為了使手術(shù)器械具有疏水抗菌性，我們?cè)谑中g(shù)器械表面制備了具有微納米結(jié)構(gòu)的Cr/CrN/Cu-TiN膜。基體表面微納米化用化學(xué)刻蝕法，膜層制備用高功率脈沖磁控濺射法，試樣檢測(cè)用SEM、EDS、接觸角測(cè)量?jī)x和涂層附著力自動(dòng)劃痕儀等。試樣薄膜抗菌元素Cu 含量隨偏壓增大從3.09%降到1.77%；膜基結(jié)合力隨偏壓增大呈先增后減趨勢(shì)，-50 V 時(shí)膜基結(jié)合力最大，為34 N；比較基體未經(jīng)刻蝕處理和經(jīng)過(guò)微納米化刻蝕處理的試樣的疏水性，差異明顯，前者的水接觸角為78°，后者的水接觸角為132°。

　　在當(dāng)代醫(yī)學(xué)科學(xué)和診療技術(shù)迅速發(fā)展的形勢(shì)下，隨著人體器官移植、心臟手術(shù)、人工關(guān)節(jié)置換、顯微外科、微創(chuàng)外科等高難度手術(shù)的開(kāi)展，外科技術(shù)對(duì)手術(shù)器械的清洗、消毒和滅菌要求越來(lái)越高。目前臨床使用的手術(shù)器械均為鍍Ni 或Cr的不銹鋼和鈦合金器械，自身無(wú)抗菌和抗粘附性能，術(shù)后都要進(jìn)行復(fù)雜的清洗消毒殺菌處理，而且要對(duì)手術(shù)器械徹底清洗消毒殺菌，需要購(gòu)買(mǎi)成套昂貴的設(shè)備。對(duì)于條件一般無(wú)力購(gòu)買(mǎi)昂貴的設(shè)備的醫(yī)療機(jī)構(gòu)，術(shù)后手術(shù)器械清洗消毒與滅菌不徹底，最終導(dǎo)致臨床手術(shù)交叉感染患者。

　　目前還未見(jiàn)在手術(shù)器械表面沉積抗菌抗粘膜的文獻(xiàn)報(bào)道，針對(duì)手術(shù)器械存在的上述缺陷，我們提出在手術(shù)器械表面高功率脈沖磁控濺射制備Cr/CrN/Cu-TiN 抗菌抗粘膜，Cr/CrN 為過(guò)渡層，作用是提高膜基結(jié)合力，Cu-TiN 為表層工作層，其中Cu 為抗菌元素，TiN 具有良好的耐磨耐蝕和生物相容性。高功率脈沖磁控濺射法與常規(guī)磁控濺射法相比具有更高的離子離化率，沉積的薄膜膜基結(jié)合強(qiáng)度、致密度、均勻性和繞射性更好。本文研究?jī)?nèi)容是偏壓對(duì)膜成分、膜基結(jié)合力的影響規(guī)律和表面形貌對(duì)膜疏水性的影響規(guī)律等。

1、實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)采用的高功率脈沖磁控濺射沉積系統(tǒng)如圖1 所示，主要由靶電源，偏壓電源，勵(lì)磁電源，真空系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)等組成。

圖1 高功率脈沖磁控濺射沉積系統(tǒng)示意圖

　　實(shí)驗(yàn)用靶材為純度99.99%的Cr 靶和純度99.99%自制Ti 鑲嵌Cu 靶，工作氣體為99.999%的Ar 和N2，基體為1Cr18Ni9Ti 不銹鋼片。先分別用酒精和蒸餾水清洗不銹鋼片，然后用配制的化學(xué)刻蝕液(4 g FeCl 3.6 H2O，2 ml HCl 溶液，2 mlH3PO4 溶液，30 ml 蒸餾水)刻蝕10 min，再用蒸餾水清洗干凈被刻蝕的不銹鋼片并吹干，后放入沉積系統(tǒng)真空室內(nèi)高功率脈沖磁控濺射清洗和沉積Cr/CrN/Cu-TiN 膜。

　　采用掃描電子顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行表面形貌分析，能譜儀進(jìn)行膜成分百分含量測(cè)定。采用WS-2005涂層附著力自動(dòng)劃痕儀對(duì)試樣進(jìn)行膜基結(jié)合力測(cè)定，加載載荷為50 N，加載速度為50 N/S，劃痕長(zhǎng)度為4 mm。JC2000C 接觸角測(cè)量?jī)x對(duì)試樣進(jìn)行抗粘性檢測(cè)，用接觸角表征。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　2.1、偏壓對(duì)膜Cu 含量的影響

　　圖2 是不同偏壓下制得Cr/CrN/Cu-TiN 膜的能譜圖，薄膜主要由Cr、Ti、Cu 和N 組成。偏壓分別為-30 V、-50 V、-70 V 和-90 V 時(shí)，膜層中抗菌元素Cu 含量從3.09%降到1.77%。隨著偏壓增大，抗菌元素Cu 百分含量逐漸下降。銅的濺射閥值低于Ti 的濺射閾值，銅粒子到達(dá)基體的能量更高，隨著偏壓增大，對(duì)其二次濺射作用越來(lái)越明顯，沉積量減少。

圖2 不同偏壓下制備的Cr/CrN/Cu-TiN 膜的能譜圖

　　2.2、偏壓對(duì)膜膜基結(jié)合力的影響

　　薄膜和基體的界面結(jié)合強(qiáng)度是薄膜最重要的性能之一，其值高低直接影響實(shí)際使用效果。薄膜殘余應(yīng)力由兩部分組成，分別是膜與基體材料熱膨脹系數(shù)不同引起的熱應(yīng)力和膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)引起的內(nèi)應(yīng)力。圖3 是不同偏壓下制得Cr/CrN/Cu-TiN膜的劃痕形貌，隨著偏壓增加，膜基結(jié)合力出現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，-50 V 時(shí)最大，達(dá)到34 N。隨著偏壓增大，離子被加速獲得更高的能量，對(duì)膜的轟擊效應(yīng)增強(qiáng)，膜層組織不僅由疏松向致密轉(zhuǎn)變，而且偽擴(kuò)散層得到寬化，膜基結(jié)合力得到提高，當(dāng)偏壓增加到一定值后，離子能量過(guò)高，這種轟擊效應(yīng)引起膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷產(chǎn)生高壓內(nèi)應(yīng)力，膜基結(jié)合力降低。

圖3 不同偏壓下制備的Cr/CrN/Cu-TiN 膜的劃痕形貌圖

　　2.3、表面形貌對(duì)膜疏水性的影響

　　圖4 中(a)不銹鋼基體未做化學(xué)刻蝕處理，表面比較光滑，水滴與膜接觸面積大，水接觸角為78°；(b)中試樣基體經(jīng)化學(xué)刻蝕表面微納米化，沉積上Cr/CrN/Cu-TiN 膜后，仍保留蜂窩狀微納米結(jié)構(gòu)(蜂窩狀，孔徑約為2~3 μm，孔壁厚度為幾百納米，孔深約為2 μm)凹槽中存在空氣，水滴不能完全填充蜂窩狀微納米結(jié)構(gòu)的凹槽，與試樣的實(shí)際接觸面是空氣和膜，這樣與膜的實(shí)際接觸面積很小，空氣的的表面能又比較低，所以測(cè)得的水接觸角比較大，水接觸角為113°。

圖4 不同表面形貌下膜的接觸角圖

3、結(jié)論

　　對(duì)未作化學(xué)刻蝕處理和微納米化刻蝕處理的不銹鋼基體高功率脈沖磁控濺射沉積Cr/CrN/Cu-TiN膜，對(duì)試樣成分和性能分析獲得如下結(jié)論：

　　(1)基體偏壓為-30 V、-50 V、-70 V 和-90 V，膜層中抗菌元素Cu 含量隨偏壓增大從3.09%降到1.77%；

　　(2)基體偏壓為-30 V、-50 V、-70 V 和-90 V，隨偏壓增大膜基結(jié)合力先增加后減少，大小分別為28 N、34 N、23 N 和15.5 N；

　　(3)基體未經(jīng)化學(xué)刻蝕處理和經(jīng)過(guò)微納米化刻蝕處理的薄膜表現(xiàn)出明顯差異的疏水性，微納米化顯著增加了薄膜的疏水性，前者水接觸角為78°，后者水接觸角為132°。