基于花状Bi2O3纳米结构的环氧树脂抗菌超疏水纳米复合涂层的制备与应用

针对环境污染敏感表面的抗菌防护需求，研究人员通过水热法制备银掺杂花状Bi2O3纳米结构，结合环氧树脂/PDMS体系开发出兼具超疏水性（WCA 170°）和高效抗菌性（对E. coli杀菌率99%）的纳米复合涂层。该研究为医疗器械、海洋防腐等领域的多功能表面改性提供了新策略。

　　

在自然界中，荷叶表面的自清洁效应启发了科学家对超疏水材料的探索。这类材料需要同时满足水接触角(WCA)大于150°和滑动角(SA)小于10°的苛刻标准。随着抗生素耐药性问题日益严峻，开发兼具物理防护和生物抗菌功能的智能涂层成为研究热点。传统氟基疏水材料存在环境毒性，而单一抗菌剂如银纳米粒子(AgNPs)易团聚失活。如何通过绿色工艺构建长效稳定的多功能涂层，成为表面工程领域的重大挑战。

伊朗研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表的研究中，创新性地将花状Bi₂O₃纳米结构与银掺杂技术结合，通过水热法合成具有分级结构的Ag-Bi₂O₃纳米花，经油酸改性降低表面能后，与环氧树脂/聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合形成涂层。采用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)和原子力显微镜(AFM)表征材料特性，通过喷雾涂覆技术实现大面积制备，并系统测试了涂层的机械稳定性、疏水性和抗菌性能。

材料与表征
XRD分析证实合成的Bi₂O₃和Ag-Bi₂O₃均为立方相，平均晶粒尺寸39 nm。FE-SEM显示花状结构由厚度约50 nm的纳米片自组装形成，这种分级粗糙度是获得超疏水性的关键。

超疏水性能
复合涂层展现卓越的疏水性，WCA达170°，SA仅2°。Cassie-Baxter模型分析表明，花状结构形成的微纳气穴能有效截留空气层。经100次砂纸磨损测试后WCA仍保持160°，证明PDMS的引入显著提升机械耐久性。

抗菌机制
对革兰氏阴性菌(E. coli)和阳性菌(S. aureus)的抑菌实验显示，含5 wt.% Ag的样品杀菌率达99%。机理研究表明：纳米花结构增大比表面积，促进Ag⁺缓释；带正电的纳米粒子与细菌膜负电荷静电吸引，导致膜破裂；产生的活性氧(ROS)进一步破坏细菌DNA。

环境稳定性
涂层在pH 2-12范围及紫外照射下维持稳定性能，油酸修饰层有效防止Bi₂O₃光腐蚀。自清洁测试中，倾斜10°即可滚落污染颗粒，展示出工程应用潜力。

该研究首次实现花状Bi₂O₃在抗菌超疏水涂层的应用，突破传统氟碳材料的局限性。通过结构-性能协同设计，同时满足高疏水性、机械强度和广谱抗菌需求。特别是提出的"纳米花结构增强气穴效应"机制，为后续开发仿生多功能涂层提供新思路。这种涂层在医疗设备防生物膜、海洋防腐、食品包装等领域具有广阔应用前景，其环境友好制备工艺更符合可持续发展要求。研究团队建议未来可探索其他金属氧化物纳米花的性能优化，并开展规模化生产验证。