CN108697416B - 包括微结构化表面的低法向力牵开器械 - Google Patents

Abstract

本公开提供包括微纹理化表面的手术牵开器。该手术牵开器包括牵开器的一个或多个部分上的微纹理化表面，由此有利地向湿组织表面提供固定或定位力，同时防止或最小化对组织的损伤或创伤。

Description

包括微结构化表面的低法向力牵开器械

相关申请

本申请要求于2015年10月5日提交的美国临时申请号62/237,448的利益，其内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开涉及包括微纹理化表面的手术牵开器。该手术牵开器包括牵开器的一个或多个部分上的微纹理化表面，从而有利地向湿组织表面提供固定或定位力，同时防止或最小化对组织的损伤或创伤。

背景

有许多天然和人造的物体，其特征在于具有包围精细结构的相对耐久的表面，该精细结构会被在耐久表面法向施加的力不利地改变，并且不会被在耐久表面切向或平面内施加的力改变。因此，在本领域中需要牵开器械，其允许这些物体被固定、重新定位或定位，而不会由于牵开器施加的力而引起内部损坏。

非限制性的例子是在诸如手术的医疗程序期间对活组织的牵开。在这些程序中，经常需要牵开器官以到达待处理或观察的靶器官或组织。在其他程序中，为了到达待处理或观察的器官或组织，必须将待处理的器官与其周围的组织分开。例如，为了能够观察心脏的外表面，必须将其与心包分开。为了获得必要的牵开，目前的腹腔镜程序使用通过多个切口插入的几个小牵开器。因为这种牵开器具有相对较小的表面积，所以它们倾向于通过施加局部法向力而对牵开的器官或组织造成损伤和/或引起创伤。

Wenzel、Cassie和Wenzel-Cassie状态描述了表面界面处混合物的疏水和亲水组分之间的润湿现象。Cassie-Baxter模型描述了气体环境中固体纹理化表面与水的相互作用。在这个模型中，空气被捕集在纹理化表面的微槽中，水滴停留在包括空气和微凸起顶部的复合表面上。在多重纹理尺度(scale)之间的分形维数(fractal dimension)的重要性得到了充分的认识，并且许多方法都基于分形贡献，即不同尺度纹理之间的维数关系。

然而，无论使用的材料(有机或无机)和表面纹理的几何结构(颗粒、棒阵列或孔)如何，都需要多重纹理尺度结合低表面能来获得所谓的超疏水性表面。超疏水性被多处地报道为材料表现出与水的接触角大于平滑但强疏水性材料可获得的接触角。超疏水性物质最小接触角的一般共识是150度。

疏水性表面排斥水。例如，可以通过确定表面上的水滴的接触角来测量表面的疏水性。接触角可以在静态或动态下测量。动态接触角测量可以包括确定相对于诸如水滴的附着物质的前进接触角或后退接触角。在前进和后退接触角之间具有小差异(即，低接触角滞后)的疏水性表面导致对平面内平移具有低抗性的表面(低附着性)。水穿过具有低接触角滞后的表面可以比穿过具有高接触角滞后的表面更容易，因此接触角滞后的大小可以等同于移动物质所需的能量的量。

对于表面纹理研究的来自自然的经典动机是荷叶，由于具有凸起细胞乳头和随机取向的疏水蜡小管的分级结构，荷叶具有超疏水性，其具有与水的高接触角和低接触角滞后，并显示强的自清洁性质。较少了解的来自自然的动机是红玫瑰花瓣，具有被周向设置和轴向定向的脊装饰的凸起细胞乳头的分级结构，其具有中等的接触角和高的角度接触差异。

接触角是直接与纹理化表面接触的水量的量度，而接触角滞后是水可在表面上流动的程度的量度。这些状态中每一种的进化动机都非常明显。在荷叶和通常的植物叶片的情况下，与水的接触最少和水的高流动性导致水优先附着于颗粒污染物，污染物随着水的流失从叶片清除。这有助于减少表面污染物对光的吸收量，并提高光合效率。在玫瑰花瓣和通常的植物花瓣的情况下，大多数传粉者被吸引到高张力水源，高张力水源容易获取而不淹没昆虫。因此，在进化刺激是植物繁殖的情况下，高接触角与高接触角滞后配对是优选的，并且在进化刺激是代谢和生长的情况下，高接触角与低接触角滞后配对是优选的。

暂时考虑单一的纹理尺度，当水被放置在纹理化表面上时，它可以处于纹理的峰上或者吸入谷中。前者称为Cassie状态，后者称为Wenzel状态。当Wenzel状态占优势时，接触角和接触角滞后都随表面粗糙度增加而增加。然而，当粗糙度系数超过临界水平时，接触角继续增加，而滞后开始下降。此时，由于在表面和水滴之间的界面处疏水组分(在这种情况下为空气)的量增加，主要润湿行为改变。当采用多重纹理尺度时，有些可以是Wenzel，其他为Cassie。在这两个状态中，Wenzel状态具有较低的接触角，较高的接触角滞后和较低的流动性。在混合的Wenzel-Cassie状态下，可能具有高接触角和高接触角滞后。然而，纹理化固体相对于相互作用的疏水性和亲水性组分的疏水性是非常重要的。

在植物界，大多数纹理化的表面都出现在疏水性基材上。但是，当疏水性流体代替水时，Cassie状态可以很容易地转换为Wenzel状态。情况并非总是如此，并且取决于疏水性材料的蒸气压和粘度，以及被捕集在表面纹理中的空气多快能够被消散。

已经进行了各种尝试以获得疏水性涂层和表面，如下所述：美国专利号6,994,045描述了用作很低粘度的气体润滑剂的基材的超疏水性涂层具有表面的分级分形结构，其中第一分级水平的形式位于涂层的基材，并且每个连续分级水平的形式位于前一分级水平的表面上，且各较高分级水平的形式重复较低分级水平的形式。美国专利号7,419,615公开了通过将疏水性材料与可溶性颗粒混合形成混合物而形成超疏水性材料的方法。美国专利号7,887,736公开了使用模板重复印刷的超疏水性表面，从而可以经济地实现在大面积上大规模生产超疏水性聚合物。美国公开号20030147932公开了具有防污性质的自清洁或荷花效应表面。美国公开号20060029808公开了涂层，其可以在浸入水中一周后保持超疏水性。美国公开号20080015298公开了超疏水性涂料组合物。美国公开号20080241512公开了在给定表面上的不同位置沉积材料层以提供超亲水性表面性质或超疏水性表面性质或这些性质的组合的方法。美国公开号20090011222公开了应用荷花效应材料作为用于各种系统应用的超疏水性保护涂层的方法，以及制造/制备荷花效应涂层的方法。美国公开号20090076430公开了绷带，其包括可透气的材料，该材料具有第一表面和多个附着于第一表面的超疏水性颗粒。该材料可以具有与亲水性的第一表面相对的第二表面。美国公开号20090227164公开了非织造材料的超疏水性涂层涂覆有在微米和纳米范围内的海绵网状结构。美国公开号20100112286公开了在人工结构化的超疏水性表面上控制和切换液滴状态。美国公开号20100021692公开了提供制造多尺度(分级)超疏水性表面的方法。该方法包括以三种大小尺度，以类分形或伪类分形的方式对聚合物表面进行纹理化，最低尺度是纳米尺度，最高尺度是微米尺度。美国公开号20100028604公开了超疏水性结构包括基材和布置在基材的至少一个表面上的分级表面结构，其中分级表面结构包括微结构，微结构包括在基材的至少一个表面上以间隔几何图案布置的多个微凸凹。美国公开号20110077172公开了局部沉积材料的方法，并且包括包含凸起表面结构的超疏水性基材。

因此，本发明的目的是提供低法向力牵开器，其在与湿的活组织接触放置时产生附着性的Cassie和Wenzel状态。

概述

本公开涉及通过应用低滑动微纹理化表面来机械地牵开表面或物体的低法向力牵开器械。在其最简单的实施方案中，牵开器械包括用于牵开物体的一个或多个臂、颚或触手。这些特征将被统称为“臂”。在某些情况下，臂在法向上柔软且具有柔性，并且在切向上基本上不可扩张。在其他实施方案中，一个或多个臂可以是刚性的以便提供提升或支撑功能，这种刚性臂通常将具有较大的表面积以最小化在提升或保持应用期间每单位表面积的法向力。

在其他实施方案中，牵开器械可以由具有微纹理化表面的单个柔性臂构成，特别可用于围绕待牵开的物体。在这种情况下的牵开可以包括将物体的一部分折叠在同一物体的另一部分上并且将折叠的物体保持在该构型。当牵开器械是单个柔性臂时，其可以进一步配备有其他紧固特征，例如可用于将臂锚定到外部锚定结构的孔或钩。这些附加的紧固特征可用于将两个或更多个单臂牵开器联接在一起。这些附加的紧固特征可以包括但不限于可锁定的抓紧器，例如钳子或镊子。

在以下描述中，术语“微纹理化表面”将用于表示具有分级结构的表面，该分级结构包含各种空间尺度的微结构，该微结构叠加以形成具有在至少两个空间尺度上的纹理的单个表面。在一些实施方案中，微纹理化表面包括三个、四个或更多个空间尺度，优选三个或四个空间尺度。可用于本牵开器的微纹理化表面的实例包括类似于天然玫瑰花瓣纹理的超疏水性表面。其他例子包括与活组织的接触滞后大于5度的表面。这些表面的特征是当微纹理化表面与潮湿或光滑的表面接触时产生Wenzel-Cassie界面。其他分级微纹理化表面包括类似于荷叶表面纹理的表面，其中界面是Cassie-Baxter型界面。

微纹理化表面可以包括上述玫瑰和荷花表面纹理的混合物，其中一部分是玫瑰状的，而其他部分是荷花状的，以获得“玫瑰荷花”表面。本发明的臂可以在一侧具有荷花表面而在另一侧具有玫瑰表面。在下面的描述中，“法向力”一词将用于表示每单位表面积的力，或压力，其中力与表面区域正交或成法向。表面区域通常指的是微纹理臂的纹理化表面区域，法向力指通过与待牵开物体接触而施加的正交于臂的纹理化表面的力。因此，通常可以通过增加臂的表面积来减小法向力。在一些情况下，能够改变微纹理化臂的表面积可能是有用的。因此，该臂可以具有波纹结构，该波纹结构可以制成具有较小的波纹以增加臂的表面积。其他牵开器包括臂的膨胀或扩张。在其他实施方案中，增加面积的区域与其中微结构空间尺寸没有通过增加臂的表面积的作用而改变的微结构化区域去隔离。膨胀方面可能被用来改变微纹理化臂的刚性，或改变其形态。例如，两个微结构化臂的膨胀可被设置为产生钳夹运动，提供所施加的法向力的改变。

根据本发明的不同方面，根据本发明的微纹理化牵开器械采用不同的方式来保持其提供牵开的能力，同时为其他仪器提供达到待处理或观察的物体的通路。根据本发明的一个方面的微纹理化牵开器械(这种牵开器械通常被指定为I型牵开器械)仅通过Wenzel-Cassie作用提供牵开，其中微纹理化表面通过疏水性相互作用自然地将其自身与湿表面附着。I型器械通常具有固定的机械性质，例如弹性、刚性、模量等。II型器械包括用于改变这些特性和臂之间关系的辅助组件。例如，通过膨胀使使一个臂硬化或使两个臂处于优选取向。膨胀包括气体和液体膨胀。在气体膨胀中，压力受到控制，而在液体膨胀中，体积受到控制。复合膨胀结构是可能的。第一膨胀室可以形成在管形微纹理化臂的两个相对表面之间，其中相对表面之间的桥接结构在膨胀下保持大致平坦的带形微纹理化臂。附加的可膨胀室，在微纹理化臂的第一室内形成内部较小的管形结构。在膨胀下，该第二室可以为微纹理化的臂提供优选的弯曲结构。第二可膨胀室通常在牵开器械的主要可膨胀室已经膨胀，并且牵开器械已经产生了其期望的牵开效果之后膨胀。这种附加的可膨胀室比主要的可膨胀室更小且力量更小。单独使该附加的室膨胀并不总是产生足够的力来提供期望的器官牵开。然而，膨胀的附加的室提供足够的力来维持被更有力的主要的可膨胀室牵开的物体处于其牵开位置。因此，在主要的可膨胀室的牵开效果已经通过在主室的封套中穿孔以提供通向待处理物体的通道而被破坏之后，附加的可膨胀室能够保持牵开器械的牵开效果。

根据本发明的另一方面，根据本发明的I型或II型牵开器械可以提供有附着到器械的微纹理化臂的表面的突片。用合适的夹持工具夹持突片以调节牵开器械相对于待处理的组织的位置和取向。

根据本发明的另一方面，I型或II型牵开器械当在驱动之前处于其第一状态时，可以在其表面上提供有标记以有助于在驱动之前正确取向，或可以提供有用于指示不同表面纹理的区域的类似标记。根据本发明的另一方面，I型或II型牵开器械可以具有波纹表面，其中波纹的一种构型提供附着性Wenzel-Cassie表面并且在另一种波纹构型中提供低摩擦的Cassie-Baxter表面。如果在Wenzel-Cassie状态下试图释放，可以使用此特征以减少对物体的潜在损坏的方式释放牵开的物体。例如，I型器械可以处于第一附着状态，并且随后通过对微纹理化臂施加切向伸展运动而使微结构臂不可逆地变形而成为非附着的。在II型器械中，通过膨胀作用可以可逆地实现相同的效果。

根据本发明的另一方面，在根据本发明的牵开器械中，臂可以结合有抽吸管以用于移除在牵开部位处的自由液体。或者，微结构化臂可以装配有用于这种抽吸管的附件。在外科手术过程中牵开的情况下，抽吸方面与手术室抽吸管线连接，并允许在腹腔镜手术过程中连续或间歇排出在由牵开器械产生的手术腔底部收集的流体。

附图的简要说明

图1是本发明的超疏水性Wenzel-Cassie表面实施方案的横截面图；

图2是根据本发明第二实施方案的带状II型可膨胀牵开器械的透视图；

图3是根据本发明第三实施方案的装配有抽吸装置的I型牵开器械的透视图。

图4描绘了可用于低法向力牵开器的微结构化表面。

图5描绘了低法向力牵开器表面的第一实施方案。

图6描绘了具有反面的第二实施方案。

图7A-7D描绘了具有各种正弦波形图案的基材710的选择，所述正弦波形图案提供跨越基材710的可选的弯曲表面纹理特征。

图8描绘了根据本公开的基材上的微结构化表面的实施方案的侧视图，其具有布置在基材的表面上的第二组特征。

图9描绘了根据本公开的薄基材上的微结构化表面的另一个实施方案的侧视图。

图10描绘了具有第四组微特征的微结构化表面的透视图。

图11描绘了具有第四组微特征的微结构化表面的示意性顶视图。

图12是根据本发明另一实施方案的混合玫瑰荷花I型牵开器械的透视图。

图13是根据本发明另一实施方案的波纹II型牵开器械的透视图。

图14是根据本发明另一实施方案的面积改变的II型牵开器械的透视图。器械1400具有表面纹理1414并且可以处于两种构型1410和1412中。构型1410是具有与平坦表面接触的最大表面积的平坦构型，并且构型1612是具有最小表面积的膨胀构型。因此，当在构型1710中时，器械1700是附着性的，并且在构型1412中时，它更容易滑动。膨胀构件1416使得器械1400在加压时转变成构型1412。

图15是根据本发明第六实施方案的混合的面积改变的I型牵开器械1500的侧视图，其中纹理化面积1514不变。器械1500呈现两个双稳态构型1510和1512。在构型1510中，玫瑰花瓣纹理1514是提供给器械1500要附着到的另一表面的唯一表面。构型1510中的接触表面积是1514的面积的总和。区域1516是平滑的，并且构型1512的面积大于构型1510的面积。构型1512的面积是区域1514和1516的总和。通过沿方向1518拉构型1510来实现构型1512。

图16是根据本发明第七实施方案的钳夹运动II型牵开器械1600的透视图。器械1600具有松弛的顺应状态1610和刚性夹紧状态1612。通过膨胀装置1616实现从状态1610到状态1612的转变。特征1614包括玫瑰花瓣附着性表面。

图17描绘了包括臂的牵开器，所述臂具有布置在其一部分上的本公开的微纹理化表面。

发明详述

为了促进对本发明原理的理解，现在将参考附图中示出的实施方案并且将使用特定的语言来描述这些实施方案。然而应该理解的是，不打算由此限制本发明的范围，所示出的器械中的这种变更和进一步修改以及如其中所示的本发明原理的这种进一步应用被认为是对于本发明涉及的领域中的技术人员而言通常会想到的。将描述和示出本发明的至少一个实施方案，并且本申请可以示出和/或描述本发明的其他实施方案。应理解的是，除非另有说明，对“本发明”的任何提及是对一类发明的实施方案的提及，没有单个实施方案包括必须包括在所有实施方案中的设备、方法或组合物。

I型设备

图1示出了根据本发明的牵开器械的第一实施方案100的垂直视图。这种类型的牵开器械在其机械和几何方面是基本上固定的，并将被指定为I型牵开器械。该牵开器械被示出为处于其平坦状况，并且可以理解的是，该器械具有足够的柔性，以使其能够与要牵开的物体的表面顺应。牵开器械100包括第一侧面102和第二侧面104。牵开器械100由诸如聚丙烯、聚乙烯或聚氨酯的塑料的相对非弹性且坚韧的膜制成。优选的材料是聚乙烯和尼龙复合材料。牵开器械100的厚度通常为0.5至5mm。表面纹理106包括大尺度结构108，中间尺度结构110和微尺度结构112。微尺度结构112叠加在中间尺度结构110上，并且该组合叠加在大尺度结构108上。大尺度结构108具有100至1000微米的特征尺寸。中间尺度结构110具有25至100微米的特征尺寸。微尺度结构112具有1至25微米的特征尺寸。

通常，牵开器械的大小和形状取决于应用。例如，在手术应用中，根据本发明的牵开器械的大小可以在用于心包内的约2"(50mm)长乘以约0.5"(12mm)宽至用于腹腔内的10"14"(250-350 mm)长乘以2"8" (50-200 mm)宽的范围内。给定应用所需的牵开器械的大小取决于应用和患者的大小。

II型牵开器械

II型牵开器械的基本实施方案包括单个膨胀室。在替代实施方案中，单个室可以被分成多个分室。这些分室彼此隔离，以便如果在使用牵开器械时它们中的一个或多个被意外刺破，则可以避免牵开器械全部放气。每个分室可以配备自己的附加膨胀管。或者，每个分室可通过止回阀连接到膨胀歧管。该歧管设置要求每个分室分别放气，以准备在处理程序结束时将牵开器械从身体抽出。这些相互连接或分开的分室的主要优点是在膨胀下限定优选几何形状。

图2是具有多个膨胀室的II型器械200的透视图。主外壳202由诸如聚丙烯、聚乙烯或聚氨酯的塑料的相对非弹性且坚韧的膜制成。主外壳的优选材料是聚乙烯和尼龙复合材料。主外壳202的壁厚204通常为0.5至5密耳(13至130微米)。当膨胀时，微结构化臂200的器械厚度206为1mm至5mm。器械厚度206由形成各个分室212的非弹性构件208的高度210限制。分室212延伸至歧管214。空气或液体压力由管216输送。输送管216可以是具有在1mm到5mm范围内的直径218的小的并且柔性的管。主膨胀管216允许膨胀气体进入和流出分室212。膨胀气体通常是空气、氮气或二氧化碳，但也可以使用其他合适的气体。膨胀液体通常是生理盐水。典型的膨胀气体压力在0.3至0.7psi(0.21至0.48Pa)的范围内，优选的压力为0.5psi(0.35kPa)。一旦器械200完全膨胀，膨胀气体压力可降低至约0.3psi(0.21kPa)。

I型和II型器械的附加特征

抽吸方面

根据本发明的另一方面，根据本发明的牵开器械可以在当牵开器械布置在具有液体存在的空腔中时牵开器械最下面的部分上配备管状抽吸部分。图3显示了连接有抽吸特征的I型器械。本发明的这个方面的抽吸部分可以与I型和II型牵开器械一起使用。当牵开应用于空腔环境时，通常使用冲洗。冲洗用来清除碎片。在手术应用的情况下，碎片由血液和凝结成分组成。这种流体收集在由牵开器械产生的体内空腔的底部并需要清除。抽吸部分302与微结构化的牵开器300成一体。牵开器械300的底部连接到抽吸管线302，并且在处理程序期间移除这种流体，从而保持空腔没有积聚的流体。在所示的示例中，抽吸部分302是附接到牵开器械的最下端的管状附件。抽吸部分可以由聚乙烯尼龙复合材料制成，聚乙烯尼龙复合材料是用于牵开器械主体的优选材料。这种材料具有足够的回弹性，使得由其制成的管状结构可以在低真空下保持其开放横截面。抽吸部分302的一端封闭；另一端连接到薄壁聚乙烯管304，所述薄壁聚乙烯管304在牵开器械的侧面向上延伸，以通过递送牵开器械所通过的相同切口离开身体。通过孔306将抽吸递送到手术部位。

弯曲的牵开器械

曲率可以形成在带状微结构化牵开器臂内。例如，曲率可以具有显著小于牵开器的长度的曲率半径，使得当处于松弛状态时，臂自身卷曲至少1次。预先形成的曲率半径以及所用材料的刚度决定了当封闭在牵开器中的物体大于曲率半径时的法向力。在大多数情况下，法向力与物体直径与牵开器曲率半径之比成正比。

参考图4，本发明的低法向力牵开器表面400的表面通常具有包括大尺度结构402的分级表面，具有多个凸起404和凹陷406布置在基材408的至少一个表面上的几何图案中，并且设置在大尺度水平结构402的至少一个表面上的中等尺度结构410包含凸起412。小尺度结构414类似地包括设置在中等尺度结构410上的凸起416和凹陷418。大尺度的凸起404应该足够高，使得疏水/亲水性接触混合物的亲水组分不会接触相邻凸起404之间的大尺度凹陷。在图4的实施方案中，大尺度凸起404可包括约25至约1000微米的高度H和约25至约2000微米的直径D，其中由凸起404覆盖的基材408的表面积分数可以为约0.1到约1.0。中等尺度的凸起412可包括5至约25微米的高度420以及5至约50微米的直径422，其中由凸起412覆盖的基材408的表面积分数可以为约0.1至约0.9。小尺度结构414可以主要布置在中等尺度结构412上。分级结构的设置可以是几何的，并且通常可以用数学方程来描述。或者，分级结构可以随机布置，可能具有变化的间距(pitch)，这对于天然结构是更典型的。分级结构的设置通常可以用分形维数来描述。

分形维数是统计量，它表明当在多个空间尺度上考察结构时，结构的集合显示多么完全地填充空间(在本发明情况下为平面)。指定具有统计性质的分形维数并不一定表示分级结构由数学方程良好定义。通常，特定尺度内的结构的随机设置比其中结构在表面上的所有点处以数学方式描述的设置具有更高的分形维数。因此，随机结构在本发明的附着性表面与天然表面相互作用时具有更大的功效方面可能具有优势。在特定空间尺度内的较高分形维数可以通过将多间距设置应用于基材来实现。凸起和凹陷可以相对于局部间距局部地缩放。因此，间距可以在尺度结构内变化。在较高分形维数结构的实际实现中，间距的变化可以通过数学方程来描述，例如间距的正弦变化，其具有模拟自然表面的功效。

通常，结构可以被描述为尖锐边缘的或圆形的，并且该特征通常不是通过分形维数获取。上述描述性参数未涉及的另一个结构方面是结构之间的连通程度。连通意味着诸如凸起或凹陷的结构具有比间距更大的空间范围。例如，围绕凸起的谷可以连接到围绕另一个凸起的另一个谷，因此凹陷被称为是连通的，而凸起不是。连通的范围可以从1到约1000，更具体地说，连通可以在基材的整个表面上延伸。这些结构的构建目的是当本发明的低法向力牵开器与疏水/亲水性接触混合物接触时，在多个尺度上产生Wenzel和Cassie状态。

相互作用的尺度由本发明的低法向力牵开器的表面纹理来定义，并且通常是分级的，并且以至少两个空间尺度为特征，一个为微米级(微米)，另一个为百微米级。表面纹理可以引起前进和后退接触角之间具有大的差异(接触角滞后)的一个状态，或者具有小的接触角滞后的另一个状态。关注的状态分别称为Wenzel状态和Cassie状态。每个分级空间尺度可以分别诱导Wenzel或Cassie状态，使得可以在多个空间尺度上进行组合。

这些状态是驻留在纹理化表面界面处的混合物的疏水和亲水组分之间的现象。在Cassie状态下，附着的织物能够抵抗疏水性碎片附着，例如油水混合物中的油。在Wenzel状态下，植入物可逆地附着到亲水表面，例如湿或冰表面。在混合的Cassie-Wenzel状态，其中一个纹理尺度是Wenzel，另一个是Cassie，牵开器既可以定位到湿的表面，也可以抵抗疏水性污染物，如脂肪。

Cassie-Baxter模型描述了气体环境中固体纹理化表面与水的相互作用。在这个模型中，空气被捕集在纹理化表面的微槽中，水滴停留在包括空气和微凸起顶部的复合表面上。在多重纹理尺度(scale)之间的分形维数(fractal dimension)的重要性得到了充分的认识，并且许多方法都基于分形贡献，即不同尺度纹理之间的维数关系。

然而，无论使用的材料(有机或无机)和表面纹理的几何结构(颗粒、棒阵列或孔)如何，都需要多重纹理尺度结合低表面能来获得所谓的超疏水性表面。超疏水性被多处地报道为材料表现出与水的接触角大于平滑但强疏水性材料可获得的接触角。超疏水性物质最小接触角的一般共识是150度，所以在这个背景下，一些本发明的实施方案并不严格地是超疏水性的，尽管不排除该选项。其原因在于Wenzel-Cassie状态在于其非纹理化表面与产生Cassie-Baxter界面的表面之间的疏水性。在优化本发明的织物的附着性方面，超疏水性只是许多关注的纹理控制机制的一个方面，在这种背景下，接触角不如接触角滞后重要。

本领域已知，通过在表面平面中使用尖锐角特征可以阻止向Wenzel状态的转变。然而，在自然结构如玫瑰花瓣中出现尖锐角结构较不常见。自然结构倾向于具有圆形表面特征，尤其是辐射式或内圆角。在自然界中，对转换为Wenzel状态的抗性似乎涉及产生内卷的圆形结构而不是尖锐边缘。内卷的是指以与基材表面非正交的线定向的凹度。这种结构难以通过蚀刻或铸造方法产生，但可以通过带来结构折叠的压印方法容易地产生。

类似地，Wenzel状态可以通过使用结构之间的弯曲连通而不是直线连通而阻止。在大多数情况下，较高的疏水性等同于较低的Wenzel转变倾向。通过在凹陷周围放置外角，表面的疏水性得到增强。在一些实施方案中，这是通过产生附加的相邻凹陷壁对而实现的，所述凹陷壁伸入凹陷的内部并且在此连接。在一些实施方案中，这是通过设计第一分级的凹陷的有序阵列来实现的(例如：三角形、矩形、五边形或六边形，规则或不规则；以及通常由直线段限定的其他多边形形状)。

较小尺寸和不同分级顺序的第二特征然后叠加在第一图案的凹陷壁上。用于制造这种结构的方法可包含首先压印大尺度结构，然后二次压印另外的较小尺度结构，优选较小尺度结构压印在较大尺度结构上。

水具有偶极结构，使其对任何其他带电荷的物质具有吸引力。具有定位于分子上特定位置的电荷过剩的分子使得该分子具有亲水性。在聚合物的情况下，电荷可以缔合，并且大量物质具有宏观电荷。在这样的宏观组合中，这样的材料强烈吸引水。当那些宏观电荷位置与表面纹理相关时，则物质变得超亲水。术语超亲水性在文献中具有各种含义，并且在许多情况下简单地指的是使物质更亲水或者相对于同一物质的平坦表面的接触角减小。在这里，这意味着表面电荷和表面能的增强，使得水总是与基材表面结合，即使任何特定的水分子在聚合物表面上可能具有短的停留时间。这具有商业优势，因为低法向力牵开器的附着表面既防护免受污染碎片，又由于水分子与表面的随机附着/分离而自清洗。本发明的纹理化表面低法向力牵开器的制造方法包括光刻、铸造、挤出/压印以及将纹理转移到表面的几种方法中的任何一种。在美国申请No. 14/802,632中描述了用于形成这种分级微结构化表面的方法，该申请的全部内容通过引用结合于此。

优选的方法是压印，其中聚合物质被加热到熔融状态并通过双辊，其中至少一个辊含有所需压印结构的负像。小尺度纹理压印在平面片上。这种压印平面片被加热到可延展但不流动的状态，并通过具有中等尺度纹理的双辊，其印上反转图像。这个过程可以重复多次。中等尺度纹理相对于小尺度纹理而言较大，因此中等尺度纹理的印痕交叠小尺度纹理，使得可能形成通常用光刻或铸造方法通常不可能形成的内卷结构。

本发明的低法向力牵开器具有三个或更多个纹理水平，以产生高表面积的方式组装，同时保持纹理之间的最小间距，以允许液体流动和穿透以首先促进表面清洗和其次促进表面附着；并同时保持最小结构强度，所述最小结构强度通过保持所有特征的高宽纵横比低于临界水平(临界水平超过材料强度)而获得。

参考图5，示出了根据本发明的织物表面上的低法向力牵开器设置500的第一实施方案，其包括总体上指示为510的基材。在所示实施方案中，基材510具有包括一系列圆形峰和谷的正弦波形，所述圆形峰和谷在基材510的至少一部分上产生连续弯曲表面。基材510的正弦波形限定了总体上指示为512的第一组大尺度特征，而第二组微特征514布置在大尺度特征上。

在图5中，基材510被构造和设置为集中在一系列圆形的球形突出物上，形成从表面向上凸出的峰515，相关的谷517布置在峰515之间。

在图6所示的第二实施方案中，示出了相反的设置，其中基材610被构造和设置为集中在一系列圆形空腔上，形成向内延伸到基材610内的谷617作为主要特征，相关的峰615布置在谷617之间，614表示第二组微特征。在两个实施方案中，基材610的表面在整个正弦波形图案区域中连续弯曲。

根据本发明，这里使用的术语正弦波形指的是具有通过结合三角函数正弦、余弦、正切或指数和幂级数函数的数学公式描述的圆形非平坦曲率的重复振荡的表面。这些数学公式被用于计算机辅助设计和计算机辅助制造软件中以利用快速原型制造、铣削、放电加工或类似技术产生纹理表面，从而产生具有正弦波形纹理特征的聚合物或金属表面。使用数学公式的好处是可以在计算机辅助设计和计算机辅助制造软件中快速产生大量的圆形非平坦特征。这种类型的纹理特征不能使用光刻技术来产生。

参考图7A-7D，示出了具有各种正弦波形图案的基材710的选择，所述图案跨越基材710提供可选的弯曲表面纹理特征。这些实施方案仅作为基材710的示例实施方案用于举例说明目的，并不限制本发明和本文使用的术语正弦波形。根据本发明，第一组纹理特征712包括选自约100微米到约1000微米范围内的大小的尺寸。更具体地，如下文将详细描述的，在优选实施方案中，正弦波形被设置为使得第一组纹理特征712具有750微米的正弦圆形空腔，750微米的间距以及约240至500微米的深度。基材的这种设置旨在促进疏水/亲水性接触混合物的附着性Wenzel-Cassie状态。参考图8和9，第二组纹理特征814和914被布置在基材810和910的表面上。在一个实施方案中，第二组纹理特征814分别模制在基材810和910的第一组纹理特征812和912上。如在下文中详细描述的，在优选实施方案中，基材810或910是压缩模制的聚合物材料，其中在单个模制步骤期间分别在基材810和910上形成第一和第二组纹理特征812、814和912、914。第一和第二组纹理特征812、814协作以增加表面积并影响基材810和910的附着性、摩擦力、亲水性和疏水性中的至少一种。优选地，形成基材810的压缩模制聚合物材料是环境耐久的聚合物。在一个实施方案中，基材810或910包括聚乙烯尼龙共聚物。在所示实施方案中，第二组微结构814或914选自微结构化凸起和微结构化空腔及其组合。在图6所示的实施方案中，第二组纹理特征614包括向下延伸到基材610中的微结构化空腔。

在图8-11所示的实施方案中，第二组纹理特征814、914、1014和1114分别包括从基材810、910、1010和110向上延伸的微结构化凸起。优选地，在图8-11所示的实施方案中，所述第二组纹理特征814、914、1014和1114的微结构化凸起包括大致圆柱形柱。

优选地，在图6所示的实施方案中，第二组纹理特征614的微结构化空腔包括大致圆柱形的凹陷。

参考图9，在其中基材910是薄膜基材并具有可操作的相对顶表面和底表面的一个实施方案中，布置在基材910的顶表面921上的第一组纹理特征912在基材910的底表面923上形成互补形状，使得顶表面921上的圆形峰在底表面923上形成圆形谷并且顶表面921上的圆形谷在底表面923上形成圆形峰。

再次参考图9，在其中基材910是薄膜基材并具有可操作的相对顶表面和底表面的实施方案中，第二组纹理特征914包括在基材910的顶表面921和底表面923之一上的一系列微结构化凸起，则所述微结构化凸起在所述顶表面和所述底表面921,923中的另一个上限定了一系列互补的微结构化空腔。

类似地，在其中第二组纹理特征914包括从顶表面921向下凸出穿过基材910的微结构化空腔的实施方案中，它们在相对的底部上形成互补的微结构化凸起。

参考图5、8和9，在所示实施方案中，第二组纹理特征514、814和914包括在单独的微结构的给定点沿着与基材510、810和910正弦波形的曲线成法向的轴延伸的纹理特征的至少一部分。以这种方式，第二组纹理特征遵循第一组纹理特征512、812和912的曲率。

根据本发明，第二组纹理特征包括选自约10微米到约100微米范围内的大小的尺寸。此外，第二组纹理特征优选具有小于5的高宽纵横比，以及所述第二组纹理特征的每个纹理特征之间1微米的最小间距，以保持结构强度，同时允许包括第二组纹理特征的单独微结构之间的液体流动和穿透。

再次参考图8-11，第三组纹理特征820、920、1020和1120也可分别布置在基材810、910、1010和1110上。优选地，第三组纹理特征820选自微结构化凸起和微结构化空腔及其组合。在一个实施方案中，第三组纹理特征820、920、1020和1120的微结构化凸起包括大致圆柱形柱。

参考图6，在一个实施方案中，第三组纹理特征620的微结构化空腔包括大致圆柱形的凹陷。优选地，第三组纹理特征620与第一和第二组纹理特征612、614同时压缩模制。在另一个优选实施方案中，第三组纹理特征620具有小于5的高宽纵横比以及第三组纹理特征620的每个纹理特征之间1微米的最小间距，以保持结构强度，同时允许所述第三组纹理特征之间的液体流动和穿透。当器械由较低强度材料制成时，纵横比较小，而当器械由较强材料制成时，纵横比较大。特征之间的间距对于粘度较低的液体较小，对于粘度较大的液体则较大。

参考图5、8、9，第三组纹理特征520、820和920包括沿与基材10的正弦波形的曲线成法向的轴延伸的纹理特征的至少一部分。为了其中第二和第三组纹理特征沿与正弦波形曲线成法向的轴延伸的本发明的目的，曲线的法线是在特定点垂直于曲线切向的线。在所示实施方案中，第二组纹理特征514、814和914分别小于第一组纹理特征512、812和912，并且第三组纹理特征520、820和920分别小于第二组纹理特征514、814和914。根据本发明，第三组纹理特征包括选自约1微米到约10范围内的大小的尺寸。

参考图5和图8-11，在一个实施方案中，第三组纹理特征520、820和920被布置在第二组纹理特征514、814和914的端表面522、822和922上。在另一个有利的实施方案中，第三组纹理特征520、820和920被布置在第二组纹理特征14之间的第一组纹理特征12上。在另一个有利的实施方案中，第三组纹理特征20布置在第二组纹理特征14的端表面22上，以及布置在第二组纹理特征14、30之间的第一组纹理特征12上。

参考图10和图11，第四组纹理特征1024和1124可以分别布置在第二组纹理特征1014和1114的侧表面上。第四组纹理特征1024和1124选自凹槽1016、1116和肋1018、1118以及它们的组合。在所示实施方案中，凹槽(1016,1116)和肋(1018,1118)沿着包括所述第二组纹理特征(1014,1114)的每个微结构的外周上的侧表面的高度垂直延伸。第四组纹理特征优选地包括选自约1微米至约10微米范围内大小的尺寸。优选地，第四组纹理特征1024和1124与所述第一、第二和第三组纹理特征同时压缩模制到基材1010,1110中。

优选地，具有大于1微米的特征和间距的凹槽和/或肋(1016,1018,1116,1118)被添加到限定第二组纹理特征(1014,1114)的圆柱形柱或空腔的外部，从而增加了表面积并增加了对于弯曲和断裂的结构抗性。第四组纹理特征1024,1124的单独微结构之间以及第二组纹理特征(1014,1114)的单独微结构之间的间距对于粘度较低的液体较小，对于粘度较大的液体则较大。

第三组纹理特征(1020,1120)以基本均匀的方式覆盖柱的顶部和空腔的底部以及限定第二组纹理特征1314的柱或空腔之间的区域。第二和第三组纹理特征(1014,1114)，(1020,1120)一起显著增加了暴露于覆盖基材相反表面的液体的表面积。取决于期望的应用，第一组、第二组、第三组和第四组纹理特征协作以增加基材(1010,1110)的表面积以实现基材的附着性、摩擦力、亲水性和疏水性中的至少一种。在一个实施方案中，基材(1010,1110)在针对包括疏水/亲水性混合物的表面应用时具有滑动摩擦力大于50 gr/cm2的表面附着。在优选的实施方案中，基材(1010,1110)在针对包括疏水/亲水性混合物的表面应用时具有滑动摩擦力约325 gr/cm2的表面附着。

在早期的研究中，发明人表征了玫瑰花瓣结构并观察到微结构中的“漫岗”作用。此外，较小的微结构被称为“毛发”，这似乎对超疏水性效果有强烈的贡献。为了最好地模拟该方案，本发明人制造了如本文所述的正弦设计，其可以从具有300微米直径和100微米间距的特征的正弦波形基材开始，再现和改善自然看到的圆形微结构效果。

第三组纹理特征(1020,1120)的尺寸在一个实施方案中包括具有3微米直径，6微米间距和5微米高的柱。在一个实施方案中，第二组纹理特征(1014,1114)包括具有至少35微米直径，35微米高和10微米间距的带凹槽的微结构柱。当重叠在一起时，第二和第三组微特征(1014,1114,1020,1120)沿与正弦波形特征的表面成法向的轴形成。这些也多维地保持在圆形上。

为了改善自然中发现的玫瑰花瓣的超疏水性效果，第二组纹理特征(1014,1114)增加了沿着侧表面延伸的“凹槽”或“肋状”特征。限定了第四组纹理特征(1024,1124)的这些凹槽和肋状特征模拟玫瑰花瓣的较小的毛发样微结构，以进一步促进疏水性。因此，所述第一组、第二组、第三组和第四组纹理特征中的每一个微结构具有相应的间距、高度/深度和直径，并且其中设置成使得当用于液体覆盖表面时，液体在处于Wenzel完全润湿状态的至少所述第一组纹理特征和第二组纹理特征之间穿透，以促进基材和相邻表面之间的附着。优选地，第一组纹理特征的正弦波形包括圆形峰，其有利于当压向液体覆盖表面时跨越基材的压力分布。

优选地，第二和第三组(1014,1020,1114,1120)纹理特征跨越第一组纹理特征的圆形峰均匀地分布，以向第一组纹理特征提供增加的表面积。当基材用于液体覆盖的表面时，圆形峰限定了增加压力的区域，在至少所述第一组纹理特征和第二组纹理特征之间，其促进了液滴从悬浮的Cassie-Baxter状态到Wenzel完全润湿状态的转变。在优选实施方案中，第一组、第二组和第三组(1012,1112,1112,1114)纹理特征允许液体穿透到Wenzel完全润湿状态，而第四组纹理特征(1024,1124)被构建和设置以保持超疏水性特性。

第二组和第三组纹理特征的功能是产生大的表面积，同时间距足够宽，使得粘性液体可以在低压下流过该结构。在与液滴相关的重量足以产生Wenzel完全润湿状态以促进基材10与相邻的液体覆盖表面的附着的背景下定义该应用中的低压。因此，本发明的微结构化表面被设计为便于从Cassie-Baxter悬浮液滴状态转变为Wenzel完全润湿状态，且具有大于10纹理升大小的水滴。

第一组纹理特征的正弦波形的一个功能是进一步增加表面积，同时在特征的峰处产生增加压力的区域。这些表面积增大的区域首先润湿，导致从Cassie-Baxter悬浮液滴状态到Wenzel完全润湿状态的快速转变。第一组纹理特征的正弦波形的第二个功能是保持峰压力足够低并且使压力散布，使得几乎没有或没有穿过表面上的液体层进入下面的材料。第二组和第三组纹理特征均匀地分布在第一组纹理特征的正弦波形上，并与表面曲线成法向。也就是说，它们垂直于表面上微结构的每个点的表面切向。这确保了可以模制的结构中产生最大表面积。

具体实施方案

玫瑰荷花I型

图12是根据本发明第三实施方案的混合玫瑰荷花I型牵开器械的透视图。器械1200包括玫瑰纹理侧1210和荷花纹理侧1212。玫瑰纹理1210的特征在于水滴1214的几何形状，其中水滴1214呈现超疏水性表面的球形1216特征。由于芯吸几何形状1218，水滴1214被固定在表面1210上。荷花纹理1212的特征在于水滴1220的几何形状，其中所述形状是球形的，没有类似于特征1518的芯吸结构。水滴1220抵抗与表面1212的附着，并容易滚落表面。

波纹II型

图13是根据本发明第四实施方案的波纹II型牵开器械的侧视图。应该理解，手动驱动的I型模式也是可能的。器械1300可以处于两种构型1310和1312。构型1310是玫瑰纹理构型，构型1312是荷花纹理构型。因此，当在构型1610中时，器械1300是附着性的，并且在构型1312中时，它容易滑动。处于波纹状态1310的器械1300具有第一结构1314和第二结构1316。膨胀构件1320促使器械1600在方向1318上移动以在加压时转变成构型1312。

面积改变的II型

图14是根据本发明第五实施方案的面积改变的II型牵开器械的透视图。器械1400具有表面纹理1314并且可以处于两种构型1310和1312中。构型1310是具有与平坦表面接触的最大表面积的平坦构型，并且构型1612是具有最小表面积的膨胀构型。因此，当在构型1310中时，器械1300是附着性的，并且在构型1312中时，它更容易滑动。当加压时，膨胀构件1316使器械1300转变成构型1312。

面积改变的I型

图15是根据本发明第六实施方案的混合的面积改变的I型牵开器械1500的侧视图，其中纹理面积1514不变。器械1500呈现两个双稳态构型1510和1512。在构型1510中，玫瑰花瓣纹理1514是提供给器械1500要附着到的另一表面的唯一表面。构型1510中的接触表面积是1514的面积的总和。区域1516是平滑的，并且构型1512的面积大于构型1510的面积。构型1512的面积是区域1514和1516的总和。通过沿方向1518牵拉构型1510来实现构型1512。

钳型II

图16是根据本发明第七实施方案的钳夹运动II型牵开器械1600的透视图。器械1600具有松弛的顺应状态1610和刚性夹紧状态1612。通过膨胀构件1616实现从状态1610到状态1612的转变。特征1614包括玫瑰花瓣附着性表面。

图17描绘了包括臂1703和手术锚1705的牵开器1701。手术锚1705使外科医生能够将牵开器1701锚定到围手术期手术敷料。牵开器1701的近端1707具有超疏水性表面1019。以上描绘和描述了超疏水性表面的详细实例。任选地，牵开器可以包括膨胀构件1711，膨胀构件1711包括可以经由管1715加压的中空部分1713。如所描绘的，当中空部分1713被膨胀时，牵开器沿着方向1717变为刚性并且直的。任选地，牵开器可以包括抽吸囊，抽吸囊包括提供从组织接触侧1721到内部抽吸体积1723的通路的一系列孔1719。抽吸囊包括组织接触侧1721和外侧1725。外侧1725可以具有突片1726，外科医生可以将留置线缝至突片1726或抓握突片1726以相对于组织表面定位牵开器1。附接到抽吸囊的抽吸管1727提供抽吸并将组织流体1729抽到抽吸囊中。任选地，牵开器1可具有预成形的形状，使得宽度1731是直的并且长度1733是弯曲的且具有曲率半径1735。任选地，牵开器1701具有波纹状37的组织接触表面1721。波纹频率1739可以通过膨胀构件1711调节，使得增加的膨胀降低频率1739并且增加长度1733。

本文引用的所有参考文献全文以引用的方式并入本文中。

Claims (14)

1.微结构化牵开器，包括至少一个臂，该臂具有超疏水性表面，所述超疏水性表面包括分级微结构和第三微特征，所述分级微结构具有至少2个分级微特征的Wenzel-Cassie界面，所述第三微特征包括机械或摩擦效果，所述表面配置为待放置在湿表面上，以至于当放置在湿表面上时，使该微结构化牵开器沿湿表面移动所需的剪切力超过所施加的法向力。

2.根据权利要求1所述的微结构化牵开器，还包括膨胀构件，其中所述膨胀构件为所述微结构牵开器提供可调节的刚性。

3.根据权利要求1所述的微结构化牵开器，其中附接抽吸构件以提供在所述微结构牵开器使用中的流体移除。

4.根据权利要求1所述的微结构化牵开器，其中所述牵开器具有称为宽度的较短尺寸和称为长度的较长尺寸，并且所述牵开器包括能够以固有曲率预成形的柔性材料，其中所述宽度具有基本为零的曲率而长度的曲率半径小于长度的尺寸。

5.根据权利要求1所述的微结构化牵开器，其中所述牵开器在某方向上为波纹状的，使得当所述牵开器被放置在湿表面上时，仅一部分微结构化表面与所述湿表面接触，并且其中所述波纹能够通过微结构化牵开器的持久变形调节，从而改变与湿表面接触的微结构化牵开器的表面的量。

6.根据权利要求5所述的微结构化牵开器，其中所述波纹是能够可逆地变形的，并且所述牵开器还包括膨胀构件，使得当膨胀构件膨胀时，所述波纹频率可逆地变化，并且所述膨胀构件还包括阀，使得阀能够控制膨胀体积。

7.根据权利要求6所述的微结构化牵开器，其中结合附加的膨胀构件，所述附加的膨胀构件在膨胀时使所述微结构化牵开器可逆地硬化。

8.根据权利要求5所述的微结构化牵开器，其中当与湿表面接触时，第一波纹状态处于Wenzel-Cassie状态，并且当与湿表面接触时，第二波纹状态处于Cassie-Baxter状态。

9.根据权利要求1所述的微结构化牵开器，其中一侧包括Wenzel-Cassie微纹理化表面，且另一侧包括Cassie-Baxter微纹理化状态。

10.根据权利要求1所述的微结构化牵开器，其中第一臂具有至少一个包括Wenzel-Cassie表面的表面并且第二臂具有至少一个包括Cassie-Baxter表面的表面。

11.根据权利要求1所述的微结构化牵开器，其中所述至少一个臂包括至少一个模拟玫瑰的表面。

12.根据权利要求1所述的微结构化牵开器，其中所述至少一个臂包括至少一个模拟荷花的表面。

13.根据权利要求1所述的微结构化牵开器，其中所述牵开器的至少一部分包括当与湿表面接触时具有大于5度的接触角滞后的表面。

14.根据权利要求5所述的微结构化牵开器，其中所述牵开器的至少一部分包括当与湿表面接触时具有大于5度的接触角滞后的表面。

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