仿生微纳结构抗菌表面研究进展

介绍了天然抗菌微纳结构的特点及抗菌效果,从灵感来源、基底材料、构建方法、表面特性和结构、抗菌效率六个方面,总结了利用不同技术模拟蝉和蜻蜓的翅膀、蛾眼和壁虎皮肤微纳结构的仿生研究进展。阐述了材料表面微纳结构的形貌和粗糙度对抗菌效率的影响,发现具有多层次、间隔紧密、尖锐纳米柱结构的表面对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌均表现出较强的抗菌活性。微纳结构抗菌表面与细菌相互作用,破坏细胞壁/膜,导致细菌死亡,该抗菌机制是物理机械性的,避免了细菌耐药性的产生。该综述为今后仿生微纳结构抗菌表面的发展提供了理论基础,并提出了未来的研究思路和发展方向。     

超声振荡频率对电沉积纳米晶Ni微织构生长和抗磨性的关联性研究

在阳极氧化纳米多孔Ti基体表面电沉积纳米晶Ni镀层,通过界面互扩散和晶体“钉扎”生长来达到冶金结合,旨在解决Ti基与其表面镀层界面结合力差的难题。采用超声辅助脉冲电沉积技术,通过调整超声振荡频率来影响纳米晶Ni生长织构,以揭示不同择优取向的生长织构与微结构和抗磨性的相关性。利用XRD、FE-SEM、TEM等手段来表征纳米晶Ni的生长织构及微结构;借助纳米压痕与摩擦磨损实验来研究其表面强韧性和抗磨性,分析超声作用对碎化晶粒和改善晶体生长织构方向的协同作用机制。此外,探讨超声振荡作用对电沉积过程中纳米晶Ni动态再结晶生长的影响机理,以及不同择优取向的Ni生长织构与其表面力学性能改善的关联性。结果表明：在纳米多孔Ti基体表面预生长Pd原子来诱发后续的电沉积纳米晶Ni进行异质形核生长,成功实现“钻孔钉扎”生长模式,提高了Ti/Ni间的界面结合力,部分界面达到冶金结合效果;纳米压痕测试结果表明,在Ti基体表面电沉积生长纳米晶Ni镀层,显著提高了其表面的强韧性,硬度与弹性模量可分别达15.6与197.2 GPa;同时,大幅度提高了Ti基体表面抗摩性,摩擦系数比Ti基体降低约1/2,其表面磨损形貌由Ti基表面的切削磨损转变为在轻微磨粒磨损条件下的黏着磨损机制,可有效弥补Ti金属在工程上耐磨性差的缺点。     

海藻希瓦氏菌对Zn-Al-Cd牺牲阳极的腐蚀性能影响

从锈层中分离出黄色细菌,经分子生物学技术鉴定为海藻希瓦氏（Shewanella algae,SA）菌.采用分光光度法研究了其生长曲线的变化,发现该细菌的生长分为3个阶段:指数生长阶段、稳定阶段和衰亡阶段.采用电化学交流阻抗技术、扫描电镜和荧光显微技术等方法研究了SA菌对Zn-A1-Cd牺牲阳极材料腐蚀行为的影响.结果表明,含SA菌培养基的试样的开路电位要高于无菌培养基中试样的电位,电荷传递电阻R_ct值大于无菌培养基的R_ct值,说明该SA菌能够抑制试样的腐蚀.分析原因是细菌在试样表面形成生物膜,隔离了腐蚀介质与试样的接触,同时,细菌的生长消耗了氧气,抑制了腐蚀的发生;试样在含SA体系中,5 d时,其表面覆盖比较致密的生物膜;而在不含细菌的体系中,试样表面有明显的腐蚀坑;试样在含SA体系中7 d时,生成比较完整的生物膜,随着体系中营养物质及氧气的减少,SA菌逐渐减少,11 d后试样表面附着的SA菌所剩不多.     

304不锈钢表面聚吡咯纳米结构的构建及其抗细菌粘附性能

目的在304不锈钢表面制备抗细菌粘附的聚吡咯涂层。方法采用电化学无模板方法,在304不锈钢表面构建具有超疏水性能的纳米锥结构聚吡咯涂层,实现抗细菌粘附的功能。利用扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱分析了聚吡咯涂层的表面形貌和化学成分,同时采用X射线光电子能谱技术表征了涂层的元素组成,采用接触角仪测试了涂层的亲疏水性,采用原子力显微镜的Kelvin探针力显微镜模块研究了涂层的表面电势,通过平板计数法研究了聚吡咯涂层的抗细菌粘附特性,并进一步通过扫描电子显微镜观察了细菌在涂层表面的粘附情况。结果通过两次电化学聚合在304不锈钢表面构建了萘磺酸掺杂的纳米锥结构聚吡咯涂层,该涂层的接触角为121.1°,具有较强的疏水性,平滑结构聚吡咯和纳米锥结构聚吡咯的表面电势分别为(136±3)mV和(335±3)mV。大肠杆菌粘附实验结果表明,大肠杆菌几乎不粘附于纳米锥结构聚吡咯表面,纳米结构的聚吡咯涂层具有抗细菌粘附的性能。结论纳米锥结构聚吡咯具有较强的疏水性,同时具有高的表面电势,从而使细菌与表界面的相互排斥力大于吸引力,因此纳米锥结构聚吡咯具有抗细菌粘附的性能。     

基于飞秒激光和自组装技术提高树脂涂层疏水性的工艺

目的 针对超疏水涂料功能持久性差的问题,提出一种将飞秒激光加工技术与微球近场效应原理相结合在氟化有机硅树脂表面制备微纳米仿生结构的解决方案。方法 模仿蝴蝶翅膀鳞片微结构特征,以平滑的氟化有机硅树脂表面为基体,采用纳米自组装技术在其表面生长一层二氧化硅微球薄膜,然后设置飞秒激光器的参数,利用激光脉冲能量加工单层二氧化硅微球薄膜,二氧化硅微球颗粒对激光能量有进一步的聚焦加强作用,可以加工微纳米尺寸的结构。重点研究激光功率和扫描速度等参量对氟硅树脂图案形貌及疏水性的影响,并对比分析超疏水涂料和仿生微纳米表面的疏水功能持久性。结果 激光扫描速度和功率参量对仿生表面疏水性能的影响较大,在激光功率为9 mW、扫描速度为10 mm/s、加工间距为10μm时可以获得最佳疏水性能,其接触角达到150°以上,通过常用的摩擦磨损测试实验,对比分析实验结果发现,氟硅树脂层经历200～1000次摩擦后,其接触角（CA）的下降幅度低于传统涂料组,说明具有仿生纳米坑结构的表面的耐磨性更强。结论 利用飞秒激光加工的纳米微孔阵列结构可以明显提高氟硅树脂的疏水特性,并具有优异的持久性。     

Ag/TiO2纳米复合材料的结构及抗菌性能研究

采用化学氧化法在金属Ti表面制备出了多孔纳米TiO2,通过离子束溅射在TiO2表面沉积纳米Ag,最终在Ti表面制备出Ag/TiO2纳米复合材料.利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM),电子探针(EPMA)等分析手段分析了500℃热处理条件下,不同Ag含量对TiO2晶型转变的影响及结构变化.同时,采用细菌生长的抑菌圈法进行测试,研究了Ag/TiO2纳米复合材料对不同菌种的抗菌性能的影响.结果表明:通过化学氧化法和离子束溅射相结合的方法可以得到具有优异抗菌性能的Ag/TiO2纳米复合材料.     

纳米银/氧化细菌纤维素复合抑菌材料的制备和表征

本实验采用高碘酸钠将细菌纤维素C6位的羟基氧化成醛基,同时利用醛基化合物与银氨络合物Ag(NH3)2+的反应,制备了纳米银/氧化细菌纤维素复合抑菌材料。分析了纳米颗粒的形成机制,考察了复合材料的银含量、表面形貌、纳米银粒径和结晶结构等;同时研究了复合材料对金黄色葡萄球菌的抑菌效果和对胎鼠表皮细胞增殖的影响。结果表明,AgNPs-DBC复合材料能抑制细菌的生长,同时不影响表皮细胞的正常增殖和分化,是一种潜在的创伤修复材料。     

碱热处理对Ti-3Cu合金表面特征及抗菌性能的影响

研究了碱热处理对抗菌钛合金显微组织、表面粗糙度、接触角及抗菌性的影响规律,探讨了碱热处理应用于Ti-3Cu表面生物改性的可能性。结果表明:碱热处理后在钛合金表面形成一层钛酸盐凝胶层,表面分布有大量尺寸约100nm的纳米级微孔,这使得合金的粗糙度降低,但合金表面的亲水性提高。合金表面钛酸盐凝胶层的形成使得合金的抗菌性能由处理前的92%降低到碱热处理后的71%。细菌的粘附实验也证实碱热处理一定程度上降低了合金的抗菌性能。分析认为,表面形成的钛酸盐凝胶层部分阻断了合金中抗菌相Ti_2Cu与细菌的接触,因此降低了合金的抗菌效果。     

假冠醚结构稳定的金纳米粒子在MWNTs表面的自组装

叙述了一个有效的由聚乙二醇形成假冠醚结构稳定的金纳米粒子在多壁碳纳米管(MWNTs)表面自组装研究。MWNTs在H2SO4-HNO3溶液中经氧化修饰上羧基和羟基之后,以光化学合成和晶种媒介生长法制备的胶体金纳米粒子被直接附着在其表面上。通过对Au/MWNTs复合物的TEM表征,研究了金纳米粒子尺寸对MWNTs表面自组装的影响;同时探讨了金纳米粒子对MWNTs表面自组装的驱动力。     

热处理对n-ZrO2/Ni复合刷镀层接触疲劳性能的影响

采用电刷镀技术制备了n-ZrO2/Ni纳米复合镀层,研究了镀层的接触疲劳性能.结果表明,含有纳米颗粒的复合镀层表面比较细腻,但由于镀层脆性较大,其接触疲劳性能较纯镍镀层差;复合镀层经热处理退火(400℃×30min)后,其接触疲劳性能有较大提高.镀层疲劳断口的SEM分析表明,n-ZrO2/Ni纳米复合镀层脆断特征明显,退火处理能使其脆性得到改善.     

表面机械研磨处理制备纳米晶Ni的晶粒生长动力学

利用表面机械研磨处理(SMAT)技术在纯Ni上制备一定厚度的纳米晶表层,利用X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)研究了纳米晶Ni的晶粒生长动力学,计算了描述晶粒生长动力学的时间指数n和晶粒生长激活能Q.研究表明,纳米晶Ni在423～723 K退火时的时间指数n约为0.14.当纳米晶Ni在423 ～523 K退火时,其晶粒生长激活能Q为32.1 kJ/mol,表明在这一温度区间内晶粒生长由晶界和亚晶界的微结构重新排列所控制;当纳米晶Ni在523～723 K退火时,晶粒生长激活能Q为121.3 kJ/mol,表明在这一温度区间内晶粒生长由晶界扩散所控制.TEM观察表明纳米晶Ni在较高温度下退火时出现异常的晶粒长大现象.     

纳米生物材料

生物材料要求必须具有良好的生物相容性、可吸收性、无毒和无蓄积性。它是以医用为目的，用于和活体组织接触，且具有功能的无生命材料。生物材料包括金属材料、无机材料和有机材料３大类。应用纳米技术制成的纳米金属和纳米生物材料具有许多令人惊奇的特性。如纳米金属毒性低，其传感特性和弹性模量可接近正常的天然生物组织，可使细胞在其表面生长，并具有修复病变组织的功能。在医学方面，纳米技术提供的可塑性纳米溶胶制剂超越了外科植入手术的局限性，使植入剂具有与天然材料相同的表面特性和同质性，如英国科学家最近研制的模仿人体的…     

生物植体表面活化改性(英文)

研究目标是建立通用的纳米级表面涂层技术, 修改粗糙的钛表面化学牙种植体,同时保持微米级水平的表面形貌。以表面形貌调控表面化学,可能会引起生物活性、加速植入种植体表面的整合、缩短移植后的愈合时间。羟基磷灰石(HA)具有生物相容性和骨传导材料特点,HA 涂层具有促进骨骼生长的优点,但涂层易脱落,有混合晶相弊端。本文介绍了凯美特(Chemat)公司的一项新技术(BioFun),即设计一种新型室温自组装,在粗糙度为微米级水平的植体表面来制备纳米级促进骨生长表面。表面经过发射扫描电镜,X 射线光电子能谱,EDS 和 SMM 分析得到表征。生物相容性和生物植入物的表面活性研究在动物体外和体内进行。在动物体外,大鼠骨髓基质干细胞培养试验表明新型植体表面技术是生物相容的,也是无毒的。纳米羟基磷灰石植入已通过官能 10993 生物相容性面板测试。实验植入物或无 HA 纳米粒子的手术放置在植入大鼠股骨和推入式测试后 2 个星期愈合。这些数据表明,HA 纳米粒子沉积加速早期骨整合的过程,可能增加其剪切粘结强度。总之,BioFun 技术可创建一个纳米尺度的成骨表面,HA 纳米颗粒沉积并没有改变钛基板的预期微观形貌,而创造了新的纳米级...     

冲击载荷下应变诱导高锰钢表层组织纳米化机制

利用高分辨电子显微术,对高能冲击接触加载下高锰钢摩擦表面塑变诱导纳米晶形成机制进行了研究,结果表明,冲击接触加载下,高锰钢冲击接触表面由纳米尺度奥氏体与非晶组成,位错反应和重组以及高密度孪晶在奥氏体纳米化过程中起重要作用;微小孪晶与层错之间或层错与位错之间的相互作用,使晶体向非晶转变,随着非晶数量增加,纳米晶尺度减小。     

纳米级粗糙表面接触行为的分子动力学模拟

为了研究纳米级粗糙表面接触的微观机理,以金刚石为例,采用Tersoff势,用分子动力学方法研究了具有分形粗糙表面的刚性球形探头与弹性平面的接触过程.模拟结果显示,探头的表面形貌是影响趋近阶段粘附力的重要因素,分形维数越大,粘附力越大;探头的表面形貌对载荷-位移曲线也有影响,载荷较小时,探头表面粗糙形貌显著影响载荷的增长规律,载荷较大时,表面形貌对载荷-位移曲线变化的影响不再显著,载荷与位移线性增长;探头表面的纳米级粗糙峰,显著地影响了探头与基体之间的接触行为.但这种改变,并不会影响接触过程中真实接触面积与法向载荷间的线性关系.     

单晶锗纳米切削过程分子动力学仿真与实验研究

为深入理解单晶锗纳米切削特性,提高纳米锗器件光学表面质量,采用三维分子动力学(MD)模拟方法研究了单点金刚石压头与单晶锗表面的接触和滑动过程。研究了压头在滑动切削过程中的材料变形、切削力、切屑堆积、表面形貌尺寸。仿真结果表明,随着垂直载荷的增加,切削力、表面形貌尺寸、切屑堆积在接触过程中逐渐增加,且与切削速度无明显关联。切削过程中切削力波动的根本原因是由于单晶锗晶格破坏引起位错的产生和能量波动。为了验证仿真结果的正确性,使用纳米划痕仪对单晶锗进行了纳米切削实验。实验结果与仿真结果一致,验证了MD模型的正确性和有效性。     

单晶锗纳米切削过程分子动力学仿真与实验研究（英文）

为深入理解单晶锗纳米切削特性,提高纳米锗器件光学表面质量,采用三维分子动力学(MD)模拟方法研究了单点金刚石压头与单晶锗表面的接触和滑动过程。研究了压头在滑动切削过程中的材料变形、切削力、切屑堆积、表面形貌尺寸。仿真结果表明,随着垂直载荷的增加,切削力、表面形貌尺寸、切屑堆积在接触过程中逐渐增加,且与切削速度无明显关联。切削过程中切削力波动的根本原因是由于单晶锗晶格破坏引起相变的产生和能量波动。为了验证仿真结果的正确性,使用纳米划痕仪对单晶锗进行了纳米切削实验。实验结果与仿真结果一致,验证了MD模型的正确性和有效性。     

化学机械抛光中的接触状态研究概述

化学机械抛光是获取高表面平整度的有效关键技术,获得了广泛的研究和应用,其表面材料的去除作用依赖于所处的真实接触状态。归纳了抛光垫/晶圆相互作用的形式,即相互滑过而没有直接接触、混合润滑和直接接触。分析了接触状态及其转变过程中的影响因素,包括抛光垫的变形、釉化和磨损,抛光液中磨粒的影响及表面活性剂对钝化层厚度的改变等。重点总结了化学机械抛光中接触状态问题的研究进展,包括光学显微镜测量计算接触面积比、薄膜传感器测量接触面积比、利用双发射激光诱导荧光技术测量抛光液厚度、抛光垫表面形貌演变对材料去除速率的建模等方法的特点及存在的问题。最后提出了纳米间隙测量技术测量化学机械抛光中接触率动态变化,从而得到真实接触状态和接触状态转变规律的新思路。     

Au修饰WO_3纳米棒阵列的制备及其表面拉曼增强效应

研究了一种Au修饰WO_3纳米棒阵列作为高灵敏的表面拉曼增强基底。WO_3纳米棒阵列采用低温水热法生长在导电玻璃(FTO)上,然后通过离子溅射镀上Au颗粒赋予其表面拉曼增强活性。利用XRD、SEM、TEM对所制基底进行了表征,用罗丹明(R6G)作为探针分子检测了Au修饰WO_3纳米棒阵列基底的表面增强拉曼活性。研究结果表明,WO_3纳米棒截面为矩形,长宽为几十纳米,且表面均匀分布了直径为5 nm左右的Au颗粒。这种基底对R6G有很高灵敏度,检测限可达10~(-8 )mol/L,对于快速检测其他有机污染物具有很大的潜力。     

金属表面疏水性研究进展

表面疏水性是近年来科学研究的热点。在生活中观察到荷叶表面上的水滴呈现圆球状,并能在荷叶上滚动而带走灰尘。研究发现荷叶表面具有优越的疏水性和自清洁特性,主要是由其表面微观的粗糙结构和低表面能物质共同引起的。概述了荷叶表面疏水性产生的原因,指出由于荷叶表面存在大量的微米级乳突,在这些微米级乳突上还有一些纳米级结构,这种纳米级结构正是引起荷叶表面超疏水的根本原因。归纳了疏水性表面的重要理论,其中,Young方程针对平整、光滑表面,将液滴在光滑表面上的张力和接触角联系起来;Wenzel模型是在Young方程的基础上引入了粗糙度因子,Wenzel模型中液滴形成的是一种非复合式的润湿状态,液滴和固体表面完全接触;Cassie方程是Wenzel模型的延伸,液滴和固体之间不再是单纯的非复合式接触,而是混有一定空气的复合式接触。在此基础上,综述了近年来表面疏水性的制备方法,包括化学法、特种加工法和微切削法等,最后展望了疏水性表面目前存在的问题。