方柱織構參數對吻合器鈦釘表面疏水性能的影響*

段俊宇 胡亞輝 楊小洋 劉 卓 付蔚華 鄭清春

(1.天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室 天津 300384；2.機電工程國家級實驗教學示范中心(天津理工大學) 天津 300384；3.天津醫科大學總醫院胃腸肛腸外科 天津 300052)

吻合器在外科手術中利用吻合釘代替手工縫線進行縫合，由于其操作的便利性已經得到廣泛運用。在胃腸外科手術中，由于胃腸道中存在多種細菌，再加上術后患者免疫力下降，外來細菌侵入以及抗生素帶來的二重感染，都致使吻合口感染的風險增加[1]。作為吻合釘材料的鈦本身沒有抗菌性，植入體內很容易導致細菌的黏附、生長并最終形成一層有害的生物膜，因此吻合釘表面的抗菌性研究具有重要意義。

研究表明，適當的表面織構可以提高材料表面的疏水性能[2-4]，隨著材料表面疏水性能的增強，其抗菌性能得到明顯提升[5-6]。李晶等人[7]利用激光加工技術在鋁基底表面加工微織構，成功制造了低黏附疏水結構，在抗結冰和自清潔方面表現優異。趙美云等[8]利用激光雕刻技術在復合絕緣子硅橡膠表面加工各種類型的織構，通過實驗獲得了織構的形狀、間距和深度對疏水性的影響。HIZAL等[9]通過陽極氧化和后處理工藝在鋁表面制備出納米孔和納米柱結構，并借助填充氟隆涂層調節表面疏水性，發現高的疏水表面可以降低鋁基板的細菌黏附能力。TANG等[10]以鈦板為原料，利用電化學氧化、自組裝技術和低表面能處理得到了超疏水TiO2納米管表面，發現超疏水表面上細菌黏附量遠低于普通疏水表面和親水表面且細菌分布較為分散。

迄今為止，有關構筑疏水表面提高抗菌能力的研究報道還比較少，且多聚焦在疏水表面的制備方法與抗菌性能等方面。目前疏水表面主要是基于材料表面的低表面能物質和表面織構2個方面共同設計的，其抗菌效果已得到證實，但鈦表面織構參數對疏水性能的影響尚未進行系統深入的研究，其影響規律還有待進一步揭示。

為了在鈦釘上構筑疏水表面從而提高其抗菌能力，本文作者提出了一種通過在鈦釘表面加工方柱形織構來提高其表面疏水性能的方法，并利用CFD數值仿真方法研究織構參數對吻合器鈦釘表面疏水性能的影響。研究成果對吻合器鈦釘表面微織構的設計提供了理論依據。

1 潤濕性理論模型

接觸角θ的大小表征了材料的親疏水性，也是固體表面潤濕性重要的衡量指標。當θ<90°，固體表面表現為親液表面；當θ>90°，表現為疏液表面。其中，若測量液滴為水，且θ≤5°，稱之為超親水性表面；反之，若θ≥150°，則稱為超疏水表面。

當液滴落在光滑且均勻的理想固體表面上時，液滴達到穩定狀態后的截面輪廓為光滑曲線，此時本征接觸角的數值大小可通過Young氏方程[11]給出：

(1)

式中：γsg、γsl、γlg分別為固-氣界面、固-液界面、液-氣界面上的表面張力；θY是固體材料的本征接觸角。

如圖1所示為液滴靜止時物理模型。

圖1 液滴靜止于理想固體表面模型示意

Young氏方程僅適用于理想狀態下的表面，而實際應用中并不存在絕對光滑的表面。Wenzel 模型和Cassie模型常用于描述固體表面潤濕性，對于不同的表面粗糙結構，這2種模型可分別闡述不同的機制。如圖2(a)所示，表面粗糙結構內的空氣不足以支撐液滴，液滴始終能填滿粗糙結構時，Wenzel理論認為由于粗糙結構的存在增加了固液實際接觸面積，對表面本征特性具有增強效應，即表面粗糙結構可以使疏水表面變得更疏水，親水表面變得更親水。如圖2(b)所示，由于表面粗糙結構中空氣的存在液滴未能進入粗糙結構，形成固-液和氣-液接觸共同組成的復合接觸時，Cassie 理論認為可以依靠減小固液接觸面積來提高表面接觸角。如圖2(c)所示，在一些粗糙度較高的表面，液滴部分進入粗糙結構與空氣共存時，形成一種暫時穩定的過渡態。LI和AMIRFAZLI[12]從熱力學角度出發，理論上證明了過渡態的不穩定性，最終將轉變為非復合或復合態。

圖2 潤濕性理論模型

由于鈦表面為親水性，潤濕狀態符合Wenzel模型時粗糙結構會使得鈦表面更親水。為達到疏水效果，文中采取減小固液接觸面積的方法，所設計織構得到的潤濕狀態應與Cassie模型一致。

2 吻合器鈦釘表面織構設計

2.1 鈦釘表面織構模型

吻合器主要工作原理是利用鈦釘對傷口組織進行吻合，類似于訂書機。鈦釘的縫釘直徑大都在0.2～0.3 mm之間，縫合釘腳高度在4～5.5 mm之間，組織縫合厚度在0.2～0.3 mm[13]。

觀察具有超疏水性的蟬翼表面結構，如圖3所示[14]?；诜律鷮W設計原理，文中的織構設計為微方柱形，織構模型單元形狀及尺寸如圖4所示。

圖3 蟬翼表面結構

圖4 吻合器鈦釘表面織構模型

2.2 液滴鋪展物理模型建立

液滴撞擊織構表面的物理模型如圖5所示，其為1.5 mm×1 mm的二維區域，液滴直徑d=0.25 mm。液滴以v=0.2 m/s的初速度垂直撞擊到織構表面上，運動過程中受到重力加速度g=9.81 m/s2的作用，方向豎直向下;通過調節微方柱寬度a、間距b及高度h等參數來研究接觸角的變化規律。由于各參數之間無相互影響，以表面接觸角為因變量，將微方柱寬度a、間距b及高度h作為自變量分別進行單因素分析。參照大多數自然和人造超疏水表面掃描電鏡的微結構尺度，得到微方柱平均寬度a=10 μm，平均間距b=12 μm,平均高度h=15 μm[15]。在設計單因素試驗時選取微方柱的平均參數值作為自變量的中間值，考察各因素對表面疏水性能的影響。為保證試驗得到規律的準確性，每次單因素試驗均在平均參數值附近進行3組試驗?？棙媴翟O計如表1—3所示。

圖5 物理模型

表1 織構高度對疏水性能影響參數設計

2.3 物理條件設定

采用前處理軟件Workbench建立二維模型，模擬區域為240 μm×100 μm的二維區域。模擬過程中，氣-液自由界面形狀發生明顯的變化，因此采用四邊形均勻網格，最小網格尺寸設置為1 μm，約劃分35 000個網格。利用 Ansys Fluent 進行數值計算和后處理，采用壓力基隱式算法對液滴的撞擊過程進行瞬間求解。對于瞬態求解來說，時間步長t必須設置合理，從而能夠解析與時間相關的特征，大致可以通過以下公式進行預估：

(2)

式中:x為局部網格尺寸，mm；v為特征流動速度，m/s。

由于文中設置最小網格尺寸為1 μm，特征速度v=0.2 m/s。根據預估公式可得時間步長為t=5×10-6s，此時完全能夠保證所有的網格單元均能被迭代計算。

多相流模型選擇 VOF 模型來跟蹤液相和氣相(空氣)兩相的界面位置，其中空氣設為主項，液相設為次相。物性參數如表4所示。模擬區域下邊界 Wall 設置為具有潤濕性的壁面，由于一般金屬表面為親水性，壁面接觸角設為 70°，其余邊界均設置為壓力入口邊界，壓力為 0。壁面邊界采用無滑移邊界條件，即速度分量都為0。壓力速度耦合采用適合非定常流動問題的PISO算法，梯度格式為Least Squares Cell Based，壓力差值格式為PRESTO格式，體積分數的求解采用Geo-Reconstruct格式。初始化后，通過Adapt和patch功能在計算域內定義一個初速度v=0.2 m/s向下運動的水滴。

表4 空氣和液滴的物性參數

2.4 基于CFD的液滴鋪展仿真過程

液滴在疏水表面的鋪展變形與回彈過程，取決于慣性力、黏性力和表面張力的相互作用，液滴初始速度和固體表面性質都是關鍵的影響因素。

圖6示出了直徑d=0.25 mm，初速度v=0.2 m/s的水滴撞擊疏水表面的仿真結果與文獻[16]中實驗結果的比較。液滴在初始形態為球形，在接觸壁面后，液滴的一部分動能轉化為氣液界面的表面能，3.7 ms后液滴達到最大鋪展；隨后氣液界面的表面能又轉化為動能，液滴發生回彈，在t=16 ms，液滴回彈至最高點，下半部與疏水表面的接觸面積明顯變小。此后液滴經過多次鋪展與回彈的振蕩過程，由于固體與液體之間黏附力作用，有一部分動能轉化為熱能消耗，動能逐漸降低，直到停止運動達到平衡狀態。由圖6可知，仿真得到的各階段的液滴形態與實驗結果基本相同。

圖6 液滴撞擊疏水表面模擬結果(右圖)與實驗結果(左圖)對比

2.5 CFD仿真實驗驗證

為驗證仿真模擬結果的可靠性，選取a=10 μm、b=12 μm、h=15 μm，a=10 μm、b=10 μm、h=15 μm，a=12 μm、b=12 μm、h=15 μm 3組織構參數記為10、11、12組，分別進行激光加工并測量接觸角，與模擬值進行比較。

將工業純鈦(TA2)切割為規格為φ14 mm×3 mm的鈦片，對鈦片表面用砂紙打磨使其表面粗糙度Ra<0.5 μm，依次在丙酮、無水乙醇和去離子水中超聲清洗，烘干后進行試驗。用激光在鈦片上加工選定參數的織構，如圖7(a)所示為加工后的第10組鈦片表面。

圖7 鈦片表面加工結果與接觸角測量結果

使用型號為JC2000DM接觸角測量儀測量有、無織構鈦片的表面接觸角，結果如圖7(b)、(c)所示。所用去離子水量為2 μL，每個樣品表面均取5個不同測量區域，測量結果為5次測量接觸角的算術平均值。所有測量均在(24±1)℃的室溫和(50±5)%的相對濕度下進行。

由于實驗中各鈦片的初始接觸角與仿真設置中采用的平均值存在差異，且實驗時受到測量儀器、人為觀察、實驗環境等因素的影響，所得到的實驗值與模擬值存在一定誤差。由表5可知，三組接觸角模擬值與理論值相對誤差均小于10%。這表明得到的模擬結果是可靠的，利用CFD數值仿真方法研究織構參數對吻合器鈦釘表面疏水性能影響的方法是可行的。

表5 實驗接觸角與模擬接觸角及誤差對比

3 結果與討論

3.1 織構高度h對接觸角θ的影響

圖8所示為表1中3組方案得到的表面接觸角θ隨織構高度h的變化曲線?？芍?，在所設計的參數范圍內，總體上呈現出隨著高度的增加接觸角緩慢增加的趨勢。微結構高度h對接觸角θ的影響較小，取接觸角最大值處觀察仿真結果，液滴基本未進入微結構內部，這與Cassie模型相吻合，即由于空氣存在于粗糙表面的凹坑內，抑制液滴進入微結構內部，使得這種復合接觸與微結構高度基本無關。但織構高度過低時，織構間隙中存儲的空氣不足以支撐起液滴，當液滴在織構表面鋪展時少量液滴浸入織構間隙，使得接觸角較小?？棙嫺叨仍礁?，液滴更不易滲透到織構間隙中，越易形成復合潤濕狀態且這種狀態更穩定。

圖8 表面接觸角θ隨織構高度h的變化

3.2 織構寬度a對接觸角θ的影響

圖9所示為表2中3組方案得到的表面接觸角θ隨織構寬度a的變化曲線?？芍?，間距一定時，當寬度遠小于間距，仿真得到的接觸角的值較??；當寬度逐漸增加但仍小于間距時，接觸角隨著寬度的增大而增大，在寬度略小于間距時達到接觸角最大值；此后，接觸角隨著寬度的增大而減小。

表2 織構寬度對疏水性能影響參數設計

圖9 表面接觸角θ隨織構寬度a的變化

圖10所示為以b=12 μm，h=15 μm為例定性分析織構寬度對表面接觸角的影響。寬度遠小于間距時，液滴部分進入到織構間隙內部，使得形成介于復合潤濕狀態和非復合潤濕狀態的過渡態，織構間隙內液滴越多，固液接觸面積越大，使得接觸角就越小。隨著寬度逐漸接近間距，此時液滴幾乎未浸入織構間隙，形成穩定的復合潤濕狀態，使得接觸角達到最大?？棙媽挾却笥诳棙嬮g距后，與間隙中空氣接觸的液體變少，大部分液滴直接作用在織構凸起上并在其上鋪展，所以接觸角變小。

圖10 織構寬度對接觸角影響

3.3 織構間距b對接觸角θ的影響

圖11所示為表3中3組方案得到的表面接觸角θ隨織構間距b的變化曲線?？芍?，當微結構的寬度和高度一定，3種情況下接觸角都隨著間距的增大先增大后減小，與寬度影響接觸角的規律一致。

表3 織構間距對疏水性能影響參數設計

圖11 表面接觸角θ隨織構間距b的變化

間距較小時，由于凹坑內空氣的存在液滴在織構表面形成復合潤濕狀態，但由于固液接觸面積較大，所得到的接觸角較小，這與寬度較大時得到的結論一致。隨著間距增大，液滴仍保持復合潤濕狀態，但固液接觸面積變小，接觸角變大，這與Cassie模型吻合，當間距略大于寬度時接觸角達到最大值。之后間距繼續增大時織構間隙的毛細管作用小于重力作用，處于復合潤濕狀態的液滴會塌陷在微結構柱中，從而無法維持復合潤濕狀態，而向非復合潤濕狀態轉化，最終形成一個暫時穩定的過渡態，固液接觸面積變大使得接觸角變小。

4 結論

(1)在鈦釘表面設置合理的方柱形織構可以使鈦釘表面疏水性能提升，從而使鈦釘具有一定的抗菌效果。

(2)織構高度對于鈦釘表面疏水性能影響較小，隨著高度增大疏水性略微增大。

(3)織構寬度和間距對于鈦釘表面疏水性能都有明顯的影響，在所設計的參數范圍內，接觸角隨著寬度與間距的增大先增大后減小，根據其變化規律可得到最佳疏水結構為寬度略小于間距。

(4)利用CFD數值仿真方法研究織構參數對吻合器鈦釘表面疏水性能影響是可行的，為今后進一步開展相關研究奠定了一定基礎。