Wang YR抗菌科技圈

第一作者：徐江

通讯作者：徐江

通讯单位：南京航天航空大学

研究速览：

近期，南京航天航空大学材料科学与技术学院徐江教授团队在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了具有显著抗菌功效的超亲水、光/微波吸收涂层的研究工作。在过度使用抗生素的推动下，以快速出现的抗生素耐药菌为主的致病性感染已成为当前全球最大的健康挑战之一。因此，迫切需要探索整合多种抗菌模式的新型策略来应对细菌感染。本研究采用无模板溅射沉积技术制备了Co（Ni,Ag）/Fe（Al,Cr）2O4复合双相涂层。涂层的相组成估计为 79 wt% Fe（Al,Cr）2O4相和21wt％的含Ag金属相。复合涂层由约10 μm厚的多孔外层和约6 μm厚的致密内层组成，其中外层由密集堆叠的微尺度锥细胞阵列组成。在空气中暴露14天后，复合涂层的润湿性由超亲水性转变为粘接性超疏水性，水接触角为142°±2.8°。但在空气中200℃退火5小时后，它恢复到初始的超亲水状态。在可见光和近红外区的宽频带中，复合涂层的吸收率超过99%，并显示出较高的光热效率，将光子能量转化为热。复合涂层表现出微波吸收特性，在4.4 GHz时的最小反射损耗值为38 dB。体外抗菌实验检测可见光照射60分钟后复合涂层对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌性能，在此暴露后，制备的复合涂层对这些细菌显示出近100%的杀菌效率。超亲水性表面、Ag+离子释放和光热效应的协同作用使涂层具有抗菌性能。因此，这种复合涂层可能是有效对抗医疗器械相关感染的一种有前景的候选材料。

要点分析：

要点一：本研究开发了一种高效抗菌的含银金属相/尖晶石氧化物复合涂层，复合涂层呈现双层结构，由多孔外层和内部致密层组成，该涂层通过结合银抗菌剂和光热效应，显示出双模式协同抗菌能力。复合涂层表现出较强的微波（MW）吸收能力，这可能为微波杀菌应用开辟新的途径。

要点二：复合涂层特别设计的表面形态赋予其可切换的润湿性，其暴露于环境空气14天后超亲水表面到对水具有高粘附力的超疏水表面的润湿性转变。

图文导读

图1.沉积在Ti-6Al-4V基底上的合成复合涂层的XRD图案以及显示涂层宏观外观的照片（插图）。

图2. （a）复合涂层的45°倾斜视图和（b）俯视图二次电子图像，（c）涂层表面三维结构的共聚焦显微镜图像，（d）纤维蛋白原（FIB）沿微锥阵列的截面切割获得的侧视图二次电子图像，（e）复合涂层内层截面的二次电子图像。

图3.（a）多孔外层典型横截面形态的Z衬度像HAADF-STEM图像和（b）相应的EDS元素图。（c）低倍率横截面亮场TEM图像以及从对应于图c中所示的用蓝色框标记的灰色矩阵（图d）和用红色框标记的暗相（图e）的区域获得的TEM晶格图像。

图4. 显示具有双层结构的复合涂层的生长机制的示意图。

图5. （a）水滴在新制备的复合涂层和（b）抛光复合涂层上的照片。（c）制备的复合涂层超亲水性的实时图像。（d）复合涂层上的水接触角随环境空气中暴露时间和在空气中200℃退火不同时间而变化。复合涂层上水滴的光学图像90°（e）和180°（f）倾斜角度。（g）在空气中暴露14天后在复合涂层表面滴入2 mL去离子水（用白色虚线标记的固体-液体-空气三相接触线）。

图6. 复合涂层在空气中暴露14天前后的XPS光谱：（a）测量光谱和（b）C 1s的区域光谱。

图7.（a）制备的复合涂层、抛光的复合涂层和未涂覆的Ti-6Al-4V的紫外线−可见-近红外光谱和（b）吸收光谱。在光照射下，测试样品在环境空气（c）和蒸馏水（d）中的温度随时间的变化曲线。（e）测试样品在蒸馏水中不同时间的侧视红外图像。（f） 测试样品的水蒸发量的时间过程。

图8. 测试样品的相对复介电常数（a）和相对复渗透率（b）的频率依赖性。（c）被测样品的Cole−Cole曲线。（d）对于不同厚度的反射损失与频率的计算结果。（e）被测试样品的反射损失三维图。

图9. 直方图显示了在黑暗（a,c）和可见光（b,d）条件下，制备的复合涂层，抛光复合涂层和未涂层Ti-6Al-4V对大肠杆菌（a,b）和金黄色葡萄球菌（c,d）的抗菌率。大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在暗光和可见光条件下孵育60分钟后形成的细菌菌落照片。

图10.在可见光照射60分钟后，金黄色葡萄球菌和大肠杆菌与制备的复合涂层和无涂层Ti-6Al-4V一起孵育的二次电子形态。

图11.复合涂层不同辐照时间下RhB溶液的紫外线−可见吸收光谱。

图12.无涂覆的Ti-6Al-4V和供货状态的复合涂层针对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制区照片。

图13. XPS数据显示从复合涂层暴露于使用的培养基2小时之前（a）和之后（b）收集的Ag 3d光谱。（c）在不同溶液温度下从供货状态的复合涂层释放的Ag+离子浓度。

结论

本研究采用溅射沉积的方法直接和无模板地合成了尖晶石氧化物基复合黑色涂层。复合涂层具有双层结构，外层多孔，内层致密。微尺度的锥形结构外层，Fe(Al,Cr)2O4相和含Ag金属相的低能带隙使复合涂层在整个太阳光谱中表现出很强的光吸收能力，并表现出高效的光热转换，提供足够的热能来杀灭细菌。此外，复合涂层还表现出良好的微波吸收性能。这些特性为微波辅助方法灭活细菌的替代方法开辟了道路。在可见光照射60分钟后，制备的复合涂层对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌效率接近100%，这是由于超亲水表面、Ag+释放和可见光触发的光热效应的协同作用。因此，这项工作提供了一个创新的抗菌平台，无论是否有光线照射的存在都具有有效的杀菌性能，这在医学应用中具有显著的潜力。

全文链接： https://doi.org/10.1021/acsami.2c11642

参考文献：Jiang Xu*, Yanjie Zhao, Yuhao Chen, Yujie Chen, Zong-Han Xie, and Paul R. Munroe. A Superhydrophilic, Light/Microwave-Absorbing Coating with Remarkable Antibacterial Efficacy. ACS Applied Materials & Interfaces 2022, DOI: 10.1021/acsami.2c11642.

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