氮氧自由基功能性聚合物涂层用于抗贻贝粘附

夏一夫 王騊

摘 要：为了研究氮氧自由基聚合物刷层的抗贻贝粘附性能，利用SI-Cu0CRP策略，在引发剂修饰表面接枝PTEMPMA刷子，进一步通过氧化得到了含氮氧自由基的PTEMPOMA聚合物刷涂层，并将涂层用于抗贻贝粘附。利用接触角仪、扫描探针显微镜、电子顺磁共振光谱仪、傅里叶红外光谱仪、3D光学轮廓仪等对聚合物刷进行物理和化学性质的表征，通过多巴胺溶液浸泡实验以及真实的贻贝浸泡实验来研究贻贝粘附过程。结果表明：PTEMPMA聚合物刷可以成功接枝在不同基底（如硅片、石英玻璃、不锈钢片、铝片）上，并且可以通过控制反应时间控制聚合物刷涂层的厚度；有效的氧化过程可以得到含有氮氧自由基的PTEMPOMA聚合物刷层，经过贻贝浸泡测试，聚合物刷涂层展现了极好的抗贻贝粘附效果。

关键词：海洋防污；抗贻贝粘附；聚合物刷；自由基聚合

中图分类号：TQ317.4

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2023）04-0201-07

收稿日期：2023－01－18

网络出版日期：2023－03－21

基金项目：国家自然科学基金项目（52003279）

作者简介：夏一夫（1997—），男，湖北黄冈人，硕士研究生，主要从事功能聚合物刷合成及应用方面的研究。

通信作者：王騊，E-mail：wangtao@zstu.edu.cn

海洋生物如微生物、藤壶和贻贝在船体上的附着和积累，是海洋工业面临的一个全球性问题，维护的经济和环境成本都很高［1］。自20世纪中叶以来，科学家们已经开发了各种防污涂层，例如铜化合物树脂涂层［2］、三丁基锡自抛光涂层［3］等，他们虽然具有很好的抗生物粘附效果，但是都是通过向周围水域释放有毒的物质而发挥作用，这将对非目标生物和海洋造成严重危害。自2008年1月31日三丁基锡等有毒涂料被禁止使用后，已经有人研究出了各种新型的无毒的海洋防污涂层，例如受控耗尽涂料（Controlled depletion paints，CDPs）、无锡自抛光涂料（Tin-free self-polishing paints，TF-SPC）等环保涂料，还有通过在船体表面构造各种仿生微纳结构［4］，或者形成水合层［5］，从而达到防污的目的。但是这些涂层对于周围水域的生物具有同等的防污效果，不具备特异性防污能力，开发特异性的防污涂层将会是未来新型海洋防污涂层的发展趋势。

聚合物刷是一种线性聚合物材料，可以接枝在不同基底上，通过引入不同的功能单体可以获得所需的物理和化学性能，所以广泛用于界面改性［6］。目前，聚合物刷已经广泛用于润滑减阻［7］、生物医学［8］、界面粘合［9］和防污［10-11］等领域。表面引发原子转移自由基聚合（Surface-initiated atom transfer radical polymerization，SI-ATRP）是一种广泛使用的聚合方法，可以在各种引发剂改性的表面上原位生长聚合物刷，在众多SI-ATRP策略中，表面引发零价铜介导的自由基聚合（Surface-initiated Cu（0）-mediated controlled radical polymerization，SI-Cu0CRP）策略允许在开放环境下可控地合成聚合物刷，这将有利于聚合物刷的大面积应用。因此，开发特殊的聚合物刷涂层用于防止贻贝及类似物的特异性粘附是非常有意义的探索。具有持久性氮氧自由基的2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基（TEMPO）是一种常见的用于氧化过程的催化剂［12］，除此之外，它还具有抗氧化的效果。贻贝与不同界面的强粘附是通过贻贝足部蛋白实现的，其中主要起粘附作用的是含有邻苯二酚基团的贻贝足部蛋白（mfp-5）［13-14］，而聚甲基丙烯酸-2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧基酯（PTEMPOMA）聚合物刷层中丰富的氮氧自由基可以在外部环境中O2作用下将邻苯二酚基團氧化为邻苯醌［15］，这将极大地减小贻贝足蛋白的粘附强度，进而达到抗粘附的效果。基于以上考虑，首先利用SI-Cu0CRP制备PTEMPMA层，进一步通过氧化形成PTEMPOMA聚合物刷涂层用于抗贻贝粘附，这将为开发特异性涂层用于抵抗贻贝或贻贝类似物的粘附提供思路。

1 实 验

1.1 材料与仪器

Cu片、硅晶圆片（～300 nm 氧化层），购于苏州锐材半导体有限公司；甲基丙烯酸-2，2，6，6-四甲基-4-哌啶基酯（TEMPMA）、二甲基亚砜（DMSO）、二氯甲烷（DCM）、五甲基二乙烯三胺（PMDETA）、2-溴-2-甲基丙酸（3-三甲氧基硅基）丙酯、多巴胺盐酸盐（DA）、间氯过氧苯甲酸（mCPBA），均购于麦克林试剂公司；贻贝为瓜子贝，购于生鲜市场。

1.2 实验方法

1.2.1 引发剂功能化基底的制备

将基底（具有纳米级氧化物层的硅晶片、铝片）用乙醇和去离子水洗涤5 min，并用干燥的氮气流干燥，然后用氧等离子体处理10 min。大面积不锈钢基底以及玻璃基底则不需要前面的氧等离子体处理过程。随后，将基底置于一个装有5 μL 2-溴-2-甲基丙酸（3-三甲氧基硅基）丙酯的小瓶的封闭容器中。在容器中60 ℃保持3 h，用去离子水和乙醇洗涤后，用干燥的氮气流干燥。

1.2.2 PTEMPMA聚合物刷的制备

将单体TEMPMA（0.5 g）、溶剂DMSO（1.5 mL，需提前除氧）和配体PMDETA（17 μL）添加到玻璃管中。在室温下超声5 min，得到无色透明的反应溶液。硅晶片和铝片基底：将一块用引发剂改性的硅晶片（铝片）平行于铜板，将两层相同大小的滤纸放在中间（铜板与基底距离约为0.4 mm），在板之间注入反应溶液。在室温下聚合预定时间后，分离板，用二甲基甲酰胺、乙醇和去离子水彻底清洗基底，并在氮气流下干燥。不锈钢和玻璃基底：将铜片放于基底之下，中间也用双层滤纸隔开，注入反应溶液，直至溶液充满整个间隙，反应2 h，用乙醇和去离子水彻底清洗基底，用氮气流干燥。

1.2.3 PTEMPMA聚合物刷的氧化

将接枝有PTEMPMA聚合物刷的基底放入10 mL DCM中，然后将10 mL的mCPBA（0.76 g，4.4 mmol） DCM溶液滴加到上述溶液中，在氮气氛围下，将所得溶液在室温下搅拌3 h。取出基底，分别用二甲基甲酰胺、乙醇和去离子水彻底清洗，然后用氮气流干燥。

1.2.4 贻贝浸泡样品（大面积不锈钢和玻璃片）的制备

将TEMPMA（0.49 g，2.2 mmol）溶于10 mL DCM中，然后将10 mL的mCPBA（0.76 g，4.4 mmol） DCM溶液滴加到上述溶液中，并将所得溶液在氮气下室温搅拌3 h。然后用20 mL质量分数为5%的碳酸钠水溶液和水洗涤溶液。分离晶体，在真空下干燥，得到TEMPOMA。后面的聚合物刷接枝过程参考PTEMPMA聚合物刷的制备过程，只需要将单体换成TEMPOMA即可，其他部分不变。

1.3 测试与表征

采用静态接触角仪（OCA，DCAT21，宁波金茂进出口有限公司）进行水接触角的测试。采用扫描探针显微镜（SPM，Bruker Dimension ICON）的敲击模式进行多巴胺溶液（Dopamine，DA）浸泡后样品的表面形貌及粗糙度的表征。采用显微傅里叶变换红外光谱仪（Micro FT-IR，Agilent Cary660+620，范围650～4000 cm-1）进行红外光谱表征。电子顺磁共振光谱（EPR，Bruker E500）进行自由基的表征。采用3d光学轮廓仪（UP-Lambda，艾泰克仪器科技有限公司）进行贻贝浸泡后样品的表面形貌以及粗糙度表征。

2 结果与讨论

2.1 聚合物刷的制备及聚合机理

图1（a）为聚合物刷制备的过程：主要分为引发剂接枝和聚合物刷接枝。图1（b）展示了SI-Cu0CRP的通用反应装置及聚合机理，反应装置为三明治结构，相同尺寸的铜片和引发剂改性基底用0.4 mm厚的滤纸隔开，中间为反应溶液（溶剂DMSO、单体TEMPMA和配体PMDETA），反应全程在外部开放环境中进行。铜物种（CuⅠ和CuⅡ）主要通过在配体存在下铜的耗氧腐蚀形成（见图1（b），黄色小球），CuⅠ物种可以被溶解氧氧化为CuⅡ物种，CuⅡ物种也可以再次被铜片还原为CuⅠ物种，通过铜片和基底之间的歧化/归中反应平衡，使得聚合反应具有优异的耐氧性，进而催化单体聚合形成聚合物刷涂层［16］。

2.2 聚合物刷的生长动力学及自由基表征

利用SPM对PTEMPMA聚合物刷子的生长动力学过程进行表征，并用接触角仪测量相应的静态水接触角，通过EPR测试了PTEMPMA聚合物刷子氧化前后自由基的形成。图2（a）的生长动力学曲线展示了单体极快的聚合速率，这得益于SI-Cu0CRP的优越性，图2（a）中在反应时间为30 min和180 min时PTEMPOMA聚合物刷子的靜态水接触角分别为57.58°和55.10°，这说明涂层具有一定的亲水性，有利于表面形成水合层，阻碍贻贝足蛋白的粘附［17］。图2（b）显示了在氧化前PTEMPMA聚合物刷子没有出现自由基的信号，氧化后的PTEMPOMA聚合物刷子则出现了强烈的氮氧自由基信号，这表明了氧化过程是有效的。

2.3 盐酸多巴胺浸泡测试

随后利用盐酸多巴胺溶液代替贻贝粘附蛋白模拟PTEMPOMA聚合物刷子的抗粘附性能，通过AFM进行表面粗糙度表征（基底为硅晶片），通过FT-IR分析了表面物质（基底为铝片），并且利用EPR测试了浸泡前后的自由基的变化。图3分别展示了空白基底（见图3（a））、聚合物刷接枝后的基底

（见图3（b））以及分别经过盐酸多巴胺溶液浸泡三天后的基底（见图3（c）－（d））的表面形貌以及粗糙度变化。可以看到，空白基底在浸泡前后，表面粗糙度（Ra）变化量达到了20 nm，而接枝有聚合物刷的基底在浸泡前后的表面粗糙度的变化量只有4.16 nm，这从某种程度上证明了PTEMPOMA聚合物刷涂层对于多巴胺的抗粘附效果。图4则展示了

空白铝片基底（见图4（a））和聚合物刷接枝后的基底（见图4（b））浸泡前后表面物质的变化，在盐酸多巴胺溶液浸泡三天后，空白铝片基底上出现了明显的氨基（～3200 cm-1）和苯环（～1600 cm-1）的信号，而聚合物刷接枝基底两个位置的峰强度则要小得多，这同样说明了PTEMPOMA聚合物刷对于抗多巴胺粘附的有效性。经过EPR测试了聚合物刷层在浸泡前后的自由基信号，发现自由基在浸泡后信号强度基本不变（见图5），这证明了聚合物刷在抗粘附过程中起到了催化剂的作用，自身性能在反应前后是不会发生变化的，这将有助于PTEMPOMA涂层的应用。

通过多巴胺代替贻贝粘附蛋白，对PTEMPOMA的抗贻贝粘附机理进行了探究。多巴胺盐酸盐的内聚交联是氧化过程导致的，然而与不同基底的接触粘附是靠邻苯二酚基团实现的，在外界环境中O2的作用下邻苯二酚会被氧化为邻苯醌，邻苯醌基团的粘附强度则比邻苯二酚基团要小得多，但是邻苯醌不稳定，在一系列转化下最后还是会变回邻苯二酚［13-15］，这样就能粘附在基底上。通过PTEMPOMA聚合物刷涂层来催化邻苯二酚基团的氧化过程，使得靠近聚合物刷表面的多巴胺能不断的被氧化为多巴醌（见图6），这样就能极大降低其粘附强度，聚合物刷表面的水合层也能进一步阻碍粘附过程。

2.4 贻贝浸泡测试

为了探究氮氧自由基聚合物刷涂层真实的抗贻贝粘附性能，将大面积制备的样品以及空白基底放入贻贝养殖箱里，浸泡一个星期后得到真实的贻贝粘附情况，并用3D光学轮廓仪表征表面形貌和粗糙度。图7（a）―（b）展示了玻璃基底的粘附情况，相比于聚合物刷接枝后的玻璃，空白玻璃基底显示了强烈的贻贝粘附，其表面粗糙度也比聚合物刷涂层覆盖基底大了一个数量级。聚合物刷涂层改性的不锈钢基底也显示出了同样的抗粘附效果（见图7（c）―（d））。通过贻贝浸泡测试，这不仅展示了PTEMPOMA聚合物刷涂层优越的抗贻贝粘附性能，也充分显示了其对于不同基底的适用性。

3 結 论

本文制备了一种可用于抵抗贻贝粘附的聚合物刷涂层，通过SI-Cu0CRP将单体TEMPMA原位接枝在引发剂修饰表面，经过氧化得到含有氮氧自由基的PTEMPOMA聚合物刷层。通过盐酸多巴胺浸泡实验以及真实的贻贝浸泡实验，从理论和实际上都证明了PTEMPOMA聚合物刷层具有优良的抗贻贝粘附性能，并且涂层在使用过程中具有良好的稳定性，这对于涂层的实际应用是非常有利的。因此，利用PTEMPOMA聚合物刷涂层进行表面改性，将有效防止贻贝类生物的粘附，这将为新型海洋防污涂层用于抗贻贝粘附提供新的思路。

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Application of nitroxide radical functional polymercoating to resist mussel adhesion

XIA Yifu， WANG Tao

（School of Materials Science & Engineering， Zhejiang Sci-tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：

The Earth's oceans cover a vast area （approximately 71% of the earth's total surface）. Marine transport is an important part of international trade， which cannot be ignored for social and economic development. Due to the oceans' complex environment and biodiversity， various fouling organisms are easy to adhere to marine equipment such as ships and oil platforms. For example， mussels and other invertebrates are firmly attached to the surface of ship hulls by secreting biological adhesives. Due to the massive adhesion of fouling organisms， the weight of the hull increases and the surface becomes rougher， which leads to increased energy consumption during operation and causes significant economic losses. In order to prevent further damage， much money is invested every year in the regular cleaning of ship surfaces and the maintenance of marine installations. Therefore， it is essential to develop economical and effective marine antifouling coatings.

In order to prevent fouling organisms from adhering to underwater surfaces， the application of antifouling coatings is the simplest and most widely used method currently. Nevertheless， conventional antifouling coatings usually kill fouling organisms by releasing toxic materials such as organo-tins and cuprous oxide， which cause irreversible damage to marine ecology. Therefore， the development of efficient and environmentally friendly marine antifouling coatings has become a popular research topic. Polymer brushes are linear polymers with a brush-like structure anchored to a surface at one side. Surface-initiated radical polymerization is a widely used polymerization method that can be grown in-situ on various initiator-modified surfaces， and many researchers are currently using surface-initiated radical polymerization to synthesize polymer brush layers for investigations related to anti-protein adhesion and anti-bacterial applications， with good results， showing that polymer brushes have great potential for application in the field of anti-biofouling. Thus， we synthesized the functional polymer brush coating for mussel adhesion resistance， and used its catalytic effect to oxidize the catechol groups， significantly reducing the adhesion of mussel adhesion proteins. It is found that the PTEMPMA polymer brush coating is grafted on the initiator-modified surface by the SI-Cu0CRP strategy， and the PTEMPOMA polymer brush coating is obtained by oxidation. The surface roughness is characterized after dopamine hydrochloride immersion experiments and real mussel immersion experiments. The polymer brush coating shows the excellent anti-mussel adhesion performance and good stability after immersion.

Nowadays，with the development of sustainable economy， it has become an inevitable trend to develop economical， efficient and environmentally friendly new types of marine antifouling coatings， especially for the anti-adhesion research of specific species （e.g. mussels and barnacles）. The use of nitroxide radical functionalized polymer brush coatings for anti-mussel adhesion meets expectations in terms of both principle and experimental results， and the findings may provide new insights into the development of new marine antifouling coatings.

Keywords：

marine antifouling; anti-mussel adhesion; polymer brush; free radical polymerization