CN112719491B - 一种微生物掩膜电解加工微织构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种微生物掩膜电解加工微织构的方法，包括以下步骤：对工件除油、水洗、干燥处理；在工件非加工区贴敷绝缘层并进行灭菌处理；将灭菌过的工件放入液体培养基中；将细菌接种于工件待加工区；把液体培养基置于无菌条件中培养，诱导细菌形成生物被膜，当工件待加工区被生物被膜完整覆盖后，取出工件；将工件与电解加工电源正极相接，将象形阴极与工件正对放置并与电解加工电源负极相接；将工件和象形阴极放入电解液中；接通电源，电解液经过生物被膜到达工件待加工区，与电解液接触的局部区域发生电解加工，达到加工要求后结束加工。本发明将生物被膜作为掩膜，可以在任意平面和曲面上制备微织构，提高了掩膜电解加工的工艺能力和适用性。

Description

一种微生物掩膜电解加工微织构的方法

技术领域

本发明涉及电化学加工领域，尤其涉及一种微生物掩膜电解加工微织构的方法。

背景技术

精密化、功能化、特殊化金属零部件的大规模应用对金属零部件的表面性能提出了新的要求和挑战。织构化金属表面的应用是适应上述新要求和新挑战的重要保证。织构化金属表面因具有优异的耐磨性、润湿性、传热性以及生物兼容性等优势备受学界和业界的关注，成为当前的研究热点和重点之一。目前，掩膜电解加工技术是制备织构化金属表面的主流技术之一。掩膜电解加工因具有加工范围广，不受材料自身强度、硬度和韧性的限制，加工速度快，无工具电极损耗，加工面无残余应力等优势，在制备织构化金属表面等方面备受青睐。传统的掩膜电解加工技术采用复杂的光刻工艺来制备掩膜，且掩膜不可复用，工艺成本高，加之现有技术极难在曲面、阶梯面和不规则平面上一次性光刻成形精细图形结构，在一定程度上限制了传统掩膜电解加工制备织构化金属表面的应用。

对此，一些学者开发出了活动掩膜电解加工技术，其掩膜非粘贴合于被加工工件的表面，且可反复使用。这大大简化了工艺步骤，减少了工艺成本，在很大程度上提高了掩膜电解加工在非平面上的加工适用性。但是，柔性掩膜的压贴方法仍不太理想，存在掩膜难以完全紧密贴合于工件表面等难题。

为了克服柔性掩膜贴合难题，专利号为ZL201610024619.5的发明专利公布一种用于圆柱面掩膜电解加工的装置，该专利通过在极间间隙内填充非金属柔性多孔物来辅助压贴掩膜的方式来解决掩膜的贴合难题，在一定程度上提高了活动掩膜贴合工件表面的可靠性和紧密性等难题，进而提高了活动掩膜电解加工的适用性和实用性。但是该技术由于难以实现圆柱体工件表面的掩膜无缝整体的包覆，在圆柱面上制备的微织构仍存在加工接缝等缺陷。因此，申请号为201910673940.X的发明专利公布了一种带式活动掩膜电解加工微织构技术及装置，该专利通过使用带有镂空图案的掩膜带，并在收带轮和储带轮等共同作用下紧密压贴在圆柱工件表面上，进而在外圆柱面上加工出无接缝的微织构。但是由于掩膜的制备受工件形状限制的难题，该技术和装置只适用于外圆柱面微织构的制备，在内圆柱面，不规则曲面和不规则平面上制备微织构面临巨大挑战。因此，有必要进一步完善掩膜的制备工艺，提高掩膜电解加工的适用性。

生物被膜（Bioflim）是指细菌在生长过程中附着于生物体表面或非生物体表面，由自身产生的胞外聚合物（包括核酸、蛋白质、多糖和脂类）包裹细菌组成的具有结构性、协调性、功能性的致密膜状微生物细菌群体。上海海洋大学硕士学位论文不同振动方式对食源性致病菌生物被膜形成的影响指出：生物被膜的生长发育是一个动态的可循环的过程，细菌粘附在生物或非生物材料表面，通过基因表达和群体感应调控形成小的微生物菌落，伴随着细胞外基质的分泌，最后发展形成复杂的、高度组织化的、具有三维网状结构的生物被膜。2018年发表在中国海洋药物期刊的文献铜绿假单胞菌生物被膜研究进展指出：生物被膜的成熟是指多个微菌落聚集在一起形成结构完整的生物被膜，同时菌落之间形成水通道，能够运输氧气、代谢产物、酶和营养物质，构成了一个简单、原始的小型循环系统。此外，2020年发表在食品研究与开发期刊的细菌生物被膜检测与清除方法研究进展指出：在成熟的细菌生物被膜内，细菌通过脱落、再粘附、再形成新的被膜进入新的阶段。在这个阶段，细菌生物被膜的结构由扁平不均一向高度结构化发展，并且处于长期稳定阶段。此时，生物被膜能稳定的、牢靠的吸附在物体表面，且难以清除。基于此，利用生物被膜能稳定的、牢靠的吸附在物体表面的特性，并且其形成不受物体表面形状的限制，本发明提出一种微生物掩膜电解加工微织构的方法。依靠自然界现象，通过调控生物被膜的成膜过程，形成具有一定致密度的生物被膜并稳定的、牢靠的吸附在任意平面和曲面上，将其作为微生物掩膜，从而解决掩膜的制备受工件形状限制的难题，提高掩膜电解加工的工艺能力和适用性。

发明内容

针对上述难题，本发明的目的是针对由于现有掩膜的制备受工件形状的限制进而导致掩膜电解加工工艺难以在内圆柱面，不规则曲面和不规则平面上制备微织构的难题，提出了一种微生物掩膜电解加工微织构的方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种微生物掩膜电解加工微织构的方法，它包括以下步骤：

（a）对工件进行除油、水洗、干燥处理；

（b）在处理过的工件的非加工区域贴敷电绝缘层；

（c）对贴敷电绝缘层的工件进行灭菌处理；

（d）将灭菌处理过的工件放入灭菌处理过的液体培养基中；

（e）将细菌接种于工件的待加工区域上；

（f）把装有工件的液体培养基置于恒温无菌条件中培养，诱导细菌在工件的待加工区域上生长形成细菌生物被膜，当工件的待加工区域被细菌生物被膜完整覆盖后，取出工件待用；

（g）将取出的工件作为阳极与电解加工电源的正极相接，将象形阴极与工件正对放置，并与电解加工电源的负极相接；

（h）将电气连接好的工件和象形阴极放入含有电解液的电解槽中进行电解加工；

（i）接通电解加工电源进行电解加工，电解液经过细菌生物被膜中菌落之间的水通道到达工件待加工区域的局部区域，与电解液接触的待加工区域的局部区域在电压的作用下发生腐蚀溶解加工，当工件的待加工区域达到加工要求后，断开电解加工电源，并将加工好的工件取出，去除细菌生物被膜和电绝缘层，完成加工。

所述的工件的待加工区域可以是任意平面和曲面。

所述的细菌可以诱导形成含有水通道的细菌生物被膜。

所述的细菌生物被膜中菌落之间的致密度可控。

所述的细菌生物被膜能稳定的、牢靠的吸附在物体表面。

与现有技术相比，本发明的优点是：装置简便，成本较低，可操作性强，无需压贴掩膜，紧靠自然界现象通过调控生物被膜的成膜过程便可在任意平面和曲面上一次性制备出生物被膜，并且生物被膜能稳定的、牢靠的吸附在工件表面，不受工件表面形状的限制。将其作为微生物掩膜，能解决掩膜的制备受工件形状限制的难题，提高掩膜电解加工的工艺能力和适用性。

附图说明

图1是工件上贴敷电绝缘层示意图。

图2是细菌接种示意图。

图3是生物被膜制备示意图。

图4是一种微生物掩膜电解加工微织构的原理图。

图中标号及名称：1、工件；1-1、非加工区域；1-2、待加工区域；2、电绝缘层；3、液体培养基；4、细菌5、细菌生物被膜；5-1、菌落；5-2、水通道；6、电解加工电源；7、象形阴极；8、电解液；9、电解槽。

具体实施方式

下面结合附图1、附图2、附图3和附图4对本发明专利的实施作进一步描述。

一种微生物掩膜电解加工微织构的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

（a）对材质为304不锈钢的曲面工件1进行除油、水洗、干燥处理；

（b）对处理过的304不锈钢曲面工件1的非加工区域1-1贴敷电镀绝缘胶带2，如图1所示；

（c）对贴敷电镀绝缘胶带2的304不锈钢曲面工件1进行灭菌处理；

（d）将灭菌处理处理过的304不锈钢曲面工件1放入灭菌处理过的含胰化蛋白胨（10g/L）、酵母提取物（5g/L）、NaCl（10g/L）的液体培养基3中；

（e）将金黄色葡萄球菌4接种于304不锈钢曲面工件1的待加工区域1-2上；

（f）把装有304不锈钢曲面工件1的液体培养基3置于恒温无菌条件培养，诱导金黄色葡萄球菌4在304不锈钢曲面工件1的待加工区域1-2生长形成具有水通道5-2的金黄色葡萄球菌生物被膜5，如图3所示，当304不锈钢曲面工件1的待加工区域1-2被致密度为80%的金黄色葡萄球菌生物被膜5完整覆盖后，取出304不锈钢曲面工件1待用；

（g）将取出的304不锈钢曲面工件1作为阳极与电解加工电源6的正极相接，将材质为304不锈钢的象形阴极7与304不锈钢曲面工件1正对放置，并与电解加工电源6的负极相接，如图4所示；

（h）将电气连接好的304不锈钢曲面工件1和304不锈钢象形阴极7放入含有质量分数为20%的NaNO₃电解液8的电解槽9中进行电解加工，如图4所示；

（i）接通电解加工电源6进行电解加工，质量分数为20%的NaNO₃电解液8经过金黄色葡萄球菌生物掩膜5中金黄色葡萄球菌菌落5-1之间的水通道5-2到304不锈钢曲面工件1待加工区域1-2的局部区域，与质量分数为20%的NaNO₃电解液8接触的待加工区域1-2的局部区域在电压的作用下发生腐蚀溶解加工，当304不锈钢曲面工件1的待加工区域1-2达到加工要求后，断开电解加工电源6，将加工好的304不锈钢曲面工件1取出，去除金黄色葡萄球菌生物被膜5和电镀绝缘胶带2，完成加工。

Claims (5)

1.一种微生物掩膜电解加工微织构的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

（a）对工件（1）进行除油、水洗、干燥处理；

（b）在处理过的工件（1）的非加工区域（1-1）贴敷电绝缘层（2）；

（c）对贴敷电绝缘层（2）的工件（1）进行灭菌处理；

（d）将灭菌处理过的工件（1）放入灭菌处理过的液体培养基（3）中；

（e）将细菌（4）接种于工件（1）的待加工区域（1-2）上；

（f）把装有工件（1）的液体培养基（3）置于恒温无菌条件中培养，诱导细菌（4）在工件（1）的待加工区域（1-2）上生长形成细菌生物被膜（5），当工件（1）的待加工区域（1-2）被细菌生物被膜（5）完整覆盖后，取出工件（1）待用；

（g）将取出的工件（1）作为阳极与电解加工电源（6）的正极相接，将象形阴极（7）与工件（1）正对放置，并与电解加工电源（6）的负极相接；

（h）将电气连接好的工件（1）和象形阴极（7）放入含有电解液（8）的电解槽（9）中进行电解加工；

（i）接通电解加工电源（6）进行电解加工，电解液（8）经过细菌生物被膜（5）中菌落（5-1）之间的水通道（5-2）到达工件（1）待加工区域（1-2）的局部区域，与电解液（8）接触的待加工区域（1-2）的局部区域在电压的作用下发生腐蚀溶解加工，当工件（1）的待加工区域（1-2）达到加工要求后，断开电解加工电源（6），并将加工好的工件（1）取出，去除细菌生物被膜（5）和电绝缘层（2），完成加工。

2.根据权利要求1所述的一种微生物掩膜电解加工微织构的方法，其特征在于：所述的工件（1）的待加工区域（1-2）可以是任意平面和曲面。

3.根据权利要求1所述的一种微生物掩膜电解加工微织构的方法，其特征在于：所述的细菌（4）可以诱导形成含有水通道（5-2）的细菌生物被膜（5）。

4.根据权利要求1所述的一种微生物掩膜电解加工微织构的方法，其特征在于：所述的细菌生物被膜（5）中菌落（5-1）之间的致密度可控。

5.根据权利要求1所述的一种微生物掩膜电解加工微织构的方法，其特征在于：所述的细菌生物被膜（5）能稳定的、牢靠的吸附在物体表面。

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