CN107488838A - 一种在金属基板表面构筑抗菌功能微纳结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在金属基板表面构筑抗菌功能微纳结构的方法，经金属表面清洗—退火热处理—提拉制备ZnO籽晶层—水热生长纳米阵列—的工艺进行表面处理，最后获得长有ZnO纳米阵列的金属板目标产物。本发明方法制备的ZnO阵列具有大量纳米级尖端阵列结构，阵列密度能达1×107～1×109根/cm2，组成阵列的纳米棒针尖直径在30～150nm。该阵列表面能够通过与细菌菌体接触而迅速发挥杀菌性，能够在1min内杀灭表面细菌，对大肠杆菌(ATCC 25922)和金黄色葡萄球菌(ATCC 6538)的杀菌率可达99.99％以上，且具有快速广谱杀菌性。

Description

一种在金属基板表面构筑抗菌功能微纳结构的方法
技术领域
本发明涉及金属表面微纳功能结构，尤其是金属材料表面抗菌功能化处理与微纳结构构筑技术领域。
背景技术
不锈钢、铝和钛合金等金属基材广泛应用于工业生产及生活领域，表面极易受到细菌污染，细菌在金属基底表面的附着、粘附行为将大大影响菌体表面菌体数量，当细菌数量较高时会威胁人体健康，因此，金属基底表面的抗菌处理在多种领域有巨大需求。传统的金属基材的表面抗菌处理方法是将抗菌材料涂覆于基材表面，形成具有抗菌性能的涂层。常用的抗菌涂层包括有机抗菌涂层和无机抗菌涂层。有机抗菌涂层具有快速杀菌，特异性抑菌等特点，但其具有抗菌谱窄、耐热性能较差且毒性较大等不利因素，因而涂覆有机抗菌涂层金属材料的应用受到很大限制。无机抗菌涂层包括金属离子抗菌涂层和光催化抗菌涂层两种。前者主要包括Cu2+、Ag+和Zn2+，其中Ag+抗菌性能最好，但其抗霉菌性能较差，在使用中易于变色，并可能存在对人体的健康与生物安全等风险；此外，随着离子的不断释出，此类涂层的抗菌性会逐渐减小从而影响长效性。光催化型抗菌涂层可以在光源照射条件下发挥抗菌性能，但在无光条件下抗菌性能大大降低。各种传统抗菌涂层的应用均有局限性，制备出一种兼具经济、抗菌性能优异、稳定持久、抗菌谱广且耐高温的金属板材表面涂层是十分必要的。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的目的是提供通过在金属基材表面通过构筑微纳阵列结构以实现其抗菌功能化的处理技术和方法；特别地，本发明通过在金属基板表面制备安全性很高的ZnO纳米阵列层作为关键技术的突破口。
发明目的是通过以下手段实现的：一种在金属基材表面构筑抗菌功能微纳结构的方法，经金属表面清洗—退火热处理—提拉制备ZnO籽晶层—水热生长纳米阵列的工艺进行表面处理，包含如下的步骤：
A)清洗后的金属基板经过250～500℃退火处理并冷却后，浸入浓度为10～100mmol/L乙酸锌的乙醇溶液中静置1～5min后。然后采用提拉法以1～10cm/min速度将金属基板拉出液面，在金属基板表面均匀地形成一层乙酸锌，干燥10～30min后300～450℃退火10～120min，得到表面均匀长有ZnO籽晶的基板；
B)配制10～500mmol/L硝酸锌的去离子水溶液，向其中加入等摩尔浓度的六次甲基四胺(HMTA)的去离子水溶液并充分搅拌混合，将A)得到的长有ZnO籽晶的金属基板放入混合液中，并在70～90℃下水热生长4～12h，取出后经过去离子水清洗即得到长有ZnO纳米阵列的目标抗菌微纳结构，表面单根纳米棒直径在30～200nm，阵列密度1×107～1×109根/cm2。
本发明方法在金属表面上构筑微纳物理抗菌结构，利用基底表面的特殊物理结构对细菌细胞膜的“刺破”或“撕裂”作用从而实现对细菌细胞的杀灭，这一杀菌机理使其具有抗菌谱广的特点，并且在后抗生素时代的今天，该抗菌手段不会产生细菌耐药性。此外，这种物理结构具有快速杀菌性，能够在1min内几乎完全杀灭表面细菌菌体。
本发明方法以工业生产中常见的水热法处理，在金属基材表面生长氧化锌纳米阵列(ZnO Nanoarrays)结构实现抗菌功能化，生产方法相对简单便捷。由于ZnO易得、价廉、耐高温且具有良好生物安全性和生物相容性，因而具有巨大的开发潜力。
作为本发明所采用的金属基材，可以有较大的选择范围，包括但不限于不锈钢、铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金。此外，由于氧化锌晶体的不同晶面的表面能存在差异，在具体实施时可以通过改变ZnO晶体的生长条件来控制其在不同方向的生长速度的差异，实现不同纳米形貌的ZnO制备。
归纳起来，与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明方法制备的ZnO纳米阵列规整度高，在基材表面分布均匀，能够实现批量生产及应用。
(2)ZnO阵列具有大量纳米级末端(直径为30～150nm)，具有良好的杀菌性能，较高的阵列密度使得细菌菌体能够同时与多根纳米棒相互接触从而杀灭细菌，这一杀菌性能能够在短时间内发挥作用。
(3)纳米阵列在金属基底表面附着力强，且耐高温(800℃)，具有良好的稳定性。
(4)同时具有ZnO NAs形貌杀菌和ZnO自身的抗菌性能，即Zn2+杀菌和活性氧物质(ROS)杀菌特性，具有高效光谱杀菌性、不会产生细菌耐药药性、低毒和低刺激性等特点。ZnO价格低廉因而具有良好的应用前景。
(5)阵列结构能够在短时间内发挥高效杀菌特性。
附图说明
图1为实施例1制备的304不锈钢基材表面纳米阵列的场发射扫描电镜照片。
图2为实施例2制备的304不锈钢基材表面纳米阵列的场发射扫描电镜照片。
图3为实施例3制备的5A06铝合金基材表面纳米阵列的场发射扫描电镜照片。
图4为实施例4制备的钛合金基材表面纳米阵列的场发射扫描电镜照片。
图5为载有ZnO薄膜的不锈钢板的比较例组的场发射扫描电镜照片。
图6为不锈钢板空白对照组、载有ZnO薄膜的不锈钢板的比较例组以及载有ZnO纳米阵列的实施例1～4组样品和样品的抗菌性能效果图。图中A，B分别为空白对照组和比较例的1min抗菌效果图，C～F分别对应实施例1～4各样品的1min抗菌效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明方法做进一步的详述。
实施例1
不锈钢板基底底表面抗菌功能化涂层的制备工艺，其步骤包括：
A、ZnO籽晶层制备：将奥氏体304不锈钢板裁剪成5cm×5cm大小，样品依次浸入丙酮、去离子水和无水乙醇中，超声清洗10min后干燥，于250℃退火处理并冷却，随后配制乙酸锌乙醇溶液，将不锈钢板浸入乙酸锌乙醇(10mmol/L)溶液中浸泡4min，随后以5cm/min速度匀速提拉出液面，并置于70℃烘箱中干燥5min，随后将钢板放入马弗炉内300℃退火1h，冷却后得到表面均匀分布有ZnO纳米晶体的不锈钢板。
B、水热合成ZnO阵列：分别配制等体积等物质量硝酸锌和HMTA的去离子水溶液(浓度为20mmol·L-1)并混合倒入反应釜中，使两种反应物终浓度分别为10mmol·L-1，随后将反应釜放入温度为90℃烘箱内预热15min，再将表面负载有ZnO籽晶的不锈钢板样品置于聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中90℃下进行水热反应4小时。反应完成后将样片取出，用去离子水冲洗数次后干燥，即得到生长有ZnO阵列的不锈钢板。
图1为本实施例得到的不锈钢板表面生长的ZnO纳米阵列场发射扫描电镜表征图，可以看到钢板表面生长有密度较为稀疏的ZnO纳米棒阵列，对图中纳米棒的尺寸和密度进行统计，得到本实施例制备出的ZnO纳米棒直径在130～250nm，阵列密度为1.73×107根/cm2。
实施例2
不锈钢板基底表面抗菌功能化涂层的制备工艺，其步骤包括：
A、ZnO籽晶层制备：将奥氏体304不锈钢板裁剪成5cm×5cm大小，样品依次浸入丙酮、去离子水和无水乙醇中，超声清洗10min后干燥，经过400℃退火处理并冷却，随后配制乙酸锌乙醇溶液，并加入2.5vol％去离子水，混合均匀后将不锈钢板浸入乙酸锌乙醇(40mmol/L)溶液中浸泡4min，随后以7cm/min速度匀速提拉出液面，并置于50℃烘箱中干燥5min，随后将钢板放入马弗炉内400℃退火5min后再次进行提拉退火工艺，依此循环进行4次后，将样品置于400℃下退火1h，冷却后得到表面均匀分布有ZnO纳米晶体的不锈钢板。
B、水热合成ZnO阵列：分别配制等体积等物质量硝酸锌和HMTA的去离子水溶液(浓度为100mmol·L-1)并混合倒入反应釜中，使两种反应物终浓度分别为50mmol·L-1，随后将反应釜放入温度为80℃烘箱内预热15min，再将表面载有ZnO纳米晶种的不锈钢板样品置于聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中80℃下进行水热反应4h。反应完成后将样片取出，用去离子水冲洗数次后干燥即得到生长有ZnO阵列的不锈钢板。
实施例3
铝合金板基底表面抗菌功能化涂层的制备工艺，其步骤包括：
A、ZnO籽晶层制备：将铝合金板裁剪成5cm×5cm大小，样品依次浸入丙酮、去离子水和无水乙醇中，超声清洗10min后干燥，经过400℃退火处理并冷却，随后配制乙酸锌乙醇溶液并加入0.5vol％去离子水使其终浓度为50mmol/L，混合均匀后将铝合金板浸入乙酸锌乙醇溶液中浸泡1min，随后以2cm/min速度匀速将其拉出液面，并置于50℃烘箱中干燥5min，随后将铝合金板放入马弗炉内450℃退火5min后冷却。待样片冷却后再次进行提拉退火工艺，依此循环进行4次后，将样品置于450℃下退火1h，冷却后得到表面均匀分布有ZnO纳米晶种的铝合金板。
B、水热合成ZnO阵列：分别配制等体积等物质量硝酸锌和HMTA的去离子水溶液(浓度为200mmol·L-1)并混合倒入反应釜中，使两种反应物终浓度分别为100mmol·L-1，随后将反应釜放入温度为90℃烘箱内预热15min，再将表面载有ZnO纳米晶种的铝合金板样品置于聚四氟乙烯内衬的高压反应釜，90℃下水热反应12h。反应完成后将样片取出，用去离子水冲洗数次后干燥即得到生长有ZnO阵列的铝合金板。
实施例4
钛合金板基底表面抗菌功能化涂层的制备工艺，其步骤包括：
A、ZnO籽晶层制备：将钛合金板裁剪成5cm×5cm大小，样品依次浸入丙酮、去离子水和无水乙醇中，超声清洗10min后干燥，经过400℃退火处理并冷却，随后配制乙酸锌乙醇溶液并加入5vol％去离子水使其终浓度为100mmol/L，混合均匀后将钛合金板浸入乙酸锌乙醇溶液中浸泡1min，随后以10cm/min速度匀速将其拉出液面，并置于70℃烘箱中干燥5min，随后将钛合金板放入马弗炉内300℃退火10min后冷却，待样片冷却后再次进行提拉退火工艺，依此循环进行6次后，将样品置于300℃下退火2h，冷却后得到表面均匀分布有ZnO纳米晶体的钛合金板。
B、水热合成ZnO阵列：分别配制等体积等物质量硝酸锌和HMTA的去离子水溶液(浓度为500mmol·L-1)并混合倒入反应釜中，使两种反应物终浓度分别为250mmol·L-1，随后将反应釜放入温度为70℃烘箱内预热15min，再将表面载有ZnO纳米晶种的钛合金板样品置于聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中进行70℃水热反应4h。反应完成后将样片取出，用去离子水冲洗数次后干燥即得到生长有ZnO阵列的钛合金板。
比较例
采用Sol-gel法不锈钢板基底底表面负载ZnO薄膜的制备工艺，其步骤包括：
将奥氏体304不锈钢板裁剪成5cm×5cm大小，样品依次浸入丙酮、去离子水和无水乙醇中，超声清洗10min后干燥，于250℃退火处理并冷却，随后配制乙酸锌溶解于乙二醇甲醚溶液(100mmol/L)，随后将不锈钢板浸入乙酸锌的乙二醇甲醚溶液中浸泡4min后，以5cm/min速度匀速提拉出液面，随后在400℃下热处理1h，随炉冷却即得到负载有ZnO薄膜的不锈钢板，可以观察到样品表面均匀分布有10～50nm的ZnO纳米颗粒。
抗菌实验结果
对以上实施例1～4制得的表面长有ZnO纳米阵列的金属基板采用《纳米无机材料抗菌性能检测方法》(GB 21510-2008-T)中贴膜法进行抗菌性能表征，实验引入不锈钢板组作为空白对照组，并采用ZnO film负载于不锈钢板组用于比较例检测。
抗菌性能实验具体操作：配制0.5×106～5×106cfu/mL大肠杆菌菌液0.1mL，滴加在样片表面，随后贴覆灭菌PE膜(4cm×4cm)以使菌液均匀分布并在37℃下接触培养1min，随后用灭菌生理盐水作为洗脱液对各样品表面的大肠杆菌进行计数，并根据标准中公式计算出各样品的1min抗菌率。各样品计数结果见图5，各工艺配方和抗菌结果列于表1。结果表明，比较例组仅具有较弱的1min杀菌性能，杀菌率为15.8～22.2％。实施例1中得到的ZnO纳米阵列抗菌率为12.1％，低于ZnO film组，这是由于阵列过于稀疏且载ZnO量较少，结构抗菌性能和ZnO自身抗菌性均较低所致。实施例2～4得到的各ZnO纳米阵列组均可以在1min内将表面的细菌全部杀灭，杀菌率均可以达到99.9％以上。各实施例具体工艺和抗菌率见下表。
以上结果表明，经本发明方法制备得到的生长有ZnO纳米阵列表面具有良好的抗大肠杆菌性能，且这种抗菌性能可以在短时间(1min)内发挥作用。

Claims (8)

1.一种在金属基板表面构筑抗菌功能微纳结构的方法，经金属表面清洗—退火热处理—提拉制备ZnO籽晶层—水热生长纳米阵列的工艺进行表面处理，包含如下的步骤：
A)清洗后的金属基板经过250～500℃退火处理并冷却后，浸入浓度为10～100mmol/L乙酸锌的乙醇溶液中静置1～5min；然后采用提拉法以1～10cm/min速度将金属基板拉出液面，在金属基板表面均匀地形成一层前驱体乙酸锌，干燥10～30min后在300～450℃退火10～120min，得到表面均匀长有ZnO籽晶的基板；
B)配制10～500mmol/L硝酸锌的去离子水溶液，向其中加入等摩尔浓度的六次甲基四胺去离子水溶液并充分搅拌混合；将A)步得到的长有ZnO籽晶的金属基板浸入混合液中，并在70～90℃下水热生长4～12h，取出后经过去离子水清洗即得到长有ZnO纳米阵列的目标抗菌微纳结构，表面单根纳米棒直径在30～200nm，阵列密度1×107～1×109根/cm2。
2.根据权利要求1所述的在金属基板表面构筑抗菌功能微纳结构的方法，其特征在于，ZnO纳米晶层的乙醇溶液中含去离子水0～5vol％。
3.根据权利要求1所述的在金属基板表面构筑抗菌功能微纳结构的方法，其特征在于，提拉后将金属基板于70～90℃下充分干燥10～120min后在空气条件下300～450℃下退火1h。
4.根据权利要求1所述的在金属基板表面构筑抗菌功能微纳结构的方法，其特征在于，为ZnO籽晶生长的前驱体提拉次数为1～6次。
5.根据权利要求1所述的在金属基板表面构筑抗菌功能微纳结构的方法，其特征在于，ZnO纳米阵列水热生长温度控制在70～90℃范围。
6.根据权利要求1所述的在金属基板表面构筑抗菌功能微纳结构的方法，其特征在于，水热生长的时间为4～12小时。
7.根据权利要求1所述的在金属基板表面构筑抗菌功能微纳结构的方法，其特征在于，所述金属基板材质包括但不限于:不锈钢、铝及铝合金、铜及铜合金。
8.根据权利要求1所述的在金属基板表面构筑抗菌功能微纳结构的方法，其特征在于，步骤A中所述清洗的过程为：金属基板依次放入离子水、丙酮、无水乙醇中分别超声清洗10min。
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