JP2017536351A5

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Publication number: JP2017536351A5
Application number: JP2017523383A
Authority: JP
Filing date: 2015-10-28
Publication date: 2018-11-22
Anticipated expiration: 2035-10-28

Description

本発明の技術による細菌耐性表面の簡略化された実施形態の断面図を示す。中浸透レベルを有する本発明の技術による表面の一実施形態の上面図を示す。低浸透レベルを有する本発明の技術による表面の一実施形態の上面図を示す。高浸透レベルを有する本発明の技術による表面の一実施形態の上面図を示す。本発明の技術による表面の一実施形態の側面図を示す。チタン基板上のＭＲＳＡバイオフィルムを示す。様々な浸透レベルにおけるＭＲＳＡバイオフィルム成長の比較試験及び対照試料を示す。様々な浸透レベルにおけるＭＲＳＡバイオフィルム成長の比較試験試料を示す。ステンレス鋼（ＳＳ）上に直接成長させたＣＩ−ＣＮＴ（ｃａｒｂｏｎ−ｉｎｆｉｌｔｒａｔｅｄｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓ）の上面を示す。引っかき試験後にＳＳ上のＣＩ−ＣＮＴを示す。１５秒の成長後ＦＩＢ（集束イオンビーム）でカットした約４μｍの高さを有するＣＩ−ＣＮＴを示す。直径３ｍｍの棒上のＣＩ−ＣＮＴパターン化コーティングを示す。亀裂の面積対ＣＩ−ＣＮＴの高さを示すグラフである。図１４Ａ〜Ｂは、本研究で使用された、縦半分に切られた一対の凹型石英管基板を示す。長いＣＩ−ＣＮＴ成長を有する１ｍｍのＩＤの断面図を示す。赤いマークは、分析したＣＩ−ＣＮＴを示す。内径（ＩＤ）とＣＩ−ＣＮＴ成長高さとの様々な組み合わせとして、図１６Ａは小さなＩＤで長い成長を、図１６Ｂは大きなＩＤで長い成長を、図１６Ｃは小さなＩＤで短い成長を、図１６Ｄは大きなＩＤで短い成長を示す。

一実施形態では、図１に示すように、微生物耐性表面を有するこのような層１００は、支持基板１１０と、支持基板１１０に結合された炭素ナノチューブ層１２０と、炭素ナノチューブ層１２０に浸透した浸透材料１２５とを含むことかできる。炭素ナノチューブ層１２０に浸透材料１２５を適用すると、微生物耐性トポロジーパターンが形成されることができる。図１に示すように、炭素ナノチューブ層１２０には、浸透材料１２５を浸透させて複数の表面フィーチャ１２８を形成し、該表面フィーチャ１２８は、微生物耐性トポロジーパターンを集合的に形成する。炭素ナノチューブ層１２０として記載された個々の特徴部は、単一の炭素ナノチューブ、又は図１で単一の炭素ナノチューブピラー（即ち、炭素ナノチューブ層１２０）によって表される複数の炭素ナノチューブを含むことができることに留意される。

各表面フィーチャ１２８は、１３０ａ又は１３０ｂなどの直径と、１４０ａ又は１４０ｂなどの高さとを有する。さらに、１５０ａ又は１５０ｂなどの中心間距離を個々の表面フィーチャ間で維持することができる。表面フィーチャ間の直径、高さ、及び距離における２つの変化しか示されていないが、記載されたように、得られたトポロジーパターンが微生物耐性であれば、表面フィーチャ間の直径、高さ、及び距離における多数の変化が可能である。

従って、いくつかの実施形態では、直径、高さ、及び／又は中心間距離の間に高いレベルの均一性が存在し得るが、他の実施形態では、より不均一であり得る。潜在的なトポロジーパターン変数を実証するために、表面フィーチャの直径、高さ、及び中心間距離の例示的な範囲が、一般化された説明として提供されるが、当業者は、本開示を把握していれば、パターン変数して微生物成長に対して試験することができることが理解されるべきである。図１は、説明の目的のための単純化された図面であり、文字通り本発明の技術の実施形態を定義すると解釈されるべきではない。

一実施形態では、本発明の技術は、支持基板に結合された炭素ナノチューブ層を使用することができる。当技術分野で認識されるように、アーク放電、レーザアブレーション、プラズマトーチ、化学蒸着（ＣＶＤ）などの、炭素ナノチューブを製造するための様々な方法がある。本発明の範囲は、炭素ナノチューブを調製する技術、又は浸透の特定の技術によって制限されない。ＭＥＭＳ製造工程を使用する１つの非限定的な例では、マスクは、詳細な２次元形状で作製されることができる。炭素ナノチューブは、２次元形状を３次元炭素ナノチューブフォレストに押し出して、垂直に成長させることができる。従って、一態様では、本発明の技術の炭素ナノチューブ層は、マスクの使用有無によって、本発明の技術又は別の技術のいずれかによって、支持基板から成長させることができる。別の態様では、炭素ナノチューブを別の基板上に成長させるか又は別の方法で製造して取り外し、その後支持基板上に成形された様式で付着させて炭素ナノチューブ層を形成することができる。

炭素ナノチューブ層は、支持基板上に形成させるか又は別の方法で付着させることができ、炭素ナノチューブ層に浸透材料を浸透して、微生物耐性である複数の表面フィーチャからなるトポロジーパターンを形成することができる。炭素ナノチューブ層は、上述したようなトポロジーパターンの形成を助けるパターンで支持基板に適用することができるか、又は最終的なトポロジーパターンに関係なく炭素ナノチューブを適用することができる。種々の浸透材料が利用することができ、例えば炭素、熱分解炭素、炭素グラファイト、銀、アルミニウム、モリブデン、チタン、ニッケル、ケイ素、炭化ケイ素、ポリマー、及びそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。

浸透材料で浸透した後に得られた層は、化学組成に関係なく微生物耐性であり得る。例えば、複数の表面フィーチャからなる微生物耐性トポロジーパターンは、支持基板と、微生物又は細菌との接触に対抗するように構成されることができる。従って、細菌は、一群の表面フィーチャの末端で制限され、複製及び成長するために支持表面に接近して接着することが防止され得る。さらに、表面フィーチャ自体又はそれらの組み合わせは、細菌細胞のための適切な成長表面を提供しないように構成されるか又は離間されていることができる。換言すれば、複数の表面フィーチャからなるトポロジーパターンは、支持基板と微生物との接触を制限するのに十分であり、かつ、表面フィーチャ自体が微生物成長基板として作用するのに不十分であるような表面フィーチャ密度を有する。従って、浸透した炭素ナノチューブ層は、微生物又は細菌の成長を促進するために適切な表面を含まない。

従って、複数の表面フィーチャからなる微生物耐性トポロジーパターンは、支持基板上の細菌成長を減少させるように構成されることができる。一実施形態では、複数の表面フィーチャからなる微生物耐性トポロジーパターンは、細菌が表面に接着し複製するのを防止することによって静菌性表面を提供することができる。別の実施形態では、複数の表面フィーチャからなる微生物耐性トポロジーパターンは、殺菌表面を提供することができる。１つの態様では、細菌細胞の細胞壁／膜を穿刺又は穿孔するように表面フィーチャが構成されている表面が、殺菌性であり得る。別の態様では、それ自体の重さによって個々の表面フィーチャが圧迫されるとき、表面フィーチャは、細菌細胞の細胞壁／膜を裂ける又は破裂させるように構成される表面が、殺菌性であり得る。

複数の表面フィーチャからなる微生物耐性トポロジーパターンを形成するために、パターン及び表面フィーチャは細菌耐性の方法で組み合わされる。例えば、パターンは、細菌細胞の支持基板への接近を防止又は低減する表面フィーチャ間の間隔を提供することができる。しかしながら、間隔は、表面フィーチャ自体が細菌細胞の成長基板を提供しないように、十分に大きくてもよい。同様に、表面フィーチャは、記載されるように、支持基板から細菌細胞を制限するために表面フィーチャ間の間隔に適応するための適切な直径及び高さを有し得、細菌細胞の成長表面を提供しない。従って、密度、直径、高さなどの異なる組み合わせは、複数の表面フィーチャからなる適切な微生物耐性トポロジーパターンを達成することができ、該複数の表面フィーチャからなる適切な微生物耐性トポロジーパターンは、特定の用途及び細菌細胞に最適化され得る。

従って、複数の表面フィーチャからなる微生物耐性トポロジーパターンは、様々な密度を有することができる。一態様では、複数の表面フィーチャからなる微生物耐性トポロジーパターンは、１μｍ^２当たり１個の表面フィーチャから１μｍ^２当たり１０，０００個の表面フィーチャまでの密度を有することができる。別の態様では、複数の表面フィーチャからなる細菌耐性トポロジーパターンは、１μｍ^２当たり２５個の表面フィーチャから１μｍ^２当たり７３００個の表面フィーチャまでの密度を有することができる。別の態様では、複数の表面フィーチャからなる細菌耐性トポロジーパターンは、１μｍ^２当たり７５０個の表面フィーチャから１μｍ^２当たり５０００個の表面フィーチャまでの密度を有することができる。

表面フィーチャは、様々な直径を有することができる。表面フィーチャの直径は、様々な理由と関連され得る。例えば、直径が小さすぎると、表面フィーチャは細菌細胞を支持するための十分な剛性が不十分であり得る。従って、表面フィーチャは、接着、成長、及び複製のために支持基板へ細菌細胞の接近を可能にするように、移動又は曲げられ得る。しかしながら、直径が大きすぎると、表面フィーチャが、互いに当接し始めることができるか、又は細菌自体の成長表面を提供するために十分に大きくなることができる。さらに、異なる浸透材料は、異なる構造特性を付与することができ、異なる直径への浸透は、異なる材料に対して有用であり得る。１つの一般的な態様において、表面フィーチャは、１０ｎｍ〜１０００ｎｍの直径を有することができる。別の一般的な態様では、表面フィーチャは、５０ｎｍ〜５００ｎｍの直径を有することができる。別の一般的な態様では、表面フィーチャは、１００ｎｍから２００ｎｍの直径を有することができる。

表面フィーチャはまた、様々な高さを有することができる。特定の高さの妥当性は、記述された直径の妥当性とある程度一致している。高い表面フィーチャは、より大きく曲がり、従って、微生物による支持基板への接近を可能にする。従って、一態様では、表面フィーチャは、約１個の直径の細菌細胞の高さを有することができる。細菌は様々な直径を有することができるが、特定のサイズ又は特定の範囲の細菌に対して特異的に表面フィーチャを設計することができる。さらに、多くの細菌は、０．２μｍから２μｍの範囲の直径を有し、いくつかの態様では、表面フィーチャの高さは、０．２μｍ、０．５μｍ、１μｍ又は２μｍから１０μｍ、１００μｍ又は１０００μｍまでの範囲であり得る。

しかし、前述したように、任意の所定の直径又は高さにおいて、表面フィーチャの間隔を依然として考慮に入れることができる。１つの態様では、２００ｎｍから８００ｎｍの個々の表面フィーチャの間で中心間距離を維持することができる。別の態様では、２００ｎｍから６００ｎｍの個々の表面フィーチャの間で中心間距離を維持することができる。別の態様では、３００ｎｍから５００ｎｍの個々の表面フィーチャの間で中心間距離を維持することができる。

このような表面形状の配置は、表面フィーチャの様々なパターン、間隔、及び直径／高さで微生物耐性になることができるので、本開示を把握すれば、炭素ナノチューブ層を、様々な他の表面に置き換えることができることが当該技術分野において認識されるであろう。例えば、表面を上記の特定の配置を有するように成形し、該表面に微生物耐性を提供することができる。さらに、このような表面をエッチングして同等の配置を達成することができる。さらに、このような表面は、ＣＶＤ又は物理蒸着（ＰＶＤ）法によって付着させることができる。所望の配置を達成するために、これらの表面の一部には浸透させることができ、他の表面は浸透なく構成することもできる。従って、複数の表面フィーチャからなる微生物耐性トポロジーパターンのための特定の配置を有する任意の表面は、炭素ナノチューブ層を有するか否かにかかわらず、本発明の技術の範囲内にあると考えられる。

別の実施形態では、表面における微生物成長を減少させる方法が記載される。該方法は、支持基板上に炭素ナノチューブ層を付着させる工程と、炭素ナノチューブ層に浸透材料を浸透させる工程とを含むことができる。該方法によって複数の表面フィーチャからなる微生物耐性トポロジーパターンを形成することができる。

［実施例１］
［浸透炭素ナノチューブ］
炭素ナノチューブは、エチレンガスを炭素源として用いて、約１４６ｓｃｃｍの流量で７５０℃で成長させた。厚さ２〜１０ｎｍの鉄層をナノチューブ成長のための触媒として使用した。バイオフィルムの成長について試験した試料は、７ｎｍの触媒層を用いて成長させた。ナノチューブの密度は、成長の前に付着させた鉄触媒層の厚さによって調節した。該炭素ナノチューブに、炭素源としてエチレンガスを用いて（流量約２１４ｓｃｃｍ）９００℃で１〜６０分間浸透させて、炭素が浸透した炭素ナノチューブ（ＣＩ−ＣＮＴ）を生成した。

図２は、上からの中（３０分）浸透試料の画像を示す。該画像は、直径が約１００〜２００ｎｍであり、おおよそ３００〜５００ｎｍ離間された表面フィーチャを示す。
図３は、上からの低（３分）浸透試料の画像を示す。この場合、ピラーは直径が約２０〜５０ｎｍである。

図４は、上からの高（６０分）浸透試料を示す。この場合、炭素ナノチューブ層は完全に充填され、離間された表面フィーチャの代わりに表面から球状の突出部を残す。
図５は、側面からの試料炭素ナノチューブフォレストを示しており、ナノチューブの全長を浸透材料が被覆し、材料中に空隙（又は細孔）を残すことを示す。
［実施例２］
［表面の微生物耐性］
細菌耐性を決定するために、ＣＩ−ＣＮＴ表面上でＭＲＳＡバイオフィルム試験を行った。３つのＣＩ−ＣＮＴ試料及び対照群を、上記の実施例１に記載したように、異なる、低、中及び高浸透レベルで調製した。各試験試料にＭＲＳＡ細菌を接種したが、対照群試料は接種しなかった。

２４個の試料を一度に試験した以外は、以前の試験と同様に追加の試験を実施した。それぞれの試料を同じチャンバー内に４８時間インキュベートした。代表的なＳＥＭ画像を図８に示す。様々な画像の間に形態的な違いがあるが、これはバイオフィルムにとって珍しいことではない。このような中浸透試料は、低浸透試料と高浸透試料の両方よりも良好にバイオフィルムに抵抗した。さらに、実施例１に記載された浸透変数に基づいて、９５０℃で約１６分間浸透させることにより、非常に有効な表面フィーチャの配置が得られることが観察された。
［実施例３］
［ステンレス鋼上で成長するＣＩ−ＣＮＴｓ］
鉄はＣＮＴ成長の触媒である。従って、本研究では、ステンレス鋼（ＳＳ）内に存在する鉄がＣＮＴ成長の触媒として使用できるかどうかを探究した。図９に示すように、ＣＮＴは外部触媒なくＳＳ表面上に直接成長されることができる。これにより、製造工程が大幅に簡素化される。また、触媒が基板の内部にあるため、接着強度を向上させることができる。これにより、抗菌性の利点を得るために、ＳＳの医療用インプラント又はツールにＣＮＴをコーティングすることができる。

様々な方法を用いることができるが、本発明のＳＳ試料を高濃度のＨＣｌ中で１５分間エッチングした。次いで、該試料を成長及び浸透のために炉に移動した。このエッチング工程は、ＳＳ上のクロム酸化物層を部分的に除去することができ、ＣＮＴ成長の間に鉄が触媒として使用されることを可能にする。

ＳＳ試料をＳＥＭ画像化及び引っかき試験によって分析した。上面はケイ素基板の表面と視覚的に一致するかどうかを見るためにＳＥＭで画像化した。図９に示すように、ＳＳ試料は、中浸透レベルを有するケイ素基板と一致するが、試料はより長い浸透時間を必要とした。引っかき試験は、鋭いピンセットを用いて表面を引っ掻くことによって行った（図１０）。一般に、ＳＳ上のＣＩ−ＣＮＴの接着は、非常に良好に接着するか、又は最小限の接触で剥離するように分れる。

まず、直径３ｍｍの棒にＣＩ−ＣＮＴをコーティングした。凸型基板が亀裂に問題を有することが発見された（図１２）。
この亀裂現象の原因を評価するために、成長後の鉄の厚さ、ＣＮＴの高さ、浸透レベル、及び冷却時間を測定した。結果は、鉄の厚さとＣＮＴの高さが亀裂に影響する主要な変数であることを示した。鉄の厚さを増加させると、亀裂の面積が減少した。ＣＩ−ＣＮＴの高さを増加させると、亀裂の面積が増加した（図１３）。従って、これらの変数の最適化は、凹面上のＣＩ−ＣＮＴ亀裂を最小化し、最終的に除去するために使用することができる。

凹型基板も評価した。具体的には、曲率半径とＣＩ−ＣＮＴ高さの２つの変数を試験した。石英管を軸に沿って切断し、ケイ素ウエハ基板と同じ方法を用いてＣＩ−ＣＮＴを成長させた（図１４Ａ〜Ｂ）。成長及び浸透の後、各チューブは、内側の断面をＳＥＭ画像化のために半分に破壊した。これらのＳＥＭ画像は、内径（ＩＤ）及びＣＩ−ＣＮＴ高さを調整することの重要性を確認する、ＣＮＴ湾曲及び内部裂け目（図１５）のような成長における欠陥を見えた。ＳＥＭ結果の例は、図１６Ａ〜１６Ｄに見ることができる。全体的に、長いＣＩ−ＣＮＴの成長では、小さいＩＤ（１〜２ｍｍ）より大きなＩＤ（３〜４ｍｍ）と良好に結合した。しかし、短いＣＩ−ＣＮＴの成長では、試験された全てのＩＤと良好に結びついている。短いＣＩ−ＣＮＴ成長の潜在的な欠点の１つは、非常に脆弱性である可能性があることである。これは、ＣＮＴが石英管に接着しないために部分的に生じ得る。しかしながら、ステンレス鋼のような基板に接着されている場合、これは問題にならない。

Claims

炭素ナノチューブ層と、
炭素ナノチューブ層に浸透した炭素と
を含む微生物耐性層であって、前記炭素ナノチューブ層への前記炭素の浸透により、複数の表面フィーチャからなる微生物耐性トポロジーパターンが形成されていることを特徴とする微生物耐性層。
支持基板をさらに含み、前記炭素ナノチューブ層が前記支持基板に結合されている、請求項１に記載の層。
前記複数の表面フィーチャからなるトポロジーパターンが、前記支持基板との微生物接触を制限する構造配置を有する、請求項２に記載の層。
前記支持基板が、金属、金属合金、ポリマー、セラミック、半導体、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される部材を含む、請求項２に記載の層。
前記支持基板が、鉄、鋼、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、チタン、黄銅、青銅、亜鉛、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される部材を含む、請求項４に記載の層。
前記支持基板が、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリイミド、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリテトラフルオロエチレン、尿素−ホルムアルデヒド、フラン、シリコーン、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される部材を含む、請求項４に記載の層。
前記支持基板が、ケイ素、石英、ガラス、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される部材である、請求項４に記載の層。
前記炭素ナノチューブ層の炭素ナノチューブが、前記支持基板上に成長している、請求項２に記載の層。
前記複数の表面フィーチャからなるトポロジーパターンは、１μｍ^２当たり１個の表面フィーチャから１μｍ^２当たり１０，０００個の表面フィーチャまでの密度を有する、請求項１に記載の層。
個々の表面フィーチャが１０ｎｍ〜１０００ｎｍの直径を有する、請求項１に記載の層。
個々の表面フィーチャが１μｍ〜１０００μｍの高さを有する、請求項１に記載の層。
前記表面フィーチャが３００ｎｍ〜５００ｎｍの中心間距離で離間されている、請求項１に記載の層。
少なくとも１つの微生物耐性表面を有する装置であって、
装置と、
前記装置の少なくとも１つの表面に結合された請求項１に記載の微生物耐性層と、
を含む、装置。
前記装置が医療装置である、請求項１３に記載の装置。
前記医療装置は、外科手術用装置、埋め込み可能な装置、挿入可能な装置、診断用装置、人工装具、医療器具、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１４に記載の装置。
前記装置が電子装置である、請求項１３に記載の装置。
前記電子装置が、携帯電話、ラップトップ、キーボード、マウス、コンピュータ端末、タブレット、時計、タッチスクリーン、及びゲームコントローラからなる群から選択される、請求項１５に記載の装置。
請求項２に記載の層を製造するための方法であって、前記炭素ナノチューブ層の炭素ナノチューブを前記支持基板とは別に成長させ、その後に前記支持基板上に前記炭素ナノチューブを付着させることを含む、方法。
表面における微生物成長を減少させる方法であって、
炭素ナノチューブ層を支持基板上に付着させる工程と、
前記炭素ナノチューブ層に炭素を浸透させる工程と
を含み、前記炭素ナノチューブ層への前記炭素の浸透により、複数の表面フィーチャからなる微生物耐性トポロジーパターンが形成されることを特徴とする方法。
前記複数の表面フィーチャからなるトポロジーパターンが、前記支持基板との微生物接触を制限する構造配置を有する、請求項１９に記載の方法。
前記支持基板は、金属、金属合金、ポリマー、セラミックス、半導体、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される部材を含む、請求項１９に記載の方法。
前記支持基板が、鉄、鋼、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、チタン、黄銅、青銅、亜鉛、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される部材を含む、請求項１９に記載の方法。
前記支持基板が、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリイミド、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリテトラフルオロエチレン、尿素−ホルムアルデヒド、フラン、シリコーン、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される部材を含む、請求項１９に記載の方法。
前記支持基板が、ケイ素、石英、ガラス、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される部材を含む、請求項１９に記載の方法。
前記炭素ナノチューブ層を付着させる工程は、前記支持基板上に炭素ナノチューブを成長させる工程をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
前記炭素ナノチューブ層を付着させる工程は、前記支持基板とは別に炭素ナノチューブを得る工程と、続いて前記支持基板上に前記炭素ナノチューブを付着させる工程とをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
前記複数の表面フィーチャからなるトポロジーパターンは、１μｍ^２当たり１個の表面フィーチャから１μｍ^２当たり１０，０００個の表面フィーチャまでの密度を有する、請求項１９に記載の方法。
個々の表面フィーチャが１０ｎｍ〜１０００ｎｍの直径を有する、請求項１９に記載の方法。
個々の表面フィーチャが１μｍ〜１０００μｍの高さを有する、請求項１９に記載の方法。
前記表面フィーチャが３００ｎｍ〜５００ｎｍの中心間距離で離間されている、請求項１９に記載の方法。
付着の工程は、化学蒸着（ＣＶＤ）及び物理蒸着（ＰＶＤ）のうちの少なくとも１つによって行われる、請求項１９に記載の方法。
浸透の工程は、ＣＶＤ及びＰＶＤのうちの少なくとも１つによって行われる、請求項１９に記載の方法。