(57)【要約】【課題】医療用インプラントの抗菌性表面を製造する方法を提供する。【解決手段】本態様は、シリコン基板上でフォトレジスト層をパターン形成することと、シリコンをエッチングして複数のナノピラーを生成することとを含む、医療用インプラント・デバイスの抗菌性表面を製造する方法を含む。他の態様は、フォトレジスト層を構造体から除去することと、複数のナノピラーを生体適合性膜で覆うこととを含む。さらに他の態様は、複数のナノピラーを含むシリコン薄膜を含む、医療用インプラントに関連する細菌感染を防ぐためのシステムを含む。【選択図】図５
2020513967.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
医療用インプラント・デバイスの抗菌性表面を製造する方法であって、
半導体基板上でフォトレジスト層をパターン形成することと、
前記基板をエッチングして複数のナノピラーを生成することと、
前記フォトレジスト層を前記基板から除去することと、
前記複数のナノピラーを生体適合性膜で覆うことと
を含む、方法。
【請求項２】
前記複数のナノピラーの各々が、約１ナノメートル〜約２００ナノメートルの範囲内の柱の上面直径を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記複数のナノピラーの各々が、約１ナノメートル〜約１マイクロメートルの範囲内の柱の底面直径を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記複数のナノピラーが、約１００ナノメートル〜約１０マイクロメートルの範囲内の平均高さを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記複数のナノピラーが、約１００ナノメートル〜約２マイクロメートルの範囲内の平均ピッチで前記表面上で間隔を空けて置かれる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記生体適合性膜がチタンを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記生体適合性膜が、チタンおよび窒化チタンから成るグループから選択される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
複数のナノ構造を備えている薄いシリコン・リボンを生成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記複数のナノ構造を備えている薄いシリコン・リボンを生成することが、
引張層を前記複数のナノピラーに適用して、前記基板内に裂け目を生じさせることと、
前記基板の前記裂け目で前記複数のナノピラーを前記基板から分離することであって、前記複数のナノピラーが前記薄いシリコン・リボンの表面上にある、前記分離することと
を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
医療用インプラント・デバイスの抗菌性構造体を製造する方法であって、
半導体基板上でフォトレジスト層をパターン形成することと、
前記構造体上に金属層を付着することと、
前記フォトレジスト層、および前記金属層の一部を前記構造体から除去して、パターン形成された金属層を作製することと、
前記パターン形成された金属層の下の前記基板をエッチングして、複数のナノピラーを生成することと、
前記パターン形成された金属層を前記構造体から除去することと
を含む、方法。
【請求項１１】
前記複数のナノピラーを生体適合性膜で覆うことをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記生体適合性膜がチタンを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記複数のナノピラーの各々が、約１ナノメートル〜約２００ナノメートルの範囲内の柱の上面直径を有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記複数のナノピラーの各々が、約１ナノメートル〜約１マイクロメートルの範囲内の柱の底面直径を有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数のナノピラーが、約１００ナノメートル〜約１０マイクロメートルの範囲内の平均高さを有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数のナノピラーが、約１００ナノメートル〜約２マイクロメートルの範囲内の平均ピッチで前記シリコン基板上で間隔を空けて置かれる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記複数のナノ構造を備えている薄いシリコン・リボンを生成することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
前記薄いシリコン・リボンを前記医療用インプラント・デバイスに適用することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記金属層が、金、銀、白金、パラジウム、および銅から成るグループから選択された導電性金属を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項２０】
医療用インプラント手術に関連する細菌感染を防ぐためのシステムであって、
複数のナノピラーおよびシリコン・ベースを含むシリコン膜を備えており、
前記複数のナノピラーの各々が、約１ナノメートル〜約２００ナノメートルの範囲内の柱の上面直径を有しており、
前記複数のナノピラーの各々が、約１ナノメートル〜約１マイクロメートルの範囲内の柱の底面直径を有しており、
前記複数のナノピラーが、約１００ナノメートル〜約１０マイクロメートルの範囲内の平均高さを有しており、
前記複数のナノピラーが、前記シリコン膜上で、約１００ナノメートル〜約２マイクロメートルの範囲内の平均ピッチで間隔を空けて置かれる、システム。
【請求項２１】
生体適合性膜をさらに備える、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記シリコン・ベースが約１００マイクロメートル以下の厚さを有する、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２３】
医療用インプラント・デバイスをさらに備える、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２４】
医療用インプラント手術に関連する細菌感染を防ぐための方法であって、
シリコン膜を医療用インプラント・デバイスに適用することであって、前記シリコン膜が、複数のナノピラーおよびシリコン・ベースを含むことと、
前記医療用インプラント・デバイスを患者に移植することと
を含む、方法。
【請求項２５】
前記複数のナノピラーの各々が、約１ナノメートル〜約２００ナノメートルの範囲内の柱の上面直径を有しており、前記複数のナノピラーの各々が、約１ナノメートル〜約１マイクロメートルの範囲内の柱の底面直径を有しており、前記複数のナノピラーが、約１００ナノメートル〜約１０マイクロメートルの範囲内の平均高さを有しており、前記複数のナノピラーが、前記シリコン膜上で、約１００ナノメートル〜約２マイクロメートルの範囲内の平均ピッチで間隔を空けて置かれる、請求項２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、医療用インプラント・デバイスに関し、特に、医療用インプラント・デバイスの生体を模倣した抗菌性表面（bioinspired antibacterial surfaces）に関する。
【背景技術】
【０００２】
整形外科用インプラントおよび歯科インプラントなどの医療用インプラントに関連する細菌感染は、重要な課題を提示している。医療用インプラントは、多様な方法に従って、さまざまな材料から製造できる。さまざまな方法での移植手術の前、または移植手術中にも、例えば医療用インプラント・デバイスの不完全または無効な殺菌、患者の皮膚など患者からの汚染、汚染された殺菌剤、または手術器具に関連する汚染物質に起因して、細菌が医療用インプラントと接触する可能性がある。細菌細胞の膜が、移植後に医療用デバイスの表面にわたって生じることがある。世界の人口が高齢化し、移植手術を経験する頻度が増すにつれて、そのような生物膜に関連する感染の可能性が増え続けている。多くの場合、医療用インプラントに関連する細菌感染は、感染の後期になって初めて検出され、その場合、外科的介入は感染治療の選択肢にすぎない。
【０００３】
インプラントに関連する感染を防ぐための方法には、アルファ線放射および高温蒸気加熱などがある。しかし、それらの方法は、インプラントの表面に存在する細菌のみを減らすか、または除去することしかできない。それらの方法は、治療後に細菌が表面に生じるのを防ぐことができない。さらに、それらの方法は、移植手術中に発生する可能性がある細菌汚染を防ぐことができない。
【０００４】
表面テクスチャリングは、医療用インプラントの生体適合性を向上させるために使用できる技術である。テクスチャ表面を有する医療用デバイスを製造するための既知の方法は、ランダム・パターンの構造体を生成するか、または医療用インプラント・デバイスへの適用には適さないサイズおよび寸法の構造体を生成できる。インプラント・デバイス上での生物膜の形成を防ぐための、長持ちする信頼性の高い医療用インプラント・システムおよび方法に対する必要性が残されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
抗菌性表面を備える医療用インプラント・デバイスを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態は、医療用インプラント・デバイスの抗菌性表面を製造する方法を対象にする。非限定的な例示的方法は、半導体基板上のフォトレジスト層のパターン形成を含む。基板は、例えば、複数のナノピラーを生成するために、反応性イオン・エッチングを使用してエッチングされる。フォトレジスト層は、基板から除去される。複数のナノピラーが、生体適合性膜で覆われる。前述した製造方法は、殺菌活性を促進する寸法を有する制御されたパターンのナノピラーを生成できる。
【０００７】
本発明の一実施形態では、複数のナノピラーの各々は、約１ナノメートル〜約２００ナノメートルの範囲内の柱の上面直径、約１ナノメートル〜約１マイクロメートルの範囲内の柱の底面直径、または約１００ナノメートル〜約１０マイクロメートルの範囲内の平均高さ、あるいはその組み合わせを有する。これらの寸法のうちの１つまたは複数を使用する本発明の実施形態は、これらの範囲のいずれかを外れた寸法のナノピラーに対し、殺菌活性を増加させることができた。
【０００８】
本発明の一実施形態では、生体適合性膜は、チタンを含む。チタンおよびチタンを含有している化合物は、相対的にコストが低く、相対的に製造が容易な、望ましい殺菌活性を有する膜を実現することができる。
【０００９】
本発明の実施形態は、医療用インプラント・デバイスを製造する方法を対象にする。非限定的な方法の例としては、複数のナノ構造を含む薄膜を生成することを含む。ある実施形態では、複数のナノ構造を有する薄膜を生成することは、引張層を複数のナノ構造に適用して、半導体基板に裂け目を生じさせることを含む。薄膜を生成することは、基板の裂け目で複数のナノピラーを基板から分離することも含む。この製造方法は、医療用インプラントの表面を含むさまざまな表面に適合することができる、柔軟性のある抗菌性表面を含む、シリコン膜を提供することができる。
【００１０】
別の実施形態によれば、医療用インプラント・デバイスの抗菌性構造体を製造する方法は、半導体基板上でフォトレジスト層をパターン形成することを含む。この方法はまた、構造体上に金属層を付着することを含む。この方法は、フォトレジスト層、および金属層の一部を構造体から除去して、パターン形成された金属層を作製することも含む。この方法は、パターン形成された金属層の下の基板をエッチングして、複数のナノピラーを生成することも含む。この方法は、パターン形成された金属層を構造体から除去することも含む。この製造方法は、殺菌活性を促進する寸法を有するナノピラーの制御されたパターンを、コストを削減し、有毒化学物質の使用を減らして、生成できる。
【００１１】
別の実施形態によれば、医療用インプラントに関連する細菌感染を防ぐためのシステムは、複数のナノピラーを含むシリコン薄膜を含む。このシステムは、医療用インプラントに関連する細菌感染を防ぎ、表面へのヒト細胞の接着を可能にすることができる。
【００１２】
本発明の１つまたは複数の実施形態によれば、複数のナノピラーの各々が、約１ナノメートル〜約２００ナノメートルの範囲内の柱の上面直径を有する。複数のナノピラーの各々は、約１ナノメートル〜約１マイクロメートルの範囲内の柱の底面直径を有する。複数のナノピラーは、約１００ナノメートル〜約１０マイクロメートルの範囲内の平均高さを有する。複数のナノピラーは、シリコン薄膜上で、約１００ナノメートル〜約２マイクロメートルの範囲内の平均ピッチで間隔を空けて置かれる。
【００１３】
さらに別の実施形態によれば、医療用インプラント手術に関連する細菌感染を防ぐための方法が提供される。この方法は、シリコン膜を医療用インプラント・デバイスに適用することを含んでおり、このシリコン膜は、複数のナノピラーおよびシリコン・ベースを含む。この方法は、医療用インプラント・デバイスを患者に移植することも含む。この方法は、移植後の細菌感染を防ぐことができ、それによって患者の転帰を改善する。
【００１４】
前述の内容、ならびに本明細書に記載された１つまたは実施形態のその他の特徴および長所は、添付の図面と併せて行われる以下の詳細な説明から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に従う、医療用インプラント・デバイスの抗菌性表面の断面図である。
【図２】本発明の実施形態に従って、医療用インプラント・デバイスの抗菌性表面を形成する例示的な製造工程を示しており、フォトレジスト層のパターン形成後のシリコン基板の断面図である。
【図３】本発明の実施形態に従って、医療用インプラント・デバイスの抗菌性表面を形成する例示的な製造工程を示しており、エッチング後の図２の構造体の断面図である。
【図４】本発明の実施形態に従って、医療用インプラント・デバイスの抗菌性表面を形成する例示的な製造工程を示しており、フォトレジスト層の除去後の図３の構造体の断面図である。
【図５】本発明の実施形態に従って、医療用インプラント・デバイスの抗菌性表面を形成する例示的な製造工程を示しており、生体適合性材料の付着後の図４の構造体の断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態に従って、医療用インプラント・デバイスの抗菌性表面を形成する別の例示的な製造工程を示しており、フォトレジスト層のパターン形成後のシリコン基板の断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態に従って、医療用インプラント・デバイスの抗菌性表面を形成する別の例示的な製造工程を示しており、金属の付着後の図６の構造体の断面図である。
【図８】本発明の他の実施形態に従って、医療用インプラント・デバイスの抗菌性表面を形成する別の例示的な製造工程を示しており、フォトレジスト層の除去後の図７の構造体の断面図である。
【図９】本発明の他の実施形態に従って、医療用インプラント・デバイスの抗菌性表面を形成する別の例示的な製造工程を示しており、導電性金属アシスト化学エッチング後の図８の構造体の断面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態に従って、医療用インプラント・デバイスの抗菌性表面を形成する別の例示的な製造工程を示しており、金属の除去後の図９の構造体の断面図である。
【図１１】本発明の他の実施形態に従って、医療用インプラント・デバイスの抗菌性表面を形成する別の例示的な製造工程を示しており、生体適合性材料の付着後の図１０の構造体の断面図である。
【図１２】剥離技術を使用して、抗菌性ナノピラー（antibacterial nanopillar）を含む薄膜化されたシリコン構造体を形成するための工程を示しており、抗菌性ナノピラーを含む基板の断面図である。
【図１３】剥離技術を使用して、抗菌性ナノピラーを含む薄膜化されたシリコン構造体を形成するための工程を示しており、基板上での引張応力を有する層の付着後のシリコン構造体の断面図である。
【図１４】剥離技術を使用して、抗菌性ナノピラーを含む薄膜化されたシリコン構造体を形成するための工程を示しており、引張応力を有する層上での柔軟性のあるハンドルの付着後のシリコン構造体の断面図である。
【図１５】剥離技術を使用して、抗菌性ナノピラーを含む薄膜化されたシリコン構造体を形成するための工程を示しており、引張応力を有する層を持ち上げて、抗菌性ナノピラーを含む薄いシリコン・リボンを作製した後の、シリコン構造体の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
医療用インプラント・デバイスは、病気および老化に関連する症状の治療のための新しい技術の出現と共に、ますます普及するようになっている。しかし、従来の手段によって移植されたデバイスの完全な殺菌は困難であり、その結果、細菌の生息環境を提供して、生物膜を形成する可能性のある表面と共に、感染のおそれのある材料を体内に導入することになる。そのような生物膜は、重大な感染および病気の可能性につながるだけでなく、感染のおそれのある材料を体から除去するために、外科的介入を頻繁に必要とすることがある。加えて、例えばペースメーカーおよび整形外科用インプラントを含む、移植された医療用デバイスの表面上での細菌膜の成長は、デバイスの適切な動作を阻害する可能性もあり、デバイスの故障につながることがある。
【００１７】
医療用デバイスに関連する細菌感染を減らすか、または除去して、患者の転帰を改善する必要がある。感染を防ぐには、生体適合性などの特別な考慮が必要になることがある。そのような感染を減らすための従来の方法は、アルファ線放射および高温蒸気加熱などの、ますます攻撃的な殺菌手順を含むことができる。しかし、そのような方法は、移植前の医療用デバイス上の汚染物質の存在を除去することを主に対象にしており、手術中または汚染後の細菌増殖などの他の汚染方法には対処していない。
【００１８】
インプラントの表面上の細菌細胞の伝搬は極めて望ましくないが、一部の医療用インプラントの適用は、インプラントの表面上の人体組織の付着および伝搬から恩恵を受けることができる。例えば、構造的な整形外科用インプラントへの筋肉組織の接着は、デバイスの機能を改善することがある。場合によっては、移植された医療用デバイスへの筋肉組織の接着の失敗は、外科手術が繰り返し必要になるような予後不良につながる可能性がある。
【００１９】
本発明の実施形態は、抗菌性表面を備える医療用インプラント・デバイスを含む。本発明の一実施形態は、医療用インプラント上での細菌膜の形成を防ぐ方法を提供する。本発明の実施形態は、細菌細胞の増殖を妨げながら、デバイスの表面上でのヒト細胞の接着および増殖を可能にする医療用インプラント・デバイスを提供できる。本発明の一実施形態では、例えば感染のリスクおよびその後の外科手術を減らすことによって、患者の治療の転帰が改善される。加えて、ある実施形態では、本発明は、医療用インプラント・デバイスの機能および寿命を改善する。
【００２０】
本発明の実施形態は、医療用インプラント・デバイスのナノ構造を有する表面を含む。一実施形態では、ナノ構造を有する表面は、生体適合性材料で覆われ得る。一実施形態では、本発明のナノ構造を有する表面は、細菌膜の形成を防ぐ。一実施形態では、本発明のナノ構造を有する表面は、ヒト細胞の増殖を可能にする。本発明の一実施形態では、制御された寸法を有するナノピラー表面が提供される。制御された寸法を有するナノピラー表面の製造は、ランダムに並べられたナノピラー表面と比較して、改善された殺菌活性を提供できる。
【００２１】
本発明の実施形態は、ナノピラー表面の改善された形成方法を含む。本発明の実施形態に従う方法は、相対的に小さい寸法を有するナノピラーのスパイクを提供し、より寸法の大きいナノピラーと比較して、改善された殺菌活性を実現する。
【００２２】
付着は、材料を基板上で成長させるか、基板を覆うか、またはその他の方法で基板に移動させる、任意の工程である。使用可能な技術は、特に、熱酸化、物理蒸着（ＰＶＤ：physical vapor deposition）、化学蒸着（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）、電気化学堆積（ＥＣＤ：electrochemical deposition）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ：molecular beam epitaxy）、および最近の原子層堆積（ＡＬＤ：atomic layer deposition）を含むが、これらに限定されない。
【００２３】
除去は、ウエハーから材料を除去する任意の工程であり、例としては、エッチング工程（ウェットまたはドライのいずれか）および化学的機械的平坦化（ＣＭＰ：chemical-mechanical planarization）などが挙げられる。
【００２４】
パターン形成は、付着された材料の成形または改造であり、通常はリソグラフィと呼ばれる。例えば、従来のリソグラフィでは、ウエハーが、フォトレジストと呼ばれる化学物質で覆われ、その後、ステッパと呼ばれる装置がマスクの焦点を合わせ、マスクの位置合わせおよび移動を行い、下のウエハーの選択部分を短波長光にさらし、それらの露光された領域が、現像液によって洗い流される。エッチングおよびその他の加工の後に、残りのフォトレジストが除去される。パターン形成は、深紫外線リソグラフィ、電子線リソグラフィ、ナノインプリント・リソグラフィ、ナノスフェア・リソグラフィ、および反応性イオン・エッチングも含む。
【００２５】
エッチング工程は、ドライ・エッチング（例えば、反応性イオン・エッチング、プラズマ・エッチング、イオン・ビーム・エッチング、またはレーザー・アブレーション）を含むことができる。エッチング工程は、代替として、ウェット化学エッチング（例えば、水酸化カリウム、または硫酸および過酸化水素を使用する）を含むことができる。一実施形態例では、ドライ・エッチング工程とウェット化学エッチング工程の両方を使用できる。パターンを転写した後に、レジスト除去工程（例えば、アッシング）を使用して、パターン形成されたフォトレジストが除去される。アッシングを使用して、フォトレジスト材料、無定形炭素、または有機平坦化（ＯＰＬ：organic planarization）層を除去することができる。アッシングは、適切な反応ガス（例えば、Ｏ２、Ｎ２、Ｈ２／Ｎ２、Ｏ３、ＣＦ４、またはこれらの任意の組み合わせ）を使用して実行される。
【００２６】
以下の定義および略称が、特許請求の範囲および本明細書の解釈に使用される。本明細書において使用されているように、「備える」、「備えている」、「含む」、「含んでいる」、「有する」、「有している」、「含有する」、「含有している」という用語、またはこれらの任意のその他の変形は、非排他的包含をカバーするよう意図されている。例えば、要素のリストを含んでいる組成、混合、工程、方法、製品、または装置は、それらの要素のみに必ずしも限定されず、明示されていないか、またはそのような組成、混合、工程、方法、製品、または装置に固有の、その他の要素を含むことができる。
【００２７】
本明細書において使用されるとき、要素またはコンポーネントに先行する「ａ」および「ａｎ」は、その要素またはコンポーネントの事例（すなわち、発生）の数に関して非制限的であるよう意図されている。したがって、「ａ」または「ａｎ」は、１つまたは少なくとも１つを含んでいると解釈されるべきであり、要素またはコンポーネントの単数形の単語は、その数が明らかに単一であるように意図されていない限り、複数形も含んでいる。
【００２８】
ここで本発明の実施形態について詳細に説明すると、図１は、本発明の実施形態に従う、医療用インプラント・デバイスの抗菌性表面１００の断面図である。抗菌性表面１００は、シリコン基板などの半導体基板１０２、および複数のナノピラー１０４を含む。一実施形態では、基板１０２およびナノピラー１０４は、同じ材料で形成され、シリコンまたはシリコン化合物を含む。各ナノピラーは、上面１０８を含む。各ナノピラーの上面１０８は、上面直径Ｄ１を有する。各ナノピラーの下部は、その最も広い位置で、底面直径Ｄ２を有する。各ナノピラーは、高さＨを有する。一実施形態では、ナノピラー１０４は、ピッチによって定義された距離の間隔を互いに空けられる。このピッチは、第１のナノピラーの前縁から第２のナノピラーの前縁までの距離であり、この第２のナノピラーは、基板１０２上の次の隣接するナノピラーである。一実施形態では、基板１０２およびナノピラー１０４は、任意選択的に、生体適合性膜１０６で覆われる。
【００２９】
一実施形態では、１つまたは複数のナノピラーは、約１ナノメートル（ｎｍ）〜約２００ｎｍの範囲内の柱の上面直径Ｄ１を有する。実施形態では、Ｄ１は、約１ｎｍ〜約１５０ｎｍの範囲内であり、例えば、約１ｎｍ〜約１００ｎｍまたは約１０ｎｍ〜約８０ｎｍなどである。ある実施形態では、抗菌性表面上の平均直径Ｄ１は、約５０ｎｍ〜約８０ｎｍである。
【００３０】
実施形態では、１つまたは複数のナノピラーは、約１ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲内の柱の底面直径Ｄ２を有する。実施形態では、Ｄ２は、約５０ｎｍ〜約５００ｎｍの範囲内であり、例えば約１００ｎｍ〜約４００ｎｍまたは約１００ｎｍ〜約２００ｎｍなどである。ある実施形態では、抗菌性表面１００上のナノピラーの平均直径Ｄ２は、約１００ｎｍ〜約１５０ｎｍの範囲内である。
【００３１】
実施形態では、複数のナノピラーは、基板上でピッチに従って間隔を空けて置かれる。実施形態では、抗菌性表面１００上のナノピラー１０４の平均ピッチは、約１００ｎｍ〜約２マイクロメートル（μｍ）の範囲内である。実施形態では、平均ピッチは、約１００ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲内であり、例えば、約１００ｎｍ〜約５００ｎｍまたは約２００ｎｍ〜約５００ｎｍなどである。ある実施形態では、平均ピッチは、約４００ｎｍ〜約４５０ｎｍの範囲内である。
【００３２】
実施形態では、１つまたは複数のナノピラーは、約１００ｎｍ〜約１０μｍの範囲内のナノピラーの高さＨを有する。実施形態では、この高さは、約１００ｎｍ〜約１μｍ、または約２００ｎｍ〜約８００ｎｍ、または約３００ｎｍ〜約７００ｎｍ、または約４００ｎｍ〜約６００ｎｍの範囲内である。ある実施形態では、抗菌性表面１００上のナノピラー１０４の平均高さは、約４００ｎｍ〜約５００ｎｍの範囲内である。
【００３３】
生体適合性膜１０６は、抗菌性表面のナノピラーおよび基板に適用できる生体適合性材料を含む層である。生体適合性膜１０６は、例えば、窒化物、金属酸化物を含む酸化物、金属水酸化物、ヒドロキシアパタイトおよびリン酸カルシウム化合物などのナノ多孔性無機コーティング（nanoporous inorganic coatings）、ならびに天然高分子および合成高分子を含む高分子を含むことができる。実施形態では、生体適合性膜１０６は、例えば、酸化アルミニウム、ヒドロキシアパタイト、二酸化ケイ素、炭化チタン、窒化チタン、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム、リン酸カルシウム、窒化クロム、コラーゲン、キトサン、セルロースまたはセルロース誘導体、ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）、ポリ（ε−カプロラクトン）（ＰＣＬ）、ポリ（ラクチド−コ−グリコリド）（ＰＬＧＡ）、ポリ（エーテルイミド）（ＰＥＩ）、ポリ（１，３−トリメチレンカーボネイト）（ＰＴＭＣ）、ポリ（スチレンスルホナート）（ＰＳＳ）、またはこれらの組み合わせを含む。本発明の実施形態では、生体適合性膜１０６は、白金、銀、アルミニウム、ニッケル、チタン、またはこれらの合金を含むが、これらに限定されない導電性金属を含む。ある実施形態では、生体適合性膜１０６は、チタン（Ｔｉ）から成る。ある実施形態では、生体適合性膜１０６は、窒化チタン（ＴｉＮ）から成る。
【００３４】
図２〜５は、本発明の１つまたは複数の実施形態に従って、医療用インプラント・デバイスの抗菌性表面を形成する例示的な製造工程を示している。図２は、フォトレジスト層２０２のパターン形成後のシリコン基板２００の断面図である。図２に示されているように、シリコン基板２００が提供され、基板２００上でフォトレジスト層２０２がパターン形成され、その後のエッチングおよびナノピラー形成のために、基板２００が露出されている。フォトレジスト層は、電子線リソグラフィ、深紫外線（ＵＶ：ultra violet）フォトリソグラフィ、ナノスフェア・リソグラフィ、またはナノインプリント技術などの、任意の適切なナノリソグラフィ技術を使用してパターン形成することができる。
【００３５】
図３は、エッチング後の図２の構造体の断面図である。シリコン基板２００の露出した領域またはマスクされていない領域は、例えば反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ：reactive ion etching）を使用して、望ましい深さまでエッチングされる。この望ましい深さは、結果として得られるナノピラーの望ましい高さによって決まる。エッチングは、シリコン・ベース２０６上に複数のナノピラー２０４を形成する。ナノピラー２０４およびシリコン・ベース２０６は、シリコン基板２００で形成される。ナノピラー２０４の各々は、フォトレジスト層２０２によって上部が覆われている。
【００３６】
シリコン基板２００のエッチング後に、フォトレジスト層２０２が、既知の技術によって構造体から除去される。図４は、フォトレジスト層の除去後の図３の構造体の断面図である。結果として得られる構造体は、望ましい寸法を有する、シリコン基板２００でそれぞれ形成された、複数のナノピラー２０４およびシリコン・ベース２０６を含む。
【００３７】
一実施形態では、フォトレジスト層の除去後に、構造体が生体適合性膜２０８の層で覆われる。図５は、生体適合性膜２０８の付着後の図４の構造体の断面図である。生体適合性膜２０８は、既知の方法（例えば、化学蒸着（ＣＶＤ）または原子層堆積（ＡＬＤ））によって付着される。本発明の一実施形態では、生体適合性膜２０８は、特徴２０４および２０６の露出した表面を含む、基板２００の露出した表面上にコンフォーマルなコーティングを形成する方法を使用して付着される。
【００３８】
図６〜１１は、本発明の実施形態に従って、医療用インプラント・デバイスの抗菌性表面を形成する別の例示的な製造工程を示している。この工程は、シリコン基板２００上でフォトレジスト層２０２をパターン形成することを含む。図６は、フォトレジスト層２０２のパターン形成後のシリコン基板の断面図である。
【００３９】
フォトレジスト層のパターン形成後に、本発明の実施形態に従って複数のナノピラーを作製するために、金属アシスト化学エッチングが実行される。図７は、金属層２１０の付着後の図６の構造体の断面図である。図に示されているように、金属層２１０が構造体のフォトレジスト層２０２およびシリコン基板２００の露出した領域の上に付着される。
【００４０】
金属層２１０は、金、銀、白金、タングステン、パラジウム、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、鉄、亜鉛、カドミウム、インジウム、スズ、アンチモン、テルル、鉛、ビスマス、バナジウム、クロム、マンガン、ルテニウム、またはモリブデンなどの、金属アシスト化学エッチングに適した任意の金属を含んでよい。ある実施形態では、金属２１０は金を含む。
【００４１】
構造体上での金属層２１０の付着後に、フォトレジスト層および関連する金属が構造体から除去され、望ましい寸法のナノピラーを生成するのに適したパターンで金属層２１０を残す。図８は、フォトレジスト層の除去後のシリコン基板２００およびパターン形成された金属層２１０を示す、図７の構造体の断面図である。
【００４２】
図９は、導電性金属アシスト化学エッチング後の図８の構造体の断面図である。金属アシスト化学エッチング（ＭａｃＥｔｃｈ：metal-assisted chemical etching）に適した方法およびエッチング液が知られている。例えば、金属２１０の下のシリコン２００は、フッ化水素酸などのフッ化物エッチング液、および過酸化水素などの酸化剤を使用してエッチングされ得る。ＭａｃＥｔｃｈは、例えば、半導体材料の表面上に付着された金または白金などの貴金属を使用して、局所酸化および還元反応を引き起こすことを含む。そのような反応は、金属と半導体の間の接触面に局所的に制限される。ＭａｃＥｔｃｈは、例えば、反応性イオン・エッチング手順よりも安価になり得、場合によっては、エネルギー消費量が少なく、有毒物質への暴露および有毒物質の取り扱いを減らすことも可能であるため、反応性イオン・エッチングの望ましい代替になり得る。
【００４３】
本発明の一実施形態に従って、エッチング後に、金属が構造体から除去される。図１０は、パターン形成された金属層の除去後の図９の構造体の断面図である。図に示されているように、ナノピラー２０４が、望ましい寸法で基板２００から形成される。
【００４４】
一実施形態では、金属の除去後に、生体適合性膜が構造体上に付着される。図１１は、生体適合性膜２０８の付着後の図１０の構造体の断面図である。
【００４５】
例えば、図１２〜１５は、制御された剥離技術を使用して、抗菌性ナノピラーを含む薄膜化されたシリコン構造体を形成するための１つの既知の工程を示している。図１２に示されているように、抗菌性ナノピラー３００を含むシリコン構造体が提供される。図１３に示されているように、引張応力を有する層３０２が構造体３００上に付着される。引張応力を有する層または引張層３０２は、引張応力を受けている金属（例えば、引張応力を受けているＮｉ）の層である。引張層３０２は、引張応力を受けている金属または金属合金などの、薄いシリコン・リボンをシリコン基板から剥がすのに役立つ任意の材料を含む。
【００４６】
引張層３０２は、シリコン構造体３００内に裂け目を生じさせることができる。次に、図１４に示されているように、柔軟性のあるハンドル層３０４が引張層の上に配置される。柔軟性のあるハンドル３０４は、例えば、動作可能なように引張層に関連付けられた（すなわち、接着されたか、付着したか、または結合された）プラスチックまたは金属箔を含む。その後、図１５に示されているように、既知の剥離技術は、取り付けられた柔軟性のあるハンドル３０４を用いて引張層３０２を持ち上げて、複数のナノピラーをシリコン基板の裂け目でシリコン基板から分離し、基板３００からの抗菌性ナノピラーを含むシリコン・リボンの薄層を作製することを含む。
【００４７】
本発明の一実施形態では、抗菌性ナノピラーを含む薄いシリコン・リボンは、約１ミクロン〜約１００ミクロンの範囲内の厚さを有する。本発明のある実施形態では、抗菌性ナノピラーを含む薄いシリコン・リボンは、５０ミクロンの未満の厚さを有する。
【００４８】
本発明のさまざまな実施形態の説明は、例示の目的で提示されているが、網羅的であることは意図されておらず、本明細書に記載された実施形態に限定されない。記載された実施形態の範囲および思想を逸脱することなく多くの変更および変形が可能であることは、当業者にとって明らかであろう。本明細書で使用された用語は、実施形態の原理、実際の適用、または市場で見られる技術を超える技術的改良を最も適切に説明するため、または他の当業者が本明細書に記載された実施形態を理解できるようにするために選択されている。
【図１】
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【図２】
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【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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