仿生玫瑰花瓣微納米結(jié)構(gòu)及抗菌粘附研究

馮越月 竇曉秋

(1.上海交通大學(xué)附屬第二中學(xué) 上海 200240;2.上海市閔行區(qū)交通大學(xué)材料學(xué)院 上海 200240)

1 實(shí)驗(yàn)概括

自然界中的超疏水現(xiàn)象處處可見,像許多昆蟲的翅膀、足(譬如水黽在水面上行走),還有眾多植物的葉子、花卉(如玫瑰花),它們都有與荷葉相似的結(jié)構(gòu),統(tǒng)稱為荷葉效應(yīng)。尤其玫瑰花在生活中十分常見,其花瓣表面由很多具有分級(jí)微納結(jié)構(gòu)的乳突和褶皺構(gòu)成,這些結(jié)構(gòu)為超疏水性提供了充分有力的保障。疏水性能通常用水的接觸角來(lái)表征,超疏水是水的接觸角大于150°,而滾動(dòng)角小于 5°表面。超疏水性主要由材料表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)、形貌、微結(jié)構(gòu)等協(xié)同作用所決定的。啟迪于玫瑰花超疏水現(xiàn)象,本論文以玫瑰花瓣為模板,將其分級(jí)微納米結(jié)構(gòu)直接復(fù)制到高分子材料表面,成功復(fù)制了玫瑰花瓣的微納米結(jié)構(gòu),驗(yàn)證了其超疏水的特性,研究了革蘭氏陽(yáng)性菌和陰性菌在復(fù)制結(jié)構(gòu)上的粘附,發(fā)現(xiàn)超疏水微納米結(jié)構(gòu)對(duì)兩類細(xì)菌的粘附均有較好的抑制效果,這為臨床醫(yī)療中控制細(xì)菌粘附感染提供了新的思路和啟發(fā)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試劑與儀器

聚苯乙烯(PS)化學(xué)純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;無(wú)水聚乙烯醇(PVA),分析純,天津市天大化學(xué)試劑廠;二氯甲烷,分析純,天津市博迪化工有限公司;恒溫磁力攪拌器;環(huán)境掃描電鏡(FEI QUANTA 250),接觸角測(cè)試儀(Powereach JC2000D2)。

2.2 PVA與PS的合成

取10g左右的聚乙烯醇和90g水置于燒杯中,待充分混合均勻后,置于恒溫磁力攪拌器上,溫度設(shè)定為70°C,待其充分溶解并形成均一穩(wěn)定的溶液,將PVA澆在玫瑰花瓣上,置于室溫下,待完全干透,用鑷子小心地將PVA膜與花瓣剝離;將PS溶液傾倒與PVA膜上,室溫下,待完全干透,將PVA膜與PS剝離,得到仿玫瑰花瓣的超疏水PS膜。

2.3 掃描電鏡表征

分別將新鮮玫瑰花瓣、具有花瓣負(fù)付型的PVA膜、具有花瓣正付型的凝膠膜用導(dǎo)電膠固定于掃描電鏡樣品臺(tái)上,如圖1。說(shuō)明玫瑰花瓣的表面存在分級(jí)的微小乳突和褶皺,這些微納米結(jié)構(gòu)為超疏水性提供了一個(gè)充足的粗糙度。

圖1 新鮮玫瑰花瓣 (左)、花瓣負(fù)付型的PVA膜(中)、花瓣正付型PS膜掃描電鏡圖(右)

2.4 接觸角表征

用表面接觸角儀(Powereach JC2000D2)表征膜的親疏水性。每個(gè)樣品測(cè)試五次,得到正付型的PS膜的水接觸角是151.2°±2.3°。而純PS膜的接觸角僅僅有91.5°±1.8°。具有花瓣正付型的PS膜具有超疏水性。從Wenzel公式cosθw=rcosθy (θw為粗糙表面的接觸角,θy為光滑表面的接觸角,r為粗糙度因子即粗糙表面的表面積/光滑表面的表面積),可以看出,隨表面粗糙度的增加,可以使疏水表面(θy>90°)變得更加疏水,因此將玫瑰的微納米分級(jí)結(jié)構(gòu)引入原本光滑的疏水PS表面可以得到超疏水的表面。

2.5 細(xì)菌粘附實(shí)驗(yàn)

將大腸桿菌E.coli OH5α(革蘭氏陰性菌)和小單胞micromonaspora(革蘭氏陽(yáng)性菌)菌液置于未經(jīng)復(fù)型的疏水PS表面和經(jīng)過(guò)復(fù)型的超疏水PS表面(圖2)。1小時(shí)后發(fā)現(xiàn),相比于PS疏水表面,革蘭氏陰性菌(E.coli OH5α)在超疏水表面的細(xì)菌粘附量下降了96%,而革蘭氏陽(yáng)性菌(micromonaspora)的粘附量則下降了89%。這主要是超疏水表面由很多微納米結(jié)構(gòu)的乳突和褶皺組成,而微納米結(jié)構(gòu)中存在很多的空氣。當(dāng)菌液與超疏水表面接觸角時(shí),細(xì)菌與表面的實(shí)際接觸面積大大減少,降低了細(xì)菌與表面的接觸機(jī)會(huì),從而造成年粘附量大大降低。

圖2 E. coli OH5α在a) 疏水PS膜和b)復(fù)型的超疏水PS上的粘附量。Micromonaspora在c) 疏水PS膜和d)復(fù)型的超疏水PS上的粘附量

3 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

通過(guò)改變形貌調(diào)控浸潤(rùn)性是制備超疏水材料一個(gè)常用的手段,目前文獻(xiàn)報(bào)道的主要是通過(guò)電化學(xué)沉積等復(fù)雜的方法來(lái)制備。本項(xiàng)目將具有超疏水性質(zhì)的玫瑰花瓣結(jié)構(gòu)復(fù)制到高分子表面,由于分級(jí)微納米乳突和褶皺的存在及其影響,該表面對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌和陰性菌都有很好的抑菌效果,因此作為一種新的制備抗菌粘附材料的方法,為制備抗菌粘附材料提供了新思路。

感謝上海交通大學(xué)材料學(xué)院竇曉秋博士在實(shí)驗(yàn)掃描電鏡及細(xì)菌粘附方面給我們的指導(dǎo)和幫助,感謝初三化學(xué)組劉程程老師和張玉新老師的指導(dǎo)和幫助。

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