抗菌疏水性ZnO纳米棒的制备方法与流程

本发明涉及钛基生物材料技术领域，具体地说是一种抗菌疏水性ZnO纳米棒的制备方法。

背景技术：

钛基生物材料拥有良好的生物相容性、力学性能和优异的抗腐蚀性能，并且已经被广泛应用于矫形和牙科植入体材料。然而，植入体相关的感染经常发生在手术过程中或手术后，导致植入体手术失败，这主要由细菌的黏附和生物膜的形成造成。一旦生物膜在植入体表面形成，慢性感染会随之发生，而且基于抗生素的传统的医疗方法一般没有很好的效果，因为细菌对抗生素和化学消毒试剂具有一定的耐药性，这将最终导致植入体的移除。移除植入体会增加患者的住院时间和医疗费用，在这个过程中给病人带来巨大的痛苦，甚至会威胁到病人的生命安全。

因此，钛基生物材料应该被赋予自抗菌功能，大量文献也报道过各种对医用生物植入材料表面的抗菌改性。表面改性技术特别是涂层技术能赋予钛植入体表面以良好的抗菌性能，例如抗生素负载的涂层、生物活性的抗菌的聚合物涂层、无机杀菌剂掺杂的涂层、抗粘附的涂层和非抗生素的有机杀菌剂负载的涂层等等。因此，如何制备一种抗菌、疏水的纳米棒是目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述技术缺陷，提供的一种抗菌效果持久、高效、广谱的抗菌疏水性ZnO纳米棒的制备方法，具体包括如下步骤：

步骤一，钛片机械抛光处理

在抛光机上用240、600、1200和2400目金刚砂依次将钛片打磨，至表面光滑，将抛光钛片依次置于丙酮、无水乙醇和去离子水中各超声清洗15分钟，室温下自然干燥，备用；

步骤二，制备ZnO种子层

将步骤一得到的抛光钛片作为基底，采用溶胶-凝胶法或原子层沉积法或高真空磁控溅射法镀一层均匀的ZnO种子层；

步骤三，制备ZnO纳米棒

将步骤二得到的涂有ZnO种子层的基底倒置悬浮在含0.015-0.025mol/L六水硝酸锌、0.015-0.025mol/L六次甲基四胺的水溶液中，水热反应温度为70-90℃，水热反应时间为3-6小时，反应后自然冷却，取出基底后用去离子水清洗后干燥后即为ZnO纳米棒。

优选地，步骤三中六水硝酸锌的浓度为0.025mol/L、六次甲基四胺的浓度为0.025mol/L。

步骤二所述的溶胶-凝胶法，具体步骤为：

1)配制0.35-0.85mol/L二水合乙酸锌和0.35-0.85mol/L乙醇胺的乙醇溶液，之后持续搅拌2-4小时得到无色透明胶体并在室温下保存20-24小时，待溶胶充分陈化，即获得前驱体溶液；

2)使用旋转涂覆仪涂覆20-30μL前驱体溶液到钛片上，前期500-1000转持续10-15秒，后期3000-5000转持续20-30秒，之后用氮气吹干，旋涂过程重复2次；

3)之后将涂覆有种子层的钛片在400-500℃烧制40-60分钟，缓慢降至室温。

优选地，步骤1)中二水合乙酸锌的浓度为0.75mol/L、乙醇胺的浓度为0.75mol/L；

步骤2)中旋涂参数为前期1000转持续15s，后期5000转持续30s；

步骤3)中烧制参数为500℃下60分钟。

对于原子层沉积法，具体方法为：

1)以二乙基锌(DEZ)和水做为锌源和氧源制备氧化锌溶液作为前驱体，然后对基底进行沉积，具体为在沉积温度为80-100℃，沉积压强为20-40Pa，沉积流量为10-20的条件下，以通水脉冲0.1s、高纯氮清洗20s、二乙基锌脉冲0.1s、高纯氮清洗20s作为一个循环进行沉积(H₂O/N₂/DEZ/N₂＝0.1:20:0.1:20s)，循环次数为200-300，在基底上获得ZnO种子层。

优选地，步骤1)中反应沉积温度为100℃、沉积压强为40Pa、沉积流量为20、反应循环次数为300。

对于高真空磁控溅射法，具体方法为：

1)利用射频磁控溅射，先让压力降到6.0×10^-4Pa以下，然后通高纯氩作为工作气体到压力为2.0-3.0Pa，溅射温度为15-25℃，溅射功率为100-120W，溅射时间80-120秒。

优选地，步骤1)中溅射温度为25℃、溅射功率为120W、溅射时间120s；步骤3的六水硝酸锌的浓度为0.025mol/L、六次甲基四胺的浓度为0.025mol/L。

抗菌疏水性ZnO纳米棒的制备方法，其优点是：

(1)采用溶胶-凝胶法、原子层沉积法、高真空磁控溅射三种方法在基底上均匀镀ZnO种子层，同时可通过调控相关参数控制ZnO种子层的厚度，具有较好的抗菌效果，无需高温加热、亦无有害气体产生，经济环保；

(2)相比较于抗生素等有机抗菌剂，ZnO纳米棒阵列有广谱、高效和持久性的抗菌性，且具有一定的生物相容性，同时，疏水表面具有防垢和防污染性能，可用以制备钛基金属生物医用植入体材料和医疗器械用具，防止植入支架管材料表面的结垢和细菌生物膜形成；

(3)制备方法简单易行，无有毒有害气体产生，经济环保，采用本发明技术制备表面具有优异抗菌性的ZnO纳米棒阵列的三种制备方法，实施难度小，设备投入少，消耗资源少；

附图说明

图1为ZnO种子层和纳米棒对金黄色葡萄球菌的抗菌OD柱状对比图。

其中，ALD：原子层沉积；sol：溶胶凝胶；spu：高真空磁控溅射；ZnOs：氧化锌种子层；ZnO：氧化锌纳米棒阵列；

图2为实施例1中钛片机械抛光处理后的SEM图。

图3为实施例1中溶胶-凝胶法得到的ZnO种子层SEM图。

图4为实施例2中原子层沉积法得到的ZnO种子层SEM图。

图5为实施例3中高真空磁控溅射得到的ZnO种子层SEM图。

图6为实施例1中溶胶-凝胶法后水热的SEM图。

图7为实施例2中原子层沉积法后水热的SEM图。

图8为实施例3中高真空磁控溅射后水热的SEM图。

图9为实施例1中抛光钛片的接触角图。

图10为实施例1中溶胶-凝胶法得到的ZnO种子层的接触角图。

图11为实施例2中原子层沉积法得到的ZnO种子层的接触角图。

图12为实施例3中高真空磁控溅射得到的ZnO种子层的接触角图。

图13为实施例1中溶胶-凝胶法后水热的接触角图。

图14为实施例2中原子层沉积法后水热的接触角图。

图15为实施例3高真空磁控溅射后水热的接触角图。

图16为实施例7中溶胶-凝胶法得到的ZnO种子层SEM图。

图17为实施例8中溶胶-凝胶法得到的ZnO种子层SEM图。

具体实施方式：

为更好理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步地详细说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。

实施例1：

(1)钛片(直径6mm，厚度2mm)机械抛光处理：在抛光机上用240，600,1200和2400目金刚砂依次将钛片打磨，至表面光滑后，将抛光钛片依次置于丙酮、无水乙醇和去离子水中各超声清洗15分钟，室温下自然干燥，备用；

(2)将得到的抛光钛片作为基底，采用溶胶-凝胶法镀一层均匀的ZnO种子层；具体方法为，配制0.75mol/L二水合乙酸锌和0.75mol/L乙醇胺的乙醇溶液，之后持续搅拌4h得到无色透明胶体并在室温下保存24h，待溶胶充分陈化，即获得前驱体溶液，使用旋转涂覆仪涂覆30μL前驱体溶液到钛片上，其参数为前期1000转持续15秒，后期5000转持续30秒，之后用氮气吹干，旋涂过程重复2次，之后将涂覆有种子层的钛片在500℃烧制60分钟，缓慢降至室温；

(3)首先配制0.025mol/L六水硝酸锌(Zn(NO₃)2)·6H₂O)和0.025mol/L六次甲基四胺(C₆H₁₂N₄)的水溶液60ml，并将其倒于容量100ml水热釜中，将步骤二得到的涂有ZnO种子层的基底倒置悬浮在溶液中，水热反应温度为90℃，水热反应时间为6h，反应后，自然冷却后取出基底，立即用去离子水清洗后干燥备用。

实施例2：

(1)钛片(直径6mm，厚度2mm)机械抛光处理：在抛光机上用240，600,1200和2400目金刚砂依次将钛片打磨至表面光滑后将抛光钛片依次置于丙酮、无水乙醇和去离子水中各超声清洗15分钟，室温下自然干燥，备用；

(2)将得到的抛光钛片作为基底，采用原子层沉积法镀一层均匀的ZnO种子层，具体为：以二乙基锌(DEZ)和水做为锌源和氧源制备氧化锌溶液作为前驱体，然后对基底进行沉积，在沉积温度为100℃，沉积压强为40Pa，沉积流量为20的条件下，以通水脉冲0.1s、高纯氮清洗20s、二乙基锌脉冲0.1s、高纯氮清洗20s作为一个循环进行沉积(H₂O/N₂/DEZ/N₂＝0.1:20:0.1:20s)，循环次数为300，在基底上获得ZnO种子层。

(3)首先配制0.025mol/L六水硝酸锌(Zn(NO₃)2)·6H₂O)和0.025mol/L六次甲基四胺(C₆H₁₂N₄)的水溶液60ml，并将其倒于容量100ml水热釜中，将步骤二得到的涂有ZnO种子层的基底倒置悬浮在溶液中，水热反应温度为90℃，水热反应时间为6h，反应后，自然冷却后取出基底，立即用去离子水清洗后干燥备用。

实施例3：

(1)钛片(直径6mm，厚度2mm)机械抛光处理：在抛光机上用240，600,1200和2400目金刚砂依次将钛片打磨至表面光滑后将抛光钛片依次置于丙酮、无水乙醇和去离子水中各超声清洗15分钟，室温下自然干燥，备用；

(2)将得到的抛光钛片作为基底，采用高真空磁控溅射法镀一层均匀的ZnO种子层；具体为，利用射频磁控溅射，先让压力降到6.0×10-4Pa以下，然后通高纯氩为工作气体到压力为3.0Pa，溅射温度为25℃，溅射功率为120W，溅射时间120s；

(3)首先配制0.025mol/L六水硝酸锌(Zn(NO₃)2)·6H₂O)和0.025mol/L六次甲基四胺(C6H₁₂N₄)的水溶液60ml，并将其倒于容量100ml水热釜中，将步骤二得到的涂有ZnO种子层的基底倒置悬浮在溶液中，水热反应温度为90℃，水热反应时间为6h，反应后，自然冷却后取出基底，立即用去离子水清洗后干燥备用。

实施例4：

(1)钛片(直径6mm，厚度2mm)机械抛光处理：在抛光机上用240，600,1200和2400目金刚砂依次将钛片打磨至表面光滑后将抛光钛片依次置于丙酮、无水乙醇和去离子水中各超声清洗15分钟，室温下自然干燥，备用；

(2)将得到的抛光钛片作为基底，采用溶胶-凝胶法镀一层均匀的ZnO种子层；具体方法为，配制0.35mol/L二水合乙酸锌和0.35mol/L乙醇胺的乙醇溶液，之后持续搅拌4h得到无色透明胶体并在室温下保存24h，待溶胶充分陈化，即获得前驱体溶液，使用旋转涂覆仪涂覆20μL前驱体溶液到钛片上，其参数为前期500转持续15秒，后期3000转持续30秒，之后用氮气吹干，旋涂过程重复2次，之后将涂覆有种子层的钛片在400℃烧制60分钟，缓慢降至室温；

(3)首先配制0.025mol/L六水硝酸锌(Zn(NO₃)2)·6H₂O)和0.025mol/L六次甲基四胺(C6H₁₂N₄)的水溶液60ml，并将其倒于容量100ml水热釜中，将步骤二得到的涂有ZnO种子层的基底倒置悬浮在溶液中，水热反应温度为90℃，水热反应时间为6h，反应后，自然冷却后取出基底，立即用去离子水清洗后干燥备用。

实施例5：

(1)钛片(直径6mm，厚度2mm)机械抛光处理：在抛光机上用240，600,1200和2400目金刚砂依次将钛片打磨至表面光滑后将抛光钛片依次置于丙酮、无水乙醇和去离子水中各超声清洗15分钟，室温下自然干燥，备用；

(2)将得到的抛光钛片作为基底，采用原子层沉积法镀一层均匀的ZnO种子层，具体为：以二乙基锌(DEZ)和水做为锌源和氧源制备氧化锌溶液作为前驱体，然后对基底进行沉积，在沉积温度为100℃，沉积压强为40Pa，沉积流量为20的条件下，以通水脉冲0.1s、高纯氮清洗20s、二乙基锌脉冲0.1s、高纯氮清洗20s作为一个循环进行沉积(H₂O/N₂/DEZ/N₂＝0.1:20:0.1:20s)，循环次数为300，在基底上获得ZnO种子层。

(3)首先配制0.035mol/L六水硝酸锌(Zn(NO₃)2)·6H₂O)和0.035mol/L六次甲基四胺(C6H₁₂N₄)的水溶液60ml，并将其倒于容量100ml水热釜中，将步骤二得到的涂有ZnO种子层的基底倒置悬浮在溶液中，水热反应温度为90℃，水热反应时间为6h，反应后，自然冷却后取出基底，立即用去离子水清洗后干燥备用。

实施例6：

(1)钛片(直径6mm，厚度2mm)机械抛光处理：在抛光机上用240，600,1200和2400目金刚砂依次将钛片打磨至表面光滑后将抛光钛片依次置于丙酮、无水乙醇和去离子水中各超声清洗15分钟，室温下自然干燥，备用；

(2)将得到的抛光钛片作为基底，采用高真空磁控溅射法镀一层均匀的ZnO种子层；具体为，利用射频磁控溅射，先让压力降到为6.0×10-4Pa以下，然后通高纯氩为工作气体到压力为2.0Pa，溅射温度为15℃，溅射功率为100W，溅射时间80s；

(3)首先配制0.015mol/L六水硝酸锌(Zn(NO₃)2)·6H₂O)和0.015mol/L六次甲基四胺(C₆H₁₂N₄)的水溶液60ml，并将其倒于容量100ml水热釜中，将步骤二得到的涂有ZnO种子层的基底倒置悬浮在溶液中，水热反应温度为70℃，水热反应时间为3h，反应后，自然冷却后取出基底，立即用去离子水清洗后干燥备用。

实施例7：

(1)将干净玻璃片(1×1cm²)依次置于丙酮、无水乙醇和去离子水中各超声清洗15min，室温下自然干燥，备用；

(2)同实施例1中的溶胶-凝胶的具体方法一致；

(3)同实施例1。

实施例8：

(1)同实施例1；

(2)同实施例1(2)中的溶胶-凝胶的具体方法，只将旋涂过程重复次数改为三次；

(3)同实施例1。

对实施例1-3进行相应的检测结果分析：三种方法制备的ZnO种子层都均匀分布在钛基底表面，另外，相比较溶胶凝胶法，通过原子层沉积法、高真空磁控溅射后水热生长的ZnO纳米棒阵列几乎与基底垂直，分布更加均匀，ZnO纳米棒的直径约100nm，长度约2μm，与ZnO种子层比较，制备的ZnO纳米棒阵列具有更优良的抗菌效果，如图1所示的ZnO种子层和纳米棒对金黄色葡萄球菌的抗菌OD柱状对比图，对图中分析，纯Ti几乎没有抗菌性，ALD-ZnOs的抗菌性为45.5％，ALD-ZnO的抗菌性为97.0％，Sol-ZnOs的抗菌性为90.2％，Sol-ZnO的抗菌性为96.4％，Spu-ZnOs的抗菌性为45.0％，Spu-ZnO的抗菌性为98.2％。

对所制备的ZnO种子层和纳米棒进行表面形貌分析，如图2-8所示，经SEM分析可知，三种方法制备的ZnO种子层都均匀分布在钛基底表面，另外，相比较溶胶凝胶法，通过原子层沉积法、高真空磁控溅射后水热生长的ZnO纳米棒阵列几乎与基底垂直，分布更加均匀，ZnO纳米棒的直径约100nm，长度约2.5μm；对实施例7、8进行以玻璃为基底的SEM测试并进行检测结果的分析，如图16、17所示，对比钛基底，在玻璃基底上通过溶胶-凝胶法后水热生长的ZnO纳米棒更垂直，更密集；对实施例8进行检测结果的分析：对比旋涂过程重复2次，重复3次生长的ZnO纳米棒阵列表面变得更加不平整。

对ZnO纳米棒进行疏水型测试，液体在固体材料表面上的接触角,是衡量该液体对材料表面润湿性能的重要参数，并进而获得材料表面固-液、固-气界面相互作用的许多信息，如图9-15所示，经接触角图的分析测试，抛光钛片的接触角图为78.3±1.1°(如图9所示)，溶胶-凝胶法得到的ZnO种子层的接触角图为43.3±4.8°(如图10所示)，原子层沉积法得到的ZnO种子层的接触角图为80.7±1.5°(如图11所示)，高真空磁控溅射得到的ZnO种子层的接触角图为93.8±1.4°(如图12所示)，溶胶-凝胶法后水热的接触角图为95.0±1.7°(如图13所示)，原子层沉积法后水热的接触角图为140.2±1.2°(如图14所示)，高真空磁控溅射后水热的接触角图为141.2±3.7°(如图15所示)。从接触角图分析可以看出，所制备的ZnO纳米棒具有良好的疏水性能，而且经过溶胶-凝胶法水热处理、原子层沉积法、高真空磁控溅射法处理后的ZnO纳米棒的疏水效果最好。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。