הכנה והתנהגות אנטי אדהזיה בטמפרטורות גבוהות של משטח חלקלק-נירוסטה

Summary

משטחי חלקלק מספקים דרך חדשה כדי לפתור את הבעיה אדהזיה. פרוטוקול זה מתאר כיצד להמציא משטחי חלקלק בטמפרטורות גבוהות. התוצאות מדגימים כי משטחי חלקלק הראה נגד הרטבה נוזלים, השפעה אנטי אדהזיה מדהים על הרקמות הרכות בטמפרטורות גבוהות.

Abstract

נגד הידבקות משטחים עם עמידות בטמפרטורות גבוהות יש יישום רחב פוטנציאל מכשירים electrosurgical מנועי, צינורות. משטח superhydrophobic טיפוסי נגד הרטבה נכשלת בקלות כאשר הם נחשפים נוזל בטמפרטורה גבוהה. לאחרונה, כדנית-משטחי חלקלק בהשראת הפגינו דרך חדשה כדי לפתור את הבעיה אדהזיה. שכבה סיכה על המשטח חלקלק יכול לשמש חיץ בין החומרים דוחים את מבנה המשטח. עם זאת, משטחים חלקים במחקרים קודמים הראו רק לעתים רחוקות עמידות בטמפרטורות גבוהות. כאן, אנו מתארים את פרוטוקול עבור הכנת משטחים חלקים עם עמידות בטמפרטורות גבוהות. שיטה בסיוע פוטוליתוגרפיה שימשה לפברק עמוד מבנים על נירוסטה. על ידי functionalizing פני השטח עם תמיסת מלח, משטח חלקלק הוכן על-ידי הוספת שמן סיליקון. המשטח חלקלק מוכן מתוחזק המאפיין הרטבה נגד מים, גם כאשר פני השטח היה מחומם ל 300 ° C. כמו כן, המשטח חלקלק הציג נהדר אדהזיה נגד השפעות על הרקמות הרכות בטמפרטורות גבוהות. סוג זה של משטח חלקלק נירוסטה כולל יישומים במכשור רפואי, ציוד מכני, וכו '.

Introduction

משטחים נגד הידבקות בטמפרטורה גבוהה לשימוש עם נוזלים ורקמות רכות קיבל עניין רב בגלל היישום הנרחב שלהם פוטנציאל מכשירים electrosurgical, המנועים, צינורות וכדומה ^{1 , 2 , 3 , 4}. משטחים Bioinspired, במיוחד superhydrophobic משטחים, נחשבים הבחירה האידיאלית בגלל שלהם יכולות נגד הרטבה מצוינת ואת מאפייני ניקוי עצמי⁵. משטחים superhydrophobic, צריך ולשייך את היכולת האנטי-הרטבה האוויר נעול במבנה השטח. עם זאת, המדינה superhydrophobic יציב כי זה ב^6,המדינה קאסי-בקסטר⁷. כמו כן, בטמפרטורות גבוהות, הרטבה אנטי טיפות נוזל עלול להיכשל הרטבה מצב המעבר קאסי-בקסטר המדינה ונצל⁸. מעבר הרטבה הנגרמת על ידי הרטבה droplet נוזלי קטן במבנים, אשר גורמת לכשל לנעול את האוויר במקום.

בהשראת מאפייני peritome של הצמח הכד, כדנית, חלקלק וונג. et al. דיווח לאחרונה קונספט כדי לבנות משטחים חלקים על ידי החדרת חומר סיכה לתוך מבנים משטח^{9,10 ,11}. עקב כוח נימי, המבנים יכול בחוזקה להחזיק חומר הסיכה במקום, בדיוק כמו לכיס אוויר נעול על משטחים superhydrophobic. לפיכך, חומר סיכה ומבנים משטח יכולים ליצור משטח מוצק/נוזל יציב. כאשר חומר הסיכה יש זיקה מועדף על מבנה השטח, ה-droplet נוזלי על פני השטח composite יכול להחליק בקלות, עם רק היסטרזיס נמוך מאוד זווית מגע (למשל, ~ 2 °)¹². שכבה זו סיכה מאפשר גם למשטח יש יכולות אנטי-הרטבה מדהים¹³, הוכחת פוטנציאל גדול עבור מכשירים רפואיים^14,15. עם זאת, מחקרים קודמים על משטחים חלקים התמקדו בעיקר לקראת יישום בטמפרטורת החדר או טמפרטורות נמוכות. ישנם מחקרים מעטים מאוד על הכנת משטחים חלקים עם עמידות בטמפרטורות גבוהות. לדוגמה, ג'אנג. et al. הראה כי אידוי מהיר של חומר סיכה במהירות גורמת לכשל של נכס חלקלק בטמפרטורות גבוהות מעט אפילו¹⁶.

משטחי חלקלק עם עמידות בטמפרטורות גבוהות יכול להרחיב את היישום פוטנציאליים; לדוגמה, הם יכול לשמש מחסומים נוזלי להפחתת רקמות רכות הדבקה על מכשיר electrosurgical טיפים. במהלך פעולת כירורגי, הידבקות רקמות רכות קשות מתרחשת בשל הטמפרטורה הגבוהה של העצות electrosurgical כלי. הרקמות הרכות יכולים להיות חרוכים, גורם לזה לדבוק הטיפ כלי, אשר אז דמעות הרקמות הרכות סביב עצה^17,18,19. הרקמות הרכות מודבקת על קצה כלי electrosurgical באופן שלילי משפיע על הפעולה, גם עלול לגרום לכשל של hemostasis^19,20. תופעות אלה פוגעים באופן משמעותי אינטרס כלכלי ובריאות של אנשים. לכן, פתרון הבעיה של רקמות רכות הדבקה על מכשירים electrosurgical הוא דחוף מאוד. למעשה, משטחים חלקים מציעות הזדמנות כדי לפתור בעיה זו.

כאן, אנו מציגים פרוטוקול להמציא משטחי חלקלק בטמפרטורות גבוהות. נירוסטה נבחרה כחומר משטח בגלל עמידותו בטמפרטורות גבוהות. פלדת היה roughened על ידי בסיוע פוטוליתוגרפיה צריבה כימית. לאחר מכן, המשטח היה functionalized עם חומר מסתיימים, מלוחים octadecyltrichlorosilane (פאלו ורדה)^21,22,23,24. משטח חלקלק הוכן על-ידי הוספת שמן סיליקון. חומרים אלה אפשרה המשטח חלקלק על מנת להשיג עמידות בטמפרטורות גבוהות. המאפיין נגד הרטבה בטמפרטורות גבוהות, ההשפעות האנטי-אדהזיה על רקמות רכות נחקרו. התוצאות ולהראות את הפוטנציאל של שימוש משטחי חלקלק כדי לפתור את הבעיה אדהזיה אנטי בטמפרטורות גבוהות.

Protocol

1. פוטוליתוגרפיה על פלדת אל-חלד

1. לעצב את photomask באמצעות תוכנת ציור מכני, הרכיבו את העיצוב על-ידי שליחתו מדפסת photomask⁴.
2. לשטוף פלדת אל-חלד (316 SS; lengthx רוחב: 4 ס מ x 4 ס מ, עובי: 1 מ מ) על ידי שטיפה זה בפתרונות אלקליין (50 גר'/ליטר NaOH ו 40 g/L₂CO נה₃) בטמפרטורת החדר למשך 15 דקות להסיר שמן מזהמים.
3. ניקוי יסודי של פלדת אל-חלד על-ידי ביצוע ניקוי אולטראסוניות ב מכונת ניקוי אולטראסוניות (תדר עבודה: 40 קילו-הרץ, כוח אולטרה סאונד: 500 ואט). לשטוף את זה ברצף עם מים יונים, n-הקסאן, אצטון ואתנול למשך 10 דקות.
4. יבש את פלדת על-ידי הצבתו על פלטה חמה ב 150 מעלות צלזיוס במשך 30 דקות הגן פלדת על ידי הסתרתה באמצעות גיליון של נייר אלומיניום (Al).
5. המקום פלדת אל-חלד במרכז coater ספין. השתמש טפי להפקיד photoresist חיובי (בערך 1 מ"ל) על גבי הנירוסטה, מן המרכז אל הקצה, עד photoresist מכסה לחלוטין את פלדת אל-חלד. הימנע בועה-צורה photoresist.
   1. לבצע ספין-ציפוי, תחילה עם מהירות של 700 סל ד/דקה 6 s, להתחיל מחזור ספין, ואז עם מהירות של 1,500 סל"ד/דקה 15 s, להפיץ את photoresist באופן אחיד.
6. לשחרר את שסתום ואקום ולאחזר את פלדת אל-חלד בעזרת זוג מספריים. מניחים את נירוסטה על פלטה חמה ב 120 מעלות צלזיוס למשך 2 דקות לאפות את photoresist.
7. המקום פלדת אל-חלד שסתום ואקום של מכונה פוטוליתוגרפיה. הגדר את זמן החשיפה של המכונה פוטוליתוגרפיה 25 s.
   הערה: כאן, המכונה פוטוליתוגרפיה היא aligner קשר עם אולטרה סגול (UV) אור באורך גל של 254 ננומטר, עוצמת האור של mW/cm 13².
8. לשחרר את פלדת אל-חלד ולמקם אותו הפתרון מפתח עבור 1 דקות להסיר את photoresist מבלי לחשוף אותו לאור UV. הסר את פלדת אל הפתרון מפתח לשטוף אותה עם מים יונים, לייבש אותו תחת גז₂ N.
9. המקום פלדת אל-חלד על פלטה חמה כדי לאפות בתנור בחום של 120 מעלות למשך 2 דקות.
10. השתמש במיקרוסקופ זקוף הגדלה של 100 x להתבונן על פני הנירוסטה לבחון את המרקם photoresist שהושג.

2. כימי תחריט של פלדת אל-חלד

1. להכין חומר כימי תצריב פתרון עם נפח של 200 מ ל (400 g/L FeCl₃20 g/L חומצה זרחתית, חומצת מלח 100 גרם/ליטר) בתוך 500-mL.
2. המקום פלדת אל-חלד עם מרקם photoresist בתמיסה כימית למשך 10 דקות. אל תאפשר את החלקים מפלדת ליצור קשר עם אחד את השני. המקום לכל היותר פיסות פלדת אל-חלד ארבעה בבת אחת.
3. להוציא פלדת אל-חלד חרוט כימית באמצעות פינצטה, לשטוף את החלקים עם מים יונים עבור 1 דקות, לייבש אותם עם גז₂ N.
4. הסר את המרקם photoresist על ידי השוקע על חלד, אצטון ניקוי אולטראסוניות במשך 5 דקות. לאחר מכן, יבש הנירוסטה כימית חרוט עם גז₂ N.

3. פאלו ורדה הרכבה עצמית-כימית חרוט מנירוסטה

1. לנקות את פלדת אל-חלד כימית חרוט עם זרם קבוע של מים יונים, לייבש אותו עם N₂ גז, ומניחים אותו על צלחת חמה ב 100 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות להתייבש לחלוטין את פני השטח.
2. Hydroxylate של פלדת אל-חלד חרוט כימי עם טיפול פלזמה₂ O במכונה פלזמה של RF, עם כוח RF של 100 W 10 דקות, בלחץ המערכת של 100 mbar של קצב זרימה של 20 sccm.
3. להכין פתרון 1 מ"מ פאלו ורדה טולואן נטול מים בתוך. יבש את הספל ביסודיות לפני ההכנה פתרון.
4. יש לשטוף את פלדת אל-חלד כימית חרוט עם הפתרון פאלו ורדה במשך 4 שעות בטמפרטורת החדר. מקם את הספל בשקית אטומה. אל תאפשר את החלקים פלדת אל-חלד ליצור קשר עם אחד את השני.
5. להסיר את פלדת אל-חלד לנקות אותו עם טולואן נטול מים על-ידי ביצוע ניקוי אולטראסוניות למשך 10 דקות, לייבש אותו עם גז₂ N.

4. הכנת המשטח חלקלק

1. להפקיד כ ס מ/10 מ"ל שמן סיליקון² (צמיגות: 350 cst; מתח: mN 21.1/m) על גבי פלדת אל-חלד מצופה פאלו ורדה, מבחינה כימית חרוטה בעזרת טפטפת של.
2. השתמש stereomicroscope אופטי כדי לבחון את תהליך הרטבה של שמן סיליקון על פני השטח נירוסטה (הגדלה של 10 x).
3. הסר את שמן סיליקון עודף על-ידי הצבת את נירוסטה בצורה מאונכת לשעה.

5. חקירת מים הזזה התנהגות על משטחים חלקים

1. להפקיד טיפונת מים 4-µL על המשטח חלקלק. מקם את נירוסטה תחת מיקרוסקופ אופטי, להטות את המצע על ידי ~ 2°.
2. דמיינו את ה-droplet מים הזזה על המשטח חלקלק בהגדלה גדולה נמוך (50 x) כדי לבדוק שיש המשטח חלקלק המאפיין הזזה קלה.

6. ניתוח של הרטבה אנטי על המשטח חלקלק בטמפרטורות גבוהות

1. המקום פלדת אל-חלד עם משטח חלקלק על פלטה חמה באמצעות פינצטה. הגדר את הכיריים בטמפרטורות גבוהות שונות (קרי, 200 ° C 250 ° C, 300 ° C) כדי לנתח את התנהגויות אנטי-הרטבה בטמפרטורות שונות.
   הערה: אל תיגע ישירות את פלדת אל-חלד טמפרטורה גבוהה עם הידיים.
2. השתמש מזרק מיקרו להפקיד טיפונת מים 10-µL על המשטח חלקלק.
   הערה: לפני שחרור ה-droplet המים, הטמפרטורה של פני השטח חלקלק אמורים להגיע שיווי משקל.
3. השתמש מצלמה במהירות גבוהה כדי להקליט את התנועה droplet מים בקצב מסגרת של 500 הרץ.
   1. לתקן את המצלמה על חצובה, לכוון את העדשה של המצלמה לכיוון פלדת אל-חלד. התאם את המוקד של המצלמה כדי לקבל תמונה droplet מים צלולים. להקליט את תנועת ה-droplet מים על פני השטח מפלדת על-ידי לחיצה על לחצן התחל של המצלמה. לחצו על הכפתור end של המצלמה כאשר השקופיות droplet ' מים ' תוריד את פלדת אל-חלד כדי להשלים את ההקלטה.

7. ניתוח ההשפעות נגד הידבקות של המשטח חלקלק על רקמות רכות

1. השתמש תחמן, dynamometer על פלטה חמה, אביזר נייח כדי להגדיר סמיך לכפות מדידה פלטפורמה⁴, כפי שמוצג איור 3 א.
2. במקום משטח הבדיקה על הכיריים. להשתמש במלחצת כדי לתקן את פלדת על הצלחת. לחמם את פני השטח מבחן לטמפרטורה מסוימת גבוהה (למשל, 300 ° C).
   הערה: פני מבחן מקרוב לפנות את הכיריים כדי להבטיח חום יעיל תחבורה אל פני השטח חלקלק.
3. לתקן את dynamometer כדי manipulator. התחבר לטבלה גליל (קוטר: 2 ס מ) עם ראש כוח לפעול כמו רקמה רכה קבועה פלטפורמה.
4. לתקן את הרקמות הרכות (למשל, חזה עוף; אורך: 5 ס מ, רוחב: 2 ס מ, עובי: 3 מ מ) על השולחן גליל באמצעות חוט דק. ודא כי השטח רקמות רכות כ אפילו.
5. לטעון את הרקמות הרכות על גבי משטח הבדיקה במהירות של 1 מ מ/s עד dynamometer מגיע מסוימים מקסימום כוח (למשל, 4.5 N) על-ידי סיבוב כפתור תנועה של manipulator. לאחר מכן, לפרוק את הרקמות באותה מהירות.
6. לחבר מחשב dynamometer באמצעות קו תמסורת נתונים והקלטה של הכוח בזמן אמת בין הרקמות הרכות על פני מבחן.

תוצאות

המשטח חלקלק הוכן על-ידי הוספת שמן סיליקון פלדת אל-חלד מצופה פאלו ורדה, חרוטה מבחינה כימית. בשל תכונותיהם כימי דומה, המשטח היה שנרטבו לחלוטין על ידי שמן סיליקון. תהליך הרטבה מוצג איור 1a. קו מקווקו אדום מסמן את הקו הרטבה. לאחר הרטבה, שכבת שמן גלוי יכול להבחין ב...

Discussion

כתב יד זה מפרט פרוטוקולים עבור בדיית משטח חלקלק עם עמידות בטמפרטורות גבוהות. המאפיין חלקלק של השטח שלנו מוכן הודגם על ידי הזזה קלה התנהלות טיפונת מים. . אז, נגד הרטבה של המשטח חלקלק מוכן בטמפרטורות גבוהות שונות נחקר על ידי הפקדת טיפונת מים על פני השטח חם. התוצאות מציגות המשטח חלקלק מוכן מתוח...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Stainless steel	Hongtu Corporation	316	Use as received
Octadecyltrichlorosilane	Huaxia Reagent	112-04-9	Use as received
Photoresist	Kempur Microelectronic Corporation	317S	Use as received
Silicone oil	Beijing Chemical Works	350 cst	Use as received
Anhydrous toluene	Beijing Chemical Works	108-88-3	Use as received
Phosphoric acid (H3PO4)	Tianjin Chemical Corporation	7664-38-2	Use as received
Hydrochloric acid (HCl)	Tianjin Chemical Corporation	7647-01-0	Use as received
Ferric chloride (FeCl3)	Tianjin Chemical Corporation	7705-08-0	Use as received
Optical upright microscope	Olympus	BX51
Optical stereo microscope	Olympus	SZX16
High speed camera	Olympus	i-SPEED LT
Ultrasonic cleaner	KUNSHAN ULTRASONIC INSTRUMENTS CO. LTD	KQ-500E
Dynamometer	Yueqing Handapi Instruments Co. Ltd	HP-5
Manipulator	Yueqing Handapi Instruments Co. Ltd	HLD
Hot plate	Shenzhen Jingyihuang Corporation	DRB-1