JP6345935B2 - 細菌付着を低減するための加工表面 - Google Patents
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Description
第1レベルの加工表面(ミクロ構造)の生成
ミクロ構造のためのマスターを加工するために、フォトレジスト(PR)パターンは、光リソグラフィーによってシリコーンウエハ上に加工される。Yatton,UKのOxford Instrumentsより入手可能なModel PlasmaLab System 100により、表1に記述した以下のパラメータを用いて、プラズマ強化化学気相蒸着(PECVD)により、このPRミクロ構造上に厚さ1500nmの二酸化ケイ素層をコーティングした。表面の粗さを作製するために、早い蒸着速度を使用した。
上述で調製されたマスターを、両面テープを使用してステンレス網ディスクに接着させた。次いで、銀の薄層をメッキすることによって、導電性に作製した。続いて、54.4℃(130°F)の温度で、フルファミン酸ニッケル槽からニッケル層を電鋳し、1平方フィートあたり18アンペア(1平方メートルあたり197アンペアに匹敵する)の電流密度を使用した。得られたニッケル蒸着の厚さは、約51ミクロン(0.02インチ)であった。電鋳が完了した後、ニッケル堆積物を、元のシリコーンウエハマスターから分離し、成形型として使用して、ポリジメチルシロキサン(PDMS)複製を調製した。
第1レベルの構造上の第2レベルの加工特徴部(構造ナノ特徴部/ミクロ構造上のナノ)の作製。
RIEによるナノ特徴部の加工後、サンプルを、フッ素化シラン(HFPO、3M Company開発、米国特許第7,678,426号)で処理した。サンプルをHFPOで処理するための工程は、以下のとおりであった:(1)HFE7100内の0.1重量%のHFPO中でディップコーティング、(2)コーティングされたサンプルを、120℃の熱いプレート上で30分間加熱。
二次レベルのトポグラフィー(ナノ構造又はナノ特徴部)を、最初に上記の調製実施例Aに説明される方法によって作製した基部(第1レベル)ミクロ構造上に作製した。PDMS基部構造は、比較実施例9であり、PDMSドーム形状パターンの配列は、(約)1.7ミクロンの直径、ドーム間の2.9ミクロンのピッチを有し2ミクロンの高さを有する。ナノ特徴部を、実施例4の上述の同様の工程に従い、ドーム状ミクロ構造上に形成した。ITONPを、最初に、反応性イオンエッチング(RIE)でコーティングした後、最終的に、HFPOで処理した。図9a〜9bは、ドーム形状のミクロ構造配列上のナノ特徴部を有する、得られた実施例10のSEM画像を示す。これらの顕微鏡写真でみることができるように、ナノ特徴部は、約500の高さを有し、約100〜150nmの直径の近似寸法を有する。
二次レベルのトポグラフィー(ナノ構造又はナノ特徴部)を、最初に上記の調製実施例Aに説明される方法によって作製した基部(第1のレベル)構造上に作製した。PDMS基部構造は、比較実施例6であり、平行する三角形レールの配列は、600nmのレール高さ及び600nmのレールのピーク間のピッチを有する。ナノ特徴部を、実施例4の上述の同一の工程に従い、600×600nmの平行の三角形レール構造の配列上に形成した。ITONPを、最初に、反応性イオンエッチング(RIE)でコーティングした後、最終的に、HFPOで処理した。
コンデンサ及び温度計を装備した500mLのフラスコ内で、151.8gのTX13112コロイド溶液(Nalco Chemical Company,Naperville ILから入手可能)及び180gの1−メトキシ−2−プロパノールを、早い攪拌下で混合した。その後、1.48gのSilquest A−174を追加した。混合物を、80℃で16時間加熱した。その後、150gの追加の1−メトキシ−2−プロパノールを追加した。得られた溶液を、室温まで冷却した。大半の水/1−メトキシプロパノール溶媒を、60℃の水槽で、ロータリーエバポレーターを使用して取り除き、1−メトキシ−2−プロパノール中で59.73重量%のA−174修飾された190nmのシリカ分散体を生成した。
黄色ブドウ球菌細菌懸濁液の調製
S.aureus細菌は、アメリカ合衆国培養細胞系統保存機関(The American Type Culture Collection)(Rockville,MD)から、商標名ATCC 25923のものを入手した。細菌は、12ミリリットルの調製された無菌トリプチックソイブロス(Hardy Diagnostics,Santa Maria,CA)に細菌を接種して調製したブロス中で1夜(17〜22時間、37℃において)ブロス培養させた。
追加の細菌懸濁液を、上述の黄色ブドウ球菌懸濁液と同一の方法で、以下の細菌株:緑膿菌ATCC(33494)の緑膿菌細菌(ATCC 15442)、大腸菌(ATCC 700928)、及びプロテウスミラビリス細菌(ATCC 14153)に対して調製した。記載しない限り、緑膿菌のATCC 15442株を、下記の静的バイオフィルムアッセイ評価に使用した。
以下の溶液を、別個の瓶内に調製した(使用したすべての化学物質は、SIGMA−ALDRICH、St.Louis,MOから取得):溶液を調製する際、最初に、水を瓶に追加した後、塩及び化合物の溶液を追加した。所与の溶液に対して上記に記載した順番で、塩及び化合物を完全に溶解するまでゆっくりと追加した。
静的バイオフィルムアッセイのプロセスステップ
1.アッセイを開始するために(0日目)、上述で調製された細菌懸濁液(黄色ブドウ球菌又は緑膿菌、大腸菌、プロテウスミラビリス)のうちの選択した1つを含有する培養管を、30〜60秒間ボルテックスすることによって、よく混合し、細菌を混合し、懸濁した。次いで、10mLの量の培養した細菌懸濁液を、90mLの滅菌トリプチックソイブロスに追加し、ボルテックスした。このサンプルの細菌濃度は、約1×107CFU/mLであった。
上述の静的バイオフィルムアッセイからのサンプルを、以下のプロトコルを使用して顕微鏡による分析に備えて染色した。
1.サンプルを固定前に完全に自然乾燥した。
1.30mLのビーカーを約8mLのグラムクリスタルバイオレット染色(Becton Dickson Co.)で充満した。
1.30mLのビーカーを、約8mLのグラムサフリン染色剤(Beckton Dickson Co.)で充満した。
静的バイオフィルムアッセイ(上記)から得られたサンプルに対して所与の細菌で被覆された表面積の測定を、各サンプルに対して少なくとも5つの顕微鏡画像を解析して実施した。顕微鏡画像を、CCDカメラが装備されたLeica顕微鏡(モデルDM4000B、Leica Microsystems Inc.,Bannockburn,ILから入手可能)を使用して取得した。解析に使用される顕微鏡画像を40倍の倍率で撮影した。この倍率(40倍)での顕微鏡設定の視界は、345μm×290μmであった。細菌で被覆された表面の分画領域を、SigmaScanソフトウエア(Systat Software Inc.,San Jose,CAから入手可能)を使用して決定した。この画像分析プロセスには、所与の顕微鏡画像の撮影、グレースケールへの画像の変換、画像の輝度ヒストグラムの抽出、及び染色された細菌細胞を残りの画像から単離するためのヒストグラム上の強度閾値の設定を伴った。次いで、ソフトウエアは、染色された細胞を含む画像の総ピクセル面積を自動的に計算することが可能であった。次いで、細菌で被覆された分画領域に到達するように、この領域を全体の画像のピクセルサイズで割った。各サンプルでは、少なくとも5視野(顕微鏡画像)の合計を、このようにして分析した。標準偏差(Std.Dev.)を、5つの顕微鏡画像の分析に複製の数を掛けて計算する。各視野からのデータを使用して、細菌で被覆された分画面積の平均値、並びに1σ標準偏差(エラー)を計算した。
加工ナノ特徴部を有する表面上のバイオフィルムの形成における、増殖媒体としての人工尿の効果を評価した。静的バイオフィルムアッセイのために、ステップ7及び8における未使用のTSBの代わりに調製された上述の人工尿を使用した。結果を下記の表10に報告する。
増殖媒体に追加されたウシ血清アルブミンの効果
TSB中の3%のBSAがTSBのみの使用に代わって使用されたことを除き、上述の静的バイオフィルムアッセイを行った。TSB溶液中のBSAを、タイタープレートの各ウェルに、アッセイ工程の適切なステップで追加した。ウシ血清アルブミン(BSA)をMilwaukee,WIのSigma−Aldrichから取得した。BSAがヒトの体液のタンパク質性内容物を模倣するため、この実験を行った。結果を下記の表11及び12に示す。
ステップ4の後に、リン酸緩衝食塩水(PBS)中の2mLの量の3%のBSAをタイタープレートの各ウェルに追加したことを除き、上述の静的バイオフィルムアッセイを行った。サンプルは、PBS溶液中のそのBSA中に7日間浸漬したまま、37℃で培養した。各タイタープレートの流体レベルを毎日確認し、必要に応じて、ミクロ構造(及びナノ特徴部)が確実にPBS溶液中のBSA中で被覆される(浸漬される)のに十分なPBS溶液中の追加のBSAを追加した。BSA実験のプレコンディショニングの結果を下記の表13に示す。
ステップ4の後に、Milwaukee,WIのSigma−Aldrich Chemical Companyから入手可能なハイブリドーマに好適な細胞培養に好適な、2mLの量の滅菌ろ過されたウシ胎児血清(FBS)をタイタープレートの各ウェルに追加したことを除き、上述の静的バイオフィルムアッセイを行った。サンプルは、FBS中に7日間浸漬したまま、37℃で培養した。各タイタープレートの流体レベルを毎日確認し、必要に応じて、ミクロ構造(及びナノ特徴部)が確実にFBS中で被覆されるのに十分なFBSを追加した。FBSでのプレコンディショニングの結果を下記の表14に示す。
1.細菌付着防止特性を有する器具であって、
加工表面を有する、本体であって、前記表面の少なくとも一部分が、複数の加工構造を含む、本体と、
前記加工構造の少なくとも一部分上に配置された、複数のランダムに分布した指向性ナノ特徴部と、を有し、
前記複数の加工構造が、少なくとも1つの周期構造を含み、前記周期構造は、少なくとも0.5ミクロンでかつ50ミクロンを超えない少なくとも1つの寸法を有し、
前記複数の加工構造の隣接構造間のピッチが少なくとも0.1ミクロンで、かつ250ミクロンを超えない、器具。
外側接触面を備える基部デバイスを準備する工程と、
前記外側接触面上に複数の加工構造を作製する工程であって、前記複数の加工構造がパターンを有し、前記パターンが周期構造を含み、前記周期構造が、少なくとも0.5ミクロンで、かつ50ミクロンを超えない少なくとも1つの寸法を有し、前記複数の構造が、少なくとも0.5ミクロンで、かつ150ミクロンを超えないピッチを有する、工程と、
前記複数の加工構造の構造のうちの少なくとも1つの上に複数の指向性ナノ特徴部を作製する工程と、を含む、方法。
ポリマーシース上の複数のミクロ構造を複製する工程と、
前記接触面の少なくとも一部分に前記シースを固着する工程と、を含む、実施形態26に記載の方法。
前記加工表面にナノ粒子の層を塗布する工程と、
エッチングマスクとして、前記ナノ粒子の層を使用して前記表面をエッチングし、前記ミクロ構造の少なくとも1つの上に複数のナノ構造を生成する工程と、を含む、実施形態26〜35のいずれか一項に記載の方法。
前記表面の少なくとも一部分上の複数の加工構造と前記構造の少なくとも1つの上に配置された複数の指向性ナノ特徴部とを含む表面を有する、医療用物品を提供する工程であって、前記複数の加工構造の各構造が、少なくとも1つの断面のミクロスケールの寸法を有する基部を有し、各加工構造の前記アスペクト比が、少なくとも0.5でかつ10を超えず、前記複数の加工構造の隣接構造間の前記ピッチが、最小の断面の寸法の少なくとも1倍で、かつ5倍を超えず、並びに基部が20ミクロンを超える断面の寸法を有さない、工程と、
前記表面を組織又は流体に近接して定置する工程であって、前記複数の加工ミクロ構造を含む前記表面の前記一部分上の標的微生物のコロニー形成が、同一材料から構成される平坦な表面と比較して低減される、方法。
Claims (8)
- 細菌付着防止特性を有する器具であって、
加工表面を有する本体であって、前記表面の少なくとも一部分が複数の加工構造を含む、本体と、
前記加工構造の少なくとも一部分上に配置された、複数のランダムに分布した指向性ナノ特徴部であって、無機ナノ粒子を含む、指向性ナノ特徴部と、を有し、
前記複数の加工構造が、少なくとも1つの周期構造を含み、前記周期構造は、少なくとも0.5ミクロンでかつ5ミクロンを超えない少なくとも1つの寸法を有し、
前記複数の加工構造の隣接構造間のピッチが、少なくとも前記少なくとも1つの寸法であって、かつ前記少なくとも1つの寸法の5倍を超えず、
前記ナノ特徴部が、少なくとも1対2でかつ10対1を超えないアスペクト比を有する、器具。 - 前記加工表面の少なくとも一部分上の前記加工構造の配置が複数の単位セルを含み、前記複数の単位セルの各単位セルが、前記ピッチを少なくとも近似する寸法によって少なくとも部分的に画定され、かつ1つしかない加工構造を含み、並びに前記複数の単位セルがタイル状である、請求項1に記載の器具。
- 前記加工構造が連続構造である、請求項1に記載の器具。
- 前記複数の加工構造の少なくとも一部分が、前記加工表面から突出する、請求項1に記載の器具。
- 前記複数の加工構造の少なくとも一部分が、前記加工表面内に突出する、請求項1に記載の器具。
- 前記複数の加工構造と指向性ナノ特徴部とを有する、前記加工表面の前記一部分上の黄色ブドウ球菌及び緑膿菌のコロニー形成は、静的バイオフィルムアッセイによって同一の材料から構成される平坦な表面上のコロニー形成と比較すると、顕著に低減される、請求項1に記載の器具。
- 前記加工表面の少なくとも一部分が、抗菌剤を有する、請求項1に記載の器具。
- 細菌付着防止表面を作成する方法であって、
外側接触面を備える基部デバイスを準備する工程と、
前記外側接触面上に複数の加工構造を作成して加工表面を形成する工程であって、前記複数の加工構造がパターンを有し、前記パターンが周期構造を含み、前記周期構造が、少なくとも0.5ミクロンで、かつ5ミクロンを超えない少なくとも1つの寸法を有し、前記複数の構造が、少なくとも前記少なくとも1つの寸法であって、かつ前記少なくとも1つの寸法の5倍を超えないピッチを有する、工程と、
前記加工表面にナノ粒子の層を塗布し、エッチングマスクとして前記ナノ粒子の層を使用して前記表面をエッチングすることによって、前記複数の加工構造の構造のうちの少なくとも1つの上に複数の指向性ナノ特徴部を作製する工程と、
を含み、前記ナノ特徴部が、少なくとも1対2でかつ10対1を超えないアスペクト比を有する、方法。
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