NO330629B1 - Anvendelse av biologisk inhiberende materiale - Google Patents

Abstract

Biologisk inhiberende materiale som representerer en overflate med separate arealer av et anodemateriale og katodemateriale, hvor avstanden mellom hvilke som helst punkter på den aktive flaten til både det nærliggende katodematerialet og det nærliggende anodematerialet ikke overskrider 200 (m, så vel som en fremgangsmåte for å produsere et slikt materiale. Materialet inhiberer levende celler som kommer i kontakt med eller nært materialet.

Description

Teknisk område

Denne oppfinnelsen gjelder anvendelse av et biologisk inhiberende materiale som inkluderer et elektrodemateriale og et katodemateriale, hvor både anodematerialet og katodematerialet har et positivt galvanisk material, og hvor potensialet til katodematerialet er mer positivt enn potensialet til anodematerialet. På grunn av denne potensialforskjellen, vil det biologiske inhiberende materialet fungere som et galvanisk element i kontakt med en elektrolytt. Oppfinnelsen gjelder også anvendelse av materialet for å inhibere levende celler.

Teknisk bakgrunn

God hygiene er en vesentlig faktor innen matproduksjon. Store ressurser investeres i rense- og desinfiseringsutstyr for å forbedre levetiden til produktene. I tillegg har det i de senere år blitt fokusert på risikoen for å kontaminere matprodukter med patogene bakterier. Dermed er det et økende behov for forbedring innen feltet god hygiene ikke bare når det gjelder rensing men også når det gjelder egnet design av maskinene som anvendes i produksjonen.

Siden 1. januar 1995 har EU bestemt at maskiner for å prosessere matprodukter må være utformet for å understøtte god hygiene og en effektiv renseprosedyre som sikrer en optimal matproduktsikkerhet. Dermed oppstår det naturligvis et behov for å systematisk optimalisere hygieneutformingen av maskinene for prosessering av matprodukter.

En optimal rensing av et lukket prosessutstyr omfatter å sikre at rensefluidet sirkulerer ved en tilstrekkelig høy strømningshastighet som fremskaffer en turbulent strømning over hele prosessutstyret. Døde arealer med en svært liten strømningshastighet bør dermed unngås ved en egnet utforming av utstyret.

Til tross for disse tiltakene kan det være vanskelig å fullstendig unngå materialet i prosessutstyret hvor små rester av matprodukter fester seg til veggene til utstyret

eller akkumuleres i små lommer og dermed fremskaffer grobetingelser for uønskede og ofte patogene mikroorganismer. Siden disse mikroorganismene gror svært raskt i matprodukter som blir prosessert i prosessutstyret, kan slike små rester svært hurtig få seriøse effekter på både helse og kostnader.

For tiden er det forsøk på å utvikle materialer som har en redusert tendens til å danne biofilmer. Eksempler har materialer som er redusert klebing til protein og fett og mikroorganismer. Men en slik løsning er imidlertid usannsynlig når det gjelder å unngå matrester og mikroorganismer fra å akkumulere seg i små lommer og sprekker. Dermed er det et behov for et materiale med en iboende antimikrobiell egenskap.

US 5 843 186 (Christ) beskriver en intraokkular plastlense (IOL) med en antibakteriell aktivitet basert på en iontoforetisk effekt. I det minste en del av linsen er lagd av et iontoforetisk komposittmateriale som inkluderer to komponenter, slik som sølv og platina med forskjellige galvaniske potensialer fordelt i en ledende polymergrunnmasse. Den iontoforetiske effekten oppnås når linsen implanteres i et øye. Der vil salte kroppsfluider penetrere inn i polymermatriksen og etablere et galvanisk element mellom de to innleirede komponentene. Dette forårsaker ioner fra den ene komponenten til å løse seg slik at ionene kan migrere ut i grunnmassen og inn i de omgivende kroppsvæskene hvor de utøver en antibakteriell effekt. For å beskytte kroppen mot skade, er de galvaniske elementene i seg selv isolert fra direkte kroppskontakt i den omgivende polymergrunnmassen, sterke elektriske felt blir eventuelt generert nær de galvaniske elementene.

På grunn av at denne kjente okkularimplantant er i kontakt med øyet, blir den antibakterielle effekten justert for å sikre at kroppen ikke lider noen akutt eller akkumulert skade. Det er også viktig at en akkumulering av antibakterielle ioner blir unngått i en lengre eller kort periode.

En antibakteriell effekt basert på det iontoforetiske prinsippet er foreslått i US

5 843 186 (Christ) som er justert for å anvendes i et implantat, er ikke forventet å være tilstrekkelig for slik antimikrobiell eller annen cytosidal bruk hvor den ønskede effekten kan være vesentlig sterkere enn det som er kjent hittil. I tillegg vil en intensifisering av effekten for å frigjøre en økt mengde antimikrobielle ioner resultere i økte mengder av ionerester i løsningen eller i de drepte mikroorganismecellene, som ikke kan tolereres i mange situasjoner slik som f.eks. i forbindelse med prosessering av matprodukter.

US 4 886 505 (Haynes et al.) beskriver en apparatur som skal innsettes i en kropp, slik som et kateter. På overflatene er denne apparaturen belagt med et første og et andre metall på en slik måte at den galvaniske effekt fremskaffes når apparatet bringes i kontakt med en elektrolytt, slik som en kroppsvæske. Det er foreslått at de to metallene anvendes på overflaten til kateteret i form av svært tynne filmer av en tykkelse på ca. 5-500 nm, enten et metall på toppen av det andre metallet eller på en slik måte at deler blir dekket med den ene typen metallfilm mens den andre delen dekkes med en andre type metallfilm, og en bryter kobles mellom de to typene med det resultat at den galvaniske effekt kan slås av og på etter behov.

I én utførelse er kateteret belagt med to metallfilmer, én over den andre, og produserer en galvanisk effekt som resulterer i relativt store potensialforskjeller pr. avstand, dvs. høye elektriske feltstyrker i et areal som blir utilgjengelig for mikroorganismer, dvs. arealet ved kontaktflaten mellom de to filmene. Dermed er den antimikrobielle effekten basert på metallioner som frigjøres i kontaktlaget til tross for at de er tiltrukket av katodematerialet.

I en annen utførelse er ca. halvparten av flaten til kateteret dekket av én type metallfilm mens den gjenværende andelen av overflaten er dekket med en andre type metallfilm bortsett fra en mellomliggende ikke-dekket andel hvor en bryter er posisjonert. Her er den galvaniske effekten aktiv når den er i direkte kontakt med de omgivende kroppsvæskene, men den relativt store potensialforskjellen pr. avstand, dvs. de høye elektriske feltstyrkene er kun til stede i grenseområdet mellom de to metallfilmene, mens potensialforskjellen pr. avstand og dermed den elektriske feltstyrken er vesentlig svakere i deler som ligger lengre borte fra grenseområdet. Dermed blir den antimikrobielle effekten også her basert på frigjøring av metallioner.

Dermed kan ikke prinsippet foreslått i US 4 886 505 (Haynes et al.) anvendes i situasjoner hvor en sterk galvanisk effekt med høy elektrisk feltstyrke over hele flaten er nødvendig uten å involvere en vesentlig frigjøring av metallioner.

Det er derfor et fortsatt behov for materialer som er i stand til å effektivt inhibere levende celler langs hele flaten til materialet på en slik måte at det ikke er noen arealer eller domener med en utilstrekkelig antimikrobiell effekt hvor uønskede mikroorganismer kan overleve. Slike materialer er nødvendige innenfor matindustrien hvor gjenlevende mikroorganismer i produksjonsutstyret, under lagring og under transport kan forårsake seriøse problemer slik som rask misfarging av produktene og sykdomsfremkallende effekter hos forbrukeren. Disse problemer er spesielt alvorlige når de prosesserte matproduktene er næringsmedier for mikroorganismer det gjelder og som en konsekvens kan fremme vekst av slike mikroorganismer. Slike matprodukter er f.eks. meieriprodukter, kjøtt og fiskeprodukter, gravy, juice, limonade, øl, vin eller leskedrikker.

Kort beskrivelse av oppfinnelsen

Det har vist seg overraskende at det er mulig å oppnå en spesielt sterk celleinhiberende effekt på et materiale som inkluderer et anodemateriale og et katodemateriale, hvor anodematerialet og katodematerialet danner et galvanisk element i kontakt med en elektrolytt, såfremt én eller flere flater i materialet er utformet slik at en hvilken som helst lokalisering på flaten er i kort avstand fra både det nærliggende anodematerialet og det nærliggende katodematerialet.

Dermed gjelder oppfinnelsen anvendelse av et biologisk inhiberende materiale som inkluderer et anodemateriale og et katodemateriale, hvor både anodematerialet og katodematerialet har et positivt galvanisk materiale og hvor potensialet til katodematerialet er mer positivt enn potensialet til anodematerialet, og hvor materialet er kjennetegnet ved at det inkluderer en overflate med separate (diskrete) arealer av et anodemateriale og et katodemateriale, hvor avstanden mellom hvilket som helst punkt på den aktive flaten og begge de nærliggende katodemateriale og nærliggende anodemateriale ikke overskrider 200 u.m.

I tillegg gjelder oppfinnelsen bruken av de biologisk inhiberende materialene for å inhibere eller drepe levende celler.

Den bestemte utformingen av overflaten til materialet sikrer at et hvilket som helst punkt på overflaten er posisjonert i en kort avstand fra den nærliggende katoden og anoden. Som et resultat vil det oppstå en relativt sterk potensialforskjell pr. avstand, dvs. en høy elektrisk feltstyrke. Dette er en klar forbedring sammenlignet med den ovenfor beskrevne utføring i US 4 886 505 (Haynes et al.). I denne utførelsen er metallflatene delt inn i to halve. Dette betyr at det kun er mulig å oppnå slike høye feltstyrker nær grensearealet i umiddelbar nærhet til begge materialer, mens den elektriske feltstyrken blir vesentlig lavere når avstanden til grenseflaten økes. Tilsvarende blir den elektriske feltstyrken i den intraokkulare lensen i henhold til US 5 843 186 (Christ) blir generert inne i polymergrunnmassen i en avstand fra mikroorganismer som skal kontrolleres.

En ytterligere fordel med det biologisk inhiberende materialet er at anodematerialet - som kan være laget av sølv, ikke løses under den galvaniske prosessen og vil dermed ikke frigjøre vesentlige mengder av Ag<+->ioner til elektrolytten. Faktisk er konsentrasjonen av Ag<+->ionene svært lav og basert på likevekt og ingen tvungen oppløsning finner sted. Dermed kan det inhiberende materialet anvendes for prosessering av produkter eller materialer hvor nærvær av sølvioner ikke er ønskelig.

Således gjelder foreliggende oppfinnelse en anvendelse av et biologisk inhiberende materiale som inkluderer et anodemateriale og et katodemateriale, hvor både anodematerialet og katodematerialet har et positivt galvanisk potensial, og hvor potensialet til katodematerialet er høyere enn potensialet til anodematerialet, hvoretter materialet inkluderer en overflate med separate arealer av anodemateriale og elektrodemateriale hvor avstanden mellom et hvilket som helst punkt på den aktive flaten og både det nærliggende katodematerialet og nærliggende anodematerialet ikke overskrider 200 u.m for å inhibere levende celler inkluderende eukaryote og prokaryote celler utenfor en menneske- eller dyrekropp.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Som nevnt ovenfor har det inhiberende materialet overflater med separate arealer av to elektrodematerialer.

Disse arealer er fordelt på den aktive flaten på et slikt vis at avstanden mellom et hvilket som helst punkt på flaten og nærliggende katodemateriale og mellom punktet og det nærliggende katodematerialet ikke overskrider 200 u.m. Disse avstander er fortrinnsvis kortere enn 100 u.m og typisk betydelig kortere.

Et materiale som møter disse kravene kan prepareres ved å starte med et materiale som har en overflate av ett av elektrodematerialene fulgt av en ufullstendig beleggingsprosedyre med det andre elektrodematerialet. På dette vis vil det oppstå en ufullstendig dekning med det andre materialet.

Det er tilgjengelig mange beleggingsmetoder for en fagperson for å påføre tynne metallbelegg på en flate. Dette kalles også plettering. Det er vel kjent for en fagperson innen feltet å produsere et metallbelegg ved hjelp av et egnet valg av prosessparametere, slik som prosesstid, oksidasjon, temperatur, osv. hvor metallbelegget fullstendig dekker substratflaten ved en ønsket lagtykkelse og uten "utelatelser" eller "hull", dvs. arealer med ingen eller kun en delvis dekning av belegget.

Istedenfor å følge den ovenfor kjente kunnskapen til en fagperson, kan prosessparameterne velges slik at det oppnås et belegg med en ufullstendig dekning. Dermed kan beleggingsprosessen utføres ved en redusert prosesstid, en senket temperatur, redusert konsentrasjon av den aktive substansen, en redusert strømtetthet til elektrolyttprosesser osv. med det resultat at et ufullstendig belegg med utelatelser oppnås slik at de underliggende materialer blir udekket og hvor belegget opptrer i en form av separate (diskrete) klustere fordelt på det underligende materialet.

Dermed kan den aktive flaten til det biologisk inhiberende materialet være sammensatt på separate arealer i form av klustere av et katodemateriale fordelt langs et kontinuerlig areal av et anodemateriale, eller separerte arealer i form av utelatelser hvor katodematerialet er udekket og fordelt på et kontinuerlig areal av et anodemateriale.

Det er også mulig at den aktive flaten på det biologisk inhiberende materiale kan sammensettes på separate arealer i form av klustere på et anodemateriale fordelt over kontinuerlig areal av katodemateriale, eller separate arealer i form av utelatelser hvor anodematerialet er udekket og fordelt over et kontinuerlig areal av katodematerialer.

Teoretisk sett kan de to elektrodematerialene fordeles i hvilke som helst mønstre på overflaten såfremt de fremskaffer den nødvendige korte avstanden til begge elektrodematerialene i et hvilket som helst punkt på overflaten for å sikre en tilstrekkelig høy elektrisk feltstyrke og dermed tilstrekkelig sterk biologisk inhibering hvor som helst på eller i umiddelbar nærhet til overflaten.

Både anodematerialet og katodematerialet har positive galvaniske potensialer (relativt til SHE), og potensialet til katodematerialet er mer positivt enn potensialet til anodematerialet. Som et resultat ved dannelse av et galvanisk element i kontakt mellom det inhiberende materialet og en elektrolytt.

Det galvaniske potensialet til ett av disse materialene M betyr standardpotensialet6m til reaksjonen

Standardpotensialet til både anodematerialet Ma og katodematerialet Mk og ved å oppfylle forholdet hvor6Mk representerer standardpotensialet til katodematerialet Mk, og6m3representerer standardpotensialet til anodematerialet Ma.

Anodematerialet Ma må ha et positivt standardpotensial, fortrinnsvis et standardpotensial på minst 0,10 V relativt til den standard hydrogenelektrode (SHE), mer fortrinnsvis minst 0,30 V relativ til SHE, enda mer fortrinnsvis minst 0,50 V relativt til SHE og mest fortrinnsvis minst 0,75 V relativt til SHE. Eksempler på egnede anodematerialer er f.eks. Au og Ag, hvor Ag er foretrukket.

Katodematerialet Mk må ha et standardpotensial som overskrider potensialet til anodematerialet (i det aktuelle tilfellet), fortrinnsvis på minst 0,05 V, mer fortrinnsvis minst 0,10 V, enda mer fortrinnsvis 0,25 V og mest fortrinnsvis minst 0,40 V.

Eksempler på egnede katodematerialer kombinert med Ag som anodemateriale er grafitt, Au, Pd, Pt, Ru, Ir og Rh, hvor spesielt Pd er foretrukket. Når anodematerialet er Au, er det mulig å bruke Ru, Ir eller oksider av disse som katodemateriale.

Ytterligere katodematerialer, slik som elektroaktive keramer som opptrer elektrokjemisk edle er også egnet for denne oppfinnelse. Et eksempel er mangandioksid som kan produseres ved en elektrokjemisk prosess hvor materialet deponeres på anoden ved et egnet anodisk potensial.

Både anodematerialene og katodematerialene er basert på relevante metaller i den metalliske form med oksidasjonstrinn 0, materialet i henhold til oppfinnelsen er vanligvis produsert ved påføring av katodematerialet og/eller anodematerialet på et substrat med én eller flere konvensjonelle pletteringer eller deponeringsprosesser (inkludert elektroplettering, CVD, PVD, tykkfilmteknikker og termisk spraying). Anode- og/eller katodematerialet av det aktive materialet kan imidlertid bli fullstendig eller delvis konvertert til en metallforbindelse hvor metallet har et positivt oksidasjonstrinn, f.eks. i form av et oksid, salt eller sulfid.

Konverteringen til et metall med positivt oksidasjonstrinn kan finne sted under produksjonen av materialet som et resultat av den anvendte pletteringsprosessen, ved en etterfølgende behandling eller under påføringsbetingelsene. Men formen til metallet med det positive oksidasjonstrinnet betinger at metallforbindelsen det gjelder er lite løselig under anvendelsesbetingelsene slik at metallioner ikke frigjøres i toksiske mengder i den omgivende elektrolytten.

Uavhengig av om det er i metallisk form eller en metallforbindelse, er det vesentlig at evalueringen og anvendelsen av elektrodematerialet at det sikres en tilstrekkelig forskjell mellom potensialene til formene metallet forefinnes i under anvendelsesbetingelsene.

Detaljert informasjon om elektrokjemiske potensialer kan studeres ved å anvende E/pH-diagrammet basert på relevante termodynamiske data fra litteraturen.

De tidligere foreslåtte antimikrobielle materialene basert på en galvanisk effekt er utformet for å fremskaffe en iontoforetisk effekt hvor anodematerialet er et metall som konverteres til antimikrobielle metallioner som frigjøres til den omgivende elektrolytten. Men bruken av anodematerialer som har positive elektrokjemiske materialer impliserer at konsentrasjonen av frigjorte metallioner er lav og at den celleinhiberende effekten er moderat. En slik moderat effekt kan være tilstrekkelig for et implantat hvor effekten understøtter kroppens immunsystem. Men en slik moderat effekt er ikke tilstrekkelig når den skal brukes i forbindelse med foretrukne utførelser av denne oppfinnelse, hvor utførelsene skal håndtere en effektiv kontroll av mikroorganismer i forbindelse med matproduksjon, behandling av vann, slik som å kontrollere legionella i offentlige bad og svømmeanlegg, beskytte drikkevann i f.eks. isterningmaskiner.

Det inhiberende materialet har en bestemt utforming som sikrer en høy elektrisk feltstyrke langs hele flaten som skal gis en celleinhiberende effekt. I tillegg velges det et materiale som har både en god ledningsevne og katalytiske egenskaper som anodematerialet.

En prøve av de biologisk inhiberende materialer har blitt undersøkt ved hjelp av en scanningteknikk som involverer en vibrerende elektrode, dvs. en scanningvibrerende elektrodeteknikk SVET. Prøven neddykkes i en 10 mM løsning av NaCl ved romtemperatur i inntil 24 timer, og lokale positive og negative strømmer ble målt på overflaten. Intensiteten til disse strømmene forble på samme nivå under hele prøveperioden, noe som bekrefter at det biologisk inhiberende materialet gir elektrisk/katalytisk effekt.

Det er overraskende at en slik kombinasjon av en struktur som sikrer en høy feltstyrke og elektriske og katalytiske egenskaper i anodematerialet utviser en celleinhiberende effekt som er vesentlig større enn effekten som kan tilskrives til frigjorte anodemetallioner i væsken som tjener som en elektrolytt.

Uten å binde oss til en spesifikk teori er det antatt at en katalytisk oksidasjonsprosess inntreffer hvor små mengder metalloksid konverteres til metall og oksygen som påvirker levende celler. Dermed, når anodeflaten kommer i kontakt med en celle som i seg selv representerer et oksiderbart materiale og som også er en elektrolytt, blir cellen utsatt for en oksidasjon og reaksjonen ved anoden blir:

Det er antatt at oksygenet blir dannet ved anodeflaten når en oksiderbar elektrolytt, slik som en levende celle kommer i kontakt med anodeflaten.

Katoden har et mer positivt potensial enn anoden, og ved katoden går den ovenfor nevnte reaksjonen i motsatt retning, noe som resulterer i en oksidativ regenerering ved flaten:

Den partikulære strukturen til det inhiberende materialet impliserer at den elektriske feltstyrken er tilstrekkelig høy over alt på den celleinhiberende overflaten. I tillegg til potensialforskjellen mellom katoden og anoden, bestemmes den elektriske feltstyrken ved de geometriske betingelser inkluderende avstanden mellom elektrodene.

Strukturen er kjennetegnet ved at ett elektrodemateriale er passende fordelt i små isolerte områder enten i form av mikroklustere på overflaten av det andre elektrodematerialet eller i form av mikroåpninger i flaten til det andre elektrodematerialet hvoretter omgivende mikroklustere eller mikroåpninger er plassert fra hverandre uten for lange innbyrdes avstander.

Avstanden mellom disse mikroarealene vil ikke overskride 400^m på et slikt vis at avstanden fra et hvilket som helst punkt av den aktive flaten eller både det nærliggende katodematerialet og det nærliggende anodematerialet ikke overskrider 200 \ im. Avstanden mellom mikroarealene er fortrinnsvis mindre enn 150^m, spesielt fortrinnsvis mindre enn 75 u.m.

Størrelsen på de individuelle mikroområdene bør ikke overskride 50 u.m, fortrinnsvis 15 u.m, mer fortrinnsvis 10 um.

Arealforholdet av katodeareal på anodeareal til den aktive flaten er ikke spesielt kritisk og kan f.eks. være i området fra 0,01:1 til 1:0,01, fortrinnsvis i området fra 0,05:1 til 1:0,05, slik som i forholdet 0,15:1 til 1:0,15.

Det biologisk inhiberende materialet har en inhiberende effekt på levende celler, inkludert celler av både eukaryote og prokaryote organismer. Ved uttrykket "biologisk inhiberende effekt" menes det en reduksjon eller en retardasjon av celleveksten så vel som dreping av celler inkluderende en desinfeksjon eller sterilisasjon.

Dermed kan det biologisk inhiberende materialet anvendes innen matindustrien, slik som for å sterilisere eller redusere veksten av mikroorganismer i flytende matprodukter, slik som melkeprodukter, iskrem, juice, limonade, kjøttkraft, øl og soft drinks, så vel som å kontrollere dannelsen av biofilm på flater av produkter og utstyr av f.eks. meierier, slakterier, innen fiskeindustrien, preparering av ferdigmattallerkner, marmelade og syltetøy.

Materialet er videre anvendbart innen farmasøytisk industri for å løse hygieneproblemer.

Materialer er også anvendbart for å begrense veksten av celler i vannsystemer slik som for å inhibere legionella i varme vannrør, så vel som for å inhibere bakteriell vekst i luftkondisjoneringssystemer.

Den aktive flaten på det biologisk inhiberende materialet resulterer fra det andre elektrodematerialet blir påført på en base av et første elektrodemateriale gjennom en ufullstendig deponeringsprosess på et slikt vis at det andre elektrodematerialet kun delvis dekker det første elektrodematerialet i form av enten mikroklustere eller involverer mikroåpninger som eksponerer det første elektrodematerialet.

I prinsipp kan materialet i henhold til oppfinnelsen lages av et basissubstrat av det første elektrodematerialet, men vil vanligvis baseres på substratet av et metall, slik som f.eks. rustfritt stål, polymer eller keramer fremstilt med et belegg av et elektrodemateriale. Et slikt belegg kan påføres ved en konvensjonell pletteringsprosess, slik som en elektrisk eller autokatalytisk, dvs. kjemisk, plettering ved hjelp av dampdeponering eller deponering gjennom sputring.

Det andre elektrodematerialet kan påføres på det første elektrodematerialet ved en elektrolyttisk eller kjemisk deponering gjennom en dampdeponering eller deponering i en slik begrenset utstrekning at flaten til det første elektrodematerialet blir delvis dekket av små klustere eller på en slik måte at det oppstår åpninger i laget til det andre elektrodematerialet.

Det biologisk inhiberende materialet kan også baseres på keramer eller polymerer med store aktive flatearealer belagt med et anode- og katodemateriale, og som ved bruk kommer i kontakt med en tynn flytende film på samme vis som en ioneutveksler. Filtre eller sikter er også mulige hvor filteret eller siktvirene er belagt med det biologisk inhiberende materialet. Videre kan de biologisk inhiberende materialene i henhold til oppfinnelsen være i form av partikler belagt med anode- og katodematerialer. Slike partikler kan f.eks. anvendes som en aktiv fyller i beleggingsmaterialer slik som malinger.

Som nevnt ovenfor kan det biologisk inhiberende materialet prepareres ved hjelp av flere i seg selv konvensjonelle pletterings- eller deponeringsmetoder inkludert kjemiske elektrokjemiske metoder, PVD (fysisk dampdeponering) CVD (kjemisk dampdeponering), tykkfilmteknikker og termisk spraying.

Kjemisk elektrokjemiske metoder: Sølvbelegging (anodemateriale) kan påføres på elektriske ledende materialer (metaller eller polymerer) ved en elektropletteringsprosess eller en elektroløs prosess (f.eks. autokatalytisk), hvor anodematerialene deponeres ved et første trinn etterfulgt av katodematerialene som skal deponeres som et ikke-koherent belegg (separat) på toppen av anodematerialet. Deponeringen av katodematerialet kan utføres ved en ionevekslerpletteringsprosess basert på metallioner eller metallionekomplekser som har et høyere elektrokjemisk potensial enn det koherente belegget (i dette tilfellet sølv). Den kjemiske deponeringen av katodematerialet er diffusjonskontrollert.

Alternativt kan prosessen utføres på en slik måte at katodeflatene blir integrert i anodene som partikler eller faser. Dermed kan palladium dispergeres i en sølvgrunnmasse. Slike prosesser kan utføres ved alternerende behandling av flaten med sølv og palladium, deponert ved kjemiske og elektrokjemiske fremgangsmåter som beskrevet ovenfor. Spesielt prosessteknikker basert på spolebelegging (eng: coil coating) og spole til spole plettering (eng: reel to reel plating) kan være egnede teknikker.

Alternerende deponeringer i entrinnsprosesser basert på pulspletteringsteknikker er en ytterligere mulighet. Andre fremgangsmåter for å integrere katodematerialet i anodematerialet er beskrevet ovenfor er dispersjonsplettering, hvor partiklene av katodematerialet kodeponeres i en grunnmasse kontinuerlig under elektrolytisk eller elektroløs deponeringsprosess.

PVD ( fysisk dampdeponering): Teknikker slik som PVD, hvor periodiske sputringer av katode- og elektrodematerialer eller elektronstrålefordampninger fra minst to materialkilder (katode- og anodematerialer) er også antatt å være en attraktiv fremgangsmåte for å produsere disse beleggene. Spesielt for belegget på keramer og polymerer med "korte levetider" for påføring (tykkelse i området 100 nm). Denne teknikken kan være spesielt egnet for engangsmaterialer.

CVD ( kjemisk dampdeponerin<g>): Prosessmetode basert på dekomponering av metallinneholdende gasser, som dekomponerer på flaten ved termisk og/eller plasmaaktivering. Dermed kan gasser inneholdende flyktige sølv og edelmetaller deponeres sammen eller én etter den andre.

Tykkfilmteknikker: Anodiske og katodiske materialer påføres på flaten ved spray-eller malingsprosesser og herdes senere eller sintres ved varmebehandling. Fremgangsmåtene inkluderer også prosesser hvor termisk dekomponering av metallforbindelser slik som Ag20 eller [Pt(NH3)4]Cl2utføres.

Termisk spraying av egnede blandinger av katode- og anodemateriale på overflaten. Termisk spraying dekker flere prosesser slik som plasmaspraying, lysbuespraying, flammespraying osv.

Den veksthemmende effekten på biologisk inhiberende materialer i henhold til oppfinnelsen har blitt demonstrert på Shewanella putrefaciens (forråtnelsesvekkende bakterier i fisk), Escherichia coli og Bacillus cereus.

Kort beskrivelse av tegningene

Fig. 1 er et skjematisk riss av en utførelse av det biologisk inhiberende materialet,

Fig. IA viser en forstørret detalj i fig. 1,

Fig. 2 er en skjematisk sammenligning av prinsippet beskrevet i US 4 886 505, og Fig. 3 er et skjematisk riss av en alternativ utførelse av biologiske inhiberende materialer. Fig. 1 illustrerer en vegg av rustfritt stål 2 i en apparatur, slik som f.eks. en apparatur for å prosessere et meieriprodukt slik som en pasteuriseringsapparatur, og denne veggen er på den indre siden belagt med et kontinuerlig lag av anodemateriale 4 f.eks. sølv. Et flertall klustere 6 av et katodemateriale, slik som palladium er påført på anodematerialet 4. Når den indre flaten kommer i kontakt med en elektrolytt 8, genereres en potensialforskjell Ap mellom potensialet pA til anodematerialet 4 og potensialet pktil katodematerialet 6. En bakterie 10 som kommer nær det inhiberede materialet utsettes for en høy elektrisk feltstyrke E = ApB/LB, hvor ApBer potensialforskjellen langs lengden LB til bakterien. Når det er antatt at nærværet av bakterie ikke endrer feltlinjene vesentlig, f.eks. de stiplede linjene, blir lengden LB til feltlinjene gjennom bakterien av en betydelig størrelse, dvs. forholdet LB/LTer relativt stort, hvor LT tilsvarer den totale lengden til feltlinjen det er snakk om, se fig. IA. En homogen feltstyrke langs hver feltlinje har den effekten at bakterien utsettes for potensialforskjell ApB= Ap x (LB/LT), dvs. et relativt sterkt potensiale når forholdet LB/Lter høyt.

Fig. 2 viser for sammenligning et skjematisk riss av prinsippet beskrevet i US

4 886 505 (Haynes et al.), hvor en gjenstand 102 er belagt på én halvdel av flaten med et anodemateriale 104 og den andre halvdelen av flaten med et katodemateriale 106. Funksjonen til dette prinsippet blir kondisjonert ved elektrisk kontakt 116 mellom anodematerialet 104 og katodematerialet 106 ved grenseområdet 112. En bakterie 110 i grenseområdet 112 mellom anodematerialet 104 og katodematerialet 106 utsettes for en høy potensialforskjell ApBtilsvarende til potensialforskjellen forbundet med det inhiberende materialet i henhold til oppfinnelsen, og forholdet Lb/Lter stort også her. Sammenlignet med dette blir en bakterie 114 posisjonert i avstand fra grenseflateområdet 112 utsatt for en vesentlig svakere potensialforskjell ApBettersom forholdet LB/LTblir vesentlig lavere.

Som i fig. 1, illustrerer fig. 3 en vegg av rustfritt stål 202 i en apparatur belagt på den indre siden av et sammenhengende lag av et anodematerial 204 f.eks. sølv. Et ufullstendig belegg av et katodemateriale 206 f.eks. palladium er påført på anodematerialet 204. Dette ufullstendige belegget etterlater åpninger, dvs. unnlatelser 212 hvor anodematerialet 204 ikke er dekket. En kontakt mellom den indre siden og en elektrolytt 208 genererer en potensialforskjell Ap mellom potensialet pa av anodematerialet 204 og potensialet pki katodematerialet 206. En bakterie 210 nær det inhiberende materialet utsettes for en sterk elektrisk feltstyrke på samme vis som forklart i forbindelse med fig. 1.

I en ytterligere alternativ utførelse kan materialet ha samme utforming som vist i fig. 1 men med katodematerialet som det sammenhengende laget 4 og anodematerialet spredt som klustere 6 på overflaten til katodematerialet. På samme vis kan ytterligere utførelser av samme utførelse som vist i fig. 3 men med katodematerialet som det sammenhengende laget 204 belagt med et ufullstendig belegg 206 av anodematerialet.

Eksempel 1

Forbehandling

En plate med teknisk sølv (99,75 %) på 20 x 10 x 1 mm blir avfettet ved romtemperatur (20-25°C) ved en elektrolyttisk avfetting (katodisk) ved 10 A/dm<2>i 10 min. og deretter skylt i destillert vann. Eventuelle oksider og alkalirester blir fjernet ved syrevasking med tørr syre og mekanisk agitering i ett minutt etterfulgt av skylling med destillert vann, hvor den tørre syren er et fast kommersielt produkt basert på natriumbifluorid.

Sølvplettering

Den forbehandlede platen blir strike silver plettert (dvs. gitt en kort initiell sølvplettering) i et bad inneholdende 3,75 g/l AgCN (80,5 %) og 115 g/l KCN med rustfrie stålelektroder med 1 A/dm<2>i ca. 60 sek. under mekanisk agitering. Etter skylling i destillert vann, blir en teknisk sølvplettering påført i et bad inneholdende 45 g/l AgCN (80,5 %), 115 g/l KCN og 15 g/l K2C03ved 1 A/dm<2>i 20 min. under mekanisk agitering. Platen skylles i destillert vann og tørkes i varmluft. Tykkelsen på det resulterende sølvlaget er ca. 15 u.m.

Bruksløsning av palladiumklorid

En Pd-bruksløsning på 0,5 g palladiumklorid og 4,0 g NaCl pr. liter vannholdig løsning blir produsert. Løsningen ristes og løsningen settes over natten for å fullstendig oppløse løsningen inneholdende Pd som Na2[PdCU].

Påføring av et ufullstendig Pd- lag

Sølvpletteringen etterfølges av en avfetting av platen gjennom elektrolyttisk katodisk avfetting i cyanid i 20-30 sek., skylling, syrevask i 20-30 sek. under mekanisk agitering og nok en skylling.

Deretter prosesseres platen ved å nedsenkes i 3 min. i en vannholdig løsning inneholdende 33 volum% Pd-lagerløsning under mekanisk agitering. Platen skylles i destillert vann og tørkes i varmluft. En slik prosessering resulterer i en reduksjon av PdCV-ioner i den mekaniske palladiet i henhold til reaksjonen:

2 Ag + PdCLf 2 AgCl + Pd + 2 Cl'

Eksempel 2

En rustfri stålplate på 20 x 10 x 1 mm av AISI 316 stål med 2 B utførelse blir forbehandlet på konvensjonelt vis med Wood nikkelgalvanisering (100 g/l NiCh og 100 ml/l HC1 37 %) og galvaniseringssølvplettering i et bad inneholdende 3,75 g/l AgCN (80,5 %) og 115 g/l KCN med rustfrie stålelektroder ved 1 A/dm<2>i ca. 60 sek. under mekanisk agitering. Etter skylling i destillert vann, blir en teknisk sølvplettering påført i et bad inneholdende 45 g/l AgCN (80,5 %), 115 g/l KCN og 15 g/l K2C03ved 1 A/dm<2>i 20 min. under mekanisk agitering. Platen skylles i destillert vann og tørkes i varmluft. Det resulterende sølvlaget har en tykkelse på ca.

15 (am.

Sølvpletteringen etterfølges av en avfetting av overflaten gjennom elektrolyttisk katodisk avfetting i cyanid i 20-30 sek., en skylling, en syrevask i 20-30 sek. under mekanisk agistering og nok en skylling. Deretter blir platen neddykket i 3 min. i en vannholdig løsning inneholdende 33 volum% av en Pd-lagerløsning i henhold til eksempel 1 under mekanisk agitering. Platen skylles i destillert vann og tørkes i varmluft.

SEM/EDS-analyse (Scanning Electron Microscopy/Energy Dispersive X-ray Spectrometry) av overflaten prosessert på dette vis avslører at 15-25 % av overflatearealet er dekket av sølv/sølvklorid mens resten av flaten er dekket av et tynt lag av palladium på ca. 0,1 \ im. Arealene dekket av sølv/sølvklorid resulterer i en utstrekning fra 0,1 um til 6 u.m, og avstanden mellom individuelle arealer av sølv/sølvklorid varierer fra 0,4 u.m til 3 um.

Eksempel 3

Fremgangsmåte

Ubehandlede stålplater på 20 x 10 x 1 mm (kontroll) ble plassert i én beholder, og sølvplater belagt med sølv og palladium produsert i henhold til oppfinnelsen som beskrevet i eksempel 1 er plassert i en annen beholder. Like mengder melk ble tilsatt til de to beholderne. Temperaturen ble holdt ved 21°C, og melken ble sirkulert over flaten til platene. Escherichia coli Kl2 ble tilsatt til et cellenivå i størrelsesorden 10<4>/ml. Prøveplater ble fjernet umiddelbart ved tilsetting av Escherichia coli og deretter hver time i de første seks timene så vel som 24 timer etter starten av eksperimentet. Dannelsen av en biofilm på platene ble undersøkt ved farging og konfokalmikroskopi for protein og fettstoffer og med farging for levende og døde bakterier.

Resultater

Konfokalmikroskopi demonstrerte klart at nærværet av en biofilm på kontrollplater hvor både proteiner, fett og bakterier ble detektert på overflaten. Men verken protein, fett eller bakterier var detekterbare på platen i henhold til oppfinnelsen og dermed ble ingen biofilm påvist på platen i henhold til oppfinnelsen.

En celletelling på væskeprøver fra de to beholderne er vist i følgende tabell:

Det fremgår av tabellen at ingen bakterievekst var detektert under de første seks timene. Etter 24 timer, ble det detektert en klar bakterievekst i kontrollbeholderen mens ingen bakterievekst ble detektert i beholderen med platene i henhold til oppfinnelsen.

Eksempel 4

Et ufullstendig Pd-lag påføres på en sølvplettert rustfri stålplate på 20 x 10 x 1 mm produsert som beskrevet i eksempel 1 og 2 på samme vis som beskrevet i eksempel 1, men med en løsning som inneholder 5 % Pd-lagerløsning og involverer en prosesstid på 1 min.

Eksempel 5

Et ufullstendig Pd-lag påføres på en sølvplettert rustfri stålplate på 20 x 10 x 1 mm produsert som beskrevet i eksempel 1 og 2 på samme vis som beskrevet i eksempel 1, men med en løsning som inneholder 5 % Pd-lagerløsning og som involverer en prosesstid på 3 min.

Eksempel 6

Et ufullstendig Pd-lag påføres på en sølvplettert rustfri stålplate på 20 x 10 x 1 mm produsert som beskrevet i eksemplene 1 og 2 på samme vis som beskrevet i eksempel 1, med en løsning som inneholder 33 % Pd-lagerløsning og som involverer en prosesstid på 1 min.

Platene produsert i henhold til eksemplene 3-6 ble undersøkt ved SEM/EDA-analyser. Disse analysene avslørte at en økt konsentrasjon av Pd-lagerløsningen så vel som en forlenget prosesstid resulterer i økt påføring av Pd. Men alle plater viste fortsatt arealer med sølv/sølvklorid alternerende med arealer av Pd, og en bakteriell inhiberende effekt detektert på alle platene.

Eksempel 7

Et lag med sølv og palladium påføres spiralvirer av teknisk sølv (99,75 %) med en tykkelse på 0,5 mm på samme vis som beskrevet i eksempel 1. Spiralvirene er egnet for biologisk inhibering ved neddykking i biologisk følsomme væsker.

Eksempel 8

En spiralvire produsert i henhold til eksempel 7 med en aktiv overflate på 160 cm<2>ble neddykket i en 3 1 rense vanningsanordning plassert utendørs i en hønsegård med 8 høner av sorten Buff Orpington. Reservoaret i vanningsanordningen ble fylt med 2 1 tappevann. Vannet i vannreservoaret holdt seg friskt i flere dager og det ble ikke observert dannelse av biologisk slim på plastflatene bortsett fra den eksterne drikkeskålen, hvor vannet hadde forlatt reservoaret med spiralviren. Men dannelsen av slim i drikkeskålen var redusert sammenlignet med den vanlige dannelsen av slim. Etter tre dager og netter, var det igjen ca. 0,5 1 vann og dette vannet ble oppsamlet sammen med skitt og grus tilført drikkeskålen av hønene. Etter filtrering ble både filtratet og den faste grusfraksjonen undersøkt når det gjelder mengden av sølv ved hjelp av atomabsorpsjon (AAS). Begge fraksjoner viste et sølvinnhold vesentlig lavere enn 100 u.g/1.

Claims (10)

1. Anvendelse av et biologisk inhiberende materiale som inkluderer et anodemateriale og et katodemateriale, hvor både anodematerialet og katodematerialet har et positivt galvanisk potensial, og hvor potensialet til katodematerialet er høyere enn potensialet til anodematerialet, hvoretter materialet inkluderer en overflate med separate arealer av anodemateriale og elektrodemateriale hvor avstanden mellom et hvilket som helst punkt på den aktive flaten og både det nærliggende katodematerialet og nærliggende anodematerialet ikke overskrider 200 um for å inhibere levende celler inkluderende eukaryote og prokaryote celler utenfor en menneske- eller dyrekropp.

2. Anvendelse i henhold til krav 1, karakterisert vedat avstanden fra hvilket som helst punkt på overflaten til både det nærliggende katodematerialet og nærliggende anodematerialet ikke overskrider 100 um.

3. Anvendelse i henhold til krav 1, karakterisert vedat arealforholdet i planet til overflaten til arealene til katodematerialet av arealene til katodematerialene er i området fra 0,01:1 til 1:0,01.

4. Anvendelse i henhold til krav 3, karakterisert vedat arealforholdet i planet til flaten til arealene til katodematerialet til arealene til anodematerialene er i området fra 0,05:1 til 1:0,05.

5. Anvendelse ifølge hvilke som helst av de foregående krav,karakterisert vedat på overflaten til materialet, blir ett av elektrodematerialene, dvs. enten katodematerialet eller anodematerialet plassert i arealet (6; 212) som er isolert relativt i forhold til hverandre og fordelt over et sammenhengende areal (4; 206) av det andre elektrodematerialet.

6. Anvendelse i henhold til krav 5, karakterisert vedat den største dimensjonen til det individuelle isolerte arealet (6; 212) i planet til mindre enn 15 u.m.

7. Anvendelse i henhold til krav 5 eller 6, karakterisert vedat avstanden mellom nærliggende isolerte områder (6; 212) i planet til flaten er mindre enn 10 u.m.

8. Anvendelse i henhold til hvilke som helst av de foregående krav,karakterisert vedat anodematerialet er Au eller Ag.

9. Anvendelse i henhold til krav 8, karakterisert vedat anodematerialet er Ag og at katodematerialet velges blant grafitt, Au, Pd, Pt, Ru, Ir eller Rh.

10. Anvendelse i henhold til hvilke som helst av de foregående krav av det biologisk inhiberende materialet som et konstruksjonsmateriale utstyrt for matpreparering eller i vannsystemer.