【公開日：2025.06.09】【最終更新日：2025.06.09】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
22OS1031
利用課題名 / Title
結晶相転移が関わるバイオミネラルの結晶成長機構解明とその制御
利用した実施機関 / Support Institute
大阪大学 / Osaka Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）マルチマテリアル化技術・次世代高分子マテリアル/Multi-material technologies / Next-generation high-molecular materials（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
バイオミネラル、結晶成長、結晶相転移、リン酸カルシウム、シュウ酸カルシウム,X線回折/X-ray diffraction,赤外・可視・紫外分光/Infrared and UV and visible light spectroscopy
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
丸山 美帆子
所属名 / Affiliation
大阪大学 高等共創研究院/大学院工学研究科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
高橋 由利子,道端 詩 ,小野 雄河 ,吉川 洋史 ,高岡 佑介 ,清水 大督,吉村 侑大,小西 杏奈,原田 美依那,吉村 日菜
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術補助/Technical Assistance
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
OS-127：レーザーラマン顕微鏡
OS-120：薄膜X線回折装置
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
生物は体の中でバイオミネラル（骨、歯、尿路結石やその他石灰化組織など）を作る時、はじめに不安定な「準安定相」を作り、その準安定形は徐々に「安定相」へと相転移していく。 この相転移過程の制御が、体内での結晶化速度、バイオミネラルの複雑な構造につながっていく。本研究では、バイオミネラルにおける相転移メカニズムの解明を目指す。そのためには、微小領域の結晶組織の観察や、結晶相の同定技術が不可欠である。本研究では、バイオミネラルとして、骨や尿路結石に含有されるリン酸カルシウムグループの複数の結晶相に着眼した。リン酸カルシウムには複数の結晶相が存在する。このうち、アパタイト（Ap）は安定相として知られ、準安定相としてリン酸八カルシウム(OCP)や第二リン酸カルシウム(DCPD)などが挙げられる。骨や結石内では、これらの安定相と準安定相が混在するが、どれくらいの時間で準安定相が安定相へと相転移するのか、時間スケールはまだ十分に明らかではない。そこで本研究では、DCPDの相転移速度の温度依存性を調べ、外挿することで体内環境でのDCPDの相転移速度を考察した。
実験 / Experimental
pH6の酢酸buffer0.2 MにCaCl2aq1 Mを添加し、そこに合成した粉末のDCPD結晶（準安定相）を入れ、70、60、50、40℃の4条件で撹拌しながら保持した。これを30分ごとにサンプリングし、エタノールに分散させることで速やかに反応を停止させ、37℃で乾燥させた。これらのサンプルに対し、走査型電子顕微鏡(SEM)にて形状の確認、ラマン分光法及びX線による結晶の相同定を行い、DCPD結晶の相転移の進行状況を確認した。
結果と考察 / Results and Discussion
SEM像によると70℃では結晶形状が変化していないが、60℃以下ではある時間を境に結晶表面を微結晶が覆っていく様子が見られた。次に、ラマン分光法によりスペクトルの経時変化を調べ（図1）、960 cm-1（ApまたはOCP）と986cm-1（DCPD）のピーク強度比の時間依存性を示した (図2)。判別が難しいOCPからApへの相転移は、XRDのデータを相補的に用いて判断した。その結果、70℃ではXRD分析においてOCP特有のピークが生じず、DCPDは直接Apに相転移することが分かった。一方60℃以下では、XRD分析において明確なOCPのピーク（4.7°）が現れ、経時と共にピーク強度が低下した。OCP特有ピークは、結晶表面を微結晶が覆い始めたタイミングで最大であった。以上より、60℃以下では相転移は2段階（①DCPD→OCP ②OCP→Ap)で進行すると結論した。60℃以下のデータから反応①と反応②の反応速度の温度依存性をプロットしてこれらの近似曲線を作成し、体内温度37℃における数値を見積もった。その結果、反応①には約9時間、反応②には約75時間、DCPDが完全にApに相転移するには約84時間かかると計算された。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1 60℃におけるDCPDの相転移時間依存性．ラマン分光分析による結果.
60℃におけるDCPD特有ピーク（986 cm-1)とOCP, HApのピーク（960cm-1）強度比の時間依存性．
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
本研究を遂行するにあたり、多大なご助言、ご助力を頂きました杉浦悠紀氏（産業技術総合研究所）に深く感謝いたします。
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
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Wangxuan Zhao, Observation of Time Evolution of Phase Transitions in Calcium Phosphates by Terahertz Spectroscopy, 2024 49th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), , 1-2(2024).
DOI: 10.1109/irmmw-thz60956.2024.10697559
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 高橋 由利子, 丸山 美帆子, 小野 優河, 山下 英里華, 吉川 洋史, 松崎 賢寿, 杉浦 悠紀, 田尻 理恵, 宇佐美 茂佳, 今西 正幸, 菊田 順一, 吉村 政志, 石井 優, 森 勇介, "骨リモデリング機構解明に向けたマウス骨成分の結晶相分析", 第51回結晶成長国内会議（広島）令和4年10月31日(31p-B14)（口頭）
- 道端 詩, 丸山 美帆子, 吉村 政志, 田尻 理恵, 吉川 洋史, 高野 和文, 岡田 淳志, 安井 孝周, 宇佐美 茂佳, 今西 正幸, 森 勇介,“尿路結石形成機構の解明に向けたシュ ウ酸カルシウム結石における結晶相転移観察” 第51回結晶成長国内会議（広島）令和4年10月31日(31p-B13)（口頭）
- 高橋広登 , 田中勇太朗 , 吉川洋史 , 吉村政志 , 高野和文 , 宇佐美茂佳 , 今西正幸 , 森勇介 , 丸山美帆子“リン酸カルシウム結石形成プロセス解明に向けた結晶相転移の動的観察”第52回結晶成長国内会議（JCCG-52）,主催者日本結晶成長学会,開催地ウィンクあいち, 愛知県名古屋市,開催年月日2023年12月4日 - 2023年12月6日
- Wangxuan Zhao , Haruto Kobashi , Verdad C. Agulto , Kosaku Kato , Mihoko Maruyama , Masae Takahashi , Yutaro Tanaka , Yusuke Mori , Masashi Yoshimura , Makoto Nakajima“Identification of calcium oxalate hydrates by terahertz spectroscopy”第85回応用物理学会秋季学術講演会,主催者日本応用物理学会,開催地新潟県新潟市,開催年月日2024年9月16日 - 2024年9月20日
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：1件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件