海洋生物污损是海洋工程和航运领域面临的重大挑战，不仅给海洋业带来巨大的经济损失^[1]，同时还会破坏海洋生态平衡，严重威胁海洋生态系统的稳定性^[2~4]。在现有的防污技术中，防污涂层是防治海洋生物污损较为广泛且有效的策略^[5]。近年来，有机硅低表面能涂层因其环境友好的特性已成为海洋防污领域的研究热点^[6,7]。凭借其低表面能、低弹性模量和表面光滑的特性，可以在不依赖有毒杀菌剂的情况下有效抑制污损生物的附着，在防污涂层中展现出广阔的应用前景^[8]。

然而，在面对复杂海洋环境时，传统的有机硅涂层往往会表现出明显的局限性。其机械性能和与基材的黏附力都比较差，在使用中极易因机械摩擦或划伤而损坏或出现涂层剥落。此外，它们仅对高速船舶(> 15节)有效，在静态条件下的防污性能较差，即使在高水流冲刷下也难以清除^[9]。为了改善这些缺陷，已提出有多种改性策略。一方面，通过引入无机纳米填料^[10,11]或与聚脲/聚氨酯^[12]、环氧树脂^[13]等功能性聚合物形成复合体系，可有效提升涂层的机械性能和基材附着力。另一方面，通过接枝引入多种功能性基团可赋予涂层多层次的防污机制，包括亲水性基团(如聚乙二醇、两性离子)^[14,15]、超疏水基团(如全氟烷基链)^[16]和杀菌功能基团(如季铵盐、辣椒素衍生物)^[17,18]等。Zhang等^[19]将含氟碳链和聚乙二醇的两亲聚合物(RAP)引入双硅烷端聚脲(SPU)中，其中低表面能的两亲链段通过自富集到表面为涂层提供了优越的抗蛋白质和细菌污损性能，而底层的脲和硅烷基团则赋予了涂层高达12 MPa的抗拉强度和优异的基底附着力。

传统有机硅涂层主要依赖其低表面能特性来抵抗污损生物的附着，这种单一的防污机制通常难以实现长效防污，为此，已提出把主动杀菌功能与低表面能特性相结合的协同防污策略^[20]。其中，纳米酶因其独特的类酶催化特性在抗菌领域展现出独特优势，与传统抗菌剂不同，它可在无需释放金属离子的条件下通过催化生成活性氧(ROS)来实现高效杀菌^[21]，成为开发环境友好型防污涂层的理想选择^[22,23]。自2007年阎锡蕴团队首次报道了Fe₃O₄纳米粒子的过氧化物酶活性^[24]以来，发现了许多其他金属纳米颗粒^[25,26]、金属氧化物^[27]、碳基材料^[28]以及金属有机框架(MOF)^[29,30]等多种纳米材料也都具有显著的模拟酶活性。

目前已有许多对纳米酶复合涂层的研究，如Tao等^[20]开发了具有双酶活性的多孔硒化钌纳米颗粒(P-RuSe₂ NPs)复合低表面能涂层VR，Yu等^[23]利用具有多种酶活性的Ag/Ag₂S Janus纳米颗粒(Ag/Ag₂S JNPs)合成了一种透明的两亲离子涂层，虽然都显著提高了涂层的防污性能，但纳米酶复合涂层仍会面临纳米颗粒与有机硅基体相容性差和催化杀菌活性不足的问题。为此，本研究采用了具有独特的空心立方体结构的纳米Co₃O₄，相较于其他金属氧化物纳米酶，它具有更高的比表面积和催化稳定性^[31]。另外，为改善纳米酶表面富含极性基团而与有机硅涂层相容性差的问题，通过蓖麻油对其表面改性，可提高其羟基和柔性长碳链与聚合物体系的相容性和分散性。此外，蓖麻油作为天然提取物，相较于传统的硅烷偶联剂具有显著的环境友好优势^[32]。

本文首先通过蓖麻油对纳米Co₃O₄进行表面改性，同时将含有3,4-二氨基呋扎(DAF)的聚合物PEG-DAF与有机硅基聚脲PDMS-PU混合得到PDMS/PEG，最后将改性后的F-Co₃O₄添加到PDMS/PEG中得到复合涂层PDMS/PEG-F-Co₃O₄。该涂层不仅保持了优异的疏水性能和低表面能的特性，而且通过纳米Co₃O₄的催化杀菌与有机硅低表面能特性协同增强了涂层的防污性能。总之，本研究结果可为开发环境友好的高性能有机硅基防污涂层提供一种新的途径。

所有化学品均为分析级。六水合硝酸钴(Co(NO₃)₂·6H₂O)、2-甲基咪唑(2MI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、聚乙二醇(PEG，M_n = 1000)和二月桂酸二丁基锡(DBTDL)均买自上海麦克林试剂。甲醇、甲苯和四氢呋喃(THF)均买自国药集团沪试试剂。CS₂买自上海阿拉丁试剂。α，ω-氨丙基封端聚二甲基硅氧烷(M_w = 3000)买自斯隆材料科技有限公司。其中甲苯和四氢呋喃使用前用CaH₂蒸馏除去水分，APT-PDMS和PEG在使用前减压蒸馏3 h。其他试剂若无特殊说明，均购买来后直接使用。

将Co(NO₃)₂·6H₂O (582 mg)的甲醇溶液(30 mL)与2-甲基咪唑(984 mg)的甲醇溶液(10 mL)在室温下混合24 h，得到ZIF-67。反应完后用甲醇离心洗涤3次，然后在60 ℃下干燥。随后，将ZIF-67粉末放入管式炉中，在氮气流下加热至400 ℃并持续30 min。关闭氮气，再在空气中400 ℃停留30 min，最终得到黑色粉末状固体Co₃O₄。

在三颈烧瓶中，将0.35 g Co₃O₄溶解于25 g甲苯中，经超声搅拌30 min，然后加入IPDI (18 mmol，4 g)和催化剂DBTDL (1%，质量分数)，在氮气氛中80 ℃搅拌12 h。反应完成后，离心分离并用甲苯洗涤3次，然后在55 ℃的真空烘箱中干燥过夜，得到Co₃O₄-IPDI。再将0.18 g的Co₃O₄-IPDI分散到甲苯中，超声并搅拌，然后加入蓖麻油(8.6 mmol，8 g)和催化剂DBTDL (1%)，在氮气氛中80 ℃搅拌12 h。随后离心，用甲苯洗涤3次，在55 ℃的真空干燥箱中干燥过夜，最终得到改性后的纳米颗粒F-Co₃O₄。聚合物PDMS/PEG的制备在配备冷凝器、滴液漏斗和氮气入口的三口烧瓶中，将IPDI (2.78 mmol，0.62 g)溶解在22 mL的THF。将APT-PDMS (M_w =3000 g/mol，3.34 mmol，10 g)溶解在50 mL THF中，用恒压滴液漏斗逐滴滴加1 h。继续反应1 h后将温度升至45 ℃，加入CS₂ (33 mmol，2.53 g)反应6 h，旋蒸干燥后得到淡黄色固体PDMS-PU。另将PEG (5 g，5 mmol)溶于甲苯，通过恒压滴液漏斗中将溶于甲苯的IPDI(10 mmol，2.2 g)和DBTDL (0.5%)缓慢滴加其中，80 ℃下反应8 h。然后降至室温，加入3，4-二氨基呋扎(5 mmol，0.5 g)，反应10 h。旋蒸干燥得到聚合物PEG-DAF。最后，将质量比为1∶1的聚合物PDMS-PU和PEG-DAF分别溶解在四氢呋喃中，混合搅拌数小时，并超声30 min。最后抽真空以去除气泡，倒在聚四氟乙烯模具中，在室温下干燥，得到最终的聚合物PDMS/PEG。

将2 mg (0.1%)的F-Co₃O₄分散在THF中，超声震荡得到纳米颗粒悬浮液，同时将2 g PDMS/PEG溶于THF，在剧烈搅拌下将纳米颗粒悬浮液滴加到PDMS/PEG溶液中，搅拌混合均匀后，抽真空以去除气泡，最后用滴管将混合物涂在玻璃片和环氧树脂等基材上，在室温下干燥后得到纳米复合涂层PDMS/PEG-F-Co₃O₄-0.1。此外，用同样的方法制备了F-Co₃O₄含量为0.2%的涂层PDMS/PEG-F-Co₃O₄-0.2制备过程如图1所示。

核磁共振氢谱(¹H NMR)测试在Bruker Avance 400 MHz型核磁共振谱仪上进行，并使用氘代氯仿(CDCl₃)作为溶剂，扫描次数为64次，频率为400 MHz，工作温度25 ℃。聚合物的GPC是在Agilent PL-GPC 220仪器上进行的，所用的色谱柱为Agilent PLgel 5 μm MIXED-C，洗脱剂为THF，流速为1 mL/min。Fourier变换红外光谱(FTIR)均在Nicolet 6700型光谱仪上测试，涂层采用衰减反射法(ATR)法，纳米颗粒使用KBr压片法进行测试，扫描范围为4000~500 cm^-1，扫描次数为32次，光谱的分辨率为4 cm^-1。XRD测试是使用D8 ADVANCE型X射线衍射仪(XRD)，Cu Kα辐射(λ = 0.154 nm)，40 kV和60 mA，扫描范围为5°到80°，扫描速率10 (°)/min。采用Thermo ESCALAB 250XI型X射线光电子能谱(XPS)分析元素化学环境和相对含量。采用Regulus 8100型场发射扫描电子显微镜(SEM)观察纳米颗粒及复合涂层的微观形貌，测试前对样品进行喷金处理，采用550i型能谱分析仪(EDS)测量了各涂层的能量色散X射线光谱。采用JEM-2100 F型透射电子显微镜(TEM)观察纳米颗粒图像，加速电压20 kV。

接触角和表面自由能采用OCA 25型接触角测量仪进行测量。在25 ℃和52%的相对湿度条件下，用去离子水和二碘甲烷(DIM)测量了涂层的静态接触角，并在每个样品的不同区域进行5次测量，取平均值。采用Owens-Wendt-Rabel-Kaelble法计算表面自由能。

采用符合ASTM D4541标准的PosiTest AT-A型拉拔附着力测试仪来评估复合涂层与玻璃纤维增强环氧树脂(GFE)和Q235钢板的附着强度。用环氧胶黏剂将直径为20 mm的铝制锭子固定在涂层表面，使铝制锭子在0.2 MPa/s的拉拔速率下与基底分离。通过测试每个样品上的5个不同区域获得平均值。

采用铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa，P. aeruginosa)和金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus，S. aureus)两种细菌，均源自中国科学院海洋研究所海洋环境腐蚀与生物污损重点实验室。将这两种细菌在37 ℃的LB液体培养基中培养10 h。细菌浓度通过测量菌落形成单位(cfu)来确定。通过在1324 g的离心力下离心5 min，将细菌从培养基中分离出来，然后将其稀释并悬浮于0.1 mol/L的磷酸盐缓冲液(PBS)中(该缓冲液由8.0 g·L^-1 NaCl，0.2 g·L^-1 KCl，1.44 g·L^-1 Na₂HPO₄，0.44 g·L^-1 KH₂PO₄溶于蒸馏水中配制而成)。将裸玻璃片(空白)以及涂有各涂层的玻璃片在紫外灯下灭菌30 min。将每个样品在25 ℃下浸入已制备好的铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌悬浮液中6 h，之后用PBS缓冲液冲洗玻片，然后用活死细胞双染试剂染色15 min。最后，在BX-51荧光显微镜下观察附着的细菌，并在3个重复样品上选择5个视野分别统计。图像处理和计算由Image-pro Plus 6.0软件完成。所有培养基在使用前均在121 ℃下灭菌30 min。在接种和浸泡过程中，所有实验操作都是在AIRTECH清洁工作台中进行。

海洋微藻小球藻(Chlorella sp.)源自中国科学院海洋研究所。将样品置于F/2培养基中培养，并在温度为23 ℃的光照培养箱中以12 h光照、12 h黑暗的光暗周期进行培养。将裸玻璃片(空白)以及涂有各涂层的玻璃片浸入浓度为1.0 × 10⁵ cells/mL的小球藻悬浮液中。随后，用人工海水(ASW)冲洗样品，以去除未附着的藻，然后在BX-51荧光显微镜下进行观察。对3个平行样品中的每个样品各统计5个视野，并记录附着硅藻密度的平均值。

为了验证涂层中Co₃O₄的模拟酶活性及其杀菌性能的作用机制，对涂层进行了自由基捕获实验。在抗菌测试的其他实验条件保持不变的情况下，向反应体系中加入5.0 mmol/L的苯醌(BQ，超氧自由基⋅O2-的捕获剂)和5.0 mmol/L的异丙醇(IPA，羟基自由基⋅OH的捕获剂)，通过观察杀菌率的变化来确定其催化产生的主要自由基种类。此外，对涂层进行了电子顺磁共振(EPR)测试，以进一步验证自由基捕获实验的结果。

首先，对纳米Co₃O₄、Co₃O₄-IPDI和F-Co₃O₄进行了FTIR分析，结果如图2a所示。Co₃O₄在3426 cm^-1处观察到一个宽峰，这归属于表面羟基的伸缩振动，表明其表面存在大量羟基。此外，574和667 cm^-1处的吸收峰分别对应于Co²⁺-O和Co³⁺-O的伸缩振动，进一步证实了Co₃O₄的结构特征^[33]。在与IPDI反应后，Co₃O₄-IPDI的谱图显示羟基的伸缩振动峰显著减弱，同时在2953和2267 cm^-1处出现了新的吸收峰，分别对应于-C-H和-NCO的伸缩振动。此外，1637和1560 cm^-1处出现的吸收峰归属于氨基甲酸酯基团，这些变化表明IPDI中的-NCO基团与Co₃O₄表面的羟基缩合反应生成了氨基甲酸酯键^[34,35]。在加入蓖麻油后，2267 cm^-1处的—NCO伸缩振动峰几乎完全消失，说明IPDI中未反应的—NCO进一步与蓖麻油中的羟基发生了反应。同时，1637和1560 cm^-1处仍然存在氨基甲酸酯基团的吸收峰。综上，通过—NCO与—OH的逐步缩合反应，成功实现了对Co₃O₄的表面改性，且IPDI和蓖麻油均已接枝到了Co₃O₄表面。通过XRD对Co₃O₄和F-Co₃O₄的晶体结构进行了分析(图2b)，从XRD谱图中可以看出，二者均呈现典型的尖晶石立方结构，出现了分别对应于其(111)、(220)、(222)、(311)、(400)、(511)和(440)晶面的特征衍射峰，表明制备的Co₃O₄样品结晶良好，此外，F-Co₃O₄的特征峰位置与Co₃O₄几乎相同，说明对Co₃O₄的表面改性并未破坏其原本的晶体结构。

随后，采用XPS对改性前后Co₃O₄表面的化学组成进行了系统表征(图3)。Co₃O₄和F-Co₃O₄的XPS全谱如图3a所示，与未改性的Co₃O₄相比，F-Co₃O₄的C 1s和N 1s特征峰强度显著增强，表明IPDI和蓖麻油成功接枝于Co₃O₄表面形成有机层，同时，由于表面有机层的屏蔽效应，Co特征峰强度明显减弱。在Co₃O₄的Co 2p精细谱中(图3b)，主要以Co³⁺的特征峰为主，其2p_3/2和2p_1/2轨道分别位于779.2和794.5 eV，并在786.3 eV和803.1 eV处出现了明显的卫星峰^[31]。F-Co₃O₄的Co 2p谱(图3f)峰强度明显减弱，但其结合能位置和卫星峰比例基本保持不变，表明表面改性过程未显著改变Co的氧化态。Co₃O₄的O 1s精细谱(图3c)分析显示，主要以晶格氧(O^2-，529.4 eV)、表面羟基(531.6 eV)和吸附水(533.1 eV) 3种形式存在。改性后(图3g)晶格氧特征峰强度明显减弱，同时在532.1 eV处出现了新的特征峰，这归属于氨基甲酸酯基团(-NH-CO-O-)中的O。Co₃O₄的C 1s精细谱(图3d)主要为C—C/C—H键(284.8 eV)。经过表面改性后，F-Co₃O₄的C 1s谱(图3h)中C=O和C-N特征峰强度显著增强，这主要归因于IPDI和蓖麻油分子中的醚键以及生成的氨基甲酸酯基团。此外，Co₃O₄由于前驱体残留而显示出微弱的Co—N键特征峰(图3e)，而F-Co₃O₄的N 1s精细谱(图3i)在400.5 eV处出现明显的主峰，这对应于IPDI中异氰酸酯基(-NCO)与Co₃O₄表面羟基反应生成的氨基甲酸酯键。

此外，为了进一步探究改性对材料表面形貌的影响，通过SEM对Co₃O₄和F-Co₃O₄进行了对比分析，SEM图像如图4a和b所示。Co₃O₄呈现出规则的多面体结构，其表面光滑平整，边缘轮廓清晰可见。经过表面改性后，F-Co₃O₄的表面则变得更加粗糙，这主要是因为蓖麻油在Co₃O₄表面反应形成了一层致密的有机包覆层。此外，还通过TEM对纳米材料的微观结构进行了进一步表征，TEM图像(图4c和d)表明改性过程并没有破坏Co₃O₄的结构，同时颗粒边缘的轮廓有些模糊，进一步证明了表面接枝的有机层的存在。

首先通过核磁共振氢谱对聚合物PDMS-PU和PEG-DAF的化学结构进行了表征(图5a和b)，证实了聚合物的化学结构。凝胶渗透色谱分析结果如图5c所示，表1展示了各聚合物的M_n、M_w和PDI，两种聚合物都具有较高的分子量，其中PDMS-PU的M_w为41.5 kDa，PEG-DAF的M_w为6.74 kDa，此外，测得其多分散指数(PDI)分别为1.88和1.36，这表明其分子量分布都相对较窄。

由于不同F-Co₃O₄添加量的复合涂层表现出相似的红外光谱特征，因此仅对添加量为0.1%的复合涂层PDMS/PEG-F-Co₃O₄-0.1进行了FTIR分析，结果如图5d所示。PDMS-PU在3330 cm^-1处出现的宽峰归属于N-H的伸缩振动，而1630和1568 cm^-1处的峰则分别对应于C=O的伸缩振动和N-H的弯曲振动。此外，1013 cm^-1处的Si-O-Si特征峰以及781和1257 cm^-1处的Si-CH₃特征峰均源自PDMS链段^[36]。PEG-DAF中3345和1570 cm^-1处的峰分别对应于N-H的伸缩振动和弯曲振动，1708 cm^-1处的峰则归属于C=O的伸缩振动。1091 cm^-1处出现的强峰属于PEG的C-O-C伸缩振动，而1641 cm^-1处的峰则表明呋扎环的C=N伸缩振动，证实了呋扎结构的成功引入。对于涂层PDMS/PEG，其红外光谱表现为PDMS-PU与PEG-DAF特征峰的叠加，Si-O-Si与C-O-C的吸收峰部分重叠形成宽峰，而N-H和C=O区域的吸收峰仍然显著，表明两种聚合物之间未发生明显的化学键合。PDMS/PEG-F-Co₃O₄的红外光谱与PDMS/PEG几乎一致，说明添加的Co₃O₄对混合聚合物的红外光谱没有显著影响。

采用SEM对各涂层的表面形貌进行了表征，并结合EDS对涂层表面元素分布进行了分析，分析可知，PDMS-PU、PEG-DAF及PDMS/PEG涂层表面均呈现良好的光滑平整特性，添加Co₃O₄的PDMS/PEG-0.1和PDMS/PEG-0.2复合涂层表面则清晰观察到了分布均匀的纳米粒子。EDS面扫描结果中可以看出，C、Si、N和O在各涂层表面均呈均匀分布，此外，在涂层PDMS/PEG-F-Co₃O₄-0.1和PDMS/PEG-F-Co₃O₄-0.2中检测到了均匀分布的Co，且其含量随Co₃O₄添加量的增加而有所提高。这些结果充分证实了复合涂层的成功制备及其组分分布的均匀性。

通过接触角测量仪对涂层的润湿性及表面能进行了定量表征，结果如图6所示。PDMS-PU由于其PDMS链段固有的低表面能特性而表现出优异的疏水性能，水接触角高达(121.2 ± 2.2)°，对应表面能仅为(15.7 ± 1.27) mJ/m²；而PEG-DAF涂层则由于PEG链段的亲水性而呈现出较低的水接触角(72.9 ± 2.7)°。PDMS/PEG仍具有(100.8 ± 1.2)°的高接触角和(22.9 ± 1.5) mJ/m²的低表面能，表明PDMS组分仍主导其表面特性。值得注意的是，引入F-Co₃O₄后，由于纳米表面修饰的蓖麻油的润滑效应，涂层PDMS/PEG-F-Co₃O₄-0.1和PDMS/PEG-F-Co₃O₄-0.2的水接触角又有所提升，分别为(105.3 ± 1.2)°和(104.7 ± 1.4)°，表面能分别为(21.1 ± 2.5)和(21.3 ± 1.0) mJ/m²。根据拜尔曲线理论，当材料的表面能在(20~25) mJ/m²的临界范围内时，生物污损附着达到最小值^[37]。制备的复合涂层PDMS/PEG-F-Co₃O₄的表面能均在这一最佳范围内，表明了其良好的污损脱附性能。

附着力高的涂层通常可以在外力作用下保持与基体的牢固结合。测试了涂层在玻璃纤维增强环氧树脂(GFE)和Q235钢基材上的附着强度，结果如图7所示。各涂层在Q235钢上的附着强度均高于在GFE上的附着强度，这主要归因于钢表面羟基与涂层之间形成的氢键作用。PDMS-PU与基材的附着主要依赖于其聚合物网络中聚脲和硫脲基团与基材的相互作用^[38]，其附着强度分别为GFE ((0.48 ± 0.06) MPa和Q235钢(0.66 ± 0.07) MPa)。PEG-DAF由于强极性基团的存在，通过氢键和共价键的协同作用，在两种基材上表现出略高的附着强度(GFE：(0.62 ± 0.08) MPa；Q235钢：(0.74 ± 0.03) MPa)。PDMS/PEG的附着强度进一步提高，分别为(0.99 ± 0.09) MPa和(1.11 ± 0.10) MPa。添加Co₃O₄后复合涂层的附着强度显著提高，PDMS/PEG-F-Co₃O₄-0.1涂层具有最高的附着强度(GFE：(1.72 ± 0.05) MPa，钢：(1.87 ± 0.09) MPa)，这可能是由于纳米颗粒填充了界面，减少应力集中，同时F-Co₃O₄表面产生的丰富的反应性基团可以与基材上的极性反应基团相互作用，从而显著增强了涂层的附着强度。然而，Co₃O₄含量增大到0.2%时，纳米颗粒之间的相互作用力增强可能导致团聚，从而使PDMS/PEG-F-Co₃O₄-0.2的附着强度又有所下降(GFE：(1.53 ± 0.09) MPa，Q235钢：(1.60 ± 0.06) MPa)^[16]。以上结果表明Co₃O₄复合涂层与基底具有较高的附着强度。

本实验选取了两种典型的细菌菌株(P. aeruginosa和S. aureus)来评估涂层的抗菌性能。荧光显微镜图像(图8a和b)显示，所有涂层表面均存在不同数量的活细菌(呈现绿色荧光)，而在添加Co₃O₄的涂层表面还观察到了一些死细菌(红色荧光)。进一步定量分析了涂层表面活菌和死菌的覆盖率(图8c和d)。实验结果表明，与空白载玻片相比，PDMS-PU涂层因其低表面能特性使细菌附着量显著降低，P. aeruginosa和S. aureus的表面覆盖率分别为(4.7 ± 0.3)%和(4.8 ± 0.2)%。PEG-DAF涂层表面两种细菌的覆盖率分别为(4.9 ± 0.4)%和(5.1 ± 0.1)%，这一抗菌效果是由于PEG链形成的亲水屏障和DAF基团的特殊结构。有研究表明，DAF分子中的1,2,5-恶二唑五元杂环结构赋予了其优异的抗菌性能^[39]。PDMS/PEG复合涂层展现出了更高的抗细菌粘附性能(P. aeruginosa：(3.7 ± 0.3)%；S. aureus：(3.5 ± 0.1)%)。在加入Co₃O₄后，即使不加H₂O₂，涂层也表现出一定的杀菌活性(活菌覆盖率：P. aeruginosa (2.4 ± 0.3)%；S. aureus (2.3 ± 0.1)%，并观察到极少量的死菌(P. aeruginosa (0.5 ± 0.1)%；S. aureus (0.2 ± 0.1)%)，这可能是由于Co₃O₄释放的钴离子(Co²⁺/Co³⁺)对细菌膜的破坏作用。为验证Co₃O₄的模拟过氧化物酶催化杀菌机制，系统考察了H₂O₂对涂层抗菌性能的影响。结果显示PDMS/PEG + H₂O₂组仅表现出轻微的抗菌增强(活菌覆盖率：P. aeruginosa (3.4 ± 0.4)%；S. aureus (3.1 ± 0.1)%)，说明0.5 mmol/L的H₂O₂本身的杀菌效果极为有限；PDMS/PEG-F-Co₃O₄-0.1 + H₂O₂则展现出了最佳的抗菌性能，活菌覆盖率最低(P. aeruginosa (0.5 ± 0.1)%；S. aureus (0.6 ± 0.1)%)，死菌覆盖率最高(P. aeruginosa (2.9 ± 0.4)%；S. aureus (2.6 ± 0.3)%)。综上，PDMS/PEG-F-Co₃O₄涂层均表现出了显著的抗菌性能，其中PDMS/PEG-F-Co₃O₄-0.1在H₂O₂存在时展现出最优的杀菌效果，表明了Co₃O₄主要是由于在H₂O₂作用下催化产生活性氧(ROS)破坏细菌结构来实现高效杀菌^[40]。

基于涂层表面活细菌的覆盖面积结果，进一步计算了涂层对细菌的抗黏附率，结果如图8e所示。PDMS-PU和PEG-DAF表现出了相似的抗菌率，其中PDMS-PU对P. aeruginosa和S. aureus的抗黏附率分别为(39.6 ± 6.4)%和(44.7 ± 3.9)%，而PEG-DAF则分别为(37.9 ± 5.1)%和(39.9 ± 5.1)%。PDMS/PEG-F-Co₃O₄-0.1 + H₂O₂表现出了最高的抗菌率，分别为(93.1 ± 1.5)% (P. aeruginosa)和(92.2 ± 1.4)% (S. aureus)。此外，PDMS/PEG-0.2 + H₂O₂也具有较高的抗菌性，抗黏附率分别达到了(86.1 ± 2.2)% (P. aeruginosa)和(84.7 ± 1.9)% (S. aureus)。这些结果充分证实了纳米Co₃O₄的类酶活性在增强涂层抗菌性能方面起着关键作用。

采用海洋中广泛存在的典型微藻小球藻来评估涂层的抗藻性能。图9a显示了各样品在小球藻中浸泡1 d后涂层表面的荧光显微镜图像，在涂层表面均发现了明显的附着微藻个体，但附着密度存在显著差异，因此对涂层表面小球藻的附着密度和抗黏附率进行了量化，结果如图9b所示。空白载玻片上表现出最高的附着密度((210 ± 12) cells·mm^-2)，而涂层PDMS-PU表面附着的小球藻数量明显减少，为(94 ± 9) cells·mm^-2 (抗黏附率为(55.2 ± 1.7)%)，这可能是因为PDMS-PU较光滑的表面和低表面能的特性使其不易附着。涂层PEG-DAF由于PEG的引入，通过其亲水性和抗蛋白吸附特性有效减少了小球藻的附着(101 ± 8) cells·mm^-2，抗黏附率为(54.2 ± 1.2)%。PDMS/PEG则结合了二者的优势，表面附着的小球藻数量进一步减少至(74 ± 5) cells·mm^-2，抗黏附率也提高到了(64.6 ± 1.6)%。值得注意的是，在加入0.5 mmol/L的H₂O₂后，PDMS/PEG表面的附着密度并无显著变化(69 ± 6) cells·mm^-2，这表明微量的H₂O₂对小球藻的附着影响很小。当加入Co₃O₄后，可能由于Co²⁺的缓慢释放而对藻细胞产生了毒性，附着密度降低到了(55 ± 8) cells·mm^-2 (抗黏附率：(73.6 ± 2.8)%)。而当加入H₂O₂后，涂层PDMS/PEG-F-Co₃O₄-0.1和PDMS/PEG-F-Co₃O₄-0.2表面附着的小球藻数量显著减少，分别降至(17 ± 2)和(26 ± 4) cells·mm^-2，抗黏附率高达(91.6 ± 0.9)%和(87.7 ± 1.8)%。这表明该复合涂层的抵抗小球藻附着的机制主要依赖于Co₃O₄的模拟酶活性，在H₂O₂下生成的⋅OH和⋅O2-自由基破坏了小球藻的细胞膜和代谢功能，从而抑制了其生长和附着^[41]。

为深入阐明纳米Co₃O₄的模拟酶活性在复合涂层中的抗菌抗藻作用机制，对其反应性自由基进行了分析。由于PDMS/PEG-F-Co₃O₄-0.1涂层表现出了最佳的防污性能，故选择其与PDMS/PEG (作为对照)进行了P. aeruginosa的自由基捕获实验和EPR光谱分析，以明确主要反应性自由基物种和作用机制。自由基捕获实验结果(图10a和b)表明，添加⋅O2-捕获剂BQ和⋅OH捕获剂IPA后，PDMS/PEG对照组的细菌表面覆盖率分别为(4.8 ± 0.4)%和(4.7 ± 0.3)%，与未添加捕获剂的空白组(4.9 ± 0.2)%相比并无显著性差异，表明了BQ和IPA这两种捕获剂本身不会影响细菌的附着。然而，在H₂O₂存在条件下，PDMS/PEG-F-Co₃O₄涂层的抗菌性能表现出明显的自由基依赖性，未添加捕获剂的空白组细菌覆盖率仅为(0.5 ± 0.1)%，而加入BQ和IPA后覆盖率分别增加至(1.3 ± 0.2)%和(1.2 ± 0.2)%，这一结果明确揭示了⋅OH和⋅O2-是Co₃O₄介导的抗菌作用中的关键活性物种。

EPR分析结果进一步验证了上述自由基捕获实验的结果，如图10c所示。可以看出，在未添加Co₃O₄的涂层PDMS/PEG中，并没有检测到⋅OH和⋅O2-信号，然而，涂层PDMS/PEG-F-Co₃O₄在H₂O₂条件下分别检测到了强度比分别为1∶2∶2∶1和1∶1∶1∶1的⋅OH和⋅O2-的强烈的EPR特征信号，进一步证实了这两种自由基在过氧化物酶反应过程中的生成，这与上述自由基捕获实验的结果一致。

综上，进一步分析了PDMS/PEG-F-Co₃O₄涂层的双重防污机理。首先，涂层中有机硅的低表面能和疏水性有效抑制了污损生物的附着，其次，F-Co₃O₄加入涂层后，其固有的杀菌特性在一定程度上破坏了细菌的生理活性。值得注意的是，在H₂O₂的存在下，F-Co₃O₄的过氧化物酶样活性被激活，催化产生自由基⋅OH和⋅O2-。这些自由基会破坏细菌和藻类的细胞结构，还会破坏藻类的叶绿素结构和抑制其增殖，从而影响其正常的生理活动^[42,43]。自由基捕获实验进一步证实了⋅OH和⋅O2-在抗菌和抗藻过程中的关键作用。这种协同杀菌的双重机制显著提升了复合涂层的防污性能。

本研究通过将纳米Co₃O₄与有机硅涂层结合，成功开发了一种兼具低表面能特性和过氧化物酶活性的新型纳米复合有机硅基防污涂层。通过在纳米Co₃O₄表面接枝IPDI和蓖麻油以改善其与有机硅聚合物间的相容性。涂层的各项性能测试结果表明，制备的PDMS/PEG-F-Co₃O₄复合涂层展现出较好的疏水特性和较低的表面能，同时有效提升了涂层与基材的附着强度。此外，由于有机硅的低表面能特性与纳米Co₃O₄的模拟酶催化杀菌的协同效应，该涂层表现出优异的静态防污性能，对铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率分别达到93.1%和92.2%，对小球藻附着的抑制率为91.6%。最后对涂层的防污机理进行了进一步的研究，自由基捕获实验和EPR测试证实，涂层中纳米Co₃O₄在过氧化物酶样反应中产生的⋅OH和⋅O2-活性氧物种在防污过程中起着关键作用。尽管在实验室条件下涂层表现出了优异的防污性能，但尚未进行实海测试，其在实际海洋环境中的长期防污效果及化学稳定性仍需进一步验证。本研究为开发高防污性能的环境友好型纳米复合涂层的提供了新的策略。