JP2017536949A - 抗菌性銀錯体でコーティングされた表面 - Google Patents

抗菌性銀錯体でコーティングされた表面 Download PDF

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Abstract

本発明は、整形外科用インプラント、特に、多段階の溶液浸漬および乾燥のプロセスによって、有機リンカーおよび配位子で固定された銀からなる抗菌性表面処理を受けた金属基材を実質的に含む臀部および膝の人工関節に関する。この処理は、生体適合性でありつつ、細菌成長を阻害するように設計され、そのため、臀部および膝の関節形成術の再置換の主因の1つである人工関節周囲の感染に効く。【選択図】図1

Description

本発明は、銀(Ag+)錯体誘導体でコーティングされたクロミウム−コバルトモリブデン(CrCoMo)アロイから作られる抗菌性表面に関するものである。このようにして得られた表面は、例えば、整形外科用インプラントを調製するため、また、歯科用インプラントを調製するために有用であり得る。
人工関節周囲の感染は、依然としてインプラント挿入後に起こる危険な結果であり、術中の汚染および血行性の原因によって引き起こされる。細菌は、インプラント表面にコロニーを形成し、免疫監視機構に耐性のあるバイオフィルムを形成する。
このような感染の平均発生率は、臀部および膝の全関節形成術の1%の範囲におさまっている。しかし、インプラントに関連する感染後の再置換から2年以内のさらなる再置換術の場合、可能性は10%である。この発生率の増加は、関節の再置換(再手術)の間にインプラントを取り出す必要があり、新しいインプラントを埋め込む必要があり、感染のリスクが高まるという事実によって説明することができる。感染の治療によって、長期間の入院、再置換手術が余儀なくされ、時には死に至る場合もある。人工関節周囲の感染を防ぐための戦略は、整形外科用インプラントに抗菌性表面を作成することを伴う。この表面は、
(a)細菌付着を防ぎ、その表面が「滑らかである」(例えば、ヒドロゲルコーティング、または欧州特許第2318060号明細書にあるような架橋したシリコンを含有するコーティング層)、または
(b)表面に到達したとき、細菌を壊す(またはその数を抑制する)ことによってバイオフィルムの形成を阻止する、または
(c)バイオフィルム形成後にバイオフィルムを破壊する
場合に、抗菌効果を有する。
多くの抗菌性コーティングは、銀だけではなく、銅、抗生物質、ペプチド、キトサン、又はこれらの混合物をも含む。
米国特許第2009035341号明細書は、例えば、銀、銅および亜鉛、およびこれらの混合物から選択される殺生物剤層を含む、抗菌性で非細胞毒性のコーティング組成物を開示する。
しかし、長期間にわたる移植および滅菌保証に関連する整形外科での厳しい要求は、可能性のあるリストを、主に抗生物質および銀イオンに制限してしまう。例として、チタンインプラント表面にうまく共有結合するゲンタマイシンおよびロバマイシン、ある基材(特に、金およびチタン)のコーティングのために使用されるイソニコチン酸に由来する銀配位網目構造を挙げることができる。
Vig Slentersら(Journal of Materials Chemistry、2008、18、5359−62)は、整形外科用インプラントとして有用な、チタンまたは金アロイ基材のコーティングのためのある種のイソニコチン酸誘導体の使用を記載する。
Sagueら(materials 2010、3、3407−29)は、抗菌性表面を調製するために使用可能な、ある種の他のINA(イソニコチン酸)リンカーを記載する。
コーティングされた基材を作成する材料の多様性は、抗菌性人工関節の生体適合性と作用有効性に重要な役割をはたし得る。一般的に、汎用性と製造の容易さから、チタン基材が最も一般的に用いられる材料である。
米国特許第20060161256号明細書は、整形外科での移植に有用な生体適合性のコーティングされた酸化チタン基材を調製するための方法を記載する。
酸化チタンは、この種の用途に有効な基材の代表ではあるが、チタンでコーティングされた人工関節は、予想したほど良好ではない骨結合を示す場合があることを考慮しなければならない。実際に、装着中に、表面から酸化チタンの小さな粒子がはがれ、インプラント付近で炎症が起こることが観察されている。このようにして起こる感染は、抗菌性銀でコーティングされた酸化チタン人工関節の使用に潜在的に関連する一連の問題の1つにすぎない。
従って、整形外科用または外科用の人工関節の調製に使用することができ、非常に生体適合性であり、上に引用した感染を防ぐことができ、そのため、治癒時間を短くし、医療コストを下げる材料を見出すことが必要である。
本願出願人は、クロミウム、コバルトおよびモリブデンで構成されるアロイ(本明細書では、一般的に、Cr−Co−Moアロイと示す)から作られるという事実を特徴とする銀コーティングされたアロイ材料を用いることによって、上述の問題を克服することができることを発見した。本発明の抗菌性材料は、整形外科分野または外科分野のいずれかで簡便に適用することができ、本明細書に記載する実験の章に示されるような高い安全性と抗菌作用を有する人工関節を実現することができる。
一態様において、本発明は、式(I)のクロミウム−コバルト−モリブデンアロイ(本明細書でCrCoMoと示す)材料に依存し、
[Ag+−−配位子−−Ag+]−−[リンカー]−−−−−CrCoMo(I)
式中、
CrCoMoは、クロミウム、コバルトおよびモリブデンを含むアロイ基材であり、
−−−−は、配位結合または共有結合であり、
−配位子−は、
Figure 2017536949
から選択される二価の基であり、
ここで、
Figure 2017536949
n=1または2であり、
−リンカー−は、
Figure 2017536949
から選択される二価の基であり、
ここで、
Figure 2017536949
であり、
リンカーまたは配位子の末端芳香族環は、ヘテロ芳香族環であり、好ましくは、炭素原子の代わりに少なくとも1個のヘテロ原子(例えば、窒素)を含み、リンカーまたは配位子の末端の環は、場合により、1個以上の−NH2基で置換されていてもよく、
配位子は、末端芳香族環の少なくとも1個のヘテロ原子によって、好ましくは、ピリジン窒素原子によってAg+イオンに結合し、リンカーは、1つの末端芳香族環の少なくとも1個のヘテロ原子によって、好ましくは、ピリジン窒素原子によってAg+原子に結合し、O、NおよびSから選択される原子によってCrCoMo表面に結合する。
さらなる態様において、本発明は、上述の材料の整形外科分野または歯科分野における使用に関する。
別の態様において、本発明は、本発明のコーティングされた材料から作られる整形外科用または歯科用の人工関節に関する。
さらなる態様において、本発明は、上述のコーティングされた材料を調製するためのプロセスに関し、このプロセスは、
(1)被コーティング表面であるCrCoMoアロイ表面をグリットブラスト処理し、制御された粗さを達成する工程と、
(2)グリットブラスト処理された表面をアルカリ洗浄し、乾燥させる工程と、
(3)このように処理されたアロイ材料を酸性不動態化する工程と、
(4)イソニコチン酸を用いてリンカーを配置する工程と、
(5)銀化合物を浸漬コーティングまたは噴霧し、乾燥させる工程と、
(6)多段階の生物学的洗浄工程と、場合により、
(7)包装およびγ線による殺菌工程と、を含む。
実施例3.1のCrCoMoアロイ表面にコーティングされた銀化合物のXRDディフラクトグラム 実施例3.1のコーティングされたCrCoMoアロイ表面の銀放出プロフィール 実施例3.1のS.aureus保持量を変えた3種類を用いた、銀化合物でコーティングされたCrCoMo表面のin vitroでのKirby−Bauer試験を示す図 実施例3.2のS.epidermidisおよびS.aureusの保持量を変えた3種類(10e+04、10e+6、10e+07)を用いた、CrCoMoアロイ表面のin vitroでのKirby−Bauer試験を示す図 実施例3.2の24時間、48時間および72時間の培養物で行った、銀化合物でコーティングされたCrCoMo表面のMTTアッセイに基づくin vitroでの細胞生存率を示す図 本発明の好ましい実施形態の模式的な代表を示す図
「C1−C4Alk」という用語は、1〜4個の炭素原子を含む直鎖または分岐鎖の二価アルキル鎖、例えば、−CH2−、−CH2−CH2−などを意味する。
本発明のコーティングされたCrCoMoアロイは、調製が容易であり、高い生体適合性を有し、細菌の成長を阻害することによって人工関節周囲の感染を防ぐように設計された整形外科用人工関節の実現のために特に有用である。
本発明の好ましい実施形態において、式(I)の配位子およびリンカー両方の構造において、末端芳香族環は、パラ位がR/R1基で置換されたピリジンである。
さらに詳細には、本発明のCrCoMoアロイは、好ましくは、式(I)の錯体でコーティングされており、配位子は、上述の式を有し、X=酸素である。
n=2の配位子がさらに好ましい。
さらに好ましい実施形態において、配位子部分は、下式のピリジン誘導体であり、
Figure 2017536949
または
Figure 2017536949
ここで、2個の末端ピリジン窒素原子が、それぞれ銀イオン(Ag+)に結合する。
好ましい実施形態において、本発明のアロイは、一般式:
Figure 2017536949
のリンカーでコーティングされており、
ここで
Figure 2017536949
である。
好ましくは、Rはパラ位にあり、その環はピリジン環である。
例えば、図6に示す好ましい実施形態で示されるように、上述のR基のC1−C4Alk基が−CH2−CH2−部分であるリンカーが特に好ましい。
本発明のこの実施形態において、二価のリンカーは、その一端がチオール硫黄原子によって表面に結合し、他端がピリジン窒素原子によってAg+イオンに結合する。一方、配位子は、ピリジン窒素原子によってこの後者のAg+イオンに結合し、他端でも同様にピリジン窒素原子によって別のAg+イオンに結合する。
本発明に使用されるCrCoMoアロイは、整形外科用インプラントに従来から使用されているCoCrMo ISO 5832−12である。このアロイは、26〜30%のCr、5〜7%のMo、1%のNi、0.75%のFe、1%のMn、1%のSi、0.25%のN、0.14〜0.35%のCを含む。
本発明の一実施形態において、CrCoMoアロイは、金属フォーム、好ましくは、チタンフォームでコーティングされていてもよく、これらは、当該技術分野で知られている加熱噴霧技術、例えば、http://www.eurocoating.it/plasma_spray_coatings/growth/default.aspx.からの技術を用い、アロイに適用することができる。
金属コーティングは、アロイを式(I)の錯体でコーティングする前に適用する。
本発明のアロイ材料は、本明細書に示すような式(I)の錯体を含む抗菌性組成物で部分的に、または完全にコーティングされてもよい。
「部分的にコーティングされる」とは、アロイ材料が、80%までの割合のコーティングされた表面を有することを意味し、一方、「完全にコーティングされる」とは、アロイ材料が、その表面の80〜100%がコーティングされていることを意味する。
好ましくは、アロイ材料は、その表面の70〜90%がコーティングされた表面を有する。
本願出願人は、酸化チタンアロイの使用に関連する主な問題を避けつつ、このようなアロイ組成物を上述のAg+/リンカー/配位子系を用いて容易に保持させることができることを発見した。
本発明の式(I)の錯体は、例えば、Journal of Materials Chemistry、2008、18、5359−62に記載されるように、極性有機溶媒、例えば、低級アルコール(すなわち、炭素原子数が1〜4)、THF、CH3CNなどの存在下、配位子と適切な銀塩とを混合することによって、調製することができる。
本発明によれば、リンカー部分は、好ましくは共有結合によってCr−Co−Moアロイ表面に結合し、これにより、表面に対する強く耐久性のある接続が可能になる。このようなポリマー網目構造は、その後、銀(Ag+)イオンの入れ物として作用することができ、安全な濃度で長期間にわたって抗菌レベルのAg+イオンを放出することができる。この様式で、得られた材料は、光安定性および機械安定性、長期間にわたる抗菌活性、再現性、非毒性および高いバイオインテグレーションを有する。
さらなる態様において、本発明は、整形外科分野または歯科分野において、特に、整形外科用または歯科用のインプラントを調製するための上述のCr−Co−Moアロイでコーティングされた式(I)の材料の使用に関する。この観点で、本発明の好ましい整形外科用インプラントは、臀部、膝、肩、手首および脊椎から選択される。
有利なことに、このインプラントは、現行の人工関節製造プロセスをほんのわずか改変することによって調製することができ、患者の健康を脅かす影響を与える感染も減る。
本発明は、上述の抗菌性材料を調製するためのプロセスにも関する。本発明の好ましい実施形態において、この製造プロセスは、
(1)コーティングするCrCoMoアロイ表面をグリットブラスト処理し、制御された粗さを達成する工程と、
(2)超音波浴中、エタノールアミンでアルカリ洗浄し、その後、乾燥機で乾燥させ、油性残渣と破片屑を除去する工程と、
(3)クエン酸または硝酸または硫酸を用いて不動態化する工程と、
(4)数時間から5日間かけて、浸漬コーティングまたは噴霧を用いてリンカーを配置する工程と、
(5)浸漬コーティングまたは噴霧の技術を用いて銀化合物を適用する工程と、
(6)
(a)メタケイ酸ナトリウムおよびメタケイ酸カリウム、次いで、クエン酸で中和、または
(b)酵素洗浄、次いで、メタケイ酸塩とエタノールアミンで洗浄、または
(c)他の溶媒、例えば、ヒドロフルオロエーテルおよびイソプロピルアルコール蒸気を用いた洗浄
といった、超音波浴中、多段階で洗浄する工程と、
場合により、(7)包装し、γ線(25Kray)によって殺菌する工程と、を含む。
コバルトクロミウムモリブデンアロイから作られ、上述のプロセスを用いて製造される整形外科用製品は、使用時に以下の驚くべき特徴を有する。
(a)その表面に測定可能な量の銀を含有する。
(b)少なくとも24日間にわたって、体液に銀イオン(Ag+)を放出する。
(c)接触点でStaphylococcus aureusおよびStaphylococcus epidermisの細菌成長を阻害する(Kirby−Bauer試験)。
(d)リンカー/配位子コーティングが洗浄工程に耐える。
(e)リンカー/配位子コーティングが、γ線による滅菌サイクルに耐える。従来技術は、配位子が、光安定性を示すことを示しているが、γ線滅菌中に照射される25Krayは、「10センチメートルの距離で15ワット球を数ヶ月」で経変する光よりも高い放射エネルギーを有する(例えば、Vig Slentersら、Journal of Materials Chemistry、2008、18、5359−62を参照)。
(f)マウス細胞株(L−929)は、他の銀系化合物に対する他の刊行物と異なり、損傷を受けていない(例えば、Peetschら、colloid surfaces B、2013、102、724−29を参照)。この銀配位網目構造は、水に比較的不溶性であるため、銀イオンの放出を細胞毒性限界未満に保つ。しかし、驚くべきことに、放射線による殺菌の後でさえ、この低い溶解度によって細菌阻害は損なわれない。
ここで、以下の限定されない実験の章を用いて本発明を記載する。
(実験の章)
実施例1:式(I)の錯体を含む抗菌性組成物の調製(一般的な手順):
リンカー(L)INA誘導体(記載した比率M:Lに依存して、1当量または2当量)の溶媒THF溶液を管の片端に入れ、銀塩(AgX)のH2O溶液またはEtOH溶液またはCH3CN溶液を他端に入れる。両溶液を凍結させ、拡散溶媒THFを加えて両者を接続する。次いで、この管を室温に暗状態で放置し、拡散が起こり得る。
ゆっくりとした拡散:
1当量(または2当量)の銀塩(比率M:Lに依存する)と、1当量の配位子とを、CH3OH中、THF中またはCH3CN中で混合する。室温で約24時間の間に反応が起こる。溶解度が問題となる場合には、Schlenk管中の反応溶液を環流状態で加熱する。濾過した後、このゆっくりとした拡散方法を使用し、1つの結晶生成物を得る。フラスコの底部に母液が溜まり、これは上述の溶液の全体積の約30%を示す。フラスコの上部で、溶媒の第2の相(ヘキサン、CH3CNまたはTHF)を2相が混合しないように注意深くシリンジで層状に配置する。室温でゆっくりとした拡散を行う。
実施例2:本発明の銀でコーティングされたCo−Cr−Moアロイ表面の調製
CoCrMo ISO 5832−12から作られ、直径が10mm、厚みが2mmの円形物を、3ミクロンの粗さ因子(Ra)を得るために、アルミナ微小球を用いてその片面をグリットブラスト処理した。これに対し、以下のプロセスパラメータを用い、本発明のコーティング製造プロセスを行った。
−Deconnex(MEA)を用い、12分間アルカリ洗浄、
−硝酸(32%)を用い、室温で1時間不動態化、
−INA(5mM)リンカーを3時間、5時間、24時間、120時間かけて配置、
−L1AG(2mM)をコーティングし、3時間かけて乾燥を2回、
−HFE/IPA溶媒洗浄。
この円形物を包装し、γ線によって殺菌した(実施例3.1の結果を参照)か、または殺菌しなかった(実施例3.2の結果を参照)。
実施例3:抗菌活性
実施例2で得た本発明の殺菌した円形物と、殺菌していない円形物に、本明細書で上に示したような分析およびin vitro分析を行った。
3.1 殺菌していない円形物
(a)表面X線回折(銀化合物でコーティングされたアロイ表面にX線回折光を当てた)から、24時間および120時間のリンカー配置で、表面に銀が存在することを確認した(図1を参照)。
(b)PBS中のICP−OES(誘導結合プラズマ発光分析)測定(銀化合物でコーティングされたアロイ表面をPBS溶液に所定期間浸した後、別のPBS溶液に以下の期間入れる。それぞれの表面から除去した溶液を、硝酸を含む水で希釈し、測定した)は、少なくとも24日間、Ag+イオンの放出を示した(図2を参照)。
(c)in vitroでのKirby−Bauer試験(コーティングされたアロイ表面を、異なる保持量の細菌を含むMuller−Hinton Agar混合物を層状にしたペトリ皿に入れ、37℃で24時間インキュベートした後、細菌が成長しなかった阻害ゾーンの出現で抗菌活性を確認した)は、24時間および120時間のリンカー配置でS.aureusについて阻害ゾーン(Inhibition Zone)を示した(図3を参照)。
3.2 殺菌した円形物
−in vitroでのKirby−Bauer細菌阻害試験をS.aureus株およびS.epidermis株を用い、殺菌後のCoCrMo円形物を用いて行った。驚くべきことに、多くの処理(洗浄および殺菌)をこれらの円形物に行ったにもかかわらず、両菌株を用いて大きな阻害ゾーンを示した(図4を参照)。
−L−929細胞株は、光学密度によって測定した場合(細胞生存率は、テトラゾリウム染料MTTを、紫色を与える不溶性のホルマザンに還元する細胞酵素の活性を測定する比色MTT系アッセイで評価した。銀化合物でコーティングされたアロイ表面を、細胞接種前に培地中であらかじめインキュベートし、培養24時間後、48時間後、72時間後、96時間後、120時間後に、それぞれの表面に37℃で3時間かけてMTT試薬を加え、光学分光法で検出可能なホルマザンを生成させた)、3日後および5日後に、両表面で依然として生存している(図5を参照)。
この結果は、他の銀コーティングした材料について行われた他の試験が顕著な細胞毒性を示すのに対し、驚くべきことである(例えば、A.Peetschら、Colloid Surfaces B、2013、102:724−729およびC.Greulichら、Langenbecks Arch Surg、2009、394:495−502を参照)。
欧州特許第2318060号明細書 米国特許第2009035341号明細書 米国特許第20060161256号明細書
Journal of Materials Chemistry、2008、18、5359−62 materials 2010、3、3407−29 Colloid surfaces B、2013、102、724−729 Langenbecks Arch Surg、2009、394:495−502

Claims (10)

  1. 式(I)のコーティングされたクロミウム−コバルト−モリブデンアロイ材料:
    [Ag+−−配位子−−Ag+]−−[リンカー]−−−−−CrCoMo(I)
    式中、
    CrCoMoは、クロミウム、コバルトおよびモリブデンを含むアロイ基材であり、
    −−−−は、配位結合または共有結合であり、
    −配位子−は、
    Figure 2017536949
    から選択される二価の基であり、
    ここで、
    Figure 2017536949
    n=1または2であり、
    −リンカー−は、
    Figure 2017536949
    から選択される二価の基であり、
    ここで、
    Figure 2017536949
    であり、
    リンカーまたは配位子の末端芳香族環は、炭素原子の代わりに少なくとも1個の窒素を含むヘテロ芳香族環であり、リンカーまたは配位子の末端の環は、場合により、1個以上の−NH2基で置換されていてもよく、
    配位子は、末端芳香族環の少なくとも1個の窒素原子によって、好ましくは、ピリジン窒素原子によってAg+イオンに結合し、リンカーは、1つの末端芳香族環の少なくとも1個のヘテロ原子によって、好ましくは、ピリジン窒素原子によってAg+原子に結合し、O、NおよびSから選択される原子によってCrCoMo表面に結合する、
    アロイ材料。
  2. X=酸素である、請求項1に記載のアロイ材料。
  3. n=2である、請求項1または2に記載のアロイ材料。
  4. 配位子部分が下式のピリジン誘導体であり、
    Figure 2017536949
    または
    Figure 2017536949
    ここで、2個の末端ピリジン窒素原子が、それぞれ銀イオン(Ag+)に結合する、請求項1〜3のいずれかに記載のアロイ材料。
  5. リンカーが、以下の一般式を有し、
    Figure 2017536949
    ここで、
    Figure 2017536949
    である、請求項1〜4のいずれかに記載のアロイ材料。
  6. リンカーR基中のC1−C4Alk基が−CH2−CH2−部分である、請求項1〜5のいずれかに記載のアロイ材料。
  7. CrCoMo基材が、26〜30%のCr、5〜7%のMo、1%のNi、0.75%のFe、1%のMn、1%のSi、0.25%のN、0.14〜0.35%のCを含む、請求項1〜6のいずれかに記載のアロイ材料。
  8. 請求項1〜7のいずれかに記載のアロイ材料の整形外科分野または歯科分野における使用。
  9. 請求項1〜7のいずれかに記載のアロイ材料から作られる整形外科用または歯科用の人工関節。
  10. 請求項1〜7のいずれかに記載のアロイ材料を調製するためのプロセスであって、
    (1)被コーティング材料であるCrCoMoアロイ材料の表面をグリットブラスト処理し、制御された粗さを達成する工程と、
    (2)アロイ材料をアルカリ洗浄し、乾燥させる工程と、
    (3)このように処理されたアロイ材料を酸性不動態化する工程と、
    (4)表面にリンカーを配置する工程と、
    (5)銀化合物を浸漬コーティングまたは噴霧し、乾燥させる工程と、
    (6)多段階で洗浄する工程と、場合により、
    (7)包装し、γ線によって殺菌する工程と、
    を含む、プロセス。
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