JP2021123571A - Member having amorphous carbon film, and method of producing the same - Google Patents
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- A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
- A01N—PRESERVATION OF BODIES OF HUMANS OR ANIMALS OR PLANTS OR PARTS THEREOF; BIOCIDES, e.g. AS DISINFECTANTS, AS PESTICIDES OR AS HERBICIDES; PEST REPELLANTS OR ATTRACTANTS; PLANT GROWTH REGULATORS
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- A—HUMAN NECESSITIES
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- A01N—PRESERVATION OF BODIES OF HUMANS OR ANIMALS OR PLANTS OR PARTS THEREOF; BIOCIDES, e.g. AS DISINFECTANTS, AS PESTICIDES OR AS HERBICIDES; PEST REPELLANTS OR ATTRACTANTS; PLANT GROWTH REGULATORS
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
Abstract
Description
本発明は、アモルファスカーボン膜を有する部材及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a member having an amorphous carbon film and a method for producing the same.
アモルファスカーボンの一種であるダイヤモンドライクカーボン(DLC、アモルファスカーボン)は、種々の分野において表面被覆材として注目されている。また、銀(Ag)は、抗菌性を有することが知られている。非特許文献1には、Ag粒子とDLCの混合膜(Ag−DLC膜)が抗菌性を示すことが記載されている。
Diamond-like carbon (DLC, amorphous carbon), which is a kind of amorphous carbon, is attracting attention as a surface coating material in various fields. In addition, silver (Ag) is known to have antibacterial properties. Non-Patent
また、特許文献1にも、抗菌性DLC膜被覆部材が開示されている。特許文献1において、DLC膜は、C:85〜60at%およびH:15〜40at%の組成からなるアモルファス状炭素・水素固形物の気相蒸着膜であり、この膜中には抗菌作用を有する金属微粒子を1〜30at%分散含有している。
Further,
第1の態様に従えば、基材と、前記基材上に形成され、アモルファスカーボン及び前記アモルファスカーボン中に分散する金属を含む膜とを備える部材であって、前記膜における前記金属の原子濃度が1原子%〜6原子%であり、前記アモルファスカーボンが、sp2混成軌道による結合を形成している炭素原子及びsp3混成軌道による結合を形成している炭素原子を含み、前記sp2混成軌道による結合を形成している炭素原子の数と前記sp3混成軌道による結合を形成している炭素原子の数の合計に対する、前記sp3混成軌道による結合を形成している炭素原子の数の割合が57原子%以上である部材が提供される。
According to the first aspect, it is a member including a base material and a film formed on the base material and containing amorphous carbon and a metal dispersed in the amorphous carbon, and the atomic concentration of the metal in the film. Is 1 atomic% to 6 atomic%, and the amorphous carbon contains a carbon atom forming a bond by an sp 2 hybrid orbital and a carbon atom forming a bond by an sp 3 hybrid orbital, and the sp 2 hybrid is formed. The number of carbon atoms forming a bond in the sp 3 hybrid orbital relative to the total number of carbon atoms forming a bond in the sp 3 hybrid orbital and the number of carbon atoms forming a bond in the
第2の態様に従えば、基材と、フィルタードカソーディックバキュームアーク法により、前記基材上に炭素イオンと金属イオンを同時又は交互に照射することによって形成される、アモルファスカーボン及び前記アモルファスカーボン中に分散する金属を含む膜とを備える部材が提供される。 According to the second aspect, amorphous carbon and the amorphous carbon formed by simultaneously or alternately irradiating the base material with carbon ions and metal ions by a filtered Casodec vacuum arc method. A member comprising a film containing a metal dispersed therein is provided.
第3の態様に従えば、基材と、前記基材上に形成され、アモルファスカーボン及び前記アモルファスカーボン中に分散する金属を含む膜とを備える部材であって、前記膜における前記金属の原子濃度が7原子%〜30原子%であり、前記膜における水素の原子濃度が6原子%以下である部材が提供される。 According to the third aspect, it is a member including a base material and a film formed on the base material and containing amorphous carbon and a metal dispersed in the amorphous carbon, and the atomic concentration of the metal in the film. Provided is a member in which the atomic concentration of hydrogen is 7 atomic% to 30 atomic% and the atomic concentration of hydrogen in the membrane is 6 atomic% or less.
第4の態様に従えば、第1、第2又は第3の態様の部材を製造する製造方法であって、フィルタードカソーディックバキュームアーク法により、前記基材上に炭素イオンと前記金属イオンを同時又は交互に照射して前記膜を形成することを含む製造方法が提供される。 According to the fourth aspect, it is a manufacturing method for manufacturing the members of the first, second or third aspect, and carbon ions and the metal ions are formed on the base material by a filtered cascade vacuum arc method. A production method comprising forming the film by irradiating the film simultaneously or alternately is provided.
[第1の実施形態]
<膜を有する部材>
以下、図面を参照しながら部材の実施形態を説明する。図1に示すように、部材100は、基材40と、基材40上に形成された膜50とを有する。
[First Embodiment]
<Member with membrane>
Hereinafter, embodiments of the members will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the
(1)基材40
基材40は、部材100の用途に応じて、種々の形状を有してよく、種々の材料から構成されてよい。例えば、樹脂、シリコン、チタン、ステンレス等から構成されてよい。
(1)
The
(2)膜50
膜50は、基材40の表面少なくとも一部を被覆している。膜50は、抗菌性を有する膜であり、アモルファスカーボン60と、アモルファスカーボン60中に分散する金属70とを含む。
(2)
The
抗菌性を有する金属70は、特に限定されないが、例えば、銀、水銀、白金、銅、カドミウム、金、コバルト、ニッケル、及び鉛、又はこれらを含む合金が挙げられ、中でも、銀が好ましい。
The
本実施形態の膜50は、フィルタードカソーディックバキュームアーク法(FCVA法)により、基材40上に炭素イオンと金属イオンを同時又は交互に照射することによって形成される。FCVA法とは異なる従来の成膜方法、例えば、非特許文献1で用いられているパルスレーザーデポジション法(PLD法)を用いて金属を含むアモルファスカーボン膜を形成した場合、膜中のsp3混成炭素原子の割合が低くなる。しかし、FCVA法によって成膜した膜50は、金属70を含有していても、従来の成膜方法と比較して膜50におけるsp3混成炭素原子の割合を高くできる。
The
本実施形態の膜50は、金属70を含むことで抗菌性が得られ、更に、sp3混成炭素原子の割合を高くすることで、高硬度、高摺動性、高耐久性等の良好な機械特性を得られる。また、膜50のsp3混成炭素原子の割合を高め、その値を血液適合性が高い特定の範囲に制御することもできる。血液適合性が高いとは、膜50の表面50bを血液に接触させた場合、溶血や血液凝固が抑制されることを意味する。血液適合性を高めることで、溶血や血液凝固を抑制する必要のある、血液と接触する医療器具(例えば、人工関節、血液バック、等)への応用が可能となる。このように、本実施形態の膜50は、抗菌性を有すると共に、良好な機械特性、高い血液適合性等を有することができる。
FCVA法によって形成した膜50が、金属70を含有しても膜50におけるsp3混成炭素原子の割合が高いメカニズムは、FCVA法では、屈曲構造(ダブルベンド構造)を有するダクト23a、23bによって、アークプラズマ生成部10a、10bで発生した不純物(中性粒子)が成膜チャンバ部30に入る前に取り除かれ、50内に混入し難いためである(図2参照)。FCVA法の詳細については後述する。
本願明細書において、FCVA法は、ダブルベント機構によって、アークプラズマ生成部で発生した不純物が除去され、イオンのみを基板に到達させることができる方法(成膜方法)を意味する。したがって、一般的に、FCVA法と呼称される方法以外に、上記定義の範疇に属する方法として、例えば、フィルタードアーク蒸着法(FAD)法、フィルタードアークイオンプレーティング法等が挙げられる。これらの方法を用いても、本実施形態の膜50を成膜することが可能である。
In the present specification, the FCVA method means a method (film formation method) in which impurities generated in the arc plasma generation unit are removed by a double vent mechanism so that only ions can reach the substrate. Therefore, in addition to the method generally called the FCVA method, as a method belonging to the above-defined category, for example, a filtered arc deposition method (FAD) method, a filtered arc ion plating method, and the like can be mentioned. The
膜50における金属70の原子濃度は、1原子%〜6原子%である。金属70の原子濃度が上記範囲の下限値以上であれば、膜50の表面50b上への金属70の析出が促進され、膜50は高い抗菌性を有することができる。一方で、金属70の原子濃度が上記範囲の上限値以下であれば、膜50は高い生体親和性を有することができる。生体親和性が高いとは、例えば、細胞毒性が低く、生体内の細胞に悪影響を与えないことを意味する。一般的に、金属70の原子濃度が低く抗菌性が低い膜は、生体親和性が高く、金属70の原子濃度が高く抗菌性が高い膜は、生体親和性が低い傾向がある。しかし、本実施形態の膜50は、膜50における金属70の原子濃度を上記範囲内とすることで、高い抗菌性と、高い生体親和性とを両立できる。
The atomic concentration of the
金属70の原子濃度は、詳細は後述するが、膜50の成膜条件を調整することにより調整が可能である。また、金属70の原子濃度は、例えば、ラザフォード後方散乱分光(RBS)測定により解析可能である。
Although the atomic concentration of the
膜50に含まれるアモルファスカーボン60は、sp2混成軌道による結合を形成している炭素原子(sp2混成炭素原子)及びsp3混成軌道による結合を形成している炭素原子(sp3混成炭素原子)を含む。アモルファスカーボン60中のsp3混成炭素原子の割合αを下記式(1)のように定義する。割合αは、sp2混成軌道による結合を形成している炭素原子の数とsp3混成軌道による結合を形成している炭素原子の数の合計に対する、sp3混成軌道による結合を形成している炭素原子の数の割合である。
α(原子%)=(sp3混成炭素原子の数)/{(sp2混成炭素原子の数)+(sp3混成炭素原子の数)}×100・・・・・・・・(1)
α (atomic%) = ( number of sp 3 mixed carbon atoms) / {(number of sp 2 mixed carbon atoms) + (number of sp 3 mixed carbon atoms)} × 100 ... (1)
膜50における、式(1)で定義されるsp3混成炭素原子の割合αは、57原子%以上であり、好ましくは、57原子%〜77原子%である。割合αを57原子%以上とすることで、高硬度、高摺動性、高耐久性等の良好な機械特性、高い血液適合性を得られる。また、sp3混成炭素原子の割合αを77原子%以下とすることで、応力が緩和され、膜剥離する可能性が低減される。
In the
式(1)で定義されるsp3混成炭素原子の割合αは、詳細は後述するが、膜50の成膜条件を調整することにより調整が可能である。また、式(1)で定義されるsp3混成炭素原子の割合αは、例えば、X線光電子分光法(XPS)により解析可能である。
The ratio α of the sp 3 hybridized carbon atoms as defined in formula (1), details of which will be described later, it can be adjusted by adjusting the film formation conditions of
膜50は、アモルファスカーボン(炭素)60及び金属70のみから構成されてもよいし、本実施形態の効果を損なわない範囲において、他の元素を含んでもよい。例えば、膜50は、水素を含んでもよい。水素を含むことにより膜50の応力を緩和できる。
The
また、膜50は、水素を含まなくてもよいし、又は、膜50における水素の原子濃度は6原子%以下であってもよい。即ち、膜50に含まれる水素の原子濃度が0〜6原子%であってもよい。膜50に含まれる水素の原子濃度が6原子%以下であると、炭素−炭素結合に関与するsp3混成炭素原子の割合が増加する。これにより、膜50は緻密な構造となり、膜50の硬度を更に高められる。膜50をFCVA法によって形成することで、膜50に含まれる水素の原子濃度を6原子%以下とすることが容易になる。これにより、膜50の硬度を容易に高められる。膜50に含まれる水素の原子濃度は、例えば、RBS/HFS(ラザフォード後方散乱分析/水素前方散乱分析)により測定できる。尚、FCVA法とは異なる従来の成膜方法を用いた場合、膜中の水素の原子濃度を6原子%以下とする高硬度のアモルファスカーボン膜を得ることは難しい。例えば、スパッタリング法では水素の原子濃度を6原子%以下にできるが、sp3炭素の割合が50原子%以下のため高硬度の膜は得られ難い。また、化学蒸着(CVD法)を用いて形成したアモルファスカーボン膜中には、通常、20原子%以上の水素が含まれることが知られており、高硬度のアモルファスカーボン膜は得られ難い。
Further, the
膜50の硬度は、例えば、20GPa以上が好ましく、30GPaがより好ましい。膜50の硬度の上限値は特に限定されないが、実質的な観点からは、50GPa以下、又は40GPa以下であってよい。膜50の硬度は、例えば、ナノインデンテーション法を用い、後述する実施例で説明する測定条件で測定できる。
The hardness of the
また、膜50は、その表面50bに水酸基、カルボキシル基及びアミノ基の少なくとも一つを有してもよい。膜50の表面50bが水酸基、カルボキシル基又はアミノ基を有すると、純水の接触角が低下する。純水の接触角の低下の程度は、形成する官能基の量に応じて変化し、例えば、膜50の表面50bにおける純水の接触角を10°以下、5°以下、又は4°以下に調整できる。国際特許公開公報WO/2018/193779号に開示されているように、アモルファスカーボン膜の純水の接触角を10°以下とすることで、アモルファスカーボン膜のタンパク質吸着性及び細胞接着性を高められる。
Further, the
膜50の表面50bに官能基を形成する方法は特に限定されず、国際特許公開公報WO/2018/193779号に開示されている方法を用いてもよい。例えば、膜50の表面50bに紫外線を照射する。紫外線の波長及び紫外線の照射量は適宜調整することができ、例えば波長185nmの紫外線を含む光を約20分間照射する条件等が挙げられる。このとき、例えば、照射される光は波長254nmの紫外線を含んでいてもよい。
The method for forming a functional group on the
膜50の表面に、水酸基、カルボキシル基、アミノ基等の官能基を形成しても、一定の時間が経過すると接触角が変化することがあるが、接触角が変化しても官能基が形成されている限り、当該膜のタンパク質吸着性、細胞接着性は維持される。例えば、アモルファスカーボン膜の表面に官能基を形成する処理、すなわち接触角を低下させる処理を行った直後に測定した純水の接触角が10°以下であればよい。ここで直後とは、例えば処理後2分以内をいう。
Even if a functional group such as a hydroxyl group, a carboxyl group, or an amino group is formed on the surface of the
膜50の膜厚は、部材100の用途に応じて適宜決定できる。例えば、膜50の膜厚は、1nm〜500nm、又は1〜300nmとすることができる。膜50の膜厚は、成膜時間等の膜50の成膜条件を調整することにより調整が可能である。
The film thickness of the
以上説明した膜50は、FCVA法によって形成されることにより、金属70を含有していても、従来の成膜方法と比較して膜50におけるsp3混成炭素原子の割合を高くできる。これにより、膜50は、抗菌性を有すると共に、良好な機械特性、高い血液適合性等を有することができる。また、本実施形態の膜50は、金属70の原子濃度が1原子%〜6原子%であり、且つ式(1)で定義されるsp3混成炭素原子の割合αが57原子%以上であることが好ましい。この条件を満たすことにより、膜50は、より高い抗菌性と高い生体親和性とを両立でき、更に、より高い機械特性及び血液適合性等を有する。
また、本実施形態の膜50は、部材100に抗菌性、生体適合性、血液適合性、良好な機械特性等を付与するため、図1に示すように、部材100の表面において露出している。即ち、膜50の表面50b上に他の層は積層されておらず、表面50bは外部に露出している。成膜直後は、金属70の原子濃度は、膜50おいて略均一であり、表面50bにおける金属70の原子濃度は上述した膜50における金属70の原子濃度に等しい。また式(1)で定義されるsp3混成炭素原子の割合αは、膜50において略均一であり、表面50bにおける式(1)で定義されるsp3混成炭素原子の割合αは、上述した膜50における式(1)で定義されるsp3混成炭素原子の割合αに等しい。
Further, the
また、実施形態の膜50は、抗菌性と生体親和性とのバランスを取ることにより、抗菌性が高く且つ生体親和性が低い状態から、時間経過と共に、抗菌性が低く且つ生体親和性が高い状態に、特性を変化させることもできる。例えば、膜50の表面50b上へ析出する金属70の析出量及び析出速度を調整することで、表面50bを金属70の析出量が多い抗菌性が高く且つ生体親和性が低い状態から、金属70の析出量の少ない(又は析出しない)抗菌性が低く且つ生体親和性が高い状態に変化させることができる。このような特性を有する膜50を備えた部材100は、例えば、生体内に移植する人工関節、人工臓器等への応用が期待される。人工関節等の移植手術において、細菌感染リスクの高い手術直後は、人工関節(部材100)は、高い抗菌性を有することが好ましい。手術後、時間が経過して細菌感染リスクが低下したときには、人工関節(部材100)は、高い生体親和性を有することが好ましい。
Further, the
本実施形態に係る部材100は、例えば、医療器具、医用材料、住宅建材、生物培養関連装置、日用品に用いられてよい。膜50は、部材100の用途によって任意に配置されてよい。膜50が基材40の全ての表面を覆うように形成されていてもよいし、基材40の表面に一部にのみ形成されていてもよい。部材100が医療器具に用いられる場合、部材100の細菌に暴露される可能性がある領域に膜50が設けられてよい。膜50は抗菌効果を有するため細菌の増殖を抑制できる。部材100は単独で用いられてもよいし、複数の部材100を組み合わせて用いてもよい。
The
尚、「医療器具」という語は、一般に医療器具と呼ばれ得るものをすべて含み、具体的には、人工関節、人工骨、人工歯、人工歯根、人工心臓、人工心臓弁、人工血管、人工肛門、人工尿管、人工胸膜、人工補綴物、ステント(血管ステント、気管支ステントを含む)、ガイドワイヤー、カテーテル、留置カテーテル、ペースメーカー電極、ペースメーカーリード線、コンタクトレンズ、人工水晶体、電気メス、高周波メス、注射針、血液バッグ、採血管、メス、内視鏡、血液フィルタなどのフィルタ類、血液回路などの流路類、送血チューブなどのチューブ類、鉗子、人工肺、人工心肺装置、透析装置、整形外科器具、人工内耳、人工鼓膜、人工声帯、カニューレ、脳動脈治療用コイル、人工すい臓、鍼灸治療器具、電極、縫合糸、創傷被覆材、創傷保護材、廃液チューブ、整形外科インプラント、ペースメーカー等を含む。部材100は、血液適合性が高いため、血液と接触する器具(例えば、人工関節、血液バック、等の医療器具)として用いることができる。また、部材100は、生体親和性が高いため、生体と接触する器具(例えば、人工関節等の医療器具)として用いることができる。また、「生物培養関連装置」とは、一般的に生物培養プロセスに使用されるものをすべて含み、具体的には細胞や細菌培養装置、細胞や細菌観察装置、顕微鏡、細胞や細菌操作に使用する器具等を含む。
The term "medical instrument" includes all things that can be generally called medical instruments, and specifically, artificial joints, artificial bones, artificial teeth, artificial tooth roots, artificial hearts, artificial heart valves, artificial blood vessels, and artificial ones. Anal, artificial urinary tract, artificial pleural membrane, artificial prosthesis, stent (including vascular stent, bronchial stent), guide wire, catheter, indwelling catheter, pacemaker electrode, pacemaker lead wire, contact lens, artificial crystalline body, electric scalpel, high frequency scalpel , Injection needles, blood bags, blood collection tubes, scalpels, endoscopes, filters such as blood filters, channels such as blood circuits, tubes such as blood supply tubes, forceps, artificial lungs, artificial heart-lung machines, dialysis devices , Orthopedic instruments, scalpels, artificial scalpels, artificial vocal bands, cannulas, cerebral artery treatment coils, artificial pancreas, acupuncture and moxibustion treatment instruments, electrodes, sutures, wound covering materials, wound protection materials, effluent tubes, orthopedic implants, pacemakers Etc. are included. Since the
<部材の製造方法>
部材100の製造方法について説明する。部材100の製造方法は、基材40上に、フィルタードカソーディックバキュームアーク法(FCVA法)により、アモルファスカーボン60と、アモルファスカーボン60中に分散する金属70とを含む膜50を形成することを含む。本実施形態では、FCVA法により、基材40上に炭素イオンと金属イオンを同時又は交互に照射して膜50を形成する。FCVA法は、複雑な形状の基材40を均一にコーティングでき、室温でも基材40との付着力が高い膜50を形成できるという利点を有する。
<Manufacturing method of parts>
A method of manufacturing the
図2に示すFCVA成膜装置1は、主に、第1アークプラズマ生成部10aと、第2アークプラズマ生成部10bと、第1フィルタ部20aと、第2フィルタ部20bと、成膜チャンバ部30とから構成される。第1アークプラズマ生成部10a及び第2アークプラズマ生成部10bは、それぞれ、ダクト状の第1フィルタ部20a及び第2フィルタ部20bにより成膜チャンバ部30に接続され、図示省略する真空装置により成膜チャンバ部30の圧力が10−5〜10−7[Torr]程度の真空度に設定される。
The FCVA
第1アークプラズマ生成部10aには、カソードとしての第1ターゲット11aとアノード(ストライカー)(不図示)が設けられている。ストライカーを第1ターゲット11aに接触させて直後に離すことによってアーク放電が生じ、それによりアークプラズマが発生される。アークプラズマにより第1ターゲット11aから生成された中性粒子及び荷電粒子は、成膜チャンバ部30に向けて第1フィルタ部20aを飛行する。
The first arc
第1フィルタ部20aには、第1電磁石コイル21aが巻かれた第1ダクト23a及び第1イオンスキャン用コイル25aが設けられている。第1ダクト23aは、第1アークプラズマ生成部10aと成膜チャンバ部30との間で、直交する二方向に2度曲折されており、その外周に第1電磁石コイル21aが巻き付けられている。第1ダクト23aがこのような屈曲構造(ダブルベンド構造)を有することにより、第1ダクト23a内の中性粒子は内壁面に衝突して堆積することにより除去される。第1電磁石コイル21aに電流を流すことにより第1ダクト23a内部の荷電粒子にはローレンツ力が作用し、荷電粒子がダクト断面の中心領域に集約されてダクトの屈曲に沿って飛行し、成膜チャンバ部30に導かれるようになっている。すなわち、この第1電磁石コイル21aと第1ダクト23aが、荷電粒子のみを高効率で通過させる狭帯域の電磁気空間的フィルタを構成する。
The
同様に、第2アークプラズマ生成部10bには、カソードとしての第2ターゲット11bとアノード(ストライカー)(不図示)が設けられている。また、第2フィルタ部20bには、第2電磁石コイル21bが巻かれた第2ダクト23b及び第2イオンスキャン用コイル25bが設けられており、第2電磁石コイル21bと第2ダクト23bが、荷電粒子のみを高効率で通過させる狭帯域の電磁気空間的フィルタを構成する。
Similarly, the second arc
第1イオンスキャン用コイル25a、第2イオンスキャン用コイル25bは、それぞれ、上記のようにして第1ダクト23a、第2ダクト23bを通り成膜チャンバ部30に入る荷電粒子のビームをスキャンする。成膜チャンバ部30には、ホルダ31が設けられ、このホルダ31の表面に基材40がセットされる。ホルダ31はモータ35により自転運動する。ホルダ31には電源37によって任意のバイアス電圧を印加可能になっている。ホルダ31に保持された基材40の表面に、第1イオンスキャン用コイル25aによってスキャンされた粒子のビーム及び第2イオンスキャン用コイル25bによってスキャンされた粒子のビームが入射し、基材40上にこれらの粒子が一様に堆積される。
The first
本実施形態では、第1ターゲット11aとしてグラファイトターゲット、第2ターゲット11bとして金属ターゲットを用いる。金属は前述のように、銀、水銀、白金、銅、カドミウム、金、コバルト、ニッケル、及び鉛、又はこれらを含む合金などが用いられるが、銀を用いることが好ましい。これらのターゲットを用いて基材40上に炭素イオンと金属イオンを同時又は交互に照射する。ホルダ31には、電源37によって負のバイアス電圧を印加する。これにより、基材40に入射する荷電粒子が加速される。加速した荷電粒子は基材40上に堆積し、基材40上に、金属を含有する緻密なアモルファスカーボンの膜50が一様に形成され、部材100が得られる。
In this embodiment, a graphite target is used as the
第1及び第2アークプラズマ生成部10a、10bにおいて、荷電粒子と共に生成する中性粒子は基板バイアスによる入射エネルギーを制御できないため、基板40上に到達すると、炭素原子のsp3混成軌道による結合を阻害する。FCVA法では、屈曲構造(ダブルベンド構造)を有するダクト23a、23bによって、アークプラズマ生成部10a、10bで発生した中性粒子が成膜チャンバ部30に入る前に取り除かれ、膜50内に混入し難い。このため、FCVA法によって形成した膜50では、金属70を含有しても膜50におけるsp3混成炭素原子の割合を高くできる。
First and second
基材40上に堆積する金属の割合(金属の原子濃度)は、例えば第1電磁石コイル21a及び第2電磁石コイル21bの電流(フィルタ電流)を変化させることによって制御できる。アモルファスカーボン60中のsp3混成炭素原子の割合、即ち、式(1)で定義されるsp3混成炭素原子の割合は、例えば、アモルファスカーボン60中の金属濃度、及び電源37によってホルダ31に印加されるバイアス電圧を調整することによって制御できる。
The proportion of metal deposited on the base material 40 (atomic concentration of metal) can be controlled, for example, by changing the currents (filter currents) of the
膜50は、基材40の一部のみに形成してもよい。この場合、基材40の膜50を形成しない領域をマスクで被覆した後に、基材40をホルダ31にセットして膜50の形成を行ってよい。
The
[第2の実施形態]
本実施形態は、図1に示す部材200に関する。部材200は、膜150の組成が、第1の実施形態の膜50と異なる以外は、第1の実施形態の部材100と同様の構成である。したがって、本実施形態では、膜150以外の部材200の構造についての説明を省略する。
[Second Embodiment]
The present embodiment relates to the
膜150は、基材40の表面少なくとも一部を被覆している。膜150は、アモルファスカーボン60と、アモルファスカーボン60中に分散する金属70とを含む。金属70は、第1の実施形態と同様のものを用いてよい。また、膜150は、第1の実施形態と同様にFCVA法により形成される。
The
膜150における金属70の原子濃度は7原子%〜30原子%であり、好ましくは、12原子%〜30原子%である。上述のように、第1の実施形態の膜50は、金属70の原子濃度を1原子%〜6原子%とすることで、高い抗菌性と、高い生体親和性とを両立できる。これに対して、本実施形態の膜150の金属70の原子濃度は、第1の実施形態の膜50の金属70の原子濃度より高い。金属70の原子濃度が高い本実施形態の膜150は、より高い抗菌性を有すると共に、細胞毒性を有する。即ち、本実施形態の膜150は、細胞の増殖や機能を阻害する、又は細胞を死滅させる性質を有する抗生物質(抗生物膜、抗生物アモルファスカーボン膜)である。ここで、「抗生物質(抗生物膜、抗生物アモルファスカーボン膜)」とは、細菌のみでなく細胞に対しても、その増殖や機能を阻害し、又は死滅させる性質を有する物質(膜)を意味する。膜150における金属70の原子濃度が7原子%以上であると、膜150は細胞を十分に死滅させることができる。また、膜150における金属70の原子濃度が30原子%以下であると、硬度は10GPa以上であり、一般的な水素化アモルファスカーボン膜と同等以上の硬度とすることができる。
The atomic concentration of the
膜150は、アモルファスカーボン(炭素)60及び金属70のみから構成されてもよいし、本実施形態の効果を損なわない範囲において、他の元素を含んでもよい。例えば、膜150は、水素を含んでもよい。水素を含むことにより膜50の応力を緩和できる。
The
また、膜150は、水素を含まなくてもよく、膜150における水素の原子濃度は6原子%以下である。即ち、膜150に含まれる水素の原子濃度は0〜6原子%である。膜150に含まれる水素の原子濃度が6原子%以下であると、膜150は適度な硬度及び耐久性等の機械特性を有することができ、抗生物質としての使用範囲が広がる。
Further, the
また、膜150の硬度は、例えば、10GPa以上であってもよい。膜150の硬度が10GPa以上であると、膜150は適度な硬度及び耐久性等の機械特性を有することができ、抗生物質としての使用範囲が広がる。膜150の硬度の上限値は特に限定されないが、実質的な観点からは、30GPa以下、又は20GPa以下であってよい。
Further, the hardness of the
膜150に含まれるアモルファスカーボン60は、sp2混成炭素原子及びsp3混成炭素原子を含んでもよい。膜150における、上述の式(1)で定義されるsp3混成炭素原子の割合αは、例えば、20原子%以上であってよい。sp3混成炭素原子の割合αを20原子%以上とすることで、膜150は適度な硬度及び耐久性等の機械特性を有することができ、抗生物質としての使用範囲が広がる。
The
膜150は、第1の実施形態の膜50と同様に、その表面150bに水酸基、カルボキシル基及びアミノ基の少なくとも一つを有してもよく、膜150の表面50bにおける純水の接触角が10°以下、5°以下、又は4°以下であってもよい。また、膜150の膜厚は、部材200の用途に応じて適宜決定できる。例えば、膜150の膜厚は、1nm〜500nm、又は1〜300nmとすることができる。また、膜150は、第1の実施形態の膜50と同様にFCVA法によって形成できる。
Similar to the
本実施形態の部材200は、例えば、第1の実施形態で説明した医療器具、医用材料、住宅建材、生物培養関連装置、日用品に用いられてよい。例えば、部材200は、白内障治療に用いられる眼内レンズに応用できる。白内障治療の手術によって眼内レンズが設けられた眼内では、後嚢で水晶体上皮細胞等の細胞が大量に増殖して白濁し、後発白内障を発症することが問題となっている。本実施形態の膜150は細胞を死滅させる性質(細胞毒性)を有するため、部材200を眼内レンズとして用いることにより細胞の増殖を抑えられる。これにより、後発白内障の発生の抑制が期待できる。
The
以下に、実施例及び比較例により、抗菌膜を有する部材及びその製造方法について具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例及び比較例に限定されない。 Hereinafter, a member having an antibacterial film and a method for producing the same will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these Examples and Comparative Examples.
1.試料の作製
(1)試料q〜t
FCVA成膜装置1(図2参照)を用いて、基材40上にアモルファスカーボン膜(膜50、150)を形成し、試料q(部材100)を作製した(図1参照)。基材40として板状のステンレス(JIS記号:SUS316L、30mm×30mm×0.03mm)を用いた。SUS316Lは、一般的に用いられる医療用ステンレスである。
1. Preparation of sample (1) Samples q to t
Amorphous carbon films (
基材40上に、FCVA法により炭素イオン及び銀イオンを交互に照射した。FCVA成膜装置1の第1ターゲット11aとして焼結グラファイトターゲットを用い、第2ターゲット11bとして銀ターゲットを用いた。焼結グラファイトターゲットは脱水処理したものを用いた。成膜条件を調整し、堆積する銀と炭素の合計に対する銀の原子濃度(Ag濃度)を1原子%、膜厚を約100nmとした。成膜条件は以下である。第1アークプラズマ生成部10aにおけるアーク電源(カソード側電源)のアーク電流:80A、第2アークプラズマ生成部10bにおけるアーク電源のアーク電流:120A、第1フィルタ部20aにおける第1電磁石コイル21aの電流(第1フィルタ電流):14A、第2フィルタ部20bにおける第2電磁石コイル21bの電流(第2フィルタ電流):5A、第1アークプラズマ生成部10aにおけるアノード側電源の電流(第1アノード電流):6A、第2アークプラズマ生成部10bにおけるアノード側電源の電流(第2アノード電流):6A、基板バイアス:−66V、成膜時間:650秒。尚、基材の加熱は行わず、成膜中の基材の温度は約25〜30℃であった。成膜チャンバ部30の到達圧力は2×10−4Pa以下であった。X線光電子分光法(XPS)により、上記式(1)で定義されるアモルファスカーボン60中のsp3混成炭素原子の割合αを求めたところ、65原子%であった。以上説明する方法により、試料qを得た。
The
試料qと同様の作製方法により、各試料r〜t(部材100、200)を作製した。但し、試料r〜tでは、第2フィルタ電流値を調整して銀の成膜速度を制御することで、アモルファスカーボン膜の銀の原子濃度(Ag濃度)を表1に記載する値とした。各試料r〜tのアモルファスカーボン膜において、X線光電子分光法(XPS)により、上記式(1)で定義されるアモルファスカーボン60中のsp3混成炭素原子の割合αを求めた。結果を併せて、表1に示す。
Each sample r to t (
(2)リファレンス1〜3
以下に説明する試料の評価に用いるリファレンスとして、リファレンス1〜3を用意した。リファレンス1(Ref.1)は、膜が形成されていない基材(板状のステンレス、JIS記号:SUS316L)とした。リファレンス2及び3(Ref.2及び3)は、FCVA法により、基材(板状のステンレス、JIS記号:SUS316L)上にAgを含まないアモルファスカーボンを100nm成膜した試料であり、上記式(1)で定義されるアモルファスカーボン中のsp3混成炭素原子の割合をリファレンス2では78原子%とし、リファレンス3では、63原子%とした。リファレンス2及び3は生体適合性が高いことが確認されており、リファレンス2はsp3混成炭素原子の割合が比較的高いことを特徴とした組成であり、リファレンス3は血液適合性が比較的高いことを特徴とした組成である。
(2) References 1 to 3
尚、以上説明した試料を用いて以下に説明する評価を行ったが、一部の評価では試料の基材の大きさ及び/又は材質、アモルファスカーボン膜の厚さを変更した試料を用いた。基材等が異なってもアモルファスカーボン膜の特性に影響はないため、同組成のアモルファスカーボン膜を有する試料には、同じ試料番号を付した。 The evaluation described below was performed using the sample described above, but in some evaluations, a sample in which the size and / or material of the base material of the sample and the thickness of the amorphous carbon film were changed was used. Since the characteristics of the amorphous carbon film are not affected even if the base material and the like are different, the samples having the amorphous carbon film having the same composition are given the same sample number.
2.評価
作製した試料q〜tについて、以下の評価を行った。
2. Evaluation The following evaluations were performed on the prepared samples q to t.
(1)Ag濃度とsp3混成炭素原子の割合αとの関係
図3のグラフに、試料q〜t及びリファレンス2における、膜のAg濃度(原子%)と式(1)で定義されるsp3混成炭素原子の割合αとの関係を示す。また、比較のために、非引用文献1に開示されているPLD法を用いて形成したアモルファスカーボン膜における、Ag濃度(原子%)とsp3混成炭素原子の割合αとの関係も併せて図3のグラフに示す。
(1) Relationship between Ag concentration and sp 3 mixed carbon atom ratio α In the graph of FIG. 3, the Ag concentration (atomic%) of the film in the samples q to t and
図3に示すように、試料q〜t及び非引用文献1のアモルファスカーボン膜の両方において、Ag濃度が高くなる程、sp3混成炭素原子の割合αが低下した。しかし、試料q〜tは、非引用文献1のアモルファスカーボン膜と比較して、sp3混成炭素原子の割合αの低下の程度が小さかった。試料q〜tのFCVA法によって成膜したアモルファスカーボン膜は、金属70を含有していても、非引用文献1のPLD法を用いて成膜したアモルファスカーボン膜と比較して、sp3混成炭素原子の割合を高くできることが確認できた。
As shown in FIG. 3, in both samples q~t and
(2)膜の硬度測定
試料q(Ag濃度:1原子%)、試料r(Ag濃度:6原子%)、試料t(Ag濃度:30原子%)及びリファレンス2(Ag濃度:0原子%)の膜の硬度をナノインデンテーション法により測定した。硬度測定には、基材40としてSiウェハを用い、Siウェハ上にアモルファスカーボン膜を300nm成膜したサンプルを用いた。また、押し込み深さを20〜35nmとして、膜の硬度を測定した。結果を図4のグラフに示す。
(2) Measurement of film hardness Sample q (Ag concentration: 1 atomic%), Sample r (Ag concentration: 6 atomic%), Sample t (Ag concentration: 30 atomic%) and Reference 2 (Ag concentration: 0 atomic%) The hardness of the film was measured by the nanoindentation method. For the hardness measurement, a Si wafer was used as the
図4に示すように、Ag濃度が高い程、膜の硬度は低下した。しかし、膜の硬度は20GPa以上であれば十分に高い(硬い)。膜のAg濃度が1原子%〜6原子%であれば、30GPa以上の十分な硬度が得られることが確認できた。また、試料t(Ag濃度:30原子%)の膜の硬度が10GPa以上であり、Ag濃度が低い程、膜の硬度が高くなることから、膜のAg濃度が30原子%以下であれば、10GPa以上の膜の硬度が得られることが確認できた。膜の硬度が10GPa以上であれば、一般的なアモルファスカーボン膜と同等以上の硬度を示す。 As shown in FIG. 4, the higher the Ag concentration, the lower the hardness of the film. However, if the hardness of the film is 20 GPa or more, it is sufficiently high (hard). It was confirmed that when the Ag concentration of the film was 1 atomic% to 6 atomic%, a sufficient hardness of 30 GPa or more could be obtained. Further, the film hardness of the sample t (Ag concentration: 30 atomic%) is 10 GPa or more, and the lower the Ag concentration, the higher the film hardness. Therefore, if the Ag concentration of the film is 30 atomic% or less, It was confirmed that a film hardness of 10 GPa or more could be obtained. When the hardness of the film is 10 GPa or more, the hardness is equal to or higher than that of a general amorphous carbon film.
(3)抗菌性試験(フィルム密着法)
細菌として、大腸菌、メチリシン耐性黄色ブドウ球菌(MRSA)、緑膿菌の3種類を用意した。細菌の培養液には蒸留水で50分の1に希釈した普通ブイヨン培地を用い、各細菌の水溶液を用意した。通常、JIS Z 2801:2012に規定されるフィルム密着法を用いた抗菌性試験では、蒸留水で500分の1に希釈した普通ブイヨン培地が用いられる。これは日常製品に対する抗菌性及び抗菌効果の評価を目的とするために、例えば机上の細菌の栄養となる物質が存在する環境を再現したものであり、培地の希釈率が高いため細菌にとっては増殖しにくい状況となる。一方、事前検討により、基材及びリファレンス1に用いたSUS316L上で500分の1に希釈した普通ブイヨン培地を用いてフィルム密着法により各細菌増殖を評価すると細菌が増殖せずに減少することを確認した。細菌数が減少するということは、例えば医療機器で課題となる細菌増殖が再現できていないことを示している。そこでSUS316L上でも細菌数が増殖する普通ブイヨン培地の希釈率を探索し、蒸留水で50分の1に希釈した普通ブイヨン培地であれば各細菌がSUS316L上で増殖することから、同希釈率の普通ブイヨン培地を採用した。また医療向け金属としてSUS316L同様に知られているチタン上でも、蒸留水で50分の1に希釈した普通ブイヨン培地であれば各細菌が増殖することも確認した。50分の1の希釈率は500分の1の希釈率に比較して、細菌が増殖しやすい環境となるため、被評価試料にとってはJIS Z 2801:2012より厳しい環境で評価していることとなり、細菌数の減少はより強い抗菌性を持つことを示している。
(3) Antibacterial property test (film adhesion method)
Three types of bacteria were prepared: Escherichia coli, methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA), and Pseudomonas aeruginosa. An aqueous solution of each bacterium was prepared by using a normal bouillon medium diluted to 1/50 with distilled water as the culturing solution of the bacterium. Usually, in the antibacterial property test using the film adhesion method specified in JIS Z 2801: 2012, a normal bouillon medium diluted to 1/500 with distilled water is used. For the purpose of evaluating the antibacterial properties and antibacterial effects on daily products, for example, it reproduces the environment in which a substance that nourishes the bacteria on the desk exists, and because the dilution ratio of the medium is high, it grows for the bacteria. It will be a difficult situation. On the other hand, according to a preliminary study, it was found that when each bacterial growth was evaluated by the film adhesion method using a normal bouillon medium diluted to 1/500 on the base material and SUS316L used for
以上を踏まえ、試料q〜tの膜上、及びリファレンス1(ステンレス基材)上に、蒸留水で50分の1に希釈した普通ブイヨン培地を用いて調製した各細菌の水溶液(細菌濃度:約1×104CFU/mL)0.1mLを滴下した。更にその上にポリエチレン製のフィルム(20mm×20mm)を載せて、膜上に細菌水溶液を広げた。 Based on the above, an aqueous solution of each bacterium (bacterial concentration: about) prepared using a normal bouillon medium diluted 1/50 with distilled water on the membranes of samples q to t and on reference 1 (stainless substrate). 1 × 10 4 CFU / mL) 0.1 mL was added dropwise. Further, a polyethylene film (20 mm × 20 mm) was placed on the film, and the bacterial aqueous solution was spread on the film.
次に、試料q〜t及びリファレンス1を温度35±1℃、相対湿度90%以上の環境下に約24時間放置して細菌を培養した。培養後、試料q〜t及びリファレンス1をSCDLP液体培地10mLに浸漬及び振盪して培養した細菌を回収し、10mLの回収液を得た。アガロースの培養培地と、希釈した試料q〜t及びリファレンス1の回収液を混合して、温度35±1℃の環境下で約48時間、細菌を培養した。培養後、培養培地上の細菌の数を数えることで、試料q〜t及びリファレンス1それぞれについて、試料q〜t及びリファレンス1上に存在していた単位面積(cm2)当たりの細菌数を計算した。
Next, the samples q to t and the
図5〜7のグラフに、試料q〜tの単位面積(cm2)当たりの細菌数(相対値)を示す。図5は大腸菌、図6はMRSA、図7は緑膿菌を用いた結果である。図5〜7のグラフに示す試料q〜tの単位面積(cm2)当たりの細菌数は、リファレンス1の単位面積(cm2)当たりの細菌数を100とした相対値である。図5〜7のグラフに示す細菌数(相対値)が100未満であり、低い程、リファレンス1と比較して細菌数が減少することを示している。
The graphs of FIGS. 5 to 7 show the number of bacteria (relative value) per unit area (cm 2) of the samples q to t. FIG. 5 shows the results using Escherichia coli, FIG. 6 shows the results using MRSA, and FIG. 7 shows the results using Pseudomonas aeruginosa. The number of bacteria per unit area (cm 2 ) of the samples q to t shown in the graphs of FIGS. 5 to 7 is a relative value with the number of bacteria per unit area (cm 2) of Reference 1 as 100. The number of bacteria (relative value) shown in the graphs of FIGS. 5 to 7 is less than 100, and the lower the number, the smaller the number of bacteria as compared with
図5〜7に示すように、試料q〜tは、リファレンス1(ステンレス基板)と比較して細菌数が大幅に減少しており、試料q〜tに用いた膜組成のアモルファスカーボン膜をステンレス基材に成膜することで高い抗菌性を付与できることを示した。 As shown in FIGS. 5 to 7, the numbers of bacteria in the samples q to t are significantly reduced as compared with the reference 1 (stainless steel substrate), and the amorphous carbon film having the film composition used in the samples q to t is made of stainless steel. It was shown that high antibacterial properties can be imparted by forming a film on the substrate.
(4)抗菌持続性試験
以下に説明する方法により、試料q(Ag濃度:1原子%)、試料t(Ag濃度:30原子%)について、抗菌持続性試験を行った。試料q及びtを試料単位cm2あたり1mLとなるようにヒト正常臍帯静脈内皮細胞(HUVEC)用培地(EGM(登録商標)−2BulletKit(登録商標))に浸漬し、浸漬開始から3時間後、1日後、6日後、13日後及び20日後に培地交換を行いながら浸漬を継続し、1ヵ月(28日)後に試料を培地から取り出した。取り出した試料をリン酸緩衝生理食塩水(PBS)、純水で洗浄し、乾燥後、上述の抗菌性試験(フィルム密着法)と同様の方法により、抗菌性を評価した。
(4) Antibacterial Sustainability Test An antibacterial persistence test was conducted on sample q (Ag concentration: 1 atomic%) and sample t (Ag concentration: 30 atomic%) by the method described below. Samples q and t immersed in normal human umbilical vein endothelial cells so that the sample unit cm 2 per 1 mL (HUVEC) medium (EGM (TM) -2BulletKit (TM)), 3 hours after the start of immersion, Immersion was continued after 1 day, 6 days, 13 days and 20 days while exchanging the medium, and the sample was taken out from the medium after 1 month (28 days). The taken-out sample was washed with phosphate buffered saline (PBS) and pure water, dried, and then the antibacterial property was evaluated by the same method as the above-mentioned antibacterial property test (film adhesion method).
図8のグラフに、培地浸漬後(1ヶ月後)の試料q及びtの単位面積(cm2)当たりの細菌数(相対値)を示す。比較のため、同様の試料q、試料tについて大気中に1ヵ月(28日)保管した際の試料q及びtの抗菌性試験の結果も併せて図8に示す。図8のグラフに示す試料q及びtの単位面積(cm2)当たりの細菌数は、図5〜7と同様に、リファレンス1の単位面積(cm2)当たりの細菌数を100とした相対値である。図8のグラフに示す細菌数(相対値)が100未満であり、低い程、リファレンス1と比較して細菌数が減少することを示しており、ステンレス基材に対して抗菌性を付与できたことを示している。
The graph of FIG. 8 shows the number of bacteria (relative value) per unit area (cm 2 ) of the samples q and t after immersion in the medium (1 month later). For comparison, the results of the antibacterial test of the same samples q and t when stored in the air for one month (28 days) are also shown in FIG. The number of bacteria per unit area (cm 2 ) of the samples q and t shown in the graph of FIG. 8 is a relative value with the number of bacteria per unit area (cm 2 ) of
図8に示すように、試料qの1ヶ月の培地浸漬後の抗菌性は、大気中保管した試料qと比較して低下したが、リファレンス1と比較して細菌数は少なく、1ヶ月の培地浸漬後においても、十分な抗菌性を示すことが確認された。試料tでは、1ヶ月の培地浸漬後も、大気中保管した試料tと同等の抗菌性を示した。
As shown in FIG. 8, the antibacterial property of sample q after immersion in the medium for 1 month was lower than that of sample q stored in the air, but the number of bacteria was smaller than that of
(5)細胞毒性試験
試料q〜tのアモルファスカーボン膜及びリファレンス2のアモルファスカーボン膜(Siウェハ上)それぞれの上に円筒形部材(樹脂製チューブ)を立てて設置して試験用容器を作製した。作製した試験用容器は、底面がアモルファスカーボン膜により構成され、側面が円筒形部材からなるウェルを有する。試験用容器のウェルにヒト正常臍帯静脈内皮細胞(HUVEC)用培養液0.5mLと、ヒト臍帯静脈内皮細胞(HUVEC)約50,000個を注入し、37℃、5%CO2の環境下で1日(約24時間)静置した。静置後、以下に説明する評価1及び2を行った。
(5) Cytotoxicity test A test container was prepared by placing a cylindrical member (resin tube) upright on each of the amorphous carbon film of samples q to t and the amorphous carbon film of reference 2 (on a Si wafer). .. The prepared test container has a well having an amorphous carbon film on the bottom surface and a cylindrical member on the side surface. 0.5 mL of culture solution for human normal umbilical vein endothelial cells (HUVEC) and about 50,000 human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) were injected into the wells of the test container in an environment of 37 ° C. and 5% CO 2. It was allowed to stand for one day (about 24 hours). After standing,
(a)評価1(LDH assay)
細胞内から培養液中に放出された乳酸脱水素酵素(LDH)の量を測定し、測定したLDHの量に基づいて非細胞障害度を求めた。LDHは細胞質に存在する酵素で、通常は細胞質に留まっているが、細胞膜が傷害を受けると培養液中に放出される。即ち、培養液中に放出されたLDHの量が多いほど、細胞が障害を受けたことを意味し、LDHの量が少ない程、細胞が障害を受けていないことを意味する。本評価では、測定したLDHの量に基づいて、細胞が障害を受けていない程度(非細胞障害度)を求めた。
(A) Evaluation 1 (LDH assay)
The amount of lactate dehydrogenase (LDH) released from the cell into the culture medium was measured, and the degree of non-cell injury was determined based on the measured amount of LDH. LDH is an enzyme present in the cytoplasm that normally remains in the cytoplasm but is released into the culture medium when the cell membrane is damaged. That is, the larger the amount of LDH released into the culture medium, the more damaged the cells, and the smaller the amount of LDH, the less damaged the cells. In this evaluation, the degree to which the cells were not damaged (non-cell damage degree) was determined based on the measured amount of LDH.
図9のグラフに、試料q〜tの非細胞傷害度(相対値)を示す。図9のグラフに示す試料q〜tの非細胞傷害度は、リファレンス2の非細胞傷害度を100とした相対値である。リファレンス2(Agを含まないアモルファスカーボン)は、細胞毒性がないことが確認されている。したがって、図9において、試料a〜tの非細胞傷害度(相対値)は、100に近い程、細胞障害が少ないことを意味する。
The graph of FIG. 9 shows the degree of non-cytotoxicity (relative value) of samples q to t. The non-cytotoxicity of samples q to t shown in the graph of FIG. 9 is a relative value with the non-cytotoxicity of
(b)評価2(生細胞・死細胞同時染色)
試料q〜tのアモルファスカーボン膜及びリファレンス2のアモルファスカーボン膜それぞれに付着していた細胞を蛍光色素(Hoechst 33258、Calcein−AM、EthD−III)により染色し(細胞核:青色、生細胞:緑色、死細胞:赤色)、蛍光顕微鏡を用いて全細胞及び死細胞の数をそれぞれカウントした。また、緑色蛍光から生細胞の状態を観察した。
(B) Evaluation 2 (simultaneous staining of live and dead cells)
The cells attached to each of the amorphous carbon film of Samples q to t and the amorphous carbon film of
図10のグラフに、試料q〜tの生細胞数及び死細胞数(相対値)を示す。生細胞数は全細胞数から死細胞数を差し引くことで算出している。図10のグラフに示す試料q〜tの生細胞数及び死細胞数の和である全細胞数は、リファレンス2の全細胞数を100とした相対値である。
The graph of FIG. 10 shows the number of living cells and the number of dead cells (relative values) of samples q to t. The number of living cells is calculated by subtracting the number of dead cells from the total number of cells. The total number of cells, which is the sum of the number of living cells and the number of dead cells of the samples q to t shown in the graph of FIG. 10, is a relative value with the total number of cells of
試料q〜tは、図9に示すように、評価1(LDH assay)において、アモルファスカーボン膜中のAg濃度が低い試料q及びr(Ag濃度:1〜6原子%)において、非細胞傷害度(相対値)は90%以上であり細胞への悪影響が非常に小さいまたは無いことが示唆された。一方、アモルファスカーボン膜中のAg濃度が高い試料s及びt(Ag濃度:12〜30原子%)において、非細胞傷害度(相対値)が大きく低下した。また、図10に示すように、評価2(細胞核・生細胞・死細胞同時染色)において、アモルファスカーボン膜中のAg濃度が低い試料q及びr(Ag濃度:1〜6原子%)において、全細胞数はリファレンス2と大きな差異はなく、死細胞の割合も非常に小さいことから細胞への悪影響が非常に小さいまたは無いことが示唆された。一方、アモルファスカーボン膜中のAg濃度が高い試料s及びt(Ag濃度:12〜30原子%)において、死細胞の割合が大幅に増加し、細胞死に伴いアモルファスカーボン膜に接着している全細胞数が大幅に減少した。この結果から、Ag濃度の低い試料q及びr(Ag濃度:1〜6原子%)は、細胞毒性がほとんど無く、高い生体親和性が求められる分野に応用できることが確認できた。一方、Ag濃度が高い試料s及びt(Ag濃度:12〜30原子%)は、抗生物質(抗生物膜、抗生物アモルファスカーボン膜)としての性質を有し、細胞を死滅させる性質(細胞毒性)が求められる分野に応用できることが確認できた。
As shown in FIG. 9, the samples q to t have a non-cellular injury degree in the samples q and r (Ag concentration: 1 to 6 atomic%) having a low Ag concentration in the amorphous carbon film in the evaluation 1 (LDH assay). The (relative value) was 90% or more, suggesting that the adverse effect on cells was very small or absent. On the other hand, the degree of non-cytotoxicity (relative value) was significantly reduced in the samples s and t (Ag concentration: 12 to 30 atomic%) having a high Ag concentration in the amorphous carbon film. Further, as shown in FIG. 10, in evaluation 2 (simultaneous staining of cell nuclei, living cells, and dead cells), all of the samples q and r (Ag concentration: 1 to 6 atomic%) having a low Ag concentration in the amorphous carbon film. The number of cells was not significantly different from that of
(6)血液適合性試験
試料q、t及びリファレンス3を用いて、血液適合性試験を行った。このとき、基材40として板状のステンレス(JIS記号:SUS316L、10mm×10mm×0.3mm)を用いた。具体的には試料にヒト血液を接触させて凝固性(異物反応による血液凝固)及び溶血性(赤血球の崩壊)を評価した。
(6) Blood compatibility test A blood compatibility test was performed using samples q, t and
(a)血液凝固性試験
各試料q、t及びリファレンス3に、ヒト血液(ヘパリン1U/mL)を接触させて37℃で4時間振盪した。振盪後、3種類のタンパク質量(濃度)、具体的には、血液凝固の指標である血中のトロンビン-アンチトロンビン複合体(TAT)、血小板活性の指標であるβ−トロンボグロブリン(β−TG)及び炎症反応の指標であるSC5b−9、それぞれの濃度を測定した。また、血液凝固性試験後の各試料q、t及びリファレンス3の表面の電子顕微鏡(SEM)観察も行った。
(A) Blood coagulation test Human blood (heparin 1 U / mL) was brought into contact with each sample q, t and
図11のグラフに、測定した3種類のタンパク質量(相対値)を示す。図11のグラフに示すタンパク質量は、市販の血液バッグ(テルモ社:テルモ分離バッグ)を用いて同様のタイミング及びヒト血液サンプルで同様の血液適合性試験を行ったときの結果(タンパク質量)を100とした相対値である。図11のグラフに示すタンパク質量(相対値)が低い程、血液適合性が高いことを示しており、タンパク質量(相対値)が、100未満であれば、市販の血液バッグと比較して各項目で血液適合性が高いことを示している。 The graph of FIG. 11 shows the measured three types of protein amounts (relative values). The amount of protein shown in the graph of FIG. 11 is the result (protein amount) when a similar blood compatibility test was performed on a human blood sample at the same timing using a commercially available blood bag (Terumo Corporation: Terumo Separation Bag). It is a relative value set to 100. The lower the amount of protein (relative value) shown in the graph of FIG. 11, the higher the blood compatibility. If the amount of protein (relative value) is less than 100, each blood bag is compared with a commercially available blood bag. The item indicates high blood compatibility.
図11に示すように、試料q、t及びリファレンス3は、いずれも、TATの濃度(相対値)が低く、血液凝固性が低かった。血小板活性の指標であるβ−TG及び炎症反応の指標であるSC5b−9の濃度は、市販の血液バッグと同等であった。
As shown in FIG. 11, all of the samples q and t and the
図12(a)〜(c)に、リファレンス3、試料q及びtの膜表面のSEM写真をそれぞれ示めす。血液の凝固が生じていると大量のフィブリン鎖や赤血球をはじめとする血球系細胞が膜上に観察されるが、いずれの試料の膜表面にも、これらはほとんど観察されなかった。しかし、図12(c)及び(d)に示す試料t(Ag濃度:30原子%)においては、棘状の赤血球が観察された。この結果から、試料tにおいては、溶血が生じている可能性があり、以下に説明する溶血性試験を行った。
12 (a) to 12 (c) show SEM photographs of the film surfaces of
(b)溶血性試験
以下に説明する2つの方法により、血液の溶血率を求めた。このとき、基材40として板状のステンレス(JIS記号:SUS316L、20mm×20mm×0.03mm)を用いた。
(B) Hemolyticity test The hemolytic rate of blood was determined by the two methods described below. At this time, a plate-shaped stainless steel (JIS symbol: SUS316L, 20 mm × 20 mm × 0.03 mm) was used as the
(b−i)間接接触法
各試料q、t及びリファレンス3をリン酸緩衝生理食塩水(PBS)に浸漬し、37℃で72時間放置して、抽出液を得た。得られた抽出液をヒト血液(クエン酸ナトリウムで非凝固処理済)と所定の体積割合(PBS:ヒト血液=7:1)で混合し、37℃で3時間振盪した。その後、混合溶液の吸光度から溶血率を測定した。
(Bi) Indirect contact method Each sample q, t and
(b−ii)直接接触法
各試料q、t及びリファレンス3をリン酸緩衝生理食塩水(PBS)に浸漬し、更に、ヒト血液(クエン酸ナトリウムで非凝固処理済)と所定の体積割合(PBS:ヒト血液=7:1)で混合し、血液と各試料を直接接触させ、37℃で3時間振盪した。その後、各試料と接触させた混合溶液の吸光度から溶血率を測定した。
(B-ii) Direct contact method Each sample q, t and
図13のグラフに、(b−i)間接接触法及び(b−ii)直接接触法で求めた、各試料の溶血率を示す。また、併せて、陰性対照材料及び陽性対照材料の溶血率も図13のグラフに示す。「陰性対照材料」としては、高密度ポリエチレンフィルムを用い、「陽性対照材料」としては、1.5%非イオン界面活性剤含有ポリ塩化ビニルペレットを用いた。 The graph of FIG. 13 shows the hemolysis rate of each sample obtained by the (bi) indirect contact method and the (bi) direct contact method. In addition, the hemolysis rate of the negative control material and the positive control material is also shown in the graph of FIG. A high-density polyethylene film was used as the "negative control material", and a 1.5% nonionic surfactant-containing polyvinyl chloride pellet was used as the "positive control material".
図13に示すように、(b−i)直接接触法及び(b−ii)間接接触法のどちらを用いた結果においても、アモルファスカーボン膜中のAg濃度の低い試料q(Ag濃度:1原子%)及びリファレンス3の溶血率は、陰性対象材料の溶血率と同程度の低い値であった。一方、アモルファスカーボン膜中のAg濃度の高い試料t(Ag濃度:30原子%)は、溶血率が高かった。このように血液凝固性試験では確認できなかったが、溶血性試験により細胞毒性試験の結果同様に、アモルファスカーボン膜中のAg濃度が高い試料s及びt(Ag濃度:12〜30原子%)においては細胞への悪影響が高い可能性が示唆された。これらの血液適合性試験及び細胞毒性試験の結果から、例えば、Ag濃度が1〜6原子%程度のAg濃度の低い試料であれば生体親和性や高い血液適合性が求められる分野に応用できると推測される。
As shown in FIG. 13, a sample q (Ag concentration: 1 atom) having a low Ag concentration in the amorphous carbon film was used in both the (bi) direct contact method and the (bi) indirect contact method. %) And the hemolysis rate of
(7)膜に含まれる水素の原子濃度測定
新たな評価試料として、膜中の銀の原子濃度(Ag濃度)が4原子%である試料u、膜中の銀の原子濃度(Ag濃度)が9原子%である試料vを、試料q及び試料tと同様の方法により作製した。試料q(Ag濃度:1原子%)、試料u(Ag濃度:4原子%)、試料v(Ag濃度:9原子%)及び試料t(Ag濃度:30原子%)の膜中に含まれる水素の原子濃度をRBS/HFS(ラザフォード後方散乱分析/水素前方散乱分析)により測定した。測定結果を表2に示す。
(7) Measurement of atomic concentration of hydrogen contained in the membrane As a new evaluation sample, the sample u in which the atomic concentration of silver in the membrane (Ag concentration) is 4 atomic%, and the atomic concentration of silver in the membrane (Ag concentration) are Sample v, which is 9 atomic%, was prepared by the same method as sample q and sample t. Hydrogen contained in the membranes of sample q (Ag concentration: 1 atomic%), sample u (Ag concentration: 4 atomic%), sample v (Ag concentration: 9 atomic%) and sample t (Ag concentration: 30 atomic%). Atomic concentration was measured by RBS / HFS (Razaford Backscattering Analysis / Hydrogen Forward Scattering Analysis). The measurement results are shown in Table 2.
表2に示すように、FCVA法によって形成した試料q、u、v及びtの膜中に含まれる水素の原子濃度は低濃度であり、6原子%以下であることが確認できた。尚、FCVA法とは異なる従来の成膜方法、例えば、化学蒸着(CVD法)を用いて成膜したアモルファスカーボン膜中には、通常、20原子%以上の水素が含まれることが知られている。 As shown in Table 2, it was confirmed that the atomic concentration of hydrogen contained in the films of the samples q, u, v and t formed by the FCVA method was low and was 6 atomic% or less. It is known that an amorphous carbon film formed by a conventional film forming method different from the FCVA method, for example, a chemical vapor deposition (CVD method), usually contains 20 atomic% or more of hydrogen. There is.
本実施形態の膜50を有する部材100は、十分な抗菌性を有すると共に、部材100の用途に合わせて、良好な機械特性、高い血液適合性、高い生体親和性等の性質を有することができる。本実施形態の部材100は、例えば、医療器具、医用材料、生物培養関連装置、住宅建材、日用品に用いることができる。
The
1 成膜装置
40 基材
50 膜
50b 表面
60 アモルファスカーボン
70 金属
100 部材
1
Claims (15)
前記基材上に形成され、アモルファスカーボン及び前記アモルファスカーボン中に分散する金属を含む膜とを備える部材であって、
前記膜における前記金属の原子濃度が1原子%〜6原子%であり、
前記アモルファスカーボンが、sp2混成軌道による結合を形成している炭素原子及びsp3混成軌道による結合を形成している炭素原子を含み、
前記sp2混成軌道による結合を形成している炭素原子の数と前記sp3混成軌道による結合を形成している炭素原子の数の合計に対する、前記sp3混成軌道による結合を形成している炭素原子の数の割合が57原子%以上である部材。 With the base material
A member formed on the base material and provided with amorphous carbon and a film containing a metal dispersed in the amorphous carbon.
The atomic concentration of the metal in the film is 1 atomic% to 6 atomic%.
The amorphous carbon contains a carbon atom forming a bond by an sp 2 hybrid orbital and a carbon atom forming a bond by an sp 3 hybrid orbital.
The carbon forming the bond by the sp 3 hybrid orbital with respect to the total number of carbon atoms forming the bond by the sp 2 hybrid orbital and the number of carbon atoms forming the bond by the sp 3 hybrid orbital. A member having a ratio of the number of atoms of 57 atomic% or more.
フィルタードカソーディックバキュームアーク法により、前記基材上に炭素イオンと金属イオンを同時又は交互に照射することによって形成される、アモルファスカーボン及び前記アモルファスカーボン中に分散する金属を含む膜とを備える部材。 With the base material
A member including amorphous carbon and a film containing a metal dispersed in the amorphous carbon, which is formed by simultaneously or alternately irradiating the base material with carbon ions and metal ions by a filtered Casodec vacuum arc method. ..
前記sp2混成軌道による結合を形成している炭素原子の数と前記sp3混成軌道による結合を形成している炭素原子の数の合計に対する、前記sp3混成軌道による結合を形成している炭素原子の数の割合が57原子%以上である、請求項2又は3に記載の部材。 The amorphous carbon contains a carbon atom forming a bond by an sp 2 hybrid orbital and a carbon atom forming a bond by an sp 3 hybrid orbital.
The carbon forming the bond by the sp 3 hybrid orbital with respect to the total number of carbon atoms forming the bond by the sp 2 hybrid orbital and the number of carbon atoms forming the bond by the sp 3 hybrid orbital. The member according to claim 2 or 3, wherein the ratio of the number of atoms is 57 atomic% or more.
前記基材上に形成され、アモルファスカーボン及び前記アモルファスカーボン中に分散する金属を含む膜とを備える部材であって、
前記膜における前記金属の原子濃度が7原子%〜30原子%であり、
前記膜における水素の原子濃度が6原子%以下である部材。 With the base material
A member formed on the base material and provided with amorphous carbon and a film containing a metal dispersed in the amorphous carbon.
The atomic concentration of the metal in the film is 7 atomic% to 30 atomic%.
A member having an atomic concentration of hydrogen in the membrane of 6 atomic% or less.
前記sp2混成軌道による結合を形成している炭素原子の数と前記sp3混成軌道による結合を形成している炭素原子の数の合計に対する、前記sp3混成軌道による結合を形成している炭素原子の数の割合が20原子%以上である請求項8〜10のいずれか一項に記載の部材。 The amorphous carbon contains a carbon atom forming a bond by an sp 2 hybrid orbital and a carbon atom forming a bond by an sp 3 hybrid orbital.
The carbon forming the bond by the sp 3 hybrid orbital with respect to the total number of carbon atoms forming the bond by the sp 2 hybrid orbital and the number of carbon atoms forming the bond by the sp 3 hybrid orbital. The member according to any one of claims 8 to 10, wherein the ratio of the number of atoms is 20 atomic% or more.
フィルタードカソーディックバキュームアーク法により、前記基材上に炭素イオンと前記金属イオンを同時又は交互に照射して前記膜を形成することを含む製造方法。 A manufacturing method for manufacturing the member according to any one of claims 1 to 14.
A production method comprising forming the film by simultaneously or alternately irradiating the base material with carbon ions and the metal ions by a filtered Casodec vacuum arc method.
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