摘要
细菌在表面的附着、繁殖除了危害人体健康，其腐蚀性代谢物还会对材料表面造成不可逆的侵蚀，严重的还会影响设备设施的安全工作。一些富菌环境和卫生安全敏感领域对工程材料表面的抗菌需求尤为突出。目前，通过复刻生物表面的多层级结构特征，有效提高了材料表面的抗菌能力。但是仿生结构的材料表面难以达到细菌的百分百零粘附，残留的细菌凭借超强的自我繁殖能力，迅速对材料表面造成二次污染。如何进一步提高材料表面仿生结构的抗粘附能力，是目前解决材料表面抗菌性差的首要难题。微纳米结构需要具备特定的结构特征才能对细菌的粘附甚至是活性产生抑制作用，因此对于纳米结构的成型亟需一种高度可控的成型方法，并获得对细菌具有较强抑制作用的理想结构。 本论文以更强的抗粘附能力和更快、更稳定的物理抑菌效果为设计原则，设计了一种复合仿生结构，将低粘附的“荷叶”微-纳米多层级结构与物理抑菌的“蝉翼”纳米柱状结构耦合到钛合金表面，低粘附表面的自清洁能力和纳米结构表面对细菌的持续杀菌效果，能从细菌粘附和抑制细菌活性两方面大幅提高表面的抗菌效果。 利用激光刻蚀技术在1cm2的钛合金表面，实现了刻蚀深度为14um且整体表面刻蚀结构均匀的微米一级结构的可控成型。通过研究水热过程中纳米二氧化钛在钛合金表面的生长转变机制，明确了纳米针状结构是由于片层结构不稳定发生卷曲破裂形成，并实现直径 20nm 的二级针状结构定向成型。针对多层级结构的抗粘附机制，研究发现微纳米结构可以截获更多的气膜结构，并且将低表面能试剂的沉积率提高165.2%，表面粘附能力提高了 48.6%。并以此对结构进行了逆向优化设计，最终表面抗细菌粘附率达到 66.6%。针对纳米针状结构的抗菌稳定性，研究发现表面细菌残骸堆积导致结构无法与粘附细菌接触，是针状结构抑菌失效的主要原因之一。通过多层级结构与针状纳米结构的耦合，表面细菌残骸不再出现堆积现象，抗菌速率高达1.23*107CFUcm-2min-1满足金属表面抑菌需求。
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