含铜不锈钢从抗菌向抗病毒迈进

用抗菌不锈钢制成的餐具受访者供图

　　颗粒在线讯：黄明欣团队采用粉末冶金的生产工艺，将不锈钢中铜的含量提升至20%，获得了具有抗新冠病毒特性的不锈钢。这样制得的高含铜量不锈钢，不仅能避免“铜脆”现象，而且其富铜沉淀物能均匀分布在整个金属制品中，即使制品表面磨损也不会影响其抗病毒效果。

　　新冠肺炎疫情暴发以来，“物传人”成为新冠病毒传播的重要途径之一。曾有研究显示，新冠病毒能在普通不锈钢材料表面存活3天之久。因此，研发出能够杀灭新冠病毒的不锈钢材料，成为业界和学界的一大目标。

　　近期，香港大学工程学院机械工程系黄明欣教授领导的团队与香港大学（李嘉诚医学院）免疫与感染研究中心潘烈文教授的研究团队合作，通过调整不锈钢的化学成分和微观组织结构，成功令不锈钢能杀灭表面附着的新冠病毒和其他常见病原体微生物。

　　新型不锈钢含铜20% 显示出强大的抗新冠病毒特性

　　自20世纪初被发明后，凭借着在硬度、耐腐蚀性、可加工性等方面的优异性能，从公共场所的基础设施，到家庭生活的日常装潢，不锈钢成为公众最常接触的材料之一。

　　但随着新冠肺炎疫情席卷全球，不锈钢这个公共场所随处可见的基础材料，已成为新冠病毒扩散传播的载体——携带病毒的飞沫和呼吸道分泌物会附着在不锈钢材料上，使其成为潜在的病毒传播媒介。

　　例如，此前中国疾病预防控制中心曾对一起新冠病毒感染案例进行分析，认为同一单元楼内的住户极有可能因共用一部电梯，共同触摸不锈钢材质的电梯按键而造成病毒在住户中扩散。

　　在具体研究中，为了更好地比较不同不锈钢材料之间的抗菌抗病毒性能，黄明欣团队制备了多份样品，分别是常规的316不锈钢、含银0.3%和0.6%的不锈钢、4种含铜1%—20%不等的不锈钢以及纯银和纯铜。并且为了凸显其实用价值，他们还专门将其制备成了电梯按钮样式，以模拟在最常见的使用环境下，不同种类不锈钢的抗新冠病毒性能。

　　最终，研究结果显示，常规316不锈钢、纯银和含银不锈钢对新冠病毒和甲型H1N1流感病毒没有明显的抑制作用。而相比之下，纯铜和含铜不锈钢则表现出了十分显著的抗病毒特性。尤其是含铜量20%的不锈钢，其可以在3小时和6小时内分别显著减少其表面99.75%和99.99%的活体新冠病毒，显示出了强大的抗新冠病毒特性。

　　黄明欣表示，由于高含铜量不锈钢的制备采用的是粉末冶金的方式，这使得其可以不受材料表面磨损的影响，能在较长的时间范围内持续拥有抗新冠病毒特性。

　　从抗菌到抗病毒 把握不锈钢中的铜含量很重要

　　其实早在这种抗新冠病毒不锈钢研发之前，能够抗菌的不锈钢就已十分普遍，并早早开始了工业化生产，而其中也是添加了铜和银。

　　中国科学院金属研究所研究员杨珂指出，铜和银已是业界公认的优秀抗菌材料，对包括大肠杆菌等在内的常见致病菌有着出色的抵抗能力。比如含铜量仅5%的抗菌不锈钢，便具有99%的抗菌率。因为密集的富铜沉淀物会永久留存在不锈钢基质中，产生持久的抗菌效果。而银的抗菌能力则更强，只要在不锈钢基质中添加0.3%的银，便可产生强大的抗菌效果。但抗菌不锈钢要想达到抗新冠病毒的效果，还需增加其中的铜含量。

　　不锈钢作为一种铁基合金，以铁为基本，生产过程中会加入镍、铬等元素以增强其性能。如果一味加入大量的铜，会使其基础性能发生改变，从而导致其不再具备不锈钢的特性，无法进行大规模应用。杨珂表示，生产抗病毒不锈钢，其最大挑战在于如何在加入足量的抗病毒元素的同时，又不改变不锈钢的核心性能。

　　铜虽然是不锈钢的核心元素之一，但加入过量也会严重影响不锈钢的核心性能。杨珂向记者介绍道，钢铁的热加工锻造过程，需要在1200℃左右的高温下进行，而铜本身的熔点大约为1080℃。铜加入过多会导致钢材在热加工时的锻造性变差，出现通常意义上的“铜脆”现象。

　　为了避免“铜脆”现象，同时又保证加入含量足够抗病毒效果的铜，有研究人员改用物理气相沉积、冷喷涂、离子注入等方法，为不锈钢涂上一层抗病毒涂层。但这些方法生产的涂层，厚度小于1毫米，很容易被磨损导致其抗病毒性能大幅下降，因此这类不锈钢材料无法取得长期的抗病毒效果，不具备大规模应用的价值。

　　而黄明欣团队此次采用了粉末冶金工艺，将不锈钢中铜的含量提升至20%，获得了具有抗新冠病毒特性的不锈钢。杨珂表示，粉末冶金方法是将金属粉末采用模具进行高压压制，随后再以较高的温度烧结定型。采用这种方法制造的高含铜量不锈钢，不光不会出现“铜脆”现象，而且其富铜沉淀物也不只分布在表面，而是均匀分布在整个金属制品中，因此即使制品表面磨损也并不影响其抗病毒效果。

　　市场空间仍待挖掘 扩大产业化规模应从两方面发力

　　杨珂介绍，虽然实验效果显著，但抗病毒不锈钢要形成规模化、产业化，仍有很长的路要走。即使是目前工业生产已十分成熟的抗菌不锈钢，其仍有较大的市场空间等待挖掘。

　　“与我们合作的一家企业，2020年就生产和销售了5000吨抗菌不锈钢。”杨珂说，目前抗菌不锈钢工业已具有较大规模，且形成了相关的行业标准。2020年底，工信部已正式发布“含铜抗菌不锈钢”行业标准YB/T 4171-2020，涵盖含铜系列抗菌不锈钢的订货内容、技术要求、试验方法、检验规则等方面。但目前抗菌不锈钢仍主要应用于生产餐饮领域的餐具、厨具，如抗菌不锈钢筷子、菜刀等，且消费市场主要集中在江苏、浙江、广东，应用规模仍较小，使用场景较为单一。

　　杨珂还指出，生产抗病毒不锈钢所用的粉末冶金方法，工艺复杂、成本较高，无法成为主流的生产方式，并且过多铜元素的加入也会使得不锈钢的耐腐蚀性下降，使其无法用于生产高端产品，一定程度上限制了其应用场景。

　　杨珂认为，该研究成果虽然距离大规模应用仍需时日，但其打开了一扇新的窗口，使铜在不锈钢材料中的作用被更大程度显现了出来，并给予了不锈钢材料新的可能。“我们国家的抗菌不锈钢生产技术在世界范围内是领先的，抗菌不锈钢未来还可以有更大的用途，其中在医疗器械抗感染方面的应用最被看好。”

　　目前，杨珂等人也在与深圳地铁进行合作，开发抗菌不锈钢制成的把手、栏杆等。他认为，未来要想实现抗菌、抗病毒不锈钢的规模化应用，还应在两方面发力。一是在应用端找到合适的应用场景，比如可以在医院中用抗菌不锈钢建设样板房，起到示范效果。另一方面则是要加强基础研究。目前，铜离子抗菌抗病毒的作用机制仍然没有摸清，各种理论自成一派，没有统一的、具有广泛说服力的作用机制，一定程度上制约了抗菌、抗病毒不锈钢的发展。