
  • 著者名/発表者名: Mihoko Maruyama, Masashi Yoshimura, Kazufumi Takano, and Yusuke Mori
  • 総ページ数: 324
  • 出版者: ACADEMIC PRESS
  • ISBN: 9780128121276
• [図書] 光化学 49巻2号 (2018)
  • 著者名/発表者名: 丸山美帆子，吉川洋史
  • 総ページ数: 72
  • 出版者: 光化学協会
  • ISBN: -