中科院化學所張宗波、李鵬飛AM：新型柔性抗菌涂層為下一代觸屏顯示提供“玻璃鎧甲”

隨著智能手機、公共終端等觸屏顯示的普及，其高頻接觸表面已成為病原體傳播的重要載體。有害細菌可在這些表面存活數周，形成難以清除的生物膜，加劇疾病傳播風險。因此，開發兼具抗菌性能、機械強度、高透明度、生物相容性及柔韌性的多功能保護涂層，成為柔性電子領域迫在眉睫的挑戰。

近期，中國科學院化學研究所張宗波教授、李鵬飛特別副研究員團隊通過“一體化”前驅體策略，成功研制出一種具有玻璃般硬度、聚合物般柔韌性的透明抗菌納米復合涂層——KPA涂層。該涂層以全氫聚硅氮烷（PHPS）和硝酸銀為基體，引入雙功能偶聯劑KH-590，通過溫和固化過程在二氧化硅基質中原位形成并錨定銀納米顆粒，實現了>99.99%的抗菌率、高透明度、優異生物相容性與機械耐久性的統一。相關論文以“Solution-Processed Flexible Glass-Like Antibacterial Nanocomposite Coatings”為題，發表在

Advanced Materials

研究團隊首先通過優化前驅體配比，實現了銀納米顆粒的均勻分散與穩定固化。紫外-可見光譜與透射電鏡顯示，當PHPS:AgNO?:KH-590摩爾比為80:1:1時，可獲得尺寸約2.43納米的均勻銀顆粒，溶液具備長達7天的儲存穩定性。隨后，通過噴涂與低溫濕氣固化，該前驅體可轉化為銀納米顆粒共價錨定于SiO?基質中的納米復合涂層。

圖1 | 集成KPA涂層的設計、制備與多功能性能示意圖。（a）制備流程：從分子設計前驅體溶液開始，經噴涂與低溫濕氣誘導轉化形成納米復合涂層。（b）共價錨定納米復合結構示意圖，顯示AgNPs在致密SiO?基質中的分散。（c）KPA涂層PET薄膜實物照片。（d）KPA涂層對大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的抗菌效果（孵育24小時）。插圖：瓊脂平板照片顯示相較于對照組，細菌菌落被抑制。（e）KPA涂層在機械耐久性、柔韌性、高透明度、易制備性、抗菌功能與生物相容性方面的綜合性能雷達圖，與文獻中其他代表性抗菌涂層對比。

圖2 | KPA前驅體溶液的制備與優化。（a）AgNPs原位形成的協同化學機制示意圖。（b）前驅體溶液的紫外-可見吸收光譜。（c）摩爾比為PHPS:AgNO?:KH-590 = 80:1:1的前驅體中形成的AgNPs典型TEM圖像。比例尺：20納米。（d）對應AgNPs尺寸分布直方圖，平均直徑2.43±0.63納米。（e）不同AgNO?濃度前驅體的1H NMR譜，顯示Si-H鍵消耗。（f）A-1.0前驅體溶液儲存7天期間的紫外-可見吸收光譜。插圖：儲存7天后的溶液照片。

結構表征表明，涂層在固化過程中通過硅羥基縮合形成致密Si-O-Si網絡，同時通過Ag-S鍵將銀納米顆粒牢固鎖定。X射線光電子能譜證實了Ag?與硫醇鍵的形成，掃描透射電鏡-能譜 mapping 顯示銀與硫信號完全重疊，說明KH-590仍與銀顆粒結合。涂層厚度可通過噴涂周期調控，6周期涂層（約122納米）在550納米波長處透光率損失僅1.3%，在80°C固化后硬度達1.58 GPa，彈性模量為12.7 GPa，兼具高硬度與72%的彈性回復率。

圖3 | KPA涂層的結構表征與性能。（a）濕氣誘導固化機制示意圖。（b）FTIR光譜監測轉化過程中的化學變化。（c）KPA涂層的STEM圖像及Si、O、Ag、S的EDS元素分布圖。比例尺：50納米。（d）KPA涂層表面的高分辨率XPS譜：Si 2p、O 1s、Ag 3d、S 2p。（e）裸PET基底與不同噴涂周期（1、3、6、9周期）KPA涂層PET薄膜的紫外-可見透射光譜。插圖：涂層厚度與表面粗糙度隨噴涂周期的變化。（f）不同溫度固化涂層的硬度與彈性模量。（g）Ashby式圖表展示硬度與有效彈性模量比值和彈性回復率之間的關系。

在抗菌性能方面，活/死熒光顯微鏡顯示KPA涂層表面細菌大量死亡，而對照組則形成完整生物膜。銀負載量≥0.2時，涂層對大腸桿菌的抗菌率即超過99.99%。細胞毒性實驗表明，即使在高銀負載條件下，L929成纖維細胞存活率仍達104.5%，顯示優異生物相容性。銀離子釋放量遠低于細胞毒性閾值，說明抗菌機制主要依賴接觸殺滅而非離子釋放。

圖4 | KPA涂層的抗菌性能、配方優化與生物相容性。（a）KPA涂層與對照PET基底上大腸桿菌與金黃色葡萄球菌的活/死熒光顯微鏡圖像。（b）不同銀含量涂層的抗菌率。（c）與100% KPA涂層提取物共孵育24小時后L929成纖維細胞的活/死熒光圖像。（d）MTT法評估KPA涂層的細胞毒性。（e）釋放銀離子濃度與文獻閾值對比。

圖5 | 銀釋放動力學、機制與使用壽命預測。（a）在不同pH溶液中72小時內累積銀釋放曲線。（b）加速耐久測試中每周期銀釋放量。（c）不同pH條件下銀釋放機制示意圖。（d）重、中、輕使用場景下的涂層壽命預測。插圖：加速實驗室模型下的銀儲量耗盡曲線。

進一步模擬實際使用環境顯示，涂層在1.5毫米彎曲半徑下經受3000次彎折無裂紋，500次摩擦后表面仍保持完整，甚至經1萬次鋼絲絨磨損后抗菌率仍高于99.96%。指紋污染實驗與酸堿汗液浸泡循環測試中，涂層始終保持高效抗菌性能。在紫外輻照、熱沖擊、化學浸泡等極端老化條件下，其抗菌率與光學性能均未顯著下降。

圖6 | KPA涂層的機械強度、環境穩定性與功能耐久性。（a）柔韌性測試示意圖與不同彎曲半徑下涂層顯微圖像。（b）500次摩擦后涂層SEM形貌。（c）嚴重機械磨損后涂層表面SEM圖像與對應抗菌率。（d）三層指紋污染實驗示意圖與抗菌率。（e）循環指紋污染/乙醇清潔實驗示意圖與100次循環后抗菌率。（f）觸控設備屏幕上KPA涂層書寫演示。（g）加速老化實驗示意圖及各循環后抗菌率。（h）苛刻環境應力后涂層的抗菌率。

該研究通過溶液法制備的KPA涂層，成功集成高透明度、類玻璃耐損傷性、類聚合物柔韌性、強力持久抗菌性與良好生物相容性，其共價錨定納米復合結構為下一代高接觸頻率電子設備的保護涂層提供了全新解決方案。該技術工藝溫和、可擴展性強，適用于多種熱敏感基底，有望推動柔性電子、醫療觸控及公共交互界面的衛生防護發展。