具有微米金字塔形结构和p-n结的抗菌表面及制备方法技术

本发明专利技术公开了具有微米金字塔形结构和p

【技术实现步骤摘要】
具有微米金字塔形结构和p
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n结的抗菌表面及制备方法


[0001]本专利技术涉及一种抗菌表面及其制备的方法，属于新材料


技术介绍

[0002]细菌感染已成为全世界人类健康的主要威胁，细菌存在于医疗植入物和设备的表面/界面上，而生物膜的形成是生物材料中心感染的最常见来源。病原菌在医用植入材料和器械上的附着和繁殖会导致伤口感染、炎症和并发症，导致植入失败甚至患者死亡。据报道，最常见的致病菌主要是金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、凝固酶阴性葡萄球菌和大肠杆菌、绿脓杆菌。
[0003]抗菌表面抵抗细菌定植，以减弱或避免对各种特定界面功能的不利影响。常见的抗菌表面大致可以分为两种形式：抗生物污垢和杀菌。抗生物污垢通过制造超疏水表面，如表面聚合物涂层和仿生设计的人工表面制造来减少附着细菌的数量。杀菌材料的经典代表是抗生素，具体应用在抗菌表面上则是各种抗生素形式的涂层。青霉素和粘菌素等抗生素的开发为细菌性疾病提供了成功的管理方法。然而，传统抗生素的长期使用和过度使用促进了具有抗生素抗性的细菌的进化，并通过食物，空气传播和物表接触等多种途径威胁着公众健康。
[0004]近年涌现出一些新型的抗菌表面的技术方案，如具有机械破坏效果的仿生纳米图案和光激发的光敏材料涂层。前者的代表是具有高纵横比的黑硅微结构，使用反应离子刻蚀的方案，获得以长约500nm左右，宽仅50nm左右的纳米柱为基本单元的阵列微结构。当与尺寸约1
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5微米的细菌接触时，尖锐的纳米柱尖端通过机械作用拉伸乃至刺穿细菌的细胞膜，造成细胞质流出，细菌死亡。而后者的代表则是近红外光激发的光热材料，特定波长的近红外光照射在材料上，在局部产生大量热量，对细菌造成无法逆转的损伤。又或者是利用特定的波长的激发光敏材料，产生活性氧等抗菌成分，灭杀细菌。
[0005]具有机械破坏效果的仿生纳米图案，主要存在以下缺点：1.纳米图案的机械稳定性较差，易磨损断裂，但抗菌效果对图案完整性要求较高。2.单一的机械破坏机制作用效率和效果不够好。3.纳米图案的大面积生产是一项工程挑战。
[0006]光激发的光敏材料涂层，主要存在以下缺点：1.对激光光源强度要求较高，且只能利用特定波长。2.抗菌成分的耐药性。3.成本高，不适合大面积的情况，更偏向于植入物和靶向疾病治疗。4.涂层的机械稳定性和性能稳定性差。
[0007]因此现在需要一种能够解决上述问题的技术。经检索，暂未发现能解决上述问题的专利对比文件。

技术实现思路

[0008]（一）解决的技术问题本专利技术目的在于：为制造具有制造工艺简单且便宜、适用场景更广以及广谱抗菌效果出色的大尺寸实用型抗菌表面提供了一种方案。
[0009]（二）技术方案为了解决上述问题，本专利技术提供如下技术方案：一种具有微米金字塔形结构和p
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n结构建的抗菌表面，其特征在于，包括：衬底1、形成于衬底1表面的抗菌功能层2，所述抗菌功能层2包括形成于衬底表面的微米金字塔结构20和形成在微米金字塔结构20表层的另一电状态区域21，所述微米金字塔结构20表层的另一电状态区域21之间形成p
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n结，所述抗菌功能层2外侧设置有介质保护层3。
[0010]作为上一步优选方案，所述衬底1包括硅、磷、硼中的一种或几种的组合。
[0011]作为上一步优选方案，所述介质保护层3是氧化铝、氮化硅和氧化硅中一种或几种的组合，所述介质保护层3的厚度不超过100 nm。如果是单层，该层不超过100 nm厚度；如果是多层，总计不超过100 nm厚度。
[0012]一种具有微米金字塔形结构和p
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n结构建的抗菌表面的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1）、提供一衬底1；2）、在上述衬底上形成抗菌功能层2，其中抗菌功能层2包括在衬底表面形成微米金字塔结构20、以及在微米金字塔结构20表层形成另一电状态区域21；3）、在电状态区域21上形成介质保护层3。
[0013]作为上一步优选方案，所述步骤2）中的上述抗菌功能层2通过湿化学刻蚀法及元素掺杂法制成。
[0014]作为上一步优选方案，所述步骤2）中的微米金字塔结构20的制造方法是：通过金属催化化学刻蚀法在衬底1表面形成亚微米或微米大小的金字塔结构20，其中上述金属是银、铜和铝中的一种或几种的组合。
[0015]作为上一步优选方案，所述步骤2）中的电状态区域21的制造方法是：通过元素掺杂的方法在微米金字塔结构20表层形成与之电状态不同的电状态区域21，其中上述元素是磷、硼和硅中的一种或几种的组合。
[0016]作为上一步优选方案，所述元素掺杂的方法是高温扩散、气氛掺杂和旋涂掺杂剂中的一种或几种的组合。
[0017]作为上一步优选方案，其中，上述微米金字塔结构20的制备方法为：离子束刻蚀法，其制造步骤包括：在衬底表面形成图案化的掩膜，在真空环境中利用0.1
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5keV能量平行束轰击衬底表面，在衬底表面形成图案化掩膜的制造方法是光刻、激光开槽和掩膜版中的一种或几种的组合。
[0018]作为上一步优选方案，所述步骤2）中的介质保护层3的制造方法是镀膜液旋涂、磁控溅射、原子层沉积和激光脉冲沉积中的一种或几种的组合。介质保护层的可以由单种镀膜技术实现，也可以使用多种镀膜技术以实现优化的效果。
[0019]优选，在上述抗菌表面的制造方法中，可以包括上述微米金字塔结构的制造方法、上述另一电状态区域的制造方法和上述介质保护层的制造方法中的任意组合。
[0020]（三）有益效果本专利技术的有益效果在于：（1）本专利技术中的抗菌表面，制造方法工艺简单且对设备要求低，因此有利于大面积抗菌表面的制造，且大幅降低了工程成本。
℃，形成衬底1；2）、在上述衬底1上使用金属催化化学刻蚀的方法，溶液为碱性环境，纳米银颗粒作为催化剂，水浴加热90 ℃下在表面形成微米金字塔结构20；3）、在微米金字塔结构20表层使用旋涂含磷掺杂剂的方法，磷源为磷酸二氢铵水溶液，加热至200 ℃，形成电状态区域21；4）、在电状态区域21上，分别使用磁控溅射和原子层沉积技术，沉积了氧化硅和氧化铝薄膜层，即介质保护层3，厚度总计为80 nm或90 nm或100 nm。
[0029]实施例四：如图1和图2所示，1）、在硅衬底中使用高温气氛掺杂磷，磷源为三氯氧磷，加热至600℃，形成衬底1；2）、在上述衬底1上使用金属催化化学刻蚀的方法，溶液为碱性环境，纳米铜颗粒作为催化剂，水浴加热70℃下在表面形成微米金字塔结构20；3）、在微米金字塔结构20表层使用激光掺杂硼，硼源为硼硅玻璃，激光功率为10 W，激光频率为20kHz，形成电状态区域21；4）、在电状态区域21上，使用二氧化硅镀膜液，均匀旋涂在区域21表面，加热至100℃，形成介质保护层3，厚度为2 nm或5 nm或10 nm。
[0030]实施例五：如图1和图2所示，1）、在硅衬底中使用高温气氛掺杂磷，磷源为三氯氧磷，加热至800 ℃，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.具有微米金字塔形结构和p
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n结的抗菌表面，其特征在于，包括：衬底(1)、形成于衬底(1)表面的抗菌功能层(2)，所述抗菌功能层(2)包括形成于衬底表面的微米金字塔结构(20)和形成在微米金字塔结构(20)表层的另一电状态区域(21)，所述微米金字塔结构(20)表层的另一电状态区域(21)之间形成p
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n结，所述抗菌功能层(2)外侧设置有介质保护层(3)。2.根据权利要求1所述的具有微米金字塔形结和p
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n结构的抗菌表面，其特征在于：所述衬底(1)包括硅、磷、硼中的一种或几种的组合。3.根据权利要求1所述的具有微米金字塔形结和p
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n结构的抗菌表面，其特征在于：所述介质保护层(3)是氧化铝、氮化硅和氧化硅中一种或几种的组合，所述介质保护层(3)的厚度不超过(100) nm。4.具有微米金字塔形结构和p
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n结的抗菌表面的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)）、提供一衬底(1)；(2)）、在上述衬底上形成抗菌功能层(2)，其中抗菌功能层(2)包括在衬底表面形成微米金字塔结构(20)、以及在微米金字塔结构(20)表层形成另一电状态区域(21)；(3)）、在电状态区域(21)上形成介质保护层(3)。5.根据权利要求4所述的具有微米金字塔形结和p
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n结构建的抗菌表面的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)）中的上述抗菌功能层(2)通过湿化学刻蚀法及元素掺杂法制成。6.根据权利要求4所述的具有微米金字塔形...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏晓东，倪孟飞，邹帅，程微，苏建东，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：