防污涂层对于抑制微生物、细菌和血液等在材料表面粘附起到至关重要的作用，是抑制生物污垢的主要策略。然而，传统防污涂层存在毒性高、耐磨性不足、聚合物降解速率不稳定等缺点，对环境、经济和人类健康产生不利影响。因此，迫切需要开发耐久、无毒防污涂层。本文首先介绍了四大防污策略：基于表面润湿性的传统涂层、采用防护表面微结构的防污涂层、基于主链可降解聚合物的无毒涂层以及主链可降解侧链可水解聚合物的无毒涂层。其次，本综述全面概述了防污涂层的多功能性，包括：抗菌、抗蛋白、抗血液、防水垢和防冰/雾等。此外，探讨了无毒防污涂层的粘结性能、自愈性能、电化学腐蚀性能、机械稳定性能以及化学稳定性能。第三，探讨了现阶段无毒防污涂层的主要应用场景，多种防污涂层已广泛应用于船体、管道、石油平台、海洋传感器、液滴操控平台、伤口敷料、生物医学设备和医疗保健等。此外，本综述还探讨了防污涂层当前面临的挑战并展望了无毒防污涂层的应用前景。
背景介绍
随着国际海事组织发布的《控制有害防污系统的国际公约》中对环丁腈的禁令，传统杀菌材料逐渐向环境友好型防污材料演变。微生物粘附作为海洋工业和医疗卫生等领域中的一种普遍存在的现象，引发了众多负面影响，导致不同行业的经济损失和人员、设施等安全隐患。在海洋工业领域，植物、动物和微生物等海洋污染生物的繁殖会增加船只在长期航行过程中的阻力，导致燃料消耗增加和机动性下降，还引入了声纳干扰等问题。在海底管道石油和天然气运输过程中，管内杂质的沉积粘附导致流道堵塞，增加了运输阻力，极大降低了管内介质的传输效率。因此，它经常要求暂时停止管道作业进行机械清洁，进一步导致作业效率下降，造成经济损失。此外，生物污垢对生物制药行业同样构成了重大挑战，当组织细胞粘附在植入体内的医疗设备上时，如人体生物工程支架，会导致其功能丧失。根据罗切斯特流行病学医疗系统报告中，在接受≥2次心血管植入式电子设备（CIEDs）置换的患者中，至少1/4的患者会受到细菌感染。鉴于此，新加坡国立大学林志群教授联合中国石油大学（华东）曹学文教授、福州大学赖跃坤教授、梨花女子大学Dong Ha Kim教授、湘潭大学刘益江教授和伦敦大学Claire J. Carmalt教授在Materials Today期刊上发表了以Non-Toxic Evolution: Advancements in Multifunctional Antifouling Coatings为题的综述文章（图1），就海洋和医疗领域多功能防污涂层的近期研究进展进行了论述和展望。第一作者为臧雪瑞。
图1 海洋和医疗领域多功能防污涂层的分类、性能及功能应用概述
本文亮点
1. 基于样品制备过程、防污性能、耐物理/化学性能等多方面比较分析了四大类防污涂层，评价了它们各自优缺点。
2. 分析了无毒涂层针对不同污垢类别的防污特性，探讨了防污涂层的多功能性。
3. 讨论了现阶段无毒防污涂层的主要应用场景，并对无毒防污涂层的应用前景和未来挑战进行了展望。
图文解析
作者首先根据防污涂层的组成分为四个不同的类别：基于表面润湿性的传统防污涂层，具有保护结构的防污涂层，采用主链可降解聚合物的无毒防污涂层，以及具有主链降解和支链水解聚合物的无毒防污涂层。并基于样品制备过程、防污性能、耐物理化学性能等多方面比较分析了这四类防污涂层，以评价它们各自优缺点。
图2 各类传统防污涂层的制备方案
图3 采用表面防护结构的防污涂层制备方案
图4 基于主链可降解的防污涂层制备方案
其次，作者介绍了环境友好型涂层针对不同污垢类别的防污特性，包括：蛋白质、细菌、血液、水垢、冰与雾等的防污性能。此外，探讨了无毒防污涂层的粘结性能、自愈性能、电化学腐蚀性能、机械稳定性能以及化学稳定性能。
接下来，作者讨论了现阶段无毒防污涂层的主要应用场景，多种防污涂层已广泛应用于船体、管道、石油平台、海洋传感器、液滴操控平台、伤口敷料、生物医学设备和医疗保健等。
本综述强调了无毒防污涂层取代传统防污涂层的紧迫性并介绍了各种典型防污涂层的制备策略，如具有不同润湿性的表面改性、具有仿生微结构的微结构表面、引入无毒防污剂/杀菌剂和可降解的动态防污表面。
（1）目前，从防污耐久性和防污有效性来看，具有仿生保护结构表面和由具有主链可降解、侧链可水解聚合物的动态表面已展现出较好成效。然而，部分无毒涂层的短期防污性能虽能与传统有毒涂层的防污性能相当，但其耐久性、成本效益以及在恶劣环境下的有效性需进一步研究与测试。此外，随着近年来生物友好型天然防污剂和合成防污剂的逐步发现，将仿生结构表面与生物友好型防污剂或动态表面相结合可能是未来的发展趋势。然而，亟需解决此类方法面临高成本和难以大规模量产的问题。（2）与此同时，防污涂层需考虑温度、盐度和pH值变化的影响，这是船舶和医疗应用的关键要求。（3）智能响应材料由于其能够根据温度、光照、pH值和盐度等微小的外部变化改变界面特性，提高了涂层应对不同污染生物的防污性能，致使智能响应材料在防污领域受到广泛关注。然而，目前大多数智能可切换防污面仅用于实验室，面对复杂的海洋/医疗环境，实现防污材料释放的快速、灵敏和按需控制仍存在一定的困难。
开发防污涂层对于海上设备和预防传染病至关重要。基于微观结构和动态表面的防污技术在未来环保防污领域具有巨大应用前景。无毒海洋/医用防污涂层的开发是解决与传统有毒方案相关的生态和健康问题的有效途径，进一步的研究和创新将开创海洋/医疗行业无毒防污的新时代。
文献信息：
Non-toxic evolution: Advances in multifunctional antifouling coatings, Xuerui Zang, Yimeng Ni, Qiuyan Wang, Yan Cheng, Jianying Huang, Xuewen Cao*, Claire J. Carmalt*, Yuekun Lai*, Dong Ha Kim*, Yijiang Liu*, Zhiqun Lin*, Materials Today, 2024, DOI: 10.1016/j.mattod.2024.03.018.
臧雪瑞，中国石油大学（华东）博士生，新加坡国立大学/福州大学联合培养博士。专注于海洋防污机制、耐磨超疏水/亲水防护表面、海底管道安全、冲蚀/腐蚀损伤机制等领域研究，发表国内外著名论文20余篇。以第一作者身份在Materials Today、Advanced Science、Engineering、Chemical Engineering Journal、Petroleum Science等SCI期刊上发表论文7篇，发明专利3项。
林志群，新加坡国立大学化学与生物分子工程学教授。研究方向包括嵌段共聚物、共轭聚合物、功能纳米晶体、太阳能电池、电池、光催化、电催化、分层结构和组装材料、表面和界面性能等。发表了超过400篇同行评审期刊文章(H指数为111)。
曹学文，中国石油大学（华东）教授、博士生导师、油气储运工程国家重点学科油气集输方向学科带头人，中国海洋石油总公司油气开发专家。国家自然科学基金网评专家、国家科学技术奖评审专家，北京市、浙江省自然科学基金评审专家。中国石油大学教学名师、山东省优秀研究生指导教师。主要研究方向包括：①油气水多相流理论及应用；②海洋油气管道输送工艺及施工技术；③海洋油气管道完整性管理；④天然气处理与加工。
赖跃坤，福州大学教授，博士生导师，英国皇家化学会会士，福建省“闽江学者”特聘教授和福建省“百人计划”，致力于超浸润膜材料及环境保护的开发与应用。主持国家重点研发计划项目课题、国家基金委国际合作项目、面上项目、福建省杰青和企业等项目。以第一或通讯作者在Chem. Soc. Rev.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Nat. Commun.、Matter、Adv. Funct. Mater.、Environ. Sci. Technol.和Chem. Eng. J.等高水平期刊发表SCI论文200余篇，他引2万余次，H指数83，2018-2023连续6年入选全球高被引科学家；获授权发明专利38件(国际专利11件)，获侯德榜化工科学技术青年科学奖、中国产学研合作创新奖和教育部高等学校自然科学二等奖；担任国际化工专业期刊Chem. Eng. J.副主编等学术兼职。课题组主页https://yklai.fzu.edu.cn/
Dong Ha Kim，梨花女子大学教授，研究领域包括开发用于能量存储和转换的杂化纳米结构、电/光催化、非易失性存储设备、显示设备和生物医学诊断/治疗。他在顶级SCI期刊上发表论文170多篇，其中包括Nature Nanotechnology, Nature Communications, Chemical Reviews, Chemical Society Reviews, Journal of the American Chemical Society, ACS Nano, ACS Energy Letters, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Nano Letters, Nano Energy等，他还拥有32项韩国专利和2项美国专利。现任Nanoscale, Nanoscale Advances, Science of Advanced Materials, Journal of Electrochemical Science and Technology的副主编，Scientific Reports, Catalysts, Opto-Electronic Advances编委，以及Nanoscale Horizons和Journal of Materials Chemistry A的顾问。
刘益江，湘潭大学教授，博士生导师，湖南省杰出青年基金获得者，“湖湘青年英才”。2015年博士毕业于中国科学院化学研究所，2017-2018年在美国佐治亚理工学院访问。主要研究方向为不对称结构有机/无机复合功能纳米材料及其在新能源材料、光学材料、界面催化等方面的应用。以第一作者或通讯作者在Chem. Soc. Rev.，Prog. Mater. Sci.，Angew. Chem. Int. Ed.，ACS Nano， Nano Lett.，Nano Energy等发表SCI论文40余篇。担任Adv. Funct. Mater.，Nano Energy，Small等期刊特邀审稿人，担任《Nano Research Energy》期刊青年编委。
Claire J. Carmalt，伦敦大学学院(UCL)教授，化学院院长，欧洲科学院院士。主要研究涉及分子前体的合成和薄膜沉积技术的发展。1997年，她获得了皇家学会多萝西霍奇金奖学金，并来到伦敦大学学院。2016 年，她成为化学学院第18任院长，也是第一位被任命为该职位的女性。Carmalt教授在Science, Advanced Materials, Angew. Chem. Int. Ed等刊物发表近400篇学术论文，引用超过13,000次。2021年，她因杰出贡献获得了One UCL领导奖。她还因其在材料化学方面的工作获得了RSC 2000 Meldola奖章以及RSC 2019应用无机化学奖。
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