乙炔前驱体对含银的类金刚石碳薄膜结构和抗菌性能的影响*

付涛,林小雯,李欣培,Hasan M.B.

(1.西安博恩生物科技有限公司,西安 710077;2.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)

0 引言

细菌感染已成为医疗中的一个重要公共卫生问题。目前,控制院内感染和防止植入型医疗器械表面形成微生物被膜最有效的方法是:在医疗器械表面涂覆抗菌涂层[1-2]。银被证明是一种有效的抗菌材料,对多种耐药菌具有广谱抗菌作用[3]。研究者把银添加到气相沉积陶瓷薄膜,特别是类金刚石碳(diamond-like carbon,DLC)薄膜中,以期结合DLC膜优异的力学性能、良好的化学惰性及生物相容性和纳米银的优异抗菌功能[4-7],用于生物医学领域。然而,银在薄膜沉积和陈化过程中会从碳及其它陶瓷基体中析出[6,8-10],影响膜层的结构稳定性和生物相容性。

研究表明,在磁控溅射过程中加入乙炔、甲烷气体,可以在DLC薄膜中引入C—H键,即产生氢化[8,11-13]。但是,乙炔前驱体对含银DLC薄膜银析出和抗菌性能的影响还未见报道。本研究采用磁控溅射方法制备了含银的氢化DLC薄膜,通过控制乙炔流速和银靶电流调节膜层显微结构,着重探究了乙炔前驱体对薄膜表面形貌、显微硬度和抗菌性能的影响。

1 实验方法

本研究采用磁控溅射镀膜机在抛光的316L不锈钢片(11 mm×11 mm×0.5 mm)和硅片上沉积含银的DLC薄膜。基体经过脱脂、超声清洗后,在流动的氮气中吹干,然后固定在样品架上。镀膜机含有3个石墨靶、2个铬靶和1个银靶(纯度>99.9%)。基体经过等离子体清洗和沉积Cr-C中间层(厚约0.4 μm)后,沉积含银DLC薄膜,参数分别为:氩气流速80 sccm,石墨靶电流4.5 A,银靶电流0、0.2、0.4和0.6 A,乙炔流速0、10、20、30和40 sccm,偏置电压-60 V,基体支架转速10 rpm。涂层试样分别记为DLC(无氢薄膜)和SxCy(含氢薄膜,x、y分别代表银靶电流和乙炔流速,见表1)。此外,本研究还制备了纯银薄膜试样作为对照样。

表1 DLC和含银DLC试样参数

采用色差计(CS-210)测定试样的Lab值,其中L代表亮度;采用表面轮廓仪和台阶法(Bruker DektakXT)测量薄膜的厚度;采用扫描电镜(SEM,Gemini 500)观察表面形貌,并用电子能谱(EDX)检测元素组成;采用拉曼光谱(背散射, 波长633 nm, 入射功率17 mW, Horiba Jobin YvonHR800)分析薄膜的显微结构;采用显微硬度计(Fischerscope H100C,维氏金刚石金字塔压头, 试验载荷20 mN)测定薄膜的硬度。

大肠杆菌是一种典型的革兰氏阴性菌,常见于生物材料相关感染部位,是医院获得性感染的来源之一。因此,本研究采用平板计数法评价薄膜试样对大肠杆菌的抑菌性能。取50 μL大肠杆菌悬浮液加入到5 mL液体LB培养基中,过夜培养至对数期。将10 μL大肠杆菌悬浮液滴在紫外光灭菌后的试样表面,并快速用无菌过滤膜覆盖表面。在室温下暗处放置3 h后,用3 mL灭菌水冲洗试样,充分振荡,收集存活的细菌。把100 μL的细菌悬浮液滴加在固体LB培养基上,用无菌涂布器均匀涂布,37 ℃有氧培养24 h后,观察和拍照。DLC和银膜试样分别作为阴性对照和阳性对照。

2 结果与讨论

2.1 结构和成分分析

所有试样的膜层都具有良好的附着性,表面平滑。无氢DLC膜呈黑色,但加入银后(试样S0.2C0和S0.4C0),黑度有所降低,亮度值L见表1。在恒定银电流(0.2和0.4 A)下,在沉积气氛中加入乙炔前驱体,膜亮度降低,这与银含量下降、乙炔引起膜层结构改变有关。其中,试样S0.2C40的亮度最低(L=35.5),即黑度最高。然而,所有含银试样的亮度都较高,特别是试样S0.4C0和S0.6C30,其银靶电流/乙炔流速比相对较高。这表明在薄膜沉积(衬底温度约120°C)和陈化期间膜层中的银向表面析出,由表1可知,银的析出也提高了薄膜的导电性。

薄膜试样的拉曼光谱见图1。可见,试样DLC、S0.2C0、S0.2C10、S0.2C20和S0.2C30具有典型的DLC拉曼光谱,但是试样S0.2C40的光谱受到激光照射产生的荧光信号的影响。D峰(约在1 350 cm-1)和G峰(约在1 550～1 600 cm-1)均是碳原子晶体的拉曼特征峰,D峰代表的是碳原子晶体的缺陷,G峰代表的是碳原子sp2杂化的面内伸缩振动[12,14]。采用XPS PeakFit软件对拉曼光谱进行拟合,可得到G峰位置、半高宽(FWHM)和ID/IG面积比。随着C2H2流量的增加(试样S0.2C0-S0.2C30, 见表2),G峰变宽、向低波数移动,同时ID/IG比值下降。半高宽增加可能与sp2结合的碳簇平均晶体尺寸的下降有关[15]。而G峰向低波数移动、ID/IG比值下降,则可能表明随着C2H2流量的增加,膜层的sp2/sp3比下降(即sp2键转化为sp3键)[15-16]。相应地,随着C2H2流量的增加,由于sp3键和C—H键含量升高,薄膜由导电变为不导电(S0.2C20-S0.2C40, 见表1)。

图1 硅基体上DLC-Ag薄膜试样的拉曼光谱

表2 DLC-Ag薄膜试样的G峰位置、半高宽和ID/IG比

随着银靶电流的升高,薄膜的G峰位置、半高宽(FWHM)和ID/IG比呈现相反的变化趋势(S0.2C30、S0.4C30和S0.6C30,见表2)。银靶电流的升高将促进sp3键向sp2键的转变,这与文献[15]报道一致。相应地,由于银含量和sp2键含量的增加,DLC-Ag薄膜从不导电转变为导电(见表1)。

薄膜试样的SEM表面图像见图2。可见,在银靶电流0.2 A时,薄膜表面银颗粒的尺寸和分布都不均匀。当乙炔流量为30 sccm时,银颗粒数量和尺寸明显减少,见图2(a)、(b),这与文献报道的银颗粒数量和尺寸随乙炔流量升高而降低的结果一致[11,17]。在银靶电流升高到0.4 A时,由于膜层银含量较高、银颗粒距离近而发生Ostwald熟化,晶粒的长大使颗粒数量减少。因此,当乙炔流量为30 sccm时,银颗粒的尺寸减小,但数量却增多,见图2(c)、(d)。色差测试时,薄膜的亮度与银颗粒的反光现象有关。因此,L值与测试区域表面银颗粒的总表面积相对应。特别地,试样S0.4C30的银含量(6.3 at%,见表1)仅为试样S0.4C0(13.5 at%)的一半,但前者表面银颗粒的总表面积和L值远低于后者。当镀膜气氛中添加乙炔时,在试样转到银靶对应位置时,银和碳氢组分同时沉积,使得银的扩散和析出得到有效抑制。

图2 不锈钢基体上薄膜试样的SEM形貌

2.2 硬度和抗菌性能

银和乙炔前驱体的加入降低了DLC薄膜的显微硬度,但由表1可知,所有薄膜试样的硬度都在820 HV以上,远高于不锈钢基体(约250 HV)。

本研究采用琼脂平板计数法评价薄膜试样对大肠杆菌的抗菌性能,材料与细菌的作用时间为3 h。测试结果见图3,可见无氢DLC薄膜表面细菌能够正常生长,含银薄膜试样S0.2C0、S0.2C30、S0.4C0和S0.4C30的细菌菌落明显减少,且薄膜试样S0.2C0、S0.4C0和S0.4C30的抗菌活性优于银膜。银纳米颗粒可通过表面氧化释放银离子。银离子进入细胞内,使细胞产生活性氧,起到抗菌作用。据报道,DLC-Ag薄膜在盐溶液中可形成C-Ag微电偶,银作为阳极,增强了银离子的释放[18]。

图3 不锈钢基体薄膜试样对大肠杆菌的平板计数法抗菌测试结果

在DLC膜中加入银会影响薄膜的力学性能、抗菌性能及细胞相容性。例如,把含银DLC薄膜的银含量提高到2 at%以上时,膜层对大肠杆菌有较好的杀菌性能,但成骨细胞的活性下降[6];用于促进骨整合的杀菌DLC涂层,其银含量应不高于10 at%[7]。此外,由于银在碳中的溶解度低,且二者无法形成碳化物,DLC-Ag薄膜在沉积和陈化过程中会形成复合结构。银在薄膜表面的偏析和富集将改变DLC-Ag膜的外观和生物学性能。本研究在沉积气氛中添加乙炔,膜层中的银被稀释,使银偏析得到有效抑制,有利于抑制膜层银离子释放、增强薄膜抗菌持久性和改善细胞相容性。

3 结论

本研究在不同银靶电流下,加入乙炔前驱体,采用磁控溅射法制备了DLC-Ag薄膜。随着银含量的增加,银的析出增强、含银薄膜更亮、导电性更好、硬度降低。乙炔前驱体的加入,降低了银含量,抑制了银析出,使含银薄膜变暗,导电性下降。即使银含量最低的试样(0.8 at%)也表现出对大肠杆菌的良好抗菌性能。本研究的含银DLC薄膜具有高硬度、高黑度和良好的抗菌性能,在生物医学器件等领域将具有较好的应用前景。