0 引　言

海洋占地球表面积70%以上，蕴含着人类赖以生存的难以估量的自然资源，然而在开发利用海洋资源的过程中，海洋污损不可避免地成为了制约海洋设施长久使用的重大问题。海洋污损生物是指在海洋设施表面吸附、生长和繁殖的海洋微生物、植物和动物^[1-3]，污损生物的附着会给海洋设施带来很大的危害，就船舶而言，主要表现在：1）船舶自重增大，表面粗糙度显著增加，摩擦阻力增大，油耗增加^[4]；2）船体腐蚀加快；3）增加进坞次数^[5]；4）造成外来物种入侵。减少海藻等污损生物的附着可以有效地从根源上降低生物污损现象，提高船舶运行效率。自人类开始探索海洋以来，海洋生物污损带来的问题一直困扰着人们。含铜防污涂料仍是目前最有效也是最普遍的防污方法，但含铜防污涂料对生态环境危害很大，不利于绿色船舶发展^[6-7]；目前研究较多的不含铜涂料主要有有机硅和有机氟防污涂料，但是该类涂料面临成本相对较高、硬度较低、易遭受碰伤和刮伤的缺点，因此难以大规模应用^[8-9]。仿生防污是目前国内外研究的热点，海洋生物体表的微结构可有效抑制污损生物的附着，这为研发绿色、高效、广谱性防污表面提供了新的思路。

表面微结构防污技术源自仿生学^[10]，通过改变材料表面微观结构影响污损生物的附着，不会对环境产生危害，这对海洋防污研究具有重要意义^[5,11]。Schumacher等^[12]参照短鳍真鲨皮肤设计了SharkletTM仿生表面，发现增大仿生表面微结构的高宽比能显著降低藤壶幼虫和绿藻孢子的附着量。类似的生物防污表面还有紫贻贝等一些贝壳，其表面都有一种规则的波纹状结构，能显著抑制藤壶附着，而棘皮动物中海星表皮的独特构造也与其良好的防污性能密切相关。Bers等^[13]使用环氧树脂复制了黄道蟹、贻贝多种海生物的表面形貌，并分别研究了它们的抑制污损性能。实验显示，某些材料表面可在短期内有效抑制藤壶附着。Zhang等^[14]基于一种简单的二维激光诱导热变形理论精确设计了可控性高的表面准三维结构制造的路线，为加工防污的复合尺度微结构提供技术支持。白秀琴等^[15-16]开展了基于表面微结构的防污研究，以海洋贝壳为仿生对象，对贝壳表面抗海洋污损生物附着因素及附着机理进行探讨，研究了贝壳表面的构（形态）效（抗海生物附着）关系，综合生物复制成形、精密机加工以及激光加工技术制备了具有较好的防污效果的各种仿贝壳表面。郑征勇等^[17]通过采用等离子体深硅刻蚀工艺在硅片表面刻蚀具有十字形图案的微结构，再使用聚二甲基硅氧烷翻模得到具有表面微沟槽的防污表面。研究表明不是所有的粗糙表面都能够抑制污损生物的附着，甚至有些粗糙表面与光滑表面相比，显著增加了污损生物的附着量^[18]，但普遍的研究认为，材料表面高度规则且尺寸合适的微结构会大大减少污损生物附着。Andersson等^[19]研究发现，具有表面微结构的PDMS材料上的藤壶附着量比光滑PDMS材料上的要少。Hills等^[20]研究表明，藤壶优先附着在表面纹理为0～0.5 mm的表面。上述研究中获得了一些具有微结构的防污表面，但是微结构的加工大部分都集中在聚合物、硅片等质地较软的材料上，只有少量研究聚焦到船舶所用硬质金属材料的微结构防污方面，制约了微结构表面的实际应用。

本文基于Scardino提出的“接触点理论”^[21-22]（即污损生物与表面接触点越少，污损生物越不易发生在样本表面），研究不同海洋动植物的表面微观结构特征及其防污性能，在硬质材料不锈钢表面设计并制备出一种表面具有特定尺寸的表面微观结构，利用并分析该微结构表面理化特性和防污性能，为实现船舶绿色防污提供新的方向。

1 材料与方法 1.1 材料

304不锈钢（退火处理，1 cm×1 cm×1.5 mm）；砂纸；抛光液；光刻胶；三角褐指藻；小球藻；人工海水；PBS缓冲液（上海源叶）；戊二醛（2.5%，v∶v）。

1.2 表面制备

依次使用目数为240，400，600，1200和2000#的砂纸抛磨304不锈钢表面，而后利用颗粒度分别为W1，W0.5和W0.25的金刚石抛光液抛光，获得高度平滑的304不锈钢表面。设计一种如图1所示的表面微结构，图中的微结构不仅可以减少不锈钢表面与污损生物的接触点，还会提高表面疏水性，从而起到表面防污作用。利用反应离子刻蚀技术加工图1所示微结构表面，具体方法如下：将304不锈钢表面清洗后预烘干样本，将样本放置于真空卡盘上，利用其高速离心力获得均匀覆盖光刻胶的304不锈钢表面，通过前烘、曝光和后烘将掩模版图案转移到光刻胶中，从而通过刻蚀技术获得微结构表面。由于不锈钢硬度较大，需要提高刻蚀时间以增加刻蚀深度。

1.3 表面理化性能和防污性能测试

利用JC2000D1接触角测量仪测量样本表面的接触角，每滴测量液的体积约为2 μL，每个样本表面量取5点。基恩士VK-X1000激光共聚焦显微镜被用于分析样本表面的结构参数，Leica TCS SP8 LSCM被用于采集样本表面海藻的附着图。

三角褐指藻和小球藻是我国东海海域常见的污损生物，在人工海水中分别配置浓度为5×10⁶CFU/mL的三角褐指藻和小球藻溶液，将具有微结构表面的不锈钢样本置于24孔培养板中，在无菌操作台上用海藻溶液覆盖样本（2 mL/孔），并置于光照培养箱中培养（12 h光照，12 h无光交替进行）。然后，将清洗后的样本浸入2.5%的戊二醛溶液中，使海藻固定在样本表面。基于海藻中叶绿体自带荧光的特点，利用激光扫描共聚焦显微镜观察样本表面三角褐指藻和小球藻的粘附量。

利用图像处理软件ImageJ对不锈钢表面的海藻粘附情况进行统计分析^[23]。覆盖率即为粘附率，其定义为：粘附率%=（海藻附着面积/视野总面积）×100%^[24]。

2 结果与分析

利用激光共聚焦扫描显微镜采集加工表面的微结构形貌，可以得到如图2所示的表面形貌图，图2(c) 为图2(a)黑实线经过处的深度图。由图2(a) 和图2(b) 可以看出304不锈钢表面具有规则的微结构，图2(c) 说明该微结构沟槽深度约为0.8 μm。测量结果显示不锈钢表面粗糙度（Sa）从0.042±0.008 μm增大到0.363±0.018 μm，表面均方根偏差（Sq）从0.096±0.007 μm增大至0.392±0.034 μm。由此可知，加工后样本表面的沟槽使其粗糙度明显增高。由于海洋污损生物形体无直角结构，多为表面平滑形态，因此，将表面微结构优化加工为图2(a) 所示的圆角矩形。

表面接触角是反映材料表面浸润性的重要指标。图3为原始样本和具有微结构样本的表面接触角对比图。由图可知，经过微结构加工后样本表面接触角的值显著增大，接触角的值从75^o增大至108.5^o，表面从亲水性变为了疏水性。这是由于微结构的凸凹沟槽中存在液体/气体，使液滴和固体表面形成了复合接触，增大了表面接触角，也影响了污损生物的附着。污损生物不易贴附在疏水表面，该微结构表面的疏水性能有利于降低表面的污损生物附着，解决材料表面的生物污损现象。

海藻是另一种常见的海洋污损生物，一些海藻通过自身的特殊性能直接附着在船体表面，造成严重的生物污损现象。图4为三角褐指藻和小球藻的在原始样本和微结构样本表面附着图。由图可知，与原始样本相比，微结构表面的海藻附着量明显降低。这是由于微结构的存在降低了海藻与不锈钢表面的实际接触点，由“接触点理论”可知，污损生物与表面接触的点越少，海藻越不易粘附在样本表面，海藻即使附着，也易于从微结构表面脱附，从而降低了海藻的附着。ImageJ计算结果显示，微结构表面对三角褐指藻和小球藻的抑制率分别达到了91.5%和89.8%，该新型表面具有显著的防污性能。

3 结　语

1）反应离子刻蚀技术可用来制备不锈钢微结构表面，改变了液体与表面的实际接触面积与形式，其表面浸润性由亲水性转变为疏水性，不利于污损生物附着。

2）表面微结构显著影响污损生物的附着，微结构的存在降低了污损生物与表面的实际接触面积，使其难以附着或者易于从表面脱落。因此，在后续优化表面微结构时，需考虑多种污损生物共存的复合微结构。

3）表面微结构大幅提高了表面疏水性、降低了表面微生物附着量，从而大幅降低了表面生物膜的生成量。

4）表面疏水性提高、污损生物附着量和表面生物膜生成量大幅降低证明该微结构表面具有很强的防污性能。