吉林大学：仿生自更新与自修复防污涂层，实现全天候光学防护和接触抑菌

2026-07-14 17:10:25 作者：涂料驿站来源：涂料驿站分享至：

海洋生物污损是指微生物、藻类和动物在水下表面的积累，对海运业、船舶及水下基础设施构成严重威胁。由此导致的燃料消耗增加、材料腐蚀加速以及维护成本上升，每年给全球造成巨大的经济损失。传统上，铜基和有机锡基自抛光共聚物涂层一直占据主导地位。然而，随着环境问题的日益突出和法规的严格，许多杀生物剂因其持久性、生物累积性和对非目标海洋生物的毒性而受到限制或被禁用。这一紧迫形势推动了先进、环保的防污策略的迫切发展。

尽管已开发出多种用于海洋防护的表面工程方法，但光催化防污技术在近年来因其环保性、广谱抗菌效果和高效率引起了广泛关注。光照条件下，光催化材料会产生大量活性氧（ROS），这些物质对附着的微生物造成严重的氧化应激和膜损伤。重要的是，这些材料在运行过程中不释放任何化学物质，可有效防止细菌产生抗生素耐药性。金属有机框架（MOFs）因其高比表面积、丰富的活性位点以及可调控的结构，成为极具吸引力的光催化平台。然而，大多数MOFs的带隙较宽，限制了它们对太阳辐射的利用。此外，MOFs的电子转移速率较慢、量子效率较低，也阻碍了其光催化性能的提升。为克服MOFs的局限性，异质结构复合材料的构建策略已得到广泛研究和应用。

尽管光催化材料不断进步，但它们在防污涂层中的实际应用仍受到环境耐受性差、短期效果有限以及功能单一等挑战的制约。首先，光催化过程对持续光照的严格依赖，导致涂层表面在夜间完全失去防护能力，极易被污损生物定殖并形成不可逆的生物膜。其次，当活性纳米填料被刚性嵌入传统聚合物树脂中时，它们的活性位点常被基质遮蔽或被死菌残留物堆积而受阻，导致光利用效率和催化性能迅速下降。此外，在恶劣的海洋环境中不可避免的机械损伤会永久破坏涂层的结构屏障，加速局部失效。近期研究表明，通过集成动态网络或智能组件，可成功实现协同自修复。这些固有局限性不可避免地降低了光催化防污涂层在实际应用中的可靠性和长期稳定性。因此，开发一种能够确保活性位点充足和持续暴露的多功能光催化防污系统至关重要。

近期，吉林大学刘燕/魏冬松团队受萤火鱿生物发光、表面更新和组织修复的启发，成功制备了一种全天候、自更新和自修复的仿生防污涂层。

通过引入可逆的二硫键和可水解酯基团，合成动态聚氨酯（PU）基质，然后与三元UiO-66-NH₂/CNTs/AgNPs（UCN-Ag）异质结构和长余辉荧光粉（LAP）相结合，通过喷涂工艺制得PU-UCN-Ag_x-LAP复合涂层。

所制得的涂层实现了协同的昼夜节律光学防护。白天，UCN-Ag产生ROS并释放银；夜晚，LAP发出持续蓝光（473nm，约8小时），主动驱赶污损生物，并激发邻近的UCN-Ag以维持暗态催化。研究表明，该涂层具有高达99.9%的抗菌率，微藻和蛋白质（BSA）的覆盖分别抑制在<0.1%和0.4%。该涂层具有优异的自修复能力，在人工划痕测试中可恢复97.86%的防腐保护效率。该涂层具有持续表面更新的特性，即使在人工海水中浸泡90天后仍能保持有效的防污性能。

本研究为集成持久荧光预警功能的海洋生物污损预防提供了一种高度可靠的范式。

仿生概念与防污机制示意图

涂层的仿生概念与防污机制示意图：(a)以萤火鱿鱼为灵感的仿生设计，突出其生物发光（光学警示）、持续黏液分泌（表面更新）和伤口闭合（组织修复）的机制；(b)适用于海洋环境的全天候、自更新和自修复防污涂层的概念示意图；(c)涂层内部结构与和组分示意图；(d) 日间主动防御机制；(e)夜间主动防御机制；(f)由水驱动的表面自更新过程示意图；(g)自修复过程示意图；(h)涂层的防污与警示性能。

制备与表征

UCN-Ag的制备与表征。

制备与表征

PU-UCN-Ag-LAP的制备与表征：(a)PU的合成工艺；(b)PU-UCN-Ag-LAP的合成过程；(c)PU的FTIR光谱；(d)PU的拉曼光谱；(e)PU的XPS光谱；(f)相应的S 2p高分辨率光谱；(g-j)PU-UCN-Ag_0.5和PU-UCN-Ag_0.5-LAP的SEM图像：(g)PU-UCN-Ag_0.5表面；(h)PU-UCN-Ag_0.5-LAP表面；(i)PU-UCN-Ag_0.5的横截面；(j)PU-UCN-Ag_0.5-LAP的横截面；(k)PU-UCN-Ag_0.5-LAP横截面的SEM图像及EDS图谱；(l)光照下涂有PU-UCN-Ag_0.5-LAP涂层的玻璃龟；(m)黑暗下涂有PU-UCN-Ag_0.5-LAP涂层的玻璃龟。

数据来源与出处

相关研究成果以“Firefly Squid-Inspired Self-Renewing and Self-Healing Antifouling Coatings with All-Weather Optical Defense and Contact Bacteriostasis”为标题发表在《Composites Part B: Engineering》上。

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