為了使手術器械具有疏水抗菌性，我們在手術器械表面制備了具有微納米結構的Cr/CrN/Cu-TiN膜。基體表面微納米化用化學刻蝕法，膜層制備用高功率脈沖磁控濺射法，試樣檢測用SEM、EDS、接觸角測量儀和涂層附著力自動劃痕儀等。試樣薄膜抗菌元素Cu 含量隨偏壓增大從3.09%降到1.77%；膜基結合力隨偏壓增大呈先增后減趨勢，-50 V 時膜基結合力最大，為34 N；比較基體未經刻蝕處理和經過微納米化刻蝕處理的試樣的疏水性，差異明顯，前者的水接觸角為78°，后者的水接觸角為132°。

　　在當代醫學科學和診療技術迅速發展的形勢下，隨著人體器官移植、心臟手術、人工關節置換、顯微外科、微創外科等高難度手術的開展，外科技術對手術器械的清洗、消毒和滅菌要求越來越高。目前臨床使用的手術器械均為鍍Ni 或Cr的不銹鋼和鈦合金器械，自身無抗菌和抗粘附性能，術后都要進行復雜的清洗消毒殺菌處理，而且要對手術器械徹底清洗消毒殺菌，需要購買成套昂貴的設備。對于條件一般無力購買昂貴的設備的醫療機構，術后手術器械清洗消毒與滅菌不徹底，最終導致臨床手術交叉感染患者。

　　目前還未見在手術器械表面沉積抗菌抗粘膜的文獻報道，針對手術器械存在的上述缺陷，我們提出在手術器械表面高功率脈沖磁控濺射制備Cr/CrN/Cu-TiN 抗菌抗粘膜，Cr/CrN 為過渡層，作用是提高膜基結合力，Cu-TiN 為表層工作層，其中Cu 為抗菌元素，TiN 具有良好的耐磨耐蝕和生物相容性。高功率脈沖磁控濺射法與常規磁控濺射法相比具有更高的離子離化率，沉積的薄膜膜基結合強度、致密度、均勻性和繞射性更好。本文研究內容是偏壓對膜成分、膜基結合力的影響規律和表面形貌對膜疏水性的影響規律等。

1、實驗

　　實驗采用的高功率脈沖磁控濺射沉積系統如圖1 所示，主要由靶電源，偏壓電源，勵磁電源，真空系統，冷卻系統和供氣系統等組成。

圖1 高功率脈沖磁控濺射沉積系統示意圖

　　實驗用靶材為純度99.99%的Cr 靶和純度99.99%自制Ti 鑲嵌Cu 靶，工作氣體為99.999%的Ar 和N2，基體為1Cr18Ni9Ti 不銹鋼片。先分別用酒精和蒸餾水清洗不銹鋼片，然后用配制的化學刻蝕液(4 g FeCl 3.6 H2O，2 ml HCl 溶液，2 mlH3PO4 溶液，30 ml 蒸餾水)刻蝕10 min，再用蒸餾水清洗干凈被刻蝕的不銹鋼片并吹干，后放入沉積系統真空室內高功率脈沖磁控濺射清洗和沉積Cr/CrN/Cu-TiN 膜。

　　采用掃描電子顯微鏡對試樣進行表面形貌分析，能譜儀進行膜成分百分含量測定。采用WS-2005涂層附著力自動劃痕儀對試樣進行膜基結合力測定，加載載荷為50 N，加載速度為50 N/S，劃痕長度為4 mm。JC2000C 接觸角測量儀對試樣進行抗粘性檢測，用接觸角表征。

2、實驗結果與分析

　　2.1、偏壓對膜Cu 含量的影響

　　圖2 是不同偏壓下制得Cr/CrN/Cu-TiN 膜的能譜圖，薄膜主要由Cr、Ti、Cu 和N 組成。偏壓分別為-30 V、-50 V、-70 V 和-90 V 時，膜層中抗菌元素Cu 含量從3.09%降到1.77%。隨著偏壓增大，抗菌元素Cu 百分含量逐漸下降。銅的濺射閥值低于Ti 的濺射閾值，銅粒子到達基體的能量更高，隨著偏壓增大，對其二次濺射作用越來越明顯，沉積量減少。

圖2 不同偏壓下制備的Cr/CrN/Cu-TiN 膜的能譜圖

　　2.2、偏壓對膜膜基結合力的影響

　　薄膜和基體的界面結合強度是薄膜最重要的性能之一，其值高低直接影響實際使用效果。薄膜殘余應力由兩部分組成，分別是膜與基體材料熱膨脹系數不同引起的熱應力和膜內部結構引起的內應力。圖3 是不同偏壓下制得Cr/CrN/Cu-TiN膜的劃痕形貌，隨著偏壓增加，膜基結合力出現先增后減的趨勢，-50 V 時最大，達到34 N。隨著偏壓增大，離子被加速獲得更高的能量，對膜的轟擊效應增強，膜層組織不僅由疏松向致密轉變，而且偽擴散層得到寬化，膜基結合力得到提高，當偏壓增加到一定值后，離子能量過高，這種轟擊效應引起膜內部結構缺陷產生高壓內應力，膜基結合力降低。

圖3 不同偏壓下制備的Cr/CrN/Cu-TiN 膜的劃痕形貌圖

　　2.3、表面形貌對膜疏水性的影響

　　圖4 中(a)不銹鋼基體未做化學刻蝕處理，表面比較光滑，水滴與膜接觸面積大，水接觸角為78°；(b)中試樣基體經化學刻蝕表面微納米化，沉積上Cr/CrN/Cu-TiN 膜后，仍保留蜂窩狀微納米結構(蜂窩狀，孔徑約為2~3 μm，孔壁厚度為幾百納米，孔深約為2 μm)凹槽中存在空氣，水滴不能完全填充蜂窩狀微納米結構的凹槽，與試樣的實際接觸面是空氣和膜，這樣與膜的實際接觸面積很小，空氣的的表面能又比較低，所以測得的水接觸角比較大，水接觸角為113°。

圖4 不同表面形貌下膜的接觸角圖

3、結論

　　對未作化學刻蝕處理和微納米化刻蝕處理的不銹鋼基體高功率脈沖磁控濺射沉積Cr/CrN/Cu-TiN膜，對試樣成分和性能分析獲得如下結論：

　　(1)基體偏壓為-30 V、-50 V、-70 V 和-90 V，膜層中抗菌元素Cu 含量隨偏壓增大從3.09%降到1.77%；

　　(2)基體偏壓為-30 V、-50 V、-70 V 和-90 V，隨偏壓增大膜基結合力先增加后減少，大小分別為28 N、34 N、23 N 和15.5 N；

　　(3)基體未經化學刻蝕處理和經過微納米化刻蝕處理的薄膜表現出明顯差異的疏水性，微納米化顯著增加了薄膜的疏水性，前者水接觸角為78°，后者水接觸角為132°。