鲨鱼皮表面防生物结垢和减阻性能外文翻译资料

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鲨鱼皮表面防生物结垢和减阻性能

摘要

鲨鱼皮表面的不光滑特征显示了存在一个肋状结构，在这项研究中仿生鲨鱼皮可以通过使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）和弹性冲压（PEES）方法制成。用扫描电子显微镜来检查鲨鱼皮和仿生鲨鱼皮的契合度。分析鲨鱼皮表面微观结构的疏水机理，仿生鲨鱼皮肤表面微观结构对表面的影响，润湿性通过记录水接触角进行评价。此外，蛋白质粘附实验和抗藻类粘附性能测试实验被用于调查和评估仿生鲨鱼皮表面微观结构的抗生物结垢性能，不同微结构表面的水接触角的记录值表明，特定的微观结构对表面润湿性有一定的影响。 具有微结构的仿生鲨鱼皮肤表面的抗生物结垢性能优于使用与底物相同的聚合物的光滑表面。此外，固定在仿生鲨鱼皮表面上的空气层被发现在其抗菌粘着性方面发挥关键作用。基于实验结果，制备的仿生鲨鱼皮的微结构化表面在减少阻力方面发挥了重要作用。减阻率的最大值为12.5％，这比膜材料的具有光滑表面的相应最大减阻率更高。

关键词

鲨鱼皮，表面微结构，抗生物结垢

介绍

仿生学是被改编或者衍生于自然，被定义为生物学灵感的设计（Bhushan，2009），近年来大量的设计进展被应用在制造纳米材料，纳米器件，功能表面，来模仿生物和自（Bhushan，2009; Dean andBhushan，2012; Lang等人，2014）。仿生设计的一个很好的例子，是使用微观表面模拟某些自然生物的非光滑表面实现仿生减阻。这样的一个例子是鲨鱼皮肤效应，其被定义为类似于鲨鱼皮肤的肋状结构化表面的流体阻力减小的机制（Bechert等人，1997）。 由于其减阻和防污性能，鲨鱼皮几十年来已被广泛研究（Friedmann等，2010; Han and Zhang，2008; Kesel and Liedert，2007）。随着进一步改进减阻的希望，对快泳鲨鱼皮表面的各种微观结构进行了研究和分析。鲨鱼的皮肤被微小的单独的牙齿鳞片覆盖，它们被带有纵向凹槽，在水中对齐流向。鲨鱼皮肤表面的真皮牙髓形成互锁阵列（Reif，1985）。为了解释鲨鱼皮肤非光滑表面对减阻的影响，已经设计和制造了具有类似于各种鲨鱼的微结构的仿生表面，因此，已经探索制作这些表面的不同方法已有数十年。这些方法包括表面加工（Walsh，1982），激光蚀刻（Bixler和Bhushan，2013），光刻（Schumacher等，2007），研磨和轧制（Denkena等，2010; Hirt和Thome，2008），3D印刷（Wen et al。，2014）和生物复制形成等（Chen等，2014）。总的来说，基于鲨鱼皮的减阻性能，制造仿生肋结构表面已经取得了实质性的进展。然而，开发的技术尚不能满足大规模制造的要求。制造的表面的已经根据其减阻能力进行了评估（Dean and Bhushan，2010; Oeffner and Lauder，2012）。与作为对照的平面相比，仿生表面将流体流动中的流体阻力减少了5％至10％（Bechert等，1997,2000; Walsh和Lindemann，1984; Zhao et al。，2012 ）。具有特殊微结构的非光滑鲨鱼皮表面是低阻力表面的极好天然模板。

到目前为止，大多数关于鲨鱼皮肤仿生非光滑表面的研究集中在其肋结构上。然而，了解非光滑表面的减阻效果和抗生物结垢性能已被证明是非常复杂的。特别是，由于可以受到非平滑表面的粗糙度，亲水性和疏水性等各种因素的影响（Feng等，2002）。在本研究中，采用扫描电子显微镜（SEM）检测鲨鱼皮和仿生鲨鱼皮的表面微观结构和细微结构，并对鲨鱼皮表面微量元素进行了分析。具体来说，为了分析鲨鱼皮肤表面微观结构的疏水机制，采用Wenzel疏水理论模拟模拟生物鲨鱼皮肤表面微观结构与疏水性质的关系。此外，进行蛋白质粘附实验和抗藻类粘附性能测试实验，以研究和评估仿生鲨鱼皮肤的表面微结构的防污性能。还测试了制备的仿生鲨鱼皮的减阻效果。

结果

表面形态

真鲨鱼皮表面和通过微复制技术制备的PU片样品的SEM图像如图1和图2所示。 1，鲨鱼皮样聚氨酯（S-PU）样品表现出与真实鲨鱼皮肤上的肋状结构本质几乎相同的表面微结构。该观察结果表明，鲨鱼皮肤上肋状结构本质的表面形态可以通过复制技术进行模拟。在这种复制过程中，聚二甲基硅氧烷（PDMS）和PU作为模塑材料的性能起着重要的作用。由于PDMS和PU前体的优异的流动性能，可以充分填充模具的间隙。随后的交联过程将流体填充前体转化为固体片，同时保持与模腔的共形接触并复制模具的精细结构。 PDMS的相对低的表面自由能和固化的PDMS和PU的弹性使得制备的片材容易脱模。

根据以前的研究（Su et al.，2008; Pu et al.，2016），纳米结构的突起存在于鲨鱼皮表面的肋谷处。 观察到的肋峰相对平滑（如图1所示）。 然而，鲨鱼皮样PDMS（S-PDMS）的表面非常光滑，不含任何纳米结构突起（如图2所示）。 因此，微米级表面只能使用生物复制形成技术实现。

仿生鲨鱼皮肤的表面润湿性

通过测量各自的水接触角（CA）来评估PDMS和PU片材的各种微结构化表面的疏水性。测试样品包括具有光滑表面的扁平PU（F-PU）和平坦PDMS（F-PDMS）片材，以及显示明确定义的鲨鱼皮肤形态的S-PU和S-PDMS片材。结果如图3所示。 表明F-PU和F-PDMS光滑表面的CA分别为82°和101°。图像还显示了（-NHCOONH-）键的亲水性和PDMS的疏水性，PDMS是具有低表面能的材料。另外，如图3B所示，发现具有微结构的S-PU表面上的CA相对于F-PU为73°。因此，S-PU比F-PU更亲水。然而，结果也显示，如图1所示。 3D，S-PDMS微结构表面的CA为119°，这表明S-PDMS表面比F-PDMS表面更疏水。

图1 鲨鱼皮肤表面肋状结构的SEM图像。 鳞片状牙质沿着鲨鱼体的纵轴形成互锁的3D排列。 也仔细观察了牙质的精细结构。 分别示出了凸脊和凹槽的凹槽的表面形态。脊部具有相对平滑的表面结构。 然而，在凹槽表面上发现了一些纳米级结构的突起。

图2 仿生鲨鱼皮表面的SEM图像。该仿生鲨鱼皮与真正鲨鱼皮具有几乎相同的表面微观结构，如图1中所示的皮肤细齿结构。 高放大倍数的SEM图像显示了仿生的表面鲨鱼皮非常光滑，不含任何纳米结构突起。因此，微米级表面只能使用生物复制成型技术来实现。

仿生鲨鱼皮表面的抗生物污损特性

在本研究中，通过评估藻细胞和蛋白质粘附性来研究疏水膜材料与仿生鲨鱼皮肤表面微结构（S-PDMS）的粘附性能。 通过SEM观察藻细胞粘附，同时通过评估表面CAs的变化来观察和间接分析蛋白质粘附。

抗藻类粘附性能

对于具有光滑表面的F-PDMS和具有微结构化表面的S-PDMS，藻类细胞在不同时间段内对表面的粘附显示在图4和5中。根据这些结果，两种膜材料的表面在海水中浸泡21天后表现出良好的抗污垢性能。事实上，在S-PDMS底部的表面凹槽的局部区域中仅存在少量藻类。相比之下，在海水中浸泡70天后，发现两种膜材料的表面被大量的藻类覆盖，因为在这样的长时间浸泡之后耐湿性能降低，并且抗生物污损性逐渐丧失。然而，在对这两个图进行了比较后，很清楚，S-PDMS膜材料的表面被藻类覆盖，附着的藻类的粘附厚度和数量均小于F-PDMS。水洗后，F-PDMS表面仍有少量残留藻类，而S-PDMS膜材料表面光滑，藻类从表面容易脱离。此外，藻类留下的痕迹是隐形的。疏水表面层F-PDMS和抗藻类性能试验结果S-PDMS显示S-PDMS表面的抗生物污损性能优于F-PDMS。

图 3 不同表面的液滴接触角。（A）平板被指定为F-PU，（B）具有鲨鱼皮表面的微结构的PU片指定为S-PU，（C）平坦的PDMS被指定为F-PDMS F-PDMS（D）具有鲨鱼皮肤表面微结构的PDMS片被指定为S-PDMS。

抗蛋白粘附

藻类生长的液体环境中含有大量有机分子，如多糖，蛋白质和糖蛋白等。另一方面，生物体如细菌和藻类也可以分泌生物物质，如细胞外聚合物质，由多糖，蛋白多糖和物质表面的表皮。因此，本研究采用牛血清白蛋白（BSA）和卵清蛋白（OVA）作为模型蛋白和糖蛋白，研究S-PDMS的表面抗蛋白粘附性。在不同浓度的BSA或OVA浸泡不同时间后测试的F-PDMS和S-PDMS表面的CA曲线如图6所示。包括各种样品的CA，在去离子水中测试，用作参考。在不同条件下用BSA蛋白涂覆表面后的CA变化图如图 6A，C所示。可以看出（图6A），F-PDMS表面的CA随着时间的推移逐渐下降，BSA蛋白的浓度增加，达到稳定状态。 然而，当蛋白质浓度较高时，CA下降趋势不显着。 相比之下，在S-PDMS表面（图6C），当蛋白质浓度为1.0mg / ml时，其表面上的CA相对于对照样品下降。 然而，浸泡72小时后，表面CA仍然达到110°，这表明表面疏水稳定性好。 同时，随着蛋白质浓度的增加，表面CA呈现不同的下降趋势，当蛋白质浓度较高时，表面CA下降较快。 此外，在不同时间段内浸泡在OVA溶液中的不同样品（图6B，D）的变化趋势大致与BSA溶液（图6A，C）相似。

仿生鲨鱼皮表面的减阻性能

通过测试具有平滑表面的F-PU膜材料和具有2.0mm厚度的表面微结构的S-PU膜材料的减阻效果获得扭矩转速曲线，如图7所示。减阻率分析结果如表1所示。从图7中可以看出，具有鲨鱼皮肤表面微结构的S-PU膜材料的扭矩不仅小于对照样品，而且在测试范围内也小于平滑F-PU膜材料的相应扭矩。从样品减阻率分析结果可以看出，S-PU的最大减阻率为12.5％，高于平滑F-PU膜材料相应的最大阻力减小率。 此外，当以500rpm达到转速时，可以保持优选的减阻效果。

图 4在珠江浸泡不同的时间之后粘附到F-PDMS薄片的表面藻细胞的SEM图像。（A）1天（B）21天（C）70天（D）被洗涤后。

图 5被珠江浸泡不同的时间之后附着在仿生鲨鱼皮S-PDMS的表面藻细胞的图像。（A）7天（B）21天（C）70天（D）被洗涤后

表1 S-PU和F-PU片材在不同转速下的减阻率（DR）数据

图 6 不同表面水接触角的变化。在不同的浸泡时间和不同浓度的BSA（A，C）和OVA（B，D）蛋白质溶液中计算F-PDMS（A，B）和S-PDMS（C，D）的接触角。

图 7 F-PU和S-PU的转矩转速曲线。在本实验中，转子的转速范围为0〜700转/分。将甘油溶液作为流动介质，其密度为1.255g / cm3，在20℃时粘度为9.45P

图 8 在平坦和粗糙的表面上的液滴中的表面张力。 其中gamma;_LG是液面积与气体面积之间的表面张力; gamma;_SG是固体区域和气体区域之间的表面张力; gamma;_SL是固体区域和液体区域之间的表面张力;theta;和theta;w分别是平面（A）和粗糙面（B）的平衡CA。

讨论

仿生鲨鱼皮肤表面微观结构对表面润湿性的影响

已经发现表面润湿性与表面的化学性质和拓扑结构密切相关，以前的研究已经表明，与光滑表面相比，鲨鱼皮的微结构化表面可以改善疏水特征（Zhao et al.,2012; Liu and Li, 2012）。 然而，基于我们关于表面润湿性的研究，与光滑表面相比，基于PDMS的微结构表面更具疏水性，并且基于PU的微结构表面呈现更亲水性。 Wenzel模型用于将上述现象与疏水性或亲水性以及由于制造的微结构导致的表面粗糙度相关联。 当水滴分散在固体微结构表面上时，液体完全填充粗糙表面上的间隙。 这种Wenzel接触状态（Wenzel，1936）如图8所示。 而Wenzel模型在下面的等式1中给出（Wenzel，1949）：

其中r被定义为恒定粗糙度因子，其是固体表面积和标称表面积之间的无量纲比; costheta;_w是粗糙面的平衡CA，该方程式如下：（1）当theta;lt;90°时，theta;_w随着表面粗糙度的增加而减小，表面变得更亲水; （2）当theta;gt; 90°时，theta;_w随着表面粗糙度的增加而增加，从而形成更疏水的表面。 因此，具有微结构的S-PDMS具有比具有光滑表面的F-PDMS更强的疏水性，其中后者表现出高于90°的CA。相比之下，PU表面本身是亲水的，CA低于90°。同时，当在光滑表面上构造微结构时，S-PU比F-PU表面更亲水。

仿生鲨鱼皮肤表面的抗生物污损特性分析

生物污染是包括细菌，真菌，原生动物，藻类和无脊椎动物在内的生物体的积累。 海洋生物在船体上的增长是海军工业的主要费用因素。虽然由于在合适的流体动力学条件下释放出严重的结垢和软污垢，PDMS并不具有固有的防污性，而且在静态和低流动条件下也会发生生物累积（Holm et al.，2006），近年来，减少生物沉降的方法 在PDMS表面利用工程表面形貌，包括与鲨鱼皮肤表面相似的独特模式“Sharklet AF”（Schumacher等，2007）。 在本文中，使用PEES方法（生物复制形成技术）制备与鲨鱼皮肤表面非常相似的仿生PDMS基表面。 首先研究了这些仿生表面的抗生物污损特性。

根据以前关于抗生物污损特性的结果（Xu et al.，2014），在生物粘附环境中，仿生鲨鱼皮的疏水表面在

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