具有分级纳米点结构的二氧化钛基复合薄膜及其制备方法
【专利摘要】本发明公开的具有分级纳米点结构的二氧化钛基复合薄膜，是在基底上从下而上依次有二氧化钛纳米点层和光敏半导体纳米点层。采用溶胶-凝胶法制备具有分级纳米点结构的二氧化钛基复合薄膜，首先在基底上旋涂二氧化钛前驱体溶胶，退火干燥处理，在基底上获得二氧化钛纳米点层，然后在其上旋涂光敏半导体前驱体溶胶，退火干燥处理，便在基底上获得具有分级纳米点结构的二氧化钛基复合薄膜。本发明的复合薄膜不仅具有优异的光致亲水性，而且具有较大的比表面积，有利于细胞的初始附着、增殖和分化。本发明方法简便，成本低，便于推广应用，可广泛应用于体外细胞培养、组织工程等生物医学工程领域。
【专利说明】具有分级纳米点结构的二氧化钛基复合薄膜及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物医用薄膜领域，具体涉及兼具可调表面亲水特性和离子缓释性能的分级纳米点结构二氧化钛基复合薄膜及其制备方法。
【背景技术】
[0002]表面和界面是实现器件和材料功能性的窗口，表面微纳米结构的构筑对材料的性能有着非常重要的意义。微纳米结构生物材料目前已成为生物医用材料领域一个研究热点和难点。大量的研究表明具有微纳米结构特征的生物材料表现出了积极的生物学响应，相对其他生物材料，微纳米结构材料可以显著促进细胞的粘附、增殖和分化。
[0003]细胞微环境在决定细胞功能中起着重要的作用，微环境中表面拓扑结构和化学成分是控制细胞行为的基础。材料表面微观结构的改变即可对细胞营造出不同的微环境，使得细胞的粘附、迁移、增殖和分化等行为表达出现差异。为提高生物材料的细胞相容性等性能，在材料表面构建微米、纳米及微/纳米复合结构被广泛研究。从生物的角度来说，细胞的体积大概处于微米级别，一般为几微米到几十微米。细胞运动迁移等主要依靠细胞伪足，相对而言细胞伪足可以感受到材料表面亚微米甚至纳米级别的变化。所以，细胞整体可以感受到生物材料表面微米结构的变化，并且根据自身的粘附和迁移“喜好”与材料表面结合作用。细胞伪足在感知到材料表面的纳米结构变化后，选择合适的纳米表面，进行迁移、粘附以及后续的基因表达等生物学行为。同时，微纳结构也会提高细胞分化[Mendonca G,Mendonca Dj Aragao F J Lj et al.Advancing dental implant surface technology -from micron-to nanotopography.B1materials, 2008，29(28): 3822-3835]。因此，构建具有微米和纳米结构共存的微纳结构生物材料表面对细胞行为表达具有重要意义。
[0004]二氧化钛无毒，具有优异的生物相容性和化学稳定性，而且其表面在光激发后具有促进细胞粘附、增殖和分化等性能[Miyauchi T, Yamada M, Yamamoto A, et al.The enhanced characteristics of osteoblast adhes1n to photofunct1nalizednanoscale T12 layers on b1materials surfaces.B1materials, 2010， 31(14):3827-3839]，在生物医用材料方面发展很快。在体外细胞培养所涉及的细胞中，很多为贴壁细胞，如何收获细胞成为一大关键问题。研究发现细胞倾向于附着在微憎水的表面上，而不易于附着于亲水的表面之上，目前体外细胞培养收获细胞时主要用胰酶处理，但胰酶处理会使细胞与细胞外基质分离，不利于细胞的后续利用，因此制备出能改变表面润湿性的材料以作为培养皿等器皿的表面涂层对细胞收获极有价值。这对于组织工程、细胞生物传感器等的发展都具有重要的意义。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种具有优异光致亲水性且制备方法简便、成本低的具有分级纳米点结构的二氧化钛基复合薄膜及其制备方法。
[0006]本发明的具有分级纳米点结构的二氧化钛基复合薄膜，是在基底上自下而上依次有二氧化钛纳米点层和光敏半导体纳米点层；二氧化钛纳米点层中二氧化钛纳米点的尺寸为30?300nm，密度为1.0 X 1ltl?I X 11Vcm2 ;光敏半导体纳米点层中光敏半导体纳米点的尺寸为10?200nm，密度为1.0XlO9?1.0X 11Vcm20
[0007]上述的基底可以为石英玻璃、硅片、钽片、钛片或钛镍合金片。
[0008]所述的光敏半导体可以是氧化锌、氧化铁、氧化锆或氧化锡。
[0009]制备上述的具有分级纳米点结构的二氧化钛基复合薄膜的方法，步骤如下:
1)将钛源、络合剂和去离子水按摩尔比1:0.3:1的比例加入到无水乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮在室温下充分搅拌，配制成钛原子浓度为0.1-0.5 M，聚乙烯吡咯烷酮浓度为l(Tl00mg/ml的二氧化钛前驱体溶胶；将二氧化钛前驱体溶胶滴至清洗净的基底表面至其铺满，并以4000-8000rpm的速度旋涂20_60s，之后将其置于400-600 V下保温0.5_2h，在基底上得到二氧化钛纳米点层；
2)将光敏半导体源和络合剂按摩尔比1:0.5^2的比例加入到无水乙醇中，室温下充分搅拌，配制成光敏半导体源浓度为0.02-0.2M的光敏半导体前驱体溶胶；将光敏半导体前驱体溶胶滴至步骤I)制得的二氧化钛纳米点层上至其铺满，并以4000-8000rpm的速度旋涂20-60s，之后将其置于400-600°C下保温0.5_2h，在基底上得到具有分级纳米点结构的二氧化钛基复合薄膜。
[0010]本发明中，所述的络合剂可以为乙酰丙酮或乙醇胺。所述的钛源可以是钛酸四丁酯、四氯化钛、三氯化钛、氟化钛或硫酸钛。所述的光敏半导体源选自硝酸锌、醋酸锌、硝酸铁、醋酸铁、硝酸锆或氯化锡。
[0011]本发明的二氧化钛基复合薄膜，由于采用光敏半导体纳米点修饰二氧化钛纳米颗粒，构建了分级纳米结构的异质结复合薄膜，不仅具有较宽的光吸收波段和优异的光致亲水性，而且具有较大的比表面积，有利于细胞的初始附着、增殖和分化。本发明的具有分级纳米结构的二氧化钛基复合薄膜采用溶胶-凝胶法制备而成，方法简便，成本低，便于推广应用，可广泛应用于体外细胞培养、组织工程等生物医学工程领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是二氧化钛纳米点薄膜的SEM图。
[0013]图2是二氧化钛/氧化锌分级纳米点结构的复合薄膜的SM图。
[0014]图3是二氧化钛/氧化锌分级纳米点结构的复合薄膜紫外光照前后水接触角变化，其中:图a是紫外光照前，图b是紫外光照后。
[0015]图4是二氧化钛/氧化锌分级纳米点结构的复合薄膜培养细胞三天后的吸光度值。
【具体实施方式】
[0016]下面结合实施例和附图进一步阐述本发明，但本发明并不仅限于此。
[0017]实施例1
I)将钛酸四丁酯、乙酰丙酮和去离子水按摩尔比1:0.3:1的比例加入到无水乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮在室温下充分搅拌，配制成钛原子浓度为0.2 M，聚乙烯吡咯烷酮浓度为40mg/ml的二氧化钛前驱体溶胶；将二氧化钛前驱体溶胶滴至清洗净的硅片表面至其铺满，并以8000rpm的速度旋涂40s，之后将其置于500°C下保温lh，在硅片上得到二氧化钛纳米点层(见图1)。从图中可见,该二氧化钛纳米点的尺寸为30nm?200nm，密度为3.0X 11Vcm2。
[0018]2)将醋酸锌和乙醇胺按摩尔比1:1的比例加入到无水乙醇中，室温下充分搅拌，配制成锌原子浓度为0.14M的氧化锌前驱体溶胶；将氧化锌前驱体溶胶滴至步骤I)制得的二氧化钛纳米点层上至其铺满，并以6000rpm的速度旋涂30s，之后将其置于500°C下保温lh，在硅片上得到二氧化钛/氧化锌分级纳米点结构复合薄膜(见图2);从图中可见，其中氧化锌纳米点的尺寸为20nm?80nm，密度为3.0 X 11Vcm2。
[0019]图3是所制备二氧化钛/氧化锌分级复合薄膜紫外光照20分钟前后表面水接触角值，紫外光照前(图a)水接触角为82.1°，紫外光照后(图b)水接触角为42.9°紫外光照后水接触角下降，存在光致亲水现象。在上述薄膜上进行成骨细胞体外培养，培养三天后，利用 CCK-8 (Cell Counting Kit-8)法测定 OD 值(Optical Density,又称吸光度)，所制备的二氧化钛/氧化锌分级复合薄膜相比步骤I)制备的二氧化钛纳米点薄膜的OD值更大(见图4)，说明表面分级纳米结构复合薄膜对细胞增殖有一定的促进作用。
[0020]实施例2
I)将四氯化钛、乙酰丙酮和去离子水按摩尔比1:0.3:1的比例加入到无水乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮在室温下充分搅拌，配制成钛原子浓度为0.1 M，聚乙烯吡咯烷酮浓度为10mg/ml的二氧化钛前驱体溶胶；将二氧化钛前驱体溶胶滴至清洗净的钛片表面至其铺满，并以8000rpm的速度旋涂60s，之后将其置于600°C下保温2h，在钛片上得到二氧化钛纳米点层。该二氧化钛纳米点的尺寸为80nm?280nm，密度为1.0 X 101Q/Cm2。
[0021]2)将硝酸锌和乙醇胺按摩尔比1:1的比例加入到无水乙醇中，室温下充分搅拌，配制成锌原子浓度为0.2M的氧化锌前驱体溶胶；将氧化锌前驱体溶胶滴至步骤I)制得的二氧化钛纳米点层上至其铺满，并以4000rpm的速度旋涂20s，之后将其置于400°C下保温2h，在钛片上得到二氧化钛/氧化锌分级纳米点结构复合薄膜；其中氧化锌纳米点的尺寸为 1nm ?10nm,密度为 1.0X 111/cm2。
[0022]实施例3
I)将三氯化钛、乙醇胺和去离子水按摩尔比1:0.3:1的比例加入到无水乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮在室温下充分搅拌，配制成钛原子浓度为0.5 M，聚乙烯吡咯烷酮浓度为60mg/ml的二氧化钛前驱体溶胶；将二氧化钛前驱体溶胶滴至清洗净的钛镍合金片表面至其铺满，并以4000rpm的速度旋涂20s，之后将其置于400°C下保温Ih，在钛镍合金片上得到二氧化钛纳米点层。该二氧化钛纳米点的尺寸为10nm?300nm,密度为1.0X lO^Vcm2。
[0023]2)将硝酸铁和乙酰丙酮按摩尔比1:2的比例加入到无水乙醇中，室温下充分搅拌，配制成铁原子浓度为0.02M的氧化铁前驱体溶胶；将氧化铁前驱体溶胶滴至步骤I)制得的二氧化钛纳米点层上至其铺满，并以8000rpm的速度旋涂60s，之后将其置于600°C下保温0.5h，在钛镍合金片上得到二氧化钛/氧化铁分级纳米点结构复合薄膜；其中氧化铁纳米点的尺寸为20nm?120nm，密度为1.0X 109/cm2。
[0024]实施例4
I)将硫酸钛、乙酰丙酮和去离子水按摩尔比1:0.3:1的比例加入到无水乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮在室温下充分搅拌，配制成钛原子浓度为0.4 M，聚乙烯吡咯烷酮浓度为100mg/ml的二氧化钛前驱体溶胶；将二氧化钛前驱体溶胶滴至清洗净的钽片表面至其铺满，并以6000rpm的速度旋涂40s，之后将其置于600°C下保温0.5h，在钽片上得到二氧化钛纳米点层。该二氧化钛纳米点的尺寸为50nm?200nm，密度为1.0 X 11Vcm2。
[0025]2)将硝酸锆和乙酰丙酮按摩尔比1:0.5的比例加入到无水乙醇中，室温下充分搅拌，配制成锆原子浓度为0.1M的氧化锆前驱体溶胶；将氧化锆前驱体溶胶滴至步骤I)制得的二氧化钛纳米点层上至其铺满，并以5000rpm的速度旋涂30s，之后将其置于500°C下保温2h，在钽片上得到二氧化钛/氧化锆分级纳米点结构复合薄膜；其中氧化锆纳米点的尺寸为 1nm ?120nm,密度为 1.0X 112/cm2。
[0026]实施例5
I)将氟化钛、乙醇胺和去离子水按摩尔比1:0.3:1的比例加入到无水乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮在室温下充分搅拌，配制成钛原子浓度为0.02 M，聚乙烯吡咯烷酮浓度为20mg/ml的二氧化钛前驱体溶胶；将二氧化钛前驱体溶胶滴至清洗净的石英玻璃片表面至其铺满，并以7000rpm的速度旋涂30s，之后将其置于500°C下保温Ih，在石英玻璃片上得到二氧化钛纳米点层。该二氧化钛纳米点的尺寸为30nm?200nm,密度为1.0X 1icVcm20
[0027]2)将氯化锡和乙酰丙酮按摩尔比1: 2的比例加入到无水乙醇中，室温下充分搅拌，配制成锡原子浓度为0.06M的氧化锡前驱体溶胶；将氧化锡前驱体溶胶滴至步骤I)制得的二氧化钛纳米点层上至其铺满，并以6000rpm的速度旋涂60s，之后将其置于600°C下保温lh，在石英玻璃片上得到二氧化钛/氧化锡分级纳米点结构复合薄膜；其中氧化锡纳米点的尺寸为60nm?200nm，密度为8.0 X 1uVcm2。
[0028]实施例6
I)将钛酸四丁酯、乙酰丙酮和去离子水按摩尔比1:0.3:1的比例加入到无水乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮在室温下充分搅拌，配制成钛原子浓度为0.3 M，聚乙烯吡咯烷酮浓度为40mg/ml的二氧化钛前驱体溶胶；将二氧化钛前驱体溶胶滴至清洗净的硅片表面至其铺满，并以6000rpm的速度旋涂60s，之后将其置于500°C下保温lh，在硅片上得到二氧化钛纳米点层。该二氧化钛纳米点的尺寸为30nm?150nm，密度为1.0 X 11Vcm2。
[0029]2)将醋酸锌和乙醇胺按摩尔比1:1的比例加入到无水乙醇中，室温下充分搅拌，配制成锌原子浓度为0.1M的氧化锌前驱体溶胶；将氧化锌前驱体溶胶滴至步骤I)制得的二氧化钛纳米点层上至其铺满，并以4000rpm的速度旋涂60s，之后将其置于400°C下保温
0.5h,在娃片上得到得到二氧化钛/氧化锌分级纳米点结构复合薄膜；其中氧化锌纳米点的尺寸为1nm?80nm,密度为1.0X 11Vcm2。
【权利要求】
1.具有分级纳米点结构的二氧化钛基复合薄膜，其特征在于在基底上从下而上依次有二氧化钛纳米点层和光敏半导体纳米点层；二氧化钛纳米点层中二氧化钛纳米点的尺寸为30?300nm，密度为1.0 X 1ltl?I X 11Vcm2 ;光敏半导体纳米点层中光敏半导体纳米点的尺寸为 10 ?200nm,密度为 1.0 X 19 ?1.0 X 11Vcm20
2.根据权利要求1所述的具有分级纳米点结构的二氧化钛基复合薄膜，其特征在于所述的基底为石英玻璃、硅片、钽片、钛片或钛镍合金片。
3.根据权利要求1所述的具有分级纳米点结构的二氧化钛基复合薄膜，其特征在于所述的光敏半导体为氧化锌、氧化铁、氧化锆或氧化锡。
4.制备如权利要求1所述的具有分级纳米点结构的二氧化钛基复合薄膜的方法，其特征在于步骤如下: 1)将钛源、络合剂和去离子水按摩尔比1:0.3:1的比例加入到无水乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮在室温下充分搅拌，配制成钛原子浓度为0.1-0.5 M、聚乙烯吡咯烷酮浓度为l(Tl00mg/ml的二氧化钛前驱体溶胶；将二氧化钛前驱体溶胶滴至清洗净的基底表面至其铺满，并以4000-8000rpm的速度旋涂20_60s，之后将其置于400_600°C下保温0.5_2h，在基底上得到二氧化钛纳米点层； 2)将光敏半导体源和络合剂按摩尔比1:0.5^2的比例加入到无水乙醇中，室温下充分搅拌，配制成光敏半导体源浓度为0.02-0.2M的光敏半导体前驱体溶胶；将光敏半导体前驱体溶胶滴至步骤I)制得的二氧化钛纳米点层上至其铺满，并以4000-8000rpm的速度旋涂20-60s，之后将其置于400-600°C下保温0.5_2h，在基底上得到具有分级纳米点结构的二氧化钛基复合薄膜。
5.根据权利要求4所述的具有分级纳米点结构的二氧化钛基复合薄膜的制备方法，其特征在于所述的络合剂为乙酰丙酮或乙醇胺。
6.根据权利要求4所述的具有分级纳米点结构的二氧化钛基复合薄膜的制备方法，其特征在于所述的钛源为钛酸四丁酯、四氯化钛、三氯化钛、氟化钛或硫酸钛。
7.根据权利要求4所述的具有分级纳米点结构的二氧化钛基复合薄膜的制备方法，其特征在于所述的光敏半导体源选自硝酸锌、醋酸锌、硝酸铁、醋酸铁、硝酸锆或氯化锡。
【文档编号】A61L27/02GK104175680SQ201410346487
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年7月21日 优先权日:2014年7月21日
【发明者】程逵, 孙俞, 翁文剑, 宋晨路, 杜丕一, 沈鸽, 赵高凌, 张溪文, 徐刚, 汪建勋, 韩高荣 申请人:浙江大学