中国海洋大学：集成四种防污机制的多功能海洋防污水凝胶涂层

2026-01-09 15:35:08 作者：中国海洋大学来源：中国海洋大学分享至：

在海洋中作业的船舶和设备经常面临由分子、藻类、细菌及其他附着生物导致的严重生物污损问题，这会引发巨大的经济损失和环境破坏。基于杀生物剂的防污涂料可以防止生物污损，并且一直是防止海洋生物污损的主要策略，但是杀生物剂渗入海洋生态系统会对生物体产生生态毒理学影响，这与环境可持续性的理念相悖。因此，可利用表面水化层构建双重物理和能量屏障来阻隔生物污损分子的仿生水凝胶，特别是非特异性蛋白质，已被证明在环保海洋防污材料领域具有巨大的发展潜力。

然而，海洋污损生物的多样性使得单一机制的水凝胶无法满足复杂的防污需求。多功能防污机制需要被集成在同一水凝胶中，以实现更广泛的防污效果。此外，为确保环境友好性，水凝胶中应避免引入金属化合物等防污剂，最好将其他环保防污机理与水凝胶相结合。目前常用的防污策略包括：低表面能，降低附着物与表面的结合力；季铵盐表面，阳离子基团通过库仑力吸附在带负电的细菌表面，破坏细胞膜，从而导致细菌死亡；荧光效应，珊瑚发出发荧光并为藻类光合作用提供弱光，从而抑制藻类的定居和黏附。例如，添加天然防污剂或天然化合物衍生物，构建低表面能表面，制备具有荧光特性的水凝胶涂层。然而，在同一水凝胶中实现两种不同防污机制的同时增强仍然具有挑战性，而实现两种以上防污机制的同时增强则更为困难。

近期，中国海洋大学于良民/董磊团队通过将水凝胶水化层表面特性、低表面能特性、阳离子接触杀灭结构和荧光性能四种防污机制相结合，成功开发了一种多功能防污水凝胶涂层。

通过DM、AA、BA 和AM的交联共聚反应，制得DM水凝胶涂层。

随着甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯（DM）含量的增加，所制得涂层的水化层特性、低表面能特性、阳离子接触杀灭性能和荧光性能均得到了增强，实现了更优异的协同防污性能。该涂层中的荧光功能是通过精确设计的分子间聚集实现的，无需使用外源性荧光剂。该涂层的双级防御机制得到增强，防污防御第一阶段：水化层、低表面能和荧光性能共同增强了涂层的抗污粘附性能；防污防御第二阶段：通过接触杀灭表面附着生物。该涂层具有优异的抗蛋白质吸附性能（最小归一化值< 1%）、藻类黏附和生长抑制性能、细菌增殖抑制性能（高达98.27%）和粘附性能（高达96.36%）。该涂层完全不使用金属防污剂和荧光剂，具有良好的环境友好性。此外，该涂层具有高透明度（>98%）。

本研究有效地克服了共存的多种防污机制之间的拮抗作用，为开发环保型海洋防污涂料提供了重要见解，在海洋设备、光学仪器等领域展具有巨大的防污应用前景。

制备示意图

水凝胶聚合物及水凝胶的制备示意图。

防污机理

制备的水凝胶涂层防污机理示意图。

数据来源与出处

相关研究成果以“Enhanced marine antifouling hydrogel coatings achieved through simultaneous enhancement of contact-killing, low surface energy and fluorescence properties”为标题发表在《Applied Surface Science》上。

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