仿生玫瑰花瓣微纳米结构及抗菌粘附研究

冯越月 窦晓秋

(1.上海交通大学附属第二中学 上海 200240;2.上海市闵行区交通大学材料学院 上海 200240)

1 实验概括

自然界中的超疏水现象处处可见,像许多昆虫的翅膀、足(譬如水黾在水面上行走),还有众多植物的叶子、花卉(如玫瑰花),它们都有与荷叶相似的结构,统称为荷叶效应。尤其玫瑰花在生活中十分常见,其花瓣表面由很多具有分级微纳结构的乳突和褶皱构成,这些结构为超疏水性提供了充分有力的保障。疏水性能通常用水的接触角来表征,超疏水是水的接触角大于150°,而滚动角小于 5°表面。超疏水性主要由材料表面的化学结构、形貌、微结构等协同作用所决定的。启迪于玫瑰花超疏水现象,本论文以玫瑰花瓣为模板,将其分级微纳米结构直接复制到高分子材料表面,成功复制了玫瑰花瓣的微纳米结构,验证了其超疏水的特性,研究了革兰氏阳性菌和阴性菌在复制结构上的粘附,发现超疏水微纳米结构对两类细菌的粘附均有较好的抑制效果,这为临床医疗中控制细菌粘附感染提供了新的思路和启发。

2 实验部分

2.1 试剂与仪器

聚苯乙烯(PS)化学纯,国药集团化学试剂有限公司;无水聚乙烯醇(PVA),分析纯,天津市天大化学试剂厂;二氯甲烷,分析纯,天津市博迪化工有限公司;恒温磁力搅拌器;环境扫描电镜(FEI QUANTA 250),接触角测试仪(Powereach JC2000D2)。

2.2 PVA与PS的合成

取10g左右的聚乙烯醇和90g水置于烧杯中,待充分混合均匀后,置于恒温磁力搅拌器上,温度设定为70°C,待其充分溶解并形成均一稳定的溶液,将PVA浇在玫瑰花瓣上,置于室温下,待完全干透,用镊子小心地将PVA膜与花瓣剥离;将PS溶液倾倒与PVA膜上,室温下,待完全干透,将PVA膜与PS剥离,得到仿玫瑰花瓣的超疏水PS膜。

2.3 扫描电镜表征

分别将新鲜玫瑰花瓣、具有花瓣负付型的PVA膜、具有花瓣正付型的凝胶膜用导电胶固定于扫描电镜样品台上,如图1。说明玫瑰花瓣的表面存在分级的微小乳突和褶皱,这些微纳米结构为超疏水性提供了一个充足的粗糙度。

图1 新鲜玫瑰花瓣 (左)、花瓣负付型的PVA膜(中)、花瓣正付型PS膜扫描电镜图(右)

2.4 接触角表征

用表面接触角仪(Powereach JC2000D2)表征膜的亲疏水性。每个样品测试五次,得到正付型的PS膜的水接触角是151.2°±2.3°。而纯PS膜的接触角仅仅有91.5°±1.8°。具有花瓣正付型的PS膜具有超疏水性。从Wenzel公式cosθw=rcosθy (θw为粗糙表面的接触角,θy为光滑表面的接触角,r为粗糙度因子即粗糙表面的表面积/光滑表面的表面积),可以看出,随表面粗糙度的增加,可以使疏水表面(θy>90°)变得更加疏水,因此将玫瑰的微纳米分级结构引入原本光滑的疏水PS表面可以得到超疏水的表面。

2.5 细菌粘附实验

将大肠杆菌E.coli OH5α(革兰氏阴性菌)和小单胞micromonaspora(革兰氏阳性菌)菌液置于未经复型的疏水PS表面和经过复型的超疏水PS表面(图2)。1小时后发现,相比于PS疏水表面,革兰氏阴性菌(E.coli OH5α)在超疏水表面的细菌粘附量下降了96%,而革兰氏阳性菌(micromonaspora)的粘附量则下降了89%。这主要是超疏水表面由很多微纳米结构的乳突和褶皱组成,而微纳米结构中存在很多的空气。当菌液与超疏水表面接触角时,细菌与表面的实际接触面积大大减少,降低了细菌与表面的接触机会,从而造成年粘附量大大降低。

图2 E. coli OH5α在a) 疏水PS膜和b)复型的超疏水PS上的粘附量。Micromonaspora在c) 疏水PS膜和d)复型的超疏水PS上的粘附量

3 实验总结

通过改变形貌调控浸润性是制备超疏水材料一个常用的手段,目前文献报道的主要是通过电化学沉积等复杂的方法来制备。本项目将具有超疏水性质的玫瑰花瓣结构复制到高分子表面,由于分级微纳米乳突和褶皱的存在及其影响,该表面对革兰氏阳性菌和阴性菌都有很好的抑菌效果,因此作为一种新的制备抗菌粘附材料的方法,为制备抗菌粘附材料提供了新思路。

感谢上海交通大学材料学院窦晓秋博士在实验扫描电镜及细菌粘附方面给我们的指导和帮助,感谢初三化学组刘程程老师和张玉新老师的指导和帮助。

[1]Lin Feng, Yanan Zhang, Jinming Xi, Ying Zhu, Langmuir, 2008,24,4114-4119.

[2]蒲侠,葛建芳,陈灿成.广东化工,2010 第5期 第37卷.

[3]华军利,文秀芳,郑大锋.电镀与图饰.第28卷,第12期.

[4]魏增江,肖成,龙田冬.化工新型材料.2010,3 第38卷第3期.

[5]郑傲然,周明,杨加宏.功能材料,2007,11.