《Marine Pollution Bulletin》：“Push-kill-repel” synergistic antifouling: Coral-inspired polypyrrole/quaternary ammonium molecular brushes via electrochemical layer-by-layer assembly for dynamic biofouling control
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倪玉山|刘彦华|莫伟军|Geoffrey I.N. Waterhouse|张志明|余良民•通过电化学逐层组装方法，构建了一种“推动-杀灭-排斥”型的动态防污系统（PPy/QAS）。•-1 V的阴极极化条件有助于形成密集的分子刷结构。•PPy/CTAB-E系统兼具抵抗细菌和杀灭细菌
倪玉山|刘彦华|莫伟军|Geoffrey I.N. Waterhouse|张志明|余良民
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通过电化学逐层组装方法，构建了一种“推动-杀灭-排斥”型的动态防污系统（PPy/QAS）。
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-1 V的阴极极化条件有助于形成密集的分子刷结构。
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PPy/CTAB-E系统兼具抵抗细菌和杀灭细菌的功能。
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该系统具有广谱抗菌效果，可有效抑制大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和Alteromonas等微生物的生长。
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通过EQCM、ATR-FTIR和XPS分析验证了该系统的动态防污机制。
引言
海洋资源与海洋产业是经济和社会发展的重要支柱。在海洋经济不断发展过程中，海洋生物污损问题一直是一个全球性挑战（Jin等人，2022）。海洋生物污损指的是细菌、藻类等海洋生物附着在船舶、设备以及固定结构表面的现象。这些污损生物的附着会导致船体表面变得粗糙，进而增加船舶的能耗。此外，长途跨区域航行还可能携带其他物种，引发入侵物种问题，这对海洋环境安全及工业经济发展都构成严重威胁（Kumar等人，2021）。
传统上，防止海洋生物污损的方法是使用能够释放有毒物质来抑制污损生物附着的防污涂层。早期的防污剂以有机砷和汞为基础，后来则出现了有机锡和滴滴涕等更常用的物质（Qiu等人，2024）。这类物质不仅会对海洋环境造成严重危害，而且难以实现长期稳定的防污效果（Amara等人，2018）。21世纪初，许多国家已经禁止将这类有毒物质作为防污材料使用（Pourhashem等人，2022）。因此，研发新型环保型防污材料已成为当务之急。
近年来，仿生学为防污材料的研发提供了新的设计思路，有助于创造出效率更高、更具可持续性的表面和系统（Liu等人，2024；Duan等人，2023）。受海洋生物表皮结构的启发，任等人基于静电聚集技术设计了一种具有自清洁功能的黏液状分层纤毛仿生防污表面。由于这种黏液状水凝胶膜以及分层微/纳米结构的作用，该涂层展现了出色的防污性能（Ren等人，2020）。在各种仿生防污策略中，珊瑚的动态触手为防污材料设计提供了独特灵感。珊瑚触手通过周期性摆动和动态调节，能够减少海洋微生物和沉积物的持续附着，从而形成天然的“动态防护屏障”。基于“摆动触手”的概念，人们设计了多种防污系统，通过模拟动态湍流来干扰生物的附着过程（Huang等人，2024；Zhang等人，2025a；Yin等人，2025；Wang等人，2024a）。然而，海洋环境极为复杂，仅依靠类似珊瑚的单一防污策略难以实现长期稳定的防污效果。将这类类似触手的动态防污机制与其他防污方式相结合，打造多功能防污表面，是一种颇具前景的策略。
季铵盐是一类成熟的接触型抗菌剂（Li等人，2019a）。它们的阳离子基团会与带负电的微生物膜发生静电作用，从而导致膜结构破坏，最终使微生物死亡（Li等人，2020；Zhu等人，2021）。如果能够将季铵盐固定在基底表面，使其同时具备持续的接触杀灭作用，并且还能像珊瑚那样通过烷基链产生空间阻隔效应，那么就能实现多功能防污表面，这一想法促使人们进一步开展相关研究。
在过去三十年里，导电聚合物因其独特的物理化学性质而备受关注（Pang等人，2014；Guo和Ma，2018；Zhan等人，2017；Zhou和Shi，2016），这些性质使得它们在许多领域都有广泛应用价值（Yan等人，2021；Yuan等人，2019；Li等人，2019b；Wang等人，2024b；Zare等人，2021）。尤其是，导电聚合物的表面电荷状态可以调控，这使它们成为电化学调控型防污系统的理想基底材料（Fitriya等人，2021；Nezakati等人，2018；Vatanpour等人，2018；Hanif等人，2022）。贾等人通过施加阴极极化电压，成功利用聚吡咯涂层实现了优异的防污效果（Jia等人，2018）。已知大多数海洋细菌都带有负电荷（Zhang等人，2025b），在施加阴极电位的情况下，聚吡咯涂层会对这些海洋细菌产生排斥作用，从而抑制生物膜的形成（Zhang等人，2021；Yu等人，2021）。此外，还可以将带有长烷基链的带正电荷的季铵盐引入导电聚合物表面，随后通过电化学阴极极化作用形成含有季铵盐的分子刷。水中的阴极极化还会产生过氧化氢，与这些分子刷共同作用，从而发挥强大的防污效果（Jiang等人，2022）。
在本研究中，受珊瑚表面结构及其动态防污性能的启发，研究人员提出了一种PPy/QAS分子刷型多功能防污策略。该策略通过阴极极化作用促使CTAB吸附在电沉积得到的聚吡咯层上，从而形成PPy/CTAB-E表面。该系统结合了作为分子刷的CTAB烷基链所带来的空间阻隔效应、CTAB中所含季铵盐的接触杀灭作用，以及通过阴极极化实现的电化学调控作用，因此具有极高的防污效率。电化学石英晶体微天平技术和原位衰减全反射傅里叶变换红外光谱技术均验证了该系统功能界面的存在。类似纤毛结构的季铵盐刷结构进一步证明了该动态防污策略的有效性，也为未来的海洋应用提供了一种极具潜力的新型防污系统。
章节要点
所用化学品
本研究使用的十二烷基苯磺酸、吡咯、十六烷基三甲基溴化铵、辛基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基溴化铵以及十八烷基三甲基溴化铵均为分析级产品，购自商业供应商。
材料合成
DBSA掺杂聚吡咯（PPy-DBSA）的制备：如方案1所示，首先将吡咯（1.677克，0.025摩尔）和DBSA（4.081克，0.125摩尔）加入250毫升去离子水中，随后进行超声处理
材料表征
图1a展示了电化学沉积在裸露不锈钢基底上的PPy-DBSA涂层的扫描电子显微镜图像，可见其表面较为光滑且均匀。PPy-DBSA的能谱分析结果显示，其中含有来自吡咯的碳和氮元素，以及来自DBSA的氧和硫元素，这表明DBSA已成功掺入到聚吡咯结构中（见图S1）。在形成CTAB分子刷后（见图1b），可以观察到明显的表面突起，这些突起很可能与
结论
总之，本研究成功开发出一种受珊瑚动态触手结构启发的多功能防污策略。通过电压驱动的方式将CTAB接枝到PPy-DBSA上，最终构建出了能够在阴极极化条件下实现动态防污的PPy/CTAB-E系统。通过系统研究季铵盐浓度和烷基链长度对防污效果的影响，发现2.5毫摩尔的CTAB浓度为最佳值。该系统的结构和组成已
作者贡献说明
倪玉山：论文撰写——初稿撰写、软件应用、数据分析、数据整理。刘彦华：资源提供、实验方法设计。莫伟军：软件应用、资源协调。Geoffrey I.N. Waterhouse：论文撰写——审阅与编辑、项目指导。张志明：论文撰写——审阅与编辑、项目管理工作、概念构思。余良民：实验方法设计、资金筹集工作。
利益冲突声明
所有作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：42376206）、海南省自然科学基金（项目编号：425MS105）、麦克迪阿米德先进材料与纳米技术研究所以及多德·沃尔斯光子与量子技术中心的财政支持。
