JP5286079B2 - 歯科用具および医療用具に使用する低摩擦コーティング - Google Patents
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Description
以下の引例は、本発明の背景を理解するために適当であると考えられる:
Chen et al, Adv. Eng. Mat. 4(9):686-690 (2002);
L. Rapoport et al, Wear 255:785-793 (2003);
Redlich et al., Am. J. Orthod. Dentofacial Orthop. 124, 69-73 (2003);
Tenne R. et al, Nature 360: 444-445 (1992);
米国特許番号5,288,230;
米国特許番号5,454,716;
米国特許番号5,958,358;および
米国特許番号6,299,438。
低摩擦コーティングを有する多くの用具、中でも医学および歯学、例えば歯科矯正学に用いられる用具が現在生産されている。歯科矯正学は、異常な位置にある歯の位置に変化をもたらすことを目指す歯科専門分野である。これは歯における持続的な力学的負荷(歯科矯正力)を加えることによって成し遂げられ、それは歯の周りの歯根膜(PDL)および歯槽骨に影響を及ぼす。その加えられた力は、PDLおよび骨の再形成をもたらし、歯の移動を可能とする。該歯科矯正治療は、最近数十年間に非常に普及してきており、また成人は美的理由および機能的理由からもこの治療を求め始めている。
1. アーチワイヤー:サイズ、形、材料および表面。
2. ブラケット:溝およびその縁の材料、サイズおよび形、溝の表面、並びにワイヤーと溝の間で形成される角度。
3. 溝におけるワイヤーの連結:弾性モジュール(elastic module)、金属ワイヤー留め金(metal wire ligature)およびセルフライゲーティングブラケット(self-ligating bracket)。
4. 口腔内の要素:唾液、歯垢および腐食。
5. 他の要素:歯の間の距離およびその加えられた力の方向。
1. 溝に比べてワイヤーのサイズを減少させるか、または円線(round wire)を使用することによって、摩擦はある程度減少したが、歯の移動の方向の制御を損なうワイヤーの歪みが生じた。
2. 摩擦係数を減少させようとする異なった金属(アーチワイヤーまたはブラケット)の使用。ニッケル−チタンワイヤーの使用は、その形状記憶特性のため、アーチの調節(arch alignment)に大きな利点を有するが、ステンレス鋼(SS)ワイヤーと比較して、これらのワイヤー上の摩擦はより大きい。
3. ワイヤーを溝に連結する方法は、摩擦を減少させうる。これは0°の角度でのセルフライゲーティングブラケットに当てはまることが示されたが、一旦ワイヤーが溝の壁に接触すると、より大きな摩擦が記録された。
それは歯科矯正治療または他の医学的治療の間の摩擦力を減少させるのに臨床上有利である。歯科矯正学において、スムーズな歯の移動によって治療に必要な時間が減少し、それによって歯および周囲の組織における歯科矯正用具の取り付けの有害作用の危険性が減少しうる。医学においてもまた、低摩擦コーティングによる組織貫通性用具(tissue-penetrating device)のコーティングによって、組織の中への挿入手順の間、これらの医療用具に隣接した組織の損傷が減少しうる。
(i)メッキ液の中にIF−ナノ粒子を分散させて、前記メッキ液中に均一に分散したIF−ナノ粒子を得;
(ii)該用具を前記メッキ液に接触させ、無電解析出または電気化学的析出を通して、前記用具の一つ以上の表面上に前記ナノ粒子を析出させ、それによってIF−ナノ粒子またはこのようなナノ粒子を含む複合物を含む摩擦減少フィルムでその表面の少なくとも一部がコーティングされた用具を得ることを特徴とする方法を提供する。
本発明は、無機フラーレン様(IF)ナノ粒子またはこのようなIF−ナノ粒子を含む複合物を含む摩擦減少フィルムでその表面の少なくとも一部がコーティングされている、医学または歯学に使用する用具(好ましくは金属でできている用具)を提供する。例えば、該用具は、金属ワイヤーのような細長い形状をしている用具(例えば歯科矯正アーチワイヤー)または細長い形状をしている医療用具(例えばニードル、カテーテル)などでありうる。本発明によって、IF−ナノ粒子またはこのようなナノ粒子を含む複合物を含む摩擦減少フィルムによる用具のコーティング方法がさらに提供される。
図2は、ステンレス鋼ワイヤー上の、無電解Ni−Pの滑らかで均一なフィルムを示す。無電解析出によって類似のNi−Pフィルムでコーティングされたステンレス鋼プレート上で行われる同一の試験とは対照的に、スコッチボンド試験(scotch bond test)によってコーティングのピーリングが引き起こされ、ワイヤー基質への不十分な接着が示された。同一のSS組成を有するにもかかわらず、2つの基質のSEM画像によって、異なる顕微鏡的形態が示された。表面形態におけるこの違いが、プレートとは対照的に該ワイヤーによって示されるNi−Pフィルムの不十分な接着に対する原因であると提案されている。
無電解浴の準備:IF−WS2粒子(または他の望ましいIF粒子)の、無電解Niメッキ液への混合を可能にするためには、無電解メッキ浴の中にナノ粒子を分散させることが必要であった。これは、超音波攪拌機により、また適当な界面活性剤の使用により、無電解浴(エンプレート Ni−425(Enplate Ni-425)、エンソン社(Enthone Inc.)の名で販売されている市販品として入手可能な溶液)中でWS2ナノ粒子のディスパージョン(dispersion)を攪拌することによって成し遂げた。用いた一連の界面活性剤、すなわちアニオン性(SDS−ドデシル硫酸ナトリウム)、カチオン性(CTAB−セチルトリメチルアンモニウムブロミド)および非イオン性(トリトン−x)の中で、CTABが最良の結果を示しているようだった。
同様の方法で、本発明者は無電解メッキによって、IF−WS2粒子を有するCo−Pの複合物フィルムを得た。メッキ液(pH6.85)は、0.3M クエン酸ナトリウム(Na3C6H5O7)、0.1M 次リン酸ナトリウム(sodium hypophosphate)および0.1M 塩化アンモニウム(NH4C1)からなっていた。塩化コバルト(II)(CoC12)の濃度を0.1Mまで増加させた。ヒドラジン(N2H4)濃度を0.3Mまで増加させた。水酸化ナトリウム(NaOH)濃度を1.25Mまで増加させることによって、pHを調整した。
IF−WS2粒子を有するCoのフィルムを、電気化学メッキによって得た。まずステンレス鋼プレート(5x5mm2)をHF(20%)溶液中に2分間浸すことによって洗浄した。続いてプレートを水中で注意深くすすぎ、N2ガス気流下で乾燥した。次の段階において、プレートをCoCl2(1M、40ml)(および適宜40ml NiCl2 1M)を含む溶液中に浸し、酢酸(0.2ml)を溶液に加えて、pHを3.5にした。陽極としてPtゲージを用い、陰極として働くプレートに1mAの電流をかけた。ステンレス鋼プレートをすすぎ、類似の溶液だが今度は3重量%のIF−WS2を含有する溶液(超音波処理によって調製した)中に浸した。1mAの電流を20秒間かけた。黒いフィルムを得た。フィルムの全厚は約6ミクロンであった。
ジルコニアの母液(mother solution)を調製する。氷酢酸(3ml)をジルコニアテトラプロポキシド(Zr(OC3H7)4、TPOZ)(10ml)にゆっくり加え、30分間攪拌する。次いでn−プロパノール(C3H7OH)(20ml)を溶液に加え、それを室温で15分間さらに攪拌する。溶液を、酢酸の50%希釈脱イオン(DI)水溶液(4ml)で加水分解する。この段階の後、溶液を室温でさらに30分間攪拌し、濾過し、4日間まで冷蔵庫中で保管する。溶液は透明で、その色は淡黄色である。
該試験を、0.2mm/秒の滑り速度および50grの荷重でボールオンフラット装置を用いて行った。直径2mmを有するベアリング球(bearing ball)を、計測装置(counter body)として用いた。パラフィン油の潤滑剤とともに乾燥摩擦(dry friction)および湿潤摩擦(wet friction)を、50〜200サイクルの間行った。顕微鏡写真の光学拡大率(optical magnification)はx240である。乾燥摩擦の100サイクル後の、摩耗痕跡を有するNi−P−IF−WS2コーティングの表面を図4に示す。
インストロンアセンブリ(Instron assembly)を用いることによって、口内の歯とワイヤー上のブラケットの移動をシミュレーションする条件で、コーティングされたワイヤーをコーティングされていないワイヤーと比較した。ブラケットとワイヤーの間の接触の3つの異なる角度で、試験を設定した。図6に示される結果から、インストロンにおいてワイヤーを試験する前に導入時間(run-in period)が必要であることは明らかであった。インストロンにワイヤーを連結する前に、ブラケットの溝の中でワイヤーの前後運動を繰り返すことによって、ワイヤーの導入時間を行った。インストロン試験のために、異なるブラケットを用いた。以下の表Iと、力とブラケットの変位との間の関係を示す図7〜9における比較のグラフ(ピークは、ワイヤー上でブラケットの移動を始めるのに必要な最大の力を示す(静止摩擦))に、データを示す。
表I:インストロン試験の概要
SSプレート上で行われた試験によって、無電解Ni−Pマトリックスおよびこのマトリックスの中に分散されたIF−WS2ナノ粒子の複合物コーティングが生じた。動摩擦係数は、ステンレス鋼基質についての0.6から、そのコーティングされた基質についての0.06まで減少した。トライボロジー試験と比較して、歯科矯正ワイヤーに対するプレート基質の結果は、たとえこれらが同一のステンレス鋼基質でできているとしても、歯科矯正ワイヤーが最初の低い動摩擦係数(0.1)を有することを示す。おそらくこれは、製造者によってなされた仕上げの工程に起因するものであり、SEM画像に見られる異なった表面形態から明らかである。低い摩擦係数にもかかわらず、アーチワイヤーに沿って歯を動かすのに必要とされる歯科矯正力は、この移動の間に発生する摩擦力のため、生体での要求よりもさらに高い。負荷が増加する場合に、ワイヤーの摩擦係数は劇的に増加し、それはまさに歯科矯正ワイヤーを(ブラケットを傾けることによって)現実的な条件で用いる場合であった。このため、ワイヤーの摩擦係数の減少を達成することが望ましい。複合物Ni−P−IF−WS2によるワイヤーのコーティングによって、導入時間後に摩擦係数が0.05まで減少した。コーティングされていないワイヤーを周期的に試験した場合、摩擦係数は0.25まで上昇した。これは、歯科矯正移動に必要とされる力が、コーティングされていないワイヤーについては時間とともに増加し、コーティングされたものについては時間とともに減少することを意味しうる。
ステンレス鋼(304)でできている歯科矯正アーチワイヤーにおいて実験を行った。無電解メッキ工程を開始するためには、基質表面の準備が必要である。第一段階は、アセトンによる脱脂に続いてプロパノールで脱脂し、水ですすいで窒素フロー下で乾燥する。次いで、ワイヤーをプラズマアッシュアー(plasma asher)(マーチ(March))において5分間処理し、純ニッケルフィルム(100nm)を電子ビーム蒸着(エドワード オート 306(Edwards Auto 306))によって蒸着する。
IF−WS2の毒性学試験によって、該物質が、ラットにおける経口投与で無毒性であると報告された。歯科矯正用具におけるNiの存在は公知であり、これらは使用が認可されている(Niに対してアレルギー反応を有する人々は除く)。
潜在的な毒性に関する情報の不足のため、ガイドライン勧告(Guideline recommendation)に従って、本研究で適用された逐次手法は、最小限の動物を用いたステップワイズ法を表す。投与は連続して行い、試験群の投与間の時間間隔を、投与後の副作用がないことによって決定した。
3.1 投与経路:
全動物を経管投与(oral gavage)(PO)投与に1回付した。
3.2 投与量レベル:
スポンサーによって提供されるように、試験項目を300および2000mg/kgの2つの投与量レベルで投与した。
3.3 用量(Volume Dosage):
すべての例において、用量は5ml/kgであった。
基質の毒性特性を評価するのに、通常は急性経口毒性を決定することが初期段階であるため、投与経路として経口経路を選択した。選択された初期投与量レベルは、スポンサーの具体的要求に基づき、各々のガイドラインに従った。
5.1 臨床徴候:
投与の後の最初の7〜8時間は連続的に動物を観察し、次いで最初の24時間は周期的に観察した。臨床徴候を記録した。動物を計14日間観察した。観察には、皮膚、毛皮(fur)、目、粘膜、分泌および排出(例えば下痢)の発生、並びに自律神経活動(例えば流涙、唾液分泌、立毛、瞳孔のサイズ、異常呼吸パターン)の観察が含まれた。観察した別の項目は、その歩調、姿勢および操作への応答、並びに奇異な行動、振戦、痙攣、睡眠および昏睡のいずれの存在についてのモニタリングであった。
動物の個々の体重の決定を、試験項目の投与の直前、投与後の2日および7日、並びに予定した検死前の調査の終わりに行った。
すべての試験動物を、十分詳細な肉眼検死(macroscopic necropsy)に付した。各々の動物について、すべての肉眼的病理変化(gross pathological change)を記録した。
評価には、試験項目への動物の曝露と、すべての異常(例えば:死亡率への影響、行動障害および臨床的異常、体重変化、肉眼的病変、およびいずれの他の毒性効果)の発生および重症度との間の関係がもしあるなら、それをモニタリングすることが含まれた。
結果:
1. 死亡率(表1):
14日の全観察期間を通して、いずれの動物においても死亡は発生しなかった。
2. 臨床徴候(表2):
投与直後の期間または14日の全観察期間で、無機フラーレン様WS2ナノ粒子(IF=WS2)を用いて投与されたいずれの動物においても、投与への反応における目立った臨床徴候は、明らかではなかった。
すべての動物の体重増加は、正常な期待値の範囲内にあることが分かった。
4. 肉眼検査(表6):
検死手順の間、いずれの動物においても病理変化は観察されなかった。
300および2000mg/kg PO(経口投与)の投与量レベルで死亡がなかったことを考慮して、試験項目の無機フラーレン様WS2ナノ粒子(IF−WS2)を、GHS(世界調和システム)(e)による分類に従って、「カテゴリー5」または「未分類」に割り当てる。
1. 試験項目の無機フラーレン様WS2ナノ粒子(IF−WS2)(バッチ番号HP6)の起こりうる急性毒性を、2001年12月17日に承認された、化学物質の試験についてのOECDガイドライン、4節、No.423、「急性経口毒性−急性毒性等級法」によって推奨される試験手順に基づいて評価した。
2. 無機フラーレン様WS2ナノ粒子(IF−WS2)(バッチ番号HP6)を、n=6のメスのスプラグ ドーレイ(登録商標)(SD(登録商標))ラットの2つの群に、各々300および2000mg/kgの投与量レベルで、連続的に投与した。
4. すべての動物の体重増加は、正常な期待値(b)の範囲内にあることが分かった。
6. 投与直後の時間または14日の全観察期間を通して、いずれの動物においても、処置への反応における有害な徴候は、明らかではなかった。
8. 300および2000mg/kg PO(経口投与)の投与量レベルで死亡がなかったことを考慮して、試験項目の無機フラーレン様WS2ナノ粒子(IF−WS2)(バッチ番号HP6)を、GHS(世界調和システム)(c)による分類に従って、「カテゴリー5」または「未分類」に割り当てる。
Claims (23)
- 無機フラーレン様WS 2 (IF−WS 2 )ナノ粒子およびNi−Pを含む複合物によって少なくとも部分的にコーティングされている、医学または歯学に使用する用具。
- 細長い形状をしている、請求項1の用具。
- ワイヤーまたはチューブの形状をしている、請求項2の用具。
- 横断面が円形または長方形である、請求項1または請求項2の用具。
- コーティングされていない用具と比較して、該ナノ粒子または該ナノ粒子を含む複合物が、該用具と、隣接した物体、表面または組織との間の摩擦を減少させる、請求項1〜3のいずれか一つの用具。
- 前記コーティングが生体適合性を有する、請求項1〜5のいずれか一つの用具。
- 前記コーティングが0.3マイクロメートルと50マイクロメートルの間の厚さを有する、請求項1〜6のいずれか一つの用具。
- 前記コーティングが1マイクロメートルと10マイクロメートルの間の厚さを有する、請求項7の用具。
- 歯科インプラント、歯科矯正ワイヤー、歯科矯正ブラケット、バンド、接着されたもしくはバンド付き歯科矯正アタッチメント、口蓋エキスパンダー、移動機能性天然もしくは人工ヒト関節、人工股関節、組織貫通性用具、腹腔鏡手術に用いられるフィード経口チューブおよびフィード経鼻チューブから選択される、請求項1〜8のいずれか一つの用具。
- 歯科矯正アーチワイヤーとして形成される、請求項9の用具。
- ニードルまたはカテーテルとして形成される、請求項9の用具。
- スクリュー型歯科インプラントとして形成される、請求項9の用具。
- 金属、ゴム、ガラスまたはプラスチックでできている、請求項1〜9のいずれか一つの用具。
- 医学または歯学に使用する用具と、隣接した表面、組織または物体との間の摩擦を減少させる方法であって、無機フラーレン様WS 2 (IF−WS 2 )ナノ粒子およびNi−Pを含む複合物によって、該用具の表面の少なくとも一部をコーティングすることを特徴とする方法。
- 歯科用具と、他の用具または歯との間の摩擦を減少させる方法であって、前記用具が歯科インプラント、歯科矯正ワイヤー、歯科矯正ブラケット、バンド、接着されたもしくはバンド付き歯科矯正アタッチメント、口蓋エキスパンダーから選択され、該方法が摩擦減少フィルムによって、該用具の表面の少なくとも一部をコーティングすることを特徴とし、前記フィルムが無機フラーレン様WS 2 (IF−WS 2 )ナノ粒子およびNi−Pを含む複合物を含むことを特徴とする方法。
- 無機フラーレン様WS 2 (IF−WS 2 )ナノ粒子およびNi−Pを含む複合物によって、生体適合性層による歯科矯正用ワイヤーの表面の少なくとも一部をコーティングすることを特徴とする、該ワイヤーのコーティング方法。
- 請求項1の用具のコーティング方法であって:
(i)Niおよびリンイオンのメッキ液の中にIF−WS 2 ナノ粒子を分散させて、前記メッキ液中に均一に分散したIF−WS 2 ナノ粒子を得;
(ii)該用具を前記メッキ液に接触させ、無電解析出または電気化学的析出を通して、前記用具の一つ以上の表面上に前記ナノ粒子を析出させ、それによってIF−WS 2 ナノ粒子およびNi−Pを含む複合物を含む摩擦減少フィルムでその表面の少なくとも一部がコーティングされた用具を得ることを特徴とする方法。 - 前記接触の前に、前記用具を表面前処理方法に付すことを特徴とする、請求項17の方法。
- 該表面前処理方法がエッチング酸性溶液によって行われる、請求項18の方法。
- 前記酸性溶液がHFである、請求項19の方法。
- 前記接触の前に、一つ以上の別の析出段階を含んで、該用具と該用具の外側の摩擦減少フィルムとの間に中間層を形成することを特徴とする、請求項17の方法。
- そのコーティングされた用具を高温で焼き鈍すことをさらに特徴とする、請求項17〜21のいずれか一つの方法。
- 前記摩擦減少フィルムが0.3マイクロメートルと50マイクロメートルの間の厚さを有する、請求項17〜22のいずれか一つの方法。
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