海洋环境中的金属腐蚀一直是船舶、海洋工程及基础设施面临的重要挑战。传统防腐涂层虽然能够在一定程度上隔绝腐蚀介质，但仍存在环境适应性、长期稳定性及可持续性等方面的局限。

近年来，利用微生物形成的生物膜进行金属防腐，成为绿色防护材料研究的新方向。然而，天然生物膜与金属表面之间的附着力较弱，容易在复杂环境中脱落，限制了其实际应用。

为解决这一问题，东北大学等单位的研究团队在国际期刊《Advanced Functional Materials》发表了题为 Engineered Biofilm Coating with Ordered Mussel Foot Protein Assembly for Robust Adhesion and Corrosion Protection的研究论文。

研究人员借鉴贻贝在水下环境中的强黏附能力，通过基因工程与蛋白质定向组装技术，开发了一种新型工程化生物膜防腐涂层，并利用飞纳 Phenom Pharos G2 台式场发射扫描电镜对涂层微观结构及金属腐蚀形貌进行了表征，为揭示涂层防腐机制提供了重要依据。

设备型号：

Phenom Pharos G2 台式场发射扫描电镜

研究创新

从贻贝黏附机制到工程化生物膜涂层

贻贝能够牢固附着于潮湿的岩石和金属表面，其独特的黏附能力主要来源于贻贝足蛋白（Mussel Foot Protein，MFP）。

研究团队以大肠杆菌（E. coli）为基础，通过基因工程增强细菌表面淀粉样蛋白纤维（CsgA）的表达，并利用 SpyTag-SpyCatcher 分子识别系统，将贻贝足蛋白定向组装至生物膜基质中，最终构建出 CsgA-L-MFP 工程化生物膜涂层。

该涂层将微生物生物膜的结构支撑作用与贻贝足蛋白的黏附特性相结合，不仅增强了涂层与金属基底之间的结合能力，还提高了涂层的致密性与腐蚀防护性能。

工程化生物膜防腐涂层的设计原理及贻贝足蛋白定向组装示意图

微观结构表征

扫描电镜揭示致密防护网络

为研究不同生物膜涂层的微观形貌，研究团队采用 Phenom Pharos G2 台式场发射扫描电镜，观察了不同涂层覆盖的 X70 碳钢样品在模拟海水中浸泡 7 天后的表面结构。

扫描电镜结果显示，未经涂层保护的 X70 碳钢表面出现了明显的腐蚀产物颗粒。而普通工程化生物膜涂层表面可以观察到杆状细菌及胞外聚合物结构。

不同生物膜涂层覆盖的 X70 碳钢在模拟海水中浸泡7天后的 SEM 图像。CsgA-L-MFP 涂层形成了更加致密、连续的网络结构。

相比之下，CsgA-L-MFP 涂层呈现出更加致密、相互连接的网络状结构，形成了连续的生物防护层。

通过对 SEM 图像进行定量分析，研究人员发现：

· CsgA-SpyTag 涂层孔隙率为 10.8%

· CsgA-SpyTag-B 涂层孔隙率为 11.2%

· CsgA-L-MFP 涂层孔隙率仅为 6.6%

这表明，贻贝足蛋白的引入有效改善了生物膜的微观结构，显著降低了涂层孔隙率。

更低的孔隙率和更连续的网络结构，有助于限制氧气及腐蚀介质向金属基底渗透，从而增强涂层的防腐效果。

基于 SEM 图像的涂层孔隙率分析及统计结果

SEM-EDS 元素分析

验证涂层的有效覆盖

除了表面形貌观察，研究团队还通过扫描电镜结合能量色散 X 射线能谱分析（SEM-EDS），对不同涂层表面的元素组成及分布进行了研究。

结果显示，CsgA-L-MFP 涂层表面的碳元素相对含量达到 57.0%，明显高于其他对照涂层。同时，氮元素含量增加至 16.4%，为贻贝足蛋白成功引入生物膜体系提供了进一步证据。

值得注意的是，未涂覆样品表面的铁元素相对含量为 30.9%，而在 CsgA-L-MFP 涂层表面仅检测到 1.9%。

这一结果与涂层的致密覆盖特征相一致，说明工程化生物膜能够有效覆盖金属基底，为阻隔腐蚀介质提供结构基础。

不同生物膜涂层的 SEM-EDS 元素分布图及元素组成分析。CsgA-L-MFP 涂层表现出更高的碳、氮元素含量和更低的铁元素信号。

腐蚀形貌分析

从微观证据到防腐性能

为了进一步验证涂层的保护效果，研究团队结合扫描电镜、激光共聚焦显微镜（CLSM）及电化学测试，对 X70 碳钢的腐蚀行为进行了系统研究。

在模拟海水中浸泡 7 天后，未涂覆样品及普通生物膜涂层保护的金属表面均出现不同程度的点蚀。

而 CsgA-L-MFP 涂层保护的金属表面则保持了较好的完整性，未观察到明显的大尺寸腐蚀坑，部分原始抛光痕迹仍清晰可见。

研究测得不同样品的最大腐蚀坑深度分别为：

· 未涂覆 X70 碳钢：25.7 μm

· CsgA-SpyTag 涂层：12.6 μm

· CsgA-SpyTag-B 涂层：11.8 μm

· CsgA-L-MFP 涂层：6.4 μm

与未涂覆样品相比，CsgA-L-MFP 涂层使最大腐蚀坑深度降低约 75%。

不同涂层保护的 X70 碳钢浸泡7天后的 CLSM 图像与 SEM 腐蚀形貌图。CsgA-L-MFP 涂层显著减轻了金属表面的局部腐蚀。

进一步的电化学测试和失重实验表明，CsgA-L-MFP 涂层具有良好的腐蚀防护效果。

浸泡 7 天后，X70 碳钢的腐蚀速率由未涂覆状态下的 0.22 mm/年降低至 0.032 mm/年，腐蚀电流密度由64.8 ± 7.4 μA/cm² 降低至 11.5 ± 2.9 μA/cm²，腐蚀抑制效率达到 82%。

这些结果表明，涂层形成的致密微观结构与其优异的腐蚀防护性能密切相关。

不同生物膜涂层的腐蚀速率及电化学极化测试结果。CsgA-L-MFP 涂层表现出更低的腐蚀速率与腐蚀电流密度。

性能拓展

自修复与不同金属的腐蚀防护

除了优异的防腐性能，研究还发现 CsgA-L-MFP 涂层具有一定的自修复能力。

在划痕修复实验中，涂层受损区域逐渐被新形成的生物膜覆盖，24 小时后形成的生物膜厚度达到59.0 ± 3.0 μm，实现了实验条件下的划痕区域覆盖。

此外，该涂层能够有效减轻奥奈达希瓦氏菌（Shewanella oneidensis MR-1）引起的微生物腐蚀，并对316L不锈钢表现出良好的防护作用。

在模拟海水中浸泡 7 天后，316L不锈钢的腐蚀电流密度由 1070 ± 230 nA/cm² 降低至330 ± 100 nA/cm²，降低约 69%；击穿电位由 99 mV提高至 358 mV（相对于饱和甘汞电极），说明涂层能够有效增强不锈钢的抗点蚀能力。

这些结果展示了工程化生物膜在绿色金属防腐材料领域的应用潜力。

CsgA-L-MFP 涂层在微生物腐蚀环境及 316L 不锈钢表面的腐蚀防护性能。

研究总结

本研究通过合成生物学与贻贝仿生黏附技术相结合，成功构建了具有较强附着能力、自修复特性及腐蚀防护性能的工程化生物膜涂层，为绿色、可持续金属防腐材料的开发提供了新的研究思路。

其中，Phenom Pharos G2 台式场发射扫描电镜为生物膜微观结构、元素分布及金属腐蚀形貌的研究提供了重要表征支持，帮助研究人员建立涂层结构与防腐性能之间的关联。

从微观结构观察到材料性能验证，飞纳扫描电镜正持续助力材料科学、生物工程及腐蚀防护等领域的创新研究。