细菌在材料表面的黏附和生物膜的形成，尤其是在导管、植入物、手术器械和生物传感器等长期植入设备上，一直是生物医学和卫生领域的难题。这些表面常常成为机会性致病菌的滋生地，导致生物膜的形成，进而可能引发慢性感染和功能衰竭。生物膜一旦形成，就会对抗生素和免疫防御表现出更强抵抗力，使其难以被清除。传统的抗菌有机涂层通常依赖于银离子、抗生素或季铵化合物等杀菌剂。虽然在短期内效果显著，但这些方法可能带来细胞毒性、环境危害和抗微生物药物耐药性问题。因此，开发具有生物相容性、非浸出、能主动抵抗微生物黏附的无机涂层已成为一个重要方向。

纳米技术在这一领域提供了变革性的解决方案。通过调控纳米材料的尺寸、形态和表面化学性质，研究人员已设计出各种基于金属化合物的纳米材料来替代抗生素，从而避免细菌耐药性的风险。在此背景下，结合纳米颗粒的超疏水表面因其空气层介导的物理屏障特性和纳米结构的抗菌特性而备受瞩目。尽管目前研究取得了显著进展，但一些纳米材料在临床转化过程中仍面临聚集、稳定性问题和机械强度不足等挑战。

近期的研究重点集中在石墨烯/金属纳米粒子复合材料上，这些复合材料将金属纳米粒子的杀菌作用与石墨烯固有的抗菌特性相结合。这种协同抗菌效率远超单一材料，突显了石墨烯在提升纳米复合材料性能方面的结构优势。这种复合策略不仅解决了某些金属纳米粒子的聚集问题，还通过协同效应提高了抗菌效率。然而，要将这种协同潜力转化为耐用且高性能的涂层，能够在动态和挑战性环境中保持长期稳定性，必须加强合理的结构设计。二氧化钛（TiO₂）因其稳定性、经济性和无毒性而受到重视，它具有优异的紫外线吸收和光催化抗菌活性。石墨烯具有优异的电子导电性、高比表面积和吸附能力，通过氧化诱导的表面官能团为其他材料提供锚定位点，同时其卓越的机械强度和韧性赋予表面涂层耐磨性和抗分层性能。这种分级设计利用了物理-化学协同抗菌机制来抑制细菌粘附和生物膜形成，从而确保在动态生理环境中保持长期稳定性。

近期，杭州电子科技大学许静/杨俊彦团队采用一步喷涂技术，在医用级不锈钢上成功制备了一种坚固的超疏水复合涂层。

使用EPN树脂基质、氟化石墨烯（FG）作为耐磨且低表面能填料，二氧化钛（TiO₂）作为抗菌剂，通过一步喷涂法制得TiO₂@FG复合涂层（TFG）。

所制得的涂层具有超低表面能和稳定的微纳分级结构，赋予涂层优异的抗菌性能和长期的防污性能。与未改性不锈钢相比，该涂层12小时后表面蛋白质吸附量减少了77.9%，即使经过120小时，涂层抗细菌粘附性能仍保持在20%以下。此外，该涂层还表现出优异的机械强度，在反复磨损后仍能保持超疏水性（WCA>150°）和低附着力（<30μN），在12MPa压力下进行30分钟摩擦测试，该涂层保持稳定的低摩擦系数（0.08）。

本研究为开发用于生物医学植入物、食品接触应用和卫生关键公共设施的耐用、防污且机械稳定的表面提供了有前景的途径。

TFG涂层作用机制

TFG涂层的作用机制：(a)TFG复合涂层对细菌粘附阻力的影响；(b)多尺度微纳米涂层的抗粘附机制。

数据来源与出处

相关研究成果以“A durable, superhydrophobic TiO₂/fluorinated graphene composite coating for enhanced antibiofouling and mechanical stability”为标题发表在《Progress in Organic Coatings》上。