不锈钢表面双重纳米结构的构建及疏水性能研究

陈晶晶，魏媛媛，张停琳，金熙，江浩，倪似愚

（东华大学化学化工与生物工程学院，上海 201620）

浸润性是固体表面的重要特征之一，由材料表面的微观结构和化学组成共同决定。接触角是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角θ，是润湿程度的量度。若θ＜90°，则固体表面为亲水性，即液体较易润湿固体，其角越小，表示润湿性越好；若90°＜θ＜150°，则固体表面为疏水性，即液体不容易润湿固体，容易在表面上移动；若θ＞150°，则固体表面是超疏水性的，液体可以在表面上滚动。研究表明，亲水表面容易粘附细菌，疏水表面会降低某些细菌的粘附[1-2]。

疏水表面可以通过两个途径获得：一是在粗糙表面修饰低表面能物质[3-4]；二是在疏水材料表面构建粗糙结构[5-6]。固体材料表面的纳米结构对超疏水性能起到重要作用，可以提高材料的接触角。硅氧烷和含氟材料因为具有极低的自由能而被广泛地应用于超疏水表面的低表面能修饰中。

本文采用电化学阳极氧化法结合盐酸腐蚀法在316L不锈钢（316LSS）表面构筑更为精细的纳米结构，进一步在其表面修饰十七氟癸基三甲氧基硅烷（PTES），构筑一层疏水的表面膜层，并由体外抗菌性试验研究材料表面的润湿性对细菌粘附的影响，期望借助改变材料表面的浸润性达到抗菌作用。

1 材料与方法

1.1 药品与仪器

316L不锈钢（AISI316L），购自深圳国丰金属材料销售公司；高氯酸、丙酮、二氯甲烷为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司；十七氟癸基三甲氧基硅烷、乙二醇为分析纯，购自上海凌峰化学试剂有限公司；LB肉汤琼脂、LB肉汤培养基购自生工生物工程（上海）股份有限公司。

S-4800场发射扫描电镜（FESEM），日本；OCA40Micro视频接触角测量仪，德国Dataphysics；Avatar380红外光谱仪，美国热电集团。

1.2 316LSS疏水表面的构建

1.2.1 电化学阳极氧化法制备316LSS表面有序纳米坑阵列

首先将 316L不锈钢条（75.0 mm×15.0 mm×0.2 mm）放入乙醇、二氯甲烷和丙酮（体积比为1∶2∶1）的混合溶液中超声清洗15 min，然后用去离子水清洗进行除油预处理。所用的电解质溶液为高氯酸的乙二醇溶液，高氯酸与乙二醇的体积比为1∶19。将上述处理过的316L不锈钢条在0～5 ℃条件下以50 V电压氧化7 min；然后用去离子水冲洗干净，晾干待用。

1.2.2 316LSS疏水表面的构建

将上述试样切割成 10.0 mm×10.0 mm×0.2 mm的规格，超声清洗10 min，用去离子水反复清洗，自然干燥。然后放在3 mol/L的HCl中腐蚀0 min、2 min、4 min、6 min、8 min 和 10 min；取出试样，用去离子水反复冲洗，晾干待用。在烧杯中加入29.7 g无水乙醇，将0.3 g十七氟癸基三甲氧基硅烷逐滴滴入无水乙醇中，缓慢滴加PTES，搅拌3 h。将上述HCl腐蚀过的316LSS置于1%氟硅烷溶液中，室温下浸泡 24 h 后，在 140 ℃下烘烤 100 min，制得 PTES修饰的316LSS（PTES/316LSS）。

1.3 抗菌实验

取浓度为105CFU/mL的大肠杆菌或金黄色葡萄球菌菌悬液1 mL，分别接种于装有规格为10 mm×10 mm的表面具有纳米坑阵列316LSS（对照组）、PTES/316LSS（实验组）的24孔板中。置于37 ℃的恒温培养箱中培养24 h后，吸去上层菌悬液，用PBS轻轻洗3次，洗去没有粘附的细菌。将试样加入装有10 mL PBS 的试管中，超声 5 min，使粘附在样品表面的细菌分离。取1 mL洗脱液到已灭菌的装有9 mL PBS的试管中，摇匀。按照梯度稀释法准备一系列10倍梯度稀释的洗脱液。取100 μL各梯度稀释的洗脱液均匀涂布于固体培养基中，每个梯度的洗脱液做3个平行测试。将培养皿倒置于37 ℃的恒温培养箱中培养24 h。样品抗菌率K按照公式1计算。

式中：A表示实验组样品表面的平均活菌数，单位CFU；B表示对照组样品表面的平均活菌数，CFU。

2 结果与讨论

2.1 316LSS疏水改性后的形貌测试

图1 316LSS表面纳米坑阵列经3 mol/L HCl腐蚀6 min后的FESEM图

316LSS表面有序纳米坑阵列经过3 mol/L HCl腐蚀与1%PTES修饰后，FESEM观察其形貌。结果如图1所示，HCl腐蚀后，表面纳米坑形貌仍可分辨，纳米坑直径为（86±12） nm，坑壁及坑底出现细小的纳米颗粒，纳米小颗粒的直径为（17±4） nm。使用视频接触角测量仪测量样品的接触角，结果如图2和3所示：50 V氧化后的316LSS表面纳米坑阵列是亲水的，接触角为76°±3°；经3 mol/L HCl腐蚀后，接触角有所增大。用 3 mol/L HCl腐蚀316LSS（50 V）2～8 min 后，接触角在 90°附近浮动，其中HCl腐蚀6 min时，接触角最大，为91°±4°。继续腐蚀，坑壁被腐蚀，表面趋于平整，接触角下降。采用3 mol/L HCl腐蚀后再经1%氟硅烷修饰，接触角均有所增加，其中HCl腐蚀6 min后再修饰氟硅烷的接触角最大，达106°±4°。因此，HCl腐蚀后接触角的增大，与表面形貌变化有关。316LSS表面布满了大小在几微米至几十微米的突起，每个突起又布满了更小的突起，减少与水的接触面积，增大了水滴与空气的接触面积，因而具有超疏水性。另外，含氟材料具有比硅氧烷更低的表面能，-CF2的表面能为18 mJ/m2，-CF3基团比-CF2基团多了一个-CF键而表面能更低，仅为6.7 mJ/m2。本文使用的PTES的分子长链上就具有1个-CF3基团和7个-CF2基团，其极低的表面能赋予材料更好的疏水性。

图2 316LSS表面纳米坑阵列疏水改性后的接触角

图3 316LSS表面纳米坑阵列疏水改性后的接触角

2.2 316LSS疏水改性后的接触角测试

2.3 316LSS疏水改性后的红外测试

PTES修饰316LSS的红外光谱图见图4。从图4可以看出，氟硅烷成功修饰了316LSS表面。在1 369～1 396 cm-1有一较窄的吸收峰，为 -CF3的反对称伸缩振动峰；1 213 cm-1对应于C-F的对称振动峰，1 272 cm-1对应于C-F键的反伸缩振动吸收峰，3 413 cm-1处对应于 Si-OH 吸收特征峰，1 450 cm-1处的吸收峰对应于-CH2-的变角振动，902 cm-1和 806 cm-1处 对 应 于 Si-C 振 动 峰，2 925 cm-1和2 968 cm-1对应与硅原子相连的甲基的C-H对称和反对称振动吸收峰。

2.4 PTES/316LSS表面抗菌性能测试

PTES/316LSS表面抗菌性能测试见图5。从图5可以看出，对于50 V氧化的316LSS表面纳米坑阵列样品，在与细菌接触培养24 h后，材料表面粘附菌落较多，而PTES/316LSS与细菌接触培养24 h后表面粘附较少。PTES/316LSS对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率分别为20%±6%和17%±6%，疏水表面具有一定抗菌效果，然而PTES/316LSS表面的接触角仍然较低，因此抗菌效果有限。

图4 316LSS修饰氟硅烷后的FTIR图谱

图5 大肠杆菌和金黄色葡萄球菌与两组样品接触24 h后的表面粘附菌落统计

3 结论

采用电化学阳极氧化法结合盐酸腐蚀法在316LSS表面成功构筑双重纳米结构，接触角从76°±3°提高到91°±4°。进一步采用PTES修饰，接触角进一步提高到106°±4°。其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有一定的接触抑菌率，抑菌率分别为20%±6%和17%±6%。以上结论为金属材料表面的进一步改性研究提供了参考。