CN113164655A - 微结构化表面 - Google Patents

Abstract

一种包括微结构化表面(100)的装置，其中在一方面，微结构化表面分层地布置成具有双重功能的纹理特征。该表面可通过改变微结构特征的参数来实现粘合性能。另外，该表面可通过改变相同的参数来实现细胞和/或组织的向内生长功能。大体上，双重功能外观包括具有变化的周期性的至少一个表面特征，变化的周期性可强加在至少一个其它表面特征上。

Description

微结构化表面

技术领域

本发明总体上涉及具有多功能微结构的微结构化装置。

更具体地，本发明涉及微结构图案，其基于微结构特征中的至少一个的变化的空间周期性表现出双重功能。

背景技术

植入物表面的可润湿性不仅在蛋白质吸收方面而且在细胞附着和扩散方面都可起重要作用。植入物的这些物理化学特性可能会通过以下来影响植入物附近的细胞行为：(1)对蛋白质吸收的影响，表面越不可润湿(低表面能量，较高的疏水性)，材料表面上蛋白质量越减少，并且蛋白质分子之间的粘附强度也越可能降低；(2)吸收蛋白质构象的改变可能是由于与材料表面接触的分子拓扑的差异所致。构象变化可导致与细胞受体相互作用的配***点的表达的差异。

干净的表面通常可具有较高的表面自由能量，而污染的表面通常可具有较低的表面能量。如果表面不干净，则可用蛋白质和氨基酸对表面进行修饰。表面上存在薄膜很可能会阻止植入物在体内的植入物-组织界面处发生整合。甚至意欲清洁表面的程序也可能污染表面。

通过蒸汽高压灭菌对植入物表面进行灭菌导致表面改变和污染。这也可能导致成纤维细胞附着减少并在体外扩散。然而，如果表面具有较高的表面能量，则可冲洗掉由于表面污染物的电离或热灭菌而产生的污染物。例如，在灭菌后，可通过用柠檬酸冲洗，然后用生理盐水冲洗，来对用氨基醇冲洗过的高表面能量纹理进行去污。高压灭菌或伽马灭菌后，扁平的疏水表面(聚丙烯)针对胺的功能性而染亮色。这样的表面不会记录为热原性(用于评估灭菌后毒性的当前标准)。

上皮细胞和成纤维细胞对细胞外基质的粘附蛋白具有不同的亲和力。已知在体外，纤连蛋白涂层可将成纤维细胞对光滑的等离子体活化的植入物表面的粘附力增强两倍至三倍，但可能不会促进上皮细胞附着。相比之下，用层粘连蛋白-1(一种上皮细胞基材膜的成分)涂覆表面导致上皮细胞结合的三至四倍增强，但对成纤维细胞附着的影响较小。因此，植入物的表面大体上在促进或限制对表面或植入物的粘附方面起关键作用。

植入物表面的表面形貌可使用共聚焦激光扫描轮廓仪来评估。表面形貌的生物学功能在形式、波纹度和粗糙度方面被定义，其中波纹度和粗糙度通常在用语"纹理"下同时出现。形式涉及最大的结构(轮廓)，而粗糙度描述表面中的最小不规则性。

现有技术中的一个问题是使用基于平均值的参数(统计学定义)，该平均值分离特征尺寸的分布明显不同的表面。这些基于平均值的参数可能会错误地在每个分层级别上产生相似的表面粗糙度平均值。此外，如果还存在大得多的特征，那么对于给定应用中的性能而言可能很重要的精细粗糙度特征可能不会对计算出的总体粗糙度值有显著贡献。

因此，需要一种植入物表面纹理，其产生立即的温泽尔-凯西(Wenzel-Cassie)粘附力，该粘附力将植入物固定化，并且具有促进植入物与周围组织健康整合的表面纹理。

发明内容

在一个实施例中，微结构化表面可包括基材，该基材包括至少第一分层微结构。第一分层微结构可包括多个微结构特征，其中多个微结构特征可包括一个或多个参数，参数横跨基材以空间周期性逐渐变化。

在一个实施例中，微结构化表面可包括一个或多个参数，这些参数选自包括高度、宽度、直径、形状和间距及其组合的组。

微结构化表面可进一步包括多个微结构特征，多个微结构特征包括至少第一组微结构特征和第二组微结构特征。至少第一组微结构特征可围绕基材设置，其中至少第二组微结构特征小于至少第一组微结构特征并且设置在至少第一组微结构特征上。

微结构化表面可进一步包括扁平的基材，并且至少第一组微结构特征围绕扁平的基材设置成均匀间隔的正方形阵列。

在一个实施例中，微结构化表面可包括构造成呈现具有在50至500微米之间的高度的正弦曲线图案的基材。

在一个实施例中，微结构化表面可包括第一组微结构特征和第二组微结构特征中的至少一个，其可包括横跨基材周期性变化的宽度。

该微结构化表面可包括第一组微结构特征和第二组微结构特征中的至少一个，所述第一组微结构特征和第二组微结构特征具有横跨基材从圆形到椭圆形周期性地变化的横截面轮廓。

该微结构化表面可包括第一组微结构特征和第二组微结构特征中的至少一个，所述第一组微结构特征和第二组微结构特征具有横跨基材周期性地变化的高度。

该微结构化表面可进一步包括周期性地改变至少第一微结构特征的高度，第一微结构特征可构造成产生角锥形结构。

在一些实施例中，微结构化表面可包括第一组微结构特征和第二组微结构特征中的至少一个，其可包括横跨基材周期性变化的间距。

在一些实施例中，微结构化表面可包括周期性地改变至少第一微结构特征的间距，使得其构造成产生选自包括凹面、凸面、v形鞍和h形鞍及其组合的列表的结构。

在一些实施例中，微结构化表面可包括至少包括第一分层微结构的表面。第一分层微结构可包括多个微结构特征，其中多个微结构特征可包括一个或多个参数，一个或多个参数以空间周期性变化，并且构造成产生温泽尔表面或凯西表面或组合式温泽尔-凯西表面中的至少一个。

在一些实施例中，微结构化表面可包括一个或多个参数，这些参数选自包括高度、宽度、直径、形状和间距及其组合的组。

微结构化表面可包括多个微结构特征，多个微结构特征可包括至少第一组微结构特征和第二组微结构特征。至少第一组微结构特征可围绕基材设置，至少第二组微结构特征可小于至少第一组微结构特征并且设置在至少第一组微结构特征上。

微结构化表面可包括扁平的基材，并且至少第一组微结构特征围绕扁平的基材设置成均匀间隔的正方形阵列。

在一些实施例中，微结构化表面可包括构造成呈现具有50至500微米之间的高度的正弦曲线图案的基材。

在一些实施例中，微结构化表面可包括至少第一组微结构特征和第二组微结构特征，其可构造成产生从一定体积的水中排除溶质的区域。

微结构化表面可包括第一组微结构特征和第二组微结构特征中的至少一个，其可包括横跨基材从圆形到矩形周期性地变化的横截面轮廓。

该微结构化表面可包括孔，该孔在该基材中设置在至少第一组微结构特征的第一特征和第二特征之间。孔可构造成产生毛细管作用。

在一些实施例中，微结构化表面可包括基材，基材可包括平坦表面。至少第一组微结构特征可包括成均匀间隔的阵列的脊，至少第二组微结构特征可包括围绕脊的顶部部分设置的多个柱体，并且可进一步包括第三组微结构特征，其围绕包括第二多个柱体的多个柱体之间的空隙区域设置。

为了使本发明的目的、技术内容、特征和成就能够更容易理解，下面结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

附图说明

图1是双重功能分层表面相比单功能分层表面的实施例。

图2是正方形空间频率网格的实施例，并且通过定向调制修改相同网格。

图3是均匀直径和均匀中心间隔的支柱的正方形网格的定向调制的实施例。

图4是伪变形的不同形式的图示。

图5是伪表面(列)的四种类型的图示。

图6是未变形的正方形网格、三角形网格和六角形网格的图示。

图7是包括剪切、压缩和周期性的三个变形模式的图示。

图8是压缩模式和周期性模式的图示。

图9是轴向压缩、双轴压缩和周期性压缩的图示。

图10是三角形网格和两种形式的手性六边形格子的手性形式的实施例。

图11是三角形网格和两种形式的手性六边形格子的压缩手性形式的实施例。

图12是正方形格子和相关单元格的波传播形式的实施例。

图13是本公开的微结构化表面的实施例。

图14是由基材层组成的实施例，二维图案压印到该基材层上。

图15是具有多个微结构图案的双重功能图案化表面的实施例。

图16是具有多个微结构图案的双重功能图案化表面的额外实施例。

具体实施方式

以下详细描述和附图描述和示出了本公开的各种实施例。说明书和附图用于使本领域技术人员能够制造和使用本发明。尽管本公开描述了各种实施例，但是本领域技术人员将认识到，可在形式和细节上进行改变而不背离本发明的精神和范围。照此，旨在将以下详细描述视为说明性的而非限制性的，并且所附权利要求(包括其所有等同物)旨在定义本发明的范围。

在本申请中，用语"包括"、"包含"、"具有"、"有"、"含有"及其变体旨在为开放式的不排除其它行为或结构的可能性的过渡性短语、用语或词语。

如本文所使用的，用语"微观的"是指足够小的尺寸的特征，以便当从任何视平面观看以确定其形状时要求对裸眼的视觉辅助。一种标准在W.J.Smith在McGraw-Hill的1966年出版的Modem Optic Engineering的第104-105页中找到，其中视敏度"是根据可以识别的最小字符的角度大小来定义和测量的"。正常的视敏度是指可识别的最小字母对着视网膜上5分弧度的角高。在250毫米(10英寸)的典型工作距离下，这对于此对象产生了0.36毫米(0.0145英寸)的横向尺寸。

如本文所用，用语"微结构"是指特征的构造，其中特征的至少2个维度是微观的。特征的局部和/或横截面视图必须是微观的。压敏粘性制品的功能主要取决于微观结构的形式，该微观结构可由正特征和负特征组成。

如本文所用，用语"微结构特征"是指单独特征或特征组以特定尺寸范围突出到表面之外。例如，微结构特征可包括半径为10-20微米且高度为30-40微米的单个支柱或一组支柱，这与半径为80-100微米且高度为80-125微米的支柱的另一个尺寸特征区分开。大体上，微结构特征的体积相差十倍或更多。微观结构特征的空间周期性发生在基材表面的一段或一部分上。空间周期性横跨表面逐步或逐渐地发生，并且可在所有三个维度上单独或同时发生。

如本文所用，用语"正特征"是指从微结构化成型工具、微结构化衬里、微结构化背衬或微结构化压敏粘合层突出的特征。

如本文所用，用语"负特征"是指突入微结构化成型工具、微结构化衬里、微结构化背衬或微结构化压敏粘合层中的特征。

如本文所用，用语"吸入外观"是能够产生毛细血管上升的负特征。

如本文所用，用语"可压印的"是指基材层特别是通过机械手段而使具有其表面的一部分显著升高而其表面的其它部分显著降低的能力。

如本文所用，用语"基材层"是指可通过压印、模制、印刷和浇铸而接收微结构的诸如热塑性塑料或聚合物之类的物质，其中微结构变为与基材层成一体。

如本文所用，用语"润湿"是指流体铺展在表面上并接触表面。亲水性表面上的水性流体润湿。

如本文所用，用语"脱湿"是指由于与表面接触而收缩的流体。疏水性表面上的水性流体脱湿。

如本文所用，用语"可重新定位的粘合物"是指那些在施加到特定目标基材上时可去除，而不会导致对基材的损坏，在基材上不留下残留物，并且在一定范围的剥离力下不会引起背衬或衬里的破坏的粘性微结构表面。

如本文所用，用语"多功能微结构"是指当表面与目标表面接触时在微结构化表面上形成的液体域、固体域和气体域。这些域降低在两个表面之间的界面处的目标表面和微结构化表面的表面能量。通过形成较低能量的界面使该界面具有粘性，该较低能量的界面需要将能量提供给该界面以便分离这两个表面。负责域形成的物理力包括范德华力、由与零点场的量子相互作用产生的卡西米尔力、分子间力、伦敦色散力、德拜力、基索姆力和氢键。粘合剂微观结构不是指施加到表面上以使其抓握目标表面的任何化学反应性物质。

如本文所用，用语"永久可重新定位的多功能微结构化表面"是指在应用条件下对于给定目标基材的粘附强度基本上不随时间变化的可重新定位微结构化表面。

如本文所用，用语"暂时可重新定位的多功能微结构化表面"是指随着时间、压力或温度而建立粘附力的那些可重新定位的微结构化表面。这种现象有时被称为"吸入效应"，其中微结构化粘合剂和目标表面之间的界面逐渐变薄并增加了解离能。

如本文所用，用语"离解能量"是指微结构和目标表面在界面分开和连结的表面能量的差。离解能量是粘附程度的定量测量。

如本文所用，用语"目标基材"是指为了预期目的而将压敏微结构化粘合剂施加于其上的表面。

如本文所用，用语"排除区"是指表面与水之间的区域，其中由于表面的亲水性，由于表面纹理或化学特性，水热力学上排除不是水的离子和分子。

如本文所用，用语"结构化水"是指水的状态，其中溶液中的水分子呈过渡六边形形式，其通过水与固体表面之间的表面能量和化学作用得以增强和维持。

如本文所用，用语"毛细管作用"(有时是毛细现象、毛细运动、毛细上升、毛细效应或芯吸作用)是液体在无诸如重力的外力协助或甚至与外力相反地在狭窄空间中流动。可在漆刷的毛发之间，细管中，多孔材料(如纸和灰泥)，某些无孔材料(如沙子和液化碳纤维)中或在细胞中吸取液体中看到这种效果。其是由于液体和周围的固体表面之间的分子间作用力而发生的。如果管的直径足够小，则液体和容器壁之间的表面张力和粘附力的组合会起到推动液体的作用。

如本文所用，用语"间距"是指在特定方向上的两个微结构之间的中心到中心的距离。如果未指定方向，则假定间距在至少两个正交方向上相等。

如本文所用，用语"摩擦"是指一种表面纹理在另一表面上的常规相互作用，其中表面之间的变形、直接的物理接触以及在非平坦表面上的平移阻力受到抑制。这些是直接的结构在结构上的干涉，其中一个表面上的结构与另一表面的固体-固体相互作用，从而阻止了平移。将摩擦作用教导为粘合功能的那些人没有教导本申请的目的。

本公开内容论述二维防滑植入物/组织表面与组织支架的三维需求之间的二维界面(沉浸在三维中)的平衡。双重功能外观模仿单独细胞所处的真实三维世界。间质行进的细胞沿模仿折叠、弯曲或伸展表面的平面结构移动。该三维外观在二维表面上呈现给细胞。

基材的表面可由正弦曲线光栅或圆点的总和组成，并且可设计为区分存在于表面的透视图像中的定向和频率信息。凹度、凸度、鞍状和倾斜度的细胞感知可能来自定向调制的符号图案。这些定向的调制可认为是细胞在二维植入物表面上行进时可能经历的固定空间频率的时间频率调制。

使用组织支架来说明微结构化表面的双重功能并不意味着限制性的。例如，指尖表面的微观结构在微观尺度上是三维的，可模拟细胞相互作用，而指尖表面的宏观表面是整体二维的。本文所公开的指尖和表面之间的湿界面通过在指尖组织中诱发波纹而在宏观上与手指组织建立温泽尔-凯西抓持。并且进一步建立与现有指纹结构的第二级温泽尔-凯西粘附力。大体上，可能存在经典摩擦未描述的多种粘附机制，包括温泽尔-凯西区、表面诱发的本征起皱模式、毛细管作用和吸入外观，以及Schallamach波。

通过调制用于组织向内生长的表面图案(其中要调制的各个表面特征本身就是分层特征)，获得意想不到的好处。例如，在一些实施例中，小支柱可以分层布置放置在较大支柱的顶部，其中一个方面在分子尺度下相对更疏水并且抗污染。另一方面，细胞更少受到这种较小尺度的疏水性的影响，并且响应经调制的模式。

如本文所使用的调制描述了特征在特征性尺度上的周期性或随机改变。例如，在一些实施例中，可将五微米高的支柱的直径以正弦曲线形式从最小到最大进行调制。大体上，在调制设计中有用的特征可能涉及尺寸、几何形状以及间距或间隔。在调节特征几何形状的情况下，支柱的横截面可以连续的方式从圆形横截面变化成椭圆形横截面。

当使用随机过程制备复杂表面时，可能会发生功能二元性。一种更复杂的但计算量很大的途径是使用傅里叶变换来拟合观察到的表面轮廓，并能够确定不同尺寸范围(称为窗口)中的粗糙度并将其与生物学响应相关联。由于这些原因，当通过不同尺度上的不同周期性来定义各种纹理级别时，可实现最佳的生物学功能性。这些周期性中的许多不容易由人眼观察到，或由人类感知识别为清楚的，但是仍然由细胞强烈地感知。设计为与动物组织的宏观特征(例如，肌肉纤维、封闭层、肌腱、血管等)接合的纹理不会与微观细胞(尤其是在身体的固定结构游离的那些细胞)接合。

表面粗糙度可出现在两个主要平面中：一个垂直于表面(横向)，而另一个在表面平面中(纵向)。波可为横向的，其中图案是垂直于能量传递(通过细胞)传播的振荡，也可为纵向的：图案是与能量传播方向平行的振荡。不规则的定向可为各向同性的或各向异性的。没有主导方向的表面结构可认为是各向同性的。

在一些实施例中，这些表面可并入到组织支架植入物中。蛋白质膜的组成和定向以及吸收在植入物表面上的分子的定向可能受到表面粗糙度的影响。

表面纹理可影响细胞繁殖。光滑的钛表面的可润湿性可能与纤维蛋白的吸收有关，但在粗糙的钛上不存在。较之在粗糙表面(喷砂)上，上皮细胞可以更容易附着和散布在经抛光和蚀刻的表面上。

与光滑表面相比，粗糙的表面可促进多丝状伪足形成在永生上皮细胞***，而细胞是圆的并且在更光滑的表面上彼此直接接触。可假设丝状伪足的存在表明较高的粘附水平。这个假设是不正确的。对于上皮细胞而言表现出丝状伪足不是正常行为。实际上，上皮细胞可能不与粗糙的钛的谷直接接触，而是在谷上架桥。

各向同性的表面纹理可影响细胞的生长和增殖，导致接触导向，这取决于不同几何元素的微图案和大小。接触导向指的是细胞运动要由细胞粘附在其上的基质的表面形貌的主导方向所导向或引导的趋势。表面上的周向凹槽可以将纤维细胞导向以形成定向的胶囊状结构，而在多孔表面上生长的细胞可能不表现出优选的定向。因此，在细胞对特征的响应中可能存在分层，其中较大的特征主导较小的特征。

表面纹理构造与细胞在其上培养时所呈现的形状(特别是细长)的关系可通过表面纹理来确定。此外，细胞可能对特征尺寸敏感。已观察到小至0.2微米的特征产生细胞响应。

现在参看图1，表面100将双重功能分层表面102与单功能分层表面104进行比较。表面104的分层结构可由一个频率108的第一周期性结构106和另一频率112的第二周期性结构110形成。双重功能分层表面102可包括双周期性结构114，该双周期性结构包括相同的元件106和110。

参看图2，在通过定向调制202修改的相同网格下的正方形空间频率网格200表现为三维组织支架。注意，200和202实际上都可为扁平的二维表面纹理。植入物和组织之间的界面可为二维的，而移动细胞和植入物之间的界面可为伪三维的。当图案展现折叠外观时，如202中那样，伪表面上的实际频率/支柱大小可能保持不变，但是通过改变支柱的大小和间隔，植入物表面可能会发生纹理变形，使得比率可为常数。

参看图3，示出了各种实施例，其描绘了具有均匀直径和均匀中心间隔的支柱的正方形网格的定向调制。图3的顶行示出了凹状居中的图案，而底行示出了凸状居中的图案。第一列可包括随机分布的均匀直径的支柱。第二列可包括可对准的均匀直径的支柱。第三列可包括可对准的随机直径的支柱。

参看图4，示出了具有不同形式的伪变形的各种实施例。

参看图5，示出了一些实施例，其中展示具有各种定向调制的支柱的正方形网格。图5的实例可描述四种类型的伪表面(列)，每种类型在细胞的类型和分布方面不同，且因此最终向内生长的组织的结构和组成也不同。图2-5可描述本公开的基本频率汇总。

可引导细胞向内生长但是可能不利地影响植入物-组织界面固定和植入物耐久性的表面图案化的另一方面是高表面张力的局部区域。为了满足这些相反的约束，可引入伪应力的概念，并且像之前一样，由于细胞是微观的并且组织是宏观的，因此这是可能的。

可能诱发伪应力的图案可为一类微观不稳定性图案。此类图案可以是在面向应用设计中作为用于诱导或修改微观的周期性依赖的结构或表面特性(如手性(对映体)、波传播和声子特性、调制的纳米/微图案、疏水性或在周期性固体中产生宏观响应)的技术的要素。

如图6中所示，可考虑未变形的矩形格子的变形，其可包括正方形602、三角形604和六边形606。

另外，如下文所公开，也可考虑手性形式。正方形格子602可能有三种变形模式。参看图7，三个变形模式700可包括剪切702、压缩704和周期性706正方形格子。

参看图8，示出了两个附加的变形模式800，包括压缩模式802和周期性模式804。

参看图9，变形模式900可包括轴向压缩902、双轴压缩904和周期性压缩906。

现在，参看图10，示出了三角形格子1002的手性形式。另外，描绘了手性六边形格子1004,1006的两种其它形式。

现在，参看图11，示出了压缩手性三角形形式1102和两个压缩手性六角形形式1104,1106。应当注意，压缩的手性三角格子1102仅描绘左手性形式，但是本领域技术人员将理解，右手性形式是通过镜面反射(而不是旋转)获得的。

现在，参看图12，描绘了正方形格子和相关单元格的波传播形式的一些实施例。这些波形由规则正方形格子的节点的周期性平移和旋转给出。

关于植入物相对于组织的定位，已经出乎意料地发现，可通过预测调动之前的组织-植入物界面处的组织可能经历的波形(本征模式)来改善植入物的定位。例如，诸如组织的介质可在正常模式或本征模式下弯曲。当表面图案的波形预料到这些本征模式之一时，则可增强相对于组织的定位。以此方式，植入物与组织之间的应力可增加对于植入物相对于组织平移所需的剪切力。

已经确认对在粘附到各种目标基材上时表现出初始的可重新定位性的粘性制品的需求，并且通过对微结构化双图案的独立变化和选择，该粘性制品可在至少两个尺度上表现出独立的效果。

本公开内容还涉及一种制品，其包括粘性表面和转移涂层，转移涂层承载具有微结构化表面的连续粘合层，其中微结构化表面可包括至少两种特征。此外，制品对于每个特征可包括特征的侧向纵横比，范围为约0.1至约10，并且至少一个特征尺寸可变化至少10％的系数。例如，在一些实施例中，可围绕制品的表面设置两组支柱，一组直径为5微米且高为30微米，而另一组直径为至少15微米且高为至少75微米。在一些实施例中，第一组支柱可设置在第二组支柱的顶表面上。特征尺寸(高度、宽度和直径)中的至少两个必须是微观的。所有三个特征尺寸(高度、宽度和直径)可能都是微观的。制品的双重功能性可通过改变装置的横跨表面的一个或多个参数来实现，该改变可为空间周期性的，或在统计范围内。类似地，可通过改变支柱的密度或一个特征与相邻特征之间的间距来实现双重功能性。

在至少一个实施例中，双重功能表面可包括分层布置的不同尺寸的至少两个微结构化图案，其中可调制至少一个微结构化图案，或分层组合产生调制外观。调制外观是一种图案化的特征，通常是周期性的，它以与在下分层结构不同的尺度影响接触表面。

一些实施例可包括双重功能表面，该双重功能表面包括分层布置的不同尺寸的至少两个微结构化图案，其中至少一个微结构化图案可为双重功能的，或分层组合产生双重功能外观。具体而言，该实施例可由基材层组成，二维图案如此压印到该基材层上，使得基材层的两侧都可呈现出正弦曲线外观。此外，可在正弦曲线基材层的顶部上压印实心柱体，以在10至100个相等地间隔开的柱体之间填充正弦曲线图案的每个完整的正方形循环。以柱体的第一图案的每个柱体的顶部上可为1至10个较小尺寸的实心柱体。可通过相对于虚拟平坦表面调制第一柱体定向来启动双重功能效果。具体而言，第一柱体可垂直于正弦曲线表面定向。

一些实施例可包括双重功能图案化的表面，该双重功能图案化的表面包括分层布置的不同尺寸的三个微结构化图案，其中微结构化图案中的至少一个是双重功能的，或分层组合产生双重功能外观。具体而言，制品可由扁平的基材层组成。在扁平基材层的顶部上可有成均匀间隔的正方形阵列的压印的实心柱体。以柱体的第一图案的每个柱体的顶部上可压印较小尺寸的1至10个实心柱体。第一柱体的宽度可横跨扁平基材周期性地变化。

在一些实施例中，双重功能粘性纹理化表面可包括分层布置的不同尺寸的三个微结构化图案，其中微结构化图案中的至少一个是双重功能的，或分层组合产生双重功能外观。该制品可由扁平的基材层组成。在基材层的顶部可以有成均匀间隔的正方形阵列的压印实心支柱。以支柱的第一图案的每个支柱的顶部上可压印较小尺寸的1至10个实心柱体。第一支柱的横截面轮廓可以空间周期性的方式从圆形变为椭圆形。

在一些实施例中，双重功能粘性纹理化表面可包括分层布置的不同尺寸的三个微结构化图案，其中微结构化图案中的至少一个可为双重功能的，或分层组合可产生双重功能外观。具体而言，该实施例可由具有正弦曲线外观的基材层组成，该正弦曲线外观的高度在50至500微米之间变化。

此外，基材层的顶部可压印有成均匀间隔的正方形阵列的实心柱体。以柱体的第一图案的每个柱体的顶部上可压印较小尺寸的1至10个实心柱体。第一柱体的高度可横跨基材周期性地变化。

本公开的一些实施例可包括微结构表面，其中双重功能表面可包括分层布置的不同尺寸的三个微结构化图案。微结构化图案中的至少一个可为双重功能的，或分层组合产生双重功能外观。第一微结构图案可包括扁平的基材层，并且第二微结构图案可设置在基材层的顶部上，其带有成空间上变化的正方形阵列的压印的第一实心支柱。第三微结构图案可设置在以第二图案的每个第一实心支柱的顶部上，并且可压印较小尺寸的1至10个实心柱体。第一微结构图案可包括在至少一个区域中的第一支柱的布置，该至少一个区域可包括与如图4中所示的凹面、凸面、v形鞍和h形鞍分布中的至少一个相对应的间隔。

本公开的至少一个实施例包括微结构特征的特定几何形状。典型的几何特征可由矩形、角锥形、蘑菇形、端部呈卵形的柱体、钩、线圈、碟状等构成。可通过将一个几何图案堆叠在先前的几何图案之上来构造分层结构。例如，带有实心柱体的角锥从角锥的表面竖直地突出。可采用可变形的几何形状，例如，在压缩下可形成隧道的平行脊或在压缩下可形成较窄开口的圆形同心脊。布置在六边形网格显示中的脊可能会表现出出色的粘合性能。

将理解的是，在一些实施例中，可使用变化高度的实心柱体的均匀正方形网格来构造分层结构，使得实心柱体的组可形成角锥形结构。在这样的结构构造中，至少一个特征可具有双重周期性，例如，可为恒定的间隔和变化的定向。

在本公开的一些实施例中，可使用双重功能与其它粘合技术的组合。例如，可实现包括化学或粘性粘合剂。可使用主要通过产生真空来工作的吸盘，而不是毛细管作用。可使用固体粘合物，例如纤维Gecko结构。这样的粘合物可经由范德华力在目标表面上产生微结构化表面的固体与干燥表面之间的粘附，该目标表面通常可在稍后的时间润湿。

在一些实施例中，当润湿或在表面活性剂或疏水性液体如油的存在下时，微结构化多功能表面可更具粘合性。可使用关于表面的宏观外观的温泽尔-凯西定位效果和关于微观特征的接合外观的组合。当使用植入装置时，微特征可为游离细胞，并且宏观外观可使植入物固定化，从而允许细胞自然地组织并建立生物结构而不破裂。破裂可能导致纤维化和与植入物相关的功能欠佳的组织。在诸如疝气网之类的愈合植入装置中，与植入物相关的组织可帮助修补疝缺损，但是可能不促进新的肌肉组织的生长，这将代表疝缺损的真正愈合。

温泽尔-凯西界面可包括例如水和肥皂的混合界面，其可增加剥离力和平移力。通过将润滑剂添加到毛细管温泽尔-凯西表面和目标表面之间的界面，可提高粘合性。此外，几乎所有水性环境都涉及疏水性和亲水性成分。例如，在许多外部环境中可能会遇到水油乳剂。在大多数生物环境中可能会遇到水脂乳剂。为了本公开的目的，甚至皮肤到存在高湿度的表面环境也可认为是亲水-疏水界面。

一些实施例可包括用于饮料容器的防滑表面，可能需要牢固抓握的各种皮肤接触表面，如绷带或工业设备。在目标接触表面可变的环境中，在一个比例下起作用的温泽尔-凯西微结构化表面和叠加在第一结构上但以不同比例的其它温泽尔-凯西结构的组合可能特别有用。

将理解，本公开的实施例不依赖于接触摩擦力。摩擦力可包括表面纹理的直接机械互锁，使得要发生平移，一个结构必须在结构上失效。依靠接触摩擦的装置在应用于诸如皮肤的活动表面时通常可能会令人烦恼，或在应用于材料表面时会引起磨损。接触摩擦的一个不利影响是颗粒的形成。例如，在期望附着的医疗应用中，与装置的故障相比，微小碎片的形成对患者的危害更大。在当前公开中，直接机械接触可避免，或至多可能是定位中的次要影响。可特别避免施加大法向力来实现粘合性。在大多数应用中，如果这样的法向力导致非机械互锁的固定状态，则可能会出现短暂的最小法向力。然而，当采用多功能表面时，一个表面纹理外观的摩擦分量可能大于其它表面纹理外观。尽管在生物学应用中摩擦可能不是优选的，但是在某些工业和环境应用中，可结合本文公开的教导有用地采用摩擦外观。例如，一些实施例可包括分层支柱布置(支柱顶部的支柱)，其中支柱之间的间隔可制成特别宽，100-1000微米，并且支柱的高度可在50-200微米的范围内变化。可通过改变支柱的高度来获得可感知的摩擦外观，而不会影响在每个支柱在支柱上的结构上实现的温泽尔-凯西区。

本领域技术人员将认识到的本公开的一个方面涉及对目标表面的可适应性。在一些实施例中，可能期望界面抵抗法向力而不是阻止法向力。例如，对于与饮料容器接触的手指，可能不希望有发粘或磨蚀感。发粘的感觉可能是由于在表面界面破坏后仍然存在的化学附着所致。在本公开中可特别地避免发粘。将理解的是，在固定和活动之间可能存在清晰的界限，并且同时可提高实现活动的阈值。另一方面，发粘的另一个方面可能是立即最大的粘附力。在机械平移中，当过度运动的粘附形态阻碍流体运动时，发粘可能是有害的。本公开的一个方面是粘性随时间增加，并且该潜伏时间段可为可调节的。但是大体上，如果粘性取决于流体运输，诸如在针对毛细管作用的情况下，那么大体上可避免发粘的感觉。

在一些实施例中，需要放置表面，并然后重新定位而不损害目标表面。粘性可为基于微结构表面目标表面界面处的分子成分的顺序随着时间而建立的效果。例如，由于本公开的表面，尤其是弹性体的那些表面，可能倾向于相对于目标表面布置其表面，因此可能具有额外的益处。与不规则表面的对接可能需要这种调节效果，而对于可以粘在它们产生首次接触的任何地方的粘性表面来说这种情况几乎不会经历。以这样一种方式粘附到另一个表面上的表面可能会具有可观的优势，即它们的界面不会导致局部应力、皱纹或褶皱。因此，如果基材材料的模量足够低，则调节分层结构的高度可降低摩擦效果，从而确保纹理化表面与目标表面之间的均匀接触。

在一些区域中，可防止剪切平移，而在其它区域中，可防止剥离平移，而在其它区域中，可能期望两种效果。在一些实施例中，可能期望在一些区域中可以最小的力来促进剪切平移，并且在其它区域中，剥离力可最小化。超疏水表面的应用在其它表面的排斥中是众所周知的。这样的表面图案也可具有最小的剥离力。意欲排斥而不是吸引的这些其它类别的微结构化表面中的任何一个都可与本公开的表面相容。微结构图案化的一个有利特征是，大多数效果(包括此处所述的效果)可能局部取决于图案结构。因此，在一个实施例中，包括毛细管温泽尔-凯西表面以及更传统的超疏水表面以实现排斥和粘合效果两者均在本公开的范围内。这样的结构可在如下方面是有用的：从溶液中过滤颗粒、从溶液中过滤化学污染物和/或促进有益实体(无论它们是活的结构还是化学结构)的附着。

在一些实施例中，微结构化的疏水-亲水性表面可按比例和位置布置，在此称为多功能分层结构，以形成可建立直接接触以最小化局部化界面的电、分子和极性顺序的区域。这些表面可在微纹理化表面与粘附至目标表面的界面液体之间产生排除区。本公开的微结构化表面可为局部反熵的，在某种意义上，可通过提高***整体上的熵来减小界面区的熵。由于可通过增加顺序来增加两个表面之间的粘附力，所以即使整个***的无序程度较小，现有技术也忽略这种相互作用。顺序的定位可为提供本公开的特征的许多特征之一。类似于毛细管效应，可通过促进水内可以为基本六边形的结构来实现从水体积中排除溶质。因此，微结构表面可促进水的六边形有序化，其可排除非水成分，并通过水的结构化促进亲水性-疏水性离析。这可能导致使水结构化并使这种结构的破坏最小化的表面。表面纹理可认为是水排除区效应的介体。尽管对于温泽尔-凯西结构可能不需要此效果，但排除区效应可能会大大增加温泽尔-凯西结构在熵场上的稳定性。

本发明的一些实施例可包括多功能微结构化表面，该多功能微结构化表面包括分层布置的不同尺寸的至少两个微结构化图案，其中效果中的至少一个可能是由于微结构化图案和分层布置所致。微结构化图案的至少一个效果可能是由于该分层图案沿某个尺寸或几何形状的调制所致。

本发明的一些实施例可包括多功能微结构化表面，该多功能微结构化表面包括分层布置的不同尺寸的三个微结构化图案，其中微结构化图案中的至少一个可周期性地改变，或整个分层布置可周期性地改变。具体而言，一些实施例由基材层组成，在基材层上以一种方式压印有二维图案，使得基材层的两侧都可呈现正弦曲线外观。此外，在正弦曲线基材层的顶部上可压印实心柱体，该实心柱体用10至100个等间隔的柱体填充正弦曲线图案的每个完整的正方形循环。以柱体的第一图案的每个柱体的顶部上可压印较小尺寸的1至10个实心柱体。其中支柱的第一层和第二层可产生排除区和微结构化的水态。可通过在至少一个尺寸或几何外观方面调制微结构表面来实现多功能效果。例如，支柱可横跨表面从圆形横截面变化成矩形横截面。

一些实施例可包括多功能微结构化粘性表面，其可包括分层布置的不同尺寸的三个微结构化图案，其中微结构化图案中的至少一个可为吸入的，或分层组合可产生吸入外观。该实施例可由扁平的基材层组成。在基材层的顶部可压印成均匀间隔的正方形阵列的实心柱体。以柱体的第一图案的每个柱体的顶部上可压印较小尺寸的1至10个实心柱体。支柱的第一层之间的空隙区域可包括钻孔的柱形孔，其可钻穿基材层，或仅部分地钻穿。这些孔的直径可在二维方向上横跨图案表面正弦曲线地变化。可通过将微结构表面放置在目标表面的流体层上而不施加任何压力来启动毛细管作用。

第一分层柱体可将水充分地从目标表面抽走，以使水与包括钻孔的负特征接触。然后，钻孔可施加第二毛细管效应，该第二毛细管效应将微结构层抽吸到与目标表面紧密接触。

一些实施例可包括多功能微结构化表面，该多功能微结构化表面可包括分层布置的不同尺寸的三个微结构化图案，其中微结构化图案中的至少一个是以等距间隔布置的一系列脊。具体而言，实施例可包括扁平的基材层。

此外，在基材层的顶部上可压印成均匀间隔阵列的实心脊。以第一脊图案的每个脊的顶部上可压印较小尺寸的实心柱体。在第一脊层之间的空隙区域中可为第二实心柱体。脊的第一图案可为曲线形的，以描述相等地间隔开的正弦曲线。

一些实施例可包括多功能微结构化表面，该多功能微结构化表面包括分层布置的不同尺寸的微结构化图案，其中微结构化图案中的至少一个可为应力图案。具体而言，应力图案可为手性应力图案。

现在参看图13，微结构化表面1300包括至少两种微结构化特征。对于每个特征，特征的侧向纵横比可在约0.1至约10的范围内，并且至少一个特征尺寸可变化至少10％的系数。微结构化表面1300可包括两组支柱1302和1304。支柱1302的直径可为5微米并且高为30微米，而支柱1304的直径可为至少15微米并且高为至少75微米。第一组支柱1302可设置在第二组支柱1304的顶表面1306上。特征尺寸(高度1308、宽度1310、长度1312、定向1314)中的至少两个必须是微观的。特征尺寸(高度、宽度、长度)中的全部三个可为微观的。可通过改变装置1300的表面1316上的一个或多个参数来实现双重功能。该变化可为空间周期性的，或在统计范围内。调制外观是一种图案化的特征，通常是周期性的，它以与在下分层结构不同的尺度影响接触表面。

参看图14，双重功能表面1400可包括分层布置的不同尺寸的至少两个微结构化图案，其中该微结构化图案中的至少一个是双重功能的，或分层组合产生双重功能外观。具体而言，一些实施例可包括基材层1402，二维图案1404如此压印到该基材层上，使得基材层1402的两侧可呈现正弦曲线外观。

此外，可在正弦曲线基材层1404的顶部上压印实心柱体1406，该实心柱体1406用10到100个相等地间隔开的柱体填充正弦图形1404的每个完整的正方形循环1408。以柱体的第一图案的每个柱体1406的顶部可压印较小尺寸的1到10个实心柱体1410。可通过相对于虚拟平坦表面1416调制第一柱体定向1414来启动双重功能效果。具体而言，第一柱体可垂直于正弦曲线表面定向。

参看图15，双重功能图案化表面1500可包括分层布置的不同尺寸的三个微结构化图案，其中微结构化图案中的至少一个是双重功能的，或分层组合产生双重功能外观。具体而言，一些实施例可包括阶梯状扁平基材层1502。此外，在基材层1502的顶部上可压印成均匀间隔的正方形阵列的实心柱体1504。以柱体的第一图案的每个柱体1504的顶部可压印较小尺寸的1到10个实心柱体1506。第一柱体1504的宽度1508可横跨扁平基材周期性地变化。

参看图16，双重功能表面1600可包括分层布置的不同尺寸的三个微结构化图案，其中微结构化图案中的至少一个是双重功能的，或分层组合产生双重功能外观。具体而言，一些实施例可包括扁平基材层1602。此外，在基材层1602的顶部上可压印成空间变化的正方形阵列1606的实心支柱1604。以第一支柱图案中的每个支柱1604的顶部上可压印较小尺寸的1到10个实心柱体1608。第一支柱1604的横截面轮廓可以空间周期性的方式从圆形1610变化成椭圆形1612，如图3中所示。

一种装置，其包括微结构化表面，其中在一方面，微结构化表面分层地布置成具有双重功能的纹理特征。该表面可通过改变微结构特征的参数来实现粘合性能。另外，该表面可通过改变相同的参数来实现细胞和/或组织的向内生长功能。大体上，双重功能外观包括具有变化的周期性的至少一个表面特征，变化的周期性可强加在至少一个其它表面特征上。

提供上述那些实施例以阐明本发明，以使本领域技术人员能够理解、制造和使用本发明。然而，不旨在限制本发明的范围，并且根据本发明的精神的任何等同修改和变型也将包括在本发明的范围内。

因此，尽管已经描述了新的和有用的多功能纹理化装置的本发明的特定实施例，但是除了以下权利要求中所阐述的以外，这些参考文献不旨在解释为对本发明范围的限制。

Claims (20)

1.一种微结构化表面，包括：

基材，其包括至少第一分层微结构，所述第一分层微结构包括多个微结构特征，所述多个微结构特征包括一个或多个参数，所述一个或多个参数横跨所述基材以空间周期性逐渐变化。

2.根据权利要求1所述的微结构化表面，其特征在于，所述一个或多个参数选自包括高度、宽度、直径、形状和间距及其组合的组。

3.根据权利要求1所述的微结构化表面，其特征在于，所述多个微结构特征包括至少第一组微结构特征和第二组微结构特征，所述至少第一组微结构特征围绕所述基材设置，至少第二组微结构特征小于所述至少第一组微结构特征，并且设置在所述至少第一组微结构特征上。

4.根据权利要求3所述的微结构化表面，其特征在于，所述基材是扁平的，并且所述至少第一组微结构特征围绕扁平基材设置成均匀间隔的正方形阵列。

5.根据权利要求3所述的微结构化表面，其特征在于，所述基材构造为呈现具有在50至500微米之间的高度的正弦曲线图案。

6.根据权利要求3所述的微结构化表面，其特征在于，所述第一组微结构特征和所述第二组微结构特征中的至少一个包括横跨所述基材周期性变化的宽度。

7.根据权利要求3所述的微结构化表面，其特征在于，所述第一组微结构特征和第二组微结构特征中的至少一个包括横跨所述基材从圆形周期性地变化成椭圆形的横截面轮廓。

8.根据权利要求3所述的微结构化表面，其特征在于，所述第一组微结构特征和所述第二组微结构特征中的至少一个包括横跨所述基材周期性变化的高度。

9.根据权利要求8所述的微结构化表面，其特征在于，所述至少第一微结构特征的周期性变化的高度构造成产生角锥形结构。

10.根据权利要求3所述的微结构化表面，其特征在于，所述第一组微结构特征和第二组微结构特征中的至少一个包括横跨所述基材周期性变化的间距。

11.根据权利要求10所述的微结构化表面，其特征在于，所述至少第一微结构特征的周期性变化的间距构造成产生选自包括凹面、凸面、v形鞍和h形鞍及其组合的列表的结构。

12.一种微结构化表面，包括：

包括至少第一分层微结构的表面，所述第一分层微结构包括多个微结构特征，所述多个微结构特征包括一个或多个参数，所述参数以空间周期性变化并构造成产生温泽尔表面，或凯西表面，或组合式温泽尔-凯西表面中的至少一个。

13.根据权利要求12所述的微结构化表面，其特征在于，所述一个或多个参数选自包括高度、宽度、直径、形状和间距及其组合的组。

14.根据权利要求12所述的微结构化表面，其特征在于，所述多个微结构特征包括至少第一组微结构特征和第二组微结构特征，所述至少第一组微结构特征围绕所述基材设置，至少第二组微结构特征小于所述至少第一组微结构特征，并且设置在所述至少第一组微结构特征上。

15.根据权利要求14所述的微结构化表面，其特征在于，所述基材是扁平的，并且所述至少第一组微结构特征围绕所述扁平基材设置成均匀间隔的正方形阵列。

16.根据权利要求14所述的微结构化表面，其特征在于，所述基材构造为呈现具有在50至500微米之间的高度的正弦曲线图案。

17.根据权利要求14所述的微结构化表面，其特征在于，所述至少第一组微结构特征和所述第二组微结构特征构造成产生从一定体积的水中排除溶质的区域。

18.根据权利要求14所述的微结构化表面，其特征在于，所述第一组微结构特征和第二组微结构特征中的至少一个包括横跨所述基材从圆形周期性地变化成矩形的横截面轮廓。

19.根据权利要求15所述的微结构化表面，其特征在于，孔在所述基材中设置在所述至少第一组微结构特征的第一特征和第二特征之间，所述孔构造成产生毛细管作用。

20.根据权利要求14所述的微结构化表面，其特征在于，所述基材包括平坦表面，所述至少第一组微结构特征包括成均匀间隔的阵列的脊，所述至少第二组微结构特征包括围绕所述脊的顶部部分设置的多个柱体，并且进一步包括第三组微结构特征，所述第三组微结构特征围绕包括第二多个柱体的所述多个柱体之间的空隙区域设置。

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