CN101479207A - 在有用制品的表面上维持和使用高浓度的溶解铜的方法 - Google Patents

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Abstract

通过提供铜表面在有用制品的表面上维持和使用高浓度溶解铜的方法,所述铜表面在其上不具有提高润湿角且将该铜表面隔离的涂层,并且该铜表面具有2-50微英寸的表面粗糙度Ra,以便在其上杀灭微生物。

Description

在有用制品的表面上维持和使用高浓度的溶解铜的方法

本发明要求2006年5月23日提交的美国临时专利申请No.60/747,948(“METHODS OF PRODUCTION AND USE OF ANTI-MICROBIALCOPPER”)的优先权权益。

发明领域

本发明总体上涉及提高置于铜或铜合金表面上的溶液中的溶解铜离子和含铜分子的浓度并由此增强这些铜合金表面的抗微生物性能的方法。特别地,本发明涉及在制造成半成品或成品前可按工业规模实施的方法,以及可在制造后施加的处理。

发明背景

铜和铜合金作为人类主要技术材料中的某些已被使用了数千年。它们兼具易于制造性、可再循环性、抗总体腐蚀性、和它们以各种吸引人的颜色及光洁度(finish)的可获得性,使得它们成为用于造币以及其中这些性能重要的各种艺术和建筑应用的优选材料。比几乎所有竞争材料更大的导电性和导热性与有效强度、可成形性和相对低的成本的组合使这些材料对于电子工业是至关重要的。

铜是对健康和人体新陈代谢正常机能、以及其它生命形式至关重要的必需痕量无机元素,其处于非常低的浓度。

英国海军在18世纪初使用船体的铜覆材来防止蛀船虫(船蛆)的侵蚀以及防止海藻和生物体例如藤壶对木质船体的附着。有益作用归因于在与海水接触时铜表面的缓慢溶解。此外,铜和铜化合物已用于由各种材料制成的船体的涂料,这是因为它们在防止船底被海洋生物沉结(foul)中的有效性。这些抗沉结性能依赖于铜离子从受影响表面的释放,从而在表面产生对这些生物体有毒的微环境并且防止这些生物体附着到受影响表面。小至十亿分之一的铜(1ppb Cu)便可对海洋微生物起到作用。

最近研究显示,铜合金表面在降低导致食物传播疾病的微生物例如沙门氏菌、李斯特菌和大肠杆菌的存活能力方面是有效的。这些表面在减少依赖于卫生保健设施中的继发性感染的微生物例如金黄色葡萄球菌、军团菌及其它微生物的存活能力方面也是有效的。

常规地,制备具有光亮表面的铜合金产品,用各种处理防止所述表面受到氧化。铜和铜合金在常温下与大气接触会自然地形成主要由氧化亚铜(Cu2O)构成的薄氧化物层;在含硫环境中,存在提高比例的氧化铜(CuO)和硫化铜(CuS)。该层将随时间而生长得更厚,最终使光亮表面变模糊并导致表面变暗。表面上的氧化物和/或硫化物的暗色膜被认为是“脏的”和令人不悦的,除非有意地用于特殊的装饰或建筑目的。对防止形成这种膜和在它们形成时将其除去进行了大量努力和研究。利用减缓氧转移到铜合金表面的表面处理(防锈污膜、污迹抑制剂或聚合物涂层)也减缓氧化膜的形成。这些和其它方法对于本领域的技术人员是众所周知的。

由于铜、铜合金和铜化合物的抗微生物性能为人们所知已有若干时间,已存在许多关于利用这些性能的材料和方法所颁布的专利。如上所述,数个世纪以来一直使用铜覆材以防止船体的生物沉结;近年来,静态水下结构例如石油平台受到类似保护。这些平台的钢与保护性铜覆材之间的电偶腐蚀限制了该方法的有效性,但Miller(4,987,036;1/1991)公开了一种产生基本连续涂层的方法:放置许多小铜片附着到具有电绝缘材料的结构。Inoue(5,338,319;2/1995)公开了用含铍铜合金涂覆树脂管内侧的相关方法。这两种方法均涉及与海水的接触。

另一项专利(Miyafuji 6,313,064;11/2001)使用Cu-Ti合金,该合金中钛(和可能的其它合金化元素)优先发生氧化。虽然这不依赖于有意的表面处理在金属表面产生氧化物和可用离子,但这些氧化物和离子包括除仅仅铜的硫化物和氧化物及铜离子以外的其它和更多活性元素。

已颁布了许多关于含铜生物杀灭剂的专利,这些含铜生物杀灭剂用在农业生产上和水处理中。铜盐和化合物提供了有效抗微生物的铜离子的稳固来源,但所述化合物相对高的溶解性导致在铜离子被洗掉之前的短期有效性。许多专利关注于降低铜释放到溶液中和提高处理的有效寿命。在Cook(7,163,709;1/2007)、Back(6,638,431;10/2003)、Stainer(5,171,350;12/1992)和Denkewicz(6,217,780;4/2001)中给出了这种类型产品的例子。这些处理可应用于各种表面,但它们没有利用持久的、固有抗微生物的铜或铜合金表面来充当铜离子的长期来源。

用于制造具有抗微生物表面的金属轧制产品(例如金属薄板或成卷带材)的另一种方法是用含有抗微生物剂的溶液、涂料或聚合物涂覆表面并且原位干燥或固化涂层。抗微生物剂可以是金属颗粒、带有抗微生物金属离子的非金属颗粒、含有这些离子的玻璃颗粒、以及/或者金属盐或类似化合物的颗粒。这些方法的典型例子是AK Steel的“HealthShield”产品线(Myers等;6,929,705;8/2005),其由涂覆有带有无机沸石和氧化物的树脂制剂的金属基材构成,所述无机沸石和氧化物进而含有用于抗微生物作用的金属离子或化合物。在Lyon(6,042,877;3/2000)和Zlotnik(5,066,328;11/1991)中公开了其它类似产品(直接使用金属化合物或盐),然而该罗列绝非是穷举的。虽然可以在制造为完成制品之前或之后将这些涂层施加到许多不同的基材,但这些物品的抗微生物性能仅归因于涂层而不依靠金属制品本身作为抗微生物离子的持久来源。

形成抗微生物制品和表面的又一种方法也涉及使用金属粉末颗粒、含有金属离子的盐以及其它化合物、和类似于上述那些的带有金属离子的颗粒,但全部掺混有本体聚合物或类似的可模制物质。McDona1d(6,797,743;9/2004)公开了这样的聚合物,该聚合物还用作基材物品上的涂层;Kiik(6,585,813;7/2003)公开了用于阻止掺混沥青屋顶板和建筑业中所用的其它物品上的藻类生长的相关制剂。同样,抗微生物性能归因于含铜或含其它金属的颗粒,而不归因于材料主体本身。此外,这些材料的有效性受到可掺混到基质中的抗微生物金属颗粒和化合物的总浓度的限制,并且受到这些有效离子穿过基质到达有用表面的转移的限制,其中未涂覆金属表面直接在表面给出有效离子,具有仅受金属在目标溶液中的溶解性限制的最小转移和浓度。

提供无氧化且被处理以防止进一步氧化的铜表面的常规方法的一个缺点是,洁净、裸露、光亮的铜表面通常是疏水的,从而最小化或阻止该表面与水或水溶液之间的接触。一般所施加的用以防止进一步氧化的处理通常比原始铜表面更加疏水,均直接使氧到铜表面的物理转移最小化和防止在铜表面上形成水的吸附膜,该吸附膜可有助于氧到表面的转移和铜离子从表面转移离开。

这些处理的另外缺点是,金属性非离子状态的洁净、裸露、光亮的铜在水中几乎是不溶的。铜的氧化提供可被吸收到水溶液中或体液残余物中的铜离子,从而提供抗微生物性能。在没有可用于转移的这些铜离子时,抗微生物活性表面将需要自然形成。这些自然/大气过程不仅发生缓慢,而且所需反应的反应时间是变化的,该反应时间取决于现有商业处理的性质、环境条件,并且因此难以预测。人们关注于受益于所述发明在将表面入使用时确保其是活性的,因为它们确保在将表面投入使用时其具有可预测的活性。因此,难以预测这些自然形成的表面的抗微生物活性。

现有技术没有解决产生商业有用制品所需制造方法的效果以及那些所述抗微生物表面在加工中可如何改变。本发明所针对的问题是在将制品投入使用时产生可重复和可更新的活性表面,该表面提供可供吸收到水溶液或体液残余物中用于抗微生物性能的铜离子,该表面可在制造期间或之后在半成品或完成制品上产生。

发明概述

在一个实施方案中,本发明通过多种方法中的任何方法在铜和铜合金表面上产生特殊的表面光洁度,其后进行化学处理来提高与表面接触的溶液中溶解铜离子的浓度,从而增强表面的微生物性能。可通过如下方法产生该表面光洁度:用具有合适光洁度的加工辊冷轧;用合适磨料研磨;使用或不使用磨料进行刷拭或抛光;用具有合适尺寸和速度的砂粒或弹丸冲击表面;受控化学蚀刻;和许多其它不同方法。该特殊表面光洁度的目的是增强铜合金表面被水、水溶液和/或体液的润湿,从而增强铜和铜离子溶解到所述流体中用于抗微生物作用。

在一个实施方案中,化学处理包括在轧制卷材(mill coil)加工期间使用除油污处理,以便除去可妨碍表面被水溶液或体液润湿的油类、油脂、蜡和其它表面污染物。其还可涉及用可能添加了氧化剂的稀酸对除过油污的表面进行进一步处理,接着进行水冲洗。该进一步处理用于改变铜或铜合金表面的氧化状态以促进铜离子从表面吸纳(takeup)到与表面接触的溶液中。

在一个实施方案中,表面的化学处理特别地不包括应用锈污(tarnish)抑制剂例如苯并三唑(BTA)或甲基苯并三唑(TTA)(tolytriazole),或者不包括应用油类、蜡或其它物质的膜,所述膜用于抑制表面被水、水溶液或体液润湿或者用于减缓或防止氧或硫发生转移与铜或铜合金表面接触。这些应用抑制铜离子从处理衣面的吸纳并且降低该表面的抗微生物性能。

因此,本发明包括含铜合金表面的有用制品,该铜合金表面经配置用以连续提供有待以高浓度溶解到位于该铜合金表面上的溶液中的铜的来源。

附图简述

图1显示了所测接触角与方法和合金的关系。用抗锈污剂例如BTA、TTA和油进行商业处理的接触角比所列本发明方法中的任一种的接触角更高。具有油膜的商业处理表面具有最高的接触角和最小的水润湿。用酸和氧化剂例如过氧化氢进行处理的表面(方法2)表现出低的接触角和良好的润湿。这种模式适用于所列出的全部合金族(铜、红色黄铜和黄色黄铜)。

图2显示了作为表面处理方法函数的进入水溶液中的铜释出(溶解)与接触角之间的关系。铜释出(evolution)随着降低接触角而增加,这显示表面和溶液之间的润湿(低接触角)对于提高的铜释出且因此对于抗微生物作用是重要的。

图3显示了作为方法途径和表面光洁度函数的溶液中的铜释出/含量。相比于用BTA作为锈污抑制剂的一般商业处理,本发明的所有方法显示出溶液中增加的铜。对于表面光洁度“A”(优选实施方案),某些方法途径显示出铜释出进入溶液的显著增加。方法5和光洁度A的组合显示出所测方法中最高的铜释放。

图4显示了暴露于用本发明方法2处理的表面的大肠杆菌失活速率,与使用BTA作为锈污抑制剂的一般商业处理材料进行对比。该方法显示在仅30分钟暴露后CUF减小3log10(活性细菌减少99.9%),且45分钟后完全失活。商业材料在90+分钟暴露后仅显示出稍微减小。

图5显示了用本发明的方法4进行处理的结果。该方法显示在45分钟暴露后CUF减小31og10,且60分钟后完全失活。商业材料在90+分钟的暴露后仅显示出稍微减小。

图6显示了用本发明的方法5进行处理的结果。该方法显示在45分钟暴露后CFU的稍微较低(21og10)的减小。商业材料在90+分钟的暴露后仅显示出稍微减小。

图7对比了使用BTA的商业处理材料和具有残留油膜且没有进一步处理的轧制材料。当与本发明比较时,两种“商业条件”在整个测试时间中表现出很低的细菌失活速率。

发明详述

参考下面的详细说明可更好地理解本发明,其中描述了许多示例性方法。通篇中使用了许多缩略语。为帮助理解,在下表1中描述并且列出了一些缩略语。这些定义涉及许多内容,包括但不限于材料、材料特性、测试程序、新的制造方法和表面处理方法以及本发明的其它方法的详细定义。

1)接触角研究-通过水溶液进行表面润湿

根据本发明处理的有效性的一个量度是测定处理表面与位于表面上的水滴(“座滴”)的顶表面之间的接触角。在该详细说明中,接触角定义为固体表面和液体(两者在空气中)之间的迎角。在物理上,这对应于固体表面本身与在固体、液体和空气间的接触点处相切于液滴表面的平面之间的角。该接触角与所涉及表面的表面界面能和化学结合有关,正如由各种流体对表面的可润湿性以及表面之间的附着性可见。这些表面能(和接触角)进而涉及如下的可控因素:表面粗糙度(Ra);基面表面本身的化学组成(chemistry);存在或不存在氧化物、硫化物等的(和它们类型的)表面膜或层;和这些表面膜的厚度。

在本发明中,所讨论的固体表面是铜合金的持久金属表面,该表面要么作为主体金属物体的一部分要么作为沉积在基材上的较薄层(但仍是持久的)。本文中使用“铜合金”用于指代任何含铜合金,包括仅铜本身。本文中所讨论的接触角测量用单一标准流体进行,即实验室品质的过滤去离子/反渗透水(DI/RO水),该水已被煮沸以使液体中的溶解气体含量最小化和稳定化。使用座滴法对根据本发明方法处理的各种金属表面进行测量。使用实时拍摄相机/显微镜设置(液滴形状分析系统)进行接触角的实际测量。在向表面定量供给0.003m1上述“标准水”之后,每秒种进行测量持续一分钟。选择接触60秒后的最终接触角作为本研究中用于对比的标准;这有助于使由测试设置的波动、照明条件和气流引起的测量结果变动最小化。

在图1中显示了接触角测量的结果。表面上保留有油膜的商业处理材料具有最高的接触角并因此被用于该测试的水润湿得最差。这是预料之中的,因为这是“油和水不混溶”的常见观察结果。用疏水性锈污抑制剂甲基苯并三唑(TTA)和苯并三唑(BTA)处理的商业表面也表现出高的接触角和差的润湿,这意味着水(和水溶液例如体液和许多清洁剂)将不接触如此处理的表面。对于不同的铜合金,这些结果显示出类似的模式,然而实际数据发生变化;在图1中给出了铜、红色黄铜和黄色黄铜的结果。对于各个被测合金,用本发明的第一种方法(在下文称作“方法1”)处理的表面显示出比标准商业方法始终更低的接触角,而用本发明的第二种方法(在下文称作“方法2”)处理的表面显示出显著更低的接触角。

2)在处理表面上使用模拟体液的铜释出测试[浸没在人造汗液中]

作为根据本发明处理的铜合金表面的有效性的另一量度,进行测试以确定在模拟体液中铜从金属表面释出的速率。因为这样的处理表面的主要应用之一是防止感染和未感染的医院人员之间的交叉污染,触摸表面例如手皮肤所接触(且因此流体例如汗液所接触)的推板或把手是特别引入关注的。公开文献的检索显示,人体汗液中金属释出的许多关注大部分是由于接触皮炎的发生。因此,存在许多“人造汗液”制剂,然而在公开的标准测试方法中几乎不存在,并且这些制剂似乎主要针对镍的测试(表2)。所研究的几乎所有制剂的共同点是存在盐、乳酸和模拟实际汗液中发现的氨基酸残留物的一些含氮物质。虽然大多数制剂类似于常用的血浆扩容剂(extender),但比例发生大的变化,并且许多制剂包括预期与铜表面强烈反应的其它物质(例如硫化物、氨或氨盐)。

表2-人造汗液制剂

  组分 ISO3160-2 EN1811 未知1 丹麦 未知2 JISL0848D 日本2 RL-1(PMX) NaCl 20g/l 0.50% 7.5g/l 4.5g/l 0.30% 19.9g/l 17.0g/l 6.0g/l KCl 1.2g/l 0.3g/l 0.3g/l 尿素 0.10% 1.0g/l 0.2g/l 0.20% 1.7g/l 1.0g/l 2.0g/l C3H6O3乳酸 15g/l 0.10% 1.0ml/l 0.20% 1.7g/l 4.0g/l NH4Cl 17.5g/l 0.4g/l 0.2g/l 乙酸 5g/l Na2SO4 0.3g/l 0.10% Na2S 0.8g/l CH3OH甲醇 1500ml NaC3H5O3乳酸钠 3.1g/l pH 4.7 6.6 4.57 未指明 4.5 未指明 未指明 未指明 调节物 NaOH NH4OH 未指明 未指明 未指明 未指明 未指明 未指明

选择用于该测试的一种人造汗液制剂为JIS L0848D,其包括NH4Cl(氯化铵)和Na2S(硫化钠)。预期这两种物质均明显地腐蚀铜表面,并且根据其本身的性质对微生物体有些毒性。使用该制剂的随后测试显示了出人意料的腐蚀和不溶CuS(硫化铜)膜的形成。该腐蚀产物难以通过所选技术进行分析,并且是非生物可利用形式,且因此从抗微生物观点看是无效的,因此停止用该制剂的测试。所使用的其它组合物是文献中发现的其它侵蚀性较小制剂之间的折衷,并且是基于可易于获得的药物供应品。如下制备该制剂:采取Lactated Ringer的溶液(在严重脱水或失血的情形中使用的常见血浆扩容剂)并加入足够量的尿素以模拟实际汗液中通常发现的氨基酸残留物和蛋白质分解产物。最终组成也在表2中给出。

通过两种方法将铜样品暴露于人造汗液(浸没和座滴)。浸没测试包括将处理过的金属试样放入具有已知量的所选汗液制剂(通常为15ml,足以完全覆盖样品)的大试管中。将该管摇动所需暴露时间,之后将其从管中取出并用已知量的实验室品质的过滤去离子/反渗透水(DI/RO水)向下朝管内进行冲洗。记录所使用的人工汗液的总量,用于计算稀释倍数从而确定铜在原始暴露中的实际浓度。座滴法(“液滴”测试)包括:用移液管将少量测试溶液移到水平保持的处理试样的顶面上,暴露所需时间,然后将液滴倾入到试管中并用已知量的DI/RO水向管内冲洗该试样。可用于初始液滴暴露的溶液量受处理试样上溶液表面张力的限制。该方法(虽然类似于随后的生物测试暴露程序)具有较小的暴露于溶液的铜表面积,需要较大的稀释来为ICP测试提供足够体积,不允许在表面上摇动溶液,并且比浸没测试法产生更大的测试结果变化性。这里给出的铜释出结果均是通过浸没技术。

在Thermo Electron Corporation提供的IRIS Intrepid II XSPDual View分光仪上通过感应耦合等离子体光谱(ICP)就铜含量对暴露且稀释的溶液进行分析。该机器的铜检测限是十亿分之(PPB)1.3。这与铜在海水中的抗沉结应用中的最小毒性极限(1 PPB)具有相同数量级,因此溶液中存在任何可检测的铜将可望显示一些抗微生物作用,且Cu浓度越大作用越大。使用稀释水平将分析的浓度进行再归一化,回退到实际暴露期间的适当值。还就其它元素(A1、Zn、Ni和Ag)进行分析,作为对用ICP进行测试的一致性的检验。

图2显示了不同方法处理的接触角测量结果之间的对比以及从用相同方法处理的试样到溶液中的铜释出。对于一般商业方法,存在通常低的铜释出速率,并且表明铜确实显示被被牢固束缚且不可用于微生物体。对于通过本发明方法处理的表面,在接触角和铜释出之间存在强的相关性;当接触角降低时(表明较好的表面润湿),铜释出显著增加。

在图3中给出了对于各种处理途径和表面光洁度铜从浸没在人造汗液RL-1中的处理试样释出到溶液中的结果。对于与本发明有关的所有方法,溶液中的铜含量比由具有苯并三唑(BTA)锈污抑制剂涂层的条带的标准商业处理获得的结果更高。对于表面光洁度B和C,所有被测方法的结果遵循类似模式(在标准商业方法中Cu含量提高2-6倍)。对于表面光洁度A(优选实施方案),结果与一些本发明方法途径的其它表面光洁度类似,但其它优选方法途径(方法2和方法5)显示出显著的提高,溶液中的铜含量从15倍提高到25+倍。

3)微生物测试—暴露在处理铜合金表面上的细菌的失活

本发明方法的抗微生物有效性的进一步证实是用生物试剂进行实际测试,以显示通过与处理表面接触而使这些试剂失活的速率。所使用的测试方法是用于评价无生命(inanimate)、无孔、非食物接触的表面上的消毒杀菌剂的抗微生物有效性的ASTM核准方法的改进形式。所使用的方法包括:

1)准备待测微生物体的标准培养物;

2)固定所需材料的样品,和/或根据所需测试条件处理样品(本发明的方法和用于对比的标准材料);

3)将处理过的样品暴露于已知量的所培养的生物体,持续所需测试时间;

4)将暴露的试样放置在一定量的适宜中和溶液中(该溶液既不促进也不阻碍生物体的进一步生长并且将中和被测表面的进一步作用),并且超声处理该试样以将任何存活生物体悬浮到中和溶液中;

5)从中和溶液中取出测试试样以进一步确保停止铜合金表面的抗微生物作用;

6)将中和剂溶液(具有存活微生物体)稀释到合适水平以便在暴露后提供易于计数的结果,并且将已知量的稀释溶液暴露于涂有用于所选微生物的适宜生长介质的陪替氏培养皿上;

7)培养暴露的培养皿(所准备的陪替氏培养皿)以促进可数菌落的生长,接着对单独培养皿上的菌落进行计数;

8)在用于从暴露表面除去存活生物体的原始溶液中计算(基于所转移溶液的已知量和稀释水平)菌落形成单位(CFU)的数目;

9)为提供用于对比的基线数据,使用相同(不同之处在于对铜合金表面的暴露)技术处理匹配量的初始标准培养物,用同样的方法进行覆液(plate)、培养和计数。

对具有表面光洁度A(~10Ra)的合金C11000的复制试样就各个测试条件进行测试,并且将所有稀释物重复进行覆液以使生物实验室制备技术中变动的影响最小化。使用得自美国模式培养物保藏中心(ATCC),Manassas,VA的大肠杆菌(Escherichia coli)(ATCC 11229)进行该研究中的所有暴露。使用其它受关注的生物体时预期到类似结果,例如在医院内获得性(医院的)感染和食物中毒的爆发中所涉及的金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)和沙门氏菌(Salmonellaenterica)。在使用前将储备培养物培育至少48小时,以确保生物体的旺盛生长。使用20微升储备培养物用于处理试样的接种(inoculation),并且将存活体悬浮在20ml作为中和试剂的Butterfield缓冲溶液(DI/RO水中0.6mM KH2PO4磷酸二氢钾)中。对于随后的稀释也使用相同的缓冲剂,并且用20ml稀释的悬浮液接种最终生长培养皿。用于大肠杆菌的储备培养物的生长培养基是DifcoTM Nutrient Broth(牛肉提取物和胨)并且用于陪替氏培养皿的培养基(培养皿培养基)是DifcoTM Nutrient Agar,二者均来自Becton,Dickinson and Company,Sparks,MD。(适当时)通过如下方式进行杀菌:蒸汽高压釜(优选)、在200-400℃的烘箱中进行干热(在需要某些测试条件时)或者将器械浸没在99%+的异丙醇中。在48小时培养后通过暴露培养皿的目视检查进行人工培养皿计数。在可能时使用表现出20-300菌落(在特定稀释下)的培养皿用于计数;必要时在低的稀释下使用较低的计数培养皿。

出于本研究的目的,暴露后保留在试样上的(CUF的)细菌绝对数目不如自原始基线数目起的减少率(百分率或log10减小)重要。EPA效力数据要求认为,与基线相比获得99.9%的生物体数目减少(CFU减小3log10。)被认为是有效的,因此这是本研究中所寻求的触发水平(trigger level)。确定CUF减小3log10所需要的暴露时间并且将其与未用本发明方法处理的铜合金的抗微生物有效性的其它研究的类似数据进行对比。

在图4至图7中给出了微生物暴露测试的结果。在所有情形中,将使用本发明方法之一的暴露结果与使用一般商业处理进行处理且涂有BTA作为锈污抑制剂膜(用于铜合金轧制产品的一般条件)的样品的暴露进行对比。图4显示了用本发明方法2(DG+PKL)进行处理的结果。通过该方法处理的表面在仅30分钟暴露后显示出3log10的CFU减小(活性细菌减少99.9%),在45分钟后完全失活。具有BTA涂层的商业处理材料在90分钟暴露(本研究中使用的最长暴露)后显示仅2log10的CFU减小。在2005年研究中,Michels等显示不同品系的大肠杆菌在90分钟后完全失活,然而没有报道表面光洁度和存在任何抗锈污膜。

图5显示了使用本发明方法4(DG+PKL+FURN1)的生物暴露结果。用该方法处理的表面显示在稍微大于45分钟时3log10的CFU减小,且在60分钟的暴露后完全失活。

图6显示了使用本发明方法5(DG+PKL+FURN2)的生物暴露结果。用该方法处理的表面在45分钟时显示出CFU的较低减少(仅减少2log10),但在相同的60分钟暴露后急剧转变并完全失活。所有三种优选的测试方法与先前公开的数据相比显示出活性CFU的显著更快的减小(达到3log10减小的时间少了40-60%以及达到完全失活的时间少了30-50%)。

图7显示了标准的最终商业处理(包括BTA作为锈污抑制剂)和经轧制(但未进行清洁或涂覆)且具有辊轧润滑剂的残留膜的材料之间的对比。这两种条件显示出类似的行为,具有暴露细菌的低失活速率(在60-90分钟后CUF仅减小1-1.5log10)。接触角研究显示这两种条件均具有差的润湿和高的接触角,并且轧机油态(mill oil)样品具有所研究的最高接触角。

将参考下面的实施例进一步描述本发明的一个实施方案:

将铜合金带加工至所需厚度、退火以便软化和用一般方法进行清洁以在最终轧制前从该带上除去氧化物。将具有意欲提供所需表面光洁度的表面的工作轧辊装到辊轧机架中;将盘卷形式的带材装载到辊压机中并在一个或多个道次中轧制到最终厚度。产生所需表面光洁度的工作轧辊上所要求的表面光洁度将取决于合金、进入时的硬度、进入时的表面光洁度、减薄道次进度表和本领域技术人员已知的其它因素。轧制带的所需表面光洁度应为2-50微英寸Ra;优选地,该表面光洁度应为4-36微英寸Ra;且最优选地,为6-14微英寸Ra。在轧制后,将盘卷形式的带材装载到半连续清洁线上并使用商业除油污溶液除去残留的轧制润滑剂,用水冲洗(未应用疏水性的锈污抑制剂),和用热空气干燥。将卸自清洁线的干燥带材成形回到易于运输的盘卷。应以最小的延迟进行切裁至最终宽度并进行包装用于装运,以防止未涂覆带材的在视觉上可令用户不悦的过度大气氧化。带材表面的一般锈污和轻微氧化可望作为该方法的一部分并且对于该带材的抗微生物性能可以是有益的。在需要进一步对表面光洁度进行精制时,可以用或不用刷拭或抛光进行清洁。

还将参考下面的实施例描述本发明的另外实施方案:

将铜合金带加工至所需的最终厚度、退火以便软化和用一般方法进行清洁以在最终轧制前从该带上除去氧化物。将具有意欲提供所需表面光洁度的表面的工作轧辊装到辊轧机架中;将盘卷形式的带材装载到辊压机中并在一个或多个道次中轧制到最终厚度。产生所需表面光洁度的工作轧辊上要求的表面光洁度将取决于合金、引入时的硬度、引入时的表面光洁度、减薄道次进度表和本领域技术人员已知的其它因素。轧制带材的所需表面光洁度应为2-50微英寸Ra;优选地,该表面光洁度应为4-36微英寸Ra;且最优选地,为6-14微英寸Ra。在轧制后,将盘卷形式的带材装载到半连续清洁线上并使用商业除油污溶液除去残留的轧制润滑剂,用水冲洗,用适合于减少或溶解金属氧化物的酸溶液例如硝酸、硫酸、磷酸、盐酸等进行处理。许多商业制剂依赖于典型<30%的硫酸浓度(可向其添加氧化剂例如过氧化氢),接着用水冲洗(未应用疏水性的锈污抑制剂),和用热空气干燥。硫酸浓度优选<25%,且更优选为10-20%。过氧化氢含量(如果使用的话)优选<15%,且更优选为0.5-3%。还可以使用其它酸和氧化剂;该实施例仅是示例性的而并不意欲限制体现在本发明中的一般性原理的应用。将卸自清洁线的经干燥的带材成形回到易于运输的盘卷。应以最小的延迟进行切裁至最终宽度并进行包装以便装运,以防止未涂覆带材的在视觉上可令用户不悦的过度大气氧化。带材表面的一般锈污和轻微氧化可望作为该方法的一部分并且对于带材的抗微生物性能可以是有益的。在需要进一步精制表面光洁度时,可以用或不用刷拭或抛光进行清洁。如果可获得既用于除油污又用于酸处理的设备,则可在单一连续清洁线上进行清洁;否则,这些操作可在两个独立的清洁线上进行。如果在两个独立的清洁线上进行,则在第一线上干燥之前可施用疏水性锈污抑制剂,以便在酸处理前向带材提供表面保护,但切裁之前在最终处理步骤之后不施用这样的抑制剂。

还将参考下面的实施例描述本发明的另外实施方案:

通过一般商业方法将铜合金带加工至2-50微英寸Ra的所需轧制带表面光洁度;优选地,该光洁度应为4-36微英寸Ra;且最优选为6-14微英寸Ra。可将该带材按原样装运(ship)或进行除油污,或者(如果对于随后的成形处理是所需的则)可进行退火以便软化并清洁以除去退火处理期间形成的氧化物。在清洁后,可用疏水性锈污抑制剂涂覆该带材以保持带材的表面状态和外观,该带材将通过一般商业方法例如冲压、拉拔、弯曲、压印等成形为成品部件。这些方法对本领域技术人员而言是公知的。然后将该带材成形为所需的成品部件。

在成形后和在最终组装之前或之后,以及在该制品投入使用前,用商业除油污溶液清洁该制品以除去用作成形润滑剂的油类、蜡和脂类的残留物和/或用水冲洗(未应用疏水性锈污抑制剂),和/或用热空气干燥。这些制品在所述处理之前不应当用涂层、漆、涂料或其它聚合物涂饰剂进行处理。在除油污处理后,如上所述还可用酸溶液对它们进行处理。例如:如上文所述的<30%的硫酸(可向其添加氧化剂例如过氧化氢)和/或用水冲洗(未应用疏水性锈污抑制剂)和/或用热空气干燥。

在除油污后还可对成形部件进行处理以有意地改变铜合金表面的氧化状态,从而提高表面上的铜的生物可利用性(bioavailablity)以增强抗微生物性能。这可通过许多方法中的任一种来实现,包括:在0C至500C的温度下于空气中(或者含有诸如O2,H2,N2或者Ag、P、S、N、C等的化合物的许多成分中的任何成分的反应性气氛)暴露不同时间;通过用硫化物、卤素、盐和稀酸的溶液进行处理;通过用有意加入氧的水进行处理;通过用过氧化氢或类似氧化剂的溶液进行处理;和本领域技术人员已知的其它方法。该处理的意图是使该表面具有更大的化学活性,这不同于防止铜合金表面发生氧化的一般商业实践。

应注意的是,上面的实施例仅是说明性的,而并不限制本发明背后原理的应用。可使用其它特定设备来获得所需的表面粗糙度或光洁度;可使用其它溶液来除去油类、脂类及其它表面膜;可使用不同的酸及浓度,并且还可使用过氧化氢以外的氧化剂。本发明的基本部分是如下原理:产生特殊的所需表面粗糙度或光洁度,和/或对铜合金表面进行商业除油污处理以除去疏水表面膜,和/或用酸和/或氧化剂处理表面以提高处理表面与水溶液之间的接触角并且提高处理表面中铜的生物可利用性,和/或使表面经受合适的气氛和温度以进一步提高铜离子的释出,和/或特别是排除在如此处理的表面上使用疏水性保护膜和锈污抑制膜以实现抗微生物作用。

本发明的铜和铜合金表面可用于许多应用,包括但不限于:

医疗器械

用具

照明装置和控制器

卫生器具(plumbing fixture)

手工工具

急救装置

车辆触摸表面

用于农产品和肉类处理的加工设备、农业包装

谷物或食品贮藏

水/食物配给

耳标

乳品和肉类加工

快餐和商业餐馆

蜂窝电话和电信

计算机(键盘和外围设备)

面具和呼吸装置

建筑产品和建筑物中的防霉。

在本说明书全文中,重复使用了术语除油污和清洁。应理解的是,考虑到对表面进行清洁/除油污的许多替代方式,这些方式包括但不限于:

1)研磨清洁/喷砂

2)阴极清洁(cathodic cleaning)/除油污

3)阳极清洁/化学蚀刻(milling)

4)电解和电化学清洁

5)施加超声或其它声学激励

6)用于特殊医学应用的离子蚀刻

在一个实施方案可优选进行下面全部:

使用超声+阳极电解清洁+阴极化学蚀刻。

Claims (21)

1.产生铜带的方法,该方法包括步骤:
a.提供待加工至预定厚度且具有预定抗微生物特性的铜合金带;
b.对该铜合金带进行退火;
c.在最终轧制前对该铜合金带进行清洁以除去氧化物;
d.将盘卷形式的铜合金带装载到辊轧轧机中并轧制到预定厚度;
e.该铜合金带具有2-50微英寸的表面粗糙度,至少部分依赖于所述预定的抗微生物特性来确定更精确的表面粗糙度范围;
f.将盘卷形式的铜合金带装载到至少是半连续的清洁线中以除去任何残留轧制润滑剂;
g.使用除油污溶液来除去这些润滑剂;
h.用水冲洗铜合金带并进行干燥;
i.将铜合金带成形回到盘卷;和
j.对铜合金带进行裁切以形成预定宽度并进行包装以便装运,而其上没有布置任何将所述铜合金带的侧面与大气中的氧隔离的涂层。
2.权利要求1的方法,其中所述表面粗糙度为4-36微英寸。
3.权利要求1的方法,其中所述表面粗糙度为6-14微英寸。
4.权利要求1的方法,其中用配置成溶解金属氧化物的酸来处理所述铜合金带。
5.权利要求4的方法,其中所述酸是浓度小于30%的硫酸。
6.权利要求5的方法,其中将所述硫酸与氧化剂结合。
7.权利要求6的方法,其中所述氧化剂是过氧化氢。
8.权利要求7的方法,其中所述硫酸浓度为10%-20%以及过氧化氢浓度为0.5-3%。
9.权利要求8的方法,其中应用加热吹送的干燥空气来干燥所述铜合金带。
10.权利要求9的方法,其中表面粗糙度为6-14微英寸Ra。
11.向溶液提供连续补充的溶解于该溶液中的铜的方法,该方法包括步骤:
a.提供具有铜合金接触表面的固体铜合金块体;其中所述铜合金接触表面具有用于杀灭微生物的预定表面粗糙度特性和相关的预定特性;
b.所述铜合金接触表面在其上不含任何阻挡涂层,所述阻挡涂层覆盖所述铜合金接触表面、隔离所述铜合金接触表面使其不暴露于大气中的氧、并且还向所述铜合金接触表面提供增加的润湿角;
c.所述铜合金接触表面是经配置用以提供连续铜来源的表面;
d.通过如下方式直接安置所述固体铜合金块体:告知用户将具有所述铜合金接触表面的所述铜合金块体配署到经配置用以促进暴露以便与人手或污染颗粒接触的应用中,所接触表面具有用于杀灭微生物的所述预定特性并且由于所述预定特性,提供了位于所述铜合金接触表面上的活体有害病原体的减少。
12.权利要求11的方法,其中所述直接安置步骤包括步骤:
由所述固体铜合金块体制造有用物品并告知用户所述有用物品具有抗微生物性能。
13.权利要求12的方法,其中所述有用物品是政府铸造且为了分配而发行的硬币。
14.设计和制造具有抗微生物特性的有用制品的方法,该方法包括步骤:
确定抗微生物特性是有用制品的最低设计要求;
至少部分基于抗微生物特性的最低要求来确定有用制品上接触表面的表面粗糙度特性;
提供经基本配置以符合所述表面粗糙度特性的铜合金接触表面,以便连续提供将以高浓度溶解到置于铜合金接触表面上的溶液中的铜的来源。
15.销售抗微生物消费产品的方法:
提供表现出有用功能的有用消费产品,该产品在其上具有接触表面,该表面经配置用以在所述有用消费产品的操作期间被人手的一部分触摸并且同时表现出有用功能;
其中所述接触表面包含具有2-50微英寸Ra粗糙度特性的铜合金接触表面;
其中所述接触表面不含任何将所述接触表面与大气中的氧隔离的涂层;和
做出的断言是,至少部分基于所述铜合金接触表面,所述有用消费产品具有趋于随时间而减少接触表面上活微生物的量的性能。
16.权利要求15的销售有用消费产品的方法,其中所述有用消费产品是门把捏手,并且其中所述铜合金接触表面具有6-14微英寸Ra的粗糙度特性。
17.权利要求15的销售消费产品的方法,其中所述有用消费产品是门推板,并且其中所述铜合金接触表面不含施加到其上趋于提高该铜合金接触表面的润湿角的任何涂层。
18.权利要求15的销售有用消费产品的方法,其中所述有用消费产品是烹饪用具。
19.销售抗微生物建筑产品的方法:
提供表现出有用功能的有用建筑产品,该产品在其上具有接触表面,该表面经配置以便被活的有害微生物接触并同时表现出有用功能;
其中所述接触表面包含具有2-50微英寸Ra粗糙度特性的铜合金接触表面;
其中所述接触表面不含将所述接触表面与大气中的氧隔离的任何涂层;和
做出的断言是,至少部分基于所述铜合金接触表面,所述有用建筑产品具有趋于随时间而减少接触表面上活微生物的量的性能。
20.权利要求19的销售抗微生物建筑产品的方法,其中所述抗微生物建筑产品是加热用和通风系统用管道工件,并且其中所述铜合金接触表面具有4-36微英寸Ra粗糙度特性。
21.减少疾病传播的方法,该方法包括步骤:
在门上于一定位置处提供铜合金表面,其被设计为当门打开时被人手接触;
所述铜合金表面具有6-14微英寸Ra的表面粗糙度,并且在其上不含趋于提高该铜合金表面的润湿角的任何涂层;和
将该门配署在医院中。
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