(57)【要約】【課題】抗菌コーティングおよび抗菌コーティングを作製する方法が本明細書に記載される。【解決手段】第１の分岐鎖ポリエチレンイミン（ＢＰＥＩ）層が形成され、第１のグリオキサール層がＢＰＥＩ層の表面上に形成される。第１のＢＰＥＩ層および第１のグリオキサール層を硬化して、架橋ＢＰＥＩコーティングを形成する。第１のＢＰＥＩ層を、超疎水性部分、超親水性部分、または負荷電部分により改質して、コーティングの防汚性を増加することができる。第１のＢＰＥＩ層を、接触致死殺菌部分により改質して、コーティングの殺菌性を増加することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
架橋分岐鎖ポリエチレンイミン（ＢＰＥＩ）コーティングを形成する方法であって、
第１のＢＰＥＩ層を形成することと、
第１のグリオキサール層を前記第１のＢＰＥＩ層の表面上に形成することと、
前記第１のグリオキサール層および前記第１のＢＰＥＩ層を硬化することと
を含む、方法。
【請求項２】
硬化する前に、前記第１のグリオキサール層の表面上に、複数の交互のＢＰＥＩ層およびグリオキサール層を形成することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１のＢＰＥＩ層を、疎水性部分、超親水性部分、負荷電部分、またはこれらの組み合わせにより改質することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１のＢＰＥＩ層を形成することが、前記第１のＢＰＥＩ層をＮＨ２−ＰＥＧ４．６ｋ−ＮＨ２またはｍＰＥＧ２ｋ−ＮＨ２で官能化することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１のＢＰＥＩ層を形成することが、前記第１のＢＰＥＩ層をＮＨ２−ＰＥＧ４ｋ−ＮＨ２および負荷電グルタミン酸で官能化することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１のＢＰＥＩ層を形成することが、前記第１のＢＰＥＩ層をＮＨ２−ＰＥＧ４ｋ−ＮＨ２および負荷電アスパラギン酸で官能化することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第１のＢＰＥＩ層を形成することが、前記第１のＢＰＥＩ層をＮＨ２−ＰＥＧ４ｋ−ＮＨ２および負荷電カルボキシレートアクリレートで官能化することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第１のＢＰＥＩ層を形成することが、前記第１のＢＰＥＩ層を疎水性フッ素化部分で官能化することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記疎水性フッ素化部分が、ＣＦ３−ＣＦ２またはＣＦ３−（ＣＦ２）５を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１のＢＰＥＩ層を形成することが、前記第１のＢＰＥＩ層を基材の上方約１５センチメートルの距離に位置しているノズルから、約２５ｐｓｉの圧力で前記基材上に被覆することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１のＢＰＥＩ層を接触致死殺菌部分により改質することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記接触致死殺菌部分が第四級アンモニウム塩を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１のＢＰＥＩ層をカチオン性ポリマー部分により改質することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１のＢＰＥＩ層のアミンを四級化することを更に含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
植込み型医療デバイスと、
前記植込み型医療デバイスの表面に形成されたグリオキサール架橋分岐鎖ポリエチレンイミン（ＢＰＥＩ）コーティングと
を含み、
前記第１のＢＰＥＩ層のアミンが超疎水性部分または負荷電部分と共有結合している、装置。
【請求項１６】
基材と、
前記基材の表面に形成されたグリオキサール架橋分岐鎖ポリエチレンイミン（ＢＰＥＩ）コーティングと
を含み、
前記グリオキサール架橋ＢＰＥＩコーティングのアミンが疎水性部分または負荷電部分と共有結合している、装置。
【請求項１７】
負荷電ポリマーコーティングを形成する方法であって、
ポリマーを用意することと、
前記ポリマーを、負のゼータ電位を含む生体適合性部分で官能化することと
を含む、方法。
【請求項１８】
前記ポリマーが、ヒドロキシアパタイトまたはポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）である、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記生体適合性部分が、カルボキシル陰性基またはポリスチレンスルホン酸基である、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
植込み型医療デバイスと、
前記植込み型医療デバイスの表面に形成された負荷電コーティングと
を含む、装置。
【請求項２１】
前記植込み型医療デバイスが、人工心臓弁、左室補助人工心臓、血管ステント、血管グラフト、人工関節、骨インプラント、歯のインプラント、植込みペースメーカー、ペースメーカー起動装置またはワイヤ、血管内ライン、脳室−腹腔シャント、尿路カテーテル、眼のインプラント、頭蓋内インプラント、および皮下インプラントからなる群から選択される、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記植込み型医療デバイスに包埋された電源を更に含み、
前記負荷電コーティングが前記電源により維持されている、請求項２０に記載の装置。
【請求項２３】
前記電源が、電極を介して前記負荷電コーティングに連結している電池またはマイクロコンデンサを含む、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記電源が、局所ｐＨの変化または体温の上昇によって作動して、前記負荷電コーティングを維持する、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記電源が、前記植込み型医療デバイスの植え込み後の期間、局所ｐＨの変化または体温の上昇後の期間、および前記植込み型医療デバイス内に包埋された無線トランスミッタを介して遠隔地から受信した制御信号により決定された期間からなる群から選択される期間にわたって、前記負荷電コーティングを維持するように作動される、請求項２３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、植込み型医療デバイスに関わる細菌および微生物のコロニー形成、バイオフィルム形成および感染を予防および処理する抗菌コーティングに関する。より詳細には、本発明は、化学的に改質および架橋された分岐鎖ポリエチレンイミン（ＢＰＥＩ）コーティングを形成するシステムおよび方法に関する。本発明は、負荷電ポリマーコーティングを形成するシステムおよび方法にも関する。本発明は、電極の使用によりデバイスの表面を負に荷電させるシステムおよび方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
湿潤表面への微生物の蓄積または生物汚損（biofouling）は、医療デバイス、海洋機器、食品加工、さらには家庭の排水管などの広範囲の用途における材料にとって普遍的な問題である。一般に、細菌は、バイオフィルムの形成を介して生物汚損を開始し、バイオフィルムは、高度に規則正しい接着性コロニーから形成され、最も頻繁には細胞外ポリマー物質の自己生成マトリックス内にある。
【０００３】
植込み型デバイス（人工関節、心臓弁、人工心臓、血管ステントおよびグラフト、心臓ペースメーカーおよび除細動器、神経刺激デバイス、胃ペーサー（gastric pacer）、血管カテーテルおよびポート（例えば、Ｐｏｉｒｔ−Ａ−Ｃａｔｈ）など）の使用は増えており、そのため、先端治療の結果として免疫不全患者の数が増えている。感染は、植込み型医療デバイスにとって問題である。植込み材料およびデバイスの表面は、細菌コロニー形成、その後のバイオフィルム形成を診断および処理することが困難である免疫無防備な局所領域である。バイオフィルムは、持続感染の原因であり、処理に対する耐性、有害な毒素が放出される可能性および微生物が蔓延する容易さのために、これらが発生する植込み型デバイスの機能不全（例えば、カテーテル閉塞）、または敗血症性塞栓播種微生物を遠隔部位にもたらす可能性がある。
【０００４】
感染した植込みデバイスを患者の身体から取り出すなどの極限的な処置が、多くの場合に唯一の実現可能な対応の選択肢である。消毒技術および予防的抗生物質処理が、手術中のコロニー形成を予防するために使用されており、これを実行しても、周術期の細菌コロニー形成の予防に１００％有効ではない。更に、人工関節における細菌コロニー形成の危険性は、その植え込みの後に長い時間たってから現れる。例えば、黄色ブドウ球菌性菌血症（S. aureus bacteremia）では、人工関節におけるコロニー形成の危険性は２５％に近い。
【０００５】
植込み型物質およびデバイスに関連するコロニー形成および感染を排除するための抗生物質処理は、これらの過程に伴う細菌および真菌を消滅させる能力に限界がある。これには多くの原因があり、限定された拡散に起因するバイオフィルム内部深くにおける低い抗生物質濃度、一般に抗生物質が「最後の」病原体細胞を除去できないこと（これは通常、免疫系によって達成されるが、免疫系は植込み型デバイスの設定では十分に機能しない）、および微生物が存続する、すなわち、代謝的に不活性になることによって、抗生物質に対して機能的に比較的耐性になる能力が含まれる。抗生物質耐性は、デバイス関連の感染の処理をさらより困難にする。事実、抗生物質耐性は、デバイス関連の感染を引き起こす微生物（例えば、腸球菌（Enterococci）、ブドウ球菌（Staphylococci））によって頻繁に遭遇する。
【０００６】
したがって、近年、抗菌表面を開発するために、多大な努力が払われてきた。そのような表面を２つの分野に分類することができ、（ｉ）微生物の接着を予防する防汚表面、および（ｉｉ）細胞死滅を誘発する殺菌表面である。抗菌表面を設計する典型的な戦略は、表面の超分子（非共有結合）コーティングまたは表面の改質（すなわち、化学改質もしくは構造化）のいずれかを伴う。防汚特性は、α，ω−ジアミノ官能化ポリ（エチレングリコール）（ＰＥＧ、モル質量４，６００ｇ／ｍｏｌ）の組み込みにより親水性を増加させて細菌の結合に抵抗することによって得ることができ、一方、殺菌性は、銀ナノ粒子（Ａｇ  ＮＰ）および抗生物質などの放出性細菌致死物質による官能化によって、または第四級アンモニア塩のような接触致死殺菌部分（moiety）による装飾によって得ることができる。しかし、現在の技術は、不十分な長期間の抗菌性能および安定性、望ましくない細菌耐性の発生、または工業設定への拡張性の限界という不利な点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、細菌および微生物のコロニー形成、バイオフィルム形成および感染を予防および処理するための、化学的に改質および架橋された分岐鎖ポリエチレンイミン（ＢＰＥＩ）コーティング、負荷電ポリマーコーティング、および電極を使用する負荷電デバイス表面を形成する系および方法を対象とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一部の実施形態において、ＢＰＥＩは、疎水性または親水性部分を結合させて、最終材料の抗微生物／防汚特性を改善するための支持体として使用される。ＢＰＥＩおよびグリオキサールの水溶液を、基材に続けて噴霧し、硬化した後、架橋コーティングがもたらされ、これは、医療デバイスへの抗微生物材料の経済的な大規模適用のための汎用技術プラットフォームの利点を提供する。
【０００９】
一部の実施形態において、ＢＰＥＩは、負の表面電荷を有する材料により改質される。この方法により形成されたコーティングは、そうでなければ植込み型デバイスの表面に接着する細菌を忌避する。同じ技術を使用して、内視鏡、腹腔鏡、内視鏡、ヘルスケアシステム（例えば、患者環境）の表面などの医療装置におけるコロニー形成を予防することができる。
【００１０】
本発明の１つ以上の実施形態によると、架橋ＢＰＥＩコーティングを形成する方法が提供される。この方法は、基材の上に第１のＢＰＥＩ層を形成することを含む。第１のグリオキサール層が、第１のＢＰＥＩ層の表面上に形成される。第１のＢＰＥＩ層および第１のグリオキサール層は、架橋ＢＰＥＩコーティングを形成することが可能な温度で硬化される。このコーティングは、植込み型および非植込み型医療デバイスの表面への防汚および殺菌材料の経済的な大規模適用のための汎用技術プラットフォームの技術的メリットを提供する。
【００１１】
第１のＢＰＥＩ層を、超疎水性部分、超親水性部分、負荷電部分、または前述の組み合わせにより改質して、改善された防汚性を有するコーティングの技術的メリットを提供する。第１のＢＰＥＩ層を、接触致死殺菌部分により改質して、改善された殺菌性を有するコーティングの技術的メリットを提供する。
【００１２】
本発明の１つ以上の実施形態によると、細菌および微生物のコロニー形成、バイオフィルム形成および感染を予防および処理する装置が提供される。この装置は、植込み型医療デバイスおよび植込み型医療デバイスの表面に形成されたグリオキサール架橋ＢＰＥＩコーティングを含む。グリオキサール架橋ＢＰＥＩコーティングのアミンは、超疎水性部分または負荷電部分と共有結合して、改善された防汚性を有するコーティングの技術的メリットを提供する。
【００１３】
本発明の１つ以上の実施形態によると、負荷電ポリマーコーティングを形成する方法が提供される。この方法は、ポリマーを用意することと、このポリマーを、負のゼータ電位を有する生体適合性部分で官能化することとを含む。一部の実施形態において、ポリマーは、ヒドロキシアパタイトまたはポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）であり、生体適合性部分は、陰性カルボキシル基またはポリスチレンスルホン酸基である。このように、負の表面電荷を有するコーティングの技術的メリットが提供される。
【００１４】
本発明の１つ以上の実施形態によると、細菌および微生物のコロニー形成、バイオフィルム形成および感染を予防および処理する装置が提供される。この装置は、植込み型医療デバイスおよび植込み型医療デバイスの表面に形成された負荷電コーティングを含む。負荷電コーティングは、改善された抗微生物性を有するコーティングの技術的メリットを提供する。一部の実施形態では、植込み型医療デバイスの内部に電源を包埋して、負荷電コーティングを維持する自給式デバイスの技術的メリットを提供する。電源は、局所ｐＨの変化または体温の上昇によって作動して、負荷電コーティングを維持し、必要なときにのみ作動する効率的な電源を有する植込み型医療デバイスの技術的メリットを提供することができる。
【００１５】
本発明のコーティングを適用することができる植込み型医療デバイスには、人工関節、血管ライン（vascular line）、ステントあるいはグラフト、静脈フィルタ、歯のインプラント、人工内耳、骨折内固定に使用される金属、尿路カテーテル、脳室−腹腔シャント、心臓または神経ペースメーカー、心臓弁、または補助人工心臓が含まれるが、これらに限定されない。
【００１６】
本発明の他の利点および可能性は、本発明の実施形態および態様を示す添付図面と共に以下の記載から明白である。
【００１７】
ここで、添付図を参照して、本発明の実施態様を単なる例として記載する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の１つ以上の実施形態によるＢＰＥＩコーティングを作製する方法の中間操作の際の、基材上に形成された第１のＢＰＥＩ層を有する構造の断面図を描写する図である。
【図２】本発明の１つ以上の実施形態によるＢＰＥＩコーティングを作製する方法の中間操作の際の、第１のＢＰＥＩ層および第１のグリオキサール層を硬化して均一なグリオキサール架橋コーティングを形成した後の構造の断面図を描写する図である。
【図３】本発明の１つ以上の実施形態により形成された均一なグリオキサール架橋コーティングの示差走査熱量測定（ＤＳＣ）追跡を描写する図である。
【図４】本発明の１つ以上の実施形態による負荷電表面を有する植込み型医療デバイスを作製する方法の中間操作の際の、負荷電コーティングで被覆された人工股関節を描写する図である。
【図５】ガラス（対照）および本発明の１つ以上の実施形態により形成されたＰＥＩ系コーティングに適用された、黄色ブドウ球菌（S. aureus）（ＳＡ）および緑膿菌（P. aeruginosa）（ＰＡ）の１日インキュベーションＸＴＴアッセイ（Ａ、Ｂ）を描写する図である。
【図６】ガラス（対照）および本発明の１つ以上の実施形態により形成されたＰＥＩ系コーティングに適用されたＳＡの７日インキュベーションＸＴＴアッセイ（Ａ）を描写する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
関連する図を参照しながら、本明細書に、本発明の様々な実施形態を記載する。本発明の範囲を逸脱することなく、代替的な実施形態が考案され得る。以下の記載および図の要素の間に、様々な接続および位置関係（例えば、上方、下方、隣接など）が記載されることに留意されたい。これらの接続または位置関係あるいはその両方は、特定されない限り、直接的または間接的である可能性があり、本発明は、この点に関して限定されることを意図しない。したがって、実体の連結は、直接的または間接的な連結のいずれかを指すことができ、実体間の位置関係は、直接的または間接的な位置関係であり得る。間接的位置関係の例としては、層「Ｂ」の上に層「Ａ」を形成するという本記載の参照には、層「Ａ」および層「Ｂ」の関連する特徴および機能性が中間層によって実質的に変化しない限り、１つ以上の中間層（例えば、層「Ｃ」）が層「Ａ」および層「Ｂ」の間にある状況が含まれる。
【００２０】
以下の定義および略語が、特許請求の範囲および明細書の解釈のために使用されるべきである。本明細書に使用されるとき、用語「含む（comprises）」、「含む（comprising）」、「含む（includes）」、「含む（including）」、「有する（has）」、「有する（having）」、「含有する（contains）」、または「含有する（containing）」、あるいはこれらの任意の変形は、非排他的包含を網羅することが意図される。例えば、要素の列挙を含む組成物、混合物、過程、方法、物品、または装置は、必ずしもこれらの要素のみに限定されず、列挙されていない、そのような組成物、混合物、過程、方法、物品、または装置に固有ではない他の要素を含むこともできる。
【００２１】
加えて、用語「例示的」は、「例、実例、または説明として役立つ」ことを意味するために本明細書に使用される。本明細書に「例示的」と記載されている任意の実施形態または意匠は、他の実施形態または意匠より好ましい、または有利であると解釈される必要はない。用語「少なくとも１つ」および「１つ以上」は、１以上、すなわち、１、２、３、４などの任意の整数を含むことが理解される。用語「複数」は、２以上、すなわち、２、３、４、５などの任意の整数を含むことが理解される。用語「接続」は、間接的な「接続」および直接的な「接続」を含むことができる。
【００２２】
明細書における「一実施形態」、「実施形態」、「例示実施形態」などの参照は、記載されている実施形態が特定の特色、構造、または特徴を含むことができるが、全ての実施形態が特定の特色、構造、または特徴を含んでも、含まなくてもよいことを示す。更に、そのような語句は、必ずしも同じ実施形態を参照するとは限らない。更に、特定の特色、構造、または特徴が実施形態と関連して記載されるとき、明確に記載されている、またはいないに関わらず、そのような特色、構造、または特徴に、他の実施形態に関連して影響を与えることは当業者の知識の範囲内であることが提起されている。
【００２３】
本明細書以降の記載のために、用語「上側」、「下側」、「右側」、「左側」、「垂直」、「水平」、「上部」、「底部」、およびこれらの派生語は、図面に配置されているように記載された構造および方法に関する。用語「重なる」、「上に（atop）」、「上に（on top）」、「位置する」、または「上に位置する」は、第１の構造などの第１の要素が第２の構造などの第２の要素の上に存在することを意味し、界面構造などの介在要素が、第１の要素と第２の要素の間に存在することができる。用語「直接接触」は、第１の構造などの第１の要素および第２の構造などの第２の要素が、２つの要素の界面に中間の導電性、絶縁性、または半導体層を有することなく接続していることを意味する。例えば、「第２の要素に選択的な第１の要素」などの「選択的な」という用語は、第１の要素がエッチングされ、第２の要素がエッチストップ（etch stop）として作用しうることを意味する。用語「コンフォーマル（conformal）」（例えば、コンフォーマル層）は、層の厚さが全ての面において実質的に同じであること、または厚さの変動が層の呼び厚さの１５％未満であることを意味する。
【００２４】
本明細書に使用されるとき、用語「約」、「実質的に」、「ほぼ」、およびこれらの変形は、願書を出願する時点で利用可能な機器に基づいた、特定の量の測定値に関する誤差の程度を含むことが意図される。例えば、「約」は、所定値の±８％または５％または２％の範囲を含むことができる。
【００２５】
ここで、より特定的に本発明に関連する技術の記載では、本明細書に既に示されたように、防汚または殺菌表面に影響を与える従来の抗菌材料は、不十分な長期間の抗菌性能および安定性、望ましくない細菌耐性の発生、または工業設定への拡張性の限界という不利な点がある。更に、殺生剤官能化表面による細菌細胞の溶解は、バイオフィルム形成率を低減するが、防汚および殺菌特性の両方の組み合わせは、表面の長期間の有効性を確実にするために望ましい。
【００２６】
抗微生物材料のうち、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）は、従来の材料に対する興味深い代替案を表す。ＰＥＩは、市販されており、官能基の結合に利用可能な第三級／二級／一級アミンを呈し、接触致死様式で細菌を死滅させると考えられる（すなわち、表面から毒性部分を放出する必要がない）。ＰＥＩの化学改質の可能性は、ＰＥＩをより疎水性にする、または永久電荷を結合する、あるいはその両方であることが、広く研究されてきた。ＰＥＩナノ粒子は、還元的アミノ化または求核置換によって架橋されており、有効な抗微生物剤である。しかし、ＰＥＩ抗微生物材料を組み込む従来の方法は、多段階改質手順を必要とし、過酷な、環境に優しくない処理に依存している、または工業設定に適用できる拡張可能な被覆（deposition）方法を欠いている、あるいはその両方である。更に、コーティングとして使用する場合、ＰＥＩは、大部分の抗微生物材料と同じように、不十分な長期有効性という不利な点がある。
【００２７】
したがって、バイオフィルム形成を予防するため、抗微生物／防汚戦略の組み合わせを使用して表面およびデバイスを長期間にわたって保護する、環境に優しい方法に対する明確な必要性が、依然として存在している。したがって、本発明が対象としていることは、この必要性および他の必要性を解決することである。
【００２８】
図１〜６の添付図面を参照しながら、細菌および微生物のコロニー形成、バイオフィルム形成、または感染を予防および処理するための、本発明の実施形態による化学的に改質および架橋されたＢＰＥＩコーティング、負荷電ポリマーコーティング、および電極を使用する負荷電デバイス表面を形成する例示的な方法を下記に詳細に記載する。
【００２９】
一部の実施形態において、分岐鎖ＰＥＩ（ＢＰＥＩ）は、グリオキサールと反応する利用可能な第一級アミンを使用して、基材の表面で架橋される。第一級アミンとグリオキサールの反応は、生成物の混合物（すなわち、α−ヒドロキシアミン１、イミン２、および４／１付加物３）をもたらすことができ、スキーム１に描写されている。
【００３０】
【化１】
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【００３１】
それぞれの生成物の発生は、アミンの性質、化学量、溶媒、および温度によって左右される。室温（ＲＴ）で実施され、核磁気共鳴分光法（ＮＭＲ）により分析されたモデル研究では、観察された主要な生成物はイミン２である。しかし、３の存在に起因する可能性のある微量の他の生成物が観察されたが、化学量にはばらつきがあった。更に、ＰＥＧをＮ−メチル−ピロリドン（ＮＭＰ）中０．５当量のグリオキサールと混合すると、約４時間後に反応混合物のゲル化がもたらされ、３の形成を実証し、これはおそらくネットワーク内で動力学的にクエンチされる。
【００３２】
一部の実施形態において、ＢＰＥＩおよびグリオキサールは、両方とも水から被覆される。有利なことに、この手法は環境により優しい方法を可能にする。最も興味深いことに、ＢＰＥＩとグリオキサールの反応は非常に素早く、約２５重量パーセントを超える濃度のＢＰＥＩの水溶液と約５重量パーセントを超える濃度のグリオキサールの水溶液とを混合すると、反応媒体の即時ゲル化をもたらす。この素早いゲル化を利用して、多層積層法（layer-by-layer process）を達成することができる。
【００３３】
図１は、１つ以上の実施形態によるＢＰＥＩコーティングを作製する方法の中間操作の際の、基材１０４上に形成された第１のＢＰＥＩ層１０２を有する構造１００の断面図を例示している。ＢＰＥＩ層１０２は、基材表面を良好に覆うことを可能にするほど十分に粘稠性である。第１のグリオキサール層１０６が、第１のＢＰＥＩ層１０２の表面上に形成されている。第１のＢＰＥＩ層１０２および第１のグリオキサール層１０６は、例えば、ディップコーティングまたはスプレーコーティングによる被覆などの任意の適切な方法を使用して、基材１０４の上に形成または被覆され得る。一部の実施形態において、第１のＢＰＥＩ層１０２および第１のグリオキサール層１０６は、基材１０４の上方約１５センチメールの距離に位置しているノズルから、約２５ｐｓｉの圧力で基材１０４（例えば、ＡＰＴＥＳ官能化ガラス基材）上に連続的に噴霧される。
【００３４】
追加的なＢＰＥＩおよびグリオキサールの交互層を、類似した方法により構造１００に形成することができる。被覆層の総数は、最終コーティングの所望の厚さに応じて選択され得る。一部の実施形態において、構造１００は、ＢＰＥＩおよびグリオキサールの単層から形成される（層の総数２）。一部の実施形態において、４〜９層が使用されるが、他の厚さ（したがって、層の総数）は、本発明の考慮される範囲内である。一部の実施形態において、ＢＰＥＩ層の濃度、グリオキサール層の濃度、および温度に応じて（例えば、約２５ｗｔ％を超えるＢＰＥＩおよび５ｗｔ％のグリオキサールを約２０℃の温度で有する溶液では）、即時ゲル化を観察することができる。
【００３５】
一部の実施形態において、ＢＰＥＩ層（例えば、第１のＢＰＥＩ層１０２）およびグリオキサール層（例えば、第１のグリオキサール層１０６）を、２２ｍｌレザバー（reservoir）スプレーガンから基材１０４上に被覆させる。一部の実施形態において、２．５ｗｔ％のグリオキサール水溶液を第１のスプレーガンの２２ｍｌレザバーに移し、６．８ｇのＭｉｌｌｉＱ水中のＰＥＩ（０．３１ｍｍｏｌまたは３．１９ｍｍｏｌの−ＮＨ２部分を有する１．８ｋモル質量）を第２のスプレーガンの２２ｍｌレザバーに移す。一部の実施形態において、基材１０４をホットプレートに移して、スプレーコーティング過程の後に硬化することができる。
【００３６】
図２は、１つ以上の実施形態によるＢＰＥＩコーティングを作製する方法の中間操作の間の、第１のＢＰＥＩ層１０２および第１のグリオキサール層１０６を硬化して均一なグリオキサール架橋コーティング２００（本明細書以上、コーティング２００）を形成した後の構造１００の断面図を例示する。一部の実施形態において、第１のＢＰＥＩ層１０２および第１のグリオキサール層１０６は、約３０℃の温度で約１時間硬化される。一部の実施形態において、第１のＢＰＥＩ層１０２および第１のグリオキサール層１０６は、約３０から約１２０℃に徐々に増加する温度で約１時間にわたって硬化される。一部の実施形態において、第１のＢＰＥＩ層１０２および第１のグリオキサール層１０６は、約１２０℃の温度で約１時間硬化される。一部の実施形態において、硬化するために、（１）３０℃の温度で１時間の第１段階の硬化、（２）約３０℃から約１２０℃に徐々に上昇する温度で約１時間にわたる第２段階の硬化、および（３）約１２０℃の温度で１時間の第３段階の硬化の３段階の熱処理が使用される。次に基材１０４を室温に冷ます。コーティング２００の硬化は、水（または、あらゆる残留溶媒）の除去を可能にし、最大架橋密度を確実にする。
【００３７】
図３に示されている示差走査熱量測定（ＤＳＣ）追跡から明らかに示されるように、第一級ＢＰＥＩアミンに対するグリオキサールの量を変えることによって、最終コーティングの架橋密度および特性（ガラス転移温度（Ｔｇ）、水抵抗性など）を変更することができる。例えば、モル質量１，８００ｇ／ｍｏｌを呈するＢＰＥＩの第一級アミンの量に対して、グリオキサールの量を０．５当量から２当量に増加すると、Ｔｇの１３５℃の増加がもたらされた。
【００３８】
コーティング２００を選択的に形成または改質して、防汚および殺菌特性を増加させることができる。防汚特性は、例えば、硬化される前または最中の、超疎水性、超親水性、または負荷電部分によるＢＰＥＩ層（例えば、第１のＢＰＥＩ層１０２）の共有結合または官能化によって得ることができる。殺菌性は、銀ナノ粒子（Ａｇ  ＮＰ）および抗生物質などの放出性細菌致死物質によるＢＰＥＩ層（例えば、第１のＢＰＥＩ層１０２）の官能化によって、または第四級アンモニア塩のような接触致死殺菌部分（例えば、接触致死カチオン性ポリマー）を組み込むことによって得ることができる。
【００３９】
一部の実施形態において、第１のＢＰＥＩ層１０２のアミンは、硬化の前に部分と共有結合される。この反応は、超疎水性部分（スキーム２に描写されている）または負荷電部分（スキーム３に描写されている）の組み込みをもたらすことができる。
【００４０】
【化２】
2020515374.tif 000004
【００４１】
一部の実施形態では、疎水性、超親水性、または負荷電部分が、スキーム４、５、および６のそれぞれに描写されているグリオキサールとの反応を介してコーティング２００に組み込まれる。スキーム５では、例えば、α，ω−ジアミノ−（Ｍｎ＝４，６００ｇ／ｍｏｌ）およびα−メトキシ，ω−アミノ−（Ｍｎ＝２，０００ｇ／ｍｏｌ）官能化ＰＥＧが、硬化の最中にグリオキサールとの反応を介してＢＰＥＩ／グリオキサール混合物に化学的に組み込まれる。
【００４２】
【化３】
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【００４３】
一部の実施形態において、第１のＢＰＥＩ層１０２は、水溶液中のカチオン性ポリマー部分により官能化される。この方法によって、コーティング２００は、殺菌性を有するように改質される（すなわち、コーティング２００の殺菌性は、第１のＢＰＥＩ層１０２のアミンによってもたらされ、このアミンは水溶液中で部分的に正に荷電される）。一部の実施形態において、カチオン性部分は、四級化によって永久的に荷電される。一部の実施形態において、第１のＢＰＥＩ層１０２のアミンはハロゲノアルカンまたはハロゲノアリールにより四級化される。
【００４４】
一部の実施形態において、基材１０４へのコーティング２００の接着は、基材１０４の改質により、または接着促進部分の添加により促進することができる。例えば、一部の実施形態において、基材１０４の表面は、（３−アミノプロピル）トリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）の縮合を介して−ＮＨ２部分により官能化することができる。基材の表面に結合したアミン部分は、硬化過程の最中にグリオキサールと反応する。一部の実施形態において、カテコール含有部分をＢＰＥＩ／グリオキサール混合物のいずれか、または両方に添加して、基材１０４へのコーティング２００の接着を促進する。
【００４５】
図５は、ガラス（対照）および本発明の１つ以上の実施形態により形成されたＰＥＩ系コーティングに塗布された、黄色ブドウ球菌（ＳＡ）および緑膿菌（ＰＡ）それぞれの１日インキュベーションＸＴＴアッセイ（Ａ、Ｂ）を描写する。黄色ブドウ球菌（ＳＡ）および緑膿菌（ＰＡ）は、それぞれ院内感染に関与することが知られているグラム陽性およびグラム陰性細菌であるので、ＰＥＩ系コーティングの抗微生物／防汚特性を評価するために選択された。ＳＡおよびＰＡは、両方とも、対照非改質ガラス基材においてコロニーを形成することができた。特に、ＳＡの高密度層が、１日のみのインキュベーションの後にガラス表面に検出された。ガラス基材は概知の技術を使用して調製することができる。例えば、３”×２”顕微鏡ガラススライドを界面活性剤溶液に一晩浸けることができる。次に、スライドを水およびエタノールですすぎ、乾燥することができる。次に、スライドを、ＵＶ／オゾンで１５分間処理することができる。次に、これらの清浄スライドをエタノール中１０％ＡＰＴＥＳ溶液に３０分間浸け、乾燥する前にエタノールで十分にすすぐことができる。アルミニウムテープ（例えば、８０μｍ厚）境界部分を取り付けて、スライドをスプレーコーティングする前に窒素下に保持することができる。
【００４６】
官能性ＰＥＩ／グリオキサールによりコーティングすると、大部分の表面は、いくらかの防汚活性を示した。例えば、非改質ＢＰＥＩコーティング（ＢＰＥＩ）は、ＳＡおよびＰＡの両方による汚損を、対照ガラス基材と比較してそれぞれ１１％および２５％と有意に低減した。ＰＥＧ官能化ＢＰＥＩによるコーティング（１、親水性ＮＨ２−ＰＥＧ４．６ｋ−ＮＨ２およびｍＰＥＧ２ｋ−ＮＨ２により官能化されたＢＰＥＩ）は、ＳＡに対する防汚活性を改善しなかった。このことは、ＰＥＧ／ＢＰＥＩおよび非改質ＢＰＥＩコーティングの類似した表面親水性によって説明することができる。更に、おそらくＰＥＧ鎖がＢＰＥＩのカチオン性電荷を遮蔽し、したがってＢＰＥＩの抗菌有効性を低減するため、１のコーティングはＰＡに対してより低い防汚活性を有していた。
【００４７】
負荷電グルタミン酸（２ａ、ＮＨ２−ＰＥＧ４ｋ−ＮＨ２／負荷電グルタミン酸により官能化されたＢＰＥＩ）、アスパラギン酸（２ｂ、ＮＨ２−ＰＥＧ４ｋ−ＮＨ２／負荷電アスパラギン酸により官能化されたＢＰＥＩ）、およびカルボキシレートアクリレート（２ｃ、ＮＨ２−ＰＥＧ４ｋ−ＮＨ２／負荷電カルボキシレートアクリレートにより官能化されたＢＰＥＩ）を用いて形成されたＢＰＥＩコーティングは、負荷電された細菌を静電気的に忌避するはずである。しかし、２ａおよび２ｂのコーティングは非改質ＢＰＥＩコーティングと等しく良好な防汚活性を示したことが見出された。負荷電部分は細菌を忌避し得るが、コーティングの全体的な電荷は減少しており、このことがＢＰＥＩの抗菌効果の減少をもたらす可能性がある。
【００４８】
疎水性を増加するためにフッ素化されたＢＰＥＩコーティングは、７６°（３ａ、疎水性フッ化部分のＣＦ３−ＣＦ２−により官能化されたＢＰＥＩ）および７３°（３ｂ、疎水性フッ化部分のＣＦ３−（ＣＦ２）５−により官能化されたＢＰＥＩ）までの接触角を有するように、コーティングの表面疎水性を増加することに成功したことが見出された。しかし、ＳＡおよびＰＡの汚損は、非改質ＢＰＥＩ表面と比較してこれらのコーティングでは増加しており、このことはおそらく、フッ素化部分を取り付けるためのＢＰＥＩのアミンの部分的置換の後に、カチオン性電荷含有量が減少したことによると思われる。
【００４９】
１日インキュベーション試験で有望な結果を示したＢＰＥＩ系コーティング（図５に描写されているＢＰＥＩ  １、２ａ、２ｂ、および２ｃ）の長期間の抗微生物／防汚活性を、ＳＡと共に７日間インキュベートした。図６は、ガラス（対照）、ならびにＰＥＩ系コーティングのＢＰＥＩ  １、２ａ、２ｂおよび２ｃに適用されたＳＡの７日インキュベーションＸＴＴアッセイ（Ａ）を描写する。増殖培地は新たな培地に毎日取り替えた。全てのＢＰＥＩ系フィルムは、ＳＡと共に７日間インキュベートした後、無傷のままであった。ＸＴＴおよび生／死染色の結果は、ＢＰＥＩ系コーティングのＢＰＥＩ  １、２ａ、２ｂ、および２ｃが７日後に優れた防汚活性を呈し、細菌数は、改質戦略にかかわらず、１日インキュベーション後に観察された（図６に描写された）ものと同等であることを実証した。
【００５０】
様々なスキームが、コーティング２００の防汚および殺菌性を改質することについて記載されてきた。これらのスキームは全ての利用可能なスキームの単なる代表例であること、および他の類似したスキームを使用してコーティング２００を改質できることが理解される。抗微生物コーティングの長期安定性および有効性は、コーティングの疎水性または親水性を、コーティングによる生／死細菌の静電気的誘引または反発と釣り合わせることによって最適化することができる。
【００５１】
一部の実施形態において、負荷電ポリマーコーティングは、植込み型医療デバイスに関わる細菌および微生物のコロニー形成、バイオフィルム形成、および感染を予防および処理するために形成される。一部の実施形態において、コーティング２００は、市販のポリマーを、負のゼータ電位を有する生体適合性材料で官能化することによって作製される。一部の実施形態において、例えば、コーティング２００はカルボキシルＣＯＯ陰性基（例えば、ドデカン二酸）により官能化されたヒドロキシアパタイトである。一部の実施形態において、コーティング２００は、ポリスチレンスルホン酸基により官能化されたポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）である。これらの反応は、スキーム７に描写されている例示的なコーティングをもたらすことができる。
【００５２】
【化４】
2020515374.tif 000006
【００５３】
一部の実施形態において、デバイス（すなわち、植込み型医療デバイス）の表面を電極の使用によって負に荷電させて、細菌および微生物のコロニー形成、バイオフィルム形成、および感染を予防および処理する。図４は、１つ以上の実施形態による負荷電表面を有する植込み型医療デバイスを作製する方法の中間操作の際の、負荷電コーティング５０２で被覆された人工股関節５００を描写する。説明の容易さのため、単一の医療デバイス（例えば、人工股関節５００）のみが描写されている。様々な医療デバイスを、類似した方法において電極の使用により負に荷電できることが理解される。一部の実施形態において、医療デバイスは、人工心臓弁、左室補助人工心臓、血管ステント、血管グラフト、人工関節、骨インプラント、歯のインプラント（implanted tooth）、植込みペースメーカー、ペースメーカー起動装置またはワイヤ、血管内ライン、脳室腹腔シャント、尿路カテーテル、眼のインプラント、頭蓋内インプラント、または皮下インプラントである。
【００５４】
一部の実施形態において、コーティング５０２の負電荷は、電源５０４により維持される。電源５０４は、例えば、電極５０６を介して負荷電コーティング５０２に接続している電池またはマイクロコンデンサなどの、植込み型医療デバイス用の任意の適切な電源であり得る。一部の実施形態において、電源は、植込み型デバイスと一体であり得る、または機能的に接続し得る。一部の実施形態において、電源は、無線トランスミッタ／レシーバ５０８を介して、誘導、ＲＦＩＤ、または超音波の使用によって患者の身体の外側から充電され得る。一部の実施形態において、無線トランスミッタ／レシーバ５０８は、デジタルコンピュータを含むコントロールユニット５１０と機能的に接続している。一部の実施形態において、負荷電コーティング５０２は、機械的運動により電気エネルギー（電流）を生成することができるナノワイヤメッシュから作製され得る。この方法によって、負荷電コーティング５０２の運動が電極５０４を充電する。一部の実施形態において、人工股関節５００に包埋されている機械的エネルギー変圧器５１２は、身体運動および電源５０４の両方から電気エネルギー（電流）を生成する。一部の実施形態において、コントロールユニット５１０は、データを無線により送信すること、および患者身体の外側から受信することができる。
【００５５】
一部の実施形態において、コーティング５０２の負電荷は、例えば、局所ｐＨの変化（例えば、微生物代謝の結果を示している）、または体温の上昇（例えば、発熱していることを示している）などの潜在的な感染の指標の存在によって誘発される。一部の実施形態において、コーティング５０２の負電荷は、例えば、植え込み後の期間、全身感染後の期間、または無線トランスミッタ／レシーバ５０８を介して遠隔地（すなわち、体外に位置する制御モジュール）から受信した制御信号により決定された期間など、特定の期間にわたって維持される。
【００５６】
材料、調製、および特性決定
グリオキサール（Ｈ２Ｏ中４０ｗｔ％）、アスパラギン酸、グリコール酸、２−カルボキシエチルアクリレート、およびＢＰＥＩ（Ｍｎ＝１０，０００ｇ／ｍｏｌ）は、Ａｌｄｒｉｃｈから供給された。（３−アミノプロピル）トリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）はＧｅｌｅｓｔから供給された。ＢＰＥＩ（Ｍｎ＝１，８００ｇ／ｍｏｌ）はＪｅｆｆａｍｉｎｅから供給された。Ｄ４０００はＨｕｎｓｔｍａｎから供給された。ＭｅＯ−ＰＥＧ２ｋ−ＮＨ２はＰｏｌｙｍｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｉｎｃ．から供給された。全ての材料を更に精製することなく使用した。ＮＨ２−ＰＥＧ４．６ｋ−ＮＨ２は、概知の手順を使用して調製した。黄色ブドウ球菌（ＡＴＣＣ  Ｎｏ．６５３８）および緑膿菌（ＡＴＣＣ  Ｎｏ．９０２７）はＡＴＣＣから供給された。Ｍｕｅｌｌｅｒ−Ｈｉｎｔｏｎ  Ｂｒｏｔｈ（ＭＨＢ）はＢＤ，Ｓｉｎｇａｐｏｒｅから供給された。ＸＴＴ塩（２，３−ビス（２−メトキシ−４−ニトロ−５−スルホ−フェニル）−２Ｈ−テトラゾリウム−５−カルボキサニリド）は、Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈから供給された。ＬＩＶＥ／ＤＥＡＤ  ＢａｃＬｉｇｈｔ細菌生存度キットはＴｈｅｒｍｏｆｉｓｈｅｒから供給された。
【００５７】
ガラス基材は、３”×２”顕微鏡ガラススライドを界面活性剤溶液に一晩浸けることによって調製した。次に、スライドを水およびエタノールですすぎ、乾燥した。次にスライドをＵＶ／オゾンで１５分間処理した。清浄スライドをエタノール中１０％ＡＰＴＥＳ溶液に３０分間浸け、乾燥する前にエタノールで十分にすすいだ。アルミニウムテープ（例えば、８０μｍ厚）境界部分を取り付けて、スライドをスプレーコーティングする前に窒素下で保持した。
【００５８】
熱重量分析（ＴＧＡ）をＱ５００により実施した。試料（例えば、５〜７ｍｇ）を、Ｎ２雰囲気下で１分あたり５℃の加熱速度により室温から５００℃まで走査した。示差走査熱量測定（ＤＳＣ）分析をＴＡ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｑ２０００により実施した。試料（例えば、５〜７ｍｇ）を、閉鎖アルミニウムパン中において、１分あたり５℃の加熱速度により室温から２００℃まで走査した。動的機械分析（ＤＭＡ）を、デュアルカンチレバー（dual cantilever）を使用するＴＡ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ＤＭＡ  ２９８０により実施した。試料（金属スクリーンに被覆させた、およそ１２×６×１ｍｍ）を、１分あたり５℃の加熱速度により−８０℃から２００℃まで要請（solicit）した。
【００５９】
スプレーコーティングによるＰＥＩ−グリオキサールフィルムの調製手順
水中２．５ｗｔ％のグリオキサール溶液を、第１のスプレーガンの２２ｍＬレザバーに移した。６．８ｇのＭｉｌｌｉＱ水中０．５６３ｇのＰＥＩ１．８ｋ（０．３１ｍｍｏｌまたは３．１９ｍｍｏｌの−ＮＨ２部分）の第２の溶液を、第２のスプレーガンの２２ｍＬレザバーに移した。層の所望の総数（例えば、層の総数９）に到達するまで、基材とノズルの間の距離の約１５ｃｍで、約２５ｐｓｉの圧力でＡＰＴＥＳ官能化ガラス基材に層を（グリオキサール溶液から出発して）交互に噴霧した。次にガラス基材を硬化のためにホットプレートに移した。以下の熱処理を使用した。３０℃で１時間、３０℃から１２０℃で１時間、および１２０℃で１時間。硬化した後、フィルムを室温に冷ました。フィルム片を、熱分析のために安全カミソリの刃で表面から削り落とした。あるいは、同じ溶液を金属スクリーンに噴霧し、ＤＭＡにより分析した。
【００６０】
抗微生物／防汚特性の特性決定
ＭＨＢ培地中の黄色ブドウ球菌および緑膿菌（０．５ｍＬ、１０５ＣＦＵ／ｍＬ）を、４８ウエルプレート中の試料表面（０．５ｃｍ×０．５ｃｍ）に接種した。２４時間インキュベートした後、試料を滅菌ＰＢＳで３回洗浄した。次に抗微生物／防汚特性を、ＸＴＴアッセイおよび生／死細菌染色により評価した。ＸＴＴ塩（２，３−ビス（２−メトキシ−４−ニトロ−５−スルホ−フェニル）−２Ｈ−テトラゾリウム−５−カルボキサニリド）（５０μＬ、１ｍｇ／ｍＬ）およびメナジオン（１０μＬ、０．４ｍＭ）を、ＰＢＳ洗浄試料と共に３７℃で４時間インキュベートした。４９０ｎｍでの吸光度をＴＥＣＡＮマイクロプレートリーダーにより記録した。生存細菌細胞がＸＴＴを橙色のホルマザンに変換するので、４９０ｎｍでの吸光度は、表面における細菌の代謝活性と相関している。表面の細菌を可視化するため、ＬＩＶＥ／ＤＥＡＤ  Ｂａｃｌｉｇｈｔ細菌生存度キットを使用して、細菌を染色した。ヨウ化プロピジウムの色素溶液（損傷した膜を有する細菌を染色する）およびＳＹＴＯ（Ｒ）９（両方の無傷の膜を有する細菌を染色する）は、１．５μＬの各色素原液を１ｍＬのＰＢＳに添加することによって調製した。ＰＢＳ洗浄試料を、暗所において色素溶液（５００μＬ）と共に少なくとも１５分間インキュベートすることによって染色した。蛍光画像を、Ｚｅｉｓｓ  ＬＳＭ共焦点顕微鏡を使用して得た。細菌増殖培地ＭＨＢを、長期抗微生物／防汚特性の評価のために、新たなＭＨＢ培地に毎日取り替えた。ＸＴＴアッセイおよび生／死細菌染色を、上記に詳細に記載されているように、７日間のインキュベーションの後に実施した。
【００６１】
本発明の様々な実施形態の記載が説明の目的で提示されてきたが、包括的であること、または記載された実施形態に限定されることを意図していない。多くの変更および修正が、本発明の範囲および精神を逸脱することなく当業者に明白である。本明細書に使用される用語は、実施形態の原理、実質的な用途、もしくは市場に見られる技術に対する技術的な改善を最適に説明するため、または本明細書に記載された実施形態を他の当業者が理解できるように選択された。
【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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【国際調査報告】
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