Способ придания антибактериальных свойств дверным ручкам

Изобретение относится к медицине, а именно к способу придания антибактериальных свойств дверным ручкам. Способ заключается в использовании поверхностного покрытия. На дверные ручки наносят подложку из оксида алюминия толщиной 10 нм, а затем нанопленку из оксидов титана и ванадия толщиной 25 нм и более с использованием технологии атомно-слоевого осаждения. Покрытие наносится при температуре 150 градусов по Цельсию. Техническим результатом является обеспечение дверных ручек любой конструкции и формы: прочной, износостойкой, равномерной и нетоксичной нанопленкой регулируемой толщины, обладающей антибактериальными свойствами, снижение себестоимости покрытия, используя недорогостоящие, нетоксичные, достаточно прочные и доступные материалы (оксиды ванадия и титана). 7 ил.

 

Изобретение относится к медицине, а именно к профилактической медицине или гигиене, может быть использовано на дверных ручках и других предметах общего пользования в медицинских учреждениях и организациях с большим потоком людей (студенческие общежития, детские сады, поручни общественного транспорта, кнопки банковских POS-терминалов и лифтов и т.д.).

Предметы общего пользования, такие как дверные ручки в учреждениях и организациях с большим потоком людей, кнопки лифтов и банковских POS-терминалов, поручни в метро и общественном транспорте и другие предметы, к которым постоянно прикасаются люди, могут накапливать различные инфекции. Поэтому все объекты общего использования, которые потенциально могут быть в контакте с людьми, должны обладать антибактериальными свойствами, чтобы препятствовать распространению патогенных микроорганизмов. Кроме того, антибактериальные свойства должны сочетаться с эстетическим качеством, твердостью, устойчивостью к ультрафиолетовым лучам, высокой цветостойкостью и устойчивостью к царапинам и т.д.

Вопрос становиться более актуальным в последнее время, когда появляются новые возбудители инфекций, в том числе вирусы, вызывающие эпидемии и пандемии.

Жидкие и гелеобразные дезинфицирующие вещества, которыми постоянно обрабатываются предметы общего пользования, особенно во время пандемий, хотя и обладают хорошими антисептическими свойствами, но действие их ограничено во времени, поэтому многократно приходится ими обрабатывать. Кроме того, многие из них, особенно сильнодействующие, чаще всего обладают едким неприятным запахом, либо вызывают у людей аллергические реакции.

В настоящее время в мире используются различные инновационные технологии и нанотехнологии, рекомендованные в том числе для обработки дверных ручек с целью придания им антибактериальных свойств.

Аналоги.

И так, озабоченные последствиями вируса SARS, китайские студенты Сум Минь Вон и Кин Пон Ли создали «само стерилизующуюся дверную ручку». Лампы питаются током, который накапливается с помощью кинетической энергии после каждого открывания и закрывания двери. Проект проходит лабораторные испытания и собирается выпустить ультрафиолетовые ручки в продажу и при поддержке государственных и частных организаций оборудовать ими общественные места. Создатели надеются, что их изобретение снизит риск заразиться в городе и сократит распространение вирусов в будущем.

Недостатком является то, что дизайн ручки однотипный и не совсем удачный. Кроме того, если двери долго не открывались, то, соответственно, кинетической энергии нет и ручки теряют свою само стерилизующую способность.

Для придания дверным ручкам антибактериальных свойств, британские производители создали антибактериальную накладку (производитель: Purehold, Великобритания), которая прошла испытания в лаборатории и результаты показали, что были уничтожены 99,9% бактерий с использованием серебряной технологии, встроенной в поверхность рукоятки (независимо протестировано по ISO 22196). В продукции не используются химические вещества - только безвредные ионы серебра, которые помогут улучшить гигиену и снизить заболевания и сбои в работе персонала.

Срок использования 6 месяцев. Имеется индикатор временной шкалы для быстрой замены при необходимости.

Недостатками являются: малый срок использования, необходимость слежения за временным индикатором, использование накладки с дорогостоящим серебром, форма ручки (только цилиндрическая) и ограниченный диаметр дверной ручки (19 мм, 20 мм или 22 мм).

Выпускаются также дверные и оконные ручки с антибактериальным покрытием SecuSan(ведущих европейских производителей ХОППЕ и dormakaba, рекомендованные для установления в медицинских и образовательных учреждениях, на предприятиях и в прочих местах большого скопления людей. Износостойкое PVD-покрытие не содержит химических добавок и не токсично. Метод PVD применяется для обработки разных материалов, в том числе для латуни и цинковых сплавов; гарантия на эксплуатацию - 5 лет.(https://xn--80aahvz2a9a.xn--p1acf/2021/08/24/antibakterialnaya-ruchka/).

Недостатком является то, что если дверная ручка из латуни, то предварительно никелируется, после хромируется и только потом наносится PVD-покрытие. Сам метод PVD также уступает методу нанесения антибактериального покрытия АСО, предлагаемому нами.

Для борьбы с распространением внутрибольничной инфекции Мэт Робертс (Matt Roberts) придумал антибактериальную дверную ручку особой конструкции, предназначенную специально для использования в медицинских учреждениях. На поверхности «гигиенической ручки» (Hygiene Handle) расположены 23 отверстия. Когда кто-то берется за эту ручку, чтобы открыть дверь, через эти отверстия под давлением выделяется дезинфицирующий гель. На ручке также есть зона без отверстий с гелем, чтобы сотрудники больницы, которые, к примеру, несут документы в другое отделение, случайно их не испачкали. Однако, сам автор идеи уверен, что этими гелями мало кто пользуется.

Коллектив британских ученых и дизайнеров потратил семь лет на создание антибактериальных ручек для дверей. Surfaceskins предлагает рынку антибактериальные пластины, которые крепятся на входную дверь на уровне, куда обычно человек нажимает рукой при входе в помещение. Внутри устройства размещается резервуар со спиртосодержащим гелем. На поверхность выходит мембрана с крошечными клапанами для раздачи геля. Всякий раз, когда человек нажимает на прибор при открытии двери, происходит надавливание на резервуар. Гель выделяется на поверхность и, таким образом, дезинфицирует пластину. Это приблизительно тоже самое, как если бы вы воспользовались обычным гелем рук, после того как вошли в здание.

Для исследования и подтверждения эффективности технологии Surfaceskins, авторы разработки проводили тесты с использованием бактерий, которые были найдены на руках персонала медицинской клиники. Для этого они разместили «вредоносных малявок» на дверные пластины Surfaceskins и на стандартные алюминиевые.

Недостатком является ограниченный срок действия Surfaceskins - тканевую поверхность пластины Surfaceskins необходимо менять через каждые семь дней или после 1000 прикосновений, в зависимости от того, что наступит раньше.

Антибактериальная дверная фурнитура INOX MicroArmor(работает круглосуточно, нарушая рост и размножение патогенов четырьмя важнейшими способами:

атакует белки микробов, вызывая нарушение основных функций, прорывает мембрану белков, вызывая потерю важнейших питательных веществ, повреждает внутренние систем микроба путем повышения уровня кислорода в нем, влияет на ДНК и генетику патогенов, в конечном итоге предотвращая его рост и размножение.

Но, основным оружием в арсенале MicroArmor, опять-таки, является технология с ионами серебра, которые непосредственно внедряются в покрытие фурнитуры, обеспечивая безопасную, эффективную и длительную защиту от вредных микробов. Ионы серебра нетоксичны и экологичны. INOX Antimicrobial MicroArmor(дает гарантию на этот продукт в течение двух лет для коммерческого применения и десять лет для жилых помещений.

Однако, антибактериальная дверная фурнитура MicroArmor изготавливается по заказу на предприятии в Калифорнии, приобрести или заказать ее можно только через дистрибьюторы INOX в России и СНГ.

Недостатками являются то, что в данной технологии используется дорогостоящее серебро, а также антибактериальная дверная фурнитура MicroArmor изготавливается по заказу на предприятии в Калифорнии, что получить ее практически трудно и обходится дорого, особенно в период санкций.

Антибактериальные ручки TESA из медного сплава, способные в течение нескольких минут уничтожить бактерии, образующиеся на поверхности.

По мнению авторов вероятность больничной инфекции снижается на 40%. Ручки являются противомикробными по своей природе и не содержат химических добавок, не токсичны. Эффективны даже после сухой и влажной чистки, а также полировки. По мнению авторов, опять таки, медный сплав противостоит следующим микроорганизмам: Акинетобактерия бауманна, Аденовирус, Аспергиллус нигер, Кандида белая, Клостридиум диффициле, Хеликобактер пилори, Вирус гриппа А (H1N1), Легионеллезная пневмония, Листерия моноцитогенная, Микобактерия туберкулеза, Синегнойная палочка, Сальмонелла, Туберкулезная бацилла, Вирус полиомиелита, и что такое утверждение вызывает у нас сомнение, так как медные сплавы не обладают выраженным антибактериальным действием.

Антибактериальные ручки TESA с ионами серебра. TESA разработала еще антимикробные ручки из нержавеющей стали, которые имеют покрытие, устойчивое к микроорганизмам. Активный компонент этого покрытия содержит ионы серебра, которое покрыто цеолитом - видом кристалла, который высвобождает понемногу ионы серебра. Сертификаты Университета Павии подтверждают эффективность покрытия. Такое покрытие может быть в серии ручек TESA Residential и AISI16, кроме серии Solid. Недостатком этого предложения является то, что в качестве покрытия дверных ручек используется дорогостоящее серебро.

Критика аналогов. Соответственно, все вышеприведенные модели дверных ручек имеют те или иные недостатки, которые приведены после описания каждой из моделей дверных ручек.

Прототип.

В качестве прототипа нами выбраны дверные ручки с антибактериальным покрытием ABACO. Научные проверки антибактериального покрытия ABACO, как указыват авторы, были проведены университетами в Наварры (Испания) и в университете Еtudes Брешиа (Италия). По мнению авторов, эффективность этого покрытия против штамма кишечной палочки и золотистого стафилококка, принадлежащих к наиболее распространенным бактериям, была протестирована, как на новых изделиях, так и на изделиях бывших в эксплуатации. Сложное многослойное покрытие, как указывают создатели этого покрытия, разрушает клеточную мембрану бактерий, блокируя ее размножение, путем прерывания цикла клеточного деления. Антибактериальное покрытие активно на протяжении всего жизненного цикла его изделия.

ABACO(- это покрытие, нанесенное методом осаждения паров в условиях вакуума (PVD), которое в сочетании с ионами серебра обеспечивает отличную противомикробную и противовирусную эффективность. Поверхность с покрытием PVD отличается отличной износостойкостью и долговечностью, а противомикробный слой не стирается, как это происходит с обычными покрытиями. Более того, авторы гарантируют, что повседневное использование не только не ограничивает, а даже усиливает эффективность ABACO®, что, по нашему мнению, маловероятно.

Südmetall гарантирует сохранение покрытием антибактериальных и противовирусных свойств на период 20 лет.

(https://www.suedmetall.com/produkte/beschlaege/antibakterielle-beschlaege/?lang=ru; http://strcon.ru/news/dvernye-ruchki-s-antibakterialnym-pokrytiem-kompanii-sudmetall).

Критика прототипа:

1. Антибактериальное покрытие на дверные ручки ABACO(- это сложное многослойное покрытие, и сам процесс многоэтапный и трудоемкий.

2. Точный состав покрытия не публикуется, но в ее состав входит дорогостоящее серебро, что явно влияет на себестоимость изделия.

3. Данное антибактериальное покрытие изготавливается, применяя технологию PVD (или CVD), которое заключается в следующем: все прекурсоры подаются в реактор одновременно, и реакция протекает над подложкой, а образовавшаяся пленка затем осаждается на подложке. Поэтому контролировать толщину целевой пленки в случае PVD или CVD практически невозможно.

4. Антибактериальные нанопленки, полученные на основе PVD или CVD в технологии ABACO®, неравномерные и неоднородные, т.е. нет конформности. Кроме того, в PVD или CVD-процессах истощение прекурсоров ограничивает равномерное покрытие на больших площадях поверхности подложки. Покрытие не конформное (конформность менее 70%, т.е. ступенчатое покрытие с участками, лишенными покрытия; на поверхности пленки появляются аэрозольные частицы - состав пленки неоднородный).

5. В плазменном PVD- процессе, используемой в технологии ABACO((процесс, активизирующий плазмой, как правило, микроволновая плазма), электрический разряд в газе, при давлениях<100 Па, используется для ускорения кинетики CVD реакции за счет дополнительной энергии активации молекул прекурсоров. Это может снизить температуру реакции на несколько сот градусов (обычный CVD проводится при температурах свыше 600°С), и при этом скорость нанесения покрытия резко уменьшается.

6. Процесс, основанный на PVD или CVD, производится только созданием высокого вакуума, в отличие метода АСО, который использован нами для получения антибактериальных нанопленок на дверные ручки.

Цель предлагаемого способа

Целью предлагаемого способа является обеспечение дверных ручек любой конструкции и формы: прочной, износостойкой, равномерной и нетоксичной нанопленкой регулируемой толщины, обладающей антибактериальными свойствами, снижение себестоимости покрытия, используя недорогостоящие, нетоксичные, достаточно прочные и доступные материалы (оксиды ванадия и титана).

Поставленная цель реализуется следующим образом: предварительно наносятся на любые дверные ручки подложки из оксида алюминия толщиной 10 нм, а затем на поверхности подложки поочередно цикл за циклом создается нанопленка из оксидов титана и ванадия (не менее 25 нм из оксидов титана и ванадия), используя технологию АСО (атомно-слоевое осаждение).

Технология АСО (атомно-слоевое осаждение) заключается в том, что один из прекурсоров подвергается воздействию паров предыдущего прекурсора, который образует монослой на поверхности подложки. После удаления избытка предшествующего прекурсора из паровой фазы с помощью продувочного газа (например, аргона, Ar), газ-реагент реагирует с адсорбированным слоем предшествующего прекурсора, формируя слой целевого пленкообразующего материала, т.е., прекурсоры подаются последовательно и по очередности, а реакция протекает непосредственно на поверхности подложки.

Сущность предлагаемого способа

По предлагаемому способу целевая пленка наращивается слой за слоем на подложке, что позволяет проконтролировать толщину образующейся нанопленки из оксидов титана и ванадия на любые дверные ручки: толщина пленки 25 нм и более, нанесенная послойно: один слой оксида титана, на него наносится слой оксида ванадия, и так, повторяя слой за слоем, 224 циклов и более: оксида титана (112 циклов и более) и оксида ванадия (112 циклов и более). Для создания нужной толщины пленки прослеживается только число повторения циклов, используемых в процессе.

Сопоставительный анализ признаков прототипа и предлагаемого в качестве изобретения способа

- По предлагаемому способу используют АСО технологию нанесения нанопленки контролируемой толщины (с точностью до 1 ангстрема), достижения равномерности и чистоты покрытия. АСО технология, используемая по предлагаемому способу, позволяет использование низких температур для нанесения нанопленки на изделия из тугоплавких материалов.

- По прототипу используют технологию PVD (или CVD), которое заключается в следующем: все прекурсоры подаются в реактор одновременно, и реакция протекает над подложкой, а образовавшаяся пленка затем осаждается на подложке. Поэтому контролировать толщину целевой пленки в случае PVD или CVD практически невозможно.

- По предлагаемому способу конформность покрытия 100% и точно контролируется состав покрытия, а по прототипу комформность пленки низкая.

- По прототипу покрытие наносится, используя PVD или CVD, где происходит истощение прекурсоров, что ограничивает равномерное покрытие на больших площадях поверхности подложки. Покрытие не конформное (конформность менее 70%, т.е. ступенчатое покрытие с участками, лишенными покрытия; на поверхности пленки появляются аэрозольные частицы - состав пленки неоднородный).

- По предлагаемому способу нанопокрытие на дверные ручки наносится при температуре 150 градусов по Цельсию, не создавая вакуум.

- По прототипу покрытие наносится при температуре свыше 600 градусов по Цельсию в условиях вакуума.

- По предлагаемому способу дверные ручки наносится нетоксичная, низкой себестоимости нанопленка из оксидов титана и ванадия, которая проявляет бактерицидные свойства, достаточную прочность и износостойкость.

- По прототипу покрытие наносится многослойное покрытие, содержащее серебро, что повышает себестоимость дверных ручек.

Примеры конкретного выполнения способа

Выписка из лабораторного журнала ФГУЗ «Дагестанская противочумная станция» Роспотребнадзора.

Был поставлен опыт по установлению бактерицидных свойств нанесенной на металлические пластинки нанопленки из оксидов титана/ванадия (в виде круга - из стали (Рис.1а), в виде квадрата - из латуни (Рис.1б), т.е. материалов, из которых чаще всего изготавливают простые дверные ручки). Для этого брали смывы с покрытых и непокрытых нанопленкой образцов и высеивали в питательный бульон (Рис.2) для культивирования микроорганизмов (ГРМ-бульон, производитель: ФБУН ГНЦ ПМБ Оболенск) и на плотные питательные среды (Рис.3 а, 6, в, г): питательный агар для культивирования микроорганизмов (ГРМ-агар, производитель: ФБУН ГНЦ ПМБ Оболенск), кровяной агар (агар ГРМ с добавлением 10% крови), агар Эндо-ГРМ (производитель: ФБУН ГНЦ ПМБ Оболенск) и солевой агар-М (производитель: АО НПО «Микроген»).

Опыты проведены в три этапа:

I этап.Посев смывов с образцов на плотные питательные среды и питательный бульон.

II этап.Через 24 часа просмотр посевов. Высев из питательного бульона на плотные питательные среды.

III этап.Через 48 часов от начала исследования. Повторный просмотр посевов.

Сравнительный анализ результатов экспериментов показал:

1. Посев смывов с образцов, покрытых предлагаемой нами нанопленкой из оксидов титана/ванадия, нанесенных по технологии АСО, роста культур на питательных средах (проба) через 24 и 48 часов практически не давали ни на одной из использованных плотных питательных сред, тогда как посевы смывов с образцов, не покрытых нанопленкой (контроль), давали явный, даже сплошной рост культуры через 24 и 48 часов после высевания на плотные питательные среды: питательный агар для культивирования микроорганизмов (ГРМ-агар, рис.3а) и кровяной агар (агар ГРМ с добавлением 10% крови, рис.3б). Незначительный рост наблюдался на желточно-солевом агаре (солевой агар-М, рис.3в) и рост отмечался на среде Эндо (агар Эндо-ГРМ, рис.3 г). Приготовленные из выросшей культуры мазки, окрашенные по Граму и изученные под микроскопом, показывали на наличие в мазках грамположительных кокков, а также грамотрицательных и грамположительных палочек.

2. Проведенный опыт показывает, что нанопленка из оксидов титана/ванадия проявляет хорошие бактерицидные (бактериостатические) свойства.

Положительный эффект от применения предлагаемого способа

Полезность разработанного способа, предлагаемого в качестве изобретения, основана на следующих свойствах нанопленки из оксидов титана и ванадия с подложкой из оксида алюминия, нанесенного на образцы из стали и латуни (на дверные ручки) по технологии АСО: нанопленка из оксидов титана и ванадия проявляет выраженные бактерицидные (бактериостатические) свойства, кроме того, использованная АСО технология создает 100% конформность покрытия и равномерность пленки (до 1 ангстрема), что формирует идеально гладкую, износостойкую и прочную поверхность изделия (дверной ручки).

Создание предварительной подложки из оксида алюминия способствует лучшей адгезии нанопленки из оксидов титана и ванадия, способствует прочности пленки.

Разработанный способ придания антибактериальных свойств дверным ручкам и предметам общего пользования с использованием антибактериальных нанопокрытий, полученных методом атомно-слоевого осаждения путем нанесения нанопокрытия из оксидов титана и ванадия с подложкой из оксида алюминия технически прост в выполнении и позволяет покрывать одномоментно несколько образцов, что, в свою очередь, снижает материальные расходы и повысить экономическую эффективность.

Информация, принятая во внимание:

1. https://inoxproducts.ru/antimicrobial-coating/

2. http://strcon.ru/sudmetall-germaniya-dvernye-ruchki-s-antibakterialnym/ - прототип

Способ придания антибактериальных свойств дверным ручкам, заключающийся в использовании поверхностного покрытия, отличающийся тем, что на дверные ручки наносят подложку из оксида алюминия толщиной 10 нм, а затем нанопленку из оксидов титана и ванадия толщиной 25 нм и более с использованием технологии атомно-слоевого осаждения, покрытие наносится при температуре 150 градусов по Цельсию.