CN102206846A - 具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜及其制备和应用，该氧化铝薄膜具有分布均匀的六角形排列孔，孔径大小一致，排列有序，且孔与孔之间相互独立，互相平行，间距相等；其制备方法，包括：(1)将铝片抛光；(2)将上述抛光后的铝片阳极氧化后，放入铬酸和磷酸的混合水溶液中，加热，然后进行第二次阳极氧化，最后放入2-10wt％的磷酸溶液中扩孔，即得；该氧化铝薄膜应用于生物培养中。本发明的氧化铝薄膜具有良好的生物相容性，表面化学性能及机械性能稳定，不易降解；本发明的制备方法简单，成本低，对设备的要求不高。
Description
技术领域
本发明属于氧化铝薄膜及其制备和应用领域，特别涉及一种具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜及其制备和应用。
背景技术
随着纳米生物学和医学的研究深入，人们开始注意到，相对于微米尺度，纳米尺度的结构与机体内细胞生长的自然环境更为相似。细胞周围的大多数三维空间组织结构(如细胞外基质组分和细胞膜上的受体)的尺寸都在纳米范围内，而这些结构(纳米纤维、纳米孔、纳米晶)会影响细胞的生物反应，并且细胞是一个开放的复杂系统，能对周围环境中小到5nm的物体发生反应。多孔阳极氧化铝薄膜是一种典型的具有自组织生长的高度有序纳米孔阵列结构材料。研究证明，其具有优良的生物相容性，能够很好地促进细胞的粘附与增殖(Biomaterials，2003，24：3039-3046)，并使细胞碱性磷酸酶的活性与细胞外基质的含量保持较高水平(J Biomed Mater Res 80A，2007，955-964)。但是，Hoess等人只研究了70nm和260nm两种孔径对细胞行为的影响，而且孔的结构错乱无序，大小不一致(ActaBiomaterialia，2007，3：43-50)。Popat等发表的论文“Osteogenic differentiation of marrowstromal cells cultured on nanoporous alumina surfaces，J.Biomed.Mater.Res.80A(2007)955-964”中制备的多孔氧化铝薄膜孔径为79nm，但结构不规整，孔径大小不一致且发生交错。Karlsson等发表的“Nanoporous Aluminum Oxide Affects Neutrophil Behaviour，Microsc.Res.Tech.63(2004)259-265”中使用的由英国沃特曼公司提供的多孔氧化铝薄膜，孔径为20nm和200nm，通过SEM图片观察到结构杂乱不规整，孔与孔之间相互交错，不具有阵列结构。Karlsson等发表的另一篇论文“Initial in vitro interaction of osteoblasts withnano-porous alumina，Biomaterials 24(2003)3039-3046”中仍然采用英国沃特曼公司提供的多孔氧化铝薄膜培养细胞，由图可以看到细胞伸出大量伪足深入到纳米孔内，但由于孔径大小不一致，结构不规整，用来研究孔径大小对细胞行为的影响存在一定的误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜及其制备和应用，该氧化铝薄膜结构始终规整，六角形排列孔分布均匀，大小一致，具有良好的生物相容性；该制备简单，成本低，对设备的要求不高，并且可以通过改变扩孔时间来一次性制备一系列不同孔径的氧化铝薄膜。
本发明的一种具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜具有分布均匀的六角形排列孔，孔径大小一致，排列有序，结构规整，且孔与孔之间相互独立，互相平行，间距相等，不会因孔的倾斜而发生孔与孔交错的现象。
所述的六角形排列孔的孔径大小为25nm-85nm，孔心距都为100nm。
本发明的一种具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜的制备方法，包括：
(1)以铝片为阳极，铅为阴极，以磷酸、硫酸和水质量比为1.5-3∶2-3∶1的混合液为电解液，80℃下进行电化学抛光5-15分钟，得抛光后的铝片；
(2)将上述抛光后的铝片阳极氧化2-4小时后，放入铬酸、磷酸和水的质量百分比为1.5-2.0∶6.0∶92.0-92.5的混合液中，60-70℃加热40-60分钟，然后进行第二次阳极氧化2-4小时，最后放入2-10wt％的磷酸溶液中，于35-40℃下进行扩孔0-50分钟，即得具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜。
步骤(1)中所述的铝片的纯度为99.999wt％，厚度为200μm，面积为3-12cm2。
步骤(1)中所述的铝片经过预处理，预处理的工艺为：将铝片经过0-5小时400℃高温退火后，在乙醇、二氯甲烷和丙酮体积比为0.5-1.5∶1-3∶1的混合液中浸泡5-60分钟，最后用去离子水冲洗。
步骤(1)中所述的电化学抛光的电流为1.2A-4.8A，温度80-90℃。
步骤(2)中所述为阳极氧化的条件为：以铝片为阳极，两块铅为对阴极，0.4M草酸为电解液，电压40-50V，温度0-10℃。
步骤(2)中所述的扩孔时间分别为0、15、30、40、50分钟时，所得的具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜的孔径分别为25nm、50nm、65nm、75nm、85nm，孔密度分别为9.8×109个/cm2、10.4×109个/cm2、10.7×109个/cm2、10.4×109个/cm2、9.9×109个/cm2、孔隙率分别为8.2％，19.1％，28.6％，45.2％，50.9％。
本发明的一种具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜应用于生物培养中。
不同孔径的本发明的氧化铝薄膜的生物性能评价：
将人脐静脉内皮细胞(Human Umbilical Vein Endothelial Cells，HUV)种植在本发明制备的氧化铝薄膜上，4小时及24小时后在光学显微镜下观察细胞的粘附能力，电子显微镜下观察细胞的微观结构，7天和14天后通过FESEM观察细胞的增殖情况。另外，为确定本发明的具有有序排列纳米小孔径的氧化铝薄不会产生其他物质，而干扰对细胞行为的影响的研究，用EDS检测材料表面的化学成分。
用体外人脐静脉内皮细胞细胞相容性等性来确定本发明的氧化铝薄膜能够用作新型的生物材料，
本发明制备的的氧化铝薄膜具有六方点阵有序排布的多孔。
本发明制备的具有有序排列纳米小孔径的氧化铝薄膜的孔径在一定范围内随扩孔时间的延长而增大，其孔心距约为100nm。
本发明中制备出一系列不同孔径的多孔氧化铝薄膜，具有分布均匀的六角形孔，各种孔径大小一致，排列有序，且孔与孔之间相互独立，互相平行且间距相等，不会因孔的倾斜而发生孔与孔交错的现象。我们不仅统计出了孔径，还统计出了不同孔径的氧化铝薄膜所对应的孔心距，孔密度以及孔隙率。孔心距大约都为100nm，随孔径的增大，孔隙率都随之增大。
本发明人经过广泛而深入的研究，通过改进制备工艺，制备了结构规整的多孔氧化铝薄膜，并意外地发现在一定范围内，随着在磷酸溶液中扩孔时间的延长，孔径逐渐增大，因此可以通过改变扩孔时间来一次性制备一系列不同孔径(25nm-85nm)的氧化铝薄膜，操作简易不繁琐，在此之前未见报道，这正是本发明的创新点所在，而且所制备的多孔氧化铝薄膜结构始终规整，六角形排列孔分布均匀，大小一致，孔与孔之间相互平行间距相等，几乎都为100nm互不交错，又因多孔氧化铝薄膜具有良好的生物相容性，表面化学性能及机械性能稳定，不易降解等特点，故特别适合作为一种生物材料的模型来单独研究孔径对细胞行为的影响，在此基础上完成了本发明。
如无具体说明，本发明的各种原料均可以通过市售得到；或根据本领域的常规方法制备得到。除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。
本发明的其他方面由于本文的公开内容，对本领域的技术人员而言是显而易见的。有益效果：
(1)本发明的氧化铝薄膜结构始终规整，六角形排列孔分布均匀，大小一致，孔与孔之间相互平行间距相等，几乎都为100nm且互不交错。
(2)本发明的氧化铝薄膜具有良好的生物相容性，表面化学性能及机械性能稳定，不易降解，因此该氧化铝薄膜是一种潜在的生物材料，可用作相关组织修复和替代植入材料。
(3)本发明的制备方法简单，成本低，对设备的要求不高，并且可以通过改变扩孔时间来一次性制备一系列不同孔径(25nm-85nm)的氧化铝薄膜。
附图说明
图1为不同孔径的具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜的FESEM图，(a)、(b)、(c)、(d)和(e)图对应的孔径分别为25nm、50nm、65nm、75nm和85nm。
图2为HUV细胞在不同孔径的具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜表面培养4小时后的光学显微镜图，(a)、(b)、(c)、(d)和(e)图对应的孔径分别为25nm、50nm、65nm、75nm和85nm；图中显示随培养时间的变化，HUV细胞在材料表面呈现出显著的形态差异，为典型的从粘附到铺展的过程。
图3为HUV细胞在不同孔径的具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜表面培养24小时后的光学显微镜图，(a)、(b)、(c)、(d)和(e)图对应的孔径分别为25nm、50nm、65nm、75nm和85nm；图中显示随培养时间的变化，HUV细胞在材料表面呈现出显著的形态差异，为典型的从粘附到铺展的过程。
图4为HUV细胞在不同孔径的具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜上培养7天后的FESEM图，(a)、(b)、(c)、(d)和(e)图对应的孔径分别为25nm、50nm、65nm、75nm和85nm；从图中可看出HUV细胞与材料发生紧密的结合，并伸出丝状伪足。
图5为HUV细胞在不同孔径的具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜上培养14天后的FESEM图，(a)、(b)、(c)、(d)和(e)图对应的孔径分别为25nm、50nm、65nm、75nm和85nm；从图中可看出HUV细胞与材料发生紧密的结合，并伸出丝状伪足。
图6为EDS检测具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜表面的化学组成，由图可知，该材料表面只由铝和氧两种元素组成，不会产生干扰物质影响实验结果。
具体实施方式
下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件进行。除非另外说明，否则所有的份数为重量份，所有的百分比为重量百分比，所述的聚合物分子量为数均分子量。
实施例1
(1)将纯度99.999wt％，厚度200μm，面积3cm2的高纯铝片在乙醇、二氯甲烷和丙酮的混合液(体积比为1∶2∶1)中浸泡5分钟后，去离子水冲洗；以铝片为阳极，铅为阴极，电解液为磷酸、硫酸和水的混合液(质量比为2∶2∶1)进行电化学抛光15分钟，电流为1.2A，温度80℃，得抛光后的铝片；
(2)将上述抛光后的铝片阳极氧化2小时后，放入铬酸、磷酸和水的混合液中(质量百分比为1.8∶6.0∶92.2)，60℃加热40分钟，以去除表面已形成的不规整的孔结构，然后进行第二次阳极氧化2小时，即得具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜；其中阳极氧化的工艺为：以铝片为阳极，两块铅为对阴极，0.4M草酸为电解液，电压40V，温度10℃，阳极氧化2小时。
FESEM图片显示孔径为25nm，如图1(a)所示。
制备的多孔阳极氧化铝进行细胞相容性评价：HUV细胞在其上的培养及生长情况如图2-(a)、3-(a)、4-(a)和5-(a)所示，图2-(a)和3-(a)显示随培养时间的延长，HUV细胞在材料表面呈现出显著的形态差异，为典型的从粘附到铺展的过程。从图4-(a)和5-(a)中可看出HUV细胞与材料发生紧密的结合，并伸出丝状伪足。
EDS结果显示多孔阳极氧化铝薄膜只由铝和氧两种元素组成。
说明具有六方点阵有序排列的多孔阳极氧化铝薄膜是具有优良的生物相容性，是一种潜在的生物材料。
实施例2
(1)将纯度99.999wt％，厚度200μm，面积7.5cm2的高纯铝片400℃高温退火3小时后，在乙醇、二氯甲烷和丙酮的混合液(体积比为0.5∶2.5∶1)中浸泡30分钟后，去离子水冲洗；以铝片为阳极，铅为阴极，电解液为磷酸、硫酸和水的混合液(质量比为1.5∶2.5∶1)进行电化学抛光5分钟，电流为3.0A，温度90℃，得抛光后的铝片；
(2)将上述抛光后的铝片阳极氧化3小时后，放入铬酸、磷酸和水的混合液中(质量百分比为1.5∶6.0∶92.5)，65℃加热50分钟，以去除表面已形成的不规整的孔结构，然后进行第二次阳极氧化3小时，最后放入5％的磷酸溶液中，于35℃下进行扩孔15分钟，即得具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜；其中阳极氧化的工艺为：以铝片为阳极，两块铅为对阴极，0.4M草酸为电解液，电压45V，温度5℃。
FESEM图片显示孔径为50nm，如图1(b)所示。
制备的多孔阳极氧化铝进行细胞相容性评价。HUV细胞在其上的培养及生长情况如图2-(b)、3-(b)、4-(b)和5-(b)所示，图2-(b)和3-(b)显示HUV细胞在材料表面很好地粘附。从图4-(b)和5-(b)中可看出HUV细胞在材料表面铺展开并伸出丝状伪足，与材料发生紧密的结合。
说明具有六方点阵有序排列的多孔阳极氧化铝薄膜是具有优良的生物相容性，是一种潜在的生物材料。
实施例3
(1)将纯度99.999wt％，厚度200μm，面积12cm2的高纯铝片400℃高温退火5小时后，在乙醇、二氯甲烷和丙酮的混合液(体积比为1∶2∶1)中浸泡60分钟后，去离子水冲洗；以铝片为阳极，铅为阴极，电解液为磷酸、硫酸和水的混合液(质量比为2∶2∶1)进行电化学抛光15分钟，电流为4.8A，温度90℃，得抛光后的铝片；
(2)将上述抛光后的铝片阳极氧化4小时后，放入铬酸、磷酸和水的混合液中(质量百分比为1.8∶6.0∶92.2)，70℃加热60分钟，以去除表面已形成的不规整的孔结构，然后进行第二次阳极氧化4小时，最后放入8％的磷酸溶液中，于40℃下进行扩孔50分钟，即得具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜；其中阳极氧化的工艺为：以铝片为阳极，两块铅为对阴极，0.4M草酸为电解液，电压50V，温度0℃。
FESEM图片显示孔径为85nm，如图1(e)所示。
制备的多孔阳极氧化铝进行细胞相容性评价。HUV细胞在其上的培养及生长情况如图2-(e)、3-(e)、4-(e)和5-(e)所示，图2-(e)和3-(e)显示HUV细胞在材料表面很好地粘附。从图4-(e)和5-(e)中可看出HUV细胞与材料发生紧密的结合，并伸出丝状伪足。
说明具有六方点阵有序排列的多孔阳极氧化铝薄膜是具有优良的生物相容性，是一种潜在的生物材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的实质技术内容范围，本发明的实质技术内容是广义地定义于申请的权利要求范围中，任何他人完成的技术实体或方法，若是与申请的权利要求范围所定义的完全相同，也或是一种等效的变更，均将被视为涵盖于该权利要求范围之中。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (9)
1.一种具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜，其特征在于：该氧化铝薄膜具有分布均匀的六角形排列孔，孔径大小一致，排列有序，且孔与孔之间相互独立，互相平行，间距相等。
2.根据权利要求1所述的一种具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜，其特征在于：所述的六角形排列孔的孔径大小为25nm-85nm，孔心距都为100nm。
3.一种具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜的制备方法，包括：
(1)以铝片为阳极，铅为阴极，以磷酸、硫酸和水质量比为1.5-3∶2-3∶1的混合液为电解液，80℃下进行电化学抛光5-15分钟，得抛光后的铝片；
(2)将上述抛光后的铝片阳极氧化2-4小时后，放入铬酸、磷酸和水的质量百分比为1.5-2.0∶6.0∶92.0-92.5的混合液中，60-70℃加热40-60分钟，然后进行第二次阳极氧化2-4小时，最后放入2-10wt％的磷酸溶液中，于35-40℃下进行扩孔0-50分钟，即得具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜。
4.根据权利要求3所述的一种具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的铝片的纯度为99.999wt％，厚度为200μm，面积为3-12cm2。
5.根据权利要求3所述的一种具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的铝片经过预处理，预处理的工艺为：将铝片经过0-5小时400℃高温退火后，在乙醇、二氯甲烷和丙酮体积比为0.5-1.5∶1-3∶1的混合液中浸泡5-60分钟，最后用去离子水冲洗。
6.根据权利要求3所述的一种具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的电化学抛光的电流为1.2-4.8A，温度80-90℃。
7.根据权利要求3所述的一种具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述为阳极氧化的条件为：以铝片为阳极，两块铅为对阴极，0.4M草酸为电解液，电压40-50V，温度0-10℃。
8.根据权利要求3所述的一种具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的扩孔时间分别为0、15、30、40、50分钟时，所得的具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜的孔径分别为25nm、50nm、65nm、75nm、85nm，孔密度分别为9.8×109个/cm2、10.4×109个/cm2、10.7×109个/cm2、10.4×109个/cm2、9.9×109个/cm2、孔隙率分别为8.2％，19.1％，28.6％，45.2％，50.9％。
9.一种具有有序排列纳米小孔的氧化铝薄膜应用于生物培养中。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20111005 |