本发明属于复合微纳结构抑菌薄膜制备技术领域，尤其涉及一种基于软光刻的复合微纳结构抑菌薄膜制备系统及其制备方法。
背景技术：
针对医学、生物等领域中器械及设备表面细菌附着问题，采用软光刻制备技术，在大尺寸有机聚合物表面制备具有一定疏水抑菌特性的微米级周期性结构，并利用三相界面上内弯液面引起的毛细力，在所得到的微米结构顶部形成具有纳米级特征尺寸的表面结构。
通过微纳加工工艺在材料表面或者薄膜上制备得到具有微纳米特征尺寸的超疏水表面结构，这种结构将会极大地降低材料的表面能，使得有害菌难以在结构表面附着。利用该方法来抑制细菌，其抑菌效果只取决于细菌的特征尺寸和形状与超疏水表面结构之间的匹配关系，不会受到细菌自身生物特性的影响。同时，相比于化学抑菌，该方法具有低成本、大面积及无污染的高效抑菌优势。在医用及生物领域推广后，可以用于生物样品的无菌化处理、医疗器械的抑菌性使用以及各种医用器皿的抑菌作用、保存等，简化了医学及生物研究中实验和分析过程，同时也避免了使用化学试剂所带来的二次污染，进而极大地提高生物材料、元件以及生物产品、设备的测试和使用性能。
关于结构抑菌薄膜以下文献供参考：1、d.g.stavenga,s.foletti,g.palasantzasandk.arikawa,inproceedingsoftheroyalsocietyb.273,661-667(2006)；2、s.j.wilsonandm.c.hutley,j.mod.optic.29,993(1982)；3、b.s.thornton,j.opt.soc.am.65,267(1975)；4、m.e.motamedi,w.h.southwell,andw.j.gunning,appl.opt.31,4371(1992)；5、w.h.southwell,j.optic.soc.am.8,549(1991)；6、j.y.l.maandl.c.robinson,j.mod.optic.30,1685(1983)；7、y.mi.song,s.j.jang,j.s.yu,andy.t.lee,small.6,984(2010)；8、s.s.oh,c.g.choi,andy.s.kim,microelectron.eng.87,2328(2010)；9、e.j.hong,k.j.byeon,h.park,j.hwang,h.lee,k.choi,andg.y.jung,mater.sci.eng.a.163,170(2009)；10、q.xie,m.h.hong,h.l.tan,g.x.chen,l.p.shi,andt.c.chong,j.alloyscompd.449,261(2008)；11、l.f.johnson,g.w.kammlott,andk.a.ingersoll,appl.opt.17,1165(1978)；12、z.wang,j.zhang,c.s.pengandc.tan,inproceedingsofieeeconferenceonmechatronicsandautomation(instituteofelectricalandelectronicsengineers,harbin,2007),pp.434-439。
此外，现有技术中还公开有一种基于样品旋转和激光双光束干涉的微纳结构刻写装置，包括he-cd激光器，光电快门，短焦距透镜、长焦距透镜，分束器，平面反射镜a、平面反射镜b，光刻胶样品和样品旋转控制系统。he-cd激光器发出的激光束经光电快门，短焦距透镜、长焦距透镜，分束器后，成为两束强度相等的激光束，并分别被平面反射镜a、平面反射镜b反射后辐照光刻胶样品进行曝光。通过对光刻胶样品的旋转和多次双光束干涉曝光，以及对激器波长的选择，可刻写制备出一维光栅，二维点阵、六边形、同心等间隔圆环以及纵横周期不同的二维矩形点阵等各种微纳结构。上述微纳结构刻写装置仅能制备锥状结构，无法实现任意形状的表面微纳结构制备。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，尤其为了克服现有化学抑菌和生物抑菌的不足，提出了一种制备效率高、系统复杂度低、低成本、高效能的复合微纳结构抑菌薄膜制备系统及其制备方法。
第一方面，本发明实施例中提供一种基于软光刻的复合微纳结构抑菌薄膜制备系统，包括：计算机、激光光源、激光光束整形器、激光扩束器、光刻图形生成器、光刻投影镜头、样品平台及平台运动控制器；光刻图形通过计算机输入到所述光刻图形生成器中，所述激光光源发出的光束依次通过激光光束整形器和光束扩束器后照射到所述图形生成器表面，所述光束经所述图形生成器反射后经过所述光刻投影镜头将所述光刻图形投影到待加工样品上，在待加工样品上形成具有抑菌作用的周期性表面结构；所述样品台用于放置待加工样品，所述平台运动控制器用于控制所述样品平台的扫描曝光运动。
可选地，在一些实施例中，本发明提供的基于软光刻的复合微纳结构抑菌薄膜制备系统还包括光束能量器，所述光束能量器用于调整并控制激光束的能量。
可选地，在一些实施例中，所述激光光束整形器选自衍射光学元件或空间光调制器。
可选地，在一些实施例中，所述光刻图形的参数信息可通过改变计算机导入图形生成器中的数字文件信息来改变。
可选地，在一些实施例中，所述参数信息包括光刻图形的形状、周期、以及分布。
可选地，在一些实施例中，所述激光光源选自光纤激光器、半导体激光器或固体激光器的一种。
可选地，在一些实施例中，所述光刻图形生成器采用数字微镜阵列器件、空间光调制器或光刻掩模版中的一种。当激光光束整形器和光刻图形生成器均采用空间光调制器时，它们起到的作用相同，但两种期间的工作原理不同，光光束整形器通过控制期间表面的微反射镜的反转频率来实现光束整形，而空间光调制器通过控制期间内部的液晶阵列的形变实现光束整形。
第二方面，本发明还提供了一种基于软光刻的复合微纳结构抑菌薄膜制备方法，包括步骤：
通过计算机将光刻图形导入光刻图形生成器；
激光光源发出光束后依次通过激光光束整形器和光束扩束器后照射到光刻图形生成器的表面后反射经过光刻投影镜头，使得所述光刻图形被投影到样品平台的待加工样品上；
通过平台运动控制器控制样品平台的扫描曝光运动，在待加工样品的表面形成周期性复合微纳锥状结构。
可选地，在一些实施例中，所述激光光束整形器选自衍射光学元件或空间光调制器；所述待加工样品为待加工薄膜。
可选地，在一些实施例中，所述周期性复合微纳锥状结构是通过在软光刻工艺中加入非充分曝光的方法获得，曝光表面可以是平面或非平面，曝光时间由计算机控制所述激光光源实现。本发明所述的周期性复合微纳锥状结构同时具有微米和纳米两种尺度的特征结构，和现有技术中的微纳结构相比，其特征尺寸与周期可控，具有更好的一致性。通过本发明的技术方案，可以实现任意形状的表面微纳结构制备。
本发明具有有益效果：本发明提供的软光刻系统结构简单且成本低，，可广泛应用于医疗器械、生物工程、先进制造和新材料等科技领域。相比于化学抑菌，本发明提供的制备方法具有低成本、大面积及无污染的高效抑菌优势。在医用及生物领域推广后，可以用于生物样品的无菌化处理、医疗器械的抑菌性使用以及各种医用器皿的抑菌作用、保存等，简化了医学及生物研究中实验和分析过程，同时也避免了使用化学试剂所带来的二次污染，进而极大地提高生物材料、元件以及生物产品、设备的测试和使用性能。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的基于软光刻的复合微纳结构抑菌薄膜制备系统的结构示意图；
图2为根据本发明另一实施例的基于软光刻的复合微纳结构抑菌薄膜制备系统的结构示意图；
图3为根据本发明一实施例制备得到的周期性复合微纳结构抑菌表面结构示意图。
附图标记：100、基于软光刻的复合微纳结构抑菌薄膜制备系统；1、计算机；2、光刻图形生成器；3、光束扩束器；4、光束整形器；5、激光光源；6、光刻投影镜头；7、样品平台；8、平台运动控制器；9、光束能量器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
结合图1所示，本发明提供一种基于软光刻的复合微纳结构抑菌薄膜制备系统100，包括：计算机1、激光光源5、激光光束整形器4、激光扩束器3、光刻图形生成器2、光刻投影镜头6、样品平台7及平台运动控制器8；光刻图形通过计算机1输入到所述光刻图形生成器2中，所述激光光源5发出的光束依次通过激光光束整形器4和光束扩束器3后照射到所述图形生成器2表面，所述光束经所述图形生成器2反射后经过所述光刻投影镜头6将所述光刻图形投影到待加工样品上，在待加工样品上形成具有抑菌作用的周期性表面结构；所述样品台7用于放置待加工样品，所述平台运动控制器8用于控制所述样品平台7的扫描曝光运动。真正实现多种类、高效率、大面积的细菌抑制效能，并将其应用于医疗器械及设备表面，起到自清洁及抑菌效果，提高医疗设备工作效率，同时大幅提升其生物耐用性。
本发明提供的基于软光刻的复合微纳结构抑菌薄膜制备系统的原理是：通过微纳光刻工艺在材料表面或者薄膜上制备得到具有微纳米特征尺寸的超疏水表面结构，从而极大地降低材料的表面能，使得有害菌难以在结构表面附着。利用本发明的方法来抑制细菌，其抑菌效果只取决于细菌的特征尺寸和形状与超疏水表面结构之间的匹配关系，不会受到细菌自身生物特性的影响，解决了传统物理抑菌材料及薄膜中，单一表面结构分布对细菌抑制的选择性和针对性，真正实现多种类、高效率、大面积的细菌抑制效能。
在具体的实施例中，本发明公开了一种复合微纳结构抑菌薄膜制备系统及其制备方法。在本发明中，复合微纳结构抑菌薄膜制备技术采用软光刻制备技术，在大尺寸有机聚合物表面制备具有一定疏水抑菌特性的微米级周期性结构，并利用三相界面上内弯液面引起的毛细力，在所得到的微米结构顶部形成具有纳米级特征尺寸的表面结构。通过兼具微米及纳米尺寸的复合结构，实现材料表面对不同形态、尺寸及种类细菌的抑制。
在具体的实施例中，本发明提供的基于软光刻的复合微纳结构抑菌薄膜制备系统还包括光束能量器，所述光束能量器用于调整并控制激光束的能量。结合图2所示为根据本发明的另一实施例提供的基于软光刻的复合微纳结构抑菌薄膜制备系统100的结构示意图，所述基于软光刻的复合微纳结构抑菌薄膜制备系统100，包括：计算机1、激光光源5、激光光束整形器4、激光扩束器3、光刻图形生成器2、光刻投影镜头6、样品平台7、平台运动控制器8及光束能量器9。
在具体的实施例中，所述激光光束整形器4选自衍射光学元件或空间光调制器。
在具体的实施例中，所述光刻图形的参数信息可通过改变计算机导入图形生成器中的数字文件信息来改变。
在具体的实施例中，所述参数信息包括光刻图形的形状、周期、以及分布。在本发明中，在待加工样品上形成的周期性抑菌表面结构的特征尺寸可以通过改变计算机中数字图形的像素大小以及光刻投影镜头的缩放率来控制。
在具体的实施例中，所述激光光源5选自光纤激光器、半导体激光器或固体激光器的一种。
在具体的实施例中，所述光刻图形生成器2采用数字微镜阵列器件、空间光调制器或光刻掩模版中的一种。
第二方面，本发明还提供了一种基于软光刻的复合微纳结构抑菌薄膜制备方法，包括步骤：
通过计算机将光刻图形导入光刻图形生成器；
激光光源发出光束后依次通过激光光束整形器和光束扩束器后照射到光刻图形生成器的表面后反射经过光刻投影镜头，使得所述光刻图形被投影到样品平台的待加工样品上；通过平台运动控制器控制样品平台的扫描曝光运动，在待加工样品的表面形成具有抑菌作用的周期性复合微纳锥状结构。优选地，所述周期性复合微纳锥状结构通过软光刻工艺中非充分曝光的方法获得，曝光材料既可以是光刻胶，也可以采用其他感光材料。图2根据本发明的一实施例制备得到的周期性复合微纳结构抑菌表面结构示意图，这种具有微纳米特征尺寸的超疏水表面结构，这种结构将会极大地降低材料的表面能，使得有害菌难以在结构表面附着。利用该方法来抑制细菌，其抑菌效果只取决于细菌的特征尺寸和形状与超疏水表面结构之间的匹配关系，不会受到细菌自身生物特性的影响，解决了传统物理抑菌材料及薄膜中，单一表面结构分布对细菌抑制的选择性和针对性，真正实现多种类、高效率、大面积的细菌抑制效能。
在具体的实施例中，所述激光光束整形器选自衍射光学元件或空间光调制器；所述待加工样品为待加工薄膜，其薄膜材料既可以使高分子材料如pdms(聚二甲基硅氧烷)，也可以是其他化学或生物薄膜材料。
结合图3所示为根据本发明一实施例制备得到的周期性复合微纳结构抑菌表面结构示意图。在具体的实施例中，所述周期性复合微纳锥状结构是通过在软光刻工艺中采用非充分曝光的方法获得，曝光表面可以是平面或非平面，曝光时间由计算机控制激光光源或电子快门实现。在具体的实施例中，这里的非充分曝光方法指的是利用光束能量在感光材料表面作用时，由于能量低于感光材料的光刻曝光阈值时，在感光材料不同深度形成不同特征尺寸图形的一种工艺方法。
在具体的实施例中，在对待加工产品进行加工时既可以选择阈值相对较低的材料来直接进行光刻，也可以直接曝光涂覆有光敏材料的材料表面。
本发明与现有技术相比的优点：
相比于化学抑菌，本发明提供的技术方案具有低成本、大面积及无污染的高效抑菌优势。在医用及生物领域推广后，可以用于生物样品的无菌化处理、医疗器械的抑菌性使用以及各种医用器皿的抑菌作用、保存等，简化了医学及生物研究中实验和分析过程，同时也避免了使用化学试剂所带来的二次污染，进而极大地提高生物材料、元件以及生物产品、设备的测试和使用性能。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
以上对本发明所提供的一种基于软光刻的复合微纳结构抑菌薄膜制备系统及其制备方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。