JPWO2018179357A1 - 抗菌性生体インプラント - Google Patents

Abstract

長期にわたり安定して優れた抗菌性を発揮することができる抗菌性生体インプラントを提供する。金属材料からなる基材２と、基材２上に積層されている陽極酸化皮膜３と、を備え、陽極酸化皮膜３は、基材２との界面Ｓ側に位置しているヨウ素リッチ層３１を有する、抗菌性生体インプラント１。

Description

本発明は、抗菌性を有する生体インプラントに関する。

生体インプラントは、外傷または疾病などによって低下または喪失した人体の機能を修復または代替するものであり、その利用者数は高齢者人口の増加とともに増えている。このような生体インプラントには、術後、長期にわたり安定して生体機能を代替できることが要求される。近年の科学技術の発展は生体インプラントにおいても顕著であり、現在では一定の成績を残せるようになってきている。

しかしながら、生体インプラントに残存する課題の１つに術後感染症が挙げられる。人工関節を初めとするインプラント置換術後において、細菌がインプラント周囲または手術部位で増殖して感染症を引き起こすと、最悪の場合には、感染した人工関節を再手術により抜去して抗生物質による感染治療を行った後、人工関節を再置換することになる。また、予後不良の場合には、関節固定または手足の切断に至るなど、回復しがたい問題となる。

このような問題に対し、近年、生体インプラントに抗菌性を付与する研究が活発に行われている。生体インプラントに抗菌性を付与する方法として、抗菌成分であるヨウ素を利用する方法が知られている。例えば、特許文献１、２では、陽極酸化または薬品処理酸化などにより微細孔または凹凸を形成し、電気泳動によって微細孔または凹凸にヨウ素またはヨウ素化合物を含浸させ、ヨウ素を溶出させることによって抗菌性を得ている。このようなヨウ素による抗菌性は、長期にわたり安定して発揮できることが望ましい。

特許第２９３２４３７号公報 特許第５０４４７９５号公報

本発明の課題は、長期にわたり安定して優れた抗菌性を発揮することができる抗菌性生体インプラントを提供することである。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、以下の構成からなる解決手段を見出し、本発明を完成するに至った。
（１）金属材料からなる基材と、前記基材上に積層されている陽極酸化皮膜と、を備え、前記陽極酸化皮膜は、前記基材との界面側に位置しているヨウ素リッチ層を有する、抗菌性生体インプラント。
（２）前記金属材料が、チタンまたはチタン合金である、前記（１）に記載の抗菌性生体インプラント。
（３）前記ヨウ素リッチ層が、少なくともヨウ素を含有する無機化合物からなる、前記（１）または（２）に記載の抗菌性生体インプラント。
（４）前記ヨウ素リッチ層が、少なくともヨウ素および前記基材由来の元素を含有する無機化合物からなる、前記（１）〜（３）のいずれか１に記載の抗菌性生体インプラント。
（５）前記陽極酸化皮膜のうち前記ヨウ素リッチ層以外の部位が、ヨウ素を含有していない、前記（１）〜（４）のいずれか１に記載の抗菌性生体インプラント。
（６）前記ヨウ素リッチ層が、前記基材に接触している、前記（１）〜（５）のいずれか１に記載の抗菌性生体インプラント。
（７）ＡＳＴＭ Ｆ１１４７に準拠して測定される前記陽極酸化皮膜の前記基材に対する密着強度が、２２ＭＰａ以上である、前記（１）〜（６）のいずれか１に記載の抗菌性生体インプラント。
（８）ヨウ素含有量が、４〜１６μｇ／ｃｍ^２である、前記（１）〜（７）のいずれか１に記載の抗菌性生体インプラント。
（９）ヨウ素含有量が、１０〜１６μｇ／ｃｍ^２である、前記（１）〜（８）のいずれか１に記載の抗菌性生体インプラント。
（１０）ヨウ素徐放性を有する、前記（１）〜（９）のいずれか１に記載の抗菌性生体インプラント。

本発明によれば、長期にわたり安定して優れた抗菌性を発揮することができる抗菌性生体インプラントを得ることができるという効果が得られる。

本発明の一実施形態に係る抗菌性生体インプラントを示す部分拡大概略断面説明図である。 本発明の一実施形態に係る抗菌性生体インプラントの製造方法を示すフローチャートである。 実施例２における断面観察結果を示す図であり、（ａ）は電界放射型走査電子顕微鏡写真、（ｂ）はヨウ素の元素マッピングである。なお、図３を模式的に示したものが図１である。 比較例１における断面観察結果を示す図であり、（ａ）は電界放射型走査電子顕微鏡写真、（ｂ）はヨウ素の元素マッピングである。 実施例２におけるヨウ素の経時溶出試験の結果を示すグラフである。

＜抗菌性生体インプラント＞
以下、本発明の一実施形態に係る抗菌性生体インプラント（以下、「生体インプラント」と言うことがある。）について、図１を参照して詳細に説明する。

図１に示す本実施形態の生体インプラント１は、ヨウ素に起因する抗菌性を有するものであり、基材２および陽極酸化皮膜３を備えている。

（基材）
基材２は、金属材料からなる。金属材料としては、例えば、チタン、コバルト、チタン合金、コバルト合金、コバルト−クロム合金、ステンレス鋼などが挙げられるが、生体インプラントとして使用可能な限りこれらに限定されるものではない。

例示した金属材料のうち、骨親和性が高く、骨との結合強度に優れること、また生体親和性も高いことからチタンまたはチタン合金が好ましい。言い換えれば、本実施形態の金属材料は、チタンまたはチタン合金であるのが好ましい。チタンとしては、例えばASTM F67に記載のGrade1〜4が好ましい。チタン合金としては、例えば、Ti-6Al-4V ELI合金(ASTM F136)、Ti-6Al-7Nb（ASTM F1295）、Ti6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo（JIS T 7401-3）、Ti-15Mo-5Zr-3Al（ISO 5832-14）などが挙げられる。例示したチタンおよびチタン合金のうちTi-6Al-4V ELI合金(ASTM F136)からなるチタン合金がより好ましい。

（陽極酸化皮膜）
陽極酸化皮膜３は、上述した基材２上に積層されている皮膜であり、後述する陽極酸化処理を経ることによって形成される。それゆえ、本実施形態の陽極酸化皮膜３は、陽極酸化処理に起因して形成される微細孔３３および微細凹凸３４を有する。微細孔３３は、面積換算で円相当直径が０．１〜５μｍの円形状または多角形状の孔である。微細凹凸３４は、微細孔３３が変形するか、または互いに隣り合う微細孔３３、３３同士が結合することによって形成される凹凸であり、ＪＩＳ Ｂ０６０１−２００１に準拠して測定される算術平均粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ以上である。このような微細孔３３および微細凹凸３４にヨウ素またはヨウ素化合物を含浸させると抗菌性が得られるものの、微細孔３３および微細凹凸３４に含浸させたヨウ素またはヨウ素化合物は溶出し易く、これらのヨウ素またはヨウ素化合物に起因する抗菌性は比較的早期に低下してしまう。この傾向は、生体インプラント１の製造工程のうち後述するヨウ素処理後の洗浄処理において顕著である。

本実施形態の陽極酸化皮膜３は、ヨウ素リッチ層３１を有する。ヨウ素リッチ層３１は、陽極酸化皮膜３のうちヨウ素含有量が最も多い層状の部位である。ヨウ素含有量とは、ヨウ素またはヨウ素化合物を構成するヨウ素元素の量をいう。本実施形態では、ヨウ素リッチ層３１が、陽極酸化皮膜３のうち基材２との界面Ｓ側に位置している。これらの構成によれば、ヨウ素リッチ層３１からヨウ素またはヨウ素化合物が簡単に溶出するのを抑制することができ、ヨウ素の徐放性が継続して発揮されるようになり、ヨウ素処理後に洗浄処理を行ったとしてもヨウ素に起因する優れた抗菌性を長期にわたり安定して得ることが可能となる。

陽極酸化皮膜３がヨウ素リッチ層３１を有することの確認は、例えば、クロスセクションポリッシャ（以下、「ＣＰ」と言うことがある。）加工を行った後、電界放射型走査電子顕微鏡（以下、「ＦＥ−ＳＥＭ」と言うことがある。）を使用して断面を観察し、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（以下、「ＥＤＳ」と言うことがある。）による元素マッピングを実施することによって行うことができる。

本実施形態では、ヨウ素リッチ層３１が、陽極酸化皮膜３のうち最も基材２との界面Ｓ側に位置している。言い換えれば、ヨウ素リッチ層３１が、陽極酸化皮膜３におけるヨウ素リッチ層３１以外の部位３２と、基材２との間に位置している。したがって、本実施形態では、ヨウ素リッチ層３１が基材２に接触している。このような構成によれば、ヨウ素が簡単に溶出するのを抑制することができる。なお、ヨウ素リッチ層３１が基材２に接触しているとは、ヨウ素リッチ層３１が実質的に基材２に接触していることを意味するものとする。すなわち、ヨウ素リッチ層３１が基材２に接触しているとは、ヨウ素リッチ層３１のうち大部分が基材２に接触しており、残りの僅かな部分が基材２から離れて基材２との界面Ｓ近傍に位置している場合をも含む概念である。

本実施形態のヨウ素リッチ層３１は、少なくともヨウ素を含有する無機化合物からなり、より具体的には、少なくともヨウ素および基材２由来の元素を含有する無機化合物からなる。このような構成によれば、ヨウ素が簡単に溶出するのを抑制することができる。なお、本実施形態のヨウ素リッチ層３１は、基材２由来の元素ならびに後述するヨウ素処理の浴由来の元素をさらに含有する無機化合物からなる。

本実施形態の陽極酸化皮膜３は、ヨウ素リッチ層３１以外の部位３２が、ヨウ素を含有していない。これにより、ヨウ素またはヨウ素化合物を長時間安定して放つことができ、徐放性に優れる。ヨウ素を含有していないとは、ＣＰ加工を行った後、ＦＥ−ＳＥＭを使用して断面を観察し、ＥＤＳによる元素マッピングを実施したときに、測定誤差レベルおよび不可避不純物レベルを超える濃度としてはヨウ素が測定されないことを意味するものとする。図３(ｂ)の部位３２に見られるような、測定誤差や不可避不純物によってヨウ素が検出されているような場合を排除するものではない。本実施形態の部位３２は、基材２由来の元素および陽極酸化処理の浴由来の元素を含有する無機化合物からなる。

陽極酸化皮膜３の厚さとしては、３〜１０μｍであるのが好ましい。上限値としては、６μｍ以下または５μｍ以下であってよい。３μｍ以上であると、ヨウ素リッチ層３１にヨウ素またはヨウ素化合物を十分に含むことができ、より長期にわたり安定して優れた抗菌性を発揮することができる。１０μｍを超えると、陽極酸化皮膜の密着強度が低下する場合がある。

また、ヨウ素リッチ層３１の厚さとしては、０．１〜２μｍであるのが好ましい。ヨウ素リッチ層３１にヨウ素またはヨウ素化合物を十分に含むことができ、より長期にわたり安定して優れた抗菌性を発揮することができる。

陽極酸化皮膜３およびヨウ素リッチ層３１のそれぞれの厚さは、ＣＰ加工を行った後、ＦＥ−ＳＥＭを使用して断面を観察することにより測定することができる。測定箇所は５箇所とし、その平均値を陽極酸化皮膜３およびヨウ素リッチ層３１のそれぞれの厚さとする。なお、ヨウ素リッチ層３１の厚さを測定するときには、ＥＤＳによる元素マッピングをさらに実施し、ヨウ素リッチ層３１を特定すればよい。

陽極酸化皮膜３の基材２に対する密着強度は、２２ＭＰａ以上であるのが好ましい。これにより、骨との結合強度に優れると共に、医療用部品において求められる皮膜と基材の密着強度（静的引張強度）が２２ＭＰａ以上であるという要求に対応することができる。密着強度の上限値としては、接着剤の強度に依存するが約７０ＭＰａ等が挙げられる。密着強度は、ＡＳＴＭ Ｆ１１４７に準拠して測定して得られる値である。

生体インプラント１のヨウ素含有量の上限としては、２５μｇ／ｃｍ^２以下、２０μｇ／ｃｍ^２以下または１６μｇ／ｃｍ^２以下であってよく、下限としては、４μｇ／ｃｍ^２以上または８μｇ／ｃｍ^２以上であってよい。また、４〜２０μｇ／ｃｍ^２、４〜１６μｇ／ｃｍ^２であってよく、１０〜１６μｇ／ｃｍ^２であるのが好ましい。このような構成によれば、上述した陽極酸化皮膜３の基材２に対する密着強度を維持しつつ、長期にわたって抗菌性を発揮するのに十分なヨウ素量を確保することができる。ヨウ素含有量は、エネルギー分散型Ｘ線分析装置で測定して得られる値である。本実施形態のヨウ素含有量は、ヨウ素処理をして洗浄処理した後の値である。

上述した生体インプラント１の形態としては、例えば、人工関節、人工骨、人工歯根、内外固定材、創外固定器などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

＜抗菌性生体インプラントの製造方法＞
次に、本発明の一実施形態に係る抗菌性生体インプラントの製造方法について、上述した生体インプラント１を製造する場合を例にとって、図２を参照して詳細に説明する。

図２に示すように、本実施形態では、上述した基材２に対して順に、工程Ｓ１の陽極酸化処理、工程Ｓ２の酸処理、および工程Ｓ４のヨウ素処理を行うことによって、生体インプラント１を得る。また、本実施形態では、工程Ｓ４のヨウ素処理の後に工程Ｓ５の第２洗浄処理をさらに行う。そして、本実施形態では、工程Ｓ３の第１洗浄処理、および工程Ｓ６の乾燥処理も行う。なお、工程Ｓ１の陽極酸化処理の前に、工程Ｓ０の脱脂処理を行ってもよい。以下、工程Ｓ０〜Ｓ６の順に本実施形態を詳細に説明する。

（工程Ｓ０；脱脂処理）
脱脂処理は、基材２の表面の汚れなどの不純物を取り除く処理である。例えば、超音波洗浄や浸漬洗浄などを用いることができ、また、洗浄液には、水酸化ナトリウムおよび界面活性剤を含む水溶液などが挙げられる。さらに付着した洗浄液を流すため、純水にて流水洗浄を行う。

（工程Ｓ１：陽極酸化処理）
陽極酸化処理は、基材２を電解液に浸漬し、基材２を陽極として電解する処理である。この処理により、基材２上にヨウ素リッチ層３１を有していない陽極酸化皮膜を形成することができる。

電解液としては、例えば、硫酸−水混合浴、硫酸−リン酸−水混合浴、硫酸−リン酸−過酸化水素−水混合浴、硫酸−リン酸−アスコルビン酸−水混合浴などの硫酸を含有する酸性電解液が挙げられる。例示した各混合浴において、硫酸などの各構成成分の濃度は、適宜設定することができる。例えば、硫酸−リン酸−過酸化水素−水混合浴では、硫酸の濃度を３０〜４０ｇ／ｌ、リン酸の濃度を２０〜３０ｇ／ｌ、過酸化水素の濃度を５〜１５ｇ／ｌなどにすることができる。

なお、上述した酸性電解液に代えて、アルカリ性電解液などを使用することもできる。アルカリ性電解液としては、水酸化カリウム−フッ化カリウム−リン酸ナトリウム−水酸化アルミニウム−水混合浴などが挙げられる。この混合浴において、各構成成分の濃度は、例えば、水酸化カリウムの濃度を１６５ｇ／ｌ、フッ化カリウムの濃度を３５ｇ／ｌ、リン酸ナトリウムの濃度を３５ｇ／ｌ、水酸化アルミニウムの濃度を３５ｇ／ｌなどにすることができる。

基材がチタン、チタン合金、またはステンレス鋼の場合には、酸性電解液を、コバルト−クロム合金の場合には、アルカリ性電解液を使用することが好ましい。

電解液の温度としては、２３〜４０℃の範囲であるのが好ましく、２３〜３５℃の範囲であるのがより好ましい。後述のとおり、主電解においては火花放電が生じ、ジュール熱により発熱が起こる。過度な発熱は酸化皮膜の脱落原因となるため、反応中は電解液を冷却する、電圧を急激にあげないようにする等して電解液の温度を上記範囲に保つことが好ましい。

電解に用いる電流は、脈流直流とする。脈流直流の周波数は、５０Ｈｚ以上であるのが好ましい。直流を付加して陽極酸化処理を行った場合に比べて抗菌性の向上が著しいためである。また、周波数の下限値としては、５０Ｈｚ以上、２００Ｈｚ以上、８００Ｈｚ以上、１０００Ｈｚ以上の順により好ましく、上限値としては、１０，０００Ｈｚ以下、５０００Ｈｚ以下の順により好ましい。抗菌性が顕著に向上するためである。

電解は、予備電解と主電解を有することが好ましい。予備電解における条件としては、火花放電（プラズマ放電）が発生しない最大電圧以下の電圧を用いる。予備電解においては、０Ｖｒｍｓから所定電圧まで徐々に電圧を上げていくことが好ましく、予備電解に用いる電圧をかける時間としては、所定電圧としてから１０秒〜２分であるのが好ましく、２０秒〜１分であるのがより好ましく、３０秒〜１分であるのがさらに好ましい。

主電解に用いる電圧としては、１００〜２１０Ｖｒｍｓであるのが好ましく、１４０〜２１０Ｖｒｍｓであるのがより好ましく、１７０〜２１０Ｖｒｍｓであるのがさらに好ましい。これにより火花放電を生じさせることができる。電圧が低すぎると、火花放電（プラズマ放電）を生じず、微細孔３３および微細凹凸３４が形成されない場合があり、電圧が高すぎると、皮膜の脱落を起こす場合がある。

また、主電解に用いる電圧をかける時間としては、３〜１０分であるのが好ましく、５〜１０分であるのがより好ましく、６〜１０分であるのがさらに好ましい。この時間が短すぎると、皮膜の厚さが不十分であり、長すぎると、皮膜の脱落を起こす。

例えば、チタンまたはチタン合金を基材として用いる場合を挙げると、予備電解における条件としては、脈流直流電圧を用い、０〜１２０Ｖｒｍｓの電圧で、所定の電圧まで上昇した後１０秒〜２分間電解処理を行うこと、また主電解における条件としては、脈流直流電圧を用い、１２０〜２１０Ｖｒｍｓの電圧で３〜１０分間電解処理を行うことが挙げられる。

（工程Ｓ２：酸処理）
酸処理は、基材２およびヨウ素リッチ層３１を有していない陽極酸化皮膜を酸に浸漬する処理である。この処理を経ることにより、基材表面に形成された微細孔３３の底部にある基材に接触しているバリア層の一部にダメージを与え、後述するヨウ素処理における電解が十分に生じるようにすることによってヨウ素リッチ層３１を形成することができ、ヨウ素含有量も増加することができる。

この理由としては、次のような理由が推察される。例えば、上述した陽極酸化処理において、電解液として硫酸−リン酸−過酸化水素−水混合浴を使用し、基材２の金属材料としてASTM F136からなるチタン合金を使用した場合、陽極酸化皮膜のうち基材２との界面Ｓおよびその近傍に硫黄リッチ層が形成される。硫黄リッチ層は、少なくとも硫黄を含有する無機化合物からなる層であり、陽極酸化皮膜のうち硫黄含有量が最も多い層状の部位である。上述した電解液および金属材料の組み合わせでは、硫黄リッチ層は、硫黄および基材２由来の元素であるチタンを含有し、酸素をさらに含有する無機化合物からなる。このような硫黄リッチ層を有する陽極酸化皮膜を基材２とともに酸処理すると、硫黄リッチ層または硫黄リッチ層の一部が酸によって溶解する。そして、硫黄リッチ層の溶解した部位に後述するヨウ素処理によってヨウ素リッチ層が形成され、その結果、基材２との界面Ｓ側にヨウ素リッチ層３１が形成されるものと推察される。なお、上述した電解液および金属材料の組み合わせでは、陽極酸化皮膜のうち硫黄リッチ層以外の部位は、チタン、アルミニウム、酸素およびリンを含有する無機化合物からなる。

酸処理における酸としては、例えば、硫酸、塩酸、硝酸及びシュウ酸などが挙げられる。例示した酸は、１種または２種以上を混合して使用することができる。例示した酸のうち硫酸が好ましい。言い換えれば、酸処理は硫酸処理であるのが好ましい。これらの酸は過酸化水素と共に用いることが好ましい。

酸は、水溶液の状態で使用するのが好ましい。水溶液における酸の濃度としては、５〜２０質量％であるのが好ましく、５〜１５質量％であるのがより好ましい。

酸水溶液の温度としては、４０〜７０℃であるのが好ましく、５０〜７０℃であるのがより好ましい。液温があまり低いと、ヨウ素リッチ層３１が形成され難くなる傾向がある。また、液温があまり高いと、陽極酸化皮膜３の基材２に対する密着強度が低下するおそれがある。

浸漬時間としては、１〜１０分であるのが好ましく、１〜５分であるのがより好ましい。浸漬時間があまり短いと、ヨウ素リッチ層３１が形成され難くなる傾向がある。また、浸漬時間があまり長いと、陽極酸化皮膜３の基材２に対する密着強度が低下するおそれがある。

基材の金属材料の種類によって、酸処理の条件を適宜変更することが好ましい。例えば、純チタンであれば、酸水溶液の組成を硫酸１０質量％及び過酸化水素１０質量％、浸漬時間を７分間とし、Ti-6Al-4V ELI合金(ASTM F136)であれば、酸水溶液の組成を硫酸１０質量％、浸漬時間を３分間とし、さらに、Ti-6Al-7Nb（ASTM F1295）であれば酸水溶液の組成を硫酸１０質量％及び過酸化水素１０質量％、浸漬時間を１０分間とすることが挙げられる。

（工程Ｓ３：第１洗浄処理）
第１洗浄処理は、上述した酸処理の後、基材２およびヨウ素リッチ層３１を有していない陽極酸化皮膜に付着している酸を洗い流す処理である。洗浄液としては、例えば、純水などが挙げられるが、これに限定されるものではない。洗浄液の液温としては、２０〜３０℃であるのが好ましい。洗浄方法としては、例えば、すすぎ洗浄、浸漬洗浄などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。

（工程Ｓ４：ヨウ素処理）
ヨウ素処理は、基材２およびヨウ素リッチ層３１を有していない陽極酸化皮膜をヨウ素またはヨウ素化合物を含む電解液に浸漬し、基材２を陽極として電解する処理である。この処理により、基材２との界面Ｓ側にヨウ素リッチ層３１を形成することができ、生体インプラント１を得ることができる。上述した陽極酸化処理において、電解液として硫酸−リン酸−過酸化水素−水混合浴を使用し、基材２の金属材料としてASTM F136からなるチタン合金を使用した場合、ヨウ素リッチ層３１は、ヨウ素および基材２由来の元素であるチタンを含有し、酸素をさらに含有する無機化合物からなる。なお、上述した電解液および金属材料の組み合わせでは、陽極酸化皮膜３のうちヨウ素リッチ層３１以外の部位３２は、チタン、アルミニウム、酸素およびリンを含有する無機化合物からなる。

ヨウ素処理におけるヨウ素化合物としては、例えば、ヨウ素の無機化合物、ヨウ素の有機化合物などが挙げられる。ヨウ素の無機化合物としては、例えば、ヨウ化銀、ヨウ化カリウム、ヨウ化ニッケル、ヨウ化鉄、ヨウ化錫などが挙げられる。ヨウ素の有機化合物としては、例えば、ヨウ化メチル、ヨウ化エチル、ヨウ化プロピル、ヨウ化ブチル、ヨウ化イソプロピルなどの鎖状飽和炭化水素およびその誘導体；ヨウ化ビニル、ヨウ化アニル、ヨウ化クロチル、ヨウ化プロパルギル、ヨウ化フェニルアセチレンなどの鎖状不飽和炭化水素およびその誘導体；ヨウ化ベンゼン、ヨウ化ベンジル、ヨウ化ベンゾイル、ヨウ化フェナシル、ヨウ化キシリレン、ヨウ化フタレイン、ヨウ化ヒドロキノン、シクロデキストリン−ヨウ素包摂体などの芳香族炭化水素およびその誘導体；ヨウ化トリメチルスルホニウム、ヨウ化トリフェニルスルホニウムなどの複素化合物；ポリビニルピロリドンヨウ素（以下、「ＰＶＰＩ」と言うことがある。）、ポリビニルフタルイミドヨウ素などの複素化合物ポリマーなどが挙げられる。例示したヨウ素化合物は、１種または２種以上を混合して使用することができる。

また、例示したヨウ素化合物のうちＰＶＰＩが、人体への安全性、環境保全、生体親和性の観点から好ましい。

ヨウ素およびヨウ素化合物は、水溶液の状態で使用するのが好ましい。水溶液におけるヨウ素またはヨウ素化合物の濃度としては、０．１〜１０．０質量％であるのが好ましく、０．４〜６．０質量％であるのがより好ましい。

ヨウ素及び／またはヨウ素化合物の水溶液液の温度としては、２０〜４０℃であるのが好ましく、２３〜４０℃であるのがより好ましく、２３〜３５℃であるのがさらに好ましい。

電解に用いる電流は、直流とする。定電流密度とすることが好ましく、電流密度を０．０５〜１０Ａ/ｄｍ^２の範囲とすることがより好ましい。

電解に用いる電圧としては、１００〜２５０Ｖｒｍｓであるのが好ましく、１００〜２００Ｖｒｍｓであるのがより好ましい。電解時間としては、１〜２０分であるのが好ましく、３〜１８分であるのがより好ましい。

電解は、２段階で行うことが好ましい。１段階目の電解は、２段階目の電解の電圧以下の定電圧で行うのが好ましい。１段階目の電解の電圧としては、０〜１５０Ｖｒｍｓであることが好ましい。また、２段階目の電解の電圧としては、１００〜２５０Ｖｒｍｓであるのが好ましく、１５０〜２５０Ｖｒｍｓであるのがより好ましく、１８０〜２１０Ｖｒｍであるのがさらに好ましい。例えば、チタンまたはチタン合金を基材として用いる場合を挙げると、１段階目の電解では、０Ｖｒｍｓから例えば１２０〜１５０Ｖｒｍｓ程度の電圧で一定時間電解を行った後、さらに、２段階目の電解として１５０Ｖｒｍｓから２５０Ｖｒｍｓ程度の電圧でさらに電解を行うことが挙げられる。

電解時間（電解を２段階で行う場合は、１段階目の電解および２段階目の電解を合わせた電解時間）としては、１〜２０分であるのが好ましく、３〜１８分であるのがより好ましいが、特に、２段階目の電解における電解時間を長くすることによりヨウ素含有量を増加させることができる。

例示したヨウ素処理条件を調整すると、上述したヨウ素含有量を所望の値に制御することができる。また、基材の金属材料の種類によって、酸処理の条件を適宜変更することが好ましい。例えば、純チタンであれば、１段階目の電解は電圧を０〜１５０Ｖｒｍｓで８分間行い、２段階目の電解は電圧を２１０Ｖｒｍｓで７分間行い、Ti-6Al-4V ELI合金(ASTM F136)であれば、１段階目の電解は電圧を０〜１５０Ｖｒｍｓで６分間行い、２段階目の電解は電圧を１８０Ｖｒｍｓで７分間行い、さらに、Ti-6Al-7Nb（ASTM F1295）であれば１段階目の電解は電圧を０〜１５０Ｖｒｍｓで６分間行い、２段階目の電解は電圧を２１０Ｖｒｍｓで７分間行うことなどが挙げられる。

（工程Ｓ５：第２洗浄処理）
第２洗浄処理は、生体インプラント１に付着している余剰のヨウ素またはヨウ素化合物を洗い流す処理である。この処理により、生体インプラント１を包装する包装材にヨウ素またはヨウ素化合物が付着して包装材が変色、劣化するのを抑制することができ、生体インプラント１を安定して保管することができる。また、生体インプラント１は、陽極酸化皮膜３がヨウ素リッチ層３１を有することから、第２洗浄処理後においても十分なヨウ素含有量を確保することができ、結果として優れた抗菌性を長期にわたって安定して発揮することができる。

洗浄液としては、例えば、純水などが挙げられるが、これに限定されるものではない。洗浄液液の温度としては、４０〜６０℃であるのが好ましい。これにより、生体インプラント１に付着した余剰のヨウ素またはヨウ素化合物を十分に洗い流すことができる。洗浄方法は、浸漬洗浄であるのが好ましい。浸漬時間としては、１〜１０分であるのが好ましく、３〜７分であるのがより好ましい。なお、洗浄液に純水を使用し、液温を例示した温度にする場合には、第２洗浄処理はいわゆる温水洗浄になる。

（工程Ｓ６：乾燥処理）
乾燥処理は、第２洗浄処理後の生体インプラント１を乾燥する処理である。乾燥温度としては、２０〜７０℃であるのが好ましい。乾燥時間としては、１〜１５分であるのが好ましい。なお、生体インプラント１を乾燥できる限り、例示した乾燥条件に限定されるものではない。

以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。なお、以下の実施例において、陽極酸化処理、酸処理およびヨウ素処理は、以下のようにして行った。

（陽極酸化処理）
硫酸（３５ｇ／ｌ）−リン酸（２５ｇ／ｌ）−過酸化水素（５ｇ／ｌ）−水混合浴の酸性電解液（液温：３０℃）中で、予備電解（火花放電が発生しない最大電圧）および主電解の２段階の電解を行った。予備電解として、脈流直流電圧を用い、０〜１２０Ｖｒｍｓの電圧で２分間処理した後（具体的には、０〜１２０Ｖｒｍｓで９０秒間、その後さらに１２０Ｖｒｍｓで３０秒間）、続いて、主電解として、１５０Ｖｒｍｓまたは１７５Ｖｒｍｓの定電圧で５分間または８分間電解した。

（酸処理）
１０質量％の硫酸水溶液（液温：５５℃）中に３分間浸漬した。

（ヨウ素処理）
０．５質量％、３．５質量％または５．０質量％のＰＶＰＩ水溶液（液温：２５℃）中で、電解を行った。初期電流密度１〜２Ａ/ｄｍ^２で、１２０Ｖｒｍｓまたは１５０Ｖｒｍｓの定電圧で５分間または１５分間電解処理した。

［実施例１〜４］
＜生体インプラントの作製＞
機械加工したＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ ＥＬＩ材からなるチタン合金（大きさ：５ｃｍ×５ｃｍ、厚み：約１ｍｍ）を基材とし、この基材を試験片として、脱脂処理、陽極酸化処理、酸処理、第１洗浄処理、ヨウ素処理、第２洗浄処理および乾燥処理の順に各処理を行った。具体的には、まず、試験片に対して脱脂処理として、洗浄液に１０％ダイクレンＥＷ（マクダーミッド社製）を用いて、４５℃で超音波アルカリ処理を行った後、純水にて流水洗浄を行った。次に、表１に示す条件で（表１の陽極酸化の電圧及び時間は主電解のもの）陽極酸化処理を行った後に酸処理を行った。さらに、第１洗浄処理として試験片を純水（液温：２３℃（室温））中で十分にすすぎ洗浄した後、表１に示す条件でヨウ素処理を行った。そして、試験片に付着した余剰のヨウ素化合物を洗い流すために第２洗浄処理を行い、さらに乾燥処理を行って、基材上に陽極酸化皮膜が積層されている生体インプラントを得た。なお、第２洗浄処理は、試験片を純水（液温：４５℃）中に５分間浸漬する温水洗浄とした。乾燥処理は、乾燥温度を６０〜７０℃、乾燥時間を１０分にした。

＜評価＞
得られた生体インプラントについて、ヨウ素含有量および陽極酸化皮膜の基材に対する密着強度を評価した。各評価方法を以下に示すとともに、その結果を表１に示す。

（ヨウ素含有量）
温水洗浄後に残存しているヨウ素量を、エネルギー分散型Ｘ線分析装置である島津製作所社製のＥＤＸ−ＧＰ型を使用して測定した。分析条件は、以下のとおりである。
加速電圧：５０ｋｅＶ
測定時間：１００秒
その他：ＫＩ標準試料を使用して感度係数を設定した後にヨウ素含有量を評価した。

（密着強度）
ＡＳＴＭ Ｆ１１４７に準拠して陽極酸化皮膜の基材に対する密着強度を測定した。その結果を、表１中の「密着強度」の欄に示す。なお、具体的な測定条件は、以下のとおりである。
装置：インストロン社製の５５Ｒ１１２３型
クロスヘッドスピード：２．５ｍｍ／分
接着剤：サイテックエンジニアドマテリアルズ（Cytec Engineered Materials）社製のポリアミド-エポキシ樹脂系接着剤シートであるＦＭ１０００

［比較例１および比較例２］
試験片に酸処理を行わなかった以外は上述した実施例１〜４と同様にして生体インプラントを得た。具体的には、まず、機械加工したＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ ＥＬＩ材からなるチタン合金を基材とし、この基材からなる試験片に対して、脱脂処理及び表１に示す条件で陽極酸化処理を行った。次に、試験片に上述した実施例１〜４と同様にして第１洗浄処理を行った後、表１に示す条件でヨウ素処理を行った。そして、試験片に上述した実施例１〜４と同様にして順に第２洗浄処理および乾燥処理を行い、基材上に陽極酸化皮膜が積層されている生体インプラントを得た。得られた生体インプラントについて、上述した実施例１〜４と同様にしてヨウ素含有量および陽極酸化皮膜の密着強度を評価した。

表１から明らかなように、実施例１〜４はいずれも、比較例１、２よりもヨウ素含有量が多いことがわかる。また、ヨウ素処理の条件を変更すると、ヨウ素含有量が変化していることがわかる。さらに、ヨウ素含有量が増加するにつれて密着強度が低下していることがわかる。ヨウ素含有量を４〜１６μｇ／ｃｍ^２にすると、医療用部品において求められる皮膜の基材に対する密着強度２２ＭＰａ以上を達成できることがわかる。

次に、上述した実施例２および比較例１のそれぞれの生体インプラントについて、ＣＰ加工を行った後、ＦＥ−ＳＥＭを使用して断面を観察し、ＥＤＳによる元素マッピングを実施した。各条件を以下に示すとともに、実施例２の断面観察結果として、電界放射型走査電子顕微鏡写真および元素マッピングをそれぞれ図３（ａ）および（ｂ）に、比較例１の断面観察結果として、電界放射型走査電子顕微鏡写真および元素マッピングをそれぞれ図４（ａ）および（ｂ）に示す。

（ＣＰ加工条件）
装置：日本電子社製のＳＭ−０９０１０型
加速電圧：６．０ｋＶ
加工時間：３．０時間
加工範囲：表面から２５μｍ

（ＦＥ−ＳＥＭ観察条件）
装置：ＪＥＯＬ社製のＪＳＭ−７６００Ｆ型
加速電圧：５．０ｋＶ
検出器：ＣＯＭＰＯ像
観察倍率：１０，０００倍

（ＥＤＳ分析条件）
装置：Ｏｘｆｏｒｄ社製のＸ−ａｃｔ型
加速電圧：１０ｋＶ
マッピング対象元素：炭素、チタン、酸素、バナジウム、アルミニウム、リンおよびヨウ素

図３（ａ）および（ｂ）から明らかなように、実施例２の生体インプラントでは、陽極酸化処理によって形成された微細孔３３および微細凹凸３４中にヨウ素が存在していなかった。これは、ヨウ素処理後の温水洗浄によって微細孔３３および微細凹凸３４中のヨウ素が洗い流されたことに起因すると推察される。

また、実施例２の生体インプラントは、陽極酸化皮膜３が基材２との界面Ｓ側に位置しているヨウ素リッチ層３１を有していた。陽極酸化皮膜３のうちヨウ素リッチ層３１以外の部位３２と、ヨウ素リッチ層３１の構成元素をＥＤＳによってそれぞれ測定した。その結果、部位３２は、チタン、アルミニウム、酸素およびリンから構成されていた。言い換えれば、部位３２は、ヨウ素を含有しておらず、チタン、アルミニウム、酸素およびリンを含有する無機化合物で構成されていた。また、ヨウ素リッチ層３１は、ヨウ素、チタンおよび酸素から構成されていた。言い換えれば、ヨウ素リッチ層３１は、ヨウ素、チタンおよび酸素を含有する無機化合物で構成されていた。これらの構成元素のうち、チタンおよびアルミニウムは、基材のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ由来の成分であり、リン、酸素およびヨウ素のそれぞれは、陽極酸化処理およびヨウ素処理の浴由来の成分であると考えられる。

なお、実施例１、３、４の生体インプラントについても実施例２と同様にしてＣＰ加工を行った後にＦＥ−ＳＥＭを使用して断面を観察し、ＥＤＳによる元素マッピングを実施した。その結果、実施例１、３、４の生体インプラントも、実施例２の生体インプラントと同様に陽極酸化皮膜３が基材２との界面Ｓ側に位置しているヨウ素リッチ層３１を有していることが確認できた。実施例１〜４のヨウ素リッチ層３１はいずれも、陽極酸化皮膜３におけるヨウ素リッチ層３１以外の部位３２と基材２との間に位置しており、基材２に接触していた。

実施例１〜４の生体インプラントについて、陽極酸化皮膜３およびヨウ素リッチ層３１のそれぞれの厚さを測定した。測定は、ＦＥ−ＳＥＭによる断面観察において、測定箇所を１０箇所とし、その平均値を算出することによって行った。その結果を表２に示す。

一方、図４（ａ）および（ｂ）から明らかなように、比較例１の生体インプラントでは、陽極酸化皮膜１００中にヨウ素リッチ層３１が存在していなかった。また、比較例１の生体インプラントでは、ヨウ素が検出されなかった。この結果は、比較例１のヨウ素含有量が少ないという上述の結果と一致する。

なお、比較例２の生体インプラントについても比較例１と同様にしてＣＰ加工を行った後にＦＥ−ＳＥＭを使用して断面を観察し、ＥＤＳによる元素マッピングを実施した。その結果、比較例２の生体インプラントも、比較例１の生体インプラントと同様に陽極酸化皮膜１００中にヨウ素リッチ層が存在しておらず、ヨウ素も検出されなかった。

比較例１、２の生体インプラントについて、陽極酸化皮膜１００の厚さを上述した実施例１〜４と同様にして測定した。その結果を表２に示す。

次に、上述した実施例２の生体インプラントについて、ＪＩＳ Ｚ ２８０１に準拠したフィルム密着法による抗菌試験を行った。具体的には、試験片の形状を縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ３ｍｍとし、菌液として黄色ブドウ球菌を使用した。また、ポリエチレンフィルムをブランク、表面処理していないＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ ＥＬＩ材をＳｉＣ研磨紙＃１２０を使用して研磨した研磨面を比較例３として、実施例２の生体インプラントと同様に抗菌試験を行った。２４時間後の菌数および抗菌活性値を表３に示す。なお、表３中の抗菌活性値は、２４時間後のブランクの菌数に対する対数である。抗菌活性値が２以上の場合には、抗菌性を有すると判断することができる。

表３から明らかなように、実施例２は、抗菌活性値が５．５であり、抗菌性に優れていることがわかる。

次に、上述した実施例２の生体インプラントについて、ヨウ素の経時溶出試験を行った。具体的には、試験片の形状を縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ３ｍｍとし、この試験片を２００ｍｌの生理食塩水（液温：２３℃）中に浸漬し、所定期間（時間）浸漬後の溶出液中に含まれるヨウ素量をＩＣＰ質量分析法によって定量した。その結果を図５に示す。

図５から明らかなように、実施例２の生体インプラントは、長期にわたって抗菌成分であるヨウ素を溶出できているのがわかる。この結果より、実施例２の生体インプラントは、ヨウ素徐放性に優れ、長期にわたり安定して抗菌性を発揮できることがわかる。

１ 抗菌性生体インプラント
２ 基材
３ 陽極酸化皮膜
３１ ヨウ素リッチ層
３２ ヨウ素リッチ層以外の部位
３３ 微細孔
３４ 微細凹凸
１００ 陽極酸化皮膜
Ｓ 界面

Claims (10)

1. 金属材料からなる基材と、
   前記基材上に積層されている陽極酸化皮膜と、を備え、
   前記陽極酸化皮膜は、前記基材との界面側に位置しているヨウ素リッチ層を有する、抗菌性生体インプラント。
2. 前記金属材料が、チタンまたはチタン合金である、請求項１に記載の抗菌性生体インプラント。
3. 前記ヨウ素リッチ層が、少なくともヨウ素を含有する無機化合物からなる、請求項１または２に記載の抗菌性生体インプラント。
4. 前記ヨウ素リッチ層が、少なくともヨウ素および前記基材由来の元素を含有する無機化合物からなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の抗菌性生体インプラント。
5. 前記陽極酸化皮膜のうち前記ヨウ素リッチ層以外の部位が、ヨウ素を含有していない、請求項１〜４のいずれか１項に記載の抗菌性生体インプラント。
6. 前記ヨウ素リッチ層が、前記基材に接触している、請求項１〜５のいずれか１項に記載の抗菌性生体インプラント。
7. ＡＳＴＭ Ｆ１１４７に準拠して測定される前記陽極酸化皮膜の前記基材に対する密着強度が、２２ＭＰａ以上である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の抗菌性生体インプラント。
8. ヨウ素含有量が、４〜１６μｇ／ｃｍ^２である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の抗菌性生体インプラント。
9. ヨウ素含有量が、１０〜１６μｇ／ｃｍ^２である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の抗菌性生体インプラント
10. ヨウ素徐放性を有する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の抗菌性生体インプラント。