JP2019072475A - Antibacterial material, and antibacterial component including the same - Google Patents

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Abstract

To provide an antibacterial material capable of killing bacteria effectively.SOLUTION: In an antibacterial material 1 including a plurality of columnar projections 3...3, each columnar projection 3 has a shape expressed by following relational expression: Asp≥1.80exp(-0.00083p), where, Asp...aspect ratio of a vertical sectional form passing the center of each columnar projection 3, p...center distance between adjacent two columnar projections 3, 3.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、物理的構造である微細構造物によって菌を死滅または減少させられる、抗菌材料及びこれを備えた抗菌部材に関するものである。   The present invention relates to an antibacterial material and an antibacterial member provided with the same, which can kill or reduce bacteria by a microstructure that is a physical structure.

セミの翅が抗菌性を有することが報告されている(非特許文献1)。非特許文献1では、セミの翅にナノサイズの多数の柱から構成される微細構造物が存在し、この微細構造物に起因する毛細管力により細菌の細胞膜を破壊することで抗菌性を発揮すると述べられている。更に、人工材料(具体的にはブラックシリコン)で形成した微細構造物(ナノサイズの柱であるナノピラー)がセミの翅と同様に抗菌性を持つことが報告されている(非特許文献2)。   It has been reported that semi-ankles have antibacterial properties (Non-patent Document 1). In Non-Patent Document 1, there is a microstructure composed of a large number of nano-sized pillars in a semi-anther, and when it exhibits antibacterial properties by destroying a bacterial cell membrane by capillary force caused by this microstructure. It is stated. Furthermore, it has been reported that microstructures (nano-pillars, which are nano-sized pillars) formed of artificial materials (specifically, black silicon) have antibacterial properties like semi-scissors (Non-Patent Document 2) .

Elena P. Ivanova et al.、「Natural Bactericidal Surfaces: Mechanical Rupture of Pseudomonas aeruginosa Cells by Cicada Wings」、small、2012年、Volume 8、Issue 16、p.2489-2494Elena P. Ivanova et al., “Natural Bacterial Surfaces: Mechanical Rupture of Pseudomonas aeruginosa Cells by Cicada Wings”, small, 2012, Volume 8, Issue 16, p.2489-2494. Elena P. Ivanova et al.、「Bactericidal activity of black silicon」、Nature Communications、2013年11月26日Elena P. Ivanova et al., "Bactericidal activity of black silicon", Nature Communications, 26 November 2013

ところが非特許文献2において、人工的に形成した微細構造物の形状及び密度については検討されていなかった。   However, in Non-Patent Document 2, the shape and density of an artificially formed microstructure were not examined.

そこで本発明は、効果的に細菌を死滅させられる抗菌材料を提供することを課題とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide an antibacterial material capable of effectively killing bacteria.

本発明は、複数の柱状突起を備え、前記各柱状突起は、以下の関係式で表される形状を有する抗菌材料である。

Asp≧1.80exp(-0.00083p)

Asp…前記各柱状突起の中心を通る縦断面形状のアスペクト比
p…隣り合う二つの柱状突起どうしの中心間距離
The present invention is an antibacterial material provided with a plurality of columnar protrusions, and each of the columnar protrusions has a shape represented by the following relational expression.

Asp 1.8 1.80 exp (-0.00083 p)

Asp: Aspect ratio of the longitudinal sectional shape passing through the center of each columnar projection
p ... Center-to-center distance between two adjacent columnar projections

この構成によれば、前記関係式により特定される所定寸法で形成された各柱状突起の表面に細菌を引き寄せ、細胞膜を破壊することで細菌を死滅させられる。   According to this configuration, the bacteria can be killed by attracting the bacteria to the surface of each of the columnar projections formed with the predetermined dimensions specified by the relational expression and destroying the cell membrane.

そして更に、前記各柱状突起の形状は円柱状とできる。   Furthermore, the shape of each of the columnar protrusions can be cylindrical.

この構成によれば、例えばメタルアシストエッチング法、ナノインプリント技術、電子線リソグラフィ等により複数の柱状突起を容易に形成できる。   According to this configuration, the plurality of columnar protrusions can be easily formed by, for example, a metal assist etching method, a nanoimprint technique, an electron beam lithography, or the like.

そして更に、前記各柱状突起はシリコンまたは樹脂から構成されることができる。   Further, each of the columnar protrusions may be made of silicon or resin.

この構成によれば、複数の柱状突起を備えた抗菌材料を、一般的な材料であるシリコンまたは樹脂により容易に得ることができる。   According to this configuration, the antibacterial material provided with the plurality of columnar protrusions can be easily obtained by silicon or resin which is a general material.

そして更に、前記各柱状突起の、少なくとも先端周辺の表面は疎水性を有するものとできる。   Furthermore, at least the surface around the tip of each of the columnar protrusions may be hydrophobic.

この構成によれば、各柱状突起の、少なくとも先端周辺の表面が親水性を有するものと比べて抗菌力を向上させられる。   According to this configuration, the antibacterial power can be improved as compared to those in which at least the surface around the tip of each columnar protrusion has hydrophilicity.

そして更に、前記各柱状突起はシリコンから構成されており、前記疎水性を有する表面はシリコン酸化膜の除去された表面であるものとできる。   Further, each of the columnar protrusions may be made of silicon, and the hydrophobic surface may be a surface from which a silicon oxide film is removed.

この構成によれば、シリコン酸化膜を除去することで、各柱状突起に容易に、抗菌力を向上させた疎水性の表面を実現できる。   According to this configuration, by removing the silicon oxide film, it is possible to easily realize a hydrophobic surface with an improved antibacterial power on each columnar protrusion.

そして更に、前記複数の柱状突起には、疎水基を持つ分子が表面に存在する柱状突起が含まれるものとできる。   Furthermore, the plurality of columnar projections can include columnar projections in which molecules having a hydrophobic group are present on the surface.

この構成によれば、疎水基を持つ分子が表面に位置することで、柱状突起の表面に容易に疎水性を実現できる。   According to this configuration, it is possible to easily realize the hydrophobicity on the surface of the columnar protrusion by positioning the molecule having the hydrophobic group on the surface.

そして更に、前記複数の柱状突起は、疎水基を持つ分子が表面に存在する柱状突起と親水基を持つ分子が表面に存在する柱状突起とが混在して構成されることもできる。   Furthermore, the plurality of columnar protrusions may be configured by mixing a columnar protrusion having a molecule having a hydrophobic group on the surface and a columnar protrusion having a molecule having a hydrophilic group on the surface.

この構成によれば、複数の柱状突起のうち、疎水基を持つ分子が表面に存在するものと、親水基を持つ分子が表面に存在するものとの混在割合を調整することで、複数の柱状突起の全体で所望の濡れ性を実現できる。   According to this configuration, among the plurality of columnar protrusions, by adjusting the mixture ratio of one having a molecule having a hydrophobic group on the surface and one having a molecule having a hydrophilic group on the surface, the plurality of columns Desired wettability can be achieved over the entire protrusion.

そして本発明は、抗菌の対象細菌が、細長い形状であり鞭毛を有するグラム陰性菌であって、前記隣り合う二つの柱状突起どうしの側面間の隙間が、前記対象細菌の鞭毛を除く最大長よりも小さいものとできる。   And, according to the present invention, the antibacterial target bacterium is a gram-negative bacterium having an elongated shape and flagellum, and the gap between the side surfaces of the two adjacent columnar projections is greater than the maximum length excluding the flagella of the target bacterium. Can also be small.

この構成によれば、サイズの異なる対象細菌への、最適な抗菌作用を発揮する抗菌材料を提供できる。   According to this configuration, it is possible to provide an antibacterial material that exerts an optimum antibacterial action on target bacteria of different sizes.

そして本発明は、液体に接する部分に用いられる抗菌部材であって、前記いずれかに記載の抗菌材料を、前記複数の柱状突起が前記液体に対して突出するように設けた抗菌部材である。   And this invention is an antibacterial member used for the part which contact | connects a liquid, Comprising: It is an antibacterial member which provided the antibacterial material in any one of the said so that these columnar protrusion may protrude with respect to the said liquid.

この構成によれば、液体中の細菌を効果的に死滅させられる。   According to this configuration, bacteria in the liquid can be effectively killed.

本発明によると、液体中の細菌を柱状突起に誘引して、効果的に死滅させられる抗菌材料を提供できる。   According to the present invention, bacteria in liquid can be attracted to columnar projections to provide an antimicrobial material that can be effectively killed.

本発明の第1〜第3実施形態に係る抗菌材料の一部を拡大して示した、概略的な斜視図である。It is a schematic perspective view which expanded and showed a part of antibacterial material concerning a 1st-a 3rd embodiment of the present invention. (a)〜(f)は、前記抗菌材料をメタルアシストエッチング法で作製する場合の手順を工程順に示した、概略的な斜視図である。(A)-(f) is a schematic perspective view which showed the procedure in the case of producing the said antibacterial material by a metal assist etching method to process order. 前記抗菌材料の抗菌性を評価した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having evaluated the antimicrobial property of the said antimicrobial material. 表面に柱状突起を備えた試験片と表面が平坦な試験片とにおいて、接触角と付着した細胞の密度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a contact angle and the density of the cell to which it attached in the test piece which equipped the surface with the columnar protrusion, and the test piece with flat surfaces. (a)は親水基(水酸基)を先端に持つ分子が表面に存在する柱状突起を示し、(b)は疎水基(メチル基)を先端に持つ分子が表面に存在する柱状突起を示し、(c)は親水基(水酸基)を先端に持つ分子が表面に存在する平坦面を示し、(d)は疎水基(メチル基)を先端に持つ分子が表面に存在する平坦面を示した、概略的な斜視図である。(A) shows a columnar protrusion having a molecule having a hydrophilic group (hydroxyl group) at its tip on the surface, and (b) shows a columnar protrusion having a molecule having a hydrophobic group (methyl group) at its tip on its surface c) shows a flat surface where molecules having a hydrophilic group (hydroxyl group) at the tip are present on the surface, and (d) shows a flat surface where a molecule having a hydrophobic group (methyl group) at the tip is present on the surface Perspective view. 表面に柱状突起(ナノ構造)のある領域とない領域との大腸菌の付着数の差を示す顕微鏡画像である。It is a microscope image which shows the difference in the adhesion number of colon_bacillus | E._coli with the area | region with and without a columnar protrusion (nano structure) on the surface. 表面特性と抗菌特性との関係につき、大腸菌の生・死細胞数の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the dead / dead cell number of E. coli regarding the relationship between a surface property and an antimicrobial property. 異なる接触角の表面における、大腸菌の生存率の時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time change of the survival rate of E. coli in the surface of a different contact angle. 前記抗菌材料の形状を評価するための寸法を説明するための、概略的な縦断面図である。It is a schematic longitudinal cross-sectional view for demonstrating the dimension for evaluating the shape of the said antibacterial material. 隣り合う二つの柱状突起どうしの中心間距離が3パターンにおける、隣り合う二つの柱状突起どうしの側面間の隙間(Gap)と大腸菌の生存率(生菌率)との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the clearance (Gap) between the side surfaces of two adjacent columnar protrusions and the survival rate (viable rate of E. coli) in a case where the distance between the centers of two adjacent columnar protrusions is three patterns. 隣り合う二つの柱状突起どうしの中心間距離が3パターンにおける、柱状突起の高さと大腸菌の生存率(生菌率)との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the height of pillar-shaped projections and the survival rate (viable rate of E. coli) in a case where the distance between centers of two adjacent pillar-shaped projections is three patterns. 隣り合う二つの柱状突起どうしの中心間距離が3パターンにおける、柱状突起のアスペクト比(Aspect ratio)と大腸菌の生存率(生菌率)との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the aspect-ratio (Aspect ratio) of columnar protrusion, and the survival rate (viable rate of E. coli) in the center-to-center distance of adjacent two columnar protrusions in three patterns. 隣り合う二つの柱状突起どうしの中心間距離が4パターンにおける、柱状突起のアスペクト比(Aspect ratio)と大腸菌の生存率(生菌率(Living bacteria ratio))との関係を示すグラフであり、(a)は中心間距離(Pitch)200nmの場合、(b)は中心間距離(Pitch)500nmの場合、(c)は中心間距離(Pitch)1000nmの場合、(d)は中心間距離(Pitch)2000nmの場合を示す。This is a graph showing the relationship between the aspect ratio (Aspect ratio) of columnar protrusions and the survival rate (Living bacteria ratio) of E. coli in a pattern in which the center distance between two adjacent columnar protrusions is 4 patterns, a) is the center-to-center distance (Pitch) 200 nm, (b) is the center-to-center distance (Pitch) 500 nm, (c) is the center-to-center distance (Pitch) 1000 nm, (d) is the center-to-center distance (Pitch) The case of 2000 nm is shown. 抗菌を発揮する条件を解析するためのグラフであって、隣り合う二つの柱状突起どうしの中心間距離(Pitch)1000nmの場合の、柱状突起のアスペクト比と大腸菌の生存率(生菌率)の対数との関係を示す。It is a graph for analyzing the conditions which exhibit an antimicrobial, Comprising: When the center distance (Pitch) distance between two adjacent columnar projections (Pitch) is 1000 nm, the aspect ratio of columnar projections and the survival rate of E. coli (viable ratio) Show the relationship with logarithm. 大腸菌の生存率(生菌率)が1%、0.1%のそれぞれの場合での、隣り合う二つの柱状突起どうしの中心間距離(Pitch)と柱状突起のアスペクト比(Aspect ratio) との関係を示すグラフである。When the survival rate (viable rate) of E. coli is 1% or 0.1%, the distance between the centers of two adjacent pillars (Pitch) and the aspect ratio of the pillars (Aspect ratio) It is a graph which shows a relation. QCM法における共振抵抗(Resistance shift)の時間変化を示すグラフであり、(a)はナノ構造の有無の影響を示し、(b)は接触角の影響を示し、(c)は菌の鞭毛の有無の影響を示す。It is a graph which shows the time change of the resonance resistance (Resistance shift) in QCM method, (a) shows the influence of the presence or absence of a nanostructure, (b) shows the influence of a contact angle, (c) shows the flagella of a fungus. Indicates the influence of the presence or absence. QCM法における測定後の水晶振動子表面の状態を示す顕微鏡画像である。It is a microscope image which shows the state of the quartz oscillator surface after the measurement in QCM method. (a)〜(c)は、推測される抗菌メカニズムを示す概略図である。(A)-(c) are schematic which shows the antimicrobial mechanism estimated. 本発明の第1実施形態に係る抗菌材料と抗菌の対象細菌との大きさの関係を示す概略図である。It is the schematic which shows the relationship of the magnitude | size of the antibacterial material which concerns on 1st Embodiment of this invention, and the object bacteria of an antibacterial.

(第1実施形態)
本発明につき、第1実施形態を取り上げて説明を行う。ここで、本明細書に記載した「抗菌」との用語は、JIS Z 2801における定義である「製品の表面における細菌の増殖を抑制する状態」に対応している。具体的に、「抗菌」とは、抗菌材料の周囲に存在する微生物(特に細菌)の数量を死滅により減少あるいは増加させない状態を意味する。
First Embodiment
The present invention will be described by taking the first embodiment. Here, the term "antibacterial" described in the present specification corresponds to "a state in which the growth of bacteria on the surface of the product is suppressed" as defined in JIS Z 2801. Specifically, "antibacterial" means a state in which the number of microorganisms (especially bacteria) present around the antibacterial material is not reduced or increased due to death.

まず、本実施形態の概要を述べておく。本願の発明者は、自己組織化膜を形成することにより、寸法(間隔、高さ、横断面寸法等)や密度を任意に設定した微細構造物(「ナノ構造」ともいう)を形成した。そして、表面の濡れ性を調整して親水性及び/または疎水性(撥水性)表面を有する微細構造物を得た。このようにして得られた微細構造物の疎水性表面に、親水性表面に比べて積極的に微生物(細菌)が付着して死滅することが確認された。   First, an outline of the present embodiment will be described. The inventor of the present application formed a self-assembled film to form a microstructure (also referred to as “nanostructure”) whose dimensions (distance, height, cross-sectional dimensions, etc.) and density are arbitrarily set. Then, the wettability of the surface was adjusted to obtain a microstructure having a hydrophilic and / or hydrophobic (water repellent) surface. It has been confirmed that microorganisms (bacteria) adhere to the hydrophobic surface of the microstructure thus obtained more positively than the hydrophilic surface and die.

図1は、本実施形態の、基板2上に複数の微細構造物としての柱状突起(ナノピラー)3…3を備えた抗菌材料1を示す。なお、図1は概略図であって、本実施形態の抗菌材料1を正確に示したものではない。基板2及び各柱状突起3はシリコンから構成されている。各柱状突起3の形状は、本実施形態では円柱状とされている。しかし、各柱状突起3の形状は特に限定されるものではなく、多角柱状、円錐状、多角錐状であってもよい。だだし、形状を円柱状とすることが、例えば後述のメタルアシストエッチング法により自己組織化膜を形成できることから、複数の柱状突起3…3を容易に形成できるため好ましい。   FIG. 1 shows an antibacterial material 1 according to the present embodiment provided with columnar protrusions (nanopillars) 3 as a plurality of fine structures on a substrate 2. FIG. 1 is a schematic view and does not exactly show the antibacterial material 1 of the present embodiment. The substrate 2 and each columnar protrusion 3 are made of silicon. The shape of each columnar protrusion 3 is cylindrical in this embodiment. However, the shape of each columnar protrusion 3 is not particularly limited, and may be polygonal columnar shape, conical shape, polygonal pyramid shape. However, it is preferable to make the shape into a cylindrical shape, for example, since a plurality of columnar protrusions 3 can be easily formed since a self-assembled film can be formed by, for example, a metal assist etching method described later.

各柱状突起3の、少なくとも先端周辺の表面は疎水性を有している。これは、細菌を積極的に付着させるためである。ただし、本発明において表面の疎水性は必須要件ではなく、親水性であってもよい。また一般的に、「疎水性」とは、水の接触角(具体的には静的接触角)が90°を超える場合に該当するが、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、相対的に疎水性か親水性かを定めることもできる。前記「先端周辺」とは端面及び側面のうち端面側の面である。細菌を効果的に付着させるためには、各柱状突起3の先端周辺の表面が疎水性を有していれば足りる。細菌の付着に関する詳細は後述する。   The surface of at least the tip of each columnar protrusion 3 is hydrophobic. This is to positively attach bacteria. However, in the present invention, the hydrophobicity of the surface is not an essential requirement, and may be hydrophilic. Also, in general, “hydrophobic” corresponds to the case where the contact angle of water (specifically, the static contact angle) exceeds 90 °, but is not necessarily limited thereto, for example, relative It is also possible to determine whether it is hydrophobic or hydrophilic. The above-mentioned "periphery of tip" is a surface on the end face side among the end face and the side face. In order to attach the bacteria effectively, it is sufficient if the surface around the tip of each columnar protrusion 3 has hydrophobicity. Details on adhesion of bacteria will be described later.

複数の柱状突起3…3の配置及び各柱状突起3の寸法に関し、各柱状突起3は、隣り合う二つの柱状突起3,3どうしの中心間距離(図9参照)が500nm以下とされている。なお、中心間距離の下限値は下記隙間の設定に関連して定まる。更に、前記隣り合う二つの柱状突起3,3どうしの側面間の隙間(図9参照)が20nm以上200nm以下である、または、前記各柱状突起3の中心を通る縦断面形状のアスペクト比が1以上である。このように各寸法を設定することで、疎水性を有する各柱状突起3の表面に細菌を引き寄せ、細胞膜を破壊することで細菌を死滅させられる。   With regard to the arrangement of the plurality of columnar protrusions 3... 3 and the dimensions of the respective columnar protrusions 3, the distance between the centers of two adjacent columnar protrusions 3 (see FIG. 9) is 500 nm or less . The lower limit value of the center-to-center distance is determined in relation to the setting of the following gap. Furthermore, the gap (see FIG. 9) between the side surfaces of the two adjacent columnar projections 3 is 20 nm or more and 200 nm or less, or the aspect ratio of the longitudinal sectional shape passing through the centers of the respective columnar projections 3 is 1 It is above. By setting the dimensions in this manner, bacteria can be attracted to the surface of each of the hydrophobic columnar projections 3 to destroy the cell membrane, thereby killing the bacteria.

本実施形態の抗菌材料1は湿式エッチング技術に係る方法の一例であるメタルアシストエッチング法で作製される。作製手順を工程順に図2(a)〜図2(f)に示す。なお、図2(a)〜図2(f)は概略図であって、図示されておる寸法関係は正確ではない。   The antimicrobial material 1 of the present embodiment is manufactured by a metal assist etching method which is an example of a method according to a wet etching technique. The production procedure is shown in order of steps in FIG. 2 (a) to FIG. 2 (f). 2 (a) to 2 (f) are schematic views, and the dimensional relationships shown are not accurate.

まず、平坦なシリコン板2aの表面に所定寸法のポリスチレンビーズ(以下、単に「ビーズ」という)Bを複数、重ならず最密充填状態となるように敷き詰め、図2(a)に示した状態とする。これにより、シリコン板2a上に、複数のビーズB…Bからなる自己組織化膜が形成される。最密充填状態であるから、各ビーズBの直径がすなわち、形成後の隣り合う二つの柱状突起3,3どうしの中心間距離S(図9参照)となる。このため、この処理によって所望の中心間距離Sを有する複数の柱状突起3…3を得ることができる。   First, a plurality of polystyrene beads (hereinafter simply referred to as "beads") B of a predetermined size are spread on the surface of a flat silicon plate 2a so as to be in the closest packed state without overlapping, and the state shown in FIG. I assume. Thereby, a self-assembled film composed of a plurality of beads B... B is formed on the silicon plate 2a. In the close-packed state, the diameter of each bead B is, in other words, the center-to-center distance S (see FIG. 9) between two adjacent columnar protrusions 3 after formation. For this reason, a plurality of columnar protrusions 3... 3 having a desired center-to-center distance S can be obtained by this processing.

次に、各ビーズBに対してプラズマ(本実施形態では酸素プラズマ)を照射させて炭化させることにより、各ビーズBをシリコン板2a上の同一位置にて小径化して、図2(b)に示した状態とする。小さくなったビーズBの直径がすなわち、形成後の柱状突起3の直径D(図9参照)となる。このため、この処理によって所望の直径を有する柱状突起3を得ることができる。   Next, each bead B is irradiated with plasma (in the present embodiment, oxygen plasma) to carbonize the beads B so that the diameter of each bead B is reduced at the same position on the silicon plate 2a, as shown in FIG. Let it be in the state shown. That is, the diameter of the reduced bead B becomes the diameter D (see FIG. 9) of the columnar protrusion 3 after formation. For this reason, the columnar projections 3 having a desired diameter can be obtained by this process.

次に、種々の成膜方法を用いて、シリコン板2a上に貴金属を上方から堆積させ薄膜Fを形成することで、図2(c)に示した状態とする。本実施形態ではスパッタリングによりシリコン板上に金の薄膜Fを形成している。ここで、シリコン板2a上には複数のビーズB…Bが存在しているため、各ビーズBが陰になって、各ビーズBの直下における各ビーズBの直径分の円形領域Rには貴金属の薄膜Fは形成されない状態となる。   Next, using a variety of film forming methods, a noble metal is deposited from above on the silicon plate 2a to form a thin film F, whereby the state shown in FIG. 2C is obtained. In the present embodiment, a gold thin film F is formed on a silicon plate by sputtering. Here, since a plurality of beads B are present on the silicon plate 2a, each bead B is shaded, and a noble metal is added to the circular area R of the diameter of each bead B immediately below each bead B. The thin film F is not formed.

次に、図2(c)に示したものをエッチング液に浸漬する。本実施形態のエッチング液は、過酸化水素及びフッ化水素酸の混合水溶液である。この浸漬により、シリコン板2aのうち、貴金属の薄膜Fに接した部分のシリコンが選択的に削られる。これに伴い薄膜Fは下降していき、図2(d)に示すように、複数のビーズB…Bの下方に微細な円柱状である柱状突起3が複数形成されると共に基板2が形成される。   Next, the one shown in FIG. 2C is dipped in an etching solution. The etching solution of the present embodiment is a mixed aqueous solution of hydrogen peroxide and hydrofluoric acid. By this immersion, silicon in a portion in contact with the thin film F of the noble metal in the silicon plate 2a is selectively scraped off. Along with this, the thin film F descends, and as shown in FIG. 2D, a plurality of fine columnar pillars 3 are formed below the plurality of beads B, and a substrate 2 is formed. Ru.

次に、貴金属の薄膜Fを除去して、図2(e)に示した状態とする。除去のため、本実施形態では王水が用いられる。その他に、ヨウ素とヨウ化カリウムを混合した溶液でも実施できる。そしてビーズBを除去することで、図2(f)に示した状態とし、抗菌材料1が出来上がる。ただし、図2(f)に示した状態では柱状突起3の表面はメタルアシストエッチングによる影響により形成されたシリコン酸化膜で覆われたままの状態である。   Next, the thin film F of the noble metal is removed to obtain the state shown in FIG. For removal, aqua regia is used in this embodiment. In addition, it can carry out also with the solution which mixed iodine and potassium iodide. Then, by removing the beads B, the antibacterial material 1 is completed as shown in FIG. 2 (f). However, in the state shown in FIG. 2F, the surface of the columnar protrusion 3 is still covered with the silicon oxide film formed by the influence of the metal assist etching.

このように複数のビーズB…Bを用いたメタルアシストエッチング法により、所望の寸法及び密度とされた複数の柱状突起3…3を備えた抗菌材料1を容易に得ることができる。自己組織化膜を利用することで、コストダウンと作製に要する時間の短縮をはかることができる。抗菌材料1は、前述のメタルアシストエッチング法により得られた複数の柱状突起3…3を備えた物体を直接的に用いることもできるし、この物体を樹脂(例えばシリコンゴム)等に転写したものを用いることもできるし、この物体をかたどった成形型・転写型をまず形成し、その成形型・転写型を利用して製造した樹脂(例えばシリコンゴム)等の成型品を用いることもできる。成形・転写によることで、抗菌材料を大量生産できる。成形・転写の技術としてはナノインプリント技術、電子線リソグラフィ等を利用できる。このようにして、複数の柱状突起を備えた抗菌材料1を、一般的な材料であるシリコンまたは樹脂により容易に得ることができる。樹脂素材に関しては、本願の発明者はシリコンゴムであるPDMSにより抗菌材料1を実際に作成し、抗菌性を発揮することを確認している。   Thus, the metal-assisted etching method using the plurality of beads B can easily provide the antibacterial material 1 including the plurality of columnar projections 3 having a desired size and density. By using a self-assembled film, it is possible to reduce the cost and the time required for production. The antibacterial material 1 can be used directly as an object provided with a plurality of columnar protrusions 3... 3 obtained by the above-mentioned metal-assisted etching method, or this object is transferred to a resin (for example, silicone rubber) It is also possible to use a molded article such as a resin (for example, silicone rubber) produced by first forming a mold / transfer mold in which the object is shaped, and using the mold / transfer mold. By molding and transferring, it is possible to mass-produce the antibacterial material. Nanoimprint technology, electron beam lithography, etc. can be used as molding / transfer technology. In this manner, the antimicrobial material 1 having a plurality of columnar protrusions can be easily obtained from silicon or resin which is a common material. With regard to the resin material, the inventor of the present application has actually produced the antibacterial material 1 by PDMS, which is a silicone rubber, and confirmed that the antibacterial property is exhibited.

メタルアシストエッチング法により形成された各柱状突起3の表面はシリコン酸化膜(二酸化シリコンの膜)で覆われているため親水性を有している。このシリコン酸化膜を除去することにより、各柱状突起3の表面に疎水性を有するものとできる。つまり、疎水性を有する表面はシリコン酸化膜の除去された表面のことである。本実施形態では、フッ化水素酸とフッ化アンモニウムの混合液への浸漬により酸化膜を除去している。このようにシリコン酸化膜を除去することで、各柱状突起3の表面に容易に疎水性を実現できる。また、前記浸漬がされない部分は親水性を有したままで、前記浸漬がされた部分は疎水性を有するものとできるので、例えば、各柱状突起3の先端周辺の表面だけを疎水性を有するようにする等、所望の領域に関して疎水性及び親水性を実現できる。   The surface of each columnar protrusion 3 formed by the metal assist etching method is hydrophilic because it is covered with a silicon oxide film (film of silicon dioxide). By removing the silicon oxide film, the surface of each columnar protrusion 3 can be made hydrophobic. That is, the hydrophobic surface is the surface from which the silicon oxide film is removed. In the present embodiment, the oxide film is removed by immersion in a mixed solution of hydrofluoric acid and ammonium fluoride. By removing the silicon oxide film in this manner, the hydrophobicity can be easily realized on the surface of each columnar protrusion 3. Further, since the portion not to be immersed can be made hydrophilic while the portion to be immersed can be made hydrophobic, for example, only the surface around the tip of each columnar protrusion 3 should be made hydrophobic. For example, hydrophobicity and hydrophilicity can be achieved with respect to desired regions.

柱状突起3の表面が有する濡れ性(接触角)の調整は、疎水基を持つ分子または親水基を持つ分子を適宜、各柱状突起3の表面に設けることで実現できる。例えば、まず各柱状突起3の表面に金の薄膜を形成しておく。そして、図5(a)(b)に示すように、金と結合しやすいチオール基を基端部に持ち、先端部に水酸基(親水基)またはメチル基(疎水基)を持つ分子を結合させる。このようにすることで本実施形態では、各柱状突起3の表面において、接触角(水)を10°〜140°の範囲で任意に調整できる。   Adjustment of the wettability (contact angle) of the surface of the columnar projections 3 can be realized by appropriately providing a molecule having a hydrophobic group or a molecule having a hydrophilic group on the surface of each columnar projection 3. For example, first, a gold thin film is formed on the surface of each columnar protrusion 3. Then, as shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), a thiol group that easily bonds to gold is held at the base end, and a molecule having a hydroxyl group (hydrophilic group) or a methyl group (hydrophobic group) is bonded to the tip. . By doing so, in the present embodiment, the contact angle (water) can be arbitrarily adjusted in the range of 10 ° to 140 ° on the surface of each columnar protrusion 3.

このように、複数の柱状突起3…3は、疎水基を持つ分子が表面に存在する柱状突起3と親水基を持つ分子が表面に存在する柱状突起3とが混在して構成されることができる。疎水基を持つ分子が表面に位置することで、柱状突起3の表面に容易に疎水性を実現できる。また、複数の柱状突起3…3のうち、疎水基を持つ分子が表面に存在するものと、親水基を持つ分子が表面に存在するものとの混在割合を調整することで、複数の柱状突起3…3の全体で所望の濡れ性を実現できる。このほか、一つの柱状突起3において、疎水基を持つ分子と親水基を持つ分子とが表面に混在して存在するようにすることも可能である。   As described above, the plurality of columnar projections 3... 3 are configured to be a mixture of the columnar projections 3 on the surface of which the molecules having hydrophobic groups are present and the columnar projections 3 on the surfaces of which the molecules having hydrophilic groups are present. it can. By positioning the molecule having a hydrophobic group on the surface, it is possible to easily realize the hydrophobicity on the surface of the columnar protrusion 3. Further, among the plurality of columnar protrusions 3... 3, the plurality of columnar protrusions is adjusted by adjusting the mixture ratio of one having molecules having a hydrophobic group on the surface and one having molecules having a hydrophilic group on the surface. Desired wettability can be realized in the whole of 3. In addition, in one columnar projection 3, it is also possible to make a molecule having a hydrophobic group and a molecule having a hydrophilic group coexist on the surface.

このように形成された抗菌材料1は、例えばブロック状やシート状の形状とすることができる。この抗菌材料1は、液体に接する部分に用いられる抗菌部材であって、抗菌材料1の備える複数の柱状突起3…3が液体に対して突出するように備えられた抗菌部材に組み込んで利用できる。この抗菌部材を用いることで、液体中の細菌を効果的に死滅させられる。この抗菌部材は、上下水道用の配管部材、家庭内の配管部材、食品工場等の衛生管理が必要な施設において液体に触れる部材、医療機器や医療用分析装置を構成する部材等に利用できる。   The antimicrobial material 1 formed in this manner can be, for example, in the form of a block or sheet. The antibacterial material 1 is an antibacterial member used in a portion in contact with a liquid, and can be used by being incorporated in the antibacterial member provided with a plurality of columnar protrusions 3 ... 3 provided in the antibacterial material 1 so as to protrude to the liquid . By using this antibacterial member, bacteria in the liquid can be effectively killed. This antibacterial member can be used as a piping member for water and sewage, piping member in a home, a member touching liquid in facilities requiring hygiene management such as a food factory, and a member constituting a medical instrument or a medical analysis device.

次に、本願の発明者が本実施形態の抗菌材料1に関し、各種の試験を行ったので説明する。以下で説明する試験はすべてJIS Z 2801に則って行った。また、試験に供した大腸菌の菌株はNBR3972である。   Next, since the inventor of the present application performed various tests on the antibacterial material 1 of the present embodiment, it will be described. All the tests described below were conducted in accordance with JIS Z 2801. Also, the strain of E. coli used for the test is NBR3972.

図3は、柱状突起3の直径Dと高さH(図9参照)の積、つまり縦断面積に対する大腸菌の、24時間経過の生存率を示す。平坦な試験片に関しては、縦断面積を0とする。なお、グラフ縦軸の下端(10-5%)は検出限界以下である場合も含む。柱状突起(ナノピラー)3を有する試験片において、隣り合う二つの柱状突起3,3どうしの中心間距離S(図9参照)は200nmに設定した。 FIG. 3 shows the product of the diameter D and height H (see FIG. 9) of the columnar projections 3, that is, the 24-hour passage survival rate of E. coli with respect to the longitudinal sectional area. For flat test pieces, the longitudinal cross-sectional area is zero. The lower end (10 -5 %) of the graph vertical axis also includes the case where it is below the detection limit. In the test piece having the columnar projections (nanopillars) 3, the center-to-center distance S (see FIG. 9) between two adjacent columnar projections 3 is set to 200 nm.

図3中の四角形ポイントは、表面が二酸化シリコンで覆われた柱状突起3を有する試験片(水の接触角が23°で相対的に親水性)に関してであり、丸形ポイントは、表面にシリコンが露出した柱状突起3を有する試験片(水の接触角が77°で相対的に疎水性)に関してであり、X字形ポイントは、表面が二酸化シリコンで覆われた平坦な試験片に関してであり、菱形ポイントは、表面にシリコンが露出した平坦な試験片に関してである。   The square points in FIG. 3 relate to the test piece (having a water contact angle of 23 ° and relative hydrophilicity with a water contact angle of 23 °), and the round points represent silicon on the surface. Is for a test specimen with exposed pillars 3 (water contact angle is 77 ° and relatively hydrophobic), the X-shaped point is for a flat test specimen whose surface is covered with silicon dioxide, The diamond points are for flat specimens with exposed silicon on the surface.

一般的には、生存率が1%以下であれば抗菌性があると評価できる(JIS Z 2801)。図3に示すように、柱状突起3を有する試験片のうち表面が親水性のものは、縦断面積が小さい領域では生存率が高かったが、縦断面積が大きくなるにつれて生存率が低下していた。一方、柱状突起3を有する試験片のうち表面が疎水性のものは、縦断面積を問わず生存率が低く、良好に抗菌性を発揮していることが確認できた。   In general, if the survival rate is 1% or less, it can be evaluated that there is antibacterial activity (JIS Z 2801). As shown in FIG. 3, among the test pieces having the columnar projections 3, the one having a hydrophilic surface had a high survival rate in the region where the longitudinal cross-sectional area is small, but the survival rate decreased as the longitudinal cross-sectional area increased. . On the other hand, it was confirmed that among the test pieces having the columnar projections 3, the one having a hydrophobic surface had a low survival rate regardless of the longitudinal cross-sectional area, and exhibited excellent antibacterial properties.

次に、表面の濡れ性と細菌の付着性との関係を図4に示す。柱状突起3を備えた試験片と平坦な試験片のそれぞれにつき、表面に疎水基と親水基を持たせることで接触角(水)を変化させた複数種を用意する。これらの試験片に同数の大腸菌を含んだ培養液を滴下して蓋を被せ、試験片への大腸菌の付着数を顕微鏡で観察しカウントした。   Next, the relationship between surface wettability and bacterial adhesion is shown in FIG. A hydrophobic group and a hydrophilic group are provided on the surface of each of the test piece provided with the columnar projection 3 and the flat test piece to prepare a plurality of types in which the contact angle (water) is changed. A culture solution containing the same number of E. coli was dropped onto these test pieces and covered with a lid, and the number of E. coli adhered to the test pieces was observed with a microscope and counted.

図4中の丸形ポイントは、複数の柱状突起3…3を備えた試験片(図5(a)及び図5(b)参照)に関してであり、四角形ポイントは、平坦な試験片に関して(図5(c)及び図5(d)参照)である。図4の横軸は接触角、縦軸は1mm四方の大腸菌密度を示す。各ポイントを結んだ曲線から、接触角が大きい(疎水的である)ほど付着性が高く、かつ、柱状突起3がある方が高い付着性であることが示されている。なお、図4に示すように、柱状突起3を備えた試験片では、接触角100°を超えると大腸菌の付着数の増加が鈍化しているが、これは投入した大腸菌のほとんどが付着してしまったためと推察される。   The round points in FIG. 4 refer to test pieces with a plurality of columnar projections 3... 3 (see FIGS. 5 a and 5 b), and the square points refer to flat test pieces (see FIG. 5 (c) and FIG. 5 (d)). The horizontal axis in FIG. 4 indicates the contact angle, and the vertical axis indicates the E. coli density of 1 mm square. From the curve connecting the points, it is shown that the larger the contact angle (hydrophobic), the higher the adhesion and the higher the presence of the columnar projections 3 the higher the adhesion. In addition, as shown in FIG. 4, in the test piece provided with the columnar projections 3, when the contact angle exceeds 100 °, the increase in the attachment number of E. coli slows but this is because most of the E. coli added is attached. It is guessed that it has fallen.

また、図6は顕微鏡画像であって、柱状突起(図6中の「ナノ構造」)3のある領域とない領域で大腸菌の付着数に明確な差があることがわかった。   Moreover, FIG. 6 is a microscope image, It turned out that there exists a clear difference in the number of adhesion of E. coli in the area | region with and without the area | region 3 of columnar protrusion ("nano structure" in FIG. 6).

これらの結果により、少なくとも大腸菌においては、接触角が大きいほど付着性が高く、しかも柱状突起3があると付着性が高いことが明らかとなった。このことは、少なくとも鞭毛を有する微生物について同じであることが推察できる。   From these results, it has become clear that at least in E. coli, the adhesion is higher as the contact angle is larger, and the adhesion is higher when the columnar projections 3 are present. It can be inferred that this is at least the same for microorganisms with flagella.

また、細菌の生死については、細胞膜を透過できるため生きた細胞が染色される蛍光色素と、細胞膜を透過できないため死んだ細胞(細胞膜が破壊された細胞)が染色される蛍光色素を用い、蛍光顕微鏡で観察することにより、蛍光色の違いから生存している細菌と死滅した細菌の数をそれぞれカウントした。複数の柱状突起3…3を備え、接触角(水)を100°に調整した試験片を用いた。結果を図7に示す。図7の横軸は経過時間、縦軸は顕微鏡の視野内でカウントされた細胞数を示す。図7に示すように、試験片の表面が疎水性である方が親水性であるよりも細胞を多く死滅させられていることがわかる。 In addition, for the life and death of bacteria, a fluorescent dye that stains live cells because it can penetrate cell membranes, and a fluorescent dye that stains dead cells (cells whose cell membranes are broken) because it can not permeate cell membranes By observing under a microscope, the number of living bacteria and dead bacteria were counted from the difference in fluorescence color. A test piece provided with a plurality of columnar protrusions 3 ... 3 and having a contact angle (water) adjusted to 100 ° was used. The results are shown in FIG. The horizontal axis in FIG. 7 indicates the elapsed time, and the vertical axis indicates the number of cells counted in the field of view of the microscope. As shown in FIG. 7, it can be seen that the more hydrophobic the surface of the test strip is, the more cells are killed than the more hydrophilic surface.

また、図8に試験片表面の濡れ性と大腸菌の死滅スピードの関係を示す。図8中の三角形ポイントは、接触角(水)が100°の試験片に関してであり、四角形ポイントは、接触角(水)が70°の試験片に関してであり、丸形ポイントは接触角(水)が極めて低い超親水性の試験片に関してである。結果を図8に示す。図8の横軸は経過時間、縦軸は大腸菌の生存率である。図8に示すように、接触角が大きい方、つまり疎水的であるほど生存率の減少が大きいため、死滅スピードが速いことがわかる。   Further, FIG. 8 shows the relationship between the wettability of the surface of the test piece and the killing speed of E. coli. The triangle points in FIG. 8 are for specimens with a contact angle (water) of 100 °, the square points are for specimens with a contact angle (water) of 70 °, and the round points are for the contact angle (water ) For very low ultrahydrophilic test strips. The results are shown in FIG. The horizontal axis in FIG. 8 is the elapsed time, and the vertical axis is the survival rate of E. coli. As shown in FIG. 8, the larger the contact angle, that is, the more hydrophobic, the greater the decrease in the survival rate, and hence the higher the killing speed.

図10〜図12に、柱状突起3の寸法と24時間経過後の大腸菌の生存率との関係を示す。図9に評価対象とした寸法の関係を示す。隣り合う二つの柱状突起3,3どうしの中心間距離を3パターン(200nm、500nm、1000nm)で設定した。   10 to 12 show the relationship between the dimensions of the columnar projections 3 and the survival rate of E. coli after 24 hours. The relationship of the dimension made into evaluation object in FIG. 9 is shown. The distance between the centers of two adjacent columnar protrusions 3 was set to three patterns (200 nm, 500 nm, 1000 nm).

図2(a)〜図2(f)で示されたように試験片の柱状突起3を作製した関係上、中心間距離を変化させると、柱状突起3の高さ及び直径も変化したものとなっている。それぞれの関係は以下の通りである。
中心間距離S:200nm、高さH:約250nm、直径D:約120nm
中心間距離S:500nm、高さH:約500nm、直径D:約270nm
中心間距離S:1000nm、高さH:約300nm、直径D:約510nm
As shown in FIGS. 2 (a) to 2 (f), when the distance between the centers is changed, the height and the diameter of the pillars 3 are also changed. It has become. The relationship between each is as follows.
Center distance S: 200 nm, height H: about 250 nm, diameter D: about 120 nm
Center distance S: 500 nm, height H: about 500 nm, diameter D: about 270 nm
Center distance S: 1000 nm, height H: about 300 nm, diameter D: about 510 nm

なお、試験片はシリコンにより作製した。なお、試験片の表面は酸化膜でおおわれているため親水的条件である。このため、試験は、前述した結果から厳しい方(疎水的条件に比べて細菌が死滅しにくい方)の条件である親水的条件で行った。抗菌性の判断基準は、一般的な基準である生存率(生菌率)1%以下とした。   The test piece was made of silicon. In addition, since the surface of the test piece is covered with an oxide film, it is a hydrophilic condition. For this reason, the test was conducted under hydrophilic conditions, which is the more severe condition (one in which the bacteria is less likely to be killed than the hydrophobic condition) from the results described above. The criterion for the antimicrobial property was less than 1%, which is the general standard, the survival rate (viable rate).

図10は、各パターンにおける、隣り合う二つの柱状突起3,3どうしの側面間の隙間(Gap)Gと大腸菌の生存率(生菌率)との関係を示す。その結果、各パターンとも、隙間Gが200nm以下で急激に抗菌力が高まっていることがわかる。なお、隙間Gの下限値に関しては試験で特定されていないが、前述のように隣り合う二つの柱状突起3,3どうしの隙間に入り込む微生物の鞭毛の大きさとの関係で、20nmが下限値と考えられる。   FIG. 10 shows the relationship between the gap (Gap) G between the side surfaces of two adjacent columnar protrusions 3 and 3 and the survival rate (viable rate of E. coli) in each pattern. As a result, it can be seen that in each pattern, the antibacterial power is rapidly increased when the gap G is 200 nm or less. Although the lower limit value of the gap G is not specified in the test, 20 nm is a lower limit value in relation to the size of the flagella of the microorganism which enters the gap between two adjacent columnar protrusions 3 as described above. Conceivable.

図11は、各パターンにおける、柱状突起3の高さHと大腸菌の生存率(生菌率)との関係を示す。その結果、中心間距離500nm付近が閾値であることがわかる。   FIG. 11 shows the relationship between the height H of the columnar projections 3 and the survival rate (viable cell rate) of E. coli in each pattern. As a result, it can be seen that the center-to-center distance around 500 nm is the threshold.

図12は、各パターンにおける、柱状突起3のアスペクト比(Aspect ratio)と大腸菌の生存率(生菌率)との関係を示す。その結果、中心間距離が500nm以下で、かつ、アスペクト比が1を超えると急激に抗菌力が高まっていることがわかる。   FIG. 12 shows the relationship between the aspect ratio (Aspect ratio) of columnar projections 3 and the survival rate (viable rate) of E. coli in each pattern. As a result, it is understood that when the center-to-center distance is 500 nm or less and the aspect ratio exceeds 1, the antibacterial power is rapidly increased.

これら結果から、本実施形態の抗菌材料1では、隣り合う二つの柱状突起3,3どうしの中心間距離が500nm以下とされることが基本的な条件であり、更に、隣り合う二つの柱状突起3,3どうしの側面間の隙間が20nm以上200nm以下である、または、各柱状突起3の中心を通る縦断面形状のアスペクト比が1以上であることが抗菌性を発揮するための条件であることが見いだせた。   From these results, in the antibacterial material 1 of the present embodiment, it is a basic condition that the distance between the centers of two adjacent columnar projections 3 and 3 is 500 nm or less, and further, two adjacent columnar projections The condition for exhibiting the antibacterial property is that the gap between the side surfaces of 3 and 3 is 20 nm or more and 200 nm or less, or the aspect ratio of the longitudinal sectional shape passing through the center of each columnar protrusion 3 is 1 or more. I found that.

以上、図10〜図12に示す試験結果から、親水性条件で抗菌性が発揮されることが確認できた。したがって、疎水性条件ではより強く抗菌性が発揮されることが推測できる。   As mentioned above, from the test result shown in FIGS. 10-12, it has confirmed that antimicrobial property was exhibited on hydrophilic condition. Therefore, it can be inferred that the antibacterial property is exhibited more strongly under hydrophobic conditions.

以上、本実施形態の抗菌材料1は、液体に含まれる微生物(特に細菌)に対する抗菌性を発揮するものである。この抗菌材料1は、化学的な作用ではなく、物理的構造である柱状突起3に起因する作用で抗菌性を発揮することが特徴である。このため、柱状突起3が磨耗したり欠損したりすることで作用が低下しない限り、抗菌性が時間経過で低下することがないので、効果に持続性がある、大変優れた抗菌材料1を得ることができる。
As mentioned above, the antimicrobial material 1 of this embodiment exhibits the antimicrobial property with respect to the microorganisms (especially bacteria) contained in a liquid. The antibacterial material 1 is characterized by exerting the antibacterial property not by a chemical action but by an action caused by the columnar protrusion 3 which is a physical structure. For this reason, since the antibacterial property does not decrease with the lapse of time unless the action is reduced by the abrasion or defect of the columnar projections 3, the very excellent antibacterial material 1 having a sustained effect is obtained. be able to.

(第2実施形態)
次に、本願の発明者が第1実施形態に係る知見を得た後に研究を継続した結果、新たな(拡張的な)知見を得られたので、以下に第2実施形態として説明する。なお、第1実施形態と重複する事項については、説明上必要なものを除き、以下では繰り返さない。
Second Embodiment
Next, as a result of continuing the research after the inventor of the present application obtained the knowledge according to the first embodiment, new (expansive) knowledge was obtained, and therefore, the second embodiment will be described below. In addition, about the matter which overlaps with 1st Embodiment, except for a thing required for explanation, it does not repeat below.

研究の継続に伴い蓄積されたデータを、図13(a)〜(d)に、隣り合う二つの柱状突起3,3どうしの中心間距離(200nm、500nm、1000nm、2000nm)ごとにまとめた。その結果、第1実施形態に係る中心間距離の知見(500nm以下が抗菌性発揮の条件)の外である、500nmを超えた中心間距離、具体的には1000nmまたは2000nmであっても抗菌性が発揮されることが見出された。   The data accumulated with the continuation of the research are summarized in FIGS. 13 (a) to 13 (d) for each distance between centers (200 nm, 500 nm, 1000 nm, 2000 nm) of two adjacent columnar protrusions 3 and 3. FIG. As a result, the center-to-center distance exceeding 500 nm, specifically 1000 nm or 2000 nm, which is outside the knowledge of the center-to-center distance according to the first embodiment (500 nm or less is a condition for exhibiting antimicrobial properties) Was found to be exerted.

発明者は、抗菌を発揮する条件を柱状突起3のアスペクト比に着目して解析した。解析手法は、例えば図13(d)において大きく生菌率が変化している部分に注目し、図14に示すように縦軸を生菌率の対数(常用対数)で表示したグラフにおいて、
Log[y]=Ax+B(y:生菌率(%),x:アスペクト比)
の近似式で表される一次直線(log[y]=-3.9917x+2.4968)で近似した。そして図14において、当該一次直線が生菌率1%(log[y]=log(1)=0)の横線と交わるxを導いた。この結果、
x=-(B/A)
を得た。更に図14において、当該一次直線がより抗菌率が高い生菌率0.1%(log[y]=log(0.1)=-1)の横線と交わるxを同様に算出した。この結果、
x=-((1+B)/A)
を得た。このように、二つの柱状突起3,3どうしの中心間距離によって、抗菌を発揮するアスペクト比(x)を算出できる。
The inventor has analyzed the conditions for exhibiting the antimicrobial property by focusing on the aspect ratio of the columnar projections 3. The analysis method is, for example, focusing on the portion where the viable cell rate is largely changed in FIG. 13 (d), and as shown in FIG.
Log [y] = Ax + B (y: viable rate (%), x: aspect ratio)
It approximated by the linear line (log [y] =-3.9917x + 2.4968) represented by the approximation formula of. Then, in FIG. 14, x was derived at which the first-order straight line intersects with the horizontal line of 1% of the viable cell rate (log [y] = log (1) = 0). As a result,
x =-(B / A)
I got Further, in FIG. 14, x at which the first-order straight line intersects a horizontal line of a viable rate of 0.1% (log [y] = log (0.1) =-1) having a higher antibacterial rate was similarly calculated. As a result,
x =-((1 + B) / A)
I got Thus, the aspect ratio (x) which exhibits antimicrobial can be calculated by the center-to-center distance between the two columnar protrusions 3 and 3.

次に、抗菌を示す条件をフィッティングする。図15において、指数関数
y=Cexp(Dx)
で近似すると、生菌率1%のライン(図中丸形ポイントの近似式/太線ラインの湾曲部分)では、C=1.80,D=-8.3×10-4であった。また、生菌率0.1%のライン(図中四角形ポイントの近似式/細い一点鎖線のライン)では、C=2.29,D=-8.2×10-4であった。生菌率1%のラインでは、例えば、中心間距離100nmの場合アスペクト比が1.66になり、中心間距離200nmの場合アスペクト比が1.52になる。
Next, the condition showing the antibacterial is fitted. In FIG. 15, the exponential function
y = Cexp (Dx)
In the line with a viable cell rate of 1% (approximate expression of round point in the figure / curved portion of thick line), C = 1.80 and D = −8.3 × 10 −4 . Further, in the line with a viable cell rate of 0.1% (approximate expression of square point in the figure / line of thin dashed-dotted line), C = 2.29 and D = -8.2 × 10 -4 . For a line with a viable cell rate of 1%, for example, the aspect ratio is 1.66 at a center-to-center distance of 100 nm, and 1.52 at a center-to-center distance of 200 nm.

以上、本実施形態の抗菌材料における各柱状突起3は、生菌率1%とすると、以下の関係式で表される形状を有する。

Asp≧1.80exp(-0.00083p)

Asp…各柱状突起3の中心を通る縦断面形状のアスペクト比
p…隣り合う二つの柱状突起3,3どうしの中心間距離
As described above, each columnar protrusion 3 in the antibacterial material of the present embodiment has a shape represented by the following relational expression, assuming that the viable cell rate is 1%.

Asp 1.8 1.80 exp (-0.00083 p)

Asp: Aspect ratio of vertical cross section passing through the center of each columnar projection 3
p ... Center-to-center distance between two adjacent columnar projections 3

(第3実施形態)
更に、前記第2実施形態に加えて、本願の発明者による研究の継続により得られた新たな知見を、以下に第3実施形態として説明する。なお、第1実施形態及び第2実施形態と重複する事項については、説明上必要なものを除き、以下では繰り返さない。
Third Embodiment
Furthermore, in addition to the second embodiment, new findings obtained by continuation of the research by the inventor of the present application will be described below as a third embodiment. In addition, about the matter which overlaps with 1st Embodiment and 2nd Embodiment, except for a thing required for explanation, it does not repeat below.

ナノ構造への大腸菌の付着を、水晶振動子を用いて実験した(QCM法)。水晶振動子の電極表面にナノ構造を作製した。柱状突起3は円柱状で、直径が280nm、高さが400nm、隣り合う二つの柱状突起3,3どうしの中心間距離は500nmとした。また、表面処理により、水の接触角が80.5°(表面処理なし)、128.6°(メチル基による疎水性の表面処理)、26.0°(水酸基による親水性の表面処理)の柱状突起3を形成した。また、実験に供した細菌として、鞭毛がある大腸菌(ワイルドタイプ/運動性あり)と、遺伝子組み換えにより作製した鞭毛が無い大腸菌(運動性なし)を用意した。そして、水晶振動子の電極に関して付着する表面の構造、または、接触角、そして、付着する側の細菌の特性による付着のしやすさを評価した。   The adhesion of E. coli to nanostructures was studied using a quartz oscillator (QCM method). Nanostructures were fabricated on the electrode surface of the quartz oscillator. The columnar projections 3 were cylindrical, had a diameter of 280 nm, a height of 400 nm, and the distance between the centers of two adjacent columnar projections 3 was 500 nm. In addition, the contact angle of water is 80.5 ° (no surface treatment), 128.6 ° (hydrophobic surface treatment with methyl group), 26.0 ° (hydrophilic surface treatment with hydroxyl group) by surface treatment. Columnar projections 3 were formed. In addition, as bacteria used for the experiment, E. coli with flagellum (wild type / motility) and E. coli without flagellum (non-motility) prepared by genetic recombination were prepared. Then, the structure of the surface to be attached with respect to the electrode of the quartz oscillator, or the contact angle, and the ease of attachment due to the characteristics of the attaching side bacteria were evaluated.

前記実験の結果を図16(a)〜(c)に示す。各グラフで時間を追って共振抵抗(Resistance shift)が大きくなることは、粘弾性変化が大きくなるということであるから、細菌が付着しつつある可能性を示している。図16(a)のグラフに現れているように、ナノ構造がある方が細菌の付着が多い。また、図16(b)のグラフに現れているように、接触角が大きい(疎水的)方が細菌の付着が多い。また、図16(c)のグラフに現れているように、細菌に関し、鞭毛がある方が短時間で細菌が付着する。鞭毛が無い方に関しては、重力による沈下で細菌が付着したものと推測される。表面が疎水性か親水性かによる水晶振動子の電極表面の状態の違いを、顕微鏡写真と共に図17にまとめる。顕微鏡写真から、接触角と細菌の付着数とは相関があることがわかる。   The result of the said experiment is shown to Fig.16 (a)-(c). The fact that the resonance shift (Resistance shift) gradually increases with time in each graph means that the change in viscoelasticity becomes large, which indicates that bacteria may be attached. As shown in the graph of FIG. 16 (a), the presence of nanostructures results in more bacterial adhesion. In addition, as shown in the graph of FIG. 16 (b), the larger the contact angle (hydrophobic), the more the bacteria adheres. Further, as shown in the graph of FIG. 16C, regarding the bacteria, the bacteria attach in a short time when there are flagella. As for those without flagella, it is presumed that bacteria were attached by sedimentation due to gravity. The difference in the state of the electrode surface of the quartz oscillator depending on whether the surface is hydrophobic or hydrophilic is summarized in FIG. 17 together with a photomicrograph. The photomicrographs show that the contact angle and the number of attached bacteria are correlated.

以上、抗菌作用(殺菌作用)は、細菌の性質及び抗菌材料1の表面状態に依存することが知見として得られた。   As described above, it has been found that the antibacterial action (bactericidal action) depends on the nature of bacteria and the surface state of the antibacterial material 1.

ここで、アスペクト比が2で接触角80°の柱状突起3が形成された抗菌材料1に対し、鞭毛がある大腸菌(ワイルドタイプ/運動性あり)と、鞭毛が無い大腸菌(運動性なし)を供給し、JIS Z 2801による評価を行ったところ、鞭毛がある大腸菌の生菌率が0.038%であったのに対し、鞭毛が無い大腸菌の生菌率は116%(増殖した)であった。この結果は、ナノ構造である柱状突起3の表面に積極的に細菌が吸着しないと、細菌が死滅しないことを示している。そして、積極的な細菌の吸着は、細菌が有する鞭毛が役割を担っていると考えられる。   Here, to the antibacterial material 1 in which the columnar projections 3 having an aspect ratio of 2 and a contact angle of 80 ° are formed, E. coli with flagellum (wild type / motile) and E. coli without flagella (no motile) When supplied and evaluated according to JIS Z 2801, the viable cell rate of E. coli with flagella was 0.038%, while the viable cell rate of E. coli without flagella was 116% (grown) The This result indicates that the bacteria can not be killed unless the bacteria are positively adsorbed on the surface of the columnar projections 3 that are nanostructures. And, it is considered that the flagellum possessed by bacteria plays a role in aggressive bacterial adsorption.

図18(a)〜(c)に、推測される抗菌(殺菌)メカニズムを示す。まず、図18(a)に示すように、細菌が付着しやすい表面を見つけて付着する。次に、図18(b)に示すように、接着後に鞭毛により細菌に回転運動が生じる。この結果、細菌が柱状突起3に激突して細胞壁に小さな傷が入る。やがて、図18(c)に示すように、傷が拡大し、細胞内液が漏れ出て死に至ると考えられる。特に、柱状突起3の表面が疎水的であると、隣り合う二つの柱状突起3,3どうしの間に空気が入った状態になっており、細胞内液の漏れに伴い毛細管力が発生することから、強烈な殺菌作用を生じている可能性がある。   The presumed antimicrobial (sterilization) mechanism is shown to FIG.18 (a)-(c). First, as shown in FIG. 18A, a surface to which bacteria easily adhere is found and attached. Next, as shown in FIG. 18 (b), the flagella causes rotational movement of bacteria after adhesion. As a result, the bacteria collide with the columnar projections 3 and a small scratch is formed in the cell wall. Eventually, as shown in FIG. 18 (c), the wound is enlarged, and the intracellular fluid is considered to leak and lead to death. In particular, when the surface of the columnar projections 3 is hydrophobic, air is in a state of being introduced between two adjacent columnar projections 3 and 3 and capillary force is generated with the leakage of the intracellular fluid. Therefore, it may have produced a strong bactericidal action.

このように、本実施形態では、第2実施形態で得た、前記関係式で表される柱状突起3の形状面の条件に加え、抗菌の対象細菌が、細長い形状であり鞭毛を有するグラム陰性菌であって、隣り合う二つの柱状突起どうしの側面間の隙間が、対象細菌の鞭毛を除く最大長よりも小さいという、細菌との関係性の条件が抗菌作用を発揮するための条件であるとの知見を得られた(図19)。この細菌との関係性の条件により、サイズの異なる対象細菌への、最適な抗菌作用を発揮する抗菌材料1を提供できる。   Thus, in the present embodiment, in addition to the conditions of the shape surface of the columnar projections 3 represented by the above-mentioned relational expression obtained in the second embodiment, the antibacterial bacteria are gram-negative having an elongated shape and flagella. A condition of a relationship with bacteria is a condition for exerting the antibacterial action that the clearance between the side faces of two adjacent columnar protrusions is smaller than the maximum length excluding the flagella of the target bacteria. Findings were obtained (Figure 19). By the condition of the relationship with the bacteria, it is possible to provide the antibacterial material 1 that exerts the optimum antibacterial effect on target bacteria of different sizes.

グラム陰性菌とは、細胞壁におけるペプチドグリカン層が相対的に薄い細菌のことであり、大腸菌、緑膿菌、マイコプラズマ、淋菌、コレラ菌が例示できる。   Gram-negative bacteria are bacteria in which the peptidoglycan layer in the cell wall is relatively thin, and examples thereof include E. coli, Pseudomonas aeruginosa, mycoplasma, bacilli and cholera.

ここで、柱状突起3,3どうしの隙間が大きい場合、各柱状突起3の高さがある程度大きくないと細菌がぶつからない。逆に、柱状突起3,3どうしの隙間が小さい場合、細菌はぶつかりやすい。しかし、隙間が小さくなり過ぎると平坦形状と同じになってしまう。このためある程度の凸凹が必要であり、それが前述した各条件に対応する。   Here, when the gap between the columnar projections 3 and 3 is large, bacteria do not collide unless the height of each columnar projection 3 is large to a certain extent. Conversely, when the gap between the columnar projections 3 and 3 is small, bacteria easily collide with each other. However, if the gap is too small, the flat shape is obtained. For this reason, a certain degree of unevenness is required, which corresponds to the above-mentioned conditions.

以上、第2実施形態及び第3実施形態についてまとめると、細菌の大きさに比べ柱状突起3,3どうしの隙間が小さいナノ構造により抗菌性が発揮される。また、柱状突起3の形状面の条件は、生菌率1%とすると、柱状突起3の高さを幅寸法で割ったものをアスペクト比(Asp)とし、隣り合う二つの柱状突起3,3どうしの中心間距離をpとして、

Asp≧1.80exp(-0.00083p)

で表される条件である。また、抗菌作用は、まず細菌が積極的にナノ構造に付着することが重要である。そのための条件に関してまとめると、(1)柱状突起3の表面が疎水的である、(2)細菌に鞭毛がある、(3)鞭毛に運動性がある、という3条件である。
As described above, when the second and third embodiments are summarized, the antibacterial property is exhibited by the nano structure in which the gap between the columnar projections 3 is smaller than the size of the bacteria. In addition, when the condition of the shape surface of the columnar projections 3 is a viable cell rate of 1%, the height of the columnar projections 3 divided by the width dimension is taken as an aspect ratio (Asp), and two adjacent columnar projections 3 and 3 Let p be the center distance of each other,

Asp 1.8 1.80 exp (-0.00083 p)

Is a condition represented by In addition, it is important for the antibacterial action that bacteria first adhere to nanostructures positively. The conditions for that are as follows: (1) the surface of the columnar projections 3 is hydrophobic, (2) there are flagella in bacteria, (3) there is mobility in flagella.

なお、本発明は前記第1〜第3実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。   The present invention is not limited to the first to third embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

例えば、前記実施形態の抗菌材料1の素材はシリコンであったが、これに限定されず、種々の無機材料、及び金属や樹脂などの有機材料を素材とできる。このように種々の材料を素材として抗菌材料1を形成できる。   For example, although the raw material of the antibacterial material 1 of the said embodiment was silicon, it is not limited to this, Various inorganic materials and organic materials, such as a metal and resin, can be made a raw material. Thus, the antibacterial material 1 can be formed by using various materials as materials.

また、製法についても、前記実施形態ではメタルアシストエッチング法であったが、これに限定されない。メタルアシストエッチング法による場合も、前記実施形態のようなポリスチレンビーズ以外に種々の物体を使用できる。なお、自己組織化膜を形成できる物体を使用することが望ましい。また、貴金属薄膜の形成を、前記実施形態ではスパッタリングによって行っていたが、蒸着(例えば真空蒸着)、めっき等の種々の方法で行うことができる。   Moreover, although it was a metal assist etching method in the said embodiment also about the manufacturing method, it is not limited to this. Also in the case of the metal assist etching method, various objects can be used in addition to the polystyrene beads as in the above embodiment. In addition, it is desirable to use an object capable of forming a self-assembled film. In addition, although the formation of the noble metal thin film is performed by sputtering in the above embodiment, it can be performed by various methods such as evaporation (for example, vacuum evaporation), plating, and the like.

また、抗菌性のおよぶ対象となる微生物は、前記実施形態では大腸菌を含むグラム陰性菌とされていたが、これに限定されず種々の微生物が対象となる。   In addition, although the target microorganism having antibacterial properties is a gram-negative bacterium including E. coli in the above embodiment, the present invention is not limited to this and various microorganisms are targeted.

1 抗菌材料
2 基板
3 柱状突起
2a シリコン板
B ポリスチレンビーズ
F 薄膜
1 antibacterial material 2 substrate 3 columnar protrusion 2a silicon plate B polystyrene bead F thin film

Claims (9)

複数の柱状突起を備え、
前記各柱状突起は、以下の関係式で表される形状を有する抗菌材料。

Asp≧1.80exp(-0.00083p)

Asp…前記各柱状突起の中心を通る縦断面形状のアスペクト比
p…隣り合う二つの柱状突起どうしの中心間距離
Equipped with multiple columnar projections,
Each of the columnar projections is an antibacterial material having a shape represented by the following relational expression.

Asp 1.8 1.80 exp (-0.00083 p)

Asp: Aspect ratio of the longitudinal sectional shape passing through the center of each columnar projection
p ... Center-to-center distance between two adjacent columnar projections
前記各柱状突起の形状は円柱状である、請求項1に記載の抗菌材料。   The antibacterial material according to claim 1, wherein the shape of each columnar protrusion is cylindrical. 前記各柱状突起はシリコンまたは樹脂から構成されている、請求項1または2に記載の抗菌材料。   The antimicrobial material according to claim 1, wherein each columnar protrusion is made of silicon or resin. 前記各柱状突起の、少なくとも先端周辺の表面は疎水性を有する、請求項1〜3のいずれかに記載の抗菌材料。   The antibacterial material according to any one of claims 1 to 3, wherein at least the surface around the tip of each columnar protrusion has hydrophobicity. 前記各柱状突起はシリコンから構成されており、
前記疎水性を有する表面はシリコン酸化膜の除去された表面である、請求項4に記載の抗菌材料。
Each of the columnar protrusions is made of silicon,
The antimicrobial material according to claim 4, wherein the hydrophobic surface is a removed surface of a silicon oxide film.
前記複数の柱状突起には、疎水基を持つ分子が表面に存在する柱状突起が含まれる、
請求項1〜5のいずれかに記載の抗菌材料。
The plurality of columnar projections include columnar projections on the surface of which molecules having a hydrophobic group are present,
The antimicrobial material according to any one of claims 1 to 5.
前記複数の柱状突起は、疎水基を持つ分子が表面に存在する柱状突起と親水基を持つ分子が表面に存在する柱状突起とが混在して構成される、請求項6に記載の抗菌材料。   The antimicrobial material according to claim 6, wherein the plurality of columnar projections are configured by mixing a columnar projection having a molecule having a hydrophobic group on the surface and a columnar projection having a molecule having a hydrophilic group on the surface. 抗菌の対象細菌が、細長い形状であり鞭毛を有するグラム陰性菌であって、
前記隣り合う二つの柱状突起どうしの側面間の隙間が、前記対象細菌の鞭毛を除く最大長よりも小さい、請求項1〜7のいずれかに記載の抗菌材料。
The antibacterial target bacteria are gram-negative bacteria having elongated shapes and flagella,
The antibacterial material according to any one of claims 1 to 7, wherein a gap between side surfaces of two adjacent columnar protrusions is smaller than a maximum length excluding flagella of the target bacteria.
液体に接する部分に用いられる抗菌部材であって、
請求項1〜8のいずれかに記載の抗菌材料を、前記複数の柱状突起が前記液体に対して突出するように設けた抗菌部材。
It is an antibacterial member used for a portion in contact with liquid,
The antimicrobial member which provided the antimicrobial material in any one of Claims 1-8 so that these columnar protrusions might protrude with respect to the said liquid.
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