具有优异流动性的聚酰胺粉末涂料，通过微波驱动的球形化及银纳米粒子（AgNPs）的原位自组装技术，可用于抗菌应用

《Applied Surface Science》：Polyamide powder coatings with superior flowability for antibacterial application via microwave-driven spheroidization and in-situ self-assembly of AgNPs

制备了基于聚多巴胺活性位点的微波球化聚酰胺粉末涂层，实现75±3 nm银纳米颗粒原位自组装，提升球形颗粒流动性（0.93球形度）和Ag+缓释特性，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抗菌率达99.99%，经500次摩擦和7天浸泡仍保持高效，适用于公共健康设备。

　　

杨佳园|刘英春|林万春|周亚格|刘博梅|刘伟|刘茂平|朱杰西|张慧

摘要

由于环境污染和细菌感染严重威胁人类健康，因此人们非常关注抗菌粉末涂料的研发。抗菌涂料中的银纳米颗粒（AgNPs）虽然已被广泛认可，但由于其尺寸、载体、分散性以及Ag⁺的释放问题，其在粉末涂料中的应用尚未得到充分发展。本文采用微波驱动的方法将聚酰胺（PA）颗粒球化，并利用多巴胺作为活性位点实现AgNPs的原位自组装，制备出相应的粉末涂料。球形度为0.93的PA颗粒具有近乎完美的圆形形态，这有助于减少颗粒间的范德华力和静电作用，从而提高其流动性。涂层中AgNPs的尺寸为75±3纳米，表现出良好的Ag⁺释放速率、分散性和界面相容性，因此该涂料具有持久的抗菌性能和耐磨性。实验结果显示，含有1.0 wt% AgNPs的涂层对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的杀灭率达到了99.99%。此外，经过500次摩擦或7天的浸泡后，该涂层的抗菌效果仍与初始状态相当。最后，这种制备的粉末涂料被应用于门把手和轮椅扶手，证明了其在公共卫生设备中的潜在应用价值。

引言

细菌是最常见的导致医疗相关感染的病原体[1,2]。在适宜的环境条件下，细菌会形成难以清除的生物膜。它们通过各种潜在的传染性医疗设备传播，每年导致数百万人患病[3]。彻底更换受污染的设备或采用特殊处理方法是预防细菌感染的有效手段，但这无疑会增加医疗成本且极其不便[4]。因此，学术界和工业界都迫切需要开发具有显著抗菌性能的表面材料。

基于聚合物的抗菌涂料具有良好的加工/成型性能和很强的设计灵活性，可以轻松应用于医疗设备、假体材料以及导管（如尿道或静脉导管）等表面，以防止有害微生物的滋生，从而减少细菌感染[5][6][7]。对于纯聚合物制成的涂层，增强抗菌性能的一般方法包括生成活性氧物种（如壳聚糖[8]、多巴胺[9]等）或构建纳米结构或纳米图案表面（如超疏水涂层[10,11]）。对于复合涂层，由于纳米材料具有较大的表面积和尺寸/形状依赖性的物理化学性质，将其结合到聚合物中制备抗菌复合涂层是一种简便、有效且成本低廉的方法[12,13]。在各种具有抗菌活性的纳米材料中，银纳米颗粒（AgNPs）最具前景。与其他纳米材料相比，AgNPs具有较低的细胞毒性和免疫反应性，并且具有更强的抗菌效果，因此被广泛应用于药物递送、医学成像和分子诊断[14,15]。尽管通过调节AgNPs的尺寸可以提高其抗菌效率，但不可避免的聚集现象和不可控的Ag⁺释放会显著降低其抗菌效果[16][17][18]。此外，传统的有机聚合物涂料含有20–80%的挥发性有机化合物（VOCs），在成膜过程中会向大气中释放这些物质。随着健康、安全和环境法规的日益严格，VOC排放受到严格限制。几乎不释放VOC的粉末涂料（由固体聚合物和添加剂组成）成为当前和未来的发展趋势[19,20]。然而，与溶剂型有机聚合物涂料相比，粉末涂料中AgNPs的分散性和流动性更具挑战性，通常需要更高的银含量才能实现有效的抗菌效果。因此，开发具有优异流动性和抗菌效果的绿色、无VOC的粉末涂料至关重要。

本研究使用具有无毒、高强度、耐久性和耐化学性等优良特性的非规则形状聚酰胺作为粉末涂料的前体。通过微波加热方法，并利用纳米SiO₂作为阻隔剂来防止PA颗粒之间的粘附，实现了AgNPs的原位自组装。首先研究了PA颗粒的结构、尺寸、形态和流动性，随后探讨了不同AgNPs含量下该粉末涂料对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌效果和耐久性。此外，还尝试将该粉末涂料系统应用于公共设施和医疗设备中，以预防细菌感染并减少疾病的传播。

材料

聚酰胺（PA）粉末（250目）购自法国阿克玛集团（Arkema Group）。二氧化硅（SiO₂，16 nm）购自埃沃尼克工业公司（Evonik Industries AG）。氢氟酸（HF，AR，≥40%）和氢氧化钠（NaOH，AR）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。盐酸多巴胺（98%）、三（羟甲基）氨基甲烷（Tris，≥99.9%）和N,N-二甲基甲酰胺（DMF，AR）购自上海麦克林生化科技有限公司。硝酸银（AgNO₃，AR）也由该公司提供。

球形PA颗粒和抗菌粉末颗粒的表征

形状不规则的粉末颗粒通常流动性较差，导致粉末涂层过程中出现流化不良、输送不均和喷涂不均匀等问题。虽然在粉末涂料中添加一些纳米颗粒等流动添加剂可以降低内部摩擦从而改善流动性，但颗粒间的强范德华力仍然是影响流动性的主要因素。

结论

本研究采用微波驱动的球化技术和AgNPs的原位自组装方法制备了球形抗菌粉末涂料。粒径约为75±3 nm的AgNPs原位沉积在球形颗粒表面。抗菌活性测试表明，该涂层基于Ag⁺的抗菌机制，对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）具有优异的抗菌效果。当AgNPs含量超过1.0 wt%时，其抗菌效果更为显著。

作者贡献声明

杨佳园：软件处理、数据整理。刘英春：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、实验设计、资金申请。林万春：数据分析。周亚格：数据整理。刘博梅：实验设计。刘伟：资源协调。刘茂平：方法学研究、数据整理。朱杰西：实验监督。张慧：结果验证、监督。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：22408059）、广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2025A1515010866）以及粤港澳大湾区国家优秀工程师研究院创新项目（佛山先进制造业，项目编号：NSJH2025006）的资助。