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防疫抗疫:那些可以殺菌消毒的平面

摩洛哥索維拉市集內出售的手工銅質洗手盤

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古希臘人已經開始使用銅來烹飪和醫療。銅合金中的離子既抗病毒又抗菌,能在兩小時內殺死99.9%以上的細菌。

每年有1000萬人死亡。這個數字不可思議,但也是拉魯裏—毛姆斯(Gerald Larrouy-Maumus)經常提到的。致病微生物對人類的對抗方式產生了防禦,令抗生素產生耐藥性,因此這個數字是世界面臨的潛在代價。

目前,每年有70萬人死於耐藥性疾病。在過去十年左右的時間裏,我們可以用來對抗有害細菌的藥物越來越少。與此同時,包括真菌、病毒和寄生蟲在內的其它致病生物也在產生耐藥性,其速度之快,幾乎與製造新藥物的速度一樣快。這意味著,由它們引起的疾病越來越難以治療。

英國倫敦帝國理工學院(Imperial College London)的傳染病研究員拉魯裏—毛姆斯警告說:「如果我們什麼都不做,每年將有1000萬人死亡。」

他是尋找解決抗菌素耐藥性的人之一。他計劃將這些病原體在人與人之間傳播的物體表面轉化為對抗它們的武器。

拉魯裏—毛姆斯說:「我們日常接觸的物體表面可以成為傳播媒介。」導致2019年新型冠狀病毒病(COVID-19)的病毒Sars-CoV-2可以在硬紙板上存活長達24小時,而在塑料和不鏽鋼上可以存活長達三天。包括大腸桿菌和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA;又譯耐藥性金黃葡萄球菌)在內的一些細菌可以在無生命表面存活數月,而傳染性酵母可以存活數周。因此持續消毒並清潔經常接觸的物體表面相當重要。

升降機按鈕

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在門把手、升降機按鈕和水龍頭等頻繁接觸的物體表面上使用抗菌金屬或表面,可以降低傳播風險。

一些科學家希望,只要改變我們使用物體表面的紋理,或者在表面塗上能更快殺死細菌和病毒的物質,就有可能在傳染性生物體進入身體之前擊敗它們。

拉魯裏—毛姆斯打算試一試銅合金。銅合金中的離子既抗病毒又抗菌,能在兩小時內殺死99.9%以上的細菌。銅比銀更有效,因為它需要水分來激活抗菌性能

拉魯裏—毛姆斯說:「銅是最適合使用的表面,因為人類已經使用了3000年。古希臘人已經開始使用銅來烹飪和醫療。」

然而,銅還沒有在醫療設施中廣泛使用。它價格昂貴,而且很難在不造成腐蝕的情況下清洗,許多人不喜歡這種材料。例如,並不是所有人都想坐在金屬馬桶座上。拉魯裏—毛姆斯說,這意味著,不鏽鋼和塑料取代了銅。塑料的優點是輕巧便宜,所以它能單次使用,「你不需要再對它進行消毒」。

雖然不可能在所有物體表面都塗上銅,但拉魯裏—毛姆斯認為,在升降機按鈕和門把手上等經常觸碰的部位使用銅合金有助於減少污染,並減低由此導致的微生物傳播。

銅的表面也可以用激光處理,製造出粗糙的紋理,從而增加表面面積,擴大可以殺死的細菌數量。印第安納州普渡大學(Purdue University)的研究人員開發了這項技術,發現銅甚至可以在短短幾個小時內殺死高度密集的耐抗生素細菌菌株。這種方法不僅可以用於門把手,還可以幫助降低髖關節置換等醫療植入物引起的感染。

改變表面的紋理可以提供一些防止傳染病的方法。

澳大利亞皇家墨爾本理工大學(RMIT University)分子生物化學家伊萬諾娃(Elena Ivanova)說:「蟬的翅膀以其自我清潔的效果而聞名。」蟬的翅膀是超疏水性的,水滴會從翅膀上反彈,就像蟬從荷葉上彈起來一樣,讓污染物隨水滾落。她說,更重要的是,蟬的翅膀表面布滿了小刺,阻止細菌細胞在表面定居和生長。

「當細菌細胞……有效地破壞生物膜時,你基本上看到的是一種獨特的自然機制。」伊萬諾娃說,她已經研究模仿這種設計方法大約十年了。她從大自然中汲取靈感,試圖改變易受污染表面的微小紋理,以防止細菌在表面形成菌落。

北愛爾蘭倫敦德里郡科爾雷恩鎮某醫院兩名護士學生在給救護車車廂清潔消毒(18/1/2021)

PA Media
控制醫院裏的耐抗生素細菌正在成為一項重大挑戰,如果放任不管,可能會奪去許多人的生命。

所需圖案的密度和幾何形狀,以及製造方法和材料將取決於目標微生物的特徵。伊萬諾娃說,複雜的鋸齒形狀在水和空調過濾器上尤其有效。石墨烯薄片非常薄,「鋒利的邊緣可以穿透細菌膜殺死它」(這些微小的刀片太微小,不會傷害人類皮膚)。

鈦和鈦合金的抗菌性最讓她興奮。這些金屬可以被水熱腐蝕:基本上金屬可以在高溫和壓力下熔化,形成邊緣鋒利的薄片,可以殺死不同類型的細菌。二氧化鈦暴露在紫外光下會產生活性氧,比如過氧化物,可以殺滅微生物。這已經被用來覆蓋牙齒矯正器來減少細菌。即使將這類塗料暴露在商業燈下四小時,存活細菌的數量也會減少1000倍

伊萬諾娃說:「這些表面不需要任何特殊的治療,需要化學藥劑或抗生素才能有效。」

然而,製造出能夠預防病毒的表面需要特別精細的精確度,因為它們比細菌要小。但西班牙羅維拉大學(Universitat Rovira i Virgili)的生物物理學家弗拉基米爾·鮑林(Vladimir Baulin)認為,類似的技術可以用於病毒,包括冠狀病毒。一種策略是將病毒粒子困在納米柱之間(納米柱是一種可以在表面合成的微小的柱狀結構)。這有助於收集病毒顆粒,讓科學家可以開發測試和疫苗。另一種策略是將表面紋理化,使其納米突起在物理上破壞病毒的最外層,例如在口罩過濾器中。

大自然還為我們提供了其他方法,使我們周圍的物體表面對疾病傳播更具彈性。

阿根廷馬德普拉塔國立大學(Universidad Nacional de Mar del Plata)的化學工程師彭斯(Alejandra Ponce)說:「有很多證據表明,精油作為抗菌和抗病毒的成分是有效的。」以茶樹油為例,這種氣味強烈的物質激發了一系列美容產品的靈感。彭斯指出,在實驗研究中,「茶樹油氣霧劑具有很強的抗病毒作用,在接觸五至15分鐘內,滅活模型病毒的效率可達95%以上」。

軟木的高度抗菌性已被證實,尤其是金黃色葡萄球菌。啤酒花的提取物已被用於製造類似塑料的塗層,可以防止某些類型的細菌生長。

然而,對抗菌植物提取物表面塗層的應用研究仍處於實驗階段。從理論上講,這些植物材料可以製成抗細菌的塗層,但需要了解的關鍵成分以及它們所針對的微生物類型還有很多。

進食中的蟬

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複製蟬翅膀表面的微小刺狀物可以防止細菌定居和形成菌落。

但總的來說,抗菌表面的潛在應用是很多的。鮑林說:「對我來說,重要的是,要強調這是普遍機制,這就是為什麼它有如此廣泛的範圍。你可以把它應用到很多物體表面上。」

然而,瑞典抗生素耐藥性反應行動網絡(ReAct – Action on Antibiotic Resistance)的政策官員任夢英(Mengying Ren;音譯)警告說,我們不應該過度依賴這種方法。她指出:「無論技術有多好,我們仍然需要考慮衛生保健設施的基礎,例如衛生保健人員、清潔、衛生和IPC(感染預防和控制)設施,以及疫苗接種覆蓋率和能力。沒有簡單的解決辦法。」

在收入較低的國家,自來水供應缺乏,維護需要經常清洗的抗菌表面可能特別困難。例如,帶有納米管的表面可能需要定期清除死微生物和其他碎片。不過,伊萬諾娃說,有了鈦和鈦合金,「病原體細胞的碎片脫離表面」,本質上使它們能夠自我清潔。銅需要拋光以限制氧化,這將降低其反應性。

任夢英和她的同事們還擔心「銀或銅等表面塗層產生耐藥性的風險」,而拉魯裏—毛姆斯確信,由於細菌在過去3000年裏都沒有產生對銅的耐藥性,未來也不太可能。

意大利撒丁島滕皮奧保薩尼亞鎮一家工場內工人在處理剛採下的軟木塊(22/5/2020)

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軟木以其抗菌性能而聞名,已經被用作地板素材。

無論如何,這些技術找到商業合作伙伴並擴大規模都需要時間。已經有了一些範例。鯊魚是一種塑料薄膜材料。在表面使用鑽石圖案來模仿鯊魚皮,就可避免細菌在上面定居。這一技術已經應用於導管等醫療設備上,這些設備可以將傳染性細菌帶入體內。微盾360(MicroShield 360)塗層已經應用于飛機內部的表面,比如座椅,以防止細菌。

儘管3D打印機很少能在納米級工作,但一些型號已經實現了這一里程碑。有一天,甚至可能在你的客廳打印出對抗微生物的圖案。

這些表面可以成為我們抗擊傳染病和未來大流行病的重要工具。

今天,在世界對抗新冠病毒的破壞之際,抗菌素耐藥性更加突出。住院患者所攜帶的細菌引發繼發感染的風險相當大。一項研究顯示,在中國某醫院死於新冠病毒的患者中,有50%還感染了另一種病原體——儘管抗生素對病毒本身沒有任何作用,但冠狀病毒患者也通常被處方抗生素。這令人們擔憂,抗生素可能助長患者體內的耐抗生素細菌感染

拉魯裏—毛姆斯說:「我們周圍到處有人感染,所以目前的戰鬥正當其時。最重要的是為下一個危機做好凖備。我們不知道危機什麼時候會來。」

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