非常に効率的で耐久性のある抗菌ナノ複合繊維

Scientific Reports volume 12、記事番号: 17332 (2022) この記事を引用

2557 アクセス

1 引用

4 オルトメトリック

メトリクスの詳細

医療関連の感染症は毎年数百万人の入院を引き起こし、数十億ドルの費用がかかります。この問題に対処する潜在的な解決策は、医療用布地 (病院用寝具、ガウン、白衣など) 用の抗菌性布地を開発することです。金属ナノ粒子でコーティングされた繊維は抗菌特性を持つことが証明されていますが、浸出とその後の機能喪失、毒性、環境汚染のリスクがあるため、医療施設では採用されていません。この研究では、新しいクレスコーティングプロセスを使用して製造された抗菌性亜鉛ナノ複合繊維の開発とテストについて説明します。このプロセスでは、亜鉛ナノ粒子がさまざまな天然および合成繊維のバルク内でその場で成長し、安全で耐久性のあるナノ複合材料が形成されます。亜鉛ナノ複合繊維は、最も一般的なグラム陽性菌、グラム陰性菌、および真菌性病原体に対して、24 時間以内に 99.99% (4 log10) から 99.9999% (6 log10) までの前例のない微生物の減少を示します。さらに、100回の洗濯サイクル後でも抗菌活性は損なわれず、繊維の寿命と耐久性が高いことが実証されています。独立した皮膚科学的評価により、この新しい繊維は非刺激性で低アレルギー性であることが確認されました。

医療関連感染症 (HAI) は公衆衛生上の大きな懸念事項であり、米国では患者 31 人に少なくとも 1 人が病院での治療中または治療後に感染しています1。医療施設の繊維製品 (カーテン、寝具、作業服、カーペット、患者用ガウン、タオル、家具) には微生物が潜んでいて、SARS-CoV-22,3 を含む HAI の蔓延を促進することが知られています。病院環境内のすべての繊維製品を定期的に洗浄し、消毒剤を塗布するだけでは、感染を防ぐには十分ではありません。定期的に清掃したとしても、8 ～ 12 時間の典型的な作業スケジュールの後、医療従事者の衣類には大量の微生物が付着していることが判明し、清掃後 1 週間以内に病院のカーテンの約 92% に病原体が含まれていました4。

新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミック以降、この問題の規模はさらに拡大しており、医療施設は最大限の能力を維持し、さらなる感染が拡大する傾向にあります。米国の病院で見られる一般的な HAI のうち、中心線関連血流感染症 (CLABSI)、カテーテル関連尿路感染症 (CAUTI)、および人工呼吸器関連肺炎は、米国の病院でそれぞれ 47%、19%、45% 増加しました。これらとは別に、疾病管理予防センター（CDC）は、2020年に新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミックが始まったことにより、メチシリン耐性黄色ブドウ球菌（MRSA）に関連する感染症が増加したことも報告した5。

米国では、SARS-CoV-2 の感染は病院、介護施設、医療施設で主に発生しており、その結果、2020 年 3 月 18 日の時点で米国で 1037,400 人を超える医療従事者が新型コロナウイルス感染症に感染しています26,7。医療従事者の焦点はこの問題との闘いに移っているが、呼吸器感染症、尿路感染症（UTI）、胃腸炎、敗血症、多剤耐性菌が関与する皮膚疾患など、介護施設での死亡の主な原因のいくつかは後回しにされている。細菌性および真菌性病原体8,9。このため、これらの施設はそのような感染症の「ホットスポット」となり、理想的には少ない設備投資で済む感染を抑制する自己消毒機能のある抗ウイルス/抗菌繊維が緊急に必要とされています。

ナノテクノロジーとナノマテリアルの使用は、次世代の機能性繊維の開発にとって最も有望なアプローチの 1 つです10、11。ナノ材料、特にナノ粒子の重要性は、表面積対体積比の増加と高い表面エネルギーにより、複数の機能を付与し、これらの機能が著しく強化される能力にあります12。特に銀ナノ粒子は、その広範な抗菌特性により、繊維産業からの関心が高まっています。 2004 年から 2011 年にかけて、抗菌繊維の銀市場シェアは 9 ％から 25％に増加し、徐々に合成有機化合物に取って代わりました13。金属および金属酸化物のナノ粒子を繊維製品に組み込むためのいくつかの方法が開発されています14。最も一般的なアプローチには、ナノ粒子溶液のスプレー 15、ポリマーまたは高分子電解質による層ごとの堆積 16、ソノケミカルコーティング 17、プラズマ堆積 18、およびエレクトロスピニング 19 が含まれます。

現在のナノ粒子機能化方法には、長期耐久性の点で大きな制限があります20。ナノ粒子が繊維材料から放出されると、ナノ粒子表面コーティングが浸出する可能性があります。これは、機械的歪みや摩耗、繰り返しの洗濯と乾燥サイクルにさらされる繊維製品や衣類に特に当てはまります。繊維からの銀ナノ粒子の放出は製品によって異なり、最初の洗濯時に 80% に達する場合もあります 20,21。さらに、銅などの繊維に利用される銀やその他のナノ粒子は、環境システムにおいて毒性を示しています22、23、24。これらの抗菌ナノ粒子は、都市および工業用水処理施設で使用される生物学的処理プロセスを混乱させる可能性もあります25。

ここで紹介される研究は、安定したナノ複合材料を形成するための繊維へのナノ粒子の導入と、亜鉛ナノ複合材料繊維の抗菌効果の実証のための、成長によるコーティングを意味するクレスコーティングと呼ばれる新しいプロセスの使用に焦点を当てています[-クレスコ]。通常、ナノ複合材料は、成分の 1 つがナノスケールである少なくとも 2 相の材料として説明されます。これは、この場合は布地などのマクロスケールの支持体に埋め込まれた金属または非金属のナノ粒子相のいずれかである可能性があります。クレスコーティング処理プロセスでは、ナノ粒子がポリマー材料のバルク上および内部で直接成長します。このバルクの成長により、ナノ粒子の保持力が向上し、繊維の性能損失と水系へのナノ粒子の放出の両方が防止されます。

亜鉛は、現在繊維製品に使用されているナノ粒子に比べて多くの利点があるため、選択されています。その抗菌特性 26 に加えて、それは米国食品医薬品局 (FDA) によって一般に安全と認められており (GRAS)、環境毒性や人体毒性を示さず、食品から化粧品に至るまでの商業製品に一般的に使用されています 26。抗菌特性の実証は、グラム陰性菌、グラム陽性菌、真菌などのさまざまな微生物に対してさまざまな繊維をテストすることによって行われました。

ナノ複合繊維は、繊維をイオン前駆体水溶液に浸漬することによって製造され、この溶液は熱処理されて、繊維のバルクおよび表面全体にナノ粒子が形成される。ここで使用される技術はクレスコーティングと呼ばれるものであり (図 1)、加熱下でのイオン溶液からの固体シードの形成から始まり、その後核生成されて規定のナノ粒子が形成されます。熱処理は対流オーブンを使用して行われ、水の蒸発、その後のシード形成と粒子の核形成が起こります。粒子のサイズはプロセス条件に応じて 5 ～ 500 nm の範囲にあり、繊維支持体に埋め込まれます。この方法により、複数の洗濯サイクルにより時間の経過とともにナノ粒子が失われる従来の表面コーティング製品とは異なり、ナノ複合繊維の耐久性と寿命が向上します。

(A) 従来のディップコーティングプロセスと (B) サーマルクレスコーティングテクノロジーの比較。 (A) 化学還元によるナノ粒子の湿式合成 (1)、ナノ粒子への繊維の浸漬コーティング (2)、その後の洗浄と乾燥 (3)。 (B) 前駆体溶液への繊維の含浸 (1)、繊維を 100 °C で加熱することによる熱還元 (2)、その後の洗浄と乾燥 (3)。

この方法の有効性は、抗ウイルス特性を持つポリウレタンフォーム、ポリプロピレン、ポリコットン、ナイロンコットン生地を使用した環境修復で以前に実証されています27、28、29、30。図 2 は、ナノ複合ポリウレタン、ナイロン、ポリエステル材料の SEM 画像を示しています。

「現場成長」プロセスで製造されたプラスチックナノ複合材料のSEM画像。 (A) 亜鉛-ポリウレタンナノコンポジットフィルム。青い矢印は 2 枚のナノコンポジット薄膜を示しています。フィルム断面の画像を拡大すると、フィルム内部に亜鉛ナノ粒子が存在することがわかります。 (B) ナイロン繊維に埋め込まれた亜鉛ナノ粒子を示す亜鉛-ナイロンナノ複合材料。 (C) 銀-ポリエステル/綿ナノコンポジット。

Crescoating 技術の多用途性を実証するために、このプロセスはさまざまな金属ナノ粒子を使用してさまざまな生地にも適用されています (図 3)。

異なる繊維上の異なるナノ粒子を使用した、その場ナノ粒子成長プロセスの多用途性。 nSe: ナノセレン、nb: ナノボロン、nCe: ナノセリウム、nFe: ナノ鉄、nAg、ナノ銀。

この研究では、使用した生地支持体はシルク、合成ポリエステル、ナイロン綿、およびポリエステル綿でした。抗菌処理がさまざまな種類の生地にどの程度効果があるかを分析するために、天然、合成、および混紡の生地が選択されました。具体的には、上記で選択された一連の布地は消費者向けアパレルおよび繊維産業で一般的に使用されており、それらに抗菌活性を組み込むことは有益であろう。亜鉛ナノ複合繊維の合成は、以前に開発された方法 30 に基づいていました。簡単に説明すると、最初に布地を室温で 30 分間、亜鉛塩の前駆体イオン溶液に浸漬しました。次に、それらを対流オーブン内で 100 °C で 4 時間、溶液の薄層を維持しながら加熱しました。白色の沈殿物が亜鉛担体上に形成された。結合していない沈殿物はすべて、米国繊維化学者協会 (AATCC) LP1: 家庭洗濯法に従って洗い流され、乾燥されました 31。

合成されたナノ複合材料は、走査型電子顕微鏡 (6700 SEM、日本電子株式会社) を使用して特性評価されました。図 4 は、ポリエステル繊維内で成長させた亜鉛ナノ複合材料を示しています。繊維支持体上には、サイズ範囲 100 nm 以下の非常に小さな亜鉛ナノ粒子が見られます。担体上のナノ粒子の被覆率は均一ではなく、広範囲にも及んでいません。未処理の対照生地の SEM 画像は、補足図 S1 にあります。我々の以前の研究では、合成直後にナノコンポジット生地を手洗いすることによって収集された結合していないナノ粒子を、X 線結晶構造解析 (D8 Discover、Bruker Corp.) を使用して分析しました 30。パターンフィッティングは、JADE for XRDソフトウェア（マテリアルズデータ社）を使用して実施した。亜鉛粒子は主に、水酸化亜鉛 (Zn(OH)2) と水酸化炭酸亜鉛 (Zn5(CO3)2(OH)6 ヒドロ亜鉛サイト) の 2 つの結晶相で構成されていました。

亜鉛処理されたポリエステル生地から採取されたナノ粒子の SEM 画像。

これらのナノ粒子の形成は、以前に研究された酸化鉄ナノ粒子の形成と同様の 3 段階のプロセスに従います 28。担持されたナノ粒子の熱合成は、核となってナノ粒子を形成する固相シードの形成を通じて達成されます。亜鉛の場合、塩前駆体は加水分解を受けて Zn(OH)2 の形の水酸化物中間体を形成します。大気から、および/または酢酸塩の対イオンの分解から生じる炭酸塩の存在下では、炭酸亜鉛水酸化物粒子が形成されます。ヒドロ亜鉛サイトおよび水酸化亜鉛相は、X 線回折パターンで見ることができます 30、32。

数回の洗濯サイクル後の繊維製品中の亜鉛ナノ粒子の保持は、サードパーティの試験会社である Pace Analytical LLC によって試験されました。数種類のナノ複合綿生地のサンプルに合成沈殿浸出液手順 (SPLP) を適用しました。これらの生地は、表面から遊離したナノ粒子を除去するために製造後に一度洗浄されています。次に、EPA 3010A 調製および EPA 6010B 分析方法に基づくテストを適用して、布地からの亜鉛ナノ粒子の浸出を研究しました 33。研究の結果は、綿の種類の 1 つについて、最初の製造後の洗浄後に 106,000 μg/L という最高の亜鉛浸出が発生することを示しました。他のすべての値はより低く、その後のすべての洗浄サイクル後の浸出が大幅に低くなります（補足情報表S1を参照）。これは、新しいクレスコーティング法を使用して製造されたナノコンポジット生地が耐久性が高いことを示しています。最高の初期浸出液濃度は、カリフォルニア州の可溶性限界限界濃度 (STLC) 値である 250,000 µg/L よりもはるかに低いことがわかります 34。この制限に基づいて、各洗濯サイクル後に布地から浸出する亜鉛の濃度は、健康や環境に危険を及ぼすほど重大ではないと結論付けることができます。 3 つの異なる綿タイプで観察された異なる浸出値は、繊維サイズと、綿タイプ 1 と 2 で行われたシルケット加工 (金属結合を容易にするための繊維の酸化) などの前処理プロセスの違いの結果である可能性があります。

抗菌性試験では、Testfabrics Inc. および Rockywoods Fabrics LLC からそれぞれ入手したポリエステル、シルク、およびナイロン/綿 (50:50) 繊維見本上で亜鉛ナノ粒子を成長させました。 AATCC 試験方法 100-2004 は、機能性繊維の抗菌性および抗真菌性試験に使用されました。実験は３回繰り返して行われた。抗菌試験には、緑膿菌 (PA、ATCC 27853) (グラム陰性) とメチシリン耐性黄色ブドウ球菌 (MRSA) (グラム陽性) の 2 つの細菌種と、真菌種のカンジダアルビカンス (CA) が選択されました。結果は 2 つのカテゴリーに分類されています。1 つは処理後すぐに機械で洗浄された見本に対して行われた「洗濯前」テスト、もう 1 つは機械での洗浄と乾燥のサイクルをさらに受けた見本による「洗濯後」のテストです。「洗濯後」の試験は第三者試験会社によって実施されました（補足情報のレポートを参照）。使用された生地はポリエステル綿混紡で、細菌種黄色ブドウ球菌 (SA、ATCC 6538) (グラム陽性) および肺炎桿菌 (KP、ATCC 4352) (グラム陰性) について検査が行われました。これは、さまざまな条件下でさまざまな病原体に対するさまざまな亜鉛ナノ複合繊維の抗菌効果を確認するために行われました。

簡単に言うと、布地サンプルに栄養ブロス中の細菌の懸濁液を接種し、すすいだ。これらのサンプルを、異なる溶出時間、つまり 0 時間の即時溶出と 24 時間のインキュベーション期間後の溶出を使用した 2 つのセットに分割しました。次いで、接種された布地からの溶出溶液をプレーティングし、37℃で24時間インキュベートした。細菌の増殖は、図 5 に示すように、プレート上のコロニー計数によって定量化されました。結果は減少率 (%) で報告され、次の式 (式 1) によって計算されます。

ここで、A は接種された処理サンプル生地から回収された細菌コロニーの数、B は接種された未処理の対照生地から回収された細菌コロニーの数であり、両方とも設定された接触期間にわたってインキュベートされました。すべての実験について、式 2 はテストの有効性を決定するために使用されました。この計算は、使用した細菌の初期濃度が抗菌性テストを行うのに十分であることを確認する定性的なチェックです。この数値は 1.5 より大きくなければなりません。

ここで、a は接種直後の未処理対照布地から回収された細菌コロニーの数、b は接種後 24 時間のインキュベーション後に未処理対照布地から回収された細菌コロニーの数です。報告されたすべての実験について、これらの有効性値は 1.5 ～ 3.5 の範囲であり、有効な細菌濃度が確認されました。

105 倍希釈で 24 時間後に溶出されたサンプルの細胞計数による抗菌試験に使用された細胞培養プレートの選択された写真。

上記の手順は、真菌性病原体カンジダ・アルビカンスに対する試験でも同様に行われました。 AATCC が推奨する繊維製品の抗真菌試験は細菌の試験とは異なりますが、カンジダアルビカンスの増殖サイクルは細菌の増殖サイクルに似ているため、AATCC 試験方法 100-200435 のこの修正版を使用した抗真菌試験が可能になります。

表 1 に示す各繊維製品の 0 時間データは、緑膿菌 (PA)、メチシリン耐性黄色ブドウ球菌 (MRSA)、およびカンジダアルビカンス (CA) に対してさまざまな抗菌特性を示しました。これは、布地からの微生物接種の溶出が速く、ナノ粒子が病原性細胞と相互作用してその増殖を一貫して減少させる時間が大幅に短縮されるためである可能性があります。それにもかかわらず、ほぼすべてのサンプルの微生物減少率は 32 ～ 91% の範囲であり、ナノ複合繊維が依然としてある程度の抗菌特性を誘導できることを示しています。 MRSA で処理したナノ複合ポリエステルでは、負の値が観察され、対照よりも多くの細菌が回収されたことを示しています。これは、各生地の吸収特性が異なるため、または細菌濃度の不適切な混合が原因である可能性があります。「NA」は負の値または汚染を示すために使用されます。一方、24 時間の溶出結果では、未処理の対照と比較して、亜鉛ナノ複合繊維で処理したサンプルでは微生物が大幅に減少していることが示されました (ANOVA、p < 0.05)。微生物の減少率の変動ははるかに少なく、98 ～ > 99.999% (> 1 log10 ～ > 5 log10) 減少の範囲でした。得られたパーセンテージは、グラム陽性黄色ブドウ球菌およびグラム陰性菌に対する抗菌性綿生地に関する文献で報告されているパーセンテージよりも高いか、またはそれに類似しています 36,37。亜鉛ナノ粒子の抗菌機構は明確には研究されていませんが、以前の研究からの報告では、亜鉛ナノ粒子の光触媒特性により、H2Oの存在下での一連の反応を通じて過酸化水素（H2O2）が生成されることが示唆されています。これらの過酸化水素分子は、細胞膜を貫通して微生物細胞を殺す可能性があるため、微生物細胞にとって有毒です38。これらの繊維の真菌性病原体に対する抗菌効果に関する研究はほとんどありません。しかし、ここで得られた結果は、これらの新規なナノ複合繊維が抗真菌用途にも使用できることを示しています。

亜鉛ナノ複合ポリエステル綿は、AATCC LP1:家庭洗濯法に従って洗濯機で 50 回洗濯され、抗菌特性は Vartest Laboratories LLC による第三者試験によって個別に評価されました。細菌の減少は、肺炎桿菌（KP、グラム陰性）と黄色ブドウ球菌（SA、グラム陽性）の両方で0％であることが判明し、ナノ複合繊維が0時間（即時溶出）プロセス中に抗菌特性を示さなかったことを示しています。 50 回の洗濯サイクル後 (表 2 および補足情報を参照)。ただし、同じ素材は 50 回の洗浄サイクル後でも抗菌特性を示し、24 時間のインキュベーション後に肺炎桿菌と黄色ブドウ球菌の両方に対して 99.999% (5 log10) 以上の細菌減少を示しました (表 2 および補足情報を参照)。過去に抗菌繊維の製造に酸化亜鉛ナノ粒子を応用した研究がいくつかありましたが、そのほとんどは、20サイクルにわたって洗浄されたサンプルの望ましい99.999％（5 log10）の範囲よりもはるかに低い微生物減少率を示しています39,40。。一方、新しいクレスコーティング技術を使用して製造された亜鉛ナノ複合繊維は、50回以上繰り返し再利用した後でも抗菌特性を維持することができました。 100サイクル洗浄したサンプルの予備試験(次のセクションを参照)でも、有望な抗菌活性が示されています。したがって、これらの生地は医療業界での抗菌繊維の製造にうまく応用できます。

亜鉛ナノ複合綿生地は、AATCC LP1:家庭洗濯法に従って 100 回洗濯されました。次に、これらのサンプルを、AATCC 試験法 100 に従ってグラム陽性黄色ブドウ球菌に対して試験しました。 24 時間の溶出サンプルの結果は、> 99.999% (> 5 log10) の減少を示し、ナノコンポジット繊維が抗菌作用を維持できることを示しています。数回洗濯した後。これは、以前に研究された他の抗菌繊維と比較して、新しいナノ複合繊維がより優れた寿命と耐久性を備えていることを意味します39,40。

抗菌性ナノ複合繊維が衣類として安全に使用できるかどうかを判断するために、Evalulabs LLC によってヒューマンリピートインサルトパッチテスト (HRIPT) が実施されました。試験は50人の被験者からインフォームドコンセントを得た後に実施され、認可された皮膚科医の監督の下で実施されました。このプロトコールは、人間の参加者の権利を保護するためにテスト前に倫理委員会および Evalulab LLC 独立倫理委員会 (IEC) によって承認され、テストは関連するガイドラインおよび規制に従って実行されました。結果は、この布地が人間の皮膚に対して非刺激性で低刺激性であることを示しました。このテストの完全なレポートは補足情報で入手できます。

酢酸亜鉛二水和物（Sigma Aldrich、米国）を前駆体として使用しました。使用した織物支持体は、ポリエステル綿、ナイロン綿 (50/50 ナイロン綿迷彩リップストップ生地) (Rockywoods Fabrics LLC)、シルク隣接生地、60 g/m2 (ISO 105-F06、Testfabrics Inc.)、および合成ポリエステル隣接生地でした。、130 g/m2 (ISO 105-F04、Testfabrics Inc.)。亜鉛ナノ複合繊維上での合成では、約 18 メグオーム cm-1 の導電率を持つ亜鉛塩の溶液を濾過した脱イオン水で調製しました (SpectraPure、米国)。典型的な合成プロセスでは、生地を室温で 30 分間溶液に浸します。次に、布地を対流式オーブン (モデル FDL 115、BINDER GmbH、トゥットリンゲン、ドイツ) 内で 100 °C で 4 時間加熱しました。

試験に使用した細菌株は、グラム陽性黄色ブドウ球菌亜種でした。黄色ブドウ球菌（ATCC 6538）およびメチシリン耐性黄色ブドウ球菌、グラム陰性緑膿菌（ATCC 27,853）および真菌カンジダ・アルビカンス。すべての微生物をトリプシン大豆ブロス (TSB) で培養し、布地接種用に最終濃度 105 CFU/ml に達するまで連続希釈しました。濃度は、３連で調製したプレート計数法によって確認した。グラム陽性黄色ブドウ球菌亜種。黄色ブドウ球菌 (ATCC 6538) とグラム陰性肺炎桿菌 (ATCC 4352) が第三者の検査に使用されました。

抗菌性能は、AATCC Test Method 100–2004 に概説されているプレート計数法の修正版を使用して定量化されました。抗菌活性についてテストされた素材は、シルク、ナイロン綿、ポリエステル (PE) 生地などの亜鉛ナノ複合繊維でした。試験は、製造後に一度機械で洗浄された見本を「洗浄前」サンプルとみなし、機械洗浄と乾燥サイクルを行った見本を「洗浄後」サンプルとみなして実施しました。対照は未処理の布地であった。未処理の生地の 1 つの見本と処理済みの生地の 1 つの見本をそれぞれ別々の 60 mm × 15 mm のペトリ皿に置きました。見本は、４×２．５ｃｍの寸法に均一に切断された。次いで、未処理および処理済みの布地に、前に調製したように濃度１０５ＣＦＵ／ｍｌの各微生物株を接種した。この接種の目的は、生地見本を培養液に完全に浸すことです。次いで、ペトリ皿をパラフィルムで密封し、37℃で24時間インキュベートした。 0 時間の即時溶出試験では、サンプルを同様に調製し、5 mL のハンクス平衡塩類溶液 (HBSS 緩衝液) を含むチューブに直ちに移しました。次に、徹底したボルテックスにより微生物培養物を見本から完全に溶出しました。この後、見本をHBSS緩衝液から取り出した。 24 時間インキュベートしたサンプルも同様に溶出しました。 5 mL HBSS 溶液の入った 1 本のチューブに微生物培養物を直接接種し、対照として使用しました。溶出したすべてのサンプルを HBSS を使用して連続希釈し、即時溶出サンプルの場合は 3 回、24 時間溶出サンプルの場合は 5 回、トリプシン大豆寒天 (TSA) にプレーティングし、37 °C で 18 ～ 24 時間インキュベートしました。

インキュベーション後に微生物コロニーの数を数え、前述のように減少率を計算しました。

さらなる洗濯試験のために、ナノコンポジットポリエステル綿織物を AATCC LP1 に基づく洗濯サイクルに供しました。洗濯機 (Vortex M6、SDL Atlas) での家庭洗濯方法と、その後タンブル乾燥機 (Vortex M6D、SDL Atlas) での乾燥サイクルを行いました。この方法では、温水で激しく撹拌しながら 16 分間の洗浄サイクルを行い、その後 2 分 30 秒間すすぎ、5 分間脱水し、最後に高温タンブル乾燥サイクルを行います。生地の総負荷重量は 1.8 ± 0.1 kg、水位は 72 ± 4 L でした。すべての洗濯ステップで AATCC 高効率液体標準基準洗剤を使用しました。サンプルは 50 回および 100 回の洗濯サイクルにさらされ、耐久性と寿命がテストされました。

抗菌試験は、接触期間 0 時間と 24 時間の両方で 3 回実施されました。幾何平均と標準偏差が計算され、統計分析に使用されました。一元配置分散分析を使用して分散分析を行い、平均値の有意差を有意性 = 0.05 で検定しました。

新しいクレスコーティング技術は、高効率の抗菌性ナノ複合繊維を合成するための有望な技術として適用されています。グラム陽性菌およびグラム陰性菌および真菌に対して亜鉛ナノ複合繊維に対して実施された抗菌試験では、99.999% (> 5 log10) を超える微生物の減少が示されました。また、この生地は安全で耐久性が高く、100 回以上の洗濯/乾燥サイクルを繰り返しても機能を損なうことがありません。第三者による皮膚科学テストにより、ナノ複合繊維素材は人間の皮膚に対して非刺激性で低刺激性であることが示されました。したがって、これらの生地は病院用リネンや手術用ガウンなどの医療用繊維としてうまく使用でき、医療現場での院内感染や病気の伝染との戦いに役立ちます。

現在の研究中に生成されたデータセット、および/または現在の研究中に分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

HAI データ。 CDC ウェブサイト https://www.cdc.gov/hai/data/index.html (2018)。

Wiener-Well、Y.ら。看護師や医師の服装は院内感染の原因となる可能性があります。午前。 J.感染する。コントロール 39、555–559 (2011)。

記事 Google Scholar

Owen, L. & Laird, K. 医療環境における媒介物としての繊維の役割: 感染制御リスクのレビュー。 PeerJ 8、e9790 (2020)。

記事 Google Scholar

バーデン、M.ら。新しくクリーニングされた医師の制服と頻繁に洗濯されない白衣は、1 日 8 時間の勤務後に同様の細菌汚染率を示します。ランダム化比較試験。 J. 病院医学。 6、177–182 (2011)。

記事 Google Scholar

2020 年の HAI に対する COVID-19 の影響。CDC ウェブサイト https://www.cdc.gov/hai/data/portal/covid-impact-hai.html (2021)。

医療従事者の症例と死亡。 CDC ウェブサイト https://covid.cdc.gov/covid-data-tracker/?CDC_AA_refVal=https%3A%2F%2Fwww.cdc.gov%2Fcoronavirus%2F2019-ncov%2Fcases-updates%2Fcases-in-us.html #trends_dailydeaths (2022)。

米国 CDC Web サイトの症例 https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/cases-updates/cases-in-us.html (2022)。

Gavin, K. 老人ホームではどうすれば入居者を感染から守ることができるでしょうか? 研究に従ってください。ミシガン州保健ウェブサイト https://healthblog.uofmhealth.org/health-management/how-can-nursing-homes-protect-residents-from-infection-follow-research (2021)。

老人ホームにおける院内感染：それを防ぐ方法。ノジン https://www.nozin.com/nosocomial-infections-in-nursing-homes/ (2020)。

イエティセン、AK 他。繊維におけるナノテクノロジー。 ACS Nano 10、3042–3068 (2016)。

記事 CAS Google Scholar

Bhandari, V.、Jose, S.、Badanayak, P.、Sankaran, A. & Anandan, V. 繊維上の金属、金属酸化物、および金属複合材料の抗菌仕上げ: 体系的なレビュー。工業工学化学。解像度 61、86–101 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

Cao, G. & Wang, Y. ナノ構造とナノ材料: 合成、特性、および応用 (Imperial College Press、2004)。

Google Scholar を予約する

Windler, L.、Height, M. & Nowack, B. 繊維用途における抗菌剤の比較評価。環境。内部。 53、62–73 (2013)。

記事 CAS Google Scholar

Shahid-Ul-Islam、BS および Butola、FM 天然および合成繊維材料の将来の着色剤および潜在的な抗菌剤としての銀ナノ材料。 RSC アドバンス 6、44232–44247 (2016)。

記事 ADS CAS Google Scholar

サタエフ、MS et al. 繊維材料を銀でコーティングして抗菌性生地を調製するための新しいプロセス。コル。サーフィン。物理化学。工学 Asp. 442、146–151 (2014)。

記事 CAS Google Scholar

Dubas, ST、Kumlangdudsana, P. & Potiyaraj, P. 織物繊維上への抗菌銀ナノ粒子の層ごとの堆積。コル。サーフィン。物理化学。工学 Asp. 289、105–109 (2006)。

記事 CAS Google Scholar

ペレルシュテイン、I. et al. 織物 (ナイロン、ポリエステル、綿) 上の銀ナノ粒子の音波化学コーティングとその抗菌活性。ナノテクノロジー 19(24)、245705 (2008)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Deng, X. et al. 大気圧プラズマ蒸着プロセスによる抗菌ナノ銀不織布ポリエチレンテレフタレート生地。科学。議員 5、1–10 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Lee, S. エレクトロスピニングされた酸化亜鉛ナノ複合繊維をベースにした UV 保護繊維を開発中。ファイバーポリマー。 10、295–301 (2009)。

記事 CAS Google Scholar

Geranio, L.、Heuberger, M.、および Nowack, B. 洗浄中の銀ナノテキスタイルの挙動。環境。科学。テクノロジー。 43、8113–8118 (2009)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Ｒ．Ｂ．リードら。銀およびナノ銀を含む繊維の潜在的な環境への影響と抗菌効果。環境。科学。テクノロジー。 50、4018–4026 (2016)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Keller, AA、Adeleye, AS、Conway, JR & Garner, KL 銅ナノ材料の環境運命と毒性の比較。 NanoImpact 7、28–40 (2017)。

記事 Google Scholar

Ivask, A. et al. 大腸菌における毒性メカニズムは銀ナノ粒子によって異なり、銀イオンとは異なります。 ACS Nano 8、374–386 (2014)。

記事 CAS Google Scholar

ミトラノ、DM et al. 単一粒子 ICP-MS (spICP-MS) を使用して、実験室水、天然水、および処理水における環境に関連した濃度での銀ナノ粒子の溶解を追跡します。環境。科学。 Nano 1、248–259 (2014)。

記事 CAS Google Scholar

Choi, OK & Hu, ZQ 銀ナノ粒子による硝化阻害。水科学テクノロジー。 59、1699–1702 (2009)。

記事 CAS Google Scholar

エスピティア、PJP 他酸化亜鉛ナノ粒子: 合成、抗菌活性、および食品包装用途。食品バイオプロセス技術 5、1447–1464 (2012)。

記事 CAS Google Scholar

Ahmed, S.、Brockgreitens, J.、Xu, K. & Abbas, A. コロイド状セレンナノスフェアのスポンジ支持合成。ナノテクノロジー 27(46)、465601 (2016)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Brockgreitens, JW、Heidari, F. & Abbas, A. ナノ複合吸着剤の多用途プロセス: リンとヒ素の除去。環境。科学。テクノロジー。 54、9034–9043 (2020)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Ahmed, S.、Brockgreitens, J.、Xu, K. & Abbas, A. 検出不可能なレベルまで瞬時に水銀を除去するためのナノセレンスポンジ。上級機能。メーター。 27(17)、1606572 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

ゴンザレス、A. 他高い微粒子濾過能力とコロナウイルスの迅速な不活化を備えた耐久性のあるナノ複合材料フェイスマスク。科学。議員第 11 号、1–11 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

AATCC テクニカルマニュアル。Howes Publishing (2004)。

Shaporev、AS、Ivanov、VK、Baranchikov、AE、Polezhaeva、OS & Tret'yakov、YD さまざまな化学履歴を持つ水酸化亜鉛化合物からの水熱条件下での ZnO の形成。ラス。Ｊ．Ｉｎｏｒｇ．化学。 52、1811–1816 (2007)。

記事 Google Scholar

US EPA、O. EPA メソッド 6010D (SW-846): 誘導結合プラズマ: 原子発光分析。

秒 66261.24—毒性の特徴 | 州の規制 | 米国法 | LII/法務情報研究所。 https://www.law.cornell.edu/regulations/california/22-CCR-Sec-66261-24。

Emam、HE、Darwesh、OM、Abdelhameed、RM 抗菌繊維としての内部成長金属有機フレームワーク/合成ハイブリッドとその毒性。コル。サーフィン。 B バイオインターフェイス 165、219–228 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Nam, S. et al. 茶色の綿繊維は、抗菌性表面を再生するための銀ナノ粒子を自己生成します。 ACS アプリケーションナノメーター。 4、13112–13122 (2021)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Jiang, S.、Chen, S.、Chen, S. シロキサンスルホプロピルベタインで仕上げられた新しい抗菌性綿織物。ファイバー学会では。 2011年春のカンファレンス 263–264 (2011)。

Li, Y.、Zhang, W.、Niu, J. & Chen, Y. 光生成活性酸素種のメカニズムと、人工金属酸化物ナノ粒子の抗菌特性との相関。 ACS Nano 6、5164–5173 (2012)。

記事 CAS Google Scholar

ラジェンドラ、R. 他抗菌繊維の製造のための酸化亜鉛ナノ粒子の使用。内部。 J.Eng. 科学。テクノロジー。 2、202–208 (2010)。

記事 Google Scholar

Tania, IS & Ali, M. 綿生地に ZnO ナノ粒子をコーティングして、機械的特性を強化した機能性繊維を作成します。ポリマー 13(16)、2701 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

リファレンスをダウンロードする

著者らは、USDA 国立食品農業研究所、ハッチプロジェクト 1006789、および Schwan Food Company 大学院フェローシップ (A. Abbas)、疾病管理予防センター賞 # 75D30121C10530、USDA Small Business の財政的支援に感謝します。イノベーション研究助成金 #2020-33610-32483、および米国陸軍国防総省中小企業技術移転助成金 #W911QY-19-P-0180 (Claros Technologies Inc.)。ここで紹介される研究は、国際特許出願番号 PCT/US2016/056850 および米国特許出願番号 63/123,814「抗菌および抗ウイルス性ナノ複合シート」の主題です。

ミネソタ大学ツインシティーズ生物製品・生物システム工学部、2004 Folwell Ave、セントポール、ミネソタ州、55108、米国

ヴィニー・テクダン・ノヴィ & アブデナー・アッバス

Claros Technologies Inc.、1600 Broadway St NE、Suite 100、ミネアポリス、MN、55413、米国

アンドリュー・ゴンザレス、ジョン・ブロックグレイテンス、アブデナー・アッバス

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

VTN はすべての抗菌試験実験を設計および実施し、原稿を執筆しました。 AG と JB は、ナノ複合繊維を調製し、特性評価しました。 AA は実験計画を設計し、プロジェクトを監督しました。

アブデヌール・アッバス氏への通信。

この論文で説明されている抗菌繊維は、Claros Technologies によって ZioShield というブランド名で商品化されています。 Abdennour Abbas 博士は、Claros Technologies Inc. の株式を保有しており、その創設者兼最高技術責任者でもあります。Claros Technologies Inc. は、この原稿で説明されている技術を商業化するライセンスをミネソタ大学から取得しています。 Andrew Gonzalez は Claros Technologies の株式を保有しており、同社の主任材料エンジニアです。 John Brockgreitens 博士は、Claros Technologies の株式を保有しており、その研究開発ディレクターを務めています。ミネソタ大学もクラロスの株式およびロイヤルティ権を持っています。これらの利益は、利益相反ポリシーに従ってミネソタ大学によって検討され、管理されています。他の著者には利益相反はありません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

オープンアクセスこの記事はクリエイティブコモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされており、元の著者と情報源に適切なクレジットを表示する限り、あらゆる媒体または形式での使用、共有、翻案、配布、複製が許可されます。クリエイティブコモンズライセンスへのリンクを提供し、変更が加えられたかどうかを示します。この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、素材のクレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブコモンズライセンスに含まれています。素材が記事のクリエイティブコモンズライセンスに含まれておらず、意図した使用が法的規制で許可されていない場合、または許可されている使用を超えている場合は、著作権所有者から直接許可を得る必要があります。このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

Novi、VT、Gonzalez、A.、Brockgreitens、J. 他非常に効率的で耐久性のある抗菌ナノ複合繊維。 Sci Rep 12、17332 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-22370-2

引用をダウンロード

受信日: 2022 年 7 月 11 日

受理日: 2022 年 10 月 13 日

公開日: 2022 年 10 月 15 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22370-2

次のリンクを共有すると、誰でもこのコンテンツを読むことができます。

申し訳ございませんが、現在この記事の共有リンクは利用できません。

Springer Nature SharedIt コンテンツ共有イニシアチブによって提供

コメントを送信すると、利用規約とコミュニティガイドラインに従うことに同意したことになります。虐待的なもの、または当社の規約やガイドラインに準拠していないものを見つけた場合は、不適切としてフラグを立ててください。