近日，意大利比萨大学S. Danti教授课题组在Energy & Environmental Materials上发表了题为:"Antifouling Properties of Electrospun Polymeric Coatings Induced by Controlled Surface Morphology."的研究型论文。
亮点
1. 通过逐层沉积电纺聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物（P（VDF-TrFE））纤维并控制其取向，开发和验证了涂层材料。
2. 获得的具有90°取向纤维的10层表面形态能够有效地防止细菌粘附，通过建立与Cassie-Baxter方案兼容的超疏水性行为。
3. 通过调整纤维间距，可以使用直径与细菌大小相当的纤维（即通过电纺过程实现），来控制表面润湿性和细菌粘附。
研究背景
在疫情和多重耐药性日益严重的背景下，寻找新的感染控制策略已成为全球性的首要任务。在医疗领域，医院内感染，包括由医院来源细菌引起的手术及术后并发症，这些细菌会定植于导管、骨科假体、心脏瓣膜、支架和乳房植入物等经皮和植入设备上，每年在欧洲的医疗费用高达数百万欧元。环境和皮肤上的细菌可以利用伤口、手术切口以及术后引流管作为通道，进入患者体内，到达原本无菌的内脏器官。一旦感染发生，需要抗生素治疗才能完全恢复。然而，在某些情况下，药物的治疗剂量无法到达感染区域，例如，当药物无法穿透由非生物降解植入物周围形成的无血管纤维化疤痕时，抗生素的效果会大大降低。因此，虽然最初看起来有所好转，但随后会出现耐药菌种，导致微生物群落的增强。在此背景下，开发有效的表面抗菌治疗对于许多与生物材料相关的外科手术的成功至关重要。有前景的方法是通过提供不利于细菌粘附的表面来实现，即通过物理障碍使表面变得不利于细菌生物膜的形成，从而让宿主的免疫系统和抗生素治疗能够更有效地发挥作用。在可能的解决方案中，高度疏水的表面涂层已被证明能够通过物理机制防止生物污染，这种机制最初是在自然界中观察到的。
为了模仿生物表面的防污特性，人们利用光刻和自组装技术进行了人工尝试。例如，Sharklet Technologies，Inc.制造的聚二甲基硅氧烷和热塑性聚氨酯产品，其微图案表面基于类似鲨鱼鳍或分布柱状的图案，提供了有效的防生物污损性能，在皮肤相关应用中有效防止了细菌粘附。通过分析特定参数，如表面特征的分布密度和形状，研究了微纳米结构表面成功的抗菌机制。过去十年，由于超疏水材料在工业、环境和医疗保健领域的潜在影响，其物理化学性质受到了广泛关注。然而，仍有一些问题需要解决，包括技术成本、生物相容性和微纳米结构表面的耐久性，这些问题需要进一步研究，以选择合适的材料和制造工艺，应用于工业规模的生产过程。
电纺技术是纳米技术中最具前景的技术之一，用于制造小尺寸的纤维和颗粒，具有在工业规模上扩展的巨大潜力。在某些情况下，电纺纤维网因其独特的纹理而表现出超疏水性。尽管电纺技术无法实现对拓扑结构的精确空间控制，但它比其他纳米图案化技术（如蚀刻、光刻）更经济且易于放大，后者虽然在小面积上具有较高的拓扑控制能力，但更适合于工业规模的生产。电纺技术的一大优势在于可以处理多种聚合物。聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物（P（VDF-TrFE））是一种部分氟化的共聚物，其中的C-F键赋予了其高化学稳定性和压电性能，并具有疏水性。多项研究探讨了静电纺丝过程对P（VDF-TrFE）结晶度和压电性能的影响。P（VDF-TrFE）纤维对上皮细胞表现出良好的细胞相容性。由于静电纺丝过程增强了其压电性能，目前，静电纺丝的P（VDF-TrFE）纤维作为纳米发电机和纳米传感器引起了广泛关注。然而，作为一种制造技术，静电纺丝需要优化许多工艺参数，包括电压、进给速率、溶液的粘度和电性能、装置几何形状、温度和湿度，以实现所需的纤维尺寸、间距和排列等特定性能。
文章简读
作者利用电纺技术，通过控制沉积纤维的几何形状，制备了具有内在防污性能的高度疏水纹理，这些纹理可用作表面涂层。通过电纺技术，将P（VDF-TrFE）制成的超细纤维以叠加层的形式构建成纤维涂层，从而在连续层之间实现不同的排列方向。作者报道了在铝和P（VDF-TrFE）表面上沉积的两代涂层的制造与测试方法，这些涂层由多层排列的超细P（VDF-TrFE）纤维构成。作者通过所获得的纹理表面和WCAs的形态，评估了其超疏水性能。最终对这些涂层进行了生物分析，评估了它们限制细菌粘附的能力，包括铜绿假单胞菌和大肠杆菌，作为防污能力的主要指标。
图文赏析
图1 用于制备1G和2G样品的静电纺丝装置及n层台阶工艺。
图2 a、b)基于扫描电子显微镜（SEM）的显微图像，c)直径分布图，以及d)第二代（2G）纤维涂层的平均孔径与晶须分布图，该涂层由10层纤维构成(10 L）。
文章链接
Fabio L. Favrin, Lorenzo Zavagna, Matteo Sestini, Semih Esin, Bahareh Azimi, Massimiliano Labardi, Mario Milazzo, Giuseppe Gallone, Giovanna Batoni, and Serena Danti*, Antifouling Properties of Electrospun Polymeric Coatings Induced by Controlled Surface Morphology. Energy Environ. Mater. 2024, 7, e12773
DOI: 10.1002/eem2.12773
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12773