| 研究課題/領域番号 |
22K05244
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| 研究機関 | 同志社大学 |
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研究代表者 |
水谷 義 同志社大学, 理工学部, 教授 (40229696)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| キーワード | 複合材料 / バイオマス / セルロース / ヒドロキシアパタイト / 骨 |
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| 研究実績の概要 |
骨をモデルとした高分子ーリン酸カルシウム複合体の開発において、高分子としてできる限りバイオマスをそのまま用いるという検討は、構造材料がキログラムやトンのような大きなスケールで供給することが必要なことを考えると、できるだけ天然から採取した状態のまま原料として使うことが重要である。化学修飾などを行っていないセルロースとして、セルロースミクロフィブリルを用いて、ヒドロキシアパタイトとの複合化を検討した。セルロースミクロフィブリルは繊維構造を保持しているが、セルロースをアルカリで高温で処理すると、マーセル化によって繊維の解繊が期待される。ヒドロキシアパタイトとの複合化においては、塩基性条件下で加熱を行うので、マーセル化によるセルロース繊維の解繊とヒドロキシアパタイトとの複合化が同時に起こるのではないかと考えて。複合化の検討を行った。セルロースミクロフィブリルとヒドロキシアパタイトの重量比が70:30, 50:50, 30:70, 10:90 の仕込み比のものを合成し、熱重量分析、X線回折、電子顕微鏡観察などでキャラクタリゼーションを行った。複合体の有機：無機重量比は、仕込み比にほぼ一致し、複合化がうまく進行していることが分かった。得られた複合体は、一軸加圧成型によって成形体を作り、成形体の機械的性質を三点曲げ試験で評価した。機械的性質は、化学処理を行ったセルロース誘導体である、カルボキシメチルセルロースやTEMPO酸化セルロースナノファイバーとヒドロキシアパタイトとの複合体の機械的性質と大きくは異ならないものが得られた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
骨の構造をモデルに、バイオマスに焦点を当てた有機ー無機複合体の開発を行い、化学修飾を行ったセルロース以外に、セルロースミクロフィブリルでも同様の複合化が進行することを明らかにした。また、カルボキシメチルセルロースやTEMPO酸化セルロースナノファイバーとヒドロキシアパタイトとの複合体については、カルボキシメチルセルロースやTEMPO酸化セルロースナノファイバーのもつカルボキシ基の対イオンを疎水性アンモニウムイオンに交換する反応を検討している。疎水性アンモニウムイオンでも長鎖の四級アンモニウム塩でイオン交換がうまく進行し、イオン交換したものは、耐水性が向上することを見出した。TEMPO酸化セルロースナノファイバーとヒドロキシアパタイト複合体の成型物は、室温で水に1日浸漬させると約30%の水を吸収し、成形体の形状を保っていることが分かった。水を含んだ成形体の三点曲げ試験によって、弾性率などを評価し、複合体の有機成分：無機成分：水の割り合いと弾性率がどのように相関するかを明らかにした。
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでの検討で、バイオマスを原料としてヒドロキシアパタイトとの複合体を共沈法で合成する方法をいろいろと検討し、セルロース、デンプン、セルロース誘導体などとヒドロキシアパタイトの複合体をいろいろな有機：無機重量比、いろいろな水の含有量で合成することができている。有機：無機：水の組成比によって、複合体の機械的性質である曲げ強度、弾性率、破壊エネルギーなどが変化することを見出した。このような知見は、骨、歯のみならず、関節や靭帯、腱などの軟組織と骨などの結合部分を作ることができることを示唆している。弾性率がことなる材料の結合や成形体の表面の性質の制御などを目的として本研究を発展させて行きたい。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
今年度は、セルロースミクロフィブリルによる複合化を主に検討したが、この材料は、企業から供与されたものであり、化学薬品（消耗品）の支出が計画よりも少なくて収まった。疎水化処理に疎水性アンモニウム塩やアシル化剤などを来年度は検討するので、これらの薬品購入に使用する計画である。
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