Противомикробные свойства медных поверхностей

Предпосылки

Рост бактерий на различных поверхностях является причиной для озабоченности во многих больницах и в пищевой промышленности из-за увеличенного риска бактериальной инфекции[1]. Бактериальное загрязнение больничных поверхностей, в том числе в палатах, сестринских и кухонных помещениях, неоднократно обсуждалось в различной литературе [2-5]. Загрязнение поверхностей, используемых при приготовлении мяса и овощей, в том числе холодильников и конвейерных лент, также не раз становилось предметом исследований [6-10]. Вдобавок к поверхностным дезинфицирующим средствам, использование поверхностей, которые могли бы самостоятельно дезинфицироваться, могло бы значительно способствовать всеобщей профилактике инфекций.

На протяжении нескольких последних десятилетий проводилась работа по исследованию противомикробных свойств меди и ее сплавов против целого ряда микроогранизмов, представляющих угрозу здоровью населения в пищевой промышленности и здравоохранении [11].

Использование меди и сплавов меди для поверхностей, которых часто касаются, например, дверей, мебельной фурнитуры, кроватных поручней, выключателей и поверхностей для приготовления пищи, может способствовать ограничению микробных инфекций в больницах и пунктах общественного питания. Мичел и др [12] отмечают, что увеличение содержания меди в сплавах приводит к возрастанию противомикробной эффективности.

Уничтожение бактерий при соприкосновении происходит так быстро, что производство защитной биопленки попросту невозможно[13].

Специфический механизм, посредством которого медь воздействует на клеточные структуры еще не доказан, но в общем принято считать что активный агент клеточного разрушения - это ионы меди [11, 14, 15].

Недавние исследования показали, что большие количества ионов меди были поглощены кишечной палочкой за 90 минут, когда клетки были нанесены на медные образцы посредством водной суспензии (стоячая капля). Когда клетки были нанесены на медь при использовании минимального количества жидкости и при времени высыхания 5 секунд, аккумуляция ионов меди клетками оказалась еще более ярко выраженной, достигая концентрации за долю секунды.

Рис. 1. Система плазменного напыления.

Уровень ионов меди в клетках оставался высоким на протяжении фазы уничтожения, что дает основание полагать, что клетки подавляются своей внутриклеточной медью [15]. Зернистая структура медной материи оказывает влияние на диффузию ионов и тем самым способствует уничтожению бактерий ионами меди.

В Агентстве по Защите Окружающей Среды (АЗОС) США зарегистрировано пять медных сплавов, которые считаются безопасными для здоровья населения [16]. Все эти сплавы имеют минимальную номинальную концентрацию меди 60%. Регистрация меди и некоторых медных сплавов, таких как латунь и бронза, означает, что АЗОС признает противомикробные свойства этих твердых материалов. Продукты, произведенные из любых зарегистрированных сплавов, законным образом могут быть заявлены как безопасные с точки зрения контроля организмов, которые представляют угрозу для здоровья человека. Лабораторные испытания, проводившиеся в соответствии с протоколами, одобренными АЗОС, доказали способность меди уничтожать за два часа непосредственного контакта более 99,9% следующих болезнетворных бактерий: золотистый стафилококк, энтеробактераэрогенез, кишечная палочка O157:H7, синегнойные палочки, ванкомицин-резистентные энтерококки (ВРЭ) и МРЗС.

Производство медной поверхности.

Для использования противомикробных свойств меди, поверхности, прикасающиеся с кожей и продуктами питания, должны состоять из меди или медного сплава.

Этого можно достигнуть при помощи цельного медного оборудования или посредством медного поверхностного покрытия. В целом, из ценовых соображений, медные покрытия предпочтительней цельной медной структуры. Имеются различные приемы напыления металла для нанесения медного покрытия на приспособления, которые могут передавать микроорганизмы, поэтому желательно установить оптимальный метод напыления. Соответственно, три приема напыления металла оцениваются с точки зрения противомикробного действия медной поверхности, полученной посредством каждого из этих приемов.

Плазменное напыление

В процессе плазменного напыления, приведенном на рисунке 1, используется электрическая дуга постоянного тока для производства потока высокотемпературного ионизированного плазменного газа, который выступает в качестве распыляющего источника тепла. Материал покрытия, в форме порошка, переносится инертным газом и впрыскивается в плазменную струю, где порошок плавится и выбрасывается на поверхность, предназначенную для напыления.

Плазменный распылитель включает в себя медный анод и катод из вольфрама, которые охлаждаются водой. Плазменный газ (аргон, азот, водород, гелий) проходит вокруг катода и через анод, сконструированный как сужающаяся распылительная головка. Плазма, содержащая капли металла, выбрасывается из анодной распылительной головки и направляется на поверхность, на которую наносятся частицы.

Рис. 2. Система электродугового нанесения.

Электродуговое нанесение

В процессе электродугового нанесения между двумя металлическими проволоками, выступающими в качестве расходуемых электродов, создается дуга. Между проволоками применяется напряжение постоянного тока, и дуговой разряд создается при соприкосновении проволок. Проволочные электроды плавятся электродугой, и струя сжатого воздуха разбрасывает расплавленные капли и направляет их на поверхность.

Холодное напыление

Процесс холодного напыления, показанный на рисунке 3, придает сверхзвуковую скорость металлическим частицам путем помещения их в нагретую струю азота или гелия, которая затем расширяется через сверхзвуковое суживающееся сопло. Порошковый питатель вставляется при высоком давлении на входе сопла. Частицы, увлекаемые газом, направляются на поверхность, в которую они впечатываются при ударе, создавая таким образом прочную связь с поверхностью. Понятие «холодное напыление» было использовано для описания этого процесса из-за относительно низких температур (100-500°С) расширяющегося потока газа, который выходит из сопла. Последующие нанесения напыляемого вещества увеличивают толщину структуры. Сцепление металлического порошка с поверхностью, а также сцепление молекул наносимого материала достигается в твердом состоянии.

Рис. 3. Система холодного напыления.

Относительно низкая пористость покрытия при холодном напылении – результат утрамбовки частиц, что вызвано ударом на высокой скорости. Еще одна характеристика ударов на высокой скорости – это смещение частиц и нагартовка (деформационное упрочнение). Низкое содержание оксидов нанесенных холодным напылением покрытий является следствием низкой температуры частиц, что ингибирует окисление.

Все описанные приемы производят бомбардирующие частицы при определенных температурах и скоростях. Эти температуры и скорости создают металлические покрытия с разными характеристиками: присутствие оксидов, пористость, смещение частиц и твердость.

Из-за металлургических различий, разумно предположить, что покрытия продемонстрируют различную противомикробную эффективность, пористость и содержание оксидов в полученных напылениях.

Процедура испытаний

Три приема нанесения покрытия на поверхность использовались для производства покрытых медью металлических опытных образцов. На алюминиевую поверхность наносилось покрытие толщиной приблизительно 1 мм. Покрытия полностью покрыли металлические поверхности с полной гидроизоляцией. Медный сырьевой материал, используемый в приемах плазменного и холодного напыления, показан на рисунке 4. Поперечные сечения опытных образцов, полученных с использованием трех приемов, показаны на рисунках 5, 6 и 7. Отличия в микроструктуре четко прослеживаются, что дает основание предполагать различия и в биологической активности. Свидетельство плавления частиц четко прослеживается в высокотемпературном плазменном и электродуговом процессах.

Образцам с нанесенным покрытием были посеяны МРЗС. Покрытые образцы выдержали при комнатной температуре на протяжении двух часов, после чего выжившие организмы были ресуспендированы и помещены в питательную среду. Данная процедура проводилась в соответствии с протоколом АЗОС [17] “Метод испытания эффективности поверхностей покрытых сплавом меди, выступающим в качестве дезинфицирующего средства. Подробности процедуры приведены ниже [17-20]

Поверхности носителей и их подготовка

Образцы с медным напылением использовались как опытные носители, а пластины из нержавеющей стали использовались в качестве контрольных носителей.

Таблица 1. Типичные рабочие параметры распылителя

Носители окунули в этиловый спирт, прополоскали в деионизированной воде, оставили высохнуть на воздухе. Перед использованием в опыте носители были помещены в автоклав. После стерилизации, каждый носитель поместили в чашку Петри, устланную двумя кусками фильтровальной бумаги.

Подготовка организмов

10 мл тубы синтетического бульона высеивались из исходного штамма и инкубировались на протяжении 24 часов при 36С. Используя одноразовую стерильную пластиковую трансфер-петлю с внутренним диаметром 4 мм, были произведены по меньшей мере три последовательных ежедневных переноса культур в синтетический бульон перед использованием в качестве опытного инокулята. Два переноса культур петлей были произведены в 10 мл бульонной среды и инкубированы на протяжении 48 часов.

Культуры тщательно перемешали на вихревом смесителе и дали им отстояться. Две верхние трети суспензии использовались в качестве инокулята для опыта.

Добавление дозы органического материала почвы

Доза органической почвы, содержащий Органический материал, содержащий Тритон Х-100 (для способствования распространения в инокуляте) была добавлена в опытную культуру. 0,25 мл аликвота фетальной бычьей сыворотки и 0,05 мл аликвота 1%го Тиртон Х-100 были добавлены к 4,70 мл культуры, чтобы получить на выходе 5% -ую фетальную бычью сыворотку и 0,01%-ую дозу почвы, содержащую Тритон Х-100.

Посев на носители.

На каждый опытный и контрольный носитель в шахматном порядке калиброванной пипеткой производился высев 0,02 мл культуры, выдержанной 48 часов. Инокулят распределили в трех миллиметрах от края носителя. Крышки чаши Петри были закрыты и носители выдержали при комнатной температуре (20С) на протяжении 2 часов. Время экспозиции началось немедленно после высева.

Рис. 8. Процесс МРЗС, выживших после воздействия различных медных напылений.

Нейтрализация и посевные культуры

Через два часа воздействия, носители в шахматном порядке переместили в стеклянные сосуды, содержащие 20 мл летинового бульона+0,07% лецитина+0,5% твин-80. Каждый нейтрализующий сосуд подвергался обработке ультразвуком на протяжении 5 минут для уничтожения любых выживших микроорганизмов, а также подвергли вращению для перемешивания. Была приготовлена серия разбавленных образцов (10°+10-4) нейтрализованного раствора из каждого сосуда. Один (1,0) мл аликвот этих разбавленных образцов наносился в двух параллельных опытах при использовании стандартного метода платирования на планшет с кровяным овечьим агаром .

Инкубация и наблюдения

Планшеты инкубировались при 36С на протяжении 44 часов перед проведением наблюдений и подсчетом. Вслед за инкубацией, планшеты визуально нумеровались. Для вычислений использовались посевные культуры, содержащие 30-300 колоний.

Результаты и дискуссия

Уменьшение количества высевных золотистых стафилококков было нормализировано при помощи результатов контрольного воздействия поверхностью из нержавеющей стали. Результаты этих опытов в процентном выражении выживших золотистых стафилококков показаны на Рисунке 8. Результат для холодного напыления оказался ниже минимального измерения, и поэтому отображен как «Менее, чем».

Результаты демонстрируют более чем трехкратную разницу в эффективности уничтожения бактерий при использовании плазменного, электродугового и холодного напыления меди. Такие большие различия в противомикробной эффективности требуют изучения того, как метод нанесения влияет на природу меди. Методы плазменного и электродугового напыления осаждают расплавленные частицы на относительно низкой скорости (600 м/с). Шампейн и др.[21] показал, что удар частиц при высокой скорости холодного напыления приводит к чрезвычайному деформационному упрочнению (нагартовке) и, соответственно, к высокой плотности дислокации в напылении. Так, показатели твердости по Виккерсу для медного покрытия, полученного плазменным, электродуговым и холодным напылением, оказались 94, 105 и 141 соответственно. Ионная диффузия в металлах усиливается благодаря присутствию дислокаций частиц, известных как «диффузия по линиям дислокаций», а ионная диффузия и возникает в основном благодаря этим дислокациям.

Выводы

Эффективность меди и медных сплавов в качестве противомикробных покрытий на поверхностях частого касания неоднократно отмечалась в литературе исследователями [5-7, 10, 12-15]. Однако не было предпринято попыток исследовать, помимо содержания меди в сплавах, воздействие металлургических свойств медных покрытий. Значительные противомикробные различия между покрытиями, полученными различными приемами напыления, как описано в этой статье, демонстрируют важность использования способа нанесения меди и полученной в результате структуры напыления. Способ холодного напыления показывает преимущественную противомикробную эффективность, вызванную высокой скоростью напыляемых частиц при ударе, что приводит к высокой плотности дислокации и высокой ионной диффузивности.

Процесс холодного напыления - это проверенная технология, которая в настоящее время используется в разных областях применения различных металлических покрытий. При помощи процесса холодного напыления возможно легко наносить медные покрытия на поверхности касания. Рисунок 9 – пример медного покрытия путем холодного напыления. Больничный лоток и вся металлическая рама больничного стола были покрыты чистой медью с использованием метода холодного напыления. Вдобавок к получению высокоэффективных противомикробных поверхностей, уменьшается вероятность при использовании метода холодного напыления повреждения поверхностей, чувствительных к воздействию высоких температур, как это может случиться при высокотемпературных методах напыления. Данная работа является исследованием для подтверждения механизма действия, и требуются дополнительные, более статистически значимые исследования для обоснования ее промышленного внедрения.

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют, что не имеют конкурирующих интересов

Вклад авторов

ВКШ задумал и осуществлял руководство программой. ДДжХ интерпретировал результаты опытов и обосновывал механизм. Оба автора читали и одобрили окончательный вариант

Признание

Испытание дезинфицирующей эффективности против золотистого стафилококка, описанное в данной работе, проводилось на контрактной основе в ЭйТиЭс Лабс в Игоне, Миннессота. Опыты проводились Эмми Джеск и Беки Лиин.

Информация о авторах:

1. Исследовательский институт Армии США, опытная площадка Абердин, Мэрилэнд, США

2. Дайнэмик Сайнс, Абердин, Мэрилэнд, США

Получено: 24 января 2013г. Принято: 15 марта 2013 г

Опубликовано: 27 марта 2013 г.

Литература:

1. Пэйдж К., Уилсон М., Паркин И.: Противомикробные поверхности и их потенциал в ограничении роли в неодушевленной окружающей среды в случаях инфекционных заболеваний, приобретенных в больнице. Ж-л Mater Chem 2009, 19:3819-3931.

2. Айсичек Х, Огуз У., Карчи К: сравнение результатов АТФ-биолюминисценции и традиционных методов гигиенической уборки для определения чистоты поверхностей на больничной кухне. Межд. ж-л. Hyg Environ Health 2006, 209: 203-206

3. Бернард Л., Керевер А., Дуранд Д, Гоно Дж, Гольдщтайн Ф., Майнарди Дж., Акар Дж, Карлет Дж.: Бактериальное загрязнение стетоскопов больничных терапевтов. Infect Control Hosp Epidemiol 1999, 20: 626-628.

4. Рутала ВА, Катц ЕБ, Шерерц РДж, Сарубби ФА: Исследование внешних условий эпидемии митицилин-резистентного золотистого стафилококка в ожоговом отделении. Ж-л Clin Microbiol, 1983, 18: 683-688.

5. Уайт ЛФ, Дансер СДж, Робертсон К.: Микробиологическая оценка методов уборки больницы. Межд. ж-л. Environ Health Res 2007,17: 285-295.

6. Фаундез Г, Тронкосо М., Наваретте П, Фигейра Г.: Противомикробное воздействие медных поверхностей против суспензии энтеритной сальионеллы и кампилобактера еюни. BMC Microbiol 2004, 4:19.

7. Гоунадаки С., Скандамис ПН, Дросинос ЕХ, Никас ГДж.: Микробиологическая экология поверхностей, соприкасающихся с пищей, и продуктов небольших предприятий по производству традиционных колбас. Food microbial 2008, 25:313-323.

8. Джексон В., Блэр ИС, МакДауэл ДА, Кеннеди Дж., Болтон ДДж: Случаи значительных пищевых патогенов в домашних холодильниках. Food Control 2007, 18: 346-351

9. Канеко К, Хайашидани Х., Шираки И, Лимавонгпрани С., Огава М. Вактериальное заражение в среде фабрик пищевых продуктов, перерабатывающих готовую овощную продукцию. Ж-л Food Prot 1999, 62: 800-804.

10. Нойс Дж., Мичелс Х, Кивил К.: Использование медных сплавов для контроля перекрестного заражения кишечной палочкой О157 во время переработки продуктов питания. Appl Environ Microbiol 2 0 06, 72: 4239-4244.

11. Грасс Г, Рензинг К, Солиоз М: Металлическая медь как противомикробная поверхность. Appl Environ Microbiol 2011 , 7 6 : 1541 - 1547.

12. Мичелс Х, Уилкс С, Нойс Дж, Кивил К: Сплавы меди для контроля инфекционных заболеваний человека. Питтсбург, ПА: Слушания конференции по материаловедению и технологии, 2005.

13. Ни И, Калапос К, Ни Кс, Мэрфи М, Хусейн Р, Жанг Дж.: Супергидрофильность и антибактериальные свойства оксидного покрытия поверхности с вкраплениями меди. Ann Clin Microbiol Antimicrob 2010, 9:25.

14. Раффи М., Мехрван С., Бхатти Т., Акхтер Дж., Хамид А., Явар В., Масуд Ул., Насан М.: исследования антибактериального поведения наночастиц меди против кишечной палочки. Ann Microbiol 2010, 60:75-80.

15. Санто КЕ, Лам ЕВ, Еловски КГ, Кварвнта Д, Домаиль ДВ, Чанг КДж, Грасс Г.: Уничтожение бактерий сухими металлическими медными поверхностями. Appl Environ Microbiol 2011 , 7 7 : 794-802

16. АЗОС регистрирует продукты, содержащие сплавы меди.

17. Метод испытания эффективности поверхностей из сплавов меди в качестве средства дезинфекции. 

18. Лии Б. Метод установления эффективности противомикробных поверхностей в качестве средства дезинфекции. Иган: отчет ЭйТиЭс Лабс А09966, 2010.

19. Джеск А: Пользовательская Микробиология – Оценка поверхностей с медным покрытием. Иган, ЭйТиЭс Лабс: 2009, отчет.

20. Джеск А: Пользовательская Микробиология – Оценка поверхностей с медным покрытием, полученным путем холодного напыления. Иган, ЭйТиЭс Лабс: 2008, отчет А06255.

21. Шампейн В, Хелфритч Д., ТРекслер М: Некоторые материальные характеристики Структур холодного напыления. Res Lett Mater Sci 2007 : ID 27347. Аль Руб Р, Фарук НМ, Дислокационная модель для предсказания масштаба воздействия на микро и нано инденторную твердость металлический материалов. Межд. ж-л Mater Struct Integrity 2010, 4:251-277.

ЦИО: 10.1186/1754-1611-7-8Шампейн и Хелфритч, Демонстрация противомикробной эффективности различных медных поверхностей. Журнал Биоинженерии 2013 7:8