超疏水表面材料的制备及其抑菌性检测方法

　　摘要:随着生物医学工程的迅速发展，对特殊界面材料的需求愈加迫切。具有疏水性、防粘性、自洁性和抑菌性的独特功能表面，展现出广泛的应用前景。本文对超疏水表面材料的制备及其抑菌性检测方法进行了综述，旨在为新型生物医学材料的设计与开发提供参考。

　　关键词:超疏水;自洁性;抑菌性;仿生制备;生物工程

　　超疏水表面材料被广泛应用于工业、农业、航空航天、军事、生物医学及日常生活领域。但是,材料表面容易产生细菌,随之形成生物膜,破坏生产活动,给人类健康带来直接威胁[1]。尤其是环境污染在世界范围内愈演愈烈,超疏水、超疏油等新型功能材料表面的制备已成为各国关注的焦点[2]。

　　1超疏水表面材料的制备方法

　　超疏水表面特性一般表现为较低的表面能、分形的微纳米表面结构。要想达到接触角大于150°,需要构建多层级固体表面结构[3]。物理方法、化学方法、复合方法均可以实现超疏水表面材料的制备[4]。

　　1.1刻蚀法

　　这种方法借助溶液、离子或机械手段,实现对材料的剥离,属于微加工制造范围。在该技术的支持下,可构建具有微纳米尺度的表面结构,目前主要的工艺技术有飞秒激光技术和离子刻蚀技术[5]。其中,激光技术是以飞秒激光辐照硅片表面,形成粗糙的微观结构,借助气相沉积法,制造出各种形貌的微结构硅表面,以此实现对材料浸润性能的有效调节。在聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面涂一层薄膜,该薄膜比基底的硬度更大,所形成的复合膜通过拉伸比会呈现出皱纹性表面结构,借助水滴润湿性实验,呈现出良好的疏水性[6]。

　　王晓俊等则采用飞秒激光技术,基于铝材料表面,形成了超疏水性结构,并针对不同形貌接触角进行了测定,达到了超疏水性[7]。Patankar借助刻蚀法,获取规整的图案表面,以PDMS技术实现纳米压印,以10∶1的前聚体与交联剂配比,形成混合物并进行加热交联处理。在110℃、2hr条件下,获得与硅片模板相同的表面结构,表现出超疏水性[8]。

　　1.2模板法

　　这种方法借助模板上嵌有的图案,进行挤压、印制、扩孔等操作,移除模板后获得相反图案的构型,进而复制出与模板相同或相近图案的表面[9,10]。Tian等以聚苯乙烯塑料为原材料,制成复合型超疏水表面,形成直径为3μm的乳突结构,接触角为160°,达到了超疏水性[11]。Patankar在Si表面进行刻蚀,取得了较为理想的微纳米图型界面,然后进行PDMS纳米压印;将PDMS聚合体及交联剂(质量比10∶1)的混合液体加注Si片,在110℃下加热2hr后,移除Si片,从而使PDMS表面获得与Si片模板表面相同的粗糙形貌,并且具有良好的疏水性[8]。

　　1.3溶胶-凝胶法

　　该方法借助含有高化学活性组分的化合物作为前驱物,在酸性或碱性条件下,通过水解产生活性羟基,再经过缩合反应形成凝胶,经陈化、干燥后,形成干凝胶。剔除溶剂,通常会留下一些纳米孔,使材料具备超疏水等性能。Rosa等采取溶胶-凝胶法,将超分子有机硅作为前驱体,加入PDMS,得到接触角为150°的超疏水SiO2薄膜[12]。Ahmed等将四乙基原硅酸盐作为前驱体,与聚丙二醇进行一定比例的混合,在玻璃表面制成硅膜,并用六甲基二硅胺烷进行修饰,得到接触角为159°的超疏水膜,其优势在于可在常温常压下进行制备,成本投入低,对基底属性要求低,适合大面积制备[13]。

　　1.4等离子处理技术

　　这种方法借助等离子体,以普通材料、含氟材料或含硅材料为基体,进行表面粗糙化处理,制备超疏水表面[14]。Mohamed等在含硅材料上制备出粗糙的表面结构,借助氟化物进行表面修饰,获得超疏水性表面材料,接触角接近180°[15]。Joseph等在室温条件下,借助CO2脉冲激光,对PDMS进行处理,使材料表面呈现出多孔结构,接触角达175°[16]。该技术方法具有选择性高、速度较快的优势,但缺点是成本造价较高,因此无法适用于大面积超疏水材料的制备。

　　1.5拉伸法

　　Winnik等通过对聚四氟乙烯膜进行拉伸,获得了呈现大量孔洞的纤维表面,具备超疏水性。通过实验证实,对尼龙膜采取拉伸方法,能够使材料形成三角形网状结构,展现出超疏水性,接触角为151°。如果采用双向拉伸方法,尼龙膜则具有超亲水特性,接触角为0°[17]。该方法的优势在于,制备方法简单易操作,成本投入较低,适于大面积制备超疏水表面材料,因此成为当前相关研究领域关注的焦点之一[18]。

　　1.6电纺丝法

　　电纺丝又称为静电纺丝,这种方法的基本原理为,借助聚合物溶液或熔体,将强电场作为媒介,通过喷射流的形成实现纺丝加工。Yao等在该技术的支持下,以普通的聚苯乙烯塑料为载体,制备了仿荷叶表面纳米结构的超疏水构型,接触角可达159°。直径几十纳米的纺丝纤维在表面呈混杂排列,形成直径约3μm的空隙结构,对超疏水性起到关键作用[19]。

　　2超疏水表面材料抑菌性的检测方法

　　2.1染色计数法

　　利用这种方法,能够明确相应的抗菌材料是否具有杀菌作用。检测过程中采用的荧光材料为SYTO9和PI。其中,SYTO9能够穿过细胞壁与细菌DNA进行结合,并在510nm处,显示出绿色荧光活菌;PI则只沉积在不完整细菌的细胞壁中,且在630nm处,显示出红色荧光死菌,从而实现对活菌与死菌的有效区分[20]。

　　计数器包括电子计数器和普通计数器。前者利用孔中液体的电阻变化数据进行统计,具有较高的测量精度,但不能判别细菌种类,同时对菌悬液的纯度要求较高。后者实际上就是血细胞计数器,将一定体积的菌悬液置于计数器的技术室中,利用显微镜观察计数。技术室的容积一定,因此可根据其中的细菌数推算整个样品的活菌数。该方法简单易行,可实现对细菌数量的有效统计。

　　2.2抑菌圈法

　　借助抗菌材料的扩散性,能够形成浓度梯度,进而抑制细菌生长,在此过程中就形成了相应的抑菌圈。抑菌圈越大,则抑菌效果越好,反之抑菌效果越差。在实际运用中,这一检测方法的适用范围受限,通常只能满足可溶性材料,且要求细菌生长速度较快。同时,测试结果会受到诸多因素的影响,如细菌含量、纸片质量等[21]。

　　2.3比浊法

　　该方法借助菌液进行菌落培养,使用光电比色计测量菌悬液OD值,根据菌悬液透光度与细菌浓度之间的相关关系,间接测定细菌数量。假设实验样品为B,对照样品为A,则抑菌率为:(A-B)/A×100%。当其值大于等于50%时,则说明该材料具备良好的抑菌性。这种测量方法相对简单方便,但是只能计算出相对的细菌数目,且只适用于细菌数量较多的悬浮液[22]。同时,对于颜色较深的样品,亦无法使用该方法进行测量。

　　3结语

　　人们对生活品质和身体健康的关注日益增长,对各种抗菌用品的需求数量呈递增趋势。自然界中有许多生物体的表面具有自洁功能,可以有效避免细菌侵入。以天然活性表面为模板,设计与制备具有特殊用途的复合功能材料,是目前仿生工程学领域的热点之一[23,24]。随着现代科学技术的不断发展,以及在绿色环保政策的要求下,不论是超疏水表面材料的制备方法,还是抑菌性的检测方法,都将实现更多的创新和突破。

　　参考文献

　　[1]FangYan,SunGang,BiYuhan.Preparationandcharacterizationofhydrophobicnanosilverfilmonbutterflywingsasbio-template[J].ChemResChinUniv,2014,30(5):817-820.

　　[2]WangS,LiuK,YaoX,etal.Bioinspiredsurfaceswithsuperwet-tability:Newinsightontheory,design,andapplications[J].ChemicalReviews,2015,115(16):8230-8293.

　　[3]孙刚,房岩,丛茜,等.甲醇/水混合溶液在蝴蝶翅膀表面的润湿行为[J].吉林大学学报(工学版),2012,42(Sup.1):429-432.

　　表面材料论文投稿刊物：《吉林大学学报理学版》1955年创刊，是自然科学领域的综合性学术期刊。是新中国成立后创刊最早的高校学报之一。刊发国家重大科技项目和国家自然科学基金项目及各省和部委基金项目文章的数量逐年增加,其中有许多成果获得较大的社会效益和经济效益。