JP2007332040A

JP2007332040A - カーボンナノチューブを含む抗菌剤とそれを用いた材料及び製剤

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Publication number: JP2007332040A
Application number: JP2006162183A
Authority: JP
Inventors: Naoto Saito; 直人齋藤; Morinobu Endo; 守信遠藤; Masatomo Kawakubo; 雅友川久保; Seiichi Taruta; 誠一樽田
Original assignee: Shinshu University NUC
Current assignee: Shinshu University NUC
Priority date: 2006-06-12
Filing date: 2006-06-12
Publication date: 2007-12-27

Abstract

【課題】患者の診療の際に用いられる生体組織代替用抗菌材料や成形材料や輸送製剤に含有させることができる抗菌剤を提供する。さらに、この抗菌剤を含有しており生体に対する安全性が高く耐久性がある抗菌性の材料や、安全で抗菌性や薬物輸送特性がある製剤を提供する。
【解決手段】抗菌剤は、カーボンナノチューブからなる抗菌物質を含んでいる。生体組織代替用抗菌材料、抗菌成形材料、抗菌医薬製剤、又は薬物輸送製剤は、この抗菌剤を含有している。
【選択図】なし

Description

本発明は、患者に埋め込んだり患者の皮膚に縫合したりする生体組織代替用抗菌材料、診療に用いたり人体に挿入したりする無菌医療器具や日常生活で頻繁に触る日用品に用いられる抗菌成形材料、治療に用いる抗菌医薬製剤、病変へ特異的に抗菌剤を輸送させる薬剤に、含有させて、静菌や殺菌や抗カビ等の抗菌作用を発現させる抗菌剤、それを含有する材料や製剤に関するものである。

損傷した関節や骨を補強したり置換したりするため患者の体内へ埋め込む人工関節や人工骨、損傷した骨を接合して固定するプレート・髄内釘・スクリュー・ワイヤ等の骨接合固定具、火傷した患者の皮膚に縫合する人工皮膚、血管のバイパス手術で用いられる人工血管等の生体組織代替材料、又はカテーテルのような医療器具は、無菌であることが必要である。

とりわけ生体組織代替材料が人体に残存する場合、細菌で感染しないように抗生物質が投与されたり、免疫拒否反応を生じないよう免疫療法が施されたりする。生体組織代替材料は、患者の体内で一旦、細菌に感染してしまうと、完全に殺菌するのが困難で、重篤な炎症を惹き起こしてしまう。

このような生体組織代替材料のうち、特にポリエチレン製の人工関節や人工骨は、抗菌性が不十分で抗生物質投与や免疫療法を必要としたり、置換手術後にその摺動部位で骨融解を惹き起こす磨耗粉を生じ、又は、緩みや破損を生じ、又は細菌感染を生じて再手術を必要としたりする。

そのため、人体への置換手術前に無菌であると共に、極めて安全で、置換手術後に体内で抗菌性を発揮し抗生物質投与や免疫療法が不要で、しかも磨耗粉を生じず耐久性に優れた生体組織代替材料が、求められている。

生体組織代替用抗菌材料ほどの安全性が要求されない空調フィルターや筆記具用のラバー等の抗菌性日用品に、抗菌剤が含有されている。例えば、特許文献１に、二価金属イオンを含有する酸化物及び／又は水酸化物の固溶体である無機抗菌剤と、炭素系吸着剤とを含有する抗菌性製品が開示されている。従来の抗菌剤に代わり得る抗菌性の薬剤として、非特許文献１に、Ｃ_６０のフラーレン類が、記載されている。

特開２００３−４０７１８号公報デリナワイ．リヨンら(Delina Y. Lyon, et al.)、「エンバイロンメンタルトキシコロジーアンドケミストリー(Environmental Toxicology and Chemistry)」、2005年、第24巻、第11号、p.2757-2762

本発明は前記の課題を解決するためになされたもので、患者の診療の際に用いられる生体組織代替用抗菌材料や成形材料や抗菌医薬製剤や薬物輸送製剤に含有させることができる抗菌剤を提供することを、目的とする。さらに、この抗菌剤を含有しており生体に対する安全性が高く耐久性がある抗菌性の材料や、安全で抗菌性や薬物輸送特性がある製剤を提供することを、目的とする。

前記の目的を達成するためになされた特許請求の範囲の請求項１に記載の抗菌剤は、カーボンナノチューブからなる抗菌物質を含んでいることを特徴とする。

カーボンナノチューブは、例えば気相法により製造される高結晶性のカーボンナノファイバーの一種で、繊維径１〜数１００ｎｍで、繊維長１〜数１０００μｍの物質である。

請求項２に記載の抗菌剤は、請求項１に記載されたもので、前記カーボンナノチューブが、０．０１〜５００ｍｇ／ｍＬの濃度で懸濁され、又は０．００１〜５０重量％の濃度で分散されていることを特徴とする。

請求項３に記載の生体組織代替用抗菌材料は、請求項１に記載の抗菌剤が、人工関節、人工骨、骨接合固定具、人工歯牙、人工心臓、人工皮膚、人工血管、及び人工体液から選ばれる生体材料に含有され又は付されていることを特徴とする。

請求項４に記載の生体組織代替用抗菌材料は、請求項３に記載されたもので、前記生体材料が、前記人工関節、前記人工骨、前記骨接合固定具、又は前記人工歯牙であって、ポリエチレン、アルミナセラミックス、ジルコニアセラミックス、チタン合金、骨セメント、ハイドロキシアパタイト、リン酸カルシウムセメントから選ばれる少なくとも何れかで、形成されていることを特徴とする。

請求項５に記載の抗菌成形材料は、請求項１に記載の抗菌剤が、合成樹脂フィルム、合成樹脂組成物、織布、不織布、金属、合金、セラミックスから選ばれる成形素材に含有され又は付されていることを特徴とする。

請求項６に記載の抗菌医薬製剤は、請求項１に記載の抗菌剤と、分散剤及び／又は媒質とを含有していることを特徴とする。

請求項７に記載の薬物輸送製剤は、請求項１に記載の抗菌剤が、コラーゲン、生体分解性樹脂粒子、合成樹脂粒子、又はリポソームに含有されていることを特徴とする。

本発明の抗菌剤は、生体安全性が高く、静菌や殺菌や抗カビ等の抗菌作用に優れている。この抗菌剤は、人工関節等の生体組織代替用抗菌材料や、医療器具・医薬品・日用品等の成形素材や、医薬製剤・薬物輸送製剤等の原料に含有させて、それらに十分な抗菌性を発現させる。

この抗菌剤を含有する材料は、安全で耐磨耗性・耐久性と抗菌性とに優れる。とりわけこの抗菌剤を含有する生体組織代替用抗菌材料や製剤は、患者に施術したり投与したりしても安全でしかも抗菌性に優れている。

以下、本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。

本発明の抗菌剤は、カーボンナノチューブからなる抗菌物質を含む分散液である。

カーボンナノチューブは、平均繊維径８０〜１５０ｎｍ、平均繊維長１０〜２０μｍのものが好ましく、具体的には、気相法炭素繊維であって、平均繊維径８０ｎｍで平均繊維長１０〜２０μｍであるＶＧＣＦ、平均繊維径１５０ｎｍで平均繊維長１０〜２０μｍであるＶＧＣＦ−Ｈ（いずれも昭和電工株式会社製；ＶＧＣＦは同社の登録商標）が挙げられる。

カーボンナノチューブは、微細であって、凝集塊を形成し易いものである。そこで、抗菌剤は、カルボキシメチルセルロースナトリウムのようなイオン性界面活性剤、非イオン性界面活性剤等の界面活性剤を含んだ生理食塩水で、カーボンナノチューブを懸濁させた液状であることが好ましい。抗菌剤中で懸濁しているカーボンナノチューブの濃度は、０．０１〜５００ｍｇ／ｍＬであると一層好ましい。界面活性剤は、細菌培養に影響を及ぼさないように０．０４〜１．２５重量％のカルボキシメチルセルロースナトリウムであることが好ましい。

抗菌剤は、固体状であって、カーボンナノチューブと、それを分散させている媒質との混合物であってもよい。抗菌剤中で分散しているカーボンナノチューブの濃度は、０．０１〜５０重量％であることが好ましい。

なお、抗菌剤は、カーボンナノチューブである抗菌物質のみからなっていてもよい。

この抗菌物質を賦形剤のような粉末に分散させた粉体であっても、分散させてから成形した成形体であってもよい。このような固体の粉体や成形体中、カーボンナノチューブの濃度は、０．００１〜５０重量％であることが好ましい。

この抗菌剤が、抗菌作用を発現する作用機序の詳細は必ずしも明らかでないが、カーボンナノチューブが、細菌を吸着して不活性化したり、細菌の繁殖に必要な栄養を吸着して細菌の増殖を抑制したりするためであると、推察される。

本発明の生体組織代替用抗菌材料は、この抗菌剤が生体材料中に含有されたり、生体表面から一部露出したり、生体材料表面に塗布されて付されたりしたものである。

人工関節、人工骨、骨接合固定具、人工歯牙のような生体材料は、強度が強く磨耗粉を生じ難い超高密度ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）、人工関節とりわけその摺動面に使用されるアルミナセラミックスやジルコニアセラミックス、人工関節・骨接合材料・脊椎固定材料として用いられる整形外科治療用のTi-6A-4Vのようなチタン合金、人工関節を骨に付けるポリメチルメタクリレートセメントのような骨セメント、骨移植の増量材料・代用材料であるハイドロキシアパタイト、脊椎・橈骨遠位の骨折固定の増量材とするためコンドロイチン硫酸ナトリウムに入れて数分で硬化するリン酸カルシウムセメントが、挙げられる。又、生体材料は、ペースメーカーで例示される人工心臓に用いられる金属や樹脂、人工血管に用いられるポリエステル繊維やポリテトラフルオロエチレンフィルム、人工皮膚に用いられるポリビニルアルコールやコラーゲンも、挙げられる。

本発明の抗菌成形材料は、診療のためのカテーテル等の医療器具や、筆記具の滑止めのラバー・食器・衣料等の日用品の原材料として用いられるもので、合成樹脂フィルム、成型したりコーティングしたりする合成樹脂組成物、織布、紙等の不織布、金属、合金、セラミックスに含有されたり、塗布、噴霧により付されたりしたものである。

本発明の抗菌医薬製剤は、前記の抗菌剤と、分散剤及び／又は媒質とを含有したもので、液剤、顆粒剤、錠剤、散剤のいずれであってもよい。

本発明の薬物輸送製剤は、前記の抗菌剤が、コラーゲン、懸濁させたポリ乳酸のような生体分解性樹脂粒子、ポリスチレンビーズのような合成樹脂粒子、脂肪やリン脂質でできたリポソームに、含有されたもので、カーボンナノチューブを内包したり、一部露出させたりしたものである。必要に応じて治療剤が含有されていてもよい。

これらの材料や製剤中、カーボンナノチューブが、０．０１〜５００ｍｇ／ｍＬの濃度で懸濁され、又は０．００１〜５０重量％の濃度で分散されていることが好ましい。

以下に、本発明を適用する抗菌剤、それを用いた材料及び製剤を試作した例について説明する。

先ず、本発明を適用する抗菌剤の試験液と、本発明を適用外の抗菌剤の比較試験液とを調製し、抗菌性試験を行った例を、示す。

（抗菌剤の試験液１(Ａ)〜１(Ｃ)の調製例）
平均繊維径８０ｎｍで平均繊維長１０〜２０μｍのカーボンナノチューブであるＶＧＣＦ（昭和電工株式会社製）の８ｍｇ、４０ｍｇ及び２００ｍｇを、夫々生理食塩水の１０ｍＬに懸濁させ、調製例１(Ａ)〜１(Ｃ)の抗菌剤を調製した。

（抗菌剤の試験液２(Ａ)〜２(Ｃ)の調製）
試験液１(Ａ)〜１(Ｃ)中の生理食塩水に代えて、０．０５重量％のカルボキシメチルセルロース含有生理食塩水の１０ｍＬを用いたこと以外は、それら試験液の調製例と同様にして、試験液２(Ａ)〜２(Ｃ)の抗菌剤を調製した。

（抗菌剤の試験液３(Ａ)〜３(Ｃ)の調製例）
試験液１(Ａ)〜１(Ｃ)中の生理食塩水に代えて、ポリソルベートであるＴｗｅｅｎ８０を０．０５重量％含有する生理食塩水の１０ｍＬを用いたこと以外は、それら試験液の調製例と同様にして、試験液３(Ａ)〜３(Ｃ)の抗菌剤を調製した。

（抗菌剤の試験液４(Ａ)〜４(Ｃ)・５(Ａ)〜５(Ｃ)・６(Ａ)〜６(Ｃ)の調製例）
試験液１(Ａ)〜１(Ｃ)、２(Ａ)〜２(Ｃ)、３(Ａ)〜３(Ｃ)中のＶＧＣＦに代えて、平均繊維径１５０ｎｍで平均繊維長１０〜２０μｍのカーボンナノチューブであるＶＧＣＦ−Ｈ（昭和電工株式会社製）を用いたこと以外は、それら試験液の試験液と同様にして、試験液４(Ａ)〜４(Ｃ)、５(Ａ)〜５(Ｃ)、６(Ａ)〜６(Ｃ)の抗菌剤を調製した。

（比較試験液７(Ａ)〜７(Ｃ)・８(Ａ)〜８(Ｃ)・９(Ａ)〜９(Ｃ)の調製例）
試験液１(Ａ)〜１(Ｃ)、２(Ａ)〜２(Ｃ)、３(Ａ)〜３(Ｃ)中のＶＧＣＦに代えて、およそ同じ大きさの径１００ｎｍで骨親和性に優れると言われているアルミナセラミックス（大明化学工業株式会社製、商品名：タイミクロン）を用いたこと以外は、それら試験液の調製例と同様にして、比較試験液７(Ａ)〜７(Ｃ)、８(Ａ)〜８(Ｃ)、９(Ａ)〜９(Ｃ)を調製した。

（対照液１(ａ)〜１(ｃ)の調製例）
試験液１(Ａ)〜１(Ｃ)中のＶＧＣＦと生理食塩水とに代えて、Mueller Hinton培養液（栄研化学株式会社製）を用いたこと以外は、それら試験液の調製例と同様にして、対照液１(ａ)〜１(ｃ)を得た。

得られた抗菌剤の試験液と対照液とを用いて、抗菌性試験を行った。

なお、調製した各液は、オートクレーブにより１２１℃で１５分間加熱滅菌され、１ｍＬ注射器で１８ゲージ（Ｇ）の針を介して注入して、投与される。以下の液も同様である。

（抗菌性試験）
得られた抗菌剤の試験液と対照液とを、５０μＬずつ培養プレートのホールに別々に加えた。細菌である黄色ブドウ球菌(Staphylococcus aureus)を２０時間、前培養し、９．０×１０^８cell／ｍＬとした後、Mueller Hinton培養液で、２．０×１０^７cell／ｍＬに希釈し、細菌培養液とした。細菌培養液の５０μＬを、前記培養プレートの各ホールに添加し、夫々合計で１００μＬにした後、８時間インキュベーションを行った。生存する細菌が細菌数に比例して産生するＡＴＰに濃度依存して発光する薬剤であるBacTiter-GLO（プロメガ株式会社製；商品名）を、さらに前記培養プレートの各ホールに、１００μＬづつ加えた。撹拌後、遠心分離器にかけて、カーボンナノチューブ又はアルミナセラミックスと細菌とを沈殿させ、上澄液の発光度を測定した。夫々試験検体数ｎ＝３で行った。なお、比較のため、対照液を用い細菌培養液を添加しなかったこと以外は同様にして、発光度を測定した。

その結果を、表１、表２及び図１に纏めて示す。

表１、２及び図１から明らかな通り、カーボンナノチューブを含む抗菌剤である試験液は、カーボンナノチューブの濃度に依存して、優れた抗菌性を示した。特に界面活性剤としてカルボキシメチルセルロースナトリウムを共存させると、抗菌性が一層増強する。それに対し、アルミナセラミックスを含む比較試験液では、抗菌性を示さなかった。なお、カーボンナノチューブを分散させるのにＴｗｅｅｎ８０を用いた場合、かえって菌の増殖を促進しているので、Ｔｗｅｅｎ８０は分散剤として適当でない。

次に、本発明を適用するカーボンナノチューブを含む液剤である抗菌医薬製剤の試験液と、本発明を適用外の医薬製剤の比較試験液とを調製し、それを皮下組織に埋め込む生体適合性試験を行った例を示す。

（抗菌医薬製剤の試験液及び比較試験液の調製例）
カーボンナノチューブＶＧＣＦ（昭和電工株式会社製）と、生理食塩水とを混合し、１体積％の抗菌医薬製剤の試験液を調製した。又、カーボンナノチューブに代えて略同じ大きさのアルミナセラミックス（大明化学工業株式会社製、商品名：タイミクロン）を用いたこと以外は、同様にして、抗菌医薬製剤の比較試験液を調製した。

（生体適合性試験）
６週齢ddyマウスを、１０匹づつ３群に分けた。マウスの右背部を縦に切開し、皮下組織を剥離し、試験液を移植するため深さ３ｍｍのポケットを作製した。

第１群のマウスのポケットに、カーボンナノチューブを含有する抗菌医薬製剤の試験液５μＬを注入し、試験群とした。第２群のマウスのポケットにアルミナセラミックスを含有する製剤の比較試験液５μＬを注入し、コントロール群とした。第３群のマウスにポケットを作製した後、皮膚を縫合し、シャムオペレーション群とした。各群とも、１週間後と４週間後とに、５匹ずつ、ポケット周囲組織と共に皮下組織を摘出した。摘出した皮下組織を、固定、包埋後、ヘマトキシリンエオジン染色して組織標本を作製し、光学顕微鏡で観察した。さらに、同様にして作成した切片に、F4/80免疫染色を行い、マクロファージの集積を観察した。

その結果、コントロール群では、アルミナセラミックスの生体親和性が高いことに起因して、１週間後に、急性炎症細胞が殆ど認められず、マクロファージがアルミナセラミックスの周囲に僅しか認められなかった。又、４週間後に、炎症細胞が殆ど認められなかった。

未投与のシャムオペレーション群では、１週間後に急性炎症を示す好中球、リンパ球などの集積が殆ど認められなかった。又、４週間後に慢性炎症を示すリンパ球などの集積が殆ど認められなかった。

一方、カーボンナノチューブを含んだ抗菌医薬製剤を用いた試験群では、コントロール群やシャムオペレーション群と同様に、１週間後に皮下組織での急性、及び４週間後に慢性の炎症反応を惹起しておらず、異物反応が弱いことが分かった。マクロファージもコントロール群とほぼ同様に僅かである。従って、この抗菌医薬製剤は、安全性が高いものである。

次に、本発明を適用するカーボンナノチューブの抗菌剤を含んでいる薬物輸送製剤を調製し、それを用いて異所骨形成性試験を行った例を示す。

（薬物輸送製剤の調製例）
液状のＩ型アテロコラーゲン（セルマトリックス）（新田ゼラチン株式会社社製）の２ｍｇと、カーボンナノチューブＶＧＣＦ（昭和電工株式会社製；登録商標）０．７５μｇからなる抗菌剤とを１０μＬの１％界面活性剤入り生理食塩水に混合し、さらに骨形成タンパクｒｈＢＭＰ−２（ＢＭＰ）（Genetics社製）の５μｇを混合した後、凍結乾燥して、薬物輸送製剤をペレットとして調製した。なお、カーボンナノチューブＶＧＣＦを用いないこと以外は同様にして、対照の製剤を作製した。

（異所骨形成性試験）
この薬物輸送製剤及び対照の製剤を、夫々８週齢オスddyマウス背筋内に埋め込み、３週間後に、背筋内に形成された異所骨を周辺組織と共に摘出した。摘出した異所骨を、軟Ｘ線写真像で観察した。薬物輸送製剤を用いた異所骨は、対照の製剤を用いた異所骨よりも、大きな骨が形成されていた。しかも、炎症は認めらない。

なお、本発明を適用するカーボンナノチューブの抗菌剤を含んでいる生体組織代替用抗菌材料は、例えばこの抗菌剤と、ポリエチレン、アルミナセラミックス、ジルコニアセラミックス、チタン合金、骨セメント、ハイドロキシアパタイト、リン酸カルシウムセメント、金属、樹脂組成物、樹脂繊維、又は樹脂フィルムとを、混合し、必要に応じて人工関節、人工骨、骨接合固定具、人工歯牙の形状に成型したり、人工心臓、人工血管、人工皮膚に加工したりして、調製される。又、抗菌剤を含んでいる抗菌成形材料は、合成樹脂フィルム、合成樹脂組成物、織布、不織布、金属、合金、セラミックスから選ばれる成形素材に、この抗菌剤を、含浸させたり混練させたりして含有させ、又は塗布したり噴霧したりして付されることによって、調製される。

具体的には、カーボンナノチューブを分散および精製し、アルミナセラミックスと混合して焼結することにより、生体組織代替用抗菌材料であるカーボンナノチューブ・アルミナセラミックス複合材料を調製した。

本発明の抗菌剤は、人工臓器、医薬品、医療器具、日用品等の製品を製造する際にその原材料に含有させ、それら製品に抗菌性を付与するのに用いられる。

この抗菌剤は、安全で、しかも生体適合性が良いことから、人工関節、人工骨、骨接合固定具、人工歯牙、人工心臓、人工皮膚、人工血管、人工体液のような人工臓器用の生体材料に含有させて生体組織代替用抗菌材料を製造するのに用いられる。さらに、抗菌医薬製剤や薬物輸送製剤に含有させ、液剤、顆粒剤、錠剤、散剤のような医薬品としても用いられる。これらは、診療、とりわけ再生医療に有用で、整形外科手術や歯科治療の際に、用いられる。

又、この抗菌剤は、合成樹脂フィルム、合成樹脂組成物、織布、不織布、金属、合金、セラミックスのような成形素材に含有させ、それを加工し抗菌性を必要とする家電製品・衣服・食器・文房具等の日用品を製造するのに、用いられる。

本発明を適用する抗菌剤の試験液と本発明を適用外の比較試験液との抗菌性試験の結果を示すグラフである。

Claims

カーボンナノチューブからなる抗菌物質を含んでいることを特徴とする抗菌剤。
前記カーボンナノチューブが、０．０１〜５００ｍｇ／ｍＬの濃度で懸濁され、又は０．００１〜５０重量％の濃度で分散されていることを特徴とする請求項１に記載の抗菌剤。
請求項１に記載の抗菌剤が、人工関節、人工骨、骨接合固定具、人工歯牙、人工心臓、人工皮膚、人工血管、及び人工体液から選ばれる生体材料に含有され又は付されていることを特徴とする生体組織代替用抗菌材料。
前記生体材料が、前記人工関節、前記人工骨、前記骨接合固定具又は前記人工歯牙であって、ポリエチレン、アルミナセラミックス、ジルコニアセラミックス、チタン合金、骨セメント、ハイドロキシアパタイト、リン酸カルシウムセメントから選ばれる少なくとも何れかで、形成されていることを特徴とする請求項３に記載の生体組織代替用抗菌材料。
請求項１に記載の抗菌剤が、合成樹脂フィルム、合成樹脂組成物、織布、不織布、金属、合金、セラミックスから選ばれる成形素材に含有され又は付されていることを特徴とする抗菌成形材料。
請求項１に記載の抗菌剤と、分散剤及び／又は媒質とを含有していることを特徴とする抗菌医薬製剤。
請求項１に記載の抗菌剤が、コラーゲン、生体分解性樹脂粒子、合成樹脂粒子、又はリポソームに含有されていることを特徴とする薬物輸送製剤。