CN114891484B - 一种协同抗菌表面及其制备方法和应用 - Google Patents

一种协同抗菌表面及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种协同抗菌表面及其制备方法和应用，属于激光刻蚀加工和抗菌材料制备技术领域；在本发明中，以铜网为掩模通过磁场调控制备锥形微柱阵列，经激光蚀刻形成多级锥形微柱结构制备得到了一种协同抗菌表面，所述协同抗菌表面为具有锥形微柱阵列的仿生超疏水表面，其表现出较好的协同抗菌功能，包括对细菌粘附的高拒液性和增强的光热杀菌活性；此外，上述协同抗菌表面中还掺杂了石墨烯，能够通过光热效应消灭大多数粘附的细菌；因此该协同抗菌表面在抗细菌粘附和光热协同杀菌领域中有着很好的应用。

Description

一种协同抗菌表面及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于激光刻蚀加工和抗菌材料制备技术领域，涉及一种协同抗菌表面及其制备方法和应用。
背景技术
由致病菌感染引起的医疗器械和食品包装相关疾病的流行对公共卫生具有极其严重的威胁。抗生素是对抗致病性细菌感染的有力工具，但抗生素耐药性细菌的发展对其构成了威胁。作为替代方案，抗菌表面有望在不引发耐药性的情况下杀死细菌。与大多数被破坏的细菌相比，在恶劣的生物膜条件下，使用抗生素，也能使细菌存活下来。因此，抗菌表面在生物医学设备和食品包装领域引起了极大关注。
传统上，抗菌表面分为两类，即超疏水表面和杀菌表面。超疏水表面利用其较低的黏附力减少细菌的黏附。杀菌表面在与细菌接触过程中通过释放杀菌剂使菌体失活。然而，两者在实际应用中都存在不足。超疏水表面不能杀死细菌，在与细菌接触过程中由于其疏水特性，杀菌剂难以释放。而在杀菌表面失活的细菌很容易聚集，由于黏附力较高，失活的菌体难以脱离表面。
发明内容
针对现有技术中存在的一些不足，本发明提供了一种协同抗菌表面及其制备方法和应用。在本发明中，以铜网为掩模通过磁场调控制备锥形微柱阵列，经激光蚀刻形成多级锥形微柱结构制备得到了一种协同抗菌表面，所述协同抗菌表面为具有锥形微柱阵列的仿生超疏水表面，其表现出较好的协同抗菌功能，包括对细菌粘附的高拒液性和增强的光热杀菌活性；此外，上述协同抗菌表面中还掺杂了石墨烯，能够通过光热效应消灭大多数粘附的细菌；因此该协同抗菌表面在抗细菌粘附和光热协同杀菌领域中有着很好的应用。
本发明中首先提供了一种协同抗菌表面，所述协同抗菌表面包括玻璃基底和聚合物涂层，具有多级粗糙结构，是具有锥形微柱阵列的仿生超疏水表面；所述聚合物涂层为聚二甲基硅氧烷硅氧烷(PDMS)，聚合物涂层呈锥形阵列状，其中锥形阵列为规则的锥形微柱结构，具有微米级尺度，经激光刻蚀处理后，锥形微柱表面分布有粗糙的纳米结构。
本发明中还提供了上述协同抗菌表面的制备方法，具体包括如下步骤：
将聚二甲基硅氧烷PDMS预聚物、四氧化三铁Fe3O4磁性颗粒(MPs)和多层石墨烯混合作为前驱体液，然后通过旋转涂覆工艺将前驱体液均匀涂覆在表面压有铜网的玻璃基底表面，然后置于表面磁场强度为0.3～0.6T的钕磁铁环境中，在外部磁场的驱动下，沿磁场方向产生均匀有序的锥形微柱阵列，并通过红外灯(IR)照射固化；
固化后利用激光对锥形微柱阵列进行蚀刻，刻蚀结束后将铜网剥离，得到协同抗菌表面；所述激光蚀刻采用的参数为：激光波长760-1080nm，平均功率8-15W。
进一步的，所述表面压有铜网的玻璃基底的制备方法为：将铜网用稀盐酸超声清洗，然后分别在丙酮、无水乙醇和蒸馏水的溶液中超声冲洗，自然干燥后得到去除表面氧化物的铜网，将其与玻璃压在一起，得到表面压有铜网的玻璃基底。
进一步的，所述铜网的目数为80-400目，优选的，铜网目数为120-300目。
进一步的，所述聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物为PDMS和0.1当量的固化剂搅拌均匀得到。
进一步的，PDMS预聚物和MPs的质量比为4～2:1；所述多层石墨烯占前驱体液总质量的5～40％。
进一步的，所述多层石墨烯占前驱体液总质量的15～35％。
进一步的，所述前驱体液的涂覆厚度为200～300μm。
进一步的，红外灯照射的波长为650-850nm、功率为150-200W，时间为20-45min。
本发明中还提供了上述协同抗菌表面在抗细菌粘附和光热协同杀菌中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明中PDMS和Fe3O4微米颗粒混合后经铜网限制制备的锥形微柱阵列结构规则有序且与玻璃基底结合牢固；经激光蚀刻后，在协同抗菌表面形成的微米尺度和纳米尺度粗糙结构以及低表面能材料共同增强其疏水性，这样的超疏水表面有利于细菌的脱附；并且由于掺杂的石墨烯具有良好的导电导热性，该协同抗菌表面表现很强的光热杀菌活性。
本发明中，所述协同抗菌表面可通过近红外(NIR)光照射处理使得大多数粘附的细菌失活，然后经过再次的自清洁清洗，将失活的细菌从表面释放出来。通过结合超疏水表面的拒液性和红外热杀菌处理，使得协同抗菌表面的除菌效率提高到了99.9％，相比现有技术中的超疏水抗菌表面和传统的杀菌表面，这样协同的抗菌方法使表面除菌率大大提高。因此，本发明中结合抗黏附性和光热杀菌活性的协同抗菌表面对抗微生物感染方面提供了有希望的进展。
本发明将此协同抗菌表面应用在抗菌领域，该功能表面制备简易，材料易于获取，表面性能稳定，对环境无污染，且具有自清洁性能、抗紫外辐射能力、抗化学腐蚀能力等特点。
附图说明
图1为协同抗菌表面剥离铜网前的立体显微镜图(a)和剥离铜网后不同放大率下的SEM图(b、c)。
图2为协同抗菌表面的三维图(a)和微米级粗糙度轮廓图(b)。
图3为大肠杆菌(a，b)和金黄色葡萄球(c，d)在经过红外照射前后的扫描电镜图，图中a,c为照射前，b,d为照射后。
图4为大肠杆菌(a)和金黄色葡萄球菌(b)经过红外照射前后在培养皿上生长的菌落的照片。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1：
(1)将80目铜网用0.01M稀盐酸超声冲洗30min，然后分别在丙酮、无水乙醇和蒸馏水的溶液中超声冲洗10min，自然干燥后得到去除表面氧化物的铜网。将铜网与面积2×2cm2的盖玻片压在一起作为基底。
(2)将PDMS预聚物、平均直径为5μm的MPs和多层石墨烯混合作为前驱体液，其中PDMS预聚物和MPs的质量比为4～2:1，多层石墨烯的质量为前驱体液质量的5％，然后通过旋转涂覆工艺将前驱体液均匀涂覆在上述基底的铜网表面，前驱体涂层厚度为200μm，得到三层结构。
将得到的三层结构置于表面磁场强度为0.5T的钕磁铁环境中，在外部磁场的驱动下，沿磁场方向产生均匀有序的锥形微柱阵列，并通过波长、功率和时间分别为850nm、150W和20min的红外灯(IR)照射固化。
利用激光对固化后的锥形微柱阵列进行蚀刻，所述激光蚀刻采用的参数为：激光波长1080nm，平均功率12W，刻蚀结束后将铜网剥离，得到具有锥形微柱阵列的仿生超疏水表面，即协同抗菌表面。
图1为协同抗菌表面剥离铜网前的立体显微镜图(a)和剥离铜网后不同放大率下的SEM图(b、c)，从图中可以看出，仿生超疏水表面分布有较为规则的锥形微柱结构，在微米级锥形微柱表面有激光刻蚀产生的纳米级粗糙结构，两种尺度的结合使仿生超疏水表面具有多级粗糙结构。这样的多级粗糙结构和PDMS低表面能物质结合使表面呈现超疏水低黏附特性。
图2为协同抗菌表面的三维图(a)和微米级粗糙度轮廓图(b),从图中可以看出，锥形微柱的高度为300μm。表面呈多级粗糙结构，轮廓算术平均误差Sa为44.71μm，这与SEM分析一致。存储在这种微纳米级多级结构中的空气有助于排斥细菌粘附。
本实施例中采用OCA20接触角测试仪测试上述制备的协同抗菌表面的润湿性，样品表面接触角为149°，在菌群均为109CFU/mL的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌悬液中分别浸泡10s和1h后样品表面的菌体黏附率分别为10％和43％，同时将浸泡在菌悬液1h后的样品置于近红外(NIR)光照下处理5min，自清洁冲洗后样品表面细菌黏附率为20％。
图3为大肠杆菌(a,b)和金黄色葡萄球(c,d)在经过红外照射前后的扫描电镜图，从图中可以看出，原始的细菌表面光滑完整，而仿生超疏水表面经红外照射5min之后，由于添加光热纳米剂石墨烯会在短时间内提高的温度，破坏细胞的完整性。大多数细胞会萎缩甚至破裂。因此，在石墨烯的帮助下，细菌排斥和近红外辐射的组合具有显著的抗菌效果，可以快速有效地杀死粘附的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。
为了进一步突出石墨烯的功能，本实施例中以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为模型细菌，采用平板计数法研究了仿生超疏水表面的抗菌行为。具体步骤为：
将协同抗菌表面浸泡在含有大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的细菌悬浮液中1h，然后将协同抗菌表面在近红外下辐射5min后，将协同抗菌表面用含有500μL 0.85％NaCl溶液的试管中清洗两次去除死亡细菌。
考察结果如图4所示，当协同抗菌表面浸泡在含有大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的细菌悬浮液中1h后，细菌会粘附在仿生超疏水表面，在近红外(NIR)光照5min并经自清洁试验后，仿生超疏水表面几乎没有残留细菌。
如图4所示，将样品浸泡在包括大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在内的菌悬液中1h后，许多细菌会粘附在仿生超疏水表面。而在近红外辐射5min后，将样品在含有500μL 0.85％NaCl溶液的试管中清洗两次，以去除死亡细菌。自清洁试验后，仿生超疏水表面几乎没有残留细菌。这是因为，协同抗菌表面可通过近红外(NIR)光照射处理使得大多数粘附的细菌失活，然后经过再次的自清洁清洗，将失活的细菌从表面释放出来。通过结合超疏水表面的拒液性和红外热杀菌处理，使得协同抗菌表面的除菌效率提高到了99.9％。
实施例2：
本实施例中通过调整多层石墨烯的质量来考察前驱体液中石墨烯含量的不同对制备得到的协同抗菌表面细菌黏附率的影响，其中协同抗菌表面的制备方法与实施例1基本相同，仅有如下区别：多层石墨烯的质量为前驱体液质量的3％、10％、15％、20％、25％。
协同抗菌表面细菌黏附率的测定方法如下：
采用OCA20接触角测试仪测试制备得到的协同抗菌表面的润湿性，分别记录样品表面接触角、在菌群均为109CFU/mL的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌悬液中分别浸泡10s和1h后样品表面的菌体黏附率，并将浸泡在菌悬液1h后的样品置于近红外(NIR)光照下处理5min测定自清洁冲洗后样品表面细菌黏附率，测定结果如表1所示。
表1.不同多层石墨烯的质量下制备的协同抗菌表面的润湿性
表1为不同多层石墨烯的质量下制备的协同抗菌表面的润湿性，从表1中可以看出，随着石墨烯含量的增加，经NIR光照5min后表面温度逐渐升高，细菌失活率也越来越高，自清洁后菌体的黏附率逐渐下降。当石墨烯含量超过15％时，在NIR光照5min和自清洁后表面细菌黏附率明显降低。当前驱体液中石墨烯含量为3％时，在NIR光照5min和自清洁冲洗后样品表面细菌黏附率为15％，这是因为前驱体液中石墨烯含量过低，NIR光照过程中样品表面升温较慢，菌体失活率较低。
实施例3：
本实施例中通过改变铜网的目数考察了不同目数的铜网对制备得到的协同抗菌表面细菌黏附率的影响，其中协同抗菌表面的制备方法与实施例1基本相同，仅有如下区别：铜网的目数分别为60目、120目、150目、200目、250目、300目、360目和400目。
协同抗菌表面细菌黏附率的测定方法如实施例2中所示，测定结果如表2所示。
表2.不同铜网目数下制备的协同抗菌表面的润湿性
表2为不同铜网目数下制备的协同抗菌表面的润湿性，从表2中可以看出，随着铜网目数的增加，即网孔孔径逐渐减小，仿生超疏水表面锥形微柱尺度也逐渐减小，表面结构更均匀，疏水性更强，黏附力更低，更有利于细菌的脱附。因此铜网目数过少会导致细菌的黏附率增加，这是因为铜网网孔过大，在磁场中形成的锥形微柱尺寸和微柱间距较大，导致样品表面接触角减小，疏水性降低，粘附力增强，阻碍细菌的脱附，而铜网目数过大也会导致细菌的黏附率增加，铜网网孔过小，在磁场中形成的锥形微柱尺寸较小，样品表面粗糙度较低，导致样品表面接触角减小，疏水性降低，粘附力增强，阻碍细菌的脱附。因此，本发明中，优选的铜网目数120-300。
实施例4：
本实施例中分别在360目铜网、多层石墨烯的质量为前驱体液质量30％、35％、40％和45％的条件下协同抗菌表面，并考察了其细菌黏附率，协同抗菌表面细菌黏附率的测定方法如实施例2中所示，测定结果如表3所示。
表3.不同多层石墨烯的质量下制备的协同抗菌表面的润湿性
表3为不同多层石墨烯的质量下制备的协同抗菌表面的润湿性，从图3中可以看出，随着前驱体液中石墨烯含量的增加，前驱体液黏度增大，由于铜网网孔较小，导致锥形微柱结构尺度减小，且不均匀，导致样品黏附的菌体较多。当前驱体液中石墨烯含量为45％时，经NIR光照5min和自清洁冲洗后样品表面细菌黏附率为20％，前驱体液中石墨烯含量过高，前驱体液黏度较大，导致锥状微柱结构不均匀，表面疏水性降低，菌体黏附率增加。因此，本专利中，优选的石墨烯含量为15-35％。
综上，本发明中PDMS和Fe3O4微米颗粒混合后经铜网限制制备的锥形微柱阵列结构规则有序且与玻璃基底结合牢固；经激光蚀刻后，在锥形微柱表面形成的微米尺度和纳米尺度粗糙结构以及低表面能材料共同增强其疏水性，这样的超疏水表面有利于细菌的脱附；由于掺杂的石墨烯具有良好的导电导热性，该表面表现增强的光热杀菌活性。通过近红外(NIR)光照射处理，大多数粘附的细菌极易失活。经过再次的自清洁清洗，失活的细菌很容易从表面释放出来。结合超疏水表面的拒液性和红外热杀菌处理，这种抗菌表面的除菌效率提高到了99.9％左右。这一结果为结合抗粘附性和光热杀菌活性的抗菌表面在对抗微生物感染方面提供了有希望的进展。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种协同抗菌表面，其特征在于，所述协同抗菌表面包括玻璃基底和聚合物涂层，具有多级粗糙结构，是具有锥形微柱阵列的仿生超疏水表面；所述聚合物涂层为聚二甲基硅氧烷PDMS，聚合物涂层呈锥形阵列状，其中锥形阵列为规则的锥形微柱结构，具有微米级尺度，经激光刻蚀处理后，锥形微柱表面分布有粗糙的纳米结构；
所述协同抗菌表面中还掺杂了石墨烯。
2.权利要求1所述的协同抗菌表面的制备方法，其特征在于，包括：
将聚二甲基硅氧烷 PDMS预聚物、四氧化三铁 Fe3O4磁性颗粒MPs和多层石墨烯混合作为前驱体液，然后通过旋转涂覆工艺将前驱体液均匀涂覆在表面压有铜网的玻璃基底表面，然后置于表面磁场强度为0.3~0.6 T的钕磁铁环境中，在外部磁场的驱动下，沿磁场方向产生均匀有序的锥形微柱阵列，并通过红外灯照射固化；
固化后利用激光对锥形微柱阵列进行蚀刻，刻蚀结束后将铜网剥离，得到协同抗菌表面；所述激光蚀刻采用的参数为：激光波长760-1080nm，平均功率8-15W；
所述PDMS预聚物和MPs的质量比为4~2:1；所述多层石墨烯占前驱体液总质量的5~40%；所述聚二甲基硅氧烷 PDMS预聚物为PDMS和0.1当量的固化剂搅拌均匀得到；
所述红外灯照射的波长为650-850nm、功率为150-200W，时间为20-45min。
3.根据权利要求2所述的协同抗菌表面的制备方法，其特征在于，所述多层石墨烯占前驱体液总质量的15~35%。
4.根据权利要求2所述的协同抗菌表面的制备方法，其特征在于，所述表面压有铜网的玻璃基底的制备方法为：将铜网用稀盐酸超声清洗，然后分别在丙酮、无水乙醇和蒸馏水的溶液中超声冲洗，自然干燥后得到去除表面氧化物的铜网，将其与玻璃压在一起，得到表面压有铜网的玻璃基底。
5.根据权利要求4所述的协同抗菌表面的制备方法，其特征在于，所述铜网的目数为80-400目。
6.根据权利要求5所述的协同抗菌表面的制备方法，其特征在于，铜网目数为120-300目。
7.根据权利要求2所述的协同抗菌表面的制备方法，其特征在于，所述前驱体液的涂覆厚度为200~300μm。
8.权利要求1所述的协同抗菌表面在抗细菌粘附和光热协同杀菌中的应用。
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