根據(jù)Battelle的研究預(yù)測表明，抗菌表面和抗微生物涂料將成為家用產(chǎn)品領(lǐng)域的重要技術(shù)突破。房屋業(yè)主們一直在尋求一種新型清潔產(chǎn)品，可以為廚房和浴室墻壁表面提供長久的保護。該研究還指出，年輕人群將偏向使用安全健康的產(chǎn)品，并已準(zhǔn)備好為這些有健康功效的產(chǎn)品和服務(wù)支付更多成本。
最近食品中毒案件時有發(fā)生，醫(yī)院感染率日益增高，使得人們逐漸意識到疾病傳染竟如此容易。抗菌涂料將能提供額外的防護，并可作為維持衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和公眾健康的一種良好的補充措施。抗菌涂料還可以降低面表感染的風(fēng)險。另外在經(jīng)濟和環(huán)保方面，因為其不需要頻繁重新噴涂，節(jié)省了勞動和化學(xué)藥劑的使用成本。
殺菌劑現(xiàn)在已普遍的添加到油漆配方中，當(dāng)微生物侵襲時維持產(chǎn)品的完整性，并在干膜中有效地防止真菌和藻類的滋生。絕大多數(shù)油漆使用者希望油漆過的表面美觀并可維持較長時間。微生物的生長通常使油漆產(chǎn)生污點，并影響油漆性能。殺菌劑在干膜保護中扮演重要角色，它可以維持油漆的美觀、阻止任何微生物在涂層表面生長。最常見的商業(yè)干膜殺菌劑基于以下幾種活性成分：羥基吡啶硫酮鋅(ZPT)，3-碘代丙炔基-n-正丁基氨基甲酸酯(IPBC)，2-n-正辛基-4-異噻唑啉-3-酮(OIT)，4,5-二氯-2-(n-辛基)-4-異噻唑啉-3-酮(DCOIT)，多菌靈(CBZ)以及百菌清(CTL)。上述殺菌劑大多是已知能有效阻止真菌和部分藻類生長，但其對于細菌的功效并未完全清楚。因為歐洲殺菌劑指令(BPD)對于多菌靈和百菌清有嚴格的限制條款，所以采取前四種殺菌劑作為抗菌測試研究。多菌靈被嚴格重新劃分為：當(dāng)油漆中含有超過1000ppm的該活性成份時，必須標(biāo)明“毒性物質(zhì)R46”(可能導(dǎo)致遺傳性基因損害)，并相應(yīng)貼有“骷髏頭和交叉骨”符號，強調(diào)“只限于專業(yè)人士使用”。油漆的化學(xué)品安全說明書中必須表明“導(dǎo)致基因突變類別2”。百菌清則要有R40標(biāo)簽(少數(shù)證據(jù)顯示有致癌后果)。
銀基殺菌劑是另一種廣為人知的抗菌防護方法，在許多醫(yī)療設(shè)備和其它聚合物的技術(shù)文獻里均有涉及。但是它在油漆中的使用方法仍不為人所熟知。由于其具有抗菌活性，因此銀基殺菌劑在研究中作為基準(zhǔn)使用。在美國新注冊的異噻唑啉基殺菌劑，n-丁基-1,2-苯并異噻唑-3-酮也在研究范圍內(nèi)。
規(guī)則
早期乳膠體系的初始轉(zhuǎn)變面臨一大挑戰(zhàn)，其部分原因是增稠劑/流變改性劑的類型以及乳膠乳液自身的性能造成的。如果近距離觀察這些早期體系的流變性能，其缺點顯而易見，其中最顯著的是應(yīng)用性能。與其醇酸參照物相比，乳膠體系的應(yīng)用性能嚴重匱乏。
在市場上最常見的關(guān)于"處理后說明"的陳述為："提供持續(xù)保護，防止由氣味和污點造成的干漆膜上的細菌、霉菌和霉變的產(chǎn)生"或者"提供持續(xù)保護，防止涂料由于細菌、霉菌和霉變產(chǎn)生的污點、氣味和變質(zhì)"。相關(guān)規(guī)則對于抗菌劑的限制越來越嚴格，因此涂料制造商要充分地在最大限度上發(fā)揮抗菌涂料的抗菌特性。只有通過出版物和間接透過營銷、廣告或品牌宣傳，才能使相關(guān)信息被最終消費者了解。由于以上因素，商業(yè)油漆必須在說明中描述或者通過Microban等“品牌”標(biāo)識，來表明這些油漆是否具有抗菌性能。在歐盟，抗菌油漆受歐洲殺菌產(chǎn)品指令(BPD)約束。基本上這一政府機構(gòu)提供了類似EPA(美國環(huán)保署)的說明指導(dǎo)。抗菌油漆被認定為2型殺生制品，其提供抗菌性能的有效成分也被相應(yīng)注冊為2型。
抗菌效果測試
目前，EPA或BPD都未公布相關(guān)的抗菌油漆效果確定的標(biāo)準(zhǔn)方法。諸如ASTM、ISO、JIS等很多業(yè)內(nèi)機構(gòu)，發(fā)布了他們各自的標(biāo)準(zhǔn)測試方法，其主要就是確定在無孔材料中抗菌劑的活性。這些方法都被采納用于測試漆膜的抗菌效果。這些都是商業(yè)上通行的定性抗菌測試，基于擴散區(qū)域來確定經(jīng)過處理的物體預(yù)防微生物生長的能力。將細菌植入或嫁接入營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基的表面，通過在營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基上形成的抑制圈來評估其抗菌效果。目前普遍采用該方法來觀測抗菌素的抗菌效果。圖1描述了抑菌圈測試方法。
圖1:涂層后基于抑菌圈的抗菌測試
日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)Z2801:20009和ASTME2180-0110是目前使用最廣泛的測試評估方法。使用JISZ2801方法，在涂層表面接種細菌細胞懸液并通過無菌聚丙烯膜或無菌載玻片使其緊密接觸一定時間，通常為24h。只要求(但不限于)測試兩種菌株：金黃色葡萄球菌(ATCC#6538)和大腸桿菌(ATCC#11229)。抗菌活性值由抗菌產(chǎn)品和未經(jīng)處理產(chǎn)品在24小時接觸后的活細胞數(shù)的對數(shù)值的差異決定。通過測試的產(chǎn)品，其細菌對數(shù)減少值不應(yīng)小于2.0。圖2描述了JIS測試方法。
ASTME2180-01方法更多用于疏水性或硬質(zhì)表面物品的測試。這是另一種用來評估抗菌涂層效果的標(biāo)準(zhǔn)定量測試方法，與JIS方法類似。然而在ASTM方法中,菌懸液被制于瓊脂漿中，應(yīng)用在測試表面上以形成假性-生物膜從而提供一種均勻緊密的接觸。抗菌效果通過處理過樣品相對未處理樣品的細菌減少百分數(shù)確定。
試驗
6種商業(yè)抗菌油漆和6種抗菌劑的抗菌性能使用抑菌圈和JIS2801方法，通過其抵御金黃色葡萄球菌(S.a.)、大腸桿菌(E.c.)、綠膿桿菌(Ps.a.)、沙門氏豬霍亂桿菌(S.c.)及克雷伯氏肺炎桿菌(K.p.)的效果進行評測。商用涂料包括3種含“處理條款”信息的商店自有品牌漆及3種具有“品牌標(biāo)識”的產(chǎn)品。測試的抗菌劑包括羥基吡啶硫酮鋅(ZPT)，4,5-二氯-2-(n-辛基)-4-異噻唑啉-3-酮(DCOIT)，2-n-正辛基-4-異噻唑啉-3-酮(OIT)，3-碘代丙炔基-n-正丁基氨基甲酸酯(IPBC)，n-正丁基-1,2-苯并異噻唑啉-3-酮(BBIT)和銀。這些抗菌劑功效通過添加在典型建筑涂料中進行測定。
樣本制備
商業(yè)油漆直接進行測試。除ZPT之外,其它抗菌劑按其制造商推薦的最低和最高濃度進行測試。每個樣品雙層涂覆于Whatman934-AH濾紙上，然后將其在涂料中干燥24小時。之后將涂層濾紙切割成2英寸直徑大小。每種樣品系列在流水中過濾24小時，并在進行抗菌測試之前至少再干燥24小時。測試重復(fù)三次。
抑菌圈測試
將0.1毫升的細菌懸液涂抹于含凝固胰化酪蛋白大豆培養(yǎng)基(TSA)的陪替氏培養(yǎng)皿上。將各種涂層樣品置于培養(yǎng)皿中心，在30℃下培養(yǎng)24小時。在培養(yǎng)過程中細菌生長并繁殖生成大叢菌落完全覆于培養(yǎng)基表面，只除了涂覆樣品附近區(qū)域，這是由于殺菌劑滲透到培養(yǎng)基中從而抑制了細菌的生長。涂層樣品周圍生成一個“暈環(huán)”或“抑制圈”(Z)。從樣品邊緣到Z區(qū)外緣的距離(測量到毫米)及Z區(qū)的透明性都指示出殺菌劑抑制細菌生長的效果。沒有Z區(qū)的樣品表明其無生物穩(wěn)定性或者該殺菌劑無法滲透到培養(yǎng)基上。培養(yǎng)后，對有抑菌圈的樣品測量其區(qū)域并對這些透明的Z區(qū)進行紀(jì)錄。
JIS2801測試
將0.1毫升的每種細菌懸液置于各涂層測試表面，經(jīng)過24小時靜置。對于“0小時接觸時間”的，在菌液施加到樣品表面后立刻用9毫升無菌李氏肉湯沖洗接種物。對“24小時接觸時間”的，在菌液施加到樣品表面后將無菌玻片在接種體表面，在30℃下培養(yǎng)24小時；之后用9毫升無菌李氏肉湯沖洗。沖洗液中的活菌數(shù)通過使用TSA系列稀釋計數(shù)工藝來確定。通過該測試細菌的對數(shù)減少值應(yīng)小于2。對數(shù)細菌減少值計算通過圖3進行說明。
圖3:細菌對數(shù)減少值
對油漆過的墻面進行抗菌測試
我們委托巴西圣保羅大學(xué)圣保羅醫(yī)學(xué)研究院對我們的各項需求進行測試。研究了在內(nèi)墻上涂覆各種油漆后，ZPT對于細菌生長的抑制效果。第一組測試的涂料為丙烯酸亞光面漆、丙烯酸和環(huán)氧樹脂，第二組為半光漆。每種油漆涂覆在80×80cm2的墻面上，之后接種各種細菌和真菌。微生物濃度相當(dāng)于1麥?zhǔn)蠘?biāo)準(zhǔn)濁度(McFarlandScale)。每周對墻面進行擦拭，并記錄細菌和真菌數(shù)量。微生物測試結(jié)果如下：
枯草芽孢桿菌(B.s)
沙門氏豬霍亂桿菌(S.c)
金黃色葡萄球菌(S.a)
大腸桿菌(E.c.)
產(chǎn)氣腸桿菌(E.a)
恥垢分枝桿菌(M.s)
綠膿桿菌(P.a.)
糞產(chǎn)堿桿菌(A.f)
須癬毛癬菌(T.m)
青霉菌屬(P.p)
混合細菌
混合真菌
混合真菌和細菌
結(jié)果和討論
影響抗菌測試基材的主要因素
此研究中的抗菌性能評估是基于抑菌圈及JIS2801測試方法。為保證測試方法可適用于涂料抗菌性能的評估，我們發(fā)現(xiàn)有些變量應(yīng)被考慮。首先應(yīng)該考慮的變量是用于涂層的基材。JIS2801要求使用無孔基質(zhì)。顯微鏡載玻片是常用且實用的，直到瀝濾和浸入水中。但由于應(yīng)用的涂料可能剝落而產(chǎn)生了問題。理想情況下，兩種評估抗菌測試應(yīng)使用相同的基材。為了選擇理想的基材，對松木、Whatman934-AH濾紙及顯微鏡載玻片進行了評估。松木和Whatman濾紙是常用的抗真菌測試基材。通過對革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌及革蘭氏陰性大腸桿菌的抵御作用來評估這些不同基質(zhì)涂層的功效。測試結(jié)果匯總于表1和表2中：表明載玻片和濾紙具有相似結(jié)果，并有比松木更好的再現(xiàn)性。木片涂層比其他兩種基質(zhì)具有更好的細菌對數(shù)減少值，這意味著細菌在木片涂層表面的黏附性強而且在沖洗過程中不易有效釋放在李氏溶液中。出于實用性，Whatman濾紙被應(yīng)用于余下的研究中。
表1:基材對于抑菌圈測試結(jié)果的影響
表2:基材對于JIS2801測試結(jié)果的影響
殺菌中和劑
在這部分試驗中，對JIS2801中使用的殺菌劑中和劑的效果也進行了研究。如果中和劑在JIS測試中確實具有非常重要的作用，那么溶解性好的殺菌劑應(yīng)比溶解性差的殺菌劑具有更好的抗菌效果。BBIT的水溶性為～400ppm，而ZPT為～6ppm。BBIT用硫代硫酸鈉中和；ZPT用硫代硫酸鈉和巰基乙酸鈉的混合物進行中和。表2的結(jié)果顯示中和劑的影響很小。JIS中的細菌提取可以在沒有中和劑的情況下完成。因此，隨后的研究中不再使用中和劑。
罐內(nèi)防腐劑
我們測試的許多防腐涂料都具有抑菌圈和減少了細菌數(shù)量。但是由于干膜抗菌劑的作用，使測試結(jié)果不具說服力，也使測試的有效性變得復(fù)雜。為確保這些干膜抗菌性能的“真實有效”，我們選擇了一部分油漆并使其浸濾24小時。浸濾過和未浸濾過的涂料的抗菌效果在表3和圖4中進行了比較。結(jié)果顯示浸濾減少了罐內(nèi)防腐劑的干擾，浸濾洗掉了涂料中有機可溶材料最開始顯示的“假性-抗菌效果”。
圖4:罐內(nèi)防腐劑對于JIS2801抗菌測試結(jié)果的影響
表3:罐內(nèi)防腐劑對于抑菌圈測試結(jié)果的影響
薄膜厚度
一種典型的普通建筑油漆及幾種商用油漆按不同膜厚涂覆在Whatman濾紙上。未進行薄膜厚度測量，而改為用實施涂層的次數(shù)(一或兩層)區(qū)別膜厚。基于兩種涂料的評估，涂層厚度對抑菌圈測試結(jié)果的影響不大，如表4所示。JIS2801測試結(jié)果與之類似，如圖5所示。細菌對數(shù)減小值并非精確值而是近似值，二者的涂層測試展現(xiàn)了相似的抗菌效果趨勢。
表4:膜厚對于抑菌圈測試結(jié)果的影響
圖5:薄膜厚度對于JIS2801抗菌測試結(jié)果的影響
掌握影響抗菌測試結(jié)果的變量非常重要。該研究顯示了罐內(nèi)防腐劑及涂料中任何有機溶解物質(zhì)可以在培養(yǎng)基介質(zhì)中進行擴散或可溶于李氏溶液中從而產(chǎn)生假性-抗菌結(jié)果。影響應(yīng)被最小化，所以浸濾是重要的因素之一，它可以保證涂層的抗菌有效性。同時應(yīng)使用無防腐劑油漆作為“負控制”油漆。最后，無孔基材對這兩種方法來說是較好的基質(zhì)。因為抗菌測試中可以用相同的基材，所以我們選擇了Whatman濾紙。由于膜厚影響不大，因此我們利用兩層涂層確保測試的一致性。
商業(yè)油漆的抗菌性能評估
對6種商業(yè)油漆進行抗菌性能評估。抑菌圈測試結(jié)果見表5。浸濾明顯地減少了在油漆中可溶性有機物質(zhì)對于測試結(jié)果的影響，從而形成的抑制圈較小。所有表面與細菌直接接觸均無發(fā)現(xiàn)細菌生長。基于抑菌圈的測試表明，除了油漆E以外的其它所有涂料，都展現(xiàn)出強大的抵抗金黃色葡萄球菌內(nèi)在特性。只有來自商店自有品牌的油漆B和具有“品牌標(biāo)識”油漆F具有廣譜抗菌性。
表5:各種商業(yè)油漆的抗菌性能。基于抑菌圈測試
JIS2801測試結(jié)果與抑菌圈測試結(jié)果一致。當(dāng)油漆浸濾后，細菌對數(shù)減少值較低。油漆B和F在細菌測試中，可持續(xù)提供最廣泛的抗菌性能。而其它油漆抵御特定生物測試的細菌對數(shù)減少值約為2或更高。
兩種抗菌測試結(jié)果表明，油漆具有細菌對數(shù)減少值時就不能形成抑制圈，反之亦然。這便產(chǎn)生了矛盾。簡單的說是因為油漆沒有持久的殺菌性能，所以不能形成抑菌圈，而油漆測不出細菌對數(shù)減少值是因為它只具有生物穩(wěn)定特性(即只能防止細菌增長)。
抗菌劑的抗菌性能評估
在此研究中，除ZPT之外，其它抗菌劑按其內(nèi)用油漆制造商推薦的最低和最高濃度加入到常用丙烯酸亞光漆中進行測試。ZPT在760到1520ppm范圍內(nèi)的中間濃度進行測試。用JIS2801方法對浸濾過的樣品進行評測，結(jié)果顯示，除IPBC外，其它抗菌劑都顯示出了抵抗細菌的功效。異噻唑啉基抗菌劑，特別是OIT和BBIT，提供了相似的抗菌防護水平，且在最高濃度時可提供廣譜殺菌效果。ZPT和銀在最低測試濃度下即具有抗菌效果。
抑菌圈測試結(jié)果證實了IPBC不能提供廣譜抑制細菌生長的功效。在對金黃色葡萄球菌、克雷伯氏肺炎桿菌和大腸桿菌進行涂料測試時均出現(xiàn)了細菌生長。OIT和BBIT等其它抗菌劑提供了相似的抗菌特性。ZPT對測試的5種菌中的4種形成了抑菌圈，銀未形成任何抑菌圈。
綜合以上2種抗菌測試的結(jié)果，只有ZPT可對測試的5種細菌提供強力持久的抗菌性。銀是另一種被證明能提供抗菌性的抗菌劑，但是其生物穩(wěn)定性不是太強。
對油漆過的墻面進行抗菌測試
通過進一步的測試來再次證實ZPT的效果。將含有ZPT的不同油漆涂覆到模擬真實生活條件的內(nèi)墻上，并在其上接種各種微生物。由于不能采用抑菌圈及JIS2801方法，細菌活性通過每周從墻壁上轉(zhuǎn)移活菌至營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基上進行監(jiān)測，為期4周。該研究結(jié)果見表6。所有第一組中無殺菌劑的涂料都沒有展現(xiàn)任何抗菌性；所有測試的微生物及環(huán)境污染物都在其表面生長。相反，在經(jīng)過ZPT處理的第一組油漆中，只有少數(shù)被檢測出含有從環(huán)境中收集到的真菌污染物，且完全未發(fā)現(xiàn)微生物的生長。從平光到亞光油漆，ZPT在1900ppm下可有效抵御多種細菌和真菌。在第二組中，發(fā)現(xiàn)半光漆對細菌生長的敏感性下降。只有金黃色葡萄球菌(S.a)和恥垢分枝桿菌(M.s)在無殺菌劑的涂料中生長。另外，添加濃度為950ppm的ZPT可提高該涂料的抗菌性。
表6:第二組油漆在4周后的抗菌性能
結(jié)論
關(guān)于抗菌涂料爭論仍在繼續(xù)。本研究結(jié)果表明適當(dāng)添加的殺菌劑，抗菌涂料可有效地防止或減少細菌生長。羥基吡啶硫酮鋅(ZPT)被證明是最好的且最廣譜的殺菌劑。ZPT抵抗真菌和藻類的有效性已眾所周知。銀是另一種有效的殺菌劑，雖然其性能不如ZPT強，且其對真菌的殺滅效果還需進一步證實。其它異噻唑啉基的殺菌劑被證明具有有限的殺菌性。涂料配方在決定殺菌劑所需用量方面也起到了重要作用。半光漆與更高顏料濃度的油漆相比，其對細菌生長的敏感性更低。
： 