面向塑料行业的新型抗菌技术

ViaClean Technologies LLC 开 发 出了专有的高温、紫外线和混合 固化抗菌处理配方，既有液态， 也有固体，两种形式都能在各种塑料表 面上形成持久的、不溶出的、非迁移性 抗菌处理效果。试验表明，这些处理方 法对多种微生物起效，包括革兰氏（+） 和革兰氏（-）菌、真菌、藻类和酵母。 可计算出应用动力学结果，并定制对挤 出或热成型塑料的在线喷涂、浸渍或湿 润辊处理应用。再经热固化或紫外线固 化后，塑料制造商可实现细菌、真菌和 藻类控制、抑制和保护。本文阐述了这 些新的化学物质在塑料表面工作的机理、 监管状况以及塑料制品生产商的使用方 法。

感染风险

塑料及其制品为（好的、坏的和丑 的）微生物提供了“家”，它们可以繁 殖并利用塑料作为港口和转运站，在塑 料被使用和误用过程中传播污染。对于 医疗保健和食品行业，这构成了“感染 风险”综合体，并成为卫生和降低风险 的HACCP原则（危害分析和关键控制点） 奠定了基础。这一原则确定了医疗保健设施中与转移路径相关的微生物剂量和 毒力所存在的疾病和污染风险。自从塞 梅尔韦斯、李斯特和巴斯德在 19 世纪创 建这些原则以来，这一综合体就被用来 表示“感染风险”。

除了表面被当作疾病媒介这一现实 之外，行外人士和公共卫生界还面临着 越来越多的抗药性有机物威胁、流行病 威胁、新出现的病原体和细菌武器制剂 的威胁。

为何需要新的方法

从历史上看，大多数可以通过熔融 或表面涂层添加到塑料制品中的杀菌剂 对环境和人类都是非常有害的，但如果 能维持并给定毒性剂量水平，其对杀灭 微生物的效果非常好。虽然采用了“因 时制宜”的方法，但在当今对绿色和可 持续发展提出严格要求的原则下，过去 几年使用的大多数生物杀灭剂产品都是 不可接受的。不幸的是，一些曾经使用 过的化学物质成为了“遗留毒物”俱乐 部的一部分。这就要求必须彻底重新设 计新的生物杀灭技术活动和应用方法。 随着新方法的出现，人们认识到，浸出 物的活性成分可以达到亚致死水平（图 1），在这种情况下，微生物具有了适应 性或具有抗性，从而为抗药性池增加了 新成员，不仅存在于医院，而且还存在 于非专业人员和食物链环境中。

图 1 显示，用生物保护活性成分处 理的材料不会产生抑制区。生物杀灭活 性物质不会浸出或耗尽至亚致死水平， 也不会对塑料性能产生负面影响。生物保护关键活性物质不仅具有持久的性能、 无环境污染、不影响表面的微生物，而 且不会构建适应环境的条件。一些浸出 技术的对比参见表 1。

ViaClean 拥有一系列产品、服务和 计划来控制有害和破坏性微生物。市场 上大多数这类产品的关键特性是耐久的 粘合技术（Bioprotect）和先进的专利粘 合技术，这些技术将金属通过共价键或 对塑料基体表面进行化学键合，从而增 强塑料和金属的使用品质。再活化表面 通过破坏细胞膜，杀死所接触的微生物 （图 2）。

一种新型微生物杀灭机制

ViaClean 涵盖一系列共价键合抗菌 聚合物，这些聚合物具有一种独特的杀 菌特性，它们在与微生物进行物理接触 时，会首先吸引、攫紧、断裂微生物膜。 实际的接触杀灭机制是一个包含充电和 疏水驱动的两步过程。带亲油和负电表 面的细菌首先被局部强大的、来自电场 的电致抗蚀剂粘附力（4-100 nn）吸引， 在那里接近一个高密度的负离子表面。 这些因子使薄膜局部展平，并形成高于 细菌负荷密度阈值的近距离接触，使其 无法脱落和生长。通过孔蛋白去除关键 的细菌结构膜磷脂，和生物保护涂层的 形成，局部破坏膜。这种现象被称为“磷 脂海绵机制”，或戳孔机制（图 2）。

在橡胶、汽车、医疗器械、粘合剂 和涂料工业中，通常会在挤出后的成品 上直接进行涂布。这也是涂布生物保护 活性成分最好的地方，在部件冷却后， 用喷涂、刷涂或浸涂方式都可以。此时， 涂层与表面的结合并没有形成真正的共 价涂层，而是必须使用紫外线波长范围 内的光或红外线（图 3，顶部面板）激活 涂层。

生物保护是两种单体与两种不同功 能组分的结合：即二苯甲酮类紫外吸收 键合辅助剂和三官能团可聚合有机硅烷。 紫外吸收组分促进与塑料表面的粘合。

紫外吸收基团吸收光并将其转化为 化学能，形成与表面之间的化学键。涂 层中的分子也能够与同一化合物的相邻 分子结合，从而形成一种高度带电的支 链抗菌表面涂层，其长度从 4 ～ 400 纳 米不等（见标题图）。在 295 纳米波长下， 生物保护涂层中的二苯甲酮键合剂吸收 光的能力最强烈。可在紫外 - 可见光谱中 看到的这种吸收，导致了一种双自由基 的产生，它可以直接从塑料表面提取质 子，再与表面复合形成共价键。

由 ViaClean 开发的标准操作流程， 详细介绍了塑料用单组分喷涂溶液或 100% 固体配方的涂布及 UV 固化生物保 护涂层工艺，最后既可以通过汞弧灯， 也可用紫外线 LED 灯固化，最终形成抗 菌涂层。

比如，以下塑料的表面（PS、PP、 PEEK、HDPE、PVC）用电喷雾装置 （ 由 LG 制 造； 类 型：ESS AD，S/N 20073037，Athens，GA/USA） 在 150 kPa 压力下，按 1 % 重量的稀释生物保 护溶液进行喷涂，并允许在固化前干燥。 含 100% 单体 / 低聚物 / 抗菌定制体系的 紫外线可固化涂料用刮涂方式进行涂布， 并立即固化。在距喷嘴 45 厘米的平均距 离喷涂试样 2.5±0.5 秒，获得了复合物 质量和表面覆盖均匀一致的涂层。

抗菌涂料可通过 LED 灯头 （Omnicure AC8300；距离 5 cm， 对 2.5 cm x 30 cm 光学区域的最高照度约1500 mW/cm2 ）或宽频带汞弧灯头（Dymax Fusion F-300S；对 1”x 6”固化区域的最 高照度约 2500 mW/cm2 ，图 3，顶部面板） 进行固化。用辐射计（EIT UV Power Puck 2）测量照度，并用焦耳剂量完全固化水基涂 料，对于 100% 固体制剂而言，30 英尺 / 分 钟 （fpm）下，350 mJ 的剂量已经足够。

功效、生物相容性和监管问题

按照 ISO 22196（覆膜法）标准进行的 内部和第三方抗菌试验表明，与未经处理的 对照组相比，经处理表面（表 2）上的所选 定的有机物显著减少。该试验选择了三种挑 战微生物：金黄色葡萄球菌 MRSA（ATCC 33591）、大肠杆菌（ATCC 25922）和粪肠 球菌（ATCC 700ViaClean 建立了美国 FDA 主控文件，通过了所有细胞毒性、生物相容 性和其它相关化学特性和毒性测试，结果显 示无不良影响（表 3），从而帮助医疗器械 制造商加速获得 510（k）清单（上市前通知） 或其它监管机构的合规性认证。对于商用和 消费塑料产品，ViaClean 制定了用于确定无中断涂布程序和“概念验证”测试的联合开发协议，以设置商 业化参数。

ViaClean 拥有在美国 EPA 和加拿大 PMRA 注册的表面、 表面涂层和各种行业用品的耐久性抗菌涂料专利和专有技术。 ViaClean 通过 CDRH（设备和放射卫生中心）获得了用于医疗 设备（MAF2971）的 FDA（MAF）主控文档津贴。生物保护在 EPA（87583-2）注册，用作各种基材、产品的杀菌剂和防腐剂， 以及干漆和涂层膜助剂。这种化学物质也被列入了 FDA 清单及 510（k）程序下的医疗设备。

概述及展望：降低风险

ViaClean 的开发工作为塑料工业提供了对抗细菌和破坏性 微生物的积极有效的工具，同时无需处理传统浸出技术的固有 风险，即因有害毒性物质和亚致死剂量导致的抗药性和适应性 微生物和毒性反应。通过 ViaClean 技术形成的持久性结合和物 理膜破裂模式，在不增加对人类、医疗设备或环境风险的情况下， 具有持续有效的效果。最重要的是，它们通过杀死大量微生物 和阻止微生物产生适应性，满足了现实产业和消费者的需求， 从而填补了现有和新出现的可用和可接受的活性成分的空白。

本文翻译自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志