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【研究背景】

金屬所CEJ：具有長效抗污性能的光滑注液多孔鈦合金材料研究 – 材料牛

鈦合金比強(qiáng)度高、金屬具密度較小、長效材料材料耐蝕能力優(yōu)異，抗污孔鈦被稱為“海洋金屬”，滑注合金廣泛應(yīng)用于輕型海工裝備，液多研究是金屬具海洋工程領(lǐng)域的新型關(guān)鍵材料之一，有助于國家海洋戰(zhàn)略的長效材料材料發(fā)展。然而由于鈦合金良好的抗污孔鈦生物相容性，是滑注合金海洋生物理想棲息之地，因此，液多研究鈦合金在海洋工程中的金屬具生物污損問題比其他金屬材料更為嚴(yán)重。仿生豬籠草設(shè)計(jì)的長效材料材料光滑注液多孔表面(Slippery liquid-infused porous surface，SLIPS)在防污領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注，抗污孔鈦其由表面微/納米結(jié)構(gòu)與內(nèi)部的滑注合金潤滑劑復(fù)合而成，潤滑劑可有效物理隔離微生物和大型生物的液多研究生物污染，成為最有前途的綠色防污涂層之一?？蓾櫥瑒┰诤Ｋ疀_刷服役過程中的損耗問題成為困擾SLIPS服役穩(wěn)定性和長期有效性的關(guān)鍵問題，開發(fā)具有長效耐海水沖刷的新型SLIPS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)勢在必行。

【研究內(nèi)容】

近期，中國科學(xué)院金屬研究所仿生醫(yī)用材料課題組在新型抗污SLIPS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得新進(jìn)展。研究人員采用絲網(wǎng)印刷蝕刻和陽極氧化技術(shù)，在大尺寸TC4合金表面制備光滑注液多孔表面（TC4-SLIPS），該合金由蜂窩狀凹孔單元和陽極氧化微納結(jié)構(gòu)共同組成。蜂窩狀凹孔單元可扮演“鎧甲”角色，可有限抵抗外界機(jī)械損傷，保護(hù)內(nèi)部微納結(jié)構(gòu)，顯著提高表面的機(jī)械穩(wěn)定性；更重要的是，研究發(fā)現(xiàn)在海水沖刷過程中，單元內(nèi)部流體流速可有效降低，減少海水對(duì)潤滑劑的沖刷作用，進(jìn)而降低潤滑劑損失，長效維持SLIPS的“超滑”特性。陽極氧化微納結(jié)構(gòu)提供毛細(xì)管力鎖住潤滑劑層，提供良好的自清潔能力。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，TC4-SLIPS可有效抵抗海洋微生物的附著，如假交替單胞菌Pseudoalteromonas，同時(shí)也可抵抗如貽貝等海洋宏生物的粘附。團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步探索“鎧甲”結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)菌生物膜的影響機(jī)制，研究表明：與光滑TC4合金表面相比，蜂窩狀凹孔單元對(duì)細(xì)菌生物膜的生長具有明顯的抑制作用，由于蜂窩狀凹孔單元的邊緣比初始平面高，不斷生長的細(xì)菌生物膜必須先繁殖到特定的數(shù)量和厚度，才能“越過”邊緣，進(jìn)入下一個(gè)蜂窩孔區(qū)。隨著生物細(xì)菌膜的增長，遇到的邊緣的數(shù)量增加，生物細(xì)菌膜增殖所需的時(shí)間也增加。

綜上，TC4-SLIPS 結(jié)合了蜂窩狀凹孔單元的“鎧甲”結(jié)構(gòu)和潤滑劑的 "超滑 "特性，可在早期充分抑制海洋生物的粘附和增殖。此外，當(dāng)潤滑劑長期使用后出現(xiàn)流失時(shí)，蜂窩狀凹孔單元對(duì)生物膜形成和增殖的抑制作用可在防污方面發(fā)揮重要作用。該研究工作為TC4-SLIPS為在海洋工業(yè)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)鈦合金的長期抗生物污染提供了有前途的策略。

該項(xiàng)工作得到中國科學(xué)院先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA220101）的資助。相關(guān)研究結(jié)果以“Improving antifouling functions of titanium alloys by robust slippery liquid-infused porous surfaces with tailored multiscale structures”為題，發(fā)表于Chemical Engineering Journal, 2023, 478, 147342。其中，張澤平博士生和白蕓研究員為論文的第一作者和共同第一作者，韓日崢博士生、于強(qiáng)碩士生、楊銳研究員、張興研究員為共同作者。

【圖文導(dǎo)讀】