表面长期消毒用抗微生物涂层的制作方法

本发明要求发明人于2014年9月19日提交的美国临时专利申请No.62/071,276的优先权，其全文以引用的方式并入本文。

背景技术：

本发明主题涉及具有释放杀灭、接触杀灭和抗微生物附着等复合抗菌性能的材料、其制备的详细说明以及其用于固体和多孔表面的长期消毒的物理化学性质和使用方法。

根据世界卫生组织的报告(www.who.int/mediacentre/factsheets/fs310/en/)，通过空气传播和水传播的病原体(如肺结核、下呼吸道感染和肺部感染)属于前十大的人类致死因素，每年导致数百万人的死亡。目前，过滤技术仍然是用于空气和水的净化和消毒的最有效和最经济的手段。然而，已知传统的过滤技术的问题在于过滤器中俘获的微生物仍然保持活性，它们能够在过滤器中生长并且繁殖。例如，在空气过滤器中，温暖潮湿的环境促进微生物的生长，引发两方面的问题：不仅降低了过滤器的性能，而且那些意于通过过滤器消除的致病菌、病毒和真菌的繁殖更导致待过滤的空气存在明显的被污染的风险。另一个已知的常规过滤技术的问题在于超小的细胞和病毒会穿透过滤器。

某些方案试图解决空气和水过滤器中的微生物繁殖、污染和结垢问题。与此相关的例子包括加入光催化剂，如美国专利No.6,607,702和6,878,277以及美国公开的申请No.2009/0209897和2011/0159109所述；加入金属(例如银纳米颗粒)或金属氧化物(例如氧化锌纳米颗粒)，如美国专利No.5,618,762、5,681,468和7,744,681以及美国公开的申请No.2005/0279211、2007/0045176和2008/0302713所述；在过滤介质中加入其它抗微生物剂(例如抗生素、有机季铵盐、苯酚衍生物和异噻唑啉类化合物)，分别如美国专利No.5,288,298、6,780,332、5,762,797、5,868,933、6,171,496和7,942,957所述；以及在过滤过程中组合使用辐射技术(例如紫外光、磁场或电场、等离子体和极化处理)，如美国专利No.6,939,397和6,776,824所述。

这些解决方案存在种种弊端。例如，光催化消毒需要额外的光源、需要长时间、对湿度敏感并且催化剂表面易受污染。使用银纳米颗粒提高了材料和制造成本。此外，广泛使用和滥用抗菌银导致了耐银和抗银细菌的出现。虽然辐射处理相对安全并且能够快速杀菌，但是额外的电气设备和电能导致更高的设备和杀菌成本。由于这些原因，使用辅助技术以及包括天然和合成抗微生物剂的过滤器的可制造性、安全性和长期稳定性仍然受到关注。

本发明的主题克服了上述缺陷。采用即时特定胶体封装的抗微生物剂混合物制备的过滤器提供了可测量的、意料不到的好处，所述抗微生物剂混合物包含至少一种挥发性或半挥发性的抗微生物剂，所述抗微生物剂混合物位于能够改变和控制所封装的抗微生物剂的释放的无机-有机壳体内。所述无机-有机壳体包含一种或多种聚合物以及一种或多种金属化合物，例如金属氧化物、金属盐、金属配合物和/或金属颗粒，其具有释放杀灭、接触杀灭和抗微生物附着性能。抗微生物涂层溶液可以涂覆在多孔和无孔的表面上，从而产生针对微生物的具有释放杀灭、接触杀灭和抗微生物附着的组合性能的抗微生物表面。

技术实现要素：

在一个实施方案中，本发明主题涉及用于表面涂层的抗微生物材料，其包含：(a)杀生物剂，其包含选自二氧化氯、过氧化氢、过氧酸、醇类化合物、酚类化合物、精油、精油的抗微生物组分、漂白剂、抗生素、抗微生物的植物化学物质以及它们的组合所构成的组中的至少一种抗微生物组分；以及所述抗微生物剂可透过的无机-有机壳体，其包含选自金属氧化物、金属配合物、金属盐、金属颗粒以及它们的组合所构成的组中的无机材料，以及含有非离子聚合物的有机材料；其中，所述无机材料在无机-有机壳体中的浓度为0.5-95重量％，并且其中所述无机-有机壳体容纳和包含所述抗微生物剂，对其进行储存和释放。

在另一个实施方案中，本发明的主题涉及一种用于多孔材料或多孔介质的抗微生物涂层的制备方法，该方法包括：(a)制备抗微生物剂混合物；(b)制备非离子聚合物和无机材料的悬浮液/溶液，所述无机材料选自金属氧化物、金属配合物、金属盐、金属颗粒以及它们的组合构成的组；(c)制备含有包封在无机-有机壳体内的抗微生物剂混合物的微胶囊稳定乳液，所述无机-有机壳体包含所述非离子聚合物和无机材料的悬浮液/溶液；以及(d)将所述抗微生物涂层施加到多孔材料或多孔介质上。

在又一个实施方案中，本发明的主题涉及一种多孔抗微生物物体，其包括具有按照以下方法制备的抗微生物涂层的多孔材料或多孔介质：(a)制备抗微生物剂混合物；(b)制备非离子聚合物和无机材料的悬浮液/溶液，所述无机材料选自金属氧化物、金属配合物、金属盐、金属颗粒以及它们的组合构成的组；(c)制备含有包封在无机-有机壳体内的抗微生物剂混合物的微胶囊稳定乳液，所述无机-有机壳体包含所述非离子聚合物和无机材料的悬浮液/溶液；以及(d)将所述抗微生物涂层施加到多孔材料或多孔介质上。

本发明主题包括本文所述的任意一个或多个实施方案、或者其要素，或者对部分或全部实施方案或其要素的变换或组合。

附图说明

图1为抗微生物材料的包封结构的示意图：气态、挥发性、半挥发性、和/或非挥发性的杀生物剂包封在无机-有机胶囊中。

图2(a)至2(F)示出不同的二氧化硅材料和它们的结构示意图，其中包括：(a)和(b)示出由水溶性二氧化硅制备的硅溶胶，(c)和(d)示出由硅醇盐制备的硅溶胶，以及(e)和(f)示出由胶态二氧化硅制备的硅溶胶。

图3示出不同的金属氧化物和金属配合物材料，其中包括勃姆石氧化铝溶胶、二氧化钛溶胶和过氧化钛配合物溶胶。

图4(a)至4(d)为抗微生物材料的实施例的光学显微镜图像和SEM图像。

(a)百里香精油包封在聚乙烯醇(PVA)-聚乙烯亚胺(PEI)聚合物胶囊内；

(b)二氧化氯包封在SiO₂-HO(CH₂CH₂O)₂₀(CH₂CH(CH₃)O)₇₀(CH₂CH₂O)₂₀H嵌段共聚物胶囊内。

这些初级胶囊可被进一步包封在较大的胶囊内，以产生胶囊套胶囊的材料，例如(c)将(b)中的抗微生物材料包封在HO(CH₂CH₂O)₁₀₆(CH₂CH(CH₃)O)₇₀(CH₂CH₂O)₁₀₆H嵌段共聚物内，以及(d)将(b)中的抗微生物材料包封在另一种壳体SiO₂-HO(CH₂CH₂O)₂₀(CH₂CH(CH₃)O)₇₀(CH₂CH₂O)₂₀H内。

图5示出基于以下内容的抗微生物材料所制得的制剂：(a)百里香精油包封在PVA-PEI壳体内、以及相应的(b)具有无机-有机壳体SiO₂-HO(CH₂CH₂O)₁₀₆(CH₂CH(CH₃)O)₇₀(CH₂CH₂O)₁₀₆H内的胶囊套胶囊形式；(c)包封在无机-有机壳体SiO₂-HO(CH₂CH₂O)₂₀(CH₂CH(CH₃)O)₇₀(CH₂CH₂O)₂₀H内的二氧化氯溶液、以及相应的具有(d)嵌段共聚物外壳HO(CH₂CH₂O)₁₀₆(CH₂CH(CH₃)O)₇₀(CH₂CH₂O)₁₀₆H和(e)无机-有机壳体SiO₂-HO(CH₂CH₂O)₂₀(CH₂CH(CH₃)O)₇₀(CH₂CH₂O)₂₀H的胶囊套胶囊形式。

图6(a)至6(f)为由合成或天然聚合物制成的不同多孔过滤介质的SEM图像，所述聚合物包括：(a)聚硫酸盐中空纤维、(b)聚偏二氟乙烯、(c)聚乙烯、(d)三乙酸纤维素和(e,f)购自公司的市售过滤器(Filtrete^TM1200和Filtrete^TM1900)。

图7示出胶囊套胶囊结构的抗微生物涂层对10⁶CFU/ml的异养菌的杀菌活性，所述涂层包含封装在最外层SiO₂-聚合物壳体和聚合物壳体内的聚合物包封的二氧化氯胶囊。

图8(a)至8(g)示出原始多孔材料和具有胶囊套胶囊结构的抗微生物涂层的多孔材料，其中分别包括：(a)实验服(棉和聚酯纤维)、(b)外科用一次性口罩(纺粘和熔喷无纺纤维)、(c)条形帽(聚丙烯)、(d)纤维素手帕、(e)聚丙烯手帕、(f)医疗服(棉和聚酯纤维)和(g)尿布衬里。

图9(a)至9(f)为(a,c,e)未经涂覆的空气过滤器的SEM图像和(b,d,f)涂覆有封装在最外层SiO₂-聚合物壳体内的聚合物包封的ClO₂胶囊的空气过滤器的SEM图像，其中包括(a,b)聚合物HAVC过滤器、(c,d)玻璃HEPA过滤器和(e,f)聚合物HEPA过滤器。

图10(a)至10(d)示出对于(a)10⁴CFU/ml的枝孢菌(Cladosporium)孢子、10⁵CFU/ml的(b)大肠杆菌(E.coli)、(c)耐甲氧西林金黄色葡萄球菌MRSA和(d)金黄色葡萄球菌(S.aureus)，具有胶囊套胶囊结构的抗微生物涂层的不同多孔材料经28天后的抑菌圈的大小。

图11示出经涂覆的HEPA过滤器对于10⁴CFU/ml的枝孢菌孢子、10⁵CFU/ml的大肠杆菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌MRSA以及金黄色葡萄球菌在28天后的抑菌圈的大小。

图12(a)至12(c)为(a)室温下和(b)50℃下加速释放试验时经封装在最外层SiO₂-聚合物壳体内的ClO₂胶囊涂覆的HVAC过滤器中残余ClO₂的变化图、以及(c)相应的对于10⁵CFU/ml金黄色葡萄球菌的杀菌活性的变化图。

图13示出由封装在最外层金属氧化物-聚合物壳体、金属络合物-聚合物壳体、混合的金属氧化物-聚合物壳体以及金属氧化物-金属离子-聚合物壳体内的聚合物包封的ClO₂胶囊制备的涂层对于10⁵CFU/ml金黄色葡萄球菌的杀菌活性。

图14示出，对于(a,d)金黄色葡萄球菌、(b,e)假单胞菌(Pseudomonas)、(c)大肠杆菌、(f)枯草杆菌(B.subtilis)和(g)枝孢菌孢子，(1)未经涂覆的HEPA过滤器和(2)涂覆有封装在最外层SiO₂-聚合物壳体内的聚合物包封的ClO₂胶囊的过滤器的(a,b)释放杀菌测试和(c-g)抑菌圈测试的结果。

图15示出在50℃的加速释放试验中，由封装在最外层聚合物和金属氧化物-聚合物壳体内的聚合物包封的ClO₂胶囊制备的涂层的ClO₂释放曲线。

图16(a)和16(b)示出涂覆有封装在最外层金属氧化物-聚合物壳体内的聚合物包封的ClO₂胶囊的载玻片在室温下和在50℃加速释放试验过程中抗微生物剂(ClO₂)的释放曲线，以及将这些具有涂层的载玻片储存在50℃下经不同天数后对10⁵CFU/ml金黄色葡萄球菌的杀菌活性。

图17示出涂覆有封装在最外层金属氧化物-聚合物壳体内的聚合物包封的ClO₂胶囊的载玻片和HEPA过滤器在50℃加速释放试验中抗微生物剂(ClO₂)的释放曲线。

图18(a)和18(b)示出涂覆有封装在最外层金属氧化物-聚合物壳体内的聚合物包封的ClO₂胶囊的聚合物超细纤维在50℃加速释放试验过程中抗微生物剂(ClO₂)的释放曲线，以及将这些具有涂层的聚合物超细纤维在50℃下储存不同天数后与10⁵CFU/ml金黄色葡萄球菌接触不同的时间(15分钟、30分钟和60分钟)的杀菌活性。

图19示出涂覆有包封在金属氧化物-聚合物壳体内的百里香精油的聚合物超细纤维在50℃下储存不同的天数后对10⁵CFU/ml金黄色葡萄球菌的杀菌活性。

图20(a)至20(c)示出未涂覆的HEPA过滤器和涂覆有封装在最外层金属氧化物-聚合物壳体内的聚合物包封的ClO₂胶囊的HEPA过滤器在室温下对于(a)甘油气雾剂的与尺寸相关的过滤效率、对于(b)大肠杆菌气雾剂和(c)噬菌体T4气雾剂的长期过滤效率。

图21(a)和图21(b)示出未涂覆的HEPA过滤器和涂覆有封装在最外层金属氧化物-聚合物壳体内的聚合物包封的ClO₂胶囊的HEPA过滤器在喷涂了大肠杆菌悬浮液后经过不同的时间后大肠杆菌的活菌数，以及这两种过滤器在实际过滤条件下经过不同时间后细菌的活菌数。

图22(a)至22(c)示出室温下涂覆有封装在最外层金属氧化物-聚合物壳体内的聚合物包封的ClO₂胶囊的HEPA过滤器对于10⁸PFU/ml的H1N1、H3N2和肠病毒71分别接触不同时间(1分钟、5分钟和10分钟)的长期抗病毒活性。

具体实施方式

本发明主题涉及具有组合的接触杀灭和随时间释放杀生物剂性能的杀菌材料。该材料既能够提供抗菌性能，也能提供抗微生物附着性能。该材料经特别设计以引入过滤系统，例如，空气过滤器和水过滤器。特别地，本发明主题涉及一种用于多孔材料或多孔介质的抗微生物涂层，其包含胶体封装结构，将气体、挥发性、半挥发性和/或非挥发性的杀生物剂包封在可使所述抗微生物剂透过的无机-有机壳体中。如本文所讨论的，本发明主题的涂层包括各种组分，这意味着该涂层至少包括所记载的组分。但是，也可以预期所述涂层由多种记载的组分构成，这意味着该涂层仅限于所记载的组分。

杀生物剂可以包括但不限于二氧化氯、过氧化氢、过氧酸、醇类和酚类化合物、精油和它们的有效成分、以及它们的组合，以及任何市售的杀生物剂，如漂白剂、抗生素、抗微生物的植物化学物质、以及它们的组合。精油的示例包括但不限于百里香油、茶树油、迷迭香油、桉树油、柠檬醛油和它们的有效抗菌成分，以及其他具有抗微生物活性的精油。精油可以用溶剂稀释。合适的溶剂包括但不限于乙二醇、丙二醇、甘油、二丙二醇、聚乙二醇以及它们的组合。

所述无机-有机壳体包含有机材料、以及占所述壳体材料至少0.5重量％的无机材料。有机材料的示例包括但不限于非离子聚合物，如聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚醚酰亚胺、聚乙烯亚胺以及它们的组合。特定的非离子聚合物包括但不限于聚(环氧乙烷)-聚(环氧丙烷)-聚(环氧乙烷)、聚(乙二醇)-聚(丙二醇)-聚(乙二醇)，其它两亲嵌段共聚物以及它们的组合。

所述无机材料以0.5-95重量％的浓度存在于所述无机-有机壳体中。所述无机材料包括但不限于金属氧化物、金属络合物、金属盐、金属颗粒以及它们的组合。在无机-有机壳体中加入无机材料改善了所述抗微生物涂层的耐用性和性能，尤其是在高于室温的情况下更是如此。所述金属氧化物包括但不限于氧化铝溶胶、氧化铜溶胶、二氧化硅溶胶、氧化银溶胶、二氧化钛溶胶、锌溶胶、氧化锆溶胶以及它们的组合。所述金属氧化物溶胶可由水溶性金属盐、金属醇盐或者市售胶态金属氧化物制备。金属络合物包括但不限于金属的络合物，例如银络合物、铜络合物、锌络合物以及它们的组合。金属络合物可由水溶性金属盐和金属氢氧化物制备。金属盐为银、铜、锌的硝酸盐、硫酸盐和卤化物，以及它们的组合。金属颗粒包括银、铜、锌和它们的组合。

对于无机-有机壳体中两亲嵌段共聚物的使用，重要的是要注意这些都是非离子的，并且如图1所述这些物质要与无机材料结合使用。因此，根据本发明主题的挥发性或半挥发性杀生物剂不是仅包封在两亲嵌段共聚物内，而是特别地包封在无机-有机壳体内。

重要的是要注意，根据本发明主题的无机材料是用作无机-有机壳体的一部分，而不是用作杀生物剂，所述无机材料选自金属、金属氧化物、金属络合物、金属盐和金属纳米颗粒、以及它们的组合。这将在实施例中披露，其中所述金属充当无机-有机壳体的一部分，而不是用作杀生物剂。所述无机组分也影响封装壳体中孔的大小和强度，因而影响所含杀生物剂的释放速率。

重要的是要注意，当所述无机材料为二氧化硅溶胶时，所述前体是硅酸钠溶液。此外，本发明中的无机-有机壳体具有三维性质，根据本发明主题的二氧化硅或二氧化硅溶胶的使用不会导致二氧化硅三维网络的形成。

本发明主题的制备不需要连续的步骤。通常，抗微生物材料是通过将杀生物剂混合物储存在由无机组分和有机组分组合而成的壳体的核心中制得，所述无机组分包括金属氧化物、金属络合物、金属盐或金属颗粒、以及它们的组合；所述有机组分主要包含非离子型聚合物。具体而言，所述抗微生物材料是通过在所需的pH值、浓度和温度下将杀生物剂混合物与所制备的无机-有机混合物混合，以诱导杀生物剂在无机-有机壳体内的包封而制得。例如，在室温和中性pH值下，能够将溶解在含有过氧化氢的水溶液中的二氧化氯包封在含有二氧化硅和聚合物的无机-有机壳体内。在室温下，将溶于精油中的酚类化合物的混合物包封在含有金属化合物和聚合物的无机-有机壳体内。也可以实施进一步的封装，以形成胶囊套胶囊的结构，从而更好地控制杀生物剂的释放剂量。

本发明的抗微生物材料可以通过擦涂、刷涂、浇铸、浸渍涂布、旋转涂布或喷雾涂布等方式涂覆在表面上。所得抗微生物涂层呈现出多种组分的优势，其在宽温度范围内显示了多层次、广谱和耐久的抗微生物性能。此外，将本发明涂层应用于制备多孔抗微生物物体，在为多孔物体提供附加的多级抗微生物活性的同时，而不改变其与孔相关的属性和功能。换言之，本文所述含有涂层的多孔物体在具有原有功能之外，还具有附加益处和效果。

杀生物剂混合物由一种或多种气态、易挥发、半挥发性和/或非挥发性的杀生物剂制得。所述杀生物剂包括消毒剂、杀菌剂和抗微生物的挥发或半挥发性植物化学物质(VSPs)。典型的实施方案包括二氧化氯、过氧化氢、过氧酸、醇类、漂白剂和酚类化合物、VSPs和它们的组合，以及任何市售的杀生物剂。抗微生物的挥发性或半挥发性植物化学物质包括精油或它们的活性组分，如沉香木油、白千层油、依兰油、肉桂皮油、香茅油、丁香油、桉树油、茴香油、姜油、青柠油、肉豆蔻油、黄根油、牛至油、广藿香油、迷迭香油，檀香油、茶树油、百里香油和香根草油。

通过在酸性或碱性介质中水解或解胶水溶性盐、金属醇盐或市售胶态金属氧化物制备金属氧化物溶胶，如氧化铝溶胶、铜溶胶、二氧化硅溶胶、氧化银溶胶、二氧化钛溶胶、锌溶胶和氧化锆溶胶。典型的实施方案是二氧化硅溶胶，因为它具有良好的化学稳定性和生物相容性。对于由水溶性盐类制备的二氧化硅溶胶，在剧烈搅拌下将稀释的无机酸溶液滴加至水溶性硅酸盐溶液中，获得具有合适pH值的二氧化硅溶胶。典型的二氧化硅浓度为0-0.6mol/L范围内。对于由硅醇盐制备的二氧化硅溶胶，将稀释的无机酸加入原硅酸四乙酯中。在高于室温的条件下搅拌所制得的乳液，得到清澈的弱酸性硅溶胶。对于由市售的胶态二氧化硅制备的二氧化硅溶胶，在剧烈搅拌下将稀释的无机酸溶液逐滴滴加至市售胶态二氧化硅(如Ludox产品)中。溶胶浓度和pH值的范围取决于最初的胶态二氧化硅。

通过金属盐或金属氢氧化物与在水或溶剂中的配位体的反应制备金属络合物，例如铜、银、钛和锌络合物。也可以加入金属盐溶液，例如硝酸银、氯化铜和氯化锌以形成无机-有机壳体。

通过使用无机-有机壳体封装杀生物剂制备抗微生物材料。这通过使一种或多种杀生物剂与预反应的无机-有机混合物在室温下混合完成，从而产生由所述无机-有机壳体稳定的微胶囊乳剂，所述无机-有机混合物包含聚合物和金属氧化物、金属络合物、金属盐或金属颗粒。金属氧化物或金属络合物在无机-有机壳体和最终的抗微生物材料中的典型浓度范围分别为0.5-95重量％和0-5重量％。

使用各种多孔材料和多孔介质作为基底，用于涂覆本发明的抗微生物材料。多孔材料包括但不限于个人防护设备，即实验服、口罩、鞋套和发帽；家用产品，即纸巾、床单、餐巾、窗帘和桌布；衣服和婴幼儿产品，即尿布、湿巾和玩具。多孔介质可以包括由不同的材料(如聚合物、陶瓷和金属)制成的膜和过滤器。典型的实施方案是市售聚乙烯薄膜和HEPA过滤器。

根据本发明主题的抗微生物涂层通过在多孔材料和多孔介质上施加抗微生物材料制成。

使用奥林巴斯BH2-MJLT显微镜采集杀生物剂胶囊乳液的光学显微镜图像。使用装配有能量分散型X射线检测器的JEOL JSM-6390和JSM-6300F扫描电子显微镜获得杀生物剂胶囊乳剂、初始多孔过滤器和具有抗微生物涂层的多孔过滤器的SEM图像。图1示出本发明抗微生物材料的封装结构的示意图。抗微生物材料为包封在无机-有机壳体内的一种或多种杀生物剂的微胶囊稳定悬浮液。所述由至少一种气态挥发性或半挥发性组分构成的一种或多种杀生物剂，其可以在不需要水介质的条件下被释放。所述无机-有机壳体由经无机金属氧化物、金属络合物、金属盐或金属纳米颗粒稳定的聚合物网络构成，所述无机金属氧化物、金属络合物、金属盐或金属纳米颗粒本身可以具有或不具有杀生物活性。如图1的“附着”结构所示，所述壳体的结构可能根据聚合物与无机组分之间的相互作用而发生变化。聚合物和无机组分在壳体内的均匀分布产生图1中的“混合”结构，而扩散受到限制的作用产生图1中的“分层或多层”结构。这种“多层”壳体能够在油/水界面形成，其取决于浓度、表面官能团、表面电荷和金属化合物的溶解性、以及聚合物的亲水性/疏水性和浓度。本发明抗微生物材料结合了各个组分的优点：良好的抗微生物活性和优良的表面粘附性，这是好的涂层的重要性能。

图2(a)至(f)示出不同的二氧化硅材料和它们的结构示意图。图2(a)和2(b)示出由水溶性二氧化硅制备的二氧化硅溶胶，而图2(c)和2(d)示出由硅醇盐制备的二氧化硅溶胶。图2(e)和2(F)示出由胶态二氧化硅制备的二氧化硅溶胶。以下实施例中提供不同的二氧化硅材料和它们的制备方法。

明智地选择杀生物剂、无机和有机组分、以及相应的涂覆方法和抗微生物材料的用途，涂层的使用不会改变多孔介质或多孔材料与功能相关的物理性能，如过滤性能、颜色和宏观形态。图3示出用于制备杀生物剂胶囊的无机-有机壳体的不同的无机材料，包括金属氧化物(即勃姆石氧化铝溶胶和氧化钛溶胶)和金属络合物(即过氧化钛)溶胶。通过在适当的浓度和pH值下将聚合物溶液和金属氧化物/络合物溶胶混合，可以制备无任何沉淀的、稳定混合的聚合物和金属氧化物/络合物溶胶的悬浮液，从而进一步用于制备无机-有机壳体。

图4和图5分别示出包封在有机壳体和无机-有机壳体内的杀生物剂胶囊的光学显微镜和扫描电子显微镜图像、以及它们的照片(图5)。图4清楚地示出杀生物剂胶囊(单壳)和胶囊套胶囊(多壳)的结构。如图5所示，根据杀生物剂的浓度和类型、壳体材料和pH值，杀生物剂胶囊可以制备成具有不同颜色的稳定半透明溶胶悬浮液。

图6示出由不同的聚合物材料制成的普通多孔过滤介质的SEM图像，它们展示了不同的多孔结构和形貌。聚硫酸盐、聚偏二氟乙烯、聚乙烯和三乙酸纤维素酯膜(图6(a)至6(d))广泛应用于水过滤和水净化的领域。图6(e)和6(f)为购自公司的两个市售空气过滤器的SEM图像。它们由带静电的纤维制成，经验证对除去多数空气传播的过敏原是有效的。如图10、11、12、14、20、21、22和表1中所示，抗微生物材料可施加在这些常规的多孔过滤介质上，以赋予其杀菌和杀孢子活性。

图7示出具有由最外层无机-有机壳体(即，1重量％SiO₂、2重量％SiO₂和4重量％SiO₂)胶囊套胶囊和具有最外层有机壳体(即，0重量％SiO₂)的胶囊套胶囊所制备的涂层的抗菌活性。选择二氧化硅溶胶作为无机材料通过与实施例27相似的方法制备抗微生物涂层，该涂层对于10⁶CFU/ml的细菌表现出99.999％抗菌活性，即使当二氧化硅的含量增加至4重量％时也是如此。

图8(a)至8(g)示出常规的多孔材料，包括个人防护设备(a-c)、家用产品(d和e)、衣服(f)和婴幼儿产品(g)。经抗微生物材料涂布后，没有出现明显的变化诸如褪色、收缩、开裂和溶解，这表明所述抗微生物材料与这些多孔材料有好的相容性。

图9示出大孔过滤器和2种HEPA过滤器在不同阶段(例如初始状态和涂覆了杀生物剂胶囊乳液之后)的SEM图像。虽然三种过滤器具有不同的孔隙率和形态，所有涂有杀生物剂胶囊乳液的过滤器都显示出附着在纤维的光滑表面上的小胶囊的存在。涂覆后，过滤器的空气流动通道没有出现明显的堵塞，并且气体流量保持不变。这些结果表明，抗微生物材料与多孔过滤介质是相容的。

图10示出涂覆有抗微生物材料的多孔材料对于10⁴CFU/ml霉菌(枝孢属)和10⁵CFU/ml细菌(大肠杆菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和金黄色葡萄球菌)的抑菌圈的大小。通常，新制备的样品对于霉菌和细菌具有较好的抑制能力。和预期的结果相同，由于杀生物剂的持续释放，大多数样品的抑菌圈在四周后开始减小。未涂覆的多孔材料对霉菌和细菌没有形成任何抑菌圈。

图11示出涂覆有抗微生物材料的HEPA过滤器对于10⁴CFU/ml霉菌(枝孢属)和10⁵CFU/ml细菌(大肠杆菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和金黄色葡萄球菌)的抑菌圈的大小。经涂覆的HEPA过滤器对霉菌和细菌表现出长期的抗微生物活性。在室温下储存27天的样品对于枝孢菌、大肠杆菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈的大小分别为第0天样品的50％、147％、62％和66％。图12(a)和12(b)示出在室温和50℃下涂覆有抗微生物材料的过滤器中ClO₂的量相对于时间的变化曲线，所述抗微生物材料由包封在最外层SiO₂-聚合物壳体和聚合物壳体中的聚合物封装的ClO₂胶囊构成。对于在室温下贮存的样品，二氧化氯的量保持不变。在50℃下，ClO₂的释放取决于最外层无机-有机壳体中无机SiO₂的量。对于包含少于0.2重量％SiO₂的抗微生物材料，大部分的ClO₂在7天内释放，而含0.36重量％二氧化硅的样品在第7天后和第30天后分别保留有44％和14％的初始ClO₂。根据图12(c)，优选的样品表现出高得多的ClO₂负载量和改进的稳定性。在50℃下经过27天后，优选的样品对于10⁵CFU/ml的金黄色葡萄球菌仍然具有99.2％的杀菌活性，并且与新鲜制备的样品相比，其仍保留有47％的ClO₂。这些结果表明，在聚合物壳体中加入硅溶胶改善了抗微生物涂层中杀生物剂的长期释放。

图13示出最外层无机-有机壳体中的无机成分对于双层封装的二氧化氯的抗微生物活性的作用。研究表明，在所述样本中二氧化钛-聚合物壳体具有最好的抗微生物活性(99.9％杀灭)。具有金属络合物(即过氧化钛)-聚合物壳体和混合金属氧化物(即二氧化硅-氧化钛、二氧化硅-氧化铝和二氧化硅-氧化锌)-聚合物壳体的抗微生物材料显示出91％至97％的良好杀灭活性，而具有二氧化硅-Ag⁺-聚合物壳体和二氧化硅-Zn²⁺-聚合物壳体的涂层分别表现出较差的抗微生物活性，分别为68.1％和29.2％。所述无机组分也影响封装壳体中孔的大小和强度，因而影响所含杀生物剂的释放速率。

图14(a)至14(g)示出未涂覆的HEPA和涂覆有处于最外层SiO₂-聚合物壳体内的聚合物包封的ClO₂胶囊的HEPA过滤器各自对于不同的细菌和霉菌(包括金黄色葡萄球菌、假单胞菌、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和枝孢属孢子)的释放抗菌试验和抑菌圈的结果。未涂覆的HEPA过滤器对于不同的细菌和霉菌既没有任何释放抗微生物活性，也没有显示出任何抑菌圈。图14(a-2)和(b-2)表明在琼脂平板上没有细菌菌落生长，这说明经涂覆的HEPA过滤器具有良好的释放杀菌活性。图14(c-2)、(d-2)、(e-2)、(f-2)和(g-2)示出的抑菌圈的大小在14mm(假单胞菌)至29mm(大肠杆菌)范围内。

图15对位于最外层聚合物壳体和金属氧化物-聚合物壳体内的聚合物包封的ClO₂胶囊所制成的涂层在50℃下的加速释放测试期间ClO₂的释放曲线进行比较。50℃下，由最外层SiO₂-聚合物壳体内的聚合物包封的ClO₂胶囊所制成的涂层在三周内表现出基本上恒定的释放速率，而由最外层聚合物壳体内的聚合物包封的ClO₂胶囊所制成的涂层快速释放出ClO₂，并且在第一周后仅有少于10％的ClO₂保留。很显然，添加金属氧化物提高了该涂层在高温下的长效缓释性能。

图16和图17示出不同的温度下由最外层SiO₂-聚合物壳体内的聚合物包封的ClO₂胶囊所制成的涂层在不同基底(即无孔载玻片和多孔HEPA过滤器)上的ClO₂释放曲线、以及抗微生物涂层在50℃储存时的长效抗微生物活性。基于四个星期的测试，玻璃上抗微生物涂层在50℃下的平均ClO₂释放速率是室温时的两倍，但该抗微生物材料对于10⁵CFU/ml的金黄色葡萄球菌可以维持高于95％的杀灭率。除了第21天之外，经涂覆的过滤器和玻璃的释放速率是相当的。

图18和图19示出涂覆有胶囊套胶囊(即聚合物包封的ClO₂)和封装在SiO₂-聚合物壳体内的胶囊(即百里香油)的聚合物微纤维过滤器在50℃下储存时的长期抗微生物活性。图18a绘出该涂层在50℃下ClO₂的保留量。持续释放每天0.95％的ClO₂剂量，并且对于10⁵CFU/ml的金黄色葡萄球菌具有高于95％杀菌活性。相比胶囊套胶囊的样品，涂覆有包封在SiO₂-聚合物壳体内的百里香油的聚合物微纤维在第一个星期内对于10⁵CFU/ml的金黄色葡萄球菌具有100％的杀菌活性，并且在剩余的时间内保持84％-90％的杀菌活性。这表明，双层封装能够提供更好的长期抗微生物性能。

图20和图21示出未涂覆的HEPA过滤器和涂覆有封装在金属氧化物-聚合物壳体内的聚合物包封的ClO₂胶囊的HEPA过滤器各自在实验室测试条件和实际过滤条件下对于甘油气溶胶、大肠杆菌气溶胶和T4噬菌体气溶胶的过滤效率以及活菌数。在涂覆了胶囊套胶囊乳液之后，HEPA过滤器对低于15微米粒径的甘油气溶胶的过滤效率略有下降，然而，所述过滤器对大肠杆菌气溶胶和T4噬菌体气溶胶表现出更好的过滤效率。在采用大肠杆菌悬浮液喷涂所述过滤器24小时后，在未经涂覆的过滤器上68％的大肠杆菌保持活性，而经涂覆的过滤器上没有培养出活的大肠杆菌。在实际的过滤条件下，与未经涂覆的HEPA过滤器相比，活菌数可以保持在9％以下，即使连续工作14天后也是如此。

我们相信抗微生物涂层的多级抗微生物活性对细菌和病毒(例如，噬菌体)气溶胶具有更好的过滤效率、并且抑制细菌在HEPA过滤器上的生长。表1和图22示出涂覆有封装在金属氧化物-聚合物壳体内的聚合物包封的ClO₂胶囊的HEPA过滤器的杀菌活性和长期杀病毒活性。新涂覆的HEPA过滤器对10⁶CFU/ml的革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌表现出99％以上杀灭的广谱抗菌活性。30天之后，经涂覆的HEPA过滤器对10⁸PFU/ml的流感病毒仍保持97％以上灭活的优良抗微生物活性，对于10⁸PFU/ml的肠病毒71保持80％以上灭活的中等抗微生物活性。

表1涂覆有封装在最外层金属氧化物-聚合物壳体内的聚合物包封的ClO₂胶囊的HEPA过滤器与10⁶CFU/ml的革兰阴性菌和革兰氏阳性菌接触10分钟的杀菌活性。

应当理解的是，本文中所描述和说明的细节、材料、步骤和部件的布置是为了解释所述主题的本质，本领域技术人员可以在权利要求书进一步表述的本发明主题原则和范围内对这些细节、材料、步骤和部件的布置做出额外的改变。

实施例

实施例1

将亚氯酸钠粉末溶解在50毫升去离子蒸馏水中，以制备浓度为0.1重量％至40重量％的亚氯酸钠溶液。然后将所得亚氯酸钠溶液与0.1g至2g的30重量％的过氧化氢混合。

实施例2

将亚氯酸钠粉末溶解在50毫升去离子蒸馏水中，以制备浓度为0.1重量％至40重量％的亚氯酸钠溶液。然后将所得亚氯酸钠溶液与0.01ml至10ml的3％至8％的次氯酸钠或次氯酸钾溶液混合。

实施例3

将亚氯酸钠粉末溶解在50毫升去离子蒸馏水中，以制备浓度为0.1重量％至40重量％的亚氯酸钠溶液。然后将所得亚氯酸钠溶液与含有金属离子(Cu²⁺、Zn²⁺、Ag⁺)的溶液混合。金属离子的最终浓度范围为30ppm至3000ppm。

实施例4

将亚氯酸钠粉末溶解在50毫升去离子蒸馏水中，以制备浓度为0.1重量％至40重量％的亚氯酸钠溶液。然后将所得亚氯酸钠溶液与金属(铜、锌、银)微米颗粒和/或纳米颗粒悬浮液混合。分散在溶液中的金属颗粒的最终浓度范围为30ppm至30000ppm。

实施例5

将亚氯酸钠粉末溶解在50毫升去离子蒸馏水中，以制备浓度为0.1重量％至40重量％的亚氯酸钠溶液。然后将所得亚氯酸钠溶液与过氧乙酸混合。过氧乙酸的最终浓度范围为0.01ppm至10ppm。

实施例6

由一种或多种植物化学物质(包括精油，如百里香油和茶树油的混合物、百里香酚(百里香油的活性成分)与松油烯醇-4-油(茶树油的活性成分)的混合物)制备VSP混合物。

实施例7

将来自实施例6的一种或多种组分与50％至100％的醇混合，以形成VSP-醇混合物。VSP在混合物中的最终浓度在0.1％至50％范围内。

实施例8

将来自实施例6的一种或多种组分与芳香族化合物(如1％至10％的对氯间二甲苯酚溶液)混合。VSP在混合物中的最终浓度在0.1％至50％范围内。

实施例9

将来自实施例6的一种或多种组分与含有金属离子(Cu²⁺、Zn²⁺、Ag⁺)的溶液混合。金属离子的最终浓度范围为30ppm至3000ppm。

实施例10

将来自实施例6的一种或多种组分与金属(铜、锌、银)微米颗粒和/或纳米颗粒悬浮液混合。分散在溶液中的金属颗粒的最终浓度范围为30ppm至30000ppm。

实施例11

将来自实施例1-5的杀生物剂混合物封装在聚合物壳体内(分子量为400至40000的聚乙二醇(PEG)、分子量为31000至186000的聚乙烯醇(PVA)、分子量为10000至360000的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、分子量为1200至60000的聚乙烯亚胺(PEI)、分子量为1000至8000的聚(环氧乙烷)-聚(环氧丙烷)-聚(环氧乙烷)(PEO-PPO-PEO)以及它们中的两种或更多种的组合)。在剧烈搅拌下将所述杀生物剂混合物逐滴加入聚合物溶液中以形成聚合物壳体。也可以对所得乳液进行1分钟超声处理。

实施例12

将来自实施例6-10的杀生物剂混合物封装在聚合物壳体内(分子量为400至40000的PEG、分子量为31000至186000的PVA、分子量为10000至360000的PVP、分子量为1200至60000的PEI、分子量为1000至8000的PEO-PPO-PEO)。在剧烈搅拌下将所述杀生物剂混合物逐滴加入聚合物溶液中以形成聚合物壳体。然后对所得乳液进行1分钟超声处理。

实施例13

用二次去离子(DDI)水稀释硅酸钠溶液(2.88g)，以获得40ml硅酸钠溶液，其包含0.25mol/l的NaOH和0.32mol/l的SiO₂。在剧烈搅拌下将稀释的硝酸(1mol/l、8.20ml)逐滴加入到稀释的硅酸钠溶液中以获得pH值为4的酸性二氧化硅溶胶。

实施例14

用DDI水稀释硅酸钠溶液(2.88g)，以获得40ml硅酸钠溶液，其包含0.25mol/l的NaOH和0.32mol/l的SiO₂。在剧烈搅拌下将稀释的硝酸(1mol/l、15.56ml)逐滴加入到稀释的硅酸钠溶液中以获得pH值为1的酸性二氧化硅溶胶。

实施例15

将硅酸钠溶液(2.00g)与DDI水(52g)混合，接着在剧烈搅拌下逐滴加入稀盐酸(1mol/l、7.24ml)以获得pH值为6的酸性二氧化硅溶胶。

实施例16

用DDI水稀释市售的勃姆石溶胶(20重量％)得到浓度为1-15重量％氧化铝溶胶。

实施例17

将异丙醇钛(10ml)溶于异丙醇(23.6ml)中，接着在剧烈搅拌下加入HNO₃(2mol/l，3.4ml)和DDI水(31.4ml)，得到不透明的悬浮液。进一步在80℃搅拌所得悬浮液以蒸发异丙醇并使二氧化钛沉淀物形成胶体溶液。然后冷却至室温并搅拌过夜，得到透明的二氧化钛溶胶(1mol/l)。

实施例18

将硝酸铜(II)溶解于DDI水中，接着加入柠檬酸钠水溶液，以制备柠檬酸铜(II)络合物溶胶或水悬浮液(取决于硝酸铜(II)和柠檬酸钠的浓度)。进一步过滤所得柠檬酸铜(II)络合物的水悬浮液以获得澄清的柠檬酸铜(II)络合物溶胶。

实施例19

用DDI水(100ml)水解4.8g四丁氧基钛(IV)。用DDI水充分洗涤所得氢氧化钛沉淀物，并使之溶解在过氧化氢(30重量％，75ml)中，得到透明的橙色过氧化钛络合物溶胶。用水稀释所得溶胶，得到不同浓度的溶液。

实施例20

用DDI水溶解硫酸锌，随后以略低的化学计量比加入氢氧化钠溶液，以制备氢氧化锌沉淀物。用DDI水洗涤所得氢氧化锌沉淀物，并使之再分散在柠檬酸水溶液中。进一步搅拌所得混合物并过夜，过滤得到澄清的柠檬酸锌络合物溶胶。

实施例21

在棕色瓶中用DDI水溶解硝酸银，接着在剧烈搅拌下加入抗坏血酸水溶液，得到银/银-抗坏血酸络合物溶胶。

实施例22

在剧烈搅拌下将实施例6-10的杀生物剂混合物逐滴加入混合悬浮液/溶液中，所述悬浮液/溶液包含实施例11和12中使用的聚合物和无机材料(实施例13-21)。然后，超声处理所得混合物1分钟，从而形成无机-有机壳体。

实施例23

在剧烈搅拌下将实施例6-10的杀生物剂混合物逐滴加入混合溶液中，所述混合溶液包含实施例11和12所用的聚合物以及金属醇盐。然后，超声处理所得混合物1分钟，形成无机网络贯穿有机网络的无机-有机壳体。

实施例24

在剧烈搅拌下将实施例6-10的杀生物剂混合物滴加到聚合有机硅(例如，聚二甲基硅氧烷)中。超声处理所得混合物1分钟，形成分子级混合的无机-有机壳体。

实施例25

在剧烈搅拌下将实施例11和12中聚合物包封的杀生物剂滴加至第二聚合物溶液中。第二聚合物可以为实施例11和12中所用的PEG、PVA、PVP、PEI、PEO-PPO-PEO、以及它们中的两种或两种以上的组合。然后，超声处理所得混合物1分钟，以形成胶囊套胶囊的封装结构，其具有最内层的聚合物壳体和最外层的聚合物壳体。

在图7和图12b中，包含0重量％SiO₂的样品为具有最外层的PEO-PPO-PEO壳体(实施例25)的PEO-PPO-PEO包封的杀生物剂(杀生物剂：实施例3；封装：实施例11)。包含各种重量％SiO₂的样品为具有最外层的SiO₂-PEO-PPO-PEO壳体(实施例27)的PEO-PPO-PEO包封的杀生物剂(杀生物剂：实施例3；封装：实施例11)。SiO₂的加入改善了二氧化氯的长期释放特性，但不降低抗微生物活性。

实施例26

在剧烈搅拌下将实施例22-24中包封的杀生物剂滴加至第二聚合物溶液中。第二聚合物可以为PEG、PVA、PVP、PEI、PEO-PPO-PEO。然后，超声处理所得混合物1分钟，从而形成具有最外层有机壳体的无机-有机内壳。

实施例27

在剧烈搅拌下将实施例11和12中包封的杀生物剂逐滴加入包含实施例11和12中所用聚合物和实施例22中所用无机材料(实施例13-21)的混合悬浮液/溶液中、包含实施例11和12中所用聚合物和实施例23中所用金属醇盐的混合溶液中、以及实施例24所用的聚合有机硅中。然后，超声处理所得混合物1分钟，从而形成最内层的有机壳体与最外层的无机-有机壳体。

实施例28

在剧烈搅拌下将实施例22-24中包封的杀生物剂逐滴加入包含实施例11和12中所用聚合物和实施例22中所用无机材料(实施例13-21)的混合悬浮液/溶液中、包含实施例11和12中所用聚合物和实施例23中所用金属醇盐的混合溶液中、以及实施例24所用的聚合有机硅中。然后，超声处理所得混合物1分钟，从而形成最内层的无机-有机壳体与最外层的无机-有机壳体。

实施例29

将根据上述实施例中任一项的材料均匀地涂抹/刷涂在多孔材料和多孔介质上，随后在通风橱中干燥。多次重复刷涂和干燥的过程，以达到预期的负载量。

实施例30

将根据上述实施例中任一项的材料均匀地浇铸在多孔材料和多孔介质上，随后在通风橱中干燥。对于每平方米的多孔材料和多孔介质，乳液的体积为约600ml。

实施例31

首先将多孔材料和多孔介质浸渍在上述实施例中任一项的材料中30秒，然后在通风橱中以恒定的空气流速(通常为1mm/s)干燥。

实施例32

将根据上述实施例中任一项的材料施加在旋转的多孔材料和多孔介质上，以获得抗微生物涂层。常规的旋转速度为1000rpm。

实施例33

通过喷嘴将根据上述实施例中任一项的材料分散在多孔材料和多孔介质上，以获得抗微生物涂层。

实施例34

将具有根据实施例28-32制备的本发明抗微生物涂层的多孔材料和多孔介质切成具有15mm直径的片。然后，将这些片放入具有碘化钾溶液(2.5％(w/v)、40ml)和硫酸溶液(50重量％、1ml)混合物的烧瓶中。将烧瓶在黑暗中保持10分钟，然后用硫代硫酸钠溶液(0.001mol/l)滴定，直到颜色变成浅黄色。在烧瓶中加入淀粉溶液(0.5％(w/v)、1ml)作为指示剂。继续用硫代硫酸钠溶液(0.001mol/l)滴定，直到颜色从蓝色变为无色。根据消耗的硫代硫酸钠溶液的体积来计算具有抗微生物涂层的多孔材料和多孔介质内剩余的二氧化氯的量。

实施例35

在胰蛋白胨大豆琼脂平板上接种不同的细菌/霉菌悬浮液(0.1ml)。将具有抗微生物涂层的多孔材料和多孔介质切成15mm直径的片，并放置在接种板的中心。分别将各板在室温下培养96小时(枝孢孢子)或48小时(大肠杆菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和金黄色葡萄球菌)。按照没有霉菌或细菌菌落的清晰的环的半径计算抑菌圈的大小。

实施例36

在载玻片、有/无抗微生物涂层的多孔材料和多孔介质上均匀铺展不同的细菌悬浮液(0.1ml)并保持不同的时间。然后，将载玻片、多孔材料和多孔介质在含有中和剂(20ml)的培养管中浸渍30分钟使之稳定并从表面洗掉仍存活的细菌。将中和剂溶液收集的细菌接种在胰蛋白胨大豆琼脂平板上进行活菌培养。在37℃下对所述板进行24小时培养。根据所形成的菌落数对活菌进行计数。

在有/无抗微生物涂层的HEPA过滤器上均匀地涂抹不同的病毒悬浮液(0.1ml)并保持不同的时间。然后，将HEPA过滤器在含有中和剂(20ml)的培养管中浸渍30分钟使之稳定并从表面洗掉仍存活的病毒。进行噬菌斑测定(H1N1和H3N2流感病毒用Madin-Darby狗肾细胞系，肠病毒71用Buffalo绿猴上皮细胞系)以确定活性病毒的浓度。