北京
钛合金比强度高、密度较小、耐蚀能力优异，被称为“海洋金属”，广泛应用于轻型海工装备，是海洋工程领域的新型关键材料之一，有助于国家海洋战略的发展。然而由于钛合金良好的生物相容性，是海洋生物理想栖息之地，因此，钛合金在海洋工程中的生物污损问题比其他金属材料更为严重。仿生猪笼草设计的光滑注液多孔表面(Slippery liquid-infused porous surface，SLIPS)在防污领域受到了广泛关注，其由表面微/纳米结构与内部的润滑剂复合而成，润滑剂可有效物理隔离微生物和大型生物的生物污染，成为最有前途的绿色防污涂层之一。可润滑剂在海水冲刷服役过程中的损耗问题成为困扰SLIPS服役稳定性和长期有效性的关键问题，开发具有长效耐海水冲刷的新型SLIPS结构设计势在必行。
近期，中国科学院金属研究所仿生医用材料课题组在新型抗污SLIPS结构设计领域取得新进展。研究人员采用丝网印刷蚀刻和阳极氧化技术，在大尺寸TC4合金表面制备光滑注液多孔表面（TC4-SLIPS），该合金由蜂窝状凹孔单元和阳极氧化微纳结构共同组成。蜂窝状凹孔单元可扮演“铠甲”角色，可有限抵抗外界机械损伤，保护内部微纳结构，显著提高表面的机械稳定性；更重要的是，研究发现在海水冲刷过程中，单元内部流体流速可有效降低，减少海水对润滑剂的冲刷作用，进而降低润滑剂损失，长效维持SLIPS的“超滑”特性。阳极氧化微纳结构提供毛细管力锁住润滑剂层，提供良好的自清洁能力。经实验验证，TC4-SLIPS可有效抵抗海洋微生物的附着，如假交替单胞菌Pseudoalteromonas，同时也可抵抗如贻贝等海洋宏生物的粘附。团队还进一步探索“铠甲”结构对细菌生物膜的影响机制，研究表明：与光滑TC4合金表面相比，蜂窝状凹孔单元对细菌生物膜的生长具有明显的抑制作用，由于蜂窝状凹孔单元的边缘比初始平面高，不断生长的细菌生物膜必须先繁殖到特定的数量和厚度，才能“越过”边缘，进入下一个蜂窝孔区。随着生物细菌膜的增长，遇到的边缘的数量增加，生物细菌膜增殖所需的时间也增加。
综上，TC4-SLIPS 结合了蜂窝状凹孔单元的“铠甲”结构和润滑剂的 "超滑 "特性，可在早期充分抑制海洋生物的粘附和增殖。此外，当润滑剂长期使用后出现流失时，蜂窝状凹孔单元对生物膜形成和增殖的抑制作用可在防污方面发挥重要作用。该研究工作为TC4-SLIPS为在海洋工业、医疗器械等领域实现钛合金的长期抗生物污染提供了有前途的策略。
相关研究成果以“Improving antifouling functions of titanium alloys by robust slippery liquid-infused porous surfaces with tailored multiscale structures”为题发表于Chemical Engineering Journal, 2023, 147342。中国科学院金属研究所张泽平博士生，白芸研究员为论文的第一作者和共同第一作者，张兴研究员为论文的通讯作者。
全文链接
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147342
图 1. TC4-SLIPS 制备过程示意图
图 2. TC4-H、TC4-H-MN 和 TC4-SLIPS 样品的表面特征
图 3. TC4-SLIPS润滑剂的稳定性分析
图 4. TC4-SLIPS表面结构的机械稳定性分析
图 5. TC4-SLIPS抗菌性分析
图 6. “铠甲”结构对细菌生物膜的影响机制分析
图 7. “铠甲”结构对细菌生物膜的影响机制示意图
来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢论文作者团队供稿支持。
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