动态界面涡流阵列(DIVA)：突破性抗生物污染技术的创新与应用

微生物污染在医疗、海洋和工业领域造成严重危害。Wang等研究人员开发了一种基于磁响应软材料的动态界面涡流阵列(DIVA)策略，通过产生高壁面剪切力主动清除表面微生物。该技术能在高浓度细菌环境中保持表面污染<2%，1小时内去除>90%生物膜，且不引发耐药性。相关成果发表于《Cell Reports Physical Science》，为可持续抗污染技术开辟新途径。

　　

微生物污染如同无形的敌人，从医疗器械感染到船舶燃料浪费，每年给全球造成超过150亿美元的损失。更令人担忧的是，世界卫生组织预测到2050年耐药菌感染将成为人类头号杀手。传统解决方案如超疏水涂层或抗生素释放存在明显短板——前者在水下仅能维持1天效果，后者则加速耐药性产生。面对这一跨学科挑战，上海交通大学机械与动力工程学院的研究团队在《Cell Reports Physical Science》发表突破性成果，开发出动态界面涡流阵列(DIVA)技术，为抗污染领域带来革命性进展。

研究团队采用磁响应性软复合材料，通过定向磁化的钕铁硼(NdFeB)微粒与硅油增塑的聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合，构建出能产生动态凹坑阵列的智能表面。关键技术包括：1）通过自旋涂布和真空固化制备磁响应涂层；2）采用粒子图像测速(PIV)技术可视化流体动力学特性；3）建立ANSYS Fluent模型模拟壁面剪切应力；4）选用大肠杆菌(E. coli)、金黄色葡萄球菌(S. aureus)等典型微生物进行抗污染测试。

磁响应凹坑变形的形成机制
通过调控NdFeB含量(20-80 wt%)和PDMS/硅油比例(2:1至1:2)，确定40 wt% NdFeB和1:2比例组合能产生最佳变形响应。在300 mT磁场下，磁化NdFeB复合材料的凹坑深度达1 mm，是Fe₃O₄材料的5倍（图3C）。这种定向磁化策略使材料在相同磁场下产生更大变形，为后续流体控制奠定基础。

界面流体动力学特性
通过高速摄像机捕捉到移动凹坑产生的涡流速度达586.7 μm/s（图4D）。数值模拟显示移动凹坑的平均壁面剪切应力(960 mN/m²)是平板移动的10倍（图4G），这一数值超过常见病原体如铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)所需的临界剪切应力(240 mN/m²)。

抗污染性能验证
在优化参数（300 mT磁场、30 mm/s移动速度、25 mm²磁体面积）下，DIVA表面展现出惊人效果：

• 抗污染：24小时高浓度(OD₆₀₀=0.1)细菌培养后，表面覆盖率<2%（图6B）
• 污染释放：1小时内清除>90%已形成的生物膜（图6E）
• 广谱性：对白色念珠菌(C. albicans)等真菌也有95%以上抑制率（图6H）

环境稳定性测试
经过盐酸浸泡、150℃高温处理以及Taber磨损实验后，DIVA仍保持>85%的抗污染效率。通过硅油再溶胀可完全恢复表面性能（图S16），在7天海洋藻类测试中，覆盖率仅为对照组的3%（图S18）。

这项研究的意义在于突破了传统抗污染技术的局限性：首先，动态物理清除机制避免了化学杀菌剂的耐药性问题；其次，磁驱动能耗极低（约$0.05/m²/天），比酒精消毒成本降低18倍；更重要的是，该技术可规模化应用于医疗导管、船舶涂层等复杂曲面。正如通讯作者Jing Wang指出，DIVA技术通过融合软物质力学与流体动力学，为解决微生物污染这一千年难题提供了全新思路，其应用前景涵盖食品工业、海洋工程等多个领域。未来研究可探索其他驱动方式（如光场、超声）以拓展应用场景，使这项"会自我清洁的智能皮肤"技术惠及更多行业。