JP7390595B2 - Glass structure and its manufacturing method - Google Patents
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特許法第30条第2項適用 令和元年7月10日、「第14回 日本セラミックス協会関西支部 学術講演会 講演予稿集」の第55頁にて、「バイオミネラリゼーションを用いたバイオガラスの低温焼結プロセス」のタイトルのもとに公開Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act On July 10, 2019, on page 55 of the ``14th Japan Ceramics Association Kansai Branch Academic Lecture Proceedings'', it was stated that ``Bio using biomineralization'' Published under the title "Low temperature sintering process of glass"
特許法第30条第2項適用 令和元年7月10日、「第14回 日本セラミックス協会関西支部 学術講演会」にて、「バイオミネラリゼーションを用いたバイオガラスの低温焼結プロセス」のタイトルで発表Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act On July 10, 2019, “Low-temperature sintering process of bioglass using biomineralization” was presented at the “14th Japan Ceramics Association Kansai Branch Academic Lecture”. Published under the title of
特許法第30条第2項適用 令和元年7月1日、「2nd Global Forum on Advanced Materials and Technologies for Sustainable Development(GFMA-2)and 4th International Conference on Innovations in Biomaterials,Biomanufacturing,and Biotechnologies(Bio-4),ABSTRACT BOOK」の第71頁にて、「Low-temperature Sintering Process of Bioactive Glass Nanoparticles Under Hydrothermal Conditions」のタイトルのもとに公開Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act On July 1, 2019, “2nd Global Forum on Advanced Materials and Technologies for Sustainable Development (GFMA-2) and 4th I International Conference on Innovations in Biomaterials, Biomanufacturing, and Biotechnologies (Bio -4), ABSTRACT BOOK, page 71, "Low-temperature Sintering Process of Bioactive Glass Nanoparticles Under Hydrothermal Condition Published under the title ``ns''
特許法第30条第2項適用 令和元年7月25日、「2nd Global Forum on Advanced Materials and Technologies for Sustainable Development(GFMAT-2)」にて、「Low-temperature Sintering Process of Bioactive Glass Nanoparticles Under Hydrothermal Conditions」のタイトルで発表Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act On July 25, 2019, at the “2nd Global Forum on Advanced Materials and Technologies for Sustainable Development (GFMAT-2)” w-temperature Sintering Process of Bioactive Glass Nanoparticles Under Presented under the title "Hydrothermal Conditions"
本発明は、ガラス構造体及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a glass structure and a method for manufacturing the same.
セラミックスからなる無機部材の製造方法として、従来より焼結法が知られている。焼結法は、無機物質からなる固体粉末の集合体を融点よりも低い温度で加熱することにより、焼結体を得る方法である。しかしながら、焼結法は、固体粉末を高温で加熱する必要があることから、製造時のエネルギー消費が大きく、コストが掛かるという問題がある。そのため、無機物質からなる固体粉末を低温で結合させる方法の開発が行われている。 BACKGROUND ART A sintering method is conventionally known as a method for manufacturing inorganic members made of ceramics. The sintering method is a method of obtaining a sintered body by heating an aggregate of solid powder made of an inorganic substance at a temperature lower than its melting point. However, since the sintering method requires heating the solid powder at a high temperature, there is a problem that energy consumption during production is large and costs are high. Therefore, methods are being developed to bond solid powders made of inorganic substances at low temperatures.
非特許文献1では、無機物質としてバイオガラスを用いて低温焼結を行う方法が開示されている。具体的には、SiO2-CaO-P2O5からなるバイオガラスのナノ粒子に水溶液を加えた後、室温から200℃まで加熱しつつ、数百MPaで加圧することにより、バイオガラスナノ粒子の焼結体が得られることが開示されている。また、非特許文献1では、SiO2-CaO-P2O5からなるバイオガラスのナノ粒子がゾルゲル法で合成できることが開示されている。この低温焼結法では、バイオガラスナノ粒子の加熱温度が200℃程度であることから、製造時のエネルギー消費を大きく低減することが可能となる。 Non-Patent Document 1 discloses a method of performing low-temperature sintering using bioglass as an inorganic substance. Specifically, after adding an aqueous solution to bioglass nanoparticles made of SiO 2 -CaO-P 2 O 5 , the bioglass nanoparticles are heated from room temperature to 200°C and pressurized at several hundred MPa. It is disclosed that a sintered body of can be obtained. Furthermore, Non-Patent Document 1 discloses that bioglass nanoparticles made of SiO 2 -CaO-P 2 O 5 can be synthesized by a sol-gel method. In this low-temperature sintering method, the heating temperature of bioglass nanoparticles is about 200° C., so it is possible to significantly reduce energy consumption during production.
非特許文献1で開示されたバイオガラスナノ粒子の焼結体において、バイオガラスナノ粒子同士を連結している結合部には、非晶質のヒドロキシアパタイトが含まれている。しかしながら、ヒドロキシアパタイトは耐酸性が低いため、焼結体全体の耐酸性も不十分になるという問題があった。 In the sintered body of bioglass nanoparticles disclosed in Non-Patent Document 1, the bonding portions connecting the bioglass nanoparticles contain amorphous hydroxyapatite. However, since hydroxyapatite has low acid resistance, there has been a problem that the acid resistance of the entire sintered body is also insufficient.
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明の目的は、低温焼結法で製造することができ、かつ、耐酸性に優れたガラス構造体、及びガラス構造体の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the problems of the prior art. An object of the present invention is to provide a glass structure that can be manufactured by a low-temperature sintering method and has excellent acid resistance, and a method for manufacturing the glass structure.
上記課題を解決するために、本発明の態様に係るガラス構造体は、SiO2、CaO及びP2O5を含む複数のガラス粒子と、当該ガラス粒子同士を結合し、フッ素を含むアパタイトを含有する結合部と、を備える。そして、ガラス構造体は、気孔率が15%以下である。 In order to solve the above problems, a glass structure according to an aspect of the present invention includes a plurality of glass particles containing SiO 2 , CaO and P 2 O 5 , the glass particles being bonded to each other, and containing apatite containing fluorine. and a connecting portion. The glass structure has a porosity of 15% or less.
本発明の第二の態様に係るガラス構造体の製造方法は、SiO2、CaO及びP2O5を含む複数のガラス粒子と、カルシウム、リン及びフッ素を含有し、pHが4.0以上である水溶液とを混合して、混合物を調製する工程と、当該混合物を加熱及び加圧する工程と、を有する。 A method for manufacturing a glass structure according to a second aspect of the present invention includes a plurality of glass particles containing SiO 2 , CaO, and P 2 O 5 , calcium, phosphorus, and fluorine, and has a pH of 4.0 or higher. The method includes a step of preparing a mixture by mixing with a certain aqueous solution, and a step of heating and pressurizing the mixture.
本開示によれば、低温焼結法で製造することができ、かつ、耐酸性に優れたガラス構造体、及びガラス構造体の製造方法を提供することができる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a glass structure that can be manufactured by a low-temperature sintering method and has excellent acid resistance, and a method for manufacturing the glass structure.
以下、図面を参照して本実施形態に係るガラス構造体及びガラス構造体の製造方法について説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, a glass structure and a method for manufacturing the glass structure according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. Note that the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation and may differ from the actual ratios.
[ガラス構造体]
本実施形態のガラス構造体1は、図1に示すように、複数のガラス粒子2を含んでいる。そして、隣接するガラス粒子2同士が互いに結合することにより、ガラス粒子2が連結してなるガラス構造体1を形成している。さらに、隣接するガラス粒子2の間には、気孔3が存在している。
[Glass structure]
The glass structure 1 of this embodiment includes a plurality of glass particles 2, as shown in FIG. Then, by bonding adjacent glass particles 2 to each other, a glass structure 1 in which the glass particles 2 are connected is formed. Furthermore, pores 3 are present between adjacent glass particles 2.
ガラス粒子2は、少なくとも二酸化ケイ素(SiO2)、酸化カルシウム(CaO)及び五酸化二リン(P2O5)を含んでいる。また、ガラス粒子2は、少なくともSiO2、CaO及びP2O5を含むバイオガラスからなることが好ましい。バイオガラスは、生体内にて、その表層にヒドロキシアパタイトを形成することにより、骨と結合する性質を有する。このようなバイオガラスとしては、SiO2、CaO及びP2O5からなるSiO2-CaO-P2O5;SiO2、CaO、Na2O及びP2O5からなるSiO2-CaO-Na2O-P2O5;SiO2、CaO、Na2O、P2O5、K2O及びMgOからなるSiO2-CaO-Na2O-P2O5-K2O-MgO;SiO2、CaO、Al2O及びP2O5からなるSiO2-CaO-Al2O-P2O5からなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。 Glass particles 2 contain at least silicon dioxide (SiO 2 ), calcium oxide (CaO), and diphosphorous pentoxide (P 2 O 5 ). Moreover, it is preferable that the glass particles 2 are made of bioglass containing at least SiO 2 , CaO, and P 2 O 5 . Bioglass has the property of bonding to bones in vivo by forming hydroxyapatite on its surface layer. Examples of such bioglasses include SiO 2 -CaO-P 2 O 5 consisting of SiO 2 , CaO and P 2 O 5 ; SiO 2 -CaO-Na consisting of SiO 2 , CaO, Na 2 O and P 2 O 5 ; 2 O-P 2 O 5 ; SiO 2 -CaO-Na 2 O-P 2 O 5 -K 2 O-MgO; SiO consisting of SiO 2 , CaO, Na 2 O, P 2 O 5 , K 2 O and MgO At least one selected from the group consisting of SiO 2 -CaO-Al 2 O-P 2 O 5 consisting of CaO, Al 2 O and P 2 O 5 can be used.
ここで、ガラス粒子2におけるSiO2の組成比は、20質量%以上であることが好ましい。また、ガラス粒子2におけるCaOの組成比は、20質量%以上であることが好ましい。さらに、ガラス粒子2におけるP2O5の組成比は、50質量%以下であることが好ましい。後述するように、隣接するガラス粒子2は結合部を介して結合しており、さらに結合部は、ヒドロキシアパタイト(Ca10(PO4)6(OH)2)に由来するフッ素含有アパタイトを含有している。そのため、ガラス粒子2におけるSiO2、CaO及びP2O5の組成比が上記範囲内であることにより、後述する製造方法により、ヒドロキシアパタイト及びそれに由来するフッ素含有アパタイトの生成を促進することができる。なお、必要に応じて、ガラス粒子2はフッ素を含んでもよい。これにより、フッ素含有アパタイトの生成を促進することができる。 Here, the composition ratio of SiO 2 in the glass particles 2 is preferably 20% by mass or more. Further, the composition ratio of CaO in the glass particles 2 is preferably 20% by mass or more. Further, the composition ratio of P 2 O 5 in the glass particles 2 is preferably 50% by mass or less. As described later, adjacent glass particles 2 are bonded via a bonding portion, and the bonding portion further contains fluorine-containing apatite derived from hydroxyapatite (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ). ing. Therefore, when the composition ratio of SiO 2 , CaO and P 2 O 5 in the glass particles 2 is within the above range, the production of hydroxyapatite and fluorine-containing apatite derived therefrom can be promoted by the manufacturing method described below. . Note that the glass particles 2 may contain fluorine, if necessary. This can promote the production of fluorine-containing apatite.
ガラス構造体1を構成するガラス粒子2の平均粒子径は特に限定されないが、5nm以上10μm以下であることが好ましく、10nm以上0.2μm以下であることがより好ましい。ガラス粒子2の平均粒子径がこの範囲内であることにより、ガラス粒子2同士が強固に結合し、ガラス構造体1の強度を高めることができる。また、ガラス粒子2の平均粒子径がこの範囲内であることにより、後述するように、ガラス構造体1の内部に存在する気孔3の割合が15%以下となることから、ガラス構造体1の強度を高めることが可能となる。なお、本明細書において、「平均粒子径」の値としては、特に言及のない限り、走査型電子顕微鏡(SEM)又は透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数~数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用する。 Although the average particle diameter of the glass particles 2 constituting the glass structure 1 is not particularly limited, it is preferably 5 nm or more and 10 μm or less, and more preferably 10 nm or more and 0.2 μm or less. When the average particle diameter of the glass particles 2 is within this range, the glass particles 2 are firmly bonded to each other, and the strength of the glass structure 1 can be increased. Furthermore, since the average particle diameter of the glass particles 2 is within this range, the proportion of pores 3 existing inside the glass structure 1 is 15% or less, as will be described later. It becomes possible to increase the strength. In this specification, unless otherwise specified, the value of "average particle diameter" refers to a field of view of several to several tens of fields using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). The value calculated as the average value of the particle diameter of the particles observed in the sample is adopted.
ガラス粒子2の形状は特に限定されないが、例えば球状とすることができる。また、ガラス粒子2は、立方体および直方体を含む多面体状の粒子、ウィスカー状(針状)の粒子、又は鱗片状の粒子であってもよい。多面体状粒子、ウィスカー状粒子又は鱗片状粒子は、球状粒子と比べて他の粒子との接触性が高まるため、ガラス構造体1全体の強度を高めることが可能となる。 The shape of the glass particles 2 is not particularly limited, but may be, for example, spherical. Further, the glass particles 2 may be polyhedral particles including cubes and rectangular parallelepipeds, whisker-like (acicular) particles, or scale-like particles. Polyhedral particles, whisker particles, or scale particles have higher contact with other particles than spherical particles, so it is possible to increase the strength of the entire glass structure 1.
上述のように、ガラス構造体1は、ガラス粒子2の粒子群により構成されている。つまり、ガラス構造体1は、バイオガラスを主体にしてなる複数のガラス粒子2により構成されており、ガラス粒子2同士が互いに結合することにより、ガラス構造体1が形成されている。この際、ガラス粒子2同士は、点接触の状態であってもよく、ガラス粒子2の粒子面同士が接触した面接触の状態であってもよい。 As described above, the glass structure 1 is composed of a particle group of glass particles 2. That is, the glass structure 1 is composed of a plurality of glass particles 2 mainly made of bioglass, and the glass structure 1 is formed by bonding the glass particles 2 to each other. At this time, the glass particles 2 may be in point contact with each other, or may be in surface contact in which the particle surfaces of the glass particles 2 are in contact with each other.
ガラス構造体1において、隣接するガラス粒子2は、フッ素含有アパタイトを含有する結合部を介して結合している。後述するように、ガラス構造体1は、ガラス粒子2と、カルシウム、リン及びフッ素を含有し、pHが4.0以上である水溶液との混合物を加圧しながら加熱することにより、形成することができる。そして、当該混合物を加圧しながら加熱した際、ガラス粒子2の表面にはフッ素含有アパタイトが生成するため、フッ素含有アパタイトにより隣接するガラス粒子2同士を連結することができる。 In the glass structure 1, adjacent glass particles 2 are bonded via bonding portions containing fluorine-containing apatite. As described later, the glass structure 1 can be formed by heating a mixture of glass particles 2 and an aqueous solution containing calcium, phosphorus, and fluorine and having a pH of 4.0 or higher while pressurizing the mixture. can. Then, when the mixture is heated while being pressurized, fluorine-containing apatite is generated on the surface of the glass particles 2, so that adjacent glass particles 2 can be connected to each other by the fluorine-containing apatite.
ここで、アパタイトとは、本来、組成式:M10(ZO4)6(X)2で表される鉱物名であるが、当該組成を有する合成化合物の総称としても用いられている。組成式:M10(ZO4)6(X)2において、Mにはアルカリ土類金属及び鉛の少なくとも一方が配位することができる。また、ZにはP、As、V及びSからなる群より選ばれる少なくとも一つ、XにはF、Cl、Br、OH、O及びCO3からなる群より選ばれる少なくとも一つが配位することができる。そのため、ヒドロキシアパタイト(Ca10(PO4)6(OH)2)において、X位置のOH-は、F-、Cl-又はCO3 2-と置換することができる。 Here, apatite is originally a mineral name represented by the composition formula: M 10 (ZO 4 ) 6 (X) 2 , but it is also used as a general term for synthetic compounds having this composition. In the composition formula: M 10 (ZO 4 ) 6 (X) 2 , M can be coordinated with at least one of an alkaline earth metal and lead. Furthermore, Z is coordinated with at least one selected from the group consisting of P, As, V, and S, and X is coordinated with at least one selected from the group consisting of F, Cl, Br, OH, O, and CO3 . Can be done. Therefore, in hydroxyapatite (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ), OH − at the X position can be replaced with F − , Cl − or CO 3 2− .
上述のように、非特許文献1の焼結体は、非晶質のヒドロキシアパタイトを含有している。ただ、ヒドロキシアパタイト、特に非晶質のヒドロキシアパタイトは耐酸性に劣ることが知られている。そのため、仮に結合部がヒドロキシアパタイトのみからなる場合、酸によりヒドロキシアパタイトが溶解し、焼結体の機械的強度が低下する場合がある。したがって、本実施形態のガラス構造体1では、結合部は、フッ素を含むアパタイトを含有している。フッ素含有アパタイトは、ヒドロキシアパタイトに比べて耐酸性に優れていることが知られている。そのため、フッ素含有アパタイトが結合部に含まれることにより、結合部の耐酸性を高め、ガラス構造体全体の耐酸性も向上させることが可能となる。なお、フッ素を含むアパタイトとしては、フルオロアパタイト(Ca10(PO4)6(F)2)、及び(Ca10(PO4)6((OH)1-xFx))2を挙げることができる。 As mentioned above, the sintered body of Non-Patent Document 1 contains amorphous hydroxyapatite. However, it is known that hydroxyapatite, especially amorphous hydroxyapatite, has poor acid resistance. Therefore, if the bonding portion consists only of hydroxyapatite, the hydroxyapatite may be dissolved by the acid, and the mechanical strength of the sintered body may be reduced. Therefore, in the glass structure 1 of this embodiment, the bonding portion contains apatite containing fluorine. Fluorine-containing apatite is known to have better acid resistance than hydroxyapatite. Therefore, by including fluorine-containing apatite in the bonding portion, it is possible to improve the acid resistance of the bonding portion and also improve the acid resistance of the entire glass structure. Note that examples of apatite containing fluorine include fluoroapatite (Ca 10 (PO 4 ) 6 (F) 2 ) and (Ca 10 (PO 4 ) 6 ((OH) 1-x F x )) 2 . can.
上述のように、隣接するガラス粒子2を連結する結合部は、少なくともフッ素含有アパタイトを含有しており、フッ素含有アパタイトが主成分であることが好ましい。また、結合部は、フッ素含有アパタイトからなる部位であってもよい。ただ、後述するように、結合部に含まれるフッ素含有アパタイトは、ヒドロキシアパタイト(Ca10(PO4)6(OH)2)のOH-がF-と置換することにより生成する。そのため、結合部には、フッ素含有アパタイトに加えてヒドロキシアパタイトが含まれていてもよい。また、上述のように、ヒドロキシアパタイト(Ca10(PO4)6(OH)2)において、OH-は、Cl-又はCO3 2-と置換することができる。そのため、結合部は、例えば、ヒドロキシアパタイトの一部のOH-がCl-又はCO3 2-と置換したアパタイトが含まれていてもよい。さらに、結合部は、アパタイトの他に、ガラス粒子2に由来する成分、又は、カルシウム、リン及びフッ素を含有し、pHが4.0以上である水溶液に由来する成分が含まれていてもよい。 As described above, it is preferable that the bonding portion connecting adjacent glass particles 2 contains at least fluorine-containing apatite, and fluorine-containing apatite is the main component. Further, the bonding portion may be a portion made of fluorine-containing apatite. However, as will be described later, the fluorine-containing apatite contained in the bond is generated by replacing OH - of hydroxyapatite (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ) with F - . Therefore, the bonding portion may contain hydroxyapatite in addition to fluorine-containing apatite. Further, as described above, in hydroxyapatite (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ), OH − can be replaced with Cl − or CO 3 2− . Therefore, the bonding portion may include, for example, apatite in which a part of OH − of hydroxyapatite is replaced with Cl − or CO 3 2− . Furthermore, in addition to apatite, the bonding portion may contain a component derived from the glass particles 2 or a component derived from an aqueous solution containing calcium, phosphorus, and fluorine and having a pH of 4.0 or higher. .
ガラス構造体1の結合部において、フッ素含有アパタイトは、非晶質であってもよく、結晶質であってもよい。フッ素含有アパタイトは、結晶構造に関わらず、ヒドロキシアパタイトよりも耐酸性に優れている。ただ、結合部において、フッ素含有アパタイトの少なくとも一部は結晶質であることが好ましい。結晶質のフッ素含有アパタイトは、非晶質のものと比べて機械的強度が高い性質を有する。そのため、結合部に含まれるフッ素含有アパタイトの少なくとも一部が結晶質の場合には、結合部の機械的強度が高まることから、ガラス構造体1の機械的強度も向上することができる。 In the joint portion of the glass structure 1, the fluorine-containing apatite may be amorphous or crystalline. Fluorine-containing apatite has better acid resistance than hydroxyapatite, regardless of its crystal structure. However, it is preferable that at least a portion of the fluorine-containing apatite in the bonding portion be crystalline. Crystalline fluorine-containing apatite has higher mechanical strength than amorphous apatite. Therefore, when at least a part of the fluorine-containing apatite contained in the bonded portion is crystalline, the mechanical strength of the bonded portion is increased, so that the mechanical strength of the glass structure 1 can also be improved.
ガラス構造体1の断面における気孔率は15%以下であることが好ましい。つまり、ガラス構造体1の断面を観察した場合、単位面積あたりの気孔の割合の平均値が15%以下であることが好ましい。気孔率が15%以下の場合、ガラス粒子2同士が結合する割合が増加するため、ガラス構造体1が緻密になり、機械的強度を向上させることが可能となる。また、気孔率が15%以下の場合には、気孔3を起点として、ガラス構造体1にひび割れが発生することが抑制されるため、ガラス構造体1の曲げ強さを高めることが可能となる。なお、ガラス構造体1の断面における気孔率は10%以下であることがより好ましく、5%以下であることがさらに好ましい。ガラス構造体1の断面における気孔率が小さいほど、気孔3を起点としたひび割れが抑制されるため、ガラス構造体1の強度を高めることが可能となる。 The porosity in the cross section of the glass structure 1 is preferably 15% or less. That is, when observing the cross section of the glass structure 1, it is preferable that the average value of the ratio of pores per unit area is 15% or less. When the porosity is 15% or less, the proportion of glass particles 2 bonding to each other increases, so that the glass structure 1 becomes dense and mechanical strength can be improved. Furthermore, when the porosity is 15% or less, the occurrence of cracks in the glass structure 1 starting from the pores 3 is suppressed, making it possible to increase the bending strength of the glass structure 1. . Note that the porosity in the cross section of the glass structure 1 is more preferably 10% or less, and even more preferably 5% or less. As the porosity in the cross section of the glass structure 1 is smaller, cracks starting from the pores 3 are suppressed, so that the strength of the glass structure 1 can be increased.
本明細書において、気孔率は次のように求めることができる。まず、ガラス構造体1の断面を観察し、ガラス粒子2及び気孔3を判別する。そして、単位面積と当該単位面積中の気孔3の面積とを測定し、単位面積あたりの気孔3の割合を求める。このような単位面積あたりの気孔3の割合を複数箇所で求めた後、単位面積あたりの気孔3の割合の平均値を気孔率とする。なお、ガラス構造体1の断面を観察する際には、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡(SEM)又は透過型電子顕微鏡(TEM)を用いることができる。また、単位面積と当該単位面積中の気孔3の面積は、顕微鏡で観察した画像を二値化することにより測定してもよい。 In this specification, porosity can be determined as follows. First, the cross section of the glass structure 1 is observed, and the glass particles 2 and pores 3 are determined. Then, the unit area and the area of the pores 3 in the unit area are measured, and the ratio of the pores 3 per unit area is determined. After determining the ratio of pores 3 per unit area at a plurality of locations, the average value of the ratio of pores 3 per unit area is determined as the porosity. Note that when observing the cross section of the glass structure 1, an optical microscope, a scanning electron microscope (SEM), or a transmission electron microscope (TEM) can be used. Further, the unit area and the area of the pores 3 in the unit area may be measured by binarizing an image observed with a microscope.
ガラス構造体1の内部に存在する気孔3の大きさは特に限定されないが、可能な限り小さい方が好ましい。気孔3の大きさが小さいことにより、気孔3を起点としたひび割れが抑制されるため、ガラス構造体1の機械的強度を高めることが可能となる。なお、ガラス構造体1の気孔3の大きさは、5μm以下であることが好ましく、1μm以下であることがより好ましく、100nm以下であることがさらに好ましい。ガラス構造体1の内部に存在する気孔3の大きさは、上述の気孔率と同様に、ガラス構造体1の断面を顕微鏡で観察することにより、求めることができる。 Although the size of the pores 3 existing inside the glass structure 1 is not particularly limited, it is preferably as small as possible. Since the size of the pores 3 is small, cracks originating from the pores 3 are suppressed, so that the mechanical strength of the glass structure 1 can be increased. Note that the size of the pores 3 of the glass structure 1 is preferably 5 μm or less, more preferably 1 μm or less, and even more preferably 100 nm or less. The size of the pores 3 existing inside the glass structure 1 can be determined by observing the cross section of the glass structure 1 with a microscope, similarly to the porosity described above.
ガラス構造体1は、ガラス粒子2同士が結合部を介して互いに結合しており、気孔率が15%以下である構造を有していればよい。そのため、ガラス構造体1はこのような構造を有していれば、その形状は限定されない。ガラス構造体1の形状は、例えば板状、膜状、矩形状、塊状、棒状、球状とすることができる。また、ガラス構造体1が板状又は膜状の場合、その厚みtは特に限定されないが、例えば50μm以上とすることができる。本実施形態のガラス構造体1は、後述するように、加圧加熱法により形成している。そのため、厚みの大きなガラス構造体1を容易に得ることができる。なお、ガラス構造体1の厚みtは1mm以上とすることができ、1cm以上とすることもできる。ガラス構造体1の厚みtの上限は特に限定されないが、例えば50cmとすることができる。 The glass structure 1 only needs to have a structure in which the glass particles 2 are bonded to each other via bonding portions and the porosity is 15% or less. Therefore, the shape of the glass structure 1 is not limited as long as it has such a structure. The shape of the glass structure 1 can be, for example, plate-like, film-like, rectangular, block-like, rod-like, or spherical. Moreover, when the glass structure 1 is plate-shaped or film-shaped, the thickness t is not particularly limited, but can be, for example, 50 μm or more. The glass structure 1 of this embodiment is formed by a pressure heating method, as will be described later. Therefore, a glass structure 1 having a large thickness can be easily obtained. Note that the thickness t of the glass structure 1 can be 1 mm or more, and can also be 1 cm or more. Although the upper limit of the thickness t of the glass structure 1 is not particularly limited, it can be, for example, 50 cm.
このように、本実施形態のガラス構造体1は、SiO2、CaO及びP2O5を含む複数のガラス粒子2と、ガラス粒子2同士を結合し、フッ素を含むアパタイトを含有する結合部と、を備える。そして、ガラス構造体1の気孔率が15%以下である。ガラス構造体1は、複数のガラス粒子2がフッ素含有アパタイトを含有する結合部4を介して結合している。フッ素含有アパタイトにより結合部の耐酸性が高まることから、ガラス構造体1の耐酸性も向上することが可能となる。さらに、ガラス構造体1は気孔率が15%以下であることから、ガラス粒子2が緻密に配置され、ガラス構造体1の機械的強度が高まる。そのため、ガラス構造体1は、高い機械加工性を有することができる。 As described above, the glass structure 1 of the present embodiment includes a plurality of glass particles 2 containing SiO 2 , CaO, and P 2 O 5 and a bonding portion that bonds the glass particles 2 to each other and contains apatite containing fluorine. , is provided. Further, the porosity of the glass structure 1 is 15% or less. In the glass structure 1, a plurality of glass particles 2 are bonded via bonding portions 4 containing fluorine-containing apatite. Since the fluorine-containing apatite increases the acid resistance of the joint, the acid resistance of the glass structure 1 can also be improved. Furthermore, since the glass structure 1 has a porosity of 15% or less, the glass particles 2 are densely arranged, increasing the mechanical strength of the glass structure 1. Therefore, the glass structure 1 can have high machinability.
また、ガラス構造体1は、Cu-Kα線で測定したX線回折パターンにおいて、回折角2θ=25.0°以上26.0°以下、2θ=31.0°以上33.0°以下、及び、2θ=39.0°以上40.0°以下、に回折ピークを有する結晶相を含有することが好ましい。ガラス構造体1に対してX線回折測定を行い、上記範囲内に回折ピークを有する場合には、ガラス構造体1は、結晶質のフッ素含有アパタイトを含有していることになる。そして、この場合、結合部は結晶質のフッ素含有アパタイトを含有していることから、ガラス構造体1の機械的強度を高めることが可能となる。 Further, in the X-ray diffraction pattern measured with Cu-Kα radiation, the glass structure 1 has a diffraction angle 2θ=25.0° or more and 26.0° or less, 2θ=31.0° or more and 33.0° or less, and , 2θ=39.0° or more and 40.0° or less. When the glass structure 1 is subjected to X-ray diffraction measurement and has a diffraction peak within the above range, the glass structure 1 contains crystalline fluorine-containing apatite. In this case, since the bonded portion contains crystalline fluorine-containing apatite, it is possible to increase the mechanical strength of the glass structure 1.
ガラス粒子2は、アパタイト形成能を有することが好ましい。後述するように、ガラス構造体1は、ガラス粒子2と、カルシウム、リン及びフッ素を含有し、pHが4.0以上である水溶液との混合物を加圧しながら加熱することにより、形成することができる。そのため、ガラス粒子2が上記水溶液と反応し、アパタイトを形成する作用を有する場合には、フッ素含有アパタイトを含有する結合部を効率的に生成し、ガラス粒子2同士を強固に結合することが可能となる。 It is preferable that the glass particles 2 have an apatite-forming ability. As described later, the glass structure 1 can be formed by heating a mixture of glass particles 2 and an aqueous solution containing calcium, phosphorus, and fluorine and having a pH of 4.0 or higher while pressurizing the mixture. can. Therefore, when the glass particles 2 react with the aqueous solution and have the effect of forming apatite, it is possible to efficiently generate bonding parts containing fluorine-containing apatite and firmly bond the glass particles 2 to each other. becomes.
[ガラス構造体の製造方法]
次に、本実施形態に係るガラス構造体1の製造方法について説明する。ガラス構造体1の製造方法は、複数のガラス粒子2と、カルシウム、リン及びフッ素を含有し、pHが4.0以上である水溶液とを混合して、混合物を調製する工程と、当該混合物を加熱及び加圧する工程と、を有する。
[Method for manufacturing glass structure]
Next, a method for manufacturing the glass structure 1 according to this embodiment will be described. The method for manufacturing the glass structure 1 includes a step of preparing a mixture by mixing a plurality of glass particles 2 and an aqueous solution containing calcium, phosphorus, and fluorine and having a pH of 4.0 or more; It has a step of heating and pressurizing.
本実施形態に係るガラス構造体1の製造方法は、生物が自身の体内に鉱物(無機化合物)を作り出す生物鉱物形成作用、いわゆるバイオミネラリゼーション反応を利用した方法である。つまり、上述のように、ガラス粒子2は、その成分中にCaOとP2O5を含んでいるため、体液と反応し、表面にアパタイトを生成する性質を有する。ガラス構造体1の製造方法は、このメカニズムを利用し、上記水溶液とガラス粒子2とを加熱しながら加圧することにより、水溶液とガラス粒子2とを反応させ、ヒドロキシアパタイト由来のフッ素含有アパタイトを含む結合部を形成している。 The method for manufacturing the glass structure 1 according to the present embodiment is a method that utilizes the so-called biomineralization reaction, which is a biomineral-forming action in which living organisms produce minerals (inorganic compounds) within their own bodies. That is, as described above, since the glass particles 2 contain CaO and P 2 O 5 in their components, they have the property of reacting with body fluids and producing apatite on the surface. The manufacturing method of the glass structure 1 utilizes this mechanism and pressurizes the aqueous solution and the glass particles 2 while heating them, thereby causing the aqueous solution and the glass particles 2 to react, thereby containing fluorine-containing apatite derived from hydroxyapatite. forming a joint.
具体的には、まず、ガラス粒子2と、カルシウム、リン及びフッ素を含有し、pHが4.0以上である水溶液と混合して混合物を調製する。SiO2、CaO及びP2O5を含むガラス粒子2の調製方法は特に限定されないが、例えばSiO2、CaO及びP2O5の前駆体を用いて、ゾルゲル法により調製することができる。SiO2の前駆体としては、例えばオルトけい酸テトラエチル(Si(OC2H5)4)を用いることができる。CaOの前駆体としては、例えば硝酸カルシウム四水和物(Ca(NO3)2・4H2O)を用いることができる。P2O5の前駆体としては、例えばリン酸水素二アンモニウム((NH4)2HPO4)を用いることができる。 Specifically, first, a mixture is prepared by mixing the glass particles 2 with an aqueous solution containing calcium, phosphorus, and fluorine and having a pH of 4.0 or higher. Although the method for preparing the glass particles 2 containing SiO 2 , CaO and P 2 O 5 is not particularly limited, for example, they can be prepared by a sol-gel method using precursors of SiO 2 , CaO and P 2 O 5 . As a precursor of SiO 2 , for example, tetraethyl orthosilicate (Si(OC 2 H 5 ) 4 ) can be used. As the CaO precursor, for example, calcium nitrate tetrahydrate (Ca(NO 3 ) 2.4H 2 O) can be used. As a precursor of P 2 O 5 , for example, diammonium hydrogen phosphate ((NH 4 ) 2 HPO 4 ) can be used.
水溶液と混合するガラス粒子2の平均一次粒子径は特に限定されないが、5nm以上10μm以下であることが好ましく、10nm以上0.2μm以下であることがより好ましい。ガラス粒子2の平均粒子径がこの範囲内であることにより、水溶液との反応性を高め、結合部を容易に形成することが可能となる。 The average primary particle diameter of the glass particles 2 to be mixed with the aqueous solution is not particularly limited, but is preferably 5 nm or more and 10 μm or less, more preferably 10 nm or more and 0.2 μm or less. When the average particle diameter of the glass particles 2 is within this range, it becomes possible to increase the reactivity with an aqueous solution and easily form a bonding part.
カルシウム、リン及びフッ素を含有し、pHが4.0以上である水溶液としては、例えば、フッ素を含有する疑似体液を使用することができる。疑似体液は、無機イオン濃度をヒトの細胞外液とほぼ等しくした水溶液であり、この溶液を用いることにより、体内における材料表面の反応を生体外でも簡便に予測することができる。そして、SiO2、CaO及びP2O5を含むガラス粒子2は、疑似体液と反応して、ガラス粒子2の表面にヒドロキシアパタイトを生成する性質を有する。そのため、水溶液として疑似体液を用いることにより、ヒドロキシアパタイトを容易に生成することができる。なお、疑似体液の組成の一例を、ヒトの血漿の組成と共に表1に示す。 As the aqueous solution containing calcium, phosphorus, and fluorine and having a pH of 4.0 or more, for example, a simulated body fluid containing fluorine can be used. The simulated body fluid is an aqueous solution with an inorganic ion concentration almost equal to that of human extracellular fluid, and by using this solution, reactions on material surfaces in the body can be easily predicted even outside the body. The glass particles 2 containing SiO 2 , CaO, and P 2 O 5 have a property of reacting with the simulated body fluid to generate hydroxyapatite on the surface of the glass particles 2 . Therefore, by using a simulated body fluid as an aqueous solution, hydroxyapatite can be easily produced. An example of the composition of the simulated body fluid is shown in Table 1 along with the composition of human plasma.
ここで、通常、疑似体液にはフッ素が含まれていない。そのため、本実施形態の製造方法では、疑似体液中の塩化物イオン(Cl-)の一部をフッ素イオン(F-)と置換することにより、疑似体液中にフッ素を含ませたものを、上記水溶液として使用することが好ましい。なお、フッ素を含有する疑似体液の組成の一例を表1に合わせて示す。 Here, the simulated body fluid usually does not contain fluorine. Therefore, in the manufacturing method of the present embodiment, by replacing a part of the chloride ions (Cl − ) in the simulated body fluid with fluorine ions (F − ), the simulated body fluid containing fluorine can be prepared as described above. Preferably, it is used as an aqueous solution. An example of the composition of the simulated body fluid containing fluorine is also shown in Table 1.
ガラス粒子2に対する水溶液の添加量は、バイオミネラリゼーション反応が十分に進行する量であることが好ましい。水溶液の添加量は、ガラス粒子2に対して1~200質量%であることが好ましく、7~100質量%であることがより好ましい。 The amount of the aqueous solution added to the glass particles 2 is preferably such that the biomineralization reaction sufficiently proceeds. The amount of the aqueous solution added is preferably 1 to 200% by mass, more preferably 7 to 100% by mass based on the glass particles 2.
次いで、ガラス粒子2と水溶液とを混合してなる混合物を、金型の内部に充填する。当該混合物を金型に充填した後、必要に応じて金型を加熱してもよい。そして、金型の内部の混合物に圧力を加えることにより、金型の内部が高圧状態となる。この際、ガラス粒子2が高充填化し、ガラス粒子2の粒子同士が互いに結合することで高密度化する。つまり、ガラス粒子2と水溶液とを混合してなる混合物を加熱しながら加圧した場合、図2に示すバイオミネラリゼーション反応が進行する。 Next, a mixture of glass particles 2 and an aqueous solution is filled into the mold. After filling the mixture into the mold, the mold may be heated if necessary. Then, by applying pressure to the mixture inside the mold, the inside of the mold becomes in a high pressure state. At this time, the glass particles 2 are highly packed, and the particles of the glass particles 2 are bonded to each other, thereby increasing the density. That is, when the mixture formed by mixing the glass particles 2 and the aqueous solution is heated and pressurized, the biomineralization reaction shown in FIG. 2 proceeds.
詳細に説明すると、図2及び図3(a)に示すように、ガラス粒子2が水溶液4aと接触すると、ガラス粒子2から水溶液4aにカルシウムイオン(Ca2+)が溶出すると共に、ガラス粒子2の表面に多量のシラノール(Si-OH)基が生成する。そして、シラノール基がアパタイトの不均一核形成を誘起し、一方で溶出したCa2+が周囲の水溶液4aにおけるアパタイトの過飽和度を上昇させ、アパタイトの核形成を促進する。このようにして形成されたアパタイトの核は、周囲の水溶液4aからカルシウムイオンとリン酸一水素イオンを取り込み、アパタイト層を生成する。 To explain in detail, as shown in FIGS. 2 and 3(a), when the glass particles 2 come into contact with the aqueous solution 4a, calcium ions (Ca 2+ ) are eluted from the glass particles 2 into the aqueous solution 4a, and at the same time, the glass particles 2 A large amount of silanol (Si-OH) groups are generated on the surface. The silanol groups induce heterogeneous nucleation of apatite, while the eluted Ca 2+ increases the degree of supersaturation of apatite in the surrounding aqueous solution 4a, promoting the nucleation of apatite. The apatite core thus formed takes in calcium ions and monohydrogen phosphate ions from the surrounding aqueous solution 4a to generate an apatite layer.
ここで、アパタイト層に含まれるヒドロキシアパタイト(Ca10(PO4)6(OH)2)のOH-は、疑似体液中に含まれるF-と容易に置換される。そのため、アパタイト層中のヒドロキシアパタイトは、フッ素含有アパタイト、つまりフルオロアパタイト(Ca10(PO4)6(F)2)になる。 Here, OH − of hydroxyapatite (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ) contained in the apatite layer is easily replaced with F − contained in the simulated body fluid. Therefore, the hydroxyapatite in the apatite layer becomes fluorine-containing apatite, that is, fluoroapatite (Ca 10 (PO 4 ) 6 (F) 2 ).
その後、隣接するガラス粒子2に表面に生成したアパタイト層同士が結合することにより、図3(b)に示すように、隣接するガラス粒子2のネッキング部に、フッ素含有アパタイトを含有する結合部4が形成される。ここで、ガラス粒子2と水溶液とを混合してなる混合物の加熱加圧時間を長くすることにより、フッ素含有アパタイトの結晶化が進行し、結晶質のフッ素含有アパタイトの割合が増加する。そのため、混合物の加熱及び加圧工程を所定時間行うことにより、結晶質のフッ素含有アパタイトを含む結合部4を形成することができる。 Thereafter, the apatite layers formed on the surfaces of adjacent glass particles 2 are bonded to each other, so that bonding portions 4 containing fluorine-containing apatite are formed in the necking portions of adjacent glass particles 2, as shown in FIG. 3(b). is formed. Here, by increasing the heating and pressurizing time of the mixture formed by mixing the glass particles 2 and the aqueous solution, crystallization of the fluorine-containing apatite progresses, and the proportion of crystalline fluorine-containing apatite increases. Therefore, by heating and pressurizing the mixture for a predetermined period of time, the bonding portion 4 containing crystalline fluorine-containing apatite can be formed.
なお、ガラス粒子2と水溶液とを混合してなる混合物の加熱加圧条件は、ガラス粒子2と当該水溶液との反応が進行するような条件であれば特に限定されない。例えば、ガラス粒子2と水溶液とを混合してなる混合物を、40℃以上300℃以下に加熱しつつ、1MPaの圧力で加圧することが好ましい。さらに、当該混合物を加熱及び加圧する時間は、10分以上であることが好ましい。このような条件により、フッ素含有アパタイトを含む結合部4を容易に形成することができる。なお、混合物を加圧する際の圧力は、1~1000MPaであることが好ましく、10~500MPaであることがより好ましい。また、混合物を加熱及び加圧する際の時間は、1分~24時間であることが好ましく、30分~12時間であることがより好ましい。 Note that the heating and pressurizing conditions for the mixture formed by mixing the glass particles 2 and the aqueous solution are not particularly limited as long as the conditions allow the reaction between the glass particles 2 and the aqueous solution to proceed. For example, it is preferable to pressurize the mixture formed by mixing the glass particles 2 and the aqueous solution with a pressure of 1 MPa while heating the mixture to 40° C. or higher and 300° C. or lower. Furthermore, the time for heating and pressurizing the mixture is preferably 10 minutes or more. Under such conditions, the bonding portion 4 containing fluorine-containing apatite can be easily formed. Note that the pressure when pressurizing the mixture is preferably 1 to 1000 MPa, more preferably 10 to 500 MPa. Further, the time for heating and pressurizing the mixture is preferably 1 minute to 24 hours, more preferably 30 minutes to 12 hours.
最後に、金型の内部から成形体を取り出すことにより、複数のガラス粒子2同士が結合部4を介して結合したガラス構造体1を得ることができる。 Finally, by taking out the molded body from the inside of the mold, a glass structure 1 in which a plurality of glass particles 2 are bonded to each other via bonding portions 4 can be obtained.
このように、本実施形態のガラス構造体1の製造方法は、SiO2、CaO及びP2O5を含む複数のガラス粒子2と、カルシウム、リン及びフッ素を含有し、pHが4.0以上である水溶液とを混合して、混合物を調製する工程を有する。ガラス構造体1の製造方法は、さらに、当該混合物を加熱及び加圧する工程を有する。なお、混合物を加熱する際の温度は、40℃以上300℃以下であることが好ましい。また、混合物を加圧する際の圧力は、1MPa以上であることが好ましい。さらに、混合物を加熱及び加圧する時間は、10分以上であることが好ましい。本実施形態の製造方法では、このような低温条件下でガラス構造体1を成形することから、製造時のエネルギー消費が少なくなり、製造コストを抑制することが可能となる。 As described above, the method for manufacturing the glass structure 1 of the present embodiment includes a plurality of glass particles 2 containing SiO 2 , CaO, and P 2 O 5 , calcium, phosphorus, and fluorine, and a pH of 4.0 or higher. and an aqueous solution to prepare a mixture. The method for manufacturing the glass structure 1 further includes the step of heating and pressurizing the mixture. Note that the temperature when heating the mixture is preferably 40°C or more and 300°C or less. Moreover, it is preferable that the pressure when pressurizing the mixture is 1 MPa or more. Furthermore, the time for heating and pressurizing the mixture is preferably 10 minutes or more. In the manufacturing method of this embodiment, since the glass structure 1 is molded under such low-temperature conditions, energy consumption during manufacturing is reduced, making it possible to suppress manufacturing costs.
[ガラス構造体を備える部材]
次に、本実施形態に係るガラス構造体1を備える部材について説明する。本実施形態のガラス構造体1は、上述のように、厚みの大きな板状とすることができる。また、ガラス構造体1は、機械的強度が高く、一般的なセラミックス部材と同様に切断することができると共に、表面加工することもできる。そのため、ガラス構造体1は、建築部材として好適に用いることができる。建築部材としては特に限定されないが、例えば、外壁材(サイディング)、屋根材などを挙げることができる。また、建築部材としては、道路用材料、外溝用材料も挙げることができる。
[Member with glass structure]
Next, a member including the glass structure 1 according to this embodiment will be explained. The glass structure 1 of this embodiment can be made into a thick plate shape as described above. Further, the glass structure 1 has high mechanical strength, can be cut in the same manner as general ceramic members, and can also be surface-treated. Therefore, the glass structure 1 can be suitably used as a building member. Architectural components are not particularly limited, but include, for example, exterior wall materials (siding), roofing materials, and the like. Furthermore, examples of building materials include road materials and external gutter materials.
なお、一般的にヒドロキシアパタイトは、透光性を有する。そのため、ガラス構造体1は、結合部4において透光性を有する場合がある。そして、結合部4が透光性を有する場合には、ガラス構造体全体の意匠性も高めることが可能となる。 Note that hydroxyapatite generally has translucency. Therefore, the glass structure 1 may have translucency at the joint portion 4 . When the bonding portion 4 has translucency, it is possible to improve the design of the entire glass structure.
以下、実施例により本実施形態のガラス構造体をさらに詳細に説明するが、本実施形態はこれによって限定されるものではない。 Hereinafter, the glass structure of this embodiment will be explained in more detail with reference to Examples, but this embodiment is not limited thereto.
[試験サンプル1~4の作製]
まず、SiO2-CaO-P2O5からなる三成分系バイオガラスのナノ粒子を調製した。具体的には、前駆体としてオルトけい酸テトラエチル(Si(OC2H5)4)、硝酸カルシウム四水和物(Ca(NO3)2・4H2O)、及びリン酸水素二アンモニウム((NH4)2HPO4)を準備した。次に、9.167gのオルトけい酸テトラエチルと7.639gの硝酸カルシウム四水和物を、超純水とエタノールの混合溶液に投入した。なお、当該混合溶液における超純水とエタノールの比率は、2mol:1molとした。そして、この混合溶液を、1.087gのリン酸水素二アンモニウムを含有する超純水に投入し、アンモニア水でpHを11に調節しつつ、48時間混合した。その後、混合溶液を24時間熟成させ、遠心分離を行うことにより、白色ゲルを得た。次に、得られたゲルを、6000g/molのポリエチレングリコール水溶液(1%(w/v))と混合し、凍結乾燥した。最後に、凍結乾燥後のゲル粉末を700℃で仮焼することで、バイオガラスナノ粒子を得た。この方法により合成したバイオガラスナノ粒子は、透過型電子顕微鏡による解析の結果、平均一次粒子径が約28nmであった。
[Preparation of test samples 1 to 4]
First, ternary bioglass nanoparticles consisting of SiO 2 -CaO-P 2 O 5 were prepared. Specifically, tetraethyl orthosilicate (Si(OC 2 H 5 ) 4 ), calcium nitrate tetrahydrate (Ca(NO 3 ) 2.4H 2 O), and diammonium hydrogen phosphate (( NH4 ) 2HPO4 ) was prepared. Next, 9.167 g of tetraethyl orthosilicate and 7.639 g of calcium nitrate tetrahydrate were added to a mixed solution of ultrapure water and ethanol. Note that the ratio of ultrapure water and ethanol in the mixed solution was 2 mol:1 mol. Then, this mixed solution was poured into ultrapure water containing 1.087 g of diammonium hydrogen phosphate, and mixed for 48 hours while adjusting the pH to 11 with aqueous ammonia. Thereafter, the mixed solution was aged for 24 hours and centrifuged to obtain a white gel. Next, the obtained gel was mixed with a 6000 g/mol aqueous polyethylene glycol solution (1% (w/v)) and freeze-dried. Finally, the freeze-dried gel powder was calcined at 700°C to obtain bioglass nanoparticles. As a result of analysis using a transmission electron microscope, the bioglass nanoparticles synthesized by this method had an average primary particle diameter of about 28 nm.
次に、0.3gのバイオガラスナノ粒子と、フッ素入り疑似体液とを混合することにより、混合物を得た。なお、フッ素入り疑似体液は、蒸留水、NaCl、NaHCO3、KCl、K2HPO4・3H2O、MgCl2・6H2O、CaCl2、Na2SO4、KFの各試薬、pH調節用のトリスヒドロキシメチルアミノメタン((CH2OH)3CNH2) 緩衝剤及び1Mの塩酸(HCl)を表1に示す組成となるように混合することで調製した。また、フッ素入り疑似体液は、バイオガラスナノ粒子に対して43質量%となるように混合した。 Next, a mixture was obtained by mixing 0.3 g of bioglass nanoparticles and a fluorine-containing simulated body fluid. The fluorine-containing simulated body fluids include distilled water, NaCl, NaHCO 3 , KCl, K 2 HPO 4.3H 2 O, MgCl 2.6H 2 O, CaCl 2 , Na 2 SO 4 , KF reagents, and pH adjustment reagents. It was prepared by mixing trishydroxymethylaminomethane ((CH 2 OH) 3 CNH 2 ) buffer and 1M hydrochloric acid (HCl) so as to have the composition shown in Table 1. Further, the fluorine-containing simulated body fluid was mixed in an amount of 43% by mass based on the bioglass nanoparticles.
次いで、得られた混合物を、内部空間を有する円筒状の成形用金型の内部に投入した。そして、当該混合物を、120℃、300MPaの条件で加熱及び加圧を行った。なお、加熱加圧時間は、0.5時間、1.0時間、2.0時間又は6.0時間とした。ここで、加熱加圧時間を0.5時間としたサンプルを試験サンプル1とし、1.0時間としたサンプルを試験サンプル2とした。また、加熱加圧時間を2.0時間としたサンプルを試験サンプル3とし、6.0時間としたサンプルを試験サンプル4とした。このようにして、加熱加圧時間が異なる試験サンプル1~4を得た。 Next, the obtained mixture was placed inside a cylindrical mold having an internal space. Then, the mixture was heated and pressurized at 120° C. and 300 MPa. The heating and pressurizing time was 0.5 hours, 1.0 hours, 2.0 hours, or 6.0 hours. Here, a sample in which the heating and pressurizing time was 0.5 hours was designated as test sample 1, and a sample in which the heating and pressurizing time was set for 1.0 hours was designated as test sample 2. Further, a sample in which the heating and pressurizing time was 2.0 hours was designated as Test Sample 3, and a sample in which the heating and pressurizing time was 6.0 hours was designated as Test Sample 4. In this way, test samples 1 to 4 having different heating and pressurizing times were obtained.
[試験サンプル5の作製]
まず、上述と同様にして、平均一次粒子径が28nm程度のバイオガラスナノ粒子を調製した。
[Preparation of test sample 5]
First, bioglass nanoparticles having an average primary particle diameter of about 28 nm were prepared in the same manner as described above.
次に、0.3gのバイオガラスナノ粒子と、フッ素を含んでいない疑似体液とを混合することにより、混合物を得た。なお、フッ素を含んでいない疑似体液は、表1に示す成分を含有しており、さらにバイオガラスナノ粒子に対して40質量%となるように混合した。 Next, a mixture was obtained by mixing 0.3 g of bioglass nanoparticles and a simulated body fluid that did not contain fluorine. The simulated body fluid that does not contain fluorine contains the components shown in Table 1, and was further mixed in an amount of 40% by mass based on the bioglass nanoparticles.
次いで、得られた混合物を、内部空間を有する円筒状の成形用金型の内部に投入した。そして、当該混合物を、120℃、300MPa、0.5時間の条件で加熱及び加圧を行った。このようにして、フッ素を含んでいない試験サンプル5を得た。 Next, the obtained mixture was placed inside a cylindrical mold having an internal space. Then, the mixture was heated and pressurized under the conditions of 120° C., 300 MPa, and 0.5 hours. In this way, test sample 5 containing no fluorine was obtained.
[評価]
(X線回折測定)
上述のようにして得られた試験サンプル1~5について、X線回折装置を用いてX線回折パターンを測定した。X線回折装置は、ブルカー社製のX線回折装置、D8 ADVANCEを用いた。なお、X線回折パターンは、管電圧が40kV、管電流が40mA、回折角2θが10°~60°、ステップサイズが0.02°の条件で測定した。図4(a)では、試験サンプル1~4のX線回折パターン、及び、JCPDS 15-0876として登録されたフルオロアパタイトのX線回折パターンを示す。また、図4(b)では、試験サンプル1~5のX線回折パターンを示す。
[evaluation]
(X-ray diffraction measurement)
For test samples 1 to 5 obtained as described above, X-ray diffraction patterns were measured using an X-ray diffraction device. As the X-ray diffraction device, an X-ray diffraction device D8 ADVANCE manufactured by Bruker was used. The X-ray diffraction pattern was measured under the conditions of a tube voltage of 40 kV, a tube current of 40 mA, a diffraction angle 2θ of 10° to 60°, and a step size of 0.02°. FIG. 4(a) shows the X-ray diffraction patterns of test samples 1 to 4 and the X-ray diffraction pattern of fluoroapatite registered as JCPDS 15-0876. Furthermore, FIG. 4(b) shows the X-ray diffraction patterns of test samples 1 to 5.
図4(a)に示すように、試験サンプル2~4では、フルオロアパタイトに由来する回折ピークが認められた。具体的には、試験サンプル2~4では、Cu-Kα線で測定したX線回折パターンにおいて、2θ=25.0°以上26.0°以下、2θ=31.0°以上33.0°以下、及び、2θ=39.0°以上40.0°以下、に回折ピークが認められた。そのため、試験サンプル2~4は、結晶質のフルオロアパタイトを含有することが分かる。 As shown in FIG. 4(a), in test samples 2 to 4, diffraction peaks derived from fluoroapatite were observed. Specifically, in test samples 2 to 4, in the X-ray diffraction pattern measured with Cu-Kα rays, 2θ = 25.0° or more and 26.0° or less, 2θ = 31.0° or more and 33.0° or less , and diffraction peaks were observed at 2θ=39.0° or more and 40.0° or less. Therefore, it can be seen that test samples 2 to 4 contain crystalline fluoroapatite.
なお、加熱加圧時間が0.5時間の試験サンプル1では、フルオロアパタイトに由来する回折ピークを認めることができなかった。そのため、試験サンプル1では、結晶質のフルオロアパタイトを含んでいないことが分かる。 In addition, in test sample 1 in which the heating and pressurizing time was 0.5 hours, no diffraction peak derived from fluoroapatite could be observed. Therefore, it can be seen that test sample 1 does not contain crystalline fluoroapatite.
なお、図4(b)より、加熱加圧時間が0.5時間の試験サンプル5では、フルオロアパタイトに由来する回折ピークを認めることができず、さらに他の成分の回折ピークも認めることができなかった。そのため、試験サンプル5では、少なくとも結晶質のアパタイトを含んでいないことが分かる。 In addition, from FIG. 4(b), in test sample 5 in which the heating and pressurizing time was 0.5 hours, no diffraction peak derived from fluoroapatite could be observed, and diffraction peaks of other components could also be observed. There wasn't. Therefore, it can be seen that test sample 5 does not contain at least crystalline apatite.
(相対密度測定)
試験サンプル1~4について、相対密度を測定した。なお、相対密度は、試験サンプルの密度をアルキメデス法により測定した値を、バイオガラスの密度で除した値とした。その結果、試験サンプル1の相対密度は82%であり、試験サンプル2の相対密度は85%であり、試験サンプル3の相対密度は88%であり、試験サンプル4の相対密度は89%であった。つまり、試験サンプルの加熱加圧時間が長くなるにつれて、相対密度が高まり、構造体が緻密になることが分かる。
(Relative density measurement)
Relative density was measured for test samples 1-4. Note that the relative density was defined as the value obtained by dividing the density of the test sample measured by the Archimedes method by the density of the bioglass. As a result, the relative density of test sample 1 was 82%, the relative density of test sample 2 was 85%, the relative density of test sample 3 was 88%, and the relative density of test sample 4 was 89%. Ta. In other words, it can be seen that as the heating and pressing time of the test sample increases, the relative density increases and the structure becomes denser.
(走査型電子顕微鏡観察)
まず、オスミウム・プラズマコーターを用いて、試験サンプル2~6の断面に、非晶質のオスミウム金属被膜を形成した。なお、オスミウム・プラズマコーターは、SPI Supplies社製のオスミウム・プラズマコーターOPC-60Aを用いた。次に、走査型電子顕微鏡(SEM)を用い、オスミウム金属被膜を形成した試験サンプル2~6の断面について、反射電子像を観察した。なお、走査型電子顕微鏡は、(株)日立ハイテクノロジーズ製の超高分解能電界放出形走査電子顕微鏡SU9000を用い、加速電圧を30keVとした。
(scanning electron microscope observation)
First, an amorphous osmium metal coating was formed on the cross sections of test samples 2 to 6 using an osmium plasma coater. As the osmium plasma coater, an osmium plasma coater OPC-60A manufactured by SPI Supplies was used. Next, using a scanning electron microscope (SEM), backscattered electron images of the cross sections of test samples 2 to 6 on which the osmium metal coating was formed were observed. As the scanning electron microscope, an ultra-high resolution field emission scanning electron microscope SU9000 manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation was used, and the acceleration voltage was set to 30 keV.
図5では、試験サンプル1~4の反射電子像を示しており、各写真の右上には拡大写真を示す。また、各写真の左上には、各試験サンプルの相対密度を示す。図5より、試験サンプルの加熱加圧時間が長くなるにつれて、試験サンプルの断面に存在する気孔の数が少なくなり、構造体が緻密になることが分かる。 FIG. 5 shows backscattered electron images of test samples 1 to 4, and an enlarged photo is shown in the upper right corner of each photo. Additionally, the relative density of each test sample is shown in the upper left of each photo. From FIG. 5, it can be seen that as the heating and pressurizing time of the test sample becomes longer, the number of pores existing in the cross section of the test sample decreases, and the structure becomes denser.
また、図5の試験サンプル1~4の反射電子像から気孔部分の面積割合を算出し、気孔率を求めた。その結果、試験サンプル1~4の気孔率は、全て15%以下であった。 In addition, the area ratio of the pores was calculated from the backscattered electron images of test samples 1 to 4 in FIG. 5, and the porosity was determined. As a result, the porosity of test samples 1 to 4 was all 15% or less.
(エネルギー分散型X線分析法(EDX)による成分分析)
試験サンプル1~5について、エネルギー分散型X線分析法により元素分析を行った。なお、エネルギー分散型X線分析装置としては、株式会社堀場製作所製のものを使用した。試験サンプル1~5に対する元素分析の結果を表2に示す。
(Component analysis using energy dispersive X-ray analysis (EDX))
Elemental analysis was performed on test samples 1 to 5 by energy dispersive X-ray analysis. The energy dispersive X-ray analyzer used was one manufactured by Horiba, Ltd. Table 2 shows the results of elemental analysis for test samples 1 to 5.
表2に示すように、試験サンプル2~4はフッ素を含んでおり、さらに、上述のように、試験サンプル2~4は、フルオロアパタイトの回折ピークが観測されることから、これらの試験サンプルの結合部は、結晶質のフルオロアパタイトを含むことが分かる。また、試験サンプル1もフッ素を含んでいることから、上述のメカニズムより、試験サンプル1の結合部には、非晶質のフルオロアパタイトが含まれていると推測される。 As shown in Table 2, test samples 2 to 4 contain fluorine, and as mentioned above, the diffraction peak of fluoroapatite is observed in test samples 2 to 4. It can be seen that the bond includes crystalline fluoroapatite. Furthermore, since test sample 1 also contains fluorine, it is presumed that the bonding portion of test sample 1 contains amorphous fluoroapatite based on the above-mentioned mechanism.
なお、表2に示すように、試験サンプル5には、フッ素が含まれていないことから、結合部にフルオロアパタイトが含まれていないことが分かる。 As shown in Table 2, test sample 5 does not contain fluorine, which indicates that the bond does not contain fluoroapatite.
また、図6では、試験サンプル1~4に対し、エネルギー分散型X線分析法(EDX)により、フッ素のマッピング分析を行った結果を示している。図6より、試験サンプル1~4いずれも、試験サンプルの表面でフッ素原子が高分散していることが分かる。 Further, FIG. 6 shows the results of fluorine mapping analysis performed on test samples 1 to 4 by energy dispersive X-ray analysis (EDX). From FIG. 6, it can be seen that fluorine atoms are highly dispersed on the surface of the test samples 1 to 4.
このように、本実施形態に係る試験サンプル1~4は、耐酸性に優れるフルオロアパタイトを含んでいることから、試験サンプル1~4に係るガラス構造体は耐酸性に優れることが分かる。さらに、試験サンプル2~4は、結晶質のフルオロアパタイトを含んでいることから、ガラス構造体の機械的強度も向上することが分かる。また、バイオガラスナノ粒子とフッ素入り疑似体液との混合物の加熱加圧時間が長くなるにつれて、ガラス構造体の相対密度が高まり、フルオロアパタイトの結晶化が進行するため、ガラス構造体の機械的強度も向上することが分かる。 As described above, since test samples 1 to 4 according to the present embodiment contain fluoroapatite which has excellent acid resistance, it can be seen that the glass structures according to test samples 1 to 4 have excellent acid resistance. Furthermore, since Test Samples 2 to 4 contain crystalline fluoroapatite, it can be seen that the mechanical strength of the glass structure is also improved. In addition, as the heating and pressurizing time of the mixture of bioglass nanoparticles and fluorine-containing simulated body fluid increases, the relative density of the glass structure increases and the crystallization of fluoroapatite progresses, which increases the mechanical strength of the glass structure. It can be seen that it also improves.
(耐酸性試験)
試験サンプル4及び5について、耐酸性試験を行った。具体的には、試験サンプル4及び5について、次の方法で、酸に対する成分の溶出量を比較した。
(Acid resistance test)
An acid resistance test was conducted on test samples 4 and 5. Specifically, test samples 4 and 5 were compared in the amounts of components eluted with respect to acid using the following method.
まず、容量30mLのプラスチック容器に、濃度3%の塩酸水溶液を6mL入れた後、塩酸水溶液に各試験サンプル片を浸漬した。そして、試験サンプル片を室温で1時間浸漬した後、塩酸水溶液から試験サンプル片を取り出した。 First, 6 mL of an aqueous hydrochloric acid solution with a concentration of 3% was placed in a plastic container with a capacity of 30 mL, and then each test sample piece was immersed in the aqueous hydrochloric acid solution. After immersing the test sample piece at room temperature for 1 hour, the test sample piece was taken out from the aqueous hydrochloric acid solution.
次に、試験サンプル片を取り出した後の溶液を18mLのイオン交換水で希釈した後、誘導結合プラズマ発光分析法(ICP-AES)により、溶液中のカルシウム(Ca)およびリン(P)のイオン濃度を測定した。そして、試験サンプルから塩酸水溶液に対する、カルシウム(Ca)およびリン(P)の溶出量を求めた。なお、ICP-AESの測定には、サーモフィッシャーサイエンティフィック社製の誘導結合プラズマ発光分光分析装置iCAP7400 Duoを用いた。試験サンプル4及び試験サンプル5における、サンプル質量当たりの各イオンの溶出量を表3に示す。 Next, the solution after taking out the test sample piece was diluted with 18 mL of ion-exchanged water, and calcium (Ca) and phosphorus (P) ions in the solution were measured using inductively coupled plasma emission spectrometry (ICP-AES). The concentration was measured. Then, the amounts of calcium (Ca) and phosphorus (P) eluted from the test sample with respect to the aqueous hydrochloric acid solution were determined. For the ICP-AES measurement, an inductively coupled plasma emission spectrometer iCAP7400 Duo manufactured by Thermo Fisher Scientific was used. Table 3 shows the elution amount of each ion per sample mass in Test Sample 4 and Test Sample 5.
表3に示すように、試験サンプル5よりも試験サンプル4の方が各イオンの溶出量が少ないことが認められた。このことから、フッ素を含む試験サンプル4の方が、フッ素を含まない試験サンプル5よりも耐酸性が高いことが分かった。 As shown in Table 3, it was found that test sample 4 had a smaller elution amount of each ion than test sample 5. From this, it was found that test sample 4 containing fluorine had higher acid resistance than test sample 5 containing no fluorine.
以上、実施例に沿って本実施形態の内容を説明したが、本実施形態はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。 Although the content of this embodiment has been described above in accordance with the examples, it is obvious to those skilled in the art that this embodiment is not limited to these descriptions, and that various modifications and improvements are possible. be.
1 ガラス構造体
2 ガラス粒子
3 気孔
4 結合部
4a 水溶液
1 Glass structure 2 Glass particles 3 Pores 4 Bonding portion 4a Aqueous solution
Claims (10)
前記ガラス粒子同士を結合し、フッ素を含むアパタイトを含有する結合部と、
を備え、
気孔率が15%以下である、ガラス構造体。 a plurality of glass particles containing SiO 2 , CaO and P 2 O 5 ;
A bonding portion that bonds the glass particles to each other and contains apatite containing fluorine;
Equipped with
A glass structure having a porosity of 15% or less.
2θ=25.0°以上26.0°以下、
2θ=31.0°以上33.0°以下、及び、
2θ=39.0°以上40.0°以下、に回折ピークを有する結晶相を含有する、請求項1に記載のガラス構造体。 In the X-ray diffraction pattern measured with Cu-Kα rays,
2θ=25.0° or more and 26.0° or less,
2θ=31.0° or more and 33.0° or less, and
The glass structure according to claim 1, containing a crystal phase having a diffraction peak at 2θ=39.0° or more and 40.0° or less.
前記混合物を加熱及び加圧する工程と、
を有する、ガラス構造体の製造方法。 A step of preparing a mixture by mixing a plurality of glass particles containing SiO 2 , CaO and P 2 O 5 and an aqueous solution containing calcium, phosphorus and fluorine and having a pH of 4.0 or more;
heating and pressurizing the mixture;
A method for manufacturing a glass structure, comprising:
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