仿生结构化超疏水表面的构筑与抗菌应用
发布时间：2021-01-16 13:04
材料表面的生物黏附与聚集现象给人类的实际生活、生产带来了极大的危害,对医疗、食品、航运等行业造成了极大的影响。材料表面的润湿性、电荷、表面能、结构形貌等均会影响材料和生物体间的作用过程,而且,这些因素间并不是互相独立的,而是会相互影响,共同决定着材料表面的生物黏附行为。从研究思路、方法和结果的角度来讲,表面仿生无疑是有效、优异的解决策略。自然界的动植物经过数亿年的进化,如今已拥有近乎完美的结构与优异的性能,实现结构、材料与功能三者间的协调、统一。“莲出淤泥而不染”,鱼儿在石油污染的海域依然能保持自身清洁,这些神奇的自然现象也证实了具有特殊浸润性的材料表面能够实现抗生物黏附的效果。因此,从仿生学的角度出发来制备抗黏附表面,以自然界中生物的特殊表面微/纳结构、化学组成和特异化学结构为模板,为解决生物黏附提供了新思路。本文从耦合仿生的角度出发,通过对典型润湿性植物叶面进行系统的研究分析,建立仿生数学模型,揭示典型植物叶表面界面润湿行为机理及动态行为规律,提出结构、形态、成分多因素耦合机制。选取荷叶、玫瑰花瓣与金盏菊花瓣这三种典型超疏水植物进行研究,通过表面微观结构的观察与润湿性测试来展开分析...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
自然界和生活中常见的生物黏附现象
[27]等。图1.2 细菌黏附过程示意图[18]。Figure 1.2 Schematic diagram of the process of bacterial adhesion[18].1.2.2 海洋生物的防污方法及启示由于生存环境的特殊性，海洋生物具备一些“天生”的机能，可防止其它生物的附着，因此其表面一定具有特殊的抗附着物质或结构[28, 29]。科学家们基于海洋生物学、生态学的角度来对海洋生物的抗黏附机理进行了分析。通过归纳总结，其生物防污的主要形式为：（1）代谢出特殊化学活性物质[30-33]。珊瑚、海藻、海绵等可释放一些具有防污性能的化学活性物质以阻止其它生物的附着。譬如，分析所提取到珊瑚代谢产物发现，所含有的龙虾肌碱及其类似化合物可有效抑制硅藻生长等。（2）分泌活性生物酶[29, 34]。海蟹表面长期不会附着生物，研究发现其表面存在 6 种以上的酶，可抑制附着生物产生的生物胶的凝固，干扰生物附着，从而达到防污的目的。（3）生物可降解吸水膜[35, 36]。海豚、鲸鱼可以分泌出特殊的粘液
紫贻贝表面是规则的波纹状结构，而珍珠贝的表面结构混乱，规则的波纹状结构不易被污损生物附着。图1.3 典型海洋防污生物，(a) 珊瑚；(b) 海藻；(c) 海绵；(d) 海蟹；(e) 海豚；(f) 鲨鱼皮肤。Figure 1.3 Exemplary marine antifouling organisms, (a) corals; (b) algae; (c) sponges;(d) sea crabs; (e) dolphins; (f) shark skin.分析可知，对于绝大多数的海洋生物来讲，都能够有效防止自身表面产生生物污损现象，或代谢有毒物质、或分泌粘液等。若是应用此种理念进行防污设计，均需要向海水中释放防污剂或溶解粘液，这就与环境友好型的无毒、无释放目标相违背。而通过表面微结构进行防污时，完全是借助表面膜的物理作用，基本做到“零释放”，为研制环境友好型材料表面提供了新的途径。1.2.3 自然界典型的纳米结构杀菌生物自然界中许多植物和昆虫的表面具有抗菌特性，可以保护它们免受致病菌的侵害。天然的纳米结构表面可以通过破坏细胞壁来杀死细菌
【参考文献】：
期刊论文
[1]医用高分子材料抗菌表面构建及在医疗器械中应用[J]. 石恒冲,殷敬华. 高分子通报. 2016(09)
[2]猪笼草口缘区表面液体单方向连续搬运机制[J]. 陈华伟,张鹏飞,张力文,张德远,蒋滢,刘洪亮,韩志武,江雷. 中国科学基金. 2016(03)
[3]络合-电沉积法制备TiO2纳米管负载Ag光催化剂[J]. 周蕾,孙永利,郑兴灿,李鹏峰. 化工环保. 2015(03)
[4]海洋污损生物防除方法概述及发展趋势[J]. 胥震,欧阳清,易定和. 腐蚀科学与防护技术. 2012(03)
[5]污损生物附着机理及酶在生物防污中的应用[J]. 段东霞. 海洋科学. 2011(07)
[6]仿生学的意义与发展[J]. 路甬祥. 科学中国人. 2004(04)
[7]Significance and Progress of Bionics[J]. Yongxiang Lu Chinese Academy of Sciences, Beijing 100864, P.R. China. Journal of Bionics Engineering. 2004(01)
[8]海洋生物污损的防治方法及研究进展[J]. 黄运涛,彭乔. 全面腐蚀控制. 2004(01)
[9]从鲸鱼皮肤到环保船舶用油漆[J]. 宁宏宇. 科学之友. 2002(06)
[10]海船无公害防污技术的探讨[J]. 汤理平. 交通部上海船舶运输科学研究所学报. 1995(01)
博士论文
[1]仿生防污涂层的构建及其性能研究[D]. 李志宏.中国人民解放军军事医学科学院 2014
[2]基于激光技术的复杂结构和功能性器件研究[D]. 吴东.吉林大学 2010
[3]抗非特异性蛋白吸附两性离子聚合物表面的制备、优化及应用[D]. 杨薇.天津大学 2009
[4]金属基体超疏水表面的制备及其海洋防腐防污功能的研究[D]. 刘涛.中国海洋大学 2009
[5]低表面能及仿生表面微结构防污技术[D]. 钱斯文.国防科学技术大学 2008
硕士论文
[1]不锈钢表面仿生结构的构建及疏水性研究[D]. 白苑.吉林大学 2016
[2]医用钛表面抗菌涂层制备及其抗菌性能研究[D]. 王志鸿.天津大学 2014
[3]船用金属材料超疏水表面的制备及其防污性能研究[D]. 谭家政.大连海事大学 2013
[4]仿生多功能超疏水表面的制备研究[D]. 王剑楠.吉林大学 2012
[5]仿贝壳表面抗海洋污损性能实验室评价方法研究[D]. 樊辉.武汉理工大学 2012
[6]电化学沉积Ag纳米颗粒及其定域表面等离子体增强效应研究[D]. 卞均操.浙江大学 2012
[7]类似海豚表皮微结构的构建及其仿生涂层防污性能研究[D]. 魏欢.哈尔滨工程大学 2012
[8]基于船舶绿色防污的贝壳表面形貌研究[D]. 刘雪梅.武汉理工大学 2010
[9]生物表面海洋防污性能研究[D]. 周文木.国防科学技术大学 2010
[10]生物表面湿粘附的理论和实验研究[D]. 康强.清华大学 2010
本文编号：2980881
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：137 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
自然界和生活中常见的生物黏附现象
[27]等。图1.2 细菌黏附过程示意图[18]。Figure 1.2 Schematic diagram of the process of bacterial adhesion[18].1.2.2 海洋生物的防污方法及启示由于生存环境的特殊性，海洋生物具备一些“天生”的机能，可防止其它生物的附着，因此其表面一定具有特殊的抗附着物质或结构[28, 29]。科学家们基于海洋生物学、生态学的角度来对海洋生物的抗黏附机理进行了分析。通过归纳总结，其生物防污的主要形式为：（1）代谢出特殊化学活性物质[30-33]。珊瑚、海藻、海绵等可释放一些具有防污性能的化学活性物质以阻止其它生物的附着。譬如，分析所提取到珊瑚代谢产物发现，所含有的龙虾肌碱及其类似化合物可有效抑制硅藻生长等。（2）分泌活性生物酶[29, 34]。海蟹表面长期不会附着生物，研究发现其表面存在 6 种以上的酶，可抑制附着生物产生的生物胶的凝固，干扰生物附着，从而达到防污的目的。（3）生物可降解吸水膜[35, 36]。海豚、鲸鱼可以分泌出特殊的粘液
紫贻贝表面是规则的波纹状结构，而珍珠贝的表面结构混乱，规则的波纹状结构不易被污损生物附着。图1.3 典型海洋防污生物，(a) 珊瑚；(b) 海藻；(c) 海绵；(d) 海蟹；(e) 海豚；(f) 鲨鱼皮肤。Figure 1.3 Exemplary marine antifouling organisms, (a) corals; (b) algae; (c) sponges;(d) sea crabs; (e) dolphins; (f) shark skin.分析可知，对于绝大多数的海洋生物来讲，都能够有效防止自身表面产生生物污损现象，或代谢有毒物质、或分泌粘液等。若是应用此种理念进行防污设计，均需要向海水中释放防污剂或溶解粘液，这就与环境友好型的无毒、无释放目标相违背。而通过表面微结构进行防污时，完全是借助表面膜的物理作用，基本做到“零释放”，为研制环境友好型材料表面提供了新的途径。1.2.3 自然界典型的纳米结构杀菌生物自然界中许多植物和昆虫的表面具有抗菌特性，可以保护它们免受致病菌的侵害。天然的纳米结构表面可以通过破坏细胞壁来杀死细菌
【参考文献】：
期刊论文
[1]医用高分子材料抗菌表面构建及在医疗器械中应用[J]. 石恒冲,殷敬华. 高分子通报. 2016(09)
[2]猪笼草口缘区表面液体单方向连续搬运机制[J]. 陈华伟,张鹏飞,张力文,张德远,蒋滢,刘洪亮,韩志武,江雷. 中国科学基金. 2016(03)
[3]络合-电沉积法制备TiO2纳米管负载Ag光催化剂[J]. 周蕾,孙永利,郑兴灿,李鹏峰. 化工环保. 2015(03)
[4]海洋污损生物防除方法概述及发展趋势[J]. 胥震,欧阳清,易定和. 腐蚀科学与防护技术. 2012(03)
[5]污损生物附着机理及酶在生物防污中的应用[J]. 段东霞. 海洋科学. 2011(07)
[6]仿生学的意义与发展[J]. 路甬祥. 科学中国人. 2004(04)
[7]Significance and Progress of Bionics[J]. Yongxiang Lu Chinese Academy of Sciences, Beijing 100864, P.R. China. Journal of Bionics Engineering. 2004(01)
[8]海洋生物污损的防治方法及研究进展[J]. 黄运涛,彭乔. 全面腐蚀控制. 2004(01)
[9]从鲸鱼皮肤到环保船舶用油漆[J]. 宁宏宇. 科学之友. 2002(06)
[10]海船无公害防污技术的探讨[J]. 汤理平. 交通部上海船舶运输科学研究所学报. 1995(01)
博士论文
[1]仿生防污涂层的构建及其性能研究[D]. 李志宏.中国人民解放军军事医学科学院 2014
[2]基于激光技术的复杂结构和功能性器件研究[D]. 吴东.吉林大学 2010
[3]抗非特异性蛋白吸附两性离子聚合物表面的制备、优化及应用[D]. 杨薇.天津大学 2009
[4]金属基体超疏水表面的制备及其海洋防腐防污功能的研究[D]. 刘涛.中国海洋大学 2009
[5]低表面能及仿生表面微结构防污技术[D]. 钱斯文.国防科学技术大学 2008
硕士论文
[1]不锈钢表面仿生结构的构建及疏水性研究[D]. 白苑.吉林大学 2016
[2]医用钛表面抗菌涂层制备及其抗菌性能研究[D]. 王志鸿.天津大学 2014
[3]船用金属材料超疏水表面的制备及其防污性能研究[D]. 谭家政.大连海事大学 2013
[4]仿生多功能超疏水表面的制备研究[D]. 王剑楠.吉林大学 2012
[5]仿贝壳表面抗海洋污损性能实验室评价方法研究[D]. 樊辉.武汉理工大学 2012
[6]电化学沉积Ag纳米颗粒及其定域表面等离子体增强效应研究[D]. 卞均操.浙江大学 2012
[7]类似海豚表皮微结构的构建及其仿生涂层防污性能研究[D]. 魏欢.哈尔滨工程大学 2012
[8]基于船舶绿色防污的贝壳表面形貌研究[D]. 刘雪梅.武汉理工大学 2010
[9]生物表面海洋防污性能研究[D]. 周文木.国防科学技术大学 2010
[10]生物表面湿粘附的理论和实验研究[D]. 康强.清华大学 2010
本文编号：2980881
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