摘要:隨著生物醫(yī)學工程的迅速發(fā)展，對特殊界面材料的需求愈加迫切。具有疏水性、防粘性、自潔性和抑菌性的獨特功能表面，展現(xiàn)出廣泛的應用前景。本文對超疏水表面材料的制備及其抑菌性檢測方法進行了綜述，旨在為新型生物醫(yī)學材料的設計與開發(fā)提供參考。

　　關鍵詞:超疏水;自潔性;抑菌性;仿生制備;生物工程

　　超疏水表面材料被廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空航天、軍事、生物醫(yī)學及日常生活領域。但是,材料表面容易產(chǎn)生細菌,隨之形成生物膜,破壞生產(chǎn)活動,給人類健康帶來直接威脅[1]。尤其是環(huán)境污染在世界范圍內(nèi)愈演愈烈,超疏水、超疏油等新型功能材料表面的制備已成為各國關注的焦點[2]。

　　1超疏水表面材料的制備方法

　　超疏水表面特性一般表現(xiàn)為較低的表面能、分形的微納米表面結(jié)構(gòu)。要想達到接觸角大于150°,需要構(gòu)建多層級固體表面結(jié)構(gòu)[3]。物理方法、化學方法、復合方法均可以實現(xiàn)超疏水表面材料的制備[4]。

　　1.1刻蝕法

　　這種方法借助溶液、離子或機械手段,實現(xiàn)對材料的剝離,屬于微加工制造范圍。在該技術的支持下,可構(gòu)建具有微納米尺度的表面結(jié)構(gòu),目前主要的工藝技術有飛秒激光技術和離子刻蝕技術[5]。其中,激光技術是以飛秒激光輻照硅片表面,形成粗糙的微觀結(jié)構(gòu),借助氣相沉積法,制造出各種形貌的微結(jié)構(gòu)硅表面,以此實現(xiàn)對材料浸潤性能的有效調(diào)節(jié)。在聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面涂一層薄膜,該薄膜比基底的硬度更大,所形成的復合膜通過拉伸比會呈現(xiàn)出皺紋性表面結(jié)構(gòu),借助水滴潤濕性實驗,呈現(xiàn)出良好的疏水性[6]。

　　王曉俊等則采用飛秒激光技術,基于鋁材料表面,形成了超疏水性結(jié)構(gòu),并針對不同形貌接觸角進行了測定,達到了超疏水性[7]。Patankar借助刻蝕法,獲取規(guī)整的圖案表面,以PDMS技術實現(xiàn)納米壓印,以10∶1的前聚體與交聯(lián)劑配比,形成混合物并進行加熱交聯(lián)處理。在110℃、2hr條件下,獲得與硅片模板相同的表面結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出超疏水性[8]。

　　1.2模板法

　　這種方法借助模板上嵌有的圖案,進行擠壓、印制、擴孔等操作,移除模板后獲得相反圖案的構(gòu)型,進而復制出與模板相同或相近圖案的表面[9,10]。Tian等以聚苯乙烯塑料為原材料,制成復合型超疏水表面,形成直徑為3μm的乳突結(jié)構(gòu),接觸角為160°,達到了超疏水性[11]。Patankar在Si表面進行刻蝕,取得了較為理想的微納米圖型界面,然后進行PDMS納米壓印;將PDMS聚合體及交聯(lián)劑(質(zhì)量比10∶1)的混合液體加注Si片,在110℃下加熱2hr后,移除Si片,從而使PDMS表面獲得與Si片模板表面相同的粗糙形貌,并且具有良好的疏水性[8]。

　　1.3溶膠-凝膠法

　　該方法借助含有高化學活性組分的化合物作為前驅(qū)物,在酸性或堿性條件下,通過水解產(chǎn)生活性羥基,再經(jīng)過縮合反應形成凝膠,經(jīng)陳化、干燥后,形成干凝膠。剔除溶劑,通常會留下一些納米孔,使材料具備超疏水等性能。Rosa等采取溶膠-凝膠法,將超分子有機硅作為前驅(qū)體,加入PDMS,得到接觸角為150°的超疏水SiO2薄膜[12]。Ahmed等將四乙基原硅酸鹽作為前驅(qū)體,與聚丙二醇進行一定比例的混合,在玻璃表面制成硅膜,并用六甲基二硅胺烷進行修飾,得到接觸角為159°的超疏水膜,其優(yōu)勢在于可在常溫常壓下進行制備,成本投入低,對基底屬性要求低,適合大面積制備[13]。

　　1.4等離子處理技術

　　這種方法借助等離子體,以普通材料、含氟材料或含硅材料為基體,進行表面粗糙化處理,制備超疏水表面[14]。Mohamed等在含硅材料上制備出粗糙的表面結(jié)構(gòu),借助氟化物進行表面修飾,獲得超疏水性表面材料,接觸角接近180°[15]。Joseph等在室溫條件下,借助CO2脈沖激光,對PDMS進行處理,使材料表面呈現(xiàn)出多孔結(jié)構(gòu),接觸角達175°[16]。該技術方法具有選擇性高、速度較快的優(yōu)勢,但缺點是成本造價較高,因此無法適用于大面積超疏水材料的制備。

　　1.5拉伸法

　　Winnik等通過對聚四氟乙烯膜進行拉伸,獲得了呈現(xiàn)大量孔洞的纖維表面,具備超疏水性。通過實驗證實,對尼龍膜采取拉伸方法,能夠使材料形成三角形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),展現(xiàn)出超疏水性,接觸角為151°。如果采用雙向拉伸方法,尼龍膜則具有超親水特性,接觸角為0°[17]。該方法的優(yōu)勢在于,制備方法簡單易操作,成本投入較低,適于大面積制備超疏水表面材料,因此成為當前相關研究領域關注的焦點之一[18]。

　　1.6電紡絲法

　　電紡絲又稱為靜電紡絲,這種方法的基本原理為,借助聚合物溶液或熔體,將強電場作為媒介,通過噴射流的形成實現(xiàn)紡絲加工。Yao等在該技術的支持下,以普通的聚苯乙烯塑料為載體,制備了仿荷葉表面納米結(jié)構(gòu)的超疏水構(gòu)型,接觸角可達159°。直徑幾十納米的紡絲纖維在表面呈混雜排列,形成直徑約3μm的空隙結(jié)構(gòu),對超疏水性起到關鍵作用[19]。

　　2超疏水表面材料抑菌性的檢測方法

　　2.1染色計數(shù)法

　　利用這種方法,能夠明確相應的抗菌材料是否具有殺菌作用。檢測過程中采用的熒光材料為SYTO9和PI。其中,SYTO9能夠穿過細胞壁與細菌DNA進行結(jié)合,并在510nm處,顯示出綠色熒光活菌;PI則只沉積在不完整細菌的細胞壁中,且在630nm處,顯示出紅色熒光死菌,從而實現(xiàn)對活菌與死菌的有效區(qū)分[20]。

　　計數(shù)器包括電子計數(shù)器和普通計數(shù)器。前者利用孔中液體的電阻變化數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,具有較高的測量精度,但不能判別細菌種類,同時對菌懸液的純度要求較高。后者實際上就是血細胞計數(shù)器,將一定體積的菌懸液置于計數(shù)器的技術室中,利用顯微鏡觀察計數(shù)。技術室的容積一定,因此可根據(jù)其中的細菌數(shù)推算整個樣品的活菌數(shù)。該方法簡單易行,可實現(xiàn)對細菌數(shù)量的有效統(tǒng)計。

　　2.2抑菌圈法

　　借助抗菌材料的擴散性,能夠形成濃度梯度,進而抑制細菌生長,在此過程中就形成了相應的抑菌圈。抑菌圈越大,則抑菌效果越好,反之抑菌效果越差。在實際運用中,這一檢測方法的適用范圍受限,通常只能滿足可溶性材料,且要求細菌生長速度較快。同時,測試結(jié)果會受到諸多因素的影響,如細菌含量、紙片質(zhì)量等[21]。

　　2.3比濁法

　　該方法借助菌液進行菌落培養(yǎng),使用光電比色計測量菌懸液OD值,根據(jù)菌懸液透光度與細菌濃度之間的相關關系,間接測定細菌數(shù)量。假設實驗樣品為B,對照樣品為A,則抑菌率為:(A-B)/A×100%。當其值大于等于50%時,則說明該材料具備良好的抑菌性。這種測量方法相對簡單方便,但是只能計算出相對的細菌數(shù)目,且只適用于細菌數(shù)量較多的懸浮液[22]。同時,對于顏色較深的樣品,亦無法使用該方法進行測量。

　　3結(jié)語

　　人們對生活品質(zhì)和身體健康的關注日益增長,對各種抗菌用品的需求數(shù)量呈遞增趨勢。自然界中有許多生物體的表面具有自潔功能,可以有效避免細菌侵入。以天然活性表面為模板,設計與制備具有特殊用途的復合功能材料,是目前仿生工程學領域的熱點之一[23,24]。隨著現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展,以及在綠色環(huán)保政策的要求下,不論是超疏水表面材料的制備方法,還是抑菌性的檢測方法,都將實現(xiàn)更多的創(chuàng)新和突破。

　　參考文獻

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　　表面材料論文投稿刊物：《吉林大學學報理學版》1955年創(chuàng)刊，是自然科學領域的綜合性學術期刊。是新中國成立后創(chuàng)刊最早的高校學報之一�？�發(fā)國家重大科技項目和國家自然科學基金項目及各省和部委基金項目文章的數(shù)量逐年增加,其中有許多成果獲得較大的社會效益和經(jīng)濟效益。