李念祖 / 工研院材化所
在COVID-19的影響下，全球對抗菌相關產品的需求迅速增加，無機抗菌粉體可提供穩定且長時間的抗菌效果，並且能添加於塗料、塑膠、纖維等材料中使用，用途相當廣泛。本文將簡介無機抗菌劑的市場現況、抗菌機制及銀、鋅、銅三種主流無機抗菌劑之最新研究，並說明工研院團隊以玻璃孔洞材料作為基材，負載金屬離子開發高效能防霉、抗菌材料的最新研究成果。
【內文精選】
前 言
無機抗菌劑(Inorganic Antimicrobial Agents) 在工業上被廣泛用於製造抗菌(Antibacterial/Antimicrobial)產品，尤以抗菌塗料為大宗。在抗菌塗料中添加抗菌劑能防止微生物的生長，例如細菌、真菌、藻類、黴菌和其他存在於產品表面的寄生蟲。它可以應用於任何表面，通過破壞微生物的代謝途徑來防止微生物的生長。
受到COVID-19的影響，醫療保健行業對抗菌塗料的需求持續增長，抗菌塗料也因此獲得極大的關注，並在疫情期間廣泛應用於醫療機構，例如各個國家均搭建了許多臨時的戶外篩檢站，且應用抗菌塗料作為防止病毒傳播給患者和醫院工作人員的保護措施。此外，在醫療器械、植入物、手術器械及其設備也越來越多都採用抗菌塗料，因此，市場成長動能可期。2019年，醫療保健相關應用占整個市場的35.7%，預估到2025年將增長至39.5%。
圖一、全球無機抗菌劑市場規模（按應用類別排序）
無機抗菌劑的抗菌機制
無機抗菌劑發揮抗菌功能的關鍵為抗菌劑中的活性金屬，例如銀、鋅和銅。而活性金屬的抗菌機制可分為三個步驟，分別為電荷吸附、破壞細胞膜、破壞病菌結構，將分述如下：
2. 破壞細胞膜：
細胞膜是由兩層磷脂質所構成的脂雙層薄膜，而磷脂質的親油端具有不飽和脂肪鏈，如圖三所示。金屬離子透過類芬頓反應產生的羥基自由基 (·OH)攻擊磷脂質不飽和鏈上的雙鍵造成脂質過氧化，或是和磷脂質親水端的負電荷產生鍵結，改變細胞膜的物理性質，破壞細胞膜的結構，使更多的金屬離子可以進入細胞內。
圖三、磷脂質示意圖
常見之無機抗菌劑及相關研究
無機抗菌劑的活性金屬以銀、鋅、銅三種最為常用，其市占率如圖五所示。銀系抗菌劑對病毒、細菌和其他真核微生物具有良好的抗菌效果，尤其對細菌和病毒(如大腸桿菌、H1N1流感)具有很強的抑制作用，在無機抗菌劑中占主導地位，並且被廣泛應用於工業領域，尤其是醫療保健、食品飲料和冷暖空調系統。此外，在歐洲和北美，食品飲料和暖通空調系統行業對高效抗菌塗料的需求不斷增長，以確保衛生和安全，更促使了銀系抗菌劑市場的增長。
玻璃奈米孔洞材料於抗菌、防霉上的應用
工研院材料與化工研究所化學分析研究室團隊利用奈米孔洞成型技術，將廢棄的LCD玻璃改質為玻璃奈米孔洞材料(Nanoporous Glass Material)，其比表面積高達225.9 cm2/g，平均孔徑大小為9.4奈米，具有良好的重金屬吸附能力。在常溫下將玻璃奈米孔洞材料浸泡於含金屬離子的水溶液裡，便能夠輕易地將金屬離子負載於玻璃奈米孔洞材料中，且玻璃奈米孔洞材料中負載金屬濃度最高可達20%。圖六為負載銅離子的玻璃奈米孔洞材料外觀。由於金屬離子被吸附在材料的離子交換位置上，所以金屬離子可以均勻地分布在材料表面上，不會產生顆粒團聚的現象，能夠大幅提升活性金屬的有效濃度。
本團隊將負載銅離子的玻璃奈米孔洞材料與調濕材料的原料以特定的比例混摻、燒結後，製備出具有防霉功能的調濕材料進行測試。測試結果顯示，經過28天培養後，4片測試樣品均判定為0級，樣品上完全無真菌生長，如圖七所示，顯示添加負載銅離子的玻璃奈米孔洞材料後，能夠有效抑制黴菌生長，可減少產品發霉的情況產生。本團隊已初步證實負載銅離子的玻璃奈米孔洞材料能有效抑制細菌與黴菌的生長，於抗菌測試中甚至可發現…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》421期，更多資料請見下方附檔。