通过精细调节基于PDMS（聚二甲基硅氧烷）的涂层的模量，减少海洋硅藻和细菌的附着

《Materials Advances》：Reducing attachment of marine diatoms and bacteria by fine tuning the modulus of PDMS based coatings

海洋生物防污涂层弹性模量与动态附着关系研究

　　近年来，随着海洋生物污损问题的日益严重，非毒性防污释放涂层（Fouling-Release Coatings, FRC）在船舶、水产养殖网、水处理膜以及生物医学设备等领域得到了广泛应用。海洋生物污损不仅影响结构的性能，还可能导致能源消耗增加、维护成本上升，甚至对环境和气候变化产生影响。例如，2018年估计，全球航运业因生物污损产生的二氧化碳排放量高达10.56亿吨。因此，研究如何有效减少生物污损，不仅是经济上的需求，也具有重要的环境意义。

传统的防污涂料通常依赖于有毒成分，如铜氧化物或合成生物杀灭剂，这些物质虽然能有效抑制生物附着，但也可能对非目标物种造成伤害。相比之下，FRC通过降低生物附着强度，使得附着生物能够被弱剪切力轻松去除。这种机制在减少生物污损方面展现出巨大潜力，但其对微观污损生物（如细菌和硅藻）的影响仍不明确。

为了更好地理解涂层弹性模量与微生物附着之间的关系，研究团队在实验室中建立了一种基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的非毒性固化体系，通过调整催化剂类型和硅烷醇链长，制备出具有不同模量的PDMS涂层。该方法避免了使用有毒的锡基催化剂，转而采用钛基催化剂，如钛异丙氧化物（TTIP）和钛丁氧化物（TBOT）。为了克服钛基催化剂对空气湿度的敏感性以及较慢的固化速度，研究引入了预固化步骤，通过密封容器中搅拌24小时，确保涂层在应用前已部分固化。此外，研究还通过多种手段对涂层的物理和化学特性进行了表征，包括静态接触角测量、硅-29核磁共振（²⁹Si-NMR）、原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）等，以确保涂层的均匀性和表面特性。

研究结果显示，不同模量的PDMS涂层对微生物附着具有显著影响。在动态条件下，随着涂层弹性模量的增加，细菌和硅藻的附着量显著减少。例如，使用TTIP和TBOT催化制备的PDMS涂层，当弹性模量从0.2 MPa提升至9.4 MPa时，细菌和硅藻的附着量分别减少了约30%和21%。这一趋势表明，涂层的弹性模量在动态条件下对微生物附着具有重要作用。然而，在静态条件下，对绿藻孢子的附着和去除却未表现出明显的模量依赖性。这可能是因为绿藻孢子具有较高的游动能力，其附着过程更多受到主动搜索和定位行为的影响，而非单纯依赖于表面的物理特性。

研究还发现，钛基催化剂在预固化过程中能够促进硅烷醇链的进一步反应，形成更多的线性非支化结构，从而降低涂层的弹性模量。这与使用锡基催化剂的涂层相比，表现出不同的物理性能。此外，涂层的厚度和表面粗糙度也在研究范围内，结果显示不同链长的硅烷醇对涂层的物理特性有显著影响，而表面接触角则保持在一个稳定的范围内，表明涂层的表面化学特性对附着行为的影响较小。

在讨论部分，研究团队指出，尽管钛基催化剂在某些方面表现出优于锡基催化剂的特性，但其固化过程仍存在一定的挑战，如湿度敏感性和固化速度较慢。因此，通过预固化步骤，能够有效克服这些问题。此外，研究还探讨了动态条件与静态条件对微生物附着行为的影响机制。动态条件下的微生物（如细菌和硅藻）因高速运动而具有较高的动量，这种动量在与较软涂层接触时更容易被吸收，从而促进附着。相反，静态条件下的绿藻孢子由于主动游动行为，其附着和去除与涂层的弹性模量关联性较低。

研究团队进一步指出，尽管传统研究中发现弹性模量与生物附着强度之间存在强相关性，但在本研究中，这种关系在动态条件下表现得更为明显。这可能是因为微生物在动态条件下的附着更依赖于其动量的传递和表面的能量耗散机制，而非单纯的表面能和弹性模量的乘积。因此，研究结果为未来开发更高效的FRC提供了新的思路，即通过调节涂层的弹性模量，不仅能够促进生物的释放，还能有效防止软性污损生物的初始附着。

本研究的结论表明，通过非毒性钛基催化剂系统，可以制备出具有可控弹性模量的PDMS涂层，从而实现对海洋微生物附着行为的精确调控。这一方法不仅有助于减少对环境的影响，还为优化防污涂层的性能提供了新的可能性。未来的研究可以进一步探索不同催化剂和硅烷醇链长对微生物附着行为的具体机制，以及如何在实际应用中实现更广泛的适用性。此外，研究团队还强调，尽管当前研究结果与已有文献在某些方面存在差异，但其提供的数据和方法为后续研究奠定了重要基础，有助于推动防污涂层技术的发展。