Miedź przeciwdrobnoustrojowa by Oficyna Wydawnicza "Impuls"

MONOGRAFIA HABILITACYJNA

Monika Walkowicz

MIEDŹ PRZECIWDROBNOUSTROJOWA MATERIAŁY – POWIERZCHNIE DOTYKOWE – APLIKACJE

Kraków 2018

Walkowicz_Miedz przeciwdrobnoustrojowa.indb 3

26.03.2019 07:17:14

Recenzenci: dr inż. Barbara Juszczyk, Instytut Metali Nieżelaznych, Gliwice prof. dr hab. n. med. Elżbieta Anna Trafny, Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa

Redakcja wydawnicza: Aleksandra Adamczyk

Opracowanie typograficzne: Katarzyna Kerschner

Projekt okładki: Monika Walkowicz Piotr Osuch

Publikacja książki została sfinansowana ze środków przeznaczonych na działalność statutową (nr umowy: 15.11.180.967)

ISBN 978-83-8095-591-2

Oficyna Wydawnicza „Impuls” 30-619 Kraków, ul. Turniejowa 59/5 tel./fax: (12) 422 41 80, 422 59 47, 506 624 220 www.impulsoficyna.com.pl, e-mail: impuls@impulsoficyna.com.pl Wydanie I, Kraków 2018

Walkowicz_Miedz przeciwdrobnoustrojowa.indb 4

26.03.2019 07:17:14

Wprowadzenie do tematyki pracy Część I. Naukowa Problem badawczy nr 1

Korozja miedzi i jej stopów

Problem badawczy nr 2

Uwalnianie niklu ze stopów Cu-Ni (alergia kontaktowa)

Problem badawczy nr 3

Obróbka mechaniczna powierzchni miedzi i jej stopów

Problem badawczy nr 4

Zwilżalność powierzchni miedzi i jej stopów

Problem badawczy nr 5

Środki dezynfekcyjne stosowane w polskich jednostkach opieki zdrowotnej

6 7

Podsumowanie końcowe pracy Część II. Aplikacyjna Demonstracyjny system przeciwdrobnoustrojowy

Walkowicz_Miedz przeciwdrobnoustrojowa.indb 5

Balustrada i poręcze schodowe

26.03.2019 07:17:14

Spis treści

Streszczenie ................................................................................................................ 11 Abstract ....................................................................................................................... 15 Od Autora ................................................................................................................... 19 CZĘŚĆ I. NAUKOWA Rozdział 1 Wprowadzenie do tematyki pracy . ............................................................................ 27 1.1. Miedź i jej właściwości przeciwdrobnoustrojowe Problematyka i dowody naukowe . .................................................................. 32 1.2. Stopy na osnowie miedzi wykazujące działanie przeciwbakteryjne Rodzaje materiałów i ich klasyfikacja ............................................................ 47 1.3. Rynek wyrobów z miedzi przeciwdrobnoustrojowej . .................................... 64 1.4. Literatura ......................................................................................................... 67 Rozdział 2 Problem badawczy nr 1 – Korozja miedzi i jej stopów . ............................................ 77 2.1. Wprowadzenie ................................................................................................. 80 2.2. Analiza literaturowa stanu zagadnienia . ........................................................ 82 2.2.1. Korozja miedzi i jej stopów pod wpływem kontaktu z powietrzem atmosferycznym . ................................................................................... 90 2.2.2. Korozja miedzi i jej stopów pod wpływem kontaktu z wodą morską ....................................................................................... 103 2.2.3. Korozja miedzi i jej stopów pod wpływem kontaktu z potem rąk ludzkich . ............................................................................ 105 2.3. Cel i zakres badań ........................................................................................... 142 2.4. Program badań . ............................................................................................... 146 2.5. Metodyka badań .............................................................................................. 150 2.5.1. Korozja miedzi i jej stopów wywołana kontaktem z potem rąk ludzkich . ............................................................................ 151 2.5.2. Korozja miedzi i jej stopów wywołana kontaktem z powietrzem atmosferycznym . ............................................................ 159 2.5.3. Ilościowa metoda hodowlana oznaczania skuteczności przeciwdrobnoustrojowej miedzi i jej stopów po procesach korozji powierzchni ............................................................................... 165 2.6. Materiał do badań . .......................................................................................... 168 2.7. Wyniki badań doświadczalnych i ich analiza ................................................. 173 7

Walkowicz_Miedz przeciwdrobnoustrojowa.indb 7

26.03.2019 07:17:15

Spis treści

2.7.1. Korozja miedzi i jej stopów wywołana kontaktem z potem rąk ludzkich ......................................................................................... 175 2.7.2. Korozja miedzi i jej stopów wywołana kontaktem z powietrzem atmosferycznym . .......................................................... 230 2.8. Podsumowanie . ............................................................................................. 288 2.9. Wnioski . ........................................................................................................ 298 2.10. Literatura ....................................................................................................... 301 Rozdział 3 Problem badawczy nr 2 – Uwalnianie niklu ze stopów Cu-Ni (alergia kontaktowa) ................................................................................................... 315 3.1. Wprowadzenie ............................................................................................... 318 3.2. Analiza literaturowa stanu zagadnienia . ...................................................... 320 3.3. Cel i zakres badań ......................................................................................... 385 3.4. Program badań .............................................................................................. 388 3.5. Metodyka badań ............................................................................................ 389 3.6. Materiał do badań . ........................................................................................ 394 3.7. Wyniki badań doświadczalnych i ich analiza ............................................... 398 3.7.1. Badania uwalniania niklu z przeciwdrobnoustrojowych stopów miedzi Cu-Al, Cu-Ni, Cu-Ni-Zn. Analiza ilościowa na podstawie metodyki normy EN 1811 i jakościowa na bazie reakcji barwnej z dimetyloglioksymem.......................................................................... 400 3.7.2. Badania nad wpływem stanu powierzchni materiału i czasu trwania testu zanurzeniowego w roztworze syntetycznego potu na uwalnianie niklu z przeciwdrobnoustrojowych stopów miedzi Cu-Al, Cu-Ni, Cu-Ni-Zn . ........................................................ 407 3.7.3. Badania nad wpływem kompozycji chemicznej na uwalnianie niklu z przeciwdrobnoustrojowych stopów miedzi Cu-Ni, Cu-Ni-Sn Analiza ilościowa na podstawie metodyki normy EN 1811 i jakościowa na bazie reakcji barwnej z dimetyloglioksymem ........... 426 3.7.4. Badania nad wpływem obróbki cieplnej na uwalnianie niklu z przeciwdrobnoustrojowych spinodalnych stopów Cu-Ni-Sn Analiza ilościowa na podstawie metodyki normy EN 1811 i jakościowa na bazie reakcji barwnej z dimetyloglioksymem ........... 431 3.8. Podsumowanie . ............................................................................................. 436 3.9. Wnioski . ........................................................................................................ 439 3.10. Literatura ....................................................................................................... 442 Rozdział 4 Problem badawczy nr 3 – Obróbka mechaniczna powierzchni miedzi i jej stopów . ................................................................................................................ 457 4.1. Wprowadzenie ............................................................................................... 460 4.2. Analiza literaturowa stanu zagadnienia . ...................................................... 460 8

Walkowicz_Miedz przeciwdrobnoustrojowa.indb 8

26.03.2019 07:17:15

Spis treści

4.3. Cel i zakres badań ......................................................................................... 483 4.4. Program badań . ............................................................................................. 485 4.5. Metodyka badań ............................................................................................ 487 4.6. Materiał do badań . ........................................................................................ 494 4.7. Wyniki badań doświadczalnych i ich analiza ............................................... 498 4.7.1. Badania chropowatości powierzchni wyrobów płaskich walcowanych z miedzi i jej stopów po procesie obróbki mechanicznej ....................................................................................... 498 4.7.2. Badania morfologii powierzchni wyrobów płaskich walcowanych z miedzi i jej stopów po procesie obróbki mechanicznej .................... 504 4.7.3. Badania wpływu obróbki mechanicznej powierzchni miedzi i jej stopów na skuteczność przeciwdrobnoustrojową w kontakcie z wzorcowymi szczepami gronkowca złocistego opornego na metycylinę (methicillin-resistant Staphylococcus aureus, MRSA) i pałeczki okrężnicy (Escherichia coli) . .............................................. 508 4.8. Podsumowanie . ............................................................................................. 514 4.9. Wnioski . ........................................................................................................ 518 4.10. Literatura ....................................................................................................... 519 Rozdział 5 Problem badawczy nr 4 – Zwilżalność powierzchni miedzi i jej stopów ................. 527 5.1. Wprowadzenie ............................................................................................... 530 5.2. Analiza literaturowa stanu zagadnienia . ....................................................... 531 5.3. Cel i zakres badań ......................................................................................... 555 5.4. Program badań .............................................................................................. 557 5.5. Metodyka badań ............................................................................................ 559 5.6. Materiał do badań . ........................................................................................ 566 5.7. Wyniki badań doświadczalnych i ich analiza ............................................... 568 5.7.1. Badania morfologii powierzchni wyrobów płaskich walcowanych z miedzi i jej stopów po procesie termiczno-chemicznej obróbki ....... 568 5.7.2. Badania zwilżalności powierzchni wyrobów płaskich walcowanych z miedzi i jej stopów po procesie termiczno-chemicznej obróbki ....... 575 5.7.3. Badania wpływu termiczno-chemicznej obróbki powierzchni miedzi i jej stopów (powierzchnie hydrofilne i hydrofobowe) na skuteczność przeciwdrobnoustrojową w kontakcie z wzorcowymi szczepami gronkowca złocistego opornego na metycylinę (methicillin-resistant Staphylococcus aureus, MRSA) i pałeczki okrężnicy (Escherichia coli) . .............................................. 586 5.8. Podsumowanie . ............................................................................................. 594 5.9. Wnioski . ........................................................................................................ 595 5.10. Literatura ....................................................................................................... 596

Walkowicz_Miedz przeciwdrobnoustrojowa.indb 9

26.03.2019 07:17:15

Spis treści

Rozdział 6 Problem badawczy nr 5 – Środki dezynfekcyjne stosowane w polskich jednostkach opieki zdrowotnej ................................................................ 605 6.1. Wprowadzenie ............................................................................................... 607 6.2. Analiza literaturowa stanu zagadnienia . ...................................................... 609 6.3. Cel i zakres badań ......................................................................................... 619 6.4. Program badań .............................................................................................. 621 6.5. Metodyka badań ............................................................................................ 623 6.6. Materiał do badań . ........................................................................................ 628 6.7. Wyniki badań doświadczalnych i ich analiza ............................................... 629 6.7.1. Badania oddziaływania preparatów dezynfekcyjnych na powierzchnie dotykowe z miedzi Cu-ETP ..................................... 630 6.7.2. Badania oddziaływania preparatów dezynfekcyjnych na powierzchnie dotykowe z mosiądzu CuZn37 . ............................... 637 6.7.3. Badania oddziaływania preparatów dezynfekcyjnych na powierzchnie dotykowe z brązu cynowego CuSn6 ........................ 643 6.7.4. Badania oddziaływania preparatów dezynfekcyjnych na powierzchnie dotykowe z mosiądzu wysokoniklowego CuNi12Zn24 . ....................................................................................... 648 6.8. Podsumowanie . ............................................................................................. 652 6.9. Wnioski . ........................................................................................................ 655 6.10. Literatura ....................................................................................................... 656 Rozdział 7 Podsumowanie końcowe pracy .................................................................................. 661 CZĘŚĆ II. APLIKACYJNA Rozdział 8 Demonstracyjny system w postaci balustrady i poręczy schodowych wykonanych z przeciwdrobnoustrojowego stopu miedzi zainstalowany na Wydziale Metali Nieżelaznych Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie . ..... 673

Walkowicz_Miedz przeciwdrobnoustrojowa.indb 10

26.03.2019 07:17:15

Streszczenie

Wraz z rozwojem cywilizacyjnym świata przybywa drobnoustrojów opornych na działanie antybiotyków, czego wyrazem jest wzrastająca rokrocznie liczba zakażeń nabywanych przez ludzi w miejscach użyteczności publicznej, zwłaszcza w jednostkach opieki zdrowotnej. Przykładowo co dziesiąty pacjent w europejskich szpitalach nabywa zakażeń, co setny natomiast umiera. Jedną z najczęstszych dróg przenoszenia tego typu infekcji jest bezpośredni kontakt skóry z zanieczyszczonymi przez czynniki biologiczne (bakterie, wirusy, grzyby) powierzchniami wyrobów codziennego użytku, takimi jak: klamki drzwiowe, pochwyty schodowe, poręcze łóżek i krzeseł, włączniki oświetlenia czy elementy armatury sanitarnej. Dlatego też najczęściej stosowanymi w szpitalach narzędziami wspomagającymi ograniczanie ryzyka zakażeń przenoszonych drogą kontaktową są – ściśle określone co do sposobu i mechanizmu dekontaminacji – procedury dezynfekcji elementów dotykowych wsparte dbałością o przestrzeganie należytych praktyk w zakresie higieny rąk zarówno wśród pacjentów, jak i personelu medycznego. Na tym tle w ostatnich latach wyróżniającym się nowym rozwiązaniem mającym na celu poprawę bezpieczeństwa chorych w aspekcie profilaktyki infekcji wewnątrzszpitalnych stała się implementacja do obiektów użyteczności publicznej wyrobów z powierzchniami dotykowymi wykonanymi z miedzi lub jej stopów. Powodem podjęcia takich działań są bowiem dowiedzione w badaniach laboratoryjnych i klinicznych wyniki prac naukowych świadczące, że materiały metaliczne na osnowie miedzi skutecznie eliminują bakterie, wirusy i grzyby na swoich powierzchniach dotykowych w czasie od jednej do maksymalnie kilku godzin. Stanowią tym samym unikatowy, prozdrowotny substytut dla tradycyjnie stosowanych materiałów technicznych, takich jak tworzywa sztuczne, stal nierdzewna czy aluminium, z których z kolei wykonywane są standardowe elementy wyposażenia wnętrz i które nie dość, że nie wykazują skuteczności przeciwdrobnoustrojowej, to wręcz stanowią podłoża aktywujące szczepy mikroorganizmów do zasiedlania i postępującego wraz z upływem czasu dynamicznego wzrostu jednostek tworzących kolonie. Dlatego też, w ślad za dowiedzioną w literaturze przedmiotu immanentną efektywnością miedzi i jej stopów w redukcji drobnoustrojów, wyroby z tego typu powierzchniami dotykowymi zaczęły cieszyć się coraz większą społeczną aprobatą i popularnością i w konsekwencji być coraz powszechniej wykorzystywane w obiektach użyteczności publicznej (m.in.: szkoły, dworce, szpitale, środki transportu zbiorowego), jako miejscach dużych skupisk ludzkich, na całym świecie, w tym w Polsce.

Walkowicz_Miedz przeciwdrobnoustrojowa.indb 11

26.03.2019 07:17:15

Streszczenie

W następstwie powyższego wytwarzane w zakładach metalurgiczno-przetwórczych półwyroby hutnicze (m.in.: blachy, taśmy, pręty, rury) z miedzi przeciwdrobnoustrojowej, po procesie ich dalszego przetwórstwa na wyroby finalne i w konsekwencji praktycznej instalacji, zaczęły być codziennie eksploatowane w rzeczywistych warunkach jednostek opieki zdrowotnej oraz testowane na skuteczność przeciwbakteryjną na drodze zgodnych z międzynarodowymi normami mikrobiologicznych analiz o charakterze laboratoryjnym i klinicznym. Ponadto sukcesywnie stały się przedmiotem zainteresowania inżynierów skupionych wokół sektora metalurgii miedzi, konstruktorów z zakładów produkcyjnych wyrobów medycznych, a także personelu jednostek opieki zdrowotnej i wreszcie samych chorych. Nie wspominając o grupach naukowców prowadzących badania o charakterze materiałowym bądź mikrobiologicznym, jak również środkach masowej komunikacji społecznej. Uwaga tych ostatnich była naturalną konsekwencją aplikacji miedzi przeciwbakteryjnej w miejscach użyteczności publicznej w postaci nowych systemów dotykowych, co w istocie wpłynęło na szerokie nagłośnienie problemu zakażeń nabywanych drogą kontaktową i pozytywny odbiór tematu przeciwdrobnoustrojowych materiałów metalicznych na osnowie miedzi. Z biegiem czasu każda z wymienionych grup odbiorców zaczęła kierować pod adresem miedzianych półwyrobów i/lub wyrobów bakteriobójczych coraz więcej informacji zwrotnych dotyczących różnych aspektów ich produkcji, przetwórstwa, czy też praktycznego użytkowania. Część z tych kwestii wynikała z natury materiałowej miedzi jako materiału metalicznego, tj. jej budowy wewnętrznej, jeszcze inne zawierały się w techniczno-technologicznych aspektach związanych z inżynierią powierzchni, a konkretnie wytwarzaniem i właściwościami warstw wierzchnich. Kolejne podyktowane były metodologią mikrobiologicznych testów skuteczności przeciwbakteryjnej materiałów metalicznych bądź też specyfiką warunków eksploatacji miedzi przeciwdrobnoustrojowej właściwą dla jednostek opieki zdrowotnej. Dlatego też nadrzędnym celem naukowym niniejszej pracy było rozwiązanie nakreślonych problemów badawczych przy wykorzystaniu wyników własnych prac eksperymentalnych przedstawionych na tle studiów literaturowych. Część pierwsza monografii nawiązuje na wstępie (rozdział 1) do problematyki i dowodów naukowych dotyczących efektywności miedzi oraz jej stopów w eliminacji drobnoustrojów zarówno w ujęciu historycznym, jak i współczesnym, definiując jednocześnie obserwowany obecnie – z uwagi na problem zakażeń szpitalnych – renesans niniejszego tematu. Część ta prezentuje także klasyfikację i charakterystykę stopów miedzi wykazujących właściwości przeciwbakteryjne, by kolejno opisać uwarunkowania i tendencje rozwoju rynku miedzianych wyrobów bakteriobójczych w korelacji z pięcioma głównymi problemami badawczymi przedstawionymi w rozdziałach od 2 do 6. Rozdział 2 przybliża zagadnienie korozji miedzi i jej stopów bezpośrednio związane z codzienną eksploatacją materiału metalicznego, tj. jego kontaktem nie tylko z potem rąk ludzkich, lecz także powietrzem atmosferycznym o zróżnicowanym składzie chemicznym. Ponieważ w wyniku utleniania materiał patynuje się, a więc pokrywa warstewkami związków chemicznych (głównie tlenków miedzi), czego wyrazem jest wizualna zmiana kolorystyki miedzi (jak chociażby obserwuje się to na przykładzie 12

Walkowicz_Miedz przeciwdrobnoustrojowa.indb 12

26.03.2019 07:17:15

Streszczenie

stanowiącej symbol Stanów Zjednoczonych Statuy Wolności), nadrzędnym celem poznawczym rozważań przedstawionych w tym rozdziale była eksperymentalna weryfikacja wpływu utleniania powierzchni miedzi i jej stopów na efektywność w eliminacji bakterii Gram-dodatnich i Gram-ujemnych, w tym gatunków antybiotykoopornych. Skuteczna implementacja miedzi na powierzchnie dotykowe wiąże się m.in. z doborem odpowiedniego stopu charakteryzującego się najkorzystniejszym kompromisem istotnych z aplikacyjnego punktu widzenia właściwości użytkowych, czyli m.in. przeciwbakteryjnych, antykorozyjnych i antyalergicznych. Z uwagi na ostatni z wymienionych wyżej czynników rozdział 3 poświęcono teoretycznym i doświadczalnym rozważaniom na temat wpływu niklu zawartego w wybranych przeciwdrobnoustrojowych stopach miedzi na prawdopodobieństwo powodowania przez nie uczuleń skórnych. Obok analiz ukierunkowanych na wpływ kompozycji chemicznej materiału na podatność do utleniania, jak również uwalniania alergenu, w niniejszej monografii, w rozdziale 4, rozważaniom poddano także zagadnienie mechanicznej obróbki wykańczającej powierzchni materiałów na bazie miedzi głównie pod kątem jej wpływu na skuteczność przeciwbakteryjną. Eksperyment miał na celu udzielenie odpowiedzi na pytanie: czy rysowanie powierzchni miedzi i jej stopów w wyniku ich codziennego użytkowania może w jakimś stopniu osłabić efektywność materiałów w eliminacji bakterii? Czy bardziej chropowate, jako charakteryzujące się bardziej rozbudowanym stanem powierzchni, materiały będą wykazywały lepsze właściwości przeciwdrobnoustrojowe w porównaniu z podłożami gładkimi? A może jednak nieco słabsze z uwagi na możliwość tworzenia przez drobnoustroje w zagłębiach metalu warstewki biofilmu chroniącej je przed niekorzystnym oddziaływaniem środowiska? Per analogiam do rozważań obejmujących zagadnienia obróbki mechanicznej miedzi i jej stopów w rozdziale 5 dokonano analizy wpływu zwilżalności podłoży miedzianych, głównie z punktu widzenia ich roli w mikrobiologicznych testach przeciwdrobnoustrojowych, na skuteczność materiałów miedzianych w eliminacji drobnoustrojów. W tym celu, na drodze zabiegów obróbki, tym razem termiczno-chemicznych, wytworzono na podłożach wyrobów płaskich walcowanych z miedzi i jej stopów warstwy wierzchnie o zróżnicowanej energii swobodnej powierzchniowej, tj. odmiennych wartościach kątów zwilżania (powierzchnie hydrofilowe i hydrofobowe), aby ocenić wpływ morfologii miedzi na zdolność do eliminacji mikroorganizmów. Kolejne omawiane zagadnienie, poruszone w rozdziale 6 niniejszej monografii, stanowiło odpowiedź na zastosowanie produktów z miedzi przeciwbakteryjnej w krajowych szpitalach w powiązaniu z obowiązującymi w nich ścisłymi procedurami dezynfekcji powierzchni. Myślą przewodnią była tutaj ocena stopnia reakcji materiałów na osnowie miedzi z substancjami czynnymi zawartymi w stosowanych w polskich jednostkach opieki zdrowotnej preparatach dezynfekcyjnych, głównie pod kątem potrzeby wytypowania związków chemicznych, które są skutecznymi środkami czyszczącymi i zarazem nie wywołują niekorzystnej korozji miedzi, obniżającej jej walory estetyczne. Po tak ujętym przeglądzie pozycji piśmienniczych i rezultatów badań doświadczalnych całość pierwszej części publikacji kończy syntetyczne podsumowanie zawarte w rozdziale 7. 13

Walkowicz_Miedz przeciwdrobnoustrojowa.indb 13

26.03.2019 07:17:15

Streszczenie

Dopełnienie naukowego wymiaru dysertacji stanowi część druga, aplikacyjna, ukazująca praktyczny wynik wdrożenia przeciwdrobnoustrojowych powierzchni dotykowych z materiałów na osnowie miedzi do krajowych miejsc użyteczności publicznej. Rezultatem badawczego charakteru pracy stał się demonstracyjny system w postaci balustrady i poręczy schodowych wykonanych z przeciwbakteryjnego stopu miedzi, który zainstalowano na Wydziale Metali Nieżelaznych Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie.

Walkowicz_Miedz przeciwdrobnoustrojowa.indb 14

26.03.2019 07:17:15

Abstract

Antimicrobial Copper. Materials â&#x20AC;&#x201C; Touch Surfaces â&#x20AC;&#x201C; Applications

Along with the civilizational development of the world, the number of microorganisms resistant to antibiotics is increasing, which is reflected in the growing number of people getting infected in public places, especially in healthcare facilities. For example, every 10th patients in European hospitals becomes infected, and every 100th dies. One of the most common routes for transmission of this type of infection is direct skin contact with contaminated by biological agents (bacteria, viruses, fungi) with surfaces of everyday use products, such as door handles, stair handles, handrails of beds and chairs, lighting switches, or elements of sanitary fittings. Therefore, the most frequent tools used in hospitals to reduce the risk of direct contact infections are strictly defined as to the method and mechanism of decontamination, disinfection procedures of touch elements supported by care for the observance of proper hand hygiene practices among patients as well as medical personnel. In view of these facts, in recent years, there is a distinctive new solution for improving the safety of patients in the aspect of prevention of nosocomial infections in the form of implementation into public facilities of products with touch surfaces made of copper or its alloys. The reason for taking such actions is the results of research verified in laboratory and clinical studies that proves that metallic materials based on the copper matrix effectively eliminate bacteria, viruses and fungi on their touch surfaces in a time ranging from one to a maximum of several hours. They are thus a unique, pro-health substitute for traditionally used technical materials such as plastics, stainless steel or aluminium, which are used to make standard interior furnishings and which not only do not have antimicrobial efficacy, but also constitute surfaces that activate the strains of microorganisms to settle and over time dynamically form colonies. Therefore, due to the proven in the source literature immanent effectiveness of copper and its alloys in the reduction of microorganisms, products made with this type of touch surfaces have begun to enjoy increasing social popularity, and are being implemented more and more widely in public facilities (including schools, railway stations, hospitals, mass transport) as places of large human centres not only around the world, but also in Poland.

Walkowicz_Miedz przeciwdrobnoustrojowa.indb 15

26.03.2019 07:17:15

Abstract

As a result of the above, metallurgical semi-products made of antimicrobial copper in metallurgical plants (including sheets, strips, rods, pipes), after the process of their further processing into final products and, as a consequence, of practical installation, began to be subject to daily use in real conditions of healthcare facilities and tested for antibacterial efficacy on the basis of laboratory and clinical analyses consistent with international standards. On top of that, they successively became the subject of interest for engineers focused around the copper metallurgy sector, constructors from plants manufacturing medical devices, as well as personnel of healthcare facilities, and finally the patients themselves. Not to mention groups of scientists conducting research either of a material or microbiological nature, as well as means of mass social transportation. The attention of the latter was a natural consequence of the application of antibacterial copper in public places in the form of new touch systems, which in fact influenced the widespread publicity of the issues of contact infections and the positive response to the topic of antimicrobial copper materials. Over time, each of the aforementioned recipient groups has started to direct more and more feedback on the topic of bactericidal copper semi-products and/or products, regarding various aspects of their manufacture, processing or practical use. Some of these issues resulted from the material nature of copper as a metallic material, i.e. its internal structure, still others were dealt with technical/technological aspects related to surface engineering, specifically the manufacture and properties of the surface layers. Subsequent ones were dictated by the methodology of microbiological tests of the antibacterial effectiveness of metallic materials, or by the specificity of the conditions of the using antimicrobial copper, appropriate for healthcare facilities. The scientific purpose of this paper is devoted to solving the research problems outlined, based on the own experimental results presented in comparison to the research presented in source literature. In particular, the scientific purpose specified in the first part of the monograph (chapter 1) deals with the problems and scientific evidence of the effectiveness of copper and its alloys in the elimination of microorganisms in both historical and contemporary context, while defining the present renaissance of this problem, currently observed due to the problem of nosocomial infections. This part also classifies and characterises copper alloys exhibiting antibacterial properties, in order to present the conditions and trends in the development of the market of copper bactericidal products in correlation with the five main research problems presented individually in chapters 2 to 6. The first of these deals with the issue of corrosion of copper and its alloys directly related to the daily use of metallic material, i.e. its contact with both human hands and atmospheric air of different chemical composition. Because as a result of oxidation the material is patinated, and thus covered with layers of chemical compounds (mainly copper oxides), which is manifested by a visual change in the colour of copper (as it is seen in the example of the Statue of Liberty, which is a symbol of the United States), the overriding cognitive objective of the considerations presented in the chapter was an experimental verification of the effect of oxidation of the surface of copper and its alloys on the effectiveness in the elimination of Gram-positive and Gram-negative bacteria, 16

Walkowicz_Miedz przeciwdrobnoustrojowa.indb 16

26.03.2019 07:17:15

Abstract

including antibiotic-resistant species. Also considering that the effective use of copper in touch surfaces is associated with, among other things, the selection of an appropriate alloy characterised by the most beneficial compromise of useful properties from the application point of view, i.e. anti-bacterial, anti-corrosive and anti-allergic, due to the last of the mentioned factors, the next third chapter of the paper is devoted to theoretical and experimental considerations of the influence of nickel contained in selected antimicrobial copper alloys on the probability of causing skin allergies. In addition to the presented analyses focused on the effect of the chemical composition of the material on oxidation and allergen release, the paper (chapter 4) also deals with the issue of mechanical finishing of copper-based materials in terms of its influence on antibacterial effectiveness. The idea of the experiment was contained in the need of answering the question: whether scratching of the surface of copper and its alloys as a result of their everyday use may to some extent weaken the effectiveness of materials in the elimination of bacteria? Will more roughened materials with more extensive surface conditions exhibit better antimicrobial properties compared to smooth surfaces? Or maybe they will be a bit weaker due to the possibility of microorganisms forming a layer of biofilm in the metal depressions that protects them from the adverse effects of the environment? In analogy to the considerations covering the issues of mechanical treatment of copper and its alloys, the next, 5th chapter of the dissertation analyses the effect of wettability of copper surfaces mainly in terms of their role in microbiological antimicrobial tests on the effectiveness of copper materials in microbial elimination. For this purpose, using machining operations, this time thermal and chemical operations, surface layers with differentiated surface free energy, i.e. different contact angle values (hydrophilic and hydrophobic surfaces) were formed on the surfaces of flat products rolled from copper and its alloys for the evaluation of the effect of copper morphology on the ability to eliminate microorganisms. In connection with the above, another issue raised in the paper (chapter 6) was a response to the use of anti-bacterial copper products in hospitals in the country and to strict surface disinfection procedures there. This time, the main idea was contained in the need to assess the degree of reaction of materials on the copper matrix with active agents contained in disinfectants used in Polish healthcare facilities, mainly in terms of the need to select chemical compounds on the one hand constituting effective cleaning agents, on the other hand not causing unfavourable copper corrosion, or reducing its aesthetic value. Thus, after the review of the source literature and the results of experimental studies, the whole of the first part of the monograph ends with a synthetic summary in chapter 7. The addition to the scientific dimension of the dissertation is the second, application part, showing the practical result of the implementation of antimicrobial touch surfaces made from materials based on copper in public places in Poland. The result of the research character of the paper is the demo system in the form of balustrades and stair handrails made of an antibacterial copper alloy, which was installed at the Non-Ferrous Metals Faculty of AGH University of Science and Technology in Krakรณw.

Walkowicz_Miedz przeciwdrobnoustrojowa.indb 17

26.03.2019 07:17:15

Rozdział 8. Demonstracyjny system przeciwdrobnoustrojowy w postaci balustrady i poręczy schodowych

Rys. 8.3. Demonstracyjny system w postaci balustrady i poręczy schodowych wykonanych z przeciwdrobnoustrojowego stopu miedzi zainstalowany na Wydziale Metali Nieżelaznych Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie [fot. M. Walkowicz]

Rys. 8.4. Demonstracyjny system w postaci balustrady i poręczy schodowych wykonanych z przeciwdrobnoustrojowego stopu miedzi zainstalowany na Wydziale Metali Nieżelaznych Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie [fot. M. Walkowicz]

678

Walkowicz_Miedz przeciwdrobnoustrojowa.indb 678

26.03.2019 07:20:21

Rozdział 8. Demonstracyjny system przeciwdrobnoustrojowy w postaci balustrady i poręczy schodowych

Rys. 8.5. Demonstracyjny system w postaci balustrady i poręczy schodowych wykonanych z przeciwdrobnoustrojowego stopu miedzi zainstalowany na Wydziale Metali Nieżelaznych Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie [fot. M. Walkowicz]

Rys. 8.6. Pamiątkowa tablica informacyjna dopełniająca demonstracyjny system w postaci balustrady i poręczy schodowych wykonanych z przeciwdrobnoustrojowego stopu miedzi, zamontowana na I piętrze głównej klatki schodowej na Wydziale Metali Nieżelaznych Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie (budynek A-2) [fot. M. Walkowicz]

679

Walkowicz_Miedz przeciwdrobnoustrojowa.indb 679

26.03.2019 07:20:22