超亲疏水图案化基底的制备方法和表征

＊赵志祥

（内蒙古航天红岗机械有限公司 内蒙古 010076）

近些年科研工作者将目光转移到基于在同一基底上构筑具有不同浸润性的图案化表面，具有超亲水、超疏水的表面制备更是成为表面物理研究的重点。除少数以悬浮形式存在的细胞（如红细胞等）外，大多数细胞是贴壁生长的，进而可以预见基于亲—疏水差异的细胞图案化技术在细胞生物学上必然有其潜在的研究意义。

1.制备方法

(1)阳极氧化

使用钛箔，依次使用丙酮、无水乙醇、超纯水各超声清洗20min，晾干备用。

以0.5%（v/v）的HF溶液作为反应溶液，对钛片进行阳极氧化，控制电压20V，时间20min，对体系施加磁力搅拌和不施加磁力搅拌进行对比实验，结束迅速用大量的去离子水冲洗，在恒温烘箱中烘干，如图1。

图1 阳极氧化装置示意图

(2)热处理

将阳极氧化的样品放入马弗炉中，设置升温速率5℃/min，达到450℃后保温2h，样品随炉自然冷却，冷却至60℃后取出。

(3)PTES自组装单层的形成

配制1%（v/v）的PTES-甲醇溶液，放入4℃的冰箱中降温1h后待用。将热处理后的样品在上述溶液中处理1h，随后放入140℃烘箱中恒温干燥1h。

(4)光掩模的制作

使用AutoCAD软件设计宽度分别为50μm、100μm、200μm的条形和方形图形透光区域，相邻图形间距设计分别设计为50μm、100μm、200μm的不透光区域，对此上述参数进行组合，得到若干种不同的图形。将上述图案按顺序排列，分别加工在20mm×20mm的区域，得到光掩模（图2）。制作的光掩模是在石英玻璃的表面镀铬以作为不透光区域，不镀铬的部分为透光区域，加工精度为±0.3μm，套刻精度±1μm。

图2 左图为光掩膜板设计示意图；右图为光掩膜板照片

(5)基底图案化

在光掩模的覆盖下，使用光化学反应仪的汞灯档（功率300W）对经过PTES修饰后的样品进行照射，使光掩模版所在平面垂直于UV照射方向。在相同区域的光掩模覆盖下控制不同的反应时间，分别为5min、10min、15min、20min、40min、60min，比较在不同时间下图案化基底的清晰程度。

2.二氧化钛纳米管阵列的制备

通过转速为500r/min的磁力搅拌装置控制反应表面温度和溶液浓度，SEM图像发现是否加磁力搅拌对二氧化钛纳米管阵列的形成并没有显著的影响，但是本实验中不加搅拌形成的二氧化钛膜层更加良好。

图3 图a是500r/min磁力搅拌下二氧化钛膜层的SEM图像；图b是未施加搅拌的二氧化钛膜层SEM图像

图4为阳极氧化前后钛箔的X射线粉末衍射得到的衍射图谱（图4a），如图所示，阳极氧化前后XRD谱峰基本一致。说明在室温下，经过阳极氧化后，表面形成的的二氧化钛膜层主要呈现出无定型形式，XRD图谱显示的主要是钛基的衍射峰。

图4 图a是阳极氧化后基底的XRD衍射图谱；图b是纯钛的XRD标准衍射图谱

用光学接触角测量仪测量TiO2纳米管阵列的表面接触角，水在接触到TiO2纳米管阵列形成的表面后迅速铺开。在样品表面5个不同的位置测量接触角，得到该表面的接触角为2.78°±0.20°（表1），说明TiO2纳米管阵列的表面是超亲水的。对比发现，水在接触到钛箔表面后并没有完全铺展而是形成了半球状的水滴，测得钛箔的表面接触角为106°±4.47°，可以认为钛箔的表面是疏水的。综上说明在经过阳极氧化后，金属钛的表面从一般的疏水结构转化为超亲水结构。

表1 阳极氧化后二氧化钛纳米结构表面接触角

图5 水滴与超亲水表面接触瞬间的图像（间隔时间为0.125s）

图6 水滴与钛箔表面接触瞬间的图像（间隔时间为0.125s）

表2 钛箔表面接触角

(1)二氧化钛纳米管阵列的超疏水化现象及其表征

在经过1h的PTES（三乙氧基-1H,1H,2H,2H-十三氟-N-辛基硅烷）处理后，PTES分子通过分子自组装在二氧化钛纳米管阵列表面形成一层疏水的分子膜。经过修饰后的纳米管膜表面接触角为160.4°±4.2°（表3），这表明这种经过处理的特殊二氧化钛纳米管膜是超疏水的。这种效应可以让我们制备具有超疏水和超亲水微区域的钛基板。

图7 PTES自组装单层形成示意图

表3 经PTES修饰后基底表面接触角

图8 水滴与超疏水表面接触瞬间的图像（间隔时间为0.25s）

同时，本实验对经过PTES修饰后的基底进行了XRD测试，如图9所示，自组装单层下仍然存在有锐钛矿相的二氧化钛，这表明PTES修饰并未对二氧化钛的结构产生影响，从另一个方面说明了下一步光催化实验的可行性。

图9 图a是未经PTES修饰的基底的XRD图像；图b经PTES修饰后形成自组装单层的基底的XRD图像

(2)基底表面图案化的表征和相关讨论

锐钛矿相的二氧化钛具有良好的光催化性能，因而在紫外线的照射下，可以使PTES分解，通过光掩模上不同的微区控制光照区域，就可以得到和光掩模形貌一致的表面差别化图案（图10）。

图10 通过光掩模形成超亲水-超疏水图案化区域示意图

图11 图a是掩膜板的透射显微镜照片；图b是亲-疏水特征图案化基底的荧光显微镜照片；图c是低倍数显微镜下的普通显微镜镜照片。以上亲水区域均为200μm×200μm的方形阵列，间隔100μm

图12 图a是20min以上长时间照射后的基底荧光显微镜照片，可见荧光的罗丹明B染料均匀地铺展在基底上；图b是5min短时间照射后的基底荧光显微镜照片，可见仅有部分区域形成了良好的超亲水图案

PTES在二氧化钛纳米管膜层上形成的自组装单层并不十分稳定，在紫外线照射下会发生分解，而锐钛矿相的二氧化钛会催化这一过程。超疏水的PTES膜层在UV照射下分解后，光照区域会恢复到原来的超亲水状态。利用这一性质，本实验中使用罗丹明B水溶液对图案化的基底表面进行快速喷射，超亲水部分由于具有良好的润湿性，便会被挂上染料，而超疏水区域则不会。随后通过荧光显微镜可以观察得到的超亲水区域和超疏水区域界限分明的图案化基底。对于曝光区域较大的图案而言，在基底上可以看到肉眼可分辨的亲水区阵列。

图13显示了图案化基底的SEM图像，图中方形区域是在光掩模下曝光的（照射时间12min），因为光照的这一部分是亲水的，所以会沾染上了染料罗丹明B，这样在电镜下就可以看到亲水区域与疏水区域产生了明显的区别。

图13 超亲水-超疏水图案化基底的SEM图像

本实验制作了不同尺寸的掩膜板图案，图14到是本课题中掩模板的显微镜照片和图案化基底的荧光显微镜照片，说明本课题中提出的方法可以形成超亲-超疏水图案化基底。图中掩膜板的明亮区域为透射显微镜下的透光区，基底的明亮区域是覆盖有罗丹明B的超亲水区域。

图14 （a）为光掩模版的投射显微镜照片；（b）为超亲水-超疏水图案化基底的荧光显微镜照片。明亮的方形超亲水区域边长为50μm，间距50μm

总的说来，本课题在研究过程中探究了影响具有超亲水-超疏水基底图案化的实验路线和各个过程中的最佳条件，得到了和光掩模形貌一致的超亲水-超疏水图案化基底。对表面超亲水、超疏水化技术在细胞图案化方面上的应用做了研究，初步得到了一些方法和结论，同时也希望本课题得到的结论和方法可以为后续细胞图案化及相关方面的研究做出一些有益的探索。