(57)【要約】液体（水性媒体等）中で少なくとも１つのレーザー誘起グラフェン（ＬＩＧ）層で被覆された表面を提供することによって、液体中の生物付着汚れに対抗する方法が開示される。特に、少なくとも１つのＬＩＧ層で被覆されたスペーサーを少なくとも１つ備える膜モジュールに水流を通すこと、及び所望により上記ＬＩＧ層に電位を印加して水流に殺菌効果を付与すること、を含む水を処理する方法及び装置が開示される。具体的には、水処理用途における膜モジュールのスペーサーに適し、少なくとも一部がＬＩＧで被覆されているポリマーメッシュが開示される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
水性媒体中に少なくとも１つのレーザー誘起グラフェン（ＬＩＧ）層で被覆された表面を提供することを含む、水性媒体中における生物付着汚れに対抗する又は微生物を抑制する方法。
【請求項２】
バイオフィルムを形成しやすい表面を少なくとも１つのＬＩＧ層で被覆することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記表面が、ポリマー材料を含み、
前記方法が、前記ポリマー材料上に前記レーザー誘起グラフェンの層を付与して、前記ポリマー材料上にＬＩＧ層を形成することを含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記表面が、ポリマー材料を含み、
前記方法が、前記表面をレーザービームで照射して、前記表面上にＬＩＧ層を形成することを含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項５】
バイオフィルムを形成しやすい前記表面が、パイプ、船舶、燃料保存タンク、又は水処理装置の構成要素の表面である、請求項２〜請求項４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記水処理装置の構成要素が、膜スペーサーである、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ＬＩＧ層に電位を印加することを更に含む、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記電位が、０．５Ｖ〜５Ｖの範囲内である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記電位が、１．１Ｖ〜３．５Ｖの範囲内である、請求項７又は請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記電位が、少なくとも１秒間にわたって連続的に印加される、請求項７〜請求項９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
少なくとも１つのＬＩＧ層で被覆されたスペーサーを少なくとも１つ備える膜モジュールに水流を通すことを含む、水を処理する方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのＬＩＧ層に電位を印加して、前記水流において殺菌効果を発現することを更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
レーザー誘起グラフェン（ＬＩＧ）で少なくとも一部が被覆されている、水処理用途の膜モジュールのスペーサーとしての使用に適するポリマーメッシュ。
【請求項１４】
ポリイミドを含む、請求項１３に記載のメッシュ。
【請求項１５】
前記メッシュが、間隔を空けて配置された少なくとも２つのＬＩＧ層で被覆されている、請求項１３又は請求項１４に記載のメッシュ。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのＬＩＧ層を電源に電気的に接続するための手段を更に備えている、請求項１３〜請求項１５のいずれか一項に記載のメッシュ。
【請求項１７】
膜モジュール、及び前記膜モジュール内に配置されるスペーサーを備え、
前記スペーサーは、ＬＩＧから成る電極材料を備えている、水処理装置。
【請求項１８】
前記電極材料が、前記スペーサー上に配置されて、２つの間隔を空けた電極を形成している、請求項１７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば水処理技術における、液体媒体中の表面の付着汚れの防止全般に関する。より詳細には、本発明は、例えば水処理装置などの固体表面（例えば膜又はスペーサー）上での付着汚れ、生物付着汚れ、及び細菌又は微生物の増殖を防止する方法；レーザー誘起グラフェンを例とするグラフェンのこれらの用途における使用；並びに、特に反応性種（例えば活性塩素種及び反応性酸素種）を発生させるために、及び電気効果を介して微生物を直接死滅させるために、例えば電流をｉｎ−ｓｉｔｕで流すことによって、又はグラフェン表面と接触させることによって、上記付着汚れを防止するように更に構成され得る抗微生物及び／又は抗バイオフィルムスペーサーコンポーネントに関する。
【背景技術】
【０００２】
平膜は、現在、精密ろ過、限外ろ過、ナノろ過、及び逆浸透を含む多くの水処理用途に用いられている。これらの平膜は、多くの場合、スパイラル型構成要素に構成されている。このスパイラル型モジュラー構成要素に不可欠なコンポーネントの１つは、織布又は不織布のスペーサーネット（機能性スペーサー）であり、これは、膜に対して不可欠な機械的支持を提供し、巻かれた膜シートとコンポーネントの間の物理的な分離を提供し、並びに渦流及び様々なフローパターンを促進することによってフィードチャネルにおける溶液の混合を向上させる。物質移動及び機械エネルギー散逸という点での性能を最適化するためのスペーサー形状の研究に多大な労力が払われてきたが、依然として対処されるべき主要な課題は、スペーサー上又はスペーサー近辺の膜上でのバイオフィルム形成である。したがって、低付着汚れスペーサーの開発は、膜モジュール構成要素の寿命を大きく伸ばし、運転コストを低減し、並びに膜の定置洗浄手順の回数及び頻度を低減することによって膜の生産性を高め、全体として、エネルギーコスト及び膜交換コストが低減される。
【０００３】
グラフェンは、多くの特筆すべき機械的及び電気的特性を有する。グラフェンは、同じ寸法ではスチールよりも非常に強く、伸縮可能である。熱及び電気の伝導率は非常に高く、可撓性導体として用いることができる（"Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2010, GRAPHENE". The Royal Swedish Academy of Science）。典型的には、グラフェンは、１０以下の炭素層を有する。グラフェンは、例えば米国特許出願第２０１６／００２３１６７号にあるように、水ろ過膜被覆コンポーネントとして示唆されている。同様に、例えば米国特許出願第２０１２／０２３４６９４号には、カーボンナノチューブが水ろ過コンポーネントとして開示され、例えばＰＣＴ国際公開第２０１５／０７９４４２号には、インクジェット印刷による膜被覆におけるその使用も教示されている。加えて、ＰＣＴ国際公開第２０１３／０５０５９５号には、１０分間にわたる２０Ｈｚでの１００Ｖの１０ミリ秒パルスによる、カーボンナノチューブで被覆された膜表面上のバイフィルムのエレクトロポレーションについて記載されており、ＰＣＴ国際公開２０１４／１１７２５５号には、発生するガスによるカーボンナノチューブ被覆膜の浄化について記載されている。
【０００４】
レーザー誘起グラフェン（ＬＩＧ）は、例えば、国際公開第２０１５／１７５０６０号に開示されている。ＬＩＧは、ポリイミドシートを例とするポリマー表面上に、レーザーカッティング装置を用いて生成させることができる。この方法のための装置の性質上、ＬＩＧはパターン状に付与され得る。このグラフェン薄層は、導電性であり、電気化学的反応のための電極として用いられ得る（Jian Lin et al. 2015. Laser-induced porous graphene films from commercial polymers. Nat. Commun.; 5: 5714. doi:10.1038/ncomms6714）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本技術分野において、効果的に生物付着汚れを防止する水処理システムのためのスペーサーコンポーネントを提供することが求められている。また、本技術分野において、水処理膜の浄化方法を提供することも求められている。さらに、本技術分野において、膜自体を劣化させることなく、生物付着汚れを除去又は阻害するために、十分な量の活性塩素種又はＨ２Ｏ２を例とする反応性酸素種を、生物付着汚れのマイクロバイオータ近傍に発生させる方法を提供することも求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、レーザー誘起グラフェン（ＬＩＧ）が、抗微生物特性及び抗バイオフィルム特性を有することを見出した。ＬＩＧは、１又は複数の層（例えば、平均で約３つの層）を有する。ＬＩＧは、一般的に、層間に秩序性が存在しないことを意味する乱層構造である。ＬＩＧは、ポリマーシート（例えばポリイミドシート）のポリマー表面上に形成され得るものであり、作製条件に応じて、ＬＩＧナノファイバー又はスクロール型グラフェン構造（ＬＩＧ）を含む様々な形状及び形態を呈し得る。「ＬＩＧ」という用語は、このような形状及び形態の全てを包含する。一般的に、ＬＩＧは、単一層、又は少数層（例えば１０層未満）の多結晶炭素層であり、原子は、複数の多角形の構成（例えば五角形、六角形、及び七角形構造）に配置されており、これは、ｓｐ２混成炭素の六角形のみから成る「伝統的な」グラフェンと対照的である。したがって、「レーザー誘起グラフェン」及び／又は「ＬＩＧ」という用語は、多結晶乱層炭素層の構造とされ、五角形、六角形、及び七角形の構成に配置された、いかなる形状又は形態であってもよい分子を包含する。本発明者らは、ＬＩＧの存在下で、又はＬＩＧ被覆コンポーネント上で、細菌が付着もバイオフィルムの生成もせず、さらには、細菌がＬＩＧ表面と接触すると、細胞の不活性化が引き起こされることを見出し、このことは、ＬＩＧ被覆による「受動的抗生物付着汚れ（passive antibiofouling）」と称され得る。
【０００７】
本発明者らは更に、水処理装置コンポーネント（例えばスペーサーコンポーネント）の表面上の内部電極（例えば、ＬＩＧ被覆コンポーネントの表面）に電流を流すことにより、効率的に生物付着汚れが抑制されることも見出した。理論に束縛されるものではないが、例えば海水又は塩水中に存在するイオン（例えば塩化物イオン）の存在下において、電流が、以下で定める通りの活性塩素種及び反応性酸素種を、制御可能な形で発生させ、並びに／又はＬＩＧ被覆コンポーネントの近傍に微生物を誘引するものと考えられる。本態様は、「能動的抗生物付着汚れ（active antibiofouling）」と称され得る。
【０００８】
本発明のいくつかの態様では、液体媒体（水性又は非水性媒体）中において、レーザー誘起グラフェンを含む表面を少なくとも１つ、上記液体媒体中に提供することにより、生物付着汚れに対抗する方法が提供される。レーザー誘起グラフェンを含む表面は、少なくとも１つのレーザー誘起グラフェン（ＬＩＧ）層で被覆された表面であってよい。ある実施形態では、レーザー誘起グラフェンを含む表面は、ＬＩＧで覆われる前はバイオフィルムを形成しやすい表面であってよい。
【０００９】
場合によっては、上記表面は、ポリマー材料を含む。これらの実施形態では、上記方法は、ポリマー材料上にＬＩＧの層を付与して（例えば、ポリマー材料をＬＩＧの少なくとも１つの層で被覆して）、ポリマー材料上にＬＩＧ層を形成することを含む。加えて又は別の選択肢として、上記方法は、上記表面をレーザービームで照射して、ＬＩＧ層を表面上に形成することを含む。
【００１０】
ある実施形態では、バイオフィルムを形成しやすい表面は、パイプ、船舶（ｗａｔｅｒｃｒａｆｔ）、燃料保存タンク、又は水処理装置の構成要素の表面である。ある特に好ましい実施形態では、水処理装置中の表面は、膜スペーサーである。
【００１１】
更なる実施形態では、上記方法は、上記ＬＩＧ層に電位を印加することを含む。好ましくは、電位は、０．５Ｖ〜５Ｖの範囲内であってよく、例えば、１．１Ｖ〜４．５Ｖであり、さらに好ましくは１．１Ｖ〜３．５Ｖの範囲内であってよく、例えば、１．５Ｖ〜３．５Ｖである。電位は、指定された時間にわたって連続的に印加されてもよい。上記時間は、少なくとも１秒の長さであることが好ましい。
【００１２】
別の態様では、本明細書において、水を処理する方法が提供される。上記方法は、少なくとも１つのＬＩＧ層で被覆されたスペーサーを少なくとも１つ備える膜モジュールに水流を通すことを含む。上記方法は、少なくとも１つのＬＩＧ層に電位を印加して、水流において殺菌効果を発現することを更に含む。
【００１３】
更なる態様では、本明細書において、水処理用途の膜モジュールでの使用に適するポリマーメッシュスペーサーが提供される。メッシュスペーサーは、レーザー誘起グラフェン（ＬＩＧ）で少なくとも一部が被覆されている。メッシュスペーサーは、ポリマー（好ましくは、ポリイミド）を含み、例えば、メッシュスペーサーは、ポリ−（４，４’−オキシジフェニレン−ピロメリットイミド）を含む。ある実施形態では、メッシュスペーサーは、少なくとも２つの別々の間隔を空けたＬＩＧパターンで被覆されている。
【００１４】
ある更なる実施形態では、メッシュは、ＬＩＧ層を電気的に接続するための手段を備えていてもよい。上記層は、少なくとも１つの電源と電気的に接続されていることが好ましい。
【００１５】
更なる態様では、本明細書において、水処理装置が提供される。水処理装置は、膜モジュールと、膜モジュール内に配置されるスペーサー（例えば膜スペーサー）とを備えていてよい。好ましくは、スペーサーは電極材料を含んでいてよく、更に好ましくは、電極材料は、ＬＩＧから成っていてよい。ある実施形態では、電極材料は、スペーサー上に配置されて、少なくとも２つの間隔を空けた電極を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１（ａ）は、ガスアシストによるＬＩＧの作製を示す。図１（ｂ）は、ガスボックスによるＬＩＧの作製を示す。
【図２】図２は、異なるガス雰囲気下で作製したＬＩＧサンプルの上面ＳＥＭ画像を示す。ブロースルー型ノズル（Blow through nozzle）：（ａ）空気、（ｂ）３％Ｈ２／Ａｒ；フロースルー型ガスボックス（Flow through gas box）：（ｃ）Ｏ２、（ｄ）空気、（ｅ）Ａｒ（アルゴン）、（ｆ）Ｈ２（水素ガス）。スケールバー：２μｍ。挿入写真は、ＬＩＧ表面上に広がった又は立ち上がった水滴である。
【図３】図３は、異なるガス雰囲気下で作製したＬＩＧの上面（ａ〜ｆ）及び側面（ｇ〜ｌ）ＳＥＭ画像を示す。これらのサンプルに対して、２％のレーザーデューティサイクルを用いた。
【図４】図４は、異なるガス雰囲気下で作製したＬＩＧのＴＥＭ画像を示す。これらのサンプルに対して、２％レーザーデューティサイクルを用いた。（ａ〜ｆ）スケールバー  ２００ｎｍ。（ｇ〜ｌ）スケールバー  ２０ｎｍ。
【図５】図５は、異なるレーザーデューティサイクルを用い、異なるガス雰囲気下で作製したＬＩＧサンプルの接触角を示す。超疎水性のために必要とされる最小接触角である１５０°に破線を示す。
【図６】図６は、分光分析による特性決定を示す。異なるガス雰囲気下で作製したＬＩＧサンプルに対する、（ａ，ｂ）ＸＰＳ及び（ｃ）ラマンスペクトル。これらのサンプルに対して、２％レーザーデューティサイクルを用いた。（ａ）標準化されたＣ  １ｓスペクトル、（ｂ）Ｏ  １ｓスペクトル。（ｄ）異なるガス雰囲気下で作製したＬＩＧサンプルに対する、接触角、Ｏ含有量、及びＣ−Ｏ結合含有量（全Ｏ含有量に対する）の間の関係。（ｅ）異なるガス雰囲気下で作製したＬＩＧサンプルに対する、接触角、Ｄ／Ｇ比、及び２Ｄ／Ｇ比の間の関係。（ｄ）及び（ｅ）は、（ａ〜ｃ）より算出される。
【図７】図７は、ａ）レーザー流束量の関数としてのＬＩＧＮＦカーペット高さ、ｂ）４３Ｊ／ｃｍ２；ｃ）５３Ｊ／ｃｍ２；ｄ）６９Ｊ／ｃｍ２；ｅ）７８Ｊ／ｃｍ２；ｆ）７８Ｊ／ｃｍ２の流束量によるＬＩＧＮＦカーペットのＳＥＭ画像を示す；スケールバー：ｂ、ｃ、ｄ、ｅ：１００μｍ；ｆ：１０μｍ。
【図８】図８は、３０〜２００ｎｍの範囲の幅を有するＬＩＧＮＦのＨＲＴＥＭ画像を示す。スケールバー：ａ：２００ｎｍ；ｂ及びｃ：１０ｎｍ。
【図９】図９は、ａ）Ｄ、Ｇ、及び２Ｄピークを示すＬＩＧＮＦのラマンスペクトル；ｂ）約２６°に（００２）グラファイト結晶面を表す突出したピークが示されるＸＲＤ；ｃ）相対的なＣ、Ｎ、及びＯ含有量を原子パーセントで示すＰＩ、ＬＩＧ、及びＬＩＧＮＦのＸＰＳサーベイスペクトル；ｄ）ＰＩ、ＬＩＧ、及びＬＩＧＮＦのＣ含有量のＸＰＳ；ｅ）ＰＩ、ＬＩＧ、及びＬＩＧＮＦのＮ含有量のＸＰＳ；ｆ）ＰＩ、ＬＩＧ、及びＬＩＧＮＦのＯ含有量のＸＰＳ、を示す。
【図１０】図１０は、ポリイミド、ＬＩＧ、及びＬＩＧＮＦ上で生存した細菌のパーセントを示す（ポリイミドに対して標準化した値）。
【図１１】図１１は、バイオフィルム増殖アッセイのためのフローセルの装置一式を示す。
【図１２】図１２は、ＰＩ、ＬＩＧ、及びＬＩＧＮＦに対するＰ．エルジノーサ（P. aeruginosa）のバイオフィルムパラメータを示す。
【図１３】図１３は、ＰＩ及びグラファイトと比較した、ＬＩＧ表面上での４日後のバイオフィルム増殖（Ｐ．エルジノーサ）を示す。
【図１４】図１４は、ＰＩ及びＬＩＧサンプルにおける、Ｓ．ウイッチ（S. wittichii）によるバイオフィルムのバイオマスの比較を示す。
【図１５】図１５は、ＰＩ及びＬＩＧサンプルの間でのＳ．ウイッチによるバイオフィルムの厚さを示す。
【図１６】図１６は、ＰＩ及びグラファイトと比較した、ＬＩＧ表面上での１４日後のバイオフィルム増殖（Ｓ．ウイッチ）を示す。
【図１７】図１７は、ＰＩ及びグラファイトと比較した、ＬＩＧ表面上での３６時間後のバイオフィルム増殖（Ｅ．フェカリス（E. faecalis））を示す。
【図１８】図１８は、Ｐ．エルジノーサによるＰＩ、グラファイト、及びＬＩＧ表面上でのバイオフィルム増殖のグラフを提供し、バイオマス及び平均厚さを示している。
【図１９】図１９は、ＰＩ及びグラファイトと比較した、ＬＩＧスペーサー上での二次処理廃水からのバイオフィルム増殖を示す。
【図２０】図２０は、ＬＩＧ粉末を堆積させた混合セルロース膜表面と比較した、ＰＩ及びＬＩＧ表面上での付着したＰ．エルジノーサの阻害を示す。粉末−ＬＩＧ−大粒子（Ｐ−ＬＩＧ−Ｂ）；粉末−ＬＩＧ−小粒子（Ｐ−ＬＩＧ−Ｓ）；粉末−ＬＩＧ−小粒子、酸化（Ｐ−ＬＩＧ−ＳＯ）。
【図２１】図２１は、粉末−ＬＩＧ−小（Ｐ−ＬＩＧ−Ｓ）及び粉末−ＬＩＧ−大（Ｐ−ＬＩＧ−Ｂ）の懸濁液による溶液中のＰ．エルジノーサを用いた際の抗菌作用の比較を示す。ＬＩＧをまったく含まない溶液をコントロールとして用いた。
【図２２】図２２は、ポリイミドシート（ａ）及びレーザー誘起グラフェン（ＬＩＧ）で作製したスペーサー（ｂ）の画像を示す。
【図２３】図２３は、活性塩素種及び／又は反応性酸素種の発生についてのＩＶ曲線及びスペーサー試験のための実験装置一式を示す。
【図２４】図２４は、（ａ）２．０％レーザー出力（７５Ｗ）（本明細書にて「２．０％ＬＩＧ」として識別）；及び（ｂ）２．５％レーザー出力（７５Ｗ）（本明細書にて「２．５％ＬＩＧ」として識別）を用いてポリイミドシートの両側に空気中で正方形パターンで適用されたＬＩＧスペーサーに対するＩＶ曲線を示す。
【図２５】図２５は、「２％ＬＩＧ」（ａ）及び「２．５％ＬＩＧ」（ｂ）によって１．５Ｖの印加電圧で発生された「酸化性種」として表される活性酸化性種全体を示す。
【図２６】図２６は、バルク溶液中で測定された１．５、２．０、及び２．５ＶでのＬＩＧ電極によるＨ２Ｏ２の発生を示す。
【図２７】図２７は、超高細菌集団と共に１．５Ｖで「２．５％ＬＩＧ」を用いた場合の細菌集団（ａ）及び死滅パーセント（ｂ）を示す。
【図２８】図２８は、低細菌集団と共に１．５Ｖで「２．５％ＬＩＧ」を用いた場合の細菌集団（ａ）及び死滅パーセント（ｂ）を示す。
【図２９】図２９は、低細菌集団と共に１．５Ｖで「２．５％ＬＩＧ」を用いた場合の「酸化性種」として表される活性酸化性種を示す。
【図３０】図３０は、電圧依存実験における、（ａ及びｂ）低、約１０４ＣＦＵｍＬ−１並びに（ｃ及びｄ）高、約１０６ＣＦＵｍＬ−１の細菌負荷を用いた異なる電圧（２．５、２．０、及び１．５Ｖ）での溶液中における（ａ及びｃ）阻害％並びに（ｂ及びｄ）対数減少として表されるＰ．エルジノーサの阻害を示す。２％ＬＩＧを用いている。
【図３１】図３１は、落射蛍光顕微鏡法を用いて、２％ＬＩＧで作製された電極上でＧＦＰタグＰ．エルジノーサを異なる時間に観察した結果を示す。電圧（１．５〜２．５Ｖ）を印加し、３０秒（「３０秒」）まで画像を取得した。各画像において、アノード（上）とカソード（下）とは、１００μｍのチャネルで分離されていた。ＧＦＰタグＰ．エルジノーサは、明るいドットとして観察された。
【図３２】図３２は、実施例４に記載されるように、１．５Ｖを３０秒間印加した後、ＳＥＭを用いて２％ＬＩＧ電極上のＰ．エルジノーサを可視化したものを示す。（ａ）ＰＩ表面の細菌（電気なし）；（ｂ）ＬＩＧ電極間のＰＩチャネルに細菌細胞が見られる。（ｃ〜ｄ）アノードで細菌細胞が損傷を受けている（伸長）；（ｅ〜ｆ）カソードで細菌細胞が損傷を受けている；矢印は細菌を示す。
【図３３】図３３は、実施例６に記載されるように、二次処理廃水、低細菌負荷（約１０４ＣＦＵｍＬ−１）、及び高細菌負荷（約１０６ＣＦＵｍＬ−１）における阻害％として表される混合培養バイオフィルムの阻害を示す。
【図３４】図３４は、ＬＩＧ被覆スペーサー及び電極を有するスパイラル型膜の構成を模式的に示す。
【図３５】図３５は、実施例７からの、クロスフロー構成におけるＥＳＰＡ膜、及び電極として構成された２．５Ｖ印加による２％ＬＩＧ被覆フィードスペーサーを用いた経時でのフラックスの変化についてのグラフを示す。
【図３６】図３６は、実施例７に記載されるように、実験期間にわたって再循環されたフィード溶液中の細菌集団を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
ＬＩＧは、例えば、ポリイミド（ＰＩ）（ポリ−（４，４’−オキシジフェニレン−ピロメリットイミド））であるＫａｐｔｏｎ（登録商標）上に、又はポリ（エーテルイミド）上に、又は他の適切なポリマー上に作製することが可能である。ポリマーは、更にロール・ツー・ロールプロセスに用いることが可能であるシートの形態であってよく、スケールアップが効率的に成されることになる。次に、例えばＵｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｘ−６６０レーザーカッタープラットフォーム（例えばＸＬＳ１０ＭＷＨ）などのＣＯ２レーザーカッターシステムを用いて実施されるレーザースクライビングを用いて、ＰＩを例とする上記ポリマーの表面を、ＬＩＧに変換することができる。レーザー誘起グラフェン（ＬＩＧ）は、ガスボックス設計に基づいて異なるガス下で作製してもよく、限定されないが、境界値も含めて１．５０〜２．２５Ｗの範囲内（７５Ｗで２％〜３％）のレーザー固有出力（laser-specific power）で、１００％空気、又は水素（Ｈ２）、若しくはアルゴン（Ａｒ）、若しくは酸素（Ｏ２）雰囲気下などで作製してもよい。最大レーザー出力は、様々であってよく、デューティサイクルも様々であってよい。例えば、７５Ｗレーザーを２％出力又はデューティサイクルで用いてよく、このことは、レーザーが、２％の時間しか「オン」ではないことを意味する。デューティサイクルは、用いられるレーザーのワット数に依存し、更には、ＰＩ基材を例とするポリマーをトラバースして流束量に応じてＬＩＧを作製する際の流束量又はレーザーパルス間のステップサイズ（例：単位面積あたりのパルス密度、及びラスター速度）にも依存する。
【００１８】
ＬＩＧの特性決定は、本技術分野において公知であるように、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、例えば、ＦＥＩ  Ｑｕａｎｔａ  ４００  高分解能電界放出型装置など）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ、例えば、８０ＫｅＶ  ＪＥＯＬ  ＡＲＭ２００Ｆなど）、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ、例えば、ＰＨＩ  Ｑｕａｎｔｅｒａなど）、及びフーリエ変換赤外線分光法（ＦＴ−ＩＲ、例えば、Ｎｉｃｏｌｅｔ赤外線分光器）によって行われ得る。
【００１９】
ＬＩＧの殺菌特性は、細菌をＬＩＧ表面上でインキュベートした後にこの細菌の生存率を測定するアッセイを用いて試験され得る。コントロールの未処理ポリマー表面とは対照的に、ＬＩＧサンプルは、殺菌性が高いことが見出された。ＬＩＧの抗生物付着汚れ特性及び抗バイオフィルム特性は、フローセル実験で観察され、グラム陰性菌株シュードモナス・エルジノーサとスフィンゴモナス・ウイッチ、及びグラム陽性菌株エンテロコッカス・フェカリスの両方に対して、並びに複数の門の混合培養物を含有する二次処理廃水中において、ＬＩＧサンプルのバイオフィルム耐性が示された。したがって、本発明の１つの態様は、微生物の抑制におけるレーザー誘起グラフェン（ＬＩＧ）の使用に関する。これは、ＬＩＧの受動的抗微生物使用を実証するものであり、ＬＩＧが、他の影響を受けずに、抗微生物性であることを意味する。更なる態様では、本発明は、生物付着汚れの抑制におけるレーザー誘起グラフェン（ＬＩＧ）の使用に関する。これは、ＬＩＧの受動的抗生物付着汚れ使用を実証するものであり、ＬＩＧが、他の影響を受けずに、抗生物付着汚れ性であることを意味する。
【００２０】
本明細書で用いられる場合、「微生物を抑制する」、「抗微生物性」などの用語は、ポリマー表面に付着している微生物の減少又は除去を意味する。ＬＩＧは、本明細書において以下で述べる接触死滅アッセイを用いて、細菌の抑制に有用であることが見出された。ＬＩＧは、更に、例えば、真菌、藻、原虫、及びウィルスなどの他の微生物の抑制においても、同様に有用であることが期待される。
【００２１】
本明細書で用いられる場合、「生物付着汚れ」という用語は、液体中（例えば水中）に生存する生物又は微生物による表面（特に人工表面）への付着及び／又はバイオフィルム形成を説明するために用いられる。このような生物の非限定的な例としては、細菌、藻、真菌、及びフジツボが挙げられる。
【００２２】
本発明では、水処理装置及びシステムで用いるためのレーザー誘起グラフェン（ＬＩＧ）表面を有するポリマー材料について述べる。このようなポリマー材料は、本発明の別の態様を形成する。ポリマー材料は、単一のポリマー、又は２つ以上のポリマーのブレンド、又は２つ以上のセグメントのブロックコポリマーを含んでいてよく、１つのポリマー又はコポリマーの１つのセグメントが、レーザー照射によってＬＩＧへ変換可能である。加えて、ポリマー材料は、最外層がレーザー照射によってＬＩＧへ変換可能である積層体の形態であってもよい。ＬＩＧへの変換が可能である適切なポリマーの例としては、ビニルポリマー（若しくは、より一般的には、連鎖成長ポリマー）又は縮合ポリマー（若しくは、より一般的には、段階成長ポリマー）が挙げられ、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）などである。ポリイミドが特に好ましい。特に好ましいポリイミドは、ポリ−（４，４’−オキシジフェニレン−ピロメリットイミド）である。ポリマー材料は、例えば、ポリマー材料から作られたフィルム、繊維、布、クーポン（ｃｏｕｐｏｎｓ）、ブロック、丸太（ｌｏｇｓ）、ペレット、又は特定の物品の形態で提供されてよく、フィルムが特に好ましい。
【００２３】
レーザー誘起グラフェン（ＬＩＧ）は、例えば１０．６ミクロンの波長のＣＯ２レーザーを例とする適切なレーザー源を用いて適切な表面上に作製されてよい。一般的に、レーザービームの出力は、０．５〜５Ｗであってよく、例えば、７５Ｗ源でのレーザー出力の２％、２．５％、又は３％である１．５Ｗ、１．８７５Ｗ、又は２．２５Ｗの出力である。レーザー誘起グラフェンは、強固であり、好ましくは導電性である限りにおいて、化学的又は物理的なバリエーション（例えば酸化）をいくつ有していてもよい。一般的に、こうして得られたＬＩＧは、７０％超（例えば８５％超、８７％超、又は９０％超）の炭素を含んでいてよく、更には、酸素及び／又は窒素を含んでいてもよい。ＬＩＧは、様々な厚さ及び多孔度である多孔質層として得られ得る。「強固」という用語は、ＬＩＧ層に関して本明細書で用いられる場合、ポリマー材料の製品への取り扱いに耐え、使用の過程を通しての導電性の変化が最小限であり、被覆の喪失が１０％未満である耐性として解釈されるべきである。強固さは、被覆上にスクリーン状又は他のフィルムを積層することによって高められ得る。一般的に、「導電性」という用語は、ＬＩＧ層に関して本明細書で用いられる場合、ＬＩＧ層の最小導電率が、少なくとも５００Ω／□のシート抵抗、好ましくは１００Ω／□未満、最も好ましくは５０〜１５Ω／□のシート抵抗であることとして解釈されるべきである。
【００２４】
また、レーザー誘起グラフェンは、それが得られるポリマーから回収されて、適切な表面に被覆されてもよい。被覆は、本技術分野において公知のように行われてよく、例えば、ポリマー表面を加熱し、その上にＬＩＧ粉末を塗布することによるか、又はＬＩＧを含むワニス若しくはペーストを塗布することにより行われてよい。
【００２５】
表面にレーザー誘起グラフェン（ＬＩＧ）を有するポリマー材料は、抗微生物及び／又は抗付着汚れ特性を必要とする用途のための様々な製品及び装置に用いられ得る。このような用途のためには、ポリマー材料（製品／装置）の表面全体又は表面の一部が照射されてよい。照射されるべき一部の表面領域／特定の表面領域は、製品／装置の意図する使用に基づいて決定されてよい。このような製品及び装置の非限定的な例としては、インプラントなどの医療用装置、歯科用装置、包装材（例えば食品用及び医薬品用包装材）、水が内在する装置（例えばパイプ）、船艇及びその他の船舶の船体、燃料保存タンク、水溶液を浄化するための装置（例えば、水処理システム）、ガスを浄化するための装置などを含む。水脱塩システム及び水処理システム、特に、そのいくつかの構成で用いられる膜スペーサーが特に好ましい。
【００２６】
水処理システムにおいて、特に膜ベースのシステムにおいて、表面にレーザー誘起グラフェンを有するポリマー材料が、機能性スペーサーに用いられてよい。ＬＩＧの抗菌効果に加えて、スペーサーコンポーネントの表面上の内部電極に（例えば、ＬＩＧ被覆コンポーネントの表面に）電流を流すことにより、塩化物イオンの存在下で活性塩素種、反応性酸素種が発生し、以降で定める通りの電気的効果に起因して、制御可能な形で微生物を誘引し、死滅させて、効率的な生物付着汚れの抑制が得られる。この態様は、能動的抗生物付着汚れのためのＬＩＧの使用に相当する。ＬＩＧに加えて、電極は他の導電性材料を含んでいてもよく、従来のグラフェン、グラファイト、及び銀又は銅などの金属などが挙げられる。いずれの材料がアノード（ａ）又はカソード（ｃ）であってもよい。電極対としては、グラフェン（ａ）−グラフェン（ｃ）、グラフェン（ａ）−銀（Ａｇ）（ｃ）、グラフェン（ａ）−銅（Ｃｕ）（ｃ）、グラファイト（ａ）−グラファイト（ｃ）、グラファイト（ａ）−Ａｇ（ｃ）、グラファイト（ａ）−Ｃｕ（ｃ）、グラファイト（ａ）−グラフェン（ｃ）、グラフェン（ａ）−グラファイト（ｃ）が挙げられ得るものであり、ＬＩＧ電極は、上記ペアのいずれにおいても、他方のいずれの電極に代えて用いられてもよい。金属、又は金属含有若しくはグラファイト含有エポキシ又は他の接着剤が、電源ワイヤをＬＩＧフィルムに取り付けるのに特に有用である。ＬＩＧを電極として用いることは、本明細書で述べるその抗菌及び／又は抗付着汚れ効果のために、特に好ましい。
【００２７】
好ましくは、両方の電極（すなわち、カソード及びアノード）がスペーサー上に配置されてよい。加えて、回路が閉じられると活性塩素種及び／又は酸素種が発生され、微生物が電極の近傍に誘引されるように、単一の電極がアノード又はカソードとして、スペーサーコンポーネント上に配置されてもよい。第一の電極は、第二の電極と液体連結状態のいかなる位置に配置されてもよく、好ましくは、第二の電極の近傍である。別の選択肢として、１つだけの電極が、スペーサー上に配置されてもよく、例えば、スペーサーの片側がＬＩＧで被覆されてよく、及び第二の電極（例えばグラファイト電極）が、フィード流入口部に配置されてもよい。
【００２８】
したがって、本発明の１つの態様は、表面にレーザー誘起グラフェンを有するポリマー材料を含む機能性スペーサーに関する。例えば以下の実施例セクションで述べるように、本技術分野において公知である通常の構成で作製されたレーザー誘起グラフェン（ＬＩＧ）を有するポリイミドから成るポリマーメッシュを含む機能性メッシュスペーサーが特に好ましい。本明細書で用いられる場合、文脈からそうでないことが明らかに示されていない限り、本明細書で交換可能に用いられる「スペーサー」、「スペーサーコンポーネント」、「膜スペーサー」、「ポリマーメッシュ」、「メッシュスペーサー」などの用語は、水処理システムの膜モジュール中（特に、スパイラル型構成の膜モジュール中）のスペーサーとしての使用に適するポリマー材料から作製されたメッシュを意味する。メッシュは、通常、連続的に巻き付けられた膜エンベロープの間に配置され、それらの間の接触を防止する。メッシュは、膜の表面全体に亘って、また膜を通して水流が流れることを可能とする。この用語は、ネットなどの織り合わされたストランドの構成を意味してよく、又は複数の開口部を含むシート中のパターンを表してもよく、様々なメッシュサイズ、シート構成の材料の残りの部分の幅、ストランドの厚さ、及びストランドの密度によって特徴付けられる。典型的には、メッシュは、それが配置されている膜領域全体を覆う。メッシュの厚さは、均一であっても又は様々であってもよく、典型的には、０．４ｍｍ〜１．２ｍｍである。メッシュはさらに、穿孔シートの構成で、１．２〜２．６ｍｍの均一又は様々なライン幅も有してよい。メッシュは更に、メッシュ１０ｃｍあたり２０〜７０ストランド（例えば３５〜６３ストランド）を備えていてもよい。ストランドは、８０°〜９０°を例とする７０°〜１１０°の範囲の角度で織られていてよい。スペーサーメッシュは、ポリイミドポリマーを備えていてよく、更にその上にＬＩＧの層を有していてもよい。
【００２９】
ＬＩＧ層は、この設定において複数の機能を有し得る。一つ目は、電極としての機能である。ＬＩＧは、ポリイミドポリマーメッシュの両側の表面上に作製され得ることから、ポリイミドスペーサー材料の薄層が、これらのＬＩＧパターンを分離する。この分離により、ＬＩＧパターンは、間隔を空けた電極として用いられ得る。ＬＩＧ電極は、それらを接続するのに適切な手段を用いて、適切な電位を有する電源に電気接続され得る。適切な手段としては、限定されないが、例えば、導電性接着剤を介してワイヤを電極に取り付けることが挙げられる。ワイヤは、グラファイト細線から成っていてよい。
【００３０】
直流（ＤＣ）電圧、交流（ＡＣ）電圧、又は混合パターン電流電圧を、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）又は他の塩を含有する塩溶液中の電極に印加することにより、機能性スペーサーは、反応性酸素種及び塩素含有成分を含む活性抗微生物及び抗バイオフィルム成分を発生させ、生物付着汚れを起こす微生物をＬＩＧ表面に誘引する。活性塩素成分としては、限定されないが、塩素（Ｃｌ２）、次亜塩素酸（ＨＯＣｌ）、及び次亜塩素酸イオン（ＣｌＯ−）が挙げられ、これらは本明細書において「活性塩素種」と称され、限定されないが、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）及びヒドロキシルラジカル（ＨＯ．）は「反応性酸素種」と称される。活性種は、導電性イオン含有溶液（例えば塩水などの溶液状の塩化物含有塩）及び電流を発生させるコンポーネント全体にわたる電位差（電圧）から発生され、場合によっては、ＬＩＧが電流キャリアであり得る。活性種は、スペーサー上又は近傍の微生物汚染を除去することができ、したがって、膜上の微生物の生物付着汚れを防止することができる一方、電流はＬＩＧと接触させるように又はＬＩＧ近傍に微生物を能動的に引き寄せることができ、そこで、電気的効果又はＬＩＧとの接触によって、細胞が物理的に破壊される。
【００３１】
例えば活性塩素種及び酸素種の生成のために印加される電圧は、境界値も含めて０．０５Ｖ〜５Ｖ、好ましくは０．１Ｖ〜３．５Ｖの範囲内であってよく、例えば０．５〜３．０Ｖである。好ましくは、電位は、０．５Ｖ〜５Ｖの範囲内であってよく、例えば１．１Ｖ〜４．５Ｖであり、又は更に好ましくは１．１Ｖ〜３．５Ｖの範囲内であってよく、例えば１．５Ｖ〜３．５Ｖである。一般的に、電圧及び電流の継続時間は、汚染微生物数、並びに／又は塩素種及び他の活性種に対する膜の感受性に応じて調節されてよい。電気は、連続的に供給されても、又は要求に応じて供給されてもよい。電気は、少なくとも１秒間にわたって提供されてよく、例えば、少なくとも１０秒間、又は少なくとも３０秒間、又は少なくとも６０秒間、又は少なくとも５分間、又は少なくとも１５分間、又は連続的である。電流は、システムがモニタリングしているシグナルに応じて供給されてよく、例えば、全有機炭素（ＴＯＣ）の上昇、システム中におけるコロニー形成単位（ＣＦＵ）カウントの閾値を超えるマイクロバイオータの出現、透過フラックスなどのシステム性能の低下であり、又は生物付着汚れの予防策として周期的に提供されてもよい。
【００３２】
理論に束縛されるものではないが、活性塩素種及び／又は反応性酸素種をスペーサー上にｉｎ  ｓｉｔｕで供給することにより、特に電流によって上記種に向かって動かされる細菌に対して高い局所濃度の送達が可能となり得る一方で、膜への曝露は最小限に抑えられるものと考えられる。０．１百万分率（ｐｐｍ）よりも高い活性塩素種の濃度が、細菌の死滅に有効であることが知られているが、バイオフィルム又は高有機物量の溶液に対しては、より高い濃度が必要であり得ることが知られている。また、ステープルフィルター膜（staple filter membranes）は、その性能を大きく劣化させることなく、３０ｐｐｍで約３００時間にわたる塩素曝露に耐えることも知られている。したがって、使用時には、スペーサーは、上記活性種の濃度が超低レベルに維持されるように上記活性種を放出（ｄｏｓｅ）することが可能である。例えば、約０．１ｍｇ／ｌの塩素という一定の過剰投与量であっても、ステープル膜は、９００００時間（３０ｐｐｍ×３００時間＝９０００ｐｐｍ・時間；９０００ｐｐｍ・時間／０．１ｐｐｍ＝９００００時間）、すなわち、１０年間以上にわたって適切に機能することになる。さらに、実施例セクションで示される結果から分かるように、細菌数が多い場合、発生した活性種は細菌によって吸収され、ポリマー膜を攻撃することができなくなる。
【００３３】
活性種の量は、電圧の調節によって（電圧が高いほど多くの活性種が発生する）、又は電圧を交互にオン及びオフとすることによって（活性種の発生が交互に発生及び停止される）制御され得る。活性種をｉｎ−ｓｉｔｕで発生させること、及びその量を制御可能であることにより、生存微生物、生物付着汚れ、若しくはバイオフィルム増殖の形成を阻止するか、又は最小限に抑えるのに丁度充分である抗微生物成分が提供され得る。微生物を電極の表面に電気的に誘引可能であること、及び活性種（例えば活性塩素種及び／又は反応性酸素種）の量を制御可能であることは、近傍の膜材料の劣化も抑制する。
【００３４】
スペーサー上のＬＩＧの２つ目の機能は、ＬＩＧは抗微生物性であり、抗バイオフィルム機能を呈することである。このことはまた、スペーサー上での付着汚れ、バイオフィルム増殖、及び細菌付着も防止する。ＬＩＧ被覆スペーサーコンポーネントと接触した後の細菌生存率は、概ね２５％未満であり、０．１％未満であることが好ましい。したがって、本発明の別の態様は、水処理システムの機能性スペーサー、膜、及び他の構成要素上の付着汚れ、バイオフィルム増殖、及び／又は細菌付着を防止するか、又は低減するか、又は最小限に抑える方法に関する。
【００３５】
本明細書で用いられる場合、「水処理システム」又は「水処理装置」という用語は、精製水又は特定用途のための水ベースの製品を加工、処理、又は製造するためのシステム又は装置を意味する。水処理システムは、所定の、所望される、若しくは好ましい一連の特徴、品質、又は特性（例えば純度、導電率など）を有する水の製造に用いられ得る。例えば、水処理システムとしては、公共用の飲料水の製造及び分配のための水処理施設、製造プロセスのための水を製造するように設計されたシステム、水ベースの物質を加工又は処理して環境中に排出可能である生成物とするために用いられるシステム（例えば、中央廃水処理プラントなど）が挙げられ得る。例えば、水処理システムとしては、該当するパラメータに従って水の加工、処理、検出、精製、単離、分離などを行うための先進の分離、ろ過、透析、イオン交換プロセス、又は他のいずれかの基本原理、技術、若しくは機構に基づいた装置を用いるいずれのシステム、プラント、又は施設（例えば個々の家庭用又は水源用途）をも挙げられ得る。
【００３６】
水処理装置は、典型的なスパイラル型膜構成で組み立てられてよい。一般的に、膜及びフィードチャネルスペーサーを有する集水境界層（permeate collection boundary layer）の積層体が提供される。スペーサーの両側をレーザーで予め照射して、本明細書で述べるＬＩＧ被覆を付与してよく、又はスペーサーをＬＩＧを含むコーティング又はワニスで被覆してもよい。こうして、絶縁電極が、フィードチャネルスペーサーの両側の表面に提供され得る。上記積層体は、軸線に沿って巻かれて、筐体中に配置され得る。集水器（permeate collector）は集水スペースと液体連結しており、フィード入口部が、フィードチャネルスペーサー及び膜と液体連結している。絶縁電極ワイヤが、各々、スペーサーのいずれかのＬＩＧ層に電気的に接続され、フィード水から絶縁されてよく、スペーサー上の導電性層に電気的に接続された電極は、所望に応じてスイッチ、リレー、及び／又はコントローラーを備えた電気回路によって電源と電気的に接続される。外部シグナル又はリレーサイクルを例とするシグナルに応じて、回路は閉じられ、電極を介してスペーサーコンポーネントのＬＩＧ被覆に電気が供給される。そして、電極に供給された電気は、例えば、細菌を電極表面に誘引し、電気的効果及び／若しくはＬＩＧとの接触により微生物を死滅させることによって、細菌を死滅させ、スペーサーコンポーネント上若しくは近傍でフィード水中に存在する塩化物イオンを部分的に活性塩素に変換し、反応性酸素種を発生させ、内在する細菌に高濃度で局所的に送達することによって、細菌の付着汚れが除去される。
【００３７】
以下の例は、本発明を、限定することなく説明することを意図している。
【実施例】
【００３８】
レーザー誘起グラフェン（ＬＩＧ）の作製
ＬＩＧのために、１０．６μｍＣＯ２パルスレーザー（７５Ｗ）を備えたＸＬＳ１０ＭＷＨ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）レーザープラットフォームを用いて、市販のＰＩフィルム（Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）、厚さ０．００５インチ、ＭｃＭａｓｔｅｒ−Ｃａｒｒより購入、カタログ番号２２７１Ｋ３（ポリ−（４，４’−オキシジフェニレン−ピロメリットイミド））に対してレーザー誘起を行った。複数のサンプルを作製した。以下により詳細に記載するように、ＥＬ３−１１７及びＥＬ３−１４６と称するサンプルを、同じ画像密度８（１インチあたり１０００パルス）で作製し、特に断りのない限り、レーザーデューティサイクル２％及びスキャン速度（ラスター速度）５％（１５ｃｍ／秒）を、すべての実験に対して用いた。
【００３９】
図１ａに示されるガスアシスト（空気又は３％Ｈ２／Ａｒ混合）で作製したＬＩＧについて、レーザープラットフォーム内の全体雰囲気が静止空気（１ａｔｍ）である状態で、選択されたガスを、ノズルを用いてレーザースポットに向かって吹き出した。「レーザー」という用語はレーザービームを示し、「空気」という用語はガス（例えば空気）の供給を示し、「ノズル」という用語はガス（例えば空気）を供給するためのノズルを示し、「ＰＩ」という用語はポリイミドで例示される基材を示す。図１ｂに示されるガスボックス（Ｏ２、空気、Ａｒ、又はＨ２）で作製したＬＩＧについては、ガスボックスを用いてボックス中に異なるガスを通し、ＺｎＳｅウィンドウ（厚さ６ｍｍ）をボックスの上部に取り付けて、ＣＯ２レーザーでのＰＩフィルムの照射が可能になるようにした。「レーザー」及び「ＰＩ」という用語は図１ａと同様であり、「ＺｎＳｅウィンドウ」という用語はＺｎＳｅウィンドウを示し、「ガスライン」はガスラインを示し、「ガス」はガス供給を示し、「ベント」は排気を示し、「ボックス」はガスボックスを示す。ガスボックスを用いる場合、用いた流速は、すべて１ａｔｍにおいて、Ｏ２に対しては約１４０標準立方センチメートル毎分（ｓｃｃｍ）、空気に対しては約１４０ｓｃｃｍ、Ａｒに対しては約１２５ｓｃｃｍ、Ｈ２に対しては約１７５ｓｃｃｍとした。全体として、特に断りのない限り、すべての試験サンプルに対して２％のレーザーデューティサイクルを用いた。
【００４０】
ＬＩＧサンプルの特性決定（ＳＥＭ、ＴＥＭ、ラマン、接触角、ＸＰＳなど）を、図２〜６に示す。以下のサンプルを作製し、試験した：ＥＬ３−１１７Ｉ：空気アシストによるＬＩＧ（図２〜６において「空気」と示される）、ＥＬ３−１１７ＩＩＩ：３％Ｈ２／ＡｒアシストによるＬＩＧ（図２〜６において「３％Ｈ２／Ａｒ」と示される）、ＥＬ３−１１７ＩＶ：Ｈ２（ボックス）によるＬＩＧ（図２〜６において「Ｈ２（ボックス）」と示される）、ＥＬ３−１１７Ｖ：Ａｒ（ボックス）によるＬＩＧ（図２〜６において「Ａｒ（ボックス）」と示される）、ＥＬ３−１１７ＶＩ：空気（ボックス）によるＬＩＧ（図２〜６において「空気（ボックス）」と示される）、及びＥＬ３−１４６：Ｉ（ＬＩＧ：１００％空気アシスト）、ＩＶ（ＬＩＧ  Ａｒ：ボックスでのＡｒ）、Ｖ（ＬＩＧ  Ｈ２：ボックスでのＨ２）、ＶＩＩ（ＬＩＧ  Ｏ２：ボックスでのＯ２）（図２〜６において「Ｏ２（ボックス）」と示される）。
【００４１】
図２は、異なるガス雰囲気下で作製したＬＩＧサンプルの上面ＳＥＭ画像を示す。ブロースルー型ノズル：（ａ）空気、（ｂ）３％Ｈ２／Ａｒ；フロースルー型ガスボックス：（ｃ）Ｏ２、（ｄ）空気、（ｅ）Ａｒ（アルゴン）、（ｆ）Ｈ２（水素ガス）。スケールバー：２μｍ。挿入写真は、ＬＩＧ表面上に広がった又は立ち上がった水滴である。図３は、異なるガス雰囲気下で作製したＬＩＧの上面（図３ａ〜３ｆ）及び側面（図３ｇ〜３ｌ）ＳＥＭ画像を示す。図４は、異なるガス雰囲気下で作製したＬＩＧのＴＥＭ画像を示し、図４（ａ〜ｆ）は、２００ｎｍのスケールバーを用い、図４（ｇ〜ｌ）は、２０ｎｍのスケールバーを用いている。図５は、異なるレーザーデューティサイクルを用い、異なるガス雰囲気下で作製したＬＩＧサンプルの接触角（グラフの縦軸に「接触角（°）」と示される）を示す。「レーザーデューティサイクル（％）」と示される横軸は、試料の作製に用いたレーザーデューティサイクルの値が配置される。超疎水性のために必要とされる最小接触角である１５０°に破線を示す。
【００４２】
グラフェンの特徴を示すラマンスペクトルは、約１３５０ｃｍ−１にＤピーク、約１５８０ｃｍ−１にＧピーク、及び約２７００ｃｍ−１に２Ｄピークを含んでいた。２Ｄピークが存在することは、単層グラフェンシートの存在を支持するものである。ＬＩＧのＸＰＳスペクトルは、主に炭素及び酸素の元素組成であることを示している。ＳＥＭ画像は、ＦＥＩ  Ｑｕａｎｔａ  ４００  ＥＳＥＭで取得した。透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による特性決定は、２００−ｋＶ  ＪＥＯＬ  ２１００電界放出電子銃ＴＥＭを用いて行った。ラマンスペクトルは、６３３ｎｍレーザーによるＲｅｎｉｓｈａｗ  Ｒａｍａｎ  ＲＥ０１スコープを用いて記録した。ＸＰＳは、ＰＨＩ  Ｑｕａｎｔｅｒａ  ＳＸＭ走査型Ｘ線マイクロプローブにより、ビームサイズ２００μｍ及び取り出し角４５°で行い、２８４．５ｅＶのＣ１ｓを用いて校正した。データを図６（ａ〜ｅ）にまとめて示す。図６ａ及び６ｂにおいて、名称は上記で述べた通りであり、曲線は、順番に（上から下へ）：空気−３％Ｈ２／Ａｒ−Ｏ２（ボックス）−空気（ボックス）−Ａｒ（ボックス）−Ｈ２（ボックス）である。図６ｄにおいて、塗りつぶし丸は「Ｏ含有量（％）」と示されるＯ含有量のパーセントを示し、白抜き丸は「Ｃ−Ｏ含有量（％）」と示されるＣ−Ｏ含有量のパーセントを示す。図６ｅにおいて、塗りつぶし丸は「Ｄ／Ｇ」と示されるＤ／Ｇラマンピーク比を示し、白抜き丸は「２Ｄ／Ｇ」と示される２Ｄ／Ｇラマンピーク比を示す。
【００４３】
レーザー誘起グラフェン（ＬＩＧ）ナノファイバーの作製
ＬＩＧＮＦのために、１０．６μｍＣＯ２パルスレーザー（７５Ｗ）を備えたＸＬＳ１０ＭＷＨ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）レーザープラットフォームを用いて、市販のＰＩフィルム（Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）、厚さ０．００５インチ、ＭｃＭａｓｔｅｒ−Ｃａｒｒより購入、カタログ番号２２７１Ｋ３）に対してレーザー誘起を行った。同じ画像密度６（１インチあたり５００パルス）及びスキャン速度１０％（３０ｃｍ／秒）をすべての実験に対して用いた。１％〜５％のレーザーデューティサイクルを用いて、長さの異なるＬＩＧＮＦを得た。流束量は、多くのパルスを平均し、及びサーマルメータを用いて平均出力を測定することによって算出した。
【００４４】
ＬＩＧＮＦサンプルの特性決定（ＳＥＭ、ＴＥＭ、ラマン、ＸＰＳなど）を、図７〜９に示す。図７は：ａ）「流束量（Ｊ／ｃｍ２）」と示されるレーザー流束量の関数としての「高さ（μｍ）」と示されるＬＩＧＮＦカーペット高さ、ｂ）４３Ｊ／ｃｍ２；ｃ）５３Ｊ／ｃｍ２；ｄ）６９Ｊ／ｃｍ２の流束量によるＬＩＧＮＦカーペットのスケールバー１００μｍでのＳＥＭ画像；及びｅ）スケールバー１０μｍでの流束量７８Ｊ／ｃｍ２によるＬＩＧＮＦカーペット、を示す。図８は、３０〜２００ｎｍの範囲の幅を有するＬＩＧの高解像度（ＨＲ）−ＴＥＭ画像を示す。スケールバー：ａ．２００ｎｍ；ｂ及びｃ：１０ｎｍ。図９は、ａ）「波数（ｃｍ−１）」と示される波数に対する「強度」と示されるピーク強度で、Ｄ、Ｇ、及び２Ｄピークを示すＬＩＧＮＦのラマンスペクトル；ｂ）横軸「２θ（度）」と示される約２６°の２θに示される（００２）グラファイト結晶面を表す突出したピークを有する「強度」と示されるＸＲＤピーク強度；ｃ）「結合エネルギー（ｅＶ）」と示される結合エネルギーに対する「強度」と示されるピーク強度で、相対的なＣ、Ｎ、及びＯ含有量を原子パーセントで示すＰＩ、ＬＩＧ、及びＬＩＧＮＦのＸＰＳサーベイスペクトル；同じ呼称でのｄ）ＰＩ、ＬＩＧ、及びＬＩＧＮＦのＣ含有量のＸＰＳ；ｅ）ＰＩ、ＬＩＧ、及びＬＩＧＮＦのＮ含有量のＸＰＳ；ｅ）ＰＩ、ＬＩＧ、及びＬＩＧＮＦのＯ含有量のＸＰＳ、を示す。
【００４５】
実施例１：ポリイミド上に作製したレーザー誘起グラフェンの接触による細菌の死滅
接触死滅アッセイを採用して、異なる作製条件下で形成したＬＩＧの殺菌特性を調べた。アッセイでは、細菌を上記表面上でインキュベートした後の細菌の生存率を測定した。例えば、このような方法は、酸化グラフェンの抗微生物活性を解明するために用いられたものであり、過去に文献で報告されている（Castrillon et al., 2015, Environ. Sci. Technol. Lett., 2015, 2 (4), pp 112-117, Interaction of Graphene Oxide with Bacterial Cell Membranes: Insights from Force Spectroscopy）。
【００４６】
試験したサンプルを、以下の表Ａにまとめて示す。
【００４７】
【表１】
2019520196.tif 000002

【００４８】
シュードモナス・エルジノーサの単一コロニーを、５０ｍｌ容ファルコンチューブ中のＬＢ培地（２０〜４５ｍｌ）（溶原培地／ルリア−ベルターニ培地  −  酵母抽出物、トリプトン、及びＮａＣｌを含む）に添加した。培養物を、３０℃で振とうしながら一晩増殖させ、細菌を４０００ｒｐｍでの遠心分離によってペレット化し、滅菌ＰＢＳ（２×）（リン酸緩衝生理食塩水  −  ＮａＣｌ、ＫＣｌ、Ｋ２ＨＰＯ４、及びＮａ２ＨＰＯ４を含む）で洗浄した。分光光度計を用いて、光学密度（ＯＤ６００ｎｍ）は、１．２３６であることが分かった。懸濁液を、このサンプルの１ｍｌを９ｍｌのＰＢＳに添加することによって１０倍に希釈し、その後、ＯＤは、およそ０．１と測定された。ポリイミド（ＰＩ）（コントロール）、ＥＬ３  １１７−ＩＶ（ＬＩＧ／Ｈ２（ボックス）、上記表Ａに記載の通り）、ＥＬ３  １１７−ＩＩＩ（ＬＩＧ／３％Ｈ２／Ａｒアシスト、上記表Ａに記載の通り）、及びＬＩＧＮＦ（レーザー誘起グラフェン４％、ナノファイバー、上記で詳細に示した通り）を含む４つのサンプルを試験した。１００μｌの希釈した細菌懸濁液を、およそ１ｃｍ２の各サンプル表面の上に置き、３０℃で３時間インキュベートした。次に、サンプルを４ｍｌの滅菌ＰＢＳで洗浄し、１０μｌのアリコートを取って、（ＬＢ）カンテンプレート上に広げた。４つの異なるサンプルを示すカンテンプレートの各々について、１８時間後にＣＦＵ（コロニー形成単位）を手作業でカウントした。コロニー数をポリイミドコントロールサンプルに対して標準化して、生存のパーセントを得た。結果は、表１及び図１０に示した通りであり、生存のパーセントは、縦軸に「生存パーセント」と示される。
【００４９】
【表２】
2019520196.tif 000003
【００５０】
レーザー誘起グラフェン（ＬＩＧ及びＬＩＧＮＦ）サンプルは、コントロールポリイミドと比較した場合に高い殺菌性を有することが分かる。
【００５１】
実施例２：ポリイミド上に作製したレーザー誘起グラフェンのバイオフィルム増殖アッセイ（短期間及び長期間の実験）
ＬＩＧの抗生物付着汚れ特性及び抗バイオフィルム特性を、フローセル実験で観察した。この実験の装置一式は、図１１に示され、栄養培地、ポンプ（「フローセルポンプ」と示される）、及びスライドガラスに接着したサンプルを有するフローセルチャンバー（「サンプルが播種されるフローセル」と示される）を備える。
【００５２】
コントロールであるポリイミド、及び／又はグラファイト、及びＬＩＧサンプルを、両面テープでスライドガラスに接着し、フローセルの中に置いた。全体として、２．５ｍｌ／分でフローセルに流した後、９６時間まで及び１４日間まで栄養培地を流すことによって、サンプルに５０ｍｌの細菌培養物を播種した。異なる実験を、３つの異なる種類の細菌を用い、以下で詳述するように僅かに異なる変化と共に行った。
【００５３】
１．シュードモナス・エルジノーサを、上記実施例１のように培養した。ＯＤ６００ｎｍが０．１であるＬＢ培地中のこれらの細菌の培養物５０ｍｌを、２．５ｍｌ／分でチャンバーに流し、排出した。その後、カルベニシリン１５０ｍｇ／Ｌを含有するＬＢ培地を、２．５ｍｌ／分の連続フラックスで９６時間まで流した。カルベニシリンは、いずれの干渉細菌種の増殖をも阻害するために用いた。
【００５４】
２．スフィンゴモナス・ウイッチを、５０ｍｌのバクトペプトン、牛肉抽出物、及び栄養培地で培養した。この細菌を、２．５ｍｌ／分でチャンバーに流し、排出し、続いて、膜バイオリアクターからの廃水に微量のバクトペプトン（１２．５ｍｇ／ｌ）及び牛肉抽出物（７．５ｍｇ／ｌ）を添加したものを、１〜１．５ｍｌ／分で約９６時間まで、及び１４日間まで流した。ストレプトマイシンを１５０ｍｇ／Ｌの濃度で添加した。
【００５５】
３．エンテロコッカス・フェカリスは、上記Ｐ．エルジノーサと同様とした。ＯＤ６００ｎｍが０．１であるＬＢ培地中のこれらの細菌の培養物５０ｍｌを、２．５ｍｌ／分でチャンバーに流し、排出した。その後、ＬＢ培地を、２．５ｍｌ／分の連続フラックスで３６時間まで流した。
【００５６】
細菌の染色は、ｌｉｖｅ／ｄｅａｄ  ｋｉｔ（Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）を用い、死細菌細胞を染色するためのヨウ化プロピジウム１．５μｌ、生細菌細胞を染色するためのＳｙｔｏ９  １．５μｌ、及び細菌によって分泌されるＥＰＳ（細胞外高分子物質）に接着する糖結合タンパク質（レクチン）である蛍光性コンカナバリンＡ  １００μｌを８９７μｌの０．１Ｍ  ＮａＣｌに添加することによって行った。サンプルは、染色混合物を２〜３滴表面上に滴下することによって染色し、その後、０．１Ｍ  ＮａＣｌで洗浄し、アルミ箔で覆い（環境からの光によるいかなる相互作用も防止するため）、ＣＬＳＭ（共焦点レーザー走査顕微鏡）を用いてイメージングした。バイオフィルムは、Ｚ走査を用いてイメージングした。サンプルの複数領域を観察し、結果を平均した。平均バイオマス及びバイオフィルム厚さを、ＣＯＭＳＴＡＴと称するバイフィルム画像の定量のための予め書き込まれたプログラムと共にＭＡＴＬＡＢを用いて定量した。ＩＭＡＲＩＳソフトウェアを用いてＣＬＳＭ画像を可視化及び処理し、ｚ走査からの複数の顕微鏡画像から３Ｄ画像を再構築した。画像中において、生細菌、死細菌、及びＥＰＳを、緑色、赤色、及び灰色で示されている。
【００５７】
Ｐ．エルジノーサのバイオフィルムは、ＰＩ上で容易に生成されるが、ＬＩＧ及びＬＩＧＮＦ上ではそうではないことが容易に観察された。図１２は、ＰＩ基材、ＬＩＧ基材、及びＬＩＧＮＦ基材上でのＰ．エルジノーサのバイオフィルムのパラメータを示す。「バイオマス（μｍ＾３／μｍ＾２）」と示されるバイオマスが、左側の薄い色の棒グラフとして、「厚さ（μｍ）」と示されるバイオフィルム厚さが、右側の濃い色の棒グラフとして示される。死細菌、生細菌、及びＥＰＳは、それぞれ、「死」、「生」、及び「ＥＰＳ」と示される。
【００５８】
さらに、Ｓ．ウイッチのバイオフィルムは、ＰＩ上で容易に生成されるが、ＬＩＧサンプル上では、非常により少ない度合いで生成されるか、又はバイオフィルムが生成されないことも容易に観察された。図１４及び１５は、Ｐ．エルジノーサのバイオフィルムと同様の表示を用いて、ＰＩサンプル及びＬＩＧサンプル間でのＳ．ウイッチのバイオマス及び厚さの比較を示す。
【００５９】
ＰＩ、ＬＩＧ、又はＬＩＧＮＦ上でのＰ．エルジノーサのバイオマス及びバイオフィルム厚さ（９６時間）
予備実験を、３つのサンプル（コントロールとしてのポリイミド（ＰＩ）、ＬＩＧ（レーザー誘起グラフェン）、及びＬＩＧＮＦ（レーザー誘起グラフェンナノファイバー））を用いて行った。本発明者らの観察によると、ポリイミドは、高い密度の死細胞（赤色）、ＥＰＳ（灰色）、及び生（緑色）細菌細胞を有する一方、ＬＩＧ及びＬＩＧＮＦでは、生細胞及び死細胞がほとんどなく、ＥＰＳも少なかった（表２及び図１２）。
【００６０】
【表３】
2019520196.tif 000004
【００６１】
【表４】
2019520196.tif 000005
【００６２】
コントロールポリイミド（ＰＩ）、グラファイトシート（ＰＡＰＹＥＸ−ＳＲ、Ｍｅｒｓｏｎ  ドイツ）、並びに４種類のＬＩＧ（レーザー誘起グラフェン）ＥＬ３−１４６Ｉ、ＩＶ、Ｖ、及びＶＩＩを使用して、Ｐ．エルジノーサを用いた別の実験を行った。サンプル３−１４６Ｉ（空気アシスト）及びＶ（ボックスによる水素）では、細胞もＥＰＳも観察されなかった。サンプルＩＶ（Ａｒ）では、ある程度の細胞付着が観察され、サンプルＶＩＩＩ（酸素）では、ある程度のＥＰＳが観察された。ＰＩ基材及びグラファイト基材はいずれも、著しい量の生細胞を含んでおり、グラファイトはさらに、大量のＥＰＳも含んでいた。データを上記表３にまとめ、図１３に示す。
【００６３】
ＰＩ及びＬＩＧサンプル上でのＳ．ウイッチのバイオマス及びバイオフィルム厚さ（９６時間）
コントロールポリイミド及び５つの異なるＬＩＧサンプルに対して、Ｓ．ウイッチを用いて第二の実験を行い、上記サンプルの作製条件は、上記に記載した通りである（表Ａ）。本発明者らは、ＣＬＳＭ画像解析を通して、ＬＩＧサンプルと比較すると、ポリイミドはより多くの生及び死細菌、並びにＥＰＳを有することを見出した。ＣＬＳＭ画像を、バイオマス及び平均厚さのバイオフィルムパラメータについてＭＡＴＬＡＢを用いて定量化し、結果を、それぞれ図１４及び１５、並びに表４に示す。
【００６４】
【表５】
2019520196.tif 000006
【００６５】
ＰＩ及びＬＩＧサンプル上でのＳ．ウイッチのバイオマス及びバイオフィルム厚さ（１４日間）
コントロールポリイミド、グラファイトシート（ＰＡＰＹＥＸ−ＳＲ、Ｍｅｒｓｏｎ  ドイツ）、並びに４種類のＬＩＧ（レーザー誘起グラフェン）ＥＬ３−１４６Ｉ、ＩＶ、Ｖ、及びＶＩＩを使用して、Ｓ．ウイッチを用いて１４日間にわたる第３の実験を行った。サンプル３−１４６Ｉ（空気アシスト）、Ｖ（ボックスによる水素）、及びサンプルＩＶ（Ａｒ）では、細胞もＥＰＳも観察されなかった一方、サンプルＶＩＩＩ（酸素）では、ある程度のＥＰＳが観察された。ＰＩ基材及びグラファイト基材はいずれも、著しい量の生細胞及び大量のＥＰＳを含んでいた。データを表５、図１６にまとめて示す。上記図中の表示は、上記で説明した通りである。
【００６６】
【表６】
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【００６７】
ＰＩ及びＬＩＧサンプル上でのＥ．フェカリスのバイオマス及びバイオフィルム厚さ  −  １．５日間：
コントロールポリイミド（ＰＩ）、グラファイトシート（ＰＡＰＹＥＸ−ＳＲ、Ｍｅｒｓｏｎ  ドイツ）、並びに上記の通りの前記４種類のＬＩＧ（レーザー誘起グラフェン）：ＥＬ３−１４６Ｉ、ＩＶ、Ｖ、及びＶＩＩを使用して、Ｅ．フェカリスを用いて別の実験を行った。サンプル３−１４６Ｉ（空気アシスト）及びサンプルＶＩＩＩ（酸素）では、細胞もＥＰＳも観察されなかった。サンプルＩＶ（Ａｒ）、Ｖ（ボックスによる水素）では、ある程度のＥＰＳが観察された。ＰＩ基材及びグラファイト基材はいずれも、生細胞を含んでおり、グラファイトはさらに、大量のＥＰＳも含んでいた。データを表６、図１７にまとめて示す。上記図中の表示は、上記で説明した通りである。
【００６８】
【表７】
2019520196.tif 000008
【００６９】
ＰＩ、グラファイト、ＬＩＧスペーサー上でのＰ．エルジノーサのバイオマス及びバイオフィルム厚さ
上記ＬＩＧスペーサーに用いたものと同じＬＩＧを、以下の様にして１ｃｍ×１ｃｍの正方形で作製した。スペーサーグリッドの場合と同じ設定により、２％のレーザーデューティサイクルを用いてＬＩＧを作製した。画像密度８（１インチあたり１０００パルス）、スキャン速度（ラスター速度）１０％（３０ｃｍ／秒）、及び１００％空気アシストを、すべての実験に対して用いた。
【００７０】
ＬＩＧスペーサー、グラファイト表面、及び未処理ＰＩを試験した。簡潔に述べると、Ｐ．エルジノーサ（ＰＡＯ１）野生型培養物を、ルリア−ベルターニ（ＬＢ）培地中３０℃で増殖させ、回収し、ＬＢ培地で洗浄し、６００ｎｍで０．１のＯＤまでＬＢ培地で希釈した。ＬＩＧ被覆ＰＩサンプル、グラファイトサンプル、及び未処理ＰＩフィルムを、両面テープでスライドガラスに接着し、フローセル中に垂直に配置した。表面のＰ．エルジノーサによる播種は、５０ｍＬの細菌懸濁液を、２．５ｍＬ分−１の流速でフローセルに流した後、３６時間にわたって２．０ｍＬ分−１で栄養培地（１０％ＬＢ）を流すことによって行った。
【００７１】
死細菌及び生細菌をそれぞれ染色するために、ヨウ化プロピジウム（１．５μＬ、２０ｍＭ）及びＳＹＴＯ９（１．５μＬ、３．３４ｍＭ）を、０．９９７ｍＬの１５０ｍＭ塩化ナトリウムに添加した。細胞外高分子物質（ＥＰＳ）の染色には、Ａｌｅｘａ  Ｆｌｕｏｒ  ６３３染料と結合したコンカナバリンＡ（ＣｏｎＡ）を用いた。ＣｏｎＡ−Ａｌｅｘａ  Ｆｌｕｏｒ  ６３３（５０μＬｍＬ−１）を、５ｍｇｍＬ−１のストック溶液を１５０ｍＭ塩化ナトリウム中に希釈することによって作製した。表面をティッシュペーパー（キムワイプ）で注意深く拭いて過剰の電解液を除去し、次に、１００μＬの上記染色溶液を、バイオフィルム表面を覆うように添加し、２０分間遮光保存した。この表面を、表面に０．２５ｍＬの塩化ナトリウム溶液（１５０ｍＭ）を添加することによって静かに洗浄し（３×）、次に、吸収紙のエッジを接触させることによって過剰の電解液を注意深く除去した。
【００７２】
バイオフィルムの評価は、Ｚｅｉｓｓ乾燥対物レンズｐｌａｎ−ＮｅｏＦｌｕａｒ（倍率２０×、開口数０．５）を用いた共焦点レーザー走査顕微鏡（ＣＬＳＭ）（Ｚｅｉｓｓ  ＬＳＭ  ５１０、ＭＥＴＡ）によって行った。ＳＹＴＯ９及びＰＩには、いずれも４８８ｎｍの励起波長を用い、Ａｌｅｘａ  Ｆｌｕｏｒ  ６３３には、６３３ｎｍを用いた。バイオフィルム画像を、Ｉｍａｒｉｓ  ３Ｄイメージングソフトウェア（Ｂｉｔｐｌａｎｅ、チューリッヒ、スイス）によって作成し、Ｍａｔｌａｂ２０１５ｂ上でのＣＯＭＳＴＡＴを用いて定量分析（バイオフィルム体積及び平均厚さ）の計算を行った。
【００７３】
本発明者らの観察によると、ＬＩＧは、他のいかなる作用もなしに、バイオフィルム増殖の形成に抵抗しており、バイオフィルムはほとんど観察されなかった。対照的に、ＰＩ及びグラファイトのコントロールではいずれも、生細菌及び細胞外高分子物質（ＥＰＳ）の両方を大量に示し、それよりも少ない量の死細菌を示した。結果を図１８にまとめて示す。ＰＩは、「ポリイミド」と示され、グラファイトペーパーは、「グラファイト」と示される。他の表示は、上記で説明した通りである。
【００７４】
最も大きい生物体積はグラファイト上で観察され、最大２６μｍの厚さが観察された。ＩＭＡＲＩＳ−Ｂｉｔｐｌａｎｅソフトウェアを用いたバイオフィルムの３Ｄ可視化により、ＰＩ及びグラファイト材料の表面近傍のバイオフィルム下に死細菌が存在することが示された。この死細菌の層は、上を覆っているバイオフィルムの厚い層が、表面近傍において栄養の欠乏などの増殖に好ましくない条件を引き起こした可能性があることを示唆するものであった。他方、ＬＩＧ表面は、付着生細菌、死細菌、又はＥＰＳの量が極めて少なく、水処理及び廃水処理技術において所望される特徴である抗バイオフィルム表面被覆として使用される可能性を強調するものであった。ＬＩＧ表面とＰＩ基材との間の対照的なバイオフィルム増殖は、材料間の境界領域の画像において特に観察された。
【００７５】
ＬＩＧ、ＰＩ、及びグラファイトペーパーの疎水性の性質を特定したところ、著しく異なっていることが分かった。接触角測定から、ＬＩＧは、グラファイト（６１．３°±６．６）及びＰＩ（７４．５°±３．３）と比較して、上記でのＥＬ３−１１７Ｉに対して特定された値に類似して、最も親水性（４５．３°±３．８）であることが示された。理論に束縛されるものではないが、表面の親水性が高いほど、細菌の付着を高めるように表面をコンディショニングし得る疎水性成分（例えば疎水性ＥＰＳ成分）又は溶液中の溶存有機物の吸着を著しく少なくすることが可能となるものと考えられる。本発明者らの観察によると、ＬＩＧ表面上にＥＰＳは存在しなかった。
【００７６】
二次処理廃水に対するＰＩ、グラファイト、ＬＩＧスペーサー上でのバイオマス及びバイオフィルム厚さ
二次処理廃水を、イスラエルのキブツスデボケル（Kibbutz Sde Boker）に位置する曝気池から採取した。この水は、以下の表７に詳述する通りの組成を有しており、１．６±０．２×１０４ＣＦＵｍＬ−１の細菌門（アクチノバクテリア（Actinobacteria）、バクテロイデス（Bacteroidetes）、フィルミクテス（Firmicutes）、プロテオバクテリア（Proteobacteria））、及び候補門ＴＭ６を含有していた。濃度は、平板塗抹法を用いて特定した。また、１ｍＬの二次処理廃水を、５０ｍＬのＬＢ培地に添加し、続いて３０℃で２４時間インキュベートし、細菌濃度を希釈によって調節した。
【００７７】
【表８】
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【００７８】
ＬＩＧスペーサーの作製、バイオフィルムの染色、及び共焦点顕微鏡観察は、上述の通りに行った。バイオフィルムは、ポリイミドシート、グラファイト、及びＬＩＧスペーサー上に増殖した。バイオマス（μｇ／μｍ２）及びバイオフィルム厚さ（μｍ）の結果を、以下の表８にまとめ、図１９に示す。図１９において、バイオマスの棒グラフは、青色であり、対の左側に配置され、厚さの棒グラフは、橙色であり、対の右側に配置されており、表示は上記で述べた通りである。
【００７９】
【表９】
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【００８０】
実施例３：ＬＩＧ粒子の細菌毒性
ＰＩ表面上に作製された場合のスペーサーグリッド用として作製されたＬＩＧ（画像密度８（１インチあたり１０００パルス）、スキャン速度（ラスター速度）１０％（６インチ／秒）、２％出力、及び１００％空気アシストを用いた）を用いて毒性アッセイを行い、表面から同じＬＩＧ層をこすり取ることによって作製したＬＩＧ粉末と比較した。こすり取ったＬＩＧの超音波処理によって小粒子サイズ及び大粒子サイズのＬＩＧ粉末を作製し、ＡＦＭを用いて、それぞれ、０．０９及び０．５５μｍ２の平均粒子シート面積（average particle sheet areas）という結果を得た。
【００８１】
ＰＩ表面からＬＩＧをこすり取ることによってＬＩＧ粉末を作製した。こすり取ったＬＩＧをプローブ超音波処理することによって、異なるＬＩＧ粉末サイズ分布を得た。簡潔に述べると、超音波処理槽（Ｄ−７４２２４、Ｅｌｍａ  Ｓｉｎｇｅｎ）中で３０分間浸漬させることによって、ＬＩＧ粉末の安定な懸濁液（ＤＩ水中２．０ｍｇｍＬ−１）を作製した。次に、より小さいサイズのために、この懸濁液を氷浴中で１２０分間、高強度でプローブ超音波処理した（ＶＣＸ１３０、Ｓｏｎｉｃｓ  Ｖｉｂｒａ−ｃｅｌｌ）。
【００８２】
小サイズＬＩＧ粉末のサンプルを、ＫＭｎＯ４を用いて更に酸化し、ＸＰＳを用いて測定したＬＩＧ粉末の酸素含有量を４％から３１％に増加させた。１２０分間のプローブ超音波処理後、懸濁液５０ｍＬを、１２０００×ｇで３０分間遠心分離した。ＬＩＧ粉末（１００ｍｇ）を、５ｍＬの濃Ｈ２ＳＯ４に入れた。次に、ＫＭｎＯ４（０．７５ｇ）を、氷浴中にゆっくり加えた。溶液を３５℃に２．５時間加熱し、続いてＤＩ水（１０ｍＬ）を上記懸濁液にゆっくり添加した。２時間後、ＤＩ水（３０ｍＬ）及びＨ２Ｏ２（３０％、５．５ｍＬ）を懸濁液にゆっくり添加した。上記溶液を、２日間室温に保持し、沈澱物を遠心分離（１２０００×ｇ、３０分間）で回収し、ＨＣｌ（１０体積％、３×）及びＤＩ水（３×）で洗浄して化学的残渣を除去した。作製した異なる種類のＬＩＧ粉末を、膜表面（混合セルロースエステル、０．０２５μｍ、ＭＦ−Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ膜フィルター）上に、５ｍＬの懸濁液（ＤＩ水中２．０ｍｇＬ−１）を膜フィルターでろ過し、続いて風乾することによって堆積させた。
【００８３】
ＰＩの表面に作製されたＬＩＧの抗菌効果を測定し、混合セルロースフィルター上に堆積させたＬＩＧ粉末と比較した（図２０）。Ｐ．エルジノーサの溶液との６時間の表面接触後、ＬＩＧ表面及び大粒子サイズのＬＩＧ粉末には、比較的小さい効果が見られた。より小さい粒子サイズ分布のサンプルは、付着した細胞の死滅の増加（約２３％）を示し、酸化された小サイズのＬＩＧ粉末は、付着細胞に対して最も抗微生物性が高かった（約４１％の死滅）。図２０は、ＰＩ及びＬＩＧ表面上に付着したＰ．エルジノーサの阻害を、ＬＩＧ粉末を堆積させた混合セルロース膜（「膜」）表面と比較して示す。粉末−ＬＩＧ−大粒子は、（Ｐ−ＬＩＧ−Ｂ）と示され、粉末−ＬＩＧ−小粒子は、（Ｐ−ＬＩＧ−Ｓ）と示され、粉末−ＬＩＧ−小粒子、酸化処理は、（Ｐ−ＬＩＧ−ＳＯ）と示され。
【００８４】
表面は、表面と接触しなかった細胞（「付着細胞」に対して「浮遊細胞」）にとっては毒性ではなかった。より小さい粒子サイズのグラフェンは、表面積の増加及び小エッジの特徴により、より大きい粒子と比較して、細菌に対してより毒性であり得る一方で、より高い酸素含有量が、より高い酸化ストレスを引き起こした可能性がある。したがって、ＰＩフィルム上に作製された本発明のＬＩＧ表面の形態及び低酸素含有量が、低い受動的抗微生物特性に寄与した可能性がある。レーザー出力及び合成雰囲気を含む可変のＬＩＧ作製条件が、ＬＩＧの形態及びその酸素含有量に影響を与える可能性があり、したがって、受動的抗微生物活性は、他の種類のＬＩＧに対して高めることが可能であり得る。
【００８５】
ＬＩＧ粉末の抗微生物活性について、溶液中での浮遊細菌に対するその効果についても調べた。Ｐ．エルジノーサ細胞懸濁液を、異なるサイズのＬＩＧ粉末３００μｇ／Ｌに６時間曝露し、細菌生存率を平板塗抹法を用いて観察した。超音波処理工程を含まずに行った実験では、より大きいサイズのＬＩＧ粉末は、最初、より小さい粒子と比較して明らかに毒性が高かった（図２１）。図２１は、粉末−ＬＩＧ−小（Ｐ−ＬＩＧ−Ｓ）及び、粉末−ＬＩＧ−大（Ｐ−ＬＩＧ−Ｂ）の懸濁液による、溶液中のＰ．エルジノーサを用いた抗菌作用の比較を示す。いずれのＬＩＧも含まない溶液をコントロールとして用いた。しかし、実験を、カンテンプレートへの播種前にサンプルの超音波処理を含めて行った場合（それぞれ、「超音波処理後」及び「超音波処理前」と示される）、明らかな抗微生物活性は失われた。このことは、ＬＩＧ粉末が、細菌細胞を覆うか又は取り込んだ可能性があり、それによって細菌細胞の増殖が阻止されたことを示唆するものであった。細菌細胞は、不活性化されず、その増殖は僅かに阻害されたに過ぎなかった。抗微生物活性の目視での確認は、Ｓｙｔｏ９／ヨウ化プロピジウムのｌｉｖｅ／ｄｅａｄ  ｋｉｔを用いた染色及びＣＬＳＭを用いたイメージングによって行った。懸濁液中の小又は大ＬＩＧ粉末と共に存在する細菌細胞は、ほとんど生細菌であることを示した。細菌細胞及びＬＩＧ粉末は、凝集体を形成していることが観察され、このことは、ＬＩＧシート中への細菌細胞の取り込みが可能であることを示唆するものであった。混合セルロース膜表面上に堆積された粉末ＬＩＧは、生細菌細胞及び死細菌細胞の両方を示し、粉末ＬＩＧ（小、酸化処理）が、最も高い抗微生物活性を示した。
【００８６】
実施例４：ポリイミドスペーサーメッシュ材料及び２％又は２．５％レーザー出力の７５Ｗレーザーを空気中で用いてポリイミドの両側上に作製したＬＩＧ被覆を用いたスペーサーの作製並びに１．５〜２．５ＶのＤＣ電圧を用いた試験
レーザー誘起グラフェンで製造したスペーサー：
この実験で用いたＫａｐｔｏｎ（登録商標）ポリイミド（ＰＩ）（厚さ：０．００５インチ）ポリマーシートは、ＭｃＭａｓｔｅｒ−Ｃａｒｒより購入した（カタログ番号２２７１Ｋ３）。ポリマーシートへのレーザースクライビングは、１０．６μｍＣＯ２パルスレーザー（７５Ｗ）を備えたＸＬＳ１０ＭＷＨ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）レーザープラットフォームを用いて行った。画像密度８（１インチあたり１０００パルス）、スキャン速度（ラスター速度）１０％（３０ｃｍ／秒）、及び１００％空気アシストを、すべての実験に対して用いた。ＬＩＧスペーサーを作製するために、まず１２％のレーザーデューティサイクルを用いて、ＰＩシート上に孔のグリッドを作製し（孔サイズは３ｍｍ×３ｍｍ、孔同士の間隔は、中心から中心で６ｍｍ）、次に２％又は２．５％のレーザーデューティサイクルを用いて、同じＰＩシート上の孔の間にＬＩＧネットワーク（ライン幅１ｍｍ）を作製した。作製したままのスペーサーの写真を、図２２ｂに示す。
【００８７】
ＬＩＧスペーサー：
図に示したポリイミドシート（図２２ａ）を、ＬＩＧ作製スペーサーに用いた。ＬＩＧは、図２２ｂに示すように、ＰＩシート（１０×１０ｃｍ）の両側に、コンピュータ制御ＣＯ２レーザーを用いて直接書き込んだ。これらの導電性ＬＩＧ被覆を、電極として用いた。実験のために、ワイヤを、導電性接着剤によって電極（両側）に取り付けた。これらの電極を電気ワイヤを用いて伸ばし、次に図２３に示すように、電気化学ワークステーションに接続した。図２３において、「マグネティックスターラー」という用語は、マグネティックスターラーを示し、「ＮａＣｌ溶液」は、ＮａＣｌの溶液を示す。
【００８８】
ＬＩＧ電極の電流及び電圧特性の特性決定を、図２３に示す実験装置一式を用いることによって行った。実験では、電圧可変の直流（ＤＣ）電源を用いた。ＬＩＧスペーサーを、ビーカー中の９００ｍｌの０．０８Ｍ  ＮａＣｌ溶液に部分的に浸漬し、ワイヤ及び導電性接着剤は空気中に露出させた。電圧印加を開始し、０〜２．５Ｖまで変動させ、電流及び電圧を、マルチメーターを用いることによって測定した。ＬＩＧ電極のいずれかの側を、カソード及びアノードに用いた。
【００８９】
「２．０％ＬＩＧ」及び「２．５％ＬＩＧ」スペーサーに対する電流−電圧（ＩＶ）曲線を、それぞれ図２４ａ及び２４ｂに示す。セット１（濃く塗りつぶした丸）及びセット２（薄く塗りつぶした丸）は、１．５Ｖでの１２時間の電極操作後に繰り返した測定値である。
【００９０】
ＬＩＧスペーサーによる酸化性化学種の発生
ＬＩＧによる活性塩素種又は反応性酸素種発生の評価を、上記方法に記載したものと同じ装置一式で行い、図２５に示した。総酸化性化学種濃度は、ＤＰＤ比色法によって測定した。ＤＰＤ（Ｎ，Ｎ−ジエチル−１，４−フェニレンジアミンサルフェート）は、酸化性種との反応後に色を呈する指示薬である。ＤＰＤキットは、０．０５〜５．０ｍｇ／Ｌの範囲で酸化性種を測定することが可能であるタブレットを含んでおり、Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ（イスラエル）から購入した。実験では、新しく作ったＮａＣｌ水溶液（０．０８Ｍ）をビーカーに入れた。２．０及び２．５％レーザー出力で作製したＬＩＧスペーサーを用いて、１．５Ｖを印加した（それぞれ、図２５ａ及び２５ｂ）。総酸化性種発生量を、溶液から採取した５ｍｌのサンプルから測定した。いずれの場合においても、濃度は時間と共に増加した。「２．０％ＬＩＧ」での最大活性酸化性種濃度は、実験の３０時間後に０．３４ｍｇ／Ｌであった。一方、「２．５％ＬＩＧ」では、３６時間の操作後、０．４７ｍｇ／Ｌの総酸化性種が測定された。文献によると、一般的に、０．１〜０．２ｍｇ／Ｌの総塩素濃度が、抗微生物活性及び溶液の完全な滅菌のために必要である。
【００９１】
ＬＩＧスペーサーによる活性酸素の発生
同様に、ＬＩＧによるＨ２Ｏ２種発生の評価を行った。Ｈ２Ｏ２の濃度は、僅かにより希釈した０．０５Ｍ  ＮａＣｌの純溶液中、１．５〜２．５Ｖの範囲内の各電圧において、２％ＬＩＧの場合に測定した。９時間の操作後、０．３〜０．９ｍｇＬ−１のＨ２Ｏ２しか測定されなかった。Ｈ２Ｏ２発生は、１．２３Ｖでカソードにおいて起こり、塩素形成は１．３５Ｖで起こる。Ｈ２Ｏ２は、実験中に検出されたが、Ｃｌ２は検出することができなかった。形成された塩素ガスは、Ｈ２Ｏ２と素早く反応し、そのことが、支配的な種の存在に繋がった可能性がある。結果を図２６に示し、バルク溶液中、１．５Ｖ（白抜き丸）、２．０Ｖ（白抜き四角）、及び２．５Ｖ（白抜き三角）でＬＩＧ電極によるＨ２Ｏ２の発生を測定したものであり、過酸化水素の濃度は、縦軸に与えられて「Ｈ２Ｏ２（ｍｇ／Ｌ）」と示され、経過時間は、時間を単位として横軸に与えられて「経過時間（時間）」と示される。
【００９２】
ＬＩＧスペーサーの抗菌効果：
スペーサーの抗菌効果を、図２３に見られる装置一式において高細菌負荷（約１０８ＣＦＵ／ｍｌ）又は低細菌負荷（約１０４ＣＦＵ／ｍｌ）のＰ．エルジノーサの細菌培養物を添加することによって測定した。細菌は、上記で述べたように、液体培地ＬＢ中で増殖させた。培養物を、３０℃で振とうしながら一晩増殖させ、細菌を、４０００ｒｐｍでの遠心分離によってペレット化し、滅菌ＰＢＳ（２×）で洗浄し、次に細菌を滅菌ＰＢＳ中に懸濁させた。細菌を、ＬＩＧスペーサーを含有するＮａＣｌの水溶液（０．０８Ｍ、９００ｍｌ）に、高細菌負荷（約１０８ＣＦＵ／ｍｌ）又は低細菌負荷（約１０４ＣＦＵ／ｍｌ）で添加した。１．５Ｖの電位を印加し、平板塗抹法を用いてＣＦＵを経時でモニタリングした。３０℃で２４時間のインキュベーション後に、コロニーをカウントした。
【００９３】
超高細菌負荷実験：
微生物集団の変化及び死滅パーセントの変化を、それぞれ図２７ａ及び２７ｂに示す。図２７ａにおいて、塗りつぶした丸は、コントロール細菌カウントを表し、塗りつぶした四角は、ＬＩＧ反応器の細菌カウントを表す。２４時間の操作後、超高負荷において２対数分の減少が見られた。総酸化性種濃度も実験中に測定し、酸化性化学種は、キットの検出限界（０．０５ｍｇ／Ｌ）未満であることが分かった。
【００９４】
低負荷の細菌：
低負荷細菌実験の結果を図２８に示し、コントロール細菌カウントを、濃い赤色の塗りつぶした丸で示し、ＬＩＧスペーサーの細菌カウントを、薄い青色の塗りつぶした四角で示す。１２時間の操作後、微生物集団の９９．９９％が、ＬＩＧスペーサーの複合死滅メカニズムによって死滅した。総酸化性種を実験中に測定し、塩素濃度換算として図２９に示す。
【００９５】
ＬＩＧスペーサーの抗細菌効果  −  電圧の影響：
同様にして、１．５〜２．５Ｖの範囲の電圧が印加される電極対として用いた場合のＬＩＧスペーサーの抗微生物活性を観察した。１０ｃｍ×７ｃｍの穿孔ＰＩシートを、３ｍｍの間隔で正方形の孔（３ｍｍ×３ｍｍ）をグリッドパターンにレーザーカッティングすることによって上記のように作製した。ＬＩＧ（幅１ｍｍ、２％レーザー出力７５Ｗ、１インチあたり１０００パルス、３０ｃｍ／秒）を、ＰＩシート両側の正方形孔の間に印刷し、総電極表面積を２０ｃｍ２とした。銅ワイヤを、炭素ベースの接着剤を用いて各電極に接続し、ＤＣ電源に接続した。
【００９６】
電極シートを、ＮａＣｌの水溶液（１Ｌ、０．０５Ｍ）を入れたビーカーに吊るした（図２３参照）。０．９％ＮａＣｌ溶液中のＰ．エルジノーサ細胞（１０８ＣＦＵｍＬ−１）を上記で述べたようにして調製し、室温で一定の撹拌を行いながらビーカーに添加して、最終濃度を約１０４ＣＦＵｍＬ−１（低負荷）及び約１０６ＣＦＵｍＬ−１（高負荷）とした。出力を、０、１．５、２．０、又は２．５Ｖに調節し、反応器から１ｍＬのサンプルを取り出し、ＣＦＵの計数又はＨ２Ｏ２／活性塩素種の特定に用いた。加えて、０Ｖでは、０．０５Ｍ  ＮａＣｌ溶液中１．０ｍｇＬ−１のＨ２Ｏ２の初期濃度で外部添加したＨ２Ｏ２有り又は無しの実験も行った。Ｈ２Ｏ２濃度は、Ｈ２Ｏ２／ペルオキシダーゼアッセイキット（Ａｍｐｌｅｘ（登録商標）Ｒｅｄ、Ｔｈｅｒｍｏ  Ｆｉｓｈｅｒ）、並びに銅（ＩＩ）イオン及び２，９−ジメチル−１，１０−フェナントロリン（ＤＭＰ）法によって測定した。活性塩素種は、上記で述べたように測定した。
【００９７】
本発明者らの観察によると、印加された最も高い電圧（２．５Ｖ）が、試験溶液から生細菌を除去するのに最も効果的であった。操作の４時間以内に、９９％超の死滅が観察された。１．５及び２．０Ｖの印加では、これよりも低い活性が見られたが、これらのＬＩＧ電極は、２．５Ｖにおいて、希細菌溶液を完全に汚染除去した（４対数分の減少）。同様に、約３．５対数分の減少が、濃細菌溶液で観察された。結果を、実験の低細菌負荷の部分については図３０ａ〜３０ｂに、実験の高細菌負荷の部分については図３０ｃ〜３０ｄに示す。
【００９８】
Ｈ２Ｏ２濃度は、電圧依存性であり、希釈細菌溶液での実験における６時間の操作後、０．３〜０．７の範囲内であった。しかし、濃細菌溶液を用いた実験では、測定したすべての電圧において、Ｈ２Ｏ２は、検出限界未満であった。多量の細菌及び付随する有機物が、遊離Ｈ２Ｏ２を消費した可能性が最も高い。Ｐ．エルジノーサ培養物に外部添加した１ｍｇＬ−１Ｈ２Ｏ２の毒性を、０Ｖ（開回路電圧）で存在するＬＩＧ電極で評価した。細菌の希溶液又は濃溶液のいずれにおいても、生存率に影響はなかった。理論に束縛されるものではないが、Ｈ２Ｏ２を含む活性種が電極によって発生される場合、電極表面近傍の局所濃度は、測定されたバルク濃度よりも非常に高いことが期待されるものと考えられる。
【００９９】
実施例５：ＬＩＧ電極の能動的抗微生物活性  −  落射蛍光顕微鏡実験
顕微鏡下で用いるように構成された特別なＬＩＧ電極を用いて、電気的効果を評価した。ＬＩＧ作製の条件は、上記スペーサーＬＩＧと同じであった。電極（０．４ｃｍ×１ｃｍ）間に１００μｍのチャネルを設計し、それによって、カソード及びアノードの両方を同時に観察可能とした。
【０１００】
ＧＦＰを発現するＰ．エルジノーサの懸濁液を電極の上に添加し、異なる電圧において時間の関数としてモニタリングした（図３１）。電圧を印加しなかった場合、細菌は、影響を受けず、溶液中に残ったままであった。しかし、１．１Ｖを超える電圧を印加すると、細菌のアノードへの移動が観察され、続いて、細胞の消滅が、１．５〜２．５Ｖで見られた。１．１Ｖでは、３０秒後に細菌の消滅は見られなかったが、細菌の消滅は、次第に顕著になり、１．５から２．５Ｖへの電圧の増加と相関していた。例えば、１．５Ｖでは、細菌は、１秒後に前記アノード側で消滅し始めており、細菌はまた、２秒後にはカソード側からも消滅し始め、３０秒では、細菌はほとんど完全に消滅した。より高い電圧２．０Ｖ及び２．５Ｖでは、より速い細菌細胞の消滅が見られ、１秒後には、細菌のほとんど完全な消滅が観察された。
【０１０１】
理論に束縛されるものではないが、ＬＩＧ表面へ向かう細菌の動き、及びそれに続く細菌の消滅は、表面毒性効果及び局所的な活性化学種の発生と組み合わされた電気的効果（例えば不可逆的エレクトロポレーション）が、ＬＩＧ表面の抗菌作用の「能動的」モードに対する最も妥当な説明であり得ることを示しているものと考えられる。Ｐ．エルジノーサの細胞は、リン脂質及びポリサッカリドなどの負に帯電した生体分子が細胞膜中に存在することにより、負の表面電荷を有しており、これによって、アノードへと誘引され得る。実証された瞬間的な細胞の破壊は、細胞壁又は細胞膜成分の迅速な物理的破壊を示唆している。このことは、図３２ａ〜３２ｆに示した電極上で撮影したＳＥＭ画像によって裏付けられる。
【０１０２】
同様に構成されたグラファイト電極と比較すると、細菌細胞の動きは、２．３Ｖでしか開始せず、細菌の消滅は、２．６Ｖ超でしか観察されなかった。
【０１０３】
実施例６  −  排水に対するＬＩＧ電極の能動的抗微生物活性
二次処理廃水を、実施例２の場合のようにして用いた。
【０１０４】
希釈二次廃水を、上記廃水を脱塩素した水道水で１：１０に希釈することによって調製した。１０４及び１０６ＣＦＵｍＬ−１の濃度が得られるまで二次処理廃水を３０℃でインキュベートすることによって廃水培養物を調節した。
【０１０５】
ＬＩＧスペーサー及び実験装置一式は、実施例４で述べた通りであった。２．５Ｖの電圧を９時間印加し、すべてのケースにおいて、＞９９．９％の細菌阻害が観察された。「経過時間（時間）」と示される経過時間に対する「％阻害」と示される阻害パーセントの結果を図３３に示す。示される棒グラフは、以下の通りであり、左から右へ：１０％廃水（最も濃い色の棒グラフ）、１０４ＣＦＵ／ｍＬ（より薄い色の棒グラフ）、及び１０６ＣＦＵ／ｍＬ（最も薄い色の棒グラフ）である。
【０１０６】
実施例７  −  抗生物付着汚れスペーサーを用いたクロスフローＲＯアセンブリ
ＲＯ膜（ＥＳＰＡタイプＤＨＲ、Ｈｙｄｒａｎａｕｔｉｃｓ製）を、図３４に模式的に示すクロスフロー構成により、１０バールの一定圧で測定した。フィード水は、初期細菌濃度約１０６ＣＦＵ／ｍＬのＰ．エルジノーサを含有する０．１％  ルリア−ベルターニ（ＬＢ）を含む合成廃水から成るものとした。合成廃水は、以下の塩組成：１．１６ｍＭ  クエン酸ナトリウム、０．９４ｍＭ  塩化アンモニウム、０．４５ｍＭ  リン酸二水素カリウム（ＫＨ２ＰＯ４）、０．５ｍＭ  塩化カルシウム二水和物（calcium chloride dehydrate）（ＣａＣｌ２・２Ｈ２Ｏ）、０．５ｍＭ  炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）、２．０ｍＭ  塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、及び０．６ｍＭ  硫酸マグネシウム七水和物（ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ）、を有しており、すべて脱イオン（ＤＩ）水に溶解させた。フィードの最終ｐＨは、７．４であり、イオン強度は、１４．６ｍＭであった。
【０１０７】
Herzberg et al（Herzberg, M.; Elimelech, M. Biofouling of Reverse Osmosis Membranes: Role of Biofilm-Enhanced Osmotic Pressure. J. Memb. Sci. 2007, 295, 11-20）に記載の実験室スケールのクロスフローシステムを用いた。セルを用いて、クロスフロー構成でＲＯ膜の測定を行い、ここでは、濃縮水及び透過水の両方を、フィード溶液槽へ戻して再循環可能であった。フィードスペーサーは、実施例４で述べた通りの穿孔ＰＩシートから成るものとした。ＬＩＧを、デューティサイクル２％、両軸線の画像密度１インチあたり１０００パルス、及びラスター速度毎秒３０ｃｍにより、ノズルを通して空気を吹き込み、システムを周囲圧力での静止空気で維持することによって、前記ＰＩシート両側の正方形孔の間に印刷した。グラファイト細線を、ＬＩＧスペーサーの各々の側に炭素接着剤で接着した。グラファイト細線をセルから出して、スイッチ及び２．５Ｖの電位に取り付けた。スペーサーを９．０×２．０ｃｍのサイズに切り、２つの標準的な市販のスペーサーネット（ポリプロピレン、ＲＯモジュールから取ったもの）の間のフィードチャネル側に置いた。
【０１０８】
透過水及び濃縮水は、フィード槽（１０Ｌ）に再循環させた。実験は、１０５Ｌ／時間の流速の１０バール（１４５．０ｐｓｉ）で行い、膜の予備コンパクション（pre-compaction）は、ＤＩ水を用い、１５バール（２１７．５ｐｓｉ）で２４時間行った。クロスフローアセンブリの温度は、温度制御システムを備えた冷却機を介して２５℃に制御した。フラックスの変化を経時で測定し、細菌集団については、平板塗抹法を用いて特性決定した。実験の終了後に、膜表面に対して共焦点顕微鏡観察を行い、コントロール膜との相違が示された。
【０１０９】
フラックスの低下、並びに前記再循環フィード溶液中の生細菌の量の両方をモニタリングし、それぞれ、図３５及び３６に示した。図において、塗りつぶした丸は、それぞれ、コントロールのフラックス及び生細菌カウントを表し、塗りつぶした四角は、２．５Ｖ電位を表す。図から分かるように、０Ｖ（開回路電位）及び２．５ＶのいずれかでＬＩＧスペーサーを含有する制御実験のいずれにおいても、最初のおよそ１０時間にわたってフラックスは低下した（図３５）。理論に束縛されるものではないが、これは、フィード溶液中の栄養素からの有機付着汚れか、又はフィード溶液と膜との単なる更なる平衡化に起因した可能性があると考えられる。しかし、１０時間後、２．５ＶでのＬＩＧスペーサーでは、更なるフラックスの低下は防がれた。開回路電位が印加された場合は（０Ｖ）、フラックスは、実験の終点まで低下を続けた。これは、膜の抵抗を増加させる膜表面でのバイオフィルムの増殖に帰するものであり得る。さらに、２．５ＶでのＬＩＧスペーサーが、再循環フィード溶液中の細菌負荷を２対数分低下させたことも注目すべきである（図３６）。４８時間後、０Ｖでのフィードスペーサーの場合の細菌量は、２．５Ｖを印加した場合の１０５ＣＦＵ／ｍＬと比較して、およそ１０７ＣＦＵ／ｍＬであった。１０時間後にシステムでフラックス低下が起こっていないことは、２．５ＶでのＬＩＧスペーサーが、膜上でのバイオフィルム増殖を劇的に阻害したことを示すものであった。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【手続補正書】
【提出日】平成31年1月17日(2019.1.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水性媒体中に少なくとも１つのレーザー誘起グラフェン（ＬＩＧ）層で被覆された表面を提供することを含む、水性媒体中における生物付着汚れに対抗する又は微生物を抑制する方法。
【請求項２】
バイオフィルムを形成しやすい表面を少なくとも１つのＬＩＧ層で被覆することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
バイオフィルムを形成しやすい前記表面が、パイプ、船舶、燃料保存タンク、又は水処理装置の構成要素の表面である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記水処理装置の構成要素が、膜スペーサーである、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
被覆された前記表面が、少なくとも１つのスペーサーの表面であり、
前記方法は、少なくとも１つのＬＩＧ層で被覆された前記少なくとも１つのスペーサーを備える膜モジュールに水流を通すことを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記少なくとも１つのＬＩＧ層に電位を印加して、前記水流において殺菌効果を発現することを更に含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
被覆された前記表面が、膜スペーサーの表面である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記ＬＩＧ層に電位を印加することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記電位が、０．５Ｖ〜５Ｖの範囲内である、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記電位が、１．１Ｖ〜３．５Ｖの範囲内である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記電位が、少なくとも１秒間にわたって連続的に印加される、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
レーザー誘起グラフェン（ＬＩＧ）で少なくとも一部が被覆されている、水処理用途の膜モジュールのスペーサーとしての使用に適するポリマーメッシュ。
【請求項１３】
ポリイミドを含む、請求項１２に記載のポリマーメッシュ。
【請求項１４】
膜モジュール、及び前記膜モジュール内に配置されるスペーサーを備え、
前記スペーサーは、請求項１２に記載のポリマーメッシュを含み、
前記ポリマーメッシュは、ＬＩＧを含む電極材料を備えている、水処理装置。
【請求項１５】
前記電極材料が、前記スペーサー上に配置されて、２つの間隔を空けた電極を形成している、請求項１４に記載の水処理装置。
【国際調査報告】
2019520196.tif 000047
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