組織適合性と抗菌性を兼ね揃えた医療用金属材料表面の創製

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19J40065
• Research Institution: Tokyo Medical and Dental University
• Principal Investigator: 堤 晴美 東京医科歯科大学, 生体材料工学研究所, 特別研究員(RPD)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Keywords: 生体機能化 / チタン / マイクロアーク陽極酸化 / 銀 / 亜鉛 / ICP / EDS / SEM

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、マイクロアーク陽極酸化（MAO）処理を用いた医療用金属材料の抗菌性と硬組織適合性の同時実現を目指す。本年度は2段階MAO処理を提案することで、既存のMAO処理による抗菌性付与技術よりも長期的に抗菌性を有する多孔質な材料表面の創出に成功した。
通常、抗菌性が認められるAgを微量添加してMAO処理する際、5 mM以上の添加濃度では電圧が上昇せずMAO処理を材料表面に施すことができない。しかし、溶液を途中で切り替える2段階MAO処理をすることで、5-10 mMのAgを添加した溶液でのMAO処理が可能になり、その創出された多孔質皮膜中には、高濃度のAgが導入されることがEDS測定結果より明らかにした。このとき、切り替え電圧、最終電圧、Ag添加濃度などの2段階MAO処理条件を変化させ、どの因子が強く影響するか検討したところ、Ag添加濃度に依存して多孔質皮膜中にAgが導入量が増加することが明らかになった。
また、Agと同様に抗菌性を示すZnを添加した溶液を第1MAO処理に、Ag溶液を第2MAO処理に溶液を用いて2段階MAO処理を施したところ、ZnおよびAgの両者を多孔質皮膜中の導入することができた。この時、AgおよびZnイオンの放出挙動を0.9%NaCl溶液に浸漬後、溶液中で放出されたAｇおよびZnイオン濃度をICP-AES測定により評価したところ、28d経過後もAgイオンが放出しており、その多孔質皮膜は高い抗菌性を示すことが抗菌性評価により明らかになった。このZnおよびAgはそれぞれ異なる機序により抗菌性を示すことが先行研究により明らかになっており、2段階MAO処理の処理条件を変化させて多孔質皮膜に同時導入することにより、目的に応じた抗菌性（長期的に継続する抗菌性や短期間でも高い抗菌性など）を示す多孔質表面を創出することが可能になると考えられる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は、基盤技術の確立と再現性確認と位置づけ、基材としてTi、抗菌物質としてAgを選択し、Ti表面にAgを微量含有させる多孔質皮膜を形成し、表面分析と細菌を用いた評価を行った。これまで処理できなかった高濃度のAgを添加した溶液によるMAO処理について、溶液を切り替える2段階MAO処理を提案することでその処理を可能にした。この技術を用いて作成した多孔質皮膜中には高濃度のAgが導入され、高い抗菌性を示すことが明らかになった。またAgだけでなく抗菌性を示すZnについて着目し、2段階MAO処理による同時導入の検討をおこなった。通常、AgとZnをMAO用基準液に同時微量添加すると錯体を形成し、MAO処理に適した溶液を調整することができない。しかし、別個に溶液を調整し、溶液を切り替えてMAO処理することで煩雑な手技なく多孔質皮膜中にAgとZnを同時導入することが可能になった。2段階MAO処理による多孔質皮膜への抗菌物質の導入および抗菌性向上に関する報告はこれまでなく、現在論文を執筆である。
現在、長期間のZnとAgの放出挙動の調べるため、3ケ月および6ケ月の長期溶出試験継続して行っている。また多孔質皮膜の構造を精査するために、Agの添加濃度を細かく細分化して上述の実験を同様に行っている。さらに、本研究の目的である抗菌性を示しつつ、細胞毒性を示さない多孔質皮膜へのAg導入量を決定するため、細胞を用いた評価法について技術の獲得をおこなっている。
上記の理由により、おおむね本研究は順調に進展しているといえる。

Strategy for Future Research Activity

研究2年目は、1年目での機器分析および細菌による評価を引き続き継続し、また細胞の毒性評価を行う。さらに抗菌効果が報告されているAuやZnについても同様に評価を行い、抗菌性と低細胞毒性を両立する濃度範囲がAgの結果に対してどのように変化するかを検証する。また、MAO処理により導入した抗菌物質が、生体内に埋入後、狙いの濃度範囲で長期間にわたり安定して放出継続するためには、多孔質皮膜層がこれに適した立体構造や緻密性、抗菌物質の担持量の条件を満たしていることが要求される。2段階MAO処理での変更可能なパラメータは電解質濃度、電圧、処理条件などがあり、多孔質酸化皮膜層の厚さ、孔径および抗菌物質の導入量はこれらの処理条件により自在に制御できる。このため、現在解明中の抗菌物質の濃度範囲内に収まるよう、放出量を制御できるような多孔質酸化皮膜の形成を今後行う。
現在、新型コロナウィルスよる感染拡大防止のための緊急措置により、研究活動が制限されている。状況に応じて研究方策を柔軟に変更しており、研究活動が完全に停止しないように配慮し、論文執筆などに効率的に時間をあてていきたいと考えている。