Bewerkte koperoppervlakken zijn van laboratoriumnieuwsgierigheid geëvolueerd naar een praktisch antwoord voor high{0}}-hardware, omdat ze de bacteriële belasting verminderen zonder afhankelijk te zijn van verbruikschemicaliën. In dit artikel wordt uitgelegd hoe een micro-poreus koperoppervlak wordt geproduceerd, welke prestaties zijn gemeten tegen Staphylococcus aureus en welke kwaliteitscontroles van belang zijn wanneer het materiaal in industriële hoeveelheden wordt gekocht.
Koperionen die vrijkomen uit een metalen oppervlak zijn giftig voor bacteriële cellen. Daarom wordt koper al lang gebruikt tegen stammen zoals Staphylococcus aureus. Op een standaard koperoppervlak wordt ongeveer 97% van de Staphylococcus aureus-cellen binnen vier uur gedood. Die periode is voor veel aanraaktoepassingen te lang, daarom hebben onderzoeksgroepen zich geconcentreerd op het versnellen van de ionenafgifte.
De micro-comb poreuze structuur en dealloying-route
Het nieuwe materiaal wordt gecreëerd door een speciaal kopergietproces waarbij koper- en mangaanatomen in een gedefinieerde structuur worden gerangschikt. Het mangaan wordt vervolgens verwijderd door een goedkope- en schaalbare chemische deal-stap, waardoor een oppervlak van in wezen puur koper overblijft, gevuld met holtes op micron-- en nanoschaal. Gezien onder een scanning-elektronenmicroscoop met een vergroting van 2000 keer, vertoont het oppervlak een micro-kampatroon met kleinere nanoporiën in elke tand, waardoor een zeer groot actief oppervlak ontstaat. Hetzelfde patroon maakt het oppervlak superhydrofiel, zodat er water op zit als een platte film in plaats van dat het druppels vormt.
Waarom het poreuze oppervlak sneller werkt
Twee effecten combineren. Ten eerste rekken het hydrofiele karakter en de nanostructuur de bacteriecel uit, zodat deze moeite heeft zijn vorm te behouden. Ten tweede geeft het poreuze netwerk sneller koperionen vrij dan een gewoon gewalst oppervlak. Samen veroorzaken deze effecten structurele afbraak van de bacteriecel, waardoor deze gevoeliger wordt voor toxische koperionen, en ze bevorderen ook de opname van koperionen door de cel. Het is deze combinatie die de eliminatie van de bacteriën enorm versnelt, en het resultaat werd bereikt zonder de hulp van medicijnen.
Gemeten antibacteriële prestaties
| Parameter | Standaard koperen oppervlak | Speciaal micro-poreus koper |
|---|---|---|
| Het sterftecijfer van Staphylococcus aureus | Ongeveer 97% binnen vier uur | Ruim 99,99% binnen twee minuten |
| Relatieve snelheid | Basislijn | Ongeveer 120 keer sneller |
| Bevochtigbaarheid van het oppervlak | Niet gespecificeerd | Superhydrofiel, water verspreidt zich als een vlakke film |
| Actief oppervlak | Effen gewalst of gegoten vel | Micronholtes met poriën op nanoschaal |
| Chemische hulp | Geen | Geen |
Toepassingsgebieden en ontwikkelingsstatus
Zodra het proces verder is ontwikkeld, wordt verwacht dat het materiaal geschikt is voor antibacteriële deurklinken en andere aanraakoppervlakken in scholen, ziekenhuizen, woningen en openbaar vervoer, maar ook voor antibacteriële ademhalingstoestellen, filtratiemedia in ventilatiesystemen en maskers. Aanverwant werk is het evalueren van de effectiviteit van het verbeterde koper tegen omhulde virussen, inclusief tests op drie-dimensionaal afgedrukte monsters. Koperoppervlakken hebben ook erkenning gekregen van de regelgevende instanties voor antiviraal gebruik, en het onderliggende proces is gepatenteerd in verschillende markten, waaronder de Verenigde Staten, China en Australië.
De gezondheidszorg en het openbaar vervoer raken aan hardware waarbij de reinigingsintervallen lang zijn.
Luchtbehandelings- en filtercomponenten die tussen onderhoudsbezoeken door biologisch schoon moeten blijven.
Persoonlijke beschermingsmiddelen, waarbij een snel sterftecijfer de levensvatbare belasting op de buitenste laag vermindert.
Fabricage en kwaliteitscontrole voor leveranciers
Voor industriële toelevering bepalen drie variabelen of het antibacteriële effect de echte dienst overleeft. De legeringsdiepte moet voldoende zijn om het poriënnetwerk te openen, maar niet zo diep dat de mechanische kern verzwakt wordt. Het resterende mangaan moet laag en gelijkmatig verdeeld zijn, omdat onaangeroerd mangaan niet bijdraagt aan de ionenafgifte. De uniformiteit van de poriën moet over het hele gietstuk stabiel zijn, aangezien de verdeling van de poriegrootte de oorspronkelijke gegoten structuur volgt. Kopers moeten daarom een cross-sectie-metallografie, analyse van restelementen en herhaalde sterfte-tests aanvragen na schuur- en reinigingscycli, in plaats van een enkel laboratoriumcertificaat.
Koper-mangaan-hoofdlegeringsgrondstoffen moeten worden besteld met een strak samenstellingsvenster, en procesparameters zoals giettemperatuur en verwerkingstijd moeten partij voor partij worden geregistreerd. Deze gegevens zijn de enige betrouwbare manier om aan te tonen dat een geleverde batch zich zal gedragen als het geteste monster.
Veelgestelde vragen
Vraag: Hoe snel doodt het bewerkte koperoppervlak Staphylococcus aureus?
Meer dan 99,99% van de cellen werd binnen twee minuten vernietigd, vergeleken met grofweg 97% in vier uur op een standaard koperen oppervlak, wat ongeveer 120 keer sneller is.
Vraag: Hoe wordt het poreuze koper geproduceerd?
Een koper-mangaanlegering wordt in een speciale mal gegoten, zodat de atomen een gedefinieerde structuur aannemen, en het mangaan wordt vervolgens verwijderd door een schaalbare chemische handelsstap, waardoor puur koper vol holtes op micron- en nanoschaal achterblijft.
Vraag: Heeft het materiaal medicijnen of chemische toevoegingen nodig om te werken?
Nee. De gerapporteerde sterftecijfers werden bereikt zonder de hulp van medicijnen; het effect komt van de structuur van het koperoppervlak zelf.
Vraag: Waarom is een hydrofiel oppervlak belangrijk?
Omdat water zich als een platte film verspreidt in plaats van druppels te vormen, worden bacteriële cellen tegen de nanostructuur uitgerekt en verliezen ze hun vorm, terwijl het poreuze netwerk sneller koperionen vrijgeeft.
Vraag: Welke toepassingen zijn het meest geschikt?
Deurklinken en andere vaak aangeraakte oppervlakken in scholen, ziekenhuizen, woningen en openbaar vervoer, samen met antibacteriële ademhalingstoestellen, ventilatiefiltratiemedia en maskers.
Vraag: Wat moet worden gecontroleerd voordat een productiebatch wordt besteld?
Vraag om cross-doorsnede-metallografie, restmangaananalyse en hertesten van het sterfte-percentage na schuren en reinigen, omdat deze resultaten laten zien of de poriestructuur de verwerking heeft overleefd.
