郝万军：原硅酸类似物诱骗策略实现水凝胶高效抗硅藻附着

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海洋生物污损是指在海洋中的生物在材料表面附着和聚集，并带来不利的影响。例如，增大船舶航行的阻力，导致航行速度降低、油耗增加；加速材料的腐蚀和老化，导致维护周期变短，增加资源和资金的投入。据不完全统计，每年全球因海洋生物污损造成的经济损失高达上百亿美元。目前的海洋防污策略大部分还属于无差别毒杀，不仅效率低，而且还可能导致毒物通过生物链富集再被人食用。因此，开发一种无毒高效的海洋防污材料迫在眉睫。硅藻是一类具有二氧化硅外壳的单细胞植物，具有精巧的结构。硅藻的分布极其广泛，是主要的海洋污损生物之一，且硅藻的附着是海洋生物污损的重要一环。

最近，江雷院士仿生智能界面研究团队的郭兴林副研究员和海南大学郝万军教授合作在《Journal of Materials Chemistry A》发表题目为Preventing diatoms adhesion using a hydrogel with orthosilicic acid analog as deceptive food的文章，首次提出利用原硅酸类似物诱导硅藻摄取，进而干扰硅藻正常的生命活动，最终实现抗硅藻附着。由于硅藻合成二氧化硅外壳需要大量摄取硅酸，而人和其他海洋生物并不吸收硅酸。针对这一差异，作者使用一种人工合成的原硅酸类似物（SOSA）——3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（TMSPMA），可以通过共聚固定在凝胶中并且水解得到带有三个硅羟基的SOSA，制得柔韧的抗硅藻附着凝胶。在水凝胶中，SOSA具有与原硅酸非常类似的三个硅羟基，并且还有一个在水中稳定的碳-硅键。当这些物质被凝胶表面的污损硅藻摄取之后，由于其中的碳-硅键比较稳定，不能像原硅酸一样缩合形成二氧化硅外壳，所以硅藻的正常生命活动将出现紊乱，最终影响硅藻的附着行为。

进行硅藻附着（舟型藻、小新月菱形藻）测试后，凝胶在经过气液界面时，表面肉眼可见的硅藻全部脱离。荧光测试表明，当SOSA的添加量仅为1wt%时，该凝胶（SOSA-5）就能表现出非常好的抗硅藻附着性能，硅藻的附着量仅为对照样（未添加SOSA凝胶）的10%；而当添加量为2wt%时， SOSA的凝胶（SOSA-10）表面几乎没有硅藻附着。

作者还通过XPS测试进一步研究了SOSA对硅藻的影响。在含有SOSA的培养液中扩培之后，硅藻（舟形藻）的XPS图谱中出现了Si-C（SOSA中）峰，表明SOSA已经被硅藻摄取。

为了验证SOSA凝胶的环境友好型，作者将SOSA-10凝胶和PS板（对照样）置于同一环境中进行测试。藻类附着测试结果显示，SOSA-10凝胶表面几乎观察不到硅藻附着量，但是对照样PS板的硅藻附着量很大，说明SOSA-10凝胶中的SOSA已经完全被固定到了凝胶中，不会向外释放。这不仅有利于保持防污材料的长效性，也能减少防污涂层对海洋环境的影响。

最后，作者还对凝胶进行了浸润性表征。结果表明，SOSA凝胶具有非常好的亲水性和水下超疏油性，凝胶在水下对油滴的粘附力很低。水下超疏油性质有利于SOSA凝胶抵御疏水性污损物（如蛋白等）的附着，表面保持清洁，进一步提高其防污性能。

该论文的第一作者是中国科学院理化技术研究所博士研究生陈伟鹏和郝德昭（共同一作），通讯作者是郭兴林副研究员和郝万军教授。

参考文献：

Chen, W., Hao, D., Guo, X., Hao, W. & Jiang, L. Preventing diatoms adhesion using a hydrogel with orthosilicic acid analog as deceptive food. Journal of Materials Chemistry A, 2018.

文章链接：

http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2018/TA/C8TA07042C