优化氧化锌/多孔阳极氧化铝复合膜以实现卓越抗生物膜性能

摘要

本研究报道通过两步阳极氧化制备多孔阳极氧化铝（PAA），随后溶胶-凝胶法沉积ZnO，制得ZnO/PAA复合膜。利用XRD、TG/DTA、FT-IR、SEM、TEM、SAED和水接触角（CA）系统表征。通过粘附、菌落计数、SEM和CLSM量化对Shewanella putrefaciens的抗生物膜活性。结果显示：ZnO纳米颗粒（10-30 nm）优先在PAA孔道成核，40 min二次阳极氧化产生高孔隙疏水表面，最大化ZnO负载。该构型实现超疏水表面（CA>150°）和最低生物膜粘附，在测试样品中展现最佳抗生物膜性能。

背景

工业表面生物膜形成导致腐蚀、食品腐败和巨大经济损失。表面粗糙度、微观结构、亲水性和抗菌添加剂等属性决定细菌粘附和生物膜成熟。多孔阳极氧化铝（PAA）提供可调纳米孔隙，吸引生物医学和食品加工应用。氧化锌（ZnO）是公认抗菌剂；其活性受晶体结构、颗粒尺寸和表面化学影响。增强ZnO膜疏水性至关重要，因亲水表面倾向促进细菌粘附。Shewanella putrefaciens作为嗜冷腐败菌，是研究冷链食品保藏抗生物膜策略的相关模型。

材料与方法

材料

所有试剂分析纯；去离子水电导率<0.5 mS/cm。Shewanella putrefaciens ATCC 8071和99.99% Al箔（0.3 mm）购自盛世达金属材料有限公司。

ZnO/PAA复合膜制备

多孔阳极氧化铝（PAA）膜

Al箔（10×30 mm²）抛光、脱脂、清洗。首次阳极氧化：30°C、40 V、90 min，0.3 mol/L草酸。阻障层去除：6 wt% H₃PO₄+1.8 wt% H₂CrO₄，60°C、4 h。二次阳极氧化：同条件下0、40、60、80 min产生不同孔几何。

氧化锌沉积

等体积0.02 mol/L乙酸锌和0.04 mol/L NaOH乙醇溶液，70°C混合5 min。PAA膜在-0.085 MPa真空浸渍，加热至沸腾形成蓝色溶胶，后冲洗。样品真空干燥（-0.085 MPa、80°C、6 h），480°C煅烧2 h。最后在乙醇中1.0 wt% Si69、65°C、2 h修饰，真空干燥（-0.085 MPa、40°C、12 h）。

表征

XRD（Rigaku Ultima IV，40 kV、50 mA）监测晶相。TG/DTA（Perkin Elmer Diamond）追踪热转变。FT-IR（Agilent Scimitar 2000）鉴定表面官能团。SEM（Hitachi S-4800）和TEM（JEOL Jem-2100F）观察形貌；SAED确认晶体结构。CA用悬滴法（3.0 μL去离子水）测量。生物膜测定包括结晶紫染色、平板计数、SEM和CLSM成像。

抗生物膜评价

细菌悬液（OD₅₉₅≈0.5）按1:200用3% APW稀释，与0.5×0.5 cm膜片在28°C孵育。结晶紫提取（OD₅₉₅）量化生物膜粘附。梯度稀释平板计数得菌落数。SEM观察生物膜结构，CLSM用荧光素/碘化丙啶染色区分活（绿）死（红）细胞。

结果与讨论

ZnO膜表征

XRD

煅烧诱导非晶中间体向结晶六方纤锌矿ZnO转变。31.70°、34.52°、36.31°、47.68°、56.82°、62.92°、67.92°峰对应(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(112)晶面（PDF#36-1451）。随煅烧温度升高峰值锐化，表明结晶度提高和晶粒生长。

热分析

TG/DTA显示100°C前68.6%质量损失（乙醇水蒸发），100-400°C间3.8%微小损失（残留羟基去除）。400°C以上无进一步损失确认纤锌矿相热稳定性。

FT-IR

未修饰ZnO显示宽O-H伸缩（3600-3300 cm⁻¹）和水相关峰。Si69修饰后引入Si-O振动（~895 cm⁻¹）并减弱羟基信号，确认成功接枝和疏水性增强。

微观结构

SEM显示PAA孔径随二次阳极氧化时间扩大：5-10 nm（0 min）、20-40 nm（40 min）、60-70 nm（80 min）。ZnO纳米颗粒（10-30 nm）优先在小孔成核，在40 min PAA形成致密层。TEM和SAED确认ZnO颗粒六方纤锌矿结构。

疏水性

未修饰ZnO膜亲水（CA<90°）。Si69处理后CA显著增加；40 min PAA样品达超疏水（CA>150°），归因于高ZnO负载和粗糙度。

抗生物膜性能

生物膜粘附遵循经典五阶段模型：快速粘附（0-2 h）、生长（2-12 h）、成熟（12-24 h）、退化（>24 h）。40 min ZnO/PAA复合膜在所有时间点展现最低粘附和菌落数。相反，80 min样品虽亲水性较高，因ZnO密度较低显示最高生物膜累积。

SEM图像确认40 min样品极少胞外聚合物（EPS）和细菌菌落，而80 min样品显示致密EPS和成熟生物膜。CLSM佐证：24-36 h时40 min表面死细胞（红）比例高、活细胞（绿）少。

结论

将二次阳极氧化时间调整为40 min，PAA提供最优孔结构，最大化ZnO纳米颗粒沉积，经Si69修饰后产生超疏水表面。该构型有效抑制初期细菌粘附并破坏生物膜成熟，确立ZnO/PAA复合膜作为食品加工和生物医学应用的有前景抗生物膜材料。

缩写

AO:

荧光素

CA:

水接触角

EPS:

胞外聚糖

FT-IR:

傅里叶变换红外光谱仪

PAA:

多孔阳极氧化铝

PBS:

磷酸盐缓冲液

PI:

碘化丙啶

SAED:

选区电子衍射

SEM:

扫描电子显微镜

TEM:

透射电子显微镜

TG/DTA:

热重/差热分析

XRD:

X射线衍射