СНАБЖЕННЫЕ ПРОТИВОМИКРОБНОЙ ЗАЩИТОЙ МАТЕРИАЛЫ
ANTIMICROBIAL-PROTECTED MATERIALS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к снабженному противомикробной защитой материалу, состоящему из матрицы, в которой в высокодисперсном, диспергированном или растворенном в ней виде содержатся неорганические фосфатные соли, придающие этому материалу противомикробные свойства. Изобретение относится далее к применению неорганических фосфатных солей для получения снабженных в соответствии с изобретением противомикробной защитой материалов, а также к применению предлагаемых в изобретении материалов для изготовления упаковочных материалов для товаров, преимущественно упаковочных материалов для пищевых продуктов, косметических средств, лекарственных средств или изделий медицинского назначения, или для изготовления изделий медицинского назначения или пластмассовых труб.
По гигиеническим причинам существует необходимость снабжать противомикробной защитой предметы, используемые в повседневной жизни, упаковочные материалы для товаров, текстильные изделия, медицинские аппараты, инструменты и изделия одноразового использования, трубопроводы для воды и иных пищевых продуктов и т.д.
В настоящее время уже существуют возможности по снабжению волокон антибактериальной защитой, например, путем обработки поверхностно-активными веществами или биоцидами и гермицидами, которые, однако, не всегда небезвредны для здоровья и часто не проявляют длительно сохраняющегося действия. Для противомикробной защиты волокон, таких, например, как хлопчатобумажные нити, уже используется известное противомикробное действие серебра, которое применяют в этих целях в виде коллоидного элементарного серебра с размером частиц в нанометровом диапазоне. В качестве примера соответствующих публикаций в этом отношении можно назвать US 5985308, US 5374432, US 6949598, US 7270694 и US 7052765. Серебро окисляется на своей поверхности, и образующиеся в результате этого ионы серебра оказывают ингибирующее действие на рост и размножение присутствующих на волокне микроорганизмов. Серебро при этом используют в концентрациях, при которых происходит гибель бактерий. Однако серебро также не всегда полностью безвредно для организма человека. Обусловлено это длительным сохранением (персистенцией), т.е. накоплением, серебра в организме человека, которое в экстремальных случаях может привести к развитию аргирии или даже аргирозу.
Известно далее наличие у меди и ее солей бактериостатического действия. Наличие противомикробной эффективности у медных поверхностей было подтверждено Агентством по охране окружающей среды (США). Результаты предписанных этим Агентством по охране окружающей среды исследований показали, что после выдержки бактерий на медных поверхностях в течение двух часов уничтожалось 99,9% от всего их исходного количества. В качестве примера в этом отношении можно сослаться на публикацию ЕР 2012590. Однако применение металлической меди уже из-за одного только ее красного основного цвета и ее проводимости во многих системах ограничено или даже невозможно.
В ЕР 1978138 описано применение оксида меди и констатируется, что противомикробное действие исходит от ионов меди. Недостатком при этом помимо прочего являются темный цвет оксида меди и плохая его совместимость в системах, которым присуща несовместимость с щелочами.
В US 2007/010579 исходят из органической медной соли, недостатками которой, однако, являются разложение и недостаточная термостойкость.
В основу настоящего изобретения была положена задача обеспечить противомикробную защиту материала с достижением при этом улучшенного по сравнению с уровнем техники противомикробного действия, одновременно устранив недостатки известных мер по противомикробной защите касательно вредности противомикробного средства для здоровья, его разложения и/или термочувствительности.
Указанная задача решается согласно изобретению с помощью снабженного противомикробной защитой материала, состоящего из матрицы, в которой в высокодисперсном, диспергированном или растворенном в ней виде содержатся неорганические фосфатные соли по меньшей мере двух разных катионов металлов, по меньшей мере один из каковых катионов металлов при этом выбран из меди (Сu) и цинка (Zn).
Под выражением "противомикробные свойства" согласно настоящему изобретению подразумеваются бактериостатические, фунгицидные или противовирусные свойства либо сочетание нескольких таких свойств.
При создании изобретения неожиданно было установлено, что применение в сочетании между собой по меньшей мере двух разных фосфатов металлов с разными катионами металлов (разнокатионных фосфатов металлов), из которых по меньшей мере одним является медь (Сu) или цинк (Zn), позволяет явно улучшить противомикробные свойства материала по сравнению с применением известных противомикробных средств. При создании изобретения неожиданно был обнаружен также синергетический эффект при применении предлагаемой в изобретении комбинации фосфатов металлов.
Выражение "синергетический эффект" означает, что комбинация синергистов проявляет действие, которое значительно превышает действие каждого из применяемых по отдельности синергистов при использовании каждого из них в таком же общем количестве, соответственно в такой же общей концентрации. Иными словами, для достижения столь же хорошего действия синергисты требуется использовать в их комбинации в значительно меньшем общем количестве, соответственно в значительно меньшей общей концентрации, чем при использовании каждого из них по отдельности.
Согласно изобретению важное значение имеет комбинация из по меньшей мере двух разных фосфатов металлов с разными катионами металлов. Однако фосфат-анионы в фосфатах металлов могут быть одинаковыми или разными.
Согласно изобретению неорганические фосфатные соли предпочтительно выбирать среди ортофосфатов, дифосфатов, метафосфатов, конденсированных фосфатов с повышенной степенью конденсации и смешанных гидроксид-фосфат-оксоанионов.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения по меньшей мере два разных катиона металлов представляют собой медь (Сu) и цинк (Zn). В соответствии с этим матрица содержит в комбинации между собой фосфат меди и фосфат цинка. Подобная комбинация зарекомендовала себя как обладающая особо высокой противомикробной эффективностью.
2
4
2
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения по меньшей мере одна из фосфатных солей металлов представляет собой кислый фосфат. В качестве обладающего особо высокой противомикробной эффективностью зарекомендовало себя применение кислого фосфата цинка, предпочтительно дигидрофосфата цинка Zn(HPO); в комбинации с по меньшей мере одним другим фосфатом металла, предпочтительно фосфатом меди.
2
4
3
4
2
4
2
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения по меньшей мере один фосфат металла представляет собой фосфат меди, предпочтительно основный фосфат меди (гидроксофосфат меди) Сu(ОН)РO. В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения основный фосфат меди Сu(ОН)РO используется в комбинации с кислым фосфатом цинка, предпочтительно дигидрофосфатом цинка Zn(HPO).
2
4
3
4
2
2
2
7
2
4
2
3
4
2
2
2
7
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения по меньшей мере одна из фосфатных солей металлов или обе они выбраны среди основного фосфата меди Сu(ОН)РO, фосфата меди(II) Сu(РO), пирофосфата меди(II) СuРO, дигидрофосфата цинка Zn(HPO), ортофосфата цинка Zn(РO) и пирофосфата цинка ZnPO.
Ионы меди и ионы цинка не проявляют в отличие от серебра никакой склонности к длительному сохранению в организме. Медь и цинк при передозировке вновь выводятся из организма. Оба этих металла являются незаменимыми микроэлементами, которые необходимы для участия в протекающих в организме процессах.
Преимущество применения фосфатов меди перед применением металлической меди состоит в отсутствии у них часто нежелательного красного основного цвета и проводимости металлической меди. Фосфат цинка практически бесцветен и поэтому его можно также включать в светлые матрицы без опасности их нежелательного окрашивания.
Более слабое антибактериальное действие меди и ее солей по сравнению с антибактериальным действием серебра и его солей неожиданно удается компенсировать, а при определенных условиях удается даже превзойти антибактериальное действие серебра и его солей путем применения фосфата меди в комбинации с другими фосфатами металлов, прежде всего фосфатами цинка, а также фосфатами алюминия или калия.
Количество, соответственно концентрация, в котором/которой каждая из фосфатных солей металлов содержится в матрице в высокодисперсном, диспергированном или растворенном в ней виде, зависит от легко определяемой путем проведения простых экспериментов комбинации фосфатов металлов, фактически требуемых противомикробных свойств материала и иных факторов и может соответственно регулироваться специалистом. Вместе с тем в одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения каждая из по меньшей мере двух неорганических фосфатных солей металлов содержится в матрице в количестве от 0,001 до 40 мас.%, или от 0,05 до 10 мас.%, или от 0,5 до 5 мас.%, или от 1 до 3 мас.%. Использование фосфатов металлов в слишком больших количествах удорожает получение материала и может оказывать нежелательное и отрицательное влияние на свойства материала матрицы. Использование же фосфатов металлов в слишком малых количествах могло бы привести к слишком низкой противомикробной эффективности.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения каждая из по меньшей мере двух неорганических фосфатных солей металлов имеет средний размер частиц (d50) в пределах от 1 нм до 20 мкм, предпочтительно от 10 нм до 10 мкм, особенно предпочтительно от 20 нм до 1 мкм, наиболее предпочтительно от 40 до 200 нм.
Для реализации настоящего изобретения для применения в качестве матрицы пригоден любой материал, который допускает возможность введения или внедрения в него предлагаемых в изобретении фосфатов металлов. Наиболее пригоден и предпочтителен для применения в качестве матрицы материал, выбранный среди органических полимерных материалов, особенно предпочтительно среди термопластов, реактопластов, смол и силиконов. К пригодным для применения согласно изобретению полимерным материалам относятся поливинилбутираль (ПВБ), полипропилен (ПП), полиэтилен (ПЭ), полиамид (ПА), полибутилентерефталат (ПБТФ), полиэтилентерефталат (ПЭТФ), сложный полиэфир, полифениленоксид, полиацеталь, полиметакрилат, полиоксиметилен, поливинилацеталь, полистирол, сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола (АБС), сополимер акрилонитрила, стирола и акриалата (АСА), поликарбонат, полиэфиросульфон, полиэфирокетон, поливинилхлорид, термопластичный полиуретан и/или их сополимеры и/или их смеси.
Предлагаемый в изобретении материал можно в зависимости от его назначения изготавливать в любой форме. Поскольку, однако, микроорганизмы скапливаются преимущественно на поверхности материалов, преимущества, связанные с наличием противомикробных свойств, наиболее ярко проявляются у материалов с большой площадью поверхности. Поэтому в одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения предлагаемый в нем материал представлен в виде пленки, слоя или тонкого листа толщиной в пределах от 1 мкм до 20 мм, или от 50 мкм до 10 мм, или от 100 мкм до 5 мм, или от 200 мкм до 1 мм. Подобные пленочные материалы пригодны, например, для применения в качестве упаковочных материалов, пленок для хранения пищевых продуктов, материалов для облицовки резервуаров и помещений, где требуется обеспечить противомикробное действие, например, в качестве пленки для облицовки бассейнов, и т.д.
Объектом изобретения является также применение неорганических фосфатных солей по меньшей мере двух разных катионов металлов, по меньшей мере один из каковых катионов металлов выбран из меди (Сu) и цинка (Zn), для противомикробной защиты матрицы, в которой неорганические фосфатные соли содержатся в высокодисперсном, диспергированном или растворенном в ней виде.
Объектом изобретения является далее применение описанного выше материала для изготовления упаковочных материалов для товаров, преимущественно упаковочных материалов для пищевых продуктов, косметических средств, лекарственных средств или изделий медицинского назначения, или для изготовления изделий медицинского назначения или пластмассовых труб.
Еще одно преимущество предлагаемого в изобретении применения комбинации фосфатов металлов состоит в том, что они в отличие от чистых металлов или оксидов металлов допускают возможность их введения или внедрения в практически любую матрицу (основу). Как уже указывалось выше, в качестве матриц при этом могут использоваться термопласты, эластомеры и реактопласты, а также керамические материалы, силиконы, производные целлюлозы, пасты и мази, лаки и краски и иные служащие матрицей материалы.
Дополнительно ниже перечислены пригодные согласно изобретению для применения в качестве матрицы материалы:
- полиолефины, такие как полиэтилен, полипропилен, полибутилен, полиметилпентен, а также их блок-, графт- и сополимеры;
- полимеры стирола, такие как стандартный полистирол, ударопрочный полистирол, сополимер стирола с акрилонитрилом, сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола, сополимер акрилонитрила и стирола, акрилатный каучук;
- галогенсодержащие виниловые полимеры, такие как поливинилхлорид, поливинилиденхлорид, поливинилфторид,сополимер тетрафторметилена и гексафторметилена, сополимер этилена и тетрафторэтилена, полихлортрифторэтилен, сополимер этилена и хлортрифторэтилена;
- акриловые полимеры, такие как полиакрилат, полиметакрилат;
- полиацетали, такие как полиоксиметилен;
- линейные продукты поликонденсации, такие как полиамиды (полиамид-6, полиамид-66, полиамид-610, полиамид-612, полиамид-11, полиамид-12 и т.д.), поликарбонаты, сложные полиэфиры (например, полиэтилентерефталат, полибутилентерефталат и т.д.), полиимиды, полиарилкетоны, полисульфоны, полиуретаны, полифенилены;
- полимеры из ненасыщенных спиртов и аминов либо их ацильных производных или ацетатов, такие как поливиниловый спирт, поливинилацетат, поливинилбутираль, поливинилбензоат;
- сшитые продукты поликонденсации, полиаддукты, такие как фенопласты, аминопласты, эпоксидные смолы, ненасыщенные сложные полиэфиры, полиуретан;
- модифицированные природные вещества, такие как сложные эфиры целлюлозы;
- сополимеры или смеси указанных выше полимеров, при необходимости в присутствии добавок, таких как технологические добавки, стабилизаторы, антиокислители, красители, диспергаторы, наполнители и т.д.;
- целлюлоза;
- керамические материалы, такие как глина и фарфор;
- керамические покрытия, такие как ангоб и глазурь;
- реактопласты;
- силиконы.
Примеры
Исследование противомикробных свойств материалов, соответственно их поверхностей методом "QualiScreen"
Для исследования и количественной оценки противомикробных свойств материалов, соответственно их поверхностей использовали тест-метод, предложенной фирмой QualityLabs ВТ GmbH, Нюрнберг, Германия (www.qualitylabs-bt.de), под названием "QualiScreen".
Тест-метод "QualiScreen" является стандартным, признанным и сертифицированным методом испытания, пригодным для анализа различных по своему типу материалов, таких как полимеры, волокна, керамика, металлы, краски, покрытия и иные материалы, для анализа различных по своей форме материалов, таких как плоские, цилиндрические, сферические поверхности, а также для анализа различных по своим свойствам поверхностей, таких как шероховатые, гладкие, гидрофильные, гидрофобные и иные поверхности. Обычно этим тест-методом одновременно в 4-х повторностях исследуют до 20 образцов на их противомикробные свойства.
Результаты выражают в виде логарифмических единиц сокращения количества микроорганизмов в результате подавления их роста. Три логарифмические единицы означает, что уменьшение количества микроорганизмов в результате подавления их роста составляет за период наблюдения по меньшей мере 99,9% дочерних клеток в сопоставлении со сравнительным образцом без подавления роста микроорганизмов. (Две логарифмические единицы соответствуют 99%, три логарифмические единицы соответствуют 99,9%, четыре логарифмические единицы соответствуют 99,99%, пять логарифмических единиц соответствуют 99,999% и т.д.). Образец с показателями в три и более логарифмические единицы классифицируют как обладающий противомикробными свойствами. Через логарифмические единицы можно также выражать чистое время уменьшения количества микроорганизмов в результате подавления их роста в сопоставлении со сравнительным образцом без подавления роста микроорганизмов. При этом измеряют продолжительность времени, проходящего до того момента, как плотность популяции растущих бактерий в образце, измеряемая в виде оптической плотности (ОП) при заданной длине волны поглощения, не достигнет порогового значения. Чистое время для данного образца представляет собой разность между фактическим временем, прошедшим до достижения порогового значения плотности популяции растущих бактерий в анализируемом образце (общее время для анализируемого образца), и общим временем для сравнительного образца без подавления роста микроорганизмов.
Чистое время, равное двум часам, соответствует двум логарифмическим единицам, чистое время, равное пяти часам, соответствует трем логарифмическим единицам, чистое время, равное восьми часам, соответствует четырем логарифмическим единицам и т.д. Интервал между двумя логарифмическими единицами соответствует, таким образом, трем часам, поскольку при этом исходят из того, что популяция бактерий в условиях проведения эксперимента увеличивается примерно в 10 раз в течение 3 ч.
В данных примерах при исследовании тест-методом "QualiScreen" в качестве тест-микроба использовали Staphylo coccus epidermidis (DSM 18857).
Исследование противомикробного действия различных металлофосфатных добавок
В полиэтиленовую матрицу вводили различные фосфаты металлов и противомикробные свойства продуктов исследовали и сравнивали тест-методом "QualiScreen". Для изготовления таких продуктов расплавленную полиэтиленовую матрицу смешивали в экструдере с фосфатом(-ами). Данные о составе и полученные результаты приведены в таблице 1. Эксперименты с образцами каждого типа проводили в 4-х повторностях.
Таблица: Образцы и результаты подавления роста микроорганизмов, полученные в примере 1
Образец №
Металлофосфатная добавка
Концентрация (мас.%)
Логарифмические единицы (чистое время в часах)
1
Ag<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>
1,0
4
(10,0)
2
Cu<sub>2</sub>(OH)PO<sub>4</sub>(основный фосфат меди)
5,0
3
(5,4)
3
Zn(H<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>(дигидрофосфат цинка)
5,0
3
(5,5)
4
Cu<sub>2</sub>(OH)PO<sub>4</sub>
3,0
7
+
+
(18,7)
Zn(H<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>)
2,0
Результаты экспериментов свидетельствуют о влиянии фосфатов меди и/или цинка на противомикробные свойства полимерного материала. Противомикробное действие индивидуальных фосфатов меди и цинка ниже действия используемого для сравнения фосфата серебра уже при его применении в гораздо меньшей концентрации. Однако по причине упомянутых выше вредных для здоровья свойств серебра его соли стремятся исключить из применения. Результаты экспериментов свидетельствуют далее о наличии синергетического эффекта при применении фосфатов меди и цинка в комбинации между собой по сравнению с действием каждого из отдельных этих фосфатов при той же их общей концентрации (5 мас.%).