高強度・高弾力性を持つハイドロキシアパタイト/カーボンナノチューブ複合体の創製

2010 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21760538
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 佐藤 義倫 東北大学, 大学院・環境科学研究科, 准教授 (30374995)
• キーワード: カーボンナノチューブ / ハイドロキシアパタイト / 高分散 / 放電プラズマ焼結法 / 高強度 / 高弾性 / 複合体 / 擬似体液

研究概要

カーボンナノチューブ(CNTs)とセラミックスの複合材料の大きな問題点は、既成のセラミックスとCNTsを混合して複合材を作製するために、母材のセラミックス内のCNTsの不均一分散による「CNT凝集体とセラミックスの界面でのすべり」が生じ、CNTの機械強度が反映されないことである。この問題点を解決するために、それぞれ1本のナノチューブに均一に無機物質を担持させたものを焼結させるという概念を考えた。そこで、(1)1本1本にハイドロキシナノアパタイト(hvdroxylapatite;HA)を満遍なく担持させるために、フッ素化MWCNTに注目し、(2)ハイドロキシナノアパタイト/MWCNTを焼結するのに、放電プラズマ焼結法(spark plasma sintering;SPS)に注目した。上記2つの特徴を組み合わせ、本研究では、1本1本のフッ化MWCNT表面にハイドロキシナノアパタイトを核成長させ、放電プラズマ焼結法により、圧力をかけて熱処理を行うことにより、軽量でナノチューブの曲げ強度が生かされた生体骨に近い「ハイドロキシアパタイト/MWCNT複合体」を作製し、代替生体材料としての機能を探索することを目的とした。
平成21年度で得られた結果(負の極性を帯びるフッ素置換基は擬似体液のイオンが吸着してしまい、HAの化学量論に必要な原子数に過不足を生じ、HAを合成できない)をもとに、平成22年度は"正と負"の極性を持つ官能基(アミド基)を修飾させたMWCNTsを合成し、1本1本のMWCNTにHAを満遍なく担持させることを試みた。アミド修飾されたMWCNTsにはHAが疎らに担持され、このHA/MWCNTsをSPSで固化した複合体の3点曲げ強度とヤング率は120MPa、15GPaであった。HAのみの焼結体の3点曲げ強度、ヤング率は100MPa、100GPaであるため、HA/MWCNTs複合体は"しなり易さ"が向上していることがわかる。平成23年度(震災繰り越しによる延長)は、もうワンランク上の"しなり"の向上を目指すためには、さらなる1本1本のMWCNTにHAを満遍なく担持させる必要がある。そこで、フランスのCNRS(ストラスブール)のアルベルト・ビアンコ博士から教えていただき、生理活性水に高分散するリン酸官能基を修飾したMWCNTs(PO_4-MWCNTs)を設計・合成した。現在はPO_4-MWCNTsにHAの担持を試みており、HA/PO_4-MWCNTs複合体の作製を行う予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Toxicity evaluations of various carbon nanomaterials (2011)
  • 著者名/発表者名: Motohiro Uo, Tsukasa Akasaka, Fumio Watari, Yoshinori Sato, Kazuyuki Tohji
  • 雑誌名: Dental Materials Journal 巻: 30 ページ: 245-263
  • 査読あり
• [雑誌論文] Internal distribution of micro-/nano-sized ceramics and metals particles in mice (2010)
  • 著者名/発表者名: Shigeki Abe, Ikuhiro Kida, Mitsue Esaki, Nobuki Iwadera, Mami Mutoh, Chika Koyama, Tsukasa Akasaka, Motohiro Uo, Yoshinori Kuboki, Manabu Morita, Yoshinori Sato, Koichi Haneda, Tetsu Yonezawa, Balachandran Jeyadevan, Kazuyuki Tohji, Fumio Watari
  • 雑誌名: Journal of Ceramics Society of Japan 巻: 118 ページ: 525-529
  • 査読あり
• [学会発表] New Carbon Materials : Fullerenes, Carbon Nanotubes, and Graphenes (2011)
  • 著者名/発表者名: Yoshinori Sato
  • 学会等名: 8th International Workshop "WATER DYNAMICS"
  • 発表場所: Sendai, Japan
  • 年月日: 2011-03-09
• [学会発表] Properties of Multi-Walled Carbon Nanotube Blocks Solidified by De-fluorination (2010)
  • 著者名/発表者名: Yoshinori Sato
  • 学会等名: Frontier 2010 : Third French Research Organizations Tohoku University, Joint Workshop on Frontier Materials and Processes
  • 発表場所: Albi, France (Ecole des Mines)
  • 年月日: 2010-12-08
• [図書] 書籍"ナノ材料のリスク評価と安全性対策"の第3章第3節"親水性繊維状カーボンナノ材料の細胞毒性" (2010)
  • 著者名/発表者名: 佐藤義倫、田路和幸
  • 総ページ数: 135-143
  • 出版者: フロンティア出版
• [産業財産権] 太陽光発電装置およびその製造方法 (2011)
  • 発明者名: 佐藤義倫, 田路和幸, 名村優
  • 権利者名: 東北大学DOWAホールディングス
  • 産業財産権番号: 特許権出願番号2011-054779
  • 出願年月日: 2011-03-11