(57)【要約】  本開示は、表面上の抗微生物コーティング、それを調製する方法及びその使用に関する。特に、本開示は、抗微生物コーティングを表面に調製する方法であって、ａ）表面を用意するステップ；ｂ）金属酸化物又は金属水酸化物を、水熱合成ステップにおいて溶媒の存在下で表面にコーティングして、複数のナノ構造を有するコーティングされた表面を形成するステップ；ｃ）前記コーティングされた表面を任意で乾燥するステップを含み、前記ナノ構造が、好ましくはナノピラー構造をとる方法に関する。本出願のコーティングは、細菌や酵母など様々なタイプの微生物に対して優れた抗微生物活性を示す。ナノ構造は、微生物にストレスを加えることができ、したがって微生物を防除又は死滅させる。
2019534339.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
抗微生物コーティングを表面に調製する方法であって、
ａ）表面を用意するステップ；
ｂ）金属酸化物又は金属水酸化物を、水熱合成ステップにおいて溶媒の存在下で前記表面にコーティングして、複数のナノ構造を有するコーティングされた表面を形成するステップ；及び
ｃ）任意で前記コーティングされた表面を乾燥するステップ
を含む方法。
【請求項２】
表面が、ガラス、ポリマー、プラスチック、セラミック、シリコンウェハ又は金属を含む群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
金属酸化物又は金属水酸化物を表面にコーティングする前に、前記表面が、イソプロパノール、水、アセトン、又はそれらの任意の混合物を含む群から選択される溶媒で洗浄される、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
水熱合成ステップにおいて使用される溶媒が、水である、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
金属酸化物が、遷移金属の酸化物である、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
金属酸化物が、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、Ａｇ２Ｏ、ＣｕＯ、ＮｉＯ、Ａｕ２Ｏ３及びＭｎＯ２を含む群から選択される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
金属水酸化物が、遷移金属の水酸化物である、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
金属水酸化物がＦｅＯＯＨである、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
表面上の金属水酸化物コーティングが、乾燥ステップにおいて金属酸化物に変換される、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
乾燥ステップが、空気中で３００℃〜１０００℃、好ましくは４００℃〜９００℃、より好ましくは５００℃〜８００℃の温度で加熱するステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
水熱方法より前に、金属酸化物ゾルを表面にコーティングすることによって、金属酸化物のシードコーティングが前記表面に形成される、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
表面上の金属酸化物ゾルコーティングが、２００℃の温度、好ましくは３００℃の温度、最も好ましくは４００℃の温度で加熱することによって乾燥される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
金属酸化物ゾルでコーティングされた表面の調製が、金属酸化物を含有する溶液に前記表面を入れるステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
水熱合成ステップが、５０℃〜３００℃、好ましくは８０℃〜２２０℃、より好ましくは１００℃〜１２０℃で実施される、請求項１〜１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
水熱合成ステップ後のコーティングされた表面を、乾燥する前に脱イオン水で広範囲にわたって洗い流す、請求項１〜１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
コーティングされた表面の乾燥が、周囲条件下で実施可能である、請求項１〜１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
コーティングされた表面を加熱するステップをさらに含み、前記加熱するステップが、３００℃〜１０００℃、好ましくは４００℃〜９００℃、より好ましくは５００℃〜８００℃で実施される、請求項１〜１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
金属酸化物の層の厚さが、１ｎｍ〜１００００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ〜８００ｎｍ、より好ましくは１５０ｎｍ〜６００ｎｍ、はるかに好ましくは２００ｎｍ〜５００ｎｍである、請求項１〜１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
水熱合成ステップが、１時間〜２４時間、好ましくは２時間〜２１時間、より好ましくは３時間〜１８時間の反応時間で行われる、請求項１〜１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
金属酸化物ナノ構造が、ナノピラー、ナノロッド、ナノコーン、ナノキューブ、ナノドット及びナノニードルである、請求項１〜１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
表面上の金属酸化物層の構造がナノピラーである、請求項１〜２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
ナノ構造、好ましくはナノピラーが、表面から１ｎｍ〜１００００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ〜８００ｎｍ、より好ましくは１５０ｎｍ〜６００ｎｍ、最も好ましくは２００ｎｍ〜５００ｎｍ伸長する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
請求項１〜２２のいずれかに記載の方法において得られるコーティングされた表面の抗微生物材料としての使用。
【請求項２４】
請求項１〜２２のいずれかに記載の方法によって得られる表面を含む抗微生物材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、金属酸化物で覆われた表面であって、抗微生物性を示すことができる表面に関する。本発明はまた、それを調製する方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
感染症及び薬物抵抗性は、われわれの公衆衛生に対して深刻な脅威を生みだしてきた。頻繁に触られた表面を介する交差感染は、感染症の主因の１つである。有機殺生物剤化学薬品又は消毒薬は、表面上の細菌を死滅させるのに一般に使用されてきた。化学薬品が、抗微生物の目的で表面にグラフト又はコーティングもされてきた。しかし、有機殺生物剤及び改質表面は、殺微生物剤（microbicide agent）に対する薬物抵抗性の増大、低い殺微生物効力、毒性残留物及び不十分な長期安定性などクリティカルな問題を有する。長期安定性及び活性をもつ抗微生物表面の製作は、感染症を防除するための重要な手法であり、依然としてやりがいのある課題である。
【０００３】
最近、表面ナノワイヤー及びナノ突起が接着細胞の細胞膜を貫通することができることが報告されている。セミの翅の表面上のナノピラーアレイの殺細菌性も報告されている。それは、完全に、セミの翅上での細胞とナノパターンとの間の物理的相互作用であり、それによって、化学薬品をさらに適用する必要なしに細胞変形及び大量の溶菌が起こる。重要なことに、殺細菌性は、ブラックシリコン並びにチタン、亜鉛及び銅表面上の合成ナノパターンでも観察される。この新規な発見は、清浄で安全である革新的な殺微生物表面技術を開発する絶好の機会を広げ、外部の化学薬品を必要とせず、抵抗性の問題がない。表面ナノ構造は、無機材料で作製されるので、改善された長期安定性及び活性を潜在的に有する。しかし、適切な細胞教育的（cell-instructive）ナノアレイ表面を効率的で簡単な方式で創造することができる既存の技術は存在しない。現在、殺細菌性について検討された材料及びナノトポグラフィーはごく限られたものしかない。表面ナノパターンを製作するのに現行使用されている「トップダウン」手法（反応イオンビームエッチング及び水熱エッチング方法など）は、複雑精巧であり、費用がかかり、極めて特定の材料に依存する。気相成長方法も、表面ナノ構造を調製するのに使用される。しかし、この方法は、同様に費用がかかり、スケールアップするのが困難であることを示す。
【０００４】
したがって、殺生物ナノ構造をよく使用される表面に調製又はコーティングするための簡単で拡大縮小可能な方法を開発する必要がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一態様において、抗微生物コーティングを表面に調製する方法であって、
ａ）表面を用意するステップ；
ｂ）金属酸化物又は金属水酸化物を、水熱合成ステップにおいて溶媒の存在下で前記表面にコーティングして、複数のナノ構造を有するコーティングされた表面を形成するステップ；及び
ｃ）任意で前記コーティングされた表面を乾燥するステップ
を含む方法を提供する。
【０００６】
別の態様において、本明細書に記載される方法において得られるコーティングされた表面の抗微生物材料としての使用を提供する。
【０００７】
別の態様において、本明細書に記載される方法によって得られる表面を含む抗微生物材料を提供する。
【０００８】
本発明者らは、驚くべきことに、本明細書に定義される方法が、抗微生物性を有する金属酸化物でコーティングされている表面を調製するのに好都合に適していることを見出した。特に、方法は、水熱合成ステップを使用して、金属酸化物又は金属水酸化物を表面にコーティングし、表面を乾燥及び／又は加熱してもよく、コーティングされた表面を得ることに関する。方法において用いることができる表面が、ガラス、ポリマー、プラスチック、セラミック、シリコンウェハ又は金属を含む群から選択される。さらに、本発明において使用することができる金属酸化物は、遷移金属の酸化物、好ましくはＺｎＯ、ＴｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、Ａｇ２Ｏ、ＣｕＯ、ＮｉＯ、Ａｕ２Ｏ３及びＭｎＯ２を含む群から選択される酸化物を含む。本発明において使用することができる金属水酸化物は、遷移金属の水酸化物を含む。
【０００９】
有利なことには、本発明による方法によって、金属酸化物ナノパターンを、殺細菌性をもつ様々な表面にコーティングすることが可能になる。様々なタイプの金属酸化物（ＺｎＯ、ＴｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３又はＦｅＯＯＨなど）を、設計されたナノ構造で様々な表面（ガラス、ポリマー、プラスチック及び金属など）にコーティングすることができる。本発明によるナノ構造化表面は、優れた安定性及び殺細菌活性を有する。伝統的な化学グラフト型抗細菌表面と異なり、金属酸化物ナノアレイコーティングは、細胞膜の破裂に基づいて細菌を死滅させる。本発明による方法は、抗細菌表面を調製するための代替戦略を提供する。
【００１０】
有利なことには、表面上のナノ構造化金属酸化物コーティングは、接触すると９９％を超える細菌を死滅させる。したがって、金属酸化物コーティングは、細胞膜を破裂することによって細菌を死滅させる。表面上の金属酸化物コーティングのナノ構造は、最も好ましくはナノピラーの形状をとる。
【００１１】
ナノピラーを表面に成長させる最も容易な方法は、溶液方法によるものであり、表面を水熱条件下で成長溶液に入れると、金属酸化物ナノピラーが表面に形成される。ナノピラーの成長の鍵は、溶液成分を調整して、ピラーの一方向のみを成長させ、金属酸化物の他の方向の成長を抑制することができるようになることによる。
【００１２】
したがって、本発明者らは、以上に開示するナノ構造化金属酸化物の抗微生物コーティングを表面に調製する方法であって、コーティングされた表面が、生物医学、医薬品及び化粧品においていくつか適用される方法を見出した。
【００１３】
定義
本明細書で使用される以下の単語及び用語は、指示された意味を有するものとする。
【００１４】
表現「ナノピラー（nanopillar）」は、格子様アレイに集めることができるピラー形状のナノ構造を指す。各ナノピラーは、底部がピラー形状であり、頭頂部が先細の先端であり得る。
【００１５】
表現「セラミック（ceramic）」は、主にイオン結合、共有結合又は両方が混じり合ったものによって保持されている金属、非金属又は半金属原子を含む無機で非金属の固体材料を指す。
【００１６】
表現「水熱合成（hydrothermal synthesis）」又は「水熱条件（hydrothermal conditions）」は、密閉容器中、ことによると高蒸気圧における高温水溶液の合成反応又は合成条件を指す。
【００１７】
単語「実質的に（substantially）」は、「完全に」を除外しない。例えば、Ｙを「実質的に含まない」組成物は、Ｙを完全に含まないこともある。必要に応じて、単語「実質的に」を、本発明の定義から削除することができる。
【００１８】
別段の指定がない限り、用語「含む（comprising）」、「含む（comprise）」及びその文法的変形は、記載された要素を包含するが、記載されていない別の要素を包含することも許すような「オープンな」又は「包括的な」言語を表すように意図される。
【００１９】
本明細書では製剤の成分の濃度に関連した用語「約（about）」は、典型的には明記された値の±５％、より典型的には明記された値の±４％、より典型的には明記された値の±３％、より典型的には明記された値の±２％、さらにより典型的には明記された値の±１％、さらにより典型的には明記された値の±０．５％を意味する。
【００２０】
本開示全体にわたって、いくつかの実施形態は範囲形式で開示されることがある。範囲形式での記載は便宜及び簡略のためにすぎず、開示された範囲の領域に変更できない制限があると解釈されるべきでないと理解されたい。したがって、ある範囲での記載は、考え得る部分範囲すべて及びその範囲内の個々の数値を具体的に開示したものとみなされるべきである。例えば、１〜６などの範囲の記載は、１〜３、１〜４、１〜５、２〜４、２〜６、３〜６などの部分範囲、並びにその範囲内の個々の数値、例えば１、２、３、４、５、及び６を具体的に開示したものとみなされるべきである。これは、範囲の幅にかかわらず当てはまる。
【００２１】
いくつかの実施形態が、本明細書において広義的及び包括的に記載されることもある。包括的な開示内に入る下位の種及び亜属のグルーピングもそれぞれ、開示の一部分を成す。これは、実施形態の包括的記載を含むが、属からいずれかの（any）主題（subject matter）を除去するという条件又は消極的な限定を伴い、削除された材料が本明細書に具体的に記載されているか否かを問わない。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
抗微生物コーティングを表面に調製する方法の例示的な、非限定的な実施形態を次に開示する。
【００２３】
一態様において、抗微生物コーティングを表面に調製する方法であって、
ａ）表面を用意するステップ；
ｂ）金属酸化物又は金属水酸化物を、水熱合成ステップにおいて溶媒の存在下で表面にコーティングして、複数のナノ構造を有するコーティングされた表面を形成するステップ；及び
ｃ）コーティングされた表面を乾燥する任意のステップ
を含む方法を提供する。
【００２４】
本明細書に開示される方法ステップａ）において、抗微生物表面を調製するのに使用される表面は、ガラス、ポリマー、プラスチック、セラミック、シリコンウェハ、金属又はそれらの混合物を含む群から選択することができる。フッ素をドープした酸化スズ（ＦＴＯ，fluorine-doped tin oxide）及びスズをドープした酸化インジウム（ＩＴＯ，tin-doped indium oxide）などの透明導電性膜で覆われたガラス又は導電性金属表面を特に挙げることができる。ポリマーは、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ，poly methyl methacrylates）、ポリテトラフルオロエチレン（Teflon）、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン又はそれらの混合物を含む群から選択することができる。金属は、スズ、亜鉛、鉄、ステンレス鋼又はそれらの混合物を含む群から選択することができる。
【００２５】
表面のコーティングは、酸化物とすることができる。酸化物は、元素周期表の第２族、第４族、第７族、第８族、第１０族、第１１族、第１２族又は第１３族から選択される元素（複数可）の酸化物とすることができる。元素は、遷移金属若しくは非遷移金属又は両方の混合物とすることができる。一実施形態において、金属酸化物は、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、Ａｇ２Ｏ、ＣｕＯ、ＮｉＯ、Ａｕ２Ｏ３、ＭｎＯ２又はそれらの混合物を含む群から選択することができる。
【００２６】
あるいは、表面のコーティングは、水酸化物とすることができる。水酸化物は、元素周期表の第２族、第４族、第７族、第８族、第１０族、第１１族、第１２族又は第１３族から選択される元素の水酸化物とすることができる。一実施形態において、金属水酸化物はＦｅＯＯＨである。水酸化物は、水熱条件下に、アルカリ性硫酸塩、アルカリ性炭酸塩及びアルカリ性炭酸水素塩などのアルカリ塩の存在下でもよく、炭酸塩、炭酸水素塩、塩化物、硫酸塩、リン酸塩、硝酸塩又はこれらの塩のいずれかの誘導体など金属水酸化物の塩から生成することができる。
【００２７】
本明細書に開示される方法において、表面上の金属水酸化物コーティングを、乾燥ステップで金属酸化物に変換することができる。一実施形態において、表面上のＦｅＯＯＨコーティングは、乾燥ステップでＦｅ２Ｏ３に変換される。
【００２８】
本明細書に記載される方法において金属酸化物又は金属水酸化物を表面にコーティングする前に、表面を、イソプロパノール、水、アセトン、エタノール、ｔｅｒｔ  ブタノール、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ，dimethylsulfoxide）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ，dimethyl formamide）、酢酸又はそれらの任意の混合物を含む群から選択される極性溶媒で洗浄することができる。イソプロパノール／水／アセトンの混合物を特に挙げることができる。溶媒混合物は、約０．５〜１．５／０．５〜１．５／０．５〜１．５、好ましくは約０．７〜１．３／０．７〜１．７／０．７〜１．７、好ましくは約０．９〜１．９／０．９〜１．９／０．９〜１．９、最も好ましくは１／１／１の比で使用することができる。溶媒混合物は、本明細書に記載される極性溶媒のいずれかからなることができ、溶媒の混合物は、いかなる割合でもよい本明細書に記載される溶媒の２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、７つ又は８つからなることができる。一実施形態において、表面は、金属酸化物又は金属水酸化物を表面にコーティングする前に水で洗浄される。
【００２９】
本明細書に開示される方法において、乾燥ステップは、コーティングされた表面を空気中３００℃〜１０００℃、３２０℃〜９００℃、３３０℃〜８００℃、３４０℃〜７００℃、３５０℃〜６００℃、３００℃〜５００℃、３１０℃〜４００℃、４００℃〜１０００℃、４１０℃〜９００℃、４２０℃〜８００℃、４３０℃〜７００℃、４００℃〜６００℃、４００℃〜５００℃、５００℃〜１０００℃、５００℃〜９００℃、５００℃〜８００℃、５００℃〜７２０℃、５００℃〜６００℃、６００℃〜１０００℃、６００℃〜９００℃、６００℃〜８００℃又は６００℃〜７１０℃の温度で加熱するステップを含むことができる。
【００３０】
本明細書に開示される方法において、水熱方法より前に、金属酸化物ゾルを表面にコーティングすることによって、金属酸化物のシードコーティング（seed coating）を表面に形成することができる。一実施形態において、表面上の金属酸化物ゾルコーティングは、２００℃、３００℃、４００℃、５００℃、６００℃、７００℃、８００℃、９００℃又は１０００℃の温度で加熱することによって乾燥させることができる。
【００３１】
金属酸化物ゾルを用いた表面コーティングの調製は、金属酸化物を含む溶液に表面を入れるステップを含む。したがって、ステップａ）は、表面が、元素周期表の第２族、第４族、第７族、第８族、第１０族、第１１族、第１２族又は第１３族から選択される元素の酸化物、好ましくはＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、Ａｇ２Ｏ、ＣｕＯ、ＮｉＯ、Ａｕ２Ｏ３、ＭｎＯ２でプレコーティングされる別の方法ステップを含むことができる。そのようなプレコーティングは、ステップｂ）によってそれらの表面にコーティングされるナノ構造化金属酸化物の基礎とすることができる。プレコーティングは、好ましくは金属酸化物のゾルから形成することによって行われる。プレコーティング用の金属酸化物ゾル溶液は、表面にコーティングするための対応する金属酸化物の金属塩を極性溶媒中で混合することによって調製することができる。例えば、表面にコーティングするための金属酸化物が酸化亜鉛である場合、ゾル溶液は、亜鉛塩を使用して調製されるべきである。金属塩は、水酸化物、炭酸塩、酢酸塩、リン酸塩、硝酸塩、硫酸塩、炭酸水素塩、クエン酸塩、塩化物又はこれらの塩の任意の誘導体を含む群から選択することができる。一実施形態において、金属塩は結晶水を含有することができる。一実施形態において、使用される塩は、Ｚｎ（ＯＡｃ）２．２Ｈ２Ｏとすることができる。金属塩のゾル溶液中の濃度は、約０．６０ｍｏｌ／ｄｍ３、０．６５ｍｏｌ／ｄｍ３、０．７０ｍｏｌ／ｄｍ３、０．７５ｍｏｌ／ｄｍ３、０．８０ｍｏｌ／ｄｍ３、０．８５ｍｏｌ／ｄｍ３、０．９０ｍｏｌ／ｄｍ３、０．９５ｍｏｌ／ｄｍ３、１．００ｍｏｌ／ｄｍ３、１．１０ｍｏｌ／ｄｍ３、１．２０ｍｏｌ／ｄｍ３、１．４０ｍｏｌ／ｄｍ３、１．５０ｍｏｌ／ｄｍ３又は１．８０ｍｏｌ／ｄｍ３とすることができる。一実施形態において、金属塩のゾル溶液中の濃度は約０．７５ｍｏｌ／ｄｍ３である。
【００３２】
ゾル溶液を調製するのに使用する溶媒は、２−メトキシエタノール、イソプロパノール、水、アセトン、エタノール、ｔｅｒｔ−ブタノール、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、酢酸又はそれらの任意の混合物を含む群から選択することができる。一実施形態において、使用される溶媒は、２−メトキシエタノールとすることができる。有機塩基をゾル溶液の調製において添加することができる。塩基は、メチルアミン、エチルアミン、ｔｅｒｔ−ブチルアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、１，２−ジアミノエタン、アミノフェノール、ジアミノフェノール、イミダゾール、グアニジン又はそれらの任意の混合物を含む群から選択することができる。一実施形態において、使用される塩基は、モノエタノールアミンとすることができる。
【００３３】
溶媒中の金属塩及び有機塩基の混合物を含むゾル溶液は、加熱して又は加熱せず、かき回して又は撹拌して、溶解を助けることができる。溶液は、５０℃、５５℃、６０℃、６５℃、７０℃、７５℃、８０℃、８５℃、９０℃又は９５℃でかき回す又は撹拌することができる。一実施形態において、溶液を６０℃で撹拌して、溶解を助けて、清澄な均質溶液を得る。ゾル溶液を調製し、直ちに表面上に適用するために使用することができ、又はその後使用するために、冷凍庫中４℃、−５℃、−２０℃、−３０℃若しくは−５０℃で保管することができる。一実施形態において、溶液は、４℃の冷凍庫中で保管し、コーティング溶液として役立つことができる。
【００３４】
水熱合成ステップは、５０℃〜３００℃、６０℃〜２６０℃、７０℃〜２２０℃、７５℃〜１８０℃、７５℃〜１２０℃、８０℃〜３００℃、８０℃〜２６０℃、８０℃〜２２０℃、８０℃〜１８０℃、８０℃〜１２０℃、１００℃〜３００℃、１００℃〜２６０℃、１００℃〜２２０℃、１００℃〜１９０℃、又は１００℃〜１３０℃の温度で実施することができる。
【００３５】
本明細書に記載される方法の一実施形態において、水熱合成は希薄な金属硝酸塩水溶液及びヘキサメチレンテトラミン（ＨＭＴ，hexamethylenetetramine）から行われる。この方法によって成長させた金属ナノロッドは、ウルツ鉱構造（紅亜鉛鉱）を有する。本明細書に開示される金属硝酸塩及びＨＭＴに加えて、他の改質剤を添加することができるが、ＨＭＴ及び好ましくは硝酸亜鉛が特に挙げられる。他の改質剤としては、クエン酸ナトリウム及びジアミノプロパンが挙げられる。ｐＨを制御するための他の化学薬品としては、ＮａＯＨ、ジアミノプロパン及びジエチレントリアミンが挙げられる。
【００３６】
本明細書に記載される方法の一実施形態において、金属アルコキシドを水熱条件下で鉱酸、例えば塩酸などの酸と反応させることができる。金属アルコキシドとしては、特にチタンエトキシド、チタンイソプロポキシド、チタンｔ−ブトキシド、ｎ−ジブチルジアセチルスズ、ｎ−ブチルリチウム、ｓｅｃ−ブチルリチウムなど、又はそのアルコール溶液を挙げることができる。
【００３７】
本明細書に記載される方法の一実施形態において、水熱合成ステップ後に得られるコーティングされた表面を、乾燥する前に脱イオン水で広範囲にわたって洗い流すことができる。コーティングされた表面の乾燥は、周囲条件下で実施することができる。一実施形態において、方法は、コーティングされた表面を加熱するステップをさらに含むことができ、前記加熱ステップは、３００℃〜１０００℃、３１０℃〜９００℃、３２０℃〜８００℃、３３０℃〜７００℃、３４０℃〜６００℃、３００℃〜５００℃、３００℃〜４００℃、４００℃〜１０００℃、４００℃〜９００℃、４００℃〜８００℃、４００℃〜７００℃、４００℃〜６００℃、４００℃〜５００℃、５００℃〜１０００℃、５００℃〜９００℃、５００℃〜８００℃、５００℃〜７００℃、５００℃〜６００℃、６００℃〜１０００℃、６００℃〜９２０℃、６００℃〜８１０℃又は６００℃〜７２０℃の温度で実施される。
【００３８】
表面上の金属酸化物層は、１ｎｍ〜１００００ｎｍ、２ｎｍ〜５０００ｎｍ、１ｎｍ〜２０００ｎｍ、３ｎｍ〜８００ｎｍ、５ｎｍ〜６００ｎｍ、１ｎｍ〜５００ｎｍ、１００ｎｍ〜１００００ｎｍ、１２０ｎｍ〜５０００ｎｍ、１００ｎｍ〜２０００ｎｍ、１００ｎｍ〜８００ｎｍ、１００ｎｍ〜６００ｎｍ、１００ｎｍ〜５００ｎｍ、１５０ｎｍ〜１００００ｎｍ、１５０ｎｍ〜５０００ｎｍ、１５０ｎｍ〜２０００ｎｍ、１５０ｎｍ〜８００ｎｍ、１５０ｎｍ〜６００ｎｍ、１５０ｎｍ〜５００ｎｍ、２００ｎｍ〜１００００ｎｍ、２００ｎｍ〜５０００ｎｍ、２００ｎｍ〜２５００ｎｍ、２００ｎｍ〜８００ｎｍ、２００ｎｍ〜６００ｎｍ又は２００ｎｍ〜５００ｎｍから選択される厚さを有することができる。
【００３９】
本明細書に記載される方法において、水熱合成ステップは、１時間〜２４時間、２時間〜２４時間、３時間〜２４時間、４時間〜２４時間、１時間〜２１時間、２時間〜２２時間、３時間〜２３時間、４時間〜２０時間、４時間〜２４時間、４時間〜２１時間、４時間〜１８時間又は４時間〜１８時間の反応時間で行うことができる。
【００４０】
一実施形態において、金属酸化物ナノ構造は、ナノピラー、ナノロッド、ナノコーン、ナノキューブ、ナノドット、ナノニードルの形態、又はその中に記載されている形態のいずれかの混合物とすることができる。表面上の金属酸化物層の構造の例示的な形は、ナノピラーの形態をとる。
【００４１】
一実施形態において、ナノ構造は、表面から１ｎｍ〜１００００ｎｍ、１ｎｍ〜５０００ｎｍ、１ｎｍ〜２０００ｎｍ、２ｎｍ〜８００ｎｍ、３ｎｍ〜６００ｎｍ、１ｎｍ〜５００ｎｍ、１００ｎｍ〜１００００ｎｍ、１００ｎｍ〜５０００ｎｍ、１００ｎｍ〜２０００ｎｍ、１００ｎｍ〜８００ｎｍ、１００ｎｍ〜６００ｎｍ、１００ｎｍ〜５００ｎｍ、１５０ｎｍ〜１００００ｎｍ、１５０ｎｍ〜５０００ｎｍ、１５０ｎｍ〜２０００ｎｍ、１５０ｎｍ〜８００ｎｍ、１５０ｎｍ〜６００ｎｍ、１５０ｎｍ〜５００ｎｍ、２００ｎｍ〜１００００ｎｍ、２００ｎｍ〜５０００ｎｍ、２００ｎｍ〜２０００ｎｍ、２００ｎｍ〜８００ｎｍ、２００ｎｍ〜６００ｎｍ又は２００ｎｍ〜５００ｎｍ伸長することができる。別の実施形態において、ナノ構造は、好ましくはナノピラーである。
【００４２】
微生物は、有効量の抗微生物材料を媒体中で微生物と接触させることによって、様々な媒体中で材料によって防除することができる。好都合な媒体は水性媒体である。本発明の抗微生物材料は、広域スペクトルの微生物を防除する。材料は、細菌を防除する際に特に有用であることが明らかになってきた。用語「細菌」は、真正細菌及び古細菌を含むことになっている。真正細菌としては、フェルミクテス（fermicutes）、グラシリキューテス（gracilicutes）及びテルニキューテス（ternicutes）が挙げられる。グラシリキューテスとしては、グラム陰性の条件的嫌気性桿菌が挙げられる。グラム陰性の条件的嫌気性桿菌としては、腸内細菌科（Enterobacteriaceae）が挙げられる。腸内細菌としては、クレブシエラ属（Klebsiella）及びエシェリキア属（Escherichia）が挙げられる。クレブシエラ属としては、肺炎桿菌（Klebsiella pneumoniae）が挙げられ、エシェリキア属としては、大腸菌（Escherichia coli）が挙げられる。フェルミクテスとしては、グラム陽性球菌の群、並びに内生胞子形成桿菌及び球菌の群が挙げられる。グラム陽性球菌としては、ミクロコッカス科（Micrococcaceae）が挙げられる。ミクロコッカス科としては、スタフィロコッカス属（Staphylococcus）が挙げられ、スタフィロコッカス属としては、黄色ブドウ球菌（Staphylococcus aureus）が挙げられる。内生胞子形成桿菌及び球菌としては、バシラス科（Bacillaceae）が挙げられる。バシラス科としては、バシラス・サーキュランス（Bacillus circulans）が挙げられる。本明細書における細菌に関する言及はすべて、Bergey's Manual of Systematic Bacteriology, Williams & Wilkens, 1st ed. Vol. 1-4, (1984)に基づいている。大腸菌（ＥＣ，E. Coli）、サルモネラ属（Salmonella）、リステリア・モノサイトゲネス（Listeria monocytogenes）、緑膿菌（ＰＡ，P. aeruginosa）、黄色ブドウ球菌（ＳＡ，S. aureus）、及びカンジダ・アルビカンス（ＣＡ，C. albicans）を特に挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
添付する図面は、１又は２以上の開示された実施形態を例示し、本発明の原理を説明する働きをする。しかし、図面は、説明のために設計されたものにすぎず、本発明の限定の定義として設計されたものではないと理解されるものとする。
【図１】様々な基材上のＦｅＯＯＨナノピラーを示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ，Scanning Electron Microscopy）画像を含む図である：（ａ）スズメッキ鋼、（ｂ）ガラス、（ｃ）ポリスチレン及び（ｄ）Teflon。
【図２】ガラス表面上のＦｅＯＯＨナノピラーの緑膿菌に対する抗細菌性を示す図である：ガラス表面の（ａ）死細菌、（ｂ）生細菌の蛍光顕微鏡画像、及び（ｃ）ＦｅＯＯＨナノピラー表面の細菌のＳＥＭ画像。
【図３】ガラス表面上のＦｅ２Ｏ３ナノピラーの緑膿菌に対する抗細菌性を示す図である：ガラス表面の（ａ）死細菌、（ｂ）生細菌の蛍光顕微鏡画像、及び（ｃ）Ｆｅ２Ｏ３ナノピラー表面の細菌のＳＥＭ画像。
【図４】様々な基材上のＺｎＯナノピラーを示すＳＥＭ画像を含む図である：（ａ）ガラス、（ｂ）シリコンウェハ、（ｃ）ステンレス鋼、（ｄ）セラミック、（ｅ）ＰＭＭＡ、及び（ｆ）チタン。
【図５】チタン上のＺｎＯナノピラーの側面を示すＳＥＭ画像である。
【図６】ガラス上のＺｎＯナノピラーのＸ線回折パターン（ＸＲＤ，X-ray diffraction）を示す図である。
【図７】ガラス表面上のＺｎＯナノピラー上の（ａ）死大腸菌及び（ｂ）生大腸菌の蛍光顕微鏡画像を含む図である。
【図８】ガラス上のＺｎＯナノピラーの表面上の様々な細菌／真菌（丸く囲んだ領域）を示すＳＥＭ画像を含む図である：（ａ）大腸菌（ＥＣ）、（ｂ）緑膿菌（ＰＡ）、（ｃ）黄色ブドウ球菌（ＳＡ）、及び（ｄ）カンジダ・アルビカンス（ＣＡ）。
【図９】様々な表面上のＺｎＯナノピラーの表面上のウサギ赤血球の溶血試験結果を例示するグラフを示す図である。
【図１０】ＦＴＯガラス表面上のＴｉＯ２ナノピラーを示すＳＥＭ画像を含む図である。
【図１１】ＴｉＯ２ナノピラー上のＰ．Ａ．の８２％が死滅したことを示唆するＬＩＶＥ／ＤＥＡＤアッセイを示す図である：（ａ）死細胞及び（ｂ）生細胞。［実施例］
【００４４】
本発明の範囲を限定するものと決して解釈すべきではない具体的な実施例を参照して、本発明の非限定的例及び比較例をさらにより詳細に説明する。
【実施例１】
【００４５】
様々な表面におけるＦｅＯＯＨナノピラーの調製
７０ｍｌの水中の０．９４６ｇのＦｅＣｌ３．６Ｈ２Ｏ及び０．４７９ｇのＮａ２ＳＯ４の水溶液を、１００ｍｌの水熱反応器中に入れた。基材表面［ガラス、ＦＴＯガラス（フッ素をドープした酸化スズガラス）、スズメッキ鋼及びTeflon］をイソプロパノール／水／アセトン（１：１：１）の溶液で洗浄した後、各表面を、成長する表面を下向きにして水熱反応器に入れた。反応器を１００℃に６〜２４時間の範囲で加熱した。黄色がかったＦｅＯＯＨナノピラーが表面に形成された。表面を脱イオン水で洗浄し、周囲空気中で乾燥した。ＦＴＯガラス上でのＦｅＯＯＨの成長が報告され、水分解反応用の光アノードとして使用された。本開示において、ＦｅＯＯＨナノピラーを様々な基材に製作し、それらのＳＥＭ画像を図１に示す。ＦｅＯＯＨナノピラーの長さを、ナノピラーの物理的構造のため、殺細菌活性を実証するセミの翅（クランガーゼミ（P. claripennis）約２００ｎｍ）及びトンボの翅（ベニヒメトンボ（D. bipunctata）約２４０ｎｍ）上のナノピラー並びにブラックシリコン約５００ｎｍに匹敵する２００ｎｍ〜５００ｎｍに調整することができる。
【００４６】
ガラス表面上のナノピラーの抗細菌性は、ＬＩＶＥ／ＤＥＡＤアッセイ及びＳＥＭを使用して評価されてきた。緑膿菌（ＰＡ）を試験用細菌として使用した。ＰＡをセミの翅及びトンボの翅によって死滅させることができることが報告されている。図２ａ及び２ｂはそれぞれ、死細菌及び生細菌を表す。細菌の７５％が死滅し、表面の抗細菌性が示唆されることを示している。図２ｃのＳＥＭ画像から、細菌の死滅は、破裂効果によるものであったことがさらに確認された。細菌を、ピラーが細胞体を通って貫通した。
【実施例２】
【００４７】
様々な表面におけるＦｅ２Ｏ３ナノピラーの調製
ＦｅＯＯＨをＦｅ２Ｏ３ナノピラーに変換するために、ＦｅＯＯＨナノピラーでコーティングされたＦＴＯガラス及びスズメッキ鋼表面を炉の中に入れ、５００〜８００℃に加熱した。表面上の黄色がかったＦｅＯＯＨナノピラーを、赤色のＦｅ２Ｏ３ナノピラーに変換した。ＦｅＯＯＨの元の構造に変化はない。
【００４８】
Ｆｅ２Ｏ３ナノピラーを有する表面も、良好な抗細菌能力を示した。図３ａ及び３ｂに示されているように、表面上の細菌すべて（＞９９％）が死滅した。図３ｃのＳＥＭ画像は、細菌の破裂した細胞体を示したものである。
【実施例３】
【００４９】
様々な表面におけるＺｎＯナノピラーの調製
ＺｎＯゾル溶液の製剤：３．２９３ｇのＺｎ（ＯＡｃ）２．２Ｈ２Ｏ及び１．１８ｍｌのモノエタノールアミン（ＭＥＡ，monoethanolamine）を２−メトキシエタノールに溶解した。全体積は２０ｍｌであった。溶液を６０℃で３０分間撹拌して、清澄な均質溶液を得た。溶液を４℃の冷凍庫中で保管し、コーティング溶液として役立てた。
【００５０】
様々な基材におけるＺｎＯナノピラーアレイの成長：成長する基材（ガラス、シリコン、ＰＭＭＡ、チタン箔など）を、超音波浴中でそれぞれ、アセトン／ＩＰＡ／Ｈ２Ｏ（１：１：１、ｖ／ｖ）を１０分間使用する標準洗浄方法にかけた。乾燥した後、５０μｌのＺｎＯゾル溶液を表面上に適用し、均等に延展し、３０００ｒｐｍで２０秒間スピンコーティングし、続いて炉中において４００℃で１時間アニーリングした。ＰＭＭＡの場合、アニーリング温度は１５０℃であった。
【００５１】
ＺｎＯナノピラーを表面に成長させるために、２０ｍＭの硝酸亜鉛（０．３６６ｇのＺｎ（ＮＯ３）２．４Ｈ２Ｏ）、２０ｍＭのヘキサメチレンテトラミン（０．１９６ｇ）、及び１２５ｍＭの１，３−ジアミノプロパン（０．７３ｍｌ）を含有する７０ｍｌの成長水溶液を混合し、１００ｍｌのKIMAX（登録商標）ガラス瓶に移した。基材を、瓶中で壁に対して垂直に並べ、９０℃で１２時間水熱処理した。反応後、ＺｎＯナノピラーアレイを有するスライドを脱イオン（DI water）水ですすぎ、５００℃で１時間及びアニールして、残留しているいかなる有機物も除去した。
【００５２】
基材（すなわち、ガラス、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、セラミック、シリコンウェハ、ステンレス鋼及びチタン箔）を、まずＺｎＯゾルの層でコーティングし、続いて約４００℃の温度に加熱した。このように、ＺｎＯシードコーティングを形成した。引き続いて、Ｚｎ（ＮＯ３）２、ヘキサメチレンテトラミン及び１，３−ジアミノプロパンを含有する反応器に表面を入れた。溶液を９０℃に２〜２０時間の範囲で加熱し、ＺｎＯナノピラーアレイを表面に形成した。表面を５００℃でさらに加熱して、有機残渣すべてを除去した。
【００５３】
これらの表面が哺乳動物細胞に対して安全であるかどうかを試験するために、溶血実験を実施した。図９に示されているように、被検表面すべてについて、明らかなウサギ赤血球の破壊は認められなかった。
【実施例４】
【００５４】
ＦＴＯ表面（フッ素をドープした酸化スズ表面）におけるＴｉＯ２ナノピラーの調製
Teflonライナー付きのステンレス鋼製オートクレーブの内部に塩酸を入れ、１ｍＬのチタンブトキシドを添加した。ＦＴＯ基材を、導電性側面を下向きにしてTeflonライナーの壁に対してある角度をなして配置した。水熱合成を、電気オーブン中８０〜２２０℃で１〜２４時間実施した。加熱した後、基材を取り出し、脱イオン水で広範囲にわたって洗い流し、周囲空気中で乾燥した。
【００５５】
細菌試料調製及び成長条件
大腸菌（ＥＣ）、緑膿菌（ＰＡ）、黄色ブドウ球菌（ＳＡ）、及びカンジダ・アルビカンス（ＣＡ）を米国菌培養収集所から入手した。各細菌実験の前に、細菌培養物を保存物から栄養寒天でリフレッシュした。新鮮な細菌懸濁液を、５ｍｌのＴＳＢ（大腸菌、緑膿菌及び黄色ブドウ球菌）又は５ｍｌのＹＭブロス（カンジダ・アルビカンス）中、３７℃で終夜増殖させた。細菌細胞を対数増殖段階で回収し、懸濁液をＯＤ６００＝０．０７に調整した。（ＴＳＢ：トリプチケースソイブロス；ＹＭブロス：酵母麦芽ブロス；ＯＤ：光学密度）
【００５６】
ＬＩＶＥ／ＤＥＡＤアッセイ
ＴＳＢ中の細菌濃度を、マイクロプレートリーダー（TECAN社、Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ）で波長６００ｎｍにおけるＯＤ読取値０．２に調整した。５００μｌの懸濁液をナノピラー表面に添加した。３７℃で２４時間インキュベートした後、表面をＰＢＳで洗浄した。ナノピラー表面上の生存細菌細胞を視覚化するために、LIVE/DEAD Baclight細菌生存率キット（Invitrogen社）を使用した。表面を、暗所で５０μｌの色素溶液に室温で１５分間浸漬した。蛍光顕微鏡（Zeiss社、Ｇｅｒｍａｎｙ）を使用して、染色された細菌を観察した。
【００５７】
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）及びＸ線回折（ＸＲＤ）による表面のキャラクタリゼーション
表面構造のキャラクタリゼーションを、ＳＥＭ［JEOL社、JSM-7400E］及びＸＲＤ［PANalytical Ｘ線回折装置、X’pert PRO、１．５４０６ÅにおけるＣｕ  Ｋα線を使用］により行った。ＳＥＭの前に、高分解能スパッターコーター（JEOL社、JFC-1600 Auto Fine Coater）を使用して、試料をＰｔ薄膜でコーティングした。コーティング条件：２０ｍＡ、３０秒。
【００５８】
細菌付着を検討するために、ＥＣ、ＰＡ、ＳＡ及びＣＡを選択した。ＴＳＢ（ＣＡの場合はＹＭ）中の検討濃度を、マイクロプレートリーダー（TECA社、Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ）で約１０８ＣＦＵ／ｍｌに対応するＯＤ６００＝０．０７に調整した。１０２倍希釈した後、５００μｌの細菌懸濁液（１０６ＣＦＵ／ｍｌ）を、２４ウェルのプレート中のナノピラー表面に添加した。３７℃で２４時間インキュベートした後、表面をリン酸緩衝食塩水溶液（ＰＢＳ，phosphate-buffered saline solution）で３回洗浄し、試料を、室温にて（ＰＢＳ中）２．５％グルタルアルデヒドで２時間処理した。引き続いて、試料を３０％、５０％、７０％、８５％、９０％エタノール、及び１００％エタノールに１回２０分の持続時間で２回浸漬する。ＳＥＭでの検討を行う前に、試料を２日間待たせる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
開示された表面上の抗微生物コーティング及びその調製方法の潜在的な産業上の利用可能性は自明である。開示された抗微生物表面は、医療又はヘルスケア産業において有用であり得る材料に組み込むことができる。抗微生物層で覆われた表面は、エアフィルター、水殺菌製品及び他の一般的な殺菌用製品の生成においても使用することができる。開示された本出願の方法は簡単であり、開示された抗微生物表面を低コストで生成することができる。
【００６０】
前述の開示を読めば、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、本発明の様々な他の修正形態及び改変形態が、当業者に明らかになることは明らかであり、そのような修正形態及び改変形態はすべて、添付の特許請求の範囲内に入ることを意図するものであることは、明らかである。
【図１】
2019534339.tif 000003
【図２】
2019534339.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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