《Surfaces and Interfaces》：Long-term stability of antibacterial TiN-Ag coatings deposited by combining cathodic arc evaporation and magnetron sputtering
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本研究采用物理气相沉积法在钢基材上制备了钛氮化银（TiN-Ag）涂层，并探究了银浓度对涂层抗菌性能及机械性能的影响。结果表明，TiN-Ag涂层对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有显著抗菌效果，其中大肠杆菌的杀菌效果更优，因其细胞壁较薄更易被银离子渗透。涂层通过模拟手指接触和长期户外实验验证了其稳定性。
理查德·德雷韦（Richard Drevet）|萨汉德·贝兰吉（Sahand Behrangi）|扬·克卢松（Jan Klusoň）|帕维尔·昂德拉奇卡（Pavel Ondra?ka）|哈米德·博尔瓦尔迪（Hamid Bolvardi）|安德烈亚斯·吕姆克曼（Andreas Lümkemann）|彼得·瓦希纳（Petr Va?ina）
马萨里克大学等离子体物理与技术系，科特拉尔斯卡街2号（Kotlá?ská 2），捷克共和国布尔诺（Brno），邮编61137
摘要
含银的氮化钛涂层（TiN-Ag）是通过在反应性氩氮气氛中结合钛靶的阴极弧蒸发和银靶的磁控溅射工艺在工业条件下制备的。这些涂层被沉积在钢基板上，旨在为经常与人手接触的日常用品创造创新的抗菌表面。研究了两种不同的银浓度，以评估它们对涂层抗菌效果和机械性能的影响。所得涂层由两种晶体相（TiN和Ag）组成，它们属于同一立方晶系。涂层中的金属银对两种细菌菌株——金黄色葡萄球菌 ATCC 6538P和大肠杆菌 ATCC 8739具有显著的抗菌作用。由于金黄色葡萄球菌 ATCC 6538P的细胞壁较厚，银离子更难以渗透和降解其细胞壁，因此其对大肠杆菌 ATCC 8739的抗菌效果更强。通过两种不同的方法评估了TiN-Ag涂层的长期稳定性：第一种方法使用特定设备模拟反复的手指接触；第二种方法是将涂层钢样品固定在门把手上，在实际使用条件下进行为期两个月的实验。
引言
细菌是长度仅为几微米的单细胞生物，存在于地球上的各个角落。它们存在于空气中、土壤中、水中、酸性环境中、放射性废物中、海底、植物和动物体内以及地壳深处[1]。四十亿年来，细菌在地球生命的发展和维持中发挥了基础性作用[2]。大多数细菌对人体无害且有益，但某些细菌种类具有致病性，可能导致诸如破伤风、伤寒、白喉、梅毒、霍乱、炭疽、鼠疫、麻风病和结核病等致命疾病。抗生素被广泛用于治疗细菌感染，然而抗生素耐药性正日益成为一个全球性重大问题[3][4][5][6]。
医疗相关感染（HAI），也称为院内感染，是医院护理中最常见的并发症[7,8]。这些感染主要通过手与日常生活中物品表面（如门把手、桌子、椅子扶手、床架、楼梯扶手等）的接触而传播[9]。HAI会导致住院时间延长、医疗费用增加以及死亡率上升[10,11]。为了减轻医疗环境中致病细菌的危害，一种有效的策略是在高接触频率的物体表面沉积抗菌涂层。除了具有杀菌功能外，这种涂层还需要具备适当的机械性能以保持长期有效性[12,13]。
氮化钛（TiN）涂层通过阴极弧蒸发法制备已有数十年的历史，因其优异的机械性能、化学和热稳定性、高硬度以及极强的耐磨性和抗氧化性而受到广泛应用[14][15][16][17]。阴极弧蒸发是一种物理气相沉积（PVD）技术，利用电弧将材料从靶材蒸发[18]。蒸发后的物质在基板上凝结形成致密涂层。阴极弧蒸发工艺的灵活性使其可以与磁控溅射（另一种PVD工艺）结合使用，从而在TiN涂层中添加少量掺杂元素（如银）[19,20]。
银已被证实是一种高效的抗菌剂，能够通过多种机制破坏有害微生物[21][22][23]。银离子（Ag+）可以附着在细菌细胞壁上，破坏其膜结构并渗透其中，导致细菌内容物部分释放到细胞质中。此外，Ag+通过扩散进入细菌内部，与生物分子相互作用，抑制DNA复制和蛋白质合成，从而杀死细菌[24][25][26]。
本研究旨在探索通过结合阴极弧蒸发和磁控溅射的PVD工艺实现TiN-Ag涂层的工业制备过程。研究了两种不同的银浓度，以评估掺杂元素对涂层抗菌性能和机械性能的影响。
TiN-Ag涂层的沉积
使用PLATIT Pi411 PLUS工业PVD涂层设备（PLATIT公司，捷克共和国）沉积了TiN-Ag涂层。基底材料为AISI D2工具钢（X153CrMoV12），直径20毫米，厚度4毫米。首先分别用两种碱性脱脂剂（Star Industrial公司的Star 50P和DST Chemicals公司的DST-PAS/1）进行超声波清洗，每种脱脂剂处理3分钟，随后在去离子水中清洗3分钟。清洗后的钢基底被安装到沉积设备中
TiN-Ag涂层的表征
图1中的SEM图像展示了通过阴极弧蒸发和磁控溅射结合工艺制备的两种TiN-Ag涂层的表面。这两种涂层是在相同的实验条件下沉积的，唯一的区别在于溅射银靶时使用的功率：700瓦（图1a）和800瓦（图1b）。这两种涂层的表面形态相似，均由包含不同大小颗粒（或液滴）的致密层构成
结论
通过结合阴极弧蒸发和反应性磁控溅射的工艺，在工业条件下将TiN-Ag涂层沉积在钢基底上。研究了两种不同的银浓度（3.2原子%和4.8原子%）。对所得涂层的表征显示，它们属于同一立方晶系的TiN和Ag的双相结构。涂层表面的金属银对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有很强的抗菌效果
CRediT作者贡献声明
理查德·德雷韦（Richard Drevet）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思。
萨汉德·贝兰吉（Sahand Behrangi）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、项目监督、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思。
扬·克卢松（Jan Klusoň）：资源协调、项目管理、方法论设计、资金筹集、概念构思。
CRediT作者贡献声明
理查德·德雷韦（Richard Drevet）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思。
萨汉德·贝兰吉（Sahand Behrangi）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、项目监督、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思。
扬·克卢松（Jan Klusoň）：资源协调、项目管理、方法论设计、资金筹集、概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了捷克共和国教育、青年与体育部资助的项目LM2023039的支持。同时，也非常感谢MEYS CR资助的CzechNanoLab项目LM2023051在CEITEC纳米研究基础设施提供的XPS测量支持。作者衷心感谢帕维尔·索切克（Pavel Sou?ek）博士和维尔玛·布尔希科娃（Vilma Bur?íková）博士在获取XRD和纳米压痕数据方面所提供的帮助。
