CN101437977A - 抗菌性涂层方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于将高粘附性抗菌材料沉积至多种表面上的高效方法。描述了可控的阴极电弧工艺，其导致了氧化银对聚合物及其他表面(诸如医疗装置的表面)的增强的粘附性。以一种低成本高效益方式直接将抗菌性材料沉积到基体上是可能的，当涂覆的装置应用到体内时，其可在若干周内保持高抗菌活性。

Description

抗菌性涂层方法

本申请要求2006年1月27日提交的美国临时申请序列号No.60/762,769、2006年1月30日提交的美国临时申请序列号No.60/763,262、2006年2月25日提交的美国临时申请序列号No.60/776,537、2006年3月6日提交的美国临时申请序列号No.60/779,917的优先权，这些临时申请文件的公开内容结合于此以供参考。本申请是2003年12月18日提交的美国专利申请序列号No.10/741,015(其要求2002年12月18日提交的美国临时申请序列号No.60/434,784的优先权)的部分继续申请，并且其公开的内容结合于此以供参考。

技术领域

本发明涉及用于制造改性的金属涂层的阴极电弧离子等离子体(ion plasma)沉积工艺，该改性的金属涂层可用于在用于医疗应用的装置及材料的表面上形成抗菌性表面。特别地，本发明涉及一种用于在高度可控的条件下沉积银(Ag)、和其他抗菌性金属、或它们的组合物的工艺，以形成具有改善的粘附性和在延长的时间段内保持活性的抗菌性涂层。

背景技术

已经证明了金属如银、锌、铌、钽、铪、锆、钛、铬、镍、铜、铂及金的杀菌特性。这些金属中，离子或化合物形式的银是最广为人知并最广泛使用的抗菌性金属。单质银(elemental silver)具有一定的抗菌性优点，但是通常其对于大多数抗菌性应用不起作用。如对银的氧化物进行涂层和涂墨导致它们的反应活性及溶解性的降低的观察中所示出的，人们认为氧化形式的银作为抗菌物更具活性。

人们已经试图利用公认的基于溶液的化学方法，通过银的氧化物及银与其他材料的组合物的使用来改善银的反应性。美国专利No.4,828,832描述了诸如硝酸银盐水溶液的金属银盐溶液与诸如过氧化苯甲酰的氧化剂组合在治疗皮肤传染中的应用。

美国专利No.5,824,267披露了在塑料制品的表面嵌入银金属颗粒及陶瓷或碱金属颗粒以赋予塑料制品抗菌特性。极其细小的银金属颗粒是通过化学沉积法从银金属盐水溶液中得到的。

尽管产生银颗粒的溶液方法能够提供具有抗菌活性的银，但对得到的银颗粒结构的控制很小，因此这些方法被限制在它们的应用中。而且，诸如硝酸银水溶液的一些离子型物质，由于潜在的对皮肤的刺激性，所以对于大多数应用而言是活性过高的，因此必须仔细地监控和控制。基于溶液的化学方法的另一个问题是在不产生有害副产物的情况下形成稳定的组合物。结合到浆料、涂料、聚合物或凝胶中的银离子趋向于具有短的储藏寿命，部分是因为在基于水的溶液中发生的与各种组分的副反应。

对于能够产生抗菌性金属离子持续性释放的抗菌性表面存在明显的需求。产生抗菌性离子的持续性释放的表面能力在手术及创伤敷料及绷带、手术缝合线、导管及其他医疗装置、植入物、修复体(prosthetics)、口腔应用物(dental application)及组织再生中是特别有用的。其他也能从抗菌性材料的持续释放中获益的装置包括：医疗用具及表面、饭店表面(restaurant surface)、面罩、服装、门栓及其他固定物、游泳池、热盆(hot tub)、饮用水过滤器、冷却系统、多孔亲水性材料、加湿器及空气调节系统。

在美国专利No.4,886,505中描述了用于产生金属离子的持续性释放的方法。根据该方法，用诸如银的第一金属以及通过开关(switch)连接于第一金属的诸如铂的第二金属涂覆该装置。在体液的存在下，银金属及铂金属的存在导致了产生电偶效应(galvanicaction)，其用于释放或释出银离子。通过在装置外部操作的开关来控制离子的释放。

向涂覆银的伤口敷料或医疗装置中施加电流的技术也是美国专利No.4,219,125及No.4,411,648的主题。尽管外部开关控制器或外部电流的使用可以提高金属离子释放的速率，但是这种外部控制器或电流并不是对各种应用是可行的。

美国专利No.6,365,220描述了用于制造一种可提供持续性释放抗菌性离子且无需外部电流维持该释放的抗菌性表面的方法。根据该披露内容，通过溅射或蒸发工艺，将多层金属薄膜沉积在基体(substrate)上。通过针对不同的层应用不同的金属组合物，并采用蚀刻技术以使得层的表面粗糙化或具有纹理，可产生多重微层(microlayer)界面。当暴露于体液时，多重界面可通过电偶及非电偶效应提供离子的释放。

美国专利No.5,837,275还披露了提供持续释放的抗菌性离子的抗菌性涂层。通过利用特定沉积参数的溅射技术来制备涂层。涂层被描述为呈现“原子杂乱”的金属薄膜，且称其对于金属离子的持续释放是必要的。

据称，四氧化四银(Ag₄O₄)的有序单晶作为抗菌剂可用于皮肤疾病治疗(美国专利No.6,258,385)。但是除局部使用之外，这种复合物并不实用，且其可在长时期内(即，若干天)提供抗菌性材料的持续释放的能力还未得到证实。

通常，抗菌性材料的沉积限于用于制备银及氧化银涂层的三种独特方法中的一个。这些方法中的每一种均具有严重的缺点，且没有一种已经开发成能够在医疗装置及器械的表面有效地制备具有高粘附性且分布均匀的抗菌性薄膜。通常使用的工艺情况，诸如溅射、浸渍及离子束辅助沉积，制备出对于柔性衬底或弹性设备具有有限粘附性的涂层。在花费大量的处理时间中，为了增大粘附力，额外的层有时是必须的。

在真空中通过阴极电弧将金属材料沉积在基体上在本领域中是已知的。对比其他的等离子体蒸发沉积方法，离子等离子体沉积(IPD)能够制备高纯度的密集的多组分涂层，如在美国专利申请公开号No.2004/0185182中所描述的。但是，传统的阴极电弧沉积方法具有某些缺点。由于靶材料的无效使用及缺乏颗粒控制造成了昂贵材料的浪费。缺乏对待沉积材料的控制造成了不同尺寸的颗粒的形成，这就导致了非均匀涂层的沉积。通常，阴极电弧工艺还要求将基体表面加热至很高的温度，这能够破坏基体材料，并严重限制了基体的选择。

发明内容

本发明满足了对于可粘结至任意表面，并具有可控的释放率及寿命，且在所需的应用中是无毒的抗菌性材料的持续的需要。如本发明所描述的，可利用新的阴极电弧IPD沉积工艺，将具有这些特性的抗菌性涂层沉积在多种基体表面上。

本发明的目的是提供一种通过利用离子等离子体沉积工艺将抗菌性材料沉积到基体上，以形成离散的抗菌性颗粒层的方法。

本发明进一步的目的是提供一种用于在任何完成的产品上制备抗菌性表面的方法，因此消除了采用复杂的化学、制浆、涂覆及胶接技术(bonding technology)的需要。

本发明的另一个目的是提供抗菌性表面，其在体内在延长的时间段内，提供了以治疗有效水平持续释放的抗菌剂。

本发明的另一个目的是为了金属离子的持续释放，通过将一种或多种元素的分散的(dispersed)金属和/或金属/金属氧化物注入(impregnating)或沉积至基体中来提供抗菌性表面。

因此，在特别优选的实施方式中，本发明提供了银及其他金属离子的沉积、渗透或铺层(layering)，所述银及其他金属键合(结合)至纳米级、超微米级、及微米级晶体金属及金属氧化物的固态结构(其被设计为分散至表面中或其上的单价、双价及多价氧化物的组合物)。然后由于酶的活性可通过与病原体接触来释放阴离子，或者通过添加水或与体液接触而释放阴离子。

所披露的工艺可用于需要一种可控组合物的各种装置的制造中，但是特别适用于需要杀菌的、灭菌的、生物杀灭的或抗菌表面的小面积至很大面积的卷形物(roll)，诸如绷带，或独立的部件，诸如导管、干轴(stem)或植入物的制造。该工艺形成了对将要与离子化的氧气或其它气体结合的离子化材料的数量、颗粒尺寸及能量的控制，并且可应用于单价、双价、及多价氧化物和氮化物以及多个层的组合的广阔范围。

该工艺可用于制造抗菌性产品或对已有产品及原材料进行表面处理。该工艺可以用于产生小规格(scale)的能量设备以提高抗菌活性或为其他的纳米技术装置提供能量(power)；例如，氧化银电池为微泵、植入物、电偶表面(galvanic surface)及其他需要能量的装置提供能量。

因此，本发明的一个方面是提供一种用于在基体上沉积抗菌性表面的方法，包括以下步骤：将包括潜在抗菌的金属的阴极靶放置到真空室中，向阴极提供动力以在阴极上产生电弧，其将负极金属电离为离子化粒子的等离子体；将诸如氧气的反应性气体引入真空室，以便使得该气体与离子化等离子体粒子发生反应，并通过在沉积工艺中以一种可控的方式移动基体靠近或进一步远离靶来控制等离子体粒子在基体上的沉积。

通过控制电弧的手段可实现沉积工艺的进一步控制，由此，调节供应到负极上的动力以改变电弧产生的速度。

本发明的另一个方面是在基体上提供包括金属氧化物粒子分散体的抗菌性表面，其中，金属选自由银、镍、锌、铜、金、铂、铌、钽、铪、锆、钛、铬、及它们的组合组成的组。

本发明涉及一种在所选的基体材料上沉积抗菌性材料的工艺。该基体可以是任意材料，诸如金属、陶瓷、塑料、玻璃、柔性片(flexible sheet)、多孔纸、陶器或它们的组合。尽管基体可包含多种装置中的任何一种，但是特别优选医疗装置。这些医疗装置包括导管、植入物、支架、气管导管、矫形销(orthopedic pin)、分流器、引流器、假肢器官装置、牙种植体、敷料及伤口闭合器(woundclosures)。然而，应当理解，本发明并不限于这些装置，可扩展至其他用于医疗领域的装置，诸如面罩、服装、手术用具及表面(surface)。

关于植入感染有两个重要的因素：在植入手术过程中细菌的引入；以及手术之后的皮肤开口。经皮装置(transdermal device)是主要的感染区域。因为装置与皮肤相分离，在皮肤与装置之间形成了缝隙，便发生了细菌污染。

本发明的另一方面涉及用于将已调谐的(tuned)抗菌性表面或其它成分提供到用于人体和兽类医疗装置以及其它应用中的改进的且更经济的方法。

抗菌性材料可以是任何固体材料或具有抗菌特性的材料的组合。优选的材料是具有潜在抗菌特性及生物相容性(即，在目的环境中不受损坏)的金属。这些金属包括银、锌、铌、钽、铪、锆、钛、铬、镍、铜、铂及金(在本文中也称为“抗菌性金属”)。术语“潜在的抗菌特性”指这种情况：这些单质形态的金属通常不具反应活性，以致于不能作为有效的抗菌物。然而，当该金属被电离后具有更强的抗菌效果。因此，在实施金属电离之后，该抗菌性金属具有潜在的抗菌特性。电离时，抗菌性金属也可以与各种反应性气体例如氮气或氧气结合，以形成氮化物、氧化物，和/或它们的组合的化合物。

定义

离子等离子体沉积是一种通过利用阴极电弧在靶材料上放电，而产生高能等离子体的方法。

阴极电弧，也称为真空电弧，是一种用于从固体金属产生等离子体的装置。电弧碰撞在金属上，电弧的高能量密度使该金属蒸发并电离，产生了持续电弧的等离子体。真空电弧与高压电弧不同，因为金属蒸气本身是离子化的，而不是环境气体。

巨大的或大粒子是大于单个离子的粒子；毫微(或小)粒子是尺寸约为100纳米的粒子；中等大的粒子为100纳米至约1微米；很大的粒子为大于1微米的颗粒。

当足够强的能量破坏原子团(诸如气体团、物体、或靶目标的)时，则发生库仑爆炸，这样能源的电场驱使一些或全部电子离开原子。如果没有了电子，离子团会因为正电荷的库仑排斥而发生爆炸。

等离子体气相沉积(PVD)是在气相中沉积薄膜的工艺，其中源材料在真空中物理地转化到基体上，而不涉及任何化学反应。这种类型的沉积包括热蒸发电子束沉积及溅射沉积。IPD工艺是物理气相沉积的子类型。

本文中所使用的术语“医疗装置”是为了广泛地扩展至医疗领域中所使用的所有装置，包括支架、导管、各种植入物等，而无论制造其的材料如何。本文中涉及的医疗装置及其他医疗参考物被理解为还包括兽医用装置及应用。

术语“潜在的抗菌特性”是指这种情况：即，这些单质形态的金属通常不具反应活性，以致于不能作为有效的抗菌物，但是可能，当该金属被电离后表现出更强的抗菌效果。因此，在许多情况下被实施金属电离之后，该抗菌性金属具有潜在的抗菌特性。电离时，抗菌性金属也可以与各种反应性气体例如氮气或氧气结合，以形成氮化物、氧化物，和/或它们的组合的化合物。

本文中所用的“多化合价”是指一个或多个化合价形态，且应当被理解为是指离子上的电荷或基于其电子状态(electronic state)被分配给特定离子的电荷。

除非另外说明，氧化银定义为氧化银(AgO)的单线态形式。

本文所用的术语“约”是为了说明具体数目不需要精确，可通过所采用的具体的过程或方法来决定，该数目可以偏高或偏低。

PEEK-聚醚醚酮

PTFE-聚四氟乙烯

EPIFE-发泡聚四氟乙烯

UNMWPE是超高分子量聚乙烯

应理解的是，用于限定权利要求的“一个”不是必要限制于一个单一的物质。

附图说明

图1是IPD设备的草图。1.靶材料，2.被涂覆的基体，3.用于移动基体靠近或远离靶标的机构，4.真空室，及5.用于靶的电源。

图2是IPD设备的另一个实施方式。1.靶材料，2.被涂覆的基体，3.具有移动基体靠近或远离靶标能力的机构，4.真空室，及5.靶的电源，6.决定电弧速度的电弧控制器。

具体实施方式

本发明提供了一些优于本领域抗菌性涂层及用于沉积抗菌性涂层工艺的其他状态的优点，包括：可控制地释放、使涂层嵌入基体中、对于某些材料的较低的运行温度、相比于传统的阴极电弧工艺在加工效率上的显著改善的生产量、可测量性、以及可应用于更宽范围的基体材料。

另外，已经获得了利用传统的IPD方法难以获得的优良涂层，包括氧化银、氧化铜及氮化铪涂层。相比于更昂贵的方法(诸如在美国专利No.5,454,886中概括的，其引入与此作为参考)，在相当的厚度下，这些材料具有更高的抗菌活性。因此，通过采用新的基于IPD的方法，可实现具有相同抗菌成效的更薄的涂层及更短的处理时间。更高的生产量是可能的，其可导致生产成本的节约，并且尤其对于医药工业而言这是非常有意义的优点。

将该优越性赋予利用所披露的工艺而获得的薄膜的因素是发现新的IPD工艺产生了大离子沉积的增加(而非降低)其实际上改进了薄膜的质量。多年来对于技术人员而言，在传统阴极电弧沉积工艺的使用中，最显著的趋势是减少大颗粒的沉积，以便产生更洁净且更均匀的薄膜。工业中传统的认识是，通常大颗粒对于沉积薄膜的质量是不利的。

本发明涉及一种在所选的基体材料上沉积抗菌性材料的工艺。该基体可以是任意材料，诸如金属、陶瓷、塑料、玻璃、柔性片、多孔纸、陶器或它们的组合。尽管基体可包含多种装置中的任何一种，但是特别优选医疗装置。这些医疗装置包括导管、植入物、支架、气管导管、矫形销、分流器、引流器、假肢器官装置、牙种植体、敷料及伤口闭合器(wound closures)。然而，应当理解，本发明并不限于这些装置，可扩展至其他用于医疗领域的装置，诸如面罩、服装、手术用具及表面。

关于植入感染有两个重要的因素：在植入手术过程中细菌的引入；以及手术之后的皮肤开口。经皮装置(transdermal device)是主要的感染区域。因为装置与皮肤相分离，在皮肤与装置之间形成了缝隙，便发生了细菌污染。

本发明的另一方面涉及用于将已调谐的抗菌性表面或其它成分提供到用于人体和兽类医疗装置以及其它应用上的改进且更经济的方法。抗菌性材料可以是任何固体材料或具有抗菌特性的材料的组合。优选的材料是具有潜在抗菌特性和生物相容性(即，在目的环境中不受损坏)的金属。这些金属包括银、锌、铌、钽、铪、锆、钛、铬、镍、铜、铂及金(在本文中也称为“抗菌性金属”)。根据本发明，通过在真空中将靶金属的负极电离成微粒组分的等离子体，使抗菌性金属沉积到基体表面之上或之中。离子等离子体沉积装置，例如在国际专利申请公开号WO 03-044240中所描述的那些(其内容引入于此以供参考)，可根据本发明进行修改，且用于根据所描述的方法实施抗菌性材料的可控性沉积。

将该优越性赋予利用所披露的工艺而获得的薄膜的因素是发现新的IPD工艺产生了大离子沉积的增加(而非降低)其实际上改进了薄膜的质量。多年来对于技术人员而言，在传统阴极电弧沉积工艺的使用中，最显著的趋势是减少大颗粒的沉积，以便产生更洁净且更均匀的薄膜。工业中传统的认识是，通常大颗粒对于沉积薄膜的质量是不利的。

相比之下，已经发现了大颗粒含量的增加形成了控制氧化银薄膜的抗菌活性的有效途径。为了将银迅速释放至周围组织，可采用厚的完全不含大颗粒的纯AgO涂层。为了进一步调谐的释放，利用了延时释放方案(time-release scheme)。

当利用阴极电弧将涂层沉积在基体上时，可控制从靶标喷射出的大粒子的相应的量。大粒子是从靶标喷射出而未完全气化的金属滴(blob)。这些金属滴是密集的，并由纯的靶标材料组成。通常，这些金属滴的表面是带电的，而大多数材料则呈电中性。

当大粒子通过等离子体时，其外表面被氧化，形成了一种颗粒外部具有AgO涂层而内部为纯银的“包裹的糖”状的结构。这就起到类似延时释放的胶囊的作用。

由于内在的AgO外“壳”的不稳定形以及较稳定的纯银内“壳”产生了延时释放的效果。氧化银外部涂层相对迅速地释放其抗菌活性，杀死了周围区域中的任何细菌。在释放过程中，内部纯银被氧化并缓慢地释放以便在一段时间内维持抗菌活性。时间的长短由大粒子的尺寸所决定。因此，可以设计特定尺寸大颗粒的特定涂层，以在所选的时间段内维持抗菌活性。根据需要维持活性的时间的长短，通常大粒子的尺寸范围为10nm至10微米。

在抗菌活性中洗脱是一个重要因素；然而洗脱出的银的含量与Ag/AgO涂覆装置的抗菌活性相关。为了有效地对抗感染和形成生物膜，洗脱率必须以一定的水平发生。最低洗脱率为约每平方英寸0.005mg的Ag(0.0048mg/平方英寸)。在至少60天内，通过本文中所披露的方法制备的氧化银涂层的抗菌活性将按此洗脱率洗脱。通过其他方法制备的银/氧化银涂层不会以恒定率洗脱超过7天。

本发明另一个重要的特征是将氧化银涂层嵌入装置表面的能力，因此相比于通过其他沉积方法沉积的涂层，获得了更优良的粘附性。可在相距靶标特定的距离处，通过利用电弧控制方法来控制嵌入工艺，以便获得对于塑料可达到100nm以及更大的，对于金属及陶瓷可达到10nm以及更深的嵌入涂层。

图1中示出了用于实施离子等离子体沉积工艺的合适的装置。如图1所示，将靶材料的阴极1在真空室4中进行沉积。通过由应用到该阴极上的能源5所提供能量，在该阴极上通过产生电荷而使得阴极1电离。通过移动基体2靠近或远离靶1的控制机构3来选择、控制等离子体组分或使其指向基体。

如图2所示还可以利用电源6的额外控制，以通过控制电弧速度进一步提供对等离子体组分的控制。

例如，在所期望的抗菌金属为银的情况下，将银阴极与所选的基体置于离子等离子体沉积装置的真空室中。尽管也可以使用低纯度的银金属，用作阴极的银优选为医用级银(即，纯度为99.99％)，以避免任何潜在的毒性物质。

将真空室抽吸至适宜的工作压力，通常范围为0.1mT至30mT；然而，IPD工艺进行有效制造具有持久释放率的抗菌性表面的能力并不依赖于任何通常范围为0.1mT至30mT的特定工作压力。类似地，离子等离子体沉积工艺并不依赖于操作温度。通常操作温度的范围为25℃至75℃，这个范围中的任意温度均适用于制造抗菌性表面。

基体可以相对于沉积材料进入轨道的任何方向旋转的(如在转盘上)或卷绕穿过沉积区域。向阴极供应电能以在阴极产生电弧。在适合于源材料的电压下，该电能是范围在几安培至几百安培的电流。通常，电压范围为12伏特至60伏特，并对应源材料的尺寸进行适宜的调节，该尺寸可以为几英寸至若干英尺。电弧将银金属阴极电离为银离子的等离子体、电中性的粒子及电子。通常，以10sccm至1000sccm的速率将氧气引入到等离子体中，并与银离子结合以形成氧化银粒子。根据所需的离子释放率及基体的最终用途，氧化银粒子可具有范围为从小于1纳米至约50微米的粒子尺寸。

为了获得一段持续时间内的有效释放率，还可以控制抗菌性表面的金属离子释放率。通过将各种结构的氧化物(包括单价、双价及多价氧化物)的组合物沉积在基体上，获得了这种可控的金属释放。氧化物的组合呈现不同的离子释放率，其导致了用于提高抗菌活性的对离子浓度及金属离子的持续性释放的控制。由于它们在等离子体中被氧化，多价氧化物还可以在中性金属粒子上形成。可通过形成各种尺寸及价态的氧化物的组合物来进一步增强了沉积材料的持续释放。这种组合物的益处是在较长的时间周期内离子释放的增长。然后氧化银颗粒以氧化银颗粒分散体的形式沉积在基体表面。

抗菌性表面在传递抗菌响应(anti-microbial)中的有效性依赖于用于形成该抗菌性表面的处理时间。从5秒至若干分钟的较长的处理时间形成了具有不同抗菌响应的抗菌性表面。

还可通过将不同金属氧化物的组合物沉积在基体上而得到可控的金属释放。这些组合物包括银和钛、银和金、银和铜、银铜和金。其他的材料可作为共沉积金属、合金或作为在各种组合中的交替的多个层而结合。等离子体环境的控制及适应性允许了更大范围的组合物，以及相应地，一个宽范围的定制涂层。

通过下列非限制性实施例来进一步说明本发明。

实施例

材料和方法

试样洗脱测试-进行洗脱测试以确定涂覆的聚丙烯试样的银洗脱分布。银洗脱测试提供了一种用于确定一段特定时间周期内从测试制品中释放的银的含量的定量方法。根据现行的FDA实验室实习规则(Good Laboratory Practice，GLP，Standards)21CFR，第58部分来实施本发明。在温度37±1℃的温度下，将每个测试制品从用于注射的USP 0.9％NaCl溶液中萃取出来以便通过电感耦合等离子体光谱(ICP)进行银洗脱分析。分别将每个试样置于10mL的USP 0.9％NaCl中保持特定时间段。在该研究中所用的时间段为15min、30min、1hr、2hr、4hr、8hr、24hr、2-7天、10天、15天、20天、25天及30天。在每个时间点上，将试样周围的液体移入洁净的玻璃容器中，并将新鲜的NaCl添加至试样容器中。用去离子水使移出的液体达到50mL的总体积，然后进行酸浸渍(digeste)并通过ICP检测银含量。

试样抑菌圈(ZOI)测试-ZOI测试是一种容易的24小时测试抗菌活性的方法。该测试不是定量的，仅能提供足够的信息来指出是否连续的稀释测试是被允许的。该测试不提供关于组织再生或坏死的信息。

试样连续稀释测试-连续稀释测试提供了对单位所给体积的细菌的数量的精确测量。当相比于对照样品时，其可提供了对抗菌性涂层活性的定量测量。

由0.5McFarland标准制备标准的细菌溶液。将该标准校准为在625nm下读数在0.08OD至0.1OD之间，其得到的标准细菌数为1.5×10⁸cfu/mL。

虽然详细描述了本发明的下列实施方式，本领域技术人员对那些实施方式作出修改与调整是显而易见的。应当理解这些修改包含在本发明的保护范围之内。

实施例1.银涂覆的导管(公开的方法)

利用与美国专利No.5,454,886的实施例6中所描述的相同的步骤(procedure)制备涂覆银的(solver-coated)导管。利用磁控溅射将银金属沉积在双腔乳胶球囊导管的2.5cm长的多个片段上。尽可能地基于公开实施例来实施操作条件；即，沉积率为每分钟200A°；氩工作气压为30m Torr；基体温度与涂层金属银的熔点的比例(T/Tm)为0.30。在这个实施例中，由于基体是圆的且是粗糙的，所以入射角是变化的；即，入射角沿圆周而变化，并在精确的范围内越过众多表面部件的侧部及上部。通过抑菌圈测试了对金黄色葡萄球菌(S.aureus)的抗菌效果，(表1)。

表1

 

	专利5,454,886所报道的结果	实验结果
			抑菌圈	0.5mm
T/Tm	0.38
			抑菌圈	16mm	<1mm
T/Tm	0.30	0.30

在与先前公开的相同的T/Tm条件下，并重复与专利5,454,889的实施例6中设定的相同的条件，所观察到的围绕管的抑菌圈(ZOI)明显小于所报告的ZOI。该ZOI测试是如在专利5,454,886的实施例1中所报告的，利用金黄色葡萄球菌(S.aureus)而进行。

实施例2.DC磁控溅射抗菌涂层(公开的方法)。

按照专利5,454,886中的实施例7的方法。在以下条件下：0.5kW功率、40mTorr Ar/O₂、20摄氏度的初始基体温度、100mm的阴极/阳极距离，并且最终薄膜的厚度为300nm，利用DC磁控溅射使得纯度为99.99％的银涂敷在特氟纶涂覆的双腔乳胶球囊导管上，。所用的工作气体为可商购的Ar及99/1 wt％Ar/O₂。

通过抑菌圈测试来检测涂层的抗菌效果。将酸水解酪蛋白琼脂分散在陪替氏培养皿中。在用Staphylococcus aureus ATCC#25923菌苔进行接种之前，干燥琼脂板的表面。由Bactrol Discs(Disco，M.)制备接种体，其经制造者的指示进行重构。同时，在培养之后，将待测试的涂覆的材料置于琼脂表面。在37℃下对培养皿进行24hr的孵育。孵育后，测量ZOI，并按照如下进行校正抑菌圈的计算：校正抑菌圈＝抑菌圈-接触琼脂的测试材料的直径。公开的结果示出，对于未涂覆的试样不存在抑菌圈。对于在40mTorr的工作气压，99/1wt％Ar/O₂中溅射的导管，报道了具有11mm的校正的抑菌圈。

在表2中列出了在公开条件下重复实施实验。观察到小于1mm的小的ZOI。

表2

在重复上述公开条件中，实验结果示出了小于1mm的小的ZOI。

实施例3.复合银抗菌性薄膜(公开方法)

如专利5,454,886的实施例11中所发现的，本实施例表明了用于制备通过反应性溅射形成的复合抗菌性涂层的本领域方法的情况。表3列出了公开的溅射条件及比较性研究(相比于通过以下公开方法中的步骤所获得的实验结果)中所用的条件。

表3

 

溅射条件公开的                                             试验
	靶标              99.99％  Ag                      99.99％
工作气体          80/20％ Ar/O2                   80/20％  ArO2
	工作气压          2.5-50mTorr                      40mTorr
电源              0.1-2.5kW                        0.5kW

 

基体温度               -5℃至20℃                   20℃
	阳极/阴极距离          40mm至100mm                  100mm
底部气压(base P)       <4×104Torr                  <4×104Torr
	ZOI                    6mm-12mm                     0mm-2mm

实施例4.氧化银涂覆导管的体外测试

本实施例表明了抗菌性涂层在革兰阳性及革兰阴性生物体范围内的有效性。用于一般抑菌圈测试的生物体为：革兰阳性细菌粪肠球菌(E.faecalis)、金黄色葡萄球菌(S.aureus MR)、及S.epidermis。革兰阴性细菌是大肠杆菌(E.coli)、肺炎克雷伯菌(K pneumoniae)和P.aerugosia。

进行ZOI测试所用的方法为最多(maximum)4天的逐板转移。每一种细菌平铺在胰酶大豆琼脂上。将预制的板接种细菌，分为三个相等的部分，并且培养后，将涂覆有200nm氧化银的一英寸长的双腔气囊导管试样置于每个部分的中心。在37℃下将试样置于培养器中，在24小时、48小时、72小时及96小时测量ZOI。

将总ZOI定义为ZOI减去试样的宽度。对于这个实验，进行了总ZOI的测量，并将其分为两份。如果没有可测的ZOI及没有生物膜，且生物体没有生长越过或连接到试样，则将测量记录为0.0mm。当观察到生物膜时，将其记录为1.0mm。重复逐板转移，直至记录到了生物膜或对于2次转移记录到0.0mm的测量值。每一种生物体具有三个板，对于并排的试样以及对照导管每一个板具有三个数据点。每天都进行测量。取每个板的三个测量值的平均值以得到每天的板ZOI。作这些是为了补偿浓度过重或过轻的冲击(swipe)。所有记录的测量值均以mm计。0.0测量值表明生物体生长在银试样，但并未在银试样导管上粘附或产生生物膜。所有的对照试样从第1天起均毫无例外地具有生物膜。结果在表4中示出。

表4

第一天

实施例5 氧化银涂覆导管的体内测试

本实施例表明两段相同的具有200nm氧化银涂层的导管材料的兔体内测试。测试装置是ETO-灭菌的。对于两段导管中的每一个，制成四个导管抗菌性部分片段(长度约为4英寸)。使用该测试装置并保持在室温下。

将总共八个导管片段(每个导管材料四个片段)植入进雌性新西兰白兔中。在植入第1天之前，称重并静脉注射0.1mL/kg的克他命/甲苯噻嗪鸡尾酒(87mg/mL克他命，13mg/mL甲苯噻嗪)进行麻醉。动物为23-25周大，且在第1天称重为2.63kg。

导管植入后的一周，将感染性(攻击性，challenge)生物体(金黄色葡萄球菌或大肠杆菌)置于每个导管进入位点周围的皮肤上(每个导管材料的两个片段受金黄色葡萄球菌感染而每个导管材料的剩余的两个片段受大肠杆菌感染)。在细菌感染48小时后处死动物。

处理的参数在下面表5中进行描述。按照所采取的方案，细菌感染发生在第8天。

表5

椎旁区利用电动剪毛机进行修剪，并利用聚维酮碘及70％的乙醇进行准备。动物沿其背部具有八个植入位置。每个位置距中线2.5cm-5.0cm，且位置相距约2.5cm。植入位置利用永久标记进行标识。

在每个植入位点，用16号针刺穿皮肤进入到肌肉中。将导管片段沿针的ID穿进肌肉中，并将针移走，使得导管片段的一半通过皮肤进入肌肉而被植入。在每个位点植入导管材料的一个部分。将相同两段中的每一个的四个片段，总共八个植入物植入兔子。将暴露的导管片段用无菌敷料覆盖。表6中确定了在动物背部上的植入位点的位置。

表6

在第8天，将无菌敷料从每个暴露的导管片段移除。每个导管进入位置周围的皮肤接受1mL包含2.2×10⁵CFU/mL金黄色葡萄球菌及5.10×10²CFU/mL大肠杆菌的悬浮液的表面滴注。用金黄色葡萄球菌感染每个导管材料中的一个片段，用大肠杆菌感染每个导管材料中的一个片段。在接种后，用无菌敷料再覆盖导管片段。表7中列出了每个位点使用的接种的生物体。

表7

 

位置号	侧	区域	植入的材料	接种的生物体	注释
						1	左	头颅	3659-16	金黄色葡萄球菌	通常给予1mL细菌悬浮液
2	左	头颅中部	3659-16	N/A1	N/A
						3	左	头颅中部	3659-17	N/A1	N/A
4	左	脊椎尾端	3659-17	N/A1	N/A
						5	右	头颅	3659-16	N/A1	N/A
6	右	头颅中部	3659-16	大肠杆菌	局部地给予1mL细菌悬浮液
						7	右	脊椎尾端中部	3659-17	大肠杆菌	局部地给予1mL细菌悬浮液
8	右	脊椎尾端	3659-17	金黄色葡萄球菌	局部地给予1mL细菌悬浮液

N/A＝不施加

在第10天，根据脑化学最优化程序协议(Brain ChemistryOptimization Program protocol)01-11-21-22-02-026，静脉注射商购的安乐死溶液使动物安乐死。对整个植入物进行无菌收集，并进行定量细菌测定。在肌肉和皮肤的管道区域上标有表面标签。由于多个导管已经被收回并且植入管道是不可见的，所以本研究中未收集标签。将植入痕迹周围的肌肉部分置于10％中性缓冲的福尔马林中，并提交给Colorado Histo-Prep(Fort Collins，CO)，由广受好评的兽医病理专家进行评价。对于8个植入位点中的4个(第1，6，7，及8号位点)，分别将植入物的内部及外部部分收集到胰酶大豆肉汤(Tryptic Soy Broth)中。这些是仍具有处于皮肤之外的导管的一部分的位点。

临床观察示出兔子保持了健康，且未示出感染的迹象，如表8中所示。

表8  兔子健康的临床观察

解释：

G0＝看起来正常；机灵、警觉并反应迅速

S0＝粪便正常

S1＝粪便软(soft)

A0＝消耗正常量的食物

对于每个测试材料，一个植入位点接种金黄色葡萄球菌，一个植入位点接种大肠杆菌进行培养(第1，6，7，及8号位点)。对于接种的位点，对标识为内部及外部的两个植入物的位置进行了微生物生长及识别的评价。皮肤以上的导管部分标识为外部植入位点，皮肤以下的导管部分标识为内部植入位点。

对于剩余的四个植入位点(第2-5号位置)，不实施接种，同时在接种当天(第8天)，皮肤外部不存在可见的植入物。对于这些位点，对导管的皮下部分进行关于微生物的生长及识别的评价。

对于用3659-16导管材料进行植入并用金黄色葡萄球菌进行感染的位点(第1号位点)，在内部及外部植入位点识别感染生物体的正生长(positive growth)。对于用3659-16导管材料进行植入并用大肠杆菌进行感染的位置(第6号位置)，在内部植入位点存在识别为Staphylococcushominis的细菌生长；这种生长归因于环境污染。在这个位点，在内部或外部植入位点没有识别到感染性生物体(大肠杆菌)的生长。

对于用3659-17导管材料进行植入并用金黄色葡萄球菌进行感染的位点(第8号位置)，仅在外植入位点识别到感染生物体的正增长。对于用3659-17导管材料进行植入并用大肠杆菌进行感染的位点(第7号位点)，在内部或外部植入位点不存在生长。

对于剩余的四个未接种的植入位点(第2-5号位置)，不存在细菌生长。见表9。

表9

来自植入位置的微生物生长结果

N/A＝不可施加

在任何植入位点均不存在组织反应或感染的明显可见的证据。对于所有的植入位点，在植入位置的皮下筋膜及肌肉存在黑至灰的变色。结果在表10中进行总结。

                      表10

                   尸体检测观察

                             尸体检测观察

组    动物  植入   植入       位置条件                  常规观察²

      号    位置   材料

A     17    1      3659-16    从肌肉中拉出的导管        无组织反应或感染

                                                        的明显可见的证据

            2      3659-16    肌肉中的导管部分，被收    无组织反应或感染

                              回一半(back out halfway)  的明显可见的证据

            3      3659-17    肌肉中的导管部分          无组织反应或感染

                                                        的明显可见的证据

            4      3659-17    仍在肌肉中的导管部分      无组织反应或感染

                                                        的明显可见的证据

            5      3659-16    仍在肌肉中的导管部分      无组织反应或感染

                                                        的明显可见的证据

            6      3659-16    从肌肉中拉出的导管        无组织反应或感染

                                                        的明显可见的证据

            7      3659-17    从肌肉中拉出的导管        无组织反应或感染

                                                        的明显可见的证据

            8      3659-17    从肌肉中拉出的导管        无组织反应或感染

                                                        的明显可见的证据

N/A＝不施加

结果示出了浸渍了银/氧化银的抗菌导管避免了细菌、菌落、及生物膜的形成。所有的植入位点的抗菌成效都是一致的，即使在用大肠杆菌或金黄色葡萄球菌细菌感染后的第8天抗菌性涂层也仍然是有效的。未观察到坏死。病变与肌肉中的异物反应相一致，且具有在皮下组织中更剧烈的炎症反应。

实施例6 氧化银涂层的洗脱

总共二十个试样，对用典型的氧化银涂层涂覆的1cm²的聚丙烯进行评价。从两个实验组中的十个不同的试样中均选取两个试样。利用电感耦合等离子体进行该测试两次，以确定在每个时间点上存在的银的含量。然后对于每一个测试组，对总的十个得到的值取得平均值。洗脱值按mg/试样示出，在这种情况下，其为mg/平方英寸。

在第一个24小时内，在NaCl溶液中所有的试样都呈现出一致的行为。在这些值在24小时时间点附近达到平稳(leveled off)之前，在四小时时间点附近出现一个小峰。

所有的试样均具有非常一致的行为。从第1天至第5天，这些值均相当稳定；然后在第6天的时间点附近出现峰值，接着从第7天至第30天达到平稳。

在所有时间点，对于涂覆的聚丙烯试样的平均洗脱值为每平方英寸约0.005mg(0.0048mg/平方英寸)。在本研究的整个过程中，在生理盐水中，对于聚丙烯试样利用洗脱值及每平方英寸约1.05mg的总银值(由外部测试获得)，表现出相当一致的银洗脱，在4小时时间点以及6天后发现微小峰值。

实施例7 ePTFE涂覆基体的体内愈合测试

通过体内测试，本实施例表明了200nm氧化银涂层不能造成坏死。利用标准的200nm氧化银涂层涂敷1cm²的ePTFE试样，并按照与上述实施例6所概括的，将其皮下植入兔子中。在第9天及第22天移出基体，以研究在植入的氧化银涂覆部分周围的组织的愈合。结果在表11中进行概括。

表11-对于200nm氧化银的历史记录

 

处理组	植入维持时间，天数	ePTFE//内脏表面	ePTFE//网状物表面	银粒子/粒子观察
					对照组未涂覆网装物	9	一至若干个mps层；具有ncf的sscs 10+层	MF：被具有occ gcs并具有ncf网状物的mps围绕：由具有ncf的mps填充；occ pmns&baso	无
	22	在胶原质母体中的由成纤维细胞(梭形细胞)组成的适当小的纤维化响应。界面处的巨噬细胞和occ巨细胞	在ePTFE表面的纤维化响应以及网状物内的持续的纤维化响应，并围绕单丝成分	无
					氧化银涂覆的网状物试样1200nm	9	一至若干个大的mps层。纤维化叠层提示核的丢失。核增生。明显的gcs。	MF：mps的Dec nos网状物：稀疏的细胞纤维蛋白网状物。组织碎片。坏死碎片的病灶区	具有occ较大银颗粒的部分的明显gcs，连续的具有部分-可见(vis)表面的mps的薄层。
	22	观察到代表性的纤维化响应。在有响应的巨噬细胞中观察到黑ppt(与可折射碎片相配)。在界面处的具有mps & gcs的可折射的碎片	在TFE表面的纤维化响应。响应中大量的baso/肥大细胞。观察到occ黑ppt(可折射碎片)。在界面处的具有mps & gcs的可折射碎片	在纤维化响应及TFE界面内，观察到与折射碎片相配的具有mps &gcs的黑ppt。

 

氧化银涂覆网装物试样2200nm	9	一至若干层适度ncf的mps	MF：由具有occ gcs的mps围绕//略微减少的网装物：适度ncf具有mps；明显的脉管响应	具有mps的freq Ag颗粒。大部分细胞内纤维化薄层(可见表面)-具有mps的部分
						22	观察到代表性的纤维化响应。分散的具有黑ppt的mps(可折射碎片)和具有包含黑ppt的mps的薄层。由mps wo碎片排成行的TFE表面	在TFE表面的纤维化响应。Occ分散的具有黑ppt的mps	具有网状物响应及内脏响应的具有mps的分散的ppt

表11中所用的缩写如下：

Occ    偶然的

PMSs   多形核细胞

Mps    粘多糖

SSCs   核形细胞

MF     超细纤维

Baso   嗜碱性粒细胞

Ncf    中性粒细胞趋化因子

实施例8-具有可移动基体的阴极电弧沉积

本实施例表明了可移动基体是如何影响大颗粒尺寸，因而控制氧化银的释放的。

将基体(基体一)置于与靶标具有30英寸距离的可移动支持件上。将室内抽吸至5E-4 Torr的水平。用100amps及16伏特的电流引发电弧。将氧气以200 SCCM的速率引入室中。以每15秒一英寸的速度使基体更接近靶标。持续进行，直至基体与靶标相距8英寸。

在比较性实施方案中，在相同的电流、电压、总时间及氧气流速下，将基体(基体二)置于相距靶30英寸的距离处。这一次，基体保持静止。

初始的ZOI测试示出在24小时时间段内具有相同尺寸的圈。针对若干细菌实施板转移，结果在表12中示出。可看出，在沉积工艺中被移向靶标的基体相比保持静止的基体能在更长的时间段内表现出抗菌活性。

除ZOI测试之外，还利用SEM分析法检测两个基体的横截面。在样品一中，大颗粒的数量及尺寸随着薄膜的厚度而增大；即，有更少的且更小的大颗粒靠近基体，并且数目及尺寸随着薄膜厚度的增长而增大。相反地，试样二中的横截面具有很少的大颗粒并且是均匀的。

表12

第一天

实施例9-电弧控制

本实施例说明了电弧控制器如何与所产生的大颗粒的尺寸及频率相关。在该实施例中，使得两个试样运行。首先，试样三，不具有电弧控制器，且将基体置于相距靶标12英寸的距离处。第二，试样四，具有电弧控制器，且也将基体置于相距靶标12英寸的距离处。将两个试样均放置于室中，对不同的运行实施不同的次数，并抽吸至5E-4Torr。按照对于所有电供应以100Amps开始来设置电弧。每个靶标具有两个供应源以得到200amps的起始总量。试样三在没有电弧控制器的情况下运行五分钟。试样四在优选的300赫兹电流转换速率下运行。

靶标上的转换总是保持在200amps，但是每个电源均会出现高低变化(ramped up and down)，所以在任何时间，在供应源上的电流并不均等。这就迫使电弧在特定的时间移动特定的距离，从而控制大颗粒的密度及尺寸。

在试样三和四上实施SEM横截面分析。可观察到，尽管薄膜贯穿其整个厚度是均匀的，相比较试样三，试样四具有更大的大颗粒尺寸及密度的平均值。试样三中的大颗粒平均尺寸约为一微米，密度为10³/cm²。试样四中的大颗粒平均尺寸约为三微米，密度为10⁴/cm²。

实施例10-金属上的氧化银的体外测试

本实施例表明了在Ti-6-4及CoCrMo上的AgO涂层的有效性。利用常用方法清洗试样五和六，并将其置于真空室中并且与靶标相距12英寸的距离。将典型的氧化银涂层沉积在片上，并用三天的时间进行ZOI测试。试样五为Ti-6-4，试样六为CoCrMo。结果在表13中进行了总结。

表13

第一天

尽管本发明已参照其具体的实施例进行了描述，本领域技术人员应当理解的是，在不违背本发明的真正精神和保护范围的情况下，可以作出各种变化及修改，以及等同替换方式，特别地，还要理解的是，由本领域的一个普通技术人员在不背离本发明的保护范围的情况下，每一个设计中的化学及制药细节可以具有细微差别，或修改。所有这些修改均应处于所附的权利要求书的范围之内。

Claims (26)

1.一种用于制备在基体上的抗菌性涂层的阴极电弧离子等离子体沉积方法，包括：

将所选的基体放置于阳极与阴极靶之间，所述靶包括可离子化的金属；

将氧气引入容纳所述阴极靶和所述基体的真空室中，其中，将所述室增压至约0.1mTorr至约30mTorr；

在所述阳极与所述阴极靶之间产生电弧放电，其中，供应到所述电弧上的电能可选地是被可变控制的，以便制备范围在1nm至50μm的粒子；以及

在电弧放电过程中，在一预定时间内在约25℃至约75℃之间的温度下，在约1英寸至约50英寸的范围内调整所述基体靠近或远离所述靶的运动，以在所述基体上沉积具有的厚度在约50nm至约5μm范围内的高密度、粘附性抗菌性涂层。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述供应到电弧上的电能通过单独的可变电源或通过至少两个以相反位置连接到所述阴极靶的独立的可变电源进行外部控制。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述基体上沉积100-200nm涂层的过程中，将所述供应到电弧上的电能调节到约12伏特至约60伏特以提供5安培至约500安培之间的电流。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可离子化的金属是选自由银、金、铂、铜、钽、钛、锆、铪、以及锌组成的组的金属。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述金属是银。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基体包括金属。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述基体选自由钛、钢、铬、锆、镍、它们的合金以及它们的组合组成的组。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基体包括聚合物或陶瓷。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述聚合物是聚丙烯、聚氨酯、EPTFE、PTFE、聚酰亚胺、聚酯、PEEK、UHMWPE、或尼龙或它们的组合。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述聚合物是PEEK或聚乙烯。

11.一种沉积在金属基体上的高粘附性Ag/AgO抗菌性薄膜，其中，所述Ag/AgO渗入所述基体达约10纳米的深度。

12.一种沉积在聚合物基体上的高粘附性Ag/AgO抗菌性薄膜，其中，所述Ag/AgO渗入所述表面达约100纳米的深度。

13.根据权利要求11所述的Ag/AgO抗菌性薄膜，其沉积到选自由钛、钢、铬、锆、镍、它们的组合及合金组成的组的金属上。

14.根据权利要求12所述的Ag/AgO抗菌性薄膜，其沉积到包括选自由聚丙烯、聚氨酯、EPTFE、PTFE、聚酰亚胺、聚酯、PEEK、UHMWPE、或尼龙以及它们的组合组成的组的聚合物的聚合物基体上。

15.根据权利要求1所述的基体，其包括选自由导管、瓣、支架及植入物组成的组的装置。

16.根据权利要求15所述的基体，其中，所述装置是导管。

17.根据权利要求15所述的基体，其中，所述导管、瓣、支架及植入物包括聚合物、金属、陶瓷或它们的组合。

18.根据权利要求16所述的基体，其中，所述导管包括聚合物。

19.根据权利要求18所述的基体，其中，所述聚合物选自由聚丙烯、聚氨酯、EPTFE、PTFE、聚酰亚胺、聚酯、PEEK、UHMWPE、及尼龙组成的组。

20.一种用于提高银/氧化银离子等离子体沉积薄膜中的抗菌活性的阴极电弧离子等离子体沉积方法，包括调整基体与阴极电弧靶之间的距离，以及监控与所述基体与所述靶的距离相关的沉积到所述薄膜中的银的数量，其中，所述薄膜的提高的抗菌活性与所述薄膜中的银/氧化银比例的降低相关联。

21.根据权利要求20所述的方法，进一步包括调整电弧速度以及监控沉积的银/氧化银的颗粒尺寸，其中，大颗粒数目的增加提高了所述薄膜的抗菌活性。

22.一种通过根据权利要求21所述的方法制备的涂层。

23.根据权利要求20或21所述的方法，进一步包括增加沉积时间以获得所需的薄膜厚度。

24.一种沉积在金属、聚合物或陶瓷表面上的银/氧化银抗菌性薄膜，其中，将所述银/氧化银包埋入所述金属表面达约10nm至约10nm的深度，所述薄膜具有在约50nm至约5μm之间的厚度，其可在使用后的至少达到28天的时间内保持抗菌活性。

25.根据权利要求24所述的银/氧化银抗菌性薄膜，其沉积到金属、聚合物或陶瓷医疗装置的表面上。

26.根据权利要求25所述的薄膜，其中，所述医疗装置为导管、支架、植入物或瓣。

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