具有分級納米點結(jié)構(gòu)的二氧化鈦基復(fù)合薄膜及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開的具有分級納米點結(jié)構(gòu)的二氧化鈦基復(fù)合薄膜，是在基底上從下而上依次有二氧化鈦納米點層和光敏半導(dǎo)體納米點層。采用溶膠-凝膠法制備具有分級納米點結(jié)構(gòu)的二氧化鈦基復(fù)合薄膜，首先在基底上旋涂二氧化鈦前驅(qū)體溶膠，退火干燥處理，在基底上獲得二氧化鈦納米點層，然后在其上旋涂光敏半導(dǎo)體前驅(qū)體溶膠，退火干燥處理，便在基底上獲得具有分級納米點結(jié)構(gòu)的二氧化鈦基復(fù)合薄膜。本發(fā)明的復(fù)合薄膜不僅具有優(yōu)異的光致親水性，而且具有較大的比表面積，有利于細胞的初始附著、增殖和分化。本發(fā)明方法簡便，成本低，便于推廣應(yīng)用，可廣泛應(yīng)用于體外細胞培養(yǎng)、組織工程等生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域。
【專利說明】具有分級納米點結(jié)構(gòu)的二氧化鈦基復(fù)合薄膜及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物醫(yī)用薄膜領(lǐng)域，具體涉及兼具可調(diào)表面親水特性和離子緩釋性能的分級納米點結(jié)構(gòu)二氧化鈦基復(fù)合薄膜及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]表面和界面是實現(xiàn)器件和材料功能性的窗口，表面微納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑對材料的性能有著非常重要的意義。微納米結(jié)構(gòu)生物材料目前已成為生物醫(yī)用材料領(lǐng)域一個研究熱點和難點。大量的研究表明具有微納米結(jié)構(gòu)特征的生物材料表現(xiàn)出了積極的生物學(xué)響應(yīng)，相對其他生物材料，微納米結(jié)構(gòu)材料可以顯著促進細胞的粘附、增殖和分化。
[0003]細胞微環(huán)境在決定細胞功能中起著重要的作用，微環(huán)境中表面拓撲結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分是控制細胞行為的基礎(chǔ)。材料表面微觀結(jié)構(gòu)的改變即可對細胞營造出不同的微環(huán)境，使得細胞的粘附、遷移、增殖和分化等行為表達出現(xiàn)差異。為提高生物材料的細胞相容性等性能，在材料表面構(gòu)建微米、納米及微/納米復(fù)合結(jié)構(gòu)被廣泛研究。從生物的角度來說，細胞的體積大概處于微米級別，一般為幾微米到幾十微米。細胞運動遷移等主要依靠細胞偽足，相對而言細胞偽足可以感受到材料表面亞微米甚至納米級別的變化。所以，細胞整體可以感受到生物材料表面微米結(jié)構(gòu)的變化，并且根據(jù)自身的粘附和遷移“喜好”與材料表面結(jié)合作用。細胞偽足在感知到材料表面的納米結(jié)構(gòu)變化后，選擇合適的納米表面，進行遷移、粘附以及后續(xù)的基因表達等生物學(xué)行為。同時，微納結(jié)構(gòu)也會提高細胞分化[Mendonca G,Mendonca Dj Aragao F J Lj et al.Advancing dental implant surface technology -from micron-to nanotopography.B1materials, 2008，29(28): 3822-3835]。因此，構(gòu)建具有微米和納米結(jié)構(gòu)共存的微納結(jié)構(gòu)生物材料表面對細胞行為表達具有重要意義。
[0004]二氧化鈦無毒，具有優(yōu)異的生物相容性和化學(xué)穩(wěn)定性，而且其表面在光激發(fā)后具有促進細胞粘附、增殖和分化等性能[Miyauchi T, Yamada M, Yamamoto A, et al.The enhanced characteristics of osteoblast adhes1n to photofunct1nalizednanoscale T12 layers on b1materials surfaces.B1materials, 2010， 31(14):3827-3839]，在生物醫(yī)用材料方面發(fā)展很快。在體外細胞培養(yǎng)所涉及的細胞中，很多為貼壁細胞，如何收獲細胞成為一大關(guān)鍵問題。研究發(fā)現(xiàn)細胞傾向于附著在微憎水的表面上，而不易于附著于親水的表面之上，目前體外細胞培養(yǎng)收獲細胞時主要用胰酶處理，但胰酶處理會使細胞與細胞外基質(zhì)分離，不利于細胞的后續(xù)利用，因此制備出能改變表面潤濕性的材料以作為培養(yǎng)皿等器皿的表面涂層對細胞收獲極有價值。這對于組織工程、細胞生物傳感器等的發(fā)展都具有重要的意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種具有優(yōu)異光致親水性且制備方法簡便、成本低的具有分級納米點結(jié)構(gòu)的二氧化鈦基復(fù)合薄膜及其制備方法。
[0006]本發(fā)明的具有分級納米點結(jié)構(gòu)的二氧化鈦基復(fù)合薄膜，是在基底上自下而上依次有二氧化鈦納米點層和光敏半導(dǎo)體納米點層；二氧化鈦納米點層中二氧化鈦納米點的尺寸為30?300nm，密度為1.0 X 1ltl?I X 11Vcm2 ;光敏半導(dǎo)體納米點層中光敏半導(dǎo)體納米點的尺寸為10?200nm，密度為1.0XlO9?1.0X 11Vcm20
[0007]上述的基底可以為石英玻璃、硅片、鉭片、鈦片或鈦鎳合金片。
[0008]所述的光敏半導(dǎo)體可以是氧化鋅、氧化鐵、氧化鋯或氧化錫。
[0009]制備上述的具有分級納米點結(jié)構(gòu)的二氧化鈦基復(fù)合薄膜的方法，步驟如下:
1)將鈦源、絡(luò)合劑和去離子水按摩爾比1:0.3:1的比例加入到無水乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮在室溫下充分攪拌，配制成鈦原子濃度為0.1-0.5 M，聚乙烯吡咯烷酮濃度為l(Tl00mg/ml的二氧化鈦前驅(qū)體溶膠；將二氧化鈦前驅(qū)體溶膠滴至清洗凈的基底表面至其鋪滿，并以4000-8000rpm的速度旋涂20_60s，之后將其置于400-600 V下保溫0.5_2h，在基底上得到二氧化鈦納米點層；
2)將光敏半導(dǎo)體源和絡(luò)合劑按摩爾比1:0.5^2的比例加入到無水乙醇中，室溫下充分攪拌，配制成光敏半導(dǎo)體源濃度為0.02-0.2M的光敏半導(dǎo)體前驅(qū)體溶膠；將光敏半導(dǎo)體前驅(qū)體溶膠滴至步驟I)制得的二氧化鈦納米點層上至其鋪滿，并以4000-8000rpm的速度旋涂20-60s，之后將其置于400-600°C下保溫0.5_2h，在基底上得到具有分級納米點結(jié)構(gòu)的二氧化鈦基復(fù)合薄膜。
[0010]本發(fā)明中，所述的絡(luò)合劑可以為乙酰丙酮或乙醇胺。所述的鈦源可以是鈦酸四丁酯、四氯化鈦、三氯化鈦、氟化鈦或硫酸鈦。所述的光敏半導(dǎo)體源選自硝酸鋅、醋酸鋅、硝酸鐵、醋酸鐵、硝酸鋯或氯化錫。
[0011]本發(fā)明的二氧化鈦基復(fù)合薄膜，由于采用光敏半導(dǎo)體納米點修飾二氧化鈦納米顆粒，構(gòu)建了分級納米結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)復(fù)合薄膜，不僅具有較寬的光吸收波段和優(yōu)異的光致親水性，而且具有較大的比表面積，有利于細胞的初始附著、增殖和分化。本發(fā)明的具有分級納米結(jié)構(gòu)的二氧化鈦基復(fù)合薄膜采用溶膠-凝膠法制備而成，方法簡便，成本低，便于推廣應(yīng)用，可廣泛應(yīng)用于體外細胞培養(yǎng)、組織工程等生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是二氧化鈦納米點薄膜的SEM圖。
[0013]圖2是二氧化鈦/氧化鋅分級納米點結(jié)構(gòu)的復(fù)合薄膜的SM圖。
[0014]圖3是二氧化鈦/氧化鋅分級納米點結(jié)構(gòu)的復(fù)合薄膜紫外光照前后水接觸角變化，其中:圖a是紫外光照前，圖b是紫外光照后。
[0015]圖4是二氧化鈦/氧化鋅分級納米點結(jié)構(gòu)的復(fù)合薄膜培養(yǎng)細胞三天后的吸光度值。

【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合實施例和附圖進一步闡述本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此。
[0017]實施例1
I)將鈦酸四丁酯、乙酰丙酮和去離子水按摩爾比1:0.3:1的比例加入到無水乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮在室溫下充分攪拌，配制成鈦原子濃度為0.2 M，聚乙烯吡咯烷酮濃度為40mg/ml的二氧化鈦前驅(qū)體溶膠；將二氧化鈦前驅(qū)體溶膠滴至清洗凈的硅片表面至其鋪滿，并以8000rpm的速度旋涂40s，之后將其置于500°C下保溫lh，在硅片上得到二氧化鈦納米點層(見圖1)。從圖中可見,該二氧化鈦納米點的尺寸為30nm?200nm，密度為3.0X 11Vcm2。
[0018]2)將醋酸鋅和乙醇胺按摩爾比1:1的比例加入到無水乙醇中，室溫下充分攪拌，配制成鋅原子濃度為0.14M的氧化鋅前驅(qū)體溶膠；將氧化鋅前驅(qū)體溶膠滴至步驟I)制得的二氧化鈦納米點層上至其鋪滿，并以6000rpm的速度旋涂30s，之后將其置于500°C下保溫lh，在硅片上得到二氧化鈦/氧化鋅分級納米點結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜(見圖2);從圖中可見，其中氧化鋅納米點的尺寸為20nm?80nm，密度為3.0 X 11Vcm2。
[0019]圖3是所制備二氧化鈦/氧化鋅分級復(fù)合薄膜紫外光照20分鐘前后表面水接觸角值，紫外光照前(圖a)水接觸角為82.1°，紫外光照后(圖b)水接觸角為42.9°紫外光照后水接觸角下降，存在光致親水現(xiàn)象。在上述薄膜上進行成骨細胞體外培養(yǎng)，培養(yǎng)三天后，利用 CCK-8 (Cell Counting Kit-8)法測定 OD 值(Optical Density,又稱吸光度)，所制備的二氧化鈦/氧化鋅分級復(fù)合薄膜相比步驟I)制備的二氧化鈦納米點薄膜的OD值更大(見圖4)，說明表面分級納米結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜對細胞增殖有一定的促進作用。
[0020]實施例2
I)將四氯化鈦、乙酰丙酮和去離子水按摩爾比1:0.3:1的比例加入到無水乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮在室溫下充分攪拌，配制成鈦原子濃度為0.1 M，聚乙烯吡咯烷酮濃度為10mg/ml的二氧化鈦前驅(qū)體溶膠；將二氧化鈦前驅(qū)體溶膠滴至清洗凈的鈦片表面至其鋪滿，并以8000rpm的速度旋涂60s，之后將其置于600°C下保溫2h，在鈦片上得到二氧化鈦納米點層。該二氧化鈦納米點的尺寸為80nm?280nm，密度為1.0 X 101Q/Cm2。
[0021]2)將硝酸鋅和乙醇胺按摩爾比1:1的比例加入到無水乙醇中，室溫下充分攪拌，配制成鋅原子濃度為0.2M的氧化鋅前驅(qū)體溶膠；將氧化鋅前驅(qū)體溶膠滴至步驟I)制得的二氧化鈦納米點層上至其鋪滿，并以4000rpm的速度旋涂20s，之后將其置于400°C下保溫2h，在鈦片上得到二氧化鈦/氧化鋅分級納米點結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜；其中氧化鋅納米點的尺寸為 1nm ?10nm,密度為 1.0X 111/cm2。
[0022]實施例3
I)將三氯化鈦、乙醇胺和去離子水按摩爾比1:0.3:1的比例加入到無水乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮在室溫下充分攪拌，配制成鈦原子濃度為0.5 M，聚乙烯吡咯烷酮濃度為60mg/ml的二氧化鈦前驅(qū)體溶膠；將二氧化鈦前驅(qū)體溶膠滴至清洗凈的鈦鎳合金片表面至其鋪滿，并以4000rpm的速度旋涂20s，之后將其置于400°C下保溫Ih，在鈦鎳合金片上得到二氧化鈦納米點層。該二氧化鈦納米點的尺寸為10nm?300nm,密度為1.0X lO^Vcm2。
[0023]2)將硝酸鐵和乙酰丙酮按摩爾比1:2的比例加入到無水乙醇中，室溫下充分攪拌，配制成鐵原子濃度為0.02M的氧化鐵前驅(qū)體溶膠；將氧化鐵前驅(qū)體溶膠滴至步驟I)制得的二氧化鈦納米點層上至其鋪滿，并以8000rpm的速度旋涂60s，之后將其置于600°C下保溫0.5h，在鈦鎳合金片上得到二氧化鈦/氧化鐵分級納米點結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜；其中氧化鐵納米點的尺寸為20nm?120nm，密度為1.0X 109/cm2。
[0024]實施例4
I)將硫酸鈦、乙酰丙酮和去離子水按摩爾比1:0.3:1的比例加入到無水乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮在室溫下充分攪拌，配制成鈦原子濃度為0.4 M，聚乙烯吡咯烷酮濃度為100mg/ml的二氧化鈦前驅(qū)體溶膠；將二氧化鈦前驅(qū)體溶膠滴至清洗凈的鉭片表面至其鋪滿，并以6000rpm的速度旋涂40s，之后將其置于600°C下保溫0.5h，在鉭片上得到二氧化鈦納米點層。該二氧化鈦納米點的尺寸為50nm?200nm，密度為1.0 X 11Vcm2。
[0025]2)將硝酸鋯和乙酰丙酮按摩爾比1:0.5的比例加入到無水乙醇中，室溫下充分攪拌，配制成鋯原子濃度為0.1M的氧化鋯前驅(qū)體溶膠；將氧化鋯前驅(qū)體溶膠滴至步驟I)制得的二氧化鈦納米點層上至其鋪滿，并以5000rpm的速度旋涂30s，之后將其置于500°C下保溫2h，在鉭片上得到二氧化鈦/氧化鋯分級納米點結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜；其中氧化鋯納米點的尺寸為 1nm ?120nm,密度為 1.0X 112/cm2。
[0026]實施例5
I)將氟化鈦、乙醇胺和去離子水按摩爾比1:0.3:1的比例加入到無水乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮在室溫下充分攪拌，配制成鈦原子濃度為0.02 M，聚乙烯吡咯烷酮濃度為20mg/ml的二氧化鈦前驅(qū)體溶膠；將二氧化鈦前驅(qū)體溶膠滴至清洗凈的石英玻璃片表面至其鋪滿，并以7000rpm的速度旋涂30s，之后將其置于500°C下保溫Ih，在石英玻璃片上得到二氧化鈦納米點層。該二氧化鈦納米點的尺寸為30nm?200nm,密度為1.0X 1icVcm20
[0027]2)將氯化錫和乙酰丙酮按摩爾比1: 2的比例加入到無水乙醇中，室溫下充分攪拌，配制成錫原子濃度為0.06M的氧化錫前驅(qū)體溶膠；將氧化錫前驅(qū)體溶膠滴至步驟I)制得的二氧化鈦納米點層上至其鋪滿，并以6000rpm的速度旋涂60s，之后將其置于600°C下保溫lh，在石英玻璃片上得到二氧化鈦/氧化錫分級納米點結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜；其中氧化錫納米點的尺寸為60nm?200nm，密度為8.0 X 1uVcm2。
[0028]實施例6
I)將鈦酸四丁酯、乙酰丙酮和去離子水按摩爾比1:0.3:1的比例加入到無水乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮在室溫下充分攪拌，配制成鈦原子濃度為0.3 M，聚乙烯吡咯烷酮濃度為40mg/ml的二氧化鈦前驅(qū)體溶膠；將二氧化鈦前驅(qū)體溶膠滴至清洗凈的硅片表面至其鋪滿，并以6000rpm的速度旋涂60s，之后將其置于500°C下保溫lh，在硅片上得到二氧化鈦納米點層。該二氧化鈦納米點的尺寸為30nm?150nm，密度為1.0 X 11Vcm2。
[0029]2)將醋酸鋅和乙醇胺按摩爾比1:1的比例加入到無水乙醇中，室溫下充分攪拌，配制成鋅原子濃度為0.1M的氧化鋅前驅(qū)體溶膠；將氧化鋅前驅(qū)體溶膠滴至步驟I)制得的二氧化鈦納米點層上至其鋪滿，并以4000rpm的速度旋涂60s，之后將其置于400°C下保溫
0.5h,在娃片上得到得到二氧化鈦/氧化鋅分級納米點結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜；其中氧化鋅納米點的尺寸為1nm?80nm,密度為1.0X 11Vcm2。
【權(quán)利要求】
1.具有分級納米點結(jié)構(gòu)的二氧化鈦基復(fù)合薄膜，其特征在于在基底上從下而上依次有二氧化鈦納米點層和光敏半導(dǎo)體納米點層；二氧化鈦納米點層中二氧化鈦納米點的尺寸為30?300nm，密度為1.0 X 1ltl?I X 11Vcm2 ;光敏半導(dǎo)體納米點層中光敏半導(dǎo)體納米點的尺寸為 10 ?200nm,密度為 1.0 X 19 ?1.0 X 11Vcm20
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有分級納米點結(jié)構(gòu)的二氧化鈦基復(fù)合薄膜，其特征在于所述的基底為石英玻璃、硅片、鉭片、鈦片或鈦鎳合金片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有分級納米點結(jié)構(gòu)的二氧化鈦基復(fù)合薄膜，其特征在于所述的光敏半導(dǎo)體為氧化鋅、氧化鐵、氧化鋯或氧化錫。
4.制備如權(quán)利要求1所述的具有分級納米點結(jié)構(gòu)的二氧化鈦基復(fù)合薄膜的方法，其特征在于步驟如下: 1)將鈦源、絡(luò)合劑和去離子水按摩爾比1:0.3:1的比例加入到無水乙醇中，然后加入聚乙烯吡咯烷酮在室溫下充分攪拌，配制成鈦原子濃度為0.1-0.5 M、聚乙烯吡咯烷酮濃度為l(Tl00mg/ml的二氧化鈦前驅(qū)體溶膠；將二氧化鈦前驅(qū)體溶膠滴至清洗凈的基底表面至其鋪滿，并以4000-8000rpm的速度旋涂20_60s，之后將其置于400_600°C下保溫0.5_2h，在基底上得到二氧化鈦納米點層； 2)將光敏半導(dǎo)體源和絡(luò)合劑按摩爾比1:0.5^2的比例加入到無水乙醇中，室溫下充分攪拌，配制成光敏半導(dǎo)體源濃度為0.02-0.2M的光敏半導(dǎo)體前驅(qū)體溶膠；將光敏半導(dǎo)體前驅(qū)體溶膠滴至步驟I)制得的二氧化鈦納米點層上至其鋪滿，并以4000-8000rpm的速度旋涂20-60s，之后將其置于400-600°C下保溫0.5_2h，在基底上得到具有分級納米點結(jié)構(gòu)的二氧化鈦基復(fù)合薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有分級納米點結(jié)構(gòu)的二氧化鈦基復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于所述的絡(luò)合劑為乙酰丙酮或乙醇胺。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有分級納米點結(jié)構(gòu)的二氧化鈦基復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于所述的鈦源為鈦酸四丁酯、四氯化鈦、三氯化鈦、氟化鈦或硫酸鈦。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有分級納米點結(jié)構(gòu)的二氧化鈦基復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于所述的光敏半導(dǎo)體源選自硝酸鋅、醋酸鋅、硝酸鐵、醋酸鐵、硝酸鋯或氯化錫。
【文檔編號】A61L27/02GK104175680SQ201410346487
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月21日
【發(fā)明者】程逵, 孫俞, 翁文劍, 宋晨路, 杜丕一, 沈鴿, 趙高凌, 張溪文, 徐剛, 汪建勛, 韓高榮 申請人:浙江大學(xué)