DE69423363T2 - Antimikrobielle materialen - Google Patents
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Description
- Die Erfindung betrifft Verfahren zur Bildung von antimikrobiellen Metallüberzügen, -folien und -pulvern, welche eine verzögerte Freisetzung von antimikrobiellen Metallspezies vorsehen, wenn sie in Kontakt mit einem Alkohl oder Elektrolyten stehen.
- Die Notwendigkeit für einen effektiven antimikrobiellen Überzug ist in der Ärzteschaft durchaus etabliert. Ärzte und Chirurgen, die medizinsche Vorrichtungen und Hilfsmittel verwenden, welche von orthopädischen Nadeln, Platten und Implantaten bis zu Wundverbänden und Urinkathetern reichen, müssen andauernd Vorkehrungen gegen Infektionen treffen. Ein kostengünstiger antimikrobieller Überzug findet auch Anwendung in medizinschen Vorrichtungen, welche in Verbrauchergesundheitspflege- und persönlichen Hygieneprodukten angewandt werden, als auch bei biomedizinscher/biotechnischer Laboratoriumsgerätschaft. Der Begriff "medizinsche Vorrichtung", wie hierin und in den Patentansprüchen verwendet, soll sich beabsichtigterweise auf alle solche Produkte erstrecken.
- Die antimikrobiellen Effekte von Metallionen, wie Ag, Au, Pt, Pd, Ir (d. h. den Edelmetallen), Cu, Sn, Sb, Bi und Zn sind bekannt (siehe Morton, H. E., Pseudomonas in Disinfection, Sterilization and Preservation, Hrsg.: S. S. Block, Lea und Febiger, 1977, und Grier, N., Silver and Its Compounds in Disinfection, Sterilization and Preservation, Hrsg.: S. S. Block, Lea und Febiger, 1977). Von den Metallionen mit antimikrobiellen Eigenschaften ist Silber aufgrund seiner ungewöhnlich guten Bioaktivität bei niedrigen Konzentrationen vielleicht am besten bekannt. Dieses Phänomen wird als oligodynamische Wirkung bezeichnet. In der modernen medizinischen Praxis werden sowohl anorganische als auch organische lösliche Salze von Silber verwendet, um mikrobielle Infektionen zu verhindern und zu behandeln. Während diese Verbindungen als lösliche Salze effektiv sind, stellen sie aufgrund des Verlustes durch Entfernung oder Komplexierung der freien Silberionen keinen verlängerten Schutz bereit. Sie müssen in häufigen Intervallen erneut angewandt werden, um dieses Problem zu überwinden. Eine erneute Anwendung ist nicht immer praktisch, insbesondere wenn eine innen liegende oder implantierte medizinische Vorrichtung betroffen ist.
- Es sind Versuche unternommen worden, die Freisetzung von Silberionen während der Behandlung durch Erzeugung von silberhaltigen Komplexen, welche einen niedrigeren Spiegel von Solubilität aufweisen, zu verlangsamen. Zum Beispiel offenbart das U. S. -Patent 2 785 153 ein kolloidales Silberprotein für diesen Zweck. Solche Verbindungen werden gewöhnlich als Cremes formuliert. Diese Verbindungen haben aufgrund ihrer begrenzten Wirksamkeit keine breite Anwendbarkeit auf dem Gebiet der Medizin gefunden. Die Silberionen-Freisetzungsgeschwindigkeit ist sehr langsam. Weiterhin sind Überzüge aus solchen Verbindungen aufgrund von Adhäsions-, Abriebsbeständigkeits- und Haltbarkeits- Problemen eingeschränkt gewesen.
- Die Verwendung von Silbermetallüberzügen für antimikrobielle Zwecke ist vorgeschlagen worden; siehe zum Beispiel Deitch et al., Anti-microbial Agents and Chemotherapy, Band 23(3), 1983, S. 356-359, und Mackeen et al., Anti-microbial Agents and Chemptherapy, Band 31(1), 1987, S. 93-99. Es wird jedoch allgemein akzeptiert, daß derartige Beschichtungen allein den erforderlichen Spiegel an Wirksamkeit nicht bereitstellen, da die Diffusion von Silberionen aus der metallischen Oberfläche zu vernachlässigen ist.
- Ein Silbermetallüberzug wird von der Spire Corporation, U. S. A., unter dem Warenzeichen SPI-ARGENT hergestellt. Der Überzug wird durch ein Ionenstrahl-unterstütztes Abscheidungs(IBAD)-Beschichtungsverfahren gebildet. Es wird angegeben, daß der infektionsbeständige Überzug in wäßrigen Lösungen nicht-ausbleichend ist, wie gezeigt durch Inhibitionszonen-Tests, wodurch die Annahme bestärkt wird, daß Silbermetalloberflächen keine antimikrobiellen Mengen von Silberionen freisetzen.
- In Anbetracht des Versagens von metallischen Silberüberzügen, die erforderliche antimikrobielle Effektivität zu erzeugen, haben andere Forscher neue Aktivierungsverfahren erprobt. Eine Technik besteht darin, eine elektrische Aktivierung von metallischen Silberimplantaten anzuwenden (siehe Marino et al., Journal of Biological Physics, Band 12, 1984, S. 93-98). Die elektrische Stimulation von metallischem Silber ist nicht immer praktikabel, insbesondere für mobile Patienten. Versuche, dieses Problem zu überwinden, schließen das Entwickeln von elektrischen Strömen in situ durch galvanische Wirkung ein. Metallbanden oder -schichten von unterschiedlichen Metallen werden auf einer Vorrichtung als Dünnfilmüberzüge abgeschieden. Eine galvanische Zelle wird erzeugt, wenn zwei miteinander in Kontakt stehende Metalle in eine elektrisch leitende Flüssigkeit eingebracht werden. Eine Metallschicht wirkt als eine Anode, welche sich in den Elektrolyt hinein auflöst. Das zweite Metall wirkt als eine Kathode, um die elektrochemische Zelle anzutreiben. Im Falle von abwechselnden Schichten von Cu und Ag zum Beispiel ist Cu die Anode, welche Cu&spplus;-Ionen in den Elektrolyt freisetzt. Das edlere der Metalle, Ag, wirkt als die Kathode, welche nicht ionisiert und nicht zu einem großen Ausmaß in Lösung übergeht. Eine exemplarische Vorrichtung dieser Beschaffenheit wird in dem U. S. -Patent 4 886 505, erteilt am 12. Dez. 1989 an Haynes et al., beschrieben. Das Patent offenbart aufgesputterte Überzüge von zwei oder mehreren verschiedenen Metallen mit einem, an eines der Metalle so angebrachten Schalter, daß beim Schließen des Schalters eine Metallionen-Freisetzung erzielt wird.
- Frühere Arbeiten haben gezeigt, daß eine Folie bzw. ein Film, aufgebaut aus dünnen Laminaten von abwechselnden unterschiedlichen Metallen, wie Silber und Kupfer, dazu gebracht werden kann, sich aufzulösen, wenn die Oberfläche zuerst geätzt wird. In diesem Fall erzeugt das Ätzverfahren eine in hohem Maße texturierte Oberfläche (siehe M. Tanemura und F. Okuyama, J. Vac. Sci. Technol., 5, 1986, S. 2369-2372). Allerdings ist das Verfahren zur Herstellung derartiger multilaminierter Folien zeitaufwendig und kostspielig.
- Die elektrische Aktivierung von metallischen Überzügen hat keine geeignete Lösung für das Problem aufgezeigt. Es sollte bemerkt werden, daß eine galvanische Wirkung nur stattfinden wird, wenn ein Elektrolyt vorhanden ist und wenn eine elektrische Verbindung zwischen den zwei Metallen des galvanischen Paares existiert. Da galvanische Korrosion hauptsächlich an der metallischen Grenzfläche zwischen den zwei Metallen stattfindet, wird ein elektrischer Kontakt nicht aufrechterhalten. Somit ist eine kontinuierliche Freisetzung von Metallionen über eine verlängerte Zeitdauer nicht wahrscheinlich. Auch ist eine galvanische Wirkung, um ein Metall, wie Silber, freizusetzen, schwierig zu erreichen. Wie obenstehend angegeben, sind die Metallionen, welche den größten antimikrobiellen Effekt aufweisen, die Edelmetalle, wie Ag, Au, Pt und Pd. Es gibt wenige Metalle, welche edler sind als diese, um als Kathodenmaterialien zu dienen, so daß die Freisetzung eines Edelmetalls, wie Ag, an der Anode vorangetrieben wird.
- Eine zweite Vorgehensweise zur Aktivierung der Silbermetalloberfläche besteht darin, Wärme oder Chemikalien anzuwenden. Die U. S. -Patente 4 476 590 und 4 615 705, erteilt an Scales et al. am 16. Oktober 1984 bzw. 7. Oktober 1986, offenbaren Verfahren zur Aktivierung von Silberoberflächenüberzugen auf Endoprothesen-Implantaten, um diese durch Erwärmen auf mehr als 180ºC oder durch Kontaktieren mit Wasserstoffperoxid biologisch erodierbar zu machen. Solche Behandlungen sind hinsichtlich des Substrats/der Vorrichtungen, welche beschichtet und aktiviert werden können, eingeschränkt.
- Noch besteht ein Bedarf für ein effektives, kostengünstiges antimikrobielles Material mit den folgenden Eigenschaften:
- - Verzögerte Freisetzung eines antimikrobiellen Mittels bei therapeutisch wirksamen Spiegeln;
- - Anwendbarkeit auf eine breite Vielfalt von Vorrichtungen und Materialien;
- - Brauchbare Haltbarkeitsdauer; und
- - geringe Toxizität gegenüber Säugern.
- Metallüberzüge werden typischerweise als Dünnfilme durch Dampfabscheidungstechniken, wie Besputtern, hergestellt. Dünnfilme aus Metallen, Legierungen, Halbleitern und Keramika werden in breitem Umfang bei der Herstellung von elektronischen Komponenten verwendet. Diese und andere Endanwendungen erfordern, daß die Dünnfilme als dichte, kristalline Strukturen mit minimalen Fehlern hergestellt werden. Die Filme werden nach der Abscheidung oft zur Härtung erwärmt bzw. angelassen, um das Kornwachstum und die Umkristallisierung zu fördern und stabile Eigenschaften zu erzeugen. Techniken zur Abscheidung von Metallfilmen werden von R. F. Bunshah et al., "Deposition Technologies for Films and Coatings", Noyes Publications, N. J. 1982, und von J. A. Ihornton, "Influence of Apparatus Geometry and Deposition Conditions on the Structure and Topography of Ihiol Sputtered Coatings", J. Vac. Sci. Technol., 11 (4), 666-670, 1974, im Überblick dargestellt.
- Das U. S.-Patent Nr. 4 325 776, erteilt am 20. April 1982 an Menzel, offenbart ein Verfahren zur Herstellung von groben oder Einzelkristall-Metallfilmen aus bestimmten Metallen zur Verwendung in integrierten Schaltkreisen. Der Metallfilm wird durch Abscheiden auf einem gekühlten Substrat (unter -90ºC) gebildet, so daß die Metallschicht in einer amorphen Phase vorliegt. Die Metallschicht wird dann durch Aufwärmen des Substrats bis zu etwa Raumtemperatur angelassen. Das Endprodukt besitzt angegebenermaßen einen großen Korndurchmesser und große Homogenität, was höhere Stromdichten ohne Elektromigrations-Fehler gestattet.
- Silbersalze, wie diejenigen von Nitrat, Proteinen, Acetat, Lactat und Citrat, sind zur Verwendung in antimikrobiellen Beschichtungen für medizinische Vorrichtungen vorgeschlagen worden. Silbernitrat wird in Brandwundenverbänden in vielen Krankenhäusern angewandt. Es ist bekannt, daß diese Salze eine bessere antimikrobielle Wirksamkeit als Silbermetall aufweisen. Der Mechanismus, durch den diese Verbindungen effektiv sind, ist die unverzügliche Ionisierung/Dissoziierung unter Erzeugung des Ag&spplus;-Ions. Die Verfügbarkeit des Ag&spplus;-Ions wird innerhalb oder beim Kontakt mit Körperflüssigkeiten oder -geweben signifikant verringert. Wegen des hohen Chloridgehalts solcher Flüssigkeiten wird Silber präzipitiert oder als unlösliches Silberchlorid gebunden (Ksp = 1,7 · 10&supmin;¹&sup0;M). Als eine Folge müssen überschüssige Mengen von Silber innerhalb jedweder Medien, die Präzipitationsmittel (hauptsächlich Chlorid) enthalten, vorhanden sein, um die gleiche Wirksamkeit aus einem Silbersalz hervorzurufen, wie sie in Wasser beobachtet werden würde.
- Nanokristalline Materialien in den Formen von Pulvern, Filmen und Flocken sind Materialien, welche Einzelphasen- oder Mehrphasen-Polykristalle sind, deren Korngröße in mindestens einer Dimension in der Größenordnung von einigen (typischerweise < 20) Nanometern liegt. Feinkörnige Pulver (Teilchengröße < 5 Mikrometer) können nanokristallin sein, oder noch typischer Korngrößen > 20 nm aufweisen. Nanokristalline Materialien und feine Pulver können durch eine Anzahl von modifizierten Gaskondensationsverfahren hergestellt werden, worin das abzuscheidende Material in der Dampfphase, zum Beispiel durch Verdampfung oder Zerstäuben bzw. Sputtern, erzeugt wird und in ein verhältnismäßig großes Volumen transportiert wird, in welchem die Arbeitsgasatmosphäre und -temperatur gesteuert ist. Atome des abzuscheidenden Materials kollidieren mit Atomen der Arbeitsgasatmosphäre, verlieren Energie und werden rasch aus der Dampfphase auf ein kaltes Substrat, wie einen mit flüssigem Stickstoff gekühlten Finger, kondensiert. Im Prinzip kann jedwedes Verfahren, das in der Lage zur Herstellung von polykristallinen Materialien von sehr feiner Korngröße ist, angewandt werden, um nanokristalline Materialien herzustellen. Diese Verfahren schließen, zum Beispiel, Verdampfung, wie Bogen-Evaporation, Elektronenstrahl-Dampfabscheidung, Molekularstrahl-Epitaxie, Jonenstrahlung, Besputtern, Magnetron- Sputtern und reaktives Besputtern ein (siehe zum Beispiel Froes, F. H. et al., "Nanocrystalline Metals for Structural Applications", JOM, 41 (1989), Nr. 6., S. 12-17; Birringer, Rainer et al., "Nanocrystalline Materials - A First Report", Proceedings of JIMIS-4; und Gleiter, H. "Materials with Ultrafine Microstructures: Retrospectives and Perspectives", NanoStructured Materials, Band 1, S. 1-19, 1992, und die darin zitierten Bezugsstellen). Die FR-A-2 634 986 offenbart künstliche Haarfasern, welche mit amorphem Silber beschichtet sind und einen antimikrobiellen Effekt aufweisen. Die GB-A-2 134 791 offenbart antimikrobielle chirurgische Verbände, gebildet durch Abscheidung bzw. Auflagerung auf getrocknetem Moos. Die DE-U-90 17 361 offenbart Behälter für flüssige Medikamente, enthaltend antimikrobielles amorphes Metall. Die WO-A-9 323 092 offenbart antimikrobielle Überzüge und Pulver, enthaltend atomare Unordnung, um antimikrobielle Atome, Ionen, Moleküle oder Cluster freizusetzen.
- Die Erfinder stellen die Entwicklung einer antimikrobiellen Metallbeschichtung dar. Sie stellten fest, daß es, im Gegensatz zu früheren Annahmen, möglich ist, Metallüberzüge aus einem antimikrobiellen Metallmaterial durch Erzeugen von atomarer Unordnung in den Materialien durch Dampfabscheidung unter Bedingungen, welche Diffusion limitieren, das heißt welche die atomare Unordnung "einfrieren", zu bilden. Von den so hergestellten antimikrobiellen Beschichtungen wurde festgestellt, daß sie eine verzögerte Freisetzung von antimikrobiellen Metallspezies in Lösung vorsehen, so daß ein antimikrobieller Effekt erzeugt wird.
- Diese grundsätzliche Feststellung, welche "atomare Unordnung" mit erhöhter Löslichkeit verknüpft, besitzt breite Anwendbarkeit. Die Erfinder haben gezeigt, daß atomare Unordnung zur Hervorrufung von Löslichkeit in anderen Materialformen, wie Metallpulvern, erzeugt werden kann. Die Erfindung besitzt auch Anwendbarkeit über antimikrobielle Metalle hinaus, wobei jedwede(s) Metall, Metalllegierung oder Metallverbindung, einschließlich Halbleiter- oder Keramikmaterialien, eingeschlossen ist, aus welchen eine verzögerte Freisetzung von Metallspezies in Lösung gewünscht wird. Zum Beispiel finden Materialien mit gesteigerter oder regulierter Metall-Auflösung Anwendung in Sensoren, Schaltern, Sicherungen, Elektroden und Batterien.
- Der Begriff "atomare Unordnung", wie hierin verwendet, beinhaltet hohe Konzentrationen von: Punktfehlern in einem Kristallgitter, Leerstellen, Reihenfehler, wie Dislokationen, interstitielle Atome, amorphe Regionen, Korn- und Unterkorngrenzen und dergleichen, relativ zu seinem normalen geordneten kristallinen Zustand. Atomare Unordnung führt zu Unregelmäßigkeiten in der Oberflächentopographie und Inhomogenitäten in der Struktur im Nanometer-Maßstab.
- Mit dem Begriff "normaler geordneter kristalliner Zustand", wie hierin verwendet, ist die Kristallinität gemeint, welche normalerweise in Vollmetall-Materialien, Legierungen oder Verbindungen, welche als gegossene, geschmiedete oder plattierte Metallprodukte gebildet werden. Derartige Materialien enthalten nur geringe Konzentrationen von solchen atomaren Fehlern, wie Leerstellen, Korngrenzen und Dislokationen.
- Der Begriff "Diffusion", wie hierin verwendet, beinhaltet Diffusion von Atomen und/oder Molekülen auf der Oberfläche oder in der Matrix des gebildeten Materials.
- Mit den Begriffen "Metall" oder "Metalle", wie hierin verwendet, wird beabsichtigt, ein oder mehrere Metalle einzuschließen, ob in der Form von im wesentlichen reinen Metallen, Legierungen oder Verbindungen, wie Oxiden, Nitriden, Boriden, Sulphiden, Halogeniden oder Hydriden.
- Die Erfindung erstreckt sich, in einem breitgefaßten Aspekt, auf ein Verfahren zur Bildung eines antimikrobiellen Materials, enthaltend ein oder mehrere Metalle, wie in den begleitenden Patentansprüchen 1 bis 16 und 28 bis 33 angegeben wird. Das Verfahren umfaßt das Erzeugen von atomarer Unordnung in dem Material, so daß ausreichende atomare Unordnung in dem Material beibehalten wird, um die Freisetzung, auf einer verzögerbaren Grundlage, von Atomen, Ionen, Molekülen oder Clustern von mindestens einem der Metalle in einen Alkohol- oder Wasser-basierenden Elektrolyten hinein vorzusehen. Cluster sind, bekanntemaßen, kleine Gruppen von Atomen, Ionen oder dergleichen, wie beschrieben von R. P. Andres et al., "Research Opportunities on Clusters and Cluster-Assembled Materials", J. Mater. Res., Band 4, Nr. 3, 1989, S. 704.
- Spezifische bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen, daß atomare Unordnung in Metallpulvern oder -folien durch Kaltbearbeiten, und in Metallüberzügen durch Autbeschichtung durch Dampfabscheidung bei niedrigen Substrattemperaturen erzeugt werden kann.
- In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist das modifizierte Material ein Metallpulver, welches, unter Kaltbearbeitungs-Bedingungen, mechanisch bearbeitet oder komprimiert worden ist, um atomare Unordnung zu erzeugen und beizubehalten.
- Mit dem Begriff "Metallpulver", wie hierin verwendet, ist beabsichtigt, Metallteilchen einer breitgefaßten Teilchengröße, welche von nanokristallinen Pulvern bis zu Flocken reicht, einzuschließen.
- Der Begriff "Kaltbearbeiten", wie hierin verwendet, gibt an, daß das Material mechanisch, wie durch Zermahlen, Zerkleinern, Hämmern, durch Mörser und Pistil oder Komprimieren, bei Temperaturen, die niedriger sind als die Umkristallisierungstemperatur des Materials, bearbeitet worden ist. Dies gewährleistet, daß die durch Bearbeitung vermittelte atomare Unordnung in dem Material beibehalten wird.
- In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das modifizierte Material ein Metallüberzug, der auf einem Substrat durch Dampfabscheidungstechniken gebildet wird, wie Vakuumbedampfung, Besputtern, Magnetron-Besputtern oder Ionen-Plattierung. Das Material wird unter Bedingungen gebildet, welche die Diffusion während des Abscheidens limitieren und welche das Anlassen oder die Umkristallisation im Anschluß an die Abscheidung limitieren. Die Abscheidungsbedingungen, welche zur Erzeugung der atomaren Unordnung in den Überzügen bevorzugt angewandt werden, liegen außerhalb des normalen verwendeten Bereichs von Arbeitsbedingungen, um fehlerfreie, dichte, glatte Filme herzustellen. Solche normalen Praktiken sind gut bekannt (siehe zum Beispiel R. F. Bunshah et al., siehe oben). Vorzugsweise wird die Abscheidung bei niedrigen Substrattemperaturen so durchgeführt, daß das Verhältnis der Substrattemperatur zum Schmelzpunkt des Metalls oder der Metallverbindung, welche(s) abgeschieden wird, (T/Tm) bei weniger als etwa 0,5, weiter bevorzugt bei weniger als etwa 0,35 und am stärksten bevorzugt bei weniger als 0,30 gehalten wird. Bei diesem Verhältnis liegen die Temperaturen in Grad Kelvin vor. Das bevorzugte Verhältnis wird von Metall zu Metall variieren und nimmt mit dem Legierungs- oder Verunreinigungs-Gehalt zu. Andere bevorzugte Abscheidungsbedingungen zur Erzeugung von atomarer Unordnung schließen eines oder mehrere von einem höheren als normalen Arbeitsgasdruck, einem geringeren als normalen Einfallswinkel des Beschichtungsstromes und einem höheren als normalen Beschichtungsstrom ein.
- Die Temperatur von Abscheidung oder Kaltbearbeitung ist nicht so gering, daß ein wesentliche Aushärtung oder Umkristallisierung stattfinden werden, wenn das Material auf Raumtemperatur oder seine beabsichtigte Anwendungstemperatur (z. B. Körpertemperatur für antimikrobielle Materialien) gebracht wird. Wenn der Temperaturunterschied zwischen Abscheidungs- und Anwendungstemperatur (ΔT) zu groß ist, folgt ein Anlassen, das die atomare Unordnung entfernt. Dieses ΔT wird von Metall zu Metall und mit der angewandten Abscheidungstechnik variieren. Im Hinblick auf Silber werden zum Beispiel Substrattemperaturen von -20 bis 200ºC während der physikalischen Dampfabscheidung bevorzugt.
- Der normale oder der Umgebungs-Arbeitsgasdruck zum Abscheiden der üblicherweise erforderten dichten, glatten, fehlerfreien Metallfilme variieren gemäß dem angewandten Verfahren der physikalischen Dampfabscheidung. Im allgemeinen ist für Sputtern der normale Arbeitsgasdruck gerringer als 10 Pa (Pascal 75 mT (milliTorr)), für Magnetron-Sputtern geringer als 1,3 Pa (10 ml) und für Ionen-Plattierung geringer als 30 Pa (200 mT). Normale Umgebungsgasdrücke für Vakuumverdampfungs-Verfahren variieren wie folgend: Für Elektronenstrahl- oder Bogen-Verdampfung von 0,0001 Pa (0,001 ml) bis 0,001 Pa (0,01 ml); für Gas-Streuverdampfung (Druckplattieren) und reaktive Bogen-Bedampfung bis zu 30 Pa (200 ml), aber typischerweise weniger als 3 Pa (20 ml). Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung können somit, zusätzlich zur Anwendung von niedrigen Substrattemperaturen zur Erzielung von atomarer Unordnung, Arbeits- (oder Umgebungs-) Gasdrücke, die höher sind als diese normalen Werte, verwendet werden, um den Spiegel von atomarer Unordnung in dem Überzug zu erhöhen.
- Eine andere Bedingung, von der festgestellt wurde, eine Auswirkung auf den Spiegel an atomarer Unordnung in den Überzügen der vorliegenden Erfindung aufzuweisen, ist der Einfallswinkel des Beschichtungsflusses während der Abscheidung. Um dichte glatte Überzüge zu erzielen, wird dieser Winkel normalerweise bei etwa 90º +/- 15º gehalten. Gemäß der vorliegenden Erfindung können, zusätzlich zur Verwendung von geringen Substrattemperaturen während der Abscheidung, um atomare Unordnung zu erzielen, niedrigere Einfallswinkel als etwa 75º verwendet werden, um den Spiegel von atomarer Unordnung in dem Überzug zu erhöhen.
- Noch ein anderer Verfahrensparameter mit einer Auswirkung auf den Spiegel an atomarer Unordnung ist der Atom-Fluß auf die zu beschichtende Oberfläche. Hohe Abscheidungsraten neigen dazu, die atomare Unordnung zu erhöhen, jedoch neigen hohe Abscheidungsraten ebenfalls dazu, die Beschichtungstemperatur zu erhöhen. Daher gibt es eine Optimum- Abscheidungsrate, welche von der Abscheidungstechnik, dem Überzugsmaterial und anderen Verfahrensparametern abhängt.
- Um ein antimikrobielles Material vorzusehen, sind die in dem Überzug oder Pulver verwendeten Metalle diejenigen, welche einen antimikrobiellen Effekt aufweisen, aber welche biokompatibel (nicht-toxisch für die beabsichtigte Verwendung) sind. Bevorzugte Metalle schließen Ag, Au, Pt, Pd, Ir (d. h. die Edelmetalle), Sn, Cu, Sb, Bi und Zn, Verbindungen dieser Metalle oder Legierungen, welche eines oder mehrere dieser Metalle enthalten, ein. Solche Metalle werden hierin nachstehend als "antimiikrobielle Metalle" bezeichnet. Am stärksten bevorzugt wird Ag oder dessen Legierungen und Verbindungen. Antimikrobielle Materialien gemäß dieser Erfindung werden bevorzugt mit einer ausreichenden atomaren Unordnung gebildet, so daß Atome, Ionen, Moleküle oder Cluster des antimikrobiellen Materials auf einer verzögerbaren Basis in einen Alkohol- oder Wasserbasierenden Elektrolyten freigesetzt werden. Der Begriff "verzögerbare Basis" wird hierin verwendet, um eine Unterscheidung zu treffen einerseits von der aus Vollmetallen erhaltenen Freisetzung, welche Metallionen und dgl. bei einer Rate und Konzentration freisetzen, die zu gering ist, um einen antimikrobiellen Effekt zu erzielen, und andererseits von der Freisetzung, welche aus hoch-löslichen Salzen, wie Silbernitrat, erhalten wird, welche Silberionen praktisch unmittelbar bei Kontakt mit einem Alkohol- oder wasserbasierenden Elektrolyten freisetzen. Im Gegensatz dazu setzen die antimikrobiellen Materialien der vorliegenden Erfindung Atome, Ionen, Moleküle oder Cluster des antimikrobiellen Materials bei einer ausreichenden Rate und Konzentration über einen ausreichenden Zeitraum hinweg frei, um einen nützlichen antimikrobiellen Effekt vorzusehen.
- Der Begriff "antimikrobieller Effekt", wie hierin verwendet, bedeutet, daß Atome, Ionen, Moleküle oder Cluster des antimikrobiellen Metalls in den Elektrolyten, den das Material kontaktiert, in ausreichenden Konzentrationen freigesetzt werden, um ein Bakterienwachstum in der Nachbarschaft des Materials zu inhibieren. Das üblichste Verfahren zum Messen eines antimikrobiellen Effektes besteht in der Messung der Inhibitionszone (ZOI), die erzeugt wird, wenn das Material auf einen Bakterienrasen gebracht wird. Eine relativ kleine oder keine ZOI (z. B. weniger als 1 mm) zeigt einen unbrauchbaren antimikrobiellen Effekt, wohingegen eine größere ZOI (z. B. größer als 5 mm) einen in hohem Maße brauchbaren antimikrobiellen Effekt anzeigt. Eine Vorgehensweise für einen ZOI-Test wird in den Beispielen, welche folgen, angegeben.
- Die Erfindung erstreckt sich auf Vorrichtungen, wie medizinische Vorrichtungen, welche aus den antimikrobiellen Pulvern oder Überzügen gebildet sind, diese beinhalten, tragen oder damit beschichtet sind. Die antimikrobielle Beschichtung kann direkt durch Dampfabscheidung auf derartige medizinische Vorrichtungen, wie Katheter, Fäden, Implantate, Verbrennungs-Verbände und dergleichen, aufgebracht werden. Eine Adhäsionsschicht, wie Tantal, kann zwischen der Vorrichtung und dem antimikrobiellen Überzug aufgebracht werden. Die Adhäsion kann auch durch im Fachgebiet bekannte Verfahren gesteigert werden, zum Beispiel Ätzen des Substrats oder Bilden einer gemischten Grenzfläche zwischen dem Substrat und dem Überzug durch gleichzeitges Sputtern und Ätzen. Antimikrobielle Pulver können in Cremes, Polymere, Keramika, Farben oder andere Matrizes durch im Fachgebiet gut bekannte Techniken eingebunden werden.
- Gemäß der Erfindung können modifizierte Materialien als atomare Unordnung enthaltende Verbundsmetall-Überzüge hergestellt werden. In diesem Fall bildet der Überzug aus dem einen oder den mehreren Metallen oder Verbindungen, welche in Lösung freigesetzt werden sollen, eine Matrix, welche Atome oder Moleküle eines anderen Materials enthält. Die Gegenwart von anderen Atomen oder Molekülen führt zur atomaren Unordnung in der Metallmatrix, zum Beispiel aufgrund unterschiedlich großer Atome. Die anderen Atome oder Moleküle können ein oder mehrere zweite Metalle, Metalllegierungen oder Metallverbindungen sein, welche mit dem freizusetzenden ersten Metall oder Metallen co- oder sequenziell abgeschieden werden. Alternativ dazu können die anderen Atome oder Moleküle aus der Arbeitsgasatmosphäre während der reaktiven Dampfabscheidung absorbiert oder eingefangen werden. Der Grad an atomarer Unordnung, und somit Löslichkeit, welcher durch den Einschluß der anderen Atome oder Moleküle erzielt wird, variiert in Abhängigkeit von den Materialien. Um die atomare Unordnung in dem Verbundmaterial beizubehalten und zu fördern, kann eine oder mehrere der obenstehend beschriebenen Dampfabscheidungs bedingungen, nämlich niedrige Substrattemperatur, hoher Arbeitsgasdruck, geringer Einfallswinkel und hoher Beschichtungs-Fluß, in Kombination mit der Einbindung von anderen Atomen oder Molekülen angewandt werden.
- Bevorzugte Verbundmaterialien für antimikrobielle Zwecke werden durch Einschließen von Atomen oder Molekülen, enthaltend Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Bor, Schwefel oder Halogene, in die Arbeitsgasatmosphäre während dem Abscheiden des antimikrobiellen Metalls gebildet. Diese Atome oder Moleküle werden in den Überzug eingebunden entweder, indem sie in dem Film absorbiert oder eingefangen werden, oder durch Reaktion mit dem abgeschiedenen Metall. Beide von diesen Mechanismen während der Abscheidung werden hierin nachstehend als "reaktive Abscheidung" bezeichnet. Gase, welche diese Elemente enthalten, zum Beispiel Sauerstoff, Wasserstoff und Wasserdampf, können kontinuierlich bereitgestellt werden oder können für sequenzielle Abscheidung gepulst werden.
- Antimikrobielle Verbundmaterialien werden ebenfalls bevorzugt durch co- oder sequenzielles Abscheiden eines antimikrobiellen Metalls mit einem oder mehreren inerten biokompatiblen Metallen, gewählt aus Ta, Ti, Nb, Zn, V, Hf, Mo, Si und Al, hergestellt. Alternativ dazu können die Verbundmaterialien durch Co-, sequenzielles oder reaktives Abscheiden eines oder mehrerer der antimikrobiellen Metalle als Oxide, Carbide, Nitride, Boride, Sulphide oder Halogenide dieser Metalle und/oder der Oxide, Carbide, Nitride, Boride, Sulphide oder Halogenide der inerten Metalle gebildet werden. Besonders bevorzugte Verbundstoffe enthalten Oxide von Silber und/oder Gold, allein oder zusammen mit einem oder mehreren Oxiden von Ta, Ti, Zn und Nb.
- Die Erfindung sieht das Aktivieren oder weitere Steigern des antimikrobiellen Effekts von mit atomarer Unordnung gebildeten antimikrobiellen Materialien durch Bestrahlung zur weiteren Steigerung des antimikrobiellen Effektes vor. Es ist jedoch auch möglich, Materialien zu bestrahlen, die anfänglich mit einem Ausmaß von atomarer Unordnung gebildet wurden, das ungenügend ist, um einen antimikrobiellen Effekt hervorzurufen, so daß das bestrahlte Material einen annehmbaren antimikrobiellen Effekt aufweist. Das Verfahren der Aktivierung umfaßt das Bestrahlen des Materials mit einer niedrigen linearen Energietransfer-Form von Strahlung, wie Beta- oder Röntgenstrahlen, jedoch am stärksten bevorzugt Gammastrahlen. Eine Dosis von mehr als 1 Mrad wird bevorzugt. Das antimiikrobielle Material wird vorzugsweise im wesentlichen senkrecht zu der eintreffenden Strahlung ausgerichtet. Das Ausmaß an Aktivierung kann durch Bestrahlen des Materials benachbart zu einem dielektrischen Material, wie Oxiden von Ta, Al und Ti, jedoch am stärksten bevorzugt Siliciumoxid, weiter gesteigert werden.
- Die Erfindung erstreckt sich ferner auf feinkörnige antimikrobielle Materialien, umfassend ein oder mehrere antimikrobielle Metalle oder Legierungen oder Verbindungen davon, mit einer Korngröße von weniger als 200 nm, in einer feinkristallinen Pulverform, wie dargelegt in den begleitenden Patentansprüchen 17 bis 25.
- Das antimikrobielle Material kann durch Einführen der atomaren Unordnung in ein zuvor gebildetes feinkörniges oder nanokristallines (< 20 nm) Pulver, Flocken oder Filme von einem oder mehreren der antimikrobiellen Metalle durch mechanisches Bearbeiten, zum Beispiel durch Pressen des Materials unter Kaltbearbeitungs-Bedingungen, hergestellt werden. Alternativ dazu kann die atomare Unordnung während der Synthese von feinkörnigen oder nanokristallinen Materialien (Filmen, Flocken oder Pulvern) durch Dampfabscheidungstechniken erzeugt werden, in welchen das antimikrobielle Material in einer Matrix mit Atomen oder Molekülen eines unterschiedlichen Materials unter solchen Bedingungen co-, sequenziell oder reaktiv abgeschieden wird, daß atomare Unordnung in der Matrix erzeugt und beibehalten wird. Das unterschiedliche Material (oder Dotierungsmittel) wird aus inerten biokompatiblen Metallen, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Bor, Schwefel und Halogenen, und Oxiden, Nitriden, Carbiden, Boriden, Sulfiden und Halogeniden von einem oder beiden eines antimikrobiellen Metalls oder eines biokompatiblen Metalls ausgewählt. Bevorzugte biokompatible Metalle schließen Ta, Ti, Nb, B, Hf, Zn, Mo, Si und Al ein. Diese unterschiedlichen Materialien können mit dem antimikrobiellen Metall im gleichen oder getrennten Ziel eingeschlossen werden, zum Beispiel einem Ziel aus Ag und/oder Silberoxiden, welche ferner, zum Beispiel, Ta oder Tantaloxide enthalten können. Alternativ dazu kann das unterschiedliche Material aus der Arbeitsgasatmosphäre während der Dampfabscheidung, zum Beispiel durch Sputtern oder reaktives Sputtern in einer Atmosphäre, enthaltend Atome oder Moleküle des unterschiedlichen Materials, wie Sauerstoff, eingeführt werden.
- Die antimikrobielle Form von gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellten Silbermaterial ist physikalisch charakterisiert worden und von ihr wurde festgestellt, die folgenden neuen Merkmale aufzuweisen:
- - Ein positives Ruhepotential Erest bei Messung gegen eine gesättigte Kalomel- Referenzelektrode (SCE) in 1 M Kaliumhydroxid;
- - vorzugsweise ein Verhältnis von Umkristallisierungstemperatur zu seinem Schmelzpunkt, in Grad K, (Trec/Tm) von weniger als etwa 0,33 und am stärksten bevorzugt weniger als etwa 0,30;
- - vorzugsweise eine Umkristallisierungstemperatur von weniger als etwa 140ºC; und
- - vorzugsweise eine Korngröße von weniger als etwa 200 nm, vorzugsweise weniger als 140 nm und am stärksten bevorzugt weniger als 90 nm.
- Jedes dieser physikalischen Merkmale, vielleicht mit der Ausnahme der Korngröße, ist angenommenermaßen das Ergebnis des Vorhandenseins von atomarer Unordnung in dem Material. Die Merkmale helfen bei der Identifizierung und Unterscheidung der Silbermaterialien der vorliegenden Erfindung gegenüber Materialien nach dem Stand der Technik oder Materialien in ihrem normalen geordneten kristallinen Zustand. Die bevorzugten neuen antimikrobiellen Silbermaterialien sind zum Beispiel durch XRD-, XPS- und SIMS-Analyse dahingehend gekennzeichnet worden, daß sie, bei Abscheidung in einer inerten Atmosphäre, wie Argon, im wesentlichen reines Silbermetall umfassen. Wenn jedoch die Arbeitsgasatmosphäre Sauerstoff enthält, umfassen die Materialien eine Matrix von im wesentlichen reinem Silbermetall und einem oder beiden von Silberoxid und Atomen oder Molekülen von eingefangenem oder absorbiertem Sauerstoff. Ein weiteres unterscheidendes Merkmal der Materialien der vorliegenden Erfindung ist das Vorhandensein von Wachstumszwillingen in der Kornstruktur, welche aus der TEM-Analyse sichtbar sind.
- Die Fig. 1 ist eine Transmissionselektronenmikroskop- bzw. TEM-Mikrophotographie eines gemäß der Erfindung Sputter-abgeschiedenen Silberüberzugs, wobei die Korngröße und Wachstumszwillings-Fehler veranschaulicht werden.
- Die Fig. 2 ist eine TEM-Mikrophotographie des Films von Fig. 1 nach dem Anlassen, welche eine höhere Korngröße und das Vorhandensein von Anlasszwillingen zeigt.
- Wie obenstehend angegeben, findet die vorliegende Erfindung Anwendung über antimikrobielle Materialien hinaus. Allerdings wird die Erfindung hierin mit antimikrobiellen Metallen offenbart, welche veranschaulichend für die Verwendbarkeit von anderen Metallen, Metalllegierungen und Metallverbindungen sind. Bevorzugte Metalle schließen Al und Si und die Metallelemente aus den folgenden Gruppen des Periodensystems ein: IIIB, IVB, VB, VIB, VIIB, VIIIB, IB, IIB, IIIA, IVA und VA (mit Ausnahme von As) in den Perioden 4, 5 und 6 (siehe Periodensystem, wie veröffentlicht in Merck Index, 10. Auflage, 1983, Merck and Co. Inc., Rahway, N. J., Martha Windholz). Unterschiedliche Metalle werden variierende Grade an Löslichkeit aufweisen. Jedoch führt die Erzeugung und Beibehaltung von atomarer Unordnung gemäß dieser Erfindung zu einer erhöhten Löslichkeit (Freisetzung) des Metalls als Ionen, Atome, Moleküle oder Cluster in ein passendes Lösungsmittel, d. h. ein Lösungsmittel für das jeweilige Material, typischerweise ein polares Lösungsmittel, gegenüber der Löslichkeit des Materials in seinem normalen geordneten kristallinen Zustand.
- Die medizinischen Vorrichtungen, welche aus dem antimikrobiellen Material dieser Erfindung gebildet sind, dieses beinhalten, tragen oder damit beschichtet sind, kommen im allgemeinen mit einem Alkohol- oder Wasser-basierenden Elektrolyten, einschließlich einem Körperfluid (zum Beispiel Blut, Urin oder Speichel) oder Körpergewebe (zum Beispiel Haut, Muskel oder Knochen) während irgendeiner Zeitdauer in Kontakt, so daß das Wachstum von Mikroorganismen auf der Oberfläche der Vorrichtung möglich ist. Der Begriff "Alkohol- oder Wasser-basierender Elektrolyt" beinhaltet ebenfalls Alkohol- oder Wasser-basierende Gele. In den meisten Fällen sind die Vorrichtungen medizinische Vorrichtungen, wie Katheter, Implantate, Luftröhrenschläuche, orthopädische Nadeln, Insulinpumpen, Wundverschlüsse, Abläufe, Verbände, Shunts, Verbindungsstücke, Prothesenvorrichtungen, Schrittmacher-Leitungen, Nadeln, chirurgische Instrumente, Zahnprothesen, Belüftungsschläuche und dgl. Es sollte jedoch verstanden werden, daß die Erfindung nicht auf solche Vorrichtungen eingeschränkt ist und sich auf andere Vorrichtungen erstrecken kann, welche nützlich sind in der Verbraucher-Gesundheitspflege, wie sterile Verpackungen, Kleidung und Schuhwerk, persönliche Hygieneprodukte, wie Windeln und Sanitärwatte, in biomedizinischen oder biotechnischen Laborgerätschaften, wie Tischen, Verpackungen und Wandbedeckungen, und dgl. Der Begriff "medizinische Vorrichtung", wie hierin und in den Patentansprüchen verwendet, erstreckt sich beabsichtigtermaßen in breitem Umfang auf alle solche Vorrichtungen.
- Die Vorrichtung kann aus irgendeinem geeigneten Material hergestellt sein, zum Beispiel Metallen, einschließlich Stahl, Aluminium und seinen Legierungen, Latex, Nylon, Silicon, Polyester, Glas, Keramik, Papier, Stoff und anderen Kunststoffen und Kautschuken. Zur Verwendung als eine medizinische Verweilvorrichtung wird die Vorrichtung aus einem biologisch inerten Material hergestellt sein. Die Vorrichtung kann eine beliebige Gestalt einnehmen, welche von ihrer Anwendbarkeit vorgeschrieben wird, reichend von flachen Blättern bis zu Scheiben, Stäben und hohlen Rohren. Die Vorrichtung kann starr oder flexibel sein, ein Faktor, der wiederum von ihrer beabsichtigten Anwendung vorgeschrieben wird.
- Der antimikrobielle Überzug gemäß dieser Erfindung wird als ein dünner metallischer Film auf einer oder mehreren Oberflächen einer medizinischen Vorrichtung durch Dampf abscheidungs-techniken aufgebracht. Physikalische Dampftechniken, welche im Fachgebiet gut bekannt sind, scheiden alle das Metall aus dem Dampf, im allgemeinen Atom für Atom, auf eine Substratoberfläche ab. Die Techniken schließen Vakuum- oder Bogen-Verdampfung, Besputtern, Magnetron-Sputtern und Ionen-Plattieren ein. Die Abscheidung wird auf eine Weise durchgeführt, um atomare Unordnung in dem Überzug zu erzeugen, wie hierin obenstehend defmiert. Verschiedene für das Erzeugen atomarer Unordnung verantwortliche Bedingungen sind brauchbar. Diese Bedingungen werden im allgemeinen in Dünntilmabscheidungs-Techniken vermieden, in welchen das Ziel darin besteht, einen fehlerfreien, glatten und dichten Film zu erzeugen (siehe zum Beispiel J. A. Thornton, siehe oben). Obgleich solche Bedingungen im Fachgebiet untersucht worden sind, sind sie bislang nicht mit einer gesteigerten Löslichkeit der so hergestellten Überzüge in Verbindung gebracht worden.
- Die bevorzugten Bedingungen, welche verwendet werden, um atomare Unordnung während des Abscheidungsverfahrens zu erzeugen, beinhalten:
- - Eine niedrige Substrattemperatur, das heißt Halten der zu beschichtenden Oberfläche bei einer solchen Temperatur, daß das Verhältnis der Substrattemperatur zum Schmelzpunkt des Metalls (in Grad Kelvin) geringer als etwa 0,5, weiter bevorzugt geringer als etwa 0,35 und am stärksten bevorzugt geringer als etwa 0,3 ist; und gegebenenfalls eines oder beides von:
- - einem höheren als normalen Arbeits-(oder Umgebungs-)Gasdruck, d. h. für Vakuumverdampfung: Elektronenstrahl- oder Bogen-Verdampfung, größer als 0,001 Pa (0,01 ml), Gasstreuungs-Verdampfbng (Druckplattieren) oder reaktive Bogen-Verdampfung, größer als 3 Pa (20 ml); für Sputtern: größer als 10 Pa (75 ml); für Magnetron-Sputtern: größer als etwa 1,3 Pa (10 mT); und für Ionenplattierung: größer als etwa 30 Pa (200 mT); und
- - Aufrechterhalten des Einfallswinkels des Beschichtungsstroms auf die zu beschichtende Oberfläche bei weniger als etwa 75º und vorzugsweise weniger als etwa 30º.
- Die bei der Beschichtung verwendeten Metalle sind diejenigen, welche bekanntermaßen einen antimikrobiellen Effekt aufweisen. Für die meisten medizinischen Vorrichtungen müssen die Metalle auch biokompatibel sein. Bevorzugte Metalle schließen die Edelmetalle Ag, Au, Pt, Pd und Ir als auch Sn, Cu, Sb, Bi und Zn oder Legierungen oder Verbindungen dieser Metalle oder anderer Metalle ein. Am stärksten bevorzugt wird Ag oder Au oder Legierungen oder Verbindungen von einem oder mehreren dieser Metalle.
- Der Überzug wird als ein dünner Film auf wenigstens einem Teil der Oberfläche der medizinischen Vorrichtung gebildet. Der Film besitzt eine Dicke, die nicht größer ist als diejenige, welche benötigt wird, um die Freisetzung von Metallionen auf einer verzögerbaren Basis über einen geeigneten Zeitraum hinweg vorzusehen. In dieser Hinsicht wird die Dicke mit dem jeweiligen Metall in dem Überzug (welches die Löslichkeit und die Abriebbeständigkeit variiert) und mit dem Grad von atomarer Unordnung in (und somit der Löslichkeit von) dem Überzug schwanken. Die Dicke wird dünn genug sein, daß der Überzug die Maßtoleranzen oder die Flexibilität der Vorrichtung für ihre beabsichtigte Anwendung nicht stört. Typischerweise ist von Dicken von weniger als 1 Mikrometer gefunden worden, eine ausreichende verzögerte antimilcrobielle Aktivität vorzusehen. Erhöhte Dicken können abhängig von dem über eine Zeitdauer benötigten Ausmaß der Metallionenfreisetzung angewandt werden. Dicken von mehr als 10 Mikrometer sind kostspieliger herzustellen und sollten normalerweise nicht benötigt werden.
- Der antimikrobielle Effekt des Überzugs wird erzielt, wenn die Vorrichtung in Kontakt mit einem Alkohol- oder einem Wasser-basierenden Elektrolyt, wie einer Körperflüssigkeit oder Körpergewebe, gebracht wird, wodurch Metall-Ionen, -Atome, -Moleküle oder -Cluster freigesetzt werden. Die Konzentration des Metalles, welche benötigt wird, um einen antimikrobiellen Effekt hervorzurufen, wird von Metall zu Metall variieren. Im allgemeinen wird ein antimikrobieller Effekt in Körperflüssigkeiten, wie Plasma, Serum oder Urin, bei Konzentrationen von weniger als etwa 0,5-1,5 ug/ml erreicht.
- Die Fähigkeit, eine Freisetzung von Metall-Atomen, -Ionen, -Molekülen oder -Clustern auf einer verzögerbaren Basis aus einem Überzug zu erzielen, wird von einer Anzahl von Faktoren diktiert, einschließlich Überzugsmerkmalen, wie Zusammensetzung, Struktur, Löslichkeit und Dicke, und der Natur der Umgebung, in der die Vorrichtung eingesetzt wird. Wenn der Grad an atomarer Unordnung erhöht wird, nimmt die Menge von pro Zeiteinheit freigesetzten Metallionen zu. Zum Beispiel setzt ein Silbermetallfilm, abgeschieden durch Magnetron-Sputtern bei T/Tm < 0,5 und einem Arbeitsgasdruck von etwa 0,9 Pa (7 mTorr) ungefähr 1/3 der Silberionen frei, welche ein unter ähnlichen Bedingungen, jedoch bei 4 Pa (30 mTorr) abgeschiedener Film über 10 Tage hinweg freisetzen wird. Filme, welche mit einer Intermediär-Struktur (z. B. niedrigerem Druck, niedrigerem Einfallswinkel etc.) erzeugt werden, besitzen zu diesen Werten intermediäre Ag-Freisetzungswerte, wie durch Bioassays bestimmt. Dies stellt dann ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Überzügen mit geregelter Freisetzung gemäß dieser Erfindung bereit. Überzüge mit langsamer Freisetzung werden so hergestellt, daß der Grad an Unordnung gering ist, während Überzüge mit schneller Freisetzung so hergestellt werden, daß der Grad an Unordnung hoch ist.
- Für kontinuierliche, gleichmäßige Überzüge wird die für eine totale Auflösung erforderliche Zeit eine Funktion der Filmdicke und der Natur der Umgebung, an welche sie ausgesetzt sind, sein. Die Beziehung in Hinsicht auf die Dicke ist ungefähr linear, d. h. eine zweifache Erhöhung der Filmdicke wird zu einer etwa zweifachen Erhöhung der Lebensdauer fuhren.
- Es ist auch möglich, die Metallfreisetzung aus einem Überzug durch Bilden einer Dünnfilmbeschichtung mit einer modulierten Struktur zu regulieren. Zum Beispiel besitzt eine Beschichtung, abgeschieden durch Magnetronsputtern, so daß der Arbeitsgasdruck während 50% der Abscheidungszeit niedrig (z. B. 2 Pa (15 mTorr)) und während der restlichen Zeit hoch (z. B. 4 Pa (30 mTorr)) war, eine rasche anfängliche Freisetzung von Metallionen, gefolgt von einer längeren Periode der langsamen Freisetzung. Dieser Typ von Überzug ist extrem wirksam auf Vorrichtungen, wie Harnkathetern, für welche eine anfängliche rasche Freisetzung erfordert wird, um unmittelbare antimikrobielle Konzentrationen zu erreichen, gefolgt von einer niedrigeren Freisetzungsgeschwindigkeit, um die Konzentration von Metallionen über eine Zeitdauer von Wochen hinweg aufrecht zu erhalten.
- Die während der Dampfabscheidung verwendete Substrattemperatur sollte nicht so niedrig sein, daß ein Anlassen oder Umkristallisieren des Überzugs stattfindet, wenn sich der Überzug auf Umgebungstemperaturen oder die Temperaturen, bei denen er angewandt werden soll (z. B. Körpertemperatur), erwärmt. Dieses zulässige ΔT, d. h. der Temperaturunterschied zwischen der Substrattemperatur während der Abscheidung und der letztendlichen Anwendungstemperatur, wird von Metall zu Metall variieren. Für die am stärksten bevorzugten Metalle Ag und Au werden bevorzugte Substrattemperaturen von -20 bis 200ºC, weiter bevorzugt -10ºC bis 100ºC, verwendet.
- Atomare Unordnung kann, gemäß der vorliegenden Erfindung, auch durch Herstellen von Verbundmetall-Materialien erreicht werden, d. h. Materialien, welche ein oder mehrere antimikrobielle Metalle in einer Metallmatrix enthalten, die von den antimikrobiellen Metallen verschiedene Atome oder Moleküle einschließt.
- Unsere Technik zur Herstellung von Verbundmaterial besteht darin, die antimikrobiellen Metall(e) mit einem oder mehreren anderen inerten, biokompatiblen Metallen co- oder sequenziell abzuscheiden, welche gewählt sind aus Ta, Ti, Nb, Zn, V, Hf, Mo, Si, Al und Legierungen dieser Metalle oder anderen Metallelementen, typischerweise anderen Übergangsmetallen. Solche inerten Metalle besitzen einen zu demjenigen der antimikrobiellen Metalle unterschiedlichen Atomradius, was zu atomarer Unordnung während der Abscheidung führt. Legierungen dieser Art können auch dazu dienen, die Atomdiffusion zu verringern und somit die ungeordnete Struktur zu stabilisieren. Eine Dünnfilm-Abscheidungsvortichtung mit mehreren Zielen für die Plazierung von jedem der antimikrobiellen und inerten Metallen wird bevorzugt verwendet. Wenn Schichten sequenziell abgeschieden werden, sollte(n) die Schicht(en) der inerten Metall(e) diskontinuierlich sein, zum Beispiel als Inseln innerhalb der antimikrobiellen Metallmatrix. Das Endverhältnis der antimikrobiellen Metall(e) zu inerten Metall(en) sollte größer als etwa 0,2 sein. Die am stärksten bevorzugten inerten Metalle sind Ti, Ta, Zn und Nb. Es ist auch möglich, den antimikrobiellen Überzug aus Oxiden, Carbiden, Nitriden, Sulphiden, Boriden, Halogeniden oder Hydriden von einem oder mehreren der antimikrobiellen Metalle und/oder einem oder mehreren der inerten Metalle zu bilden, um die gewünschte atomare Unordnung zu erzielen.
- Ein anderes Verbundmaterial innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung wird durch reaktives Co- oder sequenzielles Abscheiden, durch physikalische Dampftechniken, eines reagierten Materials in dem Dünnfilm der antimikrobiellen Metall(e) gebildet. Das reagierte Material ist ein Oxid, Nitrid, Carbid, Borid, Sulphid, Hydrid oder Halogenid des antimikrobiellen und/oder inerten Metalls, in situ gebildet durch Injizieren der passenden Reaktanten, oder Gase, die selbige enthalten, (z. B. Luft, Sauerstoff, Wasser, Stickstoff, Wasserstoff, Bor, Schwefel, Halogene) in die Abscheidungskammer. Atome oder Moleküle dieser Gase können auch in dem Metallfilm absorbiert oder eingefangen werden, um atomare Unordnung zu erzeugen. Der Reaktant kann während der Abscheidung kontinuierlich zugeführt werden für eine Co-Abscheidung, oder er kann gepulst werden, um eine sequenzielle Abscheidung vorzusehen. Das Endverhältnis von antimikrobiellen Metall(en) zu Reaktionsprodukt sollte größer als etwa 0,2 sein. Luft, Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff sind besonders bevorzugte Reaktanten.
- Die obenstehenden Abscheidungstechniken zur Herstellung von Verbundüberzügen können mit oder ohne die Bedingungen von geringeren Substrattemperaturen, hohen Arbeitsgasdrücken und niedrigen Einfallswinkeln, welche früher erörtert wurden, eingesetzt werden. Eine oder mehrere dieser Bedingungen werden bevorzugt, um das Ausmaß von in dem Überzug erzeugter atomarer Unordnung beizubehalten und zu steigern.
- Vor der Abscheidung eines antimikrobiellen Stoffes gemäß der vorliegenden Erfindung kann es vorteilhaft sein, eine Adhäsionsschicht auf der zu beschichtenden Vorrichtung bereitzustellen, wie es im Fachgebiet bekannt ist. Für eine Latexvorrichtung kann zum Beispiel eine Schicht aus Ti, Ta oder Nb zuerst abgelagert werden, um die Adhäsion der anschließend abgeschiedenen antimikrobiellen Beschichtung zu steigern.
- Antimikrobielle Pulver, einschließlich nanokristalliner Pulver und Pulver, die aus rasch verfestigten Flocken oder Blättchen hergestellt sind, können mit atomarer Unordnung gebildet werden, so daß die Löslichkeit gesteigert wird. Die Pulver können entweder als reine Metalle, Metalllegierungen oder Verbindungen, wie Metalloxiden oder Metallsalzen, mechanisch verarbeitet oder komprimiert werden, um atomare Unordnung zu vermitteln. Diese mechanisch vermittelte Unordnung wird unter Bedingungen von geringer Temperatur (d. h. Temperaturen, die niedriger sind als die Temperatur der Umkristallisation des Materials) durchgeführt, um zu gewährleisten, daß ein Anlassen oder Umkristallisierung nicht stattfindet. Die Temperatur variiert unter den Metallen und steigt mit dem Legierungs- oder Verunreinigungsgehalt.
- Gemäß dieser Erfindung hergestellte antimikrobielle Pulver können in einer Vielfalt von Formen verwendet werden, zum Beispiel in topischen Cremes, Farben oder Haftbeschichtungen. Alternativ dazu können die Pulver in eine polymere, keramische oder metallische Matrix eingebunden werden, welche als ein Material für medizinische Vorrichtungen oder Überzüge dafür verwendet werden soll.
- Verfahren zur Bildung von feinkörnigen oder nanokristallinen Materialien aus der Dampfphase sind gut bekannt und in der Literatur dokumentiert. Zum Beispiel können nanokristalline Materialien durch eine modifizierte Standard-Inertgas-Kondensationstechnik gebildet werden. Das abzuscheidende Material wird aus einem elektrisch erwärmten Schiffchen oder Tiegel in eine Inertgasatmosphäre, wie Argon oder Helium mit einem Druck von etwa 5 bis 7 Torr, verdampft. Die Temperatur des Schiffchens muß hoch genug sein, um einen wesentlichen Dampfdruck des Materials von Interesse zu erhalten. Für Metalle wird eine Temperatur von etwa 100ºC über dem Schmelzpunkt des Metalls typischerweise einen angemessenen Dampfdruck vorsehen. Wegen interatomischen Kollisionen mit den Arbeitsgasatmosphären-Atomen verlieren die verdampften Atome des Materials ihre kinetische Energie und kondensieren auf einem kalten Finger oder Substrat, gehalten bei etwa 77 K (gekühlt mit flüssigem Stickstoff), in der Form von einem losen Pulver oder von brüchigen Flocken oder eines Films, wobei deren/dessen Korngröße geringer als etwa 20 nm ist. In Hinsicht auf Pulver oder Flocken wird ein hohes Vakuum (weniger als 5 · 10&supmin;&sup6; Pa) wieder hergestellt, und das Pulver oder die Flocken werden von dem kalten Finger abgestriffen und in einer Kühlfalle aufgefangen.
- Feinkörnige Materialien werden analog in Gaskondensations/Dampfabscheidungs-Verfahren, wie im Fachgebiet bekannt, hergestellt. Dies wird typischerweise durch Verändern der Temperatur des kalten Fingers oder Substrats und des Gasdrucks erreicht, um den Teilchen zu gestatten, sich zu der gewünschten Größe zu vergröbern, welche vorzugsweise unter 5000 nm liegt.
- Gemäß den bekannten Verfahren des Stands der Technik hergestellte feine Pulver/- nanokristalline Pulver von antimikrobiellen Metallen sind getestet worden, und von ihnen wurde gefunden, keine ausreichende antimikrobielle Wirksamkeit aufzuweisen. Um atomare Unordnung in die Materialien bei einem Ausmaß einzuführen, welches ausreichend ist, um einen antimikrobiellen Effekt hervorzurufen, wird das/die abzuscheidende antimikrobielle Metall, Legierung oder Verbindung co-, sequenziell oder reaktiv in einer Matrix mit Atomen oder Molekülen eines unterschiedlichen Materials (Dotierungsmittel) unter solchen Bedingungen abgeschieden, daß atomare Unordnung in der Matrix erzeugt und beibehalten wird. Das unterschiedliche Material wird aus inerten biokompatiblen Metallen, wie Ta, Ti, Nb, B, Hf, Zn, Mo, Si und Al, am stärksten bevorzugt Ta, Ti und Nb, ausgewählt. Alternativ dazu ist das unterschiedliche Material ein Oxid, Nitrid, Carbid, Borid, Sulfid oder Halogenid von einem oder beiden aus einem antimikrobiellen Metall oder dem biokompatiblen Metall. Eine weitere Alternative besteht darin, das unterschiedliche Material aus der Arbeitsgasatmosphäre entweder durch reaktive Abscheidung oder durch Absorbieren oder Einfangen von Atomen oder Molekülen aus dem Arbeitsgas in die Matrix einzuführen. Arbeitsgasatmosphären, welche Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Bor, Schwefel und Halogene enthalten, können verwendet werden. Arbeitsgasatmosphären, welche Sauerstoff einschließen, werden am stärksten bevorzugt, so daß die Matrix von antimikrobiellem Metall eines oder beides von eingefangenem Sauerstoff und Oxiden des antimikrobiellen Metalls einschließt.
- Eine weitere Technik zur Bildung von antimikrobiellen Pulvern der vorliegenden Erfindung besteht darin, Überzüge, welche atomare Unordnung beinhalten, in der obenstehend dargelegten Weise auf ein inertes, vorzugsweise biokompatibles, teilchenförmiges Material, wie Talkum, Bentonit, Maisstärke oder Keramika, wie Aluminiumoxid, zu bilden. Die Teilchen können durch physikalische Dampfabscheidungstechniken unter Bedingungen zur Erzeugung von atomarer Unordnung, wie obenstehend dargelegt im Hinblick auf die antimikrobiellen Metall-Überzüge, aufbeschichtet werden. Alternativ dazu können die Pulver durch Anpassen eines Dampfabscheidungsverfahrens beschichtet werden, zum Beispiel durch Hindurchleiten eines Dampfes des antimikrobiellen Materials durch ein fixiertes poröses Bett der Pulver, durch Fluidisieren des Pulver-Bettes in der antimikrobiellen Metall-Dampfphase oder durch Fallenlassen des Pulvers durch einen Dampf des antimikrobiellen Materials. In allen Fällen könnte das Pulver gekühlt werden und/oder die Arbeitsgasatmosphäre könnte verändert werden, um ein unterschiedliches Material (z. B. Sauerstoff) einzuschließen, um den gewünschten Grad von atomarer Unordnung herzustellen.
- Die Bestrahlung von antimikrobiellen Materialien (Pulvern, nanokristallinen Pulvern, Folien, Überzügen oder Verbundüberzügen von antimikrobiellen Metallen), welche atomare Unordnung enthalten, gebildet durch irgendeines der obenstehend beschriebenen Verfahren, wird den antimikrobiellen Effekt weiter aktivieren oder verstärken. So können sogar Materialien mit einem geringen Spiegel von atomarer Unordnung zu einem antimikrobiellen Spiegel aktiviert werden.
- Die Bestrahlung wird mit irgendeiner niedrigen linearen Energietransfer-Form von Strahlung, einschließlich Beta-, Gamma- und Röntgenstrahlen, durchgeführt. Gammastrahlung bei einer Dosis von 1 Mrad oder größer wird bevorzugt. Da Gammastrahlung ein annehmbares Verfahren der Sterilisation von medizinischen Vorrichtungen ist, können Aktivierung und Sterilisation gleichzeitig durch das Bestrahlungsverfahren der vorliegenden Erfindung erzielt werden.
- Der Bestrahlungsschritt wird vorzugsweise so durchgeführt, daß das bestrahlte antimikrobielle Material im allgemeinen senkrecht zu der eintreffenden Strahlung (eher als parallel) orientiert ist. Eine weitere Verbesserung des antimikrobiellen Effekts kann durch Durchführen des Bestrahlungsschrittes mit einem dielektrischen Material, das angrenzend an das antimikrobielle Material oder vorzugsweise sandwichartig darum angeordnet ist, erreicht werden. Exemplarische dielektrische Substanzen schließen Oxide von Si, Ti, Ta und Al ein. Siliciumoxid-Oberflächen werden bevorzugt. Es wird angenommen, daß das dielektrische Material eine Vorwärtsstreuung von Elektronen in den antimikrobiellen Überzug hinein vorsieht.
- Ohne dadurch gebunden zu sein, wird angenommen, daß der Bestrahlungsschritt eine oder mehrere der folgenden Veränderungen in dem antimikrobiellen Material verursacht:
- 1) Erzeugen weiterer atomarer Unordnung, wie Punktfehler;
- 2) Verstärken der Sauerstoffadsorption/Chemisorption an die Oberfläche des antimikrobiellen Materials;
- 3) Aktivieren von eingefangenen Dotierungsmittelatomen oder -molekülen, wie Sauerstoff zu O&spplus; oder O&sub2;-; und
- 4) Erzeugen von unterbrochenen oder schwankenden Bindungen auf der Oberfläche.
- Im Hinblick auf die vorgeschlagenen zweiten und dritten Mechanismen, ist es möglich, daß Sauerstoff-Adsorption/Chemiesorption und/oder Aktivierung eine super-gesättigte Konzentration von O&sub2;, O&spplus;- oder O&sub2;--Spezies in oder auf der Oberfläche des antimikrobiellen Metalls erzeugt, was zu einer rascheren Auflösung des antimikrobiellen Metalls oder seiner Spezies in eine wäßrige Umgebung durch die Erzeugung von verschiedenen chemischen Spezies des antimikrobiellen Metalls, einschließlich Oxiden und Hydroxiden, führt.
- Gemäß der Erfindung werden Silbermaterialien hergestellt, welche komplexe Silberionen, verschieden von Ag&spplus;, Ag²&spplus; und Ag³&spplus;, bilden, wenn das Material mit einem Alkohol- oder einem Wasser-basierenden Elektrolyten kontaktiert wird. Exemplarische komplexe Silberionen, von denen gezeigt wurde, einen antimikrobiellen Effekt aufzuweisen, schließen Ag(CN)&sub2;&supmin;; AgCN(aq)(Ionenpaar), Ag(NH&sub3;)&sub2;&spplus;, AgCl&sub2;&supmin;, Ag(OH)&sub2;&supmin;, Ag&sub2;(OH)&sub3;&supmin;, Ag&sub3;(OH)&sub4;&supmin; und Ag(S&sub2;O&sub3;)&sub2;³&supmin;ein. Diese komplexe Silberionen bildenden Silbermaterialien finden breite Anwendbarkeit, zum Beispiel als antimikrobielle Überzüge für medizinische Vorrichtungen, als antimikrobielle Pulver für medizinische oder pharmazeutische Verwendung, als Anti- Bewuchs-Farben, -Überzüge oder -Zusammensetzungen, antimikrobielle Überzüge für Filter und dergleichen.
- Es versteht sich, daß mit dem Begriff "Silbermaterialien, welche komplexe Silberionen, verschieden von Ag&spplus;, Ag²&spplus; und Ag³&spplus;, bilden", wie hierin und in den Patentansprüchen verwendet, nicht beabsichtigt ist, Silbermaterialien auszuschließen, welche eines oder mehrere der Ag&spplus;-, Ag²&spplus;- und Ag³&spplus;-Ionen zusätzlich zu den komplexen Silberionen bilden, wenn das Material einen Alkohol- oder einen Wasser-basierenden Elektrolyt kontaktiert. Die Bezeichnung Ag&spplus;, Ag²&spplus; und Ag³&spplus; bezieht sich auf diese Ionen in Lösung und schließt solvatisierte Formen ein. Mit dem Begriff komplexe Silberionen, wie hierin und in den Patentansprüchen verwendet, wird nicht beabsichtigt, Silberionen einzuschließen, welche mit starken Oxidationsmitteln, wie Persulfat und Periodat, stabilisiert sind, um die Reduktion der Silberionen zu verhindern.
- Die antimikrobiellen Überzüge, Pulver und Folien der vorliegenden Erfindung, wenn mit atomarer Unordnung erzeugt wie obenstehend beschrieben, sind beispielhaft für Silber materialien, welche von Ag&spplus; verschiedene komplexe Silberionen bilden, so daß ein antimikrobieller Effekt erzeugt wird. Es wird angenommen, daß die komplexen Silberionen, welche gebildet werden können, wenn solche Silbermaterialien einen Alkohol- oder Wasserbasierenden Elektrolyt kontaktieren, eines oder mehrere der negativen Ionen Ag(OH)&sub2;&supmin;, Ag&sub2;(OH)&sub3;&supmin; und Ag&sub3;(OH)&sub4;&supmin; sind.
- Silbermaterialien, welche komplexe Silberionen bilden, können auch hergestellt werden durch Einbringen eines(einer) Silbermetalls, -verbindung oder -salzes in eine Umgebung, welche überschüssige Mengen einer kationischen, anionischen oder neutralen Spezies enthält, mit welcher es gewünscht wird, Silber zu komplexieren. Zum Beispiel kann das negative komplexe Silberion AgCl&sub2;&supmin; erzeugt werden durch Einbringen eines Silbersalzes, wie AgNO&sub3;, in ein wäßriges Medium mit einer erhöhten Konzentration des Cl&supmin;-Ions. AgNO&sub3;/NaCl- oder AgCIINaCl-Mischungen, -Lösungen oder -Suspensionen können das AgCl&sub2;&supmin;-Ion bilden. Dieses AgCl&sub2;&supmin;-Ion kann auch mit Mischungen von Silberpulver mit NaCl erzeugt werden. Vorzugsweise ist das Silberpulver eines, welches gemäß der vorliegenden Erfindung so hergestellt wird, daß atomare Unordnung enthalten ist, aber Voll-Silber kann ebenfalls auf diese Weise aktiviert werden. Voll-Silber-Pulver, feinkörnige (< 140 nm) und nanokristalline (< 20 nm) Pulver können verwendet werden. In ähnlicher Weise kann das Ion Ag(NH&sub3;)&sub2;&spplus; in wäßriger Lösung durch Zusetzen von Silbersalzen zu überschüssigem Ammoniumhydroxid gebildet werden. Das Ion Ag(S&sub2;O&sub3;)&sub2;³&supmin; kann in wäßriger Lösung durch Zusetzen von Silbersalzen zu überschüssigem Natriumthiosulfat gebildet werden. Das Ion Ag(CN)&sub2;&supmin; kann in wäßriger Lösung durch Zusetzen von überschüssigem Kaliumcyanid zu Silbercyanid gebildet werden.
- Die komplexe Siberionen bildenden Silbermaterialien können zur Anwendung in vielen Formen, einschließlich zum Beispiel Pulvern, Suspensionen, Lösungen, Salben oder Überzügen, formuliert werden. Zum Beispiel kann eine pharmazeutische Zusammensetzung zur Erzeugung des AgCl&sub2;&supmin;-Ions als ein Gemisch der Salze AgNO&sub3;/NaCl oder als ein Gemisch von NaCl mit einem Silberpulver, vorzugsweise einem mit atomarer Unordnung, formuliert werden. Diese Mischungen des Silbermaterials könnten als eine Lösung, Suspension oder Salbe mit einer sterilen wäßrigen oder Kochsalz-Lösung und pharmazeutisch annehmbaren Trägern, Verdünnungsmitteln, Exzipienten und dergleichen vor-formuliert werden. Alternativ dazu könnte das Silbermaterial in Form der Gemische von Silberpulver/NaCl-Salz oder AgNO&sub3;/NaCl für eine spätere Formulierung durch den Endverbraucher vorgesehen werden.
- Die modifizierten Metallmaterialien, gebildet gemäß der vorliegenden Erfindung, so daß sie atomare Unordnung enthalten, welche zu verstärkter Freisetzung der Metallspezies führt, besitzen neue physikalische Merkmale, wenn sie mit Materialien in ihrem normalen geordneten kristallinen Zustand verglichen werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Silbermaterialien sind als die folgenden neuen Merkmale aufweisend gekennzeichnet worden:
- - Ein positives Ruhepotential, zum Beispiel Erest, bei Messung gegen eine SCE- Referenzelektrode in einer 1 M KOH-Lösung;
- - Vorzugsweise ein Verhältnis von Umkristallisierungstemperatur zu Schmelztemperatur von weniger als 0,33 und am stärksten bevorzugt weniger als 0,30;
- - Vorzugsweise eine Umkristallisierungstemperatur von weniger als etwa 140ºC; und
- - vorzugsweise eine Korngröße von weniger als etwa 200 nm, weiter bevorzugt weniger als 140 nm und am stärksten bevorzugt weniger als 90 nm.
- Die Analyse der Silbermaterialien mittels XRD-, XPS- und SIMS-Techniken bestätigt die chemische Natur und den Gehalt des Films als Silbermetall, und in dem Fall, daß das Material mit Sauerstoff in der Arbeitsgasatmosphäre gebildet wird, eines oder beides von Silberoxid und eingefangenem Sauerstoff. Eine TEM-Analyse zeigt Wachstumszwillinge in dem Silbermaterial, welche zu angelassenen Zwillingen umgewandelt werden, wenn die Materialien überhalb der Umkristallisierungstemperatur angelassen werden.
- Die Erfindung wird durch die folgenden nicht-einschränkenden Beispiele weiter veranschaulicht.
- Ein medizinisches Faden-Material, Größe 2/0, Polyestergeflecht, wurde mittels Magnetron- Sputtern bei 20,3 cm Durchmesser (8 Inch) aus planaren Silber- und Kupfer-Magnetronkathoden beschichtet, um eine Ag-Cu-Legierung auf der Oberfläche zu einer Dicke von 0,45 Mikrometer zu bilden, wobei entweder Argongas-Arbeitsdrücke von 0,9 Pa (7 mTorr) oder 4 Pa (30 mTorr) bei 0,5 kW Leistung und einem T/Tm-Verhältnis von weniger als 0,5 angewandt wurden. Der Gesamtmassenfluß von Gas betrug 700 sccm (Standardkubikzentimeter pro Minute).
- Der antimikrobielle Effekt der Überzüge wurde durch einen Inhibitionszonentest getestet. Das Eagle-Basalmedium (BME) mit Earl'schen Salzen und L-Glutamin wurde mit Kälberserum (10%) und 1,5% Agar modifiziert, bevor es in Petri-Schalen verteilt wurde (15 ml). Die Agar enthaltenden Petrischalen wurden Oberflächen-trocknen gelassen, bevor sie mit einem Rasen von Staphylococcus aureus ATCC#25923 inokuliert wurden. Das Inokulum wurde aus Bactrol-Scheiben (Difco, M.) hergestellt, welche gemäß den Richtlinien des Herstellers rekonstituiert wurden. Unmittelbar nach der Inokulierung wurden die zu testenden Materialien oder Überzüge auf die Oberfläche des Agars gebracht. Die Schalen wurde bei 37ºC 24 Stunden lang inkubiert. Nach dieser Inkubationsdauer wurde die Inhibitionszone gemessen und eine korrigierte Inhibitionszone wurde berechnet (korriegierte Inhibitionszone = Inhibitionszone - Durchmesser des Testmaterials in Kontakt mit dem Agar).
- Die Ergebnisse zeigten keine Inhibitionszone auf dem unbeschichteten Faden, eine Zone von weniger als 0,5 mm um den bei 0,9 Pa (7 mTorr) beschichteten Faden und eine Zone von 13 mm um den bei 4 Pa (30 mTorr) beschichteten Faden herum. In deutlicher Weise zeigt der gemäß der vorliegenden Erfindung beschichtete Faden eine viel stärker betonte und wirksame antimikrobielle Wirkung.
- Dieses Beispiel ist eingeschlossen, um die Oberflächenstrukturen zu veranschaulichen, welche erhalten werden, wenn Silbermetall auf Siliziumwafer unter Verwendung einer Magnetron-Sputtereinrichtung und verschiedener Arbeitsgasdrücke und Einfallswinkel (d. h. der Winkel zwischen dem Weg der gesputterten Atome und dem Substrat) abgeschieden wird. Alle anderen Bedingungen waren wie folgend: Das Ziel war eine planare Silber- Mägnetronkathode von 20,3 cm Durchmesser; die Leistung betrug 0,1 kW; die Abscheidungsgeschwindigkeit betrug 200 Å/min. das Verhältnis von Substrattemperatur (Wafer) zum Schmelzpunkt von Silber (1234ºK), T/Tm, betrug weniger als 0,3. Argongasdrücke von 0,9 Pa (7 mTorr) (ein normaler Arbeitsdruck für Metallüberzüge) und 4 Pa (30 mTorr) wurden mit einem Gesamtmassenfluß von 700 sccm verwendet. Die Einfallswinkel bei jedem von diesen Drücken betrugen 90º (Normal-Einfall), 50º und 10º. Die Überzüge besaßen eine Dicke von etwa 0,5 Mikrometer.
- Die resultierenden Oberflächen wurden durch ein Rasterelektronenmikroskop betrachtet. Als der Argongasdruck von 0,9 Pa (7 mTorr) auf 4 Pa (30 mTorr) stieg, sank die Korngröße ab und das Leerraumvolumen signifikant stieg an. Als der Einfallswinkel verringert wurde, nahm die Korngröße ab und die Korngrenzen wurden distinkter. Bei 0,9 Pa (7 mTorr) Argondruck und einem Einfallswinkel von 10º gab es Anzeichen von einigen Leerräumen zwischen den Körnern. Der Einfallswinkel besaß einen größeren Effekt auf die Oberflächentopographie, als der Gasdruck auf 4 Pa (30 mTorr) erhöht wurde. Bei 90º variierte die Korngröße von 60-150 nm und viele der Körner waren durch Zwischenkorn-Leerräume getrennt, welche 15-30 nm breit waren. Als der Einfallswinkel auf 50º verringert wurde, sank die Korngröße auf 30-90 nm und das Leerraumvolumen erhöhte sich wesentlich. Bei 10º war die Korngröße auf etwa 10-60 nm verringert und die Leerraumvolumina waren nochmals erhöht.
- Die beobachteten Veränderungen der Oberflächen-Morphologie und -Topographie im Nanometer-Maßstab sind Anzeichen von atomarer Unordnung in dem Silbermetall. Ohne daran gebunden zu sein, wird angenommen, daß eine derartige atomare Unordnung zu einer Erhöhung der chemischen Aktivität aufgrund erhöhter innerer Spannungen und Oberflächenrauhigkeit, erzeugt durch fehlgepaarte Atome, führt. Es wird angenommen, daß die erhöhte chemische Aktivität für den erhöhten Spiegel an Löslichkeit der Überzüge, wenn sie im Kontakt mit einem Elektrolyten, wie Körperflüssigkeit, stehen, verantwortlich ist.
- Der antimikrobielle Effekt der Überzüge wurde unter Verwendung des Inhibitionszonentests, wie in Beispiel 1 dargelegt, ausgewertet. Jeder beschichtete Siliciumwafer wurde auf eine individuelle Platte gebracht. Die Ergebnisse wurden mit den Inhibitionszonen verglichen, welche erzielt wurden, als Bleche, Drähte oder Membranen aus festem Silber (d. h. mehr als 99% Silber) getestet wurden. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 zusammengefaßt. Es ist offensichtlich, daß reine Silbergerätschaften und der bei 0,9 Pa (7 mTorr) aufgesputterte Silberüberzug keinerlei biologischen Effekt hervorrufen. Die bei einem höheren als normalen Arbeitsgasdruck, 4 Pa (30 mTorr), abgeschiedenen Überzüge zeigten jedoch einen antimikrobiellen Effekt, wie gekennzeichnet durch die wesentlichen Inhibitionszonen um die Scheiben herum. Das Verringern des Einfallswinkels hatte den größten Effekt auf die antimikrobielle Aktivität bei Kombination mit den höheren Gasdrücken. Tabelle 1 Antimikrobielle Effekte von verschiedenen Silber- und silberbeschichteten Proben, wie unter Verwendung von Staphylococcus aureus bestimmt
- Siliciumwafer wurden durch Magnetron-Sputtern unter Verwendung von planaren Silber- und Kupfer-Magnetronkathoden mit einem Durchmesser von 20,3 cm beschichtet, um eine Legierung von Ag und Cu (80 : 20) bei normalem Einfall bei Arbeitsgasdrücken von 0,9 Pa (7 mTorr) und 4 Pa (30 mTorr) herzustellen, wobei alle anderen Bedingungen identisch sind zu den in Beispiel 2 dargelegten. Als die Überzüge mittels SEM bzw. Rasterelektronenmikroskop betrachtet wurden, hatten die bei hohem Arbeitsgasdruck gebildeten Überzüge, wie in Beispiel 2, kleinere Korngrößen und größere Leerraumvolumina, als die bei den niedrigeren Arbeitsgasdrücken gebildeten Überzüge.
- Überzüge, welche in ähnlicher Weise als eine 50 : 50 Ag/Cu-Legierung gebildet worden sind, wurden hinsichtlich antimikrobieller Aktivität mit dem in Beispiel 1 dargelegten Inhibitionszonentest getestet. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 zusammengefaßt. Bei geringem Arbeitsgasdruck (0,9 Pa (7 mTorr)) abgeschiedene Überzüge zeigten minimale Inhibitionszonen, wohingegen die bei hohem Arbeitsgasdruck (4 Pa (30 mTorr)) abgeschiedenen Überzüge größere Inhibitionszonen erzeugten, was antimikrobielle Aktivität anzeigt. Tabelle 2 Der antimikrobielle Effekt von verschiedenen sputterabgeschiedenen Silber-Kupfer- Legierungen, wie unter Verwendung von Staphylococcus aureus bestimmt
- Ein Überzug gemäß der vorliegenden Erfindung wurde getestet, um die über die Zeit in Lösung freigesetzte Konzentration von Silberionen zu bestimmen. 1 cm² große Siliciumwafer-Scheiben wurden, wie dargestellt in Beispiel 2, bei 0,9 Pa (7 mTorr) und 4 Pa (30 mTorr) und Normal-Einfall zu einer Dicke von 5 000 Å mit Silber beschichtet. Unter Anwendung des Verfahrens von Nickel et al., Eur. J. Clin. Microbiol., 4(2), 213-218, 1985, wurde ein steriler synthetischer Urin hergestellt und in Reagenzgläser (3,5 ml) verteilt. Die beschichteten Scheiben wurden in jedes Reagenzglas gebracht und während verschiedener Zeiten bei 37ºC inkubiert. Nach verschiedenen Zeitdauern wurden die Scheiben entnommen und der Ag-Gehalt des filtrierten synthetischen Urins wurde unter Verwendung von Neutronenaktivierungs-Analyse bestimmt.
- Die Ergebnisse sind in der Tabelle 3 dargestellt. Die Tabelle zeigt die Vergleichs-Mengen von Ag, welche mit der Zeit aus Überzügen freigesetzt wurden, die bei 0,9 Pa (7 mTorr) oder 4 Pa (30 mTorr) auf Scheiben abgeschieden wurden. Die bei hohem Druck abgeschiedenen Überzüge waren löslicher als die bei geringem Druck abgeschiedenen Überzüge. Es sollte bemerkt werden, daß dieser Test ein statistischer Test ist. Daher bauen sich Silber-Spiegel mit der Zeit auf, was in Körperflüssigkeit, wo ein konstanter Turn-Over vorliegt, nicht der Fall wäre. Tabelle 3 Konzentration von Silber in synthetischem Urin als eine Funktion der Expositionszeit Silber-Konzentration ug/ml
- Anmerkung: Filme wurden bei Normal-Einfall (90º) abgeschieden 1- ND (nicht nachweisbar) < 0,46 ug/ml
- Dieses Beispiel ist eingeschlossen, um Überzüge gemäß der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen, welche aus einem anderen Edelmetall, Pd, gebildet sind. Die Überzüge wurden auf Siliciumwafern, wie dargelegt in Beispiel 2, zu einer Dicke von 5 000 Å gebildet, wobei 0,9 Pa (7 mTorr) oder 4 Pa (30 mTorr) Arbeitsgasdrücke und Einfallswinkel von 90º und 10º verwendet wurden. Die beschichteten Scheiben wurden hinsichtlich antimikrobieller Aktivität durch den Inhibitionszonentest, im wesentlichen wie dargelegt in Beispiel 1, ausgewertet. Die beschichteten Scheiben wurden mit der Überzugsseite nach oben so plaziert, daß der Agar einen 1 mm dicken Oberflächenüberzug über den Scheiben bildete. Das Medium wurde verfestigen und Oberflächen-trocknen gelassen, wonach der Bakterienrasen über die Oberfläche ausgebreitet wurde. Die Schalen wurden 24 Stunden lang bei 37ºC inkubiert. Das Ausmaß an Wachstum wurde dann visuell analysiert.
- Die Ergebnisse sind in der Tabelle 4 dargestellt. Bei hohen Arbeitsgasdrücken war die biologische Aktivität des Überzugs viel größer als diejenige von bei geringem Druck abgeschiedenen Überzügen. Das Verändern des Einfallswinkels (Verringerung) verbesserte den antimikrobiellen Effekt des Überzugs zu einem größeren Ausmaß, wenn der Gasdruck niedrig war, als wenn er hoch war. Tabelle 4 Oberflächen-Bekämpfung von Staphylococcus aureus durch sputter-abgeschiedenes Palladium-Metall
- Dieses Beispiel ist eingeschlossen, um den Effekt der Silberabscheidungs-Temperatur auf die antmiikrobielle Aktivität des Überzugs zu veranschaulichen. Silbermetall wurde auf 2,5 cm- Abschnitte eines Latex-Foley-Katheters unter Verwendung einer Magnetron-Sputter-Vorrichtung abgeschieden. Die Betriebsbedingungen waren wie folgend: Die Abscheidungsgeschwindigkeit betrug 200 Å pro Minute; die Leistung betrug 0,1 kW; das Ziel war eine planare Silber-Magnetronkathode von 20,3 cm Durchmesser; der Argon-Arbeitsgasdruck betrug 4 Pa (30 mTorr); der Gesamtmassenfluß betrug 700 sccm; und das Verhältnis von Substrattemperatur zu Schmelzpunkt des Beschichtungsmetalles Silber, T/Tm, betrug 0,30 oder 0,38. In diesem Beispiel waren die Einfallswinkel variabel, da das Substrat rund und rauh war. Das heißt, die Einfallswinkel variierten um den Umfang und, in einem feineren Maßstab, über die Seiten und Spitzen der zahlreichen Oberflächenmerkmale herum. Der antimikrobielle Effekt wurde durch einen Inhibitionszonentest, wie in Beispiel 1 angedeutet, getestet.
- Die Ergebnisse zeigten korrigierte Inhibitionszonen von 0,5 und 16 mm um den bei T/Tm- Werten von 0,38 bzw. 0,30 beschichteten Schlauch. Die bei dem niedrigeren T/Tm-Wert beschichteten Abschnitte von Foley-Katheter waren wirksamer als diejenigen, welche bei höherem TITm-Wert beschichtet wurden.
- Dieses Beispiel ist eingeschlossen, um eine antimikrobielle Beschichtung zu zeigen, welche durch Gleichstrom- bzw. DC-Magnetronsputtern auf einem handelsüblichen Katheter gebildet wurde. Ein Teflon-beschichteter Latex-Foley-Katheter wurde mittels DC-Magnetron-Sputtern von 99, 99% reinem Silber auf die Oberfläche unter Verwendung der in der Tabelle 5 aufgeführten Bedingungen beschichtet. Die verwendeten Arbeitsgase waren handelsübliches Ar und Ar/O&sub2; bei 99/1 Gew.-%.
- Der antimikrobielle Effekt des Überzugs wurde durch einen Inhibitionszonentest getestet. Mueller-Hinton-Agar wurde in Petrischalen verteilt. Die Agarplatten wurden Oberflächentrocknen gelassen, bevor sie mit einem Rasen von Staphylococcus aureus ATCC# 25923 inokuliert wurden. Das Inokulum wurde aus Bactrol-Scheiben (Difco, M.) hergestellt, welche gemäß den Richtlinien des Herstellers rekonstituiert worden waren. Unmittelbar nach der Inokulation wurden die zu testenden beschichteten Materialien auf die Oberfläche des Agars gebracht. Die Schalen wurden 24 Stunden lang bei 37ºC inkubiert. Nach dieser Inkubationsdauer wurde die Inhibitionszone gemessen und eine korriegierte Inhibitionszone wurde berechnet (korrigierte Inhibitionszone = Inhibitionszone - Durchmesser des Testmaterials in Kontakt mit dem Agar).
- Die Ergebnisse zeigten keine Inhibitionszone für die unbeschichteten Proben und eine korrigierte Zone von weniger als 1 mm für Katheter, welche in handelsüblichem Argon bei einem Arbeitsgasdruck von 0,7 Pa (5 mT) besputtert worden sind. Eine korriegierte Inhibitionszone von 11 mm wurde für die Katheter berichtet, welche unter Verwendung eines Arbeitsgasdruckes von 5,3 Pa (40 mT) in 99/l gew.-%igen Ar/O&sub2; besputtert wurden. Eine XRD-Analyse zeigte, daß die in 1% Sauerstoff aufgesputtete Beschichtung ein kristalliner Ag-Film war. Diese Struktur verursachte in deutlicher Weise einen verbesserten antimikrobiellen Effekt für die überzogenen Katheter.
- Leistung 0,1 kW Leistung 0,5 kW
- Ziel 20,3 cm Ag Ziel 20,3 cm Ag
- Argondruck: 0,7 Pa (5 m Torr) Ar/O&sub2;-Druck: 5,3 Pa (40 m Torr)
- Gesamtmassenstrom: 700 sccm Gesamtmassenstrom: 700 sccm
- Anfängliche Substrattemperatur: 20ºC Anfängliche Substrattemperatur: 20ºC
- Kathode/Anode-Abstand: 40 mm Kathode/Anode-Abstand: 100 mm
- Filmdicke: 2500 Å Filmdicke: 3000 Å
- Dieses Beispiel zeigt durch Bogenverdampfung, Gasstreuungs-Bedampfung (Druckplattierung) und reaktive Bogen-Verdampfung gebildete Silberüberzüge. Die Evaporation bzw. Bedampfung von 99, 99% Silber wurde auf Silicium- oder Alumina-Wafer bei einer anfänglichen Substrattemperatur von etwa 21ºC durchgeführt, wobei die folgenden Parameter verwendet wurden:
- Vorspannung: -100 Volt
- Strom: 20 Amperestunden
- Einfallswinkel: 90º
- Arbeitsgasdruck: 0,001 Pa (0,01 mT) (arc), 3,5 Pa (26 mT) Ar/H&sub2; 96 : 4 (Gasstreuungs- Verdampfung) und 3,5 Pa (26 mT) O&sub2; (reaktive Bogen-Verdampfung)
- Es wurde für bei Vakuum (Bogen) beschichtete Wafer keine korrigierte Inhibitionszone bzw. ZOI beobachtet. Druckplattieren mit einer Arbeitsgasatmosphäre, enthaltend Ar und 4% Wasserstoff, erzeugte eine ZOI von 6 mm, während eine Arbeitsgasatmosphäre von reinem Sauerstoff (reaktiver Bogen) eine ZOI von 8 mm erzeugte. Es wurden Filmdicken von etwa 4000 Angström hergestellt. Die Ergebnisse zeigen, daß die Gegenwart von Gasen, wie Wasserstoff und/oder Sauerstoff in der Bogen-Verdampfungs-Atmosphäre verursacht, daß die Überzüge eine verbesserte antimikrobielle Wirksamkeit aufweisen.
- Dieses Beispiel ist eingeschlossen, um Verbundmaterialien zur Erzeugung von antimikrobiellen Effekten zu veranschaulichen. Ein Satz von Überzügen wurde durch RF- Magnetron-Aufstäuben von Zinkoxid auf Siliciumwafer, wie obenstehend dargelegt, hergestellt. Die Zinkoxid-Überzüge zeigten keine Inhibitionszone.
- Überzüge aus Ag und ZnO wurden zu einer Gedamtdicke von 3300 Angström durch sequenzielles Aufstäuben von Ag-Schichten mit ZnO-Schichten, gemäß den nachstehenden Bedingungen, bei einem Gew.-%-Verhältnis von 75/25 aufgelagert. Von den Überzügen wurde gezeigt, dass sie keine Inhibitionszone aufweisen, wenn die Zinkoxid-Schichten etwa 100 Angström dick waren. Jedoch besaßen Filme, welche aus Inseln aus sehr dünnen bis diskontinuierlichen Schichten von ZnO (weniger als 50 Angström) in einer Ag-Matrix bestanden (d. h. ein Verbund-Film), eine korrigierte Inhibitionszone von 8 mm.
- Die zur Abscheidung von ZnO verwendeten Bedingungen waren wie folgend beschaffen:
- Ziel: ZnO von 20,3 cm Durchmesser; Arbeitsgas = Argon; Arbeitsgasdruck = 4 Pa (30 mT); Kathode-Anode-Abstand: 40 mm; anfängliche Substrattemperatur: 21ºC; Leistung: RF- Magnetron 0,5 kW.
- Die zur Abscheidung des Ag verwendeten Bedingungen waren wie folgend:
- Ziel: Ag von 20,3 cm Durchmesser; Arbeitsgas = Argon; Arbeitsgasdruck = 4 Pa (30 mT); Kathode-Anode-Abstand = 40 mm; anfängliche Substrattemperatur = 21ºC; Leistung = DC- Magnetron, 0,1 kW.
- Dieses Beispiel zeigt die Effekte des Kaltbearbeitens und Anlassens von Silber- und Goldpulvern auf die antimikrobielle Wirksamkeit, welche durch einen Standard-Inhibitionszonentest gezeigt wird. Das Kaltbearbeiten solcher Pulver führt zu einer fehlerhaften Oberflächenstruktur, welche atomare Unordnung enthält, welche die Freisetzung von antimikrobielle Aktivität verursachenden Ionen begünstigt. Der antimikrobielle Effekt dieser fehlerhaften Struktur kann durch Anlassen entfernt werden.
- Nanokristallines Silberpulver (Kristallgröße etwa 30 nm) wurde auf Klebeband verstreut und getestet. Eine Inhibitionszone von 5 mm wurde erhalten, wobei das in Beispiel 7 dargestellte Verfahren angewandt wurde. Ein 0,3 g großes Pellet des nanokristallinen Ag-Pulvers wurde bei 275700 kPa (kiloPascal) (40000 psi) gepreßt. Das Pellet erzeugte beim Testen auf antimikrobielle Aktivität eine Inhibitionszone von 9 mm. Nanokristallines Silberpulver wurde dann 30 Sekunden lang mechanisch in einer Kugelmühle verarbeitet. Das resultierende Pulver wurde hinsichtlich antimikrobieller Aktivität getestet, sowohl durch Verstreuen des verarbeiteten Pulvers auf Klebeband und Aufbringen auf die Platten als auch durch Pressen des Pulvers zu einem Pellet bei den obenstehenden Bedingungen und Plazieren des Pellets auf den Platten. Die beobachteten Inhibitionszonen betrugen 7 bzw. 11 mm. Ein Pellet, welches aus dem verarbeiteten Pulver gepreßt worden war, wurde unter Vakuum-Bedingungen eine Stunde lang bei 500ºC angelassen. Eine veringerte Inhibitionszone von 3 mm wurde für das angelassene Pellet beobachtet.
- Diese Ergebnisse zeigen, daß nanokristallines Silberpulver, während es von sich aus einen kleinen antimikrobiellen Effekt besitzt, einen verbesserten antimikrobiellen Effekt durch Einführen von atomarer Unordnung durch mechanisches Verarbeiten des Pulvers in einer Kugelmühle oder Pressen desselbigen zu einem Pellet besitzt. Der antimikrobielle Effekt wurde durch Anlassen bei 500ºC signifikant verringert. Somit sollten die Bedingungen des mechanischen Bearbeitens nicht Bedingungen, wie hohe Temperatur, welche Diffusion gestatten, einschließen oder davon gefolgt werden. Kalte mechanische Bearbeitungs-Bedingungen werden bevorzugt, um Diffusion zu beschränken, zum Beispiel durch Bearbeiten bei Raumtemperatur oder durch Zerkleinern oder Zermahlen in flüssigem Stickstoff.
- Silberpulver mit 1 Mikrometer Teilchengröße wurde auf eine ähnliche Weise zum obenstehenden getestet. Das Ag-Pulver wurde auf Klebeband verstreut und hinsichtlich einer Inhibitionszone getestet. Es wurde keine Inhibitionszone beobachtet. Das Pulver wurde 30 Sekunden lang in einer Kugelmühle bearbeitet und auf Klebeband verstreut. Es wurde eine Inhibitionszone von 6 mm um das Pulver auf dem Klebeband herum beobachtet. Wenn das Ag-Pulver (wie vorbereitet oder nach mechanischer Verarbeitung in der Kugelmühle) zu einem 0,3 g-Pellet unter Anwendung von 275700 kPa (40000 psi) gepreßt wurde, wurden Inhibitionszonen von 5 bzw. 6 mm beobachtet. Ein Pellet, das aus dem Kugel-zermahlenen Pulver gebildet wurde und eine Stunde lang bei 500ºC angelassen wurde, wies signifikant verringerte antimikrobielle Aktivität auf. Anfänglich besaß das Pellet eine gewisse Aktivität (Inhibitionszone von 4,5 mm), aber nachdem das Pellet ein zweites Mal getestet worden war, wurde keine Inhibitionszone beobachtet. Ein Kontrollpellet, welches nicht angelassen worden war, ergab in fortgesetzter Weise eine Inhibitionszone von mehr als 4 mm, sogar nach 14 Wiederholungen des Tests. Dies zeigt, daß ein Anlassschritt im Anschluß an mechanische Bearbeitung, die verzögerbare Freisetzung der antimikrobiellen Silberspezies aus den Pulvern beschränkt.
- Nanokristallines Gold (20 nm-Kristalle), geliefert als ein Pulver, wurde hinsichtlich des antimikrobiellen Effekts durch Verstreuen des Pulvers auf Klebeband und Anwenden des Inhibitionszonen-Tests getestet. Für das nanokristalline Goldpulver wurde keine Inhibitionszone aufgezeichnet. Das Goldpulver wurde unter Anwendung von 275700 kPa (40000 psi) zu einem 0,2 g-Pellet gepreßt. Es wurde eine Inhibitionszone von 10 mm beobachtet. Als die gepreßten Pellets anschließend eine Stunde lang bei 500ºC Vakuum angelassen wurden, betrug die gefundene Inhibitionszone 0 mm.
- Die Ergebnisse zeigten, daß die Löslichkeit und somit die antimikrobielle Wirksamkeit von Goldpulvern durch ein mechanisches Verarbeitungsverfahren verbessert werden kann, wie dem Pressen eines nanokristallinen Materials zu einem Pellet. Die antimikrobielle Aktivität kann durch Anlassen entfernt werden. Kaltbearbeitung wird bevorzugt.
- Andere Goldpulver, einschließlich eines Pulvers von 2-5 Mikrometer und eines von 250 Mikrometer Teilchengröße, zeigten keinen antimikrobiellen Effekt unter den obenstehenden mechanischen Verarbeitungsbedingungen. Es wird angenommen, daß die kleine Korngröße des nanokristallinen Goldpulvers ein wichtiger Kofaktor war, der, mit dem mechanischen Verarbeiten, den gewünschten antimikrobiellen Effekt erzeugte.
- Dieses Beispiel ist eingeschlossen, um einen antimikrobiellen Verbund-Überzug zu verdeutlichen, gebildet durch reaktives Besputtern (ein weiteres Beispiel von Verbund-Filmen). Das Beispiel 7 zeigt, daß eine antimikrobielle Beschichtung aus Silber durch Sputtern in Argon und 1% Sauerstoff (0,5 kW, 5,3 Pa (40 mlorr), 100 mm Anode/Kathode-Abstand und 20ºC - Erzeugung einer Inhibitionszone von 11 mm) erhalten werden kann.
- Wenn ein Arbeitsgas aus Argon und 20 Gew-% Sauerstoff verwendet wurde, um antimikrobielle Überzüge unter den nachstehend aufgezählten Bedingungen aufzustäuben, lagen die Inhibitionszonen im Bereich von 6 bis 12 mm. Dies zeigt, daß das Bereitstellen einer reaktiven Atmosphäre während der Dampfabscheidung das Ergebnis der Erzeugung eines antimikrobiellen Films über einen breiten Bereich von Abscheidungs-Verfahrensparametern hinweg aufweist.
- Ziel 20,3 cm Durchmesser, 99,99% Ag
- Arbeitsgas: 80/20 Gew.-% Ar/02
- Arbeitsgasdruck: 0,3 bis 6,7 Pa (2,5 bis 50 mTorr)
- Gesamt-Massengasfluß: 700 sccm
- Leistung: 0,1 bis 2,5 kW
- Substrattemperatur: - 5 bis 20ºC
- Anode/Kathode-Abstand: 40 bis 100 mm
- Basis-Druck: weniger als 5 · 10&supmin;&sup4; Pa (4 · 10&supmin;&sup6; Torr)
- Dieses Beispiel zeigt, daß die Überzüge dieser Erfindung einen antimikrobiellen Effekt gegen ein breites Spektrum von Bakterien aufweisen.
- Insgesamt 171 unterschiedliche Bakterienproben, umfassend 18 Gattungen und 55 Arten, wurden vom Provincial Laboratory of Public Health for Northern Alberta zur Verfügung gestellt. Diese Proben waren in 20% Magermilch schnellgefroren und bei -70ºC während Zeitdauern im Bereich von mehreren Monaten bis mehreren Jahren aufbewahrt worden. Fastidiöse Organismen, bei welchen es unwahrscheinlich war, daß sie unter den beim Standard-Kirby-Bauer-Anfälligkeits-Test eingesetzten Bedingungen wachsen, wurden nicht verwendet.
- Jede gefrorene Probe wurde mit einem sterilen Baumwolltupfer abgeschabt, um eine Blutagarplatte (BAP) zu inokulieren. Die Platten wurden über Nacht bei 35ºC inkubiert. Am folgenden Morgen wurden isolierte Kolonien auf frische BAPs kultiviert und bei 35ºC über Nacht inkubiert. Am nächsten Tag wurden die Organismen einem Kirby-Bauer- Anfälligkeitstest wie nachstehend beschrieben, unterzogen.
- Vier bis fünf Kolonien (mehr, falls die Kolonien klein waren) desselben morphologischen Typs wurden von jeder BAP-Subkultur ausgewählt und in individuelle Röhrchen, enthaltend ungefähr 5 ml tryptische Soja-Nährbrühe (TSB), inokuliert. Die Nährbrühen wurden ungefähr 2 bis 3 Stunden lang bei 35ºC inkubiert. Zu dieser Zeit war die Trübung bzw. Turbidität der meisten der Nährbrühen-Kulturen entweder gleich zu derjenigen eines 0,5 McFarland- Standards oder ging darüber hinaus. Die turbideren Proben wurden mit steriler Kochsalzlösung verdünnt, um eine visuell zu derjenigen des Standards vergleichbare Turbidität zu erhalten. Um bei der visuellen Einstufung der Turbidität zu helfen, wurden Röhrchen gegen einen weißen Hintergrund mit kontrastierenden schwarzen Linien abgelesen.
- Eine kleine Anzahl der Organismen (Streptococcus und Corynebacterium) wuchsen in TSB nicht gut. Die Turbidität dieser Nährbrühen nach der Inkubation war geringer als jene des 0,5- McFarland-Standards. Weitere Kolonien aus den BAP-Unterkulturen wurden in diese Röhrchen inokuliert, um die Trübung zu erhöhen, damit sie sich derjenigen des Standards annäherte.
- Innerhalb von 15 Minuten des Einstellens der Turbidität der Bakteriensuspensionen wurde ein steriler Baumwolltupfer in jede Nährbrühe eingetaucht. Überschüssige Flüssigkeit wurde durch Rollen des Tupfers gegen den Rand des Röhrchens entfernt. Das Inokulum wurde auf eine Mueller-Hinton(MH)-Agarplatte durch gleichmäßiges Ausstreichen des Tupfers in drei Richtungen über die gesamte Agaroberfläche aufgebracht. Drei 1 cm · 1 cm große Silberbeschichtete Silicawafer-Quadrate wurden auf jede MH-Platte aufgebracht, und die Platten wurden umgedreht und bei 35ºC über Nacht inkubiert. Die Überzüge, von denen durch XRD- Analyse gezeigt wurde, Silber/Silberoxid-Verbundfilme zu sein, waren unter den folgenden Bedingungen aufgesputtet worden:
- Ziel: 20,3 cm Durchmesser, 99,99% Ag
- Arbeitsgas: 80/20 Gew.-% Ar/O&sub2;
- Arbeitsgasdruck: 5,3 Pa (40 mT)
- Gesamtmassengasfluß: 700 sccm
- Leistung: 0,1 kW
- Abscheidungstemperatur: 20ºC
- Bäsisdruck: 2,7 · 10&supmin;&sup4; Pa (2 · 10&supmin;&sup6; Torr)
- Kathode/Anode-Abstand: 40 mm
- BAP-Kulturen von Kontrollorganismen wurden vom Provincial Laboratory zur Verfügung gestellt und beinhalteten: Staphylococcus aureus ATCC 25923; Pseudomonas aeruginosa ATCC 27853; Escherichia coli ATCC 25922 und Enterococcus faecalis ATCC 29212, zur Überprüfung der Qualität des MH-Agars. Diese Kulturen wurden in einer gleichartigen Weise behandelt, um die Organismen zu testen, mit der Ausnahme, daß Standard-Antibiotikum- Scheibchen anstatt der silberbeschichteten Wafer auf die Bakterienrasen auf dem MH-Agar aufgebracht wurden. Diese Organismen zeigten, daß der MH-Agar für Standard- Inhibitionszonentests geeignet war.
- Nach 16 bis 18 Stunden Inkubation bei 35ºC wurden Inhibitionszonen um Silberwafer oder Antibiotikumsscheiben auf die nähesten mm hin gemessen. Korrigierte Zonen wurden berechnet durch Subtrahieren der Größe des Wafer (1 cm) von der Größe der Gesamtzone. Repräsentative Inhibitionszonen-Ergebnisse sind in der Tabelle 7 gezeigt. Tabelle 7 Empfindlichkeit eines breiten Bereichs von Mikroorganismen gegen Silber*-beschichtete Silizium-Wafer
- *Silberabscheidung
- Dieses Beispiel zeigt die Verwendung von Tantal als eine Klebeschicht für Beschichtungen dieser Erfindung. Tantal ist als ein Material gut bekannt, welches, in der Form einer Zwischenschicht, eine Adhäsion von Diinnfilmen an Substrate verbessert. In diesem Beispiel wurden Testabschnitte, einschließlich einer Gruppe von Probestücken aus nichtrostendem Stahl (316) (1 · 1 cm) und Silizium (1,7 · 0,9 cm) und Abschnitte von Latexschlauch (5 cm) in Ethanol gereinigt, und dann wurde die Hälfte der Testabschnitte überzogen (mittels Sputtern) mit einer dünnen Schicht (ungefähr 100 Angström) von Ta, bevor ein antimikrobieller Silberfilm auf ihnen abgeschieden wurde. Die zweite Gruppe der Testabschnitte wurde lediglich mit dem antimikrobiellen Ag-Film beschichtet. Die Beschichtungs- Bedingungen sind nachstehend aufgezählt. Während alle Testabschnitte eine ähnliche antimikrobielle Aktivität besaßen, hatten die Ta-beschichteten Testabschnitte viel bessere Adhäsionseigenschaften als die unbehandelten Testabschnitte. Die Adhäsionseigenschaften wurden unter Anwendung des ASTM-Verfahrens D3359-87 bestimmt, einem Standardtest- Verfahren zum Messen von Adhäsion.
- Ziel: 20,3 cm Durchmesser, 99,99% Ta
- Arbeitsgas: 99/1 Gew.-% Ar/O&sub2;
- Arbeitsgasdruck: 1,3 Pa (10 mTorr)
- Gesamtmassengasfluß: 700 sccm
- Leistung: 0,5 kW
- Kathode/Anode-Abstand: 100 mm
- Substrattemperatur: 20ºC
- Ziel: 20,3 cm Durchmesser, 99,99% Ag
- Arbeitsgas: 99/1 Gew.-% Ar/O&sub2;
- Arbeitsgasdruck: 5,3 Pa (40 mTorr)
- Gesamtmassengasfluß: 700 sccm
- Leistung: 0,5 kW
- Kathode/Anode-Abstand: 100 mm
- Substrattemperatur: 20ºC
- DC-Magnetron-Sputtern wurde verwendet, um Silber aus einer 99,98% reinen Kathode von 20,3 cm Durchmesser auf Silizium- und Alumina-Wafer, mit handelsüblichem, mit Wasser befeuchteten Argon als Arbeitsgas und bei einem Gesamtmassengasfluß von 700 sccm, abzuscheiden. Das Argon wurde befeuchtet, indem es durch zwei Kolben mit drei Litern Wasser bei Raumtemperatur und einen leeren Kolben hindurchgeleitet wurde, der mit Glaswolle aufgestellt war, um jedwede freie Flüssigkeit zu absorbieren, bevor das Gas in die Sputter-Einheit eintrat.
- Die Bedingungen des Besputterns und die Ergebnisse des Standard-Inhibitionszonentests, welcher an den aufgesputterten Silberfilmen durchgeführt wurde, sind nachstehend gezeigt. Silberfilme, welche normalerweise keine antimikrobiellen Eigenschaften hatten, wenn sie unter Verwendung von Argon abgeschieden wurden, welches nicht mit Wasser behandelt worden war, ergaben eine korrigierte Inhibitionszone bis zu 8 mm, wenn sie unter Verwendung einer Argon/Wasserdampf-Mischung als dem Arbeitsgas aufgesputtert wurden. Tabelle 8 Für DC-Magnetron Sputtern von antimikrobiellen Überzugen angewandte Bedingungen
- Dieses Beispiel ist eingeschlossen, um das Verfahren der Aktivierung von Überzügen mit Strahlung, gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen.
- Eine Serie von 1,9 · 0,7 cm großen Silizium-Wafern wurde mit Überzügen von 3000 Å von Silbermetall unter Anwendung von DC-Magnetronsputtern unter den folgenden Bedingungen beschichtet:
- Ziel: 20,3 cm Durchmesser, 99,99% Ag
- Arbeitsgas: 99/1 Gew.-% Ar/O&sub2;
- Arbeitsgasdruck: 5,3 Pa (40 mTorr)
- Gesamtmassengasfluß: 700 sccm
- Leistung: 0,5 kW
- Substrattemperatur: 21ºC
- Kathode/Anode-Abstand: 100 mm
- Die beschichteten Wafer wurden in vier Gruppen unterteilt und mit variierenden Dosierungen von Gammastrahlung - 0, 1, 2 und 4 Megarad-Dosen - aus einer &sup6;&sup0;Co-Quelle bei Isomedix Inc., Morton Grove, II., U. S. A., bestrahlt. Die Proben wurden im allgemeinen senkrecht zu der eintreffenden Strahlung plaziert. Nach der Bestrahlung wurden die Proben hinsichtlich biologischer Aktivität (antimikrobieller Effekt) unter Verwendung eines Standard- Inhibitionszonentests auf Mueller-Hinton-Agar (Difco, Mi) mit S. aureus (ATCC #25923) getestet, wie in vorhergehenden Beispielen dargestellt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 9 zusammengefaßt.
- 0 11
- 1 14
- 2 17
- 4 20
- Die Ergebnisse zeigen im allgemeinen eine logarithmische Dosis/Antwort-Beziehung zwischen der Strahlungsdosis und der beobachteten biologischen Antwort auf die Wafer. Dies veranschaulicht, daß die Gamma-Strahlung die Überzüge der vorliegenden Erfindung weiter aktiviert hat, um den antimikrobiellen Effekt zu verstärken.
- Das Experiment wurde wiederholt, wobei die antimikrobiellen Filme im allgemeinen zu der eintreffenden Strahlung parallel orientiert waren. Diese Orientierung verringerte den Spiegel der Aktivierung der antimikrobiellen Überzüge wesentlich, so daß keine Vergrößerung der Inhibitionszone relativ zu Kontrollen, welche nicht bestrahlt worden waren, beobachtet wurde.
- Dieses Beispiel ist eingeschlossen, um die Aktivierung der antimikrobiellen Überzüge gemäß der vorliegenden Erfindung mit Gamma-Strahlung unter Verwendung eines dielektrischen Materials, angrenzend an das Material während der Bestrahlung, zu veranschaulichen.
- Eine Anzahl von 2,5 cm · 2,5 cm großen Stücken von hochdichtem Polyethylen- Maschengewebe (wie verwendet in Brandwunden-Verbänden) wurde mit Silbermetall unter den selben Bedingungen, wie dargestellt in Beispiel 15, sputterbeschichtet, mit der Ausnahme, daß die Leistung 0,1 kW betrug. Das beschichtete Maschenwerk wurde dann, wie dargestellt in Beispiel 15, bei 4 Megarad bestrahlt (senkrechte Orientierung). Dann wurde die biologische Aktivität getestet, wie dargelegt in Beispiel 15. Kontroll-Maschenwerkproben (Silber beschichtet, keine Bestrahlung) ergaben eine 10 mm-Inhibitionszone (korrigiert), wohingegen die bestrahlten Proben eine 14 mm große Inhibitionszone (korrigiert) ergaben.
- Weitere Proben des beschichteten Maschenwerks wurden bestrahlt, während sie zwischen zwei 2,5 cm · 2,5 cm großen Silizium-Wafern sandwichartig eingelegt waren, welche eine 1000 Å dicke thermisch gewachsene Oxidschicht aufwiesen, wie geliefert von Alberta Microelectronics Centre, Edmonton, Alberta. Diese Maschenwerkprobe wurde hinsichtlich biologischer Aktivität getestet und es wurde festgestellt, daß sie eine 26 mm große Inhibitionszone (korrigiert) erzeugt. Ohne dadurch gebunden zu sein, wird angenommen, daß die Silizium-Wafer eine Quelle von Elektronen bereitstellen, die zu den antimikrobiellen Überzügen nach vorwärts gestreut werden, wodurch der antimikrobielle Effekt weiter verstärkt wird.
- Vollsilber-Blechmetall wurde getestet, um festzustellen, ob es durch Gamma-Strahlung aktiviert werden konnte, um einen antimikrobiellen Effekt hervorzurufen. Die Vollsilber- Blechmetall-Proben wurden 90 Minuten lang bei 140ºC in Luft angelassen und dann mit einer Dosis von 4 Megarad bestrahlt. Die Proben wurden hinsichtlich biologischer Aktivität getestet, aber es wurde keine Inhibitionszone erzeugt. Dieses Ergebnis scheint anzuzeigen, daß Vollsilber, in seinem normalen geordneten kristallinen Zustand, zu wenig atomare Fehler aufweist, um gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung aktiviert zu werden.
- Dieses Beispiel ist eingeschlossen, um zu veranschaulichen, daß antintikrobielle Überzüge, welche atomare Unordnung bei einem Spiegel enthalten, der ungenügend ist, um einen antimikrobiellen Effekt zu erzeugen, weiter durch Gamma-Strahlung gemäß der vorliegenden Erfindung aktiviert werden können.
- Silber-Filme wurden auf Silizium-Wafer aufgesputtert, wie im Beispiel 15 dargelegt, mit der Ausnahme, daß der Gasdruck von 5,3 Pa (40 mTorr) auf 0,7 Pa (5 mTorr) verringert wurde, was zu weniger atomarer Unordnung in den Überzügen führte. Die Silber-Filme wurden dann mit einer 4 Mrad-Dosis Gamma-Strahlung wie in Beispiel 15 bestrahlt. Die bestrahlten Filme und die Kontroll-Filme (nicht bestrahlt) wurden hinsichtlich biologischer Aktivität getestet.
- Die Kontroll-Filme erzeugten nur 1 mm Inhibitionszone (korrigiert), wohingegen die bestrahlten Überzüge 10 mm Inhibitionszone (korrigiert) erzeugten. Dieses Ergebnis zeigt, daß antimikrobielle Materialien, die unter solchen Bedingungen hergestellt wurden, daß sie atomare Unordnung bei einem ungenügenden Spiegel enthalten, um einen antimikrobiellen Effekt zu erzeugen, aktiviert werden können durch Bestrahlung mit einer Gamma- Strahlungsquelle, so daß sie antimikrobiell sind.
- Dieses Beispiel ist eingeschlossen, um die Erzeugung von Silberkomplexionen aufzuzeigen, welche von dem Ag&spplus;-Ion verschieden sind und welche in hohem Maße wirkungsvoll bei der Erzeugung eines antimikrobiellen Effekts sind. Das Beispiel stellt vergleichende Diffusions- und Inhibitionszonen(ZOI)-Daten für verschiedene Silberlösungen zur Verfügung.
- Lösungen wurden hergestellt, um 10000 ppm Ag als AgNO&sub3;, Ag(NH&sub3;)2&spplus;, Ag(CN)&sub2;&supmin;, Ag(S&sub2;O&sub3;)&sub2;³&supmin; und Ag(Protein) zu erzeugen.
- Die Silberlösungen wurden wie folgend hergestellt:
- 1) Ag(S&sub2;O&sub3;)&sub2;³&supmin;: 2,66 g AgCl wurden in 150 ml entionisiertem Wasser gelöst. 17,22 g von Na&sub2;(S&sub2;O&sub3;) wurden zugegeben und das Volumen wurde mit entionisiertem Wässer auf 200 ml gebracht.
- 2) Ag(CN)&sub2;&supmin;: gleiche Volumina von 12,5 g/l AgCN und 50 g/l KCN wurden gemischt.
- 3) Ag(Protein): zwei Silberproteinproben wurden getestet. Silberprotein-Pulver (0,5 g von Sigma S-6767, Charge # 121H3437, 20% Ag) wurde zu 10 ml entionisiertem Wasser gegeben. Silberprotein-Pulver (1,25 g von Sigma S-9017, Charge # 33H3456, 8% Ag) wurden zu 10 ml entionisiertem Wasser gegeben.
- 4) Ag(NH&sub3;)&sub2;&spplus;: Silbernitrat wurde zu Ammoniumhydroxid gegeben, um ein schwarzes Präzipitat zu bilden. Zu dieser Lösung wurde tropfenweise weiteres Ammoniumhydroxid zugesetzt, bis sich das Präzipitat erneut löste, wobei das komplexe Silberion Ag(NH&sub3;)&sub2;&spplus; in Lösung blieb.
- Es wurden ebenfalls Kontroll-Lösungen hergestellt, welche die gleichen Konzentrationen von Nitrat, Ammoniak, Cyanid und Thiosulfat enthielten, wie sie in den Testlösungen vorhanden waren. Der antimikrobielle Effekt der Testlösungen wurde durch einen Inhibitionszonen-Test getestet. Eine "Sensi-Disk" (Zellulose, 6 mm Durchmesser), enthaltend jeweils 25 Mikroliter der Testlösungen, wurde in die Mitte einer MHA (Difco Medium)-Platte gebracht. Die Silberkomplexe oder -ionen in der Sensi-Disk wurden 4 Stunden lang auf die in einem 37ºC- Inkubator aufbewahrte MRA-Platte diffundieren gelassen. Nach 4 Stunden wurde die Sensi- Disk von der Platte entfernt und hinsichtlich Silbergehalt unter Verwendung von Neutronen- Aktivierungs-Analyse analysiert (NAA, University of Alberta Slowpoke Reactor Facility) Ein weiterer Satz von Platten wurde verwendet, um Inhibitionszonen gegen S. aureus für jeden/jedes der Silberkomplexe oder -ionen in den Sensi-Disks zu messen. Proben des Agars wurden aus den Platten von zwei Stellen entnommen - dem Rand der Inhibitionszone und unterhalb der Scheiben. Die Agarproben wurden mittels NAA hinsichtlich des Silbergehalts analysiert. Die Kontroll-Lösungen wurden hinsichtlich antimikrobieller Wirkung getestet, und von ihnen wurde befunden, keine Inhibitionszone zu verursachen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 10 dargestellt. Tabelle 10 Antimikrobieller Effekt von Ag&spplus;-Ionen verglichen mit Silberkomplex-Ionen
- * Nicht gemessen
- Die obenstehenden Ergebnisse zeigen, daß Silbersalze oder -verbindungen, welche bekanntermaßen unter Erzeugung des Ag&spplus;-Ions dissoziieren (z. B. Silbernitrat und Silberproteine), einen limitierten antimikrobiellen Effekt (6 mm ZOI) aufweisen. Der antimikrobielle Effekt ist für Silberzusammensetzungen größer, welche von Ag+ verschiedene Silberkomplexionen freisetzen (z. B. Ag(NH&sub3;)&sub2;&spplus;, Ag(CN)&sub2;&spplus; und Ag(S&sub2;O&sub3;)&sub2;³&supmin;). Es ist ebenfalls offensichtlich, daß die Silberkomplexionen fähig sind, in dem Agarmedium weiter zu diffundieren als das Ag&spplus;-Ion, wodurch ein von der Silberquelle entfernterer antimikrobieller Effekt erzielt wird.
- Ohne daran gebunden zu sein, wird angenommen, daß das Ag&spplus;-Ion hinsichtlich seines antimikrobiellen Effekts weniger wirksam ist, weil es in dem Agarmedium leicht mit Chloridionen ausfällt, die bekanntermaßen vorhanden sind. Die Silberkomplexionen andererseits zeigen einen höheren Spiegel des antimikrobiellen Effekts und eine raschere Diffusion. Von den Silberkomplexionen wird ebenfalls angenommen, daß sie mit Chloridionen nicht zu einem solchen Ausmaß präzipitieren, was sie für die Verwendung in industriellen Systemen oder bei medizinischen Vorrichtungen und dergleichen, die mit Chloridionen-haltigen Flüssigkeiten in Kontakt kommen, geeigneter macht.
- Dieses Beispiel stellt vergleichende Diffusionsdaten und Inhibitionszonendaten für mehrere antimikrobielle Silberüberzüge zur Verfügung.
- Drei Silberfilme wurden unter den in der Tabelle 11 dargelegten Bedingungen aufgesputtet. Tabelle 11
- Die Überzüge wurde hinsichtlich antimikrobieller Aktivität durch einen ZOI-Test, wie in den vorausgehenden Beispiel dargelegt, getestet. Der Silbergehalt wurde nach 4 Stunden Diffusion in dem Agarmedium mittels NAA gemessen, wie dargelegt in Beispiel 18. Die Vergleichsergebnisse sind in der Tabelle 12 dargestellt. Tabelle 12 Antimikrobieller Effekt von Silberüberzügen
- ¹ AgX ist ein Silberkomplexion oder Ionenpaar.
- Für den Film 1, der vorwiegend Ag&spplus;-Ionen freisetzt, wird eine kleine ZOI erzeugt, wobei das Silber als AgCl unterhalb des Films präzipitiert wird. Für Film 2 wird eine viel größere ZOI (6x) erzeugt, wobei 1/4 der Menge des Silbers unter dem Wafer präzipitiert wird. Dies liegt nahe, daß ein von Ag&spplus; verschiedenes Silberkomplexion gebildet wird, das leichter diffundiert. Es wird angenommen, daß die Diffusion als ein Ergebnis der Natur der komplexen Silberspezies beschleunigt wird. Film 3 setzt viel mehr Silber frei als die Filme 1 oder 2, aber die Hauptmasse des Silbers liegt in der Form von Ag&spplus; vor, welches als AgCl unter dem Film präzipitiert. Jedoch zeigt die Größe der ZOI, daß, zusätzlich zu Ag&spplus;, ein komplexes Silberion mit viel größerer Beweglichkeit als Ag&spplus; erzeugt wird. Es wird angenommen, daß eines oder mehrere der negativen Silberhydroxylionen Ag(OH)&sub2;&supmin;, Ag(OH)&sub3;&supmin; oder Ag&sub3;(OH)&sub4;&supmin; erzeugt werden. Dadurch, daß Chlorid in dem Agarmedium ist, können sich negative Silberhydroxylchlorkomplexe bilden.
- Dieses Beispiel ist eingeschlossen, um die Herstellung von komplexen Ionen von Silbercyanid und den antimikrobiellen Effekt solcher Ionen zu zeigen.
- Ein typischerweise beim Elektroplattieren verwendetes Silbercyanid-Bad wurde hinsichtlich antimikrobieller Wirkung unter Verwendung von 25 Mikrolitern des Bades auf einer Sensi- Disk in einem Standard-ZOI-Test getestet. Das Silbercyanid-Bad enthielt 37 g/l Silbercyanid, 45 g/l Kaliumcyanid und 30 g/l Kaliumcarbonat. Die resultierende ZOI bedeckte die gesamte Platte, was eine korriegierte ZOI von mehr als 94 mm anzeigte. Die maximale Menge von Silber, welche in dem AgCN-Bad verfügbar war, belief sich auf 30000 ppm. Aus früheren Arbeiten ist es bekannt, daß diese Konzentration als AgNO&sub3; keine ZOI ergeben würde, welche größer als 6 mm ist. Der Effekt des Cyanidions allein wurde durch Plazieren von 25 Mikrolitern 45 g/l KCN auf einer Sensi-Disk und Wiederholen des ZOI-Tests bestimmt. Es wurde eine korrigierte ZOI von 12,5 mm erzeugt. Eine Lösung von AgCN in destilliertem Wasser (37 g/l) wurde in ähnlicher Weise hinsichtlich einer ZOI getestet. Es wurde eine korrigierte ZOI von 14 mm beobachtet.
- Das molare Verhältnis von Silberion zu Cyanidion in dem Bad betrug 0,37 : 1. Dies begünstigt die Bildung eines negativen Silbercyanid-Komplexes Ag(CN)&sub2;&supmin; oder AgCN(aq) als ein Ionenpaar. Die obenstehenden Ergebnisse zeigen, daß diese komplexen Silberionen antimikrobielle Wirksamkeit und erhöhte Beweglichkeit innerhalb eines Agarmediums besitzen.
- Dünne Streifen aus Filterpapier wurden mit 50 Mikroliter entweder einer Silbernitratlösung (10000 ppm Ag) oder einer Kaliumcyanidlösung (6400 ppm CN&supmin;) behandelt. Die Streifen wurden einem Standard-ZOI-Test auf der MHA-Platte unterzogen. Silbemitrat-Kontrollstreifen ergaben eine korrigierte ZOI von 8 mm, wohingegen die KCN-Kontrollstreifen keine ZOI ergaben. Wenn einer von jeweils den Silbernitrat- und Kaliumcyanidstreifen auf die MHA-Platte bei zueinander rechten Winkeln plaziert wurden, betrug die korrigierte ZOI 30 mm von dem Silbernitrat-Streifen und 22 mm von dem Kaliunicyanid-Streifen.
- Dieses Ergebnis zeigt, daß ein komplexes Silberion, resultierend aus der Kombination von Silbernitrat und Kaliumcyanid in dem Medium, größere antimikrobielle Wirksamkeit besitzt als jede Lösung allein.
- Dieses Beispiel ist eingeschlossen, um die antimikrobielle Wirksamkeit eines komplexen Silberions von Silberchlorid zu zeigen.
- Silberchlorid wurde bei 413550 kPa (60000 psi) zu einem 0,2 g-Pellet gepreßt und unter Verwendung eines Standard-ZOI-Tests auf MHA-Platten getestet. Es resultierte eine 8 mm große Zone. Eine Mischung von 0,15 g AgCI und 0,05 g NaCl wurde zu einem Pellet bei 60000 psi gepreßt und in ähnlicher Weise getestet. Es wurde eine Zone von 24 mm beobachtet.
- Die erhöhte Konzentration des verfügbaren Chloridions begünstigt die Bildung des Komplexes AgCl&sub2;&supmin;, von welchem obenstehend gezeigt wird, eine gegenüber AgCl verbesserte antimikrobielle Wirksamkeit aufzuweisen.
- Eine Silbernitrat-Lösung (10000 ppm Ag) wurde mit Sensi-Disks (25 Mikroliter) in einem ZOI-Test getestet. Es wurde eine Zone von 6 mm beobachtet. Dieselbe Konzentration von AgNO&sub3; wurde auf einer Agarplatte getestet, welche mit 5% NaCl supplementiert worden war. Eine Zone von 20 mm wurde beobachtet, was eine verbesserte antimikrobielle Wirksamkeit zeigt. Eine Kontollplatte aus Agar, supplementiert mit 5% NaCl, inhibierte das bakterielle Wachstum (S aureus) nicht.
- Es wird angenommen, daß die höheren Konzentrationen des Chloridions die Bildung des komplexen Silberions Ag(Cl)&sub2;&supmin; begünstigten. Diese Spezies zeigt die dreifache antimikrobielle Wirksamkeit von Ag&spplus; aus Silbernitrat.
- Eine anfängliche Untersuchung der Hautirritation wurde an "New Zealand White"(NZW)- Kaninchen unter Verwendung von mit einem antimikrobiellen Metall dieser Erfindung beschichteter Gaze durchgeführt. Der Überzug wurde auf einer USP-Typ VII-Gaze unter Verwendung der Verfahrensbedingungen von Beispiel 7 abgeschieden, wobei das Arbeitsgas 99/1 Gew.-% Ar/O&sub2; war.
- Die beschichtete Gaze wurde auf abgeriebener und unabgeriebener Haut auf der Flanke eines New Zealand White-Kaninchens angebracht. Nach 24 Stunden wurde die Gaze entfernt und die Stelle wurde hinsichtlich Rötung und Flüssigkeitsansammlung 1,24 und 48 Stunden nach dem Entfernen bewertet.
- Alle Tiere überlebten bis zum Ende der Untersuchung. Es wurde keine Rötung, Flüssigkeitsansammlung oder Infektion auf irgendeinem Tier beobachtet. Es wurde gefolgert, daß die Gaze keine örtliche Reizung hervorrief, wenn sie auf der Haut von männlichen oder weiblichen NZW-Kaninchen angebracht wurde.
- Die Empfindlichkeit von Hartley-Meerschweinchen gegenüber mit einem antimikrobiellen Metallüberzug der vorliegenden Erfindung beschichteter USP-Typ VII-Gaze wurde untersucht. Die Gaze wurde wie im Beispiel 7 unter Verwendung von 99/l Gew.-% Ar/O&sub2; beschichtet. Die zweiteilige Adjuvanz-Technik wurde angewandt, da das Testmaterial nicht injizierbar war und die Aufbringung von Trockeneis auf die Induktionsfläche die klinische Situation am nähesten simuliert.
- Es gab kein Anzeichen, daß die beschichtete Gaze eine Rötung oder Flüssigkeitsansammlung hervorrief, und es wurde keine Infektion in irgendeinem der Tiere beobachtet. Alle Tiere überlebten die Untersuchung.
- Die Aufbringung der beschichteten Gaze auf die Haut von männlichen Hartley-Meerschweinchen resultierte nicht in einer örtlichen Empfindlichkeit, wenn mittels der zweiteiligen Adjuvanz-Technik getestet wurde.
- Dieses Beispiel ist eingeschlossen, um zu zeigen, daß Silberpulver/NaCl-Mischungen einen antimikrobiellen Effekt von komplexen Silberionen, von denen angenommen wird, AgCl&sub2;&supmin; zu sein, hervorrufen.
- Pellets von Silberpulver (1 Mikrometer) und NaCl (25%) wurden bei den nachstehend dargelegten Bedingungen gepreßt. Der antimikrobielle Effekt wurde durch einen Inhibitionszonen-Test mit den Pellets gemessen. Eine Vergleichskontrolle aus gepreßtem Silberpulver wurde ebenfalls hinsichtlich einer Inhibitionszone getestet. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 13 gezeigt: Tabelle 13 Antimikrobieller Effekt von Silberpulver/NaCl
- Diese Beispiel veranschaulicht die strukturellen und chemischen Merkmale von sputterabgeschiedenen Silberfilmen, welche gute antimikrobielle Aktivität aufzeigen (korrigierte Inhibitionszone, CZOI), unter Verwendung des Inhibitionszonentests, wie in den vorausgehenden Beispielen dargelegt. Die Filme wurden durch Zerstäuben eines festen planaren Silber-Magnetronziels mit 20,3 cm Durchmesser auf Silicium-Wafer-Substrate (100 mm vom Ziel) unter den in der Tabelle 14 zusammengefaßten Bedingungen hergestellt. Der Gesamtmassengasfluß betrug 700 sccm. Das Verhältnis von Substrat-Temperatur zum Schmelzpunkt von Silber (1234 K), T/Tm, war weniger als 0,3, die Dicke des Films war nominell 3000 Å und der Einfallswinkel betrug in jedem Fall 90º (Normal-Einfall). Die Merkmale von Silber, wie abgeschieden, als auch diejenigen, welche anschließend angelassen wurden (in Luft 90 Minuten lang bei 140ºC), sind in diesem Beispiel beschrieben. Die Filme wurden hinsichtlich struktureller (Korngröße, Typ von Defekten, Umkristallisation) und chemischen Eigenschaften (Dotierungsmittel-Konzentration (wobei Dotierungsmittel sich bezieht auf atomaren % 0- oder Oxid-Gehalt) und elektrochemisches Ruhepotential) charakterisiert. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 15 und 16 zusammengefaßt.
- Die Dotierungsmittel-Konzentration in dem Film wurde unter Verwendung von Röntgenstrahl-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS) und Sekundärionen-Massenspektroskopie (SIMS) gemessen. Bei der XPS-Technik wurde ein monochromatisierter Al-Kα-Röntgenstrahl als der einfallende Strahl verwendet. Ein 4 kV-Ar-Ionenstrahl wurde über eine 2 mm x 2 mm große Fläche gerastert, um Oberflächenkontaminationen zu entfernen und eine frische Oberfläche für die XPS-Analyse freizulegen. Ein positiver Cäsium-Ionenstrahl bei 12,5 kV wurde für die SIMS-Analyse verwendet. Die aus XPS- und SIMS-Daten errechnete Dotierungsmittelkonzentration ist in den Tabellen 15 und 16 für beide, für abgeschiedene sowie für angelassene Filme, zusammengefaßt. Es ist ersichtlich, daß ein bevorzugtes Merkmal von biologisch aktiven Silberfilmen gemäß der Erfindung das Vorhandensein eines Dotierungsmittel ist. Die XPS- und SIMS-Daten zeigten ferner, daß das Dotierungsmittel, welches in vorliegenden Fall Sauerstoff oder beides, Silberoxid und Sauerstoff, war, chemisch nicht an die Silberatome in dem Hauptfilm gebunden war. Darüber hinaus wurde das Dotierungsmittel, als Sauerstoff, in solchen Mengen eingebunden, daß die Raumtemperatur- Festkörperlöslichkeit in Silber überschritten wurde.
- Die Korngröße von Filmen, wie abgeschieden, und angelassen, wurde aus Bildern gemessen, welche mit einem Transmissions-Elektronenmikroskop (TEM) aufgenommen wurden. Diese Daten, berichtet in den Tabellen 10 und 11, zeigen, daß antimikrobiell aktive Silberfilme dieser Erfindung eine durchschnittliche Korngröße von weniger als 200 nm aufweisen. Aktive Filme, wie abgeschieden, besaßen eine durchschnittliche Korngröße von weniger als etwa 140 nm. Die am stärksten aktiven Filme, wie abgeschieden, besaßen eine durchschnittliche Korngröße von weniger als 90 nm. Weiterhin zeigte hochauflösende Transmissions-Elektronenmikroskopie, daß der Ausbruch der Umkristallisierung (Trec) bei etwa 90ºC begann. Das Kornwachstum dieser feinkörnigen biologisch aktiven Filme fand bei Temperaturen, die um einiges unter 0,33 Tm lagen, wobei Tm der Schmelzpunkt von Silber in Grad K ist, insbesondere unter 140ºC statt. Im allgemeinen verminderte die Umkristallisierung die antimikrobielle Aktivität. Jedoch behielten Überzüge mit höheren Spiegeln an Silberoxid (Überzüge 3 und 6) antimikrobielle Aktivität nach dem Anlassen bei. Es wird angenommen, daß das Oxid ausreichend atomare Defekte stiftet, so daß die antimikrobielle Aktivität nach dem Anlassen beibehalten wird.
- Die IBM-Analyse zeigte ferner, daß biologisch aktive Silberfilme eine Anzahl von Wachstumszwillingen enthielten. Nach 90 Minuten langem Anlassen in Luft bei 140ºC verschwanden diese Wachstumszwillinge und Anlasszwillinge erschienen. Diese letzteren Zwillinge waren jedoch das Ergebnis von Erholung, Umkristallisierung und Kornwachstum, welche den Silberfilm zu einem Zustand niedrigerer Energie umwandelten. Offensichtlich befanden sich diese abgeschiedenen Silberfilme, neben den assoziierten Wachstumszwillingen, welche ein solches Kornwachstum durchliefen, in einem höheren Energie- Zustand. Somit ist das Vorhandensein dieser zuvor erwähnten Defekte in den abgeschiedenen Filmen ein unterscheidendes Merkmal von antimikrobiellen Überzügen gemäß dieser Erfindung. Die Fig. 1 und 2 sind TEM-Mikrophotographien, welche die Korngrößen und Zwillinge zeigen, die in Silberfilmen, wie abgeschieden bzw. angelassen, beobachtet wurden.
- Das Ruhepotential der Silberfilme wurde in einmolarer (1M) Kaliumhydroxid(KOH)-Lösung unter Verwendung einer gesättigten Kalomel-Elektrode (SCE) als Referenzelektrode gemessen. Die Tabellen 15 und 16 zeigen, daß die Silberfilme antimikrobielles Verhalten nur zeigten, wenn das Ruhepotential positiv war. Es wurde keine biologische Aktivität beobachtet, wenn das Ruhepotential negativ war. Tabelle 14 Wachstumsbedingungen für durch Sputtern aufgetragene antimikrobielle Silberüberzüge Tabelle 15 Strukturmerkmale von sputteraufgetragenen antimikrobiellen Silberüberzügen
- * als Ag&sub2;O
- ¹ Diese Werte unterliegen einer Variabilität von ± 20 mV
- - nicht gemessen Tabelle 16 Strukturmerkmale von angelassenen antimikrobiellen Silberüberzügen
- * als Ag&sub2;O
- ¹ Diese Werte unterliegen einer Variabilität von ± 20 mV
- - nicht gemessen
- Alle in dieser Beschreibung erwähnten Veröffentlichungen sind veranschaulichend für das Niveau der Fertigkeiten des Fachmanns auf dem Gebiet, das von dieser Erfindung betroffen wird.
- Die Begriffe und Ausdrücke in dieser Beschreibung werden als Begriffe einer Beschreibung und nicht zur Einschränkung verwendet. Es besteht beim Gebrauch solcher Begriffe und Ausdrücke keine Absicht, Äquivalente der veranschaulichten und beschriebenen Merkmale auszuschließen, wobei es sich versteht, daß der Umfang der Erfindung lediglich durch die Patentansprüche, welche folgen, definiert und begrenzt wird.
Claims (33)
1. Verfahren zur Bildung eines antimikrobiellen Materials, enthaltend ein oder mehrere
antimikrobielle Metalle, wobei das Verfahren folgendes umfaßt:
Erzeugen von atomarer Unordnung in einem kristallinen Material, enthaltend ein oder
mehrere antimikrobielle Metalle, unter Bedingungen, welche die Diffusion limitieren zur
Beibehaltung der atomaren Unordnung darin, um eine verzögerte Freisetzung von
Atomen, Ionen, Molekülen oder Clustern von mindestens einem der Metalle in einen
Elektrolyten auf Alkohol- oder Wasserbasis bei einer gesteigerten Rate im Verhältnis zu
dem Material in seinem normalen geordneten kristallinen Zustand vorzusehen; und
Bestrahlen des Materials mit einer niedrigen linearen Energietransfer-Form von
Strahlung, um mindestens ein antimikrobielles Metall bei einer ausreichenden
Konzentration freizugeben, um einen lokalisierten antimikrobiellen Effekt bereitzustellen.
2. Verfahren, wie dargelegt in Anspruch 1, worin das antimikrobielle Metall gewählt wird
aus der Gruppe, bestehend aus Ag, Au, Pt, Pd, Ir, Sn, Cu, Sb, Bi, Zn, Legierungen davon
und Verbindungen davon.
3. Verfahren, wie dargelegt in Anspruch 2, worin das Material ein Pulver oder eine Folie aus
einem oder mehreren der antimikrobiellen Metalle ist, und wobei die atomare Unordnung
durch Kaltbearbeiten des Pulvers oder der Folie gebildet wird.
4. Verfahren, wie dargelegt in Anspruch 3, worin das Material ein nanokristallines Pulver ist.
5. Verfahren, wie dargelegt in Anspruch 2, worin das Material als Überzug auf einem
Substrat durch Dampfabscheidung unter Bedingungen gebildet wird, welche die Diffusion
während der Abscheidung limitieren und welche das Tempern oder die Umkristallisation
im Anschluß an die Abscheidung limitieren.
6. Verfahren, wie dargelegt in Anspruch 6, worin das Material gebildet wird durch
Vakuumaufdampfen, Sputtern, Magnetron-Sputtern oder Ionenplattierung.
7. Verfahren wie dargelegt in Anspruch 5, worin das antimikrobielle Material ein
Verbundüberzug ist, gebildet durch Co-, sequenzielles oder reaktives Abscheiden eines
antimikrobiellen Metalls in einer Matrix mit Atomen oder Molekülen eines unter-
schiedlichen Materials, um atomare Unordnung in der Matrix zu erzeugen, wobei das
unterschiedliche Material als ein oder mehrere Vertreter abgeschieden wird, gewählt aus
der Gruppe, bestehend aus Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Bor, Schwefel oder
Halogen, absorbiert oder eingefangen in der Matrix aus der Atmosphäre der Dampf
abscheidung; eines Oxids, Nitrids, Carbids, Borids, Halogenids, Sulfids oder Hydrids
eines antimikrobiellen Metalls; und eines Oxids, Nitrids, Carbids, Borids, Halogenids,
Sulfids oder Hydrids eines inerten biokompatiblen Metalls, gewählt aus der Gruppe,
bestehend aus Ta, Ti, Nb, V, Hf, Zn, Mo, Si und Al.
8. Verfahren, wie dargelegt in Anspruch 7, worin das antimikrobielle Metall Silber ist und
das unterschiedliche Material eines oder beides aus Silberoxid und Atomen oder
Molekülen ist, welche Sauerstoff aus der Atmosphäre der Dampfabscheidung eingefangen
oder absorbiert in der Matrix enthalten.
9. Verfahren, wie dargelegt in Anspruch 5, wobei der Überzug durch Magnetron-Sputtern
bei solchen Bedingungen gebildet wird, daß das Verhältnis der Temperatur der
Oberfläche, welche beschichtet wird, zu dem Schmelzpunkt des antimikrobiellen
Materials, das abgeschieden wird, in Grad Kelvin, geringer ist als etwa 0,5, und der
Arbeits-Gasdruck größer ist als etwa 1,3 Pa (10 mT).
10. Verfahren, wie dargelegt in Anspruch 7, wobei der Überzug durch Magnetron-Sputtern
bei solchen Bedingungen gebildet wird, daß das Verhältnis der Temperatur der
Oberfläche, welche beschichtet wird, zu dem Schmelzpunkt des antimikrobiellen
Materials, das abgeschieden wird, in Grad Kelvin, geringer ist als etwa 0,5, und der
Arbeits-Gasdruck größer ist als etwa 1,3 Pa (10 mT).
11. Verfahren, wie dargelegt in Anspruch 8, wobei der Überzug durch Magnetron-Sputtern
bei solchen Bedingungen gebildet wird, daß das Verhältnis der Temperatur der
Oberfläche, welche beschichtet wird, zu dem Schmelzpunkt des antimikrobiellen
Materials, das abgeschieden wird, in Grad Kelvin, geringer ist als etwa 0,5, und der
Arbeits-Gasdruck größer ist als etwa 1,3 Pa (10 mT).
12. Verfahren, wie dargelegt in Anspruch 1, 3 oder 6, wobei die Form der Strahlung unter
Gamma-, Beta-, und Röntgenstrahlen gewählt wird.
13. Verfahren, wie dargelegt in Anspruch 1, 3 oder 6, wobei die Strahlungsquelle
Gammastrahlung ist, angewandt bei einer Dosis von mehr als etwa 1 MRad.
14. Verfahren, wie dargelegt in Anspruch 1, 3 oder 6, wobei das bestrahlte antimikrobielle
Material im wesentlichen senkrecht zur einfallenden Strahlung orientiert ist.
15. Verfahren, wie dargelegt in Anspruch 1, 3 oder 6, wobei das Material während der
Bestrahlung angrenzend an ein dielektrisches Material plaziert ist.
16. Verfahren, wie dargelegt in Anspruch 1, 3 oder 6, wobei das Material während der
Bestrahlung zwischen Siliciumoxidoberflächen sandwichartig eingefaßt ist.
17. Feinkörniges antimikrobielles Material, umfassend: ein oder mehrere antimikrobielle
Metall(e) oder Legierungen oder Verbindungen davon in der Form eines feinkörnigen
kristallinen Pulvers mit einer Korngröße von weniger als 200 nm, gekennzeichnet durch
ausreichende atomare Unordnung, so daß das Material, im Kontakt mit einem
Elektrolyten auf Alkohol- oder Wasserbasis, eine verzögerte Freisetzung von Atomen, Ionen,
Molekülen oder Clustern, enthaltend mindestens ein Metall bei einer ausreichenden
Konzentration, um einen lokalisierten antimikrobiellen Effekt vorzusehen, bereitstellt,
wobei das antimikrobielle Metall in einer Matrix mit Atomen oder Molekülen eines
unterschiedlichen Materials geformt ist, wobei das unterschiedliche Material gewählt ist
aus inerten biokompatiblen Metallen, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Bor, Schwefel,
Halogen, und Oxiden, Nitriden, Carbiden, Boriden, Sulfiden und Halogeniden von einem
oder beiden eines antimikrobiellen Metalls oder eines inerten biokompatiblen Metalls.
18. Antimikrobielles Material, wie dargelegt in Anspruch 17, wobei das antimikrobielle
Metall gewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Ag, Au, Pt, Pd, Ir, Sn, Cu, Sb, Bi und Zn
oder einer Legierung oder Verbindung davon, und wobei das inerte biokompatible Metall
gewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Ta, Ti, Nb, B, Hf, Zn, Mo, Si und Al.
19. Antimikrobielles Material, wie dargelegt in Anspruch 18, wobei das antimikrobielle
Metall gewählt ist aus Ag, Au oder Pd, und wobei das inerte biokompatible Metall
gewählt ist aus Ta, Ti oder Nb.
20. Antimikrobielles Material, wie dargelegt in Anspruch 17, umfassend im wesentlichen
reines Silbermetall, Silberoxid und eingefangene oder absorbierte Sauerstoffatome.
21. Antimikrobielles Material, wie dargelegt in Anspruch 17, 18, 19, oder 20, in der Form
eines nanokristallinen Pulvers mit einer Korngröße von weniger als etwa 20 nm oder in
der Form eines feinkörnigen Pulvers mit einer Korngröße von weniger als etwa 140 nm.
22. Antimikrobielles Material, wie dargelegt in Anspruch 17, wobei das antimikrobielle
Metall Silber oder eine Legierung oder Verbindung davon in einer kristallinen Form ist,
und wobei das Material dadurch gekennzeichnet ist, daß es ein positives Ruhepotential
aufweist, wenn gegen eine gesättigte Kalomel-Referenzelektrode gemessen wird, in 1 M
Kaliumhydroxid, und ein Verhältnis von seiner Umkristallisierungs-Temperatur zu seiner
Schmelztemperatur in Grad Kelvin (Trec/Tm) von weniger als 0,33 aufweist, und das bei
Kontakt mit einem Elektrolyten auf Alkohol- oder Wasserbasis Atome, Ionen, Moleküle
oder Cluster, welche Silber enthalten, auf einer verzögerten Basis in einer ausreichenden
Konzentration freisetzt, um einen lokalisierten antimikrobiellen Effekt vorzusehen.
23. Material, wie dargelegt in Anspruch 22, wobei das Material ferner dadurch
gekennzeichnet ist, daß das Verhältnis von seiner Umkristallisierungs-Temperatur zu seiner
Schmelztemperatur in Grad Kelvin (Trec/Im) weniger als etwa 0.3 beträgt.
24. Material, wie dargelegt in Anspruch 22, wobei das Material ferner dadurch
gekennzeichnet ist, daß es eine Umkristallisierungs-Temperatur von weniger als etwa 140ºC
aufweist.
25. Material, wie dargelegt in Anspruch 24, wobei das Material ferner dadurch
gekennzeichnet ist, daß es eine Korngröße von weniger als etwa 200 nm aufweist, oder wobei das
Material ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß es eine Korngröße von weniger als etwa
140 nm, z. B. weniger als 90 nm, aufweist.
26. Material, wie dargelegt in Anspruch 25, in der Form eines nanokristallinen Pulvers.
27. Material, wie dargelegt in Anspruch 26, in der Form (a) von im wesentlichen reinem
Silbermetall oder (b) eines Gemischs von im wesentlichen reinem Silbermetall und
Silberoxid oder (c) von im wesentlichen reinem Silbermetall und absorbierten,
eingefangenen oder reagierten Atomen oder Molekülen von Sauerstoff, und gegebenenfalls
auch einschließlich Silberoxid.
28. Verfahren zur Herstellung eines feinkörnigen antimikrobiellen Materials, gekennzeichnet
durch:
Abscheiden eines oder mehrerer antimikrobieller Metalle in einer Matrix mit Atomen
oder Molekülen eines unterschiedlichen Materials, in einer Pulverform, durch
Dampfabscheidung auf ein gekühltes Substrat, um ein kristallines Material mit atomarer
Unordnung bereitzustellen, so daß das Pulver in Kontakt mit einem Elektrolyten auf
Alkohol- oder Wasserbasis eine verzögerte Freisetzung von Ionen, Atomen, Molekülen
oder Clustern von mindestens einem der antimikrobiellen Metalle in den Elektrolyten auf
Alkohol- oder Wasserbasis bei einer ausreichenden Konzentration vorsieht, um einen
lokalisierten antimikrobiellen Effekt bereitzustellen, wobei das unterschiedliche Material
gewählt wird aus der Gruppe, bestehend aus inerten biokompatiblen Metallen, Sauerstoff,
Stickstoff, Wasserstoff, Bor, Schwefel, Halogenen und Oxiden, Nitriden, Carbiden,
Boriden, Sulfiden und Halogeniden von einem oder beiden eines antimikrobiellen Metalls
oder eines inerten biokompatiblen Metalls.
29. Verfahren, wie dargelegt in Anspruch 28, wobei das antimikrobielle Metall gewählt wird
aus der Gruppe, bestehend aus Ag, Au, Pt, Pd, Ir, Sn, Cu, Sb, Bi und Zn oder Legierungen
oder Verbindungen von einem oder mehreren dieser Metalle, und wobei das inerte
biokompatible Metall gewählt wird aus der Gruppe, bestehend aus Ta, Ti, Nb, B, Hf, Zn, Mo,
Si und Al oder Legierungen oder Verbindungen von einem oder mehreren dieser Metalle.
30. Verfahren, wie dargelegt in Anspruch 29, wobei das antimikrobielle Metall gewählt wird
aus Ag, Au und Pd, und wobei das inerte biokompatible Metall gewählt wird aus Ta, Ti
und Nb.
31. Verfahren, wie dargelegt in Anspruch 30, wobei Sauerstoff in der Arbeitsgasatmosphäre
während der Dampfabscheidung eingeschlossen ist, so daß Atome oder Moleküle von
Sauerstoff in der Matrix eingefangen oder absorbiert werden.
32. Verfahren wie dargelegt in Anspruch 31, wobei das antimikrobielle Metall, das
abgeschieden wird, im wesentlichen reines Silbermetall oder Silberoxid ist und wobei
Sauerstoff in der Arbeitsgasatmosphäre eingeschlossen sein kann, so daß das abgeschiedene
Material im wesentlichen reines Silbermetall und eines oder beides von Silberoxid und
Atomen oder Molekülen von eingefangenem oder absorbiertem Sauerstoff einschließt.
33. Verfahren wie dargelegt in Anspruch 30, 31 oder 32, wobei das Material als ein
feinkörniges Pulver mit einer Korngröße von weniger als etwa 200 nm, vorzugsweise
weniger als 140 nm, z. B. ein nanokristallines Pulver mit einer Korngröße von weniger als
etwa 20 nm, abgeschieden wird:
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