海洋生物污损指的是海洋中的细菌、藻类、藤壶等在水下表面附着和生长的一种现象。生物污损会增加船体阻力、加速表面腐蚀、破坏螺旋桨，导致额外的油耗和过高的维护成本。额外的油耗加剧了二氧化碳、二氧化硫等气体的过量排放，影响各国政府对“碳中和”目标的实现。海洋生物污损还对跨海大桥、钻井平台、养殖网箱、海底管道等多种水下设施具有负面影响。据统计，海洋生物污损每年给全球海洋工业造成的损失超过150亿美元。
(资料图)
木船上的生物污损（Doug Beckers/CC BY-NC-SA 2.0）
传统的防污涂层一般通过释放有毒物质（例如氧化铜、三丁基锡等）杀死污损生物来达到防污效果。然而，研究发现这些有毒物质对非污损生物也具有毒性，并通过食物链影响更多物种，甚至包括人类。为了保护海洋生态环境，多个国家相继颁布了法律来禁止舰舶使用这些有毒防污涂层。2001年，国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）通过禁令，要求从2008年起禁止在船舶表面使用三丁基锡涂层。因此，开发绿色、环保、高效的防污涂层具有非常迫切的需求。
自然界的生物在长期进化过程中，已经进化出了各自的防污策略来减少生存压力。例如，海洋中的海豚可以依靠其柔软的皮肤和高速的游动，使得污损生物难以附着。深入理解这些生物的防污机制，并制备相应的防污涂层应用于水下表面具有十分重要的工程意义。任露泉团队田丽梅课题组对当前的仿生防污技术进行了系统的总结分类，讨论了不同仿生技术的优缺点以及未来的发展方向，针对实际应用中单一仿生技术的局限性，提出了多功能仿生防污涂层概念，讨论了目前多功能仿生防污涂层的研究进展，于Progress in Materials Science发表了题为“Bioinspired marine antifouling coatings： Status, prospects, and future”的综述文章。
6种主要的仿生防污策略 Copyright2021，Elsevier
当前主流的仿生海洋防污技术主要有以下6大类（见上图）：
1.仿生微纳表面。微纳结构的存在可以减少污损生物和表面之间的附着力，起到防污的功能。当前的应用挑战在于微纳结构的机械性能差，极小的外力都会在微纳结构上造成应力的过度集中，导致微纳结构的损坏，最终丧失防污性能。因此，开发健壮的微纳表面是重要的发展方向。
2.天然防污剂。珊瑚、藻类、辣椒等会分泌天然防污剂驱赶、毒杀或抑制细菌和其他生物的生长。提取这些化学物质，或者人工合成类似物用于防污涂层是一种有效的防污策略。需要注意的是，这些天然化学物质对海洋环境的潜在风险需要充分评估。
3.仿生水凝胶。鱼类和两栖动物表皮黏液的主要成分是一种天然的水凝胶，柔软且具有亲水性。氢键和静电作用在表面诱导形成水化层，这一水化层对污损生物形成了一个物理屏障，从而起到抗黏附的功能。然而，水凝胶力学性能差、与基底结合强度低、长期使用效果差是其应用的障碍。
4.超光滑表面。猪笼草捕虫瓶瓶口的边缘始终处于润湿状态，润湿的瓶口十分光滑，昆虫很容易滑落瓶中被其消化吸收。这种超光滑表面形成的关键在于其捕虫瓶瓶口的多孔网状微纳结构，这种结构能够在锁住液体润滑层的同时，赋予液体润滑层在多孔结构中流动的特性。蚯蚓通过皮肤分泌润滑液，在土壤中以低阻力穿行，同时减少污染物的附着。模仿这种超光滑特性制备的海洋防污表面，几乎可以抵御任何污损生物的附着。然而在流体环境下，润滑液的易失性是一大挑战。模仿蚯蚓的分泌功能，研制可以分泌润滑液的新型材料，可能是解决这一难题的有效途径。
5.仿生动态表面。海洋中的一些藻类会采用蜕皮的方式来清洁表面的污损生物；海豚、软珊瑚等具有柔软表面的生物，在流体作用下，其表面一直发生变形，形成一种不稳定的表面，这增加了污损生物定居的难度，即使污损生物附着在其表面，也会在形变作用下从表面脱附。因此，采用可控降解的表面来模仿藻类的蜕皮效果，或者采用柔软的材料模仿海豚、软珊瑚的皮肤结构，可以起到防污功能。
6.两性离子聚合物。磷脂酰胆碱（phosphatidycholine）存在于人体的所有细胞中，是细胞脂质双分子层的重要组成部分。磷脂酰胆碱头部基团是带有等量异种电荷的两性离子，可以降低血小板和蛋白质的黏附，具有抗血液凝结的作用。由于海洋中的细菌和硅藻通过分泌胞外聚合物（主要成份是蛋白质、多糖等）来促进黏附，贻贝和藤壶依靠自身分泌的蛋白质在固体表面定居，因此两性离子聚合物可以减少这些污损生物的附着。当前应用的挑战在于其长期防污效果差，开发长效的此类防污涂层已经取得初步的进展。
在实际的海洋环境中，上述单一的仿生防污策略可能缺乏广谱防污性能，并且可能由于复杂的海洋环境或物理破坏而失效。本课题组的研究发现，海洋生物通常使用多种防污策略来减少生物污损。例如，软珊瑚至少具有4种防污策略，包括柔软的皮肤、天然防污剂、触手的摆动和蜕皮效应等，这些协同作用赋予涂层多种防污功能，包括杀菌、抗附着等功能。多功能仿生防污技术有望解决单一仿生防污策略的局限性。该策略结合了多种仿生防污策略的协同优势，有助于提高涂层的防污性能和使用寿命。有理由相信，在不久的未来，仿生海洋防污技术将迎来一个蓬勃发展的时期。
本文来自《科学通报》
