两性离子纳米纤维素复合涂层的设计与应用：兼具抗雾和抗污功能的多场景解决方案

这篇综述创新性地设计了一种基于两性离子纳米纤维素（ZCNF）和聚丙烯酸（PAA）的Janus涂层，通过赖氨酸修饰赋予材料超亲水性和抗污性能，结合Fe3+配位交联提升涂层粘附力与机械稳定性。该涂层在医用内窥镜、食品包装和海洋防污等领域展现出优异的抗雾（antifogging）、抗生物粘附（>97%抑菌率）及自修复特性，为环境友好型多功能涂层开发提供了新思路。

　　

摘要

生物污染与表面结雾现象常协同发生，对医疗器械、食品包装和海洋设备等功能性表面构成严峻挑战。本研究通过赖氨酸修饰的纤维素纳米纤维（ZCNF）与聚丙烯酸（PAA）的配位交联，开发出兼具抗雾和抗污功能的Janus涂层。该涂层在60-90°C蒸汽环境下保持90%以上透光率，对大肠杆菌（E. coli）和硅藻的抑制率分别达97%和99%，并通过Fe³⁺介导的氢键网络实现水下自清洁和划痕修复（4H铅笔硬度）。

1 引言

传统亲水涂层依赖金属氧化物或防污剂，存在环境毒性及界面粘附不足等问题。受贻贝粘附蛋白启发，研究团队利用两性离子纳米材料（ZCNF）的电荷特性与PAA的粘附性，构建了具有非对称界面特性的涂层：顶部抗粘附表面通过zwitterionic groups形成致密水合层，底部则通过Fe³⁺交联强化与基材（玻璃/PET/不锈钢）的结合力（粘附强度2.91±0.06 MPa）。

2 结果与讨论

2.1 ZCNF与涂层的制备表征

TEMPO氧化法制备的纤维素纳米纤维（CNF）经EDC/NHS活化后，与赖氨酸发生酰胺化反应，红外光谱在1710 cm^-1（酰胺I带）和1516 cm^-1（酰胺II带）出现特征峰。XRD显示修饰后结晶度仅从59.5%降至58.8%，保留纳米纤维的透明性和机械强度。正交实验优化涂层配方（1 mg/mL ZCNF+25 mg/mL PAA+1 mg/mL Fe³⁺），SEM显示涂层表面平整，EDS证实C/O/N/Fe元素均匀分布。

2.2 润湿性与抗雾性能

涂层5秒内接触角降至10°以下，30分钟吸水率达56 g/m²。80°C蒸汽测试中，未涂层玻璃透光率骤降至40%，而涂层样品保持90%透光率。应用于护目镜时，涂层侧在人体呼吸蒸汽环境下持续60分钟无雾化，优于商业防雾涂层（7天后失效）。计算机视觉DCP算法验证显示，严重雾化（80°C）时传统去雾方法完全失效。

2.3 抗粘附性能

AFM测量显示涂层使牛血清蛋白（BSA）粘附力降低50%（0.47 vs 0.88 mN/m）。水下油接触角测试中，四氯化碳等有机溶剂无法粘附表面。荧光显微镜观察发现，12小时后未涂层玻璃被E. coli覆盖，而涂层表面仅零星分布；海洋现场试验中，40天后涂层环氧树脂板的生物污损覆盖率降低51%。

2.4 机械性能

涂层使PET基材硬度从<6B提升至4H，经240目砂纸磨损后透光率仍保持80%。划痕自修复实验显示，浸水1秒后1000目砂纸损伤修复率>90%。机理分析表明，Fe³⁺配位键和ZCNF纤维网络共同维持结构稳定性。

2.5 应用验证

细胞实验（CCK-8法）证实涂层对L929细胞存活率无影响（>90%）。动物实验中，涂层内窥镜清晰呈现兔上颌解剖结构，而未涂层镜片严重雾化。生菜保鲜测试显示，8天后涂层包装组仅边缘褐变，失重率（9%）显著低于对照组（15%）。

3 结论

该研究通过仿生策略将两性离子特性与纳米纤维素力学性能结合，解决了传统涂层在潮湿环境中稳定性差的问题。未来可通过调控ZCNF取代度进一步优化防污时效性，在微创手术器械等精密领域具有广阔前景。

4 实验方法

关键步骤包括：TEMPO氧化法制备CNF、EDC介导的赖氨酸修饰、旋涂成膜（1500 rpm/20s）。抗菌测试采用GB/T 31402-2015标准，海洋试验在渤海湾（117°46′E）进行40天实地观测。所有数据均通过三次重复实验验证。