استفاده از فناوری نانو در تولید رنگ‌های ضدباکتری

نانو­مواد به موادی گفته می‌شود که حداقل یکی از ابعاد آن­ها در مقیاس نانومتری (زیر 100 نانومتر) باشد. کوچک شدن اندازه ذرات در حد نانومتر سبب تغییراتی در خواص فیزیکی و شیمیایی آن‌ها می‌شود. بنابراین نانو­فناوری به بحث درباره تغييرات خواص مواد هنگامي­كه اندازه ذرات كوچكتر از    100 نانومتر است، مي‌پردازد.

از دیرباز تا کنون رنگ‌ها به عنوان پوشش محافظ یا تزئینی بر روی سطوح مختلف به‌کار رفته‌اند و در سالهای اخیر با پیشرفت‌ فناوری نانو در صنایع مختلف، از جمله صنعت رنگ شاهد پیشرفت‌های جالبی در این زمینه و تولید انواع رنگ‌ها با کیفیت‌ها و با قابلیت‌های متنوع بوده‌ایم. نمونه‌ای از کاربرد فناوری نانو در صنعت رنگ استفاده از رنگ­های ضدباکتری می‌باشد.

با توجه به اینکه يكي از مهمترين عوامل ایجاد بيماري‌ها، انتقال آلودگی از سطوح ديوارها، كف ساختمان‌ها و سطوح تجهيزات مراکز تفریحی و عمومی می‌باشد، بنابراین به کمک نانو­تکنولوژی و استفاده از رنگ‌های ضدباکتری بر روی سطوح، می‌توان از ایجاد و انتشار باکتری‌های بیماری‌زا جلوگیری کرد.

مفهوم ضدباکتری

به‌ طور کلی رنگ‌ها و پوشش‌هاي آنتي­باکتریال (ضد باکتری) به آن دسته از مواد اطلاق مي‌گردد كه به­صورت ذاتی، توانایي كنترل عوامل بيماري‌زا را دارا مي‌باشند.

دلیل استفاده از رنگ‌های آنتی باکتریال

به‌ دلیل گسترش روز­افزون جمعیت ساکن بر روی کره زمین و در پی آن رشد بسیار سریع بیماری‌ها و باکتری‌های بیماری­زا، محققان در تلاش‌اند تا با استفاده از راهبردهای پیشگیرانه مانع از بروز بیماری شوند. از نانومواد در ساخت رنگ‌های دارای قابلیت ضد­میکروب یا ضد­باکتری استفاده می‌شوند. در سالیان اخیر محققان موفق به شناسایی نانو­ذرات فلزی با خاصیت ضدباکتری شده‌اند، این ترکیبات می‌توانند از رشد و نمو باکتری­ها و قارچ ها و دیگر عوامل بیماری­زا جلوگیری کنند.

در ساخت رنگ‌های ضدباکتری از ابتدا نانو­ذرات فلزی را با رزين و افزودنی­های مورد­نظر مخلوط و خاصیت ضد­میکروبی به رنگ می­دهند.

کاربرد نانو­تکنولوژی در صنعت رنگ باعث افزایش کیفیت رنگ و کاهش حجم مصرف در مساحت مشخص می‌گردد.

رنگ‌های ضدباکتری از تشکیل باکتری‌ها، رشد جلبک­ها و میکروب‌ها روی سطح رنگ جلوگیری می‌کنند. استفاده از رنگ‌های ضدباکتری باعث حفاظت سطوح در برابرتشکیل کپک و قارچ در اماکن عمومی، سرویس‌های بهداشتی، آشپزخانه ها وکارخانجات فراورده‌های غذایی می‌شود.

تفاوت عمده بین روش‌های سنتی ضد­عفونی­کننده و روش‌های مبتنی بر فناوری نانو

• بر خلاف پوشش‌های­ ضدباکتری، روش متداول برای مبارزه با قارچ­ها و میکروب‌ها در ساختمان استفاده از اسپری‌ها و دیگر انواع آفت‌‌کش‌هاست که به‌دلیل وجود ساختار شیمیایی به مرور در فضا آزاد­شده و به محیط زیست و بدن انسان آسیب می‌رسانند.
• بر­خلاف روش متداول برای مبارزه با قارچ­ها و میکروب‌ها، با کمک فناوری نانو یک ویژگی ضد­باکتری ذاتی در سطوح ایجاد می­­شود که با شستو­شو یا مواد شوینده از بین نمی‌روند.

گستره كاربردي رنگ‌هاي آنتي­باکتریال 

• بيمارستان‌ها، درمانگاه‌ها، مطب‌ها و مراكز درماني
• آشپزخانه‌ها و اتاق كودكان
• سالن‌هاي ورزشي، استخرها، حمام­ها و سونا
• مدارس، دانشگاه‌ها، مراكز آموزشي، تفريحي و عمومي
• كارخانجات توليد مواد غذائي، انبار‌ها و سردخانه‌ها

مزیت رنگ­های ­ضدباکتری

• ايجاد سطوح پاك و عاري از آلودگي بصورت دائمي
• جلوگيري از رشد، گسترش و انتقال بيماري‌ها
• جلوگيري از رشد و گسترش انواع سرطان‌ها به‌واسطه رشد روزافزون به‌كارگيري مواد شيميایي
• كمك به بهداشت و سلامت فردي و عمومي وكمك به بهسازي محيط زيست
• كاهش هزينه‌هاي پاكسازي و ضدعفوني­کردن محيطي
• ايجاد پاك­ترين، ايمن‌ترين و مدرن­ترين فضاها در دنيا

نانو­ذرات فلزی با خاصیت ضد­میکروبی

 نانو­ذرات نقره

از دیرباز، از نقره به‌عنوان ماده دارویی و نگهدارنده مواد استفاده ‌شده است. امروزه هم می‌توان از اثر ضد­باکتری نقره برای مقابله با بیماری‌ها و آلودگی‌ها استفاده کرد، اما در مقیاسی بسیار کوچک‌تر و با عملکردی کنترل شده‌تر.

نانو­ذرات نقره، یکی از پرکاربرد‌­ترین ذرات در حوزه نانو­فناوری‌اند که به دلیل داشتن خصوصیات ضد­میکروبی مشهور بوده و به عنوان یک کاتالیست قادرند  بیش از 650 گونه باکتری، ویروس و قارچ را نابود سازند.

نقره در ابعاد بزرگتر، فلزی با خاصیت واکنش‌دهی کم می‌باشد، ولی زمانی‌که به ابعاد کوچک در حد نانومتر تبدیل می‌شود خاصیت میکروب­کشی آن بیش از 99 درصد افزایش می­یابد.

بررسی­ها نشان می­دهد که خاصیت ضد­میکروبی نانو­ذرات نقره در رنگ‌ها، تا اندازه­ای بوده که حتی باکتری­ها و حشراتی که در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها مقاومند (مانند استافیلوکاکس[1]، آروس[2]، ام.آر.اس.ای[3])، نتوانسته‌اند در برابر این نانو­ذرات مقاومت کنند. نانو­ذرات نقره بر متابولیسم، تنفس و تولید مثل میکرو­ارگانیسم‌ها ( عوامل بیماری­زا ) اثر می‌گذارند.

ساز­و­کار ضدباکتری نانو­ذرات نقره

• فرایند کاتالیستی :به فرایند تولید اکسیژن فعال در کامپوزیت­های نانو­نقره که روی پایه های نیمه هادی مانند TiO₂ یا SiO₂ قرار گرفته اند، اطلاق می­شود. در این وضعیت ذره مانند یک پیل الکتروشیمیایی عمل می­کند و با اکسید­کردن اتم اکسیژن و هیدرولیزکردن آب، به­ترتیب یون­های اکسیژن  و هیدروکسید (OH) را تولید می­کند که هر دو از فعال­ترین و قوی­ترین عوامل ضد­میکروبی می باشند.
• فرایند یونی:دراین فرایند ذرات نانونقره فلزی به مرور زمان یون­های نقره از خود ساطع می کنند. این یونها طی واکنش جانشینی، باندهایSH- را به باندهای -SAg تبدیل می کنند (پیوندهای دی سولفیدی در دیواره باکتری نقش حفاظتی را در مقابل واکنش های اکسایش ایفا می‌کنند. اما حضور یون‌های نقره در طی واکنش جانشینی سبب تبدیل باندهای S-H به سولفید نقره در جداره باکتری شده و در نتیجه، موجب از بین رفتن آن‌ها می‌شود).
• به علت افزایش سطح ذرات نقره در ابعاد نانو، تمایل یون­های مثبت این ذرات برای اتصال با میکرو­ارگانیسم‌های دارای بار منفی بیشتر می‌شود که این ساز­و­کار به تخریب غشای سلولی میکروارگانیسم می‌انجامد (دیواره سلولی باکتری حاوی مقادیر زیادی بار منفی است).
• در بعضی از میکروارگانیسم‌هایی که تنفس آن‌ها به‌وسیله آنزیم‌ها صورت می‌گیرد نانو­ذرات نقره با از بین بردن آنزیم‌ها، مکانیسم تنفسی میکروارگانیسم را مختل می‌کنند و باعث مرگ آن‌ها می‌شوند.

شکل 2: ویژگی ضد باکتری بودن نقره به علت انتشار آرام و آهسته، اما مداوم یون های نقره است. ‌نسبت سطح به حجم بسیار بالای ذرات نقره سبب می شود که یون­ها به سهولت منتشر شده و با سرعت بیشتر و به شکل موثرتری میکروب­ها را بکشند. همچنین وجود نقره سبب می­شود که دیواره و غشاء سلولی میکروب ها سست و ناپایدار گردد که این ناپایداری غشای سلولی به معنی مرگ زودرس میکروب خواهد بود.

شکل 3 : نانو­ذرات نقره در مسیر ماده مغذی سلول انقطاع ایجاد می‌کنند. به‌این ترتیب، بدون استفاده از هیچ‌گونه ماده شیمیایی، میکروب‌ها به شکل موثری از بین می‌روند.

ساز و کار اصلی تاثیر نانو­ذرات بر روی باکتری‌ها از طریق آسیب به DNA ، پروتئین و تخریب دیواره سلولی می‌باشد

• مس، ضد­باکتری باستانی

از دوران باستان، مس نیز همانند نقره به عنوان یک فلز ضد میکروب شناخته شده بود، در آن زمان برای پیشگیری از رشد جلبک‌ها و خزه‌های دریایی از صفحات مس در زیر کشتی‌ها استفاده می­شد. همانند آنچه برای نقره توضیح داده شد، یون­های مس نیز به سمت دیواره­های سلولی باکتری هجوم برده و آن را تخریب می­کنند. استفاده از نانو­ذرات مس که نسبت سطح به حجم بسیار بالایی دارند باعث افزایش چشمگیر خاصیت ضدباکتری این ماده می شود.

شکل4 : تصویر مربوط به رشد جلبک در دو قطعه چوب رنگ شده : الف) رنگ فاقد نانو­ذرات مس، ب) رنگ حاوی نانو­ذرات مس

• دی ­اکسید تیتانیوم، ضد­باکتری برای محیط آزاد

نانو­ذرات دی­اکسید­تیتانیوم از جمله موادی است که علاوه­ بر خاصیت خود­تمیز­شوندگی، تصفیه هوا و فوتوکاتالیزوری، خواص ضد­میکروبی نیز دارد. این نانو­ذرات با جذب نور ماورای بنفش در حضور مولکول‌های آب، می‌توانند اجزای اکسیژن فعال تولید کنند که این اجزا قابلیت تجزیه مولکول‌های آلی و آلودگی‌های متصل شده به سطح و حذف مؤثر باکتری‌ها و میکروب‌ها را دارا می‌باشند. بنابراین این نانو­ذرات به دلیل نیاز به طیف ماورای بنفش نور خورشید، بیشتر در پوشش­هایی که در محیط آزاد قرار می‌گیرند، کاربرد دارد. نکته‌ای که درباره نانو­ذرات دی­اکسید­تیتانیوم گفتنی است، این است که این نانو­ذرات را نمی‌توان بر روی رنگ‌های ساختمانی که ساختار آلی دارند، اعمال کرد، چرا که نانوذرات تیتانیا به رنگ‌های با منشا آلی حمله کرده و آن‌ها را تجزیه می‌کنند.
ویژگی ضدباکتری نانوذرات فلزی

-تاثیر بسیار زیاد و سریع بر باکتری

• -آب دوست بودن
• -غیر سمی و غیر حساسیت زا
• -سازگاری با محیط زیست
• -غیر محرک برای بدن
• -مقاوم در برابر حرارت
• -قابلیت تحمل شرایط مختلف
•  عدم ایجاد و سازگاری با میکروارگانیسم

———————

[1]Staphylococcus

[2]Aureus

[3] MRSA

وضعیت رنگ‌های­ ضدباکتری در ایران و جهان

استفاده از مواد ضد­میکروبی نظیر رنگ‌ها و پوشش‌ها در صنعت ساختمان، در سال­های اخیر رشد زیادی داشته است. کاربرد مواد ضد­باکتری و ضد­میکروب در کشورهای اروپایی و امریکایی چشمگیر می‌باشد، به‌طوری که از سال 2010 به بعد در کشورهای اروپایی استفاده از مواد شیمیایی ضد­میکروبی بسیار محدود شده است. طبق گزارش تحلیل‌گران صنعت جهانی انتظار می‌رود که در امریکا تا سال 2015 هزینه استفاده از پوشش‌های ضد­میکروبی به بیش از یک میلیارد دلار برسد.

اسامی برخی از شرکت‌ها‌ی فعال در زمینه رنگ‌های ضدباکتری

—————————- 

منابع

[1] www. en.wikipedia.org/wiki/Antimicrobial_surfaces

[2] Catalina Marambio-Jones, A review of the antibacterial effects of silver nanomaterials and potential implications for human health and the environment.

[3] Nano-silver – a review of available data and knowledge gaps in human and environmental risk assessment

[4] Monica J. Hanus, Nanotechnology innovations for the construction industry, Progress in Materials Science 58 (2013) 1056–1102.

[5] Zhang L, Jiang Y, Ding Y, Daskalakis N, Jeuken L, Povey  M. Mechanistic Investigation Into

Antibacterial BehaviourOf Suspensions Of Zno Nanoparticles Against E. Coli. Journal Of Nanoparticle

Research 2010; 12(5): 1625-1636.

[6] Rai, M., A., Yadav. 2009. Silver Nanoparticles As A New Generation Of Antimicrobials,

Biotechnology Advances, Volume 27, Issue 1, 76-83.

—————————————————

بخش ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

(توجه: جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید)

همچنین برای دسترسی به فایل PDF کلیه گزارشات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید.

 ====================================================================================