(57)【要約】      （修正有）【課題】抗菌性に優れたセラミック抗菌材料および該材料で構成された抗菌部品ならびにその製造方法の提供。【解決手段】セラミックス抗菌材料は、窒化珪素を３０〜８０質量％および窒化硼素を２０〜７０質量％含有する焼結体で構成されている。また、このセラミックス抗菌材料で構成されている抗菌部品は、細菌の繁殖を抑制する必要のある状況で使用される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化珪素および窒化硼素を含有する焼結体で構成されたセラミックス抗菌材料。
【請求項２】
前記窒化珪素を３０〜８０質量％含有し、
前記窒化硼素を２０〜７０質量％含有することを特徴とする請求項１に記載のセラミックス抗菌材料。
【請求項３】
焼結助剤成分を更に備え、
前記窒化珪素を２７〜８０質量％含有し、
前記窒化硼素を１７〜７０質量％含有し、
前記焼結助剤成分を３〜２５質量％含有することを特徴とする請求項１に記載のセラミックス抗菌材料。
【請求項４】
表面の算術平均粗さＲａが０．２〜５μｍの範囲である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセラミックス抗菌材料。
【請求項５】
細菌の繁殖を抑制する必要のある状況で使用される部品であって、少なくとも表面の一部が請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセラミックス抗菌材料で構成されている抗菌部品。
【請求項６】
前記表面に深さが１００μｍ以上の凹部が複数形成されていることを特徴とする請求項５に記載の抗菌部品。
【請求項７】
窒化珪素の粉末および窒化硼素の粉末が混合された混合物を非酸化性雰囲気で焼結して焼結体を作製する工程と、
細菌の繁殖を抑制する必要のある状況で使用される抗菌部品の形状に前記焼結体を機械加工する工程と、
を含む抗菌部品の製造方法。
【請求項８】
前記抗菌部品の表面に深さが１００μｍ以上の凹部を機械加工またはレーザ加工で複数形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項７に記載の抗菌部品の製造方法。
【請求項９】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセラミックス抗菌材料の粉末と、金属、樹脂、繊維、紙およびガラスから選択される少なくとも一種以上の材料と、が混合されたセラミックス複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、セラミックス抗菌材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
悪性新生物の治療を受ける患者は、健常者に比べて体力や免疫力の低下が著しいため、手術の際に手術部位に発生する感染症に罹る恐れがある。このような感染症の発症は、医療技術や医薬品の進歩により徐々に減少してきているが、コストの関係から中低所得国においては、なお発症頻度の高い感染症である。また、高所得国においても、医療関連感染症の中で上位の感染症であり、未だ重要な問題である。対策としては、抗菌薬の投与や抗菌性材料の埋没などが行われているが、抗菌薬の長期使用は耐性菌の発生が懸念されるため、その使用にも限界がある。
【０００３】
そこで、近年、抗菌薬を使用せずに抗菌効果を生じさせる技術として、抗菌プレートを用いたものが考案されている（例えば特許文献１、非特許文献１、非特許文献２参照）。この技術は、プレートの表面にサメ肌の鱗を模した特定の凹凸形状を形成することで、薬剤を用いずにプレート表面の細菌に対して抗菌効果を生じさせるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第１７／０６６２６５号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Reddy et al、「Micropatterned Surfaces for Reducing the Risk of Catheter-Associated Urinary Tract Infection」、JOURNAL OF ENDOUROLOGY、Mary Ann Liebert, Inc.、September 2011、Volume 25、Number 9、ｐ．1547-1552
【非特許文献２】Chung et al、「Impact of engineered surface microtopography on biofilm formation of Staphylococcus aureus」、Biointerphases、American Vacuum Society、29 June 2007、Volume 2、Number 2、ｐ．89-94
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、抗菌性に優れた新たな技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のある態様のセラミックス抗菌材料は、窒化珪素および窒化硼素を含有する焼結体で構成されている。
【０００８】
この態様によると、抗菌性に優れた抗菌部品の材料に使用できる。
【０００９】
上記のセラミックス抗菌材料は、窒化珪素を３０〜８０質量％含有し、窒化硼素を２０〜７０質量％含有してもよい。
【００１０】
上記のセラミックス抗菌材料は、焼結助剤成分を更に備えてもよい。また、上記のセラミックス抗菌材料は、窒化珪素を２７〜８０質量％含有し、窒化硼素を１７〜７０質量％含有し、焼結助剤成分を３〜２５質量％含有してもよい。これにより、焼結体の強度が増し、抗菌材料としての応用範囲が広がる。
【００１１】
上記のセラミックス抗菌材料は、表面の算術平均粗さＲａが０．２〜５μｍの範囲であるとよい。より好ましくは、Ｒａが０．３〜５μｍの範囲であるとよい。このような表面の微小な凹凸により抗菌性能を向上できる。
【００１２】
本発明の他の態様は抗菌部品である。この抗菌部品は、細菌の繁殖を抑制する必要のある状況で使用される部品であって、少なくとも表面の一部が上記のセラミックス抗菌材料で構成されている。これにより、表面以外の部分をセラミックス抗菌材料以外の比較的安価な材料で構成できるので、抗菌部品のコストを低減できる。
【００１３】
上記のセラミックス抗菌部品は、表面に深さが１００μｍ以上の凹部が複数形成されていてもよい。これにより、抗菌効果を高めることができる。
【００１４】
本発明の更に別の態様は、抗菌部品の製造方法である。この方法は、窒化珪素の粉末および窒化硼素の粉末が混合された混合物を非酸化性雰囲気で焼結して焼結体を作製する工程と、細菌の繁殖を抑制する必要のある状況で使用される抗菌部品の形状に焼結体を機械加工する工程と、を含む。
【００１５】
この態様によると、抗菌効果の高い材料で抗菌部品を効率良く製造できる。
【００１６】
上記の抗菌部品の製造方法は、抗菌部品の表面に深さが１００μｍ以上の凹部を機械加工またはレーザ加工で複数形成してもよい。これにより、抗菌効果の高い抗菌部品を製造できる。
【００１７】
本発明の更に別の態様は、セラミックス複合材料である。この複合材料は、セラミックス抗菌材料の粉末と、金属、樹脂、繊維、紙およびガラスから選択される少なくとも一種以上の材料と、が混合されている。
【００１８】
この態様によると、抗菌性能を発揮しつつ複合材料自体の物性、例えば、比重や強度を調整できる。
【００１９】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。また、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、抗菌性に優れた部品を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１（ａ）〜図１（ｅ）は、抗菌試験の方法を説明するための模式図である。
【図２】図２（ａ）〜図２（ｅ）は、各試験片の表面写真を示す図である。
【図３】図３（ａ）〜図３（ｄ）は、ホトベールII-k７０の表面の拡大写真（５０倍〜３０００倍）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
【００２３】
（焼結体の製造方法）
本発明者らは、抗菌材料に適したセラミックスを見出すために鋭意検討した結果、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）と窒化硼素（ＢＮ）を含有する焼結体が抗菌材料に適していることを見出した。はじめに、セラミックス抗菌材料に適した焼結体の製造方法について説明する。
【００２４】
まず、窒化珪素２７〜８０質量％と窒化硼素１７〜７０質量％とからなる主原料粉末を、焼結助剤成分３〜２５質量％と混合して原料粉末を調製する。この混合は、例えば、湿式ボールミル等により行うことができる。なお、焼結助剤成分の質量によっては、窒化珪素３０〜８０質量％と窒化硼素２０〜７０質量％とを混合した主原料粉末を用いてもよい。
【００２５】
窒化硼素は、被削性に優れるものの強度特性が悪い。したがって、焼結体中に粗大な窒化硼素が存在すると、それが破壊起点となって、加工時のカケ、割れ発生要因となる。このような粗大な窒化硼素粒子を形成しないためには、原料粉末を微粉にすることが有効である。主原料粉末、特に窒化硼素の原料粉末は平均粒径１μｍ未満のものを使用することが望ましい。窒化硼素は、六方晶系（ｈ−ＢＮ）低圧相のものや立方晶系（ｃ−ＢＮ）高圧相のものなどが存在するが、快削性の観点では六方晶系の窒化硼素が好ましい。また、加工性の観点では、窒化硼素が多いほど、また、窒化珪素が少ないほど好ましい。また、機械的強度やヤング率は、窒化硼素が少ないほど、また、窒化珪素が多いほど高くなる。
【００２６】
焼結助剤は、窒化珪素や窒化硼素の焼結に使用されているものから選択することができる。好ましい焼結助剤は酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化マグネシウム（マグネシア）、酸化イットリウム（イットリア）、およびランタノイド金属の酸化物から得られた１種若しくは２種以上である。より好ましくはアルミナとイットリアの混合物、若しくはこれに更にマグネシアを添加した混合物、若しくはイットリアとマグネシアの混合物等である。焼結助剤成分の配合量は、全原料粉末の１〜２５質量％、特に３〜２５質量％の範囲とすることが望ましい。
【００２７】
焼結助剤成分の配合量が１質量％以上、好ましくは３質量％以上であれば、緻密化しやすくなり、焼結体の密度不足や機械的特性の低下を抑制できる。一方、焼結助剤成分の配合量が２５質量％以下であれば、強度の低い粒界相が低減されることで、機械的強度の低下や粒界相の増加による加工性の低下が抑制できる。
【００２８】
次に、原料粉末を高温加圧下で焼結させ、焼結体とする。この焼結は、例えば、ホットプレスより行うことができる。なお、アルゴン雰囲気で行ってもよい。ホットプレスは、非酸化性雰囲気である例えば窒素雰囲気中で行うが、加圧窒素中で行ってもよい。ホットプレス温度は１７００〜１９５０℃の範囲内がよい。温度が低すぎると焼結が不十分となり、高すぎると主原料の熱分解が起こるようになる。加圧力は２０〜５０ＭＰａの範囲内が適当である。ホットプレスの持続時間は温度や寸法にもよるが、通常は１〜４時間程度である。高温加圧焼結は、ＨＩＰ（ホットアイソスタティクプレス）により行うこともできる。この場合の焼結条件も、当業者であれば適宜設定できる。
【００２９】
得られた焼結体は、焼結助剤の種類や量を適切に選択すれば、２５℃〜６００℃での熱膨張係数が３×１０−６／℃以下となる。この焼結体は被削性に優れ、かつ高強度であるため、精度の高い加工が可能であり、複雑な形状の加工部品の素材として好適である。そして、この焼結体を適当な研削砥石またはドリルを用いて加工することで、所定形状のセラミックス加工部品を製造できる。また、セラミックス加工部品に、研削砥石またはドリルを用いて更にスリット加工若しくは穴あけ加工を施すことで、部品表面に凹凸パターン（スリットや溝、穴等の複数の凹部）を形成することもできる。
【００３０】
凹部は、例えば、開口の一辺が１０〜１００μｍの四角形であり、深さが１００μｍ以上である。また、複数の凹部がマトリックス状に形成されている。隣接する凹部同士の間隔は、例えば、１０〜５０μｍ程度である。また、溝やスリットの幅は、例えば５０〜２０００μｍ程度である。
【００３１】
こうして製造されたセラミックス加工部品の用途は特に制限されないが、例えば、生体に留置する部品、手術器具、衛生機器部品といった細菌の繁殖を抑制する必要のある状況で使用される部品として有用である。
【００３２】
［実施例］
平均粒径０．５μｍの六方晶窒化硼素(ｈ−ＢＮ)粉末と、平均粒径０．２μｍの窒化珪素粉末を混合した。この混合粉末（主原料粉末）に対して、焼結助剤として、イットリアとマグネシアを加え、エチルアルコールを溶媒としてボールミル混合を行った。得られたスラリーを乾燥させて原料粉末を得た。
【００３３】
この原料粉末を黒鉛製のダイスに充填し、窒素雰囲気中で３０ＭＰａの圧力を加えながら１８００℃で１時間ホットプレス焼結を行い、セラミックス焼結体を得た。そして、得られたセラミックス焼結体が抗菌材料に適しているか確認するために、以下の２つの実験を行った。
【００３４】
（抗菌試験）
（１）試験方法
ＪＩＳ  Ｚ  ２８０１「抗菌性加工製品−抗菌性試験方法・抗菌効果」に準拠
（２）内容
図１（ａ）〜図１（ｅ）は、抗菌試験の方法を説明するための模式図である。はじめに、抗菌性の評価の対象であるプレート状の試験片１０をシャーレ１２に載置する。そして、黄色ブドウ球菌または大腸菌（試験菌数０．４ｍＬ）を培養液１３とともにシャーレ１２に滴下する（図１（ａ））。培養液の量は、試験片１０の表面が浸漬する程度に調整する。その状態で、シャーレ１２をインキュベータ１４に入れ、３５℃で２４時間培養する（図１（ｂ））。
【００３５】
その後、シャーレ１２から培養液１５のみを取り出し（図１（ｃ））、別のシャーレ１６に移し替え、再度インキュベータ１４に入れて３５℃、２４時間培養する（図１（ｄ））。そして、インキュベータ１４から取り出したシャーレ１６における菌数を計測する（図１（ｅ））。
【００３６】
（３）試験片
図２（ａ）〜図２（ｅ）は、各試験片の表面写真を示す図である。試験片は、以下の５つである。
図２（ａ）ｈＢＮ含有窒化珪素系セラミックス（Ｓｉ３Ｎ４−ｈＢＮ：「ホトベールII-k７０」株式会社フェローテックセラミックス製）、平坦面、表面粗さＲａ＝０．３５μｍ
図２（ｂ）ｈＢＮ含有窒化珪素系セラミックス（同上）、パターニング面（格子の幅２１±１μｍ、四角穴の一辺５０±２μｍ、深さ１６０±１０μｍ）、表面粗さＲａ＝０．４６μｍ
図２（ｃ）窒化珪素系セラミックス（Ｓｉ３Ｎ４：「ＨＰＳＮ６０６」株式会社フェローテックセラミックス製）、平坦面、表面粗さＲａ＝０．１９μｍ
図２（ｄ）窒化珪素系セラミックス（同上）、パターニング面（格子の幅２１±１μｍ、四角穴の一辺５０±２μｍ、深さ１６０±１０μｍ）表面粗さＲａ＝０．１９μｍ
図２（ｅ）チタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−Ｖ）、平坦面、表面粗さＲａ＝０．０４μｍ
【００３７】
図３（ａ）〜図３（ｄ）は、ホトベールII-k７０の表面の拡大写真を示す図である。図３（ｃ）や図３（ｄ）に示すように、ホトベールII-k７０の表面は非常に微小な凹凸が形成されている。なお、ホトベールII-k７０の組成は、窒化硼素が３８．５質量％、窒化珪素が５４．１質量％、イットリアが５．５質量％、マグネシア１．９質量％である。
【００３８】
（４）評価結果
表１は、黄色ブドウ球菌または大腸菌に対する各試験片の抗菌性を示したものである。
【表１】
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【００３９】
表１に示すように、試験菌が黄色ブドウ球菌の場合、実施例１、２に係る試験片（材質Ｓｉ３Ｎ４−ｈＢＮ）は、表面形態が平坦かパターン面かに拘わらず、培養後のシャーレ１６においては菌数が０個であった。また、参考例１、２に係る試験片（材質Ｓｉ３Ｎ４）も、表面形態が平坦かパターン面かに拘わらず、培養後のシャーレ１６においては菌数が０個であった。一方、表面形態が平坦面である比較例に係る試験片（材質チタン合金）は、培養後のシャーレ１６においては菌数が１７４０個であった。したがって、ブドウ球菌に対しては、ｈＢＮ含有窒化珪素系セラミックスおよび窒化珪素系セラミックスが、試験片の表面形態に拘わらず抗菌性を示した。
【００４０】
また、表１に示すように、試験菌が大腸菌の場合、実施例１、２に係る試験片（材質Ｓｉ３Ｎ４−ｈＢＮ）は、表面形態が平坦かパターン面かに拘わらず、培養後のシャーレ１６においては菌数が０個であった。また、表面形態がパターン面である参考例２に係る試験片（材質Ｓｉ３Ｎ４）も、培養後のシャーレ１６においては菌数が０個であった。一方、表面形態が平坦面である参考例１に係る試験片（材質Ｓｉ３Ｎ４）は、培養後のシャーレ１６においては菌数が１１３個であった。また、表面形態が平坦面である比較例に係る試験片（材質チタン合金）は、培養後のシャーレ１６においては菌数が４０個であった。したがって、大腸菌に対しては、ｈＢＮ含有窒化珪素系セラミックスが、試験片の表面形態に拘わらず抗菌性を示した。また、大腸菌に対しては、表面形態がパターン面である窒化珪素系セラミックスが、抗菌性を示した。
【００４１】
加えて、本願発明者らは、表面形態の一つであるパターンの相違以外に、セラミックス抗菌材料の表面の算術平均粗さＲａも抗菌性に影響があることに想到した。本実施の形態に係るセラミックス抗菌材料は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）および窒化硼素（ｈ−ＢＮ）を含有する組織を有しており、窒化硼素の特徴である劈開性により、加工面（切断や研削）には窒化ホウ素の脱落による、算術平均粗さＲａが０．２〜５μｍ程度の微小な凹凸面が形成される（図３（ａ）〜図３（ｄ）参照）。このような微小な凹凸面が菌に対して作用することで、抗菌性能が向上すると考えられる。
【００４２】
このように、上述の抗菌試験の結果から、ホトベールII-k７０を一例とした窒化珪素および窒化硼素を含有する焼結体で構成されているセラミックス抗菌材料は、抗菌性に優れた抗菌部品の材料に使用できる。
【００４３】
また、窒化物系セラミックス抗菌材料は、ホトベールII-k７０のように焼結助剤成分を更に備えてもよい。これにより、焼結体の強度が増し、抗菌材料としての応用範囲が広がる。
【００４４】
（抗菌部品）
本実施の形態に係る抗菌部品は、細菌の繁殖を抑制する必要のある状況で使用される部品である。抗菌部品としては、例えば、生体内に留置する部品（人工骨）や手術器具、衛生機器（風呂、トイレ、洗面所等で利用される機器）等が挙げられる。これらの抗菌部品は、少なくとも表面の一部が上記のセラミックス抗菌材料で構成されている。これにより、表面以外の部分をセラミックス抗菌材料以外の比較的安価な材料で構成できるので、抗菌部品のコストを低減できる。
【００４５】
抗菌部品は、表面に深さが１００μｍ以上の凹部が複数形成されているとよい。これにより、抗菌効果を高めることができる。
【００４６】
また、生体内に留置する部品としてセラミックス抗菌材料を用いることで、金属材料を用いた場合と比較して、ＣＴ撮影でのアーチファクトやＭＲＩ撮影での発熱がなく、人体に埋設しても術後の患部検査が可能となる。また、術後の感染症の抑制にも効果的である。
【００４７】
また、窒化珪素と窒化硼素とを含有するセラミックス焼結体は、高強度で高マシナブル性（快削性）を有するので、複雑な微細加工が可能となり、人体の一部を置換するときの形状適合性がよい。また、人体への埋設時に、個々の体格や適用場所に応じて形状をその場で調整することも可能となる。
【００４８】
（セラミックス生体材料の製造方法）
上述のように、本実施の形態に係る抗菌部品の製造方法は、窒化珪素の粉末と、窒化硼素の粉末と、焼結助剤成分を含む粉末とが混合された混合物を非酸化性雰囲気で焼結して焼結体を作製する工程と、細菌の繁殖を抑制する必要のある状況で使用される抗菌部品の形状に焼結体を機械加工する工程と、を含む。窒化珪素と窒化硼素とを含有するセラミックス焼結体は、高強度で高マシナブル性（快削性）を有するので、複雑な微細加工が可能である。そのため、抗菌効果の高い材料で抗菌部品を効率良く、また、高精度で製造できる。
【００４９】
抗菌部品の製造方法は、抗菌部品の表面に深さが１００μｍ以上の凹部を機械加工またはレーザ加工で複数形成する工程を更に含んでもよい。これにより、抗菌効果の高い抗菌部品を製造できる。
【００５０】
（セラミックス複合材料）
本実施の形態の別の態様は、セラミックス複合材料である。この複合材料は、セラミックス抗菌材料の粉末と、金属、樹脂、繊維、紙およびガラスから選択される少なくとも一種以上の材料と、が混合されている。これにより、抗菌性能を発揮しつつ複合材料自体の物性、例えば、比重や強度を調整できる。
【００５１】
以上、本発明を上述の実施の形態や実施例を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや工程の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
【符号の説明】
【００５２】
１０  試験片、  １２  シャーレ、  １３  培養液、  １４  インキュベータ、  １５  培養液、  １６  シャーレ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2020019677.tif 000006