Summary

不锈钢滑面的制备及高温抗粘接性能研究

Published: March 29, 2018
doi:

Summary

滑面为解决粘接问题提供了一种新的方法。本协议描述如何在高温下制造滑面。结果表明, 在高温下, 滑面表面对液体具有抗润湿性, 对软组织具有显著的抗粘附作用。

Abstract

耐高温抗粘连表面具有广泛的应用潜力, 在电刀仪器, 发动机和管道。典型的抗润湿超疏水性表面容易失效, 当暴露在高温液体。最近,猪笼草激发的滑面显示了解决粘附问题的新方法。在滑面上的润滑剂层可以充当被排斥材料与表面结构之间的屏障。然而, 以往研究中的滑面很少表现出耐高温。在这里, 我们描述了一个协议, 以制备耐高温光滑表面。采用光刻辅助法对不锈钢柱结构进行了制备。用盐水 functionalizing 表面, 通过添加硅油来制备光滑的表面。制备的滑面保持了水的抗润湿性, 即使表面加热到300摄氏度。同时, 滑面在高温下对软组织的抗粘连作用也很大。这种类型的不锈钢滑面在医疗设备, 机械设备,方面的应用。

Introduction

由于其在电刀仪器、发动机、管道等领域的广泛应用潜力, 在高温下用于液体和软组织的抗粘连表面受到了相当大的关注.1,2,3,4. Bioinspired 表面, 特别是超疏水性表面, 被认为是理想的选择, 因为它们具有优异的抗润湿能力和自清洁性能5。在超疏水性表面, 应将抗润湿能力归因于表面结构中的锁定空气。但是, 超疏水性状态不稳定, 因为它位于凯西-巴克斯特状态6, 7 中.同时, 在高温下, 由于从凯西-巴克斯特到 Wenzel 状态8的润湿状态转变, 液滴的抗润湿性可能会失败。这种润湿过渡是由于结构中的小液滴润湿引起的, 导致无法将空气锁定到位。

最近, 由于猪笼草的 peritome 的滑特性,猪笼草, 黄et 等. 报告了一个概念, 通过注入润滑剂到表面结构9,10, 构造光滑的表面 ,11。由于毛细力的缘故, 结构可以牢固地保持润滑剂到位, 就像在超疏水性表面的锁着的空气袋。因此, 润滑剂和表面结构可以形成稳定的固体/液体表面。当润滑剂对表面结构有优先的亲和力时, 复合表面的液滴会很容易滑动, 只有极低的接触角滞后 (例如, ~ 2°)12。这一润滑剂层还使表面具有显著的抗润湿能力13, 显示了医疗设备14,15的巨大潜力。然而, 以往对滑面的研究主要集中在室温或低温条件下的制备。对高温抗滑面的制备研究很少。例如, 张et表明, 润滑油的快速蒸发会迅速导致滑块的性能在稍高的温度下发生故障 (16)。

耐高温滑面可拓宽应用潜力;例如, 它们可以被用作液体屏障, 以减少对电刀器械的软组织粘连。手术过程中, 由于高频电刀提示的高温, 严重的软组织粘连发生。软组织可以烧焦, 导致它坚持的仪器提示, 然后撕裂软组织周围的提示17,18,19。术后粘附软组织对手术有负面影响, 也可能诱发止血失败19,20。这些影响严重损害了人们的健康和经济利益。因此, 解决电切器械软组织粘连问题迫在眉睫。事实上, 滑面提供了一个解决这个问题的机会。

在这里, 我们提出了一个协议, 以制造在高温下可用的滑面。不锈钢因其耐高温而被选为表面材料。采用光刻辅助化学蚀刻法对不锈钢进行了粗糙化。然后, 表面具有生物相容材料的功能, 生理盐水 octadecyltrichlorosilane ()21,22,23,24。通过添加硅油, 制备了一种光滑的表面。这些材料使光滑表面达到耐高温。研究了高温抗润湿性及对软组织的抗粘连作用。结果表明, 在高温下, 利用滑面来解决抗粘接问题的可能性很大。

Protocol

1. 不锈钢光刻 使用机械绘图软件设计光掩模, 并通过将其提交到光掩模打印机4来制造设计。 清洗不锈钢 (316 SS; lengthx 宽度: 4 厘米 x 4 厘米, 厚度: 1 毫米), 在室温下用碱性溶液 (50 克/升氢氧化钠和40克/升 Na2CO3) 冲洗, 以除去油污。 在超声波清洗机 (工作频率:40 赫, 超声波功率: 500 W) 上进行超声波清洗, 彻底清洁不锈钢。用去离子水、正己烷、…

Representative Results

通过将硅油添加到涂覆的化学蚀刻不锈钢中, 制备了滑面。由于其相似的化学性质, 表面被硅油完全润湿。润湿过程显示在图 1a中。红色虚线标记润湿线。润湿后, 可见的油层可与干燥表面区分开来。用近似2°的角度, 在滑面上沉积水滴, 研究了制备的滑面的滑块性能。图 1b显示在滑面上的原位水滴移动。黄色虚线标记接触…

Discussion

本手稿详细介绍了制造耐高温的光滑表面的协议。通过观察水滴的易滑动特性, 证明了所制备表面的光滑性能。通过在热面上沉积水滴, 研究了不同高温条件下制备的滑面的抗润湿性。结果表明, 即使在加热到300摄氏度以上的情况下, 所制备的滑面也保持了其光滑的性能。我们还确定了滑面对软组织的抗粘连作用。

与超疏水性表面不同, 滑面表面结构作为注入润滑剂的保温结构?…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

这项工作得到了中国国家自然科学基金 (51290292 号赠款) 的支持, 并得到了博士生北航学术优秀基金会的支持。

Materials

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

Referenzen

  1. Liu, Y., Chen, X., Xin, J. H. Can superhydrophobic surfaces repel hot water?. J Mater Chem. 19 (31), 5602-5611 (2009).
  2. Urata, C., Masheder, B., Cheng, D. F., Hozumi, A. A thermally stable, durable and temperature-dependent oleophobic surface of a polymethylsilsesquioxane film. Chem Commun. 49, 3318-3320 (2013).
  3. Daniel, D., Mankin, M. N., Belisle, R. A., Wong, T. -. S., Aizenberg, J. Lubricant-infused micro/nano-structured surfaces with tunable dynamic omniphobicity at high temperatures. Appl Phys. Lett. 102 (23), 231603 (2013).
  4. Zhang, P., Chen, H., Zhang, L., Zhang, D. Anti-adhesion effects of liquid-infused textured surfaces on high-temperature stainless steel for soft tissue. Appl Surf Sci. 385, 249-256 (2016).
  5. Barthlott, W., Neinhuis, C. Purity of the sacred lotus,or escape from contamination in biological surfaces. Planata. 202 (1), 1-8 (1997).
  6. Feng, L., et al. Super-hydrophobic surfaces: from natural to artificial. Adv Mater. 14 (24), 1857-1860 (2002).
  7. Li, X. M., Reinhoudt, D., Crego-Calama, M. What do we need for a superhydrophobic surface? A review on the recent progress in the preparation of superhydrophobic surfaces. Chem Soc Rev. 36 (8), 1350-1368 (2007).
  8. Roach, P., Shirtcliffe, N. J., Newton, M. I. Progess in superhydrophobic surface development. Soft Matter. 4, 224-240 (2008).
  9. Park, K. C., et al. Condensation on slippery asymmetric bumps. Nature. 531 (7592), 78-82 (2016).
  10. Wong, T. S., et al. Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity. Nature. 477 (7365), 443-447 (2011).
  11. Chen, H., et al. Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata. Nature. 532 (7597), 85-89 (2016).
  12. Zhang, P., Chen, H., Zhang, L., Ran, T., Zhang, D. Transparent self-cleaning lubricant-infused surfaces made with large-area breath figure patterns. Appl Surf Sci. 355, 1083-1090 (2015).
  13. Lafuma, A., Quéré, D. Slippery pre-suffused surfaces. EPL. 96, 56001 (2011).
  14. Epstein, A. K., et al. Liquid-infused structured surfaces with exceptional anti-biofouling performance. P Natl Acad Sci USA. 109 (33), 13182-13187 (2012).
  15. MacCallum, N., et al. Liquid-infused silicone as a biofouling-free medical material. ACS Biomater Sci Eng. 1, 43-51 (2015).
  16. Zhang, J., Wu, L., Li, B., Li, L., Seeger, S., Wang, A. Evaporation-induced transition from Nepenthes pitcher-inspired slippery surfaces to lotus leaf-inspired superoleophobic surfaces. Langmuir. 30 (47), 14292-14299 (2014).
  17. Sutton, P. A., Awad, S., Perkins, A. C., Lobo, D. N. Comparison of lateral thermal spread using monopolar and bipolar diathermy the Harmonic Scalpel™ and the Ligasure™. Brit J Surg. 97 (3), 428-433 (2010).
  18. Koch, C., Friedrich, T., Metternich, F., Tannapfel, A., Reimann, H. P., Eichfeld, U. Determination of temperature elevation in tissue during the application of the harmonic scalpel. Ultrasound Med Biol. 29 (2), 301-309 (2003).
  19. Sinha, U. K., Gallagher, L. A. Effects of steel scalpel, ultrasonic scalpel, CO2 laser, and monopolar and bipolar electrosurgery on wound healing in guinea pig oral mucosa. Laryngoscope. 113 (2), 228-236 (2003).
  20. Lee, J. H., Go, A. K., Oh, S. H., Lee, K. E., Yuk, S. H. Tissue anti-adhesion potential of ibuprofen-loaded PLLA-PEG diblock copolymer films. Biomaterials. 26 (6), 671-678 (2005).
  21. Ding, J. N., Wong, P. L., Yang, J. C. Friction and fracture properties of polysilicon coated with self-assembled monolayers. Wear. 260 (1-2), 209-214 (2006).
  22. Kulkarni, S. A., Mirji, S. A., Mandale, A. B., Vijayamohanan, K. P. In vitro stability study of organosilane self-assemble monolayers and multilayers. Thin Solid Films. 496, 420-425 (2006).
  23. Meth, S., Savchenko, N., Viva, F. A., Starosvetsky, D., Groysman, A., Sukenik, C. N. Siloxane-based thin films for corrosion protection of stainless steel in chloride media. J Appl Electrochem. 41 (8), 885-890 (2011).
  24. Zhang, P., Chen, H., Zhang, L., Zhang, Y., Zhang, D., Jiang, L. Stable slippery liquid-infused anti-wetting surface at high temperatures. J Mater Chem A. 4 (31), 12212-12220 (2016).
  25. Smith, J. D., et al. Droplet mobility on lubricant-impregnated surfaces. Soft Matter. 9 (6), 1772-1780 (2013).
  26. Tran, T., Staat, H. J. J., Prosperetti, A., Sun, C., Lohse, D. Drop impact on superheated surfaces. Phys Rev Lett. 108 (3), 036101 (2012).
  27. Donzelli, J., Leonetti, J. P., Wurster, R. D., Lee, J. M., Young, M. R. I. Neuroprotection due to irrigation during bipolar cautery. Arch Otolaryngol. 126 (2), 149-153 (2000).

Play Video

Diesen Artikel zitieren
Zhang, P., Huawei, C., Liu, G., Zhang, L., Zhang, D. Preparation and High-temperature Anti-adhesion Behavior of a Slippery Surface on Stainless Steel. J. Vis. Exp. (133), e55888, doi:10.3791/55888 (2018).

View Video