鈦合金比強度高、密度較小、耐蝕能力優異，被稱為“海洋金屬”，廣泛應用於輕型海工裝備，是海洋工程領域的新型關鍵材料之一，有助於國家海洋戰略的發展。然而由於鈦合金良好的生物相容性，是海洋生物理想棲息之地，因此，鈦合金在海洋工程中的生物汙損問題比其他金屬材料更為嚴重。仿生豬籠草設計的光滑注液多孔表面(Slippery liquid-infused porous surface，SLIPS)在防汙領域受到了廣泛關注，其由表面微/奈米結構與內部的潤滑劑複合而成，潤滑劑可有效物理隔離微生物和大型生物的生物汙染，成為最有前途的綠色防汙塗層之一。可潤滑劑在海水沖刷服役過程中的損耗問題成為困擾SLIPS服役穩定性和長期有效性的關鍵問題，開發具有長效耐海水沖刷的新型SLIPS結構設計勢在必行。
近期，中國科學院金屬研究所仿生醫用材料課題組在新型抗汙SLIPS結構設計領域取得新進展。研究人員採用絲網印刷蝕刻和陽極氧化技術，在大尺寸TC4合金表面製備光滑注液多孔表面（TC4-SLIPS），該合金由蜂窩狀凹孔單元和陽極氧化微納結構共同組成。蜂窩狀凹孔單元可扮演“鎧甲”角色，可有限抵抗外界機械損傷，保護內部微納結構，顯著提高表面的機械穩定性；更重要的是，研究發現在海水沖刷過程中，單元內部流體流速可有效降低，減少海水對潤滑劑的沖刷作用，進而降低潤滑劑損失，長效維持SLIPS的“超滑”特性。陽極氧化微納結構提供毛細管力鎖住潤滑劑層，提供良好的自清潔能力。經實驗驗證，TC4-SLIPS可有效抵抗海洋微生物的附著，如假交替單胞菌Pseudoalteromonas，同時也可抵抗如貽貝等海洋宏生物的粘附。團隊還進一步探索“鎧甲”結構對細菌生物膜的影響機制，研究表明：與光滑TC4合金表面相比，蜂窩狀凹孔單元對細菌生物膜的生長具有明顯的抑制作用，由於蜂窩狀凹孔單元的邊緣比初始平面高，不斷生長的細菌生物膜必須先繁殖到特定的數量和厚度，才能“越過”邊緣，進入下一個蜂窩孔區。隨著生物細菌膜的增長，遇到的邊緣的數量增加，生物細菌膜增殖所需的時間也增加。
綜上，TC4-SLIPS 結合了蜂窩狀凹孔單元的“鎧甲”結構和潤滑劑的 "超滑 "特性，可在早期充分抑制海洋生物的粘附和增殖。此外，當潤滑劑長期使用後出現流失時，蜂窩狀凹孔單元對生物膜形成和增殖的抑制作用可在防汙方面發揮重要作用。該研究工作為TC4-SLIPS為在海洋工業、醫療器械等領域實現鈦合金的長期抗生物汙染提供了有前途的策略。
相關研究成果以“Improving antifouling functions of titanium alloys by robust slippery liquid-infused porous surfaces with tailored multiscale structures”為題發表於Chemical Engineering Journal, 2023, 147342。中國科學院金屬研究所張澤平博士生，白芸研究員為論文的第一作者和共同第一作者，張興研究員為論文的通訊作者。
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https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147342
圖 1. TC4-SLIPS 製備過程示意圖
圖 2. TC4-H、TC4-H-MN 和 TC4-SLIPS 樣品的表面特徵
圖 3. TC4-SLIPS潤滑劑的穩定性分析
圖 4. TC4-SLIPS表面結構的機械穩定性分析
圖 5. TC4-SLIPS抗菌性分析
圖 6. “鎧甲”結構對細菌生物膜的影響機制分析
圖 7. “鎧甲”結構對細菌生物膜的影響機制示意圖
來自微信公眾號“材料科學與工程”。感謝論文作者團隊供稿支援。
