華南理工大學張廣照教授、馬春風教授AFM：“老樹開新花”—原位自構筑海洋防污涂層

海洋生物污損是指海洋微生物、動植物在海洋設備表面粘附、生長所形成的生物垢，嚴重影響海洋工業與海洋開發。 隨著海洋經濟的蓬勃發展和海洋產業結構的調整升級，海洋防污的應用領域不斷擴大，不止是船舶，各類深海裝備、海洋能源裝備、濱海核電站等，都面臨著海洋污損的問題。特別是，隨著海洋裝備不斷更新換代，其裝備選材也隨之迭代。 鈦金屬及其合金因其優異的耐腐蝕性、高比強度及抗疲勞性能，素有“海洋金屬”之稱，已在核電站、熱電站、船舶等海洋裝備與設施內海水系統( Internal Seawater Systems, ISS)等推廣應用。然而，鈦合金具有優異的生物相容性，污損生物更容易在其表面粘附生長，進一步加劇了內海水系統的防污問題，嚴重影響系統冷卻效率。目前，船舶領域常用的防污涂層法因內海水系統結構復雜、空間有限而難以涂裝，而在系統內投放防污藥劑的方法則存在用量大、環境不友好等問題。因此，內海水系統高效、環保防污技術是一個極具挑戰性的問題。

華南理工大學海洋工程材料團隊長期從事海洋先進防護高分子材料研究，提出“動態表面防污”策略，研制了針對船體的可控降解高分子基防污材料(Acc. Chem. Res. 2022, 55, 1586)和螺旋槳的聚合物陶瓷防污材料(Prog. Polym. Sci. 2024, 154, 101840)，相關技術已在船舶、海洋能源裝備等規模化應用。近期，針對內海 水系統防污需求，他們沿“動態表面防污”思路，研制了一種新型原位自構筑海洋防污涂層，該涂層由 聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)在鈦合金表面原位自組裝形成，可有效解決以往防污涂層在內海水系統難以涂裝施工的難題。PNIPAM作為一種溫敏性聚合物而被廣泛關注，是一種經典的高分子材料，但其以往研究主要聚焦于其溫敏性及其生物醫學領域的應用潛力。在本工作中，該團隊利用PNIPAM適宜的親疏水性以及與鈦合金表面的配位作用，實現了材料的原位成膜防護，探索出PNIPAM在海洋工業的創新應用。在合適的分子量下，PNIPAM聚合物鏈可自發吸附于鈦合金表面并形成穩定涂層，部分鏈段通過相互作用力穩定錨定于管壁，另一部分則在溶液中伸展形成水合層，從而有效抑制污損生物的粘附。特別是，若涂層在海水沖刷過程逐漸脫落，可通過相同操作實現涂層的再生，可操作性強。

圖1. 原位 自構筑海洋防污涂層示意圖

圖2. PNIPAM在鈦合金表面吸附行為及自構筑涂層示意圖

圖3. 原位自構筑涂層的抗蛋白、抗菌以及抗藻性能

圖4. 管道系統中鈦合金表面及原位自構筑涂層表面生物膜生長情況

綜上所述，該工作開發了一種基于聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)的原位自構筑海洋防污涂層，可有效防止內海水系統中鈦合金表面的生物污損。該涂層在維持鈦基材耐腐蝕性能的同時，具備優異的抗污損生物粘附能力。在流動海水條件下，涂層可維持一定周期，且可隨時通過補加PNIPAM使涂層得到原位修復，持續發揮防污作用。該方法操作簡便、用量少、效率高，為鈦合金表面防污提供了創新途徑，有望在海洋裝備與設施的內海水系統防污中得到應用。相關工作以“Poly(N-isopropylacrylamide) Self-Fabricated Coating for Marine Anti-Biofouling”為題，發表于Advanced Functional Materials。華南理工大學博士生陳炯延為論文第一作者，張廣照教授、馬春風教授與謝慶宜專職研究員為通訊作者。

原文鏈接： https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202525696