JP2010105939A - 抗菌製品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生体内のような暗所においても十分な抗菌性を発揮することの可能な酸化チタンを用いた抗菌製品及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明の抗菌製品は、金属又はセラミックスからなる基体と、その基体上の少なくとも一部に、結晶性アリカリチタネートナノファイバーからなる層を有する。本発明によれば、金属又はセラミックスからなる基体の少なくとも一部に、結晶性アリカリチタネートナノファイバーからなる層を設けることで暗所でも抗菌性を有する抗菌製品を提供することが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、医療用品や家庭用品等に使用される抗菌製品であって、暗所でも抗菌性を有する抗菌製品及びその製造方法に関する。

抗菌製品は、医療用品、家庭用品そして産業用品に広く使用されている。医療用品としては、例えば、疾病や外傷等の治療のために使用される人工骨や内固定具、または失われた関節機能を再建するために使用される人工関節、歯牙を再建するために使用される人工歯根などの金属製、セラミック製もしくはプラスチック製のインプラント、メスやカンシなどのチタン製手術器具、診断治療時に使用する口腔内ヘラのようなチタン製医療器具及び金属製、セラミック製もしくはプラスチック製の医療機器用部品、骨固定義手、義足等の金属製、セラミック製もしくはプラスチック製福祉用具等を挙げることができる。また、家庭用品としては、例えば、台所用品、トイレ用品、浴室用品など一般家庭の水周りで使用される金属製、セラミック製もしくはプラスチック製家庭用品を挙げることができる。また、産業用品としては、例えば、家屋や工場で使用されているチタン製水系配管や、金属製、セラミック製もしくはプラスチック製の設備装置用部品等を挙げることができる。

抗菌製品の一例として、整形外科用インプラントを例にとって説明する。整形外科で使用される人工関節は、変形性関節症など対して関節機能を再建できる有効な治療法であるが、人工関節表面に細菌が繁殖し、術後感染を発症することがある。これは人工関節表面に細菌が付着しやすく、また付着した細菌がバイオフィルムと呼ばれる生息域を形成するためである。この場合、抗菌薬（抗生物質）も効かなくなり、治療に難渋する。さらに骨髄炎を引き起こした場合には、人工関節を抜去、再手術が必要になり、時には患肢を切断せざるを得なくなることある。

この術後感染を予防する目的で、人工関節などのインプラント自体に抗菌性を付与させ
る研究開発が近年盛んに行われている。そのひとつとして、酸化チタンコーティングが検討されている。酸化チタンは光触媒作用を有し、所定領域の紫外光を受けて活性酸素を発生し、細菌を死滅させることができる。この酸化チタンを医療用具にコーティングしようとするものである。

例えば、特許文献１には、チタンまたはチタン合金からなる基材の表面を酸化して成る光触媒材料の製造法が記載されている。また、特許文献２には、酸化チタン系触媒層とその下面に設けた蓄光材層からなり、この蓄光材層が２００〜４００ｎｍの波長を含む励起光を照射し、励起光遮断後に発光して、酸化チタン光触媒層を活性化することによって、暗所においても抗菌作用、脱臭作用を発揮できる抗菌製品が記載されている。また、特許文献３には、結晶性アルカリチタネートのアルカリ成分を銀イオンで置換した銀チタネートコーティング部材が記載されている。
特許第３３７０２９０号公報 特開平１１−１２１１４号公報 国際公開第２００８／０８１８６１号パンフレット

特許文献１に記載の方法によれば、光触媒活性を有するアナターゼ型酸化チタンの光触媒活性を向上させることが可能である。しかし、触媒活性を発揮するには波長３８０ｎｍの紫外光が必要であり、生体インプラントのような埋植型の医療機器の使用条件すなわち紫外光の届かない生体内では、抗菌性を発揮することはできない。

また、特許文献２に記載の方法は、酸化チタン系光触媒層の下面に蓄光材層を備え、その蓄光材層からの発光により暗所でも酸化チタン系光触媒層による光触媒活性を得ようとするものである。しかし、蓄光材層に事前に２００〜４００ｎｍの紫外光を照射して蓄光させる必要があることから、そして定期的に蓄光させる必要があることからインプラントとして生体内に埋入するには手術的に無理がある。

また、特許文献３に記載の方法では、抗菌作用は、銀イオンによるものであり、銀は高価であることから製造コストが高く、また銀の溶出が終われば、抗菌性を失うという問題があった。

以上のように、従来の技術によれば、酸化チタンに抗菌性を発揮させるには、紫外光を直接的に又は間接的に照射する必要があり、暗所では抗菌性を発揮させることができないのが現状であった。

そこで、本発明は、生体内のような暗所においても十分な抗菌性を発揮することの可能な酸化チタンを用いた抗菌製品及びその製造方法を提供することを目的とした。

上記課題を解決するため、本発明の抗菌製品は、金属又はセラミックスからなる基体と、該基体上の少なくとも一部に、結晶性アリカリチタネートナノファイバーからなる層を有することを特徴とする。

また、本発明においては、上記アルカリチタネートに、チタン酸ナトリウム又はチタン酸カリウムを用いることができる。

また、本発明においては、上記基体に、金属チタン又はチタン合金を用いることができる。

本発明の抗菌製品は、例えば以下の方法を用いて製造することができる。すなわち、本発明の抗菌製品の製造方法は、金属チタン又はチタン合金からなる基体を、アルカリ水溶液中で１１０〜１８０℃の温度で２〜１００時間、水熱処理して、該基体上の少なくとも一部に結晶性アリカリチタネートナノファイバーからなる層を形成することを特徴とする。

また、別の製造方法は、金属又はセラミックスからなる基体の近傍に、チタン源材料を配置して、アルカリ水溶液中で１１０〜１８０℃の温度で２〜１００時間、水熱処理して、該基体上の少なくとも一部に結晶性アリカリチタネートナノファイバーからなる層を形成することを特徴とする。この製造方法では、上記基体と上記チタン源材料との間隔を１０μｍ〜１０００μｍとすることができる。

本発明において用いる暗所とは、市販の酸化チタン型光触媒を活性化する波長の光、すなわち近紫外線及び可視光（波長が３００〜８３０ｎｍの電磁波）がほとんど存在しない状態を言う。この状態はヒトの目には全くの暗黒であり、物を見ることはできない。

チタン系抗菌剤の内、光触媒活性(＝抗菌作用)が最も高いものはアナターゼ型酸化チタンであるが、光触媒活性を発揮するには、電子励起を可能にするバンドギャップ（３．２ｅＶ）のエネルギーが必要であり、これを満たす波長３８０ｎｍの紫外光の照射が不可欠である。そのため暗所で単独で作用できるチタン系抗菌剤は知られていない。

これに対し、本発明によれば、金属又はセラミックスからなる基体の少なくとも一部に、結晶性アリカリチタネートナノファイバーからなる層を設けることで暗所でも抗菌性を有する抗菌製品を提供することが可能となる。

結晶性アルカリチタネートナノファイバーが暗所で抗菌性を有するメカニズムは明確ではないが、本多・藤嶋効果としてよく知られている酸化チタン系光触媒反応が関与しているものと推定される。この場合、光触媒反応の暗反応として、暗所で電子の励起が起こり、励起した電子がナノファイバーの先端に集積して水と反応したりして、活性酸素種が発生して、抗菌性を示した可能性があると考えられる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明の抗菌製品は、金属又はセラミックスからなる基体と、該基体上の少なくとも一部に、結晶性アリカリチタネートナノファイバーからなる層を有することを特徴とするものである。

（基体）
本発明の抗菌製品に用いる基体は、金属又はセラミックスであれば特に限定されない。金属としては、例えば、鉄、アルミニウム、及びそれらの合金、チタン、チタン合金、コバルト・クロム合金、ニッケル・クロム合金、ステンレス鋼等を用いることができる。また、セラミックスとしては、例えば、アルミナ、ジルコニア、アルミナ・ジルコニア複合セラミックス等を用いることができる。

また、抗菌製品が生体インプラントである場合には、以下の基体を用いることができる。生体インプラントの基体には、ステンレス合金、コバルト・クロム合金、金属チタン、チタン合金、アルミナ、そしてジルコニア等を用いることができるが、金属チタン又はチタン合金が好ましい。チタン合金としては、アルミニウム、スズ、ジルコニウム、モリブデン、ニッケル、パラジウム、タンタル、ニオブ、バナジウム、白金等の少なくとも１種を添加した合金を用いることができる。好ましくは、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金である。なお、本発明において、生体インプラントとは、少なくともその一部が生体内に埋植されて使用されるものであり、人工歯根、人工骨、内固定具、そして人工関節等が含まれる。

本発明で用いる結晶性アルカリチタネートナノファイバーとは、チタン系基材をアルカリ水溶液を用いた水熱反応により、チタン系基材の表面に生成する直径１ｎｍ〜１００ｎｍの結晶性アルカリチタネートの繊維である。

アルカリチタネートはチタン酸のアルカリ金属塩であり、チタン系基材にアルカリ水溶液を作用させると生成するものである。例えば、アルカリ水溶液に水酸化ナトリウム水溶液を用いた場合には、チタン酸ナトリウムが生成し、水酸化カリウム水溶液を用いた場合にはチタン酸カリウムが生成する。

また、結晶性のアルカリチタネートとは、結晶構造を有するチタン酸アルカリ金属塩であり、所定の条件でのアルカリ水熱処理により生成する。

（製造方法）
本発明においては、チタン系基材を用い、アルカリ水溶液中で、高温高圧水を用いる、いわゆる水熱処理を行う。

反応温度は、１１０〜１８０℃、より好ましくは１５０〜１７０℃である。温度が１１０℃より低いと結晶性が低下し、温度が１８０℃より高いと抗菌作用が得られなくなるからである。

反応時間は、一般に２〜１００時間であり、好ましくは１０〜５０時間である。反応時間を長くすると、膜厚をより大きくすることができる。したがって反応時間を変化させることにより、結晶性アルカリチタネートナノファイバー層の膜厚を制御することができる。膜厚は０．１〜５０μｍ、より好ましくは１〜２０μｍである。０．１μｍより薄いと十分な抗菌性が得られず、５０μｍより厚いと剥離し易くなるからである。

本発明における水熱処理に用いるアルカリ水溶液としては、水酸化ナトリウム水溶液や水酸化カリウム水溶液を用いることができる。ナノファイバーを生成させるために、好ましい水酸化ナトリウム水溶液の濃度は２ｍｏｌ／Ｌ〜９ｍｏｌ／Ｌである。濃度が２ｍｏｌ／Ｌより低いとナノシートが生成し易く、９ｍｏｌ／Ｌより高いとナノチューブが生成し易くなるからである。ナノシートやナノチューブは、暗所では抗菌性を有しない。

チタン系基材としては、金属チタンやチタン合金を用いることができる。チタン合金としては、例えばＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｎｂ−１Ｔａ合金、Ｔｉ−１５Ｚｒ−４Ｎｂ−４Ｔａ合金、Ｔｉ−６Ａｌ−７Ｎｂ合金、Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ合金、Ｔｉ−１３Ｎｂ−１３Ｚｒ合金、Ｔｉ−１２Ｍｏ−６Ｚｒ−２Ｆｅ合金等を挙げることができる。

本発明の製造方法では、上記のように水熱処理によりチタン系基材の表面に結晶性アルカリチタネートナノファイバーを形成する方法のみならず、非チタン系基材の近傍にチタン源材料を配置して水熱処理を行うことにより、チタン源材料から溶出したチタンを含むイオンがアルカリチタネートとして非チタン系基材上に析出させて結晶性アルカリチタネートナノファイバー層を非チタン系基材の表面に形成する方法を用いることもできる。ここで、非チタン系基材の近傍にチタン源材料を配置した状態とは、非チタン系基材とチタン源材料との間に液相が存在する程度の間隔、例えば１０μｍ〜１０００μｍの間隔を有している状態をいう。この状態を実現するには、例えば、非チタン系基材とチタン源材料との間に上記の間隔に相当するスペーサーを設けてから非チタン系基材とチタン源材料を重ねて適当な部材で固定する方法や、非チタン系基材又はチタン源材料の一方に上記の間隔に相当する外径のワイヤーを巻き付けてから、非チタン系基材とチタン源材料を重ねて適当な部材で固定する方法が挙げられる。また、チタン源材料からなる鋳型又はチタン源材料の箔が貼り付けられた鋳型を用い、その鋳型中に非チタン系基材を上記の間隔を形成するように嵌着して用いることもできる。

非チタン系基材としては、上述の基材において、金属チタン又はチタン合金以外のものを用いることができる。また、チタン源材料には、金属チタンやチタン合金を用いることができる。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
実施例１
（試験片作製）
２０ｍｍ×２０ｍｍ×２ｍｍの純チタン板をエチルアルコールにて脱脂洗浄後、４ｍｏｌ／Ｌの水酸化ナトリウム水溶液２０ｍｌと共に水熱反応容器に入れ、１６０℃のオイルバス中にて所定の時間（２０時間）反応させた。反応終了後、試験片を取り出し、試験片を蒸留水でｐＨが中性付近になるまで繰り返し洗浄を行った。洗浄後、１０℃以下で一晩乾燥させた。

（抗菌試験）
ＪＩＳ Ｚ ２８０１「抗菌加工製品−抗菌性試験方法・抗菌効果」に準拠して抗菌性評価を行った。ただし、本抗菌部材の生体内での使用を想定し、生体環境を模擬する目的で培地は１／５００普通ブイヨン培地の代わりに牛血清を使用した。また、培養温度も３５℃から３７℃に変更した。培養は暗所にて２４時間行った。

比較例１
水熱処理を行わない純チタン板をついて実施例１の抗菌試験を行った。

（結果）
図１に、結晶性アルカリチタネートナノファイバー層のＳＥＭ写真、そして図２にＴＥＭ写真を示す。ナノファイバーの直径は数十ｎｍ程度である。また、図３は、結晶性アルカリチタネートナノファイバーのＸＲＤパターン、図４はＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線）スペクトルを示す。これより、ナノファイバー層はＮａ_２Ｔｉ_６Ｏ_１３であると推定される。また、抗菌活性値Ｒを図５に示す。これにより、結晶性アルカリチタネートナノファイバー層を有する実施例１の試験片が、比較例と比べ暗所にて顕著に高い抗菌活性を有していることがわかった。これより、本実施例で用いた試験片１は、生体内のような光が届かないところにおいても、抗菌性能を発揮でき、術後感染症の予防のみならず、感染症の治療にも有効であると考えられる。

本発明の実施例で用いた結晶性アルカリチタネートナノファイバー層のＳＥＭ写真の一例である。 本発明の実施例で用いた結晶性アルカリチタネートナノファイバー層のＴＥＭ写真の一例である。 本発明の実施例で用いた結晶性アルカリチタネートナノファイバー層のＸＲＤパターンの一例である。 本発明の実施例で用いた結晶性アルカリチタネートナノファイバー層のＥＤＸスペクトルの一例である。 本発明の実施例の抗菌活性値を示す図である。

Claims (6)

1. 金属又はセラミックスからなる基体と、該基体上の少なくとも一部に、結晶性アリカリチタネートナノファイバーからなる層を有する抗菌製品。
2. 上記アルカリチタネートが、チタン酸ナトリウム又はチタン酸カリウムである請求項１記載の抗菌製品。
3. 上記基体が、金属チタン又はチタン合金である請求項１又は２に記載の抗菌製品。
4. 金属チタン又はチタン合金からなる基体を、アルカリ水溶液中で１１０〜１８０℃の温度で２〜１００時間、水熱処理して、該基体上の少なくとも一部に結晶性アリカリチタネートナノファイバーからなる層を形成する抗菌製品の製造方法。
5. 金属又はセラミックスからなる基体の近傍に、チタン源材料を配置して、アルカリ水溶液中で１１０〜１８０℃の温度で２〜１００時間、水熱処理して、該基体上の少なくとも一部に結晶性アリカリチタネートナノファイバーからなる層を形成する抗菌製品の製造方法。
6. 上記基体と上記チタン源材料との間隔が１０μｍ〜１０００μｍである請求項５記載の製造方法。

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