第一作者：李祥宇研究员、于智群研究员、王健阳博士

通讯作者：徐大可教授

通讯单位：东北大学材料科学与工程学院，数字钢铁全国重点实验室

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202514795

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微生物形成的顽固生物被膜对生态环境、工业设备和公共健康构成了持续威胁。近年来，抗菌纳米材料的研究取得了显著进展，该类材料能够将细菌活性降低数个数量级，已经成为高效广谱的抗菌策略。它们不仅能够有效抑制细菌增殖与生物膜形成，还能显著延缓耐药性发展进程。将纳米材料嵌入涂层或构建本征纳米结构是一种高效、经济且环保的防污策略，显著提升了材料的实用性。通过合理的界面工程设计，这类纳米复合涂层可在多种基材上形成兼具机械强度与耐久性的防护表面，从而拓展其在生物医学、环境保护及能源等领域的应用前景。本综述系统梳理了纳米防污涂层的设计理念，重点探讨界面与微生物相互作用之间的内在联系。概述了功能涂层中常用的抗菌纳米材料，阐明其基本特性及防污机制；随后分析纳米复合材料界面工程的设计原理，着重讨论影响防污性能、机械性能与耐久性的关键构效关系。并进一步介绍了该类材料在海洋防污、防腐与生物医学领域的前沿应用，在此基础上总结了纳米防污涂层在基础研究与实际应用中面临的主要挑战，并对未来研究方向提出展望，以促进纳米材料特性向宏观防污性能的有效转化。

图1. 纳米防污涂层的设计原则与应用概述。

【抗菌纳米材料分类】

该综述系统梳理并深入讨论了一系列具有代表性的抗菌纳米材料。通过对比分析，揭示了纳米结构单元与宏观抗菌性能之间的内在联系，为理解其作用机制提供了新的视角。抗菌纳米材料因其形态、尺寸、元素组成、合成方法及表面修饰方式的多样性，展现出在抑制微生物定殖及生物膜形成方面的独特优势。这类材料涵盖了金属和金属氧化物纳米材料、金属有机络合物，以及有机和无机纳米材料等多种类型。不同形态的纳米材料在强化与细菌脂质双层的相互作用中起着关键作用，特定的形貌设计可增强局部粘附力、调节膜张力，从而通过精确调控物理化学参数，实现对微生物的有效干预。该综述重点分析了目前常用抗菌纳米材料的化学组成、形态特征、作用机理、性能优势及局限性，并探讨了其在未来纳米抗菌研究与应用领域中的重要意义。

【纳米防污涂层界面工程】

抗菌纳米材料在不同的技术领域表现出卓越性能，但其实际应用往往受到多种因素的制约，包括长期功效有限、可回收性难以实现、生物相容性较差以及明显的聚集倾向。针对这些问题，合理的涂层设计可有效减轻限制。通过设计具有优化表面化学性质的涂层，将单个纳米材料进行物理隔离，可抑制因聚集导致的性能衰减，同时提高材料的环境稳定性和使用寿命。因此，结构与化学的界面工程被认为是开发可扩展、高性能NACs的关键手段。涂层设计提供了三种互补的调控策略，可以协同优化性能：微/纳米结构构造（图2）、表面化学性质调控（图3）和基底与涂层整合（图4）。其中，微/纳米结构构造通过改善形貌特征，有效防止生物污染；表面化学性质调控则优化了抗菌纳米材料与涂层基质之间的相互作用；基底与涂层整合则提升了材料的机械强度和长期耐久性。该综述总结了构建高性能NACs体系的关键因素，并探讨了相应的设计与合成策略，为开发具有所需功能和性能的抗菌涂层提供了重要参考和指导。

图2. 机械杀菌纳米结构与超疏水微/纳米结构的防污机理及性能评价。

图3. NACs的共价与非共价表面改性策略。

图4. 引入生长位点以实现NACs的高耐久性和机械坚固性。

【纳米防污涂层应用】

经过几十年的研究，NACs因其多样化的化学组成和网络拓扑结构，成为多种关键应用的理想候选材料。通过界面设计，NACs在实际使用条件下展现出显著的耐久性。凭借卓越的抗菌、防腐及界面调控性能，NACs能够有效解决细菌污染和微生物腐蚀等传统难题。此外，它们在预防医疗植入物感染、提升能源设备耐用性等领域表现出广阔应用前景。

结论与展望

近年来，纳米抗菌材料与生物高分子及其他活性剂的结合催生了多功能涂层，具备高效抗菌、可控释放和抗污能力，为医疗、海洋及能源等领域提供了新解决方案。NACs不仅能阻止细菌附着和生物膜形成，还兼顾生物相容性，为临床植入物、创伤护理和防污涂层提供保障。然而，安全性和长期有效性仍是挑战。金属及金属氧化物纳米颗粒在体内或环境中可能引发细胞毒性、炎症反应或干扰微生物生态。细菌与哺乳动物细胞膜的结构差异为设计选择性抗菌策略提供思路，例如利用带正电荷的功能基团靶向破坏细菌膜，同时保护哺乳动物细胞。长期使用下，死细菌和生物膜堆积可能削弱涂层性能，而细菌也可能在非杀伤性压力下产生耐药性，因此对耐药机制的理解和涂层优化至关重要。

未来，NACs的发展趋势主要包括创新刺激响应型材料，通过pH、光、温度或生物化学信号实现精准、实时的抗菌和防污控制；智能化材料设计，利用人工智能和机器学习快速筛选、优化纳米材料组成和分级结构，实现高效、可控的涂层性能；以及跨学科合作与工业化整合材料科学、化学、工程和计算机科学，解决大规模制备、稳定性问题。总体而言，多功能、智能化的NACs为抗生物污染和细菌感染提供了可持续、经济且高效的解决方案，其应用前景广泛，涵盖医疗、环保、能源及海洋产业，有望推动下一代抗菌和防污技术的发展（图5）。

图5. NACs面临的挑战及未来发展机遇。

以上工作获得了国家杰出青年科学基金、国自然面上项目、国自然青年科学基金、中国博士后创新人才支持计划、中国博士后科学基金面上项目、海洋关键材料全国重点实验室开放基金、广东省基础与应用基础研究基金海上风电联合基金、海洋涂料国家重点实验室开放课题、中央高校基本科研业务项目的支持。

课题组介绍

徐大可，东北大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，英国腐蚀学会会士、英国材料、矿物与采矿学会会士、英国皇家化学会会士。主要从事金属材料的微生物腐蚀行为、机理和防治的相关研究及抗菌金属材料和海洋防污涂层的研发。以第一作者或通讯作者发表高水平论文150多篇，其中4篇入选ESI热点论文，13篇入选ESI高被引论文；总引用14000余次，H因子68，已发表论文包括Nature Reviews Microbiology、Advanced Materials（3篇）、Angewandte Chemie International Edition（4篇）、Advanced Functional Materials（8篇）以及腐蚀领域顶级刊物Corrosion Science（50余篇）。主持国家自然科学基金委国家杰出青年科学基金项目，国家自然基金委联合重点项目（2项）、973专项服务课题、国家重点研发计划课题、教育部项目基本科研业务费交叉融合重点项目等科技部、基金委、企业项目30多项，总经费超过4000万元。已授权1项PCT国际专利和15项国内专利。

李祥宇，东北大学材料科学与工程学院特聘研究员，博士生导师。入选中国博士后创新人才支持计划，海洋强国青年科学家提名奖，沈阳市高层次C类人才。Scientific Reports编委，Corrosion Communications、《中国腐蚀与防护学报》、《表面技术》、《中国涂料》青年编委，Materials客座编辑。主要从事长效海洋防污防腐涂层的相关研究。以第一作者或通讯作者在Nature Communications、Advanced Materials、Angewandte Chemie、Advanced Functional Materials、Journal of Materials Science & Technology等国际知名期刊发表论文14篇，授权发明专利16项。主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年科学基金（C类）等10余项，总经费逾400万元。获全国防污/减阻技术挑战赛优胜奖（2/8）、第二届辽宁省博士后创新创业大赛二等奖（1/7）、北京市优秀毕业生、东北大学优秀博士后等荣誉。

原文信息

X. Li, Z. Yu, J. Wang, J. Zhang, W. Zhao, L. Wang,F. Wang, D. Xu, Nanomaterials Reinforced Antifouling Coatings: FromStrategic Design to Potential Applications. Adv. Mater.2025, e14795.