CN116140165A - 一种可快速合成的生物矿化涂层及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可快速合成的生物矿化涂层及其制备方法与应用，制备方法为S1、将大西洋假交替单胞菌、解脂假交替单胞菌、叶氏假交替单胞菌、枯草芽孢杆菌、八叠芽孢杆菌扩大培养后混合得到细菌培养液；S2、消毒金属材料后将其浸入细菌培养液，得到带有微生物膜的金属材料；S3、将碳酸钠加入到含有氯化钠、聚乳酸、玻尿酸、富里酸的前体溶液中混合得到生物矿化成核溶液，将带有微生物膜的金属材料置于生物矿化成核溶液中静置，金属材料上即带有生物矿化涂层。与现有技术相比，本发明的制备方法简便、易操作，制备时间大大缩短，且从其制备到最终投入使用全程绿色环保，对环境无污染，是一种能够快速制备具有防腐功能的生物矿化涂层的方法。

Description

一种可快速合成的生物矿化涂层及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及材料科学技术领域，尤其是涉及一种可快速合成的生物矿化涂层及其制备方法与应用。
背景技术
生物矿化是自然界中普遍存在的现象，是由钙、磷等无机盐在生物调控下通过化学反应形成难溶性盐，并与有机基质形成矿化组织。例如一些生物有机体，如鱼鳞、珍珠层和海藻，由于其具有优异的力学性能和多种功能性，引起了广泛关注。其中，天然生物矿化材料基本以碳酸钙为主，由于其在油-水分离、抗生物污损和减阻等多个领域的潜在应用，激发了研究人员设计和创造新型生物矿化材料热情。到目前为止，利用仿生手段制备的生物矿化材料已被制造出来。然而，这些制备方法大多数不适用于工业规模生产：常见的第一种方法便是直接利用微生物矿化，通过微生物诱导矿化形成碳酸钙层，过程耗时极长，长达14天，如Marine Bacteria Provide Lasting Anticorrosion Activity for Steel viaBiofilm-Induced Mineralization和专利CN110743204B公开的一种基于枯草芽孢杆菌诱导碳酸钙沉淀制备的油水分离钢网及其制备方法。另外一种常见的制备方法就是采用化学方法，过程复杂，制备速度慢，时间往往也要十天以上，成本高昂，且大量化学试剂的使用带来了极大的环境污染风险，如Nacre-inspired underwater superoleophobic films withhigh transparency and mechanical robustness以及专利CN106519747B公开的一种碳酸钙涂层的制备方法。因此，开发可快速制备且具有一定强度的表面，以一种快速简单的合成方式合成并满足许多新兴领域的实际应用需求，如防腐，极具使用价值。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的耗时、成本高、制备过程复杂缺陷而提供一种可快速合成的生物矿化涂层及其制备方法与应用。利用微生物形成生物膜的自发性和快速性取代化学法生物矿化过程中最费时和繁琐的有机膜的沉积步骤，而后续化学法合成碳酸钙又大大加速了微生物矿化过程中碳酸钙沉积形成的漫长过程，从而大幅提高了合成速度和防腐效果。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的技术方案之一为提供一种可快速合成的生物矿化涂层的制备方法，包括如下步骤：
S1、菌种培养：将大西洋假交替单胞菌、解脂假交替单胞菌、叶氏假交替单胞菌、枯草芽孢杆菌、八叠芽孢杆菌分别接种到液体培养基中，并于25-37℃，100-130r/min的条件下培养12-48h，混合后得到细菌培养液；
S2、生物膜生长：消毒金属材料后将其浸入S1步骤中的细菌培养液，在25-37℃，100-130r/min的条件下培养18-24h，得到带有微生物膜的金属材料；
S3、碳酸钙沉积：将碳酸钠加入到含有氯化钠、聚乳酸、玻尿酸、富里酸的前体溶液中室温搅拌混合，调pH至碱性，过滤得到生物矿化成核溶液，将S2步骤得到的带有微生物膜的金属材料置于生物矿化成核溶液中静置，金属材料上即带有生物矿化涂层。
进一步地，S1步骤中，所述液体培养基由以下质量百分比的原料组成：甜菜糖蜜10％-25％、玉米浆5％-15％、葡萄糖5％～10％、麸皮5％-10％、甲壳素0.05％～1.5％、纤维素0.5％-4％、壳多糖0.15～0.3％、(NH4)2SO4 0.2％、NaNO3 0.3％、K2HPO4 0.2％、NaCl0.3％。
进一步地，S1步骤中，每种菌在液体培养基中的接种量为液体培养基总体积的0.1％；细菌培养液中大西洋假交替单胞菌、解脂假交替单胞菌、叶氏假交替单胞菌、枯草芽孢杆菌、八叠芽孢杆菌的体积比为1:2:1:3:1。
进一步地，S2步骤中，金属材料不局限于形状和种类，优选铝板、低合金钢片状材料。
进一步地，S3步骤中，碳酸钠与前体溶液的体积比为1:1。
进一步地，S3步骤中，碳酸钠的浓度为10-60mM。
进一步地，S3步骤中，前体溶液中氯化钠的浓度为10-60mM，聚乳酸的添加质量为前体溶液总体积的0.03-0.05％，玻尿酸的添加质量为前体溶液总体积的0.02-0.06％，富里酸的添加质量为前体溶液总体积的0.01-0.03％。
进一步地，S3步骤中，pH调至8-10。
进一步地，S3步骤中，静置的条件为在20-30℃水浴条件下静置反应5-10h。
本发明的技术方案之二为提供一种快速合成的生物矿化涂层，基于上述技术方案之一所述的制备方法。
本发明的技术方案之三为提供一种如上述技术方案之二所述可快速合成的生物矿化涂层的应用，所述生物矿化涂层用于防腐蚀领域。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)相比于一般的单纯的微生物或者化学方法制备矿化膜，本发明的特点在利用微生物在金属材料表面形成生物膜以及外加常见酸性分子修饰的生物矿化成核溶液。传统化学方法在材料表面形成有机膜需要几种前驱体在特定反应条件下进行，前驱体的制备繁杂耗时；而微生物可以在材料表面快速形成富含矿化形核位点的生物膜，这是因为生物膜的形成不仅仅依靠化学基团的键合，还是细菌本身的附着特性所决定，形成生物膜是细菌为自己提供良好生活环境的常用手段。生物膜中蛋白质和多糖部分和矿化有着密切的联系，蛋白质的酸性基团起到了矿化核的作用，而大分子多糖物质则对矿化起到一个骨架作用。所以生物膜比传统化学方法在材料表面制备有机膜更快速。
(2)导致纯生物法制备生物矿化材料时间较长的原因是生物膜上的有机基团与钙离子结合后，再与溶液中的碳酸根离子结合需要克服极大的势垒，这需要较长的时间，而本发明的制备方法为在金属材料表面形成生物膜之后，利用生物矿化成核溶液中的无定形碳酸钙直接与生物膜阴离子基团结合，节省了初期成核过程中钙离子与碳酸根离子的结合时间，能够在更短时间内快速形成方解石晶型的碳酸钙结构，方法简单，使用成本更低，效果更好。
(3)本发明方法制备得到的生物矿化涂层结构均匀致密、稳定，且为具有文石结构的有机-无机复合生物矿化涂层，方解石晶型的碳酸钙与生物膜的有机质形成典型的“砖泥”结构，具有优良的防腐性能。
(4)本发明提供的快速制备方法使用的都是环保材料：例如各种细菌、氯化钙，碳酸钠等，这些材料均对人体及环境无害；与一般的化学法制备矿化膜相比，本发明的制备方法形成矿化膜的速度更快，操作更加简单，成本更低。
附图说明
图1为实施例1中涂覆有生物矿化涂层的低合金钢样品的电化学阻抗图。
图2为实施例1中涂覆有生物矿化涂层的低合金钢样品的表面SEM图。
图3为实施例1中涂覆有生物矿化涂层的低合金钢样品的XRD成分图。
图4为实施例1中涂覆有生物矿化涂层的低合金钢样品的防腐效果图。
图5为实施例2中涂覆有生物矿化涂层的铝样品的电化学阻抗图。
图6为实施例2涂覆有生物矿化涂层的铝样品的表面SEM图。
图7为实施例2涂覆有生物矿化涂层的铝样品的XRD成分图。
图8为实施例2涂覆有生物矿化涂层的铝样品的防腐效果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
以下各实施例中，如无特别说明的原料或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售原料产品或常规处理技术。
以下各实施例中的细菌均采购自中国海洋微生物菌种保藏管理中心，所用细菌无致病性，采购时间为2021年11月29日，订单编号为202111291714230140。
大西洋假交替单胞菌的保藏编号为：MCCC 1G00119；
解脂假交替单胞菌的保藏编号为：MCCC 1A00565；
叶氏假交替单胞菌的保藏编号为：MCCC 1C01192；
枯草芽孢杆菌的保藏编号为：MCCC 1K05317；
八叠芽孢杆菌的保藏编号为：MCCC 1A00659。
实施例1：
(1)菌种扩大培养
将大西洋假交替单胞菌、解脂假交替单胞菌、叶氏假交替单胞菌、枯草芽孢杆菌、八叠芽孢杆菌按体积百分含量为0.1％的接种量分别接入灭好菌的液体培养基中，并在37℃下，120r/min振荡培养24h，并按照体积比为1：2：1：3：1的配比混合后得到细菌培养液。
(2)生物膜生长
将低合金钢片状材料用无水酒精清洗后置于紫外灯下灭菌半小时，之后向将其放入细菌培养液中，后于37℃，120r/min的摇床中振荡培养18h，即获得带有微生物膜的低合金钢片。
(3)碳酸钙沉积
将50mL碳酸钠(10mM)加入到50mL含有氯化钙(10mM)、聚乳酸(0.02％(重量/体积))、玻尿酸(0.04％(重量/体积))和富里酸(0.02％(重量/体积))的前体溶液中，在室温下搅拌15min。然后，通过逐步加入2mM NaOH水溶液将上述混合溶液的pH调节至10，过滤进一步纯化得到生物矿化成核溶液。将上述带有微生物膜的低合金钢片置于纯化后的生物矿化成核溶液中，于25℃水浴条件下静置反应6h，即完成快速制备，低合金钢片上涂覆有生物矿化涂层。
将上述涂覆有生物矿化涂层的低合金钢片进行防腐性能测试
电化学阻抗谱测试：采用三电极系统，对电极为铂片，参比电极为饱和甘汞电极，工作电极为涂覆有生物矿化涂层的低合金钢片，测试范围为10-2Hz-105Hz。涂覆有生物矿化涂层的低合金钢片经过去离子水清洗三次，然后用吹风机吹干，置于扫描电镜下观察是否有碳酸钙沉积，之后利用XRD进行成分鉴定。将空白组(未涂覆有生物矿化涂层的低合金钢片)及实验组样品(涂覆有生物矿化涂层的低合金钢片)置于3.5％的氯化钠溶液中浸泡7天，观察宏观腐蚀形貌。
结果分析如下：
(1)如图1的电化学测试结果显示，该生物矿化涂层的阻抗值可达到10w～15w欧姆/平方厘米，而空白组则小很多，仅为几百欧姆/平方厘米，说明该生物矿化涂层具备优良的耐腐蚀性能。
(2)如图2的扫描电镜结果显示，本实施例成功在低合金钢片表面快速制备出了生物矿化涂层。
(3)如图3的XRD结果显示，本实施例成功在低合金钢片表面快速制备出的生物矿化涂层成分为碳酸钙(即为图例中的方解石)。
(4)如图4的宏观腐蚀形貌结果显示，没有矿化层覆盖的空白组发生了宏观腐蚀，而有矿化涂层的实验组依旧保持了原本涂层的形貌，因此本实施例成功在低合金钢片表面快速制备出的矿化涂层具有优良的耐海水腐蚀性能。
实施例2：
(1)菌种扩大培养
将大西洋假交替单胞菌、解脂假交替单胞菌、叶氏假交替单胞菌、枯草芽孢杆菌、八叠芽孢杆菌按体积百分含量为0.1％的接种量分别接入灭好菌的液体培养基中，并在37℃下，120r/min振荡培养24h，并按照体积比为1：2：1：3：1的配比混合后得到细菌培养液。
(2)生物膜的生长
将铝板切割成1cm×1cm，并使用去离子水和无水乙醇清洗，之后置于紫外灯条件下灭菌半小时。将裁剪后的铝板浸入细菌培养液中，后于37℃，120r/min的摇床中振荡培养18h，即获得带有微生物膜的铝板。
(3)碳酸钙沉积
将50mL碳酸钠(10mM)加入到50mL含有氯化钙(10mM)、聚乳酸(0.02％(重量/体积))、玻尿酸(0.04％(重量/体积))和富里酸(0.02％(重量/体积))的前体溶液中，在室温下搅拌15min。然后，通过逐步加入2mM NaOH水溶液将上述混合溶液的pH调节至10，过滤进一步纯化得到生物矿化成核溶液。将上述带有微生物膜的铝板置于纯化后的生物矿化成核溶液中，于25℃水浴条件下静置反应6h，即完成快速制备，铝板上涂覆有生物矿化涂层。
将上述涂覆有生物矿化涂层的铝板进行防腐性能测试
电化学阻抗谱测试：采用三电极系统，对电极为铂片，参比电极为饱和甘汞电极，工作电极为涂覆有生物矿化涂层的铝板，测试范围为10-2Hz-105 Hz。涂覆有生物矿化涂层的铝板经过去离子水清洗三次，然后用吹风机吹干，置于扫描电镜下观察是否有碳酸钙沉积，之后利用XRD鉴定成分。将空白组(未涂覆有生物矿化涂层的铝板)及实验组样品(涂覆有生物矿化涂层的铝板)置于酸性盐雾环境下5天，观察宏观腐蚀形貌。
结果分析如下：
(1)如图5的电化学测试结果显示，铝板表面快速制备的生物矿化涂层的阻抗值可达到3～5万欧姆/平方厘米，而空白组则小很多，仅为1～2万欧姆/平方厘米，说明该生物矿化涂层可以很大程度上提高铝的耐腐蚀性能。
(2)如图6的扫描电镜结果显示，本实施例成功在铝板表面快速制备出了生物矿化涂层。
(3)如图7的XRD结果显示，本实施例成功在铝板表面快速制备出的生物矿化涂层成分为碳酸钙(即为图例中的方解石)。
(4)如图8的宏观腐蚀形貌结果显示，空白组由于没有矿化涂层进而发生了严重点蚀，其也由光亮的最初形貌变得暗淡，正常情况下铝会保持光亮，图中的现象则表明空白组发生了腐蚀，氧化膜都被破坏。而实验组由于有矿化涂层的存在，经历了试验后，涂层依旧保持在铝的表面，没有发生腐蚀。因此本实施例成功在铝板表面快速制备出的生物矿化涂层具有优良的耐酸性盐雾腐蚀性能。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可快速合成的生物矿化涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、菌种培养：将大西洋假交替单胞菌、解脂假交替单胞菌、叶氏假交替单胞菌、枯草芽孢杆菌、八叠芽孢杆菌分别接种到液体培养基中，并于25-37℃，100-130r/min的条件下培养12-48h，混合后得到细菌培养液；
S2、生物膜生长：消毒金属材料后将其浸入S1步骤中的细菌培养液，在25-37℃，100-130r/min的条件下培养18-24h，得到带有微生物膜的金属材料；
S3、碳酸钙沉积：将碳酸钠加入到含有氯化钠、聚乳酸、玻尿酸、富里酸的前体溶液中室温搅拌混合，调pH至碱性，过滤得到生物矿化成核溶液，将S2步骤得到的带有微生物膜的金属材料置于生物矿化成核溶液中静置，金属材料上即带有生物矿化涂层。
2.根据权利要求1所述的一种可快速合成的生物矿化涂层的制备方法，其特征在于，S1步骤中，所述液体培养基由以下质量百分比的原料组成：甜菜糖蜜10％-25％、玉米浆5％-15％、葡萄糖5％～10％、麸皮5％-10％、甲壳素0.05％～1.5％、纤维素0.5％-4％、壳多糖0.15～0.3％、(NH4)2SO4 0.2％、NaNO3 0.3％、K2HPO4 0.2％、NaCl 0.3％。
3.根据权利要求1所述的一种可快速合成的生物矿化涂层的制备方法，其特征在于，S1步骤中，每种菌在液体培养基中的接种量为液体培养基总体积的0.1％；细菌培养液中大西洋假交替单胞菌、解脂假交替单胞菌、叶氏假交替单胞菌、枯草芽孢杆菌、八叠芽孢杆菌的体积比为1:2:1:3:1。
4.根据权利要求1所述的一种可快速合成的生物矿化涂层的制备方法，其特征在于，S3步骤中，碳酸钠与前体溶液的体积比为1:1。
5.根据权利要求1所述的一种可快速合成的生物矿化涂层的制备方法，其特征在于，S3步骤中，碳酸钠的浓度为10-60mM。
6.根据权利要求1所述的一种可快速合成的生物矿化涂层的制备方法，其特征在于，S3步骤中，前体溶液中氯化钠的浓度为10-60mM，聚乳酸的添加质量为前体溶液总体积的0.03-0.05％，玻尿酸的添加质量为前体溶液总体积的0.02-0.06％，富里酸的添加质量为前体溶液总体积的0.01-0.03％。
7.根据权利要求1所述的一种可快速合成的生物矿化涂层的制备方法，其特征在于，S3步骤中，pH调至8-10。
8.根据权利要求1所述的一种可快速合成的生物矿化涂层的制备方法，其特征在于，S3步骤中，静置的条件为在20-30℃水浴条件下静置反应5-10h。
9.一种可快速合成的生物矿化涂层，其特征在于，基于权利要求1-8任一所述的制备方法。
10.一种如权利要求9所述的可快速合成的生物矿化涂层的应用，其特征在于，所述生物矿化涂层用于防腐蚀领域。
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