抗菌性钛的开发
近年来,随着抗菌制品需求的增加,人们开发了各种各样的抗菌剂。
氧化钛是基于光催化反应使有机物分解而具有抗菌效果。其第一个特点是即效性,如银系抗菌剂的效果约在24h左右发生,而氧化钛仅需1h左右。
第二个特点是氧化钛是一种半永久维持抗菌效果的抗菌剂,不像其它抗菌剂会随着抗菌成分的溶出,效果逐渐下降。
第三个特点是具有很好的安全性,可用于食品添加剂等,与皮肤接触也不会对人体产生影响。
其缺点是加工性差、成本高。特别是加工性差,即其密合性差,使适用的制品受到限制。目前,氧化钛抗菌剂涂敷在实际制品的例子,仅为玻璃食具、陶瓷等可通过高温烧结使氧化钛层密合的产品。但是钛材可通过表面氧化形成密合性优良的氧化钛层,所以将钛材进行阳极氧[i],然后进行热处理[ii],使表面层具有光催化活性[iii],可取得对大肠菌等的抗菌效果。
试验发现,热处理温度在350℃和700℃时,光催化活性最高,而频带隙较大的锐钛型氧化钛比金红石型的光催化活性高。另外,延长氧化处理时间(如6h)也可提高纯钛表面氧化钛的光催化活性。尽管通过阳极氧化可以得到光催化活性的氧化钛层,但氧化钛层厚度薄,而且结晶不太好,因此要获得很好的抗菌性,有必要直接涂敷锐钛晶型氧化钛粉末。但这种粉末直接涂敷在钛材上时,密合性不好,在实际环境中使用不能耐久。
为了解决这个问题,日本神户制钢所研究人员首先把钛材阳极氧化处理,然后再涂敷结晶好的锐钛型化钛粉,从而开发了具有优良耐久性的抗菌性钛,命名为“SPARKT”。这种产品对大肠菌O-157以及MRSA葡萄球菌具有抗菌作用。经试验,在紫外线照射保持2h后,细菌基本被杀灭,而通常的钛材在2h后仍残留许多细菌。这种产品还具有防臭、抗污的特点,可用于内装饰、外装饰建材、炊具食具、卫生洁具等方面,具有广泛的应用范围。[1]
钛在杀菌性上的应用
1、钛杯的杀菌特性
氧化钛是钛和氧的无机化合物,一般被用在食品添加剂、涂料、化妆品添加剂等的上面。氧化钛根据其结晶构造的不同,被分为金红石型和锐钛矿型两种。其中,锐钛矿型具有杀菌效果。正极氧化的氧化钛薄膜,在化学合成处理时会产生温度特性,这种特性使其成为锐钛矿的结晶,生成在钛的表面上。
钛杯表面是一层氧化薄膜,不会感到有金属制品的铁锈味,也不会使饮料产生异味,可以品味到很清爽的味道。
光抗菌作用的机制即氧化钛受光后,其表面的正极空穴和负极电子被释放出来。这个能量与含在水里的氧溶解形成活性氧、分解水后产生氢和氧。在这个过程里,在氢和活性氧的作用下,进行杀菌、分解有机物,同时,也分解杂菌、酸味等,也能使饮料的味道更加醇厚。
2、钛金空调的杀菌性
钛金空调搭载第三代钛金技术,具有防尘、防霉、杀菌、耐腐蚀四大功效,时刻保持蒸发器冷凝器干净,保持室内呼吸到的每一缕空气都清新干净,同时钛金蒸发器采用的是光催化纳米银二氧化钛复合材料,有效去除烟味等异味,有效去除新房内的甲醛含量,更可贵的是,钛金只要在有光线的环境里,就能做到全天候的自动杀菌。只要微弱光就可催化杀菌,蒸发器自身杀菌,彻底解决了蒸发器聚集大量细菌、病菌的难题,保证室内空气干净健康。
钛在抗菌性上的应用——钛合金牙种植体
伴随口腔种植修复技术的飞速发展,人们对牙种植体材料的开发与研究也随之增多。医用钛及钛合金种植体不但能与骨形成骨整合(骨组织与种植体表面直接接触,两者间无软组织介入),而且植入人体不会引起局部或全身的不良反应,无致畸、致敏、致癌作用,且拥有良好的生物相容性、力学性能和机械加工性能,是目前非常理想的牙种植体材料。
人们很早就认识到Cu元素具有广谱抗菌性。对Cu的抗菌机制,最新研究表明,含Cu合金之所以具有抗菌性能,主要是合金中存在富Cu的ε-Cu相,称之为抗菌相。细菌在Cu表面不易形成保护性的生物膜,Cu可以破坏细菌 的细胞膜结构,导致细菌凋亡。而 Shirai等人研究证实,Ti-Cu(10wt%Cu)合金对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的强抗菌性为99,9%的抗菌率。Ti-Cu合金利用铜的抗菌特性使其具有长效、广谱的抗菌性,且对多种细菌的杀菌率可达90%以上甚至100%,符合中国抗菌材料及制品行业协会规定标准。因此,基于这些优点,研究出最佳比例的Ti-Cu合金牙种植体材料将是未来研究热点。[2]
钛的抗菌、杀菌性用途还远远不止这些,随着人们智慧的激发,钛的优异品质、高贵品质将镶嵌在人们的家居生活中,不但美化人们的生活,而且是净化人类生活环境的“绿色金属”。
参考文献:
[1] 吴全兴,摘译自日刊《金属》,1997;67(10)66-69
[2] 马凯、赵宝红、邓春富,医用钛及钛合金种植体生物相容性及其相关抗菌性能研究进展,2016;07
注释:
i 阳极氧化(anodic oxidation),金属或合金的电化学氧化
ii 热处理是指材料在固态下,通过加热、保温和冷却的手段,以获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺
iii 一种在光的照射下,自身不起变化,却可以促进化学反应的物质
