贝壳表面形貌与防污性能的关系研究外文翻译资料

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目前的增长对于在这个领域的研究人员是有吸引力和鼓励的，它没有告诉我们对于哪个行业有着最深刻的影响。 我提出一个专利分析来展示影响最大的技术领域。

A7.4

生物模拟的过程

D. Harder，O. Speck，T. Speck，（Botanic Garden，弗莱堡大学，德国）

在仿生R和D项目中的工作，反映出了个人合作伙伴们的各种技能和经验。为了成功、创新性的实施新的技术应用中的生物学原理，定义有着共同基础的生物学家与工程师，以及其他合作伙伴的协作是至关重要的。因此，沟通是沿着整个价值链从基础研究到工业产品制造的有效知识转移的关键因素。在这种情况下，进行生物模拟研究的方法基本上可以分为两种补充方式：自上而下和自下而上。首先，工程师与生物学家联系，以了解现有的产品是否存在改进的可能性。相反，在第二种情况下，认识到适用于技术应用的应用生物学基础研究被认为是对实际产品的肯定。本文中概述的进行生物模拟学和某些意义的基本过程，可以作为在生物模拟领域成功合作的一般模板。

A7.5

在生物学和工程学中的功能性自我组织表面结构

C. Neinhuis（德国德累斯顿技术大学）

一个称为角质层的纤细的细胞膜，可以覆盖植物除根茎外的所有主表面。在许多物种中，角质层本身被由各种脂质组成的小结构覆盖，通常称为蜡。它们的尺寸范围从200nm到

几微米。许多蜡结构已经证明了结晶性质。大多数情况下，这些蜡晶体通过在单个分子间移动，穿过细胞壁和角质层之后，在表面上自组装而形成。AFM研究可以证明蜡晶体在分子水平上的形成过程，并且结晶过程是高度动态的。表壳蜡层是植物与其环境之间的多功能界面。蜡晶体直接影响许多相互作用，例如降低润湿性或颗粒、昆虫的粘附。因此，制造具有相似特性的仿生技术表面是有意义的。通过选择合适的条件，可以在体外模拟蜡的自组装，并且可以通过选择可变表面性质如极性或晶体顺序的底物来控制它。此外，其他技术如电化学方法，允许通过自组装再次根据自然模型来构造大的金属表面。将介绍两个系统的示例，并讨论可能的应用。

A7.6

从自然生物中学习：鲨鱼皮肤控制无毒生物污损的影响

Kesel，R.Liedert，（应用科学大学，德国不来梅）

海洋生物在船体上的增长是海军工业的主要费用。云雀，贻贝和藻类可以增加15％的抵抗力。三甲基锡（TBT）是船用涂料中最常用的杀生物剂，由于其非特异性毒性，于2003年被禁止从市场上销售。该研究项目旨在验证生物启发表面的效率是常规杀生物剂涂料的无毒替代品。鲨鱼的皮肤被小牙齿覆盖，由于下面皮肤的弹性，它们可以彼此相对弯曲。这些鳞片的表面包括平行脊和规则的凹槽图案。根据鲨鱼种类，这些微结构之间的距离介于微米到几毫米之间。本研究表明，牙质柔韧性与其表面纹理的结合也导致幼虫和孢子沉降的减少。包含不同类型的低表面能硅酮材料（硬/中/软）与模拟鲨鱼皮的表面形貌的测试面板在北海（德国，Meldorf）进行现场测试，持续三个月。为了量化每个测试面板上的防污性能，进行测量所有附着生物的干重，并使用数字图像分析软件计数沉淀的藤壶数量。在软硅胶表面观察到最好的防污性能（沉降降低67％）微观图像在40mu;m和2 mm之间。

（最初翻译）

补充翻译：

海洋结构物如平台，码头和船体受多样化和严重的生物污染。在潮湿基质上抑制有机和无机生长的方法是多种多样的，但大多数防污系统采用保护涂层的形式。生物能负增加所需的推力和燃料消耗影响船体水动力。本文综述了防污涂料在海洋生物污染防治中的研究进展。由于2001国际海事组织（IMO）禁止三丁基锡（TBT）的使用，更换防污涂料必须符合环保要求以及保持长久的使用寿命。无锡自抛光共聚物（SPC）和脱臭技术是目前主流的应用，但已经有许多替代方案被提出。环境有效防污系统及其性能的现代方法被高亮显示。

1.介绍

工程结构，如船舶、海洋平台、以及海上钻井平台和码头，正在海洋环境的不断攻击之下。这些结构需要被保护免于受到海水环境的关键要素（如盐水，生物攻击和温度波动）的影响。除了封闭系统中的可注射杀生物剂外，保护海洋结构的方法必须能够使下表面膨胀和收缩，抵抗水的侵入并控制离子的扩散。保护性有机涂料可以提供这些功能[1]，因此主要用于航运业，以提高系统的使用寿命并提高其可靠性。船上的油漆涂层用于广泛的功能，例如耐腐蚀性，易于维护，外观，甲板上的防滑表面，以及防止不想要的海洋生物体对船体的结垢。

使用防污涂料防止海洋环境的历史悠久。通过考虑防污系统的历史和现有方法，本文提出了现代方法用于设计大型船体的环境可接受的广谱防污系统。

海洋生物在无生命的底物上的沉降和积累可能对工程结构造成很大的损伤。在热交换器中，生物污染可能堵塞系统，并且在船体上可以增加流体动力学阻力，降低船舶的机动性并增加燃油消耗。这样可以通过增加人力，燃料，材料和干坞的时间来增加航运业的成本。

生物污染的过程通常归入关键的生长阶段，包括吸收有机物的初始积累，创造生物膜基质的开创性细菌的沉降和生长以及后续的微观和大分子污染。没有显示出成熟的污染覆盖面，包括物种的死亡率和移民。

由于较高的污染生物体对底物龛的利用，生物污损的序列是不可预测的。生物膜形成通常是大分子污染物随后结垢的前兆。现已通过去除初始的藻类层进行了生物污损的连续性测试，导致有限的进一步结垢。现已经记录了生物膜的存在对一些藻类游动孢子的沉降有积极的影响[3]，而Faimali等 [4]记录了老化的生物膜抑制了藤壶的沉降。一般来说，一系列生物污染的事件中，第一阶段通常被认为是生物膜的形成[5]。

当化学惰性基底浸入海水中时，几乎立即积聚的有机碳残留物吸附在润湿的表面上，其组成取决于液相中可用的离子，糖蛋白，腐殖质和富里酸。促进表面吸附和调理的力量包括静电相互作用和范德瓦尔力，因此，开创性的微生物现在可以附着在形成生物膜的表面上。微生物和表面之间的接触和定殖是通过布朗运动，沉降和对流运输的水的运动来促进的，尽管生物也可以由于使用鞭毛的推进而主动寻找底物。细菌和其他定殖微生物分泌细胞外多聚物质（EPS）以将其包封并锚定到底物，从而改变可以刺激进一步生长的局部表面化学物质，例如大量生物的募集和沉降。生成的生物膜是大量的微生物及其EPS，其产生凝胶基质（图1），提供酶相互作用，营养交换，保护环境胁迫[6]和增加的抗生物杀灭剂[7]。

生物膜还通过充当扩散阻挡层来中断离子和水从衬底表面的流动。 通过阴极反应在电解液内重新排出局部氧，可以通过产生不同的曝气浓度池来加速金属底物的腐蚀。

生物腐蚀的一般综述由Videla [6]给出，而最近Beech和Sunner [9]已经研究了生物膜对金属腐蚀的影响。控制微生物污染非常重要，因为它们的生命周期及其产生分解产物的能力可能造成腐蚀性环境。这种类型的腐蚀称为微生物诱导腐蚀（MIC），其中一个例子是从硫酸盐还原细菌中产生硫化物，这可能导致钢表面的点腐蚀[10]。MIC的控制是开发成功涂层的关键结果，其可以抑制生物污垢的附着。

污染生物体所使用的粘合技术是多种多样的，并且通常可以是具有临时性和永久粘附性的双组分方法。 在藤壶的关键幼虫发育阶段，被称为cyprid，临时使用粘合剂，同时探索表面，使其沉降并永久粘附[11]。通过使用半胱氨酸残基的疏水性蛋白来保护鼻甲[12]。 影响藤壶解决的因素有很多，一个关键的特征是其他藤壶（特异性线索）通过旧的外骨骼或新定居的树皮的遗体而存在。以类似的方式，常见的大型藻类Ulva sp，在其生命周期中具有临时和永久的附着阶段。 活跃的阶段可以临时粘附，同时积极寻找合适的底层。 当检测到最佳底物时，其转化为不稳定的沉降细胞相，可以永久锚定自身并发芽生产新植物[13]。 Ulva孢子粘合剂的水合粘合强度为500 mN m-1 [13]。 贻贝使用主要由胶原组成的骨骼线，但与藤壶相比，具有在酶催化剂存在下发生的氧化还原反应中交联的亲水性多酚粘合蛋白[13]。 硅藻可以通过产生多糖粘液附着，可以包封形成垫，茎或管的细胞[14]。

物质对基质的粘附是生物污染的重要形式，如果可以防止这一过程，可以控制结垢的产生。 粘附和沉降通常也是海洋生物生命周期的关键阶段，所以附着地表面的进化压力很大。 粘附的驱动力可以被认为是由生物与底层，有机体和液体之间以及基质和液体之间的界面张力的贡献组成。Ista等人研究了通过建模实验测定这些界面能的方法。 [15]，但他们报告说，需要更复杂的模型，因为有机体附着物的某些假设，如Ulva游动孢子，没有定量模拟。 其中一个因素是他们的模型不考虑表面电荷，并且静电相互作用可能影响附着率。 另一个促成因素是特定底物特征的定居发生，例如粗糙的表面区域以避免剪切力和/或流动系统以最大化营养物和氧气浓度。

1. 结垢效果

无论生物体的生长发生在哪里，都需要防污系统。 这通常在大多数盐水水相环境中; 因此应用包括医疗，淡水和海洋系统。 海洋工程系统已被分为7个主要类型的淹没结构，其船体占被污染物总数的24％[16]。 各种材料可用于船体，包括钢，铝和复合材料如玻璃纤维增强聚合物。 船体的污垢通常多产，因为船舶在不同环境之间移动，并且不断地保持在水柱的最有生产力的区域（光区）。 尽管涂层用于船体保护，但是由于无机盐[17]，聚合物分泌物和形成污染生物体的碳酸钙骨架结构的积累，它们可能失效。

海洋生物对船体表面想要避免的移植有关的损坏[18]，例如，流体动力学受到不利影响。 当船舶穿过水域时，船体受到拖曳和皮肤摩擦阻力的影响。 生物污染通过增加平均船体粗糙度和壁剪切应力来影响后者。 尽管摩擦速度增加，但防污涂层，如自抛光共聚物（SPC）和防污涂层（FRCs）对流体动力学边界层的影响已经显示对其厚度或形状因子几乎没有影响[19 ]。Shultz和Swain研究了生物膜粗糙度对阻力的负面影响[20]，并强调了这一初步生物生长对海洋平均和湍流特征的重要性。

生物污染利用船体上的生态位，基因评级变化的沉降密度。 这可以导致特定（例如，螺旋桨结垢）和非特定方式（例如，水线污染）的机动能力损伤。 对于被动和主动声纳系统，Avessel的声音签名也受到船舶性能的降级的影响[21]。

1. 历史防污方法

在船体上使用有毒防污剂是控制污染的一种历史性方法，但由于其所造成的环境风险，已经禁止了铅，砷，汞及其有机衍生物等杀生物剂。

对防污剂三丁基锡（TBT）[23]的使用采用了类似的重金属毒性作用，以防止海洋生物革命性的自抛光共聚物技术。 不使用重金属的防污系统是防污涂料[24]。 由Champ [27]和Terlizzi等人 [28]提出，由于严重的贝类畸形和一些鸭，海豹和鱼类中的锡的生物蓄积，最终禁止使用有机锡[25,26]，最终导致立法，并导致全球禁止三丁基锡（图2）。

尽管挥发性有机化合物（VOC）控制在防污应用中受到限制，但由于简单的溶剂蒸发而干燥的热塑性，不可转化的表面有机涂层现在是容易获得的。 目前，2005年3月份记载的英国MOD VOC目标水平为400克L-1无水涂料[29]，但由于现代无锡防污系统的毒性得到解决，因此受到审查。 防污系统的发展历史悠久，但过去十年来，对环境可接受的替代品的关注度有所增加（表1）。

1. 现代防污选择

许多传统的防污系统是“油漆”，这是一个涵盖各种材料的综合术语：搪瓷，漆，清漆，底漆，表面处理剂，底漆，封口剂，填料，塞子等等[38]。防污剂是通常并入海洋保护涂层系统的面漆中的许多添加剂之一。在93mu;m干膜厚度下，用于海军应用的市售防污系统的平均理论铺展率被认为是约6.2m 2 L -1，大多数使用两种涂层应用[29]。大多数防污涂料是有机的，并且由底漆和面漆组成，它们都可以包括防腐功能，然而，面漆通常是多孔的。 专利生物控制技术和公司保护性已经抑制了有关效率比较值的信息流。 自从2001年替代品防污行业初步逐步淘汰TBT以来，已有[36,39,40]包括无杀菌剂防污涂料[41,42]。

在表2中，替代技术的成本可以看作是与基于TBT的涂料相比增加一倍，这是随着替代技术未达到4至5年的寿命而增加的一个因素。 为了延长使用寿命，大多数防污涂料使用制造涂料基质组合物以控制防污剂浸出的方法。

4.1.重金属

2003年对TBT的禁令产生了市场空白，开始研究环境可接受的替代品（表1），如其他[28,36,37,40]所述。在此期间，其他金属物质如铜和锌目前用作替代物，并以改良的自抛光聚丙烯输送机制递送。自抛光共聚物（SPC）技术使用水解和侵蚀来控制防污活性。 海水进入防污化合物从聚合物主链中水解，并且涂层的溶解度离开表面抛光。 涂层表面的受控溶解使得寿命更长。

通过使用可溶性或不溶性基质来控制防污化合物从涂层中释放的两种备选关键技术（图3）。防污化合物的控制溶解困难，铜毒性近期受到关注[18]。 Yebra等[47]已经研究了商业松香粘合剂的释放速率作为控制这种溶解的有效方法。铜在高浓度的海洋环境中的自然发现，对人类来说是相对良性的，尽管环境保护署（EPA）对饮用水规定的限值为1000mu;gL -1。相比之下， 25mu;gL- 1可能对海洋无脊椎动物致死[48]。然而，通过营养水平的隔离，铜物种的生物放大可能对食品工业产生影响。重金属对海洋生物和人类常常有毒性，这是由于元弹性功能的划分。由于TBT禁令和增加的毒性要求法规，严重使用重金属来控制海洋环境中的结垢正在研究替代方法。

4.2. 加强杀菌剂方法

除了对铜的使用增加的产生怀疑之外，一些选择性的大型植物群也已经被报告出来，包括主要的结垢藻类肠道霉菌（现在的Ulva）[49]的耐受性增加。

因此，已经加入增效生物除剂以增加铜基防污涂料体系的长度和功能。两个关键的助推杀菌剂（Irgarol 1051和Diuron）已被英国卫生和安全

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