摘要：根据Battelle的研究预测表明，抗菌表面和抗微生物涂料将成为家用产品领域的重要技术突破。房屋业主们一直在寻求一种新型清洁产品，可以为厨房和浴室墙壁表面提供长久的保护。该研究还指出，...
根据Battelle的研究预测表明，抗菌表面和抗微生物涂料将成为家用产品领域的重要技术突破。房屋业主们一直在寻求一种新型清洁产品，可以为厨房和浴室墙壁表面提供长久的保护。该研究还指出，年轻人群将偏向使用安全健康的产品，并已准备好为这些有健康功效的产品和服务支付更多成本。
最近食品中毒案件时有发生，医院感染率日益增高，使得人们逐渐意识到疾病传染竟如此容易。抗菌涂料将能提供额外的防护，并可作为维持卫生标准和公众健康的一种良好的补充措施。抗菌涂料还可以降低面表感染的风险。另外在经济和环保方面，因为其不需要频繁重新喷涂，节省了劳动和化学药剂的使用成本。
杀菌剂现在已普遍的添加到油漆配方中，当微生物侵袭时维持产品的完整性，并在干膜中有效地防止真菌和藻类的滋生。绝大多数油漆使用者希望油漆过的表面美观并可维持较长时间。微生物的生长通常使油漆产生污点，并影响油漆性能。杀菌剂在干膜保护中扮演重要角色，它可以维持油漆的美观、阻止任何微生物在涂层表面生长。最常见的商业干膜杀菌剂基于以下几种活性成分：羟基吡啶硫酮锌(ZPT)，3-碘代丙炔基-n-正丁基氨基甲酸酯(IPBC)，2-n-正辛基-4-异噻唑啉-3-酮(OIT)，4,5-二氯-2-(n-辛基)-4-异噻唑啉-3-酮(DCOIT)，多菌灵(CBZ)以及百菌清(CTL)。上述杀菌剂大多是已知能有效阻止真菌和部分藻类生长，但其对于细菌的功效并未完全清楚。因为欧洲杀菌剂指令(BPD)对于多菌灵和百菌清有严格的限制条款，所以采取前四种杀菌剂作为抗菌测试研究。多菌灵被严格重新划分为：当油漆中含有超过1000ppm的该活性成份时，必须标明“毒性物质R46”(可能导致遗传性基因损害)，并相应贴有“骷髅头和交叉骨”符号，强调“只限于专业人士使用”。油漆的化学品安全说明书中必须表明“导致基因突变类别2”。百菌清则要有R40标签(少数证据显示有致癌后果)。
银基杀菌剂是另一种广为人知的抗菌防护方法，在许多医疗设备和其它聚合物的技术文献里均有涉及。但是它在油漆中的使用方法仍不为人所熟知。由于其具有抗菌活性，因此银基杀菌剂在研究中作为基准使用。在美国新注册的异噻唑啉基杀菌剂，n-丁基-1,2-苯并异噻唑-3-酮也在研究范围内。
规则
早期乳胶体系的初始转变面临一大挑战，其部分原因是增稠剂/流变改性剂的类型以及乳胶乳液自身的性能造成的。如果近距离观察这些早期体系的流变性能，其缺点显而易见，其中最显著的是应用性能。与其醇酸参照物相比，乳胶体系的应用性能严重匮乏。
在市场上最常见的关于"处理后说明"的陈述为："提供持续保护，防止由气味和污点造成的干漆膜上的细菌、霉菌和霉变的产生"或者"提供持续保护，防止涂料由于细菌、霉菌和霉变产生的污点、气味和变质"。相关规则对于抗菌剂的限制越来越严格，因此涂料制造商要充分地在最大限度上发挥抗菌涂料的抗菌特性。只有通过出版物和间接透过营销、广告或品牌宣传，才能使相关信息被最终消费者了解。由于以上因素，商业油漆必须在说明中描述或者通过Microban等“品牌”标识，来表明这些油漆是否具有抗菌性能。在欧盟，抗菌油漆受欧洲杀菌产品指令(BPD)约束。基本上这一政府机构提供了类似EPA(美国环保署)的说明指导。抗菌油漆被认定为2型杀生制品，其提供抗菌性能的有效成分也被相应注册为2型。
抗菌效果测试
目前，EPA或BPD都未公布相关的抗菌油漆效果确定的标准方法。诸如ASTM、ISO、JIS等很多业内机构，发布了他们各自的标准测试方法，其主要就是确定在无孔材料中抗菌剂的活性。这些方法都被采纳用于测试漆膜的抗菌效果。这些都是商业上通行的定性抗菌测试，基于扩散区域来确定经过处理的物体预防微生物生长的能力。将细菌植入或嫁接入营养琼脂培养基的表面，通过在营养琼脂培养基上形成的抑制圈来评估其抗菌效果。目前普遍采用该方法来观测抗菌素的抗菌效果。图1描述了抑菌圈测试方法。
图1:涂层后基于抑菌圈的抗菌测试
日本工业标准(JIS)Z2801:20009和ASTME2180-0110是目前使用最广泛的测试评估方法。使用JISZ2801方法，在涂层表面接种细菌细胞悬液并通过无菌聚丙烯膜或无菌载玻片使其紧密接触一定时间，通常为24h。只要求(但不限于)测试两种菌株：金黄色葡萄球菌(ATCC#6538)和大肠杆菌(ATCC#11229)。抗菌活性值由抗菌产品和未经处理产品在24小时接触后的活细胞数的对数值的差异决定。通过测试的产品，其细菌对数减少值不应小于2.0。图2描述了JIS测试方法。
ASTME2180-01方法更多用于疏水性或硬质表面物品的测试。这是另一种用来评估抗菌涂层效果的标准定量测试方法，与JIS方法类似。然而在ASTM方法中,菌悬液被制于琼脂浆中，应用在测试表面上以形成假性-生物膜从而提供一种均匀紧密的接触。抗菌效果通过处理过样品相对未处理样品的细菌减少百分数确定。
试验
6种商业抗菌油漆和6种抗菌剂的抗菌性能使用抑菌圈和JIS2801方法，通过其抵御金黄色葡萄球菌(S.a.)、大肠杆菌(E.c.)、绿脓杆菌(Ps.a.)、沙门氏猪霍乱杆菌(S.c.)及克雷伯氏肺炎杆菌(K.p.)的效果进行评测。商用涂料包括3种含“处理条款”信息的商店自有品牌漆及3种具有“品牌标识”的产品。测试的抗菌剂包括羟基吡啶硫酮锌(ZPT)，4,5-二氯-2-(n-辛基)-4-异噻唑啉-3-酮(DCOIT)，2-n-正辛基-4-异噻唑啉-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-苯并异噻唑啉-3-酮(BBIT)和银。这些抗菌剂功效通过添加在典型建筑涂料中进行测定。
样本制备
商业油漆直接进行测试。除ZPT之外,其它抗菌剂按其制造商推荐的最低和最高浓度进行测试。每个样品双层涂覆于Whatman934-AH滤纸上，然后将其在涂料中干燥24小时。之后将涂层滤纸切割成2英寸直径大小。每种样品系列在流水中过滤24小时，并在进行抗菌测试之前至少再干燥24小时。测试重复三次。
抑菌圈测试
将0.1毫升的细菌悬液涂抹于含凝固胰化酪蛋白大豆培养基(TSA)的陪替氏培养皿上。将各种涂层样品置于培养皿中心，在30℃下培养24小时。在培养过程中细菌生长并繁殖生成大丛菌落完全覆于培养基表面，只除了涂覆样品附近区域，这是由于杀菌剂渗透到培养基中从而抑制了细菌的生长。涂层样品周围生成一个“晕环”或“抑制圈”(Z)。从样品边缘到Z区外缘的距离(测量到毫米)及Z区的透明性都指示出杀菌剂抑制细菌生长的效果。没有Z区的样品表明其无生物稳定性或者该杀菌剂无法渗透到培养基上。培养后，对有抑菌圈的样品测量其区域并对这些透明的Z区进行纪录。
JIS2801测试
将0.1毫升的每种细菌悬液置于各涂层测试表面，经过24小时静置。对于“0小时接触时间”的，在菌液施加到样品表面后立刻用9毫升无菌李氏肉汤冲洗接种物。对“24小时接触时间”的，在菌液施加到样品表面后将无菌玻片在接种体表面，在30℃下培养24小时；之后用9毫升无菌李氏肉汤冲洗。冲洗液中的活菌数通过使用TSA系列稀释计数工艺来确定。通过该测试细菌的对数减少值应小于2。对数细菌减少值计算通过图3进行说明。
图3:细菌对数减少值
对油漆过的墙面进行抗菌测试
我们委托巴西圣保罗大学圣保罗医学研究院对我们的各项需求进行测试。研究了在内墙上涂覆各种油漆后，ZPT对于细菌生长的抑制效果。第一组测试的涂料为丙烯酸亚光面漆、丙烯酸和环氧树脂，第二组为半光漆。每种油漆涂覆在80×80cm2的墙面上，之后接种各种细菌和真菌。微生物浓度相当于1麦氏标准浊度(McFarlandScale)。每周对墙面进行擦拭，并记录细菌和真菌数量。微生物测试结果如下：
枯草芽孢杆菌(B.s)
沙门氏猪霍乱杆菌(S.c)
金黄色葡萄球菌(S.a)
大肠杆菌(E.c.)
产气肠杆菌(E.a)
耻垢分枝杆菌(M.s)
绿脓杆菌(P.a.)
粪产碱杆菌(A.f)
须癣毛癣菌(T.m)
青霉菌属(P.p)
混合细菌
混合真菌
混合真菌和细菌
结果和讨论
影响抗菌测试基材的主要因素
此研究中的抗菌性能评估是基于抑菌圈及JIS2801测试方法。为保证测试方法可适用于涂料抗菌性能的评估，我们发现有些变量应被考虑。首先应该考虑的变量是用于涂层的基材。JIS2801要求使用无孔基质。显微镜载玻片是常用且实用的，直到沥滤和浸入水中。但由于应用的涂料可能剥落而产生了问题。理想情况下，两种评估抗菌测试应使用相同的基材。为了选择理想的基材，对松木、Whatman934-AH滤纸及显微镜载玻片进行了评估。松木和Whatman滤纸是常用的抗真菌测试基材。通过对革兰氏阳性金黄色葡萄球菌及革兰氏阴性大肠杆菌的抵御作用来评估这些不同基质涂层的功效。测试结果汇总于表1和表2中：表明载玻片和滤纸具有相似结果，并有比松木更好的再现性。木片涂层比其他两种基质具有更好的细菌对数减少值，这意味着细菌在木片涂层表面的黏附性强而且在冲洗过程中不易有效释放在李氏溶液中。出于实用性，Whatman滤纸被应用于余下的研究中。
表1:基材对于抑菌圈测试结果的影响
表2:基材对于JIS2801测试结果的影响
杀菌中和剂
在这部分试验中，对JIS2801中使用的杀菌剂中和剂的效果也进行了研究。如果中和剂在JIS测试中确实具有非常重要的作用，那么溶解性好的杀菌剂应比溶解性差的杀菌剂具有更好的抗菌效果。BBIT的水溶性为～400ppm，而ZPT为～6ppm。BBIT用硫代硫酸钠中和；ZPT用硫代硫酸钠和巯基乙酸钠的混合物进行中和。表2的结果显示中和剂的影响很小。JIS中的细菌提取可以在没有中和剂的情况下完成。因此，随后的研究中不再使用中和剂。
罐内防腐剂
我们测试的许多防腐涂料都具有抑菌圈和减少了细菌数量。但是由于干膜抗菌剂的作用，使测试结果不具说服力，也使测试的有效性变得复杂。为确保这些干膜抗菌性能的“真实有效”，我们选择了一部分油漆并使其浸滤24小时。浸滤过和未浸滤过的涂料的抗菌效果在表3和图4中进行了比较。结果显示浸滤减少了罐内防腐剂的干扰，浸滤洗掉了涂料中有机可溶材料最开始显示的“假性-抗菌效果”。
图4:罐内防腐剂对于JIS2801抗菌测试结果的影响
表3:罐内防腐剂对于抑菌圈测试结果的影响
薄膜厚度
一种典型的普通建筑油漆及几种商用油漆按不同膜厚涂覆在Whatman滤纸上。未进行薄膜厚度测量，而改为用实施涂层的次数(一或两层)区别膜厚。基于两种涂料的评估，涂层厚度对抑菌圈测试结果的影响不大，如表4所示。JIS2801测试结果与之类似，如图5所示。细菌对数减小值并非精确值而是近似值，二者的涂层测试展现了相似的抗菌效果趋势。
表4:膜厚对于抑菌圈测试结果的影响
图5:薄膜厚度对于JIS2801抗菌测试结果的影响
掌握影响抗菌测试结果的变量非常重要。该研究显示了罐内防腐剂及涂料中任何有机溶解物质可以在培养基介质中进行扩散或可溶于李氏溶液中从而产生假性-抗菌结果。影响应被最小化，所以浸滤是重要的因素之一，它可以保证涂层的抗菌有效性。同时应使用无防腐剂油漆作为“负控制”油漆。最后，无孔基材对这两种方法来说是较好的基质。因为抗菌测试中可以用相同的基材，所以我们选择了Whatman滤纸。由于膜厚影响不大，因此我们利用两层涂层确保测试的一致性。
商业油漆的抗菌性能评估
对6种商业油漆进行抗菌性能评估。抑菌圈测试结果见表5。浸滤明显地减少了在油漆中可溶性有机物质对于测试结果的影响，从而形成的抑制圈较小。所有表面与细菌直接接触均无发现细菌生长。基于抑菌圈的测试表明，除了油漆E以外的其它所有涂料，都展现出强大的抵抗金黄色葡萄球菌内在特性。只有来自商店自有品牌的油漆B和具有“品牌标识”油漆F具有广谱抗菌性。
表5:各种商业油漆的抗菌性能。基于抑菌圈测试
JIS2801测试结果与抑菌圈测试结果一致。当油漆浸滤后，细菌对数减少值较低。油漆B和F在细菌测试中，可持续提供最广泛的抗菌性能。而其它油漆抵御特定生物测试的细菌对数减少值约为2或更高。
两种抗菌测试结果表明，油漆具有细菌对数减少值时就不能形成抑制圈，反之亦然。这便产生了矛盾。简单的说是因为油漆没有持久的杀菌性能，所以不能形成抑菌圈，而油漆测不出细菌对数减少值是因为它只具有生物稳定特性(即只能防止细菌增长)。
抗菌剂的抗菌性能评估
在此研究中，除ZPT之外，其它抗菌剂按其内用油漆制造商推荐的最低和最高浓度加入到常用丙烯酸亚光漆中进行测试。ZPT在760到1520ppm范围内的中间浓度进行测试。用JIS2801方法对浸滤过的样品进行评测，结果显示，除IPBC外，其它抗菌剂都显示出了抵抗细菌的功效。异噻唑啉基抗菌剂，特别是OIT和BBIT，提供了相似的抗菌防护水平，且在最高浓度时可提供广谱杀菌效果。ZPT和银在最低测试浓度下即具有抗菌效果。
抑菌圈测试结果证实了IPBC不能提供广谱抑制细菌生长的功效。在对金黄色葡萄球菌、克雷伯氏肺炎杆菌和大肠杆菌进行涂料测试时均出现了细菌生长。OIT和BBIT等其它抗菌剂提供了相似的抗菌特性。ZPT对测试的5种菌中的4种形成了抑菌圈，银未形成任何抑菌圈。
综合以上2种抗菌测试的结果，只有ZPT可对测试的5种细菌提供强力持久的抗菌性。银是另一种被证明能提供抗菌性的抗菌剂，但是其生物稳定性不是太强。
对油漆过的墙面进行抗菌测试
通过进一步的测试来再次证实ZPT的效果。将含有ZPT的不同油漆涂覆到模拟真实生活条件的内墙上，并在其上接种各种微生物。由于不能采用抑菌圈及JIS2801方法，细菌活性通过每周从墙壁上转移活菌至营养琼脂培养基上进行监测，为期4周。该研究结果见表6。所有第一组中无杀菌剂的涂料都没有展现任何抗菌性；所有测试的微生物及环境污染物都在其表面生长。相反，在经过ZPT处理的第一组油漆中，只有少数被检测出含有从环境中收集到的真菌污染物，且完全未发现微生物的生长。从平光到亚光油漆，ZPT在1900ppm下可有效抵御多种细菌和真菌。在第二组中，发现半光漆对细菌生长的敏感性下降。只有金黄色葡萄球菌(S.a)和耻垢分枝杆菌(M.s)在无杀菌剂的涂料中生长。另外，添加浓度为950ppm的ZPT可提高该涂料的抗菌性。
表6:第二组油漆在4周后的抗菌性能
结论
关于抗菌涂料争论仍在继续。本研究结果表明适当添加的杀菌剂，抗菌涂料可有效地防止或减少细菌生长。羟基吡啶硫酮锌(ZPT)被证明是最好的且最广谱的杀菌剂。ZPT抵抗真菌和藻类的有效性已众所周知。银是另一种有效的杀菌剂，虽然其性能不如ZPT强，且其对真菌的杀灭效果还需进一步证实。其它异噻唑啉基的杀菌剂被证明具有有限的杀菌性。涂料配方在决定杀菌剂所需用量方面也起到了重要作用。半光漆与更高颜料浓度的油漆相比，其对细菌生长的敏感性更低。
