磁控溅射含铜CrN薄膜的结构和抗菌性能*

王应杰，侯粤峰，王丽君，沈步云，付 涛△

(1.西安交通大学生命科学与技术学院 生物医学信息工程教育部重点实验室，西安 710049；2.广东诚辉医疗科技股份有限公司，江门 529200；3.朝日集团有限公司，香港 999077)

1 引 言

抗菌金属材料在日常生活、生物医学、食品工业等领域有广阔的应用背景[1-4]。在不锈钢、钛等金属材料中添加银、铜等合金元素，可以得到抗菌金属材料[1,4-7]。银是一种有效的广谱抗菌剂，但它存在潜在的生物毒性和环境安全性问题，而且银是贵金属，成本较高。相比之下，铜作为人体必需的一种微量元素，具有抗菌性能优良、生物相容性好、成本低廉等优点[6,8]。铜可以诱发细菌细胞的氧化应激反应，破坏其细胞膜的完整性；铜与细胞蛋白质结合使蛋白质失活，影响其发挥生理功能，从而起到杀菌作用。但是，银和铜的硬度较低、耐磨性差[9]，把铜与CrN[10-11]、TiN[12]、类金刚石碳等硬质薄膜复合，可以得到兼具良好抗菌性能和力学强度的表面改性层，并且抗菌剂的添加量远少于块体材料，在日常生活、医院环境以及手术医疗器械、外科植入体等方面有良好的应用前景[3,13]。

铬是工业和医用不锈钢中含量最高的合金元素，其氮化物具有很高的硬度、耐磨性和耐蚀性。氮化铬涂层是提高不锈钢表面性能的一种有效方法。文献[10-11]报道了含铜CrN薄膜的结构、力学性能和抗菌性能，但是缺乏对膜层润湿性和模拟环境条件下抗菌性能的报道。研究表明，材料的抗菌性能不仅取决于其化学成分，也与显微结构、表面特性、环境条件等因素有关[14-16]。有研究者开发了模拟呼吸、说话、咳嗽、打喷嚏、汗液接触等条件的抗菌实验方法[15-18]。液滴的干燥过程还受材料成分、润湿性、环境条件等因素的影响[19]。因此，本研究采用磁控溅射技术制备了不同铜含量的CrNCu薄膜，并研究了膜层结构、润湿性、液滴干燥特性、抗菌活性和模拟环境条件下的抗菌性能。

2 实验

采用反应磁控溅射方法在载玻片上制备CrNCu薄膜。对基体进行脱脂、超声清洗和压缩氮气吹干处理。离子溅射清洗后开始沉积薄膜，镀膜期间通入氩气和氮气，通过OEM控制气体流量，气压2.3 mTorr，铬靶电流4 A，铜靶电流0～2 A(见表1)，基体偏压-60 V，沉积时间15～30 min。溅射清洗和镀膜时样品架的转速均是10 rpm。同时，制备了纯铜薄膜作为参照试样。

采用CS-210精密色差计测量镀膜试样的(L,a,b)值，采用台阶轮廓仪测量各试样的膜厚和表面粗糙度。采用X射线衍射(XRD)分析膜层的晶体结构，采用扫描电镜(SEM)观察试样的表面形貌，电子能谱(EDX)分析表面元素组成。分别测量水和乙二醇在试样表面的接触角，计算表面能，包括极性分量和色散分量[20-21]。在试样表面滴加一滴1～5 μL的纯水，用喷壶在试样表面喷雾一层水膜，显微镜下观察水滴和水膜的干燥过程。

采用平板计数法评价试样对大肠杆菌的抗菌性能。大肠杆菌是导致感染的一种革兰氏阴性致病菌。实验前对所需的器具进行蒸汽灭菌，对试样采用75%乙醇灭菌和紫外照射灭菌。取10 μL浓度为105CFU/mL的细菌悬液滴加到试样表面，迅速用无菌滤膜覆盖试样表面，室温和潮湿条件下作用3 h后把试样和滤膜一起放入细菌培养管，加入3 mL无菌水，充分震荡洗涤后，吸取适量洗涤液移至已成型的LB固态培养基上，涂布均匀。把接种的培养基在37°C培养，观察菌落生长情况，并拍照计数。

另外，采用喷雾菌液-平板计数法评价试样对大肠杆菌的抗菌性能。实验前对所需的器具和试样进行灭菌。取浓度为103CFU/mL的细菌培养液置于喷壶中，摇匀后在试样表面均匀喷雾，把样品放置在20°C培养箱中分别作用15、30和60 min后，进行平板培养和拍照。

3 结果与讨论

3.1 膜层结构和成分分析

外观观察发现，膜层在玻璃基体上结合牢固，表面平滑。色差计测得涂层试样的亮度L值为59～67，低于不锈钢(L=77)。膜层的沉积速率随铜靶电流增大而升高，但表面粗糙度在0.9～1.4 nm(见表1)。薄膜试样的SEM形貌见图1。试样G00-G08表面由规则的晶粒组成，而试样G12-G20表面由无特征的胞状颗粒组成。EDX面分析表明，随着铜靶电流的升高，膜层中的铜含量逐渐升高，而Cr和N含量下降，Cr/N原子比在2.6～3.8(见表1)。

图1 CrNCu薄膜的SEM表面形貌

表1 CrNCu试样的铜靶电流、膜厚、沉积速率、粗糙度和元素原子比

在XRD谱(见图2)中，试样G00出现面心立方CrN(111)的强衍射峰和CrN(200)、(220)以及金属Cr的弱衍射峰。随着铜靶电流的增大，CrN和Cr的衍射峰减弱，铜的衍射峰增强，试样G20的CrN(200)、Cr(110)和Cu(111)的峰融合为一个峰。研究表明，铜与Cr-N相的互溶性较差，可形成纳米复合结构[10,22]。根据以上XRD和EDX分析，当前薄膜由CrN、Cr和Cu组成。

图2 CrNCu试样的XRD图谱

3.2 接触角、表面能和水滴、水膜干燥过程

润湿性和表面能会影响材料的抗菌性能及细胞行为[23-24]。CrNCu薄膜试样的水接触角为100.3～105.2°，而铜膜试样的接触角为121.7°，见图3(a)。因此，各试样都是疏水性的。CrNCu薄膜试样的乙二醇接触角也较高(80.6～85.2°)。据报道，气相沉积CrN薄膜具有较低的表面能[25-26]。试样G00—G20和铜膜的表面能在14.4～22.2 mJ/cm2，以色散分量为主，总值远低于玻璃试样55.9 mJ/cm2，见图3(b)。低表面能的疏水性表面有利于材料的防污和抗菌应用[23-24]。

图3 CrNCu试样的接触角和表面能

实验结果表明，在相同的温湿度条件下，1～5 μL水滴的干燥时间随水滴体积增加而延长。观察2 μL水滴和菌液在试样表面的干燥过程，从俯视图及侧视图可以看出，液滴随时间延长而逐渐蒸发，菌液干燥后留下一个由培养基和细菌组成的白斑，见图4；水滴和菌液在同一试样上的干燥时间相同。由于试样G00—G20的表面能较低、界面张力较小，其水滴总表面积相对较小，因此，完全干燥的时间为20～22 min，长于玻璃试样的干燥时间17 min，见图5(a)。随着环境湿度升高，水滴的干燥时间也逐渐延长，见图5(b)。

图4 玻璃和CrNCu试样上2 μL水滴和菌液在干燥过程中的典型俯视图像

在试样表面喷雾一层水膜，以模拟打喷嚏和咳嗽时材料表面多个液滴的干燥过程。可以看出，玻璃试样的亲水性较高，形成的水珠直径较大；薄膜试样的疏水性较高，形成了很多细小的水滴，见图6。薄膜试样上水滴的干燥时间也长于玻璃试样，这与单个水滴的研究结果一致，见图5(a)。因此，在打喷嚏和咳嗽情况下，材料表面液滴的干燥时间不仅受到环境温湿度影响，也受到材料表面润湿性[15,19]、液滴尺寸及其均匀性的影响。

图5 玻璃和CrNCu试样表面2 μL水滴和喷雾水膜在相同和不同湿度条件下的干燥时间

图6 玻璃和CrNCu试样表面喷雾水膜在干燥过程中的典型俯视图像

3.3 抗菌性能

在玻璃和薄膜试样表面滴加10 μL大肠杆菌菌液，覆盖滤膜，作用3 h后进行平板计数，结果见图7。玻璃对照和试样G00观察到大量菌落，试样G04只有几个菌落，而试样G08未观察到菌落。在菌液与材料的作用过程中，薄膜表面的铜离子向菌液扩散，从而产生了抗菌作用。

图7 CrNCu试样平板计数法的抗菌测试结果

另外，在试样表面喷雾一层菌液以模拟材料在打喷嚏、咳嗽情况下的抗菌性能。结果表明，在保持润湿的条件下，玻璃试样表面有较多大肠杆菌存活，而试样G08在作用60 min后表面的细菌数量明显减少(见图8)。在敞口的环境条件下，作用15 min时两种试样表面已经干燥，但仍有少量细菌存活，而在30 min时无细菌存活。因此，大肠杆菌在培养液干燥后仍能存活一段时间，而含铜薄膜G08对大肠杆菌有较强的抗菌作用。

图8 玻璃和试样G08喷雾菌液和潮湿条件下作用不同时间后的平板计数法抗菌测试结果

4 结论

随着铜靶电流的增大，CrNCu薄膜的沉积速率和铜含量升高，CrN和Cr的含量下降，但粗糙度在0.9～1.4 nm。CrNCu薄膜具有高疏水性和低表面能，其表面水滴的干燥时间长于玻璃试样。CrNCu薄膜对大肠杆菌具有较好的抗菌性能，可望用于环境设施及医疗器械的抗菌表面改性。