搜索:  
广州大学林璟教授课题组 CEJ:提出基于拉普拉斯压差驱动液滴定向运输的主动式抗细菌黏附策略
2023-11-16  来源:高分子科技

  有害细菌黏附在材料表面形成难于清除的生物膜,严重危害人类健康和经济发展。研究发现,预防细菌的初始黏附是抑制生物膜形成的有效手段。迄今为止,超疏水和超亲水表面被广泛应用于抗细菌黏附并取得了重大进展,但超疏水抗细菌黏附表面依赖于重力才能使细菌液滴从表面脱除,而超亲水抗细菌黏附表面则需要在水环境下才能实现其抗黏附功能。近年来,有学者通过在表面修饰类液体分子或在多孔表面灌注滑移液的方式构建了类液体和滑移液灌注型抗细菌黏附表面,极小的接触角滞后使得细菌液滴只需要表面略微倾斜即可脱离表面。因此,上述抗细菌黏附表面所采取的抗细菌黏附策略属于被动式抗细菌黏附策略,需要依赖于液滴重力来实现细菌液滴脱离表面,而其本身并不具备细菌液滴驱离能力,难于避免细菌液滴在表面长期滞留最终导致污染的根本性问题。



  该研究提出了一种基于拉普拉斯压差驱动细菌液滴运动的主动式抗细菌黏附策略,构建了可产生拉普拉斯压差的的楔形槽结构表面(DSWS),细菌液滴在DSWS上的运动距离与楔形槽开口角度、刻蚀深度、改性剂接枝密度及液滴体积紧密相关,液滴在DSWS上能以45 mm/s 的平均速度运动63.4 mm。采用有限元法计算发现:液滴的拉普拉斯压差先增大后剧减,其运动速度与实际运动相吻合,液滴是以滚动方式向前运动,应力集中在液滴底部与楔形槽接触两侧。再次基础上构建了由楔形槽组成的星型结构表面,结合红外传感器和微量进样泵构建了用于液滴自驱动的红外智能响应星型平台(SIRP)。动态与静态的抗细菌黏附测试结果都显示SIRP具有良好的抗细菌黏附性能,液滴运动路径上无细菌残留,验证了该抗细菌黏附策略的有效性,揭示了拉普拉斯压差驱动与主动式抗细菌黏附的内在关联。值得一提的是,SIRP在检测到细菌液滴后,可红外感应微小液滴并响应释放纳米银抗菌液滴至目标位置,具有优异的响应性抗菌。此外,SIRP在液滴间的微反应和微流控领域具有极大应用潜力。



  该研究成果以题为“Active bacterial anti-adhesion strategy based on directional transportation of droplet self-actuated by Laplace pressure gradient on self-actuated and infrared sensing responsive platform”发表在国际权威期刊Chemical Engineering Journal》上。本文的作者单位为广州大学化学化工学院,第一作者为广州大学化学化工学院卢汉卿硕士研究生,通讯作者为林璟教授(导师)。


  文章链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.146348


  此外,林璟教授课题组在抗菌和抗细菌黏附技术的构建及其应用方面也取得了其它系列成果:

  (1)为解决多孔粗糙纤维表面由于毛细管力吸附作用易黏附细菌的难题,提出了超疏水超疏油Cassie-Baxter状态表面构建技术,细菌液滴被空气层悬浮在其表面(ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10: 6124-6136, ESI高被引,热点论文);

  (2)为探究在任意异型表面构筑抗细菌黏附表面技术,研究开发了一种简易喷涂抗细菌黏附微球的技术,提出了亲水阻抗和疏水排斥型两种抗细菌黏附模型,并论证了超疏水疏油/超疏水水下疏油特性是疏水表面抗细菌黏附的内在机制,首次通过分子模拟阐述水化层阻抗是亲水表面抗细菌黏附的内在机制(Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7:26039-26052, ESI高被引);
  (3)为探究在复杂多变的环境下构筑抗细菌黏附表面的技术,研究开发了一种智能抗细菌黏附温度和光双重响应增强技术,提出并论证了温度和紫外光照射刺激对复合表面的抗细菌黏附性能的影响规律及其机理(Chemical Engineering Journal, 2021, 407: 125783,ESI高被引);
  (4)提出了智能响应型抗细菌黏附技术,揭示了可切换超疏/超亲水智能表面抗菌抗细菌黏附性的差异和关联(Chemical Engineering Journal, 2022, 431, 134103);
  (5)提出了一种基于摩擦纳米发电驱动细菌液滴定向运动实现主动式抗菌抗黏附的策略,以驱动平台上的细菌液滴定向运动从而将细菌移除(Nano Research,2022, 16 (1):1052-1063,ESI高倍引论文);
  (6)为探究新型的高效抗菌分子,设计合成了一种仿生甲壳虫状的抗菌大分子(International Journal of Biological Macromolecules(2020, 157:553-560,ESI高倍引论文);
  (7)提出实现了抗细菌黏附技术在基于Cassie-Baxter润湿状态下具有抗液体干扰和抗细菌黏附的高拉伸性和超灵敏可穿戴柔性应变传感器中的应用(Advanced Functional Materials, 2020, 30(23): 2000398, ESI高被引);
  (8)提出实现了抗细菌黏附技术在智能响应型净化分离含菌废水中的应用,膜的抗菌性和低黏附性有效将细菌杀灭和解决了工业界膜的微生物和油污染问题(Chemical Engineering Science, 2022, 253, 117586);
  (9)提出实现了抗细菌黏附技术在一种能够一步分离含细菌/染料/油的复杂污水且能够抗细菌/染料/油黏附污染的复合膜中的应用(Chemical Engineering Journal, 2021, 413:127493,ESI高被引);
  (10)提出实现了抗细菌黏附技术在一种抗菌除油和火灾预警智能响应型泡沫材料中的应用(Journal of Materials Science & Technology, 2022, 128: 82–97);
版权与免责声明:中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载,请联系邮箱:info@polymer.cn,并请注明出处。
(责任编辑:xu)
】【打印】【关闭

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯
更多>>科教新闻