JP2016516866A - 殺生物性表面を備えたポリマおよびその製造法 - Google Patents

Abstract

本発明は、抗菌性表面を備えたプラスチック材料、特に、重合または重付加によって製造したプラスチック、例えば、ポリオレフィンまたはポリウレタン、特に、ポリエチレンに関する。このプラスチック材料は、最大で０．１質量％の脂肪酸エステルと、最大で０．１質量％の超酸対イオンと、２．５質量％から最大で１０質量％、望ましくは最大で５質量％の、抗菌効果を生じる少なくとも１つの化合物（１）とを含む。前記化合物（１）は、抗菌効果を持つ少なくとも１つの親水性分子基（２）と、化合物（１）をプラスチック材料（３）に物理的に固定する、少なくとも１つの分子基（４）とを含む。

Description

本発明は、抗菌性表面を備えたポリマ材料、特に、重合または重付加（polyaddition）によって製造したポリマ材料、例えば、ポリオレフィンまたはポリウレタン、特に、ポリエチレンに関し、更に、このような種類のポリマ材料の製造法に関する。

抗菌性または抗生物性コーティングは、多くの装置に使われていることが知られている。医療機器では、銀含有コーティング／ポリマの組み合わせが知られる。銀イオン、更に銅イオンは、微生物に有毒である。しかし、残念ながら、この種のコーティングは消耗し、金属イオンを、例えば、水中にゆっくりと放出するため、飲料水との接触に適さず、その配管または容器としても適さないため、汎用的ではない。

生物膜を抑制する方法の１つとして、その上に生物体が付着すらできない殺生物性表面を作ることが考えられる。耐久性のある殺生物性表面を備えたポリエチレンの製造は相対的に難しい。ポリエチレンは非常に反応しにくい長鎖炭化水素でできている。これは、強力なＵＶ光などの激しい手段を用いないと化学結合ができないことを意味している。

図１に、適切なＵＶ吸収剤とＵＶ光を用いた殺生物性ポリマの応用例を示す。このポリマの合成には費用がかかり、その工程は複雑である。

コーティングを使用せず、おそらく押し出しの方法で抗菌作用を持たせたポリエチレンは、以下の出版物の主題を成しており、その内容は本願に引用して援用する。国際公開第２０１２１４９５９１Ａ１号、中国特許第１０２０６２２６４Ａ号、欧州特許第２４３６２６６Ａ１号、スペイン国特許第２３７０３３１Ａ１号、独国実用新案第２０２０１０００３１２３Ｕ号、独国実用新案第２０２００８０１４０９２Ｕ号、国際公開第２００７０４５６３４Ａ２号、特開昭６１−１８５５６２Ａ号、米国特許出願公開第２０１１／２３３８１０Ａ１号、国際公開第９９３２１５７Ａ２号、特開２００８−１８４４５１Ａ号、特開２００７−０６３４１０Ａ号、特開２００６−０８３３３１Ａ号、米国特許第６８５２７７６Ｂ２号、国際公開第２００４００４４５６Ａ１号、特開９３−２４０７０Ａ号、国際公開第２０１２０８９９９８Ａ２号、国際公開第２００６０８１６１７Ａ１号、米国特許第６７９０９１０Ｂ１号、米国特許第５３２８６９８Ａ号、米国特許第５３２２６５９Ａ号、米国特許出願公開第２０１１／１９８７６４Ａ１号、米国特許出願公開第２００７／１９６６０５Ａ１号、韓国特許第２００９００４５５０３Ａ号、独国特許第２０２００９００６５５３Ｕ Ｕ１号、独国特許第１００２２４５３Ａ１号、および中国特許第１０１７７５１７０Ａ号。“Kunststoffe in Kontakt mit Trinkwasser" [Polymers in contact with drinking water], Stefan Kotzschほか, AQUA & GAS No. 3/2013, 44-52、“Biofilme in Trinkwasserinstallationen" [Biofilms in drinking water installations], Hans Peter Fuchslin ほか, AQUA & GAS No. 3/2013, 54-59、“Materialien in Kontakt mit Trinkwasser - Beurteilung nach DVGW und UBA" [Materials in contact with drinking water - assessment under the DVGW {German Technical and Scientific Association for Gas and Water} and UBA {German Federal Environmental Agency}], Volker Meyer, AQUA & GAS No. 3/2013, 60-62 などの文献にもその特徴が示されている。Paul Kevin Barnesによる論文、“The Synthesis and Practical Applications of Novel N-Halamine Biocides", Auburn, Alabama, 15th December 2006 もこれに関する。引用論文、“Quaternary ammonium salt grafted PE films”においては、“グラフト化”とは第四級化合物が表面に化学結合していることを意味し、このためこのコーティングの製造は複雑で費用がかかると述べられている。従って、このコーティングは、特に、配水管の製造には適していない。

第四級アンモニウム化合物（以後、慣例により、“第四級化合物”と略記）は、窒素原子の４つの価標の全てが有機的結合となっている有機アンモニウム化合物である。このため、これはカチオンとアニオンから成る塩（イオン化合物）である。

少なくとも１つの長鎖アルキル基を持つ第四級化合物は、界面活性剤特性に加えて、殺菌作用を持つことが知られている。従って、これらは殺生物剤でもある。第四級化合物のこの特性は多くの分野、例えば、病院、調理、農業、木材保護、産業（クリーンルームでの利用）で活用されており、更に、大浴場およびプールの抗藻物質（殺藻剤）の主要成分としても使われている。近年、第四級化合物はイオン液体としても重要性を増し、また、脱塩水製造用の強塩基性イオン交換体として、水製造にも利用されている。

第四級化合物は、生体の細胞膜中に多く含まれると細胞膜機能を損なうことから、殺菌剤として使用される。この作用は、第四級化合物が表面に共有結合していても起こる。これは、カチオン性界面活性剤を、特に、殺菌剤として使用する理由でもある。しかし、Ｎ原子に結合したアルキル基の鎖長が炭素数８〜１８である場合にしか、殺菌作用は生じない。

次の表１に、表面と第四級化合物の多くの可能な組み合わせの一覧からの抜粋、およびその有効性を示す。

しかし、ポリマ表面、特に、ポリエチレン表面への第四級化合物の結合は問題が多い。これまで、煩雑な湿式化学および／またはＵＶ光を用いて、および／または、複雑なプラズマ活性化または高価で複雑な合成法を用いて、第四級化合物を加工していた。

米国特許出願公開第２０１１／０２３３８１０Ａ１号は、第四級化合物を用いて抗菌性としたポリマ組成物（例えば、ポリエチレンとの）を示している。しかし、共有結合を形成するため、反応性第四級化合物として反応する、即ち、それ自体と、および／または、マトリックスと反応する第四級化合物に、シランを結合させる。この方法では、ポリマ組成物が“にじみ”を起こさない。更に、第四級化合物−シランは、マトリックス中に均一に分散している。

国際公開第００／３６００５号は、帯電防止ポリマを製造するための、十分な熱安定性を持つ第四級化合物とポリマとの１軸スクリュ押し出しについて述べている。ベースポリマはポリエステルまたは類似の材料である。側鎖にヘテロ原子を含む分枝第四級化合物が使用されている。

米国特許第３５９１５６３号は、ポリエチレンなどのポリマ用の帯電防止剤を示している。その試剤は、外側に塗布した、または配合した分枝第四級化合物である。

ポリオレフィンフォーム用の帯電防止剤としての第四級化合物が、米国特許第５１１２５２８号に述べられている。この場合、個別の化合物中よりも、帯電防止性のより強い混合物とするため、第四級化合物を脂肪酸エステルと混合する。この混合物は１５０℃で混和する。

特開２００６−０８３３３１Ａ号は、例えば、ポリエチレン用の抗菌性添加剤として、超酸（例えば、ＢＦ_４）の対イオンと共に、第四級化合物（例えば、ジメチル ジ−ｎ−デシルアンモニウム）を使用することを示している。このポリエチレンは、α，β−不飽和カルボン酸で変性されている。

中国特許第１０２０６２２６４Ａ号は、３層から成り、その最内層に銀を含まない抗菌性添加剤を加えた、ポリマ製の送水管について述べている。この添加剤は第四級化合物であり、中間層はポリエチレンである。しかし、第四級化合物をポリマに結合する機構については示されていない。

特開平０２−１２０３４２Ａ号の、Ｃ８〜Ｃ３０アルキル残基を持つ第四級化合物塩は、７以上の炭素原子を含む疎水性対イオンを含んでいる。比較例として示されているハロゲン化物対イオンを含む第四級化合物は、短鎖（最大Ｃ１０）アルキル残基しか含んでいない。

国際公開第２００８／１３２０４５号によれば、第四級化合物を溶融物に直接加えるのではなく、完成部品にコーティングを塗り、硬化させることでポリマに塗布する。更に、これらはエチレン性不飽和基を持つ反応性第四級化合物である。

国際公開第００／１５８９７号では、先ず、第四級化合物を着色剤に結び付け（高温で）、次に、マトリックスポリマに加える。このため、第四級化合物以外の添加剤が必要である。ポリマ／第四級化合物混合物を混和して押し出すのではなく、ポリマを水溶液に浸して含浸させる。

マトリックスポリマと重合および共重合させた反応性第四級化合物は、米国特許出願公開第２００６／０２１７５１５Ａ１号に開示されている。

米国特許第５１０４６４９号の開示内容によれば、スルホンアミド基によって第四級化合物をポリエチレンにグラフトさせる、即ち、第四級化合物は反応性第四級化合物であり、ポリエチレンに共有結合している。

Kazuto Ohkuraらによる、“Bridge-linked bis-quaternary ammonium anti-microbial agents: relationship between cytotoxicity and anti-bacterial activity of 5,5'-[2,2'-(tetramethylenedicarbonyldioxy)-diethyl]bis(3-alkyl-4-methylthiazonium iodide）s”, Bioorganic & Medicinal Chemistry 13 (2005) 2579-2587 では、ビ第四級化合物（bi-quat）の使用について述べている。このとき、２つの窒素イオン間の結合はアルキル鎖ではなく、一体化したチオエーテル、アミド、またはエステルによる結合である。つまり、窒素イオンは環に組み込まれている。

米国特許出願公開第２０１１／０２３３８１０号明細書 国際公開第００／３６００５号パンフレット 米国特許第３，５９１，５６３号明細書 米国特許第５，１１２，５２８号明細書 特開２００６−０８３３３１号公報 中国特許第１０２０６２２６４号明細書 特開平０２−１２０３４２号公報 国際公開第２００８／１３２０４５号パンフレット 国際公開第００／１５８９７号パンフレット 米国特許出願公開第２００６／０２１７５１５号明細書 米国特許第５，１０４，６４９号明細書

Kazuto Ohkuraら、"Bridge-linked bis-quaternary ammonium anti-microbial agents: relationship between cytotoxicity and anti-bacterial activity of 5,5'-[2,2'-(tetramethylenedicarbonyldioxy)-diethyl]bis(3-alkyl-4-methylthiazonium iodide）s", Bioorganic & Medicinal Chemistry 13 (2005) 2579-2587

このように、本発明の目的は、殺生物特性を持つ表面を備えたポリマ材料の製造における、先行技術の不都合を解決することである。本発明のもうひとつの目的は、このような種類のポリマの製造法の提示である。毒性化学物質または溶出生成物が無く、その製造法は簡単かつ経済的であったほうがよい。望ましくは、本発明のポリマから物品、特に、ポリマ管、特に、飲料水装置および医療器具用のポリマ管を製造する工程の変更は、最小限である方がよい。

その目的は、独立請求項１および独立請求項１３にその特徴を示す手段によって達成される。その他の有益な実施形態は、図表および従属請求項に示されている。

本発明は、ポリマ材料が、最大で０．１質量％の脂肪酸エステルと、最大で０．１質量％の超酸（superacid）対イオンと、２．５質量％から最大で１０質量％、望ましくは最大で５質量％の、抗菌作用を生じる少なくとも１つの化合物とを含み、この化合物が、抗菌効果を持つ少なくとも１つの親水性分子基（hydrophilic molecular group）と、この化合物をポリマ材料に物理的に固定する、少なくとも１つの分子基（molecular group）とから成ることを特徴とする。

この種の混合物中で、また、それから製造したポリマ材料中で使用すると、ポリマ表面のこの第四級化合物は移動する、即ち、分離するが、ポリマ材料に物理的に固定されているため、溶出することがない。

望ましくは、抗菌作用を持つ化合物として、非官能性および／または非反応性末端基を持つ第四級アンモニウム化合物の物質群から、少なくとも１つの化合物が選ばれる。

その代わりに、またはこれに加えて、抗菌作用を持つ化合物として、抗付着効果を持つ少なくとも１つの分子基を持つ化合物から成る物質群から、望ましくは、パーフルオロ化炭化水素またはシリコーンの物質群から、少なくとも１つの化合物が選ばれる。こうして、ポリマの表面エネルギを、生体物質がポリマに付着しない値に調節する。

上に挙げた全てのポリマ材料の望ましい実施形態には、抗付着効果を持つ少なくとも１つの添加剤（additive）が、第四級アンモニウム化合物の物質群からの化合物に共有結合しているという特徴がある。

抗菌作用を持つ化合物を固定するよう働く少なくとも１つの分子基が、ポリマ材料の基本的材料（basic material）に対して高い親和性を持つ場合には、第四級化合物を物理的に固定するための基本的特徴としての、第四級化合物とポリマの基本的材料との混和性が特に良好となる。特に、これには物理化学的類似性を含んだほうがよく、例えば、長鎖炭化水素残基はポリマの基本的材料と同じ性質を持つ方がよい。例として、ポリエチレンポリマには疎水性炭化水素残基を用い、あるいは、窒素原子上の置換基の１つを無極性のものとしてもよい。

この点において有利なことに、抗菌作用を持つ化合物は、少なくとも１つの、望ましくは非分枝の長鎖残基を含んでいる。

特に望ましくは、少なくとも２つの、望ましくは３つの炭化水素残基を持つ第四級アンモニウム化合物を使用し、このとき、特に、長い分子鎖または長鎖炭化水素残基は、少なくともＣ１７アルキルであり、または、これらの分子基は、少なくとも１つのＣ１７アルキルを含んでいてもよい。

抗菌または抗付着作用を持つ化合物の抗菌活性分子基または抗付着効果を持つ分子基が、ポリマの表面で化合物から突き出ており、化合物の少なくとも１つの別の分子基が、ポリマ材料の基本的材料中に固定されているという特徴を持つ、本発明の特に有益な実施形態によるポリマ材料によって、特に効果的な作用が得られる。

望ましくは、抗菌作用を持つ少なくとも１つの化合物は、一般的な置換基で架橋された２つの第四級アンモニウム基を含む、二官能性の、架橋した第四級アンモニウム化合物である。このような種類の絡まったビ第四級化合物は、ポリマの基本的材料中に特にしっかりと固定されるため、溶出されることがない。更に、このために、活性基の密度を高くすることができる。

抗菌作用を持つ少なくとも１つの化合物が、一般的な置換基によって第四級アンモニウム化合物に架橋されている、抗付着効果を持つ分子基を更に持つ第四級アンモニウム化合物であるような変形において、同じく良好な作用が得られる。

有益なことに、ポリマ材料は、置換基が、ポリマ材料の基本的材料の少なくとも１つの長鎖分子を取り囲むことによってポリマ材料に固定され、第四級アンモニウム化合物の少なくとも１つ、望ましくは両方が、または、第四級アンモニウム化合物と、抗付着効果を持つ分子基の両方が、ポリマ材料の表面に突き出す構造となっている。これにより、第四級アンモニウム化合物の炭化水素残基がポリマに物理的に固定され、またその窒素基がポリマ表面に突き出て、第四級アンモニウム化合物の効果が最大となる。

本発明の目的を達成するため、ポリマの製造法は、基本的材料のポリマ溶融物を、先の段落で定義した混合物、即ち、ポリマ溶融物の質量に対して、最大で０．１質量％の脂肪酸エステルと、最大で０．１質量％の超酸対イオンと、２．５質量％から最大で１０質量％、望ましくは最大で５質量％の、抗菌および／または抗付着作用を生じる少なくとも１つの化合物とを含む混合物とを混ぜ合わせる工程と、ポリマ溶融物と前記混合物とを混ぜ合わせたものを混和する工程と、次に、混和した混合物を押し出す工程とを含み、前記化合物が、抗菌または抗付着効果を持つ少なくとも１つの分子基と、この化合物をポリマ材料に物理的に固定する、少なくとも１つの分子基とから成ることを特徴とする。

具体的には、抗菌性化合物、望ましくは、ポリマの基本的材料に高い親和性を持つ第四級アンモニウム化合物をポリマ溶融物に混ぜ合わせると有益である。第四級化合物とポリマ材料は性質が似ているため最適な状態で良く混ざり合い、第四級化合物は最適な状態でポリマ中に物理的に固定される。

こうすると、押し出したポリマ溶融物中の第四級化合物は、その窒素基がポリマ表面に突き出るように、ポリマ表面に移動する。特に、ポリエチレンなどの無極性のポリマ材料において、窒素の正電荷は無極性ポリマとの相溶性が悪い。このため、第四級化合物は表面へ移動し、荷電基がポリマから突き出る。

本発明のその他の長所、特徴、および詳細は、添付図を参照しながら、本発明の実施例を述べる、後の記述より明らかとなろう。その際、記述および請求項に述べられている態様は、個別的に、またはあらゆる組み合わせにおいて、本発明に必要不可欠であってもよい。

参照番号の一覧は開示内容の一部である。図表は、明確かつ包括的に示されている。同じ参照番号は同じ構成要素を示し、異なる指数の参照番号は、同じまたは同様の機能を持つ構成要素を示すために用いる。

先行技術の、特に、ポリエチレン表面への、殺生物性分子（第四級アンモニウム塩、第四級化合物）を持つベンゾフェノン誘導体の光化学結合を示す図である。 本発明によるポリマの第１の実施形態を示す断面図である。 押出機の望ましい実施形態を示す図である。 １０％の第四級化合物を混ぜ合わせたポリエチレンのＥＤＸスペクトルを示す図である。 １０％の第四級化合物を混ぜ合わせたポリエチレンのＸＰＳスペクトルを示す図である。 ポリエチレンの赤外スペクトルを示す図である。 １０％の第四級化合物を混ぜ合わせたポリエチレンの赤外スペクトルを示す図である。 図７で混合した第四級化合物の赤外スペクトルを示す図である。 第四級化合物から形成されたミセルを示す図である。 ポリエチレン鎖にからみついた二官能性第四級化合物を示す図である。 二官能性第四級化合物の一例を示す図である。 二官能性第四級化合物の別の例を示す図である。 抗付着性分子の一例を示す図である。 この種の分子の別の例を示す図である。

次に、殺生物性表面を備えたポリエチレンから作った物品の製造例を用いて、本発明について述べることとする。これは、例えば、（飲料）水用の管であるが、液体および／または気体用の別の種類の容器であってもよい。原則として、本発明は、多くのポリマ材料、特に、重合または重付加によって製造したポリマ、例えば、ポリオレフィンまたはポリウレタン、特に、ポリエチレンに使用できる。後に述べるように、これらの材料の全てに抗菌性表面を上手く作ることができる。

少なくとも１つの適切な第四級アンモニウム化合物（第四級化合物）１をポリエチレン溶融物に加える。この工程は混和（compounding）として知られている。本発明に従ってポリマ材料を製造する際、脂肪酸エステルも超酸の対イオンもあまり大量には必要なく、ポリマ材料に対して、脂肪酸エステルの量は最大で０．１質量％であり、超酸−対イオンの量は最大で０．１質量％である。使用する抗菌作用を持つ化合物は、ポリマ材料に対して２．５質量％から最大で１０質量％の範囲の量の第四級化合物１である。望ましくは、最大含量は５質量％である。

本発明を明らかにするため、以下の表２に示す第四級化合物を用いて、次のような好結果の試験を行った。

本発明の製造法では、適切な条件下で、ポリエチレンを、正確に計った量の、非官能性および／または非反応性の末端基を持つ少なくとも１つの第四級化合物１と混和する。更にその際、第四級アンモニウム化合物１の分解を避けるため、溶融物の温度が高くなり過ぎないよう注意した方がよい。抗菌性表面を備えた、管、容器などの所望の物品を製造するには、本質的に脂肪酸エステルを含まず、超酸対イオンを含まず、ポリマ溶融物の質量に対して最大で１０質量％、望ましくは最大で５質量％の、抗菌および／または抗付着効果を生じる少なくとも１つの化合物、例えば、第四級化合物１を含む上記の混合物を、ポリマの基本的材料３に混和後、押し出す。

第四級化合物１、特に、その抗菌効果を持つ分子基２は、ポリエチレンマトリックス３と非相溶性であるため、表面に移動して、その殺生物作用を発揮し易くすることができる。電荷キャリヤ２とポリマ材料３は混和しないため、第四級化合物１の電荷キャリヤ２はポリマ材料３の外へ自然に伸び、この現象は自己組織化として知られる。しかし、第四級化合物１の長鎖炭化水素４は、ポリマの基本的材料３に対して適度に高い親和性を持つため、特に、両者が非常によく似た構造を持っている、即ち、炭化水素でできている場合には、similis similia solvuntur（同類のものは同類のものを溶解する）の原理に従って、ポリエチレンと混ざり合う。

第四級化合物１の炭化水素鎖４はポリマ３中に突き刺さって第四級化合物１をしっかりと保持するため、この炭化水素鎖４は“アンカ（anchor）”として知られ、このポリマ鎖は、第四級化合物１をポリエチレンポリマ材料３に物理的に固定する。図２に、第四級アンモニウム化合物１の長い炭化水素基４が、分子をポリマ３に固定するアンカとしてどのように働いているかを図式的に示す（但し、正電荷を帯びた窒素基２に対する対イオンは示されていない）。荷電した頭部２は、ポリマ３の周囲の媒体中、例えば、（水）管、容器などの内側に突き出し、そこで殺生物剤として作用する。

負に荷電した対イオンは正電荷２の付近、例えば、ポリエチレンマトリックスの外側、即ち、ポリマ材料３の外側、その表面の直上にある。

“アンカ”は、第四級化合物１の炭化水素鎖４から成り、これは無極性と考えられる。この炭化水素鎖は第四級窒素に共有結合している。これはポリエチレンと同じ性質を持つため、ポリエチレンの炭化水素鎖と相互作用し、即ち、ポリエチレンと、第四級化合物１の炭化水素鎖は互いに引きつけ合うことができる。この相互引力は共有結合ではなく、実際の結合よりも弱い、ファンデルワールス力と考えられる。

望ましくは、本発明では常にモノマとして使用されている第四級化合物１は、先に説明したように、自己配向性である。しかし、その過程を促すため、混合の際、あるいは、更に加工する際にも、静電気力などを用いて第四級化合物の配向を助けてもよい。

先に論じた製造法において、例えば、第四級化合物１をポリマ溶融物に混ぜ合わせた後、押し出すため、図３に示す押出機５を用いてもよい。これには、ハウジング７内に２つの同期したスクリュ６があり、スクリュ６の軸は鋭角を成している。本発明の実験は、スクリュ長さ１１ｃｍ、体積７ｍＬ、スクリュ回転速度が５０回転／分の装置を用いて行った。

ポリエチレンＲＴ Ｄｏｗｌｅｘ２３８８中の濃度が、２．５％、５％、１０％となるよう、表２に示した添加剤をポリエチレン溶融物に加えて実験を行った。混和条件として、２１０℃で１２分間混ぜ合わせた。この工程の間、第四級化合物の分解が一部見られた。

その間、特に、多くのメチル基を持つ添加剤を高濃度で用いると、濃紫色に色が付き、（魚のような）アミン臭がした。考えられる分解機構はホフマン分解である。結果は次のようにまとめることができる。

第四級化合物の濃度を最大で５％とすることで、その濃度を、不要なミセルが生成する臨界ミセル濃度（ＣＭＣ）以下に保つ。ミセルは、ポリエチレン中の、第四級化合物の小さな球形の凝集体である。ミセルは、第四級化合物の荷電した“頭”がミセルの内側にあり、無極性の“尾”がポリエチレンに面するような構造となっている。ミセルになると第四級化合物が表面へ移動せず、効果が失われるため、ミセルは好ましくない。

図４に、先の表の添加剤Ｃを１０％混ぜ合わせたポリエチレンのＥＤＸ（エネルギ分散Ｘ線分光）スペクトルを示す。図５に、これと同じ混合物のＸＰＳ（Ｘ線光電子分光）スペクトルを示す。

図６に、ポリエチレンの赤外スペクトルを示す。図７に、先の表の添加剤Ｃを１０％混ぜ合わせたポリエチレンの赤外スペクトルを示す。図８に、この添加剤自体の赤外スペクトルを示す。

添加剤を１０％加えた全ての試料を分析した。ポリエチレン、添加剤を加えたポリエチレン、添加剤単独のスペクトルは全て同じであった。官能基が存在しないという化学的見地から、これは理解できる。赤外分光法では混合物について何ら情報が得られないため、分析には適さないということである。一方、例えば、図４および図５から分かるように、Ｘ線分光法は分析に非常に適している。

更に、本発明に従って製造した材料の抗菌作用を調べるため実験を行った。この場合、抗菌作用を持つ化合物が、少なくとも２つの炭化水素残基４、望ましくは３つの炭化水素残基４を持つ第四級アンモニウム化合物１であると、特に良好な作用が立証できた。望ましくは、長い分子鎖または長鎖炭化水素残基４は、少なくともＣ１７アルキルであり、または、少なくとも１つのＣ１７アルキルを含んでいる。

実験では、５質量％の第四級化合物１を、９５質量％のポリエチレン粒子と混ぜ、この混合物を、例えば、図３に示すようなツインスクリュコンパウンダを用いて押し出した。固定されていない第四級化合物１を除くため、製造した試料を水で抽出した。次に、試料をS.aureus菌に曝露し、その抗菌作用を分析した。次に、蛍光顕微鏡を用いて、生細胞／死細胞染色法を行った。Kirby-Bauer寒天拡散試験を用いて、試料から溶出される残留第四級化合物を分析した。

アンカリング分子基として４つまでのＣ１８炭化水素鎖４を含む第四級化合物１のポリエチレン表面に対する固着強度を調べた。第四級化合物１に１つまたは２つの炭化水素鎖４が含まれる試料では、抗菌性物質の溶出が見られたが、３つまたは４つのこのようなＣ１８アルキル鎖４を持つ第四級化合物１は、試料周囲にS.aureusの成長阻害を示さず、ポリマ材料３中におけるこの２つの群の第四級化合物１の良好な固着性が確かめられた。

この固着性の良い試料について、次に、蛍光顕微鏡を用いて調査を行い、まだ生存している細菌については膜透過性ＤＮＡ染色剤（syto ９、緑色）を用い、死滅した細菌については膜非透過性ＤＮＡ染色剤（ヨウ化プロピジウム、赤色）を用いて、試料表面の細菌の染色を調べた。その際、３つの炭化水素鎖４を持つ第四級化合物１は優れた微生物効果を持つことを示したが、４つの“アンカ”４を持つ第四級化合物１の示す作用は低かった。これより、３つの炭化水素鎖４を持つ第四級化合物１が好ましいと言える。

図１０に、二官能性の、架橋した第四級化合物１ａの形をした、第四級アンモニウム化合物の別の有利な実施形態を示す。２つの頭部２は架橋４ａによってアンモニウム基同士が結合しており、架橋４ａは、図１１ａの実験式Ｃ_３２Ｈ_７０Ｂｒ_２Ｎ_２で示される、二官能性第四級化合物の例のような純粋な炭化水素鎖であり、あるいは、図１１ｂの実験式Ｃ_５２Ｈ_９６Ｎ_２Ｏ_１４Ｓ_２の例のような、実際には他の原子を含む鎖である。

官能基、即ち、荷電した頭部２が密集していることに加え、二官能性第四級化合物１ａでは、ポリマとの結合が更に良くなる。２つの頭部２または第四級化合物基がポリマ３の表面に移動すると、これらは、ポリマの鎖分子８、例えば、ポリエチレン鎖を囲むことができる。このようにして、これらはポリマに機械的に固定され（からみつき）、溶出されなくなる。

二官能性第四級化合物１ａを、例えば、次のように合成する。

ドデシルメチレン−ビス（ジメチルオクチルアンモニウム）ブロミド（Ｃ_３２Ｈ_７０Ｂｒ_２Ｎ_２、Ｍ＝６４２．７３）の名称を持つ、図１１ａの物質を製造するため、１００ｍＬのメタノールと、１７．３ｇ（１１０ｍｍｏｌ）のジメチルオクチルアミンとを、１６．４ｇ（５０ｍｍｏｌ）の１，１２−ジブロモドデカンに加え、この溶液を、２０時間、沸騰還流させた。次に、メタノールを留去し、残った油を１００ｍＬの水に溶かした。この溶液を１００ｍＬの酢酸エチルで洗い、水を留去した。残った残留物を１００ｍＬの塩化メチレンに溶かし、無水硫酸ナトリウムで乾燥濾過後、塩化メチレンを留去した。２９．９７ｇ（９１％）の量の淡黄色油が得られ、これを約５日間置くと、最終的に固体となった。

エレクトロスプレイオン化質量分析（electrospray ionization-mass spectrometry）を用いて構造を確認したところ、数％のメチルエーテルの存在も検出された。この問題を解決するため、溶媒として、メタノールの代わりにアセトンを使用することができる。

図１１ｂの物質は、例えば、ポリ（エチレングリコール）ジトシラート（Ｃ_３２Ｈ_５０Ｏ_１４Ｓ_２、Ｍ＝７２２．８６）（ＰＥＧ４００）から合成できる。５０ｍＬの滴下漏斗と、窒素供給装置と、温度計とを取り付けた３つ口フラスコに、５１ｇ（０．１２８ｍｏｌ）のＰＥＧ４００を入れた。３００ｍＬの乾燥ＣＨＣｌ_３を加えた後、５３．５ｇ（０．２８ｍｏｌ）の塩化トシルを加えた。氷浴を用いて、この溶液を約２℃まで冷やした。この間、窒素をゆっくりと供給して、湿気を防いだ。次に、温度が４℃を超えないように保ちながら、４５ｍＬの乾燥ピリジンを溶液にゆっくりと滴下した。この溶液を更に２時間冷却後、周囲温度まで温め、そのまま約２０時間置いた。次に、この溶液を、２００ｇの氷と８０ｍＬの濃塩酸との混合物に注ぎ入れた。振とう後、相を分け、ＣＨＣｌ_３相を無水硫酸ナトリウムで乾燥させた。次に、ＣＨＣｌ_３を留去すると、８１．６ｇ（９０％）のＰＥＧジトシラートが油として得られた（Organikum,第23版、p.662参照）。

２５０ｍＬのフラスコに３７．９２ｇ（５２．５ｍｍｏｌ）のＰＥＧ（４００）ジトシラートを入れた。約１００ｍＬのアセトンを加えた後、１６．５ｇ（約２１．６ｍＬまたは１０４．９ｍｍｏｌ）のジメチルオクチルアミンを加えた。この混合物を約２０時間加熱還流し、アセトンを留去すると、α，ω−ビス（ジメチルオクチルアンモニウム）ＰＥＧ（４００）ジトシラート（Ｃ_５２Ｈ_９６Ｎ_２Ｏ_１４Ｓ_２、Ｍ＝１０３７．４６）が、茶色がかった粘稠な油として得られた。エレクトロスプレイオン化質量分析から、図１１ｂに示す構造であることが分かった（収率１００％）。この油はアセトン、クロロホルム、水に可溶であるが、酢酸エチルには溶けなかった。

ポリマ表面の汚染を防ぐもう１つの方法は、表面張力を特異的に調節することである。適切な表面張力は細胞の付着を防ぐ。次の２つの方法を組み合わせてもよい。

一方は、適切な表面張力によって、生体材料の付着をより困難に、あるいは、全く不可能とし、もう一方は、第四級化合物の殺生物活性によって、生物膜形成を防ぐ。第四級化合物と細胞壁または細胞膜との強い結合は、初め、薄膜を形成するが、第四級化合物によって死滅した細胞は、ポリマ表面に付着できなくなり、例えば、洗い流すことができる。このようにして、殺生物性表面には生物膜が形成されなくなる。

細胞とポリマ管表面との付着性を下げるには、その表面エネルギを最適化した方がよい。この目的には、パーフルオロ化炭化水素またはシリコーンが特に適している。この２種類の化合物の抗付着性は良く知られており、多くの用途に用いられている。管に使用するポリエチレンの表面にこれらの試剤を固定するには問題がある。この目的を達成するため、抗付着性を持つ化合物に、これをポリエチレンに固定する“アンカ”を付け加える。アンカは、ポリエチレンと混和し、物理的相互作用によってその分子をポリマに固定する長鎖炭化水素である。少なくとも１つの抗付着効果を持つ添加剤が、第四級アンモニウム化合物の物質群の化合物に共有結合している、別の変形も考えられる。

図式的に、抗付着効果を持つポリマ添加剤は、次のようになっていると考えられる。
（炭化水素鎖）−（パーフルオロ化アルカン）
（炭化水素鎖）−（シリコーン）−（炭化水素鎖）

抗付着効果を持つ分子は、片方または両方の端にアンカを備えていてもよい。このような共重合体をポリエチレンと混和する。シリコーンまたはフッ素化した鎖とポリエチレンマトリックスとは非相溶性であるため、共重合体はその抗付着作用を発揮する表面で分離し、アンカ鎖が分子をポリマに固定する。例として、図１２ａおよび図１２ｂに図示した化合物を合成した。

図１２ａの化合物は、ステアリン酸をフッ素化アルコールでエステル化して得られ、次の図１２ｂの分子は、触媒として白金を使用して、２つのオクタデセン分子を、水素化物末端を持つポリジメチルシロキサンでヒドロシリル化することで製造可能である。

先に論じた本発明の実施形態において、抗菌作用を持つ少なくとも１つの化合物は、一般的な置換基８で架橋した２つの第四級アンモニウム基２を含む、二官能性架橋第四級アンモニウム化合物１ａであるが、この代わりに、第四級化合物１が、一般的な架橋置換基上に抗付着効果を持つ分子基を更に持っていてもよい。それぞれの場合において、置換基は、ポリマ材料３の基本的材料の少なくとも１つの長鎖分子８を取り囲み、これにより、殺菌および／または抗付着効果を持つ分子をポリマ材料３に固定する。このようにすると、望ましくは、双方の第四級アンモニウム基２と、更には抗付着効果を持つ分子基が、ポリマ材料３の表面に突き出る。

本発明では、望ましくは第四級アンモニウム化合物（第四級化合物）を使用するが、長鎖末端と正に荷電した頭とを持つ別の化合物も使用できる。実際、窒素は３つしか結合位置を持たないが、第４の結合を持つようにする、即ち、第四級窒素とすると、正電荷を帯びる。窒素の代わりに、例えば、ホスホニウム化合物およびアルセニウム化合物など、別の正に荷電した第四級原子を用いてもよい。スルホン酸などの、長鎖炭化水素を持つ負に荷電した基も考えられる。

前述の、完全に無極性（即ち、イオンまたは双極子を持たず、電気的に中性なＣ−ＣおよびＣ−Ｈ結合のみ）のポリエチレンの他に、電気的に中性な要素を含む別のポリマを使用してもよい。第四級化合物１は、このような材料の全てから分離する。

本来、ポリエチレン混合物またはそれに類似の混合物は、第四級化合物１およびアンカ４とは全く反応しない。アンカ４が、ファンデルワールス力によって、それぞれのポリマ材料３に結合するだけである。しかし、アンカ４は非常に長いため、弱いファンデルワースル力が積み重なって、これをポリエチレンに固定する。

混合した第四級アンモニウム化合物１の濃度は、他のポリマ中の同様な全ての他の化合物も同じく、２つの効果の釣り合いによって決まる。一方で、これらの化合物は高価であり、また、機械的性質を損なうおそれがある。他方、目的は最適な殺生物作用を得ることであり、このため、当然、ポリマの表面、例えば、液体を輸送する管、特に、送水管の内側は、できるだけ高い密度で、第四級化合物の殺生物活性部分で覆われている方がよい。このため、第四級化合物の現時点での適切な最大濃度を、１０％、好ましくは最大で５％とした。

殺生物活性化合物は、例えば、管内にスプレまたは吹き付けることで、選択した表面に塗布できる、樹脂またはラッカ様の物質に加えてもよい。

このように、本発明は、殺生物作用および／または細菌を寄せ付けない（生物膜形成防止）作用を持つ（親水性ポリマの）表面を調製するための、ポリマと第四級化合物の混合物から生成した物質も包含する。使用するポリマは、主にポリエチレンであるが、ポリウレタンまたはテフロン（登録商標）を代用してもよい。ラッカ程の粘稠度を持つ合成樹脂と第四級化合物とを使用することも想定される。

このような混合物は、管（特に、送水管）の最内層として、バルブ内の接水層として、水容器、特に、熱水タンクの最内層として、セントラルヒーティングユニットや床暖房などの最内層として、下水管の最内層として、あるいは、特に、スイミングプールの内面または池の内張の最内層として、など、特に衛生的な分野のポリマ表面に用いることができる。

最後に、これまでの文章中で用いた用語について更に説明をいくつか加える。

第四級化合物は、頭として知られる、親水性でポリエチレンと反発するイオン性部分と、もう一方の側の、尾として知られる、疎水性であるためポリエチレンを引き付ける、無極性の炭化水素鎖の、２つの部分から成る。頭と尾の違いが、例えば、ミセル形成（図９参照）や、表面偏析（surface segregation）など、様々な効果に関与している。

ポリエチレン中において、第四級化合物の頭は、不用なポリエチレンと接触しなくてもよいように、凝集し易い。ポリエチレン表面では、第四級化合物が、言うなれば空所に向かって頭を伸ばし、このため、ポリエチレンとの接触を免れる。対電荷、即ち、対イオン、言わば塩化物または臭化物に関しては、表面が空気に触れているか、水に触れているかによって区別した方がよい。空気中では、負に荷電した対イオンは、正に荷電した窒素のできる限り近くに留まっていると考えられる。電荷分離は、エネルギ的に不利であり、電界の形成は多くのエネルギを消費する。このため表面が電荷を帯びることはない。しかし、誘電体である水の中では水の双極子が電荷を安定化するため、対イオンはある程度まで移動することができる。しかし、イオン輸送によってすぐに補われるため、高い電界は決して生じない。このように、対イオンのある種の機能は水中で生じるが、空気中では生じない。

１ 第四級アンモニウム化合物（第四級化合物）、１ａ 二官能性第四級化合物、２ 第四級化合物の正電荷キャリヤ、３ ポリマ材料、４ 第四級化合物の炭素鎖、４ａ 二官能性第四級化合物の架橋、５ 押出機、６ 押出機のスクリュ、７ 押出機のハウジング、８ ポリマ鎖分子。

Claims (13)

1. 抗菌性表面を備えたポリマ材料、特に、重合または重付加によって製造したポリマ材料、例えば、ポリオレフィンまたはポリウレタン、特に、ポリエチレンであって、
   前記ポリマ材料は、最大で０．１質量％の脂肪酸エステルと、最大で０．１質量％の超酸対イオンと、２．５質量％から最大で１０質量％、望ましくは最大で５質量％の、抗菌作用を生じる少なくとも１つの化合物（１）とを含み、
   前記化合物（１）は、抗菌効果を持つ少なくとも１つの親水性分子基（２）と、前記化合物（１）を前記ポリマ材料（３）に物理的に固定する、少なくとも１つの分子基（４）とから成ることを特徴とするポリマ材料。
2. 抗菌作用を持つ前記化合物（１）として、非官能性および／または非反応性の末端基を持つ第四級アンモニウム化合物の物質群から、少なくとも１つの化合物が選ばれることを特徴とする、請求項１に記載のポリマ材料。
3. 抗菌作用を持つ前記化合物として、抗付着効果を持つ少なくとも１つの分子基を持つ化合物から成る物質群から、望ましくは、パーフルオロ化炭化水素またはシリコーンの物質群から、少なくとも１つの化合物が選ばれることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のポリマ材料。
4. 抗付着効果を持つ少なくとも１つの添加剤が、第四級アンモニウム化合物の物質群からの前記化合物（１）に共有結合していることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のポリマ材料。
5. 抗菌作用を持つ前記化合物（１）を固定するよう働く、前記少なくとも１つの分子基（４）が、前記ポリマ材料（３）の基本的材料に対して高い親和性を持つことを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のポリマ材料。
6. 抗菌作用を持つ前記化合物（１）が、少なくとも１つの、望ましくは非分枝の長鎖炭化水素残基（４）を含むことを特徴とする、請求項５に記載のポリマ材料。
7. 抗菌作用を持つ前記化合物（１）が、少なくとも２つの、望ましくは３つの炭化水素残基（４）を持つ第四級アンモニウム化合物であることを特徴とする、請求項２，５、および６のいずれか１項に記載のポリマ材料。
8. 長い分子鎖または前記長鎖炭化水素残基（４）が、少なくともＣ１７アルキルである、または少なくとも１つのＣ１７アルキルを含むことを特徴とする、請求項６または請求項７に記載のポリマ材料。
9. 抗菌または抗付着作用を持つ前記化合物（１）の抗菌活性分子基（２）または抗付着効果を持つ分子基が、前記ポリマ（３）の表面で前記化合物から突き出ており、前記化合物（１）の前記少なくとも１つの別の分子基（４）が、前記ポリマ材料（３）の基本的材料に固定されていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載のポリマ材料。
10. 抗菌作用を持つ少なくとも１つの前記化合物が、一般的な置換基（４ａ）で架橋された２つの第四級アンモニウム基（２）を含む、二官能性の、架橋した第四級アンモニウム化合物（１ａ）であることを特徴とする、請求項１，６，８、および９のいずれか１項に記載のポリマ材料。
11. 抗菌作用を持つ少なくとも１つの前記化合物が、一般的な置換基によって前記第四級アンモニウム化合物に架橋されている、抗付着効果を持つ分子基を更に持つ第四級アンモニウム化合物であることを特徴とする、請求項１，３，６，８、および９のいずれか１項に記載のポリマ材料。
12. 前記置換基（４ａ）が、前記ポリマ材料（３）の基本的材料の少なくとも１つの長鎖分子（８）を取り囲むことによって、前記ポリマ材料（３）に固定され、前記第四級アンモニウム化合物（２）の少なくとも１つ、望ましくは両方が、または、前記第四級アンモニウム化合物と、抗付着効果を持つ前記分子基の両方が、前記ポリマ材料（３）の表面に突き出ていることを特徴とする、請求項１０または請求項１１に記載のポリマ材料。
13. 特に、重合または重付加による、抗菌活性表面を備えたポリマ材料、例えば、ポリオレフィンまたはポリウレタン、特に、ポリエチレンの製造法であって、
    基本的材料のポリマ溶融物を、請求項１から１３のいずれかに定義した混合物、即ち、前記ポリマ溶融物の質量に対して、最大で０．１質量％の脂肪酸エステルと、最大で０．１質量％の超酸対イオンと、２．５質量％から最大で１０質量％、望ましくは最大で５質量％の、抗菌および／または抗付着作用を生じる、少なくとも１つの化合物と、を含む混合物と混ぜ合わせる工程と、
    前記ポリマ溶融物と前記混合物とを混ぜ合わせたものを混和する工程と、
    次に、混和した前記混合物を押し出す工程と、
    を含み、
    前記化合物が、抗菌または抗付着効果を持つ少なくとも１つの分子基と、前記化合物を前記ポリマ材料に物理的に固定する、少なくとも１つの分子基とから成ることを特徴とする、抗菌活性表面を備えたポリマ材料の製造法。