Comportamiento de anti-adherencia preparación y alta temperatura de una superficie resbaladiza en acero inoxidable
Summary
Superficies resbaladizas proporcionan una nueva forma de resolver el problema de adherencia. Este protocolo describe cómo fabricar superficies resbaladizas a altas temperaturas. Los resultados demuestran que las superficies resbaladizas demostraron la adherencia de soldadura para líquidos y un notable efecto anti-adherencia en los tejidos blandos a altas temperaturas.
Abstract
Anti-adherencia superficies con resistencia de alta temperatura tienen una amplia aplicación en tuberías, motores e instrumentos electroquirúrgicos. Una típica superficie superhidrófobos anti-humectante falla fácilmente cuando se expone a un líquido de alta temperatura. Recientemente, Nepenthes-superficies resbaladizas inspiradas demostraron una nueva forma de resolver el problema de adherencia. Una capa de lubricante en la superficie resbaladiza puede actuar como una barrera entre el material rechazado y la estructura superficial. Sin embargo, las superficies resbaladizas en estudios anteriores raramente demostraron resistencia a alta temperatura. Aquí, describimos un protocolo para la preparación de superficies resbaladizas con resistencia de alta temperatura. Un método asistido por la fotolitografía se utilizó para fabricar las estructuras de la columna en acero inoxidable. Funcionales de la superficie con una solución salina, una superficie resbalosa fue preparada mediante la adición de aceite de silicona. La superficie resbalosa preparada mantuvo la propiedad anti-humectante agua, incluso cuando la superficie fue calentada a 300 ° C. También, la superficie resbaladiza exhibió grandes efectos de la adherencia en los tejidos blandos a altas temperaturas. Este tipo de superficie resbaladiza en el acero inoxidable tiene aplicaciones en dispositivos médicos, equipos mecánicos, etcetera.
Introduction
Anti-adherencia superficies a altas temperaturas para su uso con los líquidos y los tejidos blandos han recibido un gran interés debido a su amplia aplicación en instrumentos electroquirúrgicos, motores, tuberías etc. 1 , 2 , 3 , 4. las superficies Bioinspirados, superficies particularmente superhidrófobos, consideran la opción ideal debido a su excelente capacidad anti-adherencia de soldadura y limpieza de propiedades5. En superficies superhidrófobos, la capacidad anti-humectante debe atribuirse al aire bloqueado en la estructura superficial. Sin embargo, el estado superhidrófobos es inestable porque está en el estado de Cassie-Baxter6,7. También, a altas temperaturas, la adherencia de anti-soldadura gotitas de líquido puede fallar debido a la transición de estado mojado de Cassie-Baxter a la Wenzel estado8. Esta transición de adherencia de soldadura es inducida por adherencia de soldadura de pequeñas gotas de líquido en las estructuras, que se traduce en la falta de aire en lugar de la cerradura.
Inspirado en las propiedades deslizadizas de peritome de la planta de jarra, Nepenthes, Wong et al informó recientemente un concepto para construir superficies resbaladizas por infundir un lubricante en las estructuras superficiales9,10 ,11. Debido a la fuerza capilar, las estructuras pueden sostener firmemente el lubricante en el lugar, al igual que en el bolsillo de aire bloqueado en superficies superhidrófobos. Así, el lubricante y estructuras superficiales pueden formar una superficie sólido/líquido estable. Cuando el lubricante tiene una afinidad preferente por la estructura superficial, la gota de líquido sobre la superficie compuesta puede deslizarse fácilmente, con sólo una histéresis del ángulo de contacto muy baja (por ejemplo, ~ 2 °)12. Esta capa lubricante también permite que la superficie que tienen notables capacidades anti-humectantes13, demostrando el gran potencial de dispositivos médicos14,15. Sin embargo, estudios anteriores realizados sobre superficies resbaladizas se centraron principalmente en la preparación para la aplicación a temperatura ambiente o temperaturas bajas. Existen muy pocos estudios sobre la preparación de superficies resbaladizas con resistencia de alta temperatura. Por ejemplo, Zhang et al. , demostraron que la rápida evaporación del lubricante rápidamente causa el fracaso de la propiedad resbaladizo en incluso las temperaturas ligeramente altas16.
Superficies resbaladizas con resistencia de alta temperatura pueden ampliar la aplicación potencial; por ejemplo, pueden ser utilizados como barreras de líquidos para disminuir la adherencia de tejidos blandos a puntas de instrumento electroquirúrgico. Durante la operación quirúrgica, adherencia de tejido suave severo se produce debido a la alta temperatura de las puntas del instrumento electroquirúrgico. El tejido blando puede ser carbonizado, causando que se adhieren a la punta del instrumento, que luego se rasga el tejido blando alrededor de la punta17,18,19. El tejido blando adherido a la punta del instrumento electroquirúrgico influye negativamente en el funcionamiento y también puede provocar el fracaso de la hemostasia19,20. Estos efectos significativamente dañan la salud de las personas y el interés económico. Por lo tanto, es muy urgente para resolver la cuestión de la adhesión del tejido blando a instrumentos electroquirúrgicos. De hecho, superficies resbaladizas ofrecen una oportunidad para resolver este problema.
Aquí, presentamos un protocolo para fabricar superficies resbaladizas disponibles a altas temperaturas. Acero inoxidable fue seleccionado como el material de la superficie debido a su resistencia de alta temperatura. El acero inoxidable era rugosa por la aguafuerte química asistida por Fotolitografía. Entonces, la superficie era funcionalizada con un material biocompatible, octadecyltrichlorosilane salina (OTS)21,22,23,24. Una superficie resbaladiza se preparó agregando aceite de silicona. Estos materiales permitieron la superficie resbaladiza lograr resistencia a alta temperatura. La propiedad humectante contra altas temperaturas y los efectos de la adherencia en tejidos blandos fueron investigados. Los resultados muestran el potencial de usar superficies resbaladizas para resolver el problema de la adherencia a altas temperaturas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este manuscrito detalles de protocolos para la fabricación de una superficie resbalosa con resistencia de alta temperatura. La propiedad resbaladiza de la superficie preparada fue demostrada por observación del comportamiento de deslizamiento fácil de una gota de agua. Entonces, el anti-mojado de la superficie resbalosa preparado a diferentes temperaturas fue investigado por depositar una gota de agua sobre la superficie caliente. Los resultados muestran que la superficie deslizadiza preparada mantiene su propiedad re…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias naturales de China (Grant no. 51290292) y también fue apoyado por la Fundación de BUAA de la excelencia académica para estudiantes de doctorado.
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 |
Referencias
- Liu, Y., Chen, X., Xin, J. H. Can superhydrophobic surfaces repel hot water?. J Mater Chem. 19 (31), 5602-5611 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- Barthlott, W., Neinhuis, C. Purity of the sacred lotus,or escape from contamination in biological surfaces. Planata. 202 (1), 1-8 (1997).
- Feng, L., et al. Super-hydrophobic surfaces: from natural to artificial. Adv Mater. 14 (24), 1857-1860 (2002).
- 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).
- Roach, P., Shirtcliffe, N. J., Newton, M. I. Progess in superhydrophobic surface development. Soft Matter. 4, 224-240 (2008).
- Park, K. C., et al. Condensation on slippery asymmetric bumps. Nature. 531 (7592), 78-82 (2016).
- Wong, T. S., et al. Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity. Nature. 477 (7365), 443-447 (2011).
- Chen, H., et al. Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata. Nature. 532 (7597), 85-89 (2016).
- 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).
- Lafuma, A., Quéré, D. Slippery pre-suffused surfaces. EPL. 96, 56001 (2011).
- Epstein, A. K., et al. Liquid-infused structured surfaces with exceptional anti-biofouling performance. P Natl Acad Sci USA. 109 (33), 13182-13187 (2012).
- MacCallum, N., et al. Liquid-infused silicone as a biofouling-free medical material. ACS Biomater Sci Eng. 1, 43-51 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Smith, J. D., et al. Droplet mobility on lubricant-impregnated surfaces. Soft Matter. 9 (6), 1772-1780 (2013).
- Tran, T., Staat, H. J. J., Prosperetti, A., Sun, C., Lohse, D. Drop impact on superheated surfaces. Phys Rev Lett. 108 (3), 036101 (2012).
- 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).
