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氧等离子处理对多孔硅表面润湿性的影响

文章出处:本站 | 网站编辑:深圳纳恩科技有限公司| 发表时间:2022-10-19
多孔硅具有高比表面积、孔径可控性、荧光性等独特理化性质,在传感器开发、药物释放、生物材料、微流控等领域具有广泛应用前景,近年来已成为基础研究和应用研究的热点。研究表明,硅片表面的形貌、润湿性(表观接触角)对多孔硅的生物相容性、细胞毒性等有重要影响。例如:细胞更易粘附在接触角约64°的材料表面,大于或小于这个角度都会不利于细胞在生物材料上的粘附和生长。因此接触角(润湿性)的动态变化机理与精确控制是多孔硅在生物移植、药物释放等领域实现广泛应用需要解决的关键科学问题之一。
氧等离子处理对多孔硅表面润湿性的影响
构建润湿性可控的多孔硅表面材料,用较为简易的方法实现其润湿性控制,将对其在生物材料设计等领域的应用具有重要意义。多孔硅表面润湿性主要由表面微观结构和化学组成决定。多孔硅制备过程中可通过控制孔径大小来调整表面微观结构,而表面化学组成的修饰则可通过对多孔硅接枝、涂层、等离子等后期处理实现。

近年来对于多孔硅表面润湿性的控制已经有了一些尝试,包括接枝有机分子、涂层UV光敏性特殊材料、电化学等方法。但是这些方法各有其局限性,或者使用材料昂贵、或者影响因素较多无法精确控制接触角,因此在实际应用中很难大规模使用。氧等离子处理具有操作简单、处理时间短、无污染、可定量操作性高等特点,是较为常见的平滑硅表面处理方法。


氧等离子处理对多孔硅表面润湿性的影响


氧等离子处理过程主要由两步组成,第一步是处理舱内氧气分子在真空及电场作用下被激发为等离子态,进而吸附在固体表面;第二步如反应(1)所示,被吸附的氧等离子基团(O*)与硅表面Si-H基团反应形成Si-O-Si键。在随后测量接触角时这些Si-O-Si键与去离子水迅速反应,如反应(2),在表面形成极性的Si-OH基团。随着等离子处理时间的增长,极性基团的数量不断增多,最终整个表面呈现极强的润湿性,接触角接近于0°。
Si-H+Si-H+O*→Si-O-Si+H20(1)
Si-O-Si+H20→Si-OH+Si-OH(2)

图1是4种多孔硅样品接触角(θ)随氧等离子处理时间(t)的变化关系图。在等离子处理后的20S内接触角迅速下降,幅度超过50%,大约100S后样品表面的润湿性都已达到稳定并表现为极为亲水(接触角为0°~2°),接触角不再随时间而变化。
多孔硅样品接触角随氧等离子处理时间的关系
 图一 多孔硅样品接触角随氧等离子处理时间的关系
表面润湿性是影响多孔硅实际应用的重要因素,对多孔硅表面润湿性的精确控制是其在生物移植、药物释放等领域实现广泛应用需要解决的关键科学问题之一。多孔硅在氧等离子处理过程中表面润湿性的动态变化过程,发现其润湿性随着处理时间的增长迅速降低至极亲水状态。
 

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