JP6293725B2 - 抗微生物性金属を含む表面を有する医療用デバイス - Google Patents
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Description
a)表面を有する基材を準備することと、
b)非毒性ポスト遷移金属化合物を前記表面に適用して、層を形成すること
とを含む、ここで記載される医療用デバイスを作製する方法を提供する。
例1A.酸化ガリウム被覆試験片の作製
工業用純(cp)チタン(グレード4)の円板を製造して、洗浄後、原子層堆積(Picosun、Finland)を使用して、GaCl3およびH2Oをそれぞれ前駆物質として用い、アモルファスGa2O3からなる40nmの厚さの層を堆積させた。その後、試験片をプラスチック製容器で包装し、電子ビーム照射により滅菌した。
すべての表面特性決定実験に対し、工業用純(cp)チタン、上記のように作製した、Ga2O3被覆cpチタンおよび市販のTiN被覆cpチタンのそれぞれ8個の試験片を、例1に記載のように調製した(洗浄、Ga2O3被覆試験片の場合はALDを使用して被覆、包装および滅菌)。TiN被覆は、弱い抗細菌効果をもたらすことが知られているので、TiN被覆試験片を比較のために含めた。
表面形態および表面の化学的性質を、環境制御型走査電子顕微鏡法(XL30 ESEM、Philips、Netherlands)/10〜30kVの加速電圧によるエネルギー分散分光法(Genesis System、EDAX Inc.、USA)によって分析した。Ga2O3被覆試験片の表面上で検出された元素は、酸素(O)、ガリウム(Ga)およびチタン(Ti)であった。Ga濃度は、それぞれ30kVおよび10kVの加速電圧で測定したところ、4〜9原子%(at%)で変動した。この技法による分析深度は約1μm、すなわち、層厚よりはるかに深いと推定される。表面形態に関して、工業用純チタン対照とGa2O3被覆チタンとの間にいかなる差も検出できなかった。
表面粗さを、表面形状測定(Hommel T1000 wave、Hommelwerke GmbH、Germany)によって測定した。320μmの鉛直測定範囲および4.8mmの評価長さを使用した。各種類について2個の試験片を分析に含め、1試験片あたり3回の測定を実施した。0.800mmでカットオフするフィルタリング処理を使用した後、表面粗さRaを計算した。結果を表3に示す。
濡れ性を調査するために、接触角測定システム(Drop Shape Analysis System DSA 100、Kruss GmbH、Germany)を使用して、接触角を測定した。測定は、脱イオン水を用いて実施した。結果は、すべての試験片が疎水性(90°超)であることを示す。表4を参照されたい。
酸化ガリウムの形態のガリウム(Ga)を含む層を有するチタン体が、表面上および表面周囲において緑膿菌および黄色ブドウ球菌(Staphylococcus aureus)の増殖を防止することができ、よって、たとえば歯肉中にインプラントされた歯科用アバットメントの周囲における有害な感染を防止するのに有用であり得ることが見出された。
第1の実験では、酸化ガリウム被覆を有するかまたは有さない工業用純チタン円板(直径6.25mm)を、均一に分布した緑膿菌のコロニーを含有する寒天プレート上に置いた。37℃で24時間のインキュベーション後、細菌のコロニーに囲まれたチタン円板とは対照的に、酸化ガリウムの円板の周囲に4mm幅の視認可能なコロニーのない一帯が存在していた。
第2の実験では、膜接触法(Yasuyukiら、2010)を使用した。緑膿菌(PA01)またはメチリシン(methillicin)耐性黄色ブドウ球菌(MRSA)の線状接種を作製し、1コロニーを培養試験管中の5mlのトリプティックソイブロス(TSB)に植菌し、振盪条件下で18時間増殖させた。細胞密度を、分光光度計中でOD600nmにおいて測定し、細胞計数チャンバーを使用して計数した。細胞培養物を滅菌TSBによって1〜5×106細胞/mlに調整した。工業用純(cp)チタン円板(直径6.25mm)、酸化ガリウム被覆を有するcpチタン円板または市販の窒化チタン(TiN)被覆を有するcpチタン円板の試験片を無菌状態で調製し、12ウェルプレートの各ウェルに入れた。薄い透明なプラスチック膜を打ち抜き、70%エタノールおよび各側に対するUV照射を使用して滅菌した。TSB中15μlの細菌の液滴を各試験片に適用した。1試験片につき1枚の薄いプラスチック膜を試験片上の細菌の上に置き、細菌溶液が試験片表面全体に均等に広がるようにして、良好な接触を確保した。30±1℃で24時間のインキュベーション後、各試験片の膜を無菌状態で取り除き、1mlのPBSで表面全体をピペッティングすることにより、1試験片ごとに個別に2mlのエッペンドルフチューブ内に洗い落とした。試験片を膜洗浄時に使用したのと同じエッペンドルフチューブに移した。最初に、各試験片の表面を、先に膜を洗浄したのとまったく同じPBSでピペッティングすることによって洗浄した。次に、先に膜洗浄時に使用したのとまったく同じチューブ内で、試験片を1分間超音波処理し、1分間激しくボルテックスにかけた。連続希釈およびプレートカウントを実施した。プレートを24時間インキュベートし、コロニー数を計数および記録した。酸化ガリウム被覆チタンの抗微生物活性は、チタンと比較して、PA01に対しては92%の低減であり、MRSAに対しては71%の低減であると決定された。表5および表6を参照されたい。
第3の実験では、酸化ガリウム被覆を有するかまたは有さないチタン円盤の抗微生物活性を、Live/Dead(登録商標) BacLight(商標)染色剤(Life Technologies Ltd、UK)を使用して、インサイチューで評価した。緑膿菌(PA01)の線状接種を作製し、1コロニーを培養試験管中の5mlのTSBに植菌し、振盪条件下で18時間増殖させた。細胞密度を、分光光度計中でOD600nmにおいて測定し、滅菌TSBによって1×106細胞/mlに調整した。400μlの細菌を8チャンバースライド中にアリコートとして分けた。35±2℃で24時間の間、バイオフィルムを形成させた。工業用純(cp)チタン円板(直径6.25mm)、酸化ガリウム被覆を有するcpチタン円板または窒化チタン(TiN)被覆を有するcpチタン円板を無菌状態で調製し、バイオフィルム上に適用した。抗微生物活性を、Live/Dead(登録商標)染色剤を使用してインサイチューで分析した。
工業用純(cp)チタン(グレード4)の円板を製造して、洗浄後、物理蒸着(PVD)を使用して、チタンビスマス(TiBi)、ビスマス含有窒化チタン(TiNBi)、チタンガリウム(TiGa)またはガリウム含有窒化チタン(TiNGa)のいずれかからなる0.5〜1μmの厚さの層を堆積させた。TiBiおよびTiGaのターゲットを、それぞれTiBi/TiNBiおよびTiGa/TiNGaについて使用した。その後、試験片をプラスチック製容器で包装し、電子ビーム照射により滅菌した。
これらの表面特性決定実験に対し、工業用純(cp)チタン、例2Aにおいて上記のように作製したTiBi被覆チタン、TiNBi被覆チタン、TiGa被覆チタンおよびTiNGa被覆チタンを使用した。
表面形態および表面の化学的性質を、環境制御型走査電子顕微鏡法(XL30 ESEM、Philips、Netherlands)/10kVの加速電圧によるエネルギー分散分光法(Genesis System、EDAX Inc.、USA)によって分析した。被覆試験片(TiBi、TiNBi、TiGa、TiNGa)上におけるビスマス(Bi)およびガリウム(Ga)の濃度は、加速電圧10kVで測定したところ、Biについては最大で12.6at%で、Gaについては1.1at%であることがわかった。表面上で検出された他の元素は、チタン(Ti)、窒素(N)、酸素(O)および炭素(C)であった。この技法による分析深度は約1μmであり、すなわち、層厚より深い可能性がある。表面形態に関して、工業用純チタン対照と被覆チタン(TiBi、TiNBi、TiGa、TiNGa)との間にいかなる差も検出できなかった。
例2Aに従って作製された試験片の表面粗さを、表面形状測定(Hommel T1000 wave、Hommelwerke GmbH、Germany)によって測定した。320μmの鉛直測定範囲および4.8mmの評価長さを使用した。各種類について3個の試験片を分析に含め、1試験片あたり3回の測定を実施した。0.800mmでカットオフするフィルタリング処理を使用した後、粗さプロファイルにおける平均線からの鉛直偏差の算術平均値として表した表面粗さ(Ra)を計算した。結果を表8に示す。
例2Aに従って作製された試験片の濡れ性を調査するために、接触角測定システム(Drop Shape Analysis System DSA 100、Kruss GmbH、Germany)を使用して、接触角を測定した。測定は、脱イオン水を用いて実施した。結果は、被験試験片間で変動が観察されたものの、すべての試験片が親水性(90°未満)であることを示した。表9を参照されたい。
すべての表面被覆(TiBi、TiNBi、TiGa、TiNGa)からのガリウム(Ga)またはビスマス(Bi)の放出を、実験において確認した。7.4のpHでは、それぞれ少量のGaおよびBiが放出されたが、pH5.0では、Biの放出が著しく増加した。
TiGa、TiNGa、TiBiまたはTiNBiの形態のガリウム(Ga)またはビスマス(Bi)を含む表面を有するチタン体が、表面上において緑膿菌および黄色ブドウ球菌の増殖を防止することができ、よって、たとえば歯肉中にインプラントされた歯科用アバットメントの周囲における有害な感染を防止するのに有用であり得ることが見出された。
線状接種およびグラム染色による特性決定を行った。MRSAおよびPA01をトリプティックソイ寒天(TSA)プレート上で増殖させ、S.サンギニス(S.sanguinis)をウマ血液プレート上で最長24時間増殖させ、P.ジンジバリス(P.gingivalis)を偏性嫌気性寒天(FAA:Fastidious Anaerobic agar)プレート上で4〜5日間増殖させた。硝酸ガリウム(Ga(NO3)3)または塩化ビスマス(BiCl3)の少なくとも5段階の5倍希釈を行った。塩の培養培地中への溶解を可能にするためには、ビスマス塩をDMSO中に懸濁させなければならなかった。
もう1つの実験では、膜接触法(Yasuyukiら、2010)を使用した。緑膿菌(PA01)の線状接種を作製し、1コロニーを培養試験管中の5mlのトリプティックソイブロス(TSB)に植菌し、振盪条件下で18時間増殖させた。細胞密度を、分光光度計中でOD600nmにおいて測定し、細胞計数チャンバーを使用して計数した。細胞培養物を滅菌TSBによって1〜5×106細胞/mlに調整した。工業用純(cp)チタン円板(直径6.25mm)、およびTiBi、TiNBi、TiGaまたはTiNGaの被覆を有するcpチタン円板を無菌状態で調製し、12ウェルプレートの各ウェルに入れた。薄い透明なプラスチック膜を打ち抜き、70%エタノールおよび各側に対するUV照射を使用して滅菌した。TSB中15μlの細菌の液滴を各試験片に適用した。1試験片につき1枚の薄いプラスチック膜を試験片上の細菌の上に置き、細菌溶液が試験片表面全体に均等に広がるようにして、良好な接触を確保した。30±1℃で24時間のインキュベーション後、各試験片の膜を無菌状態で取り除き、1mlのPBSで表面全体をピペッティングすることにより、1試験片ごとに個別に2mlのエッペンドルフチューブ内に洗い落とした。試験片を膜洗浄時に使用したのと同じエッペンドルフチューブに移した。最初に、各試験片の表面を、先に膜を洗浄したのとまったく同じPBSでピペッティングすることによって洗浄した。次に、先に膜洗浄時に使用したのとまったく同じチューブ内で、試験片を1分間超音波処理し、1分間激しくボルテックスにかけた。連続希釈およびプレートカウントを実施した。プレートを24時間インキュベートし、コロニー数を計数および記録した。TiBi、TiNBi、TiGaまたはTiNGa被覆チタン試験片の抗微生物活性は、チタンと比較して、PA01に対しては99.5%超の低減であると決定された。表12を参照されたい。
細胞毒性試験を使用して、すべての表面被覆(TiBi、TiNBi、TiGa、TiNGa)が、非被覆チタン表面と比較して、線維芽細胞ミトコンドリア活性、すなわち、細胞生存率を高めることが見出された。
1. M. F. Al-Kuhaili, S. M. A. Durrani, E. E. Khawaja. Appl Phys Lett 83 (2003) 4533-4535.
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15. M. Yasuyuki, K. Kunihiro, S. Kurissery, N. Kanavillil, Y. Sato, Y. Kikuchi. Biofouling 26 (2010) 851-858.
Claims (34)
- 生体組織との接触が意図される医療用デバイスであって、ビスマスとガリウムから選ばれる少なくとも1種の非毒性ポスト遷移金属化合物を含む表面層を有する基材を含み、前記化合物が、チタンも含む医療用デバイス。
- 前記生体組織が軟組織である、請求項1に記載の医療用デバイス。
- 前記非毒性ポスト遷移金属化合物が、ビスマスである、請求項1または2に記載の医療用デバイス。
- 前記非毒性ポスト遷移金属化合物が、ガリウムである、請求項1または2に記載の医療用デバイス。
- 前記少なくとも1種の非毒性ポスト遷移金属化合物が、ビスマスとガリウムである2種の非毒性ポスト遷移金属化合物を含む、請求項1または2に記載の医療用デバイス。
- 前記少なくとも1種の非毒性ポスト遷移金属化合物が、ビスマス−チタン、酸化ビスマス−チタン、窒化ビスマス−チタン、ガリウム−ビスマス−チタン、および窒化ガリウム−ビスマス−チタンからなる群から選択される、請求項1から3のいずれか一項に記載の医療用デバイス。
- 前記少なくとも1種の非毒性ポスト遷移金属化合物が、ガリウム−チタン、酸化ガリウム−チタン、窒化ガリウム−チタン、ガリウム−ビスマス−チタンおよび窒化ガリウム−ビスマス−チタンからなる群から選択される、請求項1、2または4に記載の医療用デバイス。
- 前記表面層が金属層であり、前記少なくとも1種の非毒性ポスト遷移金属化合物が金属化合物である、請求項1から5のいずれか一項に記載の医療用デバイス。
- 前記少なくとも1種の非毒性ポスト遷移金属が、ガリウム−ビスマス−チタンである、請求項8に記載の医療用デバイス。
- 前記少なくとも1種非毒性ポスト遷移金属化合物が、窒化物である、請求項1から8いずれか一項に記載の医療用デバイス。
- 前記窒化物が、窒化ガリウム−チタン、窒化ビスマス−チタンおよび窒化ガリウム−ビスマス−チタンからなる群から選択される、請求項10に記載の医療用デバイス。
- 前記少なくとも1種非毒性ポスト遷移金属化合物が、前記層の大部分を構成する、請求項1から11のいずれか一項に記載の医療用デバイス。
- 前記表面層の上に堆積された非毒性ポスト遷移金属の塩をさらに含む、請求項1から12のいずれか一項に記載の医療用デバイス。
- 前記表面層が、10nmから1.5μmまでの範囲の厚さを有する、請求項1から13のいずれか一項に記載の医療用デバイス。
- 前記層が均一な層である、請求項1から14のいずれか一項に記載の医療用デバイス。
- 前記層が非孔質層である、請求項1から15のいずれか一項に記載の医療用デバイス。
- 前記基材が、金属材料、好ましくはチタンまたはチタン合金を含む、請求項1から16のいずれか一項に記載の医療用デバイス。
- 前記基材がセラミック材料を含む、請求項1から16のいずれか一項に記載の医療用デバイス。
- 前記基材がポリマー材料を含む、請求項1から16のいずれか一項に記載の医療用デバイス。
- 前記基材が複合材料を含む、請求項1から16のいずれか一項に記載の医療用デバイス。
- 生体組織との長期的な接触が意図されるインプラントである、請求項1から20のいずれか一項に記載の医療用デバイス。
- 生体組織との持続性の接触が意図される、請求項1から20のいずれか一項に記載の医療用デバイス。
- 生体組織との短期的な接触が意図される、請求項1から20のいずれか一項に記載の医療用デバイス。
- 歯科用インプラントである、請求項1から22のいずれか一項に記載の医療用デバイス。
- 前記歯科用インプラントが歯科用アバットメントである、請求項24に記載の医療用デバイス。
- 骨固定式補聴用デバイスである、請求項1から22のいずれか一項に記載の医療用デバイス。
- ステントである、請求項1から23のいずれか一項に記載の医療用デバイス。
- シャントである、請求項1から23いずれか一項に記載の医療用デバイス。
- 整形外科用インプラントである、請求項1から23いずれか一項に記載の医療用デバイス。
- 体腔への挿入のためのカテーテルである、請求項22または23記載の医療用デバイス。
- a)表面を有する基材を準備することと、
b)ビスマスとガリウムから選ばれる少なくとも1種の非毒性ポスト遷移金属化合物とチタンであるさらなる金属を前記表面に適用して、層を形成することとを含む、請求項1から30のいずれか一項に記載の医療用デバイスを作製する方法。 - 少なくとも1種の前記非毒性ポスト遷移金属化合物が、非毒性ポスト遷移金属の窒化物、好ましくはガリウムおよび/またはビスマスの窒化物である、請求項31に記載の方法。
- 工程b)が、ビスマスとガリウムから選ばれる少なくとも1種の非毒性ポスト遷移金属化合物およびチタンであるさらなる金属またはチタンを含む金属化合物を前記表面に適用することを伴う、請求項31に記載の方法。
- 工程b)が、薄膜堆積技法を使用して実施される、請求項31から33のいずれか一項に記載の方法。
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