抗菌・抗微生物材料の急速な台頭：健康と安全の未来を形作る

新たな感染症の出現が重大な懸念となっています — 世界がパンデミックによる健康と経済への影響に直面している今、かつてないほどです。 抗微生物材料の開発と利用は、環境制御と将来のアウトブレイク予防により厳格な措置を講じるにつれ、さらに増加すると予想されます。

安全と健康維持への意識高まりにより、世界の抗微生物コーティング業界は需要の急増を見込んでいます、とGlobal Market Insightsが報告しています。

抗菌材料とコーティング市場は2017年に30億ドル以上と評価されました。 2018〜2024年にかけて約12.5%の複合年間成長率を記録し、2024年末までに70億ドルに達すると予想されます。

抗微生物材料の開発と利用は、環境制御と将来のアウトブレイク予防により厳格な措置を講じるにつれ、さらに増加すると予想されます。

感染症は通常、飛沫を通じて拡散します。これらはくしゃみや咳から生成されます。これらの体液は表面に沈着し、個人がこれらの呼吸器飛沫に触れると人から人への感染が可能です。

NeelyとMaleyによる研究では、メチシリン耐性黄色ブドウ球菌（MRSA）やバンコマイシン耐性腸球菌などの病原体が、病院で使用される材料上で1日生存可能であることが判明しました。

ウイルスは一般的に、布などの柔らかい表面よりもステンレス鋼、プラスチック、同様の硬い表面でより長く活性を保ちます。

一部の微生物は90日以上生存しました。これらの微生物は集中治療室（ICU）に常在し、疾病と死亡の可能性増大と関連しています。 過酸化水素などの消毒剤は、残留効果が限定的で環境毒性の問題があるため理想的ではありません。

この現状は、抗微生物活性を提供できる材料を探索する必要性を呼びかけており、それにより潜在的なアウトブレイクの発生を減らせます。

理想的な抗菌材料

抗菌材料は、表面または周囲で微生物の増殖を抑制または殺菌できる抗微生物剤を含みます。これらは抗微生物ポリマー、抗菌プラスチック、抗微生物ナノ材料、抗微生物セラミックスなどがあります。

理想的な抗微生物材料は以下の特徴を描きます：

• 使用上安全；
• 安価で合成が容易；
• 幅広い抗微生物スペクトルをカバー；
• 長期間高い安定性；
• 水不溶性（水消毒用の場合）；
• 腐敗しにくい；
• 有毒物質を放出しない。

抗微生物材料とコーティングの種類

1. 抗微生物ポリマー

ポリマーの多用途な高分子特性は、特に生物医学分野で微生物汚染に対する好ましい選択肢となります。ポリマー系殺菌剤としても知られる抗微生物ポリマーは、病原性微生物の増殖を抑制できます。

抗微生物表面の一般原則 [1]。

精製なしで抗微生物作用を示し、固有の自己殺菌特性を持つ材料は固有抗微生物材料と呼ばれます。天然ポリマー、グアニジン基を持つポリマー、四級窒素原子を含むポリマー、ハロゲンを含むポリマー、天然ペプチドを模倣するポリマーなどが、固有の抗微生物活性を持つ多くのポリマー材料の一部です。

いくつかの天然ポリマーにはキトサン、ヘパリン、ε-ポリリシンが含まれます。キトサンベース材料は生分解性、無毒性、生体適合性、抗微生物活性により有望視されています。

ポリマー系抗微生物食品包装が普及し、企業がより安全な製品と長期保存のために抗菌包装へ切り替えています。

ポリマーへの抗微生物活性付与は化学修飾でも可能です。いくつかの修飾には、低分子量抗微生物剤の共有結合導入、抗微生物ペプチドの結合、天然ポリマーの合成ポリマーへのグラフト化が含まれます。

ポリマー系抗微生物食品包装が普及し、企業がより安全な製品と長期保存のために抗菌包装へ切り替えています。

抗微生物ポリマーの他の用途は、カビ除去、粉体塗料、建設業界で見られます。

2. 抗菌プラスチック

a) 抗微生物プラスチック

抗微生物プラスチックは、抗微生物添加剤を含む合成ポリマー材料で、微生物増殖に対して効果的です。細胞間コミュニケーションを抗接着性表面の形成により阻害し、細菌を殺菌することで抗菌性を発揮します。

業務用浄水器における抗微生物プラスチック。

商業利用される抗微生物プラスチック（ハイチェア、浄水器、食品保存容器など）は、抗微生物有効成分のないプラスチックより耐久性が高いです。熱可塑性および熱硬化性ポリマーにブレンドされた添加剤は、プラスチックをより速く劣化させる微生物の存在を最小限に抑え、プラスチックの機能的寿命をさらに延長します。相性の良いプラスチック材料にはポリプロピレン（PP）、ポリカーボネート（PC）、ポリスチレン（PS）、ポリエチレン（PE/LDPE）が含まれます。

b) 抗微生物バイオプラスチック

アルブミン、大豆、ホエイプロテインはバイオプラスチック製造の好ましい原料です。アルブミンベースプラスチックは大腸菌と枯草菌の表面増殖を阻害し、ホエイプロテインに含まれる免疫グロブリンとグリコマクロペプチドは毒素を結合し、微生物感染を予防します。

スコットランドのブルーバイオテック企業CuanTecは、世界で2番目に豊富な天然バイオポリマーであるキチンを利用した、家庭堆肥化可能な抗微生物食品包装用プラスチック代替材を導入しました。同社は食品加工業者の廃棄物（殻、頭、爪、尾—食べられない部分）からキチンを抽出し、キトサンに変換しています。

アルブミンまたはホエイプラスチックが医療システムで使用可能かどうかを判定する試験法も利用可能です。例えば医療製品包装や医療用途の感染試験などです。

3. 抗微生物セラミックス

抗微生物セラミックスは、釉薬内に添加剤を組み込んだ非金属固体材料で、細菌増殖に耐性を持たせたものです。Drelichらの研究では、銅含有セラミックスが水消毒用の有望な抗菌製品となり得ることが示されました。

(a) 抗微生物セラミックストーン製造の3ステップ概略図；(b) セラミックストーン；(c) ストーン配合に用いた粘土のX線回折パターン；(d) セラミックストーンの走査電子顕微鏡像（多孔性を示す） [2]。

銅と銅化合物は、細菌（グラム陽性・陰性）、真菌、ウイルス（エンベロープ有・無）、酵母、胞子を含む多様な微生物を殺菌すると主張されています。

2時間で有害細菌の99.9%を殺菌し、銅表面への繰り返し曝露にかかわらず99%以上の細菌を殺菌し続けると、銅開発協会（CDA）は述べています。汚染水中のクレブシエラ・ニューモニエと黄色ブドウ球菌の個体群が、多孔質銅含有抗微生物セラミックストーンに曝露されると、3時間で99.9%以上減少しました。

抗菌セラミック用途はシンク、浴槽、トイレ、シャワー、キッチン家電に見られます。

4. 抗微生物ナノ材料

a) 有機・無機ナノ粒子

有機ナノ粒子は、抗微生物剤の放出や接触殺菌性陽イオン性表面により微生物を除去できます。Jonesらの実験では、ポリ-ε-カプロラクトン（PCL）をポリ(N-ビニルピロリドン)-ヨウ素とブレンドし、機械的・レオロジー的特性を変えることなく生体材料に抗菌特性を付与しました。PCL分解も大腸菌の抗付着を促進しました。

有機、ハイブリッド、無機カテゴリに分類されるさまざまなタイプのナノ粒子（NPs）の概略表現 [3]。

無機ナノ粒子は、有機対応物より高温でより安定であり、過酷な加工条件に耐えられます。その結果、無機ナノ粒子は抗微生物材料としてよく使用されます。

b) 金属酸化物ナノ粒子

金属酸化物ナノ粒子は、静電相互作用による細胞膜損傷を引き起こします。プロトン漏出が活性酸素種生成を誘導し、脂質、炭水化物、核酸、タンパク質などの有機生体分子を損傷し、それにより微生物死を引き起こします。

酸化アルミニウムは大腸菌の増殖阻害を示しました。三酸化アンチモンも黄色ブドウ球菌と枯草菌に毒性があります。他の金属酸化物ナノ粒子（酸化コバルト、酸化鉄、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、二酸化チタン、および銀ナノ粒子）も抗微生物活性で有望な結果を示しました。

医療分野における金属ナノ粒子、特に銀ナノ粒子の最も重要な用途の一つは、これらのナノ粒子を抗微生物剤として使用することです。グラム陽性菌、グラム陰性菌、真菌の広範なスペクトルに対するナノ粒子の致死活性が承認されています。

銀ナノ粒子は他の金属と比較して優れた抗菌特性を持ちます。タンパク質と細胞酵素のチオール基と銀イオンの強い結合により、フェイスマスク、プライベートカーテン、包帯、創傷ドレッシング、シーツ、その他の医療関連テキスタイルの理想的な添加剤となります。2015年、抗微生物粉体塗料における銀の使用は業界総収益の50%を占めました。2024年までに20億ドルを生み出すと予想されています。

今後どうなる？

政府が自己消毒対策の施行に関するより厳しい規範を実施すれば、抗菌材料、特に表面コーティング市場において、主要原材料として更なる牽引力を得るのは時間の問題です。

さらに、建設、食品包装、テキスタイル、カビ除去、家具、キッチン用品、自動車など多くの産業での応用が、グローバル市場での地位をさらに強化するでしょう。