冷喷固态增材技术可快速阻断新冠肺炎病毒接触传播

澳大利亚斯威本科技大学Novana Hutasoit等人采用冷喷涂技术在钢结构/制品表面快速制备铜涂层，其主要目的是降低新冠肺炎病毒在人流密集区域的接触表面上的停留时间（如公共建筑物和医院中的门等）。这项工作强调应用冷喷工艺在使用中的钢推板上制备铜涂层，大约7分钟，总时间在17分钟内可实现使用。此外，铜涂层测试样品与不锈钢相比具有更高的新冠肺炎病毒灭活特性，即在2小时和5小时的培养后，铜涂层的灭活效率分别为96%和99.2%。该研究展示了冷喷涂技术在短时间内制备具有抗病毒性能的铜涂层的能力，从而使被涂覆部件快速重新投入使用，为阻断新冠肺炎病毒接触传播的提供潜在解决方案。该研究成果发表在Manufacturing Letters杂志上。全文翻译如下：

背景介绍

新冠肺炎病毒SARS-CoV-2正以可怕的传播速度在全世界蔓延，全球已报告近300万例感染。此外，在本研究期间，新冠肺炎病毒既没有药物也没有疫苗；防止这种病毒的唯一办法是降低其传播速度，特别是通过社区的传播，因为这些病例很难追踪。新冠肺炎病毒的传播主要通过呼吸液滴发生。当感染性飞沫靠近（在一米范围内）感染者时，可进入人的呼吸系统。另外，液滴转移可以间接发生，感染性液滴可以附着在物体表面，然后传播给接触同一物体的健康人。飞沫传播可以通过保持至少1.5米的距离得到解决。接触传播可以通过能够快速降低新冠肺炎病毒寿命的病毒灭活方案来解决。

在过去二十年中，铜以其抗菌性能而闻名，并且被证明能够灭活不同类型的病毒，如甲型流感、冠状病毒229E和最近的新冠病毒。据van Doremalen报道，新冠病毒在不锈钢表面比铜表面更稳定，铜能够在4小时内将新冠肺炎病毒从其表面清除。然而，论文作者并没有说明铜样品的来源，只是提到采用的是金属残留物。另一方面，Victor等人报告了冷喷涂铜涂层对暴露在其表面的甲型流感病毒的杀菌特性。据本文作者所知，目前尚没有研究新冠肺炎病毒在冷喷铜涂层表面的行为研究，尽管冷喷铜涂层能够在很短的时间内部署到装置或设施表面，并对减缓新冠肺炎病毒的传播起到重要作用。

目前人流密集处的装置设施接触表面大多是钢质材料。从经济和实用的角度来看，用铜零件替换所有现有的钢质材料不是一个好的选择。冷喷涂技术可以在现有钢质装置设施表面快速制备一薄层铜涂层。在这个过程中，高压载气（空气、氮气或氦气）以超音速推动金属粒子撞击在钢质装置设施表面。在碰撞过程中，动能为金属颗粒提供了足够的能量，使其经受严重的塑性变形并结合，从而产生薄而致密的涂层。在本研究中，作者使用门的推板为研究对象来研究冷喷涂铜涂层灭活新冠肺炎病毒的可行性。推板是一种安装在门上的薄金属(2 mm)，当没有门把手时，推板可作为人员推开门的接触物体。与车门把手类似，推板由人接触操作。因此，门的推板暴露于化学和生物污染物中，其中包括细菌和病毒。此外，在公共建筑和医院中，这种接触非常突出，可能成为疾病传播的一个来源，特别是在使用不具备足够抗菌和抗病毒性能的不锈钢时。

在这项工作中，作者仅在7分钟的时间内就在不锈钢推板上沉积了铜涂层，这将是冷喷涂工艺应用于新冠肺炎病毒灭活的一个极好的证明。此外，该技术显著节约成本，无需更换现有钢质零件，而是在其表面快速涂上铜涂层并重新投入使用。 

实验过程

2.1冷喷涂

 铜涂层沉积在尺寸为300×75×2 mm的不锈钢推板上（图1a），该推板通常安装在澳大利亚墨尔本商业建筑的门上。作者使用了来自当地的铜粉（纯度99.9%），颗粒大小在5至60微米之间。本研究采用了一种新颖的冷喷涂系统Lightspee3D。该系统利用一个固定的喷嘴，将金属粉末垂直地喷射到移动的基板上。基板的运动由一个内置算法控制的六轴机器人手臂决定，该算法能够制造复杂的几何组件。喷管出口温度500℃，空气压力为3 MPa，喷涂距离为16 mm。两块推板被喷涂，其中一块在沉积状态下进行测试（命名为3DCopper N），而另一块在测试前进行了热处理后退火（命名为3DCopper Annealed A）。在进行杀菌测试之前，采用电动马达驱动的钢刷对铜涂层进行抛光，以保持铜涂层一致的表面光洁度。

图1. （a）使用中的不锈钢推板的宏观照片，（b）不锈钢推板上的铜涂层，（c）抛光铜涂层，（d）安装在门上的铜层推板。

2.2 材料表征

采用TaylorHobson7.1剖面仪测量不锈钢推板和铜涂层在五个不同位置的表面粗糙度(Ra)。利用奥林巴斯BX-61光学显微镜和专有的图像处理软件测量了铜涂层的厚度和孔隙率。测量方法为：在涂层的横截面上取五个不同的点，并计算其平均值。

2.3 新冠肺炎病毒活性试验

用体外暴露法测定了铜涂层对新冠肺炎病毒的杀毒活性。杀菌剂能使病毒失活并发生可逆转的、可测量的病毒滴度降低。在本研究中，作者使用醋酸钠作为杀菌剂，使病毒滴度发生不可逆转的下降。

将50微升新冠肺炎病毒浓度为10^5.5 TCDD₅₀/ml的溶液滴到铜涂层、抛光铜铜涂层和不锈钢小方块表面，室温下置于24孔组织培养板中分别培养1、10、30、120和300分钟。同时，将50微升含有新冠肺炎病毒溶液加入不含金属的培养孔中，作为对比样。分别培养不同时间后，将300微升的分析介质添加到含有金属方块和不含金属方块的孔中 “洗掉”剩余的病毒，获得的洗涤介质进行TCID₅₀测定。具体方法为：将100微升洗涤介质添加到96孔细胞培养皿的3个重复孔中，每个孔中含有2x10⁴个非洲绿猴肾细胞。含有病毒的洗涤介质在培养皿中连续稀释三倍，总共得到9种不同的病毒浓度。其中6孔仅含有培养基（即没有病毒），并作为对比样。细胞培养盘在37度含5%二氧化碳的潮湿环境中培育三天。将肉眼可见发生病毒诱导的致细胞病变效应CPE的孔定义为阳性，未显示病毒诱导的致细胞病变效应CPE的孔定义为阴性。使用Reed-Muench方法确定最高稀释率，在该稀释率条件下，50%的孔被感染，即病毒评分为阳性。用细菌滴度与对比样相比的对数下降值来量化杀菌效果。含有新冠病毒的对比样定义了当病毒未接触杀菌剂时可观察到的最大病毒滴度。 

结果与讨论

3.1冷喷涂铜涂层

不锈钢推板（图1a）表面采用冷喷涂得到了厚度约为0.7 mm的铜涂层（图1b)，涂层制备在7分钟内完成，沉积效率约为56%。涂层致密，孔隙率为2.1 ± 0.5%。对冷喷涂后的推板进行抛光，使铜涂层有效厚度降低到约0.45 mm（图1c）。铜涂层抛光后的表面粗糙度为5.65 ± 0.76微米，显著高于原不锈钢推板基板（0.59 ± 0.08微米）。最后，图1d展示了一个重新部署在门上的铜涂层推板。从喷涂到重新部署推板的总时间大约为15-17分钟。与用新的大块铜推板替换钢部件相比，以上过程在很短的时间内就实现了。 

3.2 新冠肺炎病毒杀菌活性

表1和图2呈现了新冠肺炎病毒暴露于三种不同金属表面的杀菌活性结果，空白样和仅含有新冠肺炎病毒的溶液被用来对比说明三种金属表面的杀菌效果。从结果来看，很明显，铜涂层测试板病毒滴定值大幅降低，也就是说新冠肺炎病毒活性大幅降低。2小时后，暴露在铜涂层N表面的96%的新冠肺炎病毒被灭活，暴露在退火态铜涂层A表面的92%的新冠肺炎病毒被灭活。当病毒长时间暴露在这些表面长达5小时，沉积态N和退火A铜涂层对沉积表面的新冠肺炎病毒灭活效率分别为99.2%和97.9%。vanDoremalen等人也进行了类似的观察，他们报道说，在铜表面4小时后没有发现活的新冠肺炎病毒，而在不锈钢表面，病毒可在72小时后检测到。然而，他们使用金属残留物作为表面暴露源，这可能不同于人流密集区域接触表面中存在的商业金属。在本研究中使用的钢质推板，是暴露在人流密集区域频繁接触的典型代表。此外，该研究表明，利用先进的冷喷铜涂层，可以在很短的时间内对现有钢件和正在使用的部件进行喷铜快速处理，以减缓新冠肺炎病毒的传播。

到目前为止，出现了两种可能的理论来解释铜表面的抗微生物特性。首先，天然形态的铜、一价铜离子和二价铜离子具有不同的抗病毒性能。Warnes和Keevil的一项研究表明，一价Cu离子是诺如病毒失活的主要效应因子。在后来的研究中，Warneset al.进一步证明，铜含量较高（79-89%）的铜合金比铜含量较低（70%）的合金能更快地灭活诺如病毒。第二，铜涂层的纳米形态（纳米粒子）具有抗病毒能力。Fujimori等人的一项研究表明，尺寸为160 nm的铜纳米颗粒具有抗甲型流感病毒的作用。这两种机制可能是冷喷铜涂层抗新冠肺炎病毒的部分原因。虽然关于病毒在铜表面灭活的机制已有大量报道，但新冠肺炎病毒在3d打印铜涂层上灭活的潜在机制仍是一个有待进一步研究的课题。

表1. 根据暴露时间评估病毒滴度。

图2. 3d打印铜涂层和不锈钢金属表面的杀毒效果。 

结论

这项工作强调应用冷喷工艺在使用中的钢推板上制备铜涂层，大约7分钟，总时间在17分钟内可实现使用。此外，铜涂层测试样品与不锈钢相比具有更高的新冠肺炎病毒灭活特性，即在2小时和5小时的培养后，铜涂层的灭活效率分别为96%和99.2%。该研究展示了冷喷涂技术在短时间内制备具有抗病毒性能的铜涂层的能力，从而使被涂覆部件快速重新投入使用。

致谢

该项目工作得到了维多利亚州政府未来产业部门增长资助计划的支持。SPEE3D是这个项目的参与者之一，作者还承认360BioLabs Pty有限公司支持开展杀病毒活性试验。