抗菌日用钧瓷抗菌性能的检测影响因素分析和检测技术发展*

2023-10-28郭志勇

陶瓷 2023年10期

刘琳郭志勇

(1 许昌市产品质量检验检测与研究中心河南许昌 461000)

(2 国家市场监管重点实验室(陶瓷制品有害物质分析与评估)) 河南许昌 461000)

随着我国物质生活水平的不断提高,传统日用钧瓷的质地、花色、功能性渐渐满足不了人们的需求,尤其是近些年来频繁爆发的公共安全事件使得人们更加关注日用钧瓷的抗菌能力。抗菌日用钧瓷作为新型功能性陶瓷产品,既能够满足目前市场上对这类瓷器的日常需求,又能够有效避免细菌、疾病的传播,减少人员交叉感染。因此,发展高效抗菌日用钧瓷产品已经成为钧瓷生产企业的重要方向之一。钧瓷是河南省独有的地理标志性产品,极具历史、文化和特色经济价值,独特的钧瓷釉料和工艺特色是其它瓷种无法取代的,所谓“入窑一色,出窑万彩”,其在原料使用方面和烧制工艺上有较大的地理局限性。抗菌日用钧瓷兼具了艺术观赏性和使用安全性,即在生产过程中加入纳米级无机抗菌剂,从而使日用钧瓷表面具有抗菌作用,在使用过程中能持续对细菌等微生物有抑制或杀灭作用。笔者以抗菌日用钧瓷为研究对象,对抗菌机理、检测方法、影响因素进行了分析,并对检测技术的现状和未来发展进行了探讨。

1 抗菌日用钧瓷

抗菌日用钧瓷是在普通钧瓷釉添中合适比例的复合纳米银系抗菌剂,在氧化气氛下高温烧结得到的。抗菌性能显著、耐候性稳定。其通过缓慢释放的银、锌等金属离子破坏细菌的细胞结构和代谢过程,促使细菌繁殖受到抑制或死亡,使陶瓷制品表面的细菌数目控制在一定范围之内,可以避免器具上细菌、霉菌的滋生和人员交叉感染[1]。抗菌效果与其采用的抗菌剂有直接的关系。

2 主要抗菌剂及抗菌机理

2.1 主要抗菌剂

金属或其离子是抗菌剂中的关键成分,其抗菌效果的大小次序为Ag+＞Co2+＞Ni2+＞Al3+＞Cu2+＞Zn2+＞Fe3+＞Ba2+＞Mg2+＞Ca2+等,Ag+是公认的抗菌效果最好的金属离子,但价格高,易氧化,而Cu2+、Zn2+抗菌效果一般,却价格便宜[2]。抗菌日用钧瓷抗菌釉料采用纳米级银离子和锌离子两种单一的无机抗菌材料,复合在同一载体上所得到的同时具备两者优点的复合型抗菌材料,这类复合型抗菌材料除了同时具备各自的抗菌性外,同时也表现出了由两者相互作用所具备的更加优异的抗菌性能,弥补了单一离子材料的不足,将两种离子材料的优点进行互补,得到更加理想化的复合抗菌材料[3]。

2.2 抗菌机理

抗菌釉料中不断释放出银离子与细菌细胞壁和细胞膜相互作用,使胞壁结构损伤、细胞膜通透性增加从而通过内吞作用进入细胞内部阻断DNA 复制损伤细菌,同时促使细菌胞内外产生活性氧和活性氮等自由基,引起细菌细胞膜脂质过氧化,抑制细菌跨膜呼吸及引起细菌内溶物泄露,使细菌进一步裂解从而无法代谢及繁殖直至死亡[4]。当细胞失去活性后,银离子游离出并继续与其他细胞作用,因而具有持续抗菌效能。纳米级银离子协同锌离子具有更高的表面积与体积比,能以更快的速度释放更多的银离子,从而增强杀菌性能。

3 国内现行检测方法

国内在陶瓷制品抗菌性检测方面的研究相对滞后,存在标准间不协调,标准采用率低等问题。陶瓷产品中抗菌骨质瓷对其抗菌性检测编制了单独的国家标准,其他日用瓷种尚未对产品抗菌性检测制定标准。随着抗菌材料的不断创新和发展,抗菌检测方法较为单一,对于不同抗菌材料不同烧制工艺的抗菌日用钧瓷是否具有普遍适用性还待研究。抗菌日用钧瓷当前无抗菌性能相关检测标准,此次检测参照的为JC/T 897-2014抗菌陶瓷制品抗菌性能[5]。

表1 陶瓷产品抗菌性能相关检测标准

图1 银离子抗菌原理图

4 实验部分

4.1 检测流程图

分别取试验用菌液0.4 mL滴加在样品A(阴性对照即空白平皿)、样品B(包括对照0 h和对照24 h)和抗菌日用钧瓷样品C上。

用灭菌镊子夹起灭菌覆盖膜分别覆盖在样品A、样品B和样品C上铺平,使菌液均匀接触样品。样品A 和对照0 h 样品B 立即进行洗脱,加入洗脱液10 mL,反复洗脱样品及覆盖膜,混匀后取洗脱液10倍递增稀释至合适浓度,取一定量接种于平板计数琼脂中,在37℃±1℃下培养24～48 h后活菌计数。对照24 h样品B 和样品C 在35 ℃±1 ℃、相对湿度大于90%条件下培养24 h。

图2 抗菌性能检测流程图

取出对照24h样品B和样品C,分别加入洗脱液10 mL,反复洗脱样品及覆盖膜,充分混匀后10倍递增稀释至合适浓度,取一定量接种于平板计数琼脂中,在37℃±1℃下培养24～48 h后活菌计数。

计数结果必须符合下述3个条件全部成立,试验被判定有效。反之则试验无效,须重新进行试验。

对照0 h样品B的菌落数,满足了公式(1)给出的条件:

式中:L最大——菌落数的最大对数值;

L最小——菌落数的最小对数值;

L平均——三个试样菌落数对数的平均值。

阴性对照A 和对照0 h B的活菌值应为(3～9)×103CFU;

3个对照24 h B 经24 h培养后的菌落数不小于1.0×102CFU。

4.2 抗菌率计算

试验有效条件下,按公式(2)计算:

式中:R——抗细菌率,数值取四位有效数字,%;

B——对照24h B 培养24h 后的平均菌落计数的数值,单位为菌落数(CFU);

C——抗菌钧瓷试样培养24 h后平均菌落计数的数值,单位为菌落数(CFU)。

5 结果与讨论

5.1 对照样品的确定

抗菌日用钧瓷对照样品的确定在做抗菌性能检测时很关键。抗菌率是通过添加抗菌釉料样品与未添加抗菌釉料对照样品的菌落生长数量比值而得到的。对照样品吸水率、表面质量、釉面平整度都会影响到检测结果。现行行业检测标准对对照样品未做统一规定,菌种在不同的对照样上菌落增长倍数相差较大。而实际检测过程发现,菌种在对照样品培养过程中,其生长量可能达约100倍,在不同的对照样上菌落增长倍数相差可达10倍。而不同的检测机构采用不同的对照样品,导致各检测机构的检测结果各不相同,重复性和再现性也较低[9]。经过大量实验摸索,若委托单位对对照样品加工困难,平整度、表面质量达不到实验要求、吸水率不能较好控制时,经委托方同意也可由检测单位采用硼酸盐玻璃板作为对照样品并在报告中注明。下图为不同批次的日用钧瓷对照样品和硼酸盐玻璃片表面质量对比图。

表2 各批次抗菌日用钧瓷瓷片表面质量对比

5.2 样品预处理方式

陶瓷产品是由无机矿物材料经高温烧制而成,虽然目测表面很致密,但微观看还是有很多孔洞,表面的致密程度直接影响吸水率,抗菌实验时样品表面只铺0.3～0.5 mL 的菌液,要作用24 h后再冲洗下来。虽然作用过程湿度环境要求达到90%以上,但由于菌液量少、作用时间长,样品表面有一定吸水性,其表面更易表干。因此采用预处理方式,实验前用70%医用酒精对试样清洗消毒,再将消毒处理过的试样表面釉层向上,坯体部分浸泡于无菌水中(18～24)h,保证试片吸水充分,实验时取出试片用灭菌干纱布将试片表面的多余水分轻轻擦去,然后放入灭菌平皿中待用[10]。

5.3 菌种代数的不同

抗菌检测主要针对菌种活性较强时样品的抗菌效果,要在菌种活性较强时才能反映产品真实抗菌性能。菌种活化代数越多,菌种越不稳定。传代过程中发生自发突变的概率随着传代次数的增加而增加,尤其是负突变发生概率将大大增加[11]。现行的陶瓷行业标准JC/T 897-2014抗菌陶瓷制品抗菌性能规定可使用第3代～第14代活化菌种。同一实验室使用不同批次的活化菌种也会导致结果差异,不同检测机构使用不同活化代数的菌种,实验室之间检测结果无可比性。

5.4 菌液滴加量的确定

JC/T 897-2014抗菌陶瓷制品抗菌性能中规定接种菌液范围在(1～3)×104CFU/mL,接种量0.3 mL。GB/T 28116-2011 抗菌骨质瓷器中规定接种菌液范围在(5.0～10)×105CFU/mL,接种量0.5 mL。多次试验得出,在抗菌陶瓷样品表面接种的菌浓度数量级应在103范围,模拟日常环境中陶瓷制品上可能污染或接触上的细菌量。菌液浓度过高,样品抗菌作用时间长,结果不稳定[12]。同时滴加量0.4 mL 较为合适,较少更易表干,较多容易溢流。