Science ：神奇的注入型润滑剂材料让贻贝不再“粘人”

【引言】

贻贝是一种宏观结垢生物体，可以附着在大多数固体表面，对海洋和水产养殖业造成严重的经济及生态影响。 本文证明，在实验室模拟环境及海洋真实环境下，润滑剂注入涂层后超低的粘合强度可以使得贻贝附着力减弱。在沉积的粘合蛋白观察中，从纳米尺度接触力学的分子尺度表征到宏观观察，都表明通过润滑剂输注可以使得贻贝的结垢机械感应能力大大减少，阻止粘合剂的线性分泌，并减少分子粘附力。本实验研究表明，润滑剂输注是减轻海洋生物污染的有效方法，而且进一步提供了防止粘连的物理机制。

【成果简介】

海洋生物污染是海洋生物附着在水下结构的过程，是海运行业的重大经济负担。沉积在浸没表面上的结垢有机体会增加阻力，降低船舶的机动性，进而提高油耗。生物污染也对港口和渔业基础设施造成不利影响，例如严重堵塞循环管道。因此，防止生物污染相当重要。贻贝通过粘合弹性蛋白质丝可以无差异地附着到任何亲水/疏水的固体表面，包括金属，矿物，塑料，水泥甚至含氟聚合物。

近期，来自哈佛大学的Joanna Aizenberg、 弗里德里希 - 亚历山大大学的Nicolas Vogel和 新加坡南洋理工大学的Ali Miserez（共同通讯作者）等人在Science上发表了一篇关于利用润滑剂注入材料进而防止贻贝粘附的文章，题为“Preventing mussel adhesion using lubricant-infused materials”。文中介绍了注入润滑剂的表面可成为新型防水涂料，具有很好的防止生物污染能力。通过不混溶、不反应的液体润滑剂覆盖在固体基材上，以防止其与贝类与材料直接接触。稳定的液体保护表面可以通过两种一般策略进行设计。首先，润滑剂可以干预化学功能化的粗糙度特征，使得范德华力和毛细管力的扩散和保留；第二，聚合物网络可以用润滑剂注入，以形成一种三维（3D）凝胶，具有自补充的润滑剂覆盖层。除了维度（2D与3D）之外，两种方法所得材料的弹性模量（E）有很大的不同。文中推测，因为润滑剂注入的涂层在排斥有机液体、水，减少细菌、血液和藻类的结垢方面特别有效，所以它们可以有效地防止贻贝粘附。

【图文导读】

图1 冬青贻贝沉降和斑块分泌图示

（A）在最初（左）均匀放置并允许移动的贻贝和沉降48小时（右）的各种表面的随机格子棋盘排列；

（B）每个棋盘中每个表面类型的粘贴斑数量；

（C）不同表面类型中每个载玻片的平均粘合斑块；

（D至F）线分泌的实时观察实例。蓝色方框内是突出分泌的粘合线和斑块。

图2 贝类粘合剂足迹分析图

（A）实验示意图；

（B）不同表面的平均粘合强度；

（C）贻贝斑块脱离后的MALDI-TOF光谱。

图3 不同材料的防粘连图示

（A）静置8和16周后，每种表面类型相关的污染群体的代表性图像；

（B）污染区域的覆盖面和组成。

图4 不同表面的纳米接触力学图

（A）特征负载—位移曲线；

（B、C）两种表面的粘合力方案；

（D）润滑剂注入表面的代表性压痕曲线；

（E）相应接触方式的代表性压痕曲线；

（F）在润滑剂注入表面接触时，随着时间的推移，贻贝脚粘连力的模拟分布图。

图5 贻贝在非灌注（左）和灌注（右）表面的粘附力学图

【小结】

有润滑剂注入的表面材料对抗贻贝（其中最普遍的海洋大分子物质之一）表现出显著非结垢活性。研究人员在多个长度尺度上的综合研究发现这种防污性能的基本机制。首先，润滑剂覆盖层可能会干扰贻贝在检测到固体表面时触发粘合剂行为的机械传感机制。第二，所得的材料附着强度较低。夹带的润滑剂影响粘附的分子作用，其通过阀效应降低宏观粘附性。重要的是，该法可以制成喷涂材料，允许在任意表面上容易的大规模应用，并且由于润滑剂在聚合物涂层的扩散可以有效补充而具有长久的性能。研究结果表明，润滑剂注入的材料有望解决与海洋生物污染有关的重要经济和生态负担，特别是那些由贻贝物种入侵引发的生物污染。

文献链接： Preventing mussel adhesion using lubricant-infused materials（Science，2017，DOI: 668–673）

本文由材料人编辑部高分子学术组王一贺供稿，材料牛编辑整理。

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