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酒石酸ナトリウム電解浴で陽極酸化を行った低弾性 Ti-Nb-Sn 合金の光触媒による抗菌効果

栗島 宏明 東北大学

2022.03.25

概要

【背景】 金属材料であるインプラントを用いることの多い整形外科手術の中で,インプラント関連感染は大きな合併症の一つである.インプラント関連感染を減らすため,抗菌性を有する金属,消毒薬,抗菌薬を含有する抗菌インプラントが開発されてきたが,これらのインプラントでは添加物質の血中溶出による副作用が問題となる.二酸化チタンは紫外線が照射されると光触媒による抗菌効果が発揮される一方で,安全で安定した物質と考えられている.東北大学金属材料研究所のグループが開発した低弾性 Ti-Nb-Sn 合金に酒石酸ナトリウム電解浴を用いた陽極酸化処理法で二酸化チタンを成膜すると光触媒活性が得られることが分かっている.

【目的】Ti-Nb-Sn 合金に酒石酸ナトリウム電解浴を用いた陽極酸化処理法で作成した皮膜の組織観察,結晶構造分析,元素分析,紫外可視吸収スペクトル分析を行い,光触媒活性,抗菌効果,ハイドロキシアパタイト析出について評価する.

【方法】 Ti-Nb-Sn 合金を 50 mM 酒石酸ナトリウム電解浴または 50 mM 酒石酸ナトリウムと 0.7 M 過酸化水素(H2O2)からなる電解浴で陽極酸化処理を行い,2 種類の二酸化チタン皮膜を作成した.フィールドエミッション電子プローブマイクロアナライザとレーザー顕微鏡で組織観察,X 線回析法で表面の結晶構造分析,X 線光電子分光法で元素分析,拡散反射法で紫外可視吸収スペクトル分析,X バンドスピン共鳴測定法とメチレンブルー分解試験で光触媒活性の評価を行い 2 種類の皮膜を比較した.抗菌試験 1 は JIS R 1702 に従い,メチシリン感受性黄色ブドウ球菌,メチシリン耐性黄色ブドウ球菌(MRSA)と大腸菌を 2 種類の二酸化チタン皮膜で被覆した Ti-Nb-Sn合金およびコントロールであるガラスに載せ,0.21 mW/cm2 の微弱な紫外線を 8 時間照射し,残存した菌数をカウントして抗菌効果を確認した.紫外線強度を 1.0 mW/cm2に増強し,照射時間を 1—3 時間に短縮した抗菌試験 2 を行った.疑似体液に 2 週間浸漬し,ハイドロキシアパタイトの析出試験を行った.

【結果】組織観察,元素分析,紫外可視吸収スペクトル分析,光触媒活性は 2 種類の二酸化チタン皮膜に差が見られなかったが,X 線回析では電解浴に H2O2 を添加するとルチル型二酸化チタンの割合が増えることが分かった.抗菌試験 1 ではいずれの Ti- Nb-Sn 合金でも微弱な紫外線を照射すると,すべての菌種に対して光触媒による抗菌効果が得られた.抗菌試験 2 では紫外線強度を増強すると,1,2 時間の時点でコントロールに比べ有意に菌が減少していた.3 時間ではコントロールであるガラスでも菌が死滅し有意差は見られなかった.いずれの Ti-Nb-Sn 合金でも疑似体液に2週間浸漬したところ,表面にハイドロキシアパタイトの析出が見られた.

【考察】 電解浴に H2O2 を添加することによってルチル型の結晶構造の割合が増加したが,H2O2 の有無による光触媒活性,抗菌効果に違いは見られなかった.作成した皮膜は H2O2 の有無によらず,すべての菌種に対し光触媒による抗菌効果を発揮することが明らかになった.MRSA にも有効であったことは薬物耐性に関わらず抗菌効果を有することを示しており,臨床上有用である可能性が示唆された.抗菌試験 2 では紫外線強度を上げると,作成した皮膜は H2O2 の有無によらず 1 時間で MRSA をコントロールに比べ有意に減少させた.紫外線強度が上がるとより短時間で強い抗菌効果を発揮できると考えられる.また,H2O2 の有無によらず,いずれの皮膜も疑似体液への浸漬でハイドロキシアパタイトの析出が確認された.ハイドロキシアパタイトの析出は,骨固着性,骨誘導能,骨形成能が向上することを示唆し,Ti-Nb-Sn 合金が生体内で強固に骨と結合できる可能性がある.

【結論】酒石酸ナトリウム電解浴を用いた Ti-Nb-Sn 合金の陽極酸化皮膜は紫外線照 射により抗菌効果を発揮し,疑似体液への浸漬でハイドロキシアパタイトが析出した.この皮膜で覆った低弾性 Ti-Nb-Sn 合金はインプラント関連感染を減らし,高い骨親 和性を持つ有用な整形外科インプラント材料となる可能性がある.

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