ナノフェーズセラミック

ナノ相セラミックスは、ナノ相材料（つまり、粒径が100ナノメートル未満の材料）であるセラミックスです。 ^{[1] [2]これらは}超塑性変形 の可能性があります。^[1]粒径が小さく、粒界が追加されているため、延性、硬度、反応性などの特性は、より大きな粒子のセラミックスとは劇的に異なります。

ナノ相セラミックスの構造は、セラミックスのそれとそれほど変わりません。主な違いは、質量あたりの表面積の量です。セラミックスの粒子は小さな表面積を持っていますが、それらの粒子が数ナノメートル以内に縮小されると、同じ質量のセラミックの表面積は大幅に増加します。^[3] そのため、一般的にナノ相材料は、より大きなスケールの同様の質量の材料よりも表面積が大きくなります。^[3] これが重要なのは、表面積が非常に大きいと粒子が周囲のより多くの部分と接触することができ、その結果、材料の反応性が高まるためです。^[3] 材料の反応性は、材料の機械的特性や化学的特性など、さまざまなものを変化させます。^[3] これは、ナノ相セラミックスに特に当てはまります。

ナノ相セラミックスは、反応性が向上しているため、通常のセラミックスとは異なる特性を持っています。 ^{[3]ナノ相セラミックスは、}硬度、破壊靭性、延性など 、通常のセラミックスとは異なる機械的特性を示します。^{[4]これらの特性は、脆く延性の低い材料として挙動する}セラミックス とは大きく異なります。

二酸化チタン（TiO
₂）は、ナノスケールで硬度と延性が向上することが示されています。実験では、平均サイズが 12 ナノメートルの二酸化チタンの粒子を 1.4 GPa で圧縮し、 200 °C で焼結しました。 ^[5]その結果、同じ温度と圧力で平均サイズが 1.3 マイクロメートルの二酸化チタン の粒子よりも約 2.2 倍の粒子硬度が得られました。 ^[5] 同じ実験で、二酸化チタンの延性を測定しました。250ナノメートルの二酸化チタン粒子のひずみ速度感度は約 0.0175 でしたが、約 20 ナノメートルの粒子ではひずみ速度感度は約 .037 であり、大幅に増加しました。^[5]

ナノ相セラミックスは、原子、分子、またはバルクの前駆体から処理できます。^[6] ガス凝縮、化学沈殿、エアロゾル反応、生物学的テンプレート、化学蒸着、および物理蒸着は、分子または原子の前駆体からナノ相セラミックスを合成するために使用される技術です。^[6] バルクの前駆体からナノ相セラミックスを処理するには、機械的摩耗、非晶質状態からの結晶化、および相分離を使用してナノ相セラミックスを作成します。^[6] 原子または分子の前駆体からナノ相セラミックスを合成することがより望まれているのは、ナノ相セラミックの微視的側面をより細かく制御できるためです。^[6]

ガス凝縮は、ナノ相セラミックスを製造する方法の 1 つです。まず、前駆体セラミックスがガス凝縮チャンバー内のソースから蒸発します。^[5] 次に、セラミックスはガス (合成される材料によって異なります) 内で凝縮され、対流によって液体窒素を満たしたコールド フィンガーに運ばれます。 [ ⁵ ] 次に、セラミック粉末がコールド フィンガーから削り取られ、コールド フィンガーの下の漏斗に集められます。^[ 5] 次に、セラミック粉末は低圧圧縮装置で圧縮され、次に高圧圧縮装置で圧縮されます。^[5] これらはすべて真空中で行われるため、不純物がチャンバーに入り込んでナノ相セラミックスの結果に影響を与えることはありません。^[5]

ナノフェーズセラミックは、さまざまな用途に最適な独自の特性を備えています。

過去 10 年間、薬物送達に使用されてきた材料は主にポリマーでした。しかし、ナノテクノロジーにより、これまでポリマーには見られなかった利点を持つセラミックの使用が可能になりました。ナノ相材料は表面積と体積の比率が大きいため、大量の薬物を長期間にわたって放出することができます。薬物を充填するナノ粒子は、サイズと組成を簡単に操作できるため、標的細胞への薬物のエンドサイトーシスが増加し、毛細血管の窓を通した分散が増加します。これらの利点はすべてナノ粒子全般 (ポリマーを含む) に関係しますが、セラミックには他にも独自の機能があります。ポリマーとは異なり、セラミックの分解が遅いため、薬物をより長く放出できます。また、ポリマーは液体中で膨張する傾向があり、薬物が望ましくない状態で放出される可能性があります。ほとんどのセラミックは膨張しないため、制御性が向上します。セラミックは体内の生物細胞の化学的性質に合わせて作成することもでき、生物活性と生体適合性が向上します。ナノ相セラミック薬物キャリアは、特定の細胞を標的にすることもできます。これは、特定の細胞に結合する材料を製造するか、外部磁場を適用してキャリアを特定の場所に引き寄せることによって行うことができます。

ナノフェーズセラミックスは、整形外科医療での利用に大きな可能性を秘めています。骨とコラーゲンはナノスケールの構造を持っています。ナノ材料は、移植片やインプラントがさまざまなストレスにうまく適応し、対処するために必要なこれらの構造を模倣して製造することができます。ナノフェーズセラミックスの表面特性も、骨の代用と再生にとって非常に重要です。ナノフェーズセラミックスは、より大きな材料よりもはるかに粗い表面を持ち、表面積も増加しています。これにより、組織の発達を助けるタンパク質の反応性と吸収が促進されます。ナノハイドロキシアパタイトは、骨の代用として使用されるナノフェーズセラミックスの1つです。ナノ粒径により、セラミックスへの骨芽細胞の結合、成長、分化が増加します。ナノフェーズセラミックスの表面を多孔質に修正して、骨芽細胞が構造内で骨を形成できるようにすることもできます。セラミックの劣化も重要です。結晶度を変更することで劣化速度を変えることができるためです。このように、骨が成長するにつれて、代用物も同様の速度で減少します。