(57)【要約】【課題】  金属物品の生体適合性を増大させ、たとえば、医療用インプラントの材料として利用される物品の提供。【解決手段】キトサン含有溶液中で電気化学的分極を実施することにより、障壁作用を有する不浸透性のキトサン層が金属上に存在する、キトサンで被覆した金属からなる物品を提供すること。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
キトサン含有溶液中での電気化学的分極により、障壁作用を有する不浸透性キトサン層が金属上に存在することを特徴とする、キトサンで被覆された金属から作製された物品。
【請求項２】
前記電気化学的分極が、０．１〜２０ｍＡｃｍ-2の範囲の電流密度で、定電流で実施され、前記物品が陰極として分極されることを特徴とする、請求項１に記載の物品。
【請求項３】
前記電気化学的分極が、５〜１５０Ｖの範囲の電解槽電位で実施されることを特徴とする、請求項１または２に記載の物品。
【請求項４】
前記キトサン含有溶液が、０．１〜５％のキトサン濃度を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の物品。
【請求項５】
前記キトサン含有溶液が、有機または無機酸による、弱酸性水溶液であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の物品。
【請求項６】
前記キトサン含有溶液が、乳酸、酢酸またはグルタミン酸を含むことを特徴とする、請求項５に記載の物品。
【請求項７】
前記キトサン含有溶液が、塩酸または硝酸を含むことを特徴とする、請求項５に記載の物品。
【請求項８】
前記酸濃度が、０．１〜５％の範囲であることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の物品。
【請求項９】
前記キトサンコーティングが、さらに１種または複数の生物活性成分を含むことを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の物品。
【請求項１０】
前記生物活性成分の少なくとも１種が、構造蛋白質、接着蛋白質またはそれから誘導されるペプチド構造であることを特徴とする、請求項９に記載の物品。
【請求項１１】
前記生物活性成分の少なくとも１種が、抗生物質であることを特徴とする、請求項９に記載の物品。
【請求項１２】
前記生物活性成分の少なくとも１種が、グリコサミノグリカン、プロテオグリカンまたはそれから誘導される構造であることを特徴とする、請求項９に記載の物品。
【請求項１３】
前記生物活性成分の少なくとも１種が、サイトカインであることを特徴とする、請求項９に記載の物品。
【請求項１４】
前記生物活性成分が、それが作製された後、前記キトサン層に結合されていることを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載の物品。
【請求項１５】
前記金属物品が、キトサン含有溶液中で陰分極されることを特徴とする、障壁作用を有する不浸透性のキトサンで被覆された金属物品を作製する方法。
【請求項１６】
前記電気化学的分極が、０．１〜２０ｍＡｃｍ-2の範囲の電流密度で、定電流で実施されることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記電気化学的分極が、５〜１５０Ｖの範囲の電解槽電位まで実施されることを特徴とする、請求項１５および１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
使用される前記キトサン含有溶液が、有機または無機酸による、弱酸性水溶液であることを特徴とする、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
使用される前記有機酸が、乳酸、酢酸またはグルタミン酸であることを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
使用される前記無機酸が、塩酸または硝酸であることを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
１種または複数の生物活性成分が、前記キトサン含有溶液に添加されることを特徴とする、請求項１５から２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
添加される前記生物活性成分が、構造蛋白質、接着蛋白質またはそれから誘導されるペプチド構造であることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
添加される前記生物活性成分が、抗生物質であることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
添加される前記生物活性成分が、グリコサミノグリカン、プロテオグリカンまたはそれから誘導される構造であることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
添加される前記生物活性成分が、サイトカインであること
を特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
請求項１から１４のいずれか一項に記載のキトサンを被覆した物品の、医療用インプラント材料としての使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キトサンの安定したコーティングを有する金属物品およびその作製方法に関する。キトサンコーティング中に生物活性成分を取り込むことにより、キトサンコーティングが非常に広範囲の様々な用途に応じられるようになり、対応して改質された表面の生体適合性も増大する。金属物品またはこのように被覆された表面は、医学および獣医学、たとえばインプラントのみならず、生物工学の非常に広範囲にわたる領域にとっても重要である。
【背景技術】
【０００２】
多糖キトサンおよびこの物質の改質は、インプラントの被覆用、および組織工学で使用するスカフォールド作製用に、バイオマテリアルの領域で広く使用されている。たとえば、特許文献１（米国特許第５，５７８，０７３号公報）には、生物活性成分を層に取り込むことにより、血液の凝固を防止する表面を得るために、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）表面上にキトサンＰＶＡをベースにした層を作製するためのディップコーティング方法が記載されている。特許文献２（国際公開ＷＯ９６／０２２５９号公報）でも同様に、骨の表面と接触するインプラント表面の被覆にディップコーティング方法を利用し、硬組織反応を刺激するために、ヘパリン、ヘパラン硫酸、コンドロイチン硫酸またはデルマタン硫酸などの多糖をキトサン溶液に添加している。骨の組織工学に使用するスカフォールドの作製は、キトサンとβ−リン酸三カルシウムを組み合わせることにより、非特許文献１（Ｚｈａｎｇら（Ｊ．  ｏｆ  Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔ．Ｓｏｌｉｄｓ  ２８２（２、３）、１５９〜６４））によって達成されている。同様な方法が、特許文献３（欧州特許公開ＥＰ０５５５８０７号公報）に記載されており、キトサンゾルに微粉の無機骨物質および２価のカチオンを混合することにより、対応するスカフォールドが作製されている。
【０００３】
特許文献４（カナダ特許公開第２２１９３９９号公報）には、多くは軟組織用途を対象としているが、キトサンをベースとした一体物のヒドロゲルの作製が記載されており、添加されたアミドの加水分解によるポリマーの酸性溶液から出発する成形、およびその結果生じる元の酸性溶液の中和が達成されている。
【０００４】
上記の方法、詳しくは層の形成に関連する、広く議論されている欠点は、層の安定性が不十分なことである。
【０００５】
これに基づき、特許文献５（国際公開ＷＯ２００２０８０９９６号公報）では、障壁機能を持たせた、耐久性にきわめて優れ、長期間安定しているＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）層に、生物活性成分を結合させた短期安定性の（たとえば、ポリ乳酸から作製した）ポリマー層を組み合わせている。
【０００６】
特許文献６（欧州特許公開ＥＰ１３０８１７７Ａ１号公報）では、ディップコーティングにより作製したキトサン層が、乾燥後に安定化溶液中に貯蔵されることにより、安定化する。薄膜の安定性は、この溶液のｐＨにより、または共有結合性橋かけ剤の使用により、あるいはこの２つの手法の組合せにより、増大する。最終工程段階で、安定化された膜を洗浄する。
【０００７】
非特許文献２（Ｃｒｕｚら（Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．７２（２０００）、６８０〜８６））による研究からも、ディップコーティングまたはソルベントキャスティングによって作製された疎構造のキトサン薄膜が得られる。この著者らは、詳しくは、正電荷を有する金属イオンの錯塩が、ソルベントキャスティングにより作製したキトサン薄膜を通して輸送されるときの拡散係数が、水媒質中で妨害を受けずに拡散する場合の拡散係数に匹敵することを示している。
【０００８】
したがって、多くの用途について、バイオマテリアルの表面に対して障壁作用を有する、接着力の強い、不浸透性のキトサン薄膜の作製方法を簡単に実施できることは、非常に重要である。
【特許文献１】米国特許第５，５７８，０７３号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ９６／０２２５９号公報
【特許文献３】欧州特許公開ＥＰ０５５５８０７号公報
【特許文献４】カナダ特許公開第２２１９３９９号公報
【特許文献５】国際公開ＷＯ２００２０８０９９６号公報
【特許文献６】欧州特許公開ＥＰ１３０８１７７Ａ１号公報
【非特許文献１】Ｚｈａｎｇら（Ｊ．  ｏｆ  Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔ．Ｓｏｌｉｄｓ  ２８２（２、３）、１５９〜６４）
【非特許文献２】Ｃｒｕｚら（Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．７２（２０００）、６８０〜８６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、本発明の目的は、画定された不浸透性の、接着力の強い層が１工程段階で作製できる、キトサンの安定コーティングを有する金属物品を提供することであったが、そのプロセスを実施するやり方で、生物活性成分をその層に取り込むことが可能になる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的は、電気化学的支援により、キトサンの弱酸性溶液からキトサン層がその表面に作製された金属から作製される物品によって達成される。生物活性成分をキトサン溶液に添加することにより、その成分をその層の中に取り込むことができる。電気化学的支援により層を生成することによって、その層は不浸透性構造となり、強力な接着性を有し、金属基板と生物環境の間の障壁層として作用する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明によれば、０．１〜２０ｍＡ／ｃｍ2、好ましくは２〜８ｍＡ／ｃｍ2の電流密度の定電流モードで、被覆すべき金属物品を陰分極することにより、水性電解質中で層を作製する。自由に選択できる電気化学的パラメータは、電流密度、最終電位、および時間と共に推移する分極の過程であり、この分極は連続的にまたはパルス式に行うことができる。
【００１２】
この場合の金属物品は、所望するいかなる金属または合金からなるものでも、あるいは金属系バイオマテリアルとして使用されるいかなる材料からなるものでもよい。この金属物品は、所望通りの複雑な幾何形状をとることができ、所望するいかなる表面形態（たとえば、サンドブラスト、チタンプラズマコーティング）を有することもできる。
【００１３】
生物活性成分をコーティング液に添加して、本発明による金属物品上に作製されるキトサン層中にその成分を取り込むことができる。
疎構造のキトサン薄膜から生物活性成分を迅速に解放することが望ましい場合は、電気化学的に支援された層を作製するプロセスを、適切に選択したパラメータ（好ましくは、低電流密度および低最終電位）で実施することができ、かつ／またはディップコーティング工程段階または電気化学的分極の後で、分極していないコーティング液中に層を貯蔵することにより拡張することができる。適切な生物活性成分は、構造蛋白質または接着蛋白質あるいはそれから誘導されたペプチド構造である。抗生物質、グリコサミノグリカン、プロテオグリカン、サイトカインまたはそれから誘導される構造が好ましい。
【００１４】
キトサン薄膜からの生物活性成分の解放を望まない場合は、生物活性成分をキトサン層に結合させることにより、有利に解放を防止することができる。かかる結合は、イオン結合性でも共有結合性でもよく、あるいはビオチン／アビジン／ストレプトアビジン型の生物学的結合を利用することもできる。共有結合は、たとえば、ＵＶ光または他の化学反応を用いて橋かけ結合することにより達成される。
【００１５】
本発明はさらに、請求項１に記載のキトサンで被覆した金属物品の作製方法に関する。
【００１６】
驚くべきことに、有機または無機酸に溶解したキトサンの弱酸性水溶液中で、被覆すべき金属物品を陰分極した結果生じるｐＨの局所的増大により、安定で、不浸透性で、強い接着性を有するキトサン層が形成されることを発見した。このことは、分極中に電解槽電位が上昇することから明らかである。この電解槽電位は、選択した電流密度の関数として、数秒から数分の間に限界値を超え、１００Ｖより大きな値に達し、したがって、高いオーム性抵抗を示す不浸透性層が生じたことを表している。好ましくは、電気化学的分極は、２０〜１１０Ｖの範囲の電解槽電位で実施される。
【００１７】
本発明によれば、層の作製条件は、０．１〜５％の酸、好ましくは１〜２％の酸に溶解したキトサンの０．１〜５％溶液を使用するように、選択する。使用することのできる酸は、無機酸および有機酸である。好ましい有機酸は、乳酸、酢酸およびグルタミン酸である。好ましい無機酸は、塩酸および硝酸である。
【００１８】
この方法で被覆した物品は、エチレンオキシドやγ線照射など通常の非加熱方法を用いて殺菌することができる。この殺菌方法の選択は、本質的に、層に存在する生物活性成分の安定性に応じて決まる。その後直ぐに使用しない場合は、殺菌した物品を低温（１０℃未満）で、光を遮断して保存することができる。
【００１９】
本発明による被覆された物品の、考えられる可能性のある医療用途は、キトサン層単独で、あるいは、たとえばコラーゲンＩ型など細胞接着を促進するペプチド配列または蛋白質を組み込んでキトサン層と組み合わせることにより、骨接触（ｂｏｎｅ  ｃｏｎｔａｃｔ）用のインプラント表面を静菌性に仕上げることである。他の可能性のある用途は、外部固定材（ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｆｉｘｉｎｇｓ）、特に、皮膚を通り抜ける領域における外部固定材を、静菌活性キトサン層で、または炎症防止活性成分を組み込んでキトサン層と組み合わせたもので被覆することである。
【００２０】
本発明の方法は、以下の主な利点によって公知の方法と区別される。
・作製されたキトサン薄膜の高安定性、厚みおよび構造、これらは電気化学的パラメータの選択により、明確に調整することができる。
・キトサン薄膜が安定性かつ不浸透性であるため、周囲組織または体液成分による金属バイオマテリアルへの腐食攻撃が減少するという意味で、金属バイオマテリアルと周囲組織の間の有効な障壁として作用する。
・金属バイオマテリアルからのイオンの解放が減少するため、周囲組織に対する刺激作用および／または不都合な全身的影響の危険性が減少し、したがって構築物（ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）全体の生体適合性が高まる。
・不浸透性キトサンコーティングの障壁作用の結果として金属バイオマテリアルからのイオンの解放が減少するため、構築物全体の金属部分の材料として高価でない金属を問題のある患者に、使用することができる。
・層を作製する際の電気化学的パラメータを選択して、キトサン層の構造を明確に設定することにより、解放挙動に、したがってキトサンコーティングの生物活性成分の生物学的利用能に特異的に影響を与えることが可能である
本発明は、さらに、医療用インプラント材料としての、キトサン被覆物品の利用に関する。
【００２１】
本発明を、以下の実施例を参照してより詳細に説明する。実施例１および２では、平均的な厚さの層を、チタン合金またはインプラント鋼上に作製する。実施例３では、より厚みのある、安定性に優れた層の作製について述べる。実施例４では、層を作製する作手をパルス分極に変更しており、実施例５では、層構造中への生物活性成分の取り込みを述べる。実施例６では、ＨＣｌなどの無機酸中でのキトサン溶液の変形形態について述べる。
【実施例】
【００２２】
実施例１
ＴｉＡｌ6Ｖ4の直径１０ｍｍ、厚さ３ｍｍの円柱形試料を研削し、酸化物で研磨し、エタノールで洗浄する。１％乳酸に溶解したキトサンの１％溶液を、一晩攪拌して、調製する。円柱形試料に電気的コンタクトを装着し、対極として使用するステンレス鋼１枚と共に、キトサン溶液中に浸漬する。電気化学的分極を、３０Ｖの電解槽電圧に対し３ｍＡｃｍ-2の電流密度で、定電流で実施する。この分極では、ＴｉＡｌ6Ｖ4試料は、カソードとして接続されている。分極が完了した直後に、ＴｉＡｌ6Ｖ4試料をキトサン溶液から取り出し、蒸留水で洗浄する。外観上は、試料は滑らかな、強力な接着層のように見える。光学顕微鏡および走査電子顕微鏡観察では、層は完全であり、不浸透性であることを示した。ＦＴＩＲ分光法によれば、キトサンのスペクトルは、試料表面上で均一に検出される。
【００２３】
実施例２
実施例１と同様であるが、被覆すべき材料としてステンレス鋼３１６Ｌを使用した。
【００２４】
実施例３
実施例１と同様であるが、１００Ｖの電解槽電圧に対し、５ｍＡｃｍ-2の電流密度で実施した。
【００２５】
実施例４
実施例１と同様であるが、パルス分極を用いた。
【００２６】
実施例５
１％乳酸に溶解したキトサンおよび０．１％のトロポコラーゲンの１％溶液を、一晩攪拌して調製した。その他は、実施例１と同様である。
【００２７】
実施例６
ＴｉＡｌ6Ｖ4の直径１０ｍｍ、厚さ３ｍｍの円柱形試料を研削して、酸化物で研磨し、エタノールで洗浄する。１％ＨＣｌに溶解したキトサンの１％溶液を、一晩攪拌して調製する。円柱形の試料に電気的コンタクトを装着して、白金箔の対極と共にキトサン溶液中に浸漬する。４５Ｖの電解槽電圧に対し、５ｍＡｃｍ-2の電流密度を用い、定電流で陰分極を実施する。分極が完了した直後に、ＴｉＡｌ6Ｖ4試料をキトサン溶液から取り出し、蒸留水で洗浄する。