原创 无氢氟蚀刻剂中钛选择性湿蚀刻铜的研究

引言

众所周知，微尺度和纳米尺度的地形结构对真核细胞和原核细胞的行为都有显著的影响。例如，具有特殊尺寸的纳米线、纳米柱、纳米管已被证明具有抗菌性能。开发这种结构提供了一种无药物的方法来对抗感染，这被认为是一种替代释放抗菌剂的常见抗菌表面的替代品。这种地形的特征（如形状、高度/深度、直径、空间和空间排列）也可以用来注入干细胞命运的重要因素。因此，利用纳米尺度的地形图是实现植入物所需的生物功能的一种强有力的方法，如改善骨整合（即整合到宿主骨组织中）和抗菌特性。

RIE可以在大面积上快速生成仿生的、高纵横比的纳米结构，而不需要任何面具。Tis工艺已被应用于创建具有抗菌性能的bSi地形，然而，硅并不是骨科植入物材料的合适选择。钛及其合金代表一个最重要的生物材料，骨科和牙科应用由于属性的组合如细胞相容性、耐腐蚀，低密度，相对较低的弹性模量与其他金属生物材料。因此，在钛基质上创建RIE地形在临床上具有高度相关性。

实验与讨论

这项工作的目的是作为降低其在钛植入物更理想的表面生物功能方面的潜力的必要步骤，研究ICP RIE条件对钛表面结构的形貌、亲水性和力学性能的影响。英思特研究的ICP RIE条件为：时间、射频和ICP功率、腔室压力、温度和气体组成。我们采用纳米压痕法测量了三种ICP RIE纳米级结构的弹性模量和硬度。在鉴定之后，通过使用植入物相关感染中常见的菌株和革兰氏阴性菌，以及培养成骨前细胞，初步评估了ICP RIE处理表面的抗菌特性和细胞相容性。

一分钟的蚀刻不足以形成任何清晰的蚀刻结构（图1a、b）。此外，这些标本在ICP RIE后的颜色没有变化。5分钟后可在表面形成黑色Ti纳米结构（图1c、d）。在此条件下，Te非常短的纳米柱相互连接，形成一个多孔网络（图1c）。在这项研究中，我们将纳米柱之间的连接称为“支柱”（图1c中有两个红色箭头显示其中一个）。钛晶界分布良好，如图2c、e所示。在此条件下，纳米柱的Te长度为478±70nm（图1g），支柱的厚度为25.2±7.5nm。随着从5 min增加到20 min，纳米结构的长度增加到1.4±0.2µm（图1f，g），而纳米结构的支柱与5 min的厚度几乎相同（图1）。

腔室压力对蚀刻表面的形态和润湿性的影响。随着压力的增加，纳米颗粒的长度和润湿性逐渐减小。此外，蚀刻更为全方位，柱侧壁不再垂直。

对于在0°C下生产的样品，其表面相对较厚，纳米结构彼此紧密相连（图2a，b）。在此条件下，纳米柱的Te长度为0.6±0.1µm（图2）。当温度升高到20°C时，侧壁的蚀刻速率提高，纳米结构开始相互分离（图2c，d）。在较高的温度下（如40°C和60°C），形成了更高的纳米柱和更大的孔隙（图2e，g）。单个纳米柱可识别，并具有测量其直径的可能（图2f，h)。与纳米结构的形状和轮廓无关，蚀刻速率从0°C到40°C几乎是线性关系（图2）。在60°C时，观察到一个急剧的增加（图2）。

图1：使用不同的Δt值创建的Ti纳米结构的扫描电镜显微图

图2：使用不同的腔室温度值创建的钛纳米结构的扫描电镜显微图

结论

在本研究中，英思特全面地评估了主要的ICP RIE工艺参数对钛上所产生的纳米结构特性的影响。通过系统地改变ICP RIE参数，可以产生具有不同形状、长度、直径、表面润湿性和力学性能的纳米结构。Te蚀刻的形态包括多孔结构和不同直径（26-76nm）、长度（0.5-5.2µm）的纳米孔结构和聚类程度。纳米柱的长度和形状是对ICP RIE工艺条件最敏感的特征。接触角测量结果表明，Ti ICP RIE纳米结构具有亲水性，水接触角在7°±2°和57°±5°之间。研究发现，腔室的Te压力对所产生的纳米结构的形成有重大影响。