Lotus-Effect and inverse Lotus-Effect in connection with extremely rough titanium surfaces

摘要

Titanlegierungen werden häufig für den Einsatz im klinischen Bereich über ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren (PVD; Titanplasmabeschichtung, TPS; Ti-PVD Oberfläche) mit cp Titan beschichtet Solche Oberflächen sind extrem rau mit Ra-Werten von 30 um. Unmodifi-zierte Oberflächen von Ti-PVD weisen einen apparenten statischen Kontaktwinkel von θ_S~(H_2O) ～ 145° auf, der dem ultrahydrophoben Bereich zuzuordnen ist und im Bereich der Kontaktwinkel liegt, die Pflanzenblätter mit Lotus-Effekt kennzeichnen. Auf den gleichen Oberflächen findet man bei Messungen mit Mineralöl statische Kontaktwinkel von θ_S~(Oil)～0°, die charakteristisch sind für ultra-/superlipophile Oberflächen und mit der Ultrahydrophobie übereinstimmen (θ_S~(H_2O)/θ_S~(Oil) = 145°/0°). Bei einem Neigungswinkel von 45° rollen die Wassertröpfchen von der Ti-PVD Oberfläche herunter mit einer Laufgeschwindigkeit von ~20 mm/s. Für den klassischen Lotus-Effekt sind jedoch Abrollwinkel von <10° erforderlich. Wilhelmy Plate Messungen ergeben einen apparenten dynamischen Vorrückwinkel von θ_A' = 98.8 °, der um 46 ° niedriger ist als der statische Winkel. Die ausgeprägte Kontaktwinkelhysterese von Δθ' ～ 62° (θ_A'/θ_R' = 98.8736.7°) erklärt den hohen Abrollwinkel auf Ti-PVD Oberflächen. Darüber hinaus zeigen die Ti-PVD Oberflächen eine Art von "Responsive Switching" zwischen dem ultrahydrophoben und dem ultrahydrophilen Zustand. Wenn die Oberflächen chemisch mit Chromschwefelsäure behandelt werden, wird die Oberfläche ultrahydrophil (θ_A'/θ_R' = 0°/0°) in Übereinstimmung mit dem inversen Lotus-Effekt. Mineralol (θ_S~(Oil) ～ 0°) und n-hexan spreiten vollstandig auf der ultrahydrophilen Oberflache, was auf Superamphiphiiizitat hinweist (θ_S~(H_2O)lθ_S~(Oil)= 0°/0°). Ein "switching back" vom ultrahydrophilen Zustand in den hydrophoben Zustand erfolgt spontan, wenn die Oberflache nicht z. B. durch eine Exsikkationsschicht geschutzt wird. Die Phanomene Lotus-Effekt und inverser Lotus-Effekt wer-den theoretisch dargelegt.%Titanium alloys are frequently surface-modified by plasma vapor deposition of cp titanium (titanium plasma spraying, TPS; Ti-PVD surface) for clinical use. Such surfaces are extremely rough with Ra values of 30 u.m. Unmodified surfaces of Ti-PVD display apparent static contact angles of θ_S~(H_2O) ～ 145° which are in the ultra-/super-hydrophobic range and in agreement with contact angles of plant leaves displaying the Lotus-Effect. On the same surfaces a static contact angle of θ_S~(Oil)～0° is found for mineral oil, characterizing the surface as ultra-/superlipophilic in agreement with ultrahydrophobicity (θ_S~(H_2O)/θ_S~(Oil) = 145°/0°). At an inclination angle of 45° droplets of water roll off the Ti-PVD surface with a running rate of ~20 mm/s. For a classical Lotus-Effect however a roll-off angle of <10° is required. Wilhelmy plate measurements reveal an apparent dynamic advancing contact angle of θ_A' = 98,8°, which is 46° lower than the static angle. The large contact angle hysteresis of Δθ' ～ 62° (θ_A'/θ_R' = 98.8736.7°) explains the high roll-off angle on Ti-PVD surfaces. The surfaces also display a type of so-called "responsive switching" between the ultrahydrophobic and ultrahydrophilic states. When they are chemically treated with chro-mosulfuric acid the surface becomes ultrahydrophilic (θ_A'/θ_R' = 0°/0°) in agreement with the inverse Lotus-Effect. Mineral oil (θ_S~(Oil) ～ 0°) and n-hexane spread completely on the ultrahydrophilic surface indicating superamphiphilicity (θ_S~(H_2O)lθ_S~(Oil)= 0°/0°). A switching back from the ultrahydrophilic state to the hydrophobic state occurs spontaneously if the surface is not conserved e.g. by an exsiccation layer of salt. The phenomena Lotus-Effect and inverse Lotus effect are theoretically considered.