二酸化チタンナノ粒子をコーティングしたマスクの抗菌活性評価

Scientific Reports volume 12、記事番号: 18739 (2022) この記事を引用

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感染症を制御するために、ナノテクノロジーのさまざまな応用が材料の自浄性と抗菌性を強化するために使用されてきました。この研究は、TiO2 ナノ粒子でコーティングされたフェイスマスクの抗菌特性を評価することを目的としました。 TiO2 でコーティングされた布製フェイスマスクの抗菌効果は、細菌懸濁液 (大腸菌と黄色ブドウ球菌の両方から 105 CFU) に接種することによって測定されました。結果は、TiO2 ナノ粒子溶液 (2%) が大腸菌と黄色ブドウ球菌の 105 CFU (5 log cfu/cm2) の開始接種量をそれぞれ 1.3 と 1.68 log に減少させ、抗菌活性が 3.7 と 3.34 log であることを示しました。、それぞれ。さらに、1%の濃度では、大腸菌および黄色ブドウ球菌に対する抗菌活性はそれぞれ2.1および2.01 logであり、低濃度(0.5%)では大腸菌および黄色ブドウ球菌に対する抗菌活性は1.8でした。それぞれ1.72ログ。すべての実験グループの CFU は、対照グループ (生理食塩水) の CFU よりも有意に低かった。結論として、高濃度 (2%) の TiO2 ナノ粒子溶液は大腸菌と黄色ブドウ球菌に対して強い抗菌効果を示し、その差は統計的に有意でしたが、より低い濃度 (0.5% および 1%) では有意な抗菌活性が示されました。 %) 18 時間後の TiO2 のナノ粒子溶液。大腸菌と黄色ブドウ球菌の間のコロニー減少に関しては、3 時間でも統計的に有意な差がありました。フェイスマスクに含まれる TiO2 の抗菌活性は、細菌感染のリスクを軽減するのに有望である可能性があります。

ナノテクノロジーの発展は、物理学や生物学、医学、エレクトロニクス、食品、水質、繊維産業、大気質、生体力学などの多くの分野に大きな影響を与える可能性がある有望な技術トレンドです1。「10億分の1（10−9）メートル部分、つまりナノスケール（1〜100nm）で行われる科学技術」。

ナノ粒子には、金属ナノ粒子、非金属ナノ粒子、有機ナノ粒子、無機ナノ粒子 2 など、さまざまな種類があります。金属ナノ粒子の例としては、チタン、銅、銀のナノ粒子があります。二酸化チタン (TiO2) は、低コスト、安定性、低毒性、高屈折率、高い光学特性、高い紫外線吸収度、強力な酸化還元能力、高いエネルギーギャップ (つまり 3.2 ～ 5.2 eV) などの独特の特性を備えています。良好な電気的、光学的、磁気的特性 3,4。顕微鏡技術 (電子顕微鏡または走査型プローブ顕微鏡) などの適切な特性評価技術 5 を使用して、ナノ粒子のサイズ、形状、表面形態、結晶化度、光吸収などの特性を完全に定義する必要があります。さらに、光学技術 (分光法) を使用して、反射率、透過率、光化学、発光などのナノ粒子の特性を研究することもできます 6. ブルナウアー・エメット・テラー (BET)、X 線回折法 (XRD)、赤外分光法 (IR)は、NP 構造の特性評価に最も広く使用されている技術であり、ナノ粒子の相、粒子サイズ、タイプ、および結晶の性質を説明するために使用できます。ナノ粒子の表面品質は、応力、表面コーティング、硬度、ひずみ、摩擦、接着性などの機械的特性に大きく影響されます。 TiO2 の特性には、安定性、低コスト、非毒性、生体適合性、光学的および電気的特性が含まれます。それは主に、ブルッカイト、アナターゼ、ルチルを含む、異なる構造を持つ 3 つの異なる形で現れます。熱力学シミュレーションでは、加熱中にアナターゼとブルッカイトの両方がルチルに変化し、60 kbar 未満のすべての温度と圧力でより安定することが示されています。7. TiO2 光触媒などのナノ材料は、さまざまな有機および無機の光分解において顕著な活性を示しています。汚染物質。有機汚染物質は通常の温度と圧力の環境下では完全に無害な物質に分解される可能性があるため、光触媒はさまざまな種類の汚染物質に対処するための最も効率的な方法の1つとなることが期待されています。除草剤、カルボン酸、アルコールなどの汚染物質は、二酸化炭素、水、単純な鉱物に完全に分解できます。 8. 光触媒は、適切な粒子サイズ、形状、結晶化度、ルチルへのアナターゼなどの特定の品質を備えている必要があります。特に効果的であると考えられます。 TiO2 ナノ粒子の製造に最も一般的に使用される方法は、電着、逆ミセル、ゾルゲル法、有機金属化学蒸着、火炎燃焼法、気相 (エアロゾル) 合成、水熱法、沈殿による湿式化学合成です。 9. ゾルゲルプロセスは、主に材料科学とセラミック工学の分野で使用される湿式化学技術です。これは、水によって引き起こされる重合反応を通じて、前駆体溶液が無機固体に変換されることとして定義できます10。加水分解は、基本的には液体中のコロイド粒子の分散体であるゾルを形成し、凝縮によりゲルが形成されます。上で議論した方法と比較して、ゾルゲルプロセスは、低い処理温度（< 100 °C）と分子レベルの組成均一性の使用を可能にするため、無機および有機-無機ハイブリッドナノ材料の合成と調製に非常に有望です10。ゾルゲル法を使用すると、粒子のサイズと形状を簡単に制御できます。ゾルゲルプロセスは、均一なサイズの微細な球状粉末を生成し、TiO2 材料の合成に広く使用されており、通常はチタン (IV) アルコキシドの酸触媒ステップを介して進行します 11。ゾルゲルの最も魅力的な特徴の 1 つは、TiO2 材料の合成に広く使用されています。このプロセスでは、得られた材料を繊維、フィルム、単分散粉末などの所望の形状に成形することが可能です。 Mehrotra と Singh によって提案されているように、最終的な形態を制御するためにゾルゲルプロセスにいくつかのステップと条件が適用されます 10. 微生物を殺すための光触媒として TiO2 を使用することは、長い間知られていました 12. 抗菌特性とメカニズムナノテクノロジーの技術は広く議論されており、その中には汚れや臭いを分解して除去し、バクテリアを殺す光触媒特性があるため、広く応用されている TiO2 のナノ粒子も含まれます。この技術のメカニズムは、適切な波長の光にさらされたときの光触媒作用のプロセス中に TiO2 分子の表面で反応性スーパーオキシドラジカル (O2- および · OH) が生成されることに依存します 13、14、15。酸素根はさまざまなメカニズムで細菌細胞に影響を与え、細菌細胞を死に至らしめます。どちらのタイプの細菌も、抗菌性ナノ粒子に対する反応が異なります。消毒は、病原性微生物を除去するために使用される処理手順として定義されますが、細菌の胞子は除去できない可能性があります 16。ここ数十年の間、ナノ粒子の形態の TiO2 は、広域スペクトルの抗菌活性を有することが知られてきました 17,18。布製フェイスマスクは、通気性のある病原体（細菌またはウイルス）19から保護するために使用される素材です。フルマスク、ハーフマスク、クォーターマスクに分類されます。フェイスマスクの濾過効率は、フェイスマスク素材の密度に応じてそれぞれ異なります20。定期的に交換せずにフェイスマスクを継続的に使用すると、温度と湿度が湿気を誘発し、微生物の定着を引き起こすため、不適切な洗浄により表面が汚染される可能性があります。 ; さらに、不適切な使用は病原体の蔓延のリスクにつながる可能性があります21、22、23、24、25。フェイスマスクの廃棄により、「感染リスクを伴う危険物」として分類される廃棄物の膨大な増加につながり、フェイスマスクは生物学的危険物として廃棄されている 26. ナノ粒子は広範囲の微生物を殺すことができることが示されているグラム陰性菌とグラム陽性菌が含まれますが、これらの菌は細胞壁とエンベロープが異なり、したがって消毒剤に対する耐性が異なります27。さらに、ウイルス、真菌、藻類、原生動物を含む他の多くの生物も、感染することが示されています。これらのナノ粒子はフェイスマスクの消毒に有用であることが示されている16、17。 TiO2 でコーティングされたフェイスマスクは、新型コロナウイルス感染症 (COVID-19) などの感染症を制御するための自己洗浄性と抗菌性を強化するために広く適用されています 28。この論文は、TiO2 ナノ粒子でコーティングされたフェイスマスクの抗菌性を評価することを目的としました。

TiO2 ナノ粒子溶液は、さまざまな濃度の TiO2 前駆体を含む氷酢酸と 37% HCL 酸の酸性水溶液 (低 pH) 中で 97% チタンテトライソプロポキシドの加水分解および縮合によって調製されました。混合物を激しく撹拌しながら60℃で90分間加熱した。 TiO2 ナノ粒子粉末を使用して、自己洗浄性と抗菌性を付与しました。

この研究では、それぞれ 80% のポリアミドと 20% のエラスタンで構成される 5 枚の布製フェイスマスクが選択されました。これらのフェイスマスクの抗菌活性は、「繊維 - 抗菌加工済み製品の抗菌活性の測定」と題された規格 ISO 20743:2021 に準拠した懸濁試験で評価されました。

殺生物活性を試験するために、グラム陽性菌とグラム陰性菌の 2 種類の細菌が使用されました。

すべてのマスクを、0.5、1、および 2% w/w の異なる濃度の TiO2 ナノ粒子の懸濁液でコーティングし、約 24 時間乾燥させ、約 2 × 2 cm の断片に切断しました。大腸菌 (ATCC 25922) と黄色ブドウ球菌 (ATCC 25923) の 2 つの細菌懸濁液をトリプシン大豆寒天 (Oxoid、英国) 上で培養し、35 °C で一晩インキュベートしました。コーティングされた各マスク片に、大腸菌および黄色ブドウ球菌のマクファーランド標準 (1.0 × 105) コロニー形成単位 (CFU/ml) の懸濁液を時間 0 (T0) で接種しました。各マスク片のスワビング (2 × 2 cm) を 0、3、6、9、12、15 時と 18 時間後の分析のために 7 つの等間隔で実行しました。各片のコロニー数を測定するために、スワブをチューブ内の 1 ミリリットルの滅菌栄養ブロスで希釈しました。これらの各チューブの懸濁液全体を取り出し、栄養寒天上に広げ、デジタルコロニーカウンターでコロニー数を測定しました。 CFU の平均値と抗菌活性を 3 時間ごと (0、3、6、9、12、15、および 18 時間) に取得し、CFU の数を CFU/cm2 として報告しました。 37℃で一晩インキュベートした後の細菌CFUの計数には、コロニープレートカウント法を使用しました。すべてのテストは 3 回実行されました。 TiO2 ナノ粒子の代わりに生理食塩水 (0.85% NaCl) を使用して、別の 5 個の断片を対照として保存しました。抗菌活性は以下の式に従って計算され、評価は ISO 20743-2021 に従って実行されました (表 1)。

一元配置分散分析 (ANOVA) を使用して、グループ内の異なる時間間隔および異なる TiO2 濃度での抗菌活性間の平均差を確認しました (P < 0.05)。対応のある t 検定を使用して、グループ内の異なる時間間隔での抗菌活性 (減少) 間の平均差を確認しました (P < 0.05)。統計分析は、SPSS-25 (IBM、米国イリノイ州シカゴ) を使用して実行されました。

本研究では、大腸菌および黄色ブドウ球菌に対する抗菌剤として TiO2 ナノ粒子を使用したマスクサンプルの抗菌活性を評価しました。表 2 は、さまざまな TiO2 濃度での細菌数の対数 (log cfu/cm2) を示しています。高濃度（2%）の TiO2 ナノ粒子溶液を使用した場合、5 log（105 cfu/ml）細菌の開始接種量は、大腸菌および黄色ブドウ球菌についてはそれぞれ 1.3 および 1.68 log に減少しました。低濃度 (0.5%) の TiO2 ナノ粒子溶液を使用した場合、5 log 細菌の開始接種量は、大腸菌および黄色ブドウ球菌についてそれぞれ 3.2 および 3.3 log に減少しました。 TiO2 ナノ粒子溶液を 1% の濃度で使用した場合、5 log 細菌の開始接種量は、それぞれ 2.9 log 大腸菌と 3.01 log 黄色ブドウ球菌に減少しました。表 3 は、TiO2 溶液の代わりに生理食塩水に曝露した後のネガティブコントロールの細菌数 (log cfu/cm2) を示しています。大腸菌および黄色ブドウ球菌の両方の５対数の開始接種材料は変化しないか、わずかに増加したことに留意されたい。

表 4、図図１および２は、フェイスマスクに適用されたＴｉＯ２ナノ粒子の、濃度に応じた大腸菌および黄色ブドウ球菌に対する顕著な抗菌効果を示している。高濃度（2%）の TiO2 ナノ粒子溶液を大腸菌および黄色ブドウ球菌に対するフェイスマスクに適用した場合、それぞれ 3.7 および 3.34 log 減少の有効性が得られ、これは強力な抗菌活性と考えられます（表 1）。さらに、1% 濃度では、大腸菌および黄色ブドウ球菌に対する有効性はそれぞれ 2.1 および 2.01 log 減少であり、これは有意な抗菌活性であると考えられます (表 1)。一方、低濃度 (0.5%) では、大腸菌および黄色ブドウ球菌に対する有効性は、それぞれ 1.8 および 1.72 log 減少であり、これも有意な抗菌活性であると考えられます (表 1)。

TiO2 ナノ粒子の大腸菌に対する抗菌活性。

黄色ブドウ球菌に対する TiO2 ナノ粒子の抗菌活性。

すべての実験グループの CFU は、対照グループ (生理食塩水) の CFU と比較して有意に低かった。高濃度の TiO2 ナノ粒子溶液は、より優れた抗菌効果を示しました。異なる時間間隔での抗菌活性には有意差がありましたが (P = 0.00)、グループ内の TiO2 濃度での抗菌活性には有意差はありませんでした (P = 0.184)。大腸菌と黄色ブドウ球菌の間のデータには有意な差がありました (P < 0.05)。

この研究では、さまざまな濃度にさらされた後の大腸菌および黄色ブドウ球菌で汚染されたフェイスマスク内の細菌株に対する TiO2 ナノ粒子材料の抗菌効果を報告しています。 TiO2 ナノ粒子が選ばれたのは、微生物を殺す光触媒として機能するためです。さらに、TiO2 は低コスト、安定性、低毒性、高い紫外線吸収度、および高いエネルギーギャップ (つまり 3.2 ～ 5.2 eV) を備えています 3,4。

この研究では、さまざまな濃度にさらされた後の大腸菌および黄色ブドウ球菌で汚染されたフェイスマスク内の細菌株に対する TiO2 ナノ粒子材料の抗菌効果を報告しています。さまざまな濃度 (0.5 ～ 2%) の TiO2 ナノ粒子溶液について結果が収集されました。より高い濃度では、大腸菌および黄色ブドウ球菌についてそれぞれ開始接種材料が5から1.3および1.68 logに減少しましたが、より低い濃度(0.5%)では、大腸菌および黄色ブドウ球菌についてそれぞれ開始接種材料が5から3.2および3.3 logに減少しました。 .黄色ブドウ球菌、それぞれ。 TiO2 ナノ粒子溶液を 1% の濃度で使用した場合、開始時の接種材料は、大腸菌および黄色ブドウ球菌の log でそれぞれ 5 から 2.9 および 3.01 に減少しました。すべての実験グループの CFU は、対照グループ (生理食塩水) と比較して有意に低かった。 TiO2 ナノ粒子の抗菌効果は、さまざまな素材の布地など、さまざまなマトリックスでテストされています 32。

グラム陽性菌 (黄色ブドウ球菌) は、ペプチドグリカンでできた非常に厚い壁で囲まれた 1 つの膜を持っています。グラム陰性菌 (大腸菌 (E. coli)) は非常に薄い膜を持ち、有毒物質を保持するバリアを構成しますが、その壁は TiO233 によって引き起こされる過酸化に敏感であることが報告されています。

大多数の研究はグラム陰性菌とグラム陽性菌を対象に行われています 12。TiO2 ナノ粒子で処理された材料は細菌に対して有効であることが示されており、他の種類の微生物汚染に対して優れた消毒特性を有することが報告されています 34。 TiO2 ナノ粒子の消毒特性は、TiO2 の光触媒作用に大きく依存します 35,36。

砂田ら。 37 は、外膜が障壁として機能し、細胞全体が完全に分解される前に外膜が最初に分解するため、大腸菌細胞の細胞壁が機構プロセスに対する障壁として機能することを示唆しました。 TiO2 ナノ粒子の光触媒酸化メカニズムは、Nadtochenko らによって研究されました。彼は、光触媒活性により有機材料含有量が酸化され、これにより TiO2 表面が洗浄され、その結果、細胞壁膜の有機材料が TiO2 価電子帯の正孔を減少させることを実証しました。私たちの結果は、濃度に応じて、フェイスマスク中の TiO2 ナノ粒子の顕著な抗菌効果 (対数減少) を示しました。高濃度（2%）の TiO2 ナノ粒子溶液を大腸菌および黄色ブドウ球菌に対するフェイスマスクに適用した場合、それぞれ 3.7 および 3.34 log 減少の有効性が得られ、これは強力な抗菌活性と考えられます（表 1）。さらに、1% 濃度では、大腸菌および黄色ブドウ球菌に対する有効性はそれぞれ 2.1 および 2.01 log 減少であり、これは有意な抗菌活性であると考えられます (表 1)。一方、低濃度 (0.5%) では、大腸菌および黄色ブドウ球菌に対する有効性は、それぞれ 1.8 および 1.72 log 減少であり、これも有意な抗菌活性であると考えられます (表 1)。高濃度の TiO2 ナノ粒子溶液は、より優れた抗菌効果を示しました (P < 0.05)。グループ内の異なる時間間隔での抗菌活性には有意な差がありました。大腸菌と黄色ブドウ球菌について収集されたデータにも有意な差がありました (P < 0.05)。

私たちの結果は、TiO2 ナノ粒子との接触後に細菌数の減少を示した一部の著者による以前の発見 39,40 と類似しています。

別の発見では、2 時間後と 4 時間後に顕著な抗菌活性が示され、製剤が改善され、効率が向上したことが示唆されました 41。当初、TiO2 の濃度が増加するとコロニー数は急速に減少しましたが、2% TiO2 ではコロニー数はより効果的に減少しました。 TiO2 ナノ粒子によって誘発される殺菌効果は、時間、濃度、光強度に依存することが報告されています 40,42,43,44。 TiO2 ナノ粒子の大腸菌と黄色ブドウ球菌に対する抗菌活性の違いは、おそらく細菌の細胞壁構造の違いによるものと考えられます。黄色ブドウ球菌は細胞膜のみを持ち、厚いペプチドグリカン層を持っていますが、大腸菌は 2 つの細胞膜で構成される薄い細胞壁を持っています 45。私たちの結果は、他のナノ材料の抗菌活性を報告したさまざまな研究者によって行われた他の発見と類似しています。 46、47。フェイスマスクに関する同様の研究では、最小阻止濃度がそれぞれ 1/128 と 1/512 で大腸菌と黄色ブドウ球菌が 100% 減少したと報告されています 48。 49 人らは、細胞死滅率が TiO2 の殺菌効果および膜の完全性をもたらす TiO2 の凝集と正の相関があることを発見しました。さまざまな研究で、異なる TiO2 濃度と抗菌活性が報告されています 50。曝露時間が増加するにつれて細菌の不活化プロセスが増加し、滅菌効率が増加しました。これは、細菌細胞に対する TiO2 の影響を扱う他の報告とも一致しています 37,51。 Caballero らは大腸菌の不活化を研究し、TiO2 濃度が減少すると大腸菌の不活化率が増加することを発見しました。彼らはまた、粒子と細菌との接触が増えると消毒プロセスが強化され、過剰な TiO2 が抗菌効果を強化しない可能性があることも示しました 51。 21 人は、大腸菌と黄色ブドウ球菌の両方を使用したフェイスマスクの微生物負荷が 1 時間以内に大幅に減少した (90% 以上) と報告しました。

本研究はサウジアラビアのメッカ市で実施された。メッカ市は、世界最大規模の年次大規模集会の開催地と考えられている。したがって、呼吸器疾患が大きな懸念事項となっています。

マスクは人から人への呼吸器疾患の感染を防ぐことが知られているため、公衆衛生機関は巡礼中の人たちにマスクを使用するようアドバイスしている。細菌の増殖は、フェイスマスクの繰り返しの使用、呼吸、唾液のエアロゾルによって生じる可能性があります。さらに、フェイスマスクの廃棄は、人混みや大規模な集会により「危険な伝染リスク」と考えられる廃棄物の大幅な増加につながる可能性があります。したがって、抗菌効果のある再利用可能なフェイスマスクは非常に役立ちます。この研究の結果は、大規模な集会中に呼吸器疾患をどのように制御できるかをさらに明らかにするでしょう。これらの発見は、TiO2 ナノ粒子がどのようにして主要な抗菌剤となり得るか、特に可視光にさらされた場合、光を吸収して黄色ブドウ球菌や大腸菌を死滅させる光触媒として機能するかを評価する上で非常に重要です。二酸化チタンのナノ粒子でコーティングされたフェイスマスクの抗菌作用は、さまざまな職業や娯楽の環境における環境の持続可能性につながると考えられます。

結論として、すべての実験グループの CFU は、対照グループ (生理食塩水) の CFU よりも有意に低かったです。高濃度の TiO2 ナノ粒子溶液はより優れた抗菌効果を示し、その差は統計的に有意でした。高濃度（2%）のナノ粒子溶液でコーティングされたフェイスマスクによって、大腸菌および黄色ブドウ球菌に対して強力な抗菌活性が実証されましたが、0.5%および1%のTiO2ナノ粒子溶液の両方を使用した場合、18時間後に顕著な抗菌活性が実証されました。大腸菌と黄色ブドウ球菌の間のコロニー減少に関しては、3 時間でも統計的に有意な差がありました。フェイスマスクに含まれる TiO2 の抗菌活性は、細菌感染のリスクを軽減するのに有望である可能性があります。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された論文 [およびその補足情報ファイル] に含まれています。

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サウジアラビア、メッカのウンム・アル・クーラ大学、二聖モスク巡礼・ウムラ研究研究所管理者、環境健康研究部

オマール・B・アーメド

ウンム・アル・クラ大学、機械工学部、工学・イスラム建築学部、メッカ、24372、サウジアラビア

トゥルキエ・アラムロ

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OBA が本文を書き、TA が図と表を作成しました。両方の著者が原稿をレビューしました。

オマール・B・アーメッドへの通信。

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転載と許可

Ahmed, OB、Alamro, T. 二酸化チタンナノ粒子でコーティングされたフェイスマスクの抗菌活性の評価。 Sci Rep 12、18739 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-23615-w

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受信日: 2022 年 8 月 13 日

受理日: 2022 年 11 月 2 日

公開日: 2022 年 11 月 4 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-23615-w

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