ハイドロキシアパタイト系生体材料の第一原理計算に基づいた欠陥制御と機能構築

ハイドロキシアパタイト(HAp)は骨や歯の主成分で、高い生体親和性を示すことから、骨や歯の代替材料として研究されている。HAp中に不純物イオンなどの欠陥を添加すると、物性が変化することが知られており、欠陥を制御することにより優れた生体材料の開発に繋がると期待できる。この様な制御を行うためには、HAp内に存在する欠陥の局所環境を理解する必要がある。本年度は昨年度に発見した、添加不純物イオンとCa^<2+>空孔、過剰H^+から構成される複合欠陥に関し、同様の固溶機構を持つイオン種の探索と、その形成メカニズムに関して、実験解析、理論解析を組み合わせて検討を行った。また、評価として熱的分解実験、溶解性試験、擬似体液浸漬実験を行った。合成実験におけるイオン種としてはMg^<2+>を採用した。Mg^<2+>の局所環境はX線吸収スペクトルを測定し、第一原理計算による理論計算スペクトルと照合することで解析を行った。その結果、昨年度に発見したZn^<2+>と同様の、Mg^<2+>とCa^<2+>空孔、過剰H^+から構成される複合欠陥を形成してHAp中に固溶していることが分かった。複合欠陥の形成メカニズムに関し、種々の二価陽イオンでHAp中のCa^<2+>を単純に置換したモデル、複合欠陥を形成したモデルを構築して検討した。両モデルを比較したところ、複合欠陥モデルに含まれるH_2O状の構造が大きく変位していることが分かった。複合欠陥の会合エネルギーを算出したところ、会合により安定化していることが明らかになり、複合欠陥形成の要因の一つだと分かった。不純物イオンを添加した試料に関する熱分解実験では通常のHApよりも熱分解温度が低く、溶解性試験においては溶解性の向上が確認された。これらのことには複合欠陥の形成が影響していると考えられる。擬似体液浸漬実験では、表面にアパタイト形成が確認され、生体活性が損なわれていないことが確認された。

ハイドロキシアパタイト(HAp)は骨や歯の主成分で、高い生体親和性を示すことから、骨や歯の代替材料として研究されている。HAp中に不純物イオンなどの欠陥を添加すると、物性が変化することが知られており、欠陥を制御することにより優れた生体材料の開発に繋がると期待できる。この様な制御を行うためには、HAp内に存在する欠陥の局所環境を理解する必要がある。本年度は昨年度に発見した、添加不純物イオンとCa^<2+>空孔、過剰H^+から構成される複合欠陥に関し、同様の固溶機構を持つイオン種の探索と、その形成メカニズムに関して、実験解析、理論解析を組み合わせて検討を行った。また、評価として熱的分解実験、溶解性試験、擬似体液浸漬実験を行った。合成実験におけるイオン種としてはMg^<2+>を採用した。Mg^<2+>の局所環境はX線吸収スペクトルを測定し、第一原理計算による理論計算スペクトルと照合することで解析を行った。その結果、昨年度に発見したZn^<2+>と同様の、Mg^<2+>とCa^<2+>空孔、過剰H^+から構成される複合欠陥を形成してHAp中に固溶していることが分かった。複合欠陥の形成メカニズムに関し、種々の二価陽イオンでHAp中のCa^<2+>を単純に置換したモデル、複合欠陥を形成したモデルを構築して検討した。両モデルを比較したところ、複合欠陥モデルに含まれるH_2O状の構造が大きく変位していることが分かった。複合欠陥の会合エネルギーを算出したところ、会合により安定化していることが明らかになり、複合欠陥形成の要因の一つだと分かった。不純物イオンを添加した試料に関する熱分解実験では通常のHApよりも熱分解温度が低く、溶解性試験においては溶解性の向上が確認された。これらのことには複合欠陥の形成が影響していると考えられる。擬似体液浸漬実験では、表面にアパタイト形成が確認され、生体活性が損なわれていないことが確認された。