Development of Fingertip-Like Counter Material with Nano printed Pattern for Testing of Antimicrobial Nanocoatings

Abstract

Denne oppgaven utforsker utviklingen og evalueringen av kunstige fingertupper designet for testing av antimikrobielle overflatebelegg, med fokus på å etterligne egenskapene til ekte menneskefingre. Spredningen av skadelige patogener gjennom hyppig berørte overflater har understreket behovet for effektive antimikrobielle belegg. Titandioksid (TiO_2), en viktig antimikrobiell forbindelse i disse beleggene, er potensielt giftig i nanoskala, noe som fremhever viktigheten av robust heft og forebygging av nanopartikkelutslipp. Det er imidlertid et betydelig kunnskapshull i forskning innen holdbarheten til disse beleggene, noe som understreker nødvendigheten av nøyaktige og pålitelige testmiljøer for å vurdere deres effektivitet under virkelige forhold. I tillegg er effekten av fingeravtrykk på friksjon ved glidende kontakt med nanopartikler et relativt uutforsket område. For å adressere dette vil jeg fokusere på tre mål: 1) Utvikle et adaptivt, fingertupp-lignende materiale for testing av antimikrobielle overflatebelegg under realistiske forhold, 2) Undersøke virkningen av fingeravtrykk på antimikrobielle belegg og nanopartikler under berøring og daglig slitasje ved hjelp av overflatekarakteriseringsmetoder, og 3) Sammenligne friksjons- og mekaniske egenskaper til den utviklede kunstige fingertuppen med de til en ekte menneskefinger ved å utføre tester på både kunstige og menneskelige fingre, samt integrere relevante verdier fra eksisterende litteratur. En kunstig fingertupp ble vellykket utviklet ved bruk av en tolags tilnærming der PDMS ble støpt i 3D-printede former, hvor fingeravtrykkmønsteret ble skapt ved hjelp av nanoprinting, noe som resulterte i et høyt detaljnivå. Resultatene fra det andre målet indikerer en utilfredsstillende feste av nanopartiklene, da titan ble oppdaget ved EDS-analyse på overflaten av den kunstige fingertuppen. Resultatene fra det tredje målet viste at mens de kunstige fingertuppene etterlignet den generelle strukturen og ruheten til menneskelig hud på en god måte, var de mekaniske og friksjonelle egenskapene noe varierende. Til tross for disse uoverensstemmelsene ble det utviklet en metode for å lage og teste kunstige fingertuppmodeller. Fremtidig forskning bør fokusere på å standardisere forberedelsesmetodene og optimalisere PDMS-formuleringer og fingertuppmønstre. Ved å fremme utviklingen av kunstige fingertupper, bidrar dette arbeidet til mer nøyaktig og pålitelig testing av antimikrobielle belegg, og sikrer deres effektivitet og sikkerhet i virkelige applikasjoner.

This thesis explores the development and evaluation of artificial fingertips designed for testing antimicrobial surface coatings, with a focus on mimicking the properties of real human fingers. The transmission of harmful pathogens through frequently touched surfaces underscores the need for effective antimicrobial coatings. Titanium dioxide (TiO_2), a key antimicrobial compound in these coatings, raises concerns about potential toxicity in its nano-range, emphasizing the importance of robust adhesion and preventing nanoparticle release. However, a critical gap exists in understanding the durability of these coatings, emphasizing the necessity for accurate and reliable testing environments to assess their effectiveness in real-life scenarios. Additionally, the effect of fingerprints on friction during sliding contact with nanoparticles is a relatively unexplored area. To address this, I will focus on three objectives: 1) Develop an adaptive, fingertip-like counter material for testing antimicrobial surface coatings under realistic conditions, 2) Investigate the impact of fingerprints on antimicrobial coatings and nanoparticles during touching and everyday wear scenarios using surface characterization methods, and 3) Compare the frictional and mechanical properties of the developed artificial fingertip with those of a real human finger by conducting comprehensive tests on both artificial and human fingers and integrating relevant values from existing literature. An artificial fingertip was successfully developed using a two-layered approach by molding PDMS in 3D printed parts, where the fingerprint pattern was printed using nano printing, achieving a high level of detail. Results from the second objective indicated an unsatisfactory adhesive strength of the nanoparticles, as titanium was detected by EDS analysis on the surface of the artificial fingertip. The results from the third objective revealed that while the artificial fingertips successfully replicated the general structure and roughness of human skin, the mechanical and frictional properties varied slightly. Despite these inconsistencies, an approach for creating and testing artificial fingertip models were developed. Future research should focus on standardizing the preparation methods and optimizing PDMS formulations and patterns. By advancing the development of artificial fingertips, this work contributes to more accurate and reliable testing of antimicrobial coatings, ensuring their effectiveness and safety in real-world applications.