原子層沉積（ALD）技術(shù)是一種可以將物質(zhì)以單原子膜形式一層一層的鍍?cè)诨妆砻娴姆椒?。原子層沉積與普通的化學(xué)沉積有相似之處。但在原子層沉積過(guò)程中，新一層原子膜的化學(xué)反應(yīng)是直接與之前一層相關(guān)聯(lián)的，這種方式使每次反應(yīng)只沉積一層原子。原子層沉積(atomiclayer deposition，ALD)技術(shù)在納米材料合成領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面：1. ALD技術(shù)能夠精確控制亞納米膜厚且適合復(fù)雜三維高深寬比表面沉積，可制備半導(dǎo)體器件中的晶體管納米級(jí)薄膜。2. ALD技術(shù)具有共形沉積和亞納米膜厚控制性方面的優(yōu)勢(shì)，可以有效避免電極的腐蝕、分解和溶解等問(wèn)題，常應(yīng)用于儲(chǔ)能器件中對(duì)電極、固態(tài)電解質(zhì)的保護(hù)。
隨著生命科學(xué)和材料科學(xué)的不斷發(fā)展，生物醫(yī)用材料也在不斷革新。生物相容性涂層對(duì)于生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是至關(guān)重要的條件，尤其是植入支架。將生物不相容材料通過(guò)表面涂層達(dá)到生物相容性表面目的是目前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域迫切需要的。原子層沉積技術(shù)（ALD）高度保形性以及低溫成型條件完全切合生物相容性涂膜的制備。
ALD簡(jiǎn)介
原子層沉積技術(shù)（ALD)，是指通過(guò)將氣相前驅(qū)體交替脈沖通入反應(yīng)室，并以單原子膜形式一層一層在沉積基體表面發(fā)生氣固相化學(xué)吸附反應(yīng)形成薄膜的一種方法。20世紀(jì)70年代原子層沉積（ALD）技術(shù)由芬蘭科學(xué)家提出，用于制備研究多晶熒光材料ZnS:Mn以及非晶Alg0;絕緣膜材料。
ALD的沉積過(guò)程是一個(gè)自限制的過(guò)程，由若干個(gè)半反應(yīng)構(gòu)成：
（1）前驅(qū)體脈沖進(jìn)入反應(yīng)室，與具有活性位點(diǎn)的基材發(fā)生化學(xué)吸附；
（2）前驅(qū)體與活性位點(diǎn)完全反應(yīng)，惰性氣體吹走未反應(yīng)的前驅(qū)體和第（1）步反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物；
（3）經(jīng)歷循環(huán)，實(shí)現(xiàn)薄膜的逐層生長(zhǎng)。調(diào)控半反應(yīng)中的前驅(qū)體脈沖時(shí)間，前驅(qū)體與活性位點(diǎn)反應(yīng)時(shí)間，惰性氣體吹洗時(shí)間，可以控制單層薄膜的厚度。通過(guò)調(diào)控沉積的半反應(yīng)次數(shù)控制薄膜的生長(zhǎng)厚度。
原子層沉積原理圖
（圖片來(lái)源：劉子饒.鈦表面氧化鋅基納米棒陣列構(gòu)建及其生物學(xué)性能研究）
ALD技術(shù)能實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的薄膜沉積效果，其在反應(yīng)前驅(qū)體的應(yīng)用和選擇上條件十分嚴(yán)苛。在選擇實(shí)驗(yàn)反應(yīng)前驅(qū)體時(shí)，通常有以下幾個(gè)角度可供參考和選擇：
（1）以液態(tài)或氣態(tài)為宜，具有低的飽和蒸氣壓，這樣有利于出源，避免堵塞設(shè)備氣閥和管路，降低了設(shè)備后期保養(yǎng)維護(hù)的成本。
（2）自身化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。在高溫條件下不會(huì)發(fā)生裂解或重組，不然，將破壞整個(gè)薄膜生長(zhǎng)工藝或根本制備不出薄膜。
（3）進(jìn)行吸附，置換反應(yīng)后的副產(chǎn)物無(wú)毒無(wú)害活性呈惰性，不會(huì)腐蝕反應(yīng)生成物以及管路，后期實(shí)驗(yàn)室廢物處理也相對(duì)方便。
ALD改善生物相容性
在醫(yī)療過(guò)程中，醫(yī)療器械與人體直接接觸會(huì)產(chǎn)生排異反應(yīng)，這樣反而不利于疾病的治療。因此改善醫(yī)療器械和受體的生物相容性對(duì)醫(yī)學(xué)有著十分重要的影響。ALD可以改善材料性能或者賦予材料新的性能，解決臨床使用問(wèn)題。Al203，Ti02，羥基磷灰石，以及Zn0等是ALD常見(jiàn)的生物相容性涂膜。
鈦及鈦合金具有接近人骨的彈性模量，優(yōu)異的耐腐蝕性和良好的生物相容性，逐漸被廣泛應(yīng)用于牙科植入物、人工關(guān)節(jié)、骨科創(chuàng)傷等多個(gè)領(lǐng)域。
然而，鈦及其合金在臨床使用時(shí)仍有待進(jìn)一步改性。王菲采用ALD方法在鎳鈦合金表面沉積一層10nm的Al2O3過(guò)渡層，后在其表面進(jìn)行3-氨丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑（KH550）硅烷化，將表面豐富的羥基轉(zhuǎn)化為氨基。再利用EDC/NHS反應(yīng)將肝素接枝在鎳鈦合金表面，并對(duì)改性過(guò)后的鎳鈦合金片表面的物理化學(xué)性質(zhì)以及生物相容性進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ALD技術(shù)提高了鎳鈦合金片表面的生物相容性，在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用上具有很大潛力，尤其是改性以及功能化金屬材料表面等方面。
Mg合金的生物降解性和良好的力學(xué)性能使其成為潛在的生物醫(yī)用材料，然而，它們?cè)谌梭w環(huán)境中的快速腐蝕限制了其在臨床上應(yīng)用。針對(duì)該問(wèn)題，QiuyueYang等采用ALD法在Mg-Sr合金表面制備了一層致密的ZrO2納米薄膜。通過(guò)準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)薄膜的厚度，從而控制其腐蝕速率。腐蝕試驗(yàn)和細(xì)胞培養(yǎng)試驗(yàn)表明，ZrO2薄膜不僅能夠有效降低Mg-Sr合金的腐蝕速率，同時(shí)可以提高M(jìn)g-Sr合金表面骨母細(xì)胞的活性和粘附力，增強(qiáng)了生物相容性。湖北大學(xué)吳水林課題組在這方面有大量的報(bào)道。
ChristosG等在商用的膠原蛋白膜上ALD沉積TiO2超薄膜進(jìn)行表面功能化，與未處理的膠原蛋白膜相比，沉積TiO2的蛋白膜顯示出更好的生物相容性，可促進(jìn)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（hMSCs)成骨分化。
小結(jié)
21世紀(jì)以來(lái)，關(guān)于生物生命科學(xué)的研究以飛快的速度向前發(fā)展，原子層沉積技術(shù)(ALD)以其高性能沉積優(yōu)勢(shì)開(kāi)始逐漸向該領(lǐng)域滲透和延伸。ALD還可應(yīng)用于抗菌涂層研究，如ZhengduoWang等將ALD法與熱液法結(jié)合，在電紡聚酰胺6（PA6）納米纖維表面制備了一層ZnO薄膜，對(duì)其抗菌性能進(jìn)行了研究。另外，ALD技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)的微觀領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用。
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