基于仿生疏水表面与Ce/Ag掺杂的MoO3-SiO2纳米复合抗菌涂层的性能研究

In this project, the antibacterial MoO3/SiO2 nanocomposite coatings containing Ce and Ag are prepared onto the 316L stainless steel and Ti-6Al-4V substrates by a two-step process involving firstly, deposition of Mo-Si-Ce-Ag coating, using a double cathode glow discharge process and, secondly, plasma oxidation of the as-deposited coatings. The new coatings are durable and combine water repellency with broad-spectrum antibacterial capacity and good resistance to microbial corrosion. This is achieved through an in-depth investigation of the influence of the deposition process, the target composition and doping elements on the microstructure, photocatalytic, semiconducting, corrosion resistant and bactericidal properties of the coatings. Further, the relevant mechanisms of bactericidal and corrosion resistance of the coatings will be discussed.The findings are expected to provide important guidance for the design of durable, antibacterial coatings used in medical devices, petrochemical and marine structures.

本项目采用双阴极金属-非金属等离子溅射沉积技术与离子氧化的复合工艺，在316L 不锈钢和Ti-6Al-4V表面制备Ce和Ag双元素共掺杂MoO3-SiO2纳米复合抗菌涂层。该涂层系统集成疏水抑菌与多种功效杀菌剂的协同作用于一体,旨在探索具有长效、广谱、快速杀抑菌能力以及耐微生物腐蚀的涂层。通过深入研究复合工艺参数、复合涂层的相组成及其表面微米-纳米结构与该涂层的疏水性、光催化活性、抗菌性能、半导体特性、耐蚀性能的影响规律，优化各种抗菌组份的协同作用，并探讨复合涂层的抗菌和耐微生物腐蚀机理。本项目研究对新型抗菌、耐微生物腐蚀涂层材料的研发以及在生物医学和海洋工程领域的应用奠定了坚实的基础。

当前，细菌感染引起的各类疾病对全球人类健康构成严重的威胁。据世界卫生组织报道，全球每年大约140万人遭受严重感染，医院感染被认为是发达国家的第四大致病原因。而仅通过手部卫生或医疗器械消毒很难控制住传染性病原体的传播。此外，在海洋以及土壤环境中也存在大量的、种类繁多的微生物，主要包括细菌、真菌和藻类等, 这些海洋微生物的代谢产物引起的微生物腐蚀，大大降低设备的使用性能与寿命，从而造成巨大的经济损失和严重的事故。大多数金属材料缺乏抗菌活性，无法阻止细菌菌在其表面附着和繁殖。本项目针对医用材料在临床应用中所出现的细菌感染以及涉及海洋工程领域的硫酸盐还原菌所引起的微生物腐蚀问题，采用双阴极金属-非金属等离子溅射沉积技术与离子氧化的复合工艺，在316L不锈钢和Ti-6Al-4V表面制备Ce和Ag双元素共掺杂MoO3-SiO2纳米复合抗菌涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等手段对纳米晶复合涂层分的表面形貌、微观组织及元素价态进行分析。采用平板计数法对纳米晶复合涂层对于革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌以及真菌的抗菌性能。采用电化学方法研究涂层在在SRB菌液环境下的耐微生物腐蚀性能。结果表明：涂层集疏水抑菌、银离子释放、光催化、酸性表面四种抑杀菌方法于一体，通过多种抗菌机制的协同作用实现了在有光或无光照条件下高效、广谱抗菌。此外，本项目还研究了添加Ag的α-Nb5Si3、Ta5Si3和Ta-Si-O涂层的抗菌性能以及具有光热抗菌性能的超黑微纳表面金属/陶瓷双相超疏水纳米涂层。本项目研究成果对新型抗菌、耐微生物腐蚀涂层材料的研发以及在生物医学和海洋工程领域的应用奠定了坚实的基础。