1. Motywacja
Na wiele lat przed obecną pandemią w sektorze budowlanym dostępne były już produkty z powierzchniami antybakteryjnymi, np. klamki drzwiowe i okienne, skrzydła i ościeżnice drzwiowe, a także okucia, poręcze, uchwyty, włączniki światła i armatura sanitarna.

Wymienione wyżej komponenty/urządzenia są często dotykane lub udostępniane przez wiele osób. Zarazki, w tym patogeny, mogą być przenoszone z jednej osoby na drugą poprzez tzw. zakażenia/infekcje kontaktowe lub wymazowe. Wykończenie antybakteryjne powierzchni ma za zadanie utrudnić przetrwanie i rozwój zarazków na powierzchniach komponentów lub je zabić.

Rys. 1. Próbka do badania starzenia i badania właściwości antybakteryjnych wg ISO 22196

Działanie antybakteryjne/przeciwdrobnoustrojowe można wykazać na podstawie normy ISO 22196 [1] w stosunku do bakterii i normy ISO 21702 [2] w stosunku do wirusów. Często jednak bierze się pod uwagę tylko nowe urządzenia. Rzadko bada się trwałość powłoki antybakteryjnej. Jeśli tak jest, to nie stosuje się znormalizowanych scenariuszy „starzenia się” ani rzeczywistych obciążeń powierzchni.

Celem wspólnego projektu badawczego instytutu Fraunhofera IBP i instytutu ift Rosenheim jest więc zbadanie, czy typowe obciążenia lub starzenie się powierzchni prowadzą do istotnych zmian właściwości antybakteryjnych/ przeciwdrobnoustrojowych.

Jeśli to możliwe, należy opracować podstawy znormalizowanego protokołu starzenia, który można wykorzystać do udowodnienia cechy/właściwości użytkowej „trwałość efektu antybakteryjnego/przeciwdrobnoustrojowego”.

Projekt ten jest finansowany przez Instytut Badań nad Budownictwem, Urbanistyką i Zagospodarowaniem Przestrzennym w imieniu Niemieckiego Federalnego Ministerstwa Mieszkalnictwa, Rozwoju Miast i Budownictwa ze środków Funduszu Badawczego Budownictwa Przyszłości.

2. Stan badań/analiz
2.1 Badane systemy powłokowe
Do badań wybrano wyłącznie produkty z trwałym wykończeniem, których właściwości przeciwdrobnoustrojowe powinny być zachowane przez cały okres użytkowania produktu. Istnieją również spraye do antybakteryjnej obróbki końcowej standardowych produktów. Powłoki takie zwykle wymagają odnowienia po 6-12 miesiącach eksploatacji. Nie są one brane pod uwagę w testach.

Istnieją również spraye do przeciwbakteryjnej obróbki następczej standardowych produktów. Powłoki takie zwykle wymagają odnowienia po 6 do 12 miesiącach. Nie są one brane pod uwagę w testach.

Rys. 2. Urządzenie do badania ścieralności i do symulacji obciążenia spowodowanego dezynfekcją lub czyszczeniem

Najbardziej rozpowszechnioną substancją czynną (składnikiem aktywnym) do trwałego antybakteryjnego wykończenia wyrobów budowlanych jest srebro, a następnie miedź ([4] do [6]). To właśnie jony tych metali atakują mikroorganizmy w wilgotnym środowisku. Te aktywne substancje/ składniki mogą być wprowadzane do produktów lub na ich powierzchnię w różnych formach.

Miedź występuje zazwyczaj w czystej postaci lub jako pierwiastek stopowy. Srebro natomiast jest wprowadzane/wkomponowane do materiału bazowego np. tworzywa sztucznego w postaci cząstek (mikrosrebro, ≈10 μm) lub nanosrebro (<100 nm) albo jest składnikiem powłoki powierzchniowej (lakier, powłoka PVD, warstwa zol-żel).

Dobór próbek do badań miał na celu reprezentację/odzwierciedlenie spektrum rodzajów, form i sposobów przetwarzania środków przeciwdrobnoustrojowych w wyrobach budowlanych.

Uzyskano następujące materiały próbne:
1) tworzywo stałe z domieszką mikrocząsteczek srebra,
2) materiał stały ze stopu miedzi,
3) powłokę proszkową z wbudowanymi/ zintegrowanymi mikrocząsteczkami srebra,
4) nieorganiczne powłoki PVD z nanosrebrem,
5) nieorganiczne powłoki zol-żel z nanosrebrem.

Nazwy/szczegóły materiałów zostały celowo pominięte, aby zapewnić poufność badań w stosunku do producentów/ dostawców. Ostatecznym celem tego badania nie jest ocena i porównanie produktów.

Rzeczywiste elementy, takie jak uchwyty, drążki, przełączniki, ze względu na swoją wielkość i kształt, a także różnorodność, jeśli pochodzą z różnych serii produktów – w niewielkim stopniu lub wcale nie nadają się do znormalizowanego, sztucznego starzenia lub standardowych testów mikrobiologicznych.

Kształt i wymiary próbki do badań wynikały zatem z wymagań wybranej normy badawczej ISO 22196 (patrz również 2.3), a mianowicie płaskich płytek o wymiarach około 50 mm x 70 mm. Na rysunku 1 przedstawiono typowe próbki do badań.

2.2 Obciążenia
W praktyce należy spodziewać się następujących obciążeń powierzchni antybakteryjnych:
1) promieniowanie słoneczne (w tym UV, szczególnie w zastosowaniach zewnętrznych),
2) podwyższona temperatura i zmiany temperatury (szczególnie w zastosowaniach zewnętrznych),
3) wpływ deszczu (szczególnie w zastosowaniach zewnętrznych),
4) ścieranie mechaniczne,
5) narażenie na działanie potu,
6) narażenie na działanie środków dezynfekujących/ czyszczących.

Aby móc określić wpływ na właściwości antybakteryjne, próbki testowe poddaje się w laboratorium określonym oddziaływaniom, które najlepiej można określić w testach normatywnych.

Rys. 3. Przykrywanie inokulum (próbki mikroorganizmów) folią

W projekcie różne zmienne ekspozycji są łączone w określony/znaczący sposób. Na przykład ekspozycja na promieniowanie UV odbywa się w cyklu, w którym powierzchnia jest również nawilżana. Oddziaływanie środków dezynfekujących/czyszczących odbywa się równolegle z obciążeniem ściernym.

W tym celu środek dezynfekujący/czyszczący jest nanoszony na powierzchnię za pomocą nasączonej ściereczki z mikrofibry i jednocześnie symuluje się ścieranie (określoną ścieralność) poprzez ruch posuwisty ściereczki (rys. 2).

2.3 Badania antybakteryjne
Jako podstawę badania wybrano normę ISO 22196, ponieważ wyraźnie określa ona procedurę/metodę oceny tworzyw sztucznych poddanych wykończeniu antybakteryjnym i innych nieporowatych powierzchni produktów (takich, jak materiały powłokowe i stal nierdzewna).

Norma ta w pierwotnej wersji z 2007 r., wywodzącej się z JIS Z 2801:2000 ([8]), ograniczała się do powierzchni z tworzyw sztucznych (plastikowych). W 2011 roku zakres został rozszerzony o inne powierzchnie nieporowate.

Powierzchnie wykończonych próbek i odpowiadających im niewykończonych próbek kontrolnych są zaszczepiane zawiesiną bakterii o określonej ilości komórek, która jest równomiernie rozprowadzana za pomocą folii pokrywającej (Rys. 3). Dla każdego materiału próbki są badane równolegle w 3 egzemplarzach.

Po 24-godzinnym czasie ekspozycji bakterie są spłukiwane z powierzchni roztworem neutralizującym i posiewane na pożywkę w różnych stopniach rozcieńczenia. Liczbę żywych bakterii określa się poprzez oznaczenie jednostek tworzących kolonie. Działanie antybakteryjne oblicza się z różnicy pomiędzy wartościami dla materiału kontrolnego i próbnego.

Można wykazać redukcję zarazków/bakterii dla wszystkich wymienionych powyżej próbek materiałów z wykończeniem przeciwdrobnoustrojowym, tj. gdy komponenty są nowe, antybakteryjne wykończenia są skuteczne. W dalszym toku projektu próbki materiałów są sukcesywnie badane – po przejściu przez procedury zostają poddane obciążeniom.

Równolegle z badaniami mikrobiologicznymi, materiały badane są również za pomocą mikroskopii (rastrowe mikroskopy elektronowe i mikroskopy optyczne), spektroskopii w podczerwieni oraz dyfrakcji rentgenowskiej.

Pozwala to na rejestrację zmian strukturalnych na powierzchni materiałów, które mogły być spowodowane przyspieszonym procesem starzenia. 

Przedstawicielem Instytutu ift Rosenheim w Polsce jest Andrzej Wicha:  Adres poczty elektronicznej jest chroniony przed robotami spamującymi. W przeglądarce musi być włączona obsługa JavaScript, żeby go zobaczyć.

dr Nicole Krueger, Fraunhofer IBP Holzkirchen

Norbert Sack, ift Rosenheim

Bibliografia
[1] ISO 22196:2011 Pomiar aktywności antybakteryjnej na tworzywach sztucznych i innych nieporowatych powierzchniach.

[2] ISO 21702:2019 Pomiar aktywności przeciwwirusowej na tworzywach sztucznych i innych nieporowatych powierzchniach.

[3] Powierzchnie antybakteryjne zapobiegające infekcjom. Raport stanu VDI, kwiecień 2020 r.

[4] Inteligentne powierzchnie do walki z infekcjami i z opornością na środki przeciwdrobnoustrojowe. Imperial College London, dokument informacyjny nr 4, marzec 2020 r.

[5] Srebro jako środek przeciwdrobnoustrojowy: Fakty i luki w wiedzy. Krytyczne recenzje w mikrobiologii, 2012; Wczesne online: 1-11

[6] Skuteczność przeciwdrobnoustrojowa miedzi jako wkład w zapobieganie infekcjom. Niemiecki Instytut Miedzi, Düsseldorf, 3. zaktualizowane wydanie, 2013 r.

[7] JIS Z 2801, japońska norma przemysłowa: Produkty przeciwdrobnoustrojowe – Test aktywności i skuteczności przeciwdrobnoustrojowej.