生体適合性を維持しつつ、抗菌性と生物活性特性を高めるためのチタンの表面改質

Titanium surface modification to enhance antibacterial and bioactive properties while retaining biocompatibility.

• Oscar Janson
• Satwik Gururaj
• Shiuli Pujari-Palmer
• Marjam Karlsson Ott
• Maria Strømme
• Håkan Engqvist
• Ken Welch

抄録

金属製インプラントに関連する細菌感染は、歯科用または整形外科用インプラントを使用しているかなりの人々に影響を与える深刻な問題である。本研究の目的は，市販の純チタングレード2の表面にチタンペルオキシゲル層を形成し，その抗菌効果を調べることである。生体適合性を損なうことなく生体活性を高めつつ、抗菌効果を得るための最適な組み合わせを決定するために、多段階の表面改質手順のバリエーションをテストしました。80℃の30wt%過酸化水素水に表面を浸すことで抗菌効果が得られ，その後，濃厚な水酸化ナトリウム水溶液と水酸化カルシウム水溶液で表面処理を行うことで，生体活性を高めることができた。表皮ブドウ球菌（Staphylococcus epidermidis）を用いて，直接接触試験およびバイオフィルム阻害試験により抗菌効果を測定し，ヒト真皮線維芽細胞およびMC3T3前骨芽細胞を用いて生体適合性を測定した。その結果、過酸化水素処理のみで最大の抗菌効果が得られたが、得られた表面は生物活性も生体適合性もないものであった。その後、水酸化ナトリウムと水酸化カルシウムで表面処理を行うと、生体活性表面と生体適合性が得られることがわかった。さらに、最終的にオートクレーブ処理を行うことで、生体活性の向上というプラスの効果が得られた。この多段階の表面改質法は、生物医学的インプラントに関連する感染症に対処するための有望な非抗生物質のソリューションを提供するものである。

Bacterial infections associated with metal implants are severe problems affecting a considerable amount of people with dental or orthopedic implants. This study aims to examine the antibacterial effect of a Titanium-peroxy gel layer on the modified surface of commercially pure titanium grade 2. Variations in a multi-step surface modification procedure were tested to determine the best combination that provided an antibacterial effect while enhancing bioactivity without compromising biocompatibility. Soaking the surfaces in 30 wt% hydrogen peroxide held at 80 °C provided antibacterial activity while subsequent surface treatments in concentrated sodium and calcium hydroxide solutions were preformed to enhance bioactivity. Staphylococcus epidermidis was used to determine the antibacterial effect through both direct contact and biofilm inhibition tests while human dermal fibroblast cells and MC3T3 pre osteoblast cells were utilized to test biocompatibility. The greatest antibacterial effect was observed with only hydrogen peroxide treatment, but the resulting surface was neither bioactive nor biocompatible. It was found that subsequent surface treatments with sodium hydroxide followed by calcium hydroxide provided a bioactive surface that was also biocompatible. Additionally, a final treatment with autoclaving showed positive effects with regards to enhanced bioactivity. This multi-step surface modification procedure offers a promising, non-antibiotic, solution for combatting infections associated with biomedical implants.

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