Creation of optically-functional titanium surface with compatibility of bone forming ability and antibacterial activity and its application to implants
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18H01718
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 26030:Composite materials and interfaces-related
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
成島 尚之 東北大学, 工学研究科, 教授 (20198394)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐原 亮二 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, グループリーダー (30323075)
小笠原 康悦 東北大学, 加齢医学研究所, 教授 (30323603)
上田 恭介 東北大学, 工学研究科, 准教授 (40507901)
金高 弘恭 東北大学, 歯学研究科, 教授 (50292222)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Project Status |
Declined (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2020: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
Fiscal Year 2019: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2018: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000)
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| Keywords | 生体材料 / チタン / 抗菌性 / 光機能 / 骨形成能 / アナターゼ / 表面処理 / 酸化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
歯科用インプラント自身が組織との再密着による「治癒」を担い、かつ患者自身による「予防」も可能にする「セルフメンテナンス機能」の具現化を目的として研究を遂行している。前年度の研究でAuスパッタ膜を施したチタンの大気酸化により作製したAu添加TiO2膜は優れた抗菌能を示す一方で、チタン基板との密着力が低いという問題があった。令和元年度はTi-Au共スパッタ膜を利用したAu添加TiO2膜の作製プロセス開発と評価を行った。
(a)Ti-Au共スパッタ膜を利用したTiO2膜の作製：RFマグネトロンスパッタリング法により膜厚17－83 nmのTi-40at%Au膜および膜厚19－93 nmのTi-60at%Au膜を工業用純チタン表面に作製した。Ti-Au共スパッタを施したチタンを大気酸化（873 K、1.8 ks）することでAu含有ルチル型TiO2膜が得られた。
(b)密着力および抗菌性の評価：(a)で作製したAu含有ルチル型TiO2膜の膜密着力をピン引抜法により、抗菌性をガラス密着法（細菌：大腸菌）により評価した。スパッタ膜中Au濃度が等しい場合、抗菌能が向上するほど膜密着力は低下したが、Ti-40at%Auスパッタを施したチタン上に作製したAu添加TiO2膜において抗菌活性値（－log（生菌数/初期生菌数））1以上、密着力30 MPa以上という優れたバランスが得られた。
(c)細胞毒性試験：マウス骨芽細胞様細胞（MC3T3）およびヒト歯肉線維芽細胞（hGF）を用いたアラマーブルーアッセイによりAu添加TiO2膜の細胞増殖を評価した。Au添加TiO2膜上の細胞数は可視光照射下において減少したものの、暗所静置下においては増加した。すなわち、Au添加TiO2膜は可視光照射下においてのみ抗菌能および細胞毒性を発現し、暗所静置下においては優れた骨適合性を示すと考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
抗菌性-密着力バランスの向上に加えて、マウス骨芽細胞様細胞およびヒト歯肉線維芽細胞を用いた細胞培養試験を用いたデータを提出できたことから「骨形成能と抗菌能を両立させた光機能性チタン表面の創製」の達成は近いと評価している。
(a)前年度に明らかになったAu添加TiO2膜の低密着力との問題点はTi-Au共スパッタ膜を利用することで解決できた。Ti-Au共スパッタ膜の利用は、（イ）低Au量で処理が可能、（ロ）基板として従来の歯科用チタン・チタン合金を利用できる、といった利点も併せ持っており、有力な歯科用インプラントの抗菌機能化処理法と評価できる。
(b)Au添加TiO2膜は可視光照射下においてのみ抗菌能および細胞毒性を発現し、暗所静置下においては優れた骨適合性を示すことが示された。歯科用インプラントの感染症の予防・治療においては細菌の除去と同時に骨との再接合の達成が要求される。Au添加TiO2膜は、予防・治療が必要とされる場合においてのみ抗菌能を示す表面層構築として機能し、治療後は骨との密着を促進することが期待できる。
(c)可視光照射下においてAu添加TiO2膜が細胞毒性を発現することは想定の範囲内である。暗所下ではマウス骨芽細胞様細胞およびヒト歯肉線維芽細胞の増殖が観察されており、Au添加TiO2膜が光照射のない環境で優れた骨適合性を有することを意味する。可視光照射下における抗菌性および細胞毒性の発現はAu添加TiO2膜が強い有機物分解能を有することを示唆する。これは他の応用、例えば抗ウイルスにおいても優れた特性を発現することを期待させる。すなわち、現在猛威を振るっているCOVID-19の原因となるコロナウイルス（SARS-CoV-2）を死滅させる表面の創製などへの応用も可能と考えられる。
(d)「セルフメンテナンス」に対応した光照射時間の短縮が今後の課題である。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は「セルフメンテナンス機能」を有するインプラント創製に向けての可視光応答化時間の短縮および可視光応答化機構の解明に加えて、成果の公表に注力する。具体的計画を以下に示す。これまでの研究の進捗は想定以上であり、本年度での研究課題の達成を目標として研究を遂行したい。
(a)可視光照射時間の短縮：前年度までの抗菌性評価は放射照度1.0 mW/cm2、照射時間14.4 ksと比較的長時間低放射照度の可視光照射条件において行っていた。一方、臨床における患者の負担を考慮すると、照射時間は数十分程度が限度である。そこで、短時間高放射照度（放射照度15 mW/cm2、照射時間1.8 ks）の光照射条件を用いて、可視光照射下および暗所静置下におけるAu添加TiO2膜の抗菌性評価を行う。
(b)光触媒発現機構の解明：Au添加ルチル型TiO2膜の可視光応答性発現機構を検討する。TiO2膜中に存在するAuナノ粒子の寄与またはTiO2膜中に固溶したAuイオンの寄与の2つの可能性がある。バンドギャップ測定およびAu粒子を王水で除去した後の抗菌性評価などを通して、可視光応答化機構を解明する予定である。バンドギャップ測定においてはチタン粒子の利用なども検討する。加えて、光触媒発現機構解明を通して更なる抗菌能と基板との密着力に優れたAu添加TiO2膜作製プロセスを検討する。
(c)研究成果の公表：研究は想定以上に進捗しており、Ti-Au共スパッタ膜を作製したチタンの大気酸化により作製したTiO2膜の優れた特性および可視光応答化機構に関しての研究論文を公表する。
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Report
(2 results)
Research Products
(48 results)
