TWI731865B - 微結構化表面 - Google Patents

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Abstract

一種基材，在至少一部份該基材上具有一波狀表面，形成一系列圓形凸峰及凹谷構成一連續曲面。該波狀表面具有一第一組微特徵。一第二組微特徵，形成在該第一組微特徵上。該基材是一壓縮模制的聚合材料，其中該第一組和該第二組微特徵是在單個模制步驟中形成在該基材上，且其中，該第一組和該第二組微特徵協同以增加該基材的表面面積，並影響該基材的附著力、摩擦力、親水性和疏水性中至少一個性質。

Description

微結構化表面
本發明是關於一種微結構化表面，尤其是一種基材，透過多種形狀和尺寸的微特徵分級佈置而增加表面積，提供一種表面，當應用於液體覆蓋表面時，具有更大滑動摩擦力及附著力，且具有超疏水性。
仿生學(Biomimetics)，或自然界系統的研究已經越來越成為解決複雜人類問題的普遍靈感來源。為了製造具有特定性質的材料，許多研究小組已經確定了自然界具有所需特性的動植物，然後對其隱含的機制進行研究。
圍繞植物及其花瓣效應的研究已經表明存在一種超疏水效應和各級粘附，其中，在超疏水效應中，在表面上容易滑動的圓形液滴得以保持，而透過各級粘附，這些液滴能夠被粘住而不滾下去。這種效果在玫瑰花瓣中尤為顯著，將這種特性應用於日常應用已成為人們的研究重點。人們已經確定了許多潛在應用領域，從外科手術應用到接觸皮膚的衣物舒適性和耐穿性。
玫瑰花瓣的表面被有層次的微米結構和奈米結構覆蓋，使水 滴停留在表面上，并且具有較高的接觸角和釘扎力。熟悉本領域的技術人員將這些綜合性質稱作「玫瑰花瓣效應(rose petal effect)」。玫瑰花瓣效應的潤濕機理是凱西巴克斯特(Cassie-Baxter)和策爾(Wenzel)潤濕機理的綜合。(參見：Cassie,A.and S.Baxter.“Wettability of porous surfaces.”Trans.Faraday Soc.40(1944),546-551；and,Wenzel,R.N.,“Resistance of solid surfaces to wetting by water.”Ind.Eng.Chem.28(1936),988-994.；and,US Pub.No.2012/0052241，這些文獻透過引用而全文併入本申請中)。前者描述了一種不潤濕的情景，而後者描述了完全潤濕的情景。玫瑰花瓣表面的微結構化被潤濕，而奈米結構未被潤濕。這一點為玫瑰花瓣提供了其著名的特性。
在該領域，人們透過形成某種程度上複製玫瑰花瓣效應的金字塔結構，在模仿玫瑰花瓣，及荷葉的天然微觀結構方面進行了諸多努力。但是，玫瑰花瓣的隨機***和微觀結構，使製造出類似的結構很難。透過立體光刻建立的錐形結構長15微米，高11微米，中心至中心的距離是20微米，設計角度為54.7度。在這些設計中包含直徑150奈米，高150奈米，間距200奈米的奈米結構。這種方法的局限之處在於立體光刻只能形成57度角的結構，從而無法形成圓形***微結構化。
為了模仿玫瑰花瓣的性質，人們採用各種方法形成許多表面。然而，這些方法需要使用大量的材料和多個步驟，耗時長，成本高。最好能夠最大限度地減少微表面成型製程所需步驟數和時間，以減少誤差，降低大規模生產的成本，並縮短製造時間。使用的材料數量少，也降低了生產成本。
劉(Liu)等人使用電鑄製程開展研究，模仿了自然界的幾種表面，其中包括紅玫瑰花瓣。他們的重點是建立一種簡單的一步法，他們使用銅基材，電沉積技術，以及含有各種化合物的溶液實現了這一點。儘管他們的方法簡單、快速，但仍然需要事先開展特定的測量和製備溶液，增加了誤差機會。這種方法還因需要金屬充當電解質電池的陰極和電極而受到限制。如果將這種表面應用於可植入醫療器械，還需要對這種表面的生物相容性和潛在的有毒離子浸出情況進行分析。(參見：Liu,Y.,S.Li,J.Zhang,Y.Wang,Z.Han,and L.Ren.,“Fabrication of Biomimetic Superhydrophobic Surface with Controlled Adhesion by Electrodeposition.”Chemical Engineering Journal 248(2014),440-447)。多種形成類玫瑰花瓣表面的方法也受金屬基材的限制。
因此，本發明的一個目的是提供一種微結構化佈置，其中一基材具有一微米級波狀表面，包括一系列圓形凸峰及凹谷，在至少部分該基材上形成一連續曲面。
本發明的另一個目的是提供具有多級微結構化佈置的一基材，具有各種不同微米尺寸範圍的微特徵，協同聯合影響該基材的力、摩擦力、親水性和疏水性中至少一個性質。
本發明的另一個目的是簡化一以聚合材料為基礎的基材的生產製程，且降低生產成本，該基材具有一由各種不同微米尺寸範圍的微特徵組成的微結構化佈置。
為達前述目的，本發明提供一種微結構化表面，包括：一基材，在至少一部份該基材上具有一波狀表面，形成一系列圓形凸峰及凹谷構成一連續曲面，其中該波狀表面具有一第一組微特徵；一第二組微特徵，形成在該第一組微特徵上；其中，該基材是一壓縮模制的聚合材料，其中該第一組和該第二組微特徵是在單個模制步驟中形成在該基材上，且其中，該第一組和該第二組微特徵協同以增加該基材的表面面積，並影響該基材的附著力、摩擦力、親水性和疏水性中至少一個性質。
在另一個較佳實施例中，該第二組微特徵是選自由微結構化突起及微結構化凹陷及其組合所組成的群組。
在另一個較佳實施例中，該第二組微特徵的該微結構化突起包含大致為圓柱形的柱狀物。
在另一個較佳實施例中該第二組微特徵的該微結構化凹陷包含大致為圓柱形的凹穴。
在另一個較佳實施例中，該第一組微特徵設置於該基材的一上表面，與該基材的一下表面形成一互補形狀，從而，該上表面的該圓形凸峰在該下表面形成該圓形凹谷，且該上表面的該圓形凹谷在該下表面形成該圓形凸峰。
在另一個較佳實施例中，該第二組微特徵包括在該基材的一上表面的一系列微結構化突起，在該基材的一下表面形成一系列互補的微結構化凹陷。
在另一個較佳實施例中，該第二組微特徵包括在該基材的一上表面的一系列微結構化凹陷，在該基材的一下表面形成一系列互補的微結構化突起。
在另一個較佳實施例中，該第二組微特徵包括至少一部分微特徵沿著與該基材的該波狀表面曲線垂直的一軸延伸。
在另一個較佳實施例中，該第一組微特徵包括選自由大約100微米至大約999微米組成的尺寸。
在另一個較佳實施例中，該第二組微特徵包括選自由大約10微米至大約100微米組成的尺寸。
在另一個較佳實施例中，該第二組微特徵具有一高度寬度比小於5，且該第二組微特徵的每個微特徵之間的最小間隔是1微米，以保持結構強度，同時允許液體在該第二組微特徵之間流動和滲透。
在另一個較佳實施例中，包括一第三組微特徵，設置在該基材，選自由微結構化突起和微結構化凹陷及其組合所組成的群組。
在另一個較佳實施例中，該第三組微特徵是與該第一組和第二組微特徵同時壓縮成型。
在另一個較佳實施例中，該第三組微特徵具有一高度寬度比小於5，且該第三組微特徵的每個微特徵之間的最小間隔是1微米，以保持結構強度，同時允許液體在該第三組微特徵之間流動和滲透。
在另一個較佳實施例中，該第三組微特徵包括至少一部分微特徵沿著與該基材的該波狀表面曲線垂直的一軸延伸。
在另一個較佳實施例中，該第三組微特徵的該微結構化突起包含大致為圓柱形的柱狀物。
在另一個較佳實施例中，該第三組微特徵的該微結構化凹陷包含大致為圓柱形的凹穴。
在另一個較佳實施例中，該第三組微特徵是設置於該第二組微特徵的一端表面。
在另一個較佳實施例中，該第三組微特徵是設置於該第一組微特徵及該第二組微特徵之間。
在另一個較佳實施例中，該第三組微特徵是設置於該第二組微特徵的一端表面，且於該第一組微特徵及該第二組微特徵之間。
在另一個較佳實施例中，該第二組微特徵小於該第一組微特徵，且該第三組微特徵小於該第二組微特徵。
在另一個較佳實施例中，該第三組微特徵包括選自由大約0.4微米至大約10微米組成的尺寸。
在另一個較佳實施例中，包括一第四組微特徵設置於該第二組微特徵的側表面。
在另一個較佳實施例中，該第四組微特徵是與該第一組、第二組和第三組微特徵同時壓縮成型。
在另一個較佳實施例中，該第四組微特徵的每個微特徵之間的最小間隔是1微米。
在另一個較佳實施例中，該第四組微特徵是選自由凹槽和肋状物及其組合所組成的群組。
在另一個較佳實施例中，該第四組微特徵包括選自由大約0.4微米至大約10微米組成的尺寸。
在另一個較佳實施例中，當應用於濕器官和肌肉組織時，該基材具有一滑動摩擦力大於50克/平方公分的一表面附著力。
在另一個較佳實施例中，當應用於濕器官和肌肉組織時，該基材具有一滑動摩擦力大約是325克/平方公分的一表面附著力。
在另一個較佳實施例中，成型該基材的該壓縮模制的聚合材料是選自由PDMS、PMMA、PTFE、PEEK、FEP、ETFE、PAEK、聚苯碸、聚氨 酯、聚丙烯酸酯、熱可塑塑膠、聚丙烯、熱可塑彈性體、含氟聚合物、可生物降解聚合物、聚碳酸酯、聚乙烯、聚醯亞胺、聚苯乙烯、聚乙烯、聚烯烴、矽氧烷、天然橡膠、合成橡膠及其組合所組成的群組。
為達前述目的，本發明另提供一種微結構化表面，包括：一基材，具有一波狀表面，該波狀表面具有一第一組微特徵；一第二組微特徵，設置於該第一組微特徵上，且選自由微結構化突起及微結構化凹陷及其組合所組成的群組，其中該第二組微特徵小於該第一組微特徵；一第三組微特徵，設置於該第一組微特徵和該第二組微特徵中的至少一微特徵上，該第三組微特徵是選自由微結構化突起和微結構化凹陷及其的組合所組成的群組，其中該第三組微特徵小於該第二組微特徵；一第四組微特徵，設置於該第二組微特徵的每個微結構的一側表面上，其中該第四組微特徵選自由凹槽和肋狀物所組成的群組；及該第二組及該第三組微特徵各別包含一部分微特徵沿著與該波狀表面曲線垂直的一軸延伸；其中各該些組微特徵協同以增加該基材的表面積，並影響該基材的附著力、摩擦力、親水性和疏水性中至少一個性質。
在另一個較佳實施例中，該該第一組、第二組、第三組和第四組微特徵具有各自的一間距、一高度/深度、和直徑，且其中當應用於一液體覆蓋表面時，該些微特徵被配置以便使液體以策爾全潤濕狀態(Wenzel fully wetted state)滲透在至少該第一組和該第二組微特徵之間。
在另一個較佳實施例中，當應用於濕器官和肌肉組織時，該基材在該液體覆蓋表面上的該附著力產生大約100gr/cm 2至大約325gr/cm 2的一滑動摩擦力。
在另一個較佳實施例中，該第一組微特徵的該波狀表面具有圓形凸峰，助於該基材的壓力分佈。
在另一個較佳實施例中，該第二組和該第三組微特徵均勻地分佈在該圓形凸峰上，以增加該第一組微特徵的表面積。
在另一個較佳實施例中，該基材應用於一液體覆蓋表面時，該圓形凸峰具有壓力增加區，以在至少該第一組和該第二組微特徵，促進液滴從懸浮凱西巴克斯特狀態(Cassie-Baxter state)向策爾全潤濕狀態(Wenzel fully wetted state)過渡。
為達前述目的，本發明另提供一種微結構化表面，包括：一基材，具有一波狀表面，該波狀表面具有一第一組微特徵；一第二組微特徵，包括在該基材上選自由微結構化突起及微結構化凹陷及其組合所組成的群組；該第二組微特徵包含至少一部分微特徵沿著與該波狀表面曲線垂直的一軸延伸；其中該第一組及該第二組微特徵協同以增加該基材的表面積，並影響該基材的附著力、摩擦力、親水性和疏水性中至少一個性質。
在另一個較佳的實施例中，該波狀表面包括一形狀選自由圓形傾斜突起及圓形傾斜凹陷所組成的群組，形成圓形凸峰及圓形凹谷，在該基材的至少一部分上產生一個連續彎曲表面。
在另一個較佳的實施例中，該波狀表面的每個該圓形傾斜突起和每個該圓形傾斜凹陷之間的間距，是在約450微米到約750微米範圍，以助該基材相對一液體覆蓋面的附著力。
在另一個較佳的實施例中，該波狀表面的每個該圓形傾斜突起和每個該圓形傾斜凹陷的大致為圓柱形底部的一直徑，在約450微米到約750微米範圍內，以助該基材相對於一液體覆蓋面的附著力。
在另一個較佳的實施例中，該波狀表面的該圓形傾斜突起和該圓形傾斜凹陷的一高度/深度，為約100微米到約500微米範圍，以助該基材相對一液體覆蓋面的附著力。
在另一個較佳的實施例中，該第二組微特徵是大致為圓柱形。
在另一個較佳的實施例中，每個該第二組微特徵之間的一間距都在約10微米至約50微米的範圍，以助該基材相對一液體覆蓋面的附著力。
在另一個較佳的實施例中，每個該第二組微特徵的一直徑都在約10微米至約50微米的範圍，以助該基材相對一液體覆蓋面的附著力。
在另一個較佳的實施例中，每個該第二組微特徵一高度/深度在約10微米到約50微米的範圍，以助該基材相對一液體覆蓋面的附著力。
在另一個較佳的實施例中，一第三組微特徵，設置於該第一組微特徵和該第二組微特徵中的至少一微特徵上，該第三組微特徵選自由微結構化突起及微結構化凹陷及其組合所組成的群組，其中該第三組微特徵小於該第二組微特徵；及一第四組微特徵，設置於該第二組微特徵的每個微結構的側表面上，其中該第四組微特徵選自由凹槽和肋狀物組成的群組。
在另一個較佳的實施例中，每個該第三組微特徵和每個該第四組微特徵之間的一間距都在約1微米至約10微米的範圍，以助該基材相對一液體覆蓋面的附著力。
在另一個較佳的實施例中，每個該第三組微特徵和每個該第四組微特徵的一直徑都在約0.4微米至約10微米的範圍，以助該基材相對一液體覆蓋面的附著力。
在另一個較佳的實施例中，每個該第三組微特徵和每個該第四組微特徵的一高度/深度都在約0.4微米至約10微米的範圍內，以助該基材相對一液體覆蓋面的附著力。
下文將說明為實施本發明而設計的結構，及其其他特徵。為使本發明更容易理解，下文的說明將參照圖式，並附加實施例。
10:基材
12:第一組微特徵
14:第二組微特徵
15:凸峰
16:凹槽
17:凹谷
18:肋狀物
20:第三組微特徵
21:上表面
22:端表面
23:下表面
24:第四組微特徵
圖1顯示本發明基材的放大圖；圖2顯示本發明基材的進一步實施例的放大圖；圖3顯示本發明基材的第一實施例的示意側視圖；圖4顯示本發明基材的第二實施例的示意側視圖；圖5顯示本發明第二、第三及第四組微特徵的示意透視圖；圖6顯示本發明第二、第三和第四組微特徵的示意頂視圖；及圖7A-圖7D顯示本發明基材的波狀表面的各種實施例。
本領域技術人員將會明白，本發明一方面或多方面能滿足某些目標，而一方面或多方面能滿足某些其他的目標。並不是每一個目標都能同樣完全適用於本發明的各方面。因此，前述項目可以視為對本發明任何一方面的替代方案。若配合附圖和實施例來閱讀以下詳細描述，本發明的各項目及特徵將更為清晰。然而，讀者應理解本發明上文的概要和下面的詳細描述都是優選的實施例，而不局限於本發明或本發明的其他備選實施例。特別是，即使本發明參照了本文該的若干具體實施例，但是應當理解，該描述為闡明本發明之用，並且不構成本發明的限制。本領域中是本領域技術人員仍可採取各種修改和應用，只要不脫離本發明的精神和範圍。同樣，本發明的其他目的、特徵、利處及優點將在本概要及和下面某實施例更形易見。這樣的目的、特徵、利處和優點，結合所附的例子、數 據、附圖和所有合理推論，將更為顯而易見，不論單獨或與本文的參考文獻一併考慮。
現在將參照附圖對本發明進行詳細描述。除非另有定義，本文使用的所有技術和科學術用語當與目前主題所屬的領域中普通技術人員所通常理解的含義相同。雖然任何類似或等同於本文描述的方法、裝置和材料均能以在本文該的主題、具代表性的方法，裝置和材料作實踐或測試。
除非特別說明，本文的術語、短語、及其變體，除非另有明確說明，應當被解釋為開放性，而不是限制性的。同樣，除非明確說明，一組以連接詞「和」/「及」連接的項目不應解讀為項目中的每一個均必須存在，而是應解讀為「和/或」。同樣，除非明確說明，一組以連接詞「或」連接的項目不應解讀為項目中的每一個均必須互相排斥，而是應解讀為「和/或」。
此外，儘管本文披露的物品、元件或組件可以以單數描述或表達，但同樣可預期為複數，除非文中明確陳述限制為單數。拓寬詞語和詞組如「一個或多個」、「至少」、「但不限於」或其它類似短語不應只理解為更狹窄的情況，這些拓寬短語可能不必存在。
微結構、微特徵、微觀、微米、微、千分之一米在本文中可表示為10-6的大小比例。
本發明受天然玫瑰花瓣及其性質啟發，發展出一種全新的多級分層微結構化的表面圖形。這種表面不僅表現玫瑰花瓣的獨特和備受重視的特點，也顯著地使之增強。此外，如本文以下詳述，也克服了現有技術所面對製造和織造玫瑰花瓣狀表面的各種限制。其高粘附附著(adhesive) 和超疏水性能(superhydrophobic)，以及本文所定義的微結構化表面的模制工藝可用於在各種行業中改善無數機器和設備，尤其是醫療產品業務。
本發明的微結構化表面有兩層或以上的微物體，其組裝方式能產生高表面積而同時保持物體之間的最小間隔，以允許液體流動滲透(以促進表面附著力)，並同時透過保持各特徵的高寬比例低於物料過強的臨界水準，以維持最小結構強度。
請參照圖1，本發明微結構排列的第一個實施例，包括一種基材，大致上地標示為10。在所示實施例中，基材10具有一波狀表面(undulating surface)，形成一系列圓形凸峰及凹谷，構成一連續曲面，在基材10的至少一部分。該基材10的波狀表面具有第一組微特徵，大致上地標示為12。在圖1中，基材10被構成及佈置，以聚焦在一系列圓形突出物(rounded knobs)，形成由該表面向上的凸峰15，伴隨著與其相關的凹谷17被設置在各凸峰15之間。
在圖2所示的第二實施例中，一個反向排列被揭露了，其中基材10被構成和佈置，以聚焦在一系列圓形凹陷(rounded cavities)，形成朝內往基材10延伸的凹谷17，伴隨著與其相關的凸峰15被設置在各凹谷17之間。在這兩個實施例中，該基材10的表面是連續地在該波狀表面的圖形區域連續彎曲。
根據本發明及在若干實施例所示，基材10的波狀表面具有一圓形、非平坦曲率的重複振蕩。該基材表面的曲率可透過將三角函數正弦、餘弦、正切或指數與冪級數函數等數學公式來說明。這些數學公式用於計算機輔助設計和計算機輔助製造軟件，以建立使用快速製作原型、研磨、 放電加工或類似技術，來建立具所需微特徵的波浪表面的聚合物或金屬表面。採用數學公式的優點是，能迅速在計算機輔助設計和計算機輔助製造軟件，來大量建立圓形的、非平面特徵。這類型的微特徵不能使用光刻(lithographic)技術來建立。
請參照圖7A-7D，一部分實施例被選出來呈現，基材10具有各種波狀表面紋理橫跨基材10，提供可供選擇的曲面微特徵。這些實施例僅為說明性質，用作示範基材10的實施例，並不限制本發明的使用範圍。
根據本發明，第一組微特徵12包括包括選自由大約100微米至大約999微米組成的大小尺寸。更具體地詳細描述，且正如本文下面詳述，在優選的實施例中，該波狀表面已被佈置，使該第一微特徵組12具有750微米的圓形凹陷、750微米的節距、及約240至500微米的深度。該基材10的佈置旨在加強在濕潤表面附著力，特別是接觸人體器官和肌肉組織的手術材料。
請參考圖3-6，第二組微特徵14被設置在基材10的表面。在一個實施例中，第二微特徵組14是被模製在基材10的第一微特徵組12上。正如本文下面詳述，在優選的實施例中，該基材10是一壓縮模制(compression molded)的聚合材料，其中該第一組和該第二組微特徵12、14是在單個模制步驟中形成在該基材10上。該第一組和該第二組微特徵12、14協同工作，以增加該基材的表面面積，並影響該基材10的附著力、摩擦力、親水性(hydrophilicity)和疏水性(hydrophobicity)中至少一個性質。
較佳地，成型該基材的該壓縮模制的聚合材料是選自由PDMS、PMMA、PTFE、PEEK、FEP、ETFE、PAEK、聚苯碸、聚氨酯、 聚丙烯酸酯、熱可塑塑膠、聚丙烯、熱可塑彈性體、含氟聚合物、可生物降解聚合物、聚碳酸酯、聚乙烯、聚醯亞胺、聚苯乙烯、聚乙烯、聚烯烴、矽氧烷、天然橡膠、合成橡膠及其組合所組成的群組。在本發明的一項優選實施例中，基材10包括一聚乳酸生物可吸收聚合物(polylactic acid bioresorbable polymer,PLA)。
在所示的實施例中，該第二組微特徵14是選自由微結構化突起及微結構化凹陷及其組合所組成的群組。如圖2所示實施例中，第二組微特徵14包括向下延伸進入到基材10的微結構化凹陷(cavities)。在圖3-6的所示實施例中，第二組微特徵14包括從基底10向上延伸的微結構化突起(projections)。較佳地，圖3-6的所示實施例中，該第二組微特徵14的微結構化突起包含大致為圓柱形的柱狀物(cylindrical pillars)。較佳地，圖2的所示實施例中，第二組微特徵14的微結構化凹陷包含大致為圓柱形的凹穴(cylindrical recesses)。
請參照圖4，在一實施例中，基材10為一薄膜基材並具有可實施的相對的上表面(top surface)和下表面(bottom surface)，第一組微特徵12設置於基材10的一上表面21，在基材10的一下表面23形成一互補形狀，使上表面21的圓形凸峰在下表面23形成圓形凹谷，並使在上表面21的圓型凹谷在下表面23形成圓形凸峰。
請參照圖1、2及4，在一實施例中，基材10為薄膜基材並具有可實施的相對的上表面和下表面，第二組微特徵14可包括一系列在基材10的上表面21或下表面23的微結構化突起，其即定義一系列在相對的上表面或下表面21、23的互補的微結構化凹陷。例如，圖1代表一薄膜基材且具 有微結構化突起上表面的實施例，在這種情況下，圖2代表該薄膜基材上的互補下表面，其中，在圖1中的該上表面的微結構化突起，形成在圖2中相對的下表面的微結構化凹陷。類似地，在一個實施例中，其中第二組微特徵14包含微結構化凹陷，從上表面21向下穿伸基材10，其在下表面23形成互補的微結構化突起。
請參考圖1、3和4，在所示實施例中，該第二組微特徵14包括至少一部分微特徵沿著與該基材10的該波狀表面曲線垂直的一軸延伸，在一單獨微結構的一給定點上。以這種方式，第二組微特徵14遵循第一組微特徵12的曲度。
依據本發明，該第二組微特徵14包括選自由大約10微米至大約100微米組成的尺寸。
此外，該第二組微特徵14較佳具有一高度寬度比小於5，且該第二組微特徵的每個微特徵之間的最小間隔是1微米，以保持結構強度，同時允許液體在該第二組微特徵14之間流動和滲透。
請參考圖3-6，第三組微特徵20可同樣地佈置在基材10上。較佳地，第三組微特徵20選自由微結構化突起和微結構化凹陷及其組合所組成的群組。在一個實施例中，第三組微特徵20的微結構化突起包含大致為圓柱形的柱狀物。請參考圖2，在一個實施例中，第三組微特徵20的微結構化凹陷大致為圓柱形的凹穴。
較佳地，第三組微特徵20與該第一組和第二組微特徵12、14同時壓縮成型。在一個更優選實施例中，第三組微特徵20的高度與寬度之比小於5，並且第三組微特徵20的每個微特徵之間的最小間隔是1微米，以 保持結構強度，同時允許液體在該第三組微特徵之間流動和滲透。當裝置用較低強度的材料製成時，高寬比例較小；當使用較高強度材料製成時，高寬比例較大。對於較低黏稠度的液體，特徵之間的間距較小；對於較高黏稠度的液體，特徵之間的間距較大。
請參考圖1、3和4，在此繪示的實施例中，第三組微特徵20包括至少一部分微特徵沿著與該基材10的該波狀表面曲線垂直的一軸延伸。對於本發明來說，其中第二和第三組微特徵14、20沿與該波狀表面10的曲線垂直的一軸延伸，該垂直於曲線的軸線在沿曲線特定點上與曲線的切線垂直。
在此繪示的實施例中，第二組微特徵14小於第一組微特徵12，第三組微特徵20小於第二組微特徵14。依據本發明，第三組微特徵20包括選自由大約0.4微米至大約10微米組成的尺寸。
請參考圖1和圖3-6，在一個實施例中，第三組微特徵20設置於第二組微特徵14的端表面22上。在另一個較佳實施例中，第三組微特徵20設置於該第一組微特徵12之上，在第二組微特徵14之間。在另一個較佳實施例中，第三組微特徵20設置於第二組微特徵14的端表面22上，及在第一組微特徵12上，在第二組微特徵14之間。
請參考圖5和6，第四組微特徵24可被設置於第二組微特徵14的側表面上。第四組微特徵24選自由凹槽16和肋状物18及其組合所組成的群組。在所繪示實施例中，凹槽和肋状物16、18垂直地沿著該側表面的高度行走，在每個微結構的外表面圓周，該些微結構包含該第二組微特徵14。較佳地，第四組微特徵24包括選自由大約0.4微米至大約10微米組成的 尺寸。較佳地，第四組微特徵24與該第一組、第二組與該第一組、第二組和第三組微特徵同時壓縮成型製成基材10。較佳地，大於1微米的特徵和間距的凹槽和/或肋狀物16、18被增加到第二組微特徵14的圓柱形柱狀物或凹陷的外側，以同時增加表面積及提高耐彎曲和斷裂的結構性強度。第四組微特徵24的單獨微結構之間以及第二組微特徵14的單獨微結構之間的間距，對於黏稠度較低的液體較小，對於黏稠度較高的液體較大。
第三組微特徵20覆蓋在柱狀物的頂部和和凹陷底部，及定義為該第二組為特徵14的柱狀物或凹陷之間的區域，以一種實質上均勻的方式。結合第二及第三組微特徵14、20，大大增加了從基材10接觸到覆蓋在相對表面液體的表面積。
根據所需應用場合的不同，第一組、第二和第三組的微特徵共同增加基材的表面積，以影響該基材的附著、摩擦力、親水性和疏水性中的至少一種性質。在一個實施例中，當應用於濕器官和肌肉組織時，基材10具有表面附著力，滑動摩擦力大於50gr/cm2。在一個優選實施例中，當應用於濕器官和肌肉組織時，基材10具有表面附著力，滑動摩擦力約為325gr/cm2。
在早期研究中，玫瑰花瓣結構得到表徵，觀察到了微結構中的「起伏山坡(rolling hill)」效應。此外，更小的微結構被稱為「髮絲(hairs)」，看來對超級疏水性效應有更大的貢獻。為了最好地模擬這個方案，如本發明中，創造出了一種基材的波狀表面設計，其可以在自然所見的圓滑微結構上複製和改進。初始設計關注於具有正弦波形橫截面的波狀表面，具有直徑300微米和間距100微米的特徵。請參考圖3和4，在所繪示實施例中， 基材10具有一波狀表面，其中表面的曲折具有正弦波形橫截面，其形成一系列圓形凸峰15和圓形凹陷17。
在一個實施例中，第三組微特徵20的尺寸包括直徑3微米、間距6微米、高5微米的柱狀物。在一個實施例中，第二組微特徵14包括至少直徑45微米、高45微米以及10微米間距微結構柱狀物，其側表面有凹槽。當在重疊在一起時，第二和第三組微特徵14、20沿垂直於波狀表面特徵曲線的軸形成。這些特徵還在圓形特徵的多個維度上保持。
為重現玫瑰花瓣中天然具有的超級疏水效應，第二組微結構14被加入了在側表面向下走行的「凹的(fluted)」和「肋的(ribbed)」特徵。這些定義了該第四組微特徵24的凹的和肋的特徵，模擬了玫瑰花瓣更小的髮絲狀微結構，以進一步提高疏水性。
因此，該第一組、第二組、第三組和第四組微特徵12、14、20和24中的每個微結構具有各自的間距，高度/深度比和直徑，並且佈置其中該微特徵，以便當應用于液體覆蓋表面時，液體在處于策爾全潤濕狀態(Wenzel fully wetted state)的至少該第一組和第二組微特徵之間滲透，以促進基材10和相鄰表面之間的附著。
較佳地，第一組微特徵12的波狀表面包括圓形凸峰，當壓在液體覆蓋表面時，能助於基材10上壓力分佈。較佳地，第二組和第三組微特徵14、20均勻地分佈在第一組微特徵12的圓形凸峰上，從而增大第一組微特徵12的表面積。當基材10應用於液體覆蓋表面時，該圓形凸峰定義了一壓力增大的區域，在至少一第一組和第二組微特徵之間，促進液滴從懸浮凱西巴克斯特狀態(Cassie-Baxter state)向策爾全潤濕狀態(Wenzel fully wetted state)過渡。在一個優選實施例中，第一、第二和第三組微特徵12、14、20的微特徵允許液體滲透達到策爾全潤濕狀態，此時第四組微特徵24被構造和佈置，以保持超疏水特性。
第二和第三組微特徵14、20的功能是在間隙寬到足夠高黏稠度液體在低壓下流過的同時形成一個大的表面積。在本申請案中的低壓，是按照液滴足以形成策爾全潤濕狀態以促進基材10附著到相鄰液體覆蓋表面的相關重量來定義。因此，本發明的微結構化表面經過設計，促進大小大於10微升的水滴懸浮凱西巴克斯特狀態向策爾全潤濕狀態過渡。
第一組微特徵12的波狀表面的一個功能，是進一步增加表面積，同時在特徵的凸峰部位產生壓力更大的區域。此等表面積更大的區域首先被潤濕，引起從懸浮凱西巴克斯特狀態懸浮液滴態到策爾全潤濕狀態的迅速轉變。第一組微特徵12的波狀表面的第二個功能，是保持足夠低的凸峰值壓力，並將壓力分散，使很少或沒有表面上的液體滲透到下層材料。例如，這對於避免醫療應用中皮下生物組織的創傷和發炎非常重要。
第二組和第三組微特徵14、20均勻地分佈在第一組微特徵12的波狀表面上，並與波狀表面的曲線垂直。即它們在表面上微結構的每個點垂直於在表面的切線。這保證了在可成型結構中最大的表面積。
如植物表面的研究所示，描繪了荷葉的超級疏水效應這樣的獨特效果，其中水滴從表面滑落而起到自潔作用。然而，紅玫瑰花瓣的上層表面的層次結構表現出不同的作用。玫瑰表面是超強疏水，但是水滴可以很高的附著力粘在表面。
一系列的摩擦阻力試驗被實施在基材10的各種微特徵，作為 與平面基材相比較。隨著圖形編號增加，波狀表面深度同樣增加，造成濕組織上觀察到更多的附著。
進行摩擦阻力試驗，施用了溶於丙酮的PLA 704(由MAST作為廢料提供)。機械局部化特性也進行了評估。購買「牛排」肉餅，將其切成3公分立方體並貼於局部平台上。肉餅採用22℃生理鹽水液充分濕潤。試驗製品被切成1×1公分的正方形，並放置與長絲相連的圓盤上，透過長絲對試驗品施加作用力。透過在3公分的方肉上放置布條，並與肉塊表面橫向平拉，對剪切進行測量。因此，由這些測量值得到每單位面積(1平方公分，cm2)上的作用力。在這些試驗中使用的是含水分的肉品，而非在水中浸泡的肉品，以更好地再現本發明預期應用的手術條件。在所有測量中，明確的異常值被丟棄，並使用另外的試件重複進行。使用Instron Mini 55來記錄作用力，十字頭速度為0.1公分/秒。負荷傳感器的極限為200克，精度為+/- 0.1克。所有的測量精確到克。所有測量均使用0.5克的圓盤完成。所有的測量用新鮮鑄件完成，以避免紋理的填充。
第一項試驗，是將紅玫瑰花花瓣的複製表面放置在聚乳酸生物可吸收聚合物(PLA)上來進行。
Figure 105122512-A0305-02-0022-1
複製有機玫瑰花瓣的摩擦力可應用於醫療、工業和娛樂裝置，然而，玫瑰花瓣小尺寸和不規則的性質性阻礙了製造設備擴展應用。 如上述，研究人員報導了使用不適合成型設備的技術得到的人造玫瑰花瓣表面的摩擦力。
我們使用在此所描述的技術製造了表3所示的表面。
Figure 105122512-A0305-02-0023-2
如前述，L1或層級1與第三組微特徵20關聯，L2或層級2與第二組微特徵14關聯，L3或層級3與第一組微特徵12關聯，「凹槽」與第四組微特徵24關聯。
這些圖形的摩擦力如表4中所示。所有圖形均使滑動摩擦力增加。當微特徵的高度相當時，劃一的柱狀物的額外的凹槽能增加滑動力。使個別的層也會與層級結構結合。
Figure 105122512-A0305-02-0023-3
Figure 105122512-A0305-02-0024-4
圖形074A的滑動摩擦性能大於等於天然紅色玫瑰花瓣的表面。更多的圖形顯示於表5。
Figure 105122512-A0305-02-0024-5
圖形095A的摩擦測試如表6。滑動力遠大於天然玫瑰花瓣表面。
Figure 105122512-A0305-02-0024-6
圖形095A的表面積之計算請見表7。
Figure 105122512-A0305-02-0024-7
結合第二及第三組微觀特徵(表7所提的2級與1級)實質地增加了暴露在凹槽的表面積，並從基材10覆蓋在反面上，如表7所示。
圖形設計：
85A-結合L1和L2
L1：3微米圓柱，6微米柱間，5微米柱深。
L2：25微米圓柱，35微米柱間，含3微米槽寬，6微米槽距，5微米槽深
086A-堆積、帶槽紋、波浪：
L1：25微米圓孔，35微米間距，45微米深含凹槽3微米寬、6微米間距、5微米深
L2：3微米圓孔，6微米間距，5微米深度
L3：平面基材
087A-L3：450微米起伏，450微米間距，300微米深
088A-L3：600微米起伏，600微米間距，400微米深
089A-L3：750微米起伏，750微米間距，500微米深
090A-結合圖形085A和087A(L3起伏300微米深-實際是90微米深)；實際意指模具上的實際起伏深度
091A-結合圖形085A和088A的(L3起伏400微米深-實際是160微米深)
092A-結合圖形085A和089A的(L3起伏500微米深-實際是205微米深)
093A-堆積、帶槽紋、波浪：
L2：25微米圓孔，35微米間距，45微米深含凹槽3微米寬、6微米間距、5微米深
L1：3微米圓孔，6微米間距，5微米深度
L3背景起伏：450微米起伏洞，450微米間距，300微米深(實際測量深度為~200微米)
094A-堆積、帶槽紋、波浪：
L2：25微米圓孔，35微米間距，45微米深含凹槽3微米寬、6微米間距、5微米深
L1：3微米圓孔，6微米間距，5微米深度
L3背景起伏：600微米起伏洞，600微米間距，400微米深(實際測量深度為~205微米)
095A-堆積、帶槽紋、波浪：
L2：25微米圓凹陷，35微米間距，45微米深含凹槽3微米寬、6微米間距、5微米深
L1：3微米圓凹陷，6微米間距，5微米深
L3背景起伏：750微米波狀凹陷，750微米間距，500微米深(實際測量深度為~240微米)
間距是定義為微結構的中心到中心的距離。額外的L2圖形的作業為加深凹槽，讓他們相交，因此需要多用幾道凹槽。這有助於平衡增加的表面積。然而，計算顯示還一些其他的選擇。多增加幾個尺寸相同的凹槽，增加30到45微米高的柱狀物，改成接近三角形填充物的填料，對增加表面積非常有效。
上述波狀表面圖形的95A起初能產生185克/平方公分的摩擦力，在本領域中有實質的改進。根據之前的測試，凹槽/肋狀結構能增加滑動克力(配置在第二組微特徵14側表面的第四組微特徵24)。此外，增加L3的波狀起伏深度(第一組微特徵12)能增加克力，使表面能附著在濕組織上。之後的測試及改進證明圖形95A可以準確達到325克/平方公分。
天然玫瑰花瓣啟發了圖形095A。然而，有個關鍵的不同讓圖形095A變得更超疏水，有更佳的附著力。玫瑰花瓣有雙層結構，讓濕潤機理可以結合。這兩層也增加了玫瑰花瓣的表面積。圖形095A有三層結構，在第二組微特徵14的側表面加入凹槽或肋狀體，提升表面積，增加接觸面積及液體機質和界面的黏合力。第一、第二和第三組微特徵12、14、20的幾何形狀，也增加了表面的粗糙度，使它比玫瑰花瓣粗糙。第一組微特徵12的圓形潤波狀表面特徵類似於天然玫瑰花瓣表面上看到的圓形乳頭。然而，玫瑰花瓣上的柱狀物似乎隨機排列，而圖形095A的起伏是在特定可預測的位置。圖形095A的一個明顯的優點在於，它可以被模製到任何聚合物表面上。
較佳地，形成該第一組微特徵12的該波浪表面包括一形狀選自由圓形傾斜突起及圓形傾斜凹陷所組成的群組，在該基材的至少一部分上產生一個連續彎曲表面。
在一較佳實施例中，基材10的波狀表面具有正弦波形的橫截面。在另一個實施例中，每個圓形傾斜突起和每個波狀表面的圓形傾斜凹陷之間的間距約需在約750微米到約450微米範圍內，加強該基材和液 體覆蓋面的附著。此外，在另一個實施例中，波狀表面的圓形傾斜面和圓形傾斜凹陷的底部直徑都在約450微米到約750微米的範圍內，以加強該基材對液體覆蓋面的附著。此外，該波狀表面的圓形傾斜突起和圓形傾斜凹陷的高度/深度範圍約為100微米到500微米，以加強該基材對液體覆蓋面的附著。
較佳地，每個該第二組之間微特徵14之間的間距在約10微米至約50微米的範圍內，以加強該基材對液體覆蓋面的附著。每個該第二組之間微特徵14的直徑在約10微米至約50微米的範圍內，以加強該基材對液體覆蓋面的附著。每個該第二組之間微特徵14的高/深度在約10微米至約50微米的範圍內，以加強該基材對液體覆蓋面的附著。
較佳地，每個該第三組微特徵20及每個第四組微特徵24之間的間距在約1微米至約10微米的範圍，以加強該基材對液體覆蓋面的附著。每個該第三組微特徵和每個該第四組微特徵的直徑在約1微米至約10微米的範圍內，以加強該基材對液體覆蓋面的附著。每個該第三組微特徵和每個該第四組微特徵的高度/深度都在約0.4微米至約10微米的範圍內，以加強該基材對液體覆蓋面的附著。
製造流程：
以特定的壓縮成型法，建立圖形095A比目前建立表面花瓣效果的方法更有優勢。除此模版之外，唯一所需的材料只有模製聚合物。這個流程只需要一個簡單步驟就能完成，省時省錢，還能縮小誤差範圍。有了最大的圓形特徵，圖形095A的表面也會更近似接近玫瑰花瓣。其他仿品都有尖銳的邊緣和幾何形狀。更重要的是，微表面可以用模版印 在任何聚合物上。這個特點非常重要，可供各種行業生產各式各樣的產品。圖形095A目前是唯一的「玫瑰花瓣效應(rose petal effect)」微表面，可以輕易的以壓模印在任何聚合物上，不需額外的步驟、材料或塗料。
第二及第三組微特徵14、20可由本領域中具有通常知識者所知的標準平板蝕刻(lithographic etching)法製造。例如，這些結構可以藉由構成(fabricating)光罩(masks)，再將該圖形刻蝕在矽晶片。微特徵圖形之後可以用本領域中具有通常知識者所知的工藝轉到聚合物膜上(詳見美國專利No.8,720,047；8,814,954；US Pub.No.2011/0311764；US Pub.No.2012/0043693；US Pub.No.2012/0052241；及US Pub.No.2012/0126458，文獻藉由引用併入本文)。
前述聚合物膜的第二及第三組微特徵14、20的圖形，可以本領域中具有通常知識者所知的成形法結合第一組微特徵12，細節如下。(詳見US Pub.No.2011/0266724，文獻藉由引用併入本文)。
構成方法包括，使用立體光刻(stereolithography)法或使用積層製造(additive manufacturing)法，構成包含有預選的柱狀物及/或凹陷圖形的微特徵的一第一微結構化原型。
接著，由該第一微結構化原形鑄造出一橡膠片，藉此，製作一微結構化橡膠片，包含具有預選圖形的橡膠微特徵；此鑄造的橡膠會形成10微米到3000微米薄的橡膠片。
一第二微結構化原型被構成，包含具有形成凸峰及凹谷的一系列波狀表面的一預選的圖形的微特徵，藉由使用積層製造(additive manufacturing)法(快速原型/3D列印)。
由該第二微結構化原型鑄造出一橡膠片，藉此，製造一微結構化橡膠，包含該第二微結構化原型的反相影像在該鑄造後橡膠上。
由以第二微結構原形鑄造的鑄造後橡膠鑄造出一橡膠片，因此產生一該第二微結構原形的正相及反相的橡膠。
一氧電漿處理(oxygen plasma treatment)被施用至該第二微結構原形的正相或反相的橡膠的一表面，以建立高化學活性的表面。
氟代矽烷會和高化學活性的表面產生鍵結，減緩表面化性，大大增加光滑度。
然後，該項膠片被壓縮模制，藉由該第一微結構化原型，在第二微結構化原型的正相及反相的橡膠間，使橡膠片彈性拉伸超過該第二微結構化原型的正相和反相的橡膠的波狀表面，且化學地鍵結該橡膠片至該無矽烷處理的表面。這形成具有第一微結構化原型的微特徵的一橡膠模，正向蓋過該第二微結構化原型的該波狀表面特徵的表面。
這橡膠模可以使用來模造其他熱塑塑料或其他熱塑聚合物，在一單一的壓縮模制步驟中；或可作為電鑄鎳或銅金屬表面的芯軸；或者可以和聚合物或臘黏合劑來成形粉末金屬。
電鑄鎳或銅片可作為製造聚合物的工具，或作為放電加工的電極，將金屬和其他耐用的金屬及陶瓷加工形狀。
該混和聚合物或蠟粘合劑的粉末金屬，可以被燒結以形成鋼或不鏽鋼金屬零件，其具有第一微結構化原型的微特徵正向蓋過該第二微結構化原型的波狀表面特徵的表面。
儘管本創作已詳述了具體的實施例及方法，但本領域中具有通常知識者，藉由獲知並理解前述內容，應當知曉並能妥善地製作出該些實施例的替代、變化及其均等。因此，本揭露內容只是舉例而非限制，且本揭露並非排除對目前創作的修改、變化及/或增進，當本領域中具有通常知識者使用了本揭露的教示而能輕易思及者。
14:第二組微特徵
16:凹槽
18:肋狀物
20:第三組微特徵
24:第四組微特徵

Claims (4)

  1. 一種微結構化表面，包括：一基材，具有形成一第一組微特徵的一波狀表面，該波狀表面具有正弦波形的橫截面，該波狀表面包括一形狀選自由圓形傾斜突起及圓形傾斜凹陷所組成的群組，形成圓形凸峰及圓形凹谷，在該基材的至少一部分上產生一個連續彎曲表面，該波狀表面的每個該圓形傾斜突起和每個該圓形傾斜凹陷之間的間距，是在約450微米到約750微米範圍，該波狀表面的每個該圓形傾斜突起和每個該圓形傾斜凹陷的底部直徑，在約450微米到約750微米範圍內，該波狀表面的圓形傾斜突起和圓形傾斜凹陷的高/深度範圍為約100微米到約500微米，該波狀表面具有；一第二組微特徵，設置於該第一組微特徵上，且選自由微結構化突起及微結構化凹陷及其組合所組成的群組，其中該第二組微特徵小於該第一組微特徵，每個該第二組微特徵之間的間距在約10微米至約50微米的範圍內，每個該第二組微特徵的直徑在約10微米至約50微米的範圍內，每個該第二組微特徵的高/深度在約10微米至約50微米的範圍內；一第三組微特徵，設置於該第一組微特徵和該第二組微特徵中的至少一微特徵上，該第三組微特徵是選自由微結構化突起和微結構化凹陷及其的組合所組成的群組，其中該第三組微特徵小於該第二組微特徵，每個該第三組微特徵之間的間距在約1微米至約10微米的範圍，每個該第三組微特徵的直徑在約1微米至約10微米的範圍內，每個該第三組微特徵的高/深度在約0.4微米至約10微米的範圍內； 一第四組微特徵，設置於該第二組微特徵的每個微結構的一側表面上，其中該第四組微特徵選自由凹槽和肋狀物所組成的群組，每個該第四組微特徵之間的間距在約1微米至約10微米的範圍，每個該第四組微特徵的直徑在約1微米至約10微米的範圍內，每個該第四組微特徵的高/深度在約0.4微米至約10微米的範圍內；及該第二組及該第三組微特徵各別包含一部分微特徵沿著與該波狀表面曲線垂直的一軸延伸；其中各該些組微特徵協同以增加該基材的表面積，並影響該基材的附著力、摩擦力、親水性和疏水性中至少一個性質，當應用於一液體覆蓋表面時，該些微特徵被配置，以便使液體以策爾全潤濕狀態滲透在第一、第二和第三組微特徵之間，同時第四組微特徵被構造和佈置以保持超疏水特性，以便當應用於濕器官和肌肉組織時，使該基材在該液體覆蓋表面上的該附著力產生約325gr/cm2的一滑動摩擦力。
  2. 如請求項1所述的微結構化表面，其中該第一組微特徵的該波狀表面具有圓形凸峰，助於該基材的壓力分佈。
  3. 如請求項2所述的微結構化表面，其中該第二組和該第三組微特徵均勻地分佈在該圓形凸峰上，以增加該第一組微特徵的表面積。
  4. 如請求項3所述的微結構化表面，其中該基材應用於一液體覆蓋表面時，該圓形凸峰具有壓力增加區，以在在該第一、第二和第三組微特徵之間， 促進液滴從懸浮凱西巴克斯特狀態(Cassie-Baxter state)向策爾全潤濕狀態(Wenzel fully wetted state)過渡。
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