阅读说明：本技术 一种改善Ag微纳薄膜生物相容性的方法及其膜的应用 (Method for improving biocompatibility of Ag micro-nano film and application of Ag micro-nano film ) 是由 宋忠孝 陈东圳 朱晓东 钱旦 于 2019-11-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种改善Ag微纳薄膜生物相容性的方法及其膜的应用,包括清洗硅片、制备Ta@Ag双金属薄膜；通过调整磁控溅射沉积设备的温度,电压,控制Ag靶和Ta靶的电流,将Ta相按照比例与Ag在烘干的硅片上进行两相共溅射,即制备出Ta@Ag双金属薄膜。所制得的Ta@Ag双金属薄膜为金属晶体结构,表面有1.5nm厚的顶部氧化层,控制生物细胞在薄膜上,生物细胞的存活率为95～99％。本发明通过采用真空物理气相沉积技术掺杂金属Ta元素,从而改善了Ag微纳薄膜的生物相容性。(The invention discloses a method for improving biocompatibility of an Ag micro-nano film and application of the Ag micro-nano film, which comprises the steps of cleaning a silicon wafer and preparing a Ta @ Ag bimetallic film; the Ta @ Ag bimetallic film is prepared by adjusting the temperature and voltage of magnetron sputtering deposition equipment, controlling the current of an Ag target and a Ta target and carrying out two-phase co-sputtering on a Ta phase and Ag on a dried silicon wafer according to a proportion. The prepared Ta @ Ag bimetallic film is of a metal crystal structure, a top oxidation layer with the thickness of 1.5nm is arranged on the surface of the Ta @ Ag bimetallic film, and the survival rate of biological cells on the film is controlled to be 95-99%. According to the invention, the metal Ta element is doped by adopting a vacuum physical vapor deposition technology, so that the biocompatibility of the Ag micro-nano film is improved.)

一种改善Ag微纳薄膜生物相容性的方法及其膜的应用

技术领域

本发明属于薄膜涂层技术领域，具体涉及一种改善银(Ag)微纳薄膜生物相容性的方法及其膜的应用。

背景技术

Ag微纳结构薄膜具有良好的介电性能、较高的等离子体活性和较低的成本，因此受到人们的广泛关注。在多种金属中，富含银元素的纳米结构可维持极强表面等离子体极化模式，该特性是实现等离子体传感、催化等方面应用的关键。(C.Gao,Y.Hu,M.Wang,M.Chi,Y.Yin,J.Am.Chem.Soc.2014,136,7474.)。在金(Au)、Ag等离子体金属中，Ag纳米结构光学截面更大，且制造成本低。但Ag微纳结构薄膜生物相容性较差，阻碍了Ag微纳薄膜在生化分析、生物医疗器械等方面的应用。构建双金属系统是提高Ag微纳薄膜生物相容性的有效策略。双金属体系通过结合不同功能性质的非混相金属，表现出比单元素体系更好的性能。金属Ta具有良好的生物相容性、耐腐蚀性和断裂韧性。研究发现，具有微纳米结构的Ta修饰表面可以激活局灶性粘附激酶，增强细胞与表面的相互作用。(H.Cao,F.Meng,X.Liu,J.Vac.Sci.Technol.A.2016,34,04C102；H.L.Huang,Y.Y.Chang,H.J.Chen,Y.K.Chou,J.Vac.Sci.Technol.A.2014,32,02B117.)因此，设计制备[email protected]双金属薄膜可提高纯Ag微纳结构薄膜的生物相容性。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种改善Ag微纳薄膜生物相容性的方法及其膜的应用，该方法解决了目前纯Ag微纳薄膜生物相容性差的问题，通过控制在Ag微纳薄膜中掺杂Ta元素，通过机械混合Ta、Ag两种金属元素，产生复合，形成[email protected]双金属薄膜，该膜可有效提高Ag薄膜的生物相容性。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种改善Ag微纳薄膜生物相容性的方法，包括以下步骤：

步骤1：清洗硅片：

将清洁后的硅片衬底依次浸入乙醇或丙酮溶液、去离子水中浸泡，并烘干；

步骤2：制备[email protected]双金属薄膜：

调整磁控溅射沉积设备的温度为25℃～150℃，电压为360～400V，控制Ag靶和Ta靶的电流为0.5～6A，保持真空并通入氩气，将Ta相按照质量百分数为5～90％与Ag在烘干的硅片上进行两相共溅射，即制备出[email protected]双金属薄膜。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

优选的，步骤1中，所述硅片衬底浸入乙醇、丙酮溶液中2～5min，在去离子水中浸泡2～5min。

优选的，Ag靶和Ta靶的电流比为0.2:1～1:1。

优选的，磁控溅射沉积设备的温度为25～150℃，电压为360～380V，Ta靶和Ag靶的电流为1.8～4A，Ta元素的质量百分数为25～75％。

优选的，磁控溅射沉积设备的温度为25～150℃，电压为360～380V，Ta靶和Ag靶的电流为0.5～5.5A，Ta元素的质量百分数为30～45％。

优选的，磁控溅射沉积设备的温度为25～150℃，电压为360～380V，Ta靶和Ag靶的电流为2～4A，Ta元素的质量百分数为60～80％。

优选的，磁控溅射沉积设备的温度为150℃，电压为370V，Ag靶和Ta靶的电流为3A，Ta元素的质量百分数47％。

本发明[email protected]双金属薄膜为金属晶体结构，表面有1.5nm厚的顶部氧化层，控制生物细胞在薄膜上，生物细胞的存活率为95～99％。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

本发明一种改善Ag微纳薄膜生物相容性的方法，根据金属Ta具有优异的生物相容性、耐腐蚀性、断裂韧性，可产生良好的细胞表面相互作用。因此通过调整磁控溅射沉积设备的温度、电压、Ta靶和Ag靶的电流比，通过控制在Ag微纳薄膜中掺杂Ta元素，控制制备[email protected]双金属薄膜的成分比例，Ta、Ag两种金属元素通过机械混合产生复合，形成[email protected]双金属薄膜，可有效提高Ag薄膜的生物相容性。

所制得的[email protected]双金属薄膜为金属晶体结构，表面有1.5nm厚的顶部氧化层，控制生物细胞在薄膜上，生物细胞的存活率为95～99％。本发明改善Ag微纳薄膜生物相容性的方法制备的[email protected]双金属薄膜，可以应用于活性生物细胞检测和生物医疗器械涂层中。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明一种改善Ag微纳薄膜的生物相容性的方法中，[email protected]双金属薄膜截面高分辨透射电子显微图像；

图2是本发明一种改善Ag微纳薄膜的生物相容性的方法中，Ta元素按照质量百分数约为81％掺杂，制备出的[email protected]双金属薄膜扫描电子显微镜图；

图3是本发明一种改善Ag微纳薄膜的生物相容性的方法中，Ta元素按照质量百分数约为81％掺杂，制备出的[email protected]双金属薄膜XRD图；

图4是本发明一种改善Ag微纳薄膜的生物相容性的方法中，Ta元素按照质量百分数约为45.25％掺杂，制备出的[email protected]双金属薄膜扫描电子显微镜图；

图5是本发明一种改善Ag微纳薄膜的生物相容性的方法中，纯Ag薄膜扫描电子显微镜图；

图6是本发明一种改善Ag微纳薄膜的生物相容性的方法中，纯Ag薄膜XRD图；

图7是本发明一种改善Ag微纳薄膜的生物相容性的方法中，生物细胞在[email protected]双金属薄膜(9％的Ta元素掺杂)表面培养测试图；

图8是本发明一种改善Ag微纳薄膜的生物相容性的方法中，生物细胞在[email protected]双金属薄膜(81％的Ta元素掺杂)表面培养测试图；

图9是本发明一种改善Ag微纳薄膜的生物相容性的方法中，生物细胞在纯Ag薄膜表面培养测试图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明提供一种改善Ag微纳薄膜生物相容性的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：清洗硅片：

将清洁后的硅片衬底浸入乙醇、丙酮溶液中浸泡2～5分钟，取出浸入后的硅片放入去离子水中浸泡2～5分钟，然后取出并烘干浸泡后的硅片；

步骤2：使用物理气相沉积技术制备[email protected]双金属薄膜：

调整磁控溅射沉积设备的温度为25℃～150℃，电压为360V～400V，控制Ta靶和Ag靶的电流为0.5A～6A，并控制Ag靶和Ta靶的电流比为0.2:1～1:1。将步骤1中烘干的硅片放入磁控溅射沉积设备中，将磁控溅射沉积设备保持真空并通入氩气，将Ta靶按照质量百分数为5％～90％与Ag进行两相共溅射，即可制备出[email protected]双金属薄膜。

[email protected]双金属薄膜即为Ta元素掺杂的Ag微纳复合薄膜。

本发明一种改善Ag微纳薄膜生物相容性的方法通过Ta元素掺杂，构建出[email protected]双金属薄膜，从而改善纯Ag微纳薄膜的生物相容性。

下面通过具体的实施例对本发明一种改善Ag微纳薄膜生物相容性的方法进行详细说明。

实施例1

本实施例提供一种改善Ag微纳薄膜生物相容性的方法，包括以下步骤：

步骤1：清洗硅片：

将清洁后的硅片衬底浸入乙醇、丙酮溶液中浸泡3min，取出放入去离子水中浸泡5min，然后取出并烘干浸泡后的硅片；

步骤2：使用物理气相沉积技术制备[email protected]双金属薄膜：

调整磁控溅射沉积设备的温度为100℃，电压为400V，控制Ag靶和Ta靶的电流均为1.8A，将步骤1中烘干的硅片放入磁控溅射沉积设备中，将磁控溅射沉积设备保持真空并通入氩气，将Ta元素按照质量百分数约为9％与Ag进行两相共溅射，即可制备出[email protected]双金属薄膜，[email protected]双金属薄膜截面高分辨透射电子显微图像如图1所示，由图1发现，[email protected]双金属薄膜为金属晶体结构，表面有约1.5nm厚的顶部氧化层。

如表1所示，制备的[email protected]双金属薄膜主要由钽、银两种元素组成，分别为Ta相和Ag相，Ta元素质量百分数约为9％。

表1

通过实验，对Ta元素掺杂的Ag双金属薄膜进行生物相容性测试：

将生物细胞置于[email protected]双金属薄膜表面，控制时间为12小时后，生物细胞大量存活(图7)，测试得出生物细胞的存活率为96％。

实施例2

本实施例提供一种改善Ag微纳薄膜生物相容性的方法，包括以下步骤：

步骤1：清洗硅片：

将清洁后的硅片衬底浸入乙醇、丙酮溶液中浸泡3min，取出放入去离子水中浸泡5min，然后取出并烘干浸泡后的硅片；

步骤2：使用物理气相沉积技术制备[email protected]双金属薄膜：

调整磁控溅射沉积设备的温度为100℃，电压为400V，分别控制Ag靶和Ta靶的电流分别为1.2A、6A，将步骤1中烘干的硅片放入磁控溅射沉积设备中，将磁控溅射沉积设备保持真空并通入氩气，将Ta元素按照质量百分数约为81％与Ag进行两相共溅射，即可制备出[email protected]双金属薄膜(图2)。XRD分析如图3所示，三个主要衍射峰的2θ出现在38.8°,55.5°和70.8°处,分别代表了金属Ta晶体α相的(110)、(200)和(211)点阵平面。

如表2所示，制备的[email protected]双金属薄膜主要由钽、银两种元素组成，分别为Ta相和Ag相，Ta元素质量百分数约为81％。

表2

通过实验，对Ta元素掺杂的Ag双金属薄膜进行生物相容性测试：

将生物细胞置于[email protected]双金属薄膜表面，控制时间为12小时后，生物细胞大量存活(图8)，测试得出生物细胞的存活率为99％。

实施例3

本实施例提供一种改善Ag微纳薄膜生物相容性的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：清洗硅片：

将清洁后的硅片衬底浸入乙醇、丙酮溶液中浸泡2min，取出放入去离子水中浸泡2min，然后取出并烘干浸泡后的硅片；

步骤2：使用物理气相沉积技术制备[email protected]双金属薄膜：

调整磁控溅射沉积设备的温度为110℃，电压为390V，分别控制Ag靶和Ta靶的电流分别为2.2A、5.5A，将步骤1中烘干的硅片放入磁控溅射沉积设备中，将磁控溅射沉积设备保持真空并通入氩气，将Ta元素按照质量百分数约为70.35％与Ag进行两相共溅射，即可制备出[email protected]双金属薄膜。

通过实验，对Ta元素掺杂的Ag双金属薄膜进行生物相容性测试：

将生物细胞置于[email protected]双金属薄膜表面，控制时间为12小时后，测试得出生物细胞的存活率为95％。

实施例4

本实施例提供一种改善Ag微纳薄膜生物相容性的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：清洗硅片：

将清洁后的硅片衬底浸入乙醇、丙酮溶液中浸泡5分钟，取出浸入后的硅片放入去离子水中浸泡5分钟，然后取出并烘干浸泡后的硅片；

步骤2：使用物理气相沉积技术制备[email protected]双金属薄膜：

调整磁控溅射沉积设备的温度为90℃，电压为380V，分别控制Ag靶和Ta靶的电流为3A、4A，将步骤1中烘干的硅片放入磁控溅射沉积设备中，将磁控溅射沉积设备保持真空并通入氩气，将Ta元素按照质量百分数约为75.55％与Ag进行两相共溅射，即可制备出[email protected]双金属薄膜。

通过实验，对Ta元素掺杂的Ag双金属薄膜进行生物相容性测试：

将生物细胞置于[email protected]双金属薄膜表面，控制时间为12小时后，测试得出生物细胞的存活率为96％。

实施例5

本实施例提供一种改善Ag微纳薄膜生物相容性的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：清洗硅片：

将清洁后的硅片衬底浸入乙醇、丙酮溶液中浸泡4分钟，取出浸入后的硅片放入去离子水中浸泡4分钟，然后取出并烘干浸泡后的硅片；

步骤2：使用物理气相沉积技术制备[email protected]双金属薄膜：

调整磁控溅射沉积设备的温度为120℃，电压为400V，分别控制Ag靶和Ta靶的电流分别为0.5A、2A，将步骤1中烘干的硅片放入磁控溅射沉积设备中，将磁控溅射沉积设备保持真空并通入氩气，将Ta元素按照质量百分数约为89.25％与Ag进行两相共溅射，即可制备出[email protected]双金属薄膜。

通过实验，对Ta元素掺杂的Ag双金属薄膜进行生物相容性测试：

将生物细胞置于[email protected]双金属薄膜表面，控制时间为12小时后，测试得出生物细胞的存活率为96％。

实施例6

本实施例提供一种改善Ag微纳薄膜生物相容性的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：清洗硅片：

将清洁后的硅片衬底浸入乙醇、丙酮溶液中浸泡4.5分钟，取出浸入后的硅片放入去离子水中浸泡4.5分钟，然后取出并烘干浸泡后的硅片；

步骤2：使用物理气相沉积技术制备[email protected]双金属薄膜：

调整磁控溅射沉积设备的温度为50℃，电压为360V，分别控制Ag靶和Ta靶的电流分别为2A、4A，将步骤1中烘干的硅片放入磁控溅射沉积设备中，将磁控溅射沉积设备保持真空并通入氩气，将Ta元素按照质量百分数约为60.15％与Ag进行两相共溅射，即可制备出[email protected]双金属薄膜。

通过实验，对Ta元素掺杂的Ag双金属薄膜进行生物相容性测试：

将生物细胞置于[email protected]双金属薄膜表面，控制时间为12小时后，测试得出生物细胞的存活率为97％。

实施例7

本实施例提供一种改善Ag微纳薄膜生物相容性的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：清洗硅片：

将清洁后的硅片衬底浸入乙醇、丙酮溶液中浸泡4.5分钟，取出浸入后的硅片放入去离子水中浸泡3.5分钟，然后取出并烘干浸泡后的硅片；

步骤2：使用物理气相沉积技术制备[email protected]双金属薄膜：

调整磁控溅射沉积设备的温度为25℃，电压为370V，分别控制Ag靶和Ta靶的电流分别为3A、6A，将步骤1中烘干的硅片放入磁控溅射沉积设备中，将磁控溅射沉积设备保持真空并通入氩气，将Ta元素按照质量百分数约为45.25％与Ag进行两相共溅射，即可制备出[email protected]双金属薄膜(图4)。

通过实验，对Ta元素掺杂的Ag双金属薄膜进行生物相容性测试：

将生物细胞置于[email protected]双金属薄膜表面，控制时间为12小时后，测试得出生物细胞的存活率为98％。

实施例8

本实施例提供一种改善Ag微纳薄膜生物相容性的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：清洗硅片：

将清洁后的硅片衬底浸入乙醇、丙酮溶液中浸泡2.5分钟，取出浸入后的硅片放入去离子水中浸泡2.5分钟，然后取出并烘干浸泡后的硅片；

步骤2：使用物理气相沉积技术制备[email protected]双金属薄膜：

调整磁控溅射沉积设备的温度为150℃，电压为380V，分别控制Ag靶和Ta靶的电流分别为4A、5A，将步骤1中烘干的硅片放入磁控溅射沉积设备中，将磁控溅射沉积设备保持真空并通入氩气，将Ta元素按照质量百分数约为25.36％与Ag进行两相共溅射，即可制备出[email protected]双金属薄膜。

通过实验，对Ta元素掺杂的Ag双金属薄膜进行生物相容性测试：

将生物细胞置于[email protected]双金属薄膜表面，控制时间为12小时后，测试得出生物细胞的存活率为98％。

实施例9

本实施例提供一种改善Ag微纳薄膜生物相容性的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：清洗硅片：

将清洁后的硅片衬底浸入乙醇、丙酮溶液中浸泡5分钟，取出浸入后的硅片放入去离子水中浸泡5分钟，然后取出并烘干浸泡后的硅片；

步骤2：使用物理气相沉积技术制备[email protected]双金属薄膜：

调整磁控溅射沉积设备的温度为60℃，电压为360V，分别控制Ag靶和Ta靶的电流分别为3A、4A，将步骤1中烘干的硅片放入磁控溅射沉积设备中，将磁控溅射沉积设备保持真空并通入氩气，将Ta元素按照质量百分数约为5％与Ag进行两相共溅射，即可制备出[email protected]双金属薄膜。

通过实验，对Ta元素掺杂的Ag双金属薄膜进行生物相容性测试：

将生物细胞置于[email protected]双金属薄膜表面，控制时间为12小时后，测试得出生物细胞的存活率为95％。

实施例10

本实施例提供一种改善Ag微纳薄膜生物相容性的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：清洗硅片：

将清洁后的硅片衬底浸入乙醇、丙酮溶液中浸泡5分钟，取出浸入后的硅片放入去离子水中浸泡5分钟，然后取出并烘干浸泡后的硅片；

步骤2：使用物理气相沉积技术制备[email protected]双金属薄膜：

调整磁控溅射沉积设备的温度为120℃，电压为380V，分别控制Ag靶和Ta靶的电流分别为2A、5A，将步骤1中烘干的硅片放入磁控溅射沉积设备中，将磁控溅射沉积设备保持真空并通入氩气，将Ta元素按照质量百分数约为30％与Ag进行两相共溅射，即可制备出[email protected]双金属薄膜。

通过实验，对Ta元素掺杂的Ag双金属薄膜进行生物相容性测试：

将生物细胞置于[email protected]双金属薄膜表面，控制时间为12小时后，测试得出生物细胞的存活率为96％。

对比实验

步骤1：清洗硅片：

将清洁后的硅片衬底浸入乙醇、丙酮溶液中浸泡5分钟，取出浸入后的硅片放入去离子水中浸泡5分钟，然后取出并烘干浸泡后的硅片；

步骤2：使用物理气相沉积技术制备纯Ag薄膜：

在磁控溅射沉积设备中进行Ag元素沉积，即可制备出纯Ag薄膜(图5)，XRD分析如图6所示，2θ为38.1°、44.09°、64.36°、77.29°和82.4°分别对应于面心立方Ag的(111)、(200)、(220)、(311)和(222)点阵平面。

步骤3：测试生物细胞活性：

对纯Ag薄膜表面的生物细胞进行活性测试，生物细胞全部死亡(图9)，测得存活率为0％。该结果与[email protected]薄膜生物相容性测试结果形成鲜明对比。

因此，可以得出当掺杂入Ta元素，形成[email protected]双金属薄膜后，薄膜的生物相容性显著提高。

本发明一种通过Ta元素掺杂改善Ag微纳薄膜生物相容性的方法，通过Ta元素掺杂，形成[email protected]双金属薄膜，改善Ag微纳薄膜生物相容性，有利于Ag微纳薄膜在生物器件表面作为生物涂层使用。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。