АНТИБАКТЕРИАЛЬНЫЕ, АНТИВИРУСНЫЕ, АНТИГРИБКОВЫЕ ЛАКОКРАСОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Российский патент 2023 года по МПК C09D5/14 C09D7/61 C08K3/08 C08K3/20 B82B3/00 B82Y30/00 

Изобретение относится к антимикробным лакокрасочным материалам, обладающим вирулицидной активностью, в том числе в отношении коронавируса SARS-CoV-2, а также антибактериальными и антигрибковыми свойствами. Заявляемое изобретение предназначено для окраски поверхностей, эксплуатирующихся в условиях возможного микробного заражения с возможным применением в виде краски и лака. Антимикробные лакокрасочные материалы представляют собой суспензию пигментов и наполнителей в водной полимерной дисперсии с добавлением различных модифицирующих, антимикробных, антивирусных и антигрибковых добавок.

Заявленный материал в виде краски предназначен для ремонтно-строительных работ как самостоятельное финишное покрытие по гипсокартонным, кирпичным, бетонным, оштукатуренным, зашпатлеванным поверхностям в жилых и общественных помещениях. Покрытие устойчивое к мытью с применением мягких моющих средств.

Самостоятельный лакокрасочный материал в виде лака предназначен для профилактической защиты уже готовых (окрашенных) поверхностей от распространения болезнетворных организмов в местах скопления людей: медицинские, общественные и дошкольные учреждения, спортивные залы, клубы, офисы, вокзалы, аэропорты, залы станций метрополитена, военные казармы, внутренние поверхности транспортных средств. Предназначен для нанесения по оштукатуренным, зашпатлеванным и окрашенным поверхностям, кирпичу, цементу, бетону, пенобетону, гипсокартону, по обоям, по старой не мелящей водно-дисперсионной краске, дерматину, металлическим, пластиковым поверхностям.

Известен состав для получения покрытий с бактерицидными свойствами, преимущественно для лакокрасочных материалов, пленкообразователей, пропиток, сухих смесей, которые могут быть использованы в строительстве, медицине и различных других областях техники (патент RU 2186810, C09D 5/14, опубл. 10.08.2002 г). Состав включает лакокрасочный материал, предназначенный для нанесения на защищаемый материал, и металлосодержащий бактерицидный компонент, введенный в ЛКМ. В качестве металлосодержащего бактерицидного компонента использованы наноструктурные частицы металлов с временем жизни не менее трех месяцев в составе и при содержании наноструктурных частиц металлов от 2×10^-6 до 0,3 моль в 1 кг ЛКМ. Сочетание компонентов в определенном соотношении позволяет получить экологически безопасное покрытие, используемое как в детских и медицинских учреждениях, так и в быту, т.к. на своей поверхности обладает бактерицидными свойствами, подавляющими болезнетворные бактерии широкого ряда инфекций.

Недостатком аналога является сравнительно небольшое время жизни наноструктурных частиц в составе, а также повышенная возможность их коагуляции в процессе нанесения (например, распылением) и образования лакокрасочного покрытия, что снижает биоцидные свойства материала. Так же, у аналога не предоставлены доказательства эффективности в полном объеме потенциальных носителей бактериальных заражений - вирусы, бактерии, грибки, либо данные доказательства очень слабы.

Аналогами заявляемого изобретения является лакокрасочные композиции, содержащие наноразмерные частицы шунгита и серебра, при содержании наночастиц от 0,005 до 1,0% мас. (заявки RU 2008126129, C09D 5/00, опубл. 10.01.2010 г.; RU 2008126130, C09D 5/14, опубл. 10.01.2010 г; RU 2008126123, C09D 5/14, опубл. 10.01.2010 г).

Недостатком аналогов является возможная коагуляция наночастиц серебра в процессе образования лакокрасочного покрытия, что снижает антимикробные свойства покрытия, а также сокращает срок хранения продукта.

Известна композиция (патент RU 2497856, C09D5/14, опубл. 10.11.2013г.), которая относится к лакокрасочным композициям, предназначенным для окраски поверхностей, эксплуатирующихся в условиях возможного микробного заражения, выбранная в качестве прототипа. Лакокрасочная композиция содержит связующее, пигмент, функциональные добавки и/или наполнитель, наноструктурные частицы серебра, полученные при проведении окислительно-восстановительной реакции с использованием природного полисахарида арабиногалактана, растворитель. Изобретение обеспечивает пролонгацию биоцидного действия лакокрасочного покрытия на период до 5 лет и стабильность наночастиц серебра при хранении лакокрасочной композиции и образовании из нее покрытия.

Недостатком известной композиции является невысокая биоцидная активность в отношении вирусов, в частности коронавируса SARS-CoV-2.

Присутствие в природе различных микроорганизмов может оказывать пагубное влияние на здоровье человека. В последнее время возникла повышенная озабоченность со стороны научного сообщества и здравоохранения в связи с ростом числа новых высоковирулентных вирусов, способных вызывать пандемию по всему миру [Phua, J., Weng, L., Ling, L., Egi, M., Lim, C. M., Divatia, J. V., et al. (2020). Intensive care management of coronavirus disease 2019 (COVID-19): challenges and recommendations. The lancet respiratory medicine, 8(5), 506-517. DOI: 10.1016/S2213-2600(20)30161-2]. Коронавирус, вызывающий COVID-19 (Corona Virus Disease 2019 - тяжелая острая респираторная инфекция, вызываемая пандемическим коронавирусом SARS-CoV-2), передается не только воздушно-капельным путем, но и через различные поверхности, которые могут передавать вирус от одного человека к другому. Поэтому существует потребность в антимикробных покрытиях, которые будут предотвращать передачу вируса. Использование лакокрасочных материалов с антивирусными, антибактериальными и антигрибковыми свойствами для защиты поверхностей в медицинских учреждениях, школах, дошкольных учреждениях, вокзалах, аэропортах и других местах скопления людей может помочь в борьбе с новой коронавирусной инфекцией.

Задачей настоящего изобретения является разработка антимикробных лакокрасочных материалов в виде краски и лака, обладающих вирулицидной активностью в том числе в отношении коронавируса SARS-CoV-2 (severe acute respiratory syndrome-relatedcoronavirus 2 - пандемический коронавирус человека), а также антибактериальными и антигрибковыми свойствами.

Поставленная задача решается тем, что заявленное изобретение представлено в виде вариантов и содержит связующее, пигмент, функциональные добавки и/или наполнитель, но в отличие от прототипа содержит антимикробный компонент, состоящий из бикомпонентных наночастиц, имеющих структуру янус-наночастиц, в которых одна часть представлена оксидом металла со средним размером 72±18 нм, другая часть представлена переходным металлом со средним размером 25±10 нм.

Под лакокрасочным материалом в виде краски понимают заявленное покрытие при следующем соотношении компонентов, масс%:

связующее 10-55

пигмент 1,0-20,0

функциональные добавки и /или наполнитель 0,5-55

бикомпонентные наночастицы 0,8-1,2

растворитель-остальное.

Под лакокрасочным материалом в виде лака понимают заявленное покрытие при следующем соотношении компонентов, масс%:

связующее 0,5 - 15

пигмент 0,0 - 1,0

функциональные добавки и /или наполнитель 0,5-20

бикомпонентные наночастицы 0,8-1,2

растворитель - остальное.

Ниже приведены примеры конкретного осуществления изобретения на примерах получения краски и лака.

Пример 1

Образец лакокрасочного материала (краска) получали в скоростном диссольвере при последовательном введении следующих компонентов, % масс.:

- вода 28,58;

- пигмент - 9;

функциональные добавки и наполнитель:

- умягчитель - 0,15;

- диспергатор - 0,3;

- модификатор реологии и осадка - 0,1;

- загуститель целлюлозный - 0,23;

- загуститель ассоциативный - 0,76;

- консервант тарный- 0,01;

- антифриз - 3;

- коалисцент- 0,75;

- нейтрализатор - 0,15;

- связующее - 15;

- пеногаситель - 0,2;

- наполнитель - 40,79;

- бикомпонентные наночастицы - 0,8.

В водно-дисперсионный лакокрасочный материал бикомпонентные наночастицы вводили в виде водной суспензии. Средний размер оксида металла в бикомпонентных наночастицах составлял 76±11 нм, переходного металла - 24±9 нм.

Пример 2

Образец лакокрасочного материала (краска) получали в скоростном диссольвере при последовательном введении следующих компонентов, % масс.:

- вода - 20,39;

- связующее - 50;

- пигмент - 15;

- функциональные добавки и наполнитель:

- умягчитель - 0,15;

- диспергатор - 0,8;

- загуститель ассоциативный - 3;

- консервант тарный - 0,01;

- антифриз - 3;

- коалисцент - 1,2;

- пеногаситель- 0,25;

- наполнитель - 5;

- бикомпонентные наночастицы - 1,2.

В водно-дисперсионный лакокрасочный материал бикомпонентные наночастицы вводили в виде водной суспензии. Средний размер оксида металла в бикомпонентных наночастицах составлял 76±11 нм, переходного металла - 24±9 нм.

Пример 3

Образец лакокрасочного материала (лак) получали в скоростном диссольвере при последовательном введении следующих компонентов, % масс.:

- вода - 92,51.

- связующее - 2;

- функциональные добавки и наполнитель:

- умягчитель - 0,15;

- диспергатор - 0,4;

- модификатор реологии и осадка - 0,05;

- загуститель целлюлозный - 0,18;

- загуститель ассоциативный - 0,6;

- консервант тарный - 0,01;

- антифриз - 3;

- коалисцент - 0,1;

- нейтрализатор - 0,1;

- пеногаситель - 0,2;

- бикомпонентые наночастицы - 0,8.

В лакокрасочный состав бикомпонентные наночастицы вводили в виде водной суспензии. Средний размер оксидного компонента в бикомпонентных наночастицах составляет 71±7 нм, переходного металла - 21±5 нм.

Пример 4

Образец лакокрасочного материала (лак) получали в скоростном диссольвере при последовательном введении следующих компонентов, % масс.:

- вода 91,91

- связующее - 2,1;

- функциональные добавки и наполнитель:

- умягчитель - 0,15;

- диспергатор- 0,4;

- модификатор реологии и осадка - 0,05;

- загуститель целлюлозный - 0,18;

- загуститель ассоциативный - 0,6;

- консервант тарный - 0,01;

- антифриз - 3;

- коалисцент - 0,1;

- аммиак водный технический - 0,1;

- пеногаситель - 0,2;

- бикомпонентые наночастицы - 1,2.

В лакокрасочный состав бикомпонентные наночастицы вводили в виде водной суспензии. Средний размер оксидного компонента в бикомпонентных наночастицах составляет 71±7 нм, переходного металла - 21±5 нм.

Пример 5

Изучение вирулицидной активности покрытия (краска), полученного по примеру 2, в отношении пандемического коронавируса человека SARS-CoV-2 на клеточной модели in vitro проводили в Испытательном центре ФГБУ «НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи» Минздрава России.

Заявленный антимикробный материал (краска) и контрольный образец (КО) наносили косточкой/пульверизатором на дно лунок 12-луночного планшета таким образом, чтобы краска и КО полностью покрывали дно лунок и высушивали при температуре (20±2)°C до полного высыхания красочного слоя. В качестве КО использовали лакокрасочный материал того же состава, но без наночастиц. Лунки с контролем вируса (КВ) краской не покрывали.

В экспериментах использовали перевиваемую линию клеток почки африканской зеленой мартышки (Chlorocebus aethiops) Vero-E6, предоставленну. Всероссийской Коллекцией клеточных культур при ФГБУ «НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи» Минздрава России. Питательные среды готовили согласно инструкции на упаковке. В 96-луночные культуральные плоскодонные планшеты помещали клетки Vero-E6 по 12000 кл/лунку в объеме 100 мкл свежеприготовленной среды ПС. Культивировали при температуре 37°C в атмосфере 5% СО₂. В исследованиях использовали штамм коронавируса человека SARS-CoV-2 с инфекционной активностью 10⁶ ТЦИД₅₀/мл (доза вируса, вызывающая цитопатическое действие в 50 % лунок с зараженной культурой клеток) для клеток Vero-E6, депонированный в Государственной Коллекции вирусов РФ ФГБУ «НИЦЭМ им. Н.Ф. Гамалеи» Минздрава России под номером №1301/2 ГКВ.

Перед началом исследования лунки 12-луночного культурального планшета с нанесенными краской и КО орошали 79% этиловым спиртом и высушивали. Затем в лунки планшета пипеткой вносили по 400 мкл/лунку вирусосодержащей суспензии SARS-CoV-2 с инфекционной активностью 10⁶ ТЦИД₅₀/мл и равномерно распределяли по поверхности лунки носиком пипетки. Планшет с вирусом инкубировали при температуре (20±2)°C и относительной влажности воздуха 50-60 % в течение 2 ч. После инкубирования содержимое лунок 96-луночного тест-планшета с клетками и готовили серию последовательных 10-кратных разведений. Тест-планшеты инкубировали в атмосфере 5% CO₂ при 37°C в течение 96 ч.

Вирулицидную активность материала оценивали по максимальному снижению значения заражающей вирусной дозы в опыте по сравнению с контролем, выраженному в десятичных логарифмах (Δlg_max).

Оценку вирулицидной активности материала учитывали по снижению инфекционного титра вируса в культуре клеток Vero-E6 по ЦПД (цитопатическое действие). Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Вирулицидные свойства материалов в отношении вируса SARS-CoV-2 в культуре клеток Vero-E6 Материал ТЦИД₅₀, lg Контроль вируса, lg Максимальное снижение значения заражающей вирусной дозы в опыте по сравнению с контролем, Δlg_max Краска 0 7,0 7,0 КО 5,25 7,0 1,75

Результаты проведенных исследований при инкубировании вирусосодержащей суспензии с покрытием на основе краски и КО в течение 2 ч при температуре (20±2)°C, относительной влажности воздуха 50-60 % показали, что покрытие (краска), включающее наночастицы с антимикробными свойствами в концентрации 1,2% масс. полностью инактивирует вирус SARS-CoV-2 на 7,0 lg, при этом покрытие (КО) без наночастиц снижает количество вируса на 1,75 lg.

Таким образом, заявленный антимикробный материал (краска), имеющий в своем составе наночастицы с антимикробными свойствами, соответствует критериям вирулицидной активности в отношении коронавируса SARS-CoV-2 в соответствии с МУ 3.5.2431-08 «Изучение и оценка вирулицидной активности дезинфицирующих средств».

Пример 6

Подготовка окрашенных тест-поверхностей.

В качестве тест-поверхностей для исследования антибактериальной, антигрибковой и антивирусной активности антимикробных покрытий использовали гладкие деревянные поверхности размером 5×5 см, изготовленные из неокрашенных пиломатериалов лиственных пород (ГОСТ 2695), соответствующие требованиям Руководства Р.4.2.3676-20. На тест-поверхности косточкой/пульверизатором наносили антимикробные покрытия в виде краски, полученные по примерам 1 и 2, или лака, полученные по примерам 3 и 4, и сушили до полного высыхания красочного слоя. Окрашенные тест-поверхности (объекты исследования) стерилизовали при 121±3°C в паровом стерилизаторе 2540МК, TuttnauerCo, соответствует ГОСТ 17726.

Вирулицидная активность материалов в отношении вируса осповакцины.

Для оценки вирулицидной активности материалов использовали краску (по примеру 2) и лак (по примеру 4). В качестве растворителя для восстановления лиофилизата СОП вируса осповакцины и раствора, применяемого для промывания образцов с целью извлечения вируса, использовали фосфатно-цитратный раствор 0,004 М, рН 7,2-7,4.

Для исследования вирулицидной активности материалов на основе краски и лака использовали вирусодержащий материал, СОП вируса осповакцины с.04, специфическая активность СОП с.04 согласно паспорту (4,5±0,9)×10⁸ ООЕ/мл.

Для оценки вирулицидной активности на каждую окрашенную тест-поверхность наносили по 0,2 мл вирусосодержащей жидкости. Образцы инкубировали при температуре 37°C и относительной влажности 100 % в течение 21 ч CO₂-инкубаторе (МСО-20А/С). По истечении времени вирус извлекали с поверхности образцов промыванием в 20 мл фосфатно-цитратный раствор 0,004 М, рН 7,2-7,4 и встряхивали в течение 15 мин. Для исследования на содержание вируса отбирали 5 мл промывной жидкости. Результаты оценки вирулицидной активности покрытий в отношении вируса осповакцины приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Вирулицидная активность материалов, выраженная в снижении содержания вируса осповакцины через 24 часа экспозиции Покрытие Общее количество вируса Вирусный клиренс, lg Нанесенное на тест-поверхность После контакта с тест-поверхностью ООЕ/0,2 мл lg ООЕ/0,2 мл lg Краска (по примеру 2) 1,74×10⁸ 8,2 менее 10² менее 2 более 6,2 Лак (по примеру4) 1,74×10⁸ 8,2 5,6×10³ 3,7 4,5

Таким образом, заявленные антимикробные материалы в представленных вариантах, имеющие в своем составе наночастицы с антимикробными свойствами, соответствуют критериям вирулицидной активности в отношении вируса осповакцины в соответствии с МУ 3.5.2431-08 «Изучение и оценка вирулицидной активности дезинфицирующих средств».

Пример 7

Антибактериальная активность материалов.

Для оценки антибактериальной активности материала в виде краски (по примеру 1) и лака (по примеру 3) окрашенные тест-поверхности готовили как показано в примере 6.

Питательную среду для культивирования бактерий агар Мюллера-Хинтона (Himedia M173-500G) готовили непосредственно перед проведением исследований согласно инструкции на упаковке.

Для исследования антибактериальной активности материалов использовали бактерии Staphilococcus aureus (шт. АТСС № 6538-Р) и MRSA Methicillin-resistant Staphylococcus aureus (шт.806).

Ампулы с микроорганизмами открывали в условиях ламинарного бокса и производили посев в пробирки с питательной средой. Через 18-20 ч инкубации при температуре 37±1°С культуры высевали на чашки Петри с агаром для выделения типичных колоний. После 24 ч инкубации культуры пересевали в пробирки со скошенным агаром и выращивали 18±3 ч при 37±1°С. Для приготовления инокулюма смывали подготовленную культуру со скошенного агара 5-10 мл стерильным раствором натрия хлористого 0,9 % масс. Концентрация клеток составляла 2×10⁸ КОЕ/мл.

На каждую окрашенную тест-поверхность наносили 0,25 мл суспензии тест-культуры бактерий Staphilococcus aureus или MRSA и тщательно распределяли по поверхности при помощи стерильного шпателя. После 6 ч экспозиции образцы помещали в стерильные емкости, содержащие 10 мл стерильный раствор натрия хлористого 0,9 % масс., и встряхивали в течение 10 мин (шейкер Biosan PSU-20i). Затем проводили посевы смывной жидкости на плотные питательные среды и выдерживали в инкубаторе (Binder BD53) при температуре 37±1°С в течение 24 ч. Антибактериальную активность покрытий оценивали путем расчета процента снижения микробной обсемененности опытного образца по сравнению с контрольным. Результаты оценки антибатериальной активности материала приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Антибактериальная активность материалов Материал Микроорганизмы КОЕ/мл R, % Краска
(по примеру 1) S. aureus 0,10×10³±0,00×10³ 99,9998±0,0000 MRSA 0,33×10³±0,05×10³ 99,9993±0,0001 Лак
(по примеру 3) S. aureus 5,17×10³±0,12×10³ 99,9897±0,0002 MRSA 2,56×10³±0,35×10³ 99,9948±0,0029

Таким образом, антимикробный материал, имеющий в своем составе наночастицы с антимикробными свойствами, показал высокую антибактериальную активность в отношении S. Aureus и MRSA через 6 часов экспозиции.

Пример 8

Антигрибковая активность материалов.

Для оценки антивогрибковой активности материала на основе краски (по примеру 2) и лака (по примеру 4) окрашенные тест-поверхности готовили как показано в примере 6. Питательную среду Агар Сабуро (ФБУН Государственный научный центр прикладной микробиологии и биотехнологии) готовили непосредственно перед проведением исследований согласно инструкции на упаковке.

Для оценки антигрибковой активности материала в качестве тест-микроорганизмов использовали Candida albicans (шт. 245).

Ампулы с микроорганизмами открывали в условиях ламинарного бокса и производили посев в пробирки с агаром Сабуро. Через 18-20 ч инкубации при температуре 37±1°С культуры высевали на чашки Петри с агаром Сабуро для выделения типичных колоний. После 48 часов инкубации культуру Candida albicans пересевали в пробирки со скошенным агаром Сабуро и выращивали 45±3 ч при 27±1°С. Для приготовления инокулюма смывали подготовленную культуру со скошенного агара 5-10 мл стерильным раствором натрия хлористого 0,9% масс. Концентрация клеток составляла 2×10⁸ КОЕ/мл.

На каждую окрашенную тест-поверхность наносили 0,25 мл суспензии тест-культуры Candida albicans и тщательно распределяли по поверхности при помощи стерильного шпателя. После 6 ч экспозиции образцы помещали в стерильные емкости, содержащие 10 мл стерильный раствор натрия хлористого 0,9 % масс., и встряхивали в течение 10 мин (шейкер Biosan PSU-20i). Затем проводили посевы смывной жидкости на плотные питательные среды и выдерживали в инкубаторе (Binder BD53) при температуре 27±1°С в течение 45±3 ч. Активность оценивали путем расчета процента снижения микробной обсемененности опытного образца по сравнению с контрольным. Результаты оценки антигрибковой активности покрытий приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Антигрибковая активность материалов Материал Микроорганизмы КОЕ/мл R, % Краска (по примеру 2) C.albicans 0,43×10³±0,06×10³ 99,9991±0,0001 Лак (по примеру 4) C.albicans 1,03×10³±0,12×10³ 99,9979±0,0002

Таким образом, антимикробные материалы, имеющее в своем составе наночастицы с антимикробными свойствами, показали высокую антигрибковую активность в отношении C.albicans через 6 часов экспозиции.

Заявляемые материалы, реализуемые в виде краски и лака предназначены для защиты поверхностей в местах большого скопления людей для профилактической защиты от распространения болезнетворных микроорганизмов. Материалы обладают стойкостью к моющим и дезинфицирующим растворам.

Группа изобретений может быть использована для окраски поверхностей, эксплуатирующихся в условиях возможного микробного заражения. Предложены варианты антибактериального, антивирусного, антигрибкового лакокрасочного материала, содержащего связующее, пигмент, функциональные добавки и/или наполнитель, растворитель и антимикробный компонент. Антимикробный компонент представляет собой бикомпонентные наночастицы, имеющие структуру янус-наночастиц, в которых одна часть представлена оксидом металла со средним размером 72±18 нм, другая часть представлена переходным металлом со средним размером 25±10 нм. Группа изобретений позволяет увеличить антибактериальные, антивирусные и антигрибковые свойства лакокрасочного материала. 2 н.п. ф-лы, 4 табл., 8 пр.

1. Антибактериальный, антивирусный, антигрибковый лакокрасочный материал, содержащий связующее, пигмент, функциональные добавки и/или наполнитель, отличающийся тем, что содержит антимикробный компонент, состоящий из бикомпонентных наночастиц, имеющих структуру янус-наночастиц, в которых одна часть представлена оксидом металла со средним размером 72±18 нм, другая часть представлена переходным металлом со средним размером 25±10 нм, при следующем соотношении компонентов, масс.%:

cвязующее 0,5 - 15

пигмент 0,0 – 1,0

функциональные добавки и /или наполнитель 0,5 - 20

бикомпонентные наночастицы 0,8-1,2

растворитель остальное.

2. Антибактериальный, антивирусный, антигрибковый лакокрасочный материал, содержащий связующее, пигмент, функциональные добавки и/или наполнитель, отличающийся тем, что содержит антимикробный компонент, состоящий из бикомпонентных наночастиц, имеющих структуру янус-наночастиц, в которых одна часть представлена оксидом металла со средним размером 72±18 нм, другая часть представлена переходным металлом со средним размером 25±10 нм, при следующем соотношении компонентов, масс.%:

cвязующее 10-55

пигмент 1,0 – 20,0

функциональные добавки и /или наполнитель 0,5 - 55

бикомпонентные наночастицы 0,8-1,2

растворитель остальное.