基于酸性抗菌机理的安必洁表面抗菌技术及应用研究

时间：2024-09-03

林玉平程斌林春平孙卓然

LIN Yuping1 CHENG Bin2 LIN Chunping3 SUN Zhuoran3

1.廊坊市表面抗菌技术研发中心河北廊坊 000625；

2.北京化工大学材料学院北京 100029；

3.三河市安霸生物技术有限公司河北廊坊 000625

1. Langfang Research Center of Surface Antimicrobial Technology Langfang 000625;

2. Beijing University of Chemical Technology Institute of Materials Science Beijing 100029;3. Sanhe Anbatec Biotechnology Co., Ltd. Langfang 000625

1 引言

科学研究发现，非生命体表面可聚集大量致病细菌、病毒和“超级细菌”，而超级细菌（多重耐药菌）和病毒尤其危险。这些致病细菌和病毒可在物体表面存活几天或生存几个月[1]，如不采取预防性的杀菌消毒措施，物体表面附着的病原体就会成为持续的感染传播源。

在全世界范围内，由于医院内医患接触或者不洁物体接触引发的院内感染一直是患者致死的重要原因之一。根据医学专家2012年的统计调查，中国医院内感染率在10～50%[2]，由此引起延长住院时间和增加治疗费用。2010年数据显示，每个住院患者直接经济损失15696元，住院损失年增长率为15.94%[3]，2013年中国卫生年鉴数据显示，2010年住院病人为1.41亿人次，直接经济损失超过2235亿元。而现有的医院抗感染措施（隔离、消毒、抗生素和加强医护）和常规的杀菌技术，如：臭氧、紫外线、银离子、二氧化钛光催化、84消毒液、等离子、夏普纳米水离子等，其机理和特点存在瑕疵，不能彻底解决医院内感染问题，因此急需一种环保安全、省时省力、持久高效杀菌抑菌的新技术。酸性表面抗菌技术就是在此背景下产生的。

2 酸性表面抗菌技术

酸性pH值的杀菌性能在几个世纪前就为世人所知。人体胃中盐酸就起到了保护小肠以防止细菌过度滋生的作用；人体的皮肤表皮覆盖了一层pH值接近5.2的短中酸性脂肪链，它同样可以保护表皮，防止带病原的微生物的滋生。酸性表面抗菌机理就是模拟人类皮肤的抗菌机理，在物体表面覆上一层带有弱酸微环境的涂层。2006年奥地利PLANSEE公司率先发现了可实现酸性表面抗菌机理的物质，申请了实用新型专利，2008年德国埃尔朗根大学医学教授古根博士在收购了该专利之后，将其补充深化，申请了国际发明专利[4]。

2.1 抗菌机理

实现酸性表面抗菌机理的途径是在材料中添加金属酸。金属酸在遇到水后发生反应，生成酸根和水合氢离子。分布在涂层表面的氢离子形成酸性抗菌表层，见图1。此技术是通过物理和化学的多重作用机制完成杀菌和抑菌过程：

（1）在含水环境下，金属酸释放出H3O+，H3O+又分解成H2O和H+。酸性是以水合氢离子（H3O+）的形式存在。水合氢离子（H3O+）会使微生物的蛋白质表层永久变性，被称为蛋白水解作用，蛋白质作为H+离子的反应物。

（2）水合氢离子可以穿过微生物的细胞膜，同时可分解为H2O和H+。必需酶要求相当小的pH值范围。细胞膜中的必需酶系统或微生物及细胞内也会有堵塞。通过上述反应，可以抑制微生物细胞膜内很多的传输系统，同时也对DNA序列有干扰作用。

（3）当带正电的氢离子接触到带负电的细胞膜时，带负电的细胞膜会与带正电的氢离子发生库仑吸引，使两者牢固结合，束缚细菌的活动自由，抑制其呼吸机能，即发生“接触死亡”；另外，细菌在电场力的作用下，细胞膜上的负电荷分布不均匀造成变形，发生物理性破裂，使细胞的内容物，比如水、蛋白质等渗出体外，发生“溶菌”现象而死亡。

酸性抗菌表面抗菌作用的本质上是自由H+离子，可以在细胞膜上和细胞膜内产生作用，因此，可以称为新型复合抗菌剂。酸性表面的pH值是没有危险的，它的酸性与尿酸及稀释的醋酸相当。与传统的抗生素相比，该技术可特别抑制作用于细胞膜合成，转录或转化的酶类，可直接影响或干扰细菌膜的稳定性。因此，该技术能够杀菌迅速（几分钟至几小时）、具有非特定性（作用于对抗广谱的阴阳性细菌），并且不会使细菌产生耐药性。

2.2 抗菌范围

酸性表面抗菌技术的抗菌范围包括：革兰氏阳性菌（包括黄金葡萄球菌、肠球菌）、革兰氏阴性菌、好氧或厌氧菌、军团菌、真菌（念珠菌）、病毒（流感病毒、肝炎病毒、H1N1和H1N5禽流感病毒）等。

基于酸性表面抗菌机理开发的安必洁表面抗菌技术是一种既能实时杀死表层致病微生物，又可持久抑制致病微生物在表层生长的技术。该技术通过专门工艺将安必洁抗菌元素转移和固定到各种材料中。在湿度大于零的环境中，物体表面的pH值降低，形成一层弱酸保护层，能快速杀灭和长期抑制各种致病微生物（细菌、真菌和病毒）。

3 应用案例

3.1 智能马桶盖板的抗菌涂层研究

马桶盖垫圈是马桶与肌肤亲密接触的部位，同时也是附着污染物最严重的地方，容易滋生大量细菌。对家居用品进行的细菌检测发现，马桶座外侧上，每平方英寸（6.452平方厘米），积聚着295个细菌。使用2～3天的座圈布套细菌数量达到20万个，使用7～10天的座圈布套细菌则高达3000万个。为了实现洁净如厕，常用的方法是定期用稀释的家用消毒液擦拭垫圈或者使用纸垫隔离，但是这两种方法都不能实现持久的无菌洁净，还容易有污染或者产生抗药性。

应用方案：对于智能马桶盖直接接触人体皮肤的垫圈表面和间接接触人体私密部位的洗液喷嘴做抗菌涂层处理,见图2。

处理工艺：（1）先将PP材质的垫圈表面用细砂纸打磨，改善涂层的附着力，喷涂蓝色底漆，待漆膜干燥后，喷涂快干抗菌涂层。20分钟后形成30微米的抗菌涂层。（2）将不锈钢喷嘴表面做洁净处理后，喷涂快干抗菌涂层，厚度不超过20微米。

图1 抗菌机理示意图

图2 智能抗菌马桶盖板

检测结果：涂层样品在研发中心实验按照企业产品质量标准测试，12小时内，可以完全杀灭108CFU/mL的大肠杆菌。杀菌速度和强度超过国家标准GB/T 21866-2008的要求。样品经权威检测机构按照国家标准检测认证，安全抗菌率和持久抗菌率均大于99.99%，抗霉率为0级水平。

用户观察：喷涂了抗菌涂层的智能马桶盖经多用户10个月的试用观察，普遍反应使用方便、颜色靓丽、舒适卫生、无任何不良反应，与没有涂层的马桶盖垫圈形成强烈反差，真正实现了安全洁净如厕。

3.2 空调和空气净化滤网抗菌研究

空调内容易滋生细菌的部件有两个，一个是散热片，另外一个是过滤网。由于过滤网位置处于空调的出风口，相比较而言，过滤网上滋生的细菌更容易被流动的空气带到室内空间，给人们的健康带来威胁。为此，实现过滤网洁净无菌和拦截来自换热片上的细菌流动，就显得至关重要。

与家用空调相比，空气净化器的抗菌要求比空调系统更加严格。目前的空气净化器多数只是将细菌和病毒拦截过滤在净化器的滤网上，细菌病毒仍然可以在滤网上大量滋生。形象的说，净化器就是一个室内的细菌病毒的存储箱，仅仅依靠频繁更换滤网，不仅造成浪费，也不能根本解决洁净问题。所以，解决空气净化器的自身洁净，实现洁净的空气循环，是个急迫问题。

应用方案：（1）对空调滤网双侧喷涂安必洁表面抗菌涂料，涂层厚度2微米，对风速和风量的影响大致是2/1000，可忽略不计。（2）将净化器中的初效过滤棉用安必洁抗菌整理剂处理后，使其具备抗菌杀毒作用。

处理工艺：（1）对于空调滤网：首先对滤网两侧表面做洁净和附着力处理，喷涂安必洁表面抗菌涂料后，用压缩空气吹掉滤网网格中的多余涂料液体，涂层厚度2微米。20分钟/50℃后涂层干燥备用。（2）对于净化器滤网：将原尺寸的初效过滤棉放置在安必洁抗菌整理剂中浸泡30分钟/60℃，在80℃的干燥箱中烘干备用。

检测结果：（1）对于空调中有抗菌涂层的滤网样品按照企业产品质量标准测试，12小时内，可以完全杀灭108CFU/mL的大肠杆菌。杀菌速度和强度超过国家标准GB 21551.2-2010的要求。样品经权威检测机构按照国家标准检测认证，达到如下指标：安全抗菌率大于99.99%。（2）经抗菌涂料处理后的净化器滤网样品按照企业产品质量标准测试，12小时内，可以完全杀灭108CFU/mL的大肠杆菌。样品经权威检测机构按照国家标准GB/T 20944.2-2007检测认证，安全抗菌率大于99.99%，具有良好的抗菌效果。

用户观察：（1）在空调中应用此抗菌技术可保持滤网自身洁净，同时能够起到净化室内空气的作用。（2）空气净化器的初效过滤网实现抗菌处理是简单可行的，成本较低、效果可靠，不影响硬件原有结构，实现洁净无菌。在净化功能基础上增加了杀菌功能，实现了产品的多功能性。

除了空调、空气净化器、智能马桶盖板以外，安必洁表面抗菌涂层技术在冰箱把手、洗衣机内壁等家用电器上也可以广泛应用。