研究人员开发超疏水海洋涂层以防止微生物粘附

慧正资讯：由哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院（SEAS）、哈佛大学维斯生物工程研究所、埃尔朗根-纽伦堡大学和芬兰阿尔托大学领导的研究小组开发了一种具有稳定腹甲的超疏水表面，可以在水下持续数月。

该团队的总体策略是创建持久的水下超疏水表面，这种表面可以排斥血液，并大大减少或防止细菌和海洋生物（如藤壶和贻贝）的粘附，从而在生物医学和工业领域开辟了一系列应用。

用仿生材料开发表面

有一种蜘蛛，被称为“Argyroneta Aquatica”，一生都生活在水下。它有数百万根粗糙、防水的毛发，可以将空气困在身体周围，形成氧气储存库，并充当蜘蛛肺部和水之间的屏障。这层薄薄的空气被称为腹甲，几十年来，材料科学家一直试图利用它的保护作用。

这样做可以产生水下超疏水表面，能够防止腐蚀、细菌生长、海洋生物的粘附、化学污垢和液体对表面的其他有害影响。但事实证明，腹甲在水下非常不稳定，在实验室中只能保持表面干燥几个小时。

“仿生材料的研究是一个非常令人兴奋的领域，它将自然界中进化的优雅解决方案带入人造材料领域，这使我们能够推出具有前所未见特性的新材料。 ” SEAS材料科学和化学与化学生物学教授，也是该论文的合著者Joanna Aizenberg表示。

“这项研究证明了这些原理如何能够开发出在水下保持超疏水性的表面，”Aizenberg补充道。

腹甲最大的问题之一是它们需要粗糙的表面才能形成，就像银鲛的毛发一样。但这种粗糙度使得表面机械不稳定，并且容易受到温度、压力或微小缺陷的任何小扰动。

亲氧表面

目前评估人造超疏水表面的技术仅考虑两个参数，这不能提供有关水下空气腹板稳定性的足够信息。研究小组确定了更大的一组参数，包括表面粗糙度、表面分子的疏水性、腹甲覆盖率和接触角的信息，这些参数与热力学理论相结合，使他们能够确定空气腹甲是否稳定。

通过这种新方法和简单的制造技术，该团队用一种常用且廉价的钛合金设计了一种所谓的亲氧表面，该表面具有持久的腹甲，使表面保持干燥的时间比之前的实验长数千小时，甚至比活体物种的腹甲还要长。

“我们使用了一种20年前理论家提出的表征方法来证明我们的表面是稳定的，这意味着我们不仅制造出了一种新型的极其排斥、极其耐用的超疏水表面，而且我们还可以用不同的材料再次做到这一点。”SEAS和Wyss研究所的前博士后研究员、该论文的主要作者Tesler说。

适合的应用

为了证明腹甲的稳定性，研究人员将其表面穿过环，弯曲它，扭曲它，用热水和冷水喷射它，并用沙子和钢打磨它以阻止表面保持亲氧性。它在水中存活了208天，并在充满血液的培养皿中浸泡了数百次。它严重减少了大肠杆菌和藤壶在其表面的生长，并完全阻止了贻贝的粘附。

“该系统的稳定性、简单性和可扩展性使其对于实际应用很有价值，”SEAS研究生、该论文的合著者Stefan Kolle说道。“通过此处所示的表征方法，我们演示了一个简单的工具包，可以优化超疏水表面以达到稳定性，从而极大地改变应用空间。

应用领域包括生物医学应用，可用于减少手术后感染或用作支架等可生物降解的植入物。它还包括水下应用，可以防止管道和传感器腐蚀。

未来，它甚至可以与被称为SLIPS的超光滑涂层结合使用，SLIPS是 Aizenberg和她的团队十多年前开发的光滑液体注入多孔表面，以进一步保护表面免受污染。