(57)【要約】【課題】  生体インプラントなどに使用されるのに好適な抗菌性を備える非チタン系部材であって、複雑形状や表面に微細構造を有する基材にもチタネートコーティングを可能にする技術を提供。【解決手段】  非チタン系無機基材、該基材上に形成された結晶性アルカリチタネートのナノシート層またはナノチューブ層、および前記アルカリチタネートのアルカリ成分が銀イオンで置換されている銀チタネート層を含む抗菌性チタネートコーティング非チタン系無機部材。(i)非チタン系無機基材をチタン源材料に近接させた状態でアルカリ水溶液中で110〜180℃の温度下に水熱処理に供し、(ii)前記水熱処理後の生成物を200〜700℃で加熱処理し、および(iii)前記加熱処理後の生成物を洗浄、乾燥した後、銀イオン含有水溶液に浸漬することにより製造される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非チタン系無機基材、該基材上に形成された結晶性アルカリチタネートのナノシート層またはナノチューブ層、および前記アルカリチタネートのアルカリ成分が銀イオンで置換されている銀チタネート層を含むことを特徴とする抗菌性チタネートコーティング非チタン系無機部材。
【請求項２】
アルカリチタネートがチタン酸ナトリウムまたはチタン酸カリウムであることを特徴とする請求項１に記載の抗菌性チタネートコーティング非チタン系無機部材。
【請求項３】
非チタン系無機基材が、Ｃｏ−Ｃｒ合金、ステンレス鋼、Ａｌ２Ｏ３またはＺｒＯ２から成ることを特徴とする請求項１に記載の抗菌性チタネートコーティング非チタン系無機部材。
【請求項４】
銀チタネート層の銀イオンの一部が酸化銀または金属銀に変換していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の抗菌性チタネートコーティング非チタン系無機部材。
【請求項５】
請求項１の抗菌性チタネートコーティング非チタン系無機部材を製造する方法であって、(i)非チタン系無機基材をチタン源材料に近接させた状態でアルカリ水溶液中で110〜180℃の温度下に水熱処理に供する工程、(ii)前記水熱処理後の生成物を200〜700℃で加熱処理する工程、および(iii)前記加熱処理後の生成物を洗浄、乾燥した後、銀イオン含有水溶液に浸漬する工程、を含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
チタン源材料として金属チタンまたはチタンを主成分とするチタン合金を用いることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
銀イオン含有水溶液として酢酸銀水溶液を用いることを特徴とする請求項５または６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
請求項４の抗菌性チタネートコーティング非チタン系無機部材を製造するために、工程(iii)の後に、熱処理または紫外光照射により銀イオンの一部を酸化銀または金属銀に変換する工程を更に含むことを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
請求項４の抗菌性チタネートコーティング非チタン系無機部材を製造するために、工程(iii)の後に、銀スパッタリングにより銀イオンの一部を金属銀で被覆する工程を更に含むことを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療分野等において利用される複合材料に関し、特に抗菌性を備える非チタン系無機部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
人工骨や人工関節などの生体インプラントには、Co-Cr合金などの非チタン系部材をはじめとする各種の複合材料が試みられている。このような材料を生体インプラントに使用する際の大きな問題は、手術後の感染であり、治療に難渋することが多い。この術後感染を予防するのに最も有効と期待される手段は、使用する材料に抗菌性を付与することであるが、そのような技術はまだ開発されていない。特に、基材として高い強度を有するＣｏ−Ｃｒ合金やアルミナセラミックなどの非チタン系無機材料を用い、これに抗菌性チタネートをコーティングした非チタン系無機部材は見当たらない。
【０００３】
例えば、特許第２７７５５２３号公報（特許文献１）には、チタンまたはチタン合金よりなる基体をアルカリ液中に浸漬した後、チタンの転移温度以下に加熱することにより、該基体の表面に酸化チタン相とアルカリチタン酸塩の非晶質相の被膜を形成させた骨修復材料が記載されているが、この材料には専ら骨形成を促進させるためのものであり、抗菌性は全く付与されていない。さらに、この特許文献に記載されている技術は、チタンまたはチタン合金を基体とするチタン系部材にしか適用できない。また、特許第３６０８１６７号公報（特許文献２）には、結晶チタニアを塗布、焼成する方法でチタネートナノチューブをコーティングし、さらにカルシウムなどの金属イオンを置換する技術が開示されているが、この技術も骨形成促進を目的としたもので、抗菌の観点は全く考慮されていない。焼成によるコーティングによりセラミックにも適用できるとあるが、複雑形状や表面に微細構造を有する製品には適用が困難である。
【０００４】
「Y.Ling他、Key Engineering Materials, Vols.280-283
(2005) pp.707-712」（非特許文献１）には、メタチタン酸から合成されたチタネートナノチューブ粉末に銀イオンを置換して抗菌性付与させることが記載されているが、専ら粉末を対象とする研究に関するものであり、生体インプラントに適用されるように基材に銀チタネートナノチューブをコーティングしたものではない。
【０００５】
また、「宮内他、“水熱法によるチタニアナノチューブアレイ薄膜の作製と機能評価”、（社）日本セラミック協会主催第19回秋季シンポジウム要旨集、第138頁、1E21、2006年9月19日発行」（非特許文献２）には、水熱法によるナノチューブコーティングに関する研究について発表されているが、この技術もチタン系基材へのコーティング技術であり、非チタン系基材を用いるチタネートコーティング技術ではない。さらに、銀などの金属イオン置換についても全く考慮されておらず抗菌の観点はない。
特開２００５−１４３８６１号公報（特許文献３）には非チタン系材料をアルカリ熱処理する技術が記載されているが、形成される皮膜はチタン酸塩でなく、モリブデン酸塩である。
【特許文献１】特許第２７７５５２３号公報
【特許文献２】特許第３６０８１６７号公報
【特許文献３】特開２００５−１４３８６１号公報
【非特許文献１】Y.Ling他、Key Engineering Materials, Vols.280-283(2005) pp.707-712
【非特許文献２】宮内他、“水熱法によるチタニアナノチューブアレイ薄膜の作製と機能評価”、（社）日本セラミック協会主催第19回秋季シンポジウム要旨集、第138頁、1E21、2006年9月19日発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、生体インプラントなどに使用されるのに好適な抗菌性を備える非チタン系部材であって、複雑形状や表面に微細構造を有する基材にもチタネートコーティングを可能にする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】
本発明者らは、検討を重ねた結果、非チタン系基材に銀イオンを含む結晶性チタネート層をコーティングする技術を開発し、本発明を導き出した。
すなわち、本発明は、非チタン系無機基材、該基材上に形成された結晶性アルカリチタネートのナノシート層またはナノチューブ層、および前記アルカリチタネートのアルカリ成分が銀イオンで置換されている銀チタネート層を含むことを特徴とする抗菌性チタネートコーティング非チタン系無機部材を提供するものである。
【０００８】
さらに、本発明に従えば、上記の抗菌性チタネートコーティング非チタン系無機部材を製造する方法であって、(i)非チタン系無機基材をチタン源材料に近接させた状態でアルカリ水溶液中で110〜180℃の温度下に水熱処理に供する工程、(ii)前記水熱処理後の生成物を200〜700℃で加熱処理する工程、および(iii)前記加熱処理後の生成物を洗浄、乾燥した後、銀イオン含有水溶液に浸漬する工程、を含むことを特徴とする方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、術後感染を予防するために最も有効な抗菌剤である銀イオンを含む（置換した）チタネート層をコーティングした生体インプラントを実現するものである。
本発明によって不安定でコーティング困難なチタネートを結晶性のアルカリチタネートのナノシートまたはナノチューブの層として、高い強度を有する非チタン系無機材に安定的にコーティングでき、その無機基材が複雑形状や表面に微細構造を有する場合においてもコーティングが可能である。また、アルカリ水熱反応条件の制御や後処理によって銀イオンの溶出速度を制御することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の抗菌性チタネートコーティング非チタン系無機基材の特徴の一つは、非チタン系基材上に「結晶性」のアルカリチタネートのナノシートまたはナノチューブの層が形成されていることにある。このため、本発明に従えば、チタン系基材をアルカリ水溶液中で、高温下、すなわち、110〜180℃の温度下、好ましくは150〜170℃の温度下に水熱処理に供する。本発明に従う水熱処理の更なる特徴は、非チタン系無機基材をチタン源材料に近接させた状態で行うことにある。
【００１１】
ここで、非チタン系無機部材をチタン源材料に近接させた状態とは、非チタン系無機基材とチタン源材料との間に液相が存在する程度の空隙、具体的には10μm〜1000μmの空隙をもって当該非チタン系無機基材とチタン源材料とが近づいている状態をいう。このような状態でアルカリ水熱処理を実施するには、例えば、非チタン系無機基材とチタン源材料との間に上記空隙に相当するスペーサーを設けたり、非チタン系無機基材またはチタン源材料の一方に上記空隙に相当する外径のワイヤーを巻きつけてから、非チタン系無機基材とチタン源材料とを重ねて適当な部材で固定した状態で、アルカリ水溶液に浸漬し如上の条件下に水熱処理を行えばよい。別の手法として、チタン源材料から成るモールド（鋳型）またはチタン源材料の箔が貼り付けられたモールドを用い、そのモールド中に非チタン系無機基材を上記空隙が存するように嵌着した状態で水熱処理に供してもよい。
【００１２】
このように、本発明は、基材の近傍にチタン源を配置してアルカリ水熱処理を行うことにより、アルカリによりチタン源材料から溶出したチタンを含むイオンがアルカリチタネート（チタン酸塩）として非チタン系無機基材上に析出してチタネートナノチューブ（またはナノシート）の層の形成を可能にしたものである。もちろん、非チタン系無機基材単独では、同じアルカリ水熱処理によってもチタネート層は形成されない。
【００１３】
図１は、このような本発明に従うアルカリ水熱処理の反応の様子を模式的に示すものである。非チタン系無機基材とチタン源材料とを近接して配設して〔図１の（イ）〕、アルカリ水熱処理に供することによりチタン源材料からナノチューブ（またはナノシート）を形成できるクラスターが放出され〔図１の（ロ）〕、基材上に当該チタネートのナノチューブ（またはナノシート）が析出され〔図１の（ハ）〕、後続の加熱処理により基材上にナノチューブ（またはナノシート）が固定される〔図１の（ニ）〕ものと理解される。かくして、本発明は、基材近傍にチタン供給源が存在した水溶液中の反応に基くもので、基材が複雑形状や表面に微細構造を有する場合においても、該基材への表面にチタネートコーティングを形成することができる。
【００１４】
本発明に従う反応時間は、一般に1〜30時間であり、反応時間を制御することにより膜厚（結晶性アルカリチタネートのナノシート層またはナノチューブ層の厚さ）を制御することができる。
【００１５】
本発明に従う水熱処理に用いられるアルカリ水溶液としては、水酸化ナトリウム水溶液が最も一般的であるが、これに限られるものではなく、例えば、水酸化カリウム水溶液なども使用可能である。上述のように高温下に水熱処理を行い、かつ、アルカリ水溶液の濃度を制御することにより、結晶性アルカリチタネートのナノシート層またはナノチューブ層を得ることができる。例えば、150〜170℃の温度下に水酸化ナトリウム水溶液を用いて水熱処理を行う場合、水酸化ナトリウム水溶液の濃度を1mol/l程度にすればナノシート層が得られ、10mol/l程度にすればナノチューブ層が得られる。
【００１６】
本発明のアルカリ水熱処理において用いられるチタン源材料として好ましいのは、金属チタンであるが、この他に、チタンを主成分とするチタン合金（例えば、Ti-6Al-4V合金など）を用いることもできる。また、本発明において用いられる非チタン系無機部材の好ましい例として、Co−Cr合金、ステンレス鋼、アルミナ（Al2O3）、ジルコニア（ZrO2）などが挙げられるが、これらに限られるものではない。
【００１７】
本発明の非チタン系無機部材を構成する結晶性アルカリチタネートの種類は、上述のように水熱処理工程で用いられるアルカリに依り、水酸化ナトリウムを用いる場合にはチタン酸ナトリウムとなり、水酸化カリウムを用いる場合にはチタン酸カリウムとなる。
【００１８】
本発明に従えば、以上のように、チタネート層の構造を変化させたり、その膜厚を制御することにより、後述する銀置換量を調節して銀イオンの溶出（放出）速度の制御された抗菌性部材を得ることができる。
以上のようにして得られた水熱処理後の生成物は、次に、200〜700℃、好ましくは300〜600℃の加熱処理に供され、これにより、非チタン系無機基材上に形成された（コーティングされた）結晶性チタネート層（ナノシート層またはナノチューブ層）が安定化されることになる。
【００１９】
本発明の抗菌性チタネートコーティング非チタン系無機部材を製造するには、如上の加熱処理後の生成物を洗浄、乾燥した後、銀イオン含有水溶液に浸漬する。これにより、結晶性アルカリチタネートのナトリウムイオンやカリウムイオンが銀イオンで置換された抗菌性部材が得られる。この浸漬工程に用いられる銀イオン含有水溶液としては、酢酸銀水溶液が好ましいが、硝酸銀水溶液など他の銀イオン含有水溶液も使用可能である。この銀イオン置換工程は、遮光下に常温または常温近傍の温度で実施することができる。
【００２０】
さらに、本発明の好ましい態様に従えば、銀イオン含有水溶液に浸漬する上記工程によって置換・生成した銀イオンの一部を酸化銀や金属銀に変換する。例えば、上記浸漬工程によって得られた生成物を熱処理またはＵＶ照射（紫外光照射）することにより銀イオンの一部を酸化銀または金属銀に変換する。また、上記浸漬工程の後に、その生成物に銀スパッタリングを施すことにより銀イオンの一部を金属銀で被覆することもできる。
【００２１】
このようにして、本発明に従えば、銀イオン（Ag＋）に加えて酸化銀（Ag2O）および金属銀（Ag）を含有する抗菌性非チタン系無機部材が得られる。銀イオンとしての溶出速度は、銀イオン＞酸化銀＞金属銀の順序となる。したがって、本発明の抗菌性部材は、銀イオンの溶出速度を制御して銀イオンを徐放させることもでき、これは、特に生体インプラントにおいて術後の感染防止のための重要な機能であり、本発明の特徴の一つである。
【００２２】
本発明の抗菌性チタネートコーティング非チタン系無機部材において用いられる非チタン系基材の形状は、特に限定されるものではなく、各種の形状の基材が適用可能であるが、本発明の方法は、特に、外径の小さいワイヤー状の基材のように微細な形状の基材にもチタネートコーティングを可能にする。
以下、本発明の特徴を更に具体的に示すために実施例を記すが、本発明は以下の実施例によって制限されるものではない。
【実施例１】
【００２３】
チタネートナノチューブのコーティング（１）
直径25mm、厚さ2mmの円板状のCo−Cr合金試験片（基材）と20mm×20mm×2mmの純チタン板（チタン源材料）をエチルアルコールにて脱脂洗浄後、直径0.2mmのSUS316ワイヤーをスペーサーとして両者の間に挟み、さらに、外側からワイヤーで巻いて固定して、試験体を10mol/l水酸化ナトリウム水溶液20mlと共に水熱容器に入れ、160℃のオイルバス中にて20時間反応させた。反応終了後、試験片を取り出し、ワイヤーを切断して、Co−Cr合金試験片を回収した。10℃以下で一晩乾燥後、電気炉にて300℃、1時間の熱処理を行った。その後、試験片を蒸留水にてpＨが中性になるまで繰り返し洗浄を行った。洗浄後、10℃以下で一晩乾燥させた。比較のために、チタン源（純チタン板）を用いないCo−Cr合金試験片のみについて、同じ条件でアルカリ水熱処理を行った。
【００２４】
以上のようにして得られた生成物を観察したところ、チタン板と対応した面のみに、そのチタン板の形状に沿って白色の薄膜の生成が認められ、その他の面には薄膜は観察されなかった。この白色の薄膜をSEM観察したところ繊維状の物質が密に生成していることが確認され（図２ａ）、この繊維状物質が外径約7nmのチタネートナノチューブであることがTEM観察（図２ｂ）およびXRD測定（CuKα）（図３）によりわかった。以上の結果は、図１に示されるように、チタン板（チタン源）から生成したチタン化学種がCo−Cr板上にチタネートとして再析出しているだけでなく、種々の形状のチタン源材料を用いることにより、異種の基板上に様々な形でチタネートをパターニングできる可能性があることを示している。
【実施例２】
【００２５】
チタネートナノチューブのコーティング（２）
Co−Cr合金試験片の代わりに20mm×20mm×2mmのSUS316L試験片（基材）と純チタン板（チタン源材料）を近接させて、実施例１と同様の実験を行ったところ、SUS316L板のチタン板と対向した面のみにチタネートナノチューブの生成が認められた（図４）。
【実施例３】
【００２６】
銀置換試験
実施例１で得られた試験片を15mlの0.005mol/lの酢酸銀溶液と共に遮光した遠沈管に入れ、40℃のウォーターバス中で3時間反応させることにより銀置換を行った。反応後、蒸留水にて繰り返し洗浄し、試験片上に残留した銀イオンを完全に取り除いた。その後、10℃以下で一晩乾燥させた。銀置換生成物のEPMA分析を行ったところ、チタネート構造は維持されているが、Na（ナトリウム）に帰属するピークは無くなっており、Naイオンが銀イオンに置換されていた。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明の抗菌性チタネートコーティング非チタン系無機部材、すなわち、非チタン系無機基材の表面に抗菌性チタネート層が形成されて構成される複合材料は、以下の１）〜３）に挙げる医療用品分野の他、４）に挙げる家庭用品や、５）に挙げる配管や設備の部材など、抗菌性が好まれる多くの分野において利用される。
１）疾病や外傷などの治療のために使用される人工骨や内固定具、または失われた関節機能を再建するために使用される人工関節、歯牙を再建するために使用される人工歯根などのチタン製生体インプラント。
２）メスやカンシなどのチタン製手術器具、診断治療時に使用する口腔内ヘラのようなチタン製医療器具及びその他の医療機器におけるチタン製部品。
３）骨固定義手、義足などのチタン製福祉用具。
４）台所用品、トイレ用品、浴室用品など一般家庭の水周りで使用されるチタン製家庭用品。
５）家屋や工場で使用されているチタン製水系配管や設備装置のチタン製部品等。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に従う水熱処理により基材上にチタネートが形成される様子を模式的に示す。
【図２】本発明に従うアルカリ水熱処理および加熱処理工程によって得られる生成物のナノチューブ層を示すSEM（走査電子顕微鏡）写真(a)とTEM（透過電子顕微鏡）写真(b)である。
【図３】本発明に従うアルカリ水熱処理および加熱処理工程によって得られる生成物のXRD（Ｘ線回折）測定の結果を示す。
【図４】本発明に従うアルカリ水熱処理および加熱処理工程によって得られる生成物の別の例のSEM写真を示す。
【図１】
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【図３】
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【図２】
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【図４】
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