2021 Fiscal Year Annual Research Report
Generation of antibacterial performance and biocompatibility due to titanium oxide coating with a segmented structure
| Project/Area Number |
21H01644
|
|---|
| Research Institution | Japan Fine Ceramics Center |
|---|
Principal Investigator |
北岡 諭 一般財団法人ファインセラミックスセンター, その他部局等, 主幹研究員 (80416198)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
金高 弘恭 東北大学, 歯学研究科, 教授 (50292222)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
|
| Keywords | 酸化チタン / セグメント / コーティング / 抗菌性 / 生体親和性 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
電子ビームPVD法によりTi基板上にTiNOセグメントを形成する前に、予め極微量の酸素を含む窒素ガス中でTi基板を高温酸化させてスケール層（極微量の窒素が固溶したルチル型TiO2層）を形成することにより、セグメントと基板間の密着性が大きく向上することがわかった。
また、電子ビームPVD法のセグメント形成条件（導入ガス種、ターゲット種、電子ビーム出力、コーティング面加熱用のレーザー出力、基板回転数）と形成したセグメント構造体の微細組織の相関を把握した。その結果、セグメント組織が成膜室内に導入するN含有ガス中の酸素分圧の低下に伴い、カリフラワー状から針状に制御できることがわかった。さらに、針状セグメントの表面（DRY条件）は負に大きく帯電していることを確認した。
次に、代表的な組織制御セグメント構造体に対して、JIS-Z-2801に準拠したフィルム密着法により大腸菌に対する抗菌性を評価した結果、針状セグメントの方が抗菌性に優れる可能性が示唆された。一方、株化骨芽細胞様細胞（MC3T3-E1細胞）を用いた培養実験による細胞誘導性評価においては、いずれのセグメント構造体においても、現用材よりも生体親和性が低い傾向が認められた。
一般に、酸化チタン膜は生体親和性が良好であることが知られていることから、今後は、抗菌性に優れるTiNOセグメントに対して構造・組成制御することで抗菌性と生体親和性の両立を図る。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
電子ビームPVD法によりTi基板上に形成したTiNOセグメントの抗菌性と生体親和性を評価するためには、少なくともセグメント－基板間の密着性がその評価に耐えうるものでなければならない。そこで、極微量の酸素を含む窒素ガス中でTi基板を高温酸化させて予めスケール層を形成してから、この層を介してセグメントを形成することにより、その後の評価に耐えうる密着性を確保した。また、セグメント構造体の組織（針状～カリフラワー状）を制御するための主な因子が、成膜室内に導入するN含有ガス中の酸素分圧であることを見出した。さらに、セグメント構造体の抗菌性は、針状の方がカリフラワー状より優れる可能性が示唆された。その一方で、いずれのセグメント構造体においても、生体親和性が現用材より低い傾向が認められた。これらの取得情報を基に、抗菌性と生体親和性の両立を図るための研究方針を示すことができた。
|
| Strategy for Future Research Activity |
(1) セグメント構造体の創成（JFCC）：窒素源を含む雰囲気ガス（酸素分圧制御N2、NH3）を導入した減圧環境下において、Tiターゲットを電子ビーム照射により溶融・蒸発させて、所定位置に配置した予備酸化Ti基板上にTi-N-Oセグメント構造体を形成する。そして、形成した構造体の局所構造と表面電位（DRY、WET）の相関を把握し、表面電位制御に関する指針を示す。
(2) 生体親和性（細胞誘導）の評価（東北大）：代表的セグメント構造体に対して、コーティング面が接触する部位に応じた細胞培養実験により細胞誘導性を評価・解析する。歯肉接触の場合はヒト歯肉繊維芽細胞、骨接触の場合は骨芽細胞を使用する。
(3) 抗菌性の評価（東北大）：上記と同じセグメント構造体に対し抗菌性を評価・解析する。
(4) 機能発現のための最適構造設計（JFCC、東北大）：上記項目(1)～(3)の情報を基に、セグメント構造と生体接触部位に対応する特性（細胞誘導性、抗菌性）との相関を把握することにより、特性向上のための指針を示す。
|
