从抗菌到抗病毒:含铜不锈钢6小时杀灭9999%新冠病毒

黄明欣团队采用粉末冶金的生产工艺,将不锈钢中铜的含量提升至20%,获得了具有抗新冠病毒特性的不锈钢。这样制得的高含铜量不锈钢,不仅能避免“铜脆”现象,而且其富铜沉淀物能均匀分布在整个金属制品中,即使制品表面磨损也不会影响其抗病毒效果。

新冠肺炎疫情暴发以来,“物传人”成为新冠病毒传播的重要途径之一。曾有研究显示,新冠病毒能在普通不锈钢材料表面存活3天之久。因此,研发出能够杀灭新冠病毒的不锈钢材料,成为业界和学界的一大目标。

近期,香港大学工程学院机械工程系黄明欣教授领导的团队与香港大学(李嘉诚医学院)免疫与感染研究中心潘烈文教授的研究团队合作,通过调整不锈钢的化学成分和微观组织结构,成功令不锈钢能杀灭表面附着的新冠病毒和其他常见病原体微生物。

自20世纪初被发明后,凭借着在硬度、耐腐蚀性、可加工性等方面的优异性能,从公共场所的基础设施,到家庭生活的日常装潢,不锈钢成为公众最常接触的材料之一。

但随着新冠肺炎疫情席卷全球,不锈钢这个公共场所随处可见的基础材料,已成为新冠病毒扩散传播的载体——携带病毒的飞沫和呼吸道分泌物会附着在不锈钢材料上,使其成为潜在的病毒传播媒介。

例如,此前中国疾病预防控制中心曾对一起新冠病毒感染案例进行分析,认为同一单元楼内的住户极有可能因共用一部电梯,共同触摸不锈钢材质的电梯按键而造成病毒在住户中扩散。

在具体研究中,为了更好地比较不同不锈钢材料之间的抗菌抗病毒性能,黄明欣团队制备了多份样品,分别是常规的316不锈钢、含银0.3%和0.6%的不锈钢、4种含铜1%—20%不等的不锈钢以及纯银和纯铜。并且为了凸显其实用价值,他们还专门将其制备成了电梯按钮样式,以模拟在最常见的使用环境下,不同种类不锈钢的抗新冠病毒性能。

最终,研究结果显示,常规316不锈钢、纯银和含银不锈钢对新冠病毒和甲型H1N1流感病毒没有明显的抑制作用。而相比之下,纯铜和含铜不锈钢则表现出了十分显著的抗病毒特性。尤其是含铜量20%的不锈钢,其可以在3小时和6小时内分别显著减少其表面99.75%和99.99%的活体新冠病毒,显示出了强大的抗新冠病毒特性。

黄明欣表示,由于高含铜量不锈钢的制备采用的是粉末冶金的方式,这使得其可以不受材料表面磨损的影响,能在较长的时间范围内持续拥有抗新冠病毒特性。

其实早在这种抗新冠病毒不锈钢研发之前,能够抗菌的不锈钢就已十分普遍,并早早开始了工业化生产,而其中也是添加了铜和银。

中国科学院金属研究所研究员杨珂指出,铜和银已是业界公认的优秀抗菌材料,对包括大肠杆菌等在内的常见致病菌有着出色的抵抗能力。比如含铜量仅5%的抗菌不锈钢,便具有99%的抗菌率。因为密集的富铜沉淀物会永久留存在不锈钢基质中,产生持久的抗菌效果。而银的抗菌能力则更强,只要在不锈钢基质中添加0.3%的银,便可产生强大的抗菌效果。但抗菌不锈钢要想达到抗新冠病毒的效果,还需增加其中的铜含量。

不锈钢作为一种铁基合金,以铁为基本,生产过程中会加入镍、铬等元素以增强其性能。如果一味加入大量的铜,会使其基础性能发生改变,从而导致其不再具备不锈钢的特性,无法进行大规模应用。杨珂表示,生产抗病毒不锈钢,其最大挑战在于如何在加入足量的抗病毒元素的同时,又不改变不锈钢的核心性能。

铜虽然是不锈钢的核心元素之一,但加入过量也会严重影响不锈钢的核心性能。杨珂向记者介绍道,钢铁的热加工锻造过程,需要在1200℃左右的高温下进行,而铜本身的熔点大约为1080℃。铜加入过多会导致钢材在热加工时的锻造性变差,出现通常意义上的“铜脆”现象。

为了避免“铜脆”现象,同时又保证加入含量足够抗病毒效果的铜,有研究人员改用物理气相沉积、冷喷涂、离子注入等方法,为不锈钢涂上一层抗病毒涂层。但这些方法生产的涂层,厚度小于1毫米,很容易被磨损导致其抗病毒性能大幅下降,因此这类不锈钢材料无法取得长期的抗病毒效果,不具备大规模应用的价值。

而黄明欣团队此次采用了粉末冶金工艺,将不锈钢中铜的含量提升至20%,获得了具有抗新冠病毒特性的不锈钢。杨珂表示,粉末冶金方法是将金属粉末采用模具进行高压压制,随后再以较高的温度烧结定型。采用这种方法制造的高含铜量不锈钢,不光不会出现“铜脆”现象,而且其富铜沉淀物也不只分布在表面,而是均匀分布在整个金属制品中,因此即使制品表面磨损也并不影响其抗病毒效果。

杨珂介绍,虽然实验效果显著,但抗病毒不锈钢要形成规模化、产业化,仍有很长的路要走。即使是目前工业生产已十分成熟的抗菌不锈钢,其仍有较大的市场空间等待挖掘。

“与我们合作的一家企业,2020年就生产和销售了5000吨抗菌不锈钢。”杨珂说,目前抗菌不锈钢工业已具有较大规模,且形成了相关的行业标准。2020年底,工信部已正式发布“含铜抗菌不锈钢”行业标准YB/T4171-2020,涵盖含铜系列抗菌不锈钢的订货内容、技术要求、试验方法、检验规则等方面。但目前抗菌不锈钢仍主要应用于生产餐饮领域的餐具、厨具,如抗菌不锈钢筷子、菜刀等,且消费市场主要集中在江苏、浙江、广东,应用规模仍较小,使用场景较为单一。

杨珂还指出,生产抗病毒不锈钢所用的粉末冶金方法,工艺复杂、成本较高,无法成为主流的生产方式,并且过多铜元素的加入也会使得不锈钢的耐腐蚀性下降,使其无法用于生产高端产品,一定程度上限制了其应用场景。

杨珂认为,该研究成果虽然距离大规模应用仍需时日,但其打开了一扇新的窗口,使铜在不锈钢材料中的作用被更大程度显现了出来,并给予了不锈钢材料新的可能。“我们国家的抗菌不锈钢生产技术在世界范围内是领先的,抗菌不锈钢未来还可以有更大的用途,其中在医疗器械抗感染方面的应用最被看好。”

目前,杨珂等人也在与深圳地铁进行合作,开发抗菌不锈钢制成的把手、栏杆等。他认为,未来要想实现抗菌、抗病毒不锈钢的规模化应用,还应在两方面发力。一是在应用端找到合适的应用场景,比如可以在医院中用抗菌不锈钢建设样板房,起到示范效果。另一方面则是要加强基础研究。目前,铜离子抗菌抗病毒的作用机制仍然没有摸清,各种理论自成一派,没有统一的、具有广泛说服力的作用机制,一定程度上制约了抗菌、抗病毒不锈钢的发展。

(原标题:新型不锈钢6小时杀灭99.99%的新冠病毒 含铜不锈钢从抗菌向抗病毒迈进)

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