原文链接：https://doi.org/10.1016/j.gce.2025.07.009

原文PDF：1-s2.0-S2666952825000743-main.pdf

【文章导读】

海洋是资源与能源的宝库，但其开发利用深受海洋生物污损的制约。海洋生物污损指微生物和动物在工程结构表面附着和生长，严重阻碍海洋经济发展。在众多防污方法中，涂覆防污涂料因其简便和经济优势而备受青睐。防污设计根据设备运行环境分为两类：一是适用于静态设备的“静态防污”，主要依靠涂层中防污剂的释放；二是适用于动态设备的“动态防污”，利用低表面能特性使污垢在水流剪切下易脱落。这两种机制的有效结合有望实现长效防污。

哈尔滨工业大学吴彦超教授课题组使用柔韧性好的有机硅（PDMS）对质脆的环氧树脂（EP）进行改性，得到兼具韧性与稳定性的疏水基质（SiEP），来实现动态防污。为了解决防污剂美托咪定（MM）初期暴释且防污期短的问题，将其负载于中空介孔纳米硅球（HMSNs）中，形成MM@HMSNs纳米颗粒，来实现可控缓释，从而进行静态防污。该复合涂层展现了优异的抗蛋白粘附、抗菌性能以及抗藻性能，在海洋实地测试中生物附着率大幅度减少。文章发表在Green Chemical Engineering（GreenChE），题为“Marine antifouling coating with dual antifouling mechanism based on medetomidine”。

【研究亮点】

● 采用中空二氧化硅纳米球作为载体，对环保型防污剂美托咪定进行高效负载，得到的MM@HMSNs可有效延缓美托咪定的释放。

● SiEP-MM@HMSNs涂层的抗蛋白粘附率、抗菌率和抗藻率可达90%以上。

● SiEP-MM@HMSNs涂层具有优异的海洋防污性能，其防污性能可保持长达四个月。

【内容概述】

本研究首先通过一种经济高效的两步合成路线成功制备了目标防污剂美托咪定（MM）。在载体材料方面，采用牺牲模板法合成了具有规则介孔孔道的中空介孔二氧化硅纳米球（HMSNs），该结构凭借内部空腔了实现20% MM的负载量。最后，将其与预先合成的硅改性环氧树脂（SiEP）基体进行复配，构建出最终的复合涂层材料（图1）。对所得MM@HMSNs的形貌与结构进行表征，SEM图像表现出了出完整的球形轮廓与明显的壳-核中空结构。通过热重分析（TGA）进一步量化其负载能力，结果显示MM在HMSNs中的负载量约为20 wt%（图2）。

图1.（a）MM的合成方法；（b）MM@HMSNs的制备方法；（c）SiEP涂层基质的制造工艺。

与EP相比，SiEP-MM@HMSNs的疏水性和表面粗糙度显著提升。同时，在长达15天的释放周期内，MM的释放量可稳定维持在1.71 μg/cm²（图3）。

图2.（a）HMSNs和MM@HMSNs的扫描电子显微镜形态;（b）HMSNs和（c）MM@HMSNs的粒度分布;（d）氮气等温吸附-脱附曲线和（e）HMSNs的孔径分布;（f）MM、HMSNs和MM@HMSNs的FTIR光谱;（g）HMSNs和MM@HMSNs的XPS中的元素分布;（h）C 1s和（i）N 1s的XPS谱;（j）MM、HMSNs和MM@HMSNs的TGA曲线。

图3.（a）FTIR光谱；（b）力学测试曲线；（c）EP、EP-MM@HMSNs和SiEP-MM@HMSNs的WCA和SFE；（d）在人工海水中MM@HMSNs释放MM的速率；（e）不同比例的MM@HMSNs在人工海水中释放MM的速率;（f）在人工海水中MM在不同材料中的释放速率；（g）EP、（h）EP-MM@HMSNs和（i）SiEP-MM@HMSNs的三维形貌和粗糙度。

在分子与微生物层面，SiEP-MM@HMSNs不仅能显著抑制蛋白质吸附，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、费氏弧菌以及隐秘小环藻均表现出高达90%以上的广谱抑菌/抑藻活性（图4）。此外，该材料实际防污性能在实地海洋实验中得以印证，其表面生物附着面积得到显著控制（图5）。

图4.（a）MM、2-巯基苯并噻唑和辣椒素的抑菌圈；（b）平板计数图像和藻类附着图像；（c）EP、EP-MM@HMSN和SiEP-MM@HMSN的静态蛋白质吸附能力；（d）大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率；（e）EP-MM@HMSN和SiEPMM@HMSN的抗藻率;（f）SiEP-MM@HMSN的抑菌机理。

图5. EP、EP-MM@HMSNs和SIEP-MM@HMSNs涂层测试板在海水中浸泡不同天后的图像。

【总结与展望】

本文主要将中空介孔HMSNs用于负载防污剂MM，形成MM@HMSNs，提高了MM的载药量（18.09%）并实现缓释。有机硅改性构建的SiEP基体与MM@HMSNs协同可提升涂层疏水性，增大水接触角，降低表面自由能，同时增强力学性能。该涂层对细菌和藻类的防污效果均超过90%。海洋现场试验结果表明，SiEP-MM@HMSNs的防污性能明显优于EP。中空介孔结构实现了有效缓释，而低表面自由能基体与MM@HMSNs共同构建的双重防污机制带来了持久的防污表现，为海洋长期防污提供了可靠方案。

【通讯作者简介】

吴彦超，哈尔滨工业大学（威海）教授，博士生导师，山东省泰山产业领军人才，中国科学院化学研究所博士，法国国家科学研究中心天然产物研究所博士后。从事海洋医药与海洋防污防腐研究，承担国家自然科学基金、国家重点研发计划等科研项目。在 Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition和Chemical Engineering Journal等期刊上发表论文论著240篇，书籍章节15部，授权发明专利40多项。担任山东省海洋船舶防污工程技术研究中心副主任、山东省青年创新人才协会理事、威海市海产品重点实验室主任。2024年和2025年入选爱思唯尔与美国斯坦福大学共同发布的全球前2%高被引科学家。

撰稿：原文作者

编辑：GreenChE编辑部

【期刊简介】

Green Chemical Engineering（GreenChE）于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”，2020年9月正式创刊，最新影响因子7.6，位列Q1区，最新CiteScore为15.5，目前已被ESCI、EI、DOAJ、Scopus和CSCD等多个权威数据库收录。GreenChE以绿色化工为学科基础，聚焦"绿色"，立足"工程" ，注重绿色化学、绿色化工及其交叉领域的前沿问题，紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。

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