本文關(guān)鍵詞： 抗生物黏附 仿生表面 鯊魚皮微結(jié)構(gòu) 微/納結(jié)構(gòu) 兩性離子　出處：《華南理工大學(xué)》2013年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：“不良”生物黏附的危害是生物醫(yī)用材料、生物化工、海洋船舶防污等研究和應(yīng)用領(lǐng)域中涉及的一個共性的、具有基礎(chǔ)性和普遍性的問題。自然界中存在著具有優(yōu)異抗生物黏附特性的生物表面，如可保持表面清潔的海洋生物鯊魚的皮膚、“出淤泥而不染”的荷葉表面以及具有生物黏附呈惰性的細(xì)胞外層膜等，它們所特有的表面化學(xué)組成和特異化學(xué)結(jié)構(gòu)，以及表面的微/納結(jié)構(gòu)為我們構(gòu)建抗生物黏附表面提供非常完美的仿生模板和仿生途徑。從目前國內(nèi)外學(xué)者就抗生物黏附表面而進(jìn)行的研究思路、方法和研究結(jié)果來看，表面仿生無疑是最有效的策略。然而，生物表面在抗生物黏附過程中是以一個完整的生命體系發(fā)揮作用，因而單一的形貌結(jié)構(gòu)仿生或者表面化學(xué)仿生往往難以構(gòu)建穩(wěn)定的抗生物黏附表面，更不可能構(gòu)建出多功能的仿生表面。正是基于這一分析和認(rèn)識，受到抗黏附的自然界各種生物表面的非光滑結(jié)構(gòu)以及細(xì)胞外層膜的化學(xué)組成與化學(xué)結(jié)構(gòu)的啟迪，我們提出將仿生物非光滑表面的微米級結(jié)構(gòu)與可呈現(xiàn)特殊浸潤性的納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合，以及將表面的形貌結(jié)構(gòu)仿生與表面化學(xué)仿生相結(jié)合，，構(gòu)建新型復(fù)合仿生的抗生物黏附表面的研究思路。本工作的主要研究內(nèi)容與研究結(jié)果如下所述： 1.以鯊魚皮和植物(狗尾巴草)葉片為表面仿生的模板，將生物表面微復(fù)制法與表面熱處理方法相結(jié)合，在仿生微結(jié)構(gòu)表面構(gòu)筑具有“荷葉效應(yīng)”的納米結(jié)構(gòu)，制備出具有多尺度微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)的仿生表面。研究表明：采用生物微復(fù)制法能夠較精確地復(fù)制出天然模板表面的微米級精細(xì)結(jié)構(gòu)，但難以有效地復(fù)制出納米級的精細(xì)結(jié)構(gòu)；火焰處理能夠在通過微復(fù)制法得到的微米級結(jié)構(gòu)表面構(gòu)筑出納米結(jié)構(gòu)，由此制備出的微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)仿生表面具有超疏水特性，水滴接觸角大于150°，滾動角小于1°。 2.受細(xì)胞外層膜的性質(zhì)及其化學(xué)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，設(shè)計(jì)與合成了幾種含甜菜堿型兩性離子基團(tuán)的化合物，如硅烷基化兩性離子單體SINNS-2和N,N-二甲基-N-甲基丙烯酰胺基丙基-N-丙烷磺酸內(nèi)鹽DMAPMAPS等，采用分子自組裝技術(shù)和UV固化有機(jī)/無機(jī)雜化過渡層黏接技術(shù)的方法，在基材表面構(gòu)筑具有親水性仿細(xì)胞外層膜化學(xué)特性的自組裝表面和聚合物凝膠層。此外，利用光引發(fā)表面接枝聚合法在仿鯊魚皮微結(jié)構(gòu)表面接枝甜菜堿型兩性離子聚合物，借助兩性離子與水之間的靜電作用形成類似于鯊魚表皮黏液的水化層，使所制備的表面具有復(fù)合仿生的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)代測試技術(shù)表征和分析了所制備的各種仿生表面的化學(xué)性質(zhì)、微觀形貌及其潤濕性；利用流變儀初步探討了仿生材料表面流變減阻特性，發(fā)現(xiàn)具有粘液特性的兩性離子親水表面存在滑移現(xiàn)象。 3.采用有機(jī)/無機(jī)雜化技術(shù)，用羧酸兩性離子硅烷共聚物與納米SiO2制備了有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合物。用這一復(fù)合物為界面材料，采用霧化噴涂和熱處理方法在玻璃基材上構(gòu)建了一系列表面物化性質(zhì)不同的SiO2雜化超親水涂層表面。探討了表面浸潤性與表面微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)之間關(guān)系，并測量其防霧效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過對表面化學(xué)性質(zhì)和微觀形貌的調(diào)控，可獲得具有空氣中超親水、水下超疏油的潤濕特性的表面，且涂層具有很好的防霧性能。 4.以經(jīng)典Young氏方程、Wenzel及Cassie方程為理論基礎(chǔ)，分析和解釋了各種仿生表面的化學(xué)成分和粗糙度對表面親/疏水潤濕性能的影響，并探討了超疏水、超親水/水下超疏油表面的形成條件。針對兩性離子親水表面呈現(xiàn)出的水下超疏油特性，提出了新的見解，即表面親水基團(tuán)的水化作用是含兩性離子表面親水性表面具有水下疏油特性的關(guān)鍵。 5.采用蛋白質(zhì)吸附、細(xì)菌黏附和藻類黏附等生物黏附試驗(yàn)，研究了各種仿生表面的物理/化學(xué)特性表面微觀結(jié)構(gòu)抗生物黏附性能之間的構(gòu)效關(guān)系。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)： (a)仿鯊魚皮微結(jié)構(gòu)表面并沒有顯示出抗生物粘附效果，反而會增加生物黏附量，且黏附更加牢固； (b)復(fù)合仿生結(jié)構(gòu)表面的微/納結(jié)構(gòu)所吸附的空氣薄層作為一種物理屏障，能阻礙各種生物體的粘附，在抗生物黏附中起到關(guān)鍵作用。蛋白質(zhì)等在微/納結(jié)構(gòu)表面的吸附，會導(dǎo)致表面空氣層逐漸消失，影響材料的抗生物黏附性能的持久性或穩(wěn)定性； (c)本身具有低表面能性質(zhì)的有機(jī)硅PDMS材料表面比具有微相分離結(jié)構(gòu)的聚氨酯PU材料表面有著更加優(yōu)異的抗粘附效果；仿生細(xì)胞外層膜的兩性離子表面，如自組裝分子層、聚合物凝膠層、表面接枝聚合物以及雜化涂層表面由于水化層的作用，均具有較好的抗生物黏附性能； (d)通過調(diào)控SiO2雜化超親水涂層表面的化學(xué)基團(tuán)，可獲得具有抗細(xì)菌黏附性能的材料表面。含有季銨鹽基團(tuán)的SiO2-PCM表面具有殺菌和抑制細(xì)菌繁殖的作用；而經(jīng)過堿水解之后得到的SiO2-PCMZ表面，在不具有殺菌滅菌作用基礎(chǔ)上，也表現(xiàn)出優(yōu)異的細(xì)菌黏附性能。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：Q811;R318.08

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1511735