Development of bio-based wall paint with antibacterial properties for healthcare-related spaces based on silver composites

Abstract

Surface microbial contamination is a major issue in public, industrial, and clinical spaces, causing material damage, healthcare-related infections, and higher maintenance costs. Conventional cleaning methods depend heavily on user compliance and only provide short-term protection. Antimicrobial coatings offer continuous, passive control at surfaces, operate automatically without user input, and support infection-control efforts by lowering the risk of microbial spread. Silver-based or silver nanoparticle (AgNPs) coatings are widely used in antimicrobial technologies due to their broad effectiveness and compatibility with various matrices (Dube and Okuthe, 2025). The global antimicrobial coatings market is projected to keep growing, driven by heightened hygiene awareness, stricter infection-control standards, and increased use in healthcare and public infrastructure (Infinium Global Research, 2022; Precedence Research, 2023). As a result, silver-based coatings have become essential in modern surface engineering. The global rise in antimicrobial resistance (AMR) is driving the adoption of antimicrobial coatings. As multidrug-resistant microbes reduce the effectiveness of traditional antibiotics and disinfectants, non-antibiotic approaches are being rapidly explored. Surface-based solutions help limit microbial transmission at contact sites (Khalifa et al., 2025). Silver-based materials are effective due to their multiple antimicrobial mechanisms, such as membrane disruption, reactive oxygen species generation, enzyme inhibition, and DNA interference (Rodrigues et al., 2024; Hamad, Khashan, and Hadi, 2020). Both AgNPs and silver ions (Ag⁺) show strong antibacterial activity against a wide range of bacteria (Yadav and Tare, 2024). The application of antimicrobial coatings extends beyond healthcare settings to encompass food processing, transportation systems, consumer products, and areas with high foot traffic. Industry analyses consistently identify silver-based coatings as one of the fastest-growing sectors in the antimicrobial coatings market (Market.us, 2025; Market Research Intellect, 2025). However, ensuring economic feasibility requires maintaining antibacterial effectiveness in real-world environments. Prolonged field studies yield significant insights about actual performance. A multi-year study utilizing silver-zeolite technology on door handles revealed markedly reduced microbial loads on treated surfaces in comparison to untreated controls (Potter et al., 2015). This study emphasized that antimicrobial coatings diminish, rather than eradicate microbial presence, hence underscoring their function as risk-reduction instruments. Endurance during regular cleaning and upkeep constitutes another essential criterion. Research on AgNPs-modified coatings, such as bio-based wall paints, demonstrates that repeated cleaning cycles and surface abrasion can influence antimicrobial performance, contingent upon silver release kinetics and coating formulation (Angelis et al., 2025). Integration techniques, including physical embedding, chemical bonding, or surface grafting, markedly affect durability and ion-release behaviour (Dube and Okuthe, 2025). Excessive hydrophilicity may undermine coating integrity and aesthetic qualities (European Coatings, 2023). Regulatory compliance continues to be a significant limitation for silver and AgNPs-based antimicrobial coatings, especially in the European Union. According to the Biocidal Products Regulation, nanomaterials necessitate distinct risk assessments and labelling (European Chemicals Agency, n.d.). Issues regarding toxicity, environmental durability, and effectiveness have restricted the approval of nano-silver in specific applications (Nanodatabase, 2021; European Coatings, 2024). These limitations underscore the necessity for efficient antibacterial solutions at low silver concentrations (Russo, 2019). Sustainability considerations are increasingly influencing regulatory frameworks and market acceptance. Recent research demonstrates the synthesis of eco-friendly silver nanoparticles via low-impact methods that reduce energy consumption and limit toxic by-products (Mikhailova, 2025). Insufficient regulation of silver release or excessive hydrophilicity may negatively affect durability, particularly under demanding conditions (Rezwana et al., 2023). The incorporation of antimicrobial agents into bio-based coating matrices presents a significant challenge for future development. Bio-based wall paints leverage renewable resources while aiming to preserve optimal functional performance (Gosselin, 2022). The quantification of bio-based content adheres to EN 16640:2017 and ASTM D6866 standards. ResearchGate studies reveal that commercial bio-based decorative paints typically contain between 25–60% bio-based material, although advanced formulations may achieve fossil substitution rates exceeding 70% (Cadena Martinez et al., 2024). In addition to sustainability considerations, washability and wet abrasion resistance remain critical performance indicators. EN 13300 defines five wet abrasion classes, with Class 1 representing a thickness reduction under 5 μm following 200 cycles (EN 13300, 2022). Recent findings show that bio-based wall paints, when optimally formulated, can reach EN 13300 Classes 1–2, performing comparably to conventional acrylic systems (Cadena Martinez et al., 2024). Life Cycle Assessment research confirms that bio-based wall coverings offer significant environmental benefits, including reduced use of fossil resources and a lower global warming impact. Antimicrobial and bio-based wall coatings have evolved into sophisticated options that meet modern requirements for durability, hygiene, sustainability, and compliance with regulations. Several material, performance, processing, and economic considerations make it difficult to design bio-based coatings that outperform traditional petroleum-based coatings. The consistency of formulation is impacted by the fact that bio-based raw ingredients, such as plant oils, lignin, and starches, are frequently more chemically varied and changeable than their synthetic counterparts. Unless chemically altered, many natural chemicals lack the reactive groups or structures required to make robust, long-lasting films. With natural polymers, it is challenging to achieve the same levels of adhesion, scratch resistance, flexibility, and hardness. Functionalization (such as epoxidation and crosslinking) is required for many natural polymers, which increases complexity and expense. Certain synthetic formulations cure (dry/harden) more effectively and consistently than bio-based ones and certain biogenic feedstocks are more costly or harder to find. Robust technology raw materials are used in this study to create high-performance paint in various formulations with a high biogenic content. Numerous testing techniques were used for that purpose, such as assessing the optical, mechanical, and stain-resistant properties of each variant while taking manufacturing conditions and physical characteristics into account.

Η μικροβιακή επιμόλυνση των επιφανειών αποτελεί σημαντικό πρόβλημα σε δημόσιους, βιομηχανικούς και κλινικούς χώρους, προκαλώντας φθορά υλικών, λοιμώξεις που σχετίζονται με την υγειονομική περίθαλψη και αυξημένο κόστος συντήρησης. Οι συμβατικές μέθοδοι καθαρισμού εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη συμμόρφωση των χρηστών και παρέχουν μόνο βραχυπρόθεσμη προστασία. Οι αντιμικροβιακές επικαλύψεις προσφέρουν συνεχή και παθητική προστασία στις επιφάνειες, λειτουργούν αυτόματα χωρίς να απαιτείται παρέμβαση του χρήστη και υποστηρίζουν τις προσπάθειες ελέγχου των λοιμώξεων μειώνοντας τον κίνδυνο μετάδοσης μικροοργανισμών. Οι επικαλύψεις που βασίζονται στον άργυρο ή στα νανοσωματίδια αργύρου (AgNPs) χρησιμοποιούνται ευρέως στις αντιμικροβιακές τεχνολογίες λόγω της ευρείας αποτελεσματικότητάς τους και της συμβατότητάς τους με διάφορα υλικά και μήτρες (Dube και Okuthe, 2025). Η παγκόσμια αγορά αντιμικροβιακών επικαλύψεων προβλέπεται να συνεχίσει να αναπτύσσεται, λόγω της αυξημένης ευαισθητοποίησης σχετικά με την υγιεινή, των αυστηρότερων προτύπων ελέγχου λοιμώξεων και της αυξανόμενης χρήσης τους στην υγειονομική περίθαλψη και τις δημόσιες υποδομές (Infinium Global Research, 2022· Precedence Research, 2023). Ως αποτέλεσμα, οι επικαλύψεις με βάση τον άργυρο έχουν καταστεί ουσιώδες στοιχείο της σύγχρονης τεχνολογίας επιφανειών. Η παγκόσμια αύξηση της μικροβιακής αντοχής στα αντιμικροβιακά (AMR) προωθεί την υιοθέτηση αντιμικροβιακών επικαλύψεων. Καθώς τα πολυανθεκτικά μικρόβια μειώνουν την αποτελεσματικότητα των παραδοσιακών αντιβιοτικών και απολυμαντικών, διερευνώνται ταχύτατα εναλλακτικές προσεγγίσεις χωρίς αντιβιοτικά. Οι λύσεις που εφαρμόζονται στις επιφάνειες συμβάλλουν στον περιορισμό της μετάδοσης μικροοργανισμών στα σημεία επαφής (Khalifa et al., 2025). Τα υλικά με βάση τον άργυρο είναι αποτελεσματικά λόγω των πολλαπλών αντιμικροβιακών μηχανισμών τους, όπως η διαταραχή της κυτταρικής μεμβράνης, η παραγωγή δραστικών μορφών οξυγόνου (ROS), η αναστολή ενζύμων και η παρεμβολή στο DNA (Rodrigues et al., 2024· Hamad, Khashan και Hadi, 2020). Τόσο τα νανοσωματίδια αργύρου όσο και τα ιόντα αργύρου (Ag⁺) παρουσιάζουν ισχυρή αντιβακτηριακή δράση έναντι ευρέος φάσματος βακτηρίων (Yadav και Tare, 2024). Η εφαρμογή των αντιμικροβιακών επικαλύψεων επεκτείνεται πέρα από τους χώρους υγειονομικής περίθαλψης και περιλαμβάνει τη βιομηχανία τροφίμων, τα συστήματα μεταφορών, τα καταναλωτικά προϊόντα και περιοχές με υψηλή επισκεψιμότητα. Οι αναλύσεις της αγοράς κατατάσσουν σταθερά τις επικαλύψεις με βάση τον άργυρο μεταξύ των ταχύτερα αναπτυσσόμενων τομέων της αγοράς αντιμικροβιακών επικαλύψεων (Market.us, 2025· Market Research Intellect, 2025). Ωστόσο, η οικονομική βιωσιμότητα αυτών των τεχνολογιών απαιτεί τη διατήρηση της αντιβακτηριακής τους αποτελεσματικότητας σε πραγματικές συνθήκες χρήσης. Οι μακροχρόνιες μελέτες πεδίου παρέχουν σημαντικές πληροφορίες σχετικά με την πραγματική απόδοση των επικαλύψεων αυτών. Μια πολυετής μελέτη που χρησιμοποίησε τεχνολογία αργύρου-ζεόλιθου σε χειρολαβές θυρών έδειξε σημαντικά μειωμένα μικροβιακά φορτία στις επεξεργασμένες επιφάνειες σε σύγκριση με τις μη επεξεργασμένες (Potter et al., 2015). Η μελέτη αυτή τόνισε ότι οι αντιμικροβιακές επικαλύψεις δεν εξαλείφουν πλήρως τους μικροοργανισμούς αλλά μειώνουν την παρουσία τους, υπογραμμίζοντας τον ρόλο τους ως εργαλείων μείωσης κινδύνου. Η ανθεκτικότητα κατά τον τακτικό καθαρισμό και τη συντήρηση αποτελεί επίσης βασικό κριτήριο αξιολόγησης. Έρευνες σε επικαλύψεις τροποποιημένες με νανοσωματίδια αργύρου, όπως οι βιολογικής βάσης βαφές εσωτερικών τοίχων, δείχνουν ότι οι επαναλαμβανόμενοι κύκλοι καθαρισμού και η τριβή της επιφάνειας μπορούν να επηρεάσουν την αντιμικροβιακή απόδοση, ανάλογα με την κινητική απελευθέρωσης του αργύρου και τη σύνθεση της επικάλυψης (Angelis et al., 2025). Τεχνικές ενσωμάτωσης, όπως η φυσική εγκλωβισμένη ενσωμάτωση, ο χημικός δεσμός ή ο επιφανειακός εμβολιασμός (surface grafting), επηρεάζουν σημαντικά την ανθεκτικότητα και τη συμπεριφορά απελευθέρωσης ιόντων (Dube και Okuthe, 2025). Η υπερβολική υδροφιλικότητα μπορεί να υποβαθμίσει την ακεραιότητα της επικάλυψης και τα αισθητικά της χαρακτηριστικά (European Coatings, 2023). Η συμμόρφωση με το κανονιστικό πλαίσιο εξακολουθεί να αποτελεί σημαντικό περιορισμό για τις αντιμικροβιακές επικαλύψεις με βάση τον άργυρο και τα νανοσωματίδια αργύρου, ιδιαίτερα στην Ευρωπαϊκή Ένωση. Σύμφωνα με τον Κανονισμό για τα Βιοκτόνα Προϊόντα (Biocidal Products Regulation), τα νανοϋλικά απαιτούν ξεχωριστές αξιολογήσεις κινδύνου και ειδική επισήμανση (European Chemicals Agency, n.d.). Ζητήματα που σχετίζονται με την τοξικότητα, την περιβαλλοντική παραμονή και την αποτελεσματικότητα έχουν περιορίσει την έγκριση της νανοδομημένης μορφής αργύρου σε ορισμένες εφαρμογές (Nanodatabase, 2021· European Coatings, 2024). Οι περιορισμοί αυτοί αναδεικνύουν την ανάγκη ανάπτυξης αποτελεσματικών αντιβακτηριακών λύσεων με χαμηλές συγκεντρώσεις αργύρου (Russo, 2019). Οι παράγοντες βιωσιμότητας επηρεάζουν ολοένα και περισσότερο τόσο τα κανονιστικά πλαίσια όσο και την αποδοχή από την αγορά. Πρόσφατες έρευνες έχουν δείξει τη σύνθεση φιλικών προς το περιβάλλον νανοσωματιδίων αργύρου μέσω μεθόδων χαμηλού περιβαλλοντικού αποτυπώματος, οι οποίες μειώνουν την κατανάλωση ενέργειας και περιορίζουν την παραγωγή τοξικών παραπροϊόντων (Mikhailova, 2025). Η ανεπαρκής ρύθμιση της απελευθέρωσης αργύρου ή η υπερβολική υδροφιλικότητα μπορεί να επηρεάσουν αρνητικά την ανθεκτικότητα των επικαλύψεων, ιδιαίτερα σε απαιτητικές συνθήκες χρήσης (Rezwana et al., 2023). Η ενσωμάτωση αντιμικροβιακών παραγόντων σε βιολογικής βάσης συστήματα επικαλύψεων αποτελεί σημαντική πρόκληση για τη μελλοντική ανάπτυξη του τομέα. Οι βιολογικής βάσης βαφές τοίχων αξιοποιούν ανανεώσιμες πρώτες ύλες, επιδιώκοντας παράλληλα να διατηρήσουν υψηλές λειτουργικές επιδόσεις (Gosselin, 2022). Ο προσδιορισμός της βιολογικής βάσης περιεκτικότητας πραγματοποιείται σύμφωνα με τα πρότυπα EN 16640:2017 και ASTM D6866. Μελέτες που δημοσιεύθηκαν στο ResearchGate δείχνουν ότι τα εμπορικά βιολογικής βάσης διακοσμητικά χρώματα περιέχουν συνήθως 25-60% βιολογικής βάσης υλικό, ενώ προηγμένες συνθέσεις μπορούν να επιτύχουν ποσοστά υποκατάστασης ορυκτών πρώτων υλών που υπερβαίνουν το 70% (Cadena Martinez et al., 2024). Πέρα από τη βιωσιμότητα, η συμπεριφορά και η αντοχή σε υγρή τριβή και στο πλύσιμο παραμένουν κρίσιμες παράμετροι απόδοσης. Το πρότυπο EN 13300 ορίζει πέντε κατηγορίες αντοχής σε υγρή τριβή, με την Κλάση 1 να αντιστοιχεί σε μείωση πάχους μικρότερη από 5 μm μετά από 200 κύκλους δοκιμής (EN 13300, 2022). Πρόσφατα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι βιολογικής βάσης βαφές τοίχων, όταν διαμορφώνονται κατάλληλα, μπορούν να επιτύχουν τις Κλάσεις 1 ή 2 του EN 13300, παρουσιάζοντας επιδόσεις συγκρίσιμες με εκείνες των συμβατικών ακρυλικών συστημάτων (Cadena Martinez et al., 2024). Μελέτες Ανάλυσης Κύκλου Ζωής (Life Cycle Assessment, LCA) επιβεβαιώνουν ότι οι βιολογικής βάσης επενδύσεις και επικαλύψεις τοίχων προσφέρουν σημαντικά περιβαλλοντικά οφέλη, όπως μειωμένη κατανάλωση ορυκτών πόρων και χαμηλότερο δυναμικό υπερθέρμανσης του πλανήτη. Οι αντιμικροβιακές και βιολογικής βάσης επικαλύψεις τοίχων έχουν εξελιχθεί σε προηγμένες τεχνολογικές λύσεις που ανταποκρίνονται στις σύγχρονες απαιτήσεις για ανθεκτικότητα, υγιεινή, βιωσιμότητα και συμμόρφωση με τις κανονιστικές απαιτήσεις. Παρ' όλα αυτά, διάφοροι παράγοντες που σχετίζονται με τα υλικά, τις επιδόσεις, την επεξεργασία και το κόστος καθιστούν δύσκολο τον σχεδιασμό βιολογικής βάσης επικαλύψεων που να υπερτερούν έναντι των συμβατικών πετρελαϊκής προέλευσης συστημάτων. Η σταθερότητα της σύνθεσης επηρεάζεται από το γεγονός ότι οι βιολογικής βάσης πρώτες ύλες, όπως τα φυτικά έλαια, η λιγνίνη και τα άμυλα, παρουσιάζουν συχνά μεγαλύτερη χημική μεταβλητότητα σε σχέση με τα συνθετικά αντίστοιχά τους. Πολλές φυσικές ουσίες, χωρίς χημική τροποποίηση, στερούνται των δραστικών ομάδων ή δομών που απαιτούνται για τον σχηματισμό ανθεκτικών και μακράς διάρκειας υμενίων. Η επίτευξη των ίδιων επιπέδων πρόσφυσης, αντοχής σε χάραξη, ελαστικότητας και σκληρότητας με φυσικά πολυμερή αποτελεί σημαντική πρόκληση. Ως εκ τούτου, πολλές φυσικές πολυμερικές δομές απαιτούν τροποποίηση, όπως πχ εποξείδωση που αυξάνει την πολυπλοκότητα και το κόστος. Επιπλέον, ορισμένα συνθετικά συστήματα παρουσιάζουν πιο αποτελεσματική και σταθερή ωρίμανση (σκλήρυνση) σε σύγκριση με τα βιολογικής βάσης, ενώ ορισμένες βιογενείς πρώτες ύλες είναι ακριβότερες ή δυσκολότερα διαθέσιμες. Στην παρούσα μελέτη χρησιμοποιήθηκαν τεχνολογικά προηγμένες και αξιόπιστες πρώτες ύλες για την ανάπτυξη βαφών υψηλών επιδόσεων με υψηλό ποσοστό βιολογικής βάσης περιεχομένου σε διάφορες συνθέσεις. Για τον σκοπό αυτό εφαρμόστηκαν πολυάριθμες μέθοδοι αξιολόγησης, συμπεριλαμβανομένης της εξέτασης των οπτικών, μηχανικών και αντιρρυπαντικών ιδιοτήτων, λαμβάνοντας παράλληλα υπόψη τις συνθήκες παραγωγής και τα φυσικά χαρακτηριστικά των συνθέσεων.