抗菌图案化表面及其制造方法与流程
本发明一般涉及包含具有抗菌性质的表面特征的基底及其制备方法。
背景技术
由微生物引起的传染病中的大约80％是通过接触传播的，因而对公众健康构成严重威胁。因此，在频繁触摸的表面上杀死微生物是避免交叉感染的有效方法。
一种在这些表面上杀死微生物的常用方法是通过化学手段，例如消毒剂。在另一种方法中，通过用杀生物化学品或消毒剂接枝或涂覆表面来制造抗微生物表面以限制交叉感染。然而，微生物可能会进化并产生对目前杀生物化学品的抵抗力，因此需要开发新的化学品。因此，通过化学手段杀死会导致二次污染。因此，这些方法面临诸如对杀微生物剂试剂的耐药性增加，微生物杀灭效率低和涂覆表面的长期稳定性差的问题。
最近发现蝉和蜻蜓翅膀表面覆盖有致密的柱状纳米结构，由于翅膀表面和微生物细胞之间的纯物理相互作用，所述致密的柱状纳米结构通过破坏粘附的微生物细胞来杀死微生物或防止微生物生长。相互作用导致细胞变形和裂解，而不需要额外的外部化学或机械手段。然而，目前还没有已知的方法能够以有效和简单的方式通过模拟生物表面来提供能够物理细胞破坏的纳米排列表面。
已经证明黑硅和tio2表面上的纳米结构具有杀微生物性质。然而，这些表面纳米图案是通过自上而下的方法在特定材料上产生的。例如，通过在硅晶片上的反应离子束蚀刻来制备黑硅表面。因此，可以理解，当要生成纳米级图案时，自上而下的方法将变得具有挑战性。换句话说，自上而下的方法可能是耗时且昂贵的并且限于在特定材料(例如，易受蚀刻或其他形式的光刻方法的那些)的表面上的应用。
因此，需要提供表现出杀微生物剂性质的可替代表面，其克服或至少改善上述一个或多个缺点。还需要提供简单且可扩展(scalable)的方法来创建这样的表面。
技术实现要素：
根据第一方面，提供了基底，其包括多个整体形成的表面特征，其中表面特征是微米尺寸、纳米尺寸或其混合物，每个表面特征包括结晶相和至少一个尖端。
有利地，表面特征是整体形成的，即它们与基底的其余部分形成整体。这些表面特征的形成不需要使用冲压技术将表面特征转移到基底表面上。
有利地，所述表面特征的末端可以适于扰乱、变形、裂解或破坏细胞膜脂质层，从而降低微生物/细菌活力或细胞计数。另外，末端还可以提供基底表面拓扑结构，其不利于微生物粘附在其上，并且实质上抑制或阻止微生物细胞生长和/或减少微生物细胞计数。微生物和表面特征之间的相互作用在本质上可以主要或完全是物理的。也就是说，可以通过非化学手段实现微生物的抑制或杀灭。
本发明的另一方面涉及包括多个整体形成的表面特征的基底，其中所述表面特征是微米尺寸和/或纳米尺寸的，每个表面特征包括结晶相和至少一个尖端，并且其中所述表面特征由一步法形成或可从一步法获得，所述一步法包括使所述基底的表面与包含碱和氧化剂的试剂溶液接触，从而在所述基底的表面上整体形成表面特征。
另一方面涉及包括铜表面的基底，所述铜表面包括在其上整体形成的多个表面特征，所述表面特征是微米尺寸和/或纳米尺寸的，其中所述表面特征包括cu(oh)2、cuo或其混合物，每个cu(oh)2或cuo表面特征包括至少一个尖端。
又一方面涉及包括锌表面的基底，所述锌表面包括在其上整体形成的多个微米尺寸和/或纳米尺寸的zno表面特征，每个zno表面特征包括至少一个尖端。
另一方面涉及制造具有抗菌性质的基底的方法，所述方法包括：使基底表面与试剂溶液接触，以在基底表面上产生多个整体形成的微米尺寸和/或纳米尺寸的表面特征，每个表面特征包括结晶相和至少一个尖端。
又一方面涉及制造具有抗菌性质的基底的方法，所述方法包括：使基底表面与试剂溶液接触，以通过沉淀在基底表面上而产生多个整体形成的微米尺寸或纳米尺寸的表面特征，每个表面特征包括结晶相和至少一个尖端。
有利地，所公开的方法能够提供具有可调节或可缩放的物理尺寸(dimensions)的表面特征，以显示出抗菌性质。例如，可以通过改变试剂溶液的组成/浓度或接触时间来调节尺寸。进一步有利地，这些表面特征的分辨率不受模具分辨率的限制；而当使用常规蚀刻或光刻技术形成表面特征时，表面特征的分辨率受模具分辨率的影响。更有利地，所公开的方法不需要复杂或多步纳米压印或丝网印刷方法在基底表面上获得纳米尺寸的表面特征。有利地，所公开的方法可以与“硬”金属基底一起使用，所述“硬”金属基底对于传统表面改性技术来说可能是不具有可塑性(malleable)的。与复杂的高分辨率光刻技术(例如，电子束光刻)相比，所公开的方法还能够在相对短的时间段内形成这些表面特征。有利地，所公开的方法能够制备能够生物模拟(例如复制或模拟自然界中存在的物理、非化学细菌杀灭性质)的金属基底。
本发明还提供了通过将如本文所公开的基底连接到表面上而向表面提供抗菌或抗微生物性质的方法。还提供了本文公开的基底的非治疗用途，用于抑制离体环境中细菌或微生物的生长或杀死细菌或微生物，例如用于灭菌系统、医疗包、设备、服装等。或者，如本文所公开的基底也可用于治疗，例如伤口膏药中。
定义
本文中使用的以下词语和术语应具有指定含义：
术语“微生物”是指一种或多种微生物，包括细菌、真菌、藻类、酵母、霉菌和病毒。
术语“抗微生物”是指杀死微生物或抑制微生物生长的任何物质。术语“抗微生物”可用于描述物质或物质的特征，并且在本文中，是指杀死微生物或抑制微生物生长的能力。因此，术语“抗菌”是指杀死细菌或抑制细菌生长的任何物质，或者当描述物质或物质的特征时，是指杀死细菌或抑制细菌生长的能力。术语“抗微生物”、“杀微生物剂”和“杀生物剂”是互换使用的。
前缀“纳米”表示低于1μm的级别的平均大小。因此，在说明书的上下文中使用的术语“纳米尺寸”是指至少一个维度(例如长度或高度)为纳米级大小的特征。术语“纳米结构”或其语法变体因此被解释为是指至少一个维度为纳米级的特征或图案，例如刀片或管。
前缀“微米”表示约1μm至约1000μm的级别的平均大小。因此，在说明书的上下文中使用的术语“微米尺寸”是指至少一个维度(例如长度或高度)为微米级大小的特征。
本文所使用的术语“结晶”或“结晶相”将被广泛解释为是指具有分子的规律地重复排列的物理态，所述分子被维持在长距离上或规律重复的外部平面上。规律地重复的构建块(buildingblock)根据明确定义的对称性排列成在三维中重复的晶胞(unitcell)。
“基本上”一词并不排除“完全”，例如“基本上不含”y的组合物可以完全不含y。必要时，可以从本发明的定义中省略“基本上”一词。
除非另有说明，否则术语“包含(comprising)”和“包含(comprise)”及其语法变体旨在表示“开放性”或“包括性”语言，使得它们不仅包括所列举的要素，而且也允许包括附加的、未列举的要素。
如本文中所使用，在制剂组分的浓度的背景中，术语“约”典型地意指所述值的+/-5％，更典型地是所述值的+/-4％，更典型地是所述值的+/-3％，更典型地是所述值的+/-2％，甚至更典型地是所述值的+/-1％，并且甚至更典型地是所述值的+/-0.5％。
遍及本公开，某些实施方案可以范围格式公开。应了解，范围格式的描述仅仅是为了方便和简洁起见并且不应该被解释为是对所公开范围的范畴的固定限制。因此，对范围的描述应被认为已经具体地公开了该范围内所有可能的子范围以及单独的数值。例如，对诸如从1到6的范围的描述应该被认为已经具体地公开了该范围内的子范围(例如从1到3、从1到4、从1到5、从2到4、从2到6、从3到6等)以及单独的数字，例如1、2、3、4、5和6。不管范围的宽度如何这都适用。
在本文中也可以广泛地和一般地描述某些实施方案。属于一般性公开内容内的较狭义类型和亚属组中的每一个也形成本发明的一部分。这包括实施方案的一般说明，其限制条件或负面限制是从所述属中移除任何主题，无论所删除的材料是否在本文中特定叙述。
具体实施方式
现在将公开包括多个整体形成的表面特征的基底的示例性非限制性实施方案。
在实施方案中，提供了包括多个整体形成的表面特征的基底，所述表面特征是微米尺寸和/或纳米尺寸的，每个表面特征包括结晶相和至少一个尖端。
所公开的基底可以由多种材料制成。例如，基底可以包括金属或聚合物。在另一个实例中，基底可包含至少一种金属、一种聚合物、金属的混合物、聚合物的混合物、或聚合物和金属的混合物。
在一些实施方案中，所公开的基底能够支持多个表面特征在其表面上的生长。在一个实施方案中，基底能够支持基底的盐在其表面上的生长。有利地，表面结构可以通过在基底上沉淀盐而整体形成。因此，能够支持包括盐的表面结构或特征的沉积的任何基底均可适合于本公开。
在其他实施方案中，所公开的基底能够反应，从而在其表面上整体形成多个表面特征。在一个实施方案中，基底的表面可以与氧化剂反应，从而整体形成多个表面特征。有利地，表面结构可以通过基底与氧化剂直接反应以获得基底的盐而整体形成。因此，任何能够在氧化时形成表面结构或特征的基底均可适用于本公开。
在一个实施方案中，基底包括金属表面，所述金属表面包括能够与氧化剂形成不溶性盐的任何合适的活性金属。在另一个实施方案中，基底包括金属表面，所述金属表面包括能够支持其上不溶性盐生长的任何合适的金属。在一个实例中，包括金属表面的基底可包括二价金属。在另一个实例中，包括金属表面的基底可包括选自周期表第11族的过渡金属，例如cu，或周期表第12族的过渡金属，例如zn。
在实施方案中，金属可以是合金或多层结构，任选地包括至少一个可氧化金属表面。金属可包括铝基合金、铜基合金、铁基合金、镍基合金、钛基合金、锡基合金、锌基合金、钢、黄铜或哈氏合金。金属可包括两种或更多种选自由过渡金属、稀土金属、铝、铜、铁、镍、钛、锡、锌、锰、铬、碳、硅、钨及其他合适的合金金属组成的组的金属。
基底表面可涂覆有一层或多层反应性或氧化性溶液，从而在其表面上整体形成多个表面特征。基底表面的氧化可以形成盐或盐晶体，其不溶于与表面接触的典型的有机或无机溶剂或水性介质中。因此，在一个实施方案中，表面特征的结晶相可包括由表面氧化形成的不溶性盐。在一些实施方案中，基底表面可涂覆有一层或多层试剂溶液，所述试剂溶液包含不溶于与表面接触的典型有机或无机溶剂或水性介质中的盐离子。因此，在一个实施方案中，表面特征的结晶相可包含通过沉淀或沉积在基底表面上形成的不溶性盐。例如，盐或盐晶体可能不溶于雨水、果汁或汗液。因此，所公开的基底可以有利地具有耐候性，并且所公开的基底的抗微生物和抗菌性质可以是持久的。所形成的表面特征有利地是有序的和结晶的，这用自上而下的表面改性技术原本是难以获得的。
在一个实施方案中，表面特征的结晶相可包含氧化物盐或氢氧化物盐。有利地，氧化物和氢氧化物表面特征可以通过氧化反应、酸/碱反应或盐沉淀反应原位形成。有利地，这些表面特征的制造不需要复杂的技术，例如等离子体蚀刻、反应离子蚀刻、物理或化学气相沉积技术或光刻技术。在一个实施方案中，氧化物和/或氢氧化物特征可以通过一锅法或一步反应合成法形成。氧化物或氢氧化物表面特征可有利地由简单的氧化或沉淀反应形成。
因此，在一个实施方案中，提供了包括多个整体形成的表面特征的基底，其中所述表面特征是微米尺寸和/或纳米尺寸的，每个表面特征包括结晶相和至少一个尖端，并且其中所述表面特征由一步法形成或可从一步法获得，所述一步法包括使所述基底的表面与包含碱和氧化剂的氧化溶液接触，从而在所述基底的表面上整体形成表面特征。据推测，使基底表面与包含碱和氧化剂的氧化溶液接触的方法导致形成多个表面特征，每个表面特征包括至少一个尖端。由于其化学形成的性质，可能不会通过物理特征详尽地描述由所述方法形成的每个表面特征的结构的精确表征，尽管下文描述了表面特征的示例性和任选实施方案。
因此，在另一个实施方案中，提供了包括多个整体形成的表面特征的基底，其中所述表面特征是微米尺寸和/或纳米尺寸的，每个表面特征包括结晶相和至少一个尖端，并且其中所述表面特征由一步法形成或可从一步法获得，所述一步法包括使所述基底的表面与包含盐离子的试剂溶液接触，从而通过在所述基底的表面上沉淀来整体形成表面特征。据推测，使基底表面与包含盐离子的试剂溶液接触的方法导致形成沉积或沉淀在基底表面上的多个表面特征，每个表面特征包括至少一个尖端。由于其化学形成的性质，可能不会通过物理特征详尽地描述由所述方法形成的每个表面特征的结构的精确表征，尽管下文描述了表面特征的示例性和任选实施方案。
每个表面特征包括至少一个尖端。整体形成的表面特征的末端或远端是与基底相对的端部，远离基底。在与微生物细胞物理接触后，尖端或突出物有利地有效破坏细胞壁，从而杀死细胞或至少抑制细胞的生长。因此，转移到或接触所公开的基底的任何微生物可以被有利地杀死或抑制生长。因此，可以有利地停止或至少减慢由微生物引起的传染病的传播。
表面特征可包括提供至少一个尖端的结晶相。结晶相可选自斜方晶体结构、单斜晶体结构、三斜晶体结构、四方晶体结构、六方晶体结构、三方晶体结构或立方晶体结构。在一个实施方案中，结晶相具有选自斜方晶体结构、单斜晶体结构或六方晶体结构的结构。六方晶系的一个实例是纤锌矿晶体结构。斜方晶体结构的一个实例是具有jcpds编号13-0420的x射线衍射表征的晶体结构。单斜晶体结构的一个实例是具有jcpds编号48-1548的x射线衍射表征的晶体结构。
表面特征可以具有提供至少一个尖端的形状。整体形成的表面特征在形状上可以是渐尖的，具有连接到基底表面的基端和相对于基端尺寸较小的远端。例如，表面特征可具有选自由管、刀片、针、棱锥体、圆锥体、柱体及其混合物组成的组的形状。因此，表面特征的远端可以指渐尖尖端(taperedtip)、刀刃状末端(bladedend)、圆锥体顶点或棱锥体顶点。优选地，远端是指表面特征的尖端。
在一个实施方案中，表面特征是纳米管或针。纳米管或针可以是渐尖的，或者可以包括具有与其基部的横截面直径相比更小的横截面直径的远端。相应的远端可以具有圆形横截面，其具有直径。在另一个实施方案中，表面特征是刀片，并且相应的远端可以具有矩形横截面，其具有宽度或厚度。
可以如下提供表面特征的示例性尺寸。
表面特征的尺寸可以是微米尺寸级或纳米尺寸级或微米尺寸级与纳米尺寸级的混合物。表面特征的尺寸可以有利地根据例如基底的应用或将被杀死或抑制的微生物的大小来定制。
表面特征的高度与表面特征的末端远端的尺寸的比率可以是大约10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、105、110、115、120、125、130、135、140、145、150、155、160、165、170、175、180、185、190或200。表面特征的高度与表面特征的末端远端的尺寸(例如直径或厚度)的比率可以在包括从上述任何两个值中选择的上限和下限的范围内。
表面特征的高度或长度是指从在基底表面处形成的表面特征的基部到表面特征的远端或末端的尺寸。在本公开的上下文中，表面特征高度与表面特征的远端的尺寸的比率越高，表面特征的远端就越尖锐。表面特征高度与表面特征的远端的尺寸比率越高，表面特征的远端的越尖锐。有利地，已经发现表面特征的远端的锐度与基底的抗微生物效率成比例。也就是说，尖端越尖锐，表面特征在杀死细胞或抑制细胞生长方面越有效。有利地，所公开的基底能够将接触基底的细菌量减少至每单位体积的初始cfu值为0.5或更小。所公开的基底的表面特征可以具有比已知的天然或人造杀生物表面更高的锐度。因此，所公开的基底的抗微生物效率可以高于已知的杀生物表面。
表面特征可具有选自约200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1μm、1.25μm、1.5μm、1.75μm、2μm、2.25μm、2.5μm、2.75μm、3μm、3.25μm、3.5μm、3.75μm、4μm、4.25μm、4.5μm、4.75μm、5μm、5.25μm、5.5μm、5.75μm、6μm、6.25μm、6.5μm、6.75μm、7μm、7.25μm、7.5μm、7.75μm、8μm、8.25μm、8.5μm、8.75μm、9μm、9.25μm、9.5μm、9.75μm或10μm的高度。表面特征可具有在包括从上述任何两个值中选择的上限和下限的范围内的高度。
在实施方案中，远端的尺寸可以指远端的横截面直径、宽度或厚度。在一个实施方案中，表面特征的远端的尺寸选自直径或厚度。表面特征的末端远端的尺寸，在一个实施方案中是末端远端的直径或厚度，选自约1nm至约500nm、或约5nm、10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、55nm、60nm、65nm、70nm、75nm、80nm、85nm、90nm、95nm、100nm、105nm、110nm、115nm、120nm、125nm、130nm、135nm、140nm、145nm、150nm、155nm、160nm、165nm、170nm、175nm、180nm、185nm、190nm、195nm、200nm、205nm、210nm、215nm、220nm、225nm、230nm、235nm、240nm、245nm、250nm、255nm、260nm、265nm、270nm、275nm、280nm、285nm、290nm、295nm、300nm、305nm、310nm、315nm、320nm、325nm、330nm、335nm、340nm、345nm、350nm、355nm、360nm、365nm、370nm、375nm、380nm、385nm、390nm、395nm、400nm、405nm、410nm、415nm、420nm、425nm、430nm、435nm、440nm、445nm、450nm、455nm、460nm、465nm、470nm、475nm、480nm、485nm、490nm、495nm或500nm。表面特征的末端远端的尺寸可以在包括从上述任何两个值中选择的上限和下限的范围内。远端的尺寸可以有利地为纳米尺寸。有利地，已经表明，具有表面特征且表面特征具有约10nm至400nm、约10nm至300nm或约10nm至200nm的尺寸的渐尖端部的基底在孵育仅一小时后能够杀死90-100％的细菌金黄色葡萄球菌。进一步有利地，本公开的表面特征的分辨率(和大小)不受传统表面改性技术所提供的分辨率的限制。甚至进一步有利地，通过化学反应原位形成表面特征允许形成具有小至10nm的末端尺寸的表面特征。
在一个实例中，当表面特征是管时，管的高度可以在约1μm至10μm或约5μm至7μm的范围内；并且远端可以是具有圆形横截面的尖端，其直径为约50nm至300nm或约100nm至200nm。
在另一个实例中，当表面特征是刀片时，刀片可具有约200nm至5μm或约400nm至1μm的长度，和约100nm至500nm或约200nm至400nm的宽度。刀片的厚度可以朝向刀片的远端逐渐变细。刀片的远端可以是厚度为约10nm至30nm，或约20nm的刀刃状末端。
在又一个实例中，当表面特征是针时，针的长度可以在约500nm至5μm或约1μm至2μm的范围内；远端可以是具有圆形横截面的尖端，其直径为约1nm至100nm或约10nm至40nm；并且针的基部或根部可以具有圆形横截面，其直径为约10nm至500nm或约100nm至200nm。
相邻表面特征的间距可选自约100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm、1100nm、1200nm、1300nm、1400nm、1500nm、1600nm、1700nm、1800nm、1900nm或2000nm。相邻表面特征的间距可以在包括从上述任何两个值中选择的上限和下限的范围内。
由于微生物细胞和细菌细胞通常大于所公开的间距，因此具有所公开间距的表面特征有利地能够接触和破裂细胞，从而赋予基底抗微生物和抗菌性质。
在一个实施方案中，提供包括铜表面的基底，所述铜表面包括在其上整体形成的多个表面特征，所述表面特征是微米尺寸和/或纳米尺寸的，并且其中所述表面特征包括cu(oh)2、cuo或其混合物，每个cu(oh)2或cuo表面特征包括至少一个尖端。在另一实施方案中，提供一种包括锌表面的基底，所述锌表面包括在其上整体形成的多个微米尺寸和/或纳米尺寸的zno表面特征，所述zno表面特征包括至少一个尖端。
有利地，铜和锌是日常生活中常见的表面材料，例如门和门把手包括cu表面，路灯杆和高速公路护栏包括具有zn表面的镀锌钢。因此，有利的是，本公开可以应用于常见表面，例如铜和锌表面，以提供通过物理手段或物理相互作用有效杀死微生物或至少抑制微生物生长的杀微生物表面。
已经有利地发现锌或铜基底使用简单的合成步骤易于制造所公开的表面特征。锌或铜基底的使用避免了对自上而下的纹理化技术(例如通常在硅基基底上采用的反应离子束蚀刻)的需要。有利地，本公开的表面特征的分辨率和大小也不受传统表面改性技术所提供的分辨率的限制。
现在将公开制造具有抗微生物或抗菌性质的基底的方法的示例性、非限制性实施方案。
在实施方案中，提供一种制造具有抗微生物或抗菌性质的基底的方法，所述方法包括：使基底表面与试剂溶液接触，以在基底表面上产生多个整体形成的微米尺寸和/或纳米尺寸的表面特征，每个表面特征包括结晶相和至少一个尖端。
在实施方案中，提供制造具有抗微生物或抗菌性质的基底的方法，所述方法包括：使基底表面与试剂溶液接触，以通过沉淀在基底表面上来产生多个整体形成的微米尺寸和/或纳米尺寸的表面特征，每个表面特征包括结晶相和至少一个尖端。
铜或锌基底表面处的示例性反应如下所示：
zn2++4oh-→zn(oh)42-+no3-→zno
试剂溶液可包含选自卤素、氧、过氧化物、次卤酸盐、氯酸盐、铬酸盐、过硫酸盐、高锰酸盐、硝酸盐或硝酸的氧化剂。实例包括过硫酸铵、硝酸锌、过氧化氢和次氯酸钠。
试剂溶液中氧化剂的浓度可以选自约0.01m至约10m、或0.02m、0.04m、0.06m、0.08m、0.1m、0.12m、0.14m、0.15m、0.16m、0.17m、0.18m、0.19m、0.2m、0.3m、0.4m、0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、3.5m、4.0m、4.5m或5.0m。试剂溶液中氧化剂的浓度可以在包括从上述任何两个值中选择的上限和下限的范围内。有利地，可以适当地选择氧化剂的浓度以提供所制造的金属基底的应用所需的特定表面特征尺寸。在实施方案中，可以选择更高浓度的氧化剂以产生包括单斜晶体结构的表面特征，同时可以选择更低浓度的氧化剂以产生包括斜方晶体结构的表面特征。例如，在氧化剂的浓度为至少约0.3m的情况下，可以获得包括单斜晶体结构的表面特征。
试剂溶液可包含碱(base)或碱(alkali)。碱可以是pkb值为10或更高的强碱。碱可选自碱金属或碱土金属的碱。实例包括naoh和koh。
试剂溶液中碱的浓度可选自约1.0m至约10m、或1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、3.5m、4.0m、4.5m、5.0m、5.5m、6.0m、6.5m、7.0m、7.5m、8.0m、8.5m、9.0m、9.5m或10m。试剂溶液中碱的浓度可以在包括从上述任何两个值中选择的上限和下限的范围内。有利地，可以适当地选择碱的浓度以提供所制造的金属基底的应用所需的特定表面特征尺寸。在实施方案中，可以选择更高浓度的碱以产生包括单斜晶体结构的表面特征，同时可以选择更低浓度的碱以产生包括斜方晶体结构的表面特征。例如，在试剂溶液中碱的浓度范围为约5.0m至约10m，或至少约5.5m、6.0m、6.5m、7.0m、7.5m、8.0m、8.5m、9.0m、9.5m或至少10m的情况下，可以获得包括单斜晶体结构的表面特征。
在试剂溶液包含氧化剂和碱两者的实施方案中，氧化剂与碱的摩尔比可以在约1:10至1:30、或约1:12、1:14、1:1、1:18、1:20、1:22、1:24、1:26、1:28或1:30的范围内，或者可以在包括从上述任何两个值中选择的上限和下限的范围内。
试剂溶液还可包含水。可以通过添加水来调节试剂溶液的浓度。
在其他实施方案中，试剂溶液可包含其他试剂以提供盐离子，例如形成不溶性盐的阳离子和阴离子。合适的阳离子可以是本文公开的金属的金属离子。合适的阴离子可以是硝酸根离子、氢氧根离子或碳酸根离子。
试剂溶液中阳离子源的浓度可以选自约0.01m至约5m、或0.02m、0.04m、0.06m、0.08m、0.1m、0.12m、0.14m、0.15m、0.16m、0.17m、0.18m、0.19m、0.2m、0.3m、0.4m、0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、3.5m、4.0m、4.5m或5.0m。试剂溶液中阳离子源的浓度可以在包括从上述任何两个值中选择的上限和下限的范围内。有利地，可以适当地选择氧化剂的浓度以提供所制造的金属基底的应用所需的特定表面特征尺寸。在一个实例中，作为阳离子源的硝酸锌的浓度可以选自约0.01m至约5m(含)，或其间的任何浓度。
在一些实施方案中，试剂溶液可以不包含氧化剂，但可以包含能够在基底表面上沉淀的不溶性盐离子。在一些实施方案中，试剂溶液可以不包含氧化剂，但可以包含能够在基底表面上沉淀的不溶性盐离子和碱。
在一个具体实施方案中，试剂溶液可包含硝酸锌和如本文所公开的碱，例如koh，其中锌离子和氢氧根离子最终产生在基底表面上沉淀的不溶性氧化锌盐。在该实施方案中，试剂溶液可以不包含氧化剂。
接触步骤可以进行足以产生多个表面特征的持续时间。可以适当地选择持续时间以提供所制造的金属基底的应用所需的特定表面特征尺寸。可以根据基底材料适当地选择持续时间。接触步骤可以进行约10分钟、20分钟、30分钟、40分钟、50分钟、60分钟、70分钟、80分钟、90分钟、100分钟、110分钟、120分钟、130分钟、140分钟、150分钟、160分钟、170分钟、180分钟、190分钟、200分钟、210分钟、220分钟、230分钟、240分钟、250分钟、260分钟、270分钟、280分钟、290分钟、300分钟、310分钟、320分钟、330分钟、340分钟、350分钟、360分钟、370分钟、380分钟、390分钟、400分钟、410分钟、420分钟、430分钟、440分钟、450分钟、460分钟、470分钟、480分钟、540分钟、600分钟、660分钟、720分钟、780分钟、840分钟、900分钟、960分钟、1020分钟、1080分钟、1140分钟、1200分钟、1260分钟、1320分钟、1380分钟或1440分钟的持续时间。接触步骤进行的持续时间可以在包括从上述任何两个值中选择的上限和下限的范围内。在一个实例中，在基底是铜并且需要包括斜方晶体结构的表面特征的情况下，接触步骤可以进行约10至20分钟的持续时间。在另一个实例中，在基底是铜并且需要包括单斜晶体结构的表面特征的情况下，接触步骤可以进行约25至35分钟的持续时间。在一个实例中，在基底是锌并且需要包括纤锌矿晶体结构的表面特征的情况下，接触步骤可以进行约6至18小时的持续时间。
因此，可以选择碱的浓度，或氧化剂的浓度，或离子的浓度，或接触步骤的持续时间，或接触步骤的温度，或其任何组合，以提供所制造的金属基底的应用所需的特定表面特征尺寸。在实施方案中，碱浓度的增加，或氧化剂浓度的增加，或碱浓度和氧化剂浓度两者的增加会产生包括单斜晶体结构的表面特征。
接触步骤可以在室温或环境温度、或约15℃、或约20℃、或约25℃、或约30℃进行。有利地，所公开的方法能够在不使用专用设备例如加压室或额定热量的容器的情况下进行。
可以使用所公开的一步法将基底转化为具有抗微生物/抗菌性质的基底。在一个实施方案中，表面特征可以通过一锅法或一步反应合成法形成。因此，所公开的表面特征可以通过简单的氧化反应或酸/碱反应或沉淀反应原位形成。因此，与在金属基底上制造表面特征的已知复杂技术相比，所公开的方法是有利的和节省成本的。有利地，所公开的方法能够提供表面特征，而不受传统蚀刻或光刻技术所需的模具分辨率的限制。有利地，所公开的方法不需要复杂或多步纳米压印或丝网印刷方法在基底表面上获得纳米尺寸的表面特征。有利地，所公开的表面特征的制造不需要复杂的技术，例如等离子体蚀刻、反应离子蚀刻、物理或化学气相沉积技术。有利地，所公开的方法可以与“硬”金属基底一起使用，所述“硬”金属基底对于传统表面改性技术来说可能是不具有可塑性的。有利地，所公开的方法能够制备能够生物模拟(例如复制或模拟自然界中存在的物理、非化学微生物/细菌杀灭特性)的金属基底。
基底可以是本文中公开的基底。例如，基底可以包括金属表面，例如过渡金属表面，所述表面任选地是可氧化的以形成不溶性盐，从而在其上整体形成表面特征。过渡金属表面的实例包括选自周期表第11族的过渡金属，例如cu，或元素周期表的第12族的过渡金属，例如zn。
表面特征可以是本文中公开的表面特征。例如，在基底包括金属表面的情况下，表面特征可包括金属的氧化物和/或氢氧化物盐。
本公开还提供了包括金属表面的基底，所述金属表面包括多个整体形成的微米尺寸和/或纳米尺寸的表面特征，所述基底可通过本文公开的方法获得。
本公开提供了如本文所公开的基底用于向离体环境提供抗微生物和抗菌性质的用途。所公开的基底可以为离体环境提供抑菌或杀菌目的。因此，由于基底的使用是在离体环境中，因此用途可以是非治疗性的。
或者，所公开的基底可用于疗法中。所公开的基底可用于微生物感染的治疗中。
所公开的基底能够杀死微生物或抑制微生物生长。微生物可以是病原性或非病原性的。微生物可以是细菌或真菌。细菌可以包括革兰氏阴性细菌和革兰氏阳性细菌。
革兰氏阳性细菌的实例包括葡萄球菌、肠球菌和链球菌，例如金黄色葡萄球菌(staphylococcusaureus)、粪肠球菌(enterococcusfaecalis)、巨大芽孢杆菌(bacillusmegaterium)、枯草杆菌(haybacillus)、耻垢分枝杆菌(mycobacteriumsmegmatis)和肺炎链球菌(streptococcuspneumoniae)。革兰氏阴性细菌的实例包括埃希氏菌属、志贺氏菌属和沙门氏菌属，例如大肠杆菌、铜绿假单胞菌(pseudomonasaeruginosa)、沙眼衣原体(chlamydiatrachomatis)、幽门螺杆菌(helicobacterpylori)、痢疾志贺氏菌(shigelladysenteriae)、肠炎沙门氏菌(salmonellaenteritidis)和伤寒沙门氏菌(salmonellatyphi)。
附图说明
附图示出了所公开的实施方案，并用于解释所公开的实施方案的原理。然而，应该理解，附图仅是为了说明的目的而设计的，而不是作为对本发明的限制的定义。
图1
[图1]包含(a)cu箔、(b)在cu箔上生长的cu(oh)2纳米管、(c)在cu箔上生长的cuo纳米刀片(nano-blade)的扫描电子显微镜(sem)图像及其相应的x射线衍射(xrd)图案的图表(d-f)，证实了它们各自的结构。
图2
[图2]包含(a)zn箔、(b，c)在zn箔上生长的zno纳米针的sem图像，和(d)zn箔上的zno纳米针的xrd图案的图表。
图3
[图3]是菌落形成单位(cfu)/ml对孵育时间的图表，显示了使用日本工业标准(jis)z2801/iso22196方法评估的各种铜表面的杀灭效力(针对大肠杆菌)。
图4
[图4]包含cfu/ml对孵育时间的图表，证明了使用jisz2801/iso22196方法针对(a)具有pt涂层的样品和(b)具有cu涂层的样品所评估的各种铜表面的杀灭效力(针对大肠杆菌)。
图5
[图5]是cfu/ml对孵育时间的图表，显示了使用jisz2801/iso22196方法评估的扁平zn箔和zno纳米针表面的杀灭效力(针对大肠杆菌)。
图6
[图6]包含cfu/ml对孵育时间的图表，证明了使用jisz2801/iso22196方法评估的(a)扁平cu箔、cu(oh)2纳米管、cuo纳米刀片表面和(b)扁平zn箔和zno纳米针表面的杀灭效力(针对金黄色葡萄球菌)。
图7
[图7]包含cfu/ml对孵育时间的图表，证明了使用jisz2801/iso22196方法评估的(a)扁平cu箔、cu(oh)2纳米管、cuo纳米刀片表面和(b)扁平zn箔和zno纳米针表面的杀灭效力(针对白色念珠菌(c.albicans))。
图8
[图8]包含cfu/ml对孵育时间的图表，证明了纳米结构化表面(a)cu(oh)2纳米管表面、(b)cuo纳米刀片表面和(c)zno纳米针表面在摇动条件下在水中的杀灭曲线(针对大肠杆菌)。测试条件：5ml水，37℃，在300r/min摇动。
实施例
本发明的非限制性实施例和比较实施例通过参考具体实施例将更详细地得到进一步描述，这些具体实施例不应被解释为以任何方式限制本发明的范围。
实施例1：在cu基底上制备cu(oh)2纳米管和cuo纳米刀片
为了生长cu(oh)2纳米管，将4ml的1m(nh4)2s2o8、8ml的10mnaoh和18ml水混合以形成溶液。将cu箔(20×25mm)悬浮在溶液中持续15分钟。在cu箔上获得cu(oh)2纳米管的固体膜。然后将cu箔用水洗涤3次并用乙醇洗涤3次。洗涤后，用流动的n2干燥所述箔并储存以备将来使用。
为了生长cuo纳米刀片，将4ml1m(nh4)2s2o8溶液和8ml10mnaoh混合。将cu箔(20×25mm)悬浮在溶液中持续30分钟。在cu箔上获得cuo纳米刀片的黑色固体膜。然后将cu箔用水洗涤3次并用乙醇洗涤3次。洗涤后，用流动的n2干燥所述箔并储存以备将来使用。
实施例2：在zn基底上制备zno纳米针
为了生长zno纳米针，将10ml的0.5mzn(no3)2水溶液和10ml4mkoh混合。将zn箔(20×20mm)于室温悬浮在溶液中持续12小时。将zn箔的表面用水洗涤3次并用乙醇洗涤3次。随后用流动的n2干燥zn箔并储存以备将来使用。
实施例3：表面的表征
通过sem(jeoljsm-7400e)和xrd(panalyticalx射线衍射仪，x’pertpro，利用于
通过于室温在(nh4)2s2o8和naoh溶液中处理铜箔来制备铜基底上的纳米图案(参见实施例1)，在铜基底上生长2种类型的纳米结构。如图1所示，当用较低浓度的溶液处理铜箔15分钟时，生长纳米管阵列。纳米管阵列向上生长并紧密地覆盖铜基底的整个区域。每根管的长度为5-7μm，具有直径约为100-200nm的尖锐开口尖端。xrd证实了所述结构为具有斜方相的cu(oh)2(jcpds卡号13-0420)。当在环境温度用较高浓度的溶液处理铜箔时，在cu表面上形成刀片状结构，锋利的边缘向上竖立。xrd证实了所述结构具有cuo在铜上的单斜对称性(jcpds卡号48-1548)。
类似地，通过使用简单方法制备纳米图案化的锌表面(参见实施例2)。通过在zn(no3)2和koh溶液中处理锌箔，在锌基底上生长zno纳米针阵列，如下图2所示。于室温在溶液中处理12小时后，在表面上形成高度取向的均匀纳米针阵列。进一步的研究表明，针的长度通常为1-2μm。针的尖端和根部的直径分别是10-40nm和100-200nm。xrd分析证实了纳米针是纤锌矿zno结构。在34.4°(002)存在强烈的衍射峰，表明zno纳米针沿c轴的高度优先生长。
实施例4：细菌生长条件和样本制备
从美国模式培养物保藏所(americantypeculturecollection)(atcc-8739)获得大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌。在每个细菌实验之前，在营养琼脂上从储液更新细菌培养物。新鲜细菌悬浮液于37℃在5mltsb(大肠杆菌和金黄色葡萄球菌)或5mlym肉汤(用于白色念珠菌)中生长过夜。在生长的对数期收集细菌细胞，并将悬浮液调节到od600＝0.07。
实施例5：jis杀灭效力测试
将测试的细菌悬浮于5ml的对应营养肉汤中并调节到od600＝0.07。为了覆盖表面，将150μl细胞悬浮液放置在表面上。实验在37℃一式三份地进行。在与表面一起孵育之后，将对应的细胞悬浮液洗涤并稀释，并将每个稀释液散布在两个营养琼脂平板上。然后使用标准平板计数技术对得到的菌落计数，并计算每毫升的菌落形成单位的数量。假定菌落形成单位的数量等同于悬浮液中活细胞的数量。
使用z2801:2000(日本工业标准)方法评估纳米图案化的cu表面针对大肠杆菌的抗菌性质。如图3所示，在cu(oh)2纳米管表面上孵育1小时后，所有细菌都被杀死。对于cuo纳米刀片表面，孵育1小时后94.5％的大肠杆菌被杀死并且3小时后所有细菌都被杀死。对于具有平坦表面的对照物cu箔来说，在1小时后只有28％的细菌被杀死，并且在3小时后仍有约35％的大肠杆菌存活。
从图3中观察到，大肠杆菌的杀灭效力的顺序是cu(oh)2纳米管>cuo纳米刀片>cu箔，表明表面越锋利，杀灭效力越好。考虑到3个表面的化学成分不同(cu(oh)2、cuo和cu)，为了排除组合物效应，三个表面被分别涂覆pt和cu，并再次评估大肠杆菌的杀灭曲线。
图4(a)显示了pt涂覆的样品对大肠杆菌的杀灭效力。结果表明，具有pt涂层的cu箔显著改变了细菌杀灭曲线。在没有pt涂层的情况下，平坦cu箔在3小时后杀死65％的大肠杆菌(图3)。在pt涂覆后，大肠杆菌在孵育3小时后继续生长(图4)。对于cu(oh)2纳米管和cuo纳米刀片表面，与未涂覆的表面相比，pt涂覆后的杀灭曲线几乎没有变化。孵育3小时后所有细菌都被杀死，如图4(a)所示。为了进一步证实该结果，还通过真空气相沉积法用cu涂覆三个样品。sem结果显示cu涂覆后没有任何明显的形态变化。涂覆后，所有三个样品在纳米图案化表面上具有相同的cu化学组成。如图4(b)所示，cu涂覆的平坦cu箔的杀灭曲线类似于图3中所示的未涂覆的样品。cu涂覆后，cu(oh)2纳米管表面和cuo纳米刀片表面的杀灭效力得以保持或甚至提高。从图4(b)可以看出，在和涂覆铜的纳米管和纳米刀片表面一起孵育1小时后所有细菌都被杀死。所有这些结果表明，这些样品的细菌杀灭性质主要或完全由表面纳米结构而不是化学成分贡献。
还测试了锌箔和zno纳米针针对大肠杆菌的抗菌活性。如图5所示，孵育6小时后，zno纳米针表面上的所有细菌都被杀死。作为对照，平坦zn箔上的大肠杆菌保持生长，表明zn箔没有杀生物性质。该结果再次证明纳米结构化的锌表面通过物理相互作用有效地杀死细菌。
除了代表革兰氏阴性细菌的大肠杆菌外，还测试了革兰氏阳性细菌。还测试了针对金黄色葡萄球菌的抗菌性质，如图6所示。
如图6所示，金黄色葡萄球菌的杀灭曲线与大肠杆菌相似。孵育1小时后，cu(oh)2纳米管表面和cuo纳米刀片表面几乎杀死所有细菌，而对于平坦cu箔，23％的细菌即使在孵育3小时后仍然存活。对于zno纳米针表面，所有的金黄色葡萄球菌在孵育6小时后都被杀死，而70％的金黄色葡萄球菌在平坦的zn表面上保持存活。
还测试了作为真菌样品的白色念珠菌。白色念珠菌的杀灭曲线与大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀灭曲线非常不同。如图7所示，所有测试表面都可以杀死白色念珠菌。孵育24小时后，剩余的白色念珠菌为2％(cu)、4％(cu(oh)2)、0.7％(cuo)、1.3％(zn)和2.8％(zno)。与平坦表面相比，纳米结构化表面并不展现更快的杀灭效力。这可能是由于真菌的细胞壁与其他细菌相比更加稳固。作为对照，6孔板上的白色念珠菌在孵育24小时后生长了25倍，表明平板基底没有抗菌性(结果未展示)。
实施例6：在洗涤机(washingmachine)条件下的细菌杀灭效力
为了模拟洗涤过程，将大肠杆菌悬浮于5ml水中并调节到od600＝0.07。将安装在3.5cm圆盘上的测试表面浸入5ml的1:10稀释细菌悬浮液中，维持孵育间隔时间，并在300r/min的速度下摇动。然后以不连续的时间间隔对细胞悬浮液取样(100μl)，1:10连续稀释，并将每个稀释液散布在两个营养琼脂平板上。然后计数得到的菌落，并计算每毫升的菌落形成单位的数量。
作为纳米图案化的cu和zn表面在洗涤机中的潜在应用的一个实施例，在模拟洗涤机条件下测试这些纳米结构化表面的细菌杀灭活性。将大肠杆菌、水和纳米结构化表面放入在300r/min下摇动的细菌培养板中。通过平板计数技术监测溶液中的细菌。结果显示，对于cu(oh)2纳米管和cuo纳米刀片表面，水中的所有细菌在30分钟内都被杀死。对于zno纳米针表面，82％的大肠杆菌在1小时后被杀死。在对照实验、即不具有纳米结构化表面的洗涤水中，细菌在24小时后仍然存活。这个实验清楚地显示了制造具有抗菌表面/性质的洗涤机内表面的可能性。该表面在洗涤阶段(30-60分钟)中将杀死细菌。
总起来说，已经通过在室温对应铜或锌箔的简单溶液处理制备了具有cu(oh)2纳米管、cuo纳米刀片和zno纳米针的表面。所有表面针对大肠杆菌都具有杀菌性。还在洗涤机条件下在水中证明了这些人造表面的应用，其中大肠杆菌细菌在30分钟内被cu(oh)2纳米管和cuo纳米刀片表面完全杀死。
工业实用性
本申请的纳米图案化表面可用于提供非化学抗菌性质。此类抗菌纳米图案化表面可用作频繁触摸的表面(例如门把手、把手和卫生设备)的替代性表面材料，以提供阻碍或抑制细菌增殖的环境，例如用在医院机构中。
有利地，这会减少对合成化学消毒剂的依赖，合成化学消毒剂会不当地引起二次污染并且可能导致严重耐药性超级细菌的出现。所公开的图案化表面还可以提供具有此类图案化金属表面的家用电器和设备。抗菌表面还可以用在许多清洁应用中，例如用于使家庭或工业规模洗涤机的内部腔室表面具有抗菌性。这可以有利地减少或完全消除可能对人体有害的合成洗涤剂的需求。而且，可以减少清洁时间，这导致洗涤机的清洁效率更高。
显而易见的是，在阅读前述公开内容之后，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本发明的各种其他修改和改编对于本领域技术人员而言将是显而易见的，并且希望所有这些修改和改编都在所附权利要求的范围内。
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