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廣州大學林璟教授課題組 CEJ:提出基于拉普拉斯壓差驅動液滴定向運輸的主動式抗細菌黏附策略
2023-11-16  來源:高分子科技

  有害細菌黏附在材料表面形成難于清除的生物膜,嚴重危害人類健康和經濟發展。研究發現,預防細菌的初始黏附是抑制生物膜形成的有效手段。迄今為止,超疏水和超親水表面被廣泛應用于抗細菌黏附并取得了重大進展,但超疏水抗細菌黏附表面依賴于重力才能使細菌液滴從表面脫除,而超親水抗細菌黏附表面則需要在水環境下才能實現其抗黏附功能。近年來,有學者通過在表面修飾類液體分子或在多孔表面灌注滑移液的方式構建了類液體和滑移液灌注型抗細菌黏附表面,極小的接觸角滯后使得細菌液滴只需要表面略微傾斜即可脫離表面。因此,上述抗細菌黏附表面所采取的抗細菌黏附策略屬于被動式抗細菌黏附策略,需要依賴于液滴重力來實現細菌液滴脫離表面,而其本身并不具備細菌液滴驅離能力,難于避免細菌液滴在表面長期滯留最終導致污染的根本性問題。



  該研究提出了一種基于拉普拉斯壓差驅動細菌液滴運動的主動式抗細菌黏附策略,構建了可產生拉普拉斯壓差的的楔形槽結構表面(DSWS),細菌液滴在DSWS上的運動距離與楔形槽開口角度、刻蝕深度、改性劑接枝密度及液滴體積緊密相關,液滴在DSWS上能以45 mm/s 的平均速度運動63.4 mm。采用有限元法計算發現:液滴的拉普拉斯壓差先增大后劇減,其運動速度與實際運動相吻合,液滴是以滾動方式向前運動,應力集中在液滴底部與楔形槽接觸兩側。再次基礎上構建了由楔形槽組成的星型結構表面,結合紅外傳感器和微量進樣泵構建了用于液滴自驅動的紅外智能響應星型平臺(SIRP)。動態與靜態的抗細菌黏附測試結果都顯示SIRP具有良好的抗細菌黏附性能,液滴運動路徑上無細菌殘留,驗證了該抗細菌黏附策略的有效性,揭示了拉普拉斯壓差驅動與主動式抗細菌黏附的內在關聯。值得一提的是,SIRP在檢測到細菌液滴后,可紅外感應微小液滴并響應釋放納米銀抗菌液滴至目標位置,具有優異的響應性抗菌。此外,SIRP在液滴間的微反應和微流控領域具有極大應用潛力。



  該研究成果以題為“Active bacterial anti-adhesion strategy based on directional transportation of droplet self-actuated by Laplace pressure gradient on self-actuated and infrared sensing responsive platform”發表在國際權威期刊Chemical Engineering Journal》上。本文的作者單位為廣州大學化學化工學院,第一作者為廣州大學化學化工學院盧漢卿碩士研究生,通訊作者為林璟教授(導師)。


  文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.146348


  此外,林璟教授課題組在抗菌和抗細菌黏附技術的構建及其應用方面也取得了其它系列成果:

  (1)為解決多孔粗糙纖維表面由于毛細管力吸附作用易黏附細菌的難題,提出了超疏水超疏油Cassie-Baxter狀態表面構建技術,細菌液滴被空氣層懸浮在其表面(ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10: 6124-6136, ESI高被引,熱點論文);

  (2)為探究在任意異型表面構筑抗細菌黏附表面技術,研究開發了一種簡易噴涂抗細菌黏附微球的技術,提出了親水阻抗和疏水排斥型兩種抗細菌黏附模型,并論證了超疏水疏油/超疏水水下疏油特性是疏水表面抗細菌黏附的內在機制,首次通過分子模擬闡述水化層阻抗是親水表面抗細菌黏附的內在機制(Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7:26039-26052, ESI高被引);
  (3)為探究在復雜多變的環境下構筑抗細菌黏附表面的技術,研究開發了一種智能抗細菌黏附溫度和光雙重響應增強技術,提出并論證了溫度和紫外光照射刺激對復合表面的抗細菌黏附性能的影響規律及其機理(Chemical Engineering Journal, 2021, 407: 125783,ESI高被引);
  (4)提出了智能響應型抗細菌黏附技術,揭示了可切換超疏/超親水智能表面抗菌抗細菌黏附性的差異和關聯(Chemical Engineering Journal, 2022, 431, 134103);
  (5)提出了一種基于摩擦納米發電驅動細菌液滴定向運動實現主動式抗菌抗黏附的策略,以驅動平臺上的細菌液滴定向運動從而將細菌移除(Nano Research,2022, 16 (1):1052-1063,ESI高倍引論文);
  (6)為探究新型的高效抗菌分子,設計合成了一種仿生甲殼蟲狀的抗菌大分子(International Journal of Biological Macromolecules(2020, 157:553-560,ESI高倍引論文);
  (7)提出實現了抗細菌黏附技術在基于Cassie-Baxter潤濕狀態下具有抗液體干擾和抗細菌黏附的高拉伸性和超靈敏可穿戴柔性應變傳感器中的應用(Advanced Functional Materials, 2020, 30(23): 2000398, ESI高被引);
  (8)提出實現了抗細菌黏附技術在智能響應型凈化分離含菌廢水中的應用,膜的抗菌性和低黏附性有效將細菌殺滅和解決了工業界膜的微生物和油污染問題(Chemical Engineering Science, 2022, 253, 117586);
  (9)提出實現了抗細菌黏附技術在一種能夠一步分離含細菌/染料/油的復雜污水且能夠抗細菌/染料/油黏附污染的復合膜中的應用(Chemical Engineering Journal, 2021, 413:127493,ESI高被引);
  (10)提出實現了抗細菌黏附技術在一種抗菌除油和火災預警智能響應型泡沫材料中的應用(Journal of Materials Science & Technology, 2022, 128: 82–97);
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(責任編輯:xu)
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