[发明专利]一种在金属基板表面构筑抗菌功能微纳结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属表面微纳功能结构，尤其是金属材料表面抗菌功能化处理与微纳结构构筑技术领域。

背景技术

不锈钢、铝和钛合金等金属基材广泛应用于工业生产及生活领域，表面极易受到细菌污染，细菌在金属基底表面的附着、粘附行为将大大影响菌体表面菌体数量，当细菌数量较高时会威胁人体健康，因此，金属基底表面的抗菌处理在多种领域有巨大需求。传统的金属基材的表面抗菌处理方法是将抗菌材料涂覆于基材表面，形成具有抗菌性能的涂层。常用的抗菌涂层包括有机抗菌涂层和无机抗菌涂层。有机抗菌涂层具有快速杀菌，特异性抑菌等特点，但其具有抗菌谱窄、耐热性能较差且毒性较大等不利因素，因而涂覆有机抗菌涂层金属材料的应用受到很大限制。无机抗菌涂层包括金属离子抗菌涂层和光催化抗菌涂层两种。前者主要包括Cu²⁺、Ag⁺和Zn²⁺，其中Ag⁺抗菌性能最好，但其抗霉菌性能较差，在使用中易于变色，并可能存在对人体的健康与生物安全等风险；此外，随着离子的不断释出，此类涂层的抗菌性会逐渐减小从而影响长效性。光催化型抗菌涂层可以在光源照射条件下发挥抗菌性能，但在无光条件下抗菌性能大大降低。各种传统抗菌涂层的应用均有局限性，制备出一种兼具经济、抗菌性能优异、稳定持久、抗菌谱广且耐高温的金属板材表面涂层是十分必要的。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的是提供通过在金属基材表面通过构筑微纳阵列结构以实现其抗菌功能化的处理技术和方法；特别地，本发明通过在金属基板表面制备安全性很高的ZnO纳米阵列层作为关键技术的突破口。

发明目的是通过以下手段实现的：一种在金属基材表面构筑抗菌功能微纳结构的方法，经金属表面清洗—退火热处理—提拉制备ZnO籽晶层—水热生长纳米阵列的工艺进行表面处理，包含如下的步骤：

A)清洗后的金属基板经过250～500℃退火处理并冷却后，浸入浓度为10～100mmol/L乙酸锌的乙醇溶液中静置1～5min后。然后采用提拉法以1～10cm/min速度将金属基板拉出液面，在金属基板表面均匀地形成一层乙酸锌，干燥10～30min后300～450℃退火10～120min，得到表面均匀长有ZnO籽晶的基板；

B)配制10～500mmol/L硝酸锌的去离子水溶液，向其中加入等摩尔浓度的六次甲基四胺(HMTA)的去离子水溶液并充分搅拌混合，将A)得到的长有ZnO籽晶的金属基板放入混合液中，并在70～90℃下水热生长4～12h，取出后经过去离子水清洗即得到长有ZnO纳米阵列的目标抗菌微纳结构，表面单根纳米棒直径在30～200nm，阵列密度1×10⁷～1×10⁹根/cm²。

本发明方法在金属表面上构筑微纳物理抗菌结构，利用基底表面的特殊物理结构对细菌细胞膜的“刺破”或“撕裂”作用从而实现对细菌细胞的杀灭，这一杀菌机理使其具有抗菌谱广的特点，并且在后抗生素时代的今天，该抗菌手段不会产生细菌耐药性。此外，这种物理结构具有快速杀菌性，能够在1min内几乎完全杀灭表面细菌菌体。

本发明方法以工业生产中常见的水热法处理，在金属基材表面生长氧化锌纳米阵列(ZnO Nanoarrays)结构实现抗菌功能化，生产方法相对简单便捷。由于ZnO易得、价廉、耐高温且具有良好生物安全性和生物相容性，因而具有巨大的开发潜力。

作为本发明所采用的金属基材，可以有较大的选择范围，包括但不限于不锈钢、铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金。此外，由于氧化锌晶体的不同晶面的表面能存在差异，在具体实施时可以通过改变ZnO晶体的生长条件来控制其在不同方向的生长速度的差异，实现不同纳米形貌的ZnO制备。

归纳起来，与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明方法制备的ZnO纳米阵列规整度高，在基材表面分布均匀，能够实现批量生产及应用。

(2)ZnO阵列具有大量纳米级末端(直径为30～150nm)，具有良好的杀菌性能，较高的阵列密度使得细菌菌体能够同时与多根纳米棒相互接触从而杀灭细菌，这一杀菌性能能够在短时间内发挥作用。

(3)纳米阵列在金属基底表面附着力强，且耐高温(800℃)，具有良好的稳定性。