大连理工大学刘新教授团队 CEJ：受蓝环章鱼启发的具有物化双效抗污性能的滑移涂层

2023-11-22 来源：高分子科技

海洋工程装备是海洋强国战略的重要发展对象之一，但装备表面深受海洋生物污损的严重困扰。为了有效降低生物污损的影响，涂层防护法是解决该问题最快捷、最高效的方式之一。值得注意的是，近年来受生物启发的超滑移表面在防污防腐和自清洁领域具有广阔的应用前景。尽管超滑移表面在动态防污性能方面表现良好，但在静态防污性能方面仍存在不足，制约了其进一步的推广与应用。

近期，大连理工大学高性能精密成型与模具研究所刘新教授团队观察到蓝环章鱼可以依靠“抓不住”和“靠不近”的秘诀来逃避捕食者的抓捕，即，光滑表皮的物理防护以及释放毒液的化学趋避。受此防御行为启发，该课题组制备了一种具有物化双效抗污性能的滑移涂层（示意图如图1）。滑移低表面能体系由天然低表面能材料-硅氧烷提供，抗菌剂为辣椒碱，其通过氢键与硅氧烷进行紧密的网络连接。在生物污损初期，细菌分泌的大量弱酸性胞外聚合物会引发局部表面呈弱酸性，加速了涂层中辣椒碱的分泌，进一步提高滑移表面的抗污性能；另外，辣椒碱在涂层内的分布以及扩散速率也通过实验与仿真模拟进行了双向验证（图2）。相比于金属表面以及低表面能涂层PDMS表面，该涂层具有更优异的自清洁（图3）、蛋白粘附、抗菌粘附和抗藻粘附性能（图4）。此外，在海洋生物繁殖旺盛的夏季，将该涂层置于海中悬挂65天后（图5），未观察到明显污损粘附，表明该涂层具有良好的防污能力。同时，对涂层的抗粘附性能进行了理论计算与实验验证。综上，该涂层在海洋防污领域具有良好的应用前景。相关内容以“Blue-ringed Octopus inspired Slippery Coating with Physico-chemical Synergistic Antifouling Properties”为题发表在《Chemical Engineering Journal》。文章第一作者是大连理工大学博士周瑜阳，导师为刘新教授。

图 1. 受蓝环章鱼启发的抗污滑移涂层以及其应用示意图

图 2. 辣椒碱的分布表征。(a)原始滑移涂层的EDS图谱；(b)泡水7天后的滑移涂层表面 EDS图谱；(c)泡水并加热后的滑移涂层表面的EDS图谱。(d)不同处理后的滑移涂层的FITR光谱。(e)辣椒碱的浸出测试。(f) pH=5、7 和 9 时实验测试和仿真模拟的辣椒素浸出率。(g)不同分子的化合物结构和结合能。(h) 辣椒碱在不同 pH 值体系中的分布示意图。

图 3. 自清洁实验

图 4. 抗粘附实验

图 5. 实海挂片实验

综上，本研究基于蓝环章鱼“抓不住”和“靠不近”的防御行为制备了含有环保抗菌剂的滑移抗污涂层。该涂层通过滑表面和抗菌剂物化协同作用高效抗污，同时具有弱酸响应，辣椒碱分泌加速，提高抗污性能。在生物繁殖旺季65天内，该涂层显示了高效的抗污能力，在防污领域具有一定的应用前景。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147177

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（责任编辑：xu）

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