一种表面具有拓扑图案的金刚石薄膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种表面具有拓扑图案的金刚石薄膜及其制备方法和应用，所述制备方法包括如下步骤：(1)在基底上制备拓扑图案，得到具有拓扑图案的基底；所述拓扑图案的制备方法选自光刻结合电感耦合等离子体刻蚀法、湿法刻蚀法或激光直写法中的任意一种；(2)在步骤(1)得到的具有拓扑图案的基底上沉积金刚石薄膜，得到所述表面具有拓扑图案的金刚石薄膜。所述制备方法具有可大面积制备、高精度以及图案可控的优点，由所述制备方法得到的金刚石薄膜可应用于牙科植入材料、骨科植入材料或者生物探针中。中。中。

【技术实现步骤摘要】
一种表面具有拓扑图案的金刚石薄膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于医用植入材料
，具体涉及一种表面具有拓扑图案的金刚石涂层的制备方法。

技术介绍

[0002]钛及钛合金凭借良好的理化特性、力学性能、耐疲劳性和耐腐蚀性，一直是骨植入材料的传统选择。然而，有研究表明，钛种植体会在体内引起过敏反应，钛离子的析出和假体之间的摩擦产生的碎屑可以引发机体的免疫反应。因此，目前许多研究都致力于改进传统钛种植体的表面改性方法。
[0003]纳米金刚石不仅具有传统金刚石硬度高、化学性质稳定等优点，而且还具有生物相容性好、生物毒性低等特征，这使其有望应用于生物体内；同时，纳米金刚石具有丰富的表面官能团、大的比表面积，这使其能够容易地嫁接功能分子以及复合其他纳米材料，从而形成具有荧光成像、拉曼成像、靶向治疗、药物运输等多种功能于一身的纳米材料。因而可以在钛表面镀一层金刚石薄膜，对钛种植体进行表面改性，以改善其生物相容性，阻挡析出的钛离子进入人体，避免引发机体的免疫反应。
[0004]图案化的金刚石表面应用于生物体中，能够有效地引导细胞生长、增加细胞粘附、加快细胞的分化并具有良好的耐摩擦性能。因此，为了将金刚石更好地应用于生物体内，需要对金刚石表面进行图案化设计。
[0005]目前，现有技术中已有将金刚石膜镀到钛合金表面，但并未对金刚石薄膜进行图案化设计。CN101003889A公开了一种纳米金刚石镀膜人工关节、骨板及骨钉的表面处理技术，通过将已成形的钛合金物件作表面预处理后，经化学气相蒸镀法或物理气相蒸镀法对钛合金基底进行镀制，生成厚度为100nm～3μm的纳米金刚石薄膜或类金刚石碳膜；该金刚石薄膜可再施行后表面处理，以共价键方式结合分子介面层。可以起到增加生物相容性和化学稳定性的作用，但是该金刚石薄膜表面并没有进行图案化设计，不能起到促进细胞生长、加速细胞分化的作用。
[0006]目前，已有图案化的金刚石薄膜应用于其他领域。CN104498894A公开了一种多孔金刚石薄膜的制备方法，其提出在硅衬底表面以Pt薄膜为催化剂，采用微波等离子体化学气相沉积制备微米金刚石薄膜，后经过锻烧得到多孔金刚石薄膜，其主要应用于半导体领域。但是该金刚石薄膜中的多孔结构属于非周期性图案化结构，难以对其几何尺寸及微观形貌形状进行有序的调控。CN107287654A公开了一种CVD法合成单晶金刚石降低位错密度的方法。该方法通过激光刻蚀技术将金刚石表面进行图案化的结构设计，控制单晶金刚石图案层横向与纵向的生长速率，通过一次或多次图案化处理有效抑制生长过程中位错的产生，获得高质量的单晶金刚石。通过该制备方法制备的单晶金刚石主要用于半导体领域，而且制备出的图案形状尺寸较大，难以构筑接近细胞尺寸的微米拓扑结构。
[0007]因此，开发一种可以大规模、高精度、可控地制备表面具有拓扑图案的金刚石薄膜的方法，具有十分重要的意义。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种表面具有拓扑图案的金刚石薄膜及其制备方法和应用，通过光刻结合电感耦合等离子体刻蚀法、湿法刻蚀法或激光直写法制备具有拓扑图案的基底，然后在具有拓扑图案的基底上沉积金刚石薄膜，来制备表面具有拓扑图案的金刚石薄膜。本专利技术提供的制备方法具有大规模、高精度以及图案形状可控地优点，由该制备方法制备的金刚石薄膜表面的拓扑图案分辨率高，能够有效地引导细胞生长、增加细胞粘附、加快细胞的分化并具有良好的耐摩擦性能，具有很好的植入应用前景。
[0009]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]第一方面，本专利技术提供一种表面具有拓扑图案的金刚石薄膜的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0011](1)在基底上制备拓扑图案，得到具有拓扑图案的基底；所述拓扑图案的制备方法选自光刻结合电感耦合等离子体刻蚀法、湿法刻蚀法或激光直写法中的任意一种；
[0012](2)在步骤(1)得到的具有拓扑图案的基底上沉积金刚石薄膜，得到所述表面具有拓扑图案的金刚石薄膜。
[0013]本专利技术中，所述基底为钛基底、钛合金基底、硅基底或钽基底中的任意一种，进一步优选为钛基底或钛合金基底。
[0014]优选地，步骤(1)所述拓扑图案的结构为任意拓扑结构。
[0015]优选地，所述拓扑结构选自沟槽结构、柱子结构或者凹坑结构中的任意一种或至少两种的组合。
[0016]优选地，步骤(1)所述拓扑图案的制备方法为光刻结合电感耦合等离子体刻蚀法。
[0017]由于激光直写法使得基底材料产生一定程度的熔融，导致拓扑图案的分辨率降低；湿法刻蚀法制备出的拓扑结构尺寸很大，因此本专利技术中优选光刻结合电感耦合等离子体刻蚀法来制备具有拓扑图案的基底。
[0018]本专利技术中，步骤(1)所述光刻结合电感耦合等离子体刻蚀法的步骤包括：在基底上涂覆光刻胶后，经烘干、曝光和显影，得到具有光刻胶图案的基底；将所述具有光刻胶图案的基底进行电感耦合等离子体刻蚀，得到所述具有拓扑图案的基底。
[0019]优选地，所述光刻胶的涂覆方式为旋涂。
[0020]优选地，所述旋涂的转速为1000～2500r/min，例如可以为1200r/min、1400r/min、1500r/min、1600r/min、1800r/min、2000r/min、2200r/min或2400r/min，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
[0021]优选地，所述旋涂的时间为0.5～2min，例如可以为0.6min、0.8min、1.0min、1.2min、1.4min、1.5min、1.6min或1.8min，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
[0022]优选地，所述烘干的温度为80～120℃，例如可以为82℃、85℃、88℃、90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、112℃、115℃、118℃或119℃，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
[0023]优选地，所述烘干的时间为0.5～3min，例如可以为0.6min、0.8min、1.0min、1.2min、1.4min、1.5min、1.6min、1.8min、2.0min、2.2min、2.5min、2.7min、2.8min或
2.9min，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
[0024]优选地，所述曝光为紫外曝光，所述曝光的时间为5～10s，例如可以为6s、7s、8s或9s，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
[0025]优选地，所述显影的时间为30～60s，例如可以为32s、35s、40s、42s、45s、50s、52s、55s、56s、58本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表面具有拓扑图案的金刚石薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)在基底上制备拓扑图案，得到具有拓扑图案的基底；所述拓扑图案的制备方法选自光刻结合电感耦合等离子体刻蚀法、湿法刻蚀法或激光直写法中的任意一种；(2)在步骤(1)得到的具有拓扑图案的基底上沉积金刚石薄膜，得到所述表面具有拓扑图案的金刚石薄膜。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述拓扑图案的制备方法为光刻结合电感耦合等离子体刻蚀法；优选地，所述基底为钛基底、钛合金基底、硅基底或钽基底中的任意一种，进一步优选为钛基底或钛合金基底。3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述光刻结合电感耦合等离子体刻蚀法的步骤包括：在基底上涂覆光刻胶后，经烘干、曝光和显影，得到具有光刻胶图案的基底；将所述具有光刻胶图案的基底进行电感耦合等离子体刻蚀，得到所述具有拓扑图案的基底；优选地，所述光刻胶的涂覆方式为旋涂；优选地，所述旋涂的转速为1000～2500r/min，时间为0.5～2min；优选地，所述烘干的温度为80～120℃，时间为0.5～3min；优选地，所述曝光为紫外曝光，所述曝光的时间为5～10s；优选地，所述显影的时间为30～60s；优选地，所述电感耦合等离子体刻蚀的工作压力为0.8～1.2KPa；优选地，所述电感耦合等离子体刻蚀的RF功率为160～240W；优选地，所述电感耦合等离子体刻蚀的ICP功率为800～1200W；优选地，所述电感耦合等离子体刻蚀的工作气体为惰性气体与Cl2的组合；优选地，所述惰性气体为氩气和/或氮气；优选地，所述工作气体中Cl2的体积百分含量为10～50％；优选地，所述电感耦合等离子体刻蚀的时间为1～8min。4.如权利要求1
‑
3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述湿法刻蚀法包括如下步骤：在基底上涂覆光刻胶后，经烘干、曝光和显影，得到具有光刻胶图案的基底；将所述具有光刻胶图案的基底放入刻蚀溶液中进行刻蚀，得到所述具有拓扑图案的基底；优选地，所述光刻胶的涂覆方式为旋涂；优选地，所述旋涂的转速为1000～2500r/min，时间为0.5～2min；优选地，所述烘干的温度为80～120℃，时间为0.5～3min；优选地，所述曝光为紫外曝光，所述曝光的时间为5～10s；优选地，所述显影的时间为30～60s；优选地，所述基底为硅基底，所述刻蚀溶液包括NaOH溶液和/或KOH溶液；优选地，所述基底为钛基底、钛合金基底或钽基底，所述刻蚀溶液包括HCl溶液、HF溶液或HNO3溶液中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述刻蚀溶液的浓度为0.05～2mol/L；优选地，所述刻蚀的温度为10～100℃；
优选地，所述刻蚀的时间为2～10min。5.如权利要求1
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4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述激光直写法包括如下步骤：在基底上涂覆光刻胶，得到具有光刻胶图案的基底；将所述具有光刻胶图案的基底进行激光刻蚀，得到所述具有...

【专利技术属性】
技术研发人员：任富增，朱明余，李玉磊，王晓飞，赵予生，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：