JP2006502762A

JP2006502762A - 感染に対して抵抗性を有する生体適合性のインプラント用酸化チタンコーティング及びその調製方法

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Publication number: JP2006502762A
Application number: JP2004537112A
Authority: JP
Inventors: ギュンターツィーグラー，; ハンスゴルヴィッツァー，; フランクハイデナウ，; ヴォルフラムミッテルマイアー，; フラウケシュテンツェル，
Original assignee: ビオサー−エントヴィックルングス−ゲーエムベーハー
Priority date: 2002-09-17
Filing date: 2003-09-17
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2023-09-17
Also published as: DE50311199D1; US20060161256A1; EP1539253A2; AU2003280335A1; DE10243132A1; AU2003280335B2; US7906132B2; DE10243132B4; EP1539253B1; WO2004026346A3; WO2004026346A2; ATE422907T1; JP4606165B2

Abstract

本発明は、金属イオンを含む生体適合性の酸化チタンコーティングをインプラント上に製造する方法に関する。上記金属イオンは生理的条件下において溶出可能で、コーティング中で均一に分布している。また、本発明は、本発明の方法によって製造できるインプラントにも関する。

Description

本発明は、金属イオンを含む生体適合性の酸化チタンコーティングをインプラント上に調製する方法であって、この金属イオンは生理的条件下において溶出可能でコーティング全体に均一に分布している方法、並びに、本発明の方法によって調製できるインプラントに関する。

カテーテル等の短期間のインプラントを感染に対して抵抗性を有するように最終処理するための銀コーティング又は銀含有コーティングは、従来から臨床分野で既に使用されており、その抗菌効果は非特許文献１〜３から公知である。今まで、銅又は銅イオンそれぞれの抗菌効果は、主として金属フィルム（すなわち純粋な銅表面）を使用して調べられていた（非特許文献４）。また、銅元素を混合した物質を抗菌性壁塗料として使用することについても記載されている（非特許文献５）。更に、銅−チオモリブデン錯体からラット血中への銅イオンの溶出が記載されている（非特許文献６）。また、銅含有チタン合金を熱酸化して得られる銅含有酸化チタン層も開示されている（特許文献１、２）。この方法には正確なコーティング法もコーティングもどちらも含まれておらず、銅含有チタン合金の表面を酸処理して変化させているだけである。類似する方法が特許文献３中に記載されているが、その方法では、処理合金の表面を酸化前に酸化無機酸で処理して表面に酸化物層を形成している。また、微細懸濁物（いわゆるゾル）からの生体適合性酸化チタンコーティングの調製も、例えば非特許文献７及び８から公知である。

臨床環境において、特に外科分野においては、例えば患者に対する手術介入の間、細菌汚染は避けられない危険性がある。主として外来物質（カテーテル、骨接合プレート、体内プロテーゼ等のインプラント）を導入することにより、従来「表面の争奪戦」と呼ばれる状態が移植直後に生じる（非特許文献９）。これは、最初は滅菌されているインプラント表面にコロニーを形成するための、体細胞と手術中に導入された微生物との競争を意味する。最初に細菌菌体がインプラント表面にコロニーを非常に多く形成して明らかな感染が生じると、人体の免疫機構が誘導されてインプラントを拒絶する可能性が生じる。高濃度の有効な抗生物質で処置しても付着した細菌を完全に根絶できないため、感染を治療するためには、細菌がコロニーを形成しているインプラントを除去しなければならないことが多い（非特許文献１０、１１）。しかしながら、毒性の強い方法でインプラント表面を処理すると、インプラントを一体化するために必要な体細胞のコロニー形成が同時に阻害される。このような影響は、股関節体内プロテーゼ等の長期間のインプラントには特に望ましくないものである。というのは、生きた体細胞のコロニー形成は、インプラントの一体化を促進して感染を妨害するからである。
特開平３−１８９８７特開平４−４９９８１フランス特許Ｎｏ．２７８０４１７ＩｌｌｉｎｇｗｏｒｔｈＢ．，ＢｉａｎｃｏＲ．Ｗ．，ＷｅｉｓｂｅｒｇＳ．，Ｉｎｖｉｖｏｅｆｆｉｃａｃｙｏｆｓｉｌｖｅｒ−ｃｏａｔｅｄｆａｂｒｉｃａｇａｉｎｓｔＳｔａｐｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓｅｐｉｄｅｒｍｉｄｉｓ，ＪＨｅａｒｔＶａｌｖｅＤｉｓ１（２０００）１３５−４１ＤａｒｏｕｉｃｈｅＲ．Ｏ．，Ａｎｔｉ−ｉｎｆｅｃｔｉｖｅｅｆｆｉｃａｃｙｏｆｓｉｌｖｅｒ−ｃｏａｔｅｄｍｅｄｉｃａｌｐｒｏｓｔｈｅｓｅｓ，ＣｌｉｎＩｎｆｅｃｔＤｉｓ６（１９９９）１３７１−７ＡｍｂｒｏｓｉｕｓＷ．Ｔ．，ＨａｒｒｉｓＶ．Ｊ．，ＳｎｉｄｏｗＪ．Ｊ．，Ｔｕｎｎｅｌｅｄｈｅｍｏｄｉａｌｙｓｉｓｃａｔｈｅｔｅｒｓ：ｕｓｅｏｆａｓｉｌｖｅｒ−ｃｏａｔｅｄｃａｔｈｅｔｅｒｆｏｒｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｏｆｉｎｆｅｃｔｉｏｎ − ａｒａｎｄｏｍｉｚｅｄｓｔｕｄｙ，Ｒａｄｉｏｌｏｇｙ２（１９９８）４９１−６ＧｒｚｙｂｏｗｓｋｉＪ．，ＴｒａｆｎｙＥ．Ａ．，Ａｎｔｉｍｉｃｒｏｂｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｏｐｐｅｒ−ｃｏａｔｅｄｅｌｅｃｔｒｏ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅｐｏｌｙｅｓｔｅｒｆｉｂｅｒｓ，ＰｏｌｉｍＭｅｄ２９（１９９９）２７−３３ＣｏｏｎｅｙＴ．Ｅ．，Ｂａｃｔｅｒｉｃｉｄａｌａｃｔｉｖｉｔｙｏｆｃｏｐｐｅｒａｎｄｎｏｎｃｏｐｐｅｒｐａｉｎｔｓ，ＩｎｆｅｃｔＣｏｎｔｒｏｌＨｏｓｐＥｐｉｄｅｍｉｏｌ１６（１９９５）４４４−５０ＫｏｍａｔｓｕＹ．，ＳａｄａｋａｔａＩ．，ＯｇｒａＹ．，ＳｕｚｕｋｉＫ．Ｔ．，ＥｘｃｒｅｔｉｏｎｏｆｃｏｐｐｅｒｃｏｍｐｌｅｘｅｄｗｉｔｈｔｈｉｏｍｏｌｙｂｄａｔｅｉｎｔｏｔｈｅｂｉｌｅａｎｄｂｌｏｏｄｏｆＬＥＥＣｒａｔｓ，ＣｈｅｍＢｉｏｌＩｎｔｅｒａｃｔ１２４（２０００）２１７−３１ＪｏｋｉｎｅｎＭ．，ＰａｔｓｉＭ．，ＲａｈｉａｌａＨ．，ＰｅｌｔｏｌａＴ．，ＲｉｔａｌａＭ．，ＲｏｓｅｎｈｏｌｍＪ．Ｂ．，Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｓｏｌａｎｄｓｕｒｆａｃｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｎｉｎｖｉｔｒｏｂｉｏａｃｔｉｖｉｔｙｏｆｓｏｌ−ｇｅｌ−ｄｅｒｉｖｅｄＴｉＯ２ａｎｄＴｉＯ２−ＳｉＯ２ｆｉｌｍｓｄｅｐｏｓｉｔｅｄｂｙｄｉｐ−ｃｏａｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，Ｊ．Ｂｉｏｍｅｄ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．４２（１９９８）２９５−３０２ＨｅｉｄｅｎａｕＦ．，ＳｃｈｍｉｄｔＨ．，ＳｔｅｎｚｅｌＦ．，ＺｉｅｇｌｅｒＧ．，Ｓｏｌ−Ｇｅｌ−ＤｅｒｉｖｅｄＴｉｔａｎｉａｗｉｔｈＧｒａｄｉｅｎｔＰｏｒｏｓｉｔｙ，Ｋｅｙ．Ｅｎｇ．Ｍａｔｅｒ．１６１−１６３（１９９９）１１５−１１６ＧｒｉｓｔｉｎａＡ．Ｇ．，Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌ−ｃｅｎｔｅｒｅｄｉｎｆｅｃｔｉｏｎ：Ｍｉｃｒｏｂｉａｌａｄｈｅｓｉｏｎｖｅｒｓｕｓｔｉｓｓｕｅｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，Ｓｃｉｅｎｃｅ２３７（１９８７）１５８８−９５ＤｕｎｎｅＷ．Ｍ．Ｊｒ．，ＭａｓｏｎＥ．Ｏ．Ｊｒ．，ＫａｐｌａｎＳ．Ｌ．，ＤｉｆｆｕｓｉｏｎｏｆｒｉｆａｍｐｉｎａｎｄｖａｎｃｏｍｙｃｉｎｔｈｒｏｕｇｈａＳｔａｐｈｙｌｏｃｏｃｃｕｓｅｐｉｄｅｒｍｉｄｉｓｂｉｏｆｉｌｍ．Ａｎｔｉｍｉｃｒｏｂ．ＡｇｅｎｔｓＣｈｅｍｏｔｈｅｒ．．３７（１９９３）２５２２−６ＤａｒｏｕｉｃｈｅＲ．Ｏ．，ＤｈｉｒＡ．，ＭｉｌｌｅｒＡ．Ｊ．，ＬａｎｄｏｎＧ．Ｃ．，ＲａａｄＩ．Ｉ．，ＭｕｓｈｅｒＤ．Ｍ．，Ｖａｎｃｏｍｙｃｉｎｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｉｎｔｏｂｉｏｆｉｌｍｃｏｖｅｒｉｎｇｉｎｆｅｃｔｅｄｐｒｏｓｔｈｅｓｅｓａｎｄｅｆｆｅｃｔｏｎｂａｃｔｅｒｉａ，Ｊ．Ｉｎｆｅｃｔ．Ｄｉｓ．１７０（１９９４）７２０−３

従って、本発明の目的は、インプラント用のコーティングであって、導入された微生物の上記インプラント上における増殖（特に細菌の増殖）を阻害し、その後、体細胞に対して生体適合性を有する表面を作るコーティングを提供することである。

本発明において、上記目的は、特許請求の範囲１に記載の方法、及び、この方法により調製できるインプラントによって達成された。また、本発明においては、患者への移植における上記インプラントの使用が含まれる。本発明の他の実施形態は、従属する特許請求の範囲及び以下の記載から明白になる。

本発明によれば、
金属イオンを含む生体適合性の酸化チタンコーティングをインプラント上に調製する方法であって、
この方法によってインプラントを調製でき、
生理的条件下でコーティング中から周囲へ金属イオンが放出され、
金属イオンがコーティング全体に均一に分散している方法が提供される。

本発明によれば、インプラントとは、患者に移植するのに適切な基材を意味することを意図する。インプラントの例としては、カテーテル、骨接合材料、体内プロテーゼ、外部／内部フィクサツール、釘、ねじ及び／又はワイヤー、心臓弁、人工血管及びシャント、美顔手術／形成外科手術用インプラント、人工中耳、歯科インプラント等が挙げられる。

従来技術においては、酸化チタンコーティングは、高温でのチタンの酸化、又は、例えばプラズマ溶射法によって調製している。しかし、これらの方法では金属イオンを均一に導入することはできない。例えば、ＰＶＤ（物理気相成長法）等の公知の物理的コーティング法によって表面上に形成された堆積物は不均一で常に小島状であるため、局所的毒性を有する危険性がある。金属又は金属イオンをマトリックス中へ導入するための従来技術から公知の方法では、これらは常に、μｍ規模の大きさの粉末状で又はこの大きさの塩様化合物状であって粉末冶金的方法により粉末と混合されて乾式プレスされているため、懸濁物中及び最終生成物中への分布が不均一になってしまう（ＦｅｎｇＱ．Ｌ．，ＣｕｉＦ．Ｚ．，ＫｉｍＴ．Ｎ．，ＫｉｍＪ．Ｗ．，Ａｇ−ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄｈｙｄｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅｃｏａｔｉｎｇｓｗｉｔｈｂｏｔｈａｎｔｉｍｉｃｒｏｂｉａｌｅｆｆｅｃｔｓａｎｄｂｉｏｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ，ＪＭａｔｅｒＳｃｉＬｅｔｔ１８（１９９９）５５９−６１、及び、ＳｈｉｒｋｈａｎｚａｄｅｈＭ．，Ａｚａｄｅｇａｎ，Ｍ．，Ｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｃａｒｂｏｎａｔｅａｐａｔｉｔｅｏｎｃａｌｃｉｕｍｐｈｏｓｐｈａｔｅｃｏａｔｉｎｇｓｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｓｉｌｖｅｒｉｏｎｓ，ＪＭａｔｅｒＳｃｉ：ＭａｔｅｒＭｅｄ９（１９９８）３８５−９１）。

一方、本発明は、酸化チタンコーティング又は酸化チタンコーティングしたインプラントであって、それぞれにおいて金属イオンがコーティング中に含まれており、その金属イオンがコーティング全体に均一に分布していて生理的条件下で溶出するような酸化チタンコーティング又は酸化チタンコーティングしたインプラントに関する。コーティング中における金属イオンの濃度は、コーティング中に本来含まれていて体細胞に障害を与えない濃度の金属イオンによってコーティングが最初に抗微生物効果又は抗菌効果を呈することができる濃度である。コーティング中における金属イオンの初期濃度は、生理的条件下で溶出し、コーティング表面で抗微生物効果を呈することができる濃度である。

本発明における生理的条件及び病態生理的条件とは、患者に移植したインプラントの周囲で生じる可能性のある条件である。本発明によれば、この用語は、移植したインプラントと接触する全ての体液、及び、体液の代替として使用するその他の任意のバッファー溶液（生理食塩水及びリン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）等）を含む。

しばらく経つと、抗微生物効果又は抗菌効果を呈さない濃度までコーティング中の濃度が減少し、その後、残った層が体細胞と完全に適合する。この点において、層の組成を調節することによって、抗菌効果を更に正確に調節できる。例えば、特に感染しやすいインプラントベアリングに使用することを意図したインプラントを、より高濃度の金属イオンを使用して製造するのは合理的であろう（例えば、開放骨折の場合における髄内釘、骨髄炎の場合におけるスタインマン釘又はピンを使用した外部フィクサツール、いわゆる交換介入（ｅｘｃｈａｎｇｅｉｎｔｅｒｖｅｎｔｉｏｎ）を別個に二回（ｚｗｅｉｚｅｉｔｉｇｅＷｅｃｈｓｅｌｅｉｎｇｒｉｆｆｅ）実施した場合における感染した体内プロテーゼのための一時的スペーサー）。しかしながら、被移植体である生体に対する損傷が引き起こされる可能性があるため、金属イオン濃度は毒性濃度を超過してはならない。また、移植中に導入された細菌が除去されるまで、抗菌効果を呈する閾値濃度よりも金属イオン濃度を減らすべきではない。

一般的に、酸化チタンコーティングにおける金属イオンの濃度は、コーティング総重量に対して好ましくは０．１〜２０重量％、好ましくは５〜１５重量％、更に好ましくは１０〜１２重量％であってよい。

本発明によれば、酸化チタンは本質的に二酸化チタンを指す。しかしながら、本発明によれば、チタンの原子価が異なる酸化チタン、及び、これらと二酸化チタンとの混合物も、これらの酸化チタンが生体適合性及び毒性に関して悪影響を及ぼさなければ酸化チタンに含まれる。

本発明による酸化チタンコーティングの厚さは、数百ｎｍの範囲内、好ましくは約５０〜１０００ｎｍ、より好ましくは５０〜２００ｎｍ、更に好ましくは１３０〜１７０ｎｍ、最も好ましくは約１５０ｎｍである。

本発明によれば、金属製、合金製、プラスチック製、ガラス製及びセラミック製インプラント、複合材料又はこれらの組み合わせをインプラントとして使用できる。好ましいインプラントの例としては、カテーテル、骨接合プレート、体内プロテーゼ、外部／内部フィクサツール、釘、ねじ及び／又はワイヤー、心臓弁、人工血管及びシャント、美顔手術／形成外科手術用インプラント、人工中耳並びに歯科インプラント等が挙げられる。

本発明によって好ましく使用できる金属及び合金の例としては、チタン、鋼、鉄、及び／又は、鋼と鉄とチタンとの合金、コバルトクロム合金、及び／又は、骨接合用鋼、好ましくはＡＩＳＩ３１６Ｌが挙げられる。特にチタン合金が好ましい。チタン合金のうち、ＴｉＡｌ６Ｖ４及びＴｉＡｌ６Ｎｂ７が特に好ましい。

本発明によって好ましく使用できるプラスチックの例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリウレタン、ポリシロキサン、ポリシロキサンエラストマー、ポリエーテルエーテルケトン及びポリスルホン等のポリマーが挙げられる。

本発明によって好ましく使用できるセラミック材料の例としては、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、ハイドロキシアパタイト、ガラス及びガラスセラミックスが挙げられる。

人間の細胞及び細菌は濃度勾配に対する感受性が非常に強いため、本発明においては、金属イオンは酸化チタンコーティング全体に均一に分布していることが要求される。μｍ規模で局所的に分布していたり濃度が偏っていたりする場合には、コーティング全体に均一に分布しているとはいえない。従って、本発明において「均一」とは、金属イオンが本質的に分子又は原子レベルで分散して存在していて、大きさが数ｎｍを越える集合体を本質的に形成していない状態を意味することを意図する。

本発明によって、インプラント上に酸化チタンコーティングを調製するために（金属イオンが溶解しており、インプラント上への塗布に使用する）コーティング調製物又は懸濁物を調製することによって、上記のように均一に分布させることができる。

物質又はインプラントをそれぞれコーティングするための本発明による方法は、以下の段階を含む。最初に、有機溶媒、有機金属性の酸化チタン前駆物質、並びに、任意に水及び／又は酸、好ましくは無機解膠剤を含む低粘度の懸濁液（いわゆるゾル）として調製物を調製し、金属化合物（金属塩及び／又は有機金属化合物）を添加する。本発明によれば、ゾルとは、固体状又は液状の物質が液体媒体中に非常に微細に（すなわち本質的に分子又は原子レベルで）分布して分散していて、集合体が形成されていないコロイド溶液を指す。本発明によれば、金属塩及び／又は金属化合物は、ゾル中に完全に溶解していることが好ましい。ゾルとは、金属化合物又はイオンがｎｍ規模で分散していることから、微細懸濁物を指す。

その後、このように調製した調製物をインプラント上に塗布し、塗布したコーティングを乾燥させる。必要であれば、その後１００〜１０００℃で乾燥させてよい。

本発明の方法によれば、酸化チタンコーティング又は酸化チタンコーティングを有するインプラントであって、抗微生物効果を有する金属イオンを生理的条件下において溶出可能であり、そのことによって（特に酸化チタンコーティング付近で）抗微生物効果を呈することができる酸化チタンコーティング又はこれを有するインプラントがそれぞれ得られる。一定時間後、抗微生物効果を有する金属イオンが本質的に溶出してしまうと、コーティングの抗微生物効果が低下してインプラントが身体組織と一体化する、すなわち生体に適合する。従って、本発明によるインプラントは、患者に移植するのに特に有用である。一方、公知の銅含有材料は使用している間中ずっと抗微生物効果を保持しているため、慢性的な炎症反応が起こって十分に一体化されない。本発明によれば、付着している体細胞に過剰な損傷を与えずにインプラントに付着した細菌の増殖を停止させるように、（例えば銅の）放出を一定期間調節することができる。しかしながら、コーティングとは、身体組織がその後インプラント上で増殖できるような生体適合性の材料を示す。

金属化合物は、可溶性の塩若しくは有機金属化合物、又は、それらの複合体であることが好ましい。これらを、低粘度の懸濁液中又はゾル中にそれぞれ一定量添加して溶解する。

その後、粘度が水とほぼ等しいこの混合物を、従来技術によるディップコーティング、スピンコーティング、ブレードコーティング、印刷又はスプレー等の方法で基材上に塗布する。

混合物中に含まれる酸化チタン前駆物質は、好ましい鎖長がＣ２〜Ｃ５の酸素結合で結合した直鎖又は分岐アルキル基を有する四配位チタン化合物であることが好ましい。これらの不飽和アルキル基（アルケニル基）の代わりに、又は、これらに加えて、酸素含有及び／若しくは窒素含有アルキル基若しくはアルケニル基の各々もまた、本発明によって（これらの基が炭素原子を２〜５個を有すること、及び、炭素数１２までの長鎖アルキル鎖を有することが好ましいような）ＵＶ硬化性等の特定の用途に使用できる。酸素結合で結合した適切なアルキル基の例としては特に、エチル基、ｎ−プロピル基、イソプロピル基、ｎ−ブチル基、イソブチル基、ｎ−ペンチル基及び／又はイソペンチル基が挙げられる。

適切なアルケニル基の例としては、アクリル酸塩、メタクリル酸塩、二重結合を有する長鎖アルキル鎖又は分岐アルキル鎖である。主鎖の好ましい鎖長はＣ２〜Ｃ１２であり、側鎖の好ましい鎖長はＣ２〜Ｃ６である。

適切なＯ置換及びＮ置換アルキル基及び／又はアルケニル基の例としては、上記に記載の要件を満たす炭素鎖を基本とし、更にエーテル基、ケト基又はアミノ基を含む基が挙げられる。

本発明において使用してよい酸化チタン前駆物質の例としては、テトラブトキシチタネート（ｔｅｔｒａｂｕｔｏｘｙｔｉｔａｎａｔｅ）、チタニウムイソブトキシチタネート（ｔｉｔａｎｉｕｍｉｓｏｂｕｔｏｘｙｔｉｔａｎａｔｅ）、テトラプロピルチタン、テトライソプロピルチタン、チタニウムテトラアセチルアセトネート（ｔｉｔａｎｉｕｍｔｅｔｒａａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ）、チタニウムテトラエトキシチタネート（ｔｉｔａｎｉｕｍｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｔｉｔａｎａｔｅ）が挙げられる。

有機溶媒としては、炭素数２〜８の鎖長の直鎖又は分岐アルコール、例えばエタノール、プロパノール、イソプロピルアルコール、ｎ−ブタノール、ｓｅｃ−ブタノール、又は、上述のアルコールの組み合わせを使用するのが好ましく、このうちエタノール及びｎ−ブタノールが特に好ましい。本発明において使用してよいその他の有機溶媒としては、環状、芳香族及び／又は複素環式芳香族炭化水素又はその誘導体、例えばシクロペンタン、シクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、テトラヒドロフラン又はジオキサンが挙げられ、このうちベンゼン、トルエン及び／又はテトラヒドロフランが特に好ましい。当業者であれば、使用する金属塩又は有機金属化合物に応じて上記有機溶媒を選択できる。

任意に水及び／又は酸、好ましくは無機解膠酸を、調製物中に含むことができる。

無機解膠酸としては硝酸を使用することが好ましい。しかしながら、硝酸の他に又は硝酸の代わりに、塩酸、硫酸、リン酸、又は、クエン酸若しくは酢酸等の有機酸等の他の解膠酸を使用することもできる。

酸又は解膠酸をそれぞれ使用する場合、酸又は解膠酸の濃度はそれぞれ、使用する酸化チタン前駆物質に対して好ましくは１〜５０モル％、好ましくは２〜２０モル％、更に好ましくは８〜１０モル％である。

溶媒の濃度は、酸化チタン前駆物質のモル量に対して好ましくは５〜５０倍、より好ましくは１５〜４０倍、更に好ましくは２０〜３５倍である。

金属化合物の割合は、コーティング溶液の低温飽和（ｃｏｌｄｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）と一致していることが好ましい。各希釈は連続的に実施することができ、用途に適応するようにする。また、塗布して乾燥させ、任意に加熱した酸化チタンコーティング中の金属イオン濃度が１〜２０重量％、好ましくは５〜１５重量％、更に好ましくは１０〜１２重量％となるようにコーティング中の金属イオン濃度を選択することもまた好ましい。

コーティング調製物中で使用する金属塩及び／又は有機金属化合物は、一価〜四価の金属イオン、好ましくは亜鉛、水銀、バナジウム、アルミニウム、チタン、クロミウム、カドミウム、スズ、鉛、ニッケル及び／又はコバルトの塩、より好ましくはカルシウム、マグネシウム、銅、亜鉛及び／又は銀の塩を有することが好ましい。対イオンとしては硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩、水酸化物を使用できるが、酢酸塩及び塩化物を好ましく使用できる。本発明における例としては、例えば酢酸銅、塩化銅、酢酸銀が挙げられる。

本発明によれば、上記に記載する（好ましくはゾル状の）調製物を基材上に塗布する間又は塗布した後で、凝固していて変形に対する抵抗性があるが、溶媒の蒸発により及び／又は（凝固系中又はゲル中に金属イオンが実際に均一に溶解しており分子レベルで本質的に分散している）抽出物の化学量論率の調節により容易に変形できる系又はゲルへとゾルを変形させることができる。材料をコーティングするためのゾル−ゲル法自体は公知であるが、溶出できる金属イオンをコーティング中に導入するという、上記方法の本発明における変形形態は知られていない。

続いて乾燥させた後、コーティングしたインプラントを直接使用できる。また、任意に、１００〜１０００℃の熱処理を約０．１〜３時間、好ましくは０．１〜１時間実施する。この熱処理は酸素、窒素、アルゴン又は空気の雰囲気下で実施でき、コーティングを物理的に安定化させるため、又は、高密度化するために実施する。例えば、コーティングの焼成（ｃｅｒａｍｉｚａｔｉｏｎ）は好ましくは約５００℃に加熱することにより実施できる。プラスチック製のインプラントの場合には、低温で加熱することが好ましい。

乾燥は、超臨界条件下で、好ましくはオートクレーブ中で、任意に実施する。本明細書中の「超臨界条件」とは、所定のオートクレーブ容量における圧力−温度−時間の特性を意味することを意図する。オートクレーブ中では、界面を形成させずに比重を減少させることによって、使用する溶媒が物理的な臨界点を超えて液体から気体へと変化して層中から除去される。

この方法に特徴的な利点は、ゲルの特徴であるｎｍ規模の気孔構造が保持され、これによって非常に高度に特異的なコーティング表面が形成されるということである。これによって、一方では、銅イオンのイオン放出動力学が更に影響を受け、他方では、多孔質表面が構築されることにより骨芽細胞又は繊維芽細胞等の体細胞の増殖が良い影響を受ける。

また、任意に、１００〜１０００℃の熱処理を約０．１〜３時間、好ましくは０．１〜１時間実施する。この熱処理は酸素、窒素、アルゴン又は空気の雰囲気下で実施でき、コーティングを物理的に安定化するために実施する。例えば、コーティングの焼成は好ましくは約５００℃に加熱することにより実施できる。プラスチック製のインプラントの場合には、低温で加熱することが好ましい。

本発明による方法によれば、希釈又は多層コーティングによって、コーティング中の金属イオン（好ましくは銅イオン及び／又は銀イオン）の濃度を正確に調節することができる。多層コーティングすると、抗菌効果を有する溶出可能な金属イオンがより多量になるため、コーティングの抗微生物効果が増強される可能性がある。二〜四層コーティングが好ましい。

本発明によれば、インプラント上への酸化チタンコーティングの調製（すなわち、有機溶媒、有機金属性の酸化チタン前駆物質、任意に水及び／又は酸、金属塩及び／又は有機金属化合物を含む調製物（調製物中に金属イオンが均一に分布している）の添加、並びに、このようにして調製した調製物のインプラント上への塗布、並びに、塗布したコーティングの乾燥という工程）を一回以上繰り返して実施して多層コーティングを調製することにより、一層以上の酸化チタンコーティングをインプラント上に調製することができる。任意に、上記方法の上述する段階を実施した後、１００〜１０００℃への加熱を毎回実施できる。

金属イオンの濃度は、塗布して乾燥させ、任意に加熱した一層以上のコーティング中の金属イオン濃度又は金属イオンがそれぞれ異なるように毎回異なることが好ましく、また、インプラントに近接する内側のコーティングから外側に向かうにつれてコーティング中の金属イオン濃度が減少していくように金属イオン濃度が毎回異なることが特に好ましい。

この方法の利点は、放出動力学、及び、関連する部位へのコーティングの特異的な形成を正確に調節できることである。従って、例えば、強い殺菌効果のある銀を最外層へ導入することにより、移植直後に細菌数を迅速に減少させることができる。その後、それよりも内側の層から銅を溶出させれば、体内でのインプラントの一体化に関与する細胞の増殖は妨げられず、細菌数は少ないままである。

また、多層コーティングの場合には、金属イオンは、個々のコーティングそれぞれの中において均一に分布している。

以下にいくつかの例を記載するが、これらは本発明の範囲を制限することを意図していない。

実施例中において、次の図を参照する

図１は、黄色ブドウ球菌ＡＴＣＣ２５９２３を様々な材料の表面上で２４時間培養した後の細胞数の経過を示す。

図２は、マウス繊維芽細胞（Ｌ９２９）を様々な材料の表面上で２４時間培養した後の細胞数の経過を示す。

＜コーティング＞
テトラブトキシチタネート６９．５ｇをｎ−ブタノール５００ｇ中に室温において溶解し、不活性ガス条件下で２時間撹拌した。その後、酢酸銅を低温飽和まで分割して添加する。上清を沈殿から回収し、コーティングとして使用する。

試験試料ＴｉＡｌ６Ｖ４、ガラス又はプラスチックを引き上げ速度１．５ｍｍ／ｓで浸漬することによってコーティングを調製する。その後、室温で１時間乾燥させ、コーティングを５００℃で１０分間焼成する。

プラスチックをコートする場合、焼成は省略し、代わりに乾燥後に１２０℃で１時間硬化させる。

＜作用状態の実証＞
抗菌コーティングの作用状態を実証するために、一方では臨床的に関連のある細菌菌株（黄色ブドウ球菌：ＡＴＣＣ２５９２３、ＭＲＳＡ２７０６５、及び、表皮ブドウ球菌：ＡＴＣＣ３５９８４、ＲＰ６２ａ、ＳＥ１８３）を使用し、他方では結合組織細胞（Ｌ２９２、マウス繊維芽細胞）及び胎児骨芽細胞（ＭＣ３Ｔ３−Ｅ１）を使用して研究を実施した。本発明による抗菌コーティングを施したＴｉＡｌ６Ｖ４プレート（直径１４．５ｍｍ、厚さ１ｍｍ）を試料材料として使用した。直接比較するために、細胞と細菌について同一の細胞培養培地（培地：９０％のＲＰＭＩ１６４０（＝２．０５ｍＭグルタミン含有血清）、１０％ＦＣＳ（ウシ胎児血清）；インキュベーション：２４時間、３７℃、５％ＣＯ_２、静置培養、暗室）中で実験した。
細胞株：ＭＣ３Ｔ３−Ｅ１（マウス骨芽細胞）
Ｌ２９２（マウス繊維芽細胞）
２４ウェル培養皿（ポリスチレン製）
接種：１２万個／ｍｌ及びウェル、１ｇフェイズ（ｐｈａｓｅ）、継代６回
細胞増殖：３７℃の震盪インキュベーター中で８分間のトリプシン処理（トリプシンＥＤＴＡ３００μｌ）、酵素反応は培地７００μｌにより停止させる。

コールターカウンターによる細胞数の測定
細菌株（ＡＴＣＣ２５９２３、ＭＲＳＡ２７０６５、ＡＴＣＣ３５９８４、ＲＰ６２ａ、ＳＥ１８３）
全ての実験は細胞についての試験と同様に実施した。
接種：１０万個／ｍｌ及びウェル

超音波を使用して付着した微生物を分離し、希釈した後、栄養培地（ミューラーヒントン寒天プレート）上で３７℃において２４時間後培養し、その後「コロニー形成ユニット（ｃｆｕ）」を計数することにより細菌数を定量し、この値から希釈する前の細菌数を計算した。死んだ細菌又は活性でない細菌はｃｆｕを形成しないので、生きている細菌のみが計数される。

ＴｉＡｌ６Ｖ４：対照、純粋な合金
銅−キセロゲル：例１として、本発明により銅含有酸化チタンコーティングを一層施したＴｉＡｌ６Ｖ４
（銅−キセロゲル）二層：本発明により銅含有酸化チタンコーティングを二層施したＴｉＡｌ６Ｖ４
キセロゲル：銅を添加した純粋な酸化チタンコーティング

図２は、骨芽細胞状の細胞（ＭＣ３Ｔ３−Ｅ１）を様々な材料の表面上で２４時間培養した後の細胞数の経過を示す。

ＴｉＡｌ６Ｖ４：対照、純粋な合金
銅−キセロゲル：例１として、本発明により銅含有酸化チタンコーティングを一層施したＴｉＡｌ６Ｖ４
（銅−キセロゲル）二層：本発明により銅含有酸化チタンコーティングを二層施したＴｉＡｌ６Ｖ４
キセロゲル：銅を添加した純粋な酸化チタンコーティング
ＰＳ：コントロールとしてのポリスチレン

本発明による一層の銅コーティングの場合には、合金の場合と比較して繊維芽細胞の細胞数が増加していることが図２から判断できる。銅含有コーティング二層（銅の量は系中の銅の二倍量）の場合には、誤差範囲内の細胞数までもが、キセロゲルを一層コーティングした合金の場合と同数である。

細菌株について、本発明による一層コーティングによって既に細胞数が２桁減少するということが明白に判断できる（図１）。二層コーティングすると細胞数は更に明白に減少する。

また、本発明による四層コーティングによって細胞数が６桁減少するが、これは微生物学的な意味における殺菌に相当する。

コーティングした金属試験片の周囲の培養溶液中で、細菌の増殖が比較できるほどに減少した。このことから、銅イオンは培地中に実際に溶出していて、抗菌効果は単に表面効果ではないということが明らかである。

＜参照文献＞
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黄色ブドウ球菌ＡＴＣＣ２５９２３を様々な材料の表面上で２４時間培養した後の細胞数の経過を示す。マウス繊維芽細胞（Ｌ９２９）を様々な材料の表面上で２４時間培養した後の細胞数の経過を示す。

Claims

インプラント上に酸化チタンコーティングを調製する方法であって、
以下の段階：
ａ）有機溶媒、有機金属性の酸化チタン前駆物質、並びに、任意に水及び／又は酸を含む調製物に、金属塩及び／又は有機金属化合物を添加して、調製物中で金属イオンを均一に分散させる段階；
ｂ）ａ）で調製した調製物をインプラント上に塗布する段階；並びに、
ｃ）前記で塗布したコーティングを乾燥させる段階：
を含む
ことを特徴とする方法。
前記段階ｃ）の後、１００〜１０００℃で加熱する
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記インプラントは、金属製、合金製、ガラス製、セラミック製、プラスチック製及び複合材料製インプラント、又は、骨インプラントである
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
前記インプラントは、カテーテル、骨接合プレート、体内プロテーゼ、外部フィクサツール、内部フィクサツール、釘、ねじ及び／又はワイヤー、心臓弁、人工血管又はシャント、美顔手術／形成外科手術用インプラント、人工中耳並びに歯科インプラントである
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
金属製インプラントの場合の前記金属は、チタン、鋼、鉄、及び／又は、鋼と鉄とチタンを含む合金、及び／又は、ＣｏＣｒである
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
前記合金は、チタン合金、好ましくはＴｉＡｌ６Ｖ４若しくはＴｉＡｌ６Ｎｂ７、ＣｏＣｒ合金、又は、骨接合用鋼、好ましくはＡＩＳＩ３１６Ｌである
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
前記プラスチックは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリウレタン、ポリシロキサン、ポリシロキサンエラストマー、ポリエーテルエーテルケトン及び／又はポリスルホンである
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
有機溶媒としては、炭素数２〜８の鎖長の直鎖若しくは分岐アルコール、又は、環状、芳香族若しくは複素環式芳香族炭化水素若しくはその誘導体を使用する
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
有機金属性の酸化チタン前駆物質は、酸素結合で結合した直鎖又は分岐アルキル基及び／又はアルケニル基を有する四配位チタンであって、前記アルキル基及び／又はアルケニル基は好ましくは炭素数２〜５の鎖長であって、Ｏ原子及び／又はＮ原子を置換により又は鎖中に有することができる
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
酸としては硝酸、塩酸、硫酸、リン酸、有機酸又はこれらの混合物を使用する
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
金属塩及び／又は有機金属化合物は、一価〜四価の金属イオン、好ましくは亜鉛イオン、水銀イオン、バナジウムイオン、アルミニウムイオン、チタンイオン、クロミウムイオン、カドミウムイオン、スズイオン、鉛イオン、ニッケルイオン及び／又はコバルトイオン、より好ましくはカルシウムイオン、マグネシウムイオン、銅イオン、亜鉛イオン及び／又は銀イオンを有する
ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
前記段階ａ）における金属イオン濃度は、塗布して乾燥させ、任意に加熱したコーティング中の金属イオン濃度が１〜２０重量％、好ましくは５〜１５重量％、更に好ましくは１０〜１２重量％となるように選択する
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
前記塗布は、ディップコーティング、スピンコーティング、ブレードコーティング、印刷又はスプレーによって実施する
ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
前記段階ａ）の調製物を、乾燥させて任意に加熱した後のコーティング一層の厚さが５０〜１０００ｎｍ、好ましくは５０〜２００ｎｍ、より好ましくは１３０〜１７０ｎｍ、最も好ましくは約１５０ｎｍとなるような厚さで塗布する
ことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
前記段階ａ）の調製物をゾル状で塗布し、金属塩及び／又は有機金属化合物が均一に分散及び溶解している前記ゾルは、塗布中又は塗布後に、金属イオンが均一に分散及び溶解しているゲルへと変形する
ことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
請求項１の段階ａ）〜ｃ）を一回又は数回繰り返して、一層以上の酸化チタンコーティングをインプラント上に調製し、各コーティングは前記段階ｃ）の後に１００〜１０００℃で任意に加熱することができる
ことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の方法。
前記金属イオン濃度が前記段階ａ）において異なっていて、これによって、元々のコーティング中、及び、塗布して乾燥させ、任意に加熱した一層以上のコーティング中の金属イオン濃度が異なっている
ことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
前記金属イオン濃度が前記段階ａ）において異なっていて、これによって、元々のコーティング中、及び、塗布して乾燥させ、任意に加熱した一層以上のコーティング中の金属イオン濃度が、インプラントに近接する内側のコーティングから外側に向かうにつれて減少していく
ことを特徴とする請求項１６又は１７に記載の方法。
前記段階ｃ）において塗布したコーティングの乾燥を、超臨界条件下で実施する
ことを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
塗布した各コーティングは、異なる金属イオンを有している
ことを特徴とする請求項１６〜１９のいずれか１項に記載の方法。
酸化チタンコーティングを有するインプラントであって、
請求項１〜２０のいずれか１項に記載の方法によって調製できる
ことを特徴とするインプラント。
コーティング中で得られる金属イオンは、生理的条件下においてコーティング中から周囲の媒体中へ溶出できる
ことを特徴とする請求項２１に記載のインプラント。
各酸化チタンコーティング一層の厚さが、５０〜１０００ｎｍ、好ましくは５０〜２００ｎｍ、より好ましくは１３０〜１７０ｎｍ、最も好ましくは約１５０ｎｍである
ことを特徴とする請求項２１又は２２に記載のインプラント。
前記金属イオンは、各酸化チタンコーティング中に均一に分散している
ことを特徴とする請求項２１〜２３のいずれか１項に記載のインプラント。
酸化チタンコーティング中に含まれる金属イオン濃度は、前記コーティングが最初に抗菌効果を有し、かつ、調節可能な時間の後に生体に適合するような濃度である
ことを特徴とする請求項２１〜２４のいずれか１項に記載のインプラント。
酸化チタンコーティング中の金属イオン濃度は、１〜２０重量％、好ましくは５〜１５重量％、更に好ましくは１０〜１２重量％である
ことを特徴とする請求項２１〜２５のいずれか１項に記載のインプラント。
酸化チタンコーティング中に含まれる金属イオンは、銅イオン及び／又は銀イオンである
ことを特徴とする請求項２１〜２６のいずれか１項に記載のインプラント。
患者に移植するための請求項２１〜２７のいずれか１項に記載のインプラントの使用。