TiO2-Ag復合薄膜的制備及其抗菌性能

李 綱,付 濤

(1.重慶理工大學 化學化工學院， 重慶 400054； 2.西安交通大學 生命科學與技術學院， 西安 710049)

鈦及其合金因具有密度低、彈性模量較小、機械加工性能優、耐腐蝕能力強和生物相容性好等諸多優點，而成為目前最具有實用價值的生物醫用金屬材料，在人體硬組織替代和修復醫用領域顯示出廣闊的應用前景[1]。然而，隨著鈦及其合金在臨床上使用數量的增加，由周圍炎癥引起的植入體感染繼而導致植入失效的案例也相應增多。因此，如何對生物醫用鈦及合金在植入人體后可能發生的感染進行有效預防，借此來提高植入手術的成功率，越來越受生物醫用材料和臨床醫學領域的重視。

對鈦及其合金進行表面抗菌化處理是實現上述目標的有效手段之一。研究表明，在基體表面引入純的或者改性的TiO2涂層后，在紫外光或可見光的參與下，它們將具有良好的殺菌能力。然而，TiO2涂層的半導體特性使得它們在無光線介入時表現出的滅菌效果較差[2-3]。因此，賦予生物醫用鈦及合金材料在類似體內的暗光環境下亦具有高抗菌活性具有十分重要的臨床實際意義。Ag具有廣譜的抗菌活性，耐久性好，且對正常細胞的毒性較低，加之其易于與多種材料復合，因此成為近年來對鈦及其合金進行表面抗菌化處理的首選材料。迄今為止，已有磁控濺射[4]、微弧氧化[5]、離子注入[6]、熱驅動分解[7]、水熱還原[8]等方法被報道用于鈦及其合金表面的Ag負載，并且采用這些方法制得的載銀涂層在暗光環境下都顯示出良好的抗菌效果。郭楊陽等[4]采用磁控濺射法在醫用鈦合金Ti6Al4V表面制備出了Ti-Ag及Ti-Ag-N薄膜，兩種薄膜對大腸桿菌均有較好的抗菌性，且后者的抗菌性能更為優異。余森等[5]采用兩步微弧氧化法在Ti6Al4V表面制備出載銀多孔涂層，它們在與金黃色葡萄糖球菌作用1 d后殺菌率可達96.94%。

本研究嘗試采用兩步法來制備含Ag的二氧化鈦抗菌膜層，即將鈦片置于H2O2-KCl的混合溶液中進行水熱處理，繼而煅燒后獲得鈦基TiO2晶態多孔薄膜；隨后將該鈦基薄膜放入AgNO3水溶液中，利用晶態TiO2在紫外光激發下產生的光生電子具有還原能力的特性來進行光化學沉積載Ag，從而得到TiO2-Ag復合結構。本研究將重點考察紫外光照射時間對鈦基TiO2薄膜表面載銀的影響，并以大腸桿菌為實驗菌種，采用覆膜-平板計數法對經歷不同照射時間所得到的Ag-TiO2復合薄膜的抗菌性能進行評價。

1 實驗

1.1 TiO2薄膜的制備

將純鈦片(純度99.9%，厚度0.3 mm)剪切成10 mm×10 mm的方形試樣，經化學拋光后，依次用無水乙醇和去離子水超聲清洗干凈。隨后，將鈦片移入容積為100 mL的聚四氟乙烯反應釜中，釜內裝有20 mL溶有KCl的H2O2溶液，KCl的濃度為1 mol/L。將反應釜密封，置于鼓風干燥箱中于95 ℃反應20 h。待反應結束后，將鈦片取出用去離子水反復沖洗，然后自然晾干。為了得到具有結晶態的TiO2膜層，將晾干的鈦片置于馬弗爐中煅燒，熱處理溫度為450 ℃，熱處理時間為2 h。

1.2 Ag-TiO2復合薄膜的制備

采用光沉積法制備載Ag二氧化鈦薄膜。將熱處理過的鈦基TiO2薄膜浸泡在35 mL濃度為25 mmol/L的硝酸銀水溶液中，用高壓汞燈(功率300 W，主波長365 nm)照射，高壓汞燈和液面的距離約14 cm。到達設定的照射時間后，立即從溶液中取出鈦片并用去離子水沖洗，然后自然風干。為了探索照射時間對薄膜表面光化學沉積Ag的影響，控制高壓汞燈照射的時間分別為10、20和30 min。

1.3 材料表征

使用日本日立公司的S4800型掃描電子顯微鏡觀察樣品的形貌。樣品的晶相結構用X射線衍射表征，在日本理學D/max 2500PC全自動粉末X射線衍射儀上完成。利用LabRAM HR800型共聚焦顯微拉曼光譜儀對樣品進行拉曼光譜檢測，激光器波長為633 nm。X射線光電子能譜測試在Kratos XSAM-800型能譜儀上完成。Al靶、Kα射線作為發射源，分析儀器使用標準Au和Ag進行校正。

1.4 抗菌性能評價

以大腸桿菌為實驗菌種，采用覆膜-平板計數法來評價試樣的抗菌性能。實驗前對培養皿、細菌培養管等進行高溫蒸汽滅菌，試樣和濾膜用紫外光滅菌，每面均照射30 min。把經過隔夜活化的大腸桿菌菌液稀釋一定倍數后，取10 μL滴加在試樣表面，用相同面積的濾膜覆蓋，室溫避光作用3 h。隨后把覆有濾膜的試樣放入細菌培養管，加入3 mL無菌水，充分震蕩后取100 μL，滴加到鋪好的無菌LB固體培養基上，用無菌涂布器涂布均勻。把接種的培養基在37 ℃培養箱中有氧培養24 h，用數碼相機拍照，觀察菌落數量。

2 結果與討論

2.1 SEM分析

圖1(a)是將鈦片置于H2O2-KCl溶液中水熱處理后其表面的SEM圖片。由圖可知，鈦片經歷水熱處理后，在其表面生成了數量可觀的納米片。這些納米片垂直于基體表面取向生長，且彼此之間相互交叉，形成開放的陣列多孔結構。從放大圖片可知(見圖1(b))，單個納米片的厚度約10～30 nm。根據納米片的幾何形狀，可以判斷出在鈦片基體上形成的陣列薄膜的厚度僅有數百納米。圖1(c)～(d)是鈦基納米片陣列薄膜經歷熱處理后的SEM。由圖可知，熱處理前后鈦基納米片陣列膜的形貌未發生顯著的變化。從圖1(e)～(f)可以觀察到：將熱處理過的鈦基納米片陣列膜浸泡于AgNO3溶液中經歷10 min的紫外光照射，有數量較多的納米顆粒在其表面均勻沉積，它們的尺寸約 10 nm。對比紫外光照射前后薄膜的SEM圖片，推測這些顆粒應該為含Ag物種。圖1(g)～(j)顯示，隨紫外光照射時間的延長，這些納米顆粒的尺度有明顯的增加，從約25 nm增至約40 nm，并出現聚集生長的趨勢，分散性變差。

(a)～(b)水熱處理; (c)～(d) 煅燒后; (e)～(f) 光沉積10 min; (g)～(h)光沉積20 min; (i)～(j)光沉積30 min。

2.2 XRD分析

圖2(a)是將鈦片置于H2O2-KCl溶液中進行水熱處理后其表面的XRD譜。譜圖上除了有歸屬于α-Ti的強衍射峰外(JCPDS no.44-1294)，未見有歸屬于TiO2的衍射峰存在，表明鈦片表面垂直于基體生長的納米片薄膜是非晶態的。將鈦基納米片薄膜于450 ℃熱處理2 h后，其XRD譜如圖2(b)所示。該譜圖中除了鈦的特征衍射峰出現外，在2θ=25.3°處還出現了一個較為微弱的衍射峰，該峰對應于銳鈦礦型TiO2的(101)晶面(JCPDS no.21-1272)，這表明通過水熱反應在鈦片表面獲得的薄膜經歷后續熱處理后從無定形態轉變成了銳鈦礦型。將該鈦基TiO2薄膜置于AgNO3溶液中，用高壓汞燈照射30 min后，樣品的XRD譜如圖2(c)所示。由圖可知，在2θ=38.1°、44.3°、64.5°和77.4°處出現了4個新衍射峰，分別對應于單質Ag的(111)、(200)、(220)和(311)晶面(JCPDS no.87-0717)，證實經紫外光照射后，在樣品表面成功得到了Ag-TiO2復合結構。

(a) 水熱處理; (b) 煅燒后; (c) 光沉積30 min

2.3 拉曼光譜分析

為進一步確認熱處理后樣品的物相組成，采用共聚焦顯微拉曼光譜儀對其進行拉曼光譜測試，結果如圖3所示。由圖可知，在145.6、207.3、398.1、520.6和641.1 cm-1處出現了5個明顯的拉曼響應峰，分別對應于銳鈦礦型二氧化鈦晶格的Eg(1)、Eg(2)、B1g(1)、A1g(1)+ B1g(2)和Eg(3)拉曼活躍模式[9-10]。拉曼光譜結果進一步證實，鈦片經由水熱反應并煅燒處理后在其表面獲得了銳鈦礦型的晶態TiO2薄膜。

圖3 水熱處理-熱處理樣品的Raman光譜

2.4 XPS分析

為了分析樣品的表面成分和各元素的化學價態，選擇光化學沉積20 min的樣品進行XPS測試，所得全譜如圖4(a)所示。由譜圖可知，樣品含有Ti、O、Ag及C元素，其中電子結合能位于284.8 eV處出現的C 1s信號來源于儀器自身的污染碳。圖4(b)為Ti 2p的高分辨XPS掃描譜。由圖可知，Ti 2p譜包含兩個峰，峰值分別位于458.6 eV和464.2 eV 處，對應于Ti 2p3/2和Ti 2p1/2的電子結合能。兩峰的峰型對稱，電子結合能差值為5.6 eV，證實Ti元素以TiO2的形式存在[11-12]。這與本文的XRD以及Raman光譜結果完全吻合。圖4(c)為O 1s的高分辨XPS掃描譜。該譜圖可以擬合為兩條曲線，峰值分別為530.1 eV和531.7 eV，與晶格氧(Ti-O)及化學羥基氧(-OH)的電子結合能值分別相對應[13-14]。Ag 3d掃描譜(圖4(d))顯示該譜包含兩個峰型對稱的峰，峰值分別位于電子結合能368.2 eV和374.2 eV處，電子結合能差為6.0 eV，這是Ag以單質態形式存在的判據[15]。XPS結果證實，在鈦片表面成功得到了TiO2-Ag復合結構。

2.5 抗菌性能評價

圖5是不同制備條件下所得樣品在暗光環境下對大腸桿菌的抗菌實驗結果。對未負載Ag顆粒的鈦基TiO2薄膜樣品而言，接種后的培養基經24 h有氧培養后，在培養皿中可以觀察到大量細菌菌落(圖5(a))，表明該鈦基TiO2薄膜不具有抗菌性能。而對于紫外光照射10、20及30 min后得到的載Ag-TiO2薄膜樣品，在培養皿中已觀察不到細菌菌落出現(圖5(b)～(d))，表明此3種含Ag二氧化鈦復合薄膜均具有良好的抗菌活性。

圖4 紫外光下沉積20 min所得樣品的XPS譜

圖5 樣品的抗菌實驗結果

3 結論

1) 采用水熱處理-光化學沉積兩步法在鈦片表面成功構筑出復合TiO2-Ag薄膜。將鈦片置于KCl-H2O2溶液中水熱處理并經后續煅燒，在其表面獲得了垂直基體取向生長的銳鈦礦型TiO2納米片陣列多孔薄膜。隨后在AgNO3水溶液中對該薄膜進行紫外光照射，在其表面得到了以單質形態存在的Ag納米顆粒。

2) 紫外光照射時間對薄膜表面Ag的沉積有較大的影響，隨照射時間的增長，Ag納米顆粒的尺度逐漸從約 10 nm增大至約40 nm，且分散性變差。

3) 大腸桿菌的覆膜-平板計數法實驗結果表明：3種TiO2-Ag復合薄膜對大腸桿菌均顯示出良好的抗菌效果。