冷噴固態增材技術可快速阻斷新冠肺炎病毒接觸傳播

澳大利亞斯威本科技大學Novana Hutasoit等人采用冷噴涂技術在鋼結構/制品表面快速制備銅涂層，其主要目的是降低新冠肺炎病毒在人流密集區域的接觸表面上的停留時間（如公共建筑物和醫院中的門等）。這項工作強調應用冷噴工藝在使用中的鋼推板上制備銅涂層，大約7分鐘，總時間在17分鐘內可實現使用。此外，銅涂層測試樣品與不銹鋼相比具有更高的新冠肺炎病毒滅活特性，即在2小時和5小時的培養后，銅涂層的滅活效率分別為96%和99.2%。該研究展示了冷噴涂技術在短時間內制備具有抗病毒性能的銅涂層的能力，從而使被涂覆部件快速重新投入使用，為阻斷新冠肺炎病毒接觸傳播的提供潛在解決方案。該研究成果發表在Manufacturing Letters雜志上。全文翻譯如下：

背景介紹

新冠肺炎病毒SARS-CoV-2正以可怕的傳播速度在全世界蔓延，全球已報告近300萬例感染。此外，在本研究期間，新冠肺炎病毒既沒有藥物也沒有疫苗；防止這種病毒的唯一辦法是降低其傳播速度，特別是通過社區的傳播，因為這些病例很難追蹤。新冠肺炎病毒的傳播主要通過呼吸液滴發生。當感染性飛沫靠近（在一米范圍內）感染者時，可進入人的呼吸系統。另外，液滴轉移可以間接發生，感染性液滴可以附著在物體表面，然后傳播給接觸同一物體的健康人。飛沫傳播可以通過保持至少1.5米的距離得到解決。接觸傳播可以通過能夠快速降低新冠肺炎病毒壽命的病毒滅活方案來解決。

在過去二十年中，銅以其抗菌性能而聞名，并且被證明能夠滅活不同類型的病毒，如甲型流感、冠狀病毒229E和最近的新冠病毒。據van Doremalen報道，新冠病毒在不銹鋼表面比銅表面更穩定，銅能夠在4小時內將新冠肺炎病毒從其表面清除。然而，論文作者并沒有說明銅樣品的來源，只是提到采用的是金屬殘留物。另一方面，Victor等人報告了冷噴涂銅涂層對暴露在其表面的甲型流感病毒的殺菌特性。據本文作者所知，目前尚沒有研究新冠肺炎病毒在冷噴銅涂層表面的行為研究，盡管冷噴銅涂層能夠在很短的時間內部署到裝置或設施表面，并對減緩新冠肺炎病毒的傳播起到重要作用。

目前人流密集處的裝置設施接觸表面大多是鋼質材料。從經濟和實用的角度來看，用銅零件替換所有現有的鋼質材料不是一個好的選擇。冷噴涂技術可以在現有鋼質裝置設施表面快速制備一薄層銅涂層。在這個過程中，高壓載氣（空氣、氮氣或氦氣）以超音速推動金屬粒子撞擊在鋼質裝置設施表面。在碰撞過程中，動能為金屬顆粒提供了足夠的能量，使其經受嚴重的塑性變形并結合，從而產生薄而致密的涂層。在本研究中，作者使用門的推板為研究對象來研究冷噴涂銅涂層滅活新冠肺炎病毒的可行性。推板是一種安裝在門上的薄金屬(2 mm)，當沒有門把手時，推板可作為人員推開門的接觸物體。與車門把手類似，推板由人接觸操作。因此，門的推板暴露于化學和生物污染物中，其中包括細菌和病毒。此外，在公共建筑和醫院中，這種接觸非常突出，可能成為疾病傳播的一個來源，特別是在使用不具備足夠抗菌和抗病毒性能的不銹鋼時。

在這項工作中，作者僅在7分鐘的時間內就在不銹鋼推板上沉積了銅涂層，這將是冷噴涂工藝應用于新冠肺炎病毒滅活的一個極好的證明。此外，該技術顯著節約成本，無需更換現有鋼質零件，而是在其表面快速涂上銅涂層并重新投入使用。 

實驗過程

2.1冷噴涂

 銅涂層沉積在尺寸為300×75×2 mm的不銹鋼推板上（圖1a），該推板通常安裝在澳大利亞墨爾本商業建筑的門上。作者使用了來自當地的銅粉（純度99.9%），顆粒大小在5至60微米之間。本研究采用了一種新穎的冷噴涂系統Lightspee3D。該系統利用一個固定的噴嘴，將金屬粉末垂直地噴射到移動的基板上?；宓倪\動由一個內置算法控制的六軸機器人手臂決定，該算法能夠制造復雜的幾何組件。噴管出口溫度500℃，空氣壓力為3 MPa，噴涂距離為16 mm。兩塊推板被噴涂，其中一塊在沉積狀態下進行測試（命名為3DCopper N），而另一塊在測試前進行了熱處理后退火（命名為3DCopper Annealed A）。在進行殺菌測試之前，采用電動馬達驅動的鋼刷對銅涂層進行拋光，以保持銅涂層一致的表面光潔度。

圖1. （a）使用中的不銹鋼推板的宏觀照片，（b）不銹鋼推板上的銅涂層，（c）拋光銅涂層，（d）安裝在門上的銅層推板。

2.2 材料表征

采用TaylorHobson7.1剖面儀測量不銹鋼推板和銅涂層在五個不同位置的表面粗糙度(Ra)。利用奧林巴斯BX-61光學顯微鏡和專有的圖像處理軟件測量了銅涂層的厚度和孔隙率。測量方法為：在涂層的橫截面上取五個不同的點，并計算其平均值。

2.3 新冠肺炎病毒活性試驗

用體外暴露法測定了銅涂層對新冠肺炎病毒的殺毒活性。殺菌劑能使病毒失活并發生可逆轉的、可測量的病毒滴度降低。在本研究中，作者使用醋酸鈉作為殺菌劑，使病毒滴度發生不可逆轉的下降。

將50微升新冠肺炎病毒濃度為10^5.5 TCDD₅₀/ml的溶液滴到銅涂層、拋光銅銅涂層和不銹鋼小方塊表面，室溫下置于24孔組織培養板中分別培養1、10、30、120和300分鐘。同時，將50微升含有新冠肺炎病毒溶液加入不含金屬的培養孔中，作為對比樣。分別培養不同時間后，將300微升的分析介質添加到含有金屬方塊和不含金屬方塊的孔中 “洗掉”剩余的病毒，獲得的洗滌介質進行TCID₅₀測定。具體方法為：將100微升洗滌介質添加到96孔細胞培養皿的3個重復孔中，每個孔中含有2x10⁴個非洲綠猴腎細胞。含有病毒的洗滌介質在培養皿中連續稀釋三倍，總共得到9種不同的病毒濃度。其中6孔僅含有培養基（即沒有病毒），并作為對比樣。細胞培養盤在37度含5%二氧化碳的潮濕環境中培育三天。將肉眼可見發生病毒誘導的致細胞病變效應CPE的孔定義為陽性，未顯示病毒誘導的致細胞病變效應CPE的孔定義為陰性。使用Reed-Muench方法確定最高稀釋率，在該稀釋率條件下，50%的孔被感染，即病毒評分為陽性。用細菌滴度與對比樣相比的對數下降值來量化殺菌效果。含有新冠病毒的對比樣定義了當病毒未接觸殺菌劑時可觀察到的最大病毒滴度。 

結果與討論

3.1冷噴涂銅涂層

不銹鋼推板（圖1a）表面采用冷噴涂得到了厚度約為0.7 mm的銅涂層（圖1b)，涂層制備在7分鐘內完成，沉積效率約為56%。涂層致密，孔隙率為2.1 ± 0.5%。對冷噴涂后的推板進行拋光，使銅涂層有效厚度降低到約0.45 mm（圖1c）。銅涂層拋光后的表面粗糙度為5.65 ± 0.76微米，顯著高于原不銹鋼推板基板（0.59 ± 0.08微米）。最后，圖1d展示了一個重新部署在門上的銅涂層推板。從噴涂到重新部署推板的總時間大約為15-17分鐘。與用新的大塊銅推板替換鋼部件相比，以上過程在很短的時間內就實現了。 

3.2 新冠肺炎病毒殺菌活性

表1和圖2呈現了新冠肺炎病毒暴露于三種不同金屬表面的殺菌活性結果，空白樣和僅含有新冠肺炎病毒的溶液被用來對比說明三種金屬表面的殺菌效果。從結果來看，很明顯，銅涂層測試板病毒滴定值大幅降低，也就是說新冠肺炎病毒活性大幅降低。2小時后，暴露在銅涂層N表面的96%的新冠肺炎病毒被滅活，暴露在退火態銅涂層A表面的92%的新冠肺炎病毒被滅活。當病毒長時間暴露在這些表面長達5小時，沉積態N和退火A銅涂層對沉積表面的新冠肺炎病毒滅活效率分別為99.2%和97.9%。vanDoremalen等人也進行了類似的觀察，他們報道說，在銅表面4小時后沒有發現活的新冠肺炎病毒，而在不銹鋼表面，病毒可在72小時后檢測到。然而，他們使用金屬殘留物作為表面暴露源，這可能不同于人流密集區域接觸表面中存在的商業金屬。在本研究中使用的鋼質推板，是暴露在人流密集區域頻繁接觸的典型代表。此外，該研究表明，利用先進的冷噴銅涂層，可以在很短的時間內對現有鋼件和正在使用的部件進行噴銅快速處理，以減緩新冠肺炎病毒的傳播。

到目前為止，出現了兩種可能的理論來解釋銅表面的抗微生物特性。首先，天然形態的銅、一價銅離子和二價銅離子具有不同的抗病毒性能。Warnes和Keevil的一項研究表明，一價Cu離子是諾如病毒失活的主要效應因子。在后來的研究中，Warneset al.進一步證明，銅含量較高（79-89%）的銅合金比銅含量較低（70%）的合金能更快地滅活諾如病毒。第二，銅涂層的納米形態（納米粒子）具有抗病毒能力。Fujimori等人的一項研究表明，尺寸為160 nm的銅納米顆粒具有抗甲型流感病毒的作用。這兩種機制可能是冷噴銅涂層抗新冠肺炎病毒的部分原因。雖然關于病毒在銅表面滅活的機制已有大量報道，但新冠肺炎病毒在3d打印銅涂層上滅活的潛在機制仍是一個有待進一步研究的課題。

表1. 根據暴露時間評估病毒滴度。

圖2. 3d打印銅涂層和不銹鋼金屬表面的殺毒效果。 

結論

這項工作強調應用冷噴工藝在使用中的鋼推板上制備銅涂層，大約7分鐘，總時間在17分鐘內可實現使用。此外，銅涂層測試樣品與不銹鋼相比具有更高的新冠肺炎病毒滅活特性，即在2小時和5小時的培養后，銅涂層的滅活效率分別為96%和99.2%。該研究展示了冷噴涂技術在短時間內制備具有抗病毒性能的銅涂層的能力，從而使被涂覆部件快速重新投入使用。

致謝

該項目工作得到了維多利亞州政府未來產業部門增長資助計劃的支持。SPEE3D是這個項目的參與者之一，作者還承認360BioLabs Pty有限公司支持開展殺病毒活性試驗。