CN102834124A - 防止微生物附着的结构 - Google Patents

Abstract

本发明描述了制造和使用具有凸起结构的基底以抑制微生物粘附的方法。

Description

防止微生物附着的结构

相关申请

本申请要求2010年1月28日提交的美国专利申请No.61/299,214和2010年7月19日提交的美国专利申请No.61/365,615的优先权，其全部内容通过引用方式特此并入。

发明背景

非常容易发生因微生物附着引起的表面污染并且是开发作为多细胞公共超生物体的细菌生物膜的第一步(O'Toole等，Annu.Rev.Microbiol.54,49-79(2000)；De Beer等，Prokaryotes 1,904-937(2006)；O'Toole，J.Bacteriology 185,2687-2689(2003))。表面细菌污染和种群的重要结果是感染手术器械、生物医学材料和假体，例如导管(Christensen等，J.Clin.Microbiol.22,996-1006(1985)；Costerton等，Ann.Rev.Microbiol.41,435-464(1987)；Gristina,Science 237,1588-1595(1987)；Everaert等，Colloids and Surfaces B:Biointerfaces 10,179-190(1998)；Jacques等，Microbial Ecology 13,173-191(1987)；Hall等，Public Health Records 79,1021-1024(1964)；Druskin等，J.Am.Med.Assoc.185,966-968(1963)；Bentley等，J.Am.Med.Assoc.206,1749-1752(1968)；Corso等，J.Am.Med.Assoc.210,2075-2077(1969)；Irwin等，Yale J.Biol.Med.46,85-93(1973)；Michel等，Am.J.Surgery137,745-748(1979)；和Shinozaki等，J.Am.Med.Assoc.249,223-225(1983))。手术器械、导管和植入物相关的细菌污染引起的血流感染是与牵涉导管和植入物的手术相关的常见严重并发症(Christensen等，J.Clin.Microbiol.22,996-1006(1985)；Costerton等，Ann.Rev.Microbiol.41,435-464(1987)；Gristina，Science 237,1588-1595(1987)；Everaert等，Colloids and Surfaces B:Biointerfaces 10,179-190(1998)；Jacques等，Microbial Ecology 13,173-191(1987)；Hall等，Public HealthRecords 79,1021-1024(1964)；Druskin等，J.Am.Med Assoc.185,966-968(1963)；Bentley等，J.Am.Med.Assoc.206,1749-1752(1968)；Corso等，J.Am.Med.Assoc.210,2075-2077(1969)；Irwin等，Yale J.Biol.Med.46,85-93(1973)；Michel等，Am.J.Surgery137,745-748(1979)；和Shinozaki等，J.Am.Med.Assoc.249,223-225(1983))。

细菌可通过各种机制以物理方式附着于各种各样的亲水性至疏水性表面上(O'Toole等，Annu.Rev.Microbiol.54,49-79(2000)；De Beer等，Prokaryotes 1,904-937(2006);O'Toole，J.Bacteriology 185,2687-2689(2003)；Christensen等，J.Clin.Microbiol.22,996-1006(1985)；Costerton等，Ann.Rev.Microbiol.41,435-464(1987)；Gristina，Science 237,1588-1595(1987);Everaert等，Colloids and Surfaces B:Biointerfaces 10,179-190(1998);Jacques等，Microbial Ecology 13,173-191(1987))。典型机制包括在细菌自身附着之前，通过物理或化学吸附进行的蛋白质初始沉积，称为调节层。可含有纤连蛋白、纤维蛋白原、胶原和其它蛋白质的调节膜几乎立即涂覆生物材料表面并且为细菌或组织粘附提供受体位点(Gristina，Science 237,1588-1595(1987))。

这些各种大分子的作用因细菌种类不同而不同。例如，金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)具有胶原和纤连蛋白的特异性结合位点(Gristina，Science 237,1588-1595(1987))。靠近生物材料表面的细菌(或组织细胞，例如骨骼、内皮细胞或成纤维细胞)首先遇到糖蛋白调节层。

手术器械和血管内装置(IVD)(例如导管)具有许多潜在的感染源。其中最重要的特征是，微生物粘附于导管表面与感染的发病机制相关。甚至成功粘附于表面的单个细菌细胞也可发展成稳定且感染性细菌膜并引起疾病。因此防止细菌粘附的有效策略已经用于开发本质上抗菌落形成的表面材料。已经采用各种方法来用无毒防腐或抗菌药物涂覆导管表面或将此类物质并入导管材料本身(Crnich等，ClinicalInfectious Diseases 34,1232-1242(2002))。这些抗菌表面是根据并入例如Ag-颗粒复合结构、防腐剂和抗生素等化合物的原则。

发明概要

描述了凸起结构和使用此结构防止、抑制或减少微生物附着在基底上的方法。当与含有微生物的污染液体接触时，此类凸起结构防止、抑制或减少微生物附着在基底上。接触可因简单暴露于污染液体而为静态的，或动态的，例如由于飞溅或倒出含有微生物的液体而导致的接触。优选地，短暂接触污染液体后抑制或减少了粘附。在某些实施方案中，接触持续几毫秒至几分钟。

一方面，处理表面包括在动态条件下通过防止污染液体润湿表面(例如液体倒、飞溅或洒在表面上)有力地从基底表面排除细菌、病毒和真菌的凸起超疏水结构，其中所述结构的宽度，例如远端宽度小于约5μm(对于细菌和病毒而言)和小于约15μm(对于真菌而言)。

在一个或多个实施方案中，凸起结构的宽度，例如远端宽度小于约2μm。

另一方面，处理表面含有通过提供结构间间距小于污染液体中所含微生物的大约长度和/或横径的凸起结构而从基底下表面以物理方式排除微生物的凸起结构。凸起结构可为超疏水、疏水或亲水的。

在一个或多个实施方案中，处理表面含有有力地且以物理方式从基底排除微生物的凸起结构。

在一些实施方案中，凸起结构为柱。在另外实施方案中，凸起结构为沟。在又另外实施方案中，凸起结构为闭孔结构。在又另外实施方案中，凸起结构为以上的组合。凸起结构可在基座或下表面上均匀或规则地间隔，例如柱阵列、规则间隔的沟和砖块样闭合结构。在其它实施方案中，所述结构随机间隔。

在一些实施方案中，凸起柱结构包括具有确保机械稳定性增强的横截面的机械加固柱。

在一些实施方案中，沟结构的壁不直并且包括机械加固几何形状。

在一些实施方案中，凸起结构包括具有底部宽度大于远端宽度的凸起结构的机械加固结构。在一些实施方案中，这些凸起结构包括具有更大或更宽的基座的柱、沟或闭孔，从而展现出增强的机械强度。

一方面，涂覆基底以提供凸起表面。

另一方面，将凸起结构制成设备(例如医疗设备)上的涂层，以防止、抑制或减少微生物附着于设备上。

在一些实施方案中，凸起结构具有各种性状和尺寸(例如，横截面、高度和宽度)。在另外实施方案中，凸起结构是分离的或相互连接的。因此，由具有不同尺寸、性状和空间排列的凸起结构形成不同表面图案，包括周期图案。

可通过许多不同技术，例如照相平版印刷术、投影光刻、电子束书写或光刻、沉积纳米线阵列、在基底表面生长纳米结构、软光刻、复制模塑法、溶液沉积、溶液聚合、电聚合、电纺丝、电镀、气相沉积、接触印刷、蚀刻、转移图案化、微压印、自组装等产生本发明的凸起结构。

附图简述

当关于以下附图考虑时可参考本发明的以下详细描述全面了解本发明的各个目的、特征和优点，附图中相同参考数字指相同元件。以下附图仅为了说明并不旨在成为本发明的限制，后面的权利要求中阐明了本发明的范围。

图1A为超疏水柱阵列的透视图。

图1B为呈“Cassie”或“Cassie-Baxter”状态的一小滴水溶液接触柱顶部的超疏水柱阵列的顶部照片，并且图1C为相应的横截面侧视图，其显示了接触柱顶部的小滴，包括限定接触角θ或θ*蒸汽/液界面的分解图。

图1D为在具有呈“Cassie”状态并且含有仅暴露于结构尖端的微生物的水溶液(顶部)的基底上(底部)的柱阵列的侧视图。

图1E为在具有部分或完全转变为Wenzel(润湿)状态并且含有粘附于受溶液润湿的柱上微生物的水溶液(顶部)的基底(底部)上柱阵列的侧视图。

图1F描绘了具有无序凸起结构的基底的图解，并且图1G描绘了具有均匀或规则凸起结构的基底的图解，证明均匀凸起结构比无序凸起结构更有效地使污染液体(在表面上)从基底排除。

图2A-2F是一系列描绘了一些表面及其相应接触角的图解和显微图，包括(a)平坦亲水基底、(b)平坦疏水基底和(c)-(f)基底上的凸起超疏水结构，包括柱阵列和砖块凸起表面(“交叉壁”)。

图3描绘了圆形凸起柱(3A)、凸起沟(“壁”)(3B)和凸起闭孔砖块(“交叉壁”)(3C)结构的透视、俯视和侧视示意图，指出了长度(w)、节距(p)和结构间间距(s)。

图4A为表示由凸起柱结构形成的不同表面图案的俯视图的示意图，并且说明了根据各实施方案所述的柱的各种横截面形状和面积以及柱有序度的改变。

图4B为表示根据各实施方案所述的不同凸起沟结构表面的俯视图的示意图。

图4C为根据各实施方案所述具有各种形状的凸起闭孔结构且相邻结构间有间距的基底的俯视图。

图4D为根据各实施方案所述具有带相连壁的凸起闭孔结构的基底的俯视图，所述凸起闭孔结构包括砖块隔室、正方形隔室、蜂窝隔室和网形图案的隔室。

图5A-D为表示根据各实施方案所述的加固分支I形(5A)、T形(5B)、X形(5C)和Y形(5D)凸起柱结构的横截面视图的示意图。

图5E描绘了分支T形凸起Si柱示例性阵列的扫描电子显微镜图像。

图5F描绘了使用模塑法制造的机械强度增强的凸起分支Y形聚合柱结构阵列的光学显微镜图像。

图6A-6F为描绘了落向表面(6A)、冲击超疏水表面(6B)、散布(6C)和离开表面(6D-6F)的一小滴水溶液的一系列照片。

图7A为具有结构间距离(s)小于微生物的大约最长直径d_L和最短横径d_s，阻止微生物接触基底的凸起柱结构的基底的侧视图。

图7B为具有结构间距离小于枯草芽孢杆菌(B.subtilis)细胞的横径的凸起柱结构的基底上枯草芽孢杆菌的显微图，证明枯草芽孢杆菌细胞留在柱结构的尖端并且不接触基底。

图8A-8D为具有直圆柱体(8A)、分支Y形(8B)、分支T形(8C)的形状并且具有锥形、圆锥形形状，底端宽度为2.7微米的Si柱(宽度1微米、高度9微米)机械性质的计算机模拟，其中插图提供了试验部件的俯视图并且侧面柱状图显示了机械应力(von Mises,MPa)和位移(μm)。

图9A-E为特征为随着从远端靠近基底面宽度增加的凸起柱结构的5个不同阵列的横截面示意图。

图9F描绘了使用Bosch工艺制造的机械强度增强的凸起圆锥形Si柱阵列的扫描电子显微镜图像。

图9G描绘了通过在时间(t)=0；t=5min；t=10min；t=15min；和t=20min时使用通过导电聚合物的电沉积而再成形制造的机械强度增强的凸起圆锥形Si柱阵列的扫描电子显微镜图像，证明形成基座越来越宽的柱。

图10A-10F示出了根据一个或多个实施方案所述包括蜂窝和砖壁的示例性凸起闭孔结构的光学和电子显微图。

图11为具有两类图案化表面的医疗设备的示意图，其中(A)用包括凸起结构的表面涂层涂覆顶部设备，并且(B)底部设备本身具有包括凸起结构的表面。

图12A和12B为用于测试与污染液体接触后细菌粘附于具有凸起超疏水结构的基底上的方法的图解。

图13A描绘了琼脂板上的平坦疏水性(氟化)基底(Si-F)、平坦亲水性基底(Si-C)，并且图13B示出了过夜培养后相应的琼脂板。

图14A描绘了具有未图案化(平坦)和图案化凸起柱阵列表面的基底的图像；图14B描绘了琼脂板上面朝下的基底的图像；并且图14C描绘了过夜培养后的琼脂板图像，示出了与大体上无微生物的图案化表面相对应的区域，而与平坦表面相对应的区域具有显著微生物生长。

图15A-C描绘了描绘了暴露于污染液体流后的细菌生长实验，为凸起柱宽度的函数。

图16A描绘了具有未图案化(平坦)和图案化区域，载有宽1.3微米的交叉砖壁的基底的图像；图16B描绘了琼脂板上面朝下的基底的图像；并且图16C描绘了过夜培养后琼脂板的图像，示出了与无微生物的图案化表面相对应的区域，而与平坦表面相对应的区域具有显著微生物生长。

图17A描绘了平坦(未图案化)表面上生长的大肠杆菌(E.coli)的图像；并且图17B描绘了载有结构间间距小于大肠杆菌最小尺寸的凸起柱结构的表面的图像，显示在柱顶部无大肠杆菌存在，其中顶部图像为电子显微图而底部图像为光学显微图。

发明详述

本文提到的所有出版物、专利申请、专利和其它参考通过引用的方式整体并入。除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域中普通技术人员通常所理解的相同含义。如有冲突，以本说明书，包括定义为准。另外，材料、方法和实施例仅为说明并非旨在限制。虽然与本文所述方法和材料相似或等效的方法和材料可用于本发明的实践或试验中，但是以下描述了适合的方法和材料。

由以下详细描述和权利要求书显而易见本发明的其它特征和优点。

描述了凸起结构和使用此结构防止、抑制或减少微生物附着在基底上的方法。当与含有微生物的污染液体接触时，此类凸起结构防止、抑制或减少微生物附着在基底上。接触可因简单或持续暴露于污染液体而为静态的，或动态的，例如由于飞溅或倒出含有微生物的液体而导致的接触。在一些实施方案中，短暂接触污染液体后完全抑制或减少了粘附。在一些实施方案中，接触持续几毫秒至几分钟。如此暴露的表面保持无菌或产生易于通过物理或化学处理去除的松散附着的微生物。无菌表面完全无菌(完全无微生物)，有效无菌(含有足够少的松散附着或有机化不足的生物体，以致没有微生物从该表面转移到另外的环境中)，或表现出污染有限或减少(微生物附着比缺乏凸起结构的同等表面少)。通过本领域中技术人员已知的众多方法中的任一种，例如通过使用通过引用的方式特此整体并入的Miles,A.A；Misra,S.S.J.Hyg.(London),38,732(1938)中描述的Miles和Misra方法测量每单位体积液体或每单位质量固体存在的菌落形成单位(CFU)的数量来测量无菌状态或微生物污染。也可通过表面上微生物生长程度的图像分析测量无菌状态或微生物污染。例如，对图13B、14C、15A、B和C(下方图像)和16C中所示琼脂板的图像进行图像分析。这些图中所示的平面对照表面使生长后构成原区域的75%至100%的印刷(污染)区域移动，而具有直径和/或宽度小于约2微米的凸起柱和壁的超疏水表面使为原区域0%的区域移动(即，无微生物生长)。见，例如，图15A-B、16C。

具有直径为5微米的凸起柱的超疏水表面使为原区域的约4%的区域移动(即，一些微生物生长)。见，例如，图15C。Christensen,G.D.等，J.Clin.Microbiol.22,996-1006(1985)；Costerton,J.W.等，Ann.Rev.Microbiol.41,435-464(1987)；Gristina,A.G.Science 237,1588-1595(1987)；Everaert,E.P.J.M.,van der Mei,H.C.&Busscher,H.J.Colloidsand Surfaces B:Biointerfaces 10,179-190(1998)；Jacques,M.,Marrie,T.J.&Costerton,J.W.Microbial Ecology 13,173-191(1987)；Hall,L.B.&Hartnett,B.A.Public Health Records 79,1021-1024(1964)；Druskin,M.S.&Siegel,P.D.J.Am.Med.Assoc.185,966-968(1963)；Bentley，D.W.&Lepper,M.H.J.Am.Med.Assoc.206,1749-1752(1968)；Corso,J.A.,Agostinelli,R.&Brandriss,M.W.J.Am.Med.Assoc.210,2075-2077(1969)；Irwin,G.R.,Hart,R.J.&Martin,CM.Pathogenesisand Prevention of Intravenous Catheter Infections.Yale Journal ofBiology and Medicine 46,85-93(1973)；Michel,L.,McMichan,J.C.&Bachy，J.-L.Am.H.Surgery137,745-748(1979)；Shinozaki,T.,Deane,R.S.,Mazuzan,J.E.,Hamel,A.J.&Hazelton,D.J.Am.Med.Assoc.249,223-225(1983)；Crnich,C.J.&Maki,D.Clinical Infectious Diseases 34,1232-1242(2002)；和Genzer,J.&Efimenko,K.Biofouling22,339-360(2006)中讨论了测量无菌状态或微生物污染的其它方法；这些文献通过引用的方式特此整体并入。

在一些实施方案中，凸起结构为柱。在另外的实施方案中，凸起结构为沟。还另外的实施方案中，凸起结构为闭孔结构。还另外的实施方案中，凸起结构为以上的组合。

一方面，处理表面包括在动态条件下通过防止污染液体润湿表面(例如液体倒、飞溅或洒在表面上)有力地排除微生物的凸起超疏水结构。

如本文所使用，“超疏水的”指高度疏水且不润湿的表面，其中液体/表面界面的接触角θ为至少约140°，并且液体呈所谓的“Cassie”状态，以致液体仅与凸起表面部件的尖端接触并停留在空气垫上。如图1C中所见，接触角(θ)是液-气界面与固-液界面相遇的角度。液滴散布于平坦的固体表面的倾向随接触角减小而增大。因此，接触角提供了可润湿能力的反向测量。

图1A示出了具有柱100阵列的示例性超疏水表面。柱为疏水性的，例如，它们可由疏水性或经涂覆或经化学处理以提供疏水表面的材料制成。液体(例如，水)积聚成珠并不润湿超疏水表面的表面。图1B示出了由(例如)柱100阵列构成的超疏水表面120上的非润湿小水滴110，例如图1A中所示。图1C示出了小水滴停留在微结构超疏水表面上时小水滴的横截面视图。图1C还提供了基底上液相(L)、气相(V)的相对位置的放大视图。在该图中，θ为Cassie状态液体的接触角，而θ*为与稳定平衡状态相对应的表观接触角。超疏水表面在本领域中是已知的，并且已知受以下因素影响，例如但不限于表面组成、凸起表面的宽度、高度和结构间间距。本领域的技术人员将认识到这些因素如何影响表面所展现出的接触角。

图2A-2F说明了各种表面的性质如何影响液体/表面界面的接触角。图2描绘了缺乏凸起结构的平坦(a)亲水和(b)疏水表面，展现出小于140°的接触角，证明单独用疏水性材料涂覆平坦表面并不足以产生超疏水表面。图像(c)-(f)描绘了载有各种宽度(或“直径”)和节距的(c)-(e)柱阵列和(f)闭孔砖块(“交叉壁”)结构的凸起结构，展现出大于140°的接触角的氟化表面，表明本文所述凸起表面产生超疏水表面。在每幅图中，上部图像为表面的低倍放大图像，中心图像为表面的高倍放大图像而下部图像是表面上指出了接触角的小水滴。图2C示出了柱宽度为5μm且柱间间距为10μm的规则柱阵列。表面上小水滴的接触角为146°。如图2D中所示，减小柱尺寸和柱间间距增大了表面的疏水性和小水滴的接触角(169°)。更小直径的柱(300nm)和柱间间距(1.7μm)提供大约相同的接触角(图2E)。有趣的是，图2D和2E中柱的凸出表面区域(phi比例)是相似的。最后，图2F证明除柱以外，凸起表面部件也可形成超疏水表面和大接触角(例如，149°)。

图3A以透视图、平面图和横截面视图示出了表面10上具有柱20的柱阵列。图3B以透视图、平面图和横截面视图示出了表面30上具有壁40的沟阵列。最后，图3C以透视图、平面图和横截面视图示出了表面50上具有长壁60和横向短壁65的闭孔阵列。如本文所使用，“宽度”(w)指凸起表面远端的最短横向距离。例如，图3显示凸起圆形柱表面的远端宽度为其在远端的直径(3A)，并且限定沟或闭孔结构的凸起表面的远端宽度为在远端限定沟或闭孔结构的壁的宽度(分别为3B和3C)。

如本文所使用，“节距”(p)或周期性指相邻凸起结构中心之间的距离。例如，图3显示柱之间的节距为相邻柱中心之间的距离(3A)，限定沟的凸起结构之间的节距为相邻侧壁中心之间的平均距离(3B)，并且限定闭孔结构的凸起结构之间的节距为限定闭孔结构的壁或相对壁中心之间的平均距离(每个隔室)(例如，对于一些对称隔室而言，例如展现出正方形、六边形、八边形等几何形状的隔室，结构间间距将等于对面侧壁中心之间的距离；对于非对称隔室而言：p_x和p_y)。

如本文所使用，“结构间间距”(s)指相邻凸起结构之间可用空间/间隙的最短侧向尺寸。图3A-B显示结构间间距等于节距减去结构的宽度。对于结构间间距不同的结构而言，例如图4A-B和4D一些方面中所见的非均匀间隔柱、非对称隔室和非对称沟，最好将结构间间距定义为每个隔室相邻凸起结构之间的平均最短可用空间/间隙。

另一方面，表面包括具有宽度和结构间间距均小于污染液体中所含微生物的大约长度和/或横径的凸起结构，从基底下表面以物理方式排除微生物的凸起结构。在一些实施方案中，微生物接触结构的顶部，例如由结构的顶部构成的网状表面，并且不接触基座或下基底。

在一些实施方案中，微生物为具有长度和横径的外观化微生物，例如杆状微生物。在其它方面，微生物为具有直径的非外观化微生物，例如球形微生物。

在一些实施方案中，微生物为生物膜形成微生物，并且根据本文所述的方法抑制、延迟或削弱生物膜形成。

在一些实施方案中，用于减少或抑制微生物附着的基底包括尺寸、形状和空间排列可改变的凸起结构。在一些实施方案中，基底上凸起结构的高度和宽度一致。在另外实施方案中，凸起结构的高度和宽度在基底上改变。在一些实施方案中，凸起结构的高度在基底上逐渐变化，例如，产生高度梯度。在另外实施方案中，凸起结构的高度在基底上随机改变。类似地，在一些实施方案中基底上凸起结构的宽度一致。在另外实施方案中，凸起结构的宽度在基底上改变。在一些实施方案中，凸起结构的宽度在基底上逐渐变化，例如，产生宽度梯度。在另外实施方案中，凸起结构的宽度在基底上随机改变。在一些实施方案中，基底上凸起结构的形状一致。在另外实施方案中，凸起结构的形状在基底上改变。在一些实施方案中，凸起结构的形状在基底上逐渐变化，例如，产生形状梯度。在另外实施方案中，凸起结构的形状在基底上随机改变。在一些实施方案中，基底上凸起结构的结构间间距一致或规则。在另外实施方案中，凸起结构的结构间间距在基底上改变。在一些实施方案中，凸起结构的结构间间距在基底上逐渐变化，例如，产生结构间间距梯度。在另外实施方案中，凸起结构的结构间间距在基底上随机改变。在一些实施方案中，凸起结构呈有序形式分布，例如对称排列。在另外实施方案中，凸起结构随机定位。

在一些实施方案中，凸起结构分离或相互连接。因此，如图4A-4D中示例，由具有不同尺寸、形状和空间排列的凸起结构形成不同表面图案，包括周期图案。如图1F-G中所示，均匀凸起结构比无序凸起结构更有效地使污染液体(在表面上)从基底下表面排除；因此，优选均匀凸起结构。

在一些实施方案中，选择凸起结构的宽度以防止或阻碍微生物附着在表面上。在一些实施方案中，凸起结构的宽度小于或为约5μm。在一些实施方案中，凸起结构的宽度小于或为约2μm。在一些实施方案中，凸起结构的宽度在约5μm至约100nm，或约2μm至约300nm的范围内。在一些实施方案中，凸起结构的宽度小于微生物的约最小轴。在另外实施方案中，凸起结构的宽度小于微生物的大约长度或小于微生物的大约直径。

病毒非常小并且尺寸范围为约20至250nm。真菌孢子在1-100μm范围内(多数在2-20微米之间)，并且细菌孢子在0.5至2微米范围内。可相应地测定部件尺寸。例如，对于细菌和真菌而言，柱尺寸的上限可在生物体尺寸的约3-5倍范围内，从而在许多情况下使用约3-5微米的柱尺寸允许防止或阻碍细菌和真菌附着在表面上。实验结果已经证明5微米柱在导致很少至没有微生物污染和/或防止在处理表面的生物膜形成的尺寸范围。

在某些实施方案中，凸起结构通常直立定向于基底(例如，垂直)。在另外实施方案中，凸起结构倾斜定向于基底。

在一些实施方案中，凸起结构包括具有分支横截面以便机械稳定的机械加固柱。例如，图5A-5D显示此柱可具有已知由于其最大机械稳定性用于建筑中的分支T形、Y形或X形横截面。在另外实施方案中，柱的横截面可为S形。

在一些实施方案中，凸起结构包括底端宽度大于其远端宽度的机械加固结构。

在一些实施方案中，将凸起结构制成设备(例如医疗设备)上的涂层，以防止、抑制或减少微生物附着于设备上。在另外实施方案中，将表面本身构造为以便限定本文所述的凸起结构。

可通过许多不同技术，例如照相平版印刷术、投影光刻、电子束书写或光刻、沉积纳米线阵列、在基底表面生长纳米结构、软光刻、复制模塑法、溶液沉积、溶液聚合、电聚合、电纺丝、电镀、气相沉积、接触印刷、蚀刻、转移图案化、微压印、自组装等生产本发明的凸起结构。

微生物的有力排除

本发明部分基于发现具有限定部件尺寸的超疏水凸起结构可用于完全抑制或减少在含有微生物的污染液体动态冲击(例如通过飞溅、倒出或洒)在表面上时微生物在基底上的粘附。

一方面，凸起结构包括提供在动态条件下(例如液体倒、飞溅或洒在表面上)通过防止污染液体润湿表面有力地排除微生物的表面的凸起超疏水结构。在一些实施方案中，所述结构的宽度小于约5μm以防止细菌附着并且小于约15μm以防止真菌附着。

在一些实施方案中，选择凸起结构的宽度以防止或阻碍微生物附着在表面上。在一些实施方案中，对于细菌或病毒而言，凸起结构的宽度小于或为约5μm。对于真菌生物而言，部件宽度可小于或为约10μm。在一些实施方案中，凸起结构的宽度小于或为约2μm。在一些实施方案中，凸起结构的宽度在约5μm至约100nm，或约2μm至约300nm的范围内。在一些实施方案中，凸起结构的宽度小于微生物的大约最小轴。在另外实施方案中，凸起结构的宽度小于微生物的大约长度或小于微生物的大约直径。

当部件直径等于或小于微生物的尺寸时，微生物难以附着在凸起表面部件的顶部。当表面呈Cassie状态时，液体的接触角大并且接触区小，进一步妨碍了微生物在表面上附着和增殖的能力。在一个或多个实施方案中，部件尺寸防止生物膜形成。在一些实施方案中，在动态条件下(倒出、洒或飞溅污染液体)宽度小于约微米的凸起结构产生有效无菌表面。在另外实施方案中，在动态条件下(倒出、洒或飞溅污染液体)宽度介于约2至约20微米之间的凸起结构产生展现出污染有限或减少的表面。

为了将小水滴和图案化疏水表面之间的接触区减到最小，必须最大化小滴保持呈所谓的“Cassie-Baxter”状态(即非润湿状态)，而不转变为所谓的Wenzel状态(即润湿状态)的可能性。注意，呈“Cassie-Baxter”状态的小滴仅润湿凸起结构的顶部，从而将接触区减到最小。相反，呈Wenzel状态的小滴润湿整个表面，即，凸起结构的上表面以及凸起部件附着的下表面。这两种状态的讨论，见，例如，Cassie等Trans.Faraday Soc,1944,40,546-550和Wenzel,J.Phys.Colloid Chem.,1949,53,1466-1467，其通过引用的方式特此整体并入。为最大化小滴停在“Cassie-Baxter”状态的可能性，可在疏水表面上将凸起结构的大小减小到恰当尺寸，从而进一步增强表面的疏水性。实际上，这种方法允许制备超疏水表面，即，在上面小水滴的接触角等于或大于140°的表面。注意，接触角越大，接触区越小。可由加强凸起表面的超疏水作用的疏水材料制成基底。

超疏水表面，例如疏水柱阵列不受污染液体润湿，以致呈所谓的“Cassie”状态的小滴仅与表面结构的最顶部部件接触(见Danese，Chemistry and Biology 9,873-880(2002)；Crnich等，Clinical InfectiousDiseases 34,1232-1242(2002)；Crnich等，Clinical Infectious Diseases34,1362-1368(2002)；Genzer等，Biofouling 22,339-360(2006)；Callies等，Soft Matter 1,55-61(2005)；Barthlott等，Planta 202,1(1997)，通过引用的方式特此整体并入)。这在示出了接触柱顶部并限定表面接触角的小滴的图1B和1C中示出。

图1D示出了在下表面120上具有凸起柱100的超疏水表面并且说明了超疏水表面对微生物附着的限制作用。溶液130中的微生物仅与表面有限接触(图1D)。然而，延长暴露时间可引起表面部分或完全润湿140(图1E)。因此，可限制“Cassie”状态的寿命，并且也可限制污染液体(即，含有微生物的液体)非润湿接触的机会。

因为存在微生物附着的诱导时间(即，微生物附着在凸起表面或基底上需要的时间)，所以可创造在发生微生物附着之前小水滴弹离表面的条件。污染小液滴弹离图案化超疏水表面并且其与表面的接触时间比微生物附着所需的时间短。相反，污染小液滴通常不弹离未图案化的疏水表面或图案化或未图案化的亲水表面。因此，此小滴可保持与未图案化疏水或任何亲水表面接触并为微生物提供足够机会附着在这些表面上。

超疏水性的重要结果是冲击小滴将散开，但是然后缩回并迅速从表面完全去润湿(见Feng等，Advanced Materials18,3063-3078(2006)；Quere，Ann.Rev.Mater Res.38,71-99(2008)；Richard等，Europhys.Lett.50,769-775(2000)；Richard等，Nature 417,811(2002)；Bartolo等，Europhys.Lett.74,299-305(2006)，通过引用的方式特此整体并入)。此冲击小滴仅保持与表面接触有限的时间，这大部分为小滴尺寸的函数而非小滴冲击速度的函数(见Quere，Ann.Rev.Mater.Res.38,71-99(2008)，通过引用的方式特此整体并入)，并且对于尺寸为1-3mm的小滴而言，为10¹至10²毫秒级。图6示出了(6B)冲击超疏水表面、(6C)散布和(6D-6F)然后完全从表面去润湿(即，离开)的一小滴水溶液(6A)的一系列照片。

从表面快速去润湿和喷出的小滴，连同具有限定部件尺寸的超疏水凸起结构干扰此类小滴中所含细菌、病毒或真菌物理附着在表面上的能力的性质提供了抗细胞附着和生物膜形成的表面。因此，污染液体小滴从表面去润湿和喷出后，没有或留下极少松散附着或有机化不足的微生物。因此，完全或大体上缺乏微生物意味着表面保持完全无菌(完全无微生物)或有效无菌(含有足够少的松散附着或有机化不足的生物体，以致没有微生物能够从该表面转移到另一环境中)。细菌不能附着在表面上是小滴表面接触时间有限和细菌或真菌附着的表面区域非常有限等因素的组合。

在某些实施方案中，凸起超疏水结构由疏水材料制备，和/或包括疏水涂层。在一些实施方案中，凸起超疏水结构经氟化。在具体实施方案中，凸起超疏水结构(或凸起超疏水结构阵列)的接触角大于约140°，例如在约150°和约180°之间。

微生物的物理方式排除

进一步地，已经发现凸起结构的结构间间距、尺寸和几何形状可用于抑制、减少或削弱微生物附着。

另一方面，凸起结构可具有小于污染液体中所含微生物的大约长度和/或横径的结构间间距，从而从基底下表面物理排除微生物。在这些实施方案中，结构间间距太小而不能使微生物进入结构间空间并附着在基座表面，并且它们反而被束缚在凸起结构的上表面。例如，图7A示出了具有结构间间距s小于微生物725的大约横径d的凸起柱结构700的基底740的侧视图，从而阻止微生物接触基底。还已知外观化微生物720的最短横径d_s和最长直径d_L。因为微生物720和725被束缚在凸起结构的上表面，所以这些微生物更易受生物或化学攻击影响，因为他们可从顶部770和可用空间下方760接近。图7B为此类基底上微生物枯草芽孢杆菌的显微图，其中细胞750留在柱结构的尖端并不接触基底。因此，即使存在表面润湿的可能性，以致液体接触表面的时间足以允许附着时，出现很少附着或仅出现弱附着。在一些实施方案中，凸起结构不为超疏水性。在另外实施方案中，凸起结构为亲水性。

在以物理方式排除微生物的情况下，例如当细菌仅附着在凸起部件的尖端时，可通过比平坦表面更简单的机械或化学方式去除微生物。虽然由于表面接触有限并且粘附减少易于机械去除，同样由于在微生物下面具有提供了不但从顶部(例如，在平台表面上形成的生物膜中)，而且从底部(例如，通过液体或气体抗生素或其他化学方式)攻击微生物的方式的多孔体积(例如，细菌生物膜)将具有向微生物底部的通道，还增加了攻击表面区的事实，简化了化学或生物去除。

在一些实施方案中，凸起结构的结构间间距小于微生物的大约最小轴。在另外实施方案中，凸起结构的结构间间距小于微生物的大约长度而大于微生物的大约横径。在另外实施方案中，随着凸起结构的结构间间距减小并且小于微生物的大约最短尺寸，微生物接触结构的尖端并且不接触基底。

如以上所提到，还选择凸起结构的直径以阻碍微生物粘附。通常，杆状微生物的长度为约0.1μm至约10μm或更长并且横径为约0.1μm至约5μm或更宽。球形微生物可具有约0.1μm至约1μm的直径。相应地，置于基底上的凸起结构可具有基于特定微生物长度和/或直径的宽度。例如，多数医院获得性疾病的病因，铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)(菌株PA14)的侧向长度为约1μm至约2μm并且横径为约0.5μm至约1μm。对于这种微生物，具有宽度小于约2μm的凸起结构的基底抑制或减少这种微生物的附着，而具有结构间间距小于约0.5μm的凸起结构的基底将控制微生物，以致将微生物限制在凸起结构的顶部。

在某些实施方案中，微生物为生物膜形成微生物，并且控制微生物的排列以抑制、延迟或削弱生物膜的形成。例如，当在本文所述基底上由微生物形成生物膜时，由于生物膜悬在结构的尖端，从而与表面的接触有限的事实，此生物膜减薄并且可易于(例如)通过冲洗或洗涤从基底上去除。

在某些实施方案中，表面为具有直径小于约10μm(对于真菌而言)或小于约5μm(对于细菌或病毒而言)或小于或为约2μm的凸起部件的超疏水表面，以致表面接触区小并且液体的表面滞留时间短。通过提供小于约2μm抑制的结构间间距或用小于约0.5μm的结构间间距以将微生物限制在凸起结构的顶部来进一步减少或防止微生物粘附。抗生物膜表面的具体部件取决于微生物系统。远端宽度为5μm或更小的表面部件将对多数细菌系统起作用(并且因为真菌比细菌大，因此对真菌起作用)。然而，根据暴露性质，可优选另外的部件尺寸。

在某些实施方案中，当宽度小于细菌/真菌细胞尺寸的约3-5倍时，表面减少有力排除(飞溅)期间细菌/真菌的附着(正如实施例3中，其中5微米柱不完全防止，但减少了附着)。

在其它实施方案中，当部件宽度小于细菌尺寸时(实施例3中为约1.5微米)，表面在有力排除(飞溅)期间保持完全无菌。

在另外其它实施方案中，当间隙小于细菌、真菌或病毒的最小尺寸时，表面以物理方式排除长期暴露的细菌，并且微生物(例如，细菌膜)在尖端形成，其中接触有限(导致更易于物理或机械去除)并且易于从底部接近(导致更易受来自传播化学或生物物种的微生物下面的多孔体积的化学或生物处理的影响)。

在其它实施方案中，当宽度和间隙均小于细菌/真菌的最小尺寸时，表面有力地以物理方式去除飞溅或长期暴露的细菌。

一旦在暴露于污染液体后在实施例3中所述条件下培养表面(或含有具有凸起部件的涂层的物品)，表面就显示出生物膜生长的迹象。

凸起结构的机械强度增强

主要由立柱阵列构成的传统结构表面易受冲击和刮擦损坏，并且当如此损坏时失去凸起结构赋予的所有性质。本发明的凸起结构提供了具有所需抗润湿和/或细胞排除性质，但机械强度和抗冲击性增强的结构表面。

根据一个或多个实施方案所述的凸起结构显示出高机械稳定性和刮擦抗性。柱最易受损坏，因为它们所有方向的尺寸相对较小。沟和闭孔结构稍微更坚固，因为它们至少一个维度的尺寸扩大，例如长度，并且在闭孔结构情况下甚至交叉部件加固。

在一些实施方案中，通过提供大于远端宽度的底端宽度进一步加强凸起结构，包括凸起柱结构。在一些实施方案中，由于分支I、Y、T或X形柱或具有S形横截面的柱，加固柱结构显示出增强的机械稳定性和刮擦抗性。与圆柱形或多边形柱相比，这些几何形状的机械性质增强。在一些实施方案中，由于分支横截面(例如，分支T形、Y形或X形横截面，或分支工字梁形状)或非线性横截面(例如，S形横截面)，凸起柱结构的这些机械强度增强。可通过将分支柱分组或排列为模拟闭孔结构的排列更进一步加强分支横截面部件。例如，图5A中，将分支工字梁形柱510排列成近似“砖块”闭孔结构的几何形状的组。类似地，图5B中，将分支T形柱520排列成近似“砖块”闭孔结构的几何形状的组。可将分支X形柱530排列为形成具有正方形孔的闭孔结构(图5C)，而可将分支Y形柱540排列为形成闭孔蜂窝结构。

在又另外实施方案中，由于正弦曲线、波形或Z字形壁加固(图4B)，本发明的有沟结构具有这些增强的性质。在又另外实施方案中，由于相互连接的支撑壁，闭孔结构具有这些增强的性质。

在一些实施方案中，本发明底端宽度大于远端宽度的加固凸起结构证明机械故障(例如，破裂)之前最大剪应力至少比类似非加固结构(底端宽度不大于加固结构相同远端宽度的结构)增强2倍。在另外实施方案中，增强至少为3倍。在又另外的实施方案中，增强至少为4倍。

在一些实施方案中，本发明具有分支T、I、X和Y形凸起柱结构或S形横截面的加固凸起结构证明在机械故障(例如，破裂)之前最大剪应力至少比类似非加固结构(缺乏分支的结构)增强2倍。在另外实施方案中，增强至少为3倍。在又另外实施方案中，增强至少为4倍。

在一些实施方案中，本发明的加固凸起结构的强度(机械故障例如破裂之前的最大剪应力)大于10MPa。在另外实施方案中，加固凸起结构的强度大于50MPa。在又另外实施方案中，加固凸起结构的强度大于100MPa。在又另外实施方案中，加固凸起结构的强度大于200MPa。在又另外实施方案中，加固凸起结构的强度大于300MPa。在其它实施方案中，加固凸起结构的强度在约100-500MPa或200-400MPa或300-400MPa的范围内。

图8示出了计算机模拟结果，证明破坏示例性分支T和Y形凸起柱所需的力比破坏相同尺寸的凸起圆柱形柱的力大至少3-4倍。图8A呈现了宽度为1μm、高度为9μm的圆柱形Si柱的应力场。在图8A的插图中示出了此类柱阵列的平面图。机械故障(例如，破裂)之前在此结构顶部施加的最大剪应力(箭头Fx所指)为约100MPa。图8B呈现了具有相同宽度为1μm、高度为9μm的分支Y形Si柱的应力场。如图8B插图中此类柱阵列的平面图所示，柱呈蜂窝几何形状排列。机械故障(例如，破裂)之前在此结构顶部施加的最大剪应力为约350MPa，比简单柱增强3倍。图8C呈现了具有相同宽度为1μm、高度为9μm的分支T形Si柱的应力场。此结构顶部的最大剪应力为约300MPa。如图8C插图中此类柱阵列的平面图所示，柱呈砖块几何形状排列。该应力场模型表明具有这些机械加固形状的柱的最大剪应力增强至少约3倍。

在其它实施方案中，凸起结构因底端宽度大于远端宽度，机械稳定性和刮擦抗性增强。在一些实施方案中，稳定性和机械强度增强的这些凸起结构包括柱、沟或闭孔隔室。在一些实施方案中，凸起结构的底端宽度大于远端宽度大于约1:1至大于10:1，或介于2:1和9:1之间，介于3:1和8:1之间，介于4:1和7:1之间，或介于5:1和6:1之间的因数。在其它实施方案中，底端宽度是远端宽度的2倍、3倍、4倍、5倍、6倍、7倍、8倍、9倍或10倍。此结构显示出比非加固类似物强5-100倍的机械稳定性和/或强度，这取决于远端和底端宽度之间的比例。例如，图8D示出了计算机模拟结果，证明破坏示例性圆锥形结构所需的力比破坏相同远端宽度的圆柱形柱所需的力大至少10倍。如以上所讨论，图8A呈现了宽度为1μm、高度为9μm的圆柱形Si柱的应力场，其显示此结构顶部的最大剪应力为约100MPa。图8D呈现了远端宽度为1μm、底端宽度为2.7μm、高度为9μm的圆锥形Si柱的应力场。此结构顶部的最大剪应力为约1100MPa，最大剪应力比缺乏这种机械加固的柱增强约11倍。

在动态条件下，可优选使用显示出更高机械坚韧性和液滴压力稳定性的图案化表面。事实上，具有机械加固凸起结构(例如，锥形隔室)的表面显示出增强的机械稳定性、压力稳定性和/或超疏水性/润湿转变。注意，液滴压力稳定性与液滴可施加在图案化表面上而不转变为润湿状态的最大压力有关。

凸起柱结构

在一些实施方案中，凸起结构高度外观化，例如棒、柱或宽度小于高度的其它结构。柱的横截面形状可为圆柱形、金字塔形、圆锥形、分支Y、T、X、I形、S形或其组合。

在该实施方案中凸起结构的高度通常为0.1μm-100μm(优选为1μm至25μm并且最优选为2μm至10μm)。

对于凸起结构在动态条件下通过抗润湿性质有力地从基底表面排除微生物的实施方案，凸起结构的远端宽度为0.01μm至5μm并且节距为0.05μm至50μm(优选为0.1μm至20μm并且最优选为0.5μm至10μm)。实施例3和图15A-C中证明由具有这些规定尺寸的凸起结构有力排除。

对于通过控制结构间间距并通过限制粘附的可用宽度，凸起结构从基底下表面以物理方式排除微生物，和微生物仅接触顶部表面，接触区减小的实施方案，凸起结构的结构间间距为0.01μm至10μm(优选为0.1μm至2μm)，并且远端宽度为0.01μm至5μm。更特别地，物理排除表面的结构间间距和结构宽度应小于污染溶液或介质中所含微生物的尺寸。应使得这些尺寸适合污染环境中预期的应用和特殊物种。因为微生物从下表面以物理方式排除，所以不需要表面为疏水性。在一些实施方案中，表面和凸起结构为疏水性。在又另外实施方案中，表面和凸起结构并非为疏水性。

在一些实施方案中，凸起结构的宽度沿其高度恒定。在又另外实施方案中，凸起结构的宽度沿其高度变化。在一些实施方案中，随着凸起结构从远端靠近基底面，凸起结构的宽度增加。在一些实施方案中，随着凸起结构从远端靠近基底面，凸起结构的宽度从顶部至底部呈线性、指数或一些其它梯度增加(例如，具有为曲线的横截面轮廓)。在另外实施方案中，凸起结构的宽度从远端至基底面呈逐步形式增加。在一些实施方案中，柱的轮廓为圆柱形、圆锥形、金字塔形、棱柱形或曲线形。

凸起结构可为各种形状的凸起柱，包括但不限于圆形、椭圆形或多边形(例如三角形、正方形、五边形、六边形、八边形等)。虽然以上所述示例性基底说明了具有均匀形状和尺寸的凸起柱，但是给定基底上凸起柱的形状和/或尺寸可改变。在具体的实施方案中，凸起结构并非随机分布。例如，基底可为一行行凸起柱的阵列，其中给定行中的柱的尺寸和/或形状与凸起柱相邻行中的柱不同。可选地，可将第一群相似尺寸和/或形状的凸起柱置于基底的特殊位置，并且可将第二群具有不同于第一群的尺寸和/或形状的凸起柱置于基底上不同于第一群的位置，产生不同尺寸和/或形状的柱的图案。凸起结构也可展现出大于远端宽度的底端宽度。例如，底端宽度可大于远端宽度，比例大于1:1至10:1。

图3A示出了凸起结构的透视示意图。图4A示出了具有不同形状的凸起柱结构的俯视示意图。

在一些实施方案中，本文所述凸起柱结构构造为获得增强的稳定性和增强的机械强度。

在一些实施方案中，凸起柱结构形状为分支I、Y、T或X柱或横截面为S形。图5A-D为表示加固分支I形、T形、X形和Y形凸起柱结构的横截面视图的示意图。图5E描绘了分支T形凸起Si柱示例性阵列的扫描电子显微镜图像。图5F描绘了使用模塑法制造的机械强度增强的凸起分支Y形聚合柱结构阵列的光学显微镜图像。

在一些实施方案中，底端宽度大于远端宽度的凸起柱结构赋予了增强的机械强度。图9A-E示出了底端宽度大于远端宽度的凸起柱结构的横截面示意图。图9F描绘了使用Bosch工艺制造的机械强度增强的凸起圆锥形Si柱结构的示例性阵列的扫描电子显微镜图像。图9G描绘了通过电沉积导电聚合物再成形制造的机械强度增强的凸起圆锥形聚合柱结构阵列的扫描电子显微镜图像。

在一些实施方案中，凸起结构的结构间间距小于微生物的大约最小轴。在另外实施方案中，凸起结构的结构间间距小于微生物的大约长度而大于微生物的大约横径。在又另外实施方案中，凸起结构的结构间间距大于微生物的大约最大轴。在另外实施方案中，随着凸起结构的结构间间距减小且小于微生物的大约最短尺寸，微生物接触结构的尖端而不接触基底。

在一些实施方案中，本文所述凸起柱结构用作基底的涂层以赋予基底所需的抗生物膜性质。

凸起沟结构

在一些实施方案中，凸起结构限定了若干侧壁，产生可弯曲的沟结构、槽或叶片。术语“槽”指由底面和两个凸起连续结构，例如两个非交叉壁划定界限的沟。

在一些实施方案中，凸起结构限定了沿其整个长度大体上笔直且平行的侧壁。在另外实施方案中，凸起结构限定了弯曲、锯齿状或具有其它加固几何形状和排列(例如，正弦曲线、波形或Z字形)的侧壁，保持了以下所述的结构间间距。虽然示例性基底描述了限定一致形状和尺寸的侧壁的凸起结构，但是给定基底上侧壁的形状和/或尺寸可不同。

图3B示出了凸起沟结构的透视示意图。图4B示出了具有笔直、弯曲或随机形状的各种凸起沟结构的俯视示意图。

在该实施方案中凸起结构的高度通常为0.1μm至100μm(优选为1μm至25μm并且最优选为2μm至10μm)。

对于其中凸起结构在动态条件下通过抗润湿性质有力地从基底表面排除微生物的实施方案，凸起结构的远端宽度为0.01μm至5μm并且节距为0.05μm至50μm(优选为0.2μm至20μm并且最优选为0.5μm至10μm)。

对于其中通过控制结构间间距，凸起结构从基底下表面以物理方式排除微生物的实施方案，凸起结构的结构间间距为0.01μm至10μm(优选为0.1μm至2μm)，并且远端宽度为0.01μm至5μm。更特别地，物理排除表面的结构间间距和结构宽度应小于污染溶液或介质中所含微生物的尺寸。应使得这些尺寸适合污染环境中预期的应用和特殊物种。因为微生物从下表面以物理方式排除，所以不需要表面为疏水性。在一些实施方案中，表面和凸起结构为疏水性。在另外实施方案中，表面和凸起结构为超疏水性。在又另外的实施方案中，表面和凸起结构并非为疏水性。

在一些实施方案中，凸起结构的宽度沿其高度恒定(例如，限定如图3B中所示的平底沟)。在又另外实施方案中，凸起结构的宽度沿其高度变化。在一些实施方案中，由随其从远端靠近基底面其宽度增加的凸起结构限定沟。在一些实施方案中，随着凸起结构从远端靠近基底面，凸起结构的宽度呈线性、指数或一些其它梯度增加(例如，具有为曲线的横截面轮廓，限定圆底的沟)。在另外实施方案中，凸起结构的宽度从远端至基底面呈逐步形式增加。

在一些实施方案中，凸起结构的结构间间距小于微生物的大约最小轴。在另外实施方案中，凸起结构的结构间间距小于微生物的大约长度并且大于微生物的大约横径。在又另外实施方案中，凸起结构的结构间间距大于微生物的最大轴。在另外实施方案中，随着凸起结构的结构间间距减小并且小于微生物的大约最短尺寸，微生物接触结构的尖端并不接触基底。

在一些实施方案中，修改本文所述凸起结构以获得增强的稳定性和增强的机械强度。在一些实施方案中，底端宽度大于远端宽度的凸起沟结构赋予了增强的机械强度。

在一些实施方案中，本文所述的凸起沟结构用作基底的涂层以为赋予基底所需的抗生物膜性质。

凸起闭孔结构

在一些实施方案中，凸起结构为形成闭孔结构或隔室，即，各自由底面和一个或多个壁划定界限的腔的相连壁。闭孔结构包括若干限定封闭空间的壁。在一些实施方案中，闭孔结构与相邻闭孔共有壁并形成紧密堆积的闭孔结构阵列(见图3C和图10A-10F)。具有相连壁的此闭孔结构与柱或沟结构相比具有增强的机械性质和刮擦抗性。

在该实施方案中凸起结构的高度通常为0.1μm至100μm(优选为1μm至25μm并且最优选为2μm至10μm)。

对于其中凸起结构在动态条件下通过抗润湿性质有力地从基底表面排除微生物的实施方案，凸起结构的远端宽度为0.01μm至5μm，并且每个隔室内壁与壁的最短距离为0.02μm至50μm(优选为0.2μm至20μm并且最优选为0.5μm至10μm)。

对于其中通过控制结构间间距，凸起结构从基底下表面以物理方式排除微生物的实施方案中，凸起结构的结构间间距为0.01μm至10μm(优选为0.1μm至2μm)，并且远端宽度为0.01μm至5μm。更特别地，物理排除表面的结构间间距和结构宽度应小于污染溶液或介质中所含微生物的尺寸。应使得这些尺寸适合污染环境中预期的应用和特殊物种。因为微生物从下表面以物理方式排除，所以不需要表面为疏水性。在一些实施方案中，表面和凸起结构为疏水性。在另外实施方案中，表面和凸起结构为超疏水性。在又另外实施方案中，表面和凸起结构并非为疏水性。

在一些实施方案中，闭孔结构由宽度沿其高度恒定的凸起结构限定(例如，限定平底隔室)。在又另外实施方案中，闭孔结构由宽度沿其高度变化的凸起结构限定。在一些实施方案中，闭孔结构由随其从远端靠近基底面其宽度增加的凸起结构限定。在一些实施方案中，随着凸起结构从远端靠近基底面，凸起结构的宽度呈线性、指数或一些其它梯度增加(例如，具有为曲线的横截面轮廓，限定圆底隔室)。在另外实施方案中，凸起结构的宽度从远端至基底面呈逐步形式增加。

基于相连凸起结构的数量和两个连续凸起结构之间的角度，可形成不同几何形状的隔室。此隔室的实例包括但不限于正方形隔室(即，由4个相同壁划定界限)、矩形隔室(即，由4个壁且两两相对的壁相同划定界限)、三角形隔室(即，由3个壁划定界限)、六边形隔室(即，由6个壁划定界限)、圆形或椭圆形隔室(即，由1个壁划定界限)、随机形状的隔室及其组合。其它凸起结构可包括任何其它凸起结构，例如闭孔结构阵列、蜂窝阵列、卵封闭壁阵列、砖块阵列等。在一些实施方案中，隔室形状规则。在另外实施方案中，隔室形状不规则。例如，闭孔结构可类似网状图案，其中闭孔的形状和尺寸不同。在其它实例中，基底含有不同尺寸和形状的孔。

图3C示出了凸起闭孔砖块结构的透视示意图。图4C示出了不共有壁并相互隔开的凸起闭孔结构的俯视示意图。图4D示出了凸起闭孔砖块、正方形、蜂窝和网状结构的俯视示意图。图10示出了包含蜂窝和砖壁的示例性凸起闭孔结构的光学和电子显微图。

凸起结构和隔室形成的图案可根据凸起结构的空间排列(即，壁)改变。在一些实施方案中，凸起闭孔结构共有壁(见，例如，图4D)。例如，与横向壁交叉(例如，垂直)的平行纵向壁形成一行行平行隔室，例如“砖块样”隔室。两相邻且平行行中的隔室可交错。在一些实施方案中，这些闭孔结构显示出增强的机械稳定性和刮擦抗性。在另外实施方案中，凸起闭孔结构没有交叉壁(见，例如，图4C)。

在一些实施方案中，进一步修改本文所述的凸起闭孔结构以实现增强的稳定性和增强的机械强度。在一些实施方案中，底端宽度大于远端宽度的凸起闭孔结构赋予了增强的机械强度。

在一些实施方案中，本文所述的凸起闭孔结构用作基底的涂层以为赋予基底所需的抗生物膜性质。

用于本发明的基底可具有一种或多种上述表面图案。

制造方法

可通过用于使凸起结构沉积在基底上的任何已知方法产生本发明的凸起结构。非限制性实例包括常规照相平版印刷术、投影光刻、电子束书写或光刻、沉积纳米线阵列、在基底表面生长纳米结构、软光刻、复制模塑法、溶液沉积、溶液聚合、电聚合、电纺丝、电镀、气相沉积、接触印刷、蚀刻、转移图案化、微压印、自组装等。例如，可通过使用Bosch反应离子蚀刻法的照相平版印刷术制造具有柱阵列、砖块阵列、沟或“叶片”阵列、盒阵列或蜂窝阵列的硅基底(如Plasma Etching:Fundamentals and Applications,M.Sugawara等，Oxford University Press,(1998),ISBN-10:019856287X中所述)，通过引用的方式特此整体并入。通过引用的方式特此整体并入的WO2009/158631中描述了另外示例性方法。

也可通过软光刻法获得作为复制品(例如，环氧复制品)的图案化表面(见，例如，Pokroy等，Advanced Materials,2009,21,463，通过引用的方式特此整体并入)。可通过通过引用的方式特此整体并入的Plasma Etching:Fundamentals and Applications,M.Sugawara等，Oxford University Press,(1998),ISBN-10:019856287X中所述的Bosch反应离子蚀刻法和同向性反应蚀刻技术的组合获得具有圆底(例如，圆底砖块阵列)的图案化表面。

可通过本领域中已知的方式(例如，卷到卷压印或压花)制造具有图案化表面的聚合物膜。

这样形成的图案化表面，如果并非由固有疏水材料制造，可用疏水材料涂覆，例如低表面能氟聚合物(例如，聚四氟乙烯)和氟硅烷(例如，十七烷基氟代-1,1,2,2-四-氢癸基-三氯硅烷)。可通过本领域中众所周知的方法实现表面涂层，包括等离子体辅助化学气相沉积、溶液沉积和气相沉积。

注意，图案化表面可为基底的主要部分或基底上的独立层。例如，可由一种材料(例如，硅片或聚合物膜)制造图案化表面并用于覆盖另一种材料(例如，铝板)。当更易于由不同于基底材料的材料制造图案化表面时，这可用。同样，为在大基底上获得大图案化表面，往往必须制造较小图案化表面，然后将其置于大基底上。

为了用图案化表面覆盖基底，人们可使用标准方法(例如，铺砌、压花和用图案化滚筒压印等)，如Whitesides等，Chem.Review，2005,105,1171-1196中所述，通过引用的方式特此整体并入。为了分析图案化表面的拓扑，人们可使用众所周知的方法，例如扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)。如以上所提及，用于本发明的疏水表面上的小水滴表现出大于90°，优选大于140°的接触角。可通过本领域中众所周知的方法(例如，用接触角测角计)测定实际接触角。

也可使用模塑技术，例如通过引用的方式特此整体并入的2009年12月30日公开的WO 2009/158631中所述的技术，制造本文所述的凸起结构。这些技术包括使用任何已知技术制成原复制品，接着使用适合的复制材料形成复制阴模。最后，使用复制阴模作为模型制成复制品。然后这些复制品可涂覆任何平坦或弯曲表面(包括所示管的内侧或外侧)。此弯曲图案化管在导管或血管相关应用中特别重要。

也可使用电沉积技术，例如通过引用的方式特此整体并入的2010年7月19日提交的美国专利申请No.61/365,615中所述的技术，制造本文所述的凸起结构。尤其，可通过电化学沉积或无电直接溶液沉积对导电有机聚合物进行原位沉积来制造本文所述的凸起结构。在这些方法中，可通过改变沉积条件，例如单体的浓度、电解质和缓冲液的类型、沉积温度和时间，和电化学条件例如电压和电流控制导电有机聚合物的形态。可在纳米至微米级以上精细控制导电有机聚合物的形态。因此，可通过简单改变来产生精确控制形态的表面涂层，从而保证通过设计和控制形态定制各种表面性质。

可由适合材料制成本文所述的凸起结构。此类材料的非限制性实例包括聚合物，例如环氧树脂、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚乙烯醇(PVA)、聚甲基异丁烯酸(PMMA)和各种水凝胶和生物大分子(例如，藻酸盐、胶原、琼脂)；金属和合金，例如Au金属和Ti合金；和陶瓷，包括A1₂O₃、TiO₂、HfO₂、SiO₂、ZrO和BaTiO₃。也可使用其它聚合材料、金属、合金和陶瓷。

在一些实施方案中，材料为能够形成本文所述凸起结构的任何生物相容性材料。

疏水涂层

在一些实施方案中，制造后用疏水涂层处理凸起结构以致使凸起结构超疏水。例如，如以上所讨论，可使用氟化硅烷，通过溶液或气相沉积处理涂覆疏水表面涂层。

在一些实施方案中，通过用硅油，例如聚硅氧烷、烷基硅烷或烷基硅氮烷处理致使凸起结构超疏水。适合的聚硅氧烷的非限制性实例包括直链、支链或环状聚二甲基硅氧烷；分子链中具有羟基的聚硅氧烷，例如硅烷醇封端的聚二甲基硅氧烷、硅烷醇封端的聚二苯基硅氧烷、二苯基硅烷醇封端的聚二甲基苯基硅氧烷、甲醇封端的聚二甲基硅氧烷、羟基丙基封端的聚二甲基硅氧烷和聚二甲基-羟基环氧烷甲基硅氧烷；分子链中具有氨基的聚硅氧烷，例如二(氨基丙基二甲基)硅氧烷、氨基丙基封端的聚二甲基硅氧烷、含有氨基烷基的T结构聚二甲基硅氧烷、二甲基氨基封端的聚二甲基硅氧烷和二(氨基丙基二甲基)硅氧烷；分子链中具有环氧丙基氧烷基的聚硅氧烷，例如环氧丙氧基丙基封端的聚二甲基硅氧烷、含有环氧丙氧基丙基的T结构聚二甲基硅氧烷、聚环氧丙氧基丙基甲基硅氧烷和聚环氧丙氧基丙基甲基二甲基硅氧烷共聚物；分子链中具有氯原子的聚硅氧烷，例如氯甲基封端的聚二甲基硅氧烷、氯丙基封端的聚二甲基硅氧烷、聚二甲基-氯丙基甲基硅氧烷、氯封端的聚二甲基硅氧烷和l,3-二(氯甲基)四甲基二硅氧烷；分子链中具有甲基丙烯酰氧基烷基的聚硅氧烷，例如甲基丙烯酰氧基丙基封端的聚二甲基硅氧烷、含有甲基丙烯酰氧基丙基的T结构聚二甲基硅氧烷和聚二甲基-甲基丙烯酰氧基丙基甲基硅氧烷；分子链中具有巯基烷基的聚硅氧烷，例如巯基丙基封端的聚二甲基硅氧烷、聚巯基丙基甲基硅氧烷和含有巯基丙基的T结构聚二甲基硅氧烷；分子链中具有烷氧基的聚硅氧烷，例如乙氧基封端的聚二甲基硅氧烷、一端具有三甲氧基甲硅烷基的聚二甲基硅氧烷和聚二甲基辛氧基甲基硅氧烷共聚物；分子链中具有羧基烷基的聚硅氧烷，例如羧基丙基封端的聚二甲基硅氧烷、含有羟基丙基的T结构聚二甲基硅氧烷和羧基丙基封端的T结构聚二甲基硅氧烷；分子链中具有乙烯基的聚硅氧烷，例如乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷、四甲基二乙烯基二硅氧烷、甲基苯基乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷、乙烯基封端的聚二甲基-聚苯基硅氧烷共聚物、乙烯基封端的聚二甲基-聚二苯基硅氧烷共聚物、聚二甲基-聚甲基乙烯基硅氧烷共聚物、甲基二乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷、乙烯基封端的聚二甲基甲基乙烯基硅氧烷共聚物、含有乙烯基的T结构聚二甲基硅氧烷、乙烯基封端的聚甲基乙氧苯基硅氧烷和环状乙烯基甲基硅氧烷；分子链中具有苯基的聚硅氧烷，例如聚二甲基-二苯基硅氧烷共聚物、聚二甲基-苯基甲基硅氧烷共聚物、聚甲基苯基硅氧烷、聚甲基苯基-二苯基硅氧烷共聚物、聚二甲基硅氧烷-三甲基硅氧烷共聚物、聚二甲基-四氯苯基硅氧烷共聚物和四苯基二甲基硅氧烷；分子链中具有氰基烷基的聚硅氧烷，例如聚二(氰基丙基)硅氧烷、聚氰基丙基甲基硅氧烷、聚氰基丙基-二甲基硅氧烷共聚物和聚氰基丙基甲基-甲基苯基硅氧烷共聚物；分子链中具有长链烷基的聚硅氧烷，例如聚甲基乙基硅氧烷、聚甲基辛基硅氧烷、聚甲基十八烷基硅氧烷、聚甲基癸基-二苯基硅氧烷共聚物和聚甲基乙氧苯基硅氧烷-甲基己基硅氧烷共聚物；分子链中具有氟代烷基的聚硅氧烷，例如聚甲基-3,3,3-三氟丙基硅氧烷和聚甲基-1,1,2,2-四氢氟辛基硅氧烷；分子链中具有氢原子的聚硅氧烷，例如氢封端的聚二甲基硅氧烷、聚甲基氢硅氧烷和四甲基二硅氧烷；六甲基二硅氧烷；和聚二甲基硅氧烷-环氧烷共聚物。许多聚硅氧烷作为防水剂在市场上销售，例如主要由聚二甲基硅氧烷(由Unelko供应)的SuperRain X和主要由末端基团被氯原子取代的聚二甲基硅氧烷(由Petrarch Systems Inc.供应)形成的Glass Clad 6C。这些聚硅氧烷可单独或联合使用。其它适合的聚硅氧烷为美国专利No.5,939,491中公开的有机聚硅氧烷，其通过引用特此整体并入。

适合的烷基硅烷包括但不限于正丁基三甲氧基硅烷、正癸基三甲氧基硅烷、异丁基三甲氧基硅烷、正己基三甲氧基硅烷和环己基甲基二甲氧基硅烷。烷基硅烷可单独使用或两种或更多种混合使用。可选地，可使用氟化疏水硅烷，例如具有氟和可水解硅烷的全氟化烷基、醚、酯、尿烷或其它化学部分。美国专利No.5,081,192；5,763,061；和6,227,485中描述了可用于涂覆凸起结构的其它示例性氟硅烷，其通过引用的方式特此整体并入。

凸起结构可完全涂覆或部分涂覆，例如与基底相对的凸起结构垂直末端。在一些实施方案中，用疏水涂层涂覆凸起纳米结构和基底。按约1nm至约30nm的厚度涂覆涂层。

如果结构由疏水材料制造，无需另外的疏水涂层。

通过使用已知方法测量一小滴污染液体和凸起超疏水结构阵列表面之间的接触角来定量超疏水性。在具体实施方案中，阵列的接触角大于约140°，或大于约150°，或大于约155°或大于约160°，或大于约165°或大于约170°，或大于约175°。

微生物

细菌细胞

在某些实施方案中，本文所述凸起结构可用于防止、抑制或减少细菌在基底上的附着。在示例性方法中，细菌为生物膜形成细菌。细菌可能为革兰氏阴性细菌种或革兰氏阳性细菌种。此类细菌的非限制性实例包括放线杆菌属(Actinobacillus)成员(例如伴放线放线杆菌(Actinobacillus actinomycetemcomitans))、不动杆菌属属(Acinetobacter)成员(例如鲍曼不动杆菌(Acinetobacter baumannii))、气单胞菌属(Aeromonas)成员、博代氏杆菌属(Bordetella)成员(例如百日咳博代氏杆菌(Bordetella pertussis)、支气管败血性博代氏杆菌(Bordetellabronchiseptica)或副百日咳博代氏杆菌(Bordetella parapertussis))、短芽孢杆菌属(Brevibacillus)成员、布鲁氏菌属(Brucella)成员、拟杆菌属(Bacteroides)成员(例如脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis))、伯克氏菌属(Burkholderia)成员(例如洋葱伯克氏菌(Burkholderia cepacia)或类鼻疽伯克氏菌(Burkholderia pseudomallei))、疏螺旋体属(Borelia)成员(例如博氏疏螺旋体(Borelia burgdorfen))、杆菌属(Bacillus)成员(例如炭疽杆菌(Bacillus anthracis)或枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis))、弯曲杆菌属(Campylobacter)成员(例如空肠弯曲杆菌(Campylobacter jejuni))、嗜二氧化碳噬细胞菌属(Capnocytophaga)成员、心杆菌属(Cardiobacterium)成员(例如人心杆菌(Cardiobacterium hominis))、柠檬酸细菌属(Citrobacter)成员、梭状芽胞杆菌属(Clostridium)成员(例如破伤风梭状芽胞杆菌(Clostridium tetani)或艰难梭状芽胞杆菌(Clostridium difficile))、衣原体属(Chlamydia)成员(例如沙眼衣原体(Chlamydia trachomatis)、肺炎衣原体(Chlamydia pneumoniae)或鹦鹉热衣原体(Chlamydia psiffaci))、埃肯菌属(Eikenella)成员(例如腐蚀埃肯菌(Eikenella corrodens))、肠杆菌属(Enterobacter)成员、埃希氏菌属(Escherichia)成员(例如大肠杆菌(Escherichia coli))、肠杆菌属(Entembacter)成员、弗朗西斯菌属(Francisella)成员(例如土拉弗朗西斯菌(Francisella tularensis))、梭杆菌属(Fusobacterium)成员、产黄菌属(Flavobacterium)成员、嗜血杆菌属(Haemophilus)成员(例如杜氏嗜血杆菌(Haemophilus ducreyi)或流感嗜血杆菌(Haemophilusinfluenzae))、螺杆菌属(Helicobacter)成员(例如幽门螺杆菌(Helicobacter pylori))、金氏菌属(Kingella)成员(例如金格杆菌(Kingellakingae))、克雷白杆菌属(Klebsiella)成员(例如肺炎克雷白杆菌(Klebsiella pneumoniae))、军团杆菌属(Legionella)成员(例如匹茨堡军团菌(Legionella pneumophila))、李斯特菌属(Listeria)成员(例如单核细胞增多性李斯特氏菌(Listeria monocytogenes))、钩端螺旋体属(Leptospirae)成员、莫拉氏菌属(Moraxella)成员(例如卡他莫拉菌(Moraxella catarrhalis))、摩根菌属(Morganella)成员、支原体属(Mycoplasma)成员(例如人支原体(Mycoplasma hominis)或肺炎支原体(Mycoplasma pneumoniae))、分支杆菌属(Mycobacterium)成员(例如结核分支杆菌(Mycobacterium tuberculosis)或麻风分支杆菌(Mycobacterium leprae))、奈瑟球菌属(Neisseria)成员(例如淋病奈瑟球菌(Neisseria gonorrhoeae)或脑膜炎奈瑟球菌(Neisseria meningitidis))、巴斯德菌属(Pasteurella)成员(例如出血败血性巴斯德菌(Pasteurellamultocida))、变形菌属(Proteus)成员(例如普通变形菌(Proteus vulgaris)或奇异变形菌(Proteusmirablis))、普雷沃菌属(Prevotella)成员、邻单胞菌属(Plesiomonas)成员(例如志贺邻单胞菌(Plesiomonasshigelloides))、假单胞菌属(Pseudomonas)成员(例如铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa))、普罗威登斯菌属(Providencia)成员、立克次体属(Rickettsia)成员(例如立氏立克次体(Rickettsia rickettsii)或地方性斑疹伤寒立克次体(Rickettsia typhi))、寡养单胞菌属(Stenotrophomonas)成员(例如嗜麦芽黄杆菌(Stenotrophomonasmaltophila))、葡萄球菌属(Staphylococcus)成员(例如金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)或表皮葡萄球菌(Staphylococcus epidermidis))、链球菌属(Streptococcus)成员(例如草绿色链球菌(Streptococcusviridans)、酿脓链球菌(Streptococcus pyogenes)(A族)、无乳链球菌(Streptococcus agalactiae)(B族)、牛链球菌(Streptococcus bovis)或肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae))、链霉菌属(Streptomyces)成员(例如吸水链霉菌(Streptomyces hygroscopicus))、沙门氏菌属(Salmonella)成员(例如沙门氏菌(Salmonella enteriditis)、伤寒沙门氏菌(Salmonellatyphi)或鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium))、沙雷氏菌属(Serratia)成员(例如粘质沙雷菌(Serratia marcescens))、志贺菌属(Shigella)成员、螺旋状菌属(Spirillum)成员(例如小螺菌(Spirillumminus))、密螺旋体属(Treponema)成员(例如苍白密螺旋体(Treponemapallidum))、韦荣球菌属(Veillonella)成员、弧菌属(Vibrio)成员(例如霍乱弧菌(Vibrio cholerae)、副溶血性弧菌(Vibrio parahaemolyticus)或变形弧菌(Vibrio vulnificus))、耶尔森氏菌属(Yersinia)成员(例如小肠结肠炎耶尔森氏菌(Yersinia enter ocolitica)、鼠疫耶尔森氏菌(Yersinia pestis)或假结核耶尔森氏菌(Yersinia pseudotuberculosis))和黄单胞菌属(Xanthomonas)成员(例如嗜麦芽黄单胞菌(Xanthomonas maltophilia))。

真菌细胞

在一些实施方案中，本文所述凸起结构可用于防止、抑制或减少真菌在基底上的附着。在示例性方法中，真菌为生物膜形成真菌。可使用本文所述方法控制的真菌种类包括但不限于曲霉属(Aspergillus)成员(例如，黄曲霉(Aspergillus flavus)、烟曲霉(Aspergillus fumigatus)、灰绿曲霉(Aspergillus glaucus)、构巢曲霉(Aspergillus nidulans)、黑曲霉(Aspergillus niger)和土曲霉(Aspergillus terreus))；皮炎芽生菌(Blastomyces dermatitidis)；念珠菌属(Candida)成员(例如，白念珠菌(Candida albicans)、光滑念珠菌(Candida glabrata)、热带念珠菌(Candida tropicalis)、近平滑念珠菌(Candida parapsilosis)、克鲁斯念珠菌(Candida krusei)和吉利蒙念珠菌(Candida guillermondii))；粗球孢子菌(Coccidioides immitis)；隐球菌属(Cryptococcus)成员(例如，新型隐球菌(Cryptococcus neoformans)、浅白隐球菌(Cryptococcus albidus)和劳伦氏隐球菌(Cryptococcus laurentii))；荚膜组织胞浆菌荚膜变种(Histoplasma capsulatum var.capsulatum)；荚膜组织胞浆菌杜波氏变种(Histoplasma capsulatum var.duboisii)；巴西副球孢子菌(Paracoccidioides brasiliensis)；申克孢子丝菌(Sporothrix schenckii)；伞枝犁头霉菌(Absidia corymbifera)；微小根毛霉(Rhizomucorpusillus)；和少根根霉(Rhizopus arrhizus)。

病毒细胞

在一些实施方案中，本文所述凸起结构可用于防止、抑制或减少病毒在基底上的附着。可使用本文所述方法控制的病毒种类包括但不限于巨细胞病毒(CMV)、登革热、巴尔病毒(Epstein-Barr)、汉滩病毒、人类T细胞白血病病毒(HTLV I/II)、细小病毒、A、B或C型肝炎病毒、人乳头瘤病毒(HPV)、呼吸道合胞病毒(RSV)、带状疱疹病毒、西尼罗河病毒、疱疹病毒、脊髓灰质炎、天花和黄热病病毒。

使用凸起结构

具有本文所述凸起结构的基底可用于抑制或减少微生物附着于基底上。此类表面可为任何表面，优选为易于微生物粘附的坚硬表面。预期表面的实例包括由一种或多种以下材料制成的坚硬表面：金属、塑料、橡胶、板材、玻璃、木材、纸、混凝土、岩石、大理石、石膏和陶瓷材料，例如瓷器，所述表面任选(例如)用油漆或釉质涂覆。

可使用复制模塑法用凸起部件处理基底以生产具有高长宽比凸起部件的表面。复制模塑法可用于形成可(例如)使用胶水或其它粘合剂贴至物品表面的薄片。复制模塑法也可用于形成直接具有经凸起部件处理的表面的物体。通过引用的方式特此整体并入的WO2009/158631中描述了关于适合复制模塑技术的更多详情。

在某些实施方案中，表面为医疗设备、仪器或植入物。非限制性实例包括钳子、镊子、剪刀、皮肤钩子、管(例如气管内管或胃肠管)、针、牵开器、刮器、钻、凿子、锉刀、锯、导管(包括留置导管(例如导尿管、血管导管、腹膜透析导管、中心静脉导管)、导管组件(例如针、Leur-Lok连接器、无针连接器))、矫形装置、人工心脏瓣膜、假体关节、发声假体、支架、分流器、起搏器、矫正钉、呼吸器、通气机和内窥镜。在一个或多个实施方案中，制备凸起结构并附于设备，例如医疗设备上。在其它实施方案中，将凸起结构直接模塑至设备结构中，或压印在设备表面。

图11为本发明一个或多个实施方案的图解。图11A描绘了具有由展现出凸起结构204的表面涂层203涂覆的表面202的医疗设备201的一部分的透视图。图11B描绘了具有包括凸起结构207的表面206的医疗设备205的一部分的透视图。图2B中，未用表面涂层涂覆设备，而是表面自身载有本文所述的凸起结构。如以上所讨论，将构建凸起结构以赋予设备抗微生物性质。

其它基底包括引流管、浴盆、厨房电器、工作台面、浴帘、薄泥浆、卫生间、工业化食品和饮料生产设备和地板的表面。其它表面包括海事结构，例如船、桥墩、石油平台、进水口、滤网和观察口。

在具体应用中，可将凸起超疏水结构贴在插入体内的医疗设备，例如手术器械或导管上，以防止外部环境中飞溅或暴露于污染溶液时此类设备受污染(例如，插入之前)。在紧急医疗情况下，包括军事环境中，其中不容易实现对无菌状态和清洁度的控制并且医疗仪器或植入物表面暴露于污染液体，被污染液体溅到或用污染液体洗涤，此表面处理可能尤其重要。

在以下实施例中进一步描述了本发明，以下实施例并不限制权利要求中描述的本发明的范围。

实施例

实施例1：图案化疏水表面的制造

使用按照Bosch工艺的照相平版印刷术由100mm硅片制造许多不同图案的表面，包括圆柱形柱阵列、蜂窝阵列、砖块阵列、盒阵列和沟阵列。下表列出了制造的5个具有给定尺寸的不同图案化表面。下表还列出了如以下所述用氟化化合物涂覆的某些表面的水接触角。

表1

通过使用0.5μm厚的S1805正性光刻胶的接触印刷来产生图案。制造单独的接触掩膜以在硅片上印刷60×60或40×40的正方形。然后使用Bosch工艺将图案蚀刻至硅片中，Bosch工艺用两个单独步骤产生垂直侧壁。因此，首先使用SF₆蚀刻Si，然后使用C₄F₈沉积氟聚合物的保护层以防止进一步的Si蚀刻。用相对于掩膜的某些底切部和波纹形成垂直侧壁。然后使用氧等离子体剥去光刻胶，并且用H₂S0₄/H₂0₂Piranha湿式蚀刻清洁晶片。对于具有亚微型结构的表面，使用投影光刻代替接触光刻。

也通过按照通过引用的方式特此整体并入的Pokroy等，AdvancedMaterials,2009,21,463中所述的软光刻法复制硅母料制造环氧(即，非硅)图案化基底。

为形成疏水表面，使用等离子体辅助化学气相沉积用一层薄(大约2nm)的氟化化合物(例如，十七烷基氟代--1,1,2,2-四-氢癸基-三氯硅烷)涂覆每个图案化表面。更特别地，在25℃下于真空箱中使氟化化合物从气相沉积在表面上10h。

通过SEM分析所有制造的图案化表面，并且用具有设计用于测量接触角的高分辨率相机的标准测角仪测定某些图案化表面上小水滴的接触角。

与用于本发明方法的那些相似的硅柱、蜂窝和砖块的SEM显微照片和关于制备图案化疏水表面的更多详情可在Krupenkin等，Langmuir,2004,20,3824-3827,Henoch等，AIAA Paper,2006-3192,San Francisco,CA，2006年6月和Ahuja等，Langmuir,2008,24,9-14中找到，通过引用的方式特此整体并入。

实施例2-使用电沉积制造凸起结构

使用之前用氧化铝柱纯化吡咯(Py)。磷酸盐缓冲盐水(PBS)缓冲液中0.08-0.14M吡咯与0.07M过氯酸锂(LiClO₄)的水溶液用于PPy的电沉积。典型三电极配置与Pt丝和网状对电极以及Ag/AgCl参比电极一起使用。在速率1mV/s下从0-0.5V开始到0.8-1.0V的线性扫描伏安法通常应用于样品表面，作为PPy薄膜生长的工作电极，接着在约0.85V下进行计时电流法以测量使纤维状PPy生长的附加时间。对于连续膜沉积，制备0.1M吡咯和0.1M十二烷基苯磺酸钠(Na⁺DBS^-)的水溶液并用干燥氮气吹洗10min。将具有作为工作电极的图案化金属电极的模板结构置于该溶液中，然后使用标准三电极配置对聚吡咯膜进行电化学沉积。在恒电位条件下对Ag/AgCl(用NaCl饱和)施加+0.55V的阳极电位并用铂网作为对电极。通过在整个沉积期间以恒定速率从溶液中取样来产生沉积聚吡咯膜厚度的梯度。用去离子水洗涤新沉积的聚吡咯层并使其风干。

将凸起结构设计为使其展现出增强的抗冲击和刮擦的机械强度。图9G中示出了柱阵列的加固凸起结构的实例。通过沉积不同厚度的PPy增加每个微型柱的底部直径。在这个特定实例中，通过从沿每个微型柱的方向对齐的蒸发源视线蒸发来沉积金属电极。由于扇形边(侧壁皱折)的存在，每个柱侧壁上的电极形成一系列独立环。因为PPy电沉积从底面发生，所以由新沉积的导电PPy膜电桥接这些独立环电极。因此，底部具有比顶部厚的PPy层并且使圆柱形柱变形为增强其机械性质的圆锥形柱。

实施例3-有力排除实验中凸起柱和闭孔结构上铜绿假单胞菌的 生长

进行了一系列证明实验以测试各种超疏水表面在暴露于细菌生长培养基溶液之后保持无菌的有效性。如图2中所示，载有具有宽度为5μm和1.5μm的柱的蚀刻Si和具有宽度为300nm的柱的环氧树脂(由Si源铸成)的凸起柱阵列结构的表面用作试验样品。氧等离子体处理后用疏水硅烷(十七烷基氟代-1,1,2,2-四氢癸基)三氯硅烷，Gelest)处理每个具有凸起柱结构的表面，并且为超疏水性(图2C-F)。相比之下还使用了两个平坦(未结构化)对照样品；清洁、亲水性Si(Si-C)和氟化、疏水性Si(Si-F)(分别于图2A和2B)。

使每个样品暴露于10mL铜绿假单胞菌流，铜绿假单胞菌在划线TB琼脂板中培养后，在TB培养基中生长12h(37℃，震荡器)至光密度(OD)为0.2。如图12A所示，使细菌培养基暴露于样品，从10mL滴管中连续流约5-7s。然后立即用PBS溶液冲洗暴露的样品，然后暴露面朝下置于新鲜琼脂板上10min，如图12B所示。然后从琼脂板上将每个样品移开，并且使板留在室温或37℃下12h。

定性地，图13-16中示出了琼脂板的结果。图13A-B显示Si-C和Si-F对照样品在污染琼脂板中产生非常明显的细菌菌落区域(37℃)，并且对于Si-C(疏水)样品而言尤其如此。图14描绘了具有未图案化(平坦)和图案化凸起柱阵列表面的基底在污染液体飞溅且暴露于琼脂板过夜之后的图像，显示与图案化表面相对应的区域大体上无微生物，而与平坦表面相对应的区域具有显著的微生物生长。

图15描绘了暴露于污染液体流后的细菌生长实验，为凸起柱宽度的函数。图15A描绘了载有在琼脂板上远端宽度(“直径”)为300nm的柱的凸起结构的基底的图像(顶部)和过夜培养后琼脂板的图像(底部)。如该图所示，被平坦边界区围绕的300nm柱样品具有细菌生长显著的极其独特边界区，但是在300nm柱所定位的中心区域根本没有生长发生。图15B描绘了载有远端宽度(“直径”)为1.5μm的柱的凸起结构的基底的图像(顶部)和过夜培养后琼脂板的图像(底部)。该图显示对于室温琼脂板而言，1.5μm柱样品显示出极其独特的“边界”区；菌落非常匹配该图案的线性边缘，表明非润湿区域保持无菌并且不允许任何细菌污染琼脂。图15C描绘了载有远端宽度(“直径”)为5μm的柱的凸起结构的基底的图像(顶部)和与基底过夜培养后琼脂板的图像(底部)。在该图中，非常明显在蚀刻图案化区域周围的平坦未蚀刻Si边界上有显著菌落生长，表明平坦润湿区域的污染比图案化非润湿区域更多。然而，琼脂板中明显有一些来自非润湿区域的小菌落。

图16显示壁宽度为1.3微米的闭孔结构在污染液体飞溅后也保持无菌。同样，与图案化表面相对应的区域无微生物，而与平坦表面相对应的区域有显著微生物生长。

这些结果表明动态条件(例如污染液体出飞溅、倒出或撒出)下有力排除实验中的细菌附着为超疏水表面结构的部件尺寸的函数。发现似乎仅1.5μm和300nm的柱引起细菌附着的完全缺乏，意味着对于区域中一定(小)程度的表面附着而言，5μm直径柱足够大。因此，为了在污染液体飞溅之后无菌，超疏水表面应具有宽度小于细菌本身的柱，即，对于铜绿假单胞菌情况而言小于约2μm。原位观察在非润湿小滴的气-液界面的细菌游动（使用水浸镜头和相位对比成像）也在一定程度上也证实对于5μm柱而言出现零星细菌附着在柱上，对于300nm和1.5μm柱而言根本无附着。在细菌附着于超疏水表面的控制中绝对部件尺寸(即柱直径)是重要参数，并且不仅仅是传统用于表征超疏水表面的固体面积分数。因此，超疏水性的单独存在和小滴离开表面的能力不足以确保接触时不存在细菌粘附。

实施例4-以物理方式排除凸起结构上枯草芽孢杆菌的生长

枯草芽孢杆菌也以尺寸小于枯草芽孢杆菌细胞的最长尺寸的间隔在凸起结构阵列上生长。在室温下将包含直径300nm，节距为0.9μm的柱的Si基底浸入含有MSgg生长培养基的枯草芽孢杆菌(JH642菌株)培养物中12h，然后用PBS冲洗。如图7B中SEM成像所示，发现细胞仅在尖端堆积，并且相互分离。表面接触有限并且下面可达多孔体积大，可通过机械或化学方法，或其组合比从平坦表面更容易地去除这些细胞。

实施例5-以物理方式排除凸起结构上大肠杆菌的生长

研究了凸起柱阵列上生长的大肠杆菌的排列。在室温下将包含直径300nm，节距为0.9μm的柱的Si基底浸入含有TB生长培养基的大肠杆菌(ZK2686菌株)培养物中12h，然后用PBS冲洗。如图17中所示(右侧图像)，当柱之间的间距和柱的宽度均小于大肠杆菌的最小尺寸时，冲洗后没有发现大肠杆菌留在柱顶部。在这些结构上生长的细菌的粘附减少并且比从可观察到许多细胞的平坦表面(左侧图像)更容易分离/去除。

等同专利

应理解，虽然连同其详细说明描述了本发明，但是前述说明旨在说明并不限制本发明范围，本发明范围由所附权利要求的范围限定。其它方面、优点和修改在以下权利要求的范围内。

Claims (39)

1.一种具有抗生作用的表面的物品，所述表面包括：

基底；和

在所述基底一面上的多个凸起结构，所述凸起结构由结构间间距、其底端宽度及其远端宽度限定；

其中

所述远端宽度小于约50μm，其中选择所述远端宽度为小于接触所述物品的污染液体源中微生物最大尺寸的5倍，并且

所述表面是超疏水的。

2.一种具有抗生作用的表面的物品，所述表面包括：

基底；和

在所述基底一面上的多个凸起结构，所述凸起结构由结构间间距、其底端宽度及其远端宽度限定；

其中

所述远端宽度小于约50μm，其中选择所述远端宽度为小于接触所述物品的污染液体源中微生物最大尺寸的5倍；

所述结构间间距小于约5μm；并且

选择所述结构间间距为小于所述微生物的最大尺寸。

3.根据前述权利要求中任一项所述的物品，其中所述远端宽度小于约20μm。

4.根据前述权利要求中任一项所述的物品，其中所述远端宽度小于约5μm。

5.根据前述权利要求中任一项所述的物品，其中所述凸起结构是氟化的。

6.根据前述权利要求中任一项所述的物品，其中所述表面的接触角范围为约140°至约180°。

7.根据前述权利要求中任一项所述的物品，其中所述底端宽度大于所述远端宽度。

8.根据前述权利要求中任一项所述的物品，其中所述表面有效无菌。

9.根据前述权利要求中任一项所述的物品，其中选择所述远端宽度为小于接触所述物品的污染液体源中微生物最大尺寸的3倍。

10.根据前述权利要求中任一项所述的物品，其中在所述基底上所述远端宽度一致。

11.根据前述权利要求中任一项所述的物品，其中在所述基底上所述远端宽度改变。

12.根据前述权利要求中任一项所述的物品，其中所述凸起结构为柱。

13.根据权利要求12所述的物品，其中所述柱的横截面形状为圆形、椭圆形、多边形、“S”形并且形状为圆柱形、圆锥形、金字塔形或随机形状。

14.根据权利要求12所述的物品，其中所述柱的横截面为分支T形、Y形、X形或I形。

15.根据权利要求1-11中任一项所述的物品，其中所述凸起结构限定沟或槽。

16.根据权利要求15所述的物品，其中所述沟或槽为圆底的。

17.根据权利要求1-11中任一项所述的物品，其中所述凸起结构限定闭孔结构。

18.根据权利要求17所述的物品，其中所述闭孔结构为蜂窝或砖块。

19.根据权利要求17所述的物品，其中所述闭孔结构为圆底的。

20.根据前述权利要求中任一项所述的物品，其中所述凸起结构在所述基底的一面上以有序排列垂直定向。

21.根据权利要求1或3-20中任一项所述的物品，其中

所述结构间间距小于约5μm；并且

选择所述结构间间距为小于所述微生物的最大尺寸。

22.根据前述权利要求中任一项所述的物品，其中所述底端宽度大于所述远端宽度大于约1:1的因数。

23.根据权利要求22所述的物品，其中所述比例大于约2:1。

24.根据权利要求22所述的物品，其中所述比例大于约10:1。

25.根据权利要求2所述的物品，其中所述表面是超疏水的。

26.根据权利要求2所述的物品，其中所述表面不是超疏水的。

27.根据前述权利要求中任一项所述的物品，其中所述物品为医疗设备。

28.根据权利要求27所述的物品，其中所述医疗设备选自钳子、镊子、剪刀、皮肤钩子、管、针、牵开器、刮器、钻、凿子、锉刀、锯、导管(包括留置导管、导管组件)、矫形装置、人工心脏瓣膜、假体关节、发声假体、支架、分流器、起搏器、矫正钉、呼吸器、通气机和内窥镜。

29.根据权利要求1-26中任一项所述的物品，其中所述物品选自引流管、浴盆、厨房电器、工作台面、浴帘、薄泥浆、卫生间、工业化食品和饮料生产设备和地板。其它表面包括海事结构，例如船、桥墩、石油平台、进水口、滤网和观察口。

30.一种抑制微生物附着于基底上的方法，所述方法包括：

使根据前述权利要求中任一项所述的物品与污染液体短暂接触，从而抑制所述微生物附着于所述基底上。

31.根据权利要求30所述的方法，其中所述微生物是具有长度和横径的外观化微生物。

32.根据权利要求30所述的方法，其中所述远端宽度小于所述微生物的约横径。

33.根据权利要求30所述的方法，其中所述远端宽度小于约1μm。

34.根据权利要求30所述的方法，其中每小滴所述污染液体接触所述物品少于约5min。

35.根据权利要求30-34中任一项所述的方法，其中所述微生物为细菌、病毒或真菌。

36.根据权利要求35所述的方法，其中当所述宽度小于所述细菌、真菌或病毒细胞尺寸的约3-5倍时，所述表面在动态条件下在有力排除期间减少细菌、真菌或病毒的附着。

37.根据权利要求35所述的方法，其中当所述部件宽度小于所述微生物的尺寸时，所述表面在动态条件下在有力排除期间保持完全无菌。

38.根据权利要求35所述的方法，其中当所述结构间间距小于所述细菌、真菌或病毒的最小尺寸时所述表面在静态条件下以物理方式排除细菌，并且然后所述微生物以有限接触附着于所述凸起结构的尖端。

39.根据权利要求35所述的方法，其中当所述宽度和所述结构间距离小于所述细菌、病毒或真菌的最小尺寸时，所述表面在动态或静态暴露下有力地并且以物理方式排除细菌、真菌或病毒。

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