CN101437749B - 超疏水表面及制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种装置包括：具有内衬(104)的管道体(102)，该内衬(104)形成具有纵轴(108)的通道(106)的边界；该内衬包括内衬基底(110)；该内衬包括与该内衬基底成一体的凸起微尺度特征(112)。一种装置包括：至少部分地封闭空腔(300)的空腔体(302)；该空腔具有内衬(304)，该内衬(304)形成具有纵轴(308)的通道(306)的边界；该内衬包括内衬基底(310)；该内衬包括与该内衬基底成一体的凸起微尺度特征(312)。一种方法包括：对在基底上具有凸起微尺度特征的超疏水图案的设备提供(604)三维图形设计，该基底和该凸起微尺度特征是一体的；将作为正像或负像的该三维图形设计输入(608)到三维快速原型制造装置；以及沉积(612)制造材料，并且一体式制造该基底和该凸起微尺度特征。

Description

超疏水表面及制造方法
相关申请
本申请对2006年5月3日提交的、名称为“SUPERHYDROPHOBICSURFACES AND FABRICATION PROCESS”、顺序号为11/416,893的美国专利申请要求优先权，该申请的全文作为参考被结合在本申请中。
发明背景
1.发明领域
本发明一般而言涉及具有超疏水表面的结构及其制造方法。
2.相关技术
疏水结构因其排斥诸如水之类的高表面张力液体的能力而公知。已经制造了一些包括多个凸起特征(raised feature)的疏水结构，所述多个凸起特征由间隙间隔开并且在衬底上相对于彼此被保持在适当的位置。这些凸起特征可以采取各种形状的形式，其中包括柱、刃、长钉和脊。当具有足够高表面张力的液体与这样的疏水结构接触时，该液体可以以足够高的局部接触角与该疏水结构形成界面，使得该液体不会立即渗入到间隙中。这样的结构于是被描述为“超疏水”。
用于超疏水结构的常见制造方法包括纳米光刻法、纳米压纹法、以及由溶液对超疏水涂层的沉积。多种纳米光刻方法可能包括：将柱、刃、长钉、脊或其他凸起特征蚀刻到陶瓷体(例如硅晶片)的表面中，之后是将疏水涂层施加到这些凸起特征上。这些方法通常限于在基本平坦的衬底上形成凸起特征，并且将疏水涂层粘合到凸起特征上以及通过这种涂层对陶瓷的均匀湿润是不可靠的。纳米压纹法可能包括：将超疏水结构压成可变形表面(例如蜡片)以形成用于凸起特征的模子，从该可变形表面除去该结构，将可固化组分模制到该模子中以及模制到该可变形表面上，并且从该可变形表面剥掉该已固化的组分。这种模制方法通常产生一些可接受的超疏水结构以及显著比例的具有不可接受质量的有缺陷结构。由溶液将超疏水涂层沉积到支撑物上通常导致如更早所讨论的关于湿润均匀性和粘合的相同问题。而且，在所有这些常规技术中，所得到的超疏水结构通常都包括在基本平坦的衬底上间隔开的凸起特征的阵列。因此，除了由用于制造超疏水结构的这种技术所产生的质量和产量问题之外，这些方法还限制了用于这种结构的潜在设计。另外，由溶液对超疏水涂层的沉积可能需要制备复杂涂层组分，其包括纳米颗粒、粘结剂和分散剂。这种涂层组分可以适合用于沉积到非平坦的表面上，但是通过这种技术所制备的超疏水表面通常还受到先前所讨论的粘合和产量问题的影响。另外，为了控制或改变表面的流动或超疏水属性而对这样制备的超疏水纳米结构的表面的几何结构的调整可能是不可行的。
因此，一直需要使超疏水表面特性的利用变得可行的新型超疏水结构，以及一直需要促进这种新型超疏水结构的制造的新方法。
概要
在一个实施实例中，提供一种装置，所述装置包括：具有内衬(lining)的管道体，所述内衬形成具有纵轴的通道的边界；所述内衬包括内衬基底(base)；所述内衬包括与所述内衬基底成一体的凸起微尺度特征。
作为另一实施实例，提供一种装置，所述装置包括：至少部分地封闭空腔的空腔体；所述空腔具有内衬，所述内衬形成具有纵轴的通道的边界；所述内衬包括内衬基底；所述内衬包括与所述内衬基底成一体的凸起微尺度特征。
在另一实例中，提供一种方法，所述方法包括：对在基底上具有凸起微尺度特征的超疏水图案的设备提供三维图形设计，所述基底和所述凸起微尺度特征是一体的；将所述三维图形设计输入到三维快速原型(prototype)制造装置；以及沉积(lay down)制造材料并且一体式制造所述基底和所述凸起微尺度特征。
作为另一实施方式，提供一种方法，所述方法包括：对在基底上具有凸起微尺度特征的超疏水图案的设备提供三维图形设计，所述基底和所述凸起微尺度特征是一体的；将作为负像的所述三维图形设计输入到三维快速原型制造装置；以及沉积支撑材料并且一体式制造所述基底和所述凸起微尺度特征。
对于本领域技术人员而言，一旦考察了下面的附图和详细描述，本发明的其他系统、方法、特征和优点将是或将变得显而易见。所有这样的附加系统、方法、特征和优点打算被包括在本描述中、在本发明的范围中，并且由所附权利要求书来保护。
附图简述
参考下面的附图可以更好地理解本发明。附图中的部件不必是按比例绘制的，代之以强调说明本发明的原理。而且，在附图中相同参考数字表示在所有不同视图中相应的部分。
图1是示出一个装置的示例实施方式的透视图，该装置包括：具有内衬的管道体，该内衬形成具有纵轴的通道的边界；该内衬包括内衬基底；该内衬包括与该内衬基底成一体的凸起微尺度特征。
图2是沿图1中所示的管道的线2-2所取得的顶视图。
图3是示出一个装置的示例实施方式的透视图，该装置包括：至少部分地封闭空腔的空腔体；该空腔具有内衬，该内衬形成具有纵轴的通道的边界；该内衬包括内衬基底；该内衬包括与该内衬基底成一体的凸起微尺度特征。
图4是沿图3中所示的空腔的线4-4所取得的顶视图。
图5是沿图3中所示的空腔的线5-5所取得的横截面图。
图6是示出用于制造设备的方法的实施实例的流程图，该设备在基底上具有凸起微尺度特征的超疏水图案，该基底和该凸起微尺度特征是一体的。
图7是示出一个管道的示例实施方式的透视图，该管道包括：具有内衬的管道体，该内衬形成具有纵轴的通道的边界；该内衬包括内衬基底；该内衬包括在根据图6的方法的制造期间与该内衬基底成一体的凸起微尺度特征。
详细描述
图1是示出管道100的示例实施方式的透视图，该管道100包括：具有内衬104的管道体102，该内衬104形成具有纵轴108的通道106的边界；该内衬包括内衬基底110；该内衬包括与该内衬基底成一体的凸起微尺度特征112。
在整个说明书中，术语“管道”是指能够将流体从一点运送到另一点的结构的内部区域。在整个说明书中，术语“内衬”是指在管道或空腔的内表面上的覆盖物。
在其内衬基底110处测量的凸起微尺度特征112的平均直径小于大约1000微米(在整个说明书中被称为“微尺度”)。作为例子，在其内衬基底110处测量的凸起微尺度特征112的平均直径可小于大约400微米。在一种实施方式中，在其内衬基底110处测量的凸起微尺度特征112的平均直径可大于大约50微米。具有相对较小平均直径的凸起微尺度特征112可以对在该凸起微尺度特征上流体的流动产生相对较低的阻力。
在一种实施方式中，在其内衬基底110上并从其内衬基底110伸出的凸起微尺度特征112的平均长度可小于大约10毫米(“mm”)。在另一实例中，在其内衬基底110上并从其内衬基底110伸出的凸起微尺度特征112的平均长度可小于大约2mm。作为另一实施方式，在其内衬基底110上并从其内衬基底110伸出的凸起微尺度特征112的平均长度可大于大约10mm。在另一实例中，在其内衬基底110上并从其内衬基底110伸出的凸起微尺度特征112的平均长度可大于大约16微米。作为另一实施方式，在其内衬基底110上并从其内衬基底110伸出的凸起微尺度特征112的平均长度可以在大约1000微米与大约2000微米之间的范围内。
内衬104包括由虚线示意性指示的内衬基底110和从该内衬基底沿着通常朝向纵轴108的方向延伸的凸起微尺度特征112。在整个说明书中，术语“内衬基底”是指在凸起微尺度特征的区域下面的管道或空腔的内表面的区域，该凸起微尺度特征与在管道或空腔内的内部通道相邻。内衬基底包括构成管道或空腔的内衬的一部分的材料层。包括凸起微尺度特征112和内衬基底110的内衬104是一体的。在整个说明书中，术语“一体的”是指如此描述的设备元件(例如凸起微尺度特征112和内衬基底110)是相同材料的一个整体。形成通道106的边界的内衬104的边界由示例虚线114、116、118和120来示意性限定。管道100的末端122、124促进流体(未示出)通常沿着在纵轴108的末端处的箭头方向通过管道100。管道100包括管道体102。作为例子，管道体102和内衬104可以是一体的。在另一实施方式中，纵轴108可包括弯曲区域(未示出)，以及内衬104通常可遵循该弯曲。作为例子，该弯曲可以是逐渐的或者可以包括急弯。纵轴108还可包括直线区域，或者整个纵轴可以是弯曲的。通道106具有直径126，该直径126由带箭头的虚线来表示并且被限定在横切纵轴108的方向上。在一种实施方式中，管道体102可以具有通常为圆筒形的外部形状，从而管道100具有管子的总体形状。作为另一例子(未示出)，管道体102可以包括附加材料，从而管道100具有另一所选外部形状。在另一实施方式(未示出)中，管道100可以被集成到具有更多部件的设备中。
图2是沿图1中所示的管道100的线2-2所取得的顶视图。图1示出通道106的直径126沿着管道100的纵轴108可以是均匀的。作为另一例子(未示出)，通道106的直径126沿着纵轴108在不同位置处可以包括两个不同的值。在一种实施方式(未示出)中，在沿着纵轴的一个或两个方向上，直径126的值可以定义梯度或另一变化图案，从而形成漏斗或吸液管尖端以作为例子。
在一种实施方式中，内衬基底110可以由凸起微尺度特征112的超疏水图案基本上覆盖。所谓“基本上覆盖”是指凸起微尺度特征112在内衬基底110上以足够的密度被间隔开，使得内衬104显示出超疏水特性。在整个说明书中所用的术语“超疏水”是指，凸起微尺度特征的主体超疏水图案不被表面张力大于大约每厘米70达因(“d/cm”)的液体所直接湿润，并且不可以被表面张力大于大约28d/cm的液体所直接湿润。作为例子，表面张力大约为28d/cm的酒精不能直接湿润在本说明书中所公开的凸起微尺度特征的超疏水图案。
作为例子，凸起微尺度特征112可以以图案被布置在内衬基底110上，以使在最接近的相邻凸起微尺度特征112之间的平均间隔(“间距”)在大约1微米与大约1mm之间的范围内。在另一实施方式中，凸起微尺度特征112可以以图案被布置在内衬基底110上，以使在最接近的相邻凸起微尺度特征112之间的平均间距在大约0.2mm与大约0.6mm之间的范围内。在另一实施方式中，凸起微尺度特征112可以在内衬基底110上被随意间隔开、均匀地间隔开、或者以定义的图案或梯度间隔开。
凸起微尺度特征112可以具有任何所选的一个或多个横截面形状，这种横截面被定义为在通常横切内衬基底110的一部分的方向上穿过凸起微尺度特征的截面，该凸起微尺度特征从内衬基底110的该部分朝向纵轴108延伸。作为例子，这种横截面形状可以包括以单独或组合的方式的柱、刃、长钉、锥体、方矩形(square rectangle)、钉子和脊。作为例子，在顺序号为10/806,543的美国专利申请的图1A-E和3A-C中示出合适的横截面形状，该美国专利申请的名称为“DynamicallyControllableBiological/Chemical Detectors HavingNanostructuredSurfaces”，在2006年5月23日作为美国专利No.7，048,889被颁发，该专利申请的全文由此被结合在此以作参考。在2006年3月23日提交的、名称为“Super-Phobic Surface Structures”、顺序号为11/387,518的美国专利申请中公开了更多合适的横截面形状，该专利申请的全文由此被结合在此以作参考。
除了形成超疏水图案之外，凸起微尺度特征112还可共同起到绝热体的作用。在一种实施方式中，凸起微尺度特征112可以具有沿凸起微尺度特征的长度在大小上变化的横截面形状。作为例子，这种可变的横截面形状可以限定相邻凸起微尺度特征之间的空隙空间。这种空隙空间可以增大凸起微尺度特征112的超疏水图案起到绝热体的作用的效果。
在一种实施方式中，凸起微尺度特征112可以具有方锥形状，其具有在内衬基底110处测量的大约200微米x200微米的平均正方形尺寸，该凸起微尺度特征112以大约2000微米的平均长度、以大约200微米的间距在内衬基底110上以及从内衬基底110伸出。在另一实施方式中，凸起微尺度特征112可以具有方矩形形状，其具有在内衬基底110处测量的大约200微米x200微米的平均尺寸，该凸起微尺度特征112以大约1500微米的平均长度、以大约600微米的间距在内衬基底110上以及从内衬基底110伸出。作为另一例子，凸起微尺度特征112可以具有方矩形形状，其具有在内衬基底110处测量的大约200微米x200微米的平均尺寸，该凸起微尺度特征112以大约1000微米的平均长度、以大约600微米的间距在内衬基底110上以及从内衬基底110伸出。在另一实施方式中，凸起微尺度特征112可以具有方矩形形状，其具有在内衬基底110处测量的大约200微米x200微米的平均尺寸，该凸起微尺度特征112以大约1500微米的平均长度、以大约500微米的间距在内衬基底110上以及从内衬基底110伸出。作为另一例子，凸起微尺度特征112可以具有方矩形形状，其具有在内衬基底110处测量的大约200微米x200微米的平均尺寸，该凸起微尺度特征112以大约1000微米的平均长度、以大约500微米的间距在内衬基底110上以及从内衬基底110伸出。在另一实施方式中，凸起微尺度特征112可以具有方矩形形状，其具有在内衬基底110处测量的大约200微米x200微米的平均尺寸，该凸起微尺度特征112以大约1000微米的平均长度、以大约400微米的间距在内衬基底110上以及从内衬基底110伸出。作为另一例子，凸起微尺度特征112可以具有钉子形状，其具有在内衬基底110处测量的大约100微米x200微米的平均尺寸，该凸起微尺度特征112以大约1000微米的平均长度、以大约400微米的间距在内衬基底110上以及从内衬基底110伸出。用于凸起微尺度特征112的尺寸和间距的这些相同的实例还可被利用在形成如下面结合图3-5所讨论的凸起微尺度特征312中。
用于形成管道100的内衬104的材料可以包括前体试剂(precursorreagent)，该前体试剂产生适合用于形成机械强度高的固体的所选聚合物。在一种实施方式中，可以部分地取决于所得到的聚合物的相对柔性或刚性来选择聚合物材料的前体。作为例子，取决于所选择的管道100的最终用途的应用，管道100可包括刚性或柔性聚合物。在另一实施方式中，可以选择用于生物相容性聚合物的前体。作为例子，聚乙烯是生物相容性的。在采用以固态形式施加的材料的快速原型沉积方法(在下面讨论)的情况下，可以选择具有窄的颗粒大小分布的聚合物颗粒来作为例子。在另一例子中，可以选择具有相对较小的平均颗粒大小的聚合物颗粒，以使可以制造具有相对较小尺寸的凸起微尺度特征。在喷墨方法或其他流体喷射方法被选择用于沉积形成内衬104的材料的情况下，如在下面进一步所讨论的，可以以流体形式(例如液体)来提供试剂。
用于形成管道100的内衬104的材料可以包括单体、低聚物、预聚物和聚合物、以及固化剂和其他聚合添加剂。将被使用或形成的合适聚合物可以包括：诸如聚乙烯、聚丙烯和共聚物之类的聚烯烃；丙烯酸聚合物；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(“ABS”)聚合物；聚碳酸酯(“PC”)；PC-ABS；甲基丙烯酸甲酯；甲基丙烯酸甲酯-ABS共聚物(“ABSi”)；聚苯砜；聚酰胺；以及诸如氟化乙烯丙烯共聚物和Teflon
Figure G2007800160600D0007084109QIETU
氟化烃聚合物之类的含氟聚合物。作为例子，可以选择具有最小浓度的活性亲水部分(moiety)的聚合物。可以选择添加剂来增大内衬104的整体柔性。在一个例子中，可以将与所选择的聚合物相容但是具有相对较低分子量的分子用作增韧添加剂。作为一种实施方式，对于聚乙烯聚合物而言，可以将低分子量直链烃蜡用作增韧添加剂。在另一例子中，可以将卤化烃(例如预氟化烃蜡)用作这种添加剂。在另一实施方式中，可以使用紫外线固化聚合物，例如丙烯酸、聚氨酯丙烯酸酯、乙烯醚、环氧丙烯酸酯、环氧树脂和氯乙烯聚合物。合适的聚合物组分可以包括快速原型开发聚合物，其可以在市场上从Stratasys Inc.，14950 Martin Dr.，EdenPrairie，Minnesota 55344和从Redeye RPM，8081 Wallace Rd.，EdenPrairie，Minnesota 55344买到。在一种实施方式中，用于形成内衬104的相同材料可以被用于形成管道体102。
图3是示出空腔300的示例实施方式的透视图，该空腔300包括：至少部分地封闭该空腔的空腔体302；该空腔具有内衬304，该内衬304形成具有纵轴308的通道306的边界；该内衬包括内衬基底310；该内衬包括与该内衬基底成一体的凸起微尺度特征312。内衬304包括凸起微尺度特征312。
在其内衬基底310处测量的凸起微尺度特征312的平均直径小于大约1000微米。作为例子，在其内衬基底310处测量的凸起微尺度特征312的平均直径可以小于大约400微米。在一种实施方式中，在其内衬基底310处测量的凸起微尺度特征312的平均直径可以大于大约50微米。
在一种实施方式中，在其内衬基底310上并从其内衬基底310伸出的凸起微尺度特征312的平均长度可以小于大约10mm。在另一例子中，在其内衬基底310上并从其内衬基底310伸出的凸起微尺度特征312的平均长度可以小于大约2mm。作为另一实施方式，在其内衬基底310上并从其内衬基底310伸出的凸起微尺度特征312的平均长度可以大于大约10mm。在另一例子中，在其内衬基底310上并从其内衬基底310伸出的凸起微尺度特征312的平均长度可以大于大约16微米。作为另一实施方式，在其内衬基底310上并从其内衬基底310伸出的凸起微尺度特征312的平均长度可以在大约1000微米与大约2000微米之间的范围内。
内衬304包括由虚线示意性指示的内衬基底310，凸起微尺度特征312从该内衬基底310沿着通常朝向纵轴308的方向延伸。凸起微尺度特征312还从内衬304的底面314沿着通常朝向空腔300的开口端316的方向延伸。包括内衬基底310和凸起微尺度特征312二者的内衬304是一体的。形成通道306的边界的内衬304的边界由示例虚线318、320、322和324来示意性限定。空腔300的开口端316促进流体(未示出)通常沿着在纵轴308上的箭头方向流入和流出空腔300。空腔300包括空腔体302。作为例子，空腔体302和包括内衬基底310和凸起微尺度特征312二者的内衬304可以是一体的。
作为例子(未示出)，这种内衬304可以具有整体半球形状，其具有从空腔开口的平面垂直伸出到半球的周界的轴。在另一实施方式中，纵轴308可以包括弯曲区域(未示出)，以及内衬304通常可以遵循所得到的该弯曲。作为例子，该弯曲可以是逐渐的或者可以包括急弯。纵轴308还可以包括直线区域，或者整个纵轴可以是弯曲的。通道306具有直径326，该直径326由带有箭头的虚线来表示并且被限定在横切纵轴308的方向上。通道306的直径326沿着空腔300的纵轴308可以是均匀的。作为另一例子(未示出)，通道306的直径326可以在沿着纵轴308的不同位置处包括两个不同的值。在一种实施方式(未示出)中，直径326的值可以定义在沿纵轴的一个或两个方向上的梯度或另一变化图案，从而形成烧瓶或碗以作为例子。
在一种实施方式中，内衬基底310可以由凸起微尺度特征312的超疏水图案基本上覆盖。所谓“基本上覆盖”是指凸起微尺度特征312在内衬基底310上以足够的密度被间隔开，使得内衬304显示出超疏水特性。
作为例子，凸起微尺度特征312可以以图案被布置在内衬基底310上，以使在最接近的相邻凸起微尺度特征312之间的平均间距在大约1微米与大约1mm之间的范围内。在另一实施方式中，凸起微尺度特征312可以以图案被布置在内衬基底310上，以使在最接近的相邻凸起微尺度特征312之间的平均间距在大约0.2mm与大约0.6mm之间的范围内。在又一实施方式中，凸起微尺度特征312可以在内衬基底310上被随意间隔开、均匀地间隔开、或者以定义的图案或梯度间隔开。
作为例子，空腔300可以被结合到较大设备(未示出)中，以使空腔体302与附加材料(未示出)相集成。在一种实施方式中，多个空腔300可以具有它们的纵轴308，所述纵轴308以互相平行间隔开的阵列对齐，每个空腔300具有开口端316，所述开口端316在平面328内对齐。作为例子，平面328可以沿圆形壁330横断空腔体302。作为例子，九十六个空腔300可以共同形成标准的96孔微孔板，以供在实施生物和化学试验时使用。在一种实施方式中，凸起微尺度特征312可以促进来自空腔300的试剂在水相试验完成之后的自清洁。
凸起微尺度特征312可以具有以与较早结合图1所讨论的相同方式的任何所选的一个或多个横截面形状，这种横截面被定义为在通常横切内衬基底310的一部分的方向上所取得的穿过示例凸起微尺度特征312的截面，该凸起微尺度特征从内衬基底310的该部分朝向纵轴308延伸。除了形成超疏水图案之外，凸起微尺度特征312还可以共同起到绝热体的作用。在一种实施方式中，凸起微尺度特征312可以具有沿着凸起微尺度特征的长度在大小上变化的横截面形状。作为例子，这种可变的横截面形状可以定义在相邻凸起微尺度特征之间的空隙空间。这种空隙空间可以增大凸起微尺度特征312的超疏水图案起到绝热体的作用的效果。
将如上所讨论的用于形成图1的内衬104的相同材料用于形成内衬304。在一种实施方式中，相同材料还可被用于形成空腔体302。
图4是沿图3中所示的空腔300的线4-4所取得的顶视图。图4示出在内衬基底310上凸起微尺度特征312的各种取向。图5是沿图3中所示的空腔300的底面314的线5-5所取得的横截面图。图5示出在形成内衬304的底面314的部分内衬基底310上凸起微尺度特征312的阵列。将内衬304的底面314上凸起微尺度特征312在图4和图5中示出为凸起轮廓，尽管在线4-4或线5-5上的实际视图中，它们中的许多从顶向下将被看作点。
图6是示出用于制造设备的方法600的实施实例的流程图，该设备在基底上具有凸起微尺度特征的超疏水图案，该基底和该凸起微尺度特征是一体的。该方法开始于步骤602，并且在步骤604，对具有与基底成一体的凸起微尺度特征的超疏水图案的设备提供三维(“3-D”)图形设计电子数据文件。在一种实施方式中，该方法600被用来制造如上结合图1和图2所讨论的管道100。使用还被称为计算机辅助设计(“CAD”)的3-D图形计算机程序，可以产生3-D图形设计。作为例子，可以利用在市场上可从Autodesk，Inc.，111McInnis Parkway，SanRafael，California 94903买到的3ds Max表面建模程序。在另一实施方式中，可以利用在市场上可从Parametric Technology Corporation，140Kendrick St.，Needham，Massachusetts 02494买到的PRO/Engineer固体建模程序。
在步骤606，可以将该3-D图形设计数据文件转换为具有与所选3-D快速原型制造(“RPF”)装置兼容的格式的电子数据文件。在步骤608，将该3-D图形数据文件输入到所选3-D快速原型制造装置。
在一种实施方式中，3-D快速原型制造装置于是可以被用来通过连续沉积管道的制造材料层来将3-D图形数据文件转换成管道100，所述制造材料包括用于一体式制造内衬基底110和凸起微尺度特征312的材料。
下列是由在市场上可买到的RPF装置所实施的、可以被选择以用于通过方法600来制造管道100的沉积方法的实例：热相变喷墨沉积，光聚合物相变喷墨沉积，立体光刻(“SLA”)，复印固化成形(“SGC”)，选择性激光烧结(“SLS”)，熔融沉积建模(“FDM”)，分层实体制造(“LOM”)和3-D印刷(“3DP”)。这些方法中的每一个都可能涉及在支撑表面上对用于管道100的制造材料的薄层的连续沉积。支撑表面可以是固体平台或液体表面，在该液体表面上使得制造材料漂浮。在制造材料需要被沉积在支撑表面上方间隔开的位置处的情况下，则在为了该目的被布置成用于其随后的除去的时候和地方，对支撑材料进行沉积，在所述支撑材料上可以随后沉积间隔开的制造材料。作为例子，支撑材料可以是可通过加热被除去的蜡，或者是可以被选择性溶解的材料。
这些方法中的每一个都沉积以液体或固体的形式的制造材料。涉及沉积以液体形式的制造材料的方法包括热相变喷墨、光聚合物相变喷墨和SLA方法。利用喷墨方法可以导致相对较高质量的管道100的制造，因为从喷墨头喷射的液体制造材料的固化可以以最小的空隙形成而发生。而且，从喷墨头喷射的液体制造材料可以具有非常小的颗粒大小，这种颗粒大小允许制造具有相对较小尺寸的凸起微尺度特征。然而，用于凸起微尺度特征的最小可行尺寸可受到在喷墨系统中液体制造材料的流动动态特性的限制。热相变喷墨装置可以采用与喷墨头兼容并且适合用于经冷却而固化的有限类型的制造材料，这可以产生相对较硬但较脆的管道100。光聚合物相变喷墨装置可以采用与喷墨头兼容并且适合用于经紫外光曝光而固化的较宽种类的制造材料，这可产生或者刚性或者相对柔性的管道100。在一种实施方式中，可以利用在市场上可从3D-Systems，Inc.，26081Avenue Hall，Valencia，California 91355买到的InVision HR 3-D打印机；以及在步骤606可以将初始3-D图形电子数据文件转换为STL文件格式。作为例子，可以把在市场上可从3-D Systems，Inc.买到的
Figure G2007800160600D0012155748QIETU
 HR-200塑料材料用作制造材料。
Figure 2007800160600100002G2007800160600D0012155748QIETU
 HR-200塑料材料包括三甘醇二甲基丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯聚合物、以及甲基丙烯酸羟丙酯。SLA可以采用液体光聚合物，在一桶该液体光聚合物的上方可以跟踪紫外光激光器，液体光聚合物的固化层被放低到该桶中。SGC可以采用类似的技术，但是固化层被支撑在固体制造平台上。
涉及沉积以固体形式的制造材料的方法包括SLS、FDM、LOM和3DP。SLS可以采用在两种制造材料粉末库上前后移动的矫直辊、以及由通过该辊施加到制造平台上的粉末涂层来选择性烧结制造材料层的激光器。3DP方法可以采用制造材料粉末床，在其上通过喷墨头选择性地喷射粘合剂以形成粘合的制造材料的连续层。3DP方法可以产生管道100，由于该粘合剂对粉末的不均匀湿润以及在粘合的制造材料颗粒之间存在空隙，所以该管道100具有相对粗糙的多孔结构。粘合剂的过多应用可以导致制造相对或过分大的凸起微尺度特征。在一个例子中，可以选择具有窄的颗粒大小分布和非常小的颗粒的制造材料粉末。作为另一实施方式，在粘合剂应用之前粉末的封装均匀性可以被精心控制。作为例子，可以选择这样的制造材料粉末，其具有比由喷墨头喷射的粘合剂滴的平均大小小至少大约十倍的平均颗粒大小。与在利用液体制造材料的喷墨打印时可能以别的方式导致的管道100的收缩相比，这种制造材料粉末在管道100被制造时可以导致管道100的更少的收缩。FDM方法可以采用塑料线的熔化和喷墨喷射。LOM方法可以涉及制造材料片的薄层的连续激光切割和粘结。
作为另一例子，3-D快速原型制造装置可以利用管道100的负像来编程，以使支撑材料取代制造管道100的制造材料而被沉积。在一种实施方式中，可以把在市场上可从3-D Systems Inc.买到的
Figure 2007800160600100002G2007800160600D0012155748QIETU
 S-100型材料即羟基蜡组分用作支撑材料。
在步骤610，可以选择管道100的3-D制造取向。作为例子，参考图1，管道100可以被制造在纵轴108的方向上或者在平行于通道106的直径126的横切方向上。在一种实施方式中，可以选择管道100的制造取向，以使凸起微尺度特征112被制造在这样的方向上，即使得在其制造期间最小化或消除对于支撑材料的沉积的需要。作为例子，使用SLA在纵轴108的方向上制造管道100可能仅仅需要对支撑材料的最小沉积。在另一实施方式中，其中凸起微尺度特征112是以连续脊的形式，使用SLA、FDM、LOM、3DP或InVision喷墨打印机在纵轴108的方向上制造管道100可能不需要任何支撑材料的沉积。
图7是示出管道100的示例实施方式的透视图，该管道100包括：具有内衬104的管道体102，该内衬104形成具有纵轴108的通道106的边界；该内衬包括内衬基底110；该内衬包括在根据图6的方法的制造期间与该内衬基底成一体的凸起微尺度特征112。管道100沿箭头704的方向被制造在制造支撑702上。当制造管道100时，支撑材料706被沉积在管道100下面的制造支撑702上。一般而言，如果凸起微尺度特征112连同将它们保持在一起的内衬基底110的形成从其尖端和末端开始被制造，则在沉积制造材料期间可能需要在凸起微尺度特征之间的整个空隙空间来填充支撑材料。
在步骤612，在制造支撑上沉积制造材料，并且一体式制造该基底和该凸起微尺度特征。作为例子，管道100可因此如图7所示那样被制造。在一种实施方式中，制造材料层的每个沉积周期可包括对该层的研磨，以保持制造材料在箭头704的方向上的水平沉积。以这种方式，可以控制所得到的管道100的精确制造尺寸。作为例子，可以由柔性材料来制造凸起微尺度特征112，以使研磨导致制造材料的当前沉积层的清洁磨蚀，而不是凸起微尺度特征的破坏。在一种实施方式中，如果喷墨喷嘴被3-D快速原型制造装置所采用，则可以在每个沉积周期之后测试喷墨喷嘴，以检测并除去任何喷墨喷嘴堵塞。
在如图7中支撑材料被沉积以便在制造期间提供管道100的机械支撑的情况下，可以随后在步骤614除去支撑材料。作为例子，可以选择支撑材料组分，以使可以通过施加热或者通过在合适溶剂中选择性溶解支撑材料来选择性除去支撑材料。作为例子，支撑材料可以是蜡。然后，该方法600在步骤616结束。
参考图7，将会理解的是，沉积步骤612可以在管道100的完全形成之前终止。于是所得到的设备包括在非平坦的内衬基底110上的凸起微尺度特征。
还可以以制造图3中所示的空腔300的类似方式来利用方法600。在一种实施方式中，在步骤610，可以选择3-D制造取向，以使在朝向开口端316的通常方向上，首先在内衬304的底面314上制造凸起微尺度特征312，然后在内衬的剩余部分上制造凸起微尺度特征312。
在宽范围的最终用途的应用中，其中具有包括与内衬基底成一体的凸起微尺度特征的超疏水图案的内衬的管道或空腔可能是有用的，则可以利用管道100和空腔300。作为例子，管道100可以促进超低摩擦流体的流动。包含微通道的设备，例如生物芯片和微反应器，可以通过方法600被制造并且可以结合这种管道。在一种实施方式中，空腔300可以用作生物和化学试剂的临时容器或者作为反应容器，并且在试剂是以水溶液的形式的情况下可以是自清洁的。凸起微尺度特征还可以与平坦或非平坦基底的其他配置一起被一体式制造。
虽然前面的描述在一些情况下是指如图1-7中所示的具有与内衬基底成一体的凸起微特征的超疏水图案的管道和空腔，但是将会认识到，本主题既不限于这些结构，也不限于附图中所示的结构。管道和空腔的其他形状和配置以及其他设备被包括，其具有与限定内部空间的基底成一体的凸起微特征，并且其可以是超疏水的。同样，可以利用所公开的方法来制造与基底成一体的凸起微特征的附加超疏水图案。
而且，将会理解的是，前面对众多实施方式的描述是为了说明和描述的目的而给出的。本描述不是穷举的，并且没有将要求保护的本发明限制于所公开的确切形式。考虑到上面的描述，多种修改和变化都是可能的，或者可以根据实践本发明来获得。权利要求书及其等同物限定了本发明的范围。

Claims (10)

1.一种制造具有凸起微尺度特征的超疏水图案的设备的方法，包括： 
对具有一体的管道体的设备提供(604)三维图形设计，所述管道体包含内衬，所述内衬形成具有纵轴的通道的边界，所述内衬包含内衬基底并且包含在所述内衬基底处测量的平均直径小于1000微米的凸起微尺度特征的超疏水图案，所述内衬基底、所述凸起微尺度特征、所述内衬以及所述一体的管道体包含于相同材料的一个整体中，所述通道的所述纵轴包括弯曲轴向区域； 
将所述三维图形设计输入(608)到三维快速原型制造装置；以及 
沉积(612)制造材料，并且一体式制造所述设备，包括所述内衬、所述内衬基底、所述一体的管道体和所述凸起微尺度特征。 
2.权利要求1所述的方法，其中所述提供步骤包括：提供所述三维图形设计为包括所述凸起微尺度特征的所述超疏水图案。 
3.一种制造具有凸起微尺度特征的超疏水图案的设备的方法，包括： 
对具有一体的管道体的设备提供三维图形设计，所述管道体包含内衬，所述内衬形成具有纵轴的通道的边界，所述内衬包含内衬基底并且包含在所述内衬基底处测量的平均直径小于1000微米的凸起微尺度特征的超疏水图案，所述内衬基底、所述凸起微尺度特征、所述内衬以及所述一体的管道体包含于相同材料的一个整体中，所述通道的所述纵轴包括弯曲轴向区域； 
将作为负像的所述三维图形设计输入到三维快速原型制造装置；以及 
沉积支撑材料和制造材料，并且一体式制造所述设备，包括所述内衬、所述内衬基底、所述一体的管道体和所述凸起微尺度特征。 
4.权利要求3所述的方法，其中所述提供步骤包括：提供所述三维图形设计为包括所述凸起微尺度特征的所述超疏水图案。 
5.一种具有凸起微尺度特征的超疏水图案的装置，包括： 
具有内衬(104)的一体的管道体(102)，所述内衬(104)形成具有纵轴(108)的通道(106)的边界； 
所述内衬包括内衬基底(110)； 
所述内衬包括在所述内衬基底处测量的平均直径小于1000微米的凸起微尺度特征(112)的超疏水图案； 
其中所述凸起微尺度特征、所述内衬基底、所述内衬以及所述一体的管道体包含于相同材料的一个整体中；并且其中所述通道的所述纵轴包括弯曲轴向区域。 
6.权利要求5所述的装置，其特征在于所述装置是根据权利要求1-4中任一项所述的方法而制造的。 
7.权利要求5所述的装置，其中所述内衬基底由所述凸起微尺度特征的所述超疏水图案所覆盖。 
8.一种具有凸起微尺度特征的超疏水图案的装置，包括： 
包含内衬(304)的一体的管道体(102)，所述内衬形成具有纵轴(308)的通道(306)的边界，其中所述管道体是空腔体(302)的一部分，该空腔体至少部分地封闭空腔(300)； 
所述内衬包括内衬基底(310)； 
所述内衬包括在所述内衬基底处测量的平均直径小于1000微米的凸起微尺度特征(312)的超疏水图案； 
其中所述凸起微尺度特征、所述内衬基底、所述内衬以及所述一体的管道体包含于相同材料的一个整体中；并且其中所述通道的所述纵轴包括弯曲轴向区域。 
9.权利要求8所述的装置，其特征在于所述装置是根据权利要求1-4中任一项所述的方法而制造的。 
10.权利要求8所述的装置，其中所述内衬基底由所述凸起微尺度特征的所述超疏水图案所覆盖。 
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