JP2010540779A - 殺生物特性を持つ金属の製造方法 - Google Patents

Abstract

酸性溶液と接触させて金属物体を陽極酸化し、次いで該陽極酸化された金属物体を反転された電圧（該陽極酸化電圧と比較して）の作用に付すことにより、該金属物体を処理する。次いで、このようにして処理された該金属物体を、殺生物性金属含有溶液と接触させる。殺生物性金属を該金属物体の表面に充填させることにより、殺生物特性が改善する。

Description

本発明は、金属に殺生物特性を与えるために、該金属を処理する方法に関する。特にかつ排他的でなしに、本発明は、身体の上にまたは身体の内部に配置された金属または金属物体に身体が接触した際に起こる、該身体の炎症（刺激）または感染を減じる目的で使用することのできる、処理された金属に関する。

金属物質は、多数の状況において、例えばインプラントを使用する外科手術において、身体との接触状態に置かれ、これらのインプラントは、軟組織であれ、硬質組織であれ、身体内の組織内に挿入される。骨の癌治療の場合においては、例えば癌に冒された骨組織が除去され、また補綴金属インプラントが、該除去された骨の該当部分と置換するために使用される。インプラントは、関節（例えば、股関節）の骨を部分的又は完全に置換するためにも用いられ、例えば歯科学的および顎顔面の外科手術などの他の分野においても用いられる。上記（および他の）用途用のインプラントは、チタン金属またはチタン合金製のものであり得る。チタン金属およびチタン合金は、生体適合性であり、かつ比較的強度が高く、しかも比較的軽量である。

更に、金属は、ジュエリー産業においても人体と接触することになる。多くのジュエリー類は、金等の純粋な金属を用いる場合よりも安価な金属合金から作られている。しかし、ジュエリー類の場合、金属合金は、不純物を含んでおり、該不純物が汗に含まれる水分と反応し得るという欠点を有している。また、該汗の中に塩素イオンが存在するために、該金属合金のピッチング（ｐｉｔｔｉｎｇ）が起こる可能性があり、これがバクテリアの蓄積する場所を作り出し、その結果、該金属合金が損傷を受けた皮膚と接触すると皮膚感染を引き起こす可能性がある。炎症および感染は、身体に穴を開けるジュエリー類に対してのみならず、着用者が敏感肌の場合には、皮膚と接して位置するジュエリー類に対しても起こる可能性がある。

理解できるように、上記医療並びにジュエリー類の両分野において、身体組織と接触する金属を用いることは、感染の原因となり、あるいは感染が生じる危険を冒すことになる。これら両者の分野においては、金属銀を、金属上に電気めっきしてもよいことが提案されている。銀は殺生物特性を持つことが知られており、また銀は、対象に対して有毒作用を引き起こすことなく感染を抑える。しかし、このようなコーティングは、体液による腐食および／またはインプラント表面の不動態化（ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ）のために、その効力が弱められる可能性があり、その結果、該コーティングが該金属から分離し、これにより磨耗量が増加し、銀を含む分離した粒子による組織損傷を招く恐れがある。

本発明は、感染の危険性を減じることのできる、耐摩耗性と殺生物特性を併せ持つ、陽極酸化された金属物質を提供することにより、従来技術に関連する問題点の克服を試みるものである。本発明は、またバイオフィルム形成を防止する際にも用いることが出来る。本発明は、医療分野、ジュエリー産業を含む多くの技術分野、および、例えばある個人がペンを使用したり、刃物類若しくはその他の家庭用若しくは工業用物品を扱ったり、眼鏡を身に付けたりする際に金属が身体と接触し得るその他の技術分野に適用でき、並びに、本発明は、感染の恐れを最小化する必要のあるヘルスケア工業にも適用することができる。実際に、本発明は、本発明の方法に従って陽極酸化された金属物品が、皮膚または身体組織と接触することになるあらゆる分野に適用でき、特に本発明は、チタンまたはその合金等の金属で形成された金属物品に対して適用できる。

本発明の第一の態様によれば、金属物体上に、該金属物体と一体化した表面層であって殺生物性物質を含む表面層を生成するように、金属物体を処理するための方法であって、以下の工程（ａ）〜（ｄ）を有する方法が提供される：
（ａ）該表面層に対する基板を与えることになる該金属物体を、溶媒を含有する陽極酸化性電解質に浸漬し、該金属を不動態化して、該金属物体上に陽極酸化された一体化表面層を形成する工程；
（ｂ）電位を加え続けて、該一体化表面を貫通して該基板内部に至るピットを生成する工程；
（ｃ）以下の（ｉ）〜（ｉｉｉ）のいずれか：
（ｉ）該陽極酸化性電解質との接触状態を維持しつつ、前記工程（ａおよびｂ）中に陽極酸化された該金属物体に負の電圧を加えること、
（ｉｉ）前記工程（ａおよびｂ）中に陽極酸化された該金属物体を、チタンまたは該基板金属の還元性で可溶性の塩を含有する電解質溶液と接触させ、かつ負の電圧を加えること、又は
（ｉｉｉ）該金属物体を、前記工程（ａおよびｂ）の後に、化学的還元剤と接触させること、
によって含水金属酸化物を生成する工程、および
（ｄ）前記工程（ｃ）において得られた該陽極酸化された金属物体を、該陽極酸化性電解質液、該電解質溶液または化学的還元剤から取出し、またはこれらから分離し、かつ該陽極酸化された金属物体を、殺生物性物質を含む溶液と接触させて、該殺生物性物質を、該表面層内に組み込む工程。

上記工程（ｃ）において、含水金属酸化物に加えて、またはその代わりに、リン酸塩が生成され得ることも想定されている。
殺生物性物質含有溶液と接触させる前に、該インプラントを濯いで、陽極酸化性電解質を除去することが好ましい。

上記工程（ａ）および（ｂ）における陽極酸化処理後、該表面ピット内に含まれる溶液が、該基板金属のペルオキシカチオン性錯体を含み得ることも想定されており、該錯体は、上記工程（ｃ）（ｉ）において、制限された溶解度を持つ含水金属酸化物に電気化学的に還元され得る。また、該工程（ｃ）（ｉｉ）における該電解質溶液が、該ピット内で電気化学的に含水チタニアに還元され得るペルオキシカチオン性錯体、好ましくはペルオキシチタニルを含み得ることも想定されている。例えばチタンを含む物体を陽極酸化し、該陽極酸化溶液から該金属物体を取り出した後、ペルオキシチタニル等の物質が金属物体表面内の該ピット内及び還元溶液中に運ばれ、そこで該工程（ｃ）（ｉｉｉ）において含水チタニアに還元されるであろう。

含水金属酸化物が生成される化学的な還元の場合において、上記化学的還元剤は、以下の１種以上から選択してもよい：亜硫酸ナトリウム、第一鉄塩（塩化物若しくは硫酸塩）、亜硝酸ナトリウム、塩化若しくは硫酸第一スズ、塩化若しくは硫酸第一クロム、硫酸第一バナジウム、ヒドラジン、ボロハイドライド、または好ましい条件下ではアセトン若しくはホルムアルデヒドであってもよい。

電圧の反転と同様に、添加された化学還元剤を含む該電解質溶液を使用すると、含水金属酸化物が生成され、これらの酸化物は大きな表面積を持つ。この大きな表面積により、殺生物性物質として使用できる銀等の物質とのイオン交換が増大する。

好ましくは、上記工程（ｂ）において、ピットが該表面層を貫通し、上記基板金属内部に形成されるまで該金属物体は陽極酸化され、また上記工程（ｄ）において、該殺生物性物質は該ピット内に組込まれる。不動態化の初期プロセスを含む工程、即ち表面フィルムを成長させることにより、ピット形成（ピッチング）のための表面を調製する工程（ａ）と、その後の、該表面自体にピット形成する工程（ｂ）とを有する二段階のプロセスがある。

陽極酸化処理中に加えられる最大電圧は、該不動態酸化フィルムの厚みを規定し得る。その後に加えられるより低い電圧は、該フィルムの厚みに影響を与えなくともよい。

不動態化処理中の電圧は、限界値まで時間の経過に伴い直線的に増大する電圧として加えてもよい。あるいは最大限度まで段階的に増大する若しくはその後のより低い値まで段階的に減少する電圧を加えてもよい。また、複数の不動態化処理を使用することも想定されており、ここでピット形成用の該金属表面を作り出すために電圧は繰返し印加される。これら様々な型の電圧印加は、全て本発明の電圧印加の定義内に入る。

上記工程（ｄ）に移る前に、該陽極酸化された金属を濯いで、残留している電解質（電解液）を除去し、次に引続き上記殺生物性金属イオンを含む溶液と接触させて、該金属物体上の表面層内の該殺生物性金属イオンの組込みを最大にする。この濯ぎは、水または任意の適当な溶媒を使用して行うことができる。

上記工程（ａおよびｂ）の陽極酸化処理中、該金属には正の電圧が印加される。上記工程（ｃ）の処理（ｉ）または（ｉｉ）中、該金属には、電圧が逆向きに印加され、即ち該電圧は反転されるが、これは該工程（ｃ）に関連して本明細書において言及した負の電圧である。この電圧の反転は、該ピット生成のために使用された上記工程（ｂ）の終了後に起こることが好ましい。「ピット」とは、上記殺生物性物質を貯蔵できるウエルまたは貯留槽（ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ）を意味する。該陽極酸化及びこれに続く工程の結果として、該金属物体は、該表面から成長した、陽極酸化層でできている硬い外表面（これは一般的に約０．３〜１．０μｇ／ｃｍ²のＡｇを吸着し得る）を持ち、銀イオン等の該殺生物性物質のさらなるイオンを受け取ることのできるピットがこの層の表面内に分散している。該殺生物性物質を受け取る該ピット内に含まれるマトリックスは、該陽極酸化された表面と比べて比較的柔軟かつ多孔質であってよく、従ってより高い銀の貯蔵能力という最適特性と、より固い陽極酸化された表面を形成する物質とを組み合せてもよい。

該殺生物性物質は、殺生物性金属を含むことができ、特に該殺生物性金属は銀である。例えば身体内の所定部位に栄養分を放出することもできる、含水チタニア表面上に吸着したタンパク質コロイドなどのコロイド型の殺生物性物質を用いてもよいことが想定されており、これを用いることはインプラントが配置されている身体部分が治癒される助けとなり得る。

上記工程（ａ）における正の電圧は、１５〜２００Ｖ（ボルト）であってよいが、典型的には、３０Ｖ〜１５０Ｖなる範囲内であり、あるいは高い破壊電圧（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）を有する電解質、例えばホウ酸リチウムにおいては７５０若しくは２，０００Ｖまでもの範囲である。有用であると考えられている電圧は、例えば３５Ｖ又は１００Ｖであり、これらはインプラントの分野において特に有用である。所望の厚み、硬さおよび色彩を持つ不動態層の成長（工程（ａ））後、ピットは、別の工程として、様々な電解質中恐らく低電位で、例えば２．１ＭのＨＰＯ₄中１００Ｖの電位で該表面内に成長されてよく、その後電解還元工程を行ってその場所に含水チタニアを生成する。

該負電圧の大きさは、該溶媒の電解を引き起こすには不十分な値となるように維持または調節されてよい。該負電圧の大きさは、所定の時間、還元電流が通過することを介して、該表面の吸収能力に影響を及ぼし、通過した電荷は吸着剤マトリックスの生成に直接関連し、従ってその後金属物体の表面に組み込まれる殺生物性物質（例えば、銀等の金属）の量と直接関連する。該負電圧の大きさが所定期間にわたって極めて低い場合、その後に組み込まれる該殺生物性物質の量は、所望レベルの殺生物特性を得るには不十分となる可能性があるが、この問題を解消するためにより長い時間このプロセスを継続してもよい。このバランスにより、殺生物／静菌効果を生じるのに必要とされるレベルの殺生物性物質を生成する負電圧が供給され、商業的に実行可能な期間内で該物質を有する負電圧が供給される。該還元電流をモニターすることによって、該電解質の電解を引き起こすことがない一方で、所定量の殺生物性金属をその後に該金属物体の表面に組込むことの出来る負電圧の大きさを決定することが可能である。

少なくとも、該金属物体を流れる電流が、所定の吸着能を生成するのに十分な電荷の通過を引き起こすまで、該負電圧を印加することができる。典型的には、この電流は、その初期値の８０％未満まで、より典型的にはその初期値の６０％以下まで降下するであろう。しかし、該工程が、より長い期間、例えば最大２分の間続行してもよい場合には、２０％までの電流値を使用することができる。

好ましくは、該殺生物性物質（例えば、銀等の金属）は、イオンの形態で溶液中に与えられる。該殺生物性金属は、銀であっても又は銀を含んでいてもよいが、他の金属を銀に加えて又は銀の代替物として使用してもよい。

該金属物体の中の金属は、チタンを含んでいてもよく、ニオブ、タンタル若しくはジルコニウム又はこのような金属を含む合金を含んでいてもよい。

上記陽極酸化は、より希薄な溶液を生成して、該溶液のｐＨを所定範囲内に調節することを目的として、希釈剤中に溶解された（好ましくはリン酸を含む）液状電解質を用いて実施してもよい。該電解質は、溶媒として水を含んでもよい。他の電解質、例えば硫酸、リン酸塩溶液または酢酸を使用してもよい。水酸化ナトリウム等のアルカリ性電解質を使用してもよい。これらの電解質は、希釈状態にあることが好ましく、例えば２．１ＭのＨ₃ＰＯ₄、０．１ＭのＨ₂ＳＯ₄である。

好ましくは、該陽極酸化工程の間、金属物体の表面に対する、陽極酸化中の該電解質の運動または循環は、少なくとも微小のピットが上記表面層を貫通して形成される期間（ｂ）中は抑制または抑止される。但し、高電流が流れている上記不動態化段階（ａ）中は、穏やかに攪拌することが望ましく、これにより局所的な加熱作用の発生が最小化される。これは、単一のアイテムに対するプロセス均一性や、同時に処理されるユニットの集合体間のプロセスの均一性を改善する上で有益である。例えば、該ピットの生長期間（ｂ）中、該電解質の攪拌を行わないことが好ましく、および／または電解質の運動を防止若しくは減じるための手段（例えば、バッフル、若しくは該電解質の粘度を高めるためのゲル化剤等の添加剤）を使用してもよい。微細なピットが該陽極酸化された表面層を貫通して該基板金属内に形成される、該陽極酸化工程（ｂ）の一部期間中、該金属の表面に対して、該電解質が運動または循環されない場合には、高レベルの含水金属酸化物（例えば、含水酸化チタン）が生成されることを見出した。また、より高レベルの殺生物性金属を、このようにして陽極酸化した表面上の部位に組込むことができ得られた金属物体を使用しても有害な作用を引き起こさないことをも見出した。

該リン酸は、０．０１Ｍ〜５．０Ｍの範囲内の濃度を有していてもよく、典型的には０．１Ｍ〜３．０Ｍ、特には２．０Ｍの濃度を有していてもよい。医学分野において使用される該リン酸濃度としては、０．０５〜５．０Ｍ、例えば１．０〜３．０Ｍであり、またジュエリー産業においては、０．０１Ｍ〜５．０Ｍである。好ましくは、酸性電解質のｐＨは、０．５＜ｐＨ＜２．０の範囲内、より理想的には０．７５＜ｐＨ＜１．７５の範囲内に維持すべきである。

アルカリ性電解質を使用する場合、そのｐＨは、７よりも高く、好ましくは９よりも高く、典型的には、該ｐＨ値は、１０〜１４の範囲内にある。該アルカリ性電解質は、Ｎａ₃ＰＯ₄等のリン酸塩であり得る。

例えば、チタンを含む医療用インプラントの場合、該リン酸のモル濃度が２．０Ｍである場合には、該負電圧は、Ａｇ／ＡｇＣｌ標準参照電極に対して、−０．２〜−０．７Ｖなる範囲内の大きさを有していてもよい。Ａｇ／ＡｇＣｌ標準参照電極に対するこの電圧範囲は、−０．７Ｖ未満における水溶媒の電解を回避するために選択されると考えられる。これより小さな負電圧（例えば、−０．１Ｖ）を用いる場合には、微小還元電流が通過するため、加工された金属における銀の充填（ｌｏａｄｉｎｇ）量がより少ないという作用を有し、従って殺生物特性が減少する。
他の金属基板または陽極酸化電解質を、リン酸、硫酸または酢酸の代わりに使用する例において、ｐＨの変化や、更には温度等の要因により、負（即ち、逆）電圧の大きさを、所望の効果を与えるように、調節する必要があってもよい。

該陽極酸化された金属物体は、溶媒（例えば、水）で処理（例えば、濯ぎ）して、上記のイオン交換を行う前に電解質および可溶性カチオンを除去してもよい。

該金属物体の幾何学的表面積は、コンピュータ援用設計（ＣＡＤ）、カリパス、マイクロメータおよび定規等の標準的な測定デバイスを、処理すべきアイテムの幾何学的モデルと組合せて用いるなどの従来手段や、レーザースキャニング等のより高度な光学的方法により、測定することができる。しかし、この測定は、該金属の微視的な表面の特徴または表面粗さ（凹凸）を考慮していない。この微視的表面積は、上記陽極酸化工程中に通される電荷の量（例えばクーロン／ｃｍ²）を求め、かつその量を制御する上で重要な要因である。該微視的表面積は、例えば該金属物体（例えば、整形外科用インプラント）を電解質中に浸漬し、その二重層キャパシタンスを測定し、同じ温度および電解質濃度条件下でこれを較正された標準（ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ ｓｔａｎｄａｒｄ）と比較することにより求めることができる。従って、微視的表面積当たりの電荷または電流（例えばクーロン／ｃｍ²またはｍＡ／ｃｍ²）は、一般的に該陽極酸化工程の制御に用いられる。幾何学的表面積に対する微視的表面積の比は、表面粗さファクタとして知られており、一方の面積を他方の面積に変換するのに利用できる。例えば、幾何学的表面積基準で１０μｇ／ｃｍ²なる銀の充填は、２の粗さファクタに対して、微視的表面積基準で５μｇ／ｃｍ²なる銀の添加量に相当すると考えられる。単位幾何学的表面積（例えばμｇ／ｃｍ²）当たりの銀の充填が、一般的に整形外科用インプラント用に用いられる。

上記陽極酸化は、０．１〜１００ｍＡ／ｃｍ²の範囲内、好ましくは０．１〜５０ｍＡ／ｃｍ²、より典型的には１〜１０ｍＡ／ｃｍ²、例えば５ｍＡ／ｃｍ²またはその近傍の最大電流密度を用いて行ってもよい。これにより、不動態化に要する時間が決まる。即ち、該電流が著しく低い値まで降下する場合には、印加電位を０から最大値（例えば、１００Ｖ）に高める。あるいは、印加電圧が時間の経過と共に直線的に増大し、あるいは階段状の電圧が、該不動態化期間を調節するために印加される場合、これは、次のピット成長段階（ｂ）に影響を与えることになろう。概説すると、典型的には、該工程のピット成長期間部分において使用される、不動態化電流密度の初期値は、典型的には０．０５〜０．５ｍＡ／ｃｍ²なる範囲内にあり、またこの段階の終了時点における電流密度は、典型的に０．２〜２．０ｍＡ／ｃｍ²なる範囲内にある。

該陽極酸化（上記工程ａおよびｂ）のために使用される電荷量は、１〜１０クーロン／ｃｍ²なる範囲、例えば２〜５クーロン／ｃｍ²なる範囲内であってもよい。陽極酸化電流は、０．５〜８時間なる期間、より特定的には１〜６時間なる期間、例えば２〜４時間という期間中、流されてもよい。

少なくとも、該金属物体を流れる該電流が、その印加の際の初期還元電流に対して低い値、例えば好ましくはその初期値の２０％以下（例えば、ゼロに収斂または実質的にゼロ）に降下するまで、該負電圧を該金属物体に印加してもよい。概して、典型的には、このプロセスにおいて使用される該還元電流密度の初期値は、０．０５〜２．０ｍＡ／ｃｍ²なる範囲にあり、また該還元電圧段階の終了時点における該電流密度値は、０．０１〜０．４ｍＡ／ｃｍ²なる範囲にある。該電流が適切に低い値に降下するまで該負電圧を印加する際の時間は、３００秒未満であってよく、通常は１２０秒未満であってよい。

本発明は、本明細書の後にある請求の範囲の１またはそれ以上の請求項に特定される、金属物体の処理方法をも提供する。

本発明の他の態様によれば、上に記載され、また以下に説明される方法によって得られる金属物体が提供される。

該金属物体は、インプラント、医療用器具若しくはデバイス又はジュエリー類の形状であってもよい。特に、医療用器具またはデバイスの場合、金属物体は身体と接触することになる任意の型のデバイスまたは器具、例えばペースメーカー、ステント、皮膚ステープル、メス、トロカール、骨用のピン、更には外科手術中に使用されるメスまたは組織クランプなどの医療器具をも含むことができる。

該金属物体は、動物であれヒトであれ、該物質と接触することになる個体に有害な作用を及ぼすことなく感染を抑制および／または制御するのに望ましい殺生物特性を持つ。

本発明によるインプラントは、多くの医療および外科学的目的で使用することができ、完全なおよび部分的な股関節の交換、顎顔面、外傷、矯正及び整形外科用途において有用なインプラント、関節鏡検査デバイス、歯科インプラント、神経学的装置、並びに心血管および一般的な外科手術において使用される部品（例えば、ステープル、釘及びピン）を包含する。

本発明による金属物体から作ることのできるジュエリー類は、あらゆる型のジュエリー類を含むことができる。該ジュエリー類は、リング、ネックレスおよびブレスレット等の従来のジュエリー類であり得、あるいは該ジュエリー類は、身体の開口内に保持される型のもの、例えば経皮的に身体につけるジュエリー類、即ち身体を貫通するジュエリー類、例えばイアリング、臍リング、並びに、口唇、頬等の身体の他の肉質部分を貫通して挿入されるリングであり得る。

本発明による該インプラントまたはジュエリー類を製造するのに用いてもよい金属は、チタンまたはチタン合金であってもよい。この目的で使用される一種の標準的な合金は、９０％のチタンと、６％のアルミニウムと、４％のバナジウムとを含むもの（英国基準７２５２）である。あるいは、該金属は、ニオブ、タンタル若しくはジルコニウム、又はこれら金属の合金を含んでいてもよい。

身体を貫通するインプラントまたはジュエリー類については、該物質の表面が、陽極酸化により上記表面層を製造する前に、高度に研磨されていることが望ましい可能性がある。インプラントの場合、高度に研磨された表面は、該インプラントが骨と接触した際に生じる局所的なカルシウム沈着の傾向を減じる。また、研磨表面は、該表面上の筋肉および組織の動きを滑らかにし、腐食または摩耗の最小化を可能とする。好適な研磨は、例えば機械的研磨および／または電解研磨等の公知の技術によって達成されてもよい。
最初に該金属物体を研磨することにより、非常に滑らかな表面が得られる。チタン合金は、酢酸、または硝酸およびフッ化水素酸の混合物を使用して、電解研磨することができる。あるいはまた、該物質は、電解リニッシングと呼ぶこともできる、陽極酸化による不動態化と機械的な研磨との組合せにより処理してもよく、この方法は表面粗さを保護している酸化物を除去し、その点における表面は、次に電気化学的に再不動態化され、結果として鏡面平滑仕上げ状態を与える。この目的に対しては様々な電解質が適しており、該電解質は、硫酸と混合した硝酸、水酸化ナトリウム、リン酸ナトリウム、酢酸、または硝酸ナトリウムと混合した水酸化ナトリウムを包含する。グリットブラスティングまたはショットブラスティングあるいはショットピーニング（ｓｈｏｔ ｐｅｅｎｉｎｇ）等の技術を使用して、（例えば、殺生物性イオンの充填後、プラズマスプレイ法によって、引続きヒドロキシアパタイトを適用して、局所的な骨の接着を刺激するために）該表面を調製することもできる。また、粗い表面を与えるために、該表面を、チタンで噴霧塗布することもできる。

該金属物体の表面を研磨し、またはその他の処理に付した後には、表面の改良または転化が起り得る。幾分かのリン酸塩を含むことのできる、水和された金属酸化物物質の層が、適当な電解質中で陽極酸化することにより形成され、その結果、生成する該層が該金属の表面から構築される。次いで、殺生物性金属種、例えばイオンは、該陽極酸化された金属表面を水性塩溶液で処理することによって、後の工程において、該酸化物および／またはリン酸塩マトリックスに吸収または吸着させることができる。該殺生物性金属種は、イオンの状態、例えば銀イオン（またはＣｕ⁺⁺）であり得、またこれらのイオンは、その後、該酸化物および／またはリン酸塩マトリックス、またはこれらの混合物内に、イオン交換により吸収／吸着することができる。パラジウム、プラチナまたは更にはルテニウムのカチオンを、同様な方法で吸収させることができる。必要に応じて、該酸化物またはリン酸塩表面被膜内で、その後、堆積した銀イオン、プラチナイオンまたはパラジウムイオンを金属に転化し、あるいは堆積されたルテニウムイオンを不溶性のＲｕＯ₂に転化することができ、この反応は化学的にまたは電気化学的に、あるいは光によって行われる。
以下、本発明を、添付図面を参照し、また非−限定的な例としてのみ与えられる本発明の実施態様を参照して、更に詳しく説明する。

図１は、本発明の一実施態様による表面被覆工程中に用いられる電圧および電流を図式的に示した図である。 図２は、不動態化工程中における、様々な種類の酸を用いた場合の電流反転の使用を示す図である。 図３は、本発明による金属物体の表面の一部を介した断面図を示す図である。 図４は、負電圧を使用した、またはこれを使用しない、３種のサンプルにおけるピット内への銀の充填に関する比較を示した図である。

図１は、チタン金属物体の陽極酸化において用いられる典型的な電流および電圧の関係を示す。電圧は実線として示され、また電流は破線で示されている。このグラフは、ある期間（ｔ）を通じて適用される電流（アンペア（Ａ））および電圧（Ｖ）を示す。電圧（一定の尺度で示されたものではない）は、例えば１００Ｖまで高められ、またこの段階で、該金属物体表面の不動態化（Ｐとして表示）が起り、これにより、チタン金属基板と一体化された物質となる。電圧の最初の印加中に、電位は、通常、電流制限器を用いて調節され、２．５−１０ｍＡ／ｃｍ²なる範囲にあるが、より高いレベルの値を使用することもできる。電流制限期間中は、電源から供給される印加電位は、酸化物フィルムの厚みが増大するにつれて、徐々に高くなる。該電圧は予め定められた限界まで増大し、該限界は、該金属の表面物質に必要とされる諸特性に応じて選択される。該電圧限界が、例えば１００Ｖに達した場合、該電流は低いレベル、例えば１ｍＡ／ｃｍ²未満に低下し、またこの電流レベルにおける降下は、不動態化が生じたことを示している。一旦不動態化が起ると、該電圧は不動態化された金属表面の表面処理（ＳＥで表示）を可能とするように維持され、ピットが該表面内に形成される。電圧を印加するために選択される電圧レベルおよび印加時間は、該表面に必要とされる該ピットの被覆率（ｃｏｖｅｒａｇｅ）および寸法に応じて選択することができる。該金属表面のこの不動態化および表面処理は、段階（ｘ）として示されている。所定の割合までの不動態化およびピット形成が完了したら、該金属物体を電圧の反転（ＶＲとして示されている）に付すが、これは観測される負電流をもたらす。この負電圧の印加は、図示したように段階（ｙ）にて起こる。選択される該電圧および該電圧を印加する期間の長さは、殺生物作用を生み出しし得るイオン性物質による該金属表面の充填量を変える可能性がある。

図２は、該金属物質が陽極酸化のために配置される電解質溶液として、硫酸（０．１Ｍ）またはリン酸（２．１Ｍ）電解質溶液を用いた場合における、時間の経過に伴う電圧および電流レベルの変動を追跡した結果を示す図である。理解されるように、各プロセスに関して時間の経過とともに作成されるトレースは、同様な形状をたどる。

図３に示したように、該金属物体はインプラントとして使用されるが、ジュエリー類を製造するためにも同様のプロセスを用いることができ、あるいは医療デバイス若しくは器具を製造するためにも同様のプロセスを使用することができる。

該インプラント３０は、まず清浄される。この清浄工程は、まず液相としてアセトン（または他の脱脂用溶剤）を用いて超音波洗浄し、次いで新たなアセトン（または他の溶剤）で濯ぎ、引続き脱イオン水または任意の他の適当な濯ぎ用溶液で濯ぐことにより行ってもよい。次いで、該金属物質を、水酸化ナトリウム（または他のアルカリ洗浄剤）の１Ｍ水溶液中で清浄し、次に脱イオン水で濯いでもよい。次いで、得られた清浄された金属物質を、リン酸水性溶液と接触させて陽極酸化する。該リン酸の濃度は、好ましくは０．５〜５Ｍなる範囲内、より典型的には１〜３Ｍなる範囲内、例えば２Ｍ（または約２０質量％の溶液）である。該インプラントは、１５〜１５０Ｖなる範囲内、より典型的には５０〜１５０Ｖなる範囲内、例えば１００Ｖの電圧を用いて陽極酸化される。該陽極酸化用溶液の濃度は、０．０１〜５Ｍなる範囲内、典型的には０．１〜３Ｍなる範囲内および特に２Ｍであり、また使用する電圧は、１５−２００Ｖなる範囲内にあるが、典型的には該電圧は、３０〜１５０Ｖなる範囲内、例えば３５Ｖである。また、このような範囲は、ジュエリー類に対しても適用できる。

好ましくは、該陽極酸化された表面層を貫通して該基板に至る、ピットまたはピット形成領域の所定の成長が達成されるまで、該電圧を維持する。好ましくは、陽極酸化中、該表面を通る電流密度を監視する。該初期フィルム生長期間中の、好適な電流密度限界は、典型的に約５ｍＡ／ｃｍ²であり、この時電圧は、一定の最大値まで上昇して、該インプラント上に十分に陽極酸化された表面を生成する。電位は、その最大値まで一段階で印加することができ、あるいは複数の段階で、例えば３０Ｖから８０Ｖまで、更に１００Ｖまで段階的に印加することもできる。あるいはまた、該電位は、０．１〜１０Ｖ／秒、好ましくは０．５〜５Ｖ／秒、理想的には１〜２Ｖ／秒の制御された速度にて、その最大値まで直線的に増加するように印加されてもよい。望ましい陽極酸化度は、通常、該インプラントの表面積に２〜５クーロン／ｃｍ²の電荷を通した後に得られる。好ましくは、該陽極酸化工程は、１〜６時間、例えば２〜４時間に渡って行われる。適当な電荷量は、約３．５クーロン／ｃｍ²であろう。

チタンをベースとする、このように陽極酸化されたインプラントの表面は、酸化チタンを含む硬質層３４、およびピットまたはピット形成領域３６を有する。該ピットおよび／またはピット形成領域３６は、酸化チタンを含むと考えられ、また可溶性チタン化合物をも含んでいてもよい。該ピットは、典型的に０．１４μｍ（１００Ｖにおいて）の不動態化層を介して（貫通して）該基板に至る、２〜３μｍまでの深さを有し、最大５μｍの直径を有する。該ピットは、該表面積の約５〜２０％を占有するが、好ましくはその占有率は１０％以下である。しかし、印加された電圧および処理期間の長さに依存して、該ピットに対する深さおよび直径の範囲があってもよく、例えばその深さは１〜５μｍなる範囲、より典型的には１〜４μｍなる範囲内であり得、また該直径は、０．１〜２０μｍなる範囲、より典型的には１〜１０μｍなる範囲、あるいは１〜５μｍなる範囲の何処かにあってよく、またこれらの範囲は、該インプラントの表面の至るところで変化し得る。

上記陽極酸化段階の完了後、該陽極酸化工程中の電圧（および結果としての、電流の流れ）と比較して逆方向に、該陽極酸化溶液を通して電圧を印加する。即ち、該インプラントには、負の極性が与えられる。（例えば）２．０Ｍのリン酸水性溶液による処理中、「逆方向の」電圧（即ち、上記陽極酸化工程中の電圧（および電流の流れ）に対して逆の電圧）が印加され、その大きさは−０．２〜−０．７Ｖなる範囲、例えば−０．３〜−０．６Ｖなる範囲、より具体的には−０．４０〜−０．５５Ｖなる範囲、および例示的には約−０．４５Ｖ（Ａｇ／ＡｇＣｌ標準参照電極に対して測定された値）であって、該溶媒、即ち、水が電気分解されず、かつ還元工程が行われることを保証する。該逆電圧の印加期間中に、幾つかのチタン種は、該ピット内で、大きな表面積と低い溶解度を有する含水酸化チタン種にまで、電気化学的に還元される。該含水酸化チタン種は、０．５〜２なる範囲の電解質のｐＨにおいて比較的低い溶解度を持ち、その結果として、該陽極酸化された表面層を貫通して該基板金属中に形成された該ピットは、この大きな表面積を持つ無機媒体で満たされる。該逆電圧が印加されているので、該インプラントを流れる電流は、初期の高い値から低下し、最終的にはゼロまたは実質的にゼロまで低下する。この電流における低下は、ピット内で低溶解度の含水チタン種を形成することになる該還元可能なチタン含有種の枯渇によるものであると考えられる。該含水チタニアへの実質的に完全な還元は、典型的には、０．００５〜０．２クーロン／ｃｍ²なる範囲、例えば０．０１〜０．０５クーロン／ｃｍ²なる範囲のカソード電荷の後に達成される。該逆電流が、十分に低下、例えばそのピーク値の６０％未満および望ましくは２０％未満、好ましくはゼロまたはその近傍に低下すると、該逆電位が停止される。この手順の逆電流部分における低下は、６０〜１８０秒を要してもよい。該全陽極酸化段階は、１〜５時間なる範囲、例えば２〜４時間、典型的には２．５〜３．５時間、例えば３．０時間またはその近傍なる期間で十分に達成される。

この電位反転段階は、（例えば、過酸化水素を含有する酸性電解質溶液に、Ｔｉ（ＯＨ）₄を溶解することにより）化学的に合成されたペルオキシチタニル塩の溶解した陽極酸化用電解質の溶液中で行うこともできる。（アルカリ性電解質を用いて同等のプロセスを行うことができる）。該陽極酸化されたアイテムの該不動態化された外面においては、このフィルムの半導体特性のために何ら還元反応は起こらないが、このフィルムを介して処理された電気的に活性なピットは、該ピット内での局所的な電解還元プロセスを可能とする。金属基板、特に非チタン系の物質、例えばＮｂ、Ｔａ、Ｚｒおよびこれらの合金製の基板に関して、これは、後の殺生物剤の吸着の前に、該含水チタニア吸着媒体を該表面に導入する有用な方法であってよい。該吸着材は、インプラントの原料となる金属、例えばジルコニウムをベースとするものであり得るが、コストの観点から、チタニアが好ましいものとして使用される。

該陽極酸化工程は、光学的な干渉効果により、様々に着色された外観を持つことのできる硬質の表面を形成する。該陽極酸化の初期段階中には、該表面の色彩は、金色から紫、青、無色を通して、緑、黄、オレンジおよび最終的には赤／紫色に変化する。１００Ｖにおける陽極酸化は、約１４０ｎｍの膜厚を生成する。該電圧を変えると陽極酸化の程度が変わって、従って該硬質表面の厚みが変わる可能性があり、これは生成される色彩にも影響する。異なる電圧は生成される色彩を変え、例えば２．０Ｍリン酸中では、約２０Ｖから３５Ｖまでの電圧は、該金属、例えばインプラントまたはジュエリー類上で青色を生成するであろう。様々に彩色された物品を持つことにより、様々な審美的効果が得られるばかりでなく、インプラント等の物品を同定することすら可能となり、例えば一つの目的のための、あるいは一製造業者からのインプラントをカラーコード化して、これを除去若しくは交換する場合に、開業医は、該当するインプラントがある特定の種類のものであることを確認し、また次いでこれを、同一種類の他のインプラントと交換することができる。ジュエリー類の場合、様々な色彩は、程度の異なる魅力をもたらし、またこのことはチタンを主成分とするジュエリー類にとって特に当てはまる。

一旦、孔／ピットが該金属の表面内に形成されると、該金属内の該ピット中への殺生物性イオンの充填率を高める目的で該金属表面の表面処理を採用してもよい。一旦該ピットを形成した後、工程（ｂ）中に表面処理してもよく、該工程においては、引続き、例えばチタンの場合には７５Ｖという、高い電圧が該金属またはその合金に印加され、この電圧の印加により、該表面上に欠陥のある領域内または小さなピットの局所領域のある領域内の表面を破壊する。高い電圧は、該ピットの壁が電解活性を維持しているという事実のために、その径の拡大および深さの増大により、該表面における既存のピット／欠陥の成長を引き起こす。例えば３５Ｖを越え、および７５Ｖまでに、該電圧を再度高めると、該ピット壁の幾分かの不動態化がもたらされ、結果としてその後の電解活性は、該ピットの底部において集中的に起こり得て、これにより、該ピット内に置かれたあらゆるイオン性物質が、該陽極酸化された表面上に突き出ることが防止される。

陽極酸化工程及び還元工程（および上述したあらゆる表面処理プロセス）が完了すると、該陽極酸化されたインプラントの表面を、脱イオン水で濯がれて、リン酸残留物および他の可溶性物質を除去する。このようにして清浄した該インプラントを、次に、該殺生物性物質、本例においては銀であるが、を含む溶液中に浸漬する。この溶液は、０．００１〜１０Ｍなる範囲内、例えば０．０１〜１．０Ｍなる範囲内、例えば０．１Ｍまたはその近傍の銀濃度を有する硝酸銀の水性溶液である。

この処理されたインプラントは、０．５〜４０μｇ／ｃｍ²、より典型的には２〜２０μｇ／ｃｍ²の銀含有率を有していてもよい。この銀は、まず主としてイオン状態にあるが、少なくとも部分的に、光−還元の結果として該含水チタニア吸着マトリックス内に分散された金属の原子クラスターに転化されていてもよい。典型的には、約０．３〜１μｇ／ｃｍ²なる範囲の量が、外側の不動態化層上に吸着され、残部は、該含水チタニアで満たされたピット内に貯蔵される。

図４は、低下された電圧が印加された６個のサンプルに関するグラフを示すものであり、これらはＲ１、Ｒ２およびＲ５として示されている。また、低下された電圧が印加されていない３個のサンプル、即ちＮＲ３、ＮＲ４およびＮＲ６も図示されている。

チタン製の円盤を、２０℃にて、５ｍＡ／ｃｍ²なる電流限界で、１００Ｖなる初期電圧まで、２．１ＭのＨ₃ＰＯ₄溶液中で陽極酸化した。次いで、この電圧を−０．４５Ｖ（−０．０５〜−１．０Ｖなる範囲、より典型的には−０．１〜−０．６０Ｖなる範囲のレベルの電圧を使用できる）まで減じた。この工程は、「ＮＲ」サンプルについては省略した。銀充填プロセスは、該金属を０．１Ｍの硝酸銀溶液中に１時間浸漬する手順を含んでいた。該銀の充填量（ＳＬ）はμｇ／ｃｍ²なる単位で示されており、これは幾何学的な面積と関連している。理解できるように、電圧が低下される該ピットの充填は、電圧低下を利用しない場合よりも、大幅に改善された充填レベルを示す。この充填量の増加は、２倍までであり得る。

陽極酸化中に、該ピット内で、陽極酸化条件下でのチタンの溶解を通して、ＴｉＯ₂ ²⁺がリン酸塩として局所的に生成されるものと考えられる。後の反転の際に、これは還元されてＴｉ（ＯＨ）₄（含水チタニア）となるが、これはｐＨ約０．５以上において該電解質に対して本質的に不溶である。従って、この物質は、固体として該ピット／孔中に保留される。該含水チタニアは、硝酸銀、ＡｇＮＯ₃、溶液と接触すると、銀カチオン等のカチオンで飽和され得る無機イオン交換媒体であり、これにより銀のレベルが増加する。含水チタニアは、また銀カチオンをその金属種に光還元するための触媒であることも知られており、これにより、吸着されたイオン状銀の幾分かが、吸着剤マトリックス内に分散された金属状の銀に転化し得る。

体液に暴露している間に、該陽極酸化された層からの、銀種の緩慢な溶出があり、その結果、該金属物体の近傍において、バクテリア、酵母または真菌等の微生物の増殖が阻害されるものと考えられる。この溶出は、該金属物体上の銀が該金属物体と接触する体液中のナトリウムとイオン交換されることにより達成されると考えられる。局在化された酸素レベルによる該金属状銀のイオン種への酸化などの他のメカニズムが起きて該遊離銀イオンが生成され、この銀イオンが、該微生物の増殖またはバイオフィルム形成を静めまたは抑制し得る。

上で説明した本発明の方法は、陽極酸化用電解質で処理されるさまざまな金属物体を製造するのに利用してもよい。特に、本発明は、チタン若しくはチタン合金製の金属物品、およびジルコニウム、ニオブ、タンタル若しくはこれらの合金製の金属物品に対する用途を持つ。

本発明の方法によって該表面に組込まれた銀は、公知の方法により以前に達成された濃度よりも一層一貫性の高い濃度にあり、結果的に本発明による新規なインプラントの殺生物特性は、以前のインプラントに比して、増強されている。例えば、本発明に従って同一条件下で製造された９サンプルのインプラントに関して、９．８μｇ（Ａｇ）／ｃｍ²なる平均銀充填量が得られた。この平均に対する標準偏差値の比は僅かに６％であった。このことは、本発明の方法により達成される銀充填量が、極めて狭い分布を持つことを明らかにしている。この一貫性の高い殺生物性金属充填量は、インプラントにとって著しく望ましいことである。本発明の方法は、銀充填量の一貫性における大幅な改善と、公知の方法よりも高い銀充填量を与える。

本明細書において、殺生物性金属としての銀に関する言及は、他の殺生物性金属、例えば銅、金、プラチナ、パラジウムまたはこれらの混合物を単独で又は他の殺生物性金属と組合せて用いた場合にも当てはまることを理解すべきである。

また、一旦該殺生物性物質を導入した後に、ヒドロキシアパタイト等の骨成長促進物質を、該金属インプラント上に塗布してもよいと想定されている。

本発明の個々の実施態様を論じてきたが、これら個々の実施態様の組合せが、特許請求の範囲に記載され、かつ明細書において記載された本発明の範囲内に入るものと理解すべきである。

３０・・インプラント
３４・・硬質層
３６・・ピットまたはピット形成領域

Claims (26)

1. 金属物体上に、該金属物体と一体化した表面層であって殺生物性物質を含む表面層を生成するように、金属物体を処理するための方法であって、該方法が以下の工程（ａ）〜（ｄ）：
   （ａ）該表面層の基板となる該金属物体を、溶媒を含む陽極酸化性電解質に浸漬し、該金属を不動態化して、該金属物体上に陽極酸化された一体化表面層を形成する工程；
   （ｂ）電位の印加を継続して、該一体化表面を貫通し、かつ該基板内部に至るピットを生成する工程；
   （ｃ）含水金属酸化物または金属リン酸塩を、以下（ｉ）〜（ｉｉｉ）のいずれか：
   （ｉ）前記工程（ａおよびｂ）中に陽極酸化された該金属物体に、該陽極酸化性電解質との接触状態を維持しつつ、負の電圧を印加すること、
   （ｉｉ）前記工程（ａおよびｂ）中に陽極酸化された該金属物体を、チタンまたは該基板金属の還元性で可溶性の塩を含有する電解質溶液と接触させ、負の電圧を印加すること、又は
   （ｉｉｉ）該金属物体を、前記工程（ａおよびｂ）の後に化学的還元剤と接触させること、
   によって生成する工程；および
   （ｄ）前記工程（ｃ）において得られた該陽極酸化された金属物体を、該陽極酸化性電解質、該電解質溶液または化学的還元剤から取り出し若しくは分離し、該陽極酸化された金属物体を殺生物性物質を含む溶液と接触させて、該殺生物性物質を該表面層内に組み込む工程、
   を有する、金属物質の処理方法。
2. 前記工程（ｂ）において印加される前記電位が、不動態化工程中に印加される電位と同一またはこれとは異なる電位であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記工程（ｂ）において使用する前記電解質溶液が、前記工程（ａ）において使用されたものと同一の陽極酸化性電解質またはこれとは異なる電解質であることを特徴とする、請求項１または２記載の方法。
4. 前記電解質溶液が、元素周期律表のＩＶａ族、Ｖａ族およびＶＩａ属の金属のペルオキシカチオン性錯体であることを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の方法。
5. 前記工程（ｂ）の陽極酸化が、微視的なピットが、前記表面層を貫通して前記基板金属内部に形成されるまで継続されることを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の方法。
6. 前記負電圧の大きさが、前記溶媒の電解を引起すには不十分であるが、前記ピット内の電気的活性種を還元するのに十分な値に維持または調節されることを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載の方法。
7. 少なくとも、前記金属物体を通る電流がその初期値の６０％未満に降下するまで、前記負電圧が印加されることを特徴とする、請求項６記載の方法。
8. 前記殺生物性物質が、殺生物性金属を含むことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の方法。
9. 前記殺生物性金属が銀を含むことを特徴とする、請求項８記載の方法。
10. 前記金属物体の金属が、チタン、ニオブ、タンタル、ジルコニウムおよび／または合金を含むことを特徴とする、請求項１〜９の何れか１項に記載の方法。
11. 前記陽極酸化が、リン酸、硫酸、酢酸、これらの塩またはアルカリ性塩基を含む電解質を用いて行われることを特徴とする、請求項１〜１０の何れか１項に記載の方法。
12. 前記電解質に、水性溶媒が添加されることを特徴とする、請求項１１記載の方法。
13. 前記リン酸が、０．０１〜５モルなる範囲内の濃度を持つことを特徴とする、請求項１１または１２記載の方法。
14. 前記リン酸が、１．０〜３．０モルなる範囲内の濃度を持つことを特徴とする、請求項１１または１２記載の方法。
15. 前記負電圧が、実質的に２．０モルなるリン酸濃度において、Ａｇ／ＡｇＣｌ参照電極に対して、−０．２〜−０．７Ｖなる範囲内の大きさを持つことを特徴とする、請求項１〜１４の何れか１項に記載の方法。
16. 少なくとも、前記物体を流れる前記電流が、その初期値の２０％以下の値に降下するまで、前記負電圧が前記金属物体に印加されることを特徴とする、請求項１〜１５の何れか１項に記載の方法。
17. イオン交換工程を実施する前に、電解質および可溶性カチオンを除去するために前記陽極酸化された金属物体が溶媒で処理されることを特徴とする、請求項１〜１６の何れか１項に記載の方法。
18. 前記陽極酸化が、０．１〜２５ｍＡ／ｃｍ²なる範囲の電流密度で行われることを特徴とする、請求項１〜１７の何れか１項に記載の方法。
19. 前記陽極酸化が、１秒当たり０．１〜１０Ｖなる範囲の電圧にて行われることを特徴とする、請求項１〜１７の何れか１項に記載の方法。
20. 前記陽極酸化のために使用する電荷の量が、１〜１０クーロン／ｃｍ²なる範囲内にあることを特徴とする、請求項１〜１９の何れか１項に記載の方法。
21. 前記正の電圧が、１５〜２００Ｖなる範囲から選択されることを特徴とする、請求項１〜２０の何れか１項に記載の方法。
22. 前記陽極酸化が電解質の存在下で行われ、かつ、少なくとも前記ピットの成長段階中、前記金属物体の表面に対する該電解質の運動および循環が、抑制又は抑止されることを特徴とする、請求項１〜２１の何れか１項に記載の方法。
23. 実質的に本明細書において記載されおよび／または実質的に添付図面を参照して記載される、外科的処置において使用するのに適した、金属物体の処理方法。
24. 請求項１〜２３の何れか１項に記載の方法に従って製造される金属物体。
25. 請求項１〜２２の何れか１項に記載の方法に従って製造される医療用インプラントまたはデバイス。
26. 請求項１〜２２の何れか１項に記載の方法に従って製造されるジュエリー。

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