响应型聚合物/纳米复合抗菌防黏附性表面的构筑及性能研究

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细菌在材料表面的黏附会抑制或者破坏材料性能,进一步的会在其表面产生生物膜。此外,细菌在材料表面的黏附还容易造成感染问题,对人类健康造成巨大的危害。研究人员发现亲水性/超亲水性表面由于水化阻隔效应具有卓越的防污性能,利用此策略用来构建亲水防细菌黏附表面。此外,智能细菌防黏附表面能够响应环境变化,从而执行特定防黏附手段,被认为是新型的细菌防黏附战略。但是目前较少的构筑同时具有抗菌协同细菌防黏附效果表面,而且,多数智能细菌防黏附表面都是响应单一环境变化,无法应对复杂环境变化。因此,本文提出在钛板基底表面构筑纳米TiO2纳米管阵列,再通过喷涂一层功能聚合物层,构建智能亲水性抗菌协同细菌防黏附的聚合物/纳米复合表面。通过对复合表面的微观结构、表面润湿性、抗菌性能和防细菌黏附性能的测试和分析,建立复合表面的功能单体-表面润湿性-防细菌黏附性能之间的构效关系,揭示温度和紫外光照射刺激对复合表面的防细菌黏附性能的影响规律及其机理。主要的研究内容如下:(1)以VCL为温度响应功能单体,PEGMA为亲水防黏附功能单体,ADTA为自制的抗菌阳离子单体,VTES为附着力单体;通过自由基溶液聚合法,以AIBN为引发剂,合成温敏性抗菌防细菌黏附高分子聚合物;以钛片为电极,通过阳极氧化法,制备钛基底TiO2纳米管阵列。通过喷涂功能聚合物,制备了一系列聚合物/纳米复合抗菌防黏附功能表面。(2)研究了复合表面的抗菌性和细菌防黏附性,研究表明:随着接枝聚合物浓度的增加,抗菌性和细菌防黏附性逐渐增强,表面细菌黏附数量也逐渐减少。同一梯度样品,对大肠杆菌杀菌效果优于金黄色葡萄球菌;当接枝浓度为1mg/cm2,抗菌率和细菌防黏附率均可达到99%以上。结合复合表面的功能单体与表面润湿性的关联性,解释了纳米/聚合物复合表面细菌防黏附机理。通过循环抗菌测试,证明了复合表面的抗菌和防细菌黏附性都具有良好的耐久性,在经过7次循环测试后,抗菌率和防黏附率均可维持在95%以上。(3)研究了温度刺激调控复合表面的抗细菌黏附的响应行为,通过静态和动态的温度响应细菌黏附性测试,对比不同温度4℃,37℃与55℃下的表面细菌黏附和脱附行为,研究结果发现随着温度降低,复合表面的细菌防黏附性逐渐增强。结合不同温度下的水相AFM微观形貌和表面润湿性变化,解释了复合表面温度响应可调控的细菌黏附行为,并建立了温度响应的细菌黏附模型解释其机理。(4)研究了紫外光刺激调控复合表面的抗细菌黏附的响应行为,结果表明:表面构筑的TiO2纳米管阵列具有紫外光响应的润湿性可逆变化,使得复合表面具有光响应的增强型细菌防黏附性,随着光照射时间增加,复合表面的细菌防黏附性随之增加。当光照时间达到100min,复合表面的对大肠杆菌的防黏附率可由初始的86.67%提升到99%,其原因与表面润湿性发生变化相关,EDX分析表明通过光照后的复合表面的氧元素数量变化显著增加,从而提高表面亲水性,光照后样品的水下油粘附力降低导致细菌黏附性下降,通过建立光响应的细菌防黏附模型解释了复合表面的温度响应可调控的细菌防黏附机理。
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