JP6588095B2 - 微生物耐性材料、並びに関連する装置、システム及び方法 - Google Patents

Description

［優先権情報］
本出願は、２０１４年１０月２８日に出願された米国仮出願番号第６２／１２２，７２３号に関する利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み入れられるものとする。

様々なタイプの細菌を含む微生物は、ヒトと動物の両方に様々な健康リスクをもたらす可能性がある。例えば、米国で年間２００万人を超える人々が、抗生物質に耐性のある細菌に感染されている。このような抗生物質の耐性は、医療費の増加と、成人、小児、及び幼児の死亡率の増加につながるものであり、このような問題がますます増加している。一般に、細菌感染に対する１つの防御ラインは、注意深い手指消毒、細菌が存在し得る表面の洗浄などを含む。このような措置は、手指消毒に関する個人の選択だけでなく、洗浄の非一貫性によって実施することが困難な場合がある。

さらに、埋め込み可能な医療装置及び他の医療装置の表面は、注意深い取り扱いにもかかわらず、使用前にバイオフィルムで汚染される可能性が高い。このような医療装置の表面が患者内で短期間又は持続的な感染を発生させて、このような医療装置の価値を低下させる可能性がある。場合によっては、このような表面は、追加の外科手術が必要になるか、又は細菌感染に関連する合併症を相殺するための潜在的に価値のある医療装置の使用を妨げる可能性がある。

本発明のさらなる特徴及び利点は、本発明の特徴を例として示す添付の図面と併せて、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明の技術による細菌耐性表面の簡略化された実施形態の断面図を示す。 中浸透レベルを有する本発明の技術による表面の一実施形態の上面図を示す。 低浸透レベルを有する本発明の技術による表面の一実施形態の上面図を示す。 高浸透レベルを有する本発明の技術による表面の一実施形態の上面図を示す。 本発明の技術による表面の一実施形態の側面図を示す。 チタン基板上のＭＲＳＡバイオフィルムを示す。 様々な浸透レベルにおけるＭＲＳＡバイオフィルム成長の比較試験及び対照試料を示す。 様々な浸透レベルにおけるＭＲＳＡバイオフィルム成長の比較試験試料を示す。 ステンレス鋼（ＳＳ）上に直接成長させたＣＩ−ＣＮＴ（ｃａｒｂｏｎ−ｉｎｆｉｌｔｒａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ）の上面を示す。 引っかき試験後にＳＳ上のＣＩ−ＣＮＴを示す。 １５秒の成長後ＦＩＢ（集束イオンビーム）でカットした約４μｍの高さを有するＣＩ−ＣＮＴを示す。 直径３ｍｍの棒上のＣＩ−ＣＮＴパターン化コーティングを示す。 亀裂の面積対ＣＩ−ＣＮＴの高さを示すグラフである。 図１４Ａ〜Ｂは、本研究で使用された、縦半分に切られた一対の凹型石英管基板を示す。 長いＣＩ−ＣＮＴ成長を有する１ｍｍのＩＤの断面図を示す。赤いマークは、分析したＣＩ−ＣＮＴを示す。 内径（ＩＤ）とＣＩ−ＣＮＴ成長高さとの様々な組み合わせとして、図１６Ａは小さなＩＤで長い成長を、図１６Ｂは大きなＩＤで長い成長を、図１６Ｃは小さなＩＤで短い成長を、図１６Ｄは大きなＩＤで短い成長を示す。

以下の詳細な説明は、例示のための多くの詳細を含むが、当業者は、以下の詳細に対する多くの変形及び変更がなされ得、本明細書に含まれると考えられることを理解するであろう。

本発明の説明及び請求において、以下の用語が使用される。
本開示において、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」及び「有する（ｈａｖｉｎｇ）」などは、米国特許法でそれらが属するものと考えられる意味をもつことができ、かつ「包含した（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「包含する（ｉｎｃｌｕｄｅ）」などを意味することができるものであり、一般に開放された用語と解釈される。「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」又は「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ）」という用語は、閉じた用語であり、米国特許法に従うものだけでなく、このような用語と共に具体的に列挙された構成要素、構造、工程などのみを含む。「本質的にからなる」又は「本質的にからなる」とは、一般的に米国特許法でそれらが属するものと考えられる意味を有する。特に、このような用語は、関連して使用される品目の基本的かつ新規な特徴又は機能に実質的に影響を与えない追加の品目、材料、構成要素、工程又は要素を包含することを除いて、一般に閉じた用語である。例えば、「本質的にからなる」用語下では、存在する場合、このような用語の次の品目の目録に明記されていなくても、組成物中に存在するが組成物の性質又は特性に影響を及ぼさない微量元素が許容される。本明細書において「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」又は「包含した（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」のような開放された用語を使用する場合、明示的に言及されている場合及びその逆の場合のように、「からなる」用語だけでなく、「本質的にからなる」用語を含むと理解される。

本明細書及び特許請求の範囲における「第１」、「第２」、「第３」、「第４」などの用語は、類似の要素を区別するために使用され、必ずしも特定の順次又は時間順を記述するためのものではない。このように使用される任意の用語は、本明細書に記載された実施形態が、例えば、本明細書に例示又は記載された順序以外の順序で動作可能であるように、適切な状況下で交換可能であることを理解されるべきである。同様に、本明細書に方法が一連の工程を含むものとして記載されている場合、本明細書に提示される工程の順序は、必ずしもこのような工程が実行される唯一の順序であるものではなく、本明細書に記載された特定の工程が場合によって省略されてもよいし／よいが、本明細書に記載されていない特定の他の工程が場合によってこのような方法に追加されてもよい。

本明細書で使用される「結合された」という用語は、化学的、機械的、電気的又は非電気的な方法で直接的又は間接的に接続されていると定義される。本明細書に記載される互いに「隣接する」物体は、語句が使用される文脈に適切なように、互いに物理的に接触していてもよいか、又は互いに近接していてもよいか、又は同じ一般的な領域或いは領域であってもよい。「一実施形態では」又は「一態様では」という語句が、すべて必ずしも同じ実施形態又は態様を指すものではない。

本明細書で使用する「上部」、「下部」、「上方」、「下方」、「垂直」などの相対的な用語は、当業者によって容易に理解できるように、本明細書で論じるシステムおよび本発明のシステムが利用できる関連された構造の様々な構成要素、並びにこれらの構成要素の方向を指すように使用される。このような用語は本発明を限定することを意図するものではなく、本発明のシステムの構成要素及び関連する構造を一般に最も簡単な方法で説明するのを助けるために使用されると理解されるべきである。

本明細書で使用する「実質的に」という用語は、作用、特徴、特性、状態、構造、品目又は結果の完全又はほぼ完全な範囲又は程度を指す。任意の例として、物体又は物体の群が「実質的に」対称であると言及されている場合、物体は完全に対称であるか又はほぼ完全に対称であると理解されるべきである。場合によって、絶対完全性から外れた正確な許容程度は、特定の状況に依存する。しかし、一般的に言えば、完全性の近さは、絶対の全体完全性が得られるように同一の全体結果をもつようになる。

「実質的に」の使用は、作用、特徴、特性、状態、構造、品目又は結果の完全又はほぼ完全な欠如を意味するために否定的な意味で使用される場合にも同様に適用可能である。任意の例として、材料が「実質的に存在しない」とは、材料が完全に不足しているか、又は材料が完全に不足している場合と同様な効果が得られるように材料がほぼ完全に不足している。即ち、材料が「実質的に存在しない」とは、結果として測定可能な効果がない限り、実際にこのような材料を含んでいてもよい。

本明細書で使用する「約」という用語は、所定の値が終点よりも「少し大きい」か又は「少し小さい」ことを条件として、終点の数値範囲に柔軟性を提供するために使用される。

「上部」、「下部」、「内側」、「遠位」、「近位」などのような方向性の用語は、本発明の様々な特徴部をより正確に説明するために本明細書において使用される。他に示されない限り、このような用語は、決して本発明を限定するのではなく、当業者が容易に理解できるように開示するために使用される。従って、一つの成分が、「下部」成分として言及されてもよいが、装置又はシステムが患者内に設置されたとき、実際には該成分が他の成分より上にあってもよい。「下部」用語は、様々な図面の議論を単純化するために使用されてもよい。

距離、力、重み、量、及び他の数値データは、本明細書では範囲形式で表現又は提示することができる。このような範囲形式は、単に便宜上簡潔にするために使用されるものであり、範囲の限界として明記された数値だけでなく、各数値及び下位範囲が明記されているようにその範囲内に包含される、すべての個々の数値又は下位範囲を含むように柔軟に解釈されるべきであると理解されるべきである。

本明細書で使用する、複数の品目、構造要素、構成要素、及び／又は材料は、便宜上共通の目録に提示されてもよい。しかしながら、これらの目録は、目録の各部材が別々の一意の部材として個々に識別されるように解釈されるべきである。従って、このような目録の個々の部材は、反対の指示のない限り、共通の群で提示されたことに基づいて同一の目録の他の部材と事実上等価であると解釈されるべきではない。

濃度、量、及び他の数値データは、本明細書では範囲形式で表現又は提示することができる。このような範囲形式は、単に便宜上簡潔にするために使用されるものであり、範囲の限界として明記された数値だけでなく、各数値及び下位範囲が明記されているようにその範囲内に包含される、すべての個々の数値又は下位範囲を含むように柔軟に解釈されるべきであると理解されるべきである。一例として、「約１〜約５」の数値範囲は、約１〜約５の明記された数値だけでなく、その範囲内に個々の値及び下位範囲を含むと解釈されるべきである。従って、この数値範囲に含まれるのは、２、３、及び４などの個々の値、並びに１〜３、２〜４、３〜５などのような下位範囲だけでなく、１、２、３、４、５を個別に含む。

この同じ原理は、最小値又は最大値として１つの数値のみを記載する範囲にも適用される。さらに、このような解釈は、記載されている範囲又は特徴の幅に関係なく適用されるべきである。

［例示的な実施形態］
例示的な実施形態の最初の概要を以下に提供し、次に特定の実施形態をさらに詳細に説明する。このような最初の要約は、読者が技術的概念をより迅速に理解するのを助けるように意図されるが、その重要な又は本質的な特徴部を特定するように意図されないか、又は請求される主題の範囲を限定するように意図されない。

微生物又は細菌の感染は、医療、衛生、個人的な幸福などにおいて多くの問題を引き起こす可能性がある。集団全体で多数の問題のある細菌感染の発生を減少させることに対する１つの問題は、多くの有害な細菌が多様な配列表面上で成長することができるという事実に関する。さらに、迅速に増殖する能力はまた、抗生物質の広がった使用にもかかわらず、より弾力性のある細菌株が増殖されるようにし、その結果、抗生物質耐性が増加する。多くの表面は多くの人によって頻繁に触れられ、細菌のような有害な微生物を潜在的に集団全体に広げる可能性がある。このような表面としては、ドアノブ、石鹸ディスペンサー、横断歩道ボタン、手すり、支持レール（ＳＵＰＰＯＲＴ ＲＡＩＬ）、電話、キーボード、マウス、タッチスクリーン、携帯電話などが挙げられ、かつ他の一般に共有される多くの装置が挙げられるが、これらに限定されない。

本発明の技術は、表面、材料、装置などの上で微生物を減少させるための新規な方法を介して、このような問題に対処する。具体的には、本発明の技術は、微生物耐性を有する材料を提供する。「微生物」という用語は、本明細書に提示されているような材料上での成長を減少させることができる、単細胞かそれとも多細胞かの任意の顕微鏡的生物が含まれ得ることに留意される。１つの一般的な微生物は、任意の数の細菌種を含むことができる。従って、「細菌」及び「微生物」という用語は便宜上交換可能に使用することができ、場合によっては「微生物」という用語は可能性のある種のより広い目録を含むことを理解する。

一実施形態では、図１に示すように、微生物耐性表面を有するこのような層１００は、支持基板１１０と、支持基板１１０に結合された炭素ナノチューブ層１２０と、炭素ナノチューブ層１２０に浸透した浸透材料１２５とを含むことかできる。炭素ナノチューブ層１２０に浸透材料１２５を適用すると、微生物耐性トポロジーパターンが形成されることができる。図１に示すように、炭素ナノチューブ層１２０には、浸透材料１２５を浸透させて複数の表面フィーチャ１２８を形成し、該表面フィーチャ１２８は、微生物耐性トポロジーパターンを集合的に形成する。炭素ナノチューブ層１２０として記載された個々の特徴部は、単一の炭素ナノチューブ、又は図１で単一の炭素ナノチューブピラー（即ち、炭素ナノチューブ層１２０）によって表される複数の炭素ナノチューブを含むことができることに留意される。

各表面フィーチャ１２８は、１３０ａ又は１３０ｂなどの直径と、１４０ａ又は１４０ｂなどの高さとを有する。さらに、１５０ａ又は１５０ｂなどの中心間距離を個々の表面フィーチャ間で維持することができる。表面フィーチャ間の直径、高さ、及び距離における２つの変化しか示されていないが、記載されたように、得られたトポロジーパターンが微生物耐性であれば、表面フィーチャ間の直径、高さ、及び距離における多数の変化が可能である。

従って、いくつかの実施形態では、直径、高さ、及び／又は中心間距離の間に高いレベルの均一性が存在し得るが、他の実施形態では、より不均一であり得る。潜在的なトポロジーパターン変数を実証するために、表面フィーチャの直径、高さ、及び中心間距離の例示的な範囲が、一般化された説明として提供されるが、当業者は、本開示を把握していれば、パターン変数して微生物成長に対して試験することができることが理解されるべきである。図１は、説明の目的のための単純化された図面であり、文字通り本発明の技術の実施形態を定義すると解釈されるべきではない。

本発明で開示されている技術は、様々な構造、装置などに使用することができる。非限定的な例としては、様々な医療装置、電子装置、一般に接触した任意の表面などが挙げられる。例えば、一態様では、微生物耐性層は、医療装置、構造、システムなどに適用することができる。このような微生物耐性層は、生物学的環境、医療環境における装置又はシステムの一部、診断ツール、再使用可能な品目、医療環境内の表面に挿入される、微生物成長の減少が望まれる任意の表面を含むごとができる。非限定的な例としては、外科用装置又は装置、埋め込み可能な装置、挿入可能な装置、診断用装置、人工装具、医療器具、外科手術用又は救急室の表面など、並びに微生物が成長し広がる可能性のある他の表面が挙げられる。他の具体的な非限定的な例としては、メス、はさみ、ドリルビット、ラスプ（ｒａｓｐｓ）、トロカール（ｔｒｏｃａｒｓ）、骨鉗子、把持器、クランプ、開創器、伸延器（ｄｉｓｔｒａｃｔｏｒ）、拡張器（ｄｉｌａｔｏｒｓ）、吸引チップ（ｓｕｃｔｉｏｎ ｔｉｐｓ）、チューブ、ステープルとステープラ、ステープルリムーバ、針、スコープ、測定装置、キャリア及びアプリケータ、ステント、ピン、ネジ、プレート、棒、バルブ、整形外科用インプラント、蝸牛のインプラント、ペースメーカー、カテーテル、センサーとモニター、バイトブロックなどが挙げられる。

別の態様では、微生物耐性層が、電子装置、システム、又は他の電子的に関連する表面に適用することができる。非限定的な例としては、携帯電話、ラップトップ、キーボード、マウス、コンピュータ端末、タブレット、時計、タッチスクリーン、ゲームコントローラなどが挙げられる。

関心のある他の装置及び表面の非限定的な例としては、ドアノブ、石鹸ディスペンサー、横断歩道ボタン、手すり、支持レール、カウンタートップ、食品の調理と提供品目などが挙げられる。

一実施形態では、本発明の技術は、支持基板に結合された炭素ナノチューブ層を使用することができる。当技術分野で認識されるように、アーク放電、レーザアブレーション、プラズマトーチ、化学蒸着（ＣＶＤ）などの、炭素ナノチューブを製造するための様々な方法がある。本発明の範囲は、炭素ナノチューブを調製する技術、又は浸透の特定の技術によって制限されない。ＭＥＭＳ製造工程を使用する１つの非限定的な例では、マスクは、詳細な２次元形状で作製されることができる。炭素ナノチューブは、２次元形状を３次元炭素ナノチューブフォレストに押し出して、垂直に成長させることができる。従って、一態様では、本発明の技術の炭素ナノチューブ層は、マスクの使用有無によって、本発明の技術又は別の技術のいずれかによって、支持基板から成長させることができる。別の態様では、炭素ナノチューブを別の基板上に成長させるか又は別の方法で製造して取り外し、その後支持基板上に成形された様式で付着させて炭素ナノチューブ層を形成することができる。

炭素ナノチューブ層は、支持基板上に形成させるか又は別の方法で付着させることができ、炭素ナノチューブ層に浸透材料を浸透して、微生物耐性である複数の表面フィーチャからなるトポロジーパターンを形成することができる。炭素ナノチューブ層は、上述したようなトポロジーパターンの形成を助けるパターンで支持基板に適用することができるか、又は最終的なトポロジーパターンに関係なく炭素ナノチューブを適用することができる。種々の浸透材料が利用することができ、例えば炭素、熱分解炭素、炭素グラファイト、銀、アルミニウム、モリブデン、チタン、ニッケル、ケイ素、炭化ケイ素、ポリマー、及びそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。

浸透材料で浸透した後に得られた層は、化学組成に関係なく微生物耐性であり得る。例えば、複数の表面フィーチャからなる微生物耐性トポロジーパターンは、支持基板と、微生物又は細菌との接触に対抗するように構成されることができる。従って、細菌は、一群の表面フィーチャの末端で制限され、複製及び成長するために支持表面に接近して接着することが防止され得る。さらに、表面フィーチャ自体又はそれらの組み合わせは、細菌細胞のための適切な成長表面を提供しないように構成されるか又は離間されていることができる。換言すれば、複数の表面フィーチャからなるトポロジーパターンは、支持基板と微生物との接触を制限するのに十分であり、かつ、表面フィーチャ自体が微生物成長基板として作用するのに不十分であるような表面フィーチャ密度を有する。従って、浸透した炭素ナノチューブ層は、微生物又は細菌の成長を促進するために適切な表面を含まない。

従って、複数の表面フィーチャからなる微生物耐性トポロジーパターンは、支持基板上の細菌成長を減少させるように構成されることができる。一実施形態では、複数の表面フィーチャからなる微生物耐性トポロジーパターンは、細菌が表面に接着し複製するのを防止することによって静菌性表面を提供することができる。別の実施形態では、複数の表面フィーチャからなる微生物耐性トポロジーパターンは、殺菌表面を提供することができる。１つの態様では、細菌細胞の細胞壁／膜を穿刺又は穿孔するように表面フィーチャが構成されている表面が、殺菌性であり得る。別の態様では、それ自体の重さによって個々の表面フィーチャが圧迫されるとき、表面フィーチャは、細菌細胞の細胞壁／膜を裂ける又は破裂させるように構成される表面が、殺菌性であり得る。

複数の表面フィーチャからなる微生物耐性トポロジーパターンを形成するために、パターン及び表面フィーチャは細菌耐性の方法で組み合わされる。例えば、パターンは、細菌細胞の支持基板への接近を防止又は低減する表面フィーチャ間の間隔を提供することができる。しかしながら、間隔は、表面フィーチャ自体が細菌細胞の成長基板を提供しないように、十分に大きくてもよい。同様に、表面フィーチャは、記載されるように、支持基板から細菌細胞を制限するために表面フィーチャ間の間隔に適応するための適切な直径及び高さを有し得、細菌細胞の成長表面を提供しない。従って、密度、直径、高さなどの異なる組み合わせは、複数の表面フィーチャからなる適切な微生物耐性トポロジーパターンを達成することができ、該複数の表面フィーチャからなる適切な微生物耐性トポロジーパターンは、特定の用途及び細菌細胞に最適化され得る。

従って、複数の表面フィーチャからなる微生物耐性トポロジーパターンは、様々な密度を有することができる。一態様では、複数の表面フィーチャからなる微生物耐性トポロジーパターンは、１μｍ^２当たり１個の表面フィーチャから１μｍ^２当たり１０，０００個の表面フィーチャまでの密度を有することができる。別の態様では、複数の表面フィーチャからなる細菌耐性トポロジーパターンは、１μｍ^２当たり２５個の表面フィーチャから１μｍ^２当たり７３００個の表面フィーチャまでの密度を有することができる。別の態様では、複数の表面フィーチャからなる細菌耐性トポロジーパターンは、１μｍ^２当たり７５０個の表面フィーチャから１μｍ^２当たり５０００個の表面フィーチャまでの密度を有することができる。

表面フィーチャは、様々な直径を有することができる。表面フィーチャの直径は、様々な理由と関連され得る。例えば、直径が小さすぎると、表面フィーチャは細菌細胞を支持するための十分な剛性が不十分であり得る。従って、表面フィーチャは、接着、成長、及び複製のために支持基板へ細菌細胞の接近を可能にするように、移動又は曲げられ得る。しかしながら、直径が大きすぎると、表面フィーチャが、互いに当接し始めることができるか、又は細菌自体の成長表面を提供するために十分に大きくなることができる。さらに、異なる浸透材料は、異なる構造特性を付与することができ、異なる直径への浸透は、異なる材料に対して有用であり得る。１つの一般的な態様において、表面フィーチャは、１０ｎｍ〜１０００ｎｍの直径を有することができる。別の一般的な態様では、表面フィーチャは、５０ｎｍ〜５００ｎｍの直径を有することができる。別の一般的な態様では、表面フィーチャは、１００ｎｍから２００ｎｍの直径を有することができる。

表面フィーチャはまた、様々な高さを有することができる。特定の高さの妥当性は、記述された直径の妥当性とある程度一致している。高い表面フィーチャは、より大きく曲がり、従って、微生物による支持基板への接近を可能にする。従って、一態様では、表面フィーチャは、約１個の直径の細菌細胞の高さを有することができる。細菌は様々な直径を有することができるが、特定のサイズ又は特定の範囲の細菌に対して特異的に表面フィーチャを設計することができる。さらに、多くの細菌は、０．２μｍから２μｍの範囲の直径を有し、いくつかの態様では、表面フィーチャの高さは、０．２μｍ、０．５μｍ、１μｍ又は２μｍから１０μｍ、１００μｍ又は１０００μｍまでの範囲であり得る。

しかし、前述したように、任意の所定の直径又は高さにおいて、表面フィーチャの間隔を依然として考慮に入れることができる。１つの態様では、２００ｎｍから８００ｎｍの個々の表面フィーチャの間で中心間距離を維持することができる。別の態様では、２００ｎｍから６００ｎｍの個々の表面フィーチャの間で中心間距離を維持することができる。別の態様では、３００ｎｍから５００ｎｍの個々の表面フィーチャの間で中心間距離を維持することができる。

このような表面形状の配置は、表面フィーチャの様々なパターン、間隔、及び直径／高さで微生物耐性になることができるので、本開示を把握すれば、炭素ナノチューブ層を、様々な他の表面に置き換えることができることが当該技術分野において認識されるであろう。例えば、表面を上記の特定の配置を有するように成形し、該表面に微生物耐性を提供することができる。さらに、このような表面をエッチングして同等の配置を達成することができる。さらに、このような表面は、ＣＶＤ又は物理蒸着（ＰＶＤ）法によって付着させることができる。所望の配置を達成するために、これらの表面の一部には浸透させることができ、他の表面は浸透なく構成することもできる。従って、複数の表面フィーチャからなる微生物耐性トポロジーパターンのための特定の配置を有する任意の表面は、炭素ナノチューブ層を有するか否かにかかわらず、本発明の技術の範囲内にあると考えられる。

別の実施形態では、表面における微生物成長を減少させる方法が記載される。該方法は、支持基板上に炭素ナノチューブ層を付着させる工程と、炭素ナノチューブ層に浸透材料を浸透させる工程とを含むことができる。該方法によって複数の表面フィーチャからなる微生物耐性トポロジーパターンを形成することができる。

前述したように、炭素ナノチューブ層を付着させる工程は、当技術分野で知られている様々な方法を用いて行うことができる。１つの態様では、炭素ナノチューブ層を支持表面上に成長させることができる。別の態様では、炭素ナノチューブ層をＣＶＤ又はＰＶＤのうちの少なくとも１つにより表面上に付着させることができる。別の態様では、炭素ナノチューブを別個の基板上に成長又は付着させ、支持基板に移動又は適用され得る。

適切なタイプの支持基板は、微生物耐性層が形成され得る任意のタイプの有用な材料を含むことができる。一態様では、例えば、支持基板としては、様々な金属、金属合金、ポリマー、セラミック、半導体などが挙げられ、かつこれらの組み合わせが挙げられる。非限定的な例としては、鉄、鋼、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、チタン、黄銅、青銅、亜鉛などが挙げられ、かつこれらの組み合わせが挙げられる。他の非限定的な例としては、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリイミド、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリテトラフルオロエチレン、尿素−ホルムアルデヒド、フラン、シリコーンなどが挙げられ、かつこれらの組み合わせが挙げられる。さらに他の非限定的な例としては、ケイ素、石英、ガラスなどが挙げられ、かつこれらの組み合わせが挙げられる。

［実施例１］
［浸透炭素ナノチューブ］
炭素ナノチューブは、エチレンガスを炭素源として用いて、約１４６ｓｃｃｍの流量で７５０℃で成長させた。厚さ２〜１０ｎｍの鉄層をナノチューブ成長のための触媒として使用した。バイオフィルムの成長について試験した試料は、７ｎｍの触媒層を用いて成長させた。ナノチューブの密度は、成長の前に付着させた鉄触媒層の厚さによって調節した。該炭素ナノチューブに、炭素源としてエチレンガスを用いて（流量約２１４ｓｃｃｍ）９００℃で１〜６０分間浸透させて、炭素が浸透した炭素ナノチューブ（ＣＩ−ＣＮＴ）を生成した。

図２は、上からの中（３０分）浸透試料の画像を示す。該画像は、直径が約１００〜２００ｎｍであり、おおよそ３００〜５００ｎｍ離間された表面フィーチャを示す。
図３は、上からの低（３分）浸透試料の画像を示す。この場合、ピラーは直径が約２０〜５０ｎｍである。

図４は、上からの高（６０分）浸透試料を示す。この場合、炭素ナノチューブ層は完全に充填され、離間された表面フィーチャの代わりに表面から球状の突出部を残す。
図５は、側面からの試料炭素ナノチューブフォレストを示しており、ナノチューブの全長を浸透材料が被覆し、材料中に空隙（又は細孔）を残すことを示す。
［実施例２］
［表面の微生物耐性］
細菌耐性を決定するために、ＣＩ−ＣＮＴ表面上でＭＲＳＡバイオフィルム試験を行った。３つのＣＩ−ＣＮＴ試料及び対照群を、上記の実施例１に記載したように、異なる、低、中及び高浸透レベルで調製した。各試験試料にＭＲＳＡ細菌を接種したが、対照群試料は接種しなかった。

続いて、試料及び対照群のそれぞれは、ＭＲＳＡ細菌が繁殖し、４８時間バイオフィルムを形成することができるような環境に置いた。典型的には、バイオフィルムは、図６に示すものと同様に生成される。しかしながら、図７に示すように、試験試料にＭＲＳＡ細菌を接種し、４８時間の間最適成長環境を提供したにもかかわらず、試験試料と対照群試料との間にはほとんど又は全く相違がない。従って、ＣＩ−ＣＮＴ表面上に細菌細胞が存在するが、該細菌細胞は、図６に示すように、典型的なバイオフィルムを生成するために成長条件下で予測されるように、複製しなかった。これは、ＣＩ−ＣＮＴ表面が細菌の成長及び複製に抵抗することを示す。

２４個の試料を一度に試験した以外は、以前の試験と同様に追加の試験を実施した。それぞれの試料を同じチャンバー内に４８時間インキュベートした。代表的なＳＥＭ画像を図８に示す。様々な画像の間に形態的な違いがあるが、これはバイオフィルムにとって珍しいことではない。このような中浸透試料は、低浸透試料と高浸透試料の両方よりも良好にバイオフィルムに抵抗した。さらに、実施例１に記載された浸透変数に基づいて、９５０℃で約１６分間浸透させることにより、非常に有効な表面フィーチャの配置が得られることが観察された。
［実施例３］
［ステンレス鋼上で成長するＣＩ−ＣＮＴｓ］
鉄はＣＮＴ成長の触媒である。従って、本研究では、ステンレス鋼（ＳＳ）内に存在する鉄がＣＮＴ成長の触媒として使用できるかどうかを探究した。図９に示すように、ＣＮＴは外部触媒なくＳＳ表面上に直接成長されることができる。これにより、製造工程が大幅に簡素化される。また、触媒が基板の内部にあるため、接着強度を向上させることができる。これにより、抗菌性の利点を得るために、ＳＳの医療用インプラント又はツールにＣＮＴをコーティングすることができる。

様々な方法を用いることができるが、本発明のＳＳ試料を高濃度のＨＣｌ中で１５分間エッチングした。次いで、該試料を成長及び浸透のために炉に移動した。このエッチング工程は、ＳＳ上のクロム酸化物層を部分的に除去することができ、ＣＮＴ成長の間に鉄が触媒として使用されることを可能にする。

ＳＳ試料をＳＥＭ画像化及び引っかき試験によって分析した。上面はケイ素基板の表面と視覚的に一致するかどうかを見るためにＳＥＭで画像化した。図９に示すように、ＳＳ試料は、中浸透レベルを有するケイ素基板と一致するが、試料はより長い浸透時間を必要とした。引っかき試験は、鋭いピンセットを用いて表面を引っ掻くことによって行った（図１０）。一般に、ＳＳ上のＣＩ−ＣＮＴの接着は、非常に良好に接着するか、又は最小限の接触で剥離するように分れる。

図１１に示すように、ＳＳ上での１５秒間成長によって、約４μｍの成長高さをもたらすことができる。成長密度及び特徴は、一般に、典型的なケイ素試料と同様である。
［実施例４］
［様々な基板の配置上で成長するＣＩ−ＣＮＴｓ］
ＣＩ−ＣＮＴｓのユニークな特徴の１つは、ＣＩ−ＣＮＴが「成長する」ことであり、該ＣＩ−ＣＮＴｓが様々な表面幾何上にコーティングされる可能性があることを意味する。従って、本研究では、様々な表面特徴幾何上で成長したＣＩ−ＣＮＴの特性を検討した。

まず、直径３ｍｍの棒にＣＩ−ＣＮＴをコーティングした。凸型基板が亀裂に問題を有することが発見された（図１２）。
この亀裂現象の原因を評価するために、成長後の鉄の厚さ、ＣＮＴの高さ、浸透レベル、及び冷却時間を測定した。結果は、鉄の厚さとＣＮＴの高さが亀裂に影響する主要な変数であることを示した。鉄の厚さを増加させると、亀裂の面積が減少した。ＣＩ−ＣＮＴの高さを増加させると、亀裂の面積が増加した（図１３）。従って、これらの変数の最適化は、凹面上のＣＩ−ＣＮＴ亀裂を最小化し、最終的に除去するために使用することができる。

凹型基板も評価した。具体的には、曲率半径とＣＩ−ＣＮＴ高さの２つの変数を試験した。石英管を軸に沿って切断し、ケイ素ウエハ基板と同じ方法を用いてＣＩ−ＣＮＴを成長させた（図１４Ａ〜Ｂ）。成長及び浸透の後、各チューブは、内側の断面をＳＥＭ画像化のために半分に破壊した。これらのＳＥＭ画像は、内径（ＩＤ）及びＣＩ−ＣＮＴ高さを調整することの重要性を確認する、ＣＮＴ湾曲及び内部裂け目（図１５）のような成長における欠陥を見えた。ＳＥＭ結果の例は、図１６Ａ〜１６Ｄに見ることができる。全体的に、長いＣＩ−ＣＮＴの成長では、小さいＩＤ（１〜２ｍｍ）より大きなＩＤ（３〜４ｍｍ）と良好に結合した。しかし、短いＣＩ−ＣＮＴの成長では、試験された全てのＩＤと良好に結びついている。短いＣＩ−ＣＮＴ成長の潜在的な欠点の１つは、非常に脆弱性である可能性があることである。これは、ＣＮＴが石英管に接着しないために部分的に生じ得る。しかしながら、ステンレス鋼のような基板に接着されている場合、これは問題にならない。

上記の例は、１つ以上の特定の適用における本発明の原理の例示であるが、本発明の教示を実施することなく、かつ本発明の原理及び概念から逸脱することなく、形態、使用及び実施の詳細における多くの変更が可能であることは、当業者には明らかであろう。従って、本発明又はその関連出願に関連する請求項を除いて、本発明は限定されるものではない。

Claims (32)

1. 炭素ナノチューブ層と、
   炭素ナノチューブ層に浸透した炭素と
   を含む微生物耐性層であって、前記炭素ナノチューブ層への前記炭素の浸透により、複数の表面フィーチャからなる微生物耐性トポロジーパターンが形成されていることを特徴とする微生物耐性層。
2. 支持基板をさらに含み、前記炭素ナノチューブ層が前記支持基板に結合されている、請求項１に記載の層。
3. 前記複数の表面フィーチャからなるトポロジーパターンが、前記支持基板との微生物接触を制限する構造配置を有する、請求項２に記載の層。
4. 前記支持基板が、金属、金属合金、ポリマー、セラミック、半導体、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される部材を含む、請求項２に記載の層。
5. 前記支持基板が、鉄、鋼、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、チタン、黄銅、青銅、亜鉛、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される部材を含む、請求項４に記載の層。
6. 前記支持基板が、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリイミド、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリテトラフルオロエチレン、尿素−ホルムアルデヒド、フラン、シリコーン、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される部材を含む、請求項４に記載の層。
7. 前記支持基板が、ケイ素、石英、ガラス、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される部材である、請求項４に記載の層。
8. 前記炭素ナノチューブ層の炭素ナノチューブが、前記支持基板上に成長している、請求項２に記載の層。
9. 前記複数の表面フィーチャからなるトポロジーパターンは、１μｍ^２当たり１個の表面フィーチャから１μｍ^２当たり１０，０００個の表面フィーチャまでの密度を有する、請求項１に記載の層。
10. 個々の表面フィーチャが１０ｎｍ〜１０００ｎｍの直径を有する、請求項１に記載の層。
11. 個々の表面フィーチャが１μｍ〜１０００μｍの高さを有する、請求項１に記載の層。
12. 前記表面フィーチャが３００ｎｍ〜５００ｎｍの中心間距離で離間されている、請求項１に記載の層。
13. 少なくとも１つの微生物耐性表面を有する装置であって、
    装置と、
    前記装置の少なくとも１つの表面に結合された請求項１に記載の微生物耐性層と、
    を含む、装置。
14. 前記装置が医療装置である、請求項１３に記載の装置。
15. 前記医療装置は、外科手術用装置、埋め込み可能な装置、挿入可能な装置、診断用装置、人工装具、医療器具、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１４に記載の装置。
16. 前記装置が電子装置である、請求項１３に記載の装置。
17. 前記電子装置が、携帯電話、ラップトップ、キーボード、マウス、コンピュータ端末、タブレット、時計、タッチスクリーン、及びゲームコントローラからなる群から選択される、請求項１６に記載の装置。
    
18. 請求項２に記載の層を製造するための方法であって、前記炭素ナノチューブ層の炭素ナノチューブを前記支持基板とは別に成長させ、その後に前記支持基板上に前記炭素ナノチューブを付着させることを含む、方法。
19. 表面における微生物成長を減少させる方法であって、
    炭素ナノチューブ層を支持基板上に付着させる工程と、
    前記炭素ナノチューブ層に炭素を浸透させる工程と
    を含み、前記炭素ナノチューブ層への前記炭素の浸透により、複数の表面フィーチャからなる微生物耐性トポロジーパターンが形成されることを特徴とする方法。
20. 前記複数の表面フィーチャからなるトポロジーパターンが、前記支持基板との微生物接触を制限する構造配置を有する、請求項１９に記載の方法。
21. 前記支持基板は、金属、金属合金、ポリマー、セラミックス、半導体、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される部材を含む、請求項１９に記載の方法。
22. 前記支持基板が、鉄、鋼、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、チタン、黄銅、青銅、亜鉛、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される部材を含む、請求項１９に記載の方法。
23. 前記支持基板が、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリイミド、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリテトラフルオロエチレン、尿素−ホルムアルデヒド、フラン、シリコーン、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される部材を含む、請求項１９に記載の方法。
24. 前記支持基板が、ケイ素、石英、ガラス、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される部材を含む、請求項１９に記載の方法。
25. 前記炭素ナノチューブ層を付着させる工程は、前記支持基板上に炭素ナノチューブを成長させる工程をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
26. 前記炭素ナノチューブ層を付着させる工程は、前記支持基板とは別に炭素ナノチューブを得る工程と、続いて前記支持基板上に前記炭素ナノチューブを付着させる工程とをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
27. 前記複数の表面フィーチャからなるトポロジーパターンは、１μｍ^２当たり１個の表面フィーチャから１μｍ^２当たり１０，０００個の表面フィーチャまでの密度を有する、請求項１９に記載の方法。
28. 個々の表面フィーチャが１０ｎｍ〜１０００ｎｍの直径を有する、請求項１９に記載の方法。
29. 個々の表面フィーチャが１μｍ〜１０００μｍの高さを有する、請求項１９に記載の方法。
30. 前記表面フィーチャが３００ｎｍ〜５００ｎｍの中心間距離で離間されている、請求項１９に記載の方法。
31. 付着の工程は、化学蒸着（ＣＶＤ）及び物理蒸着（ＰＶＤ）のうちの少なくとも１つによって行われる、請求項１９に記載の方法。
32. 浸透の工程は、ＣＶＤ及びＰＶＤのうちの少なくとも１つによって行われる、請求項１９に記載の方法。