JP2014533980A - 能動的生物付着制御のためのデバイスおよび方法 - Google Patents
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Abstract
能動的生物付着制御のためのデバイスおよび方法を開示する。一態様では、デバイスが生物材料と接触するための表面を含む。デバイスは、表面を第1形状と第2形状との間で変化させるように構成された構造を含む機構も含む。汚損物質が第1形状にある表面に結合している場合に、第1形状から第2形状への変化は、表面からの汚損物質の脱離のための臨界ひずみを超えて表面を変形させる。
Description
関連出願の相互参照
本願は、米国仮特許出願第61/540,051号(2011年9月28日出願;発明の名称「能動的生物付着制御のためのシステムおよび方法(SYSTEMS AND METHODS FOR ACTIVE BIOFOULING CONTROL)」)の利益を主張し、その内容は参照によりそのまま本明細書に組み込まれる。
本願は、米国仮特許出願第61/540,051号(2011年9月28日出願;発明の名称「能動的生物付着制御のためのシステムおよび方法(SYSTEMS AND METHODS FOR ACTIVE BIOFOULING CONTROL)」)の利益を主張し、その内容は参照によりそのまま本明細書に組み込まれる。
ここに開示する主題は能動的生物付着制御のためのデバイスおよび方法に関する。
連邦政府の後援による研究または開発
本発明は、それぞれ米国海軍研究局によって付与された助成金番号N00014−08−0741およびN00014−10−1−0907、ならびに米国国立科学財団によって付与された助成金番号DMR−1121107に基づく政府の支援を受けてなされた。米国政府は本発明に一定の権利を有する。
本発明は、それぞれ米国海軍研究局によって付与された助成金番号N00014−08−0741およびN00014−10−1−0907、ならびに米国国立科学財団によって付与された助成金番号DMR−1121107に基づく政府の支援を受けてなされた。米国政府は本発明に一定の権利を有する。
生物付着は、世界中で多数の産業行動、軍事行動および医学的処置に損害を与えており、年間10億〜1000億ドルを超える損失に相当する問題である。これは、依然として、生物システムを操作する人類の能力を著しく妨害しうる重大な根本的問題である。さまざまな応用において生物付着を制御するためのデバイスおよび技法を用意することが望ましい。
ワンら(Wang,Q.et al.)著,2011年,「ソフトマター(Soft Matter)」,7:6583
ワンら(Wang,Q.et al.)著,2011年,「フィジカル・レビュー・レターズ(Physical Review Letters)」,106:118301
マギン C.M.(Magin,C.M.)著,2010年,「生物付着(Biofouling)」,26:719−727
カオ X.ら(Cao,X.)著,2010年,「アドバンスト・ファンクショナル・マテリアルズ(Advanced Functional Materials)」,20:1984−1993
Q.ワン(Q.Wang),M.タヒ−ル(M.Tahir),J.ザン(J.Zang),X.ザオ(X.Zhao)著,2011年、「アドバンスト・マテリアルズ(Advanced Materials)」,2012年,DOI:10.1002/adma.201200272;Q.M.ワン(Q.M.Wang),L.チャン(L.Zhang),X.H.ザオ(X.H.Zhao)著,「フィジカル・レビュー・レターズ(Physical Review Letters)」,106,118301
J.S.マキ(J.S.Maki),D.リッチョフ(D.Rittschof),M.−Q.サミュエルソン(M.-Q.Samuelsson),U.シェウジク(U.Szewzyk),A.B.ユール(A.B.Yule),S.ケルバーグ(S.Kjelleberg),J.D.コストロー(J.D.Costlow),R.ミッチェル(R.Mitchell)著,「海洋科学紀要(BULLETIN OF MARINE SCIENCE)」,1990年,46,499;C.R.C.ウナビア(C.R.C.Unabia),M.G.ハドフィールド(M.G.Hadfield)著,「海洋生物学(Marine Biology)」,1999年,133,55;C.シー(C.Shea),L.J.ラブレース(L.J.Lovelace),H.E.スミス−サマービル(H.E.Smith-Somerville)著,1995年,「ジャーナル・オブ・インダストリアル・マイクロバイオロジー(Journal of Industrial Microbiology)」,15
F.D’ソーザ(F.D’Souza),A.ブルーイン(A.Bruin),R.ビアステーカー(R.Biersteker),G.ドネリー(G.Donnelly),J.クリジンストラ(J.Klijnstra),C.レントロプ(C.Rentrop),P.ウィレムセン(P.Willemsen)著,2010年,「ジャーナル・オブ・インダストリアル・マイクロバイオロジー&バイオテクノロジー(J Ind Microbiol Biotechnol)」,37,363
T.J.R.ヒューズ(T.J.R.Hughes)著,2000年,「有限要素法:線形定常および動的有限要素(The finite element method:linear static and dynamic finite element analysis)」,65巻,ドーヴァー出版(Dover Publications)
L.K.イスタ(L.K.Ista),V.H.ペレス−ルーナ(V.H.Perez-Luna),G.P.ロペス(G.P.Lopez)著,1999年,「応用および環境微生物学(Applied and Environmental Microbiology)」,64,1603
J.W.コスタートン(J.W.Costerton),Z.レワンドウスキー(Z.Lewandowski),D.E.コールドウェル(D.E.Caldwell),D.R.コーバー(D.R.Korber),H.M.ラパン−スコット(H.M.Lappin-Scott)著,1995年,「微生物学に関する年次報告(Annual Review of Microbiology)」,49,711
J.W.ハッチンソン(J.W.Hutchinson),Z.スオ(Z.Suo)著,1992年,「応用力学における進歩(Advances in Applied Mechanics)」,29巻,29,63
T.ショー(T.Shaw),M.ウィンストン(M.Winston),C.J.ラップ(C.J.Rupp),I.クラッパー(I.Klapper),P.ストゥッドリー(P.Stoodley)著,2004年,「フィジカル・レビュー・レターズ(Physical Review Letters)」,93
D.リッチョフ(D.Rittschof),B.オリウェラ(B.Orihuela),S.スタフスリエン(S.Stafslien),J.ダニエルズ(J.Daniels),D.クリスチャンソン(D.Christianson),B.チザム(B.Chisholm),E.ホルム(E.Holm)著,2008年,「生物付着(Biofouling)」,24,1
N.ルー(N.Lu),J.ユン(J.Yoon),Z.スオ(Z.Suo)著,2007年,「インターナショナル・ジャーナル・オブ・マテリアルズ・リサーチ(International Journal of Materials Research)」,98,717
D.B.ラムゼイ(D.B.Ramsay),G.H.ディキンソン(G.H.Dickinson),B.オリウェラ(B.Orihuela),D.リッチョフ(D.Rittschof),K.J.ウォール(K.J.Wahl)著,2008年,「生物付着(Biofouling)」,24,109
F.イリエフスキー(F.Ilievski),A.D.マッツェオ(A.D.Mazzeo),R.E.シェパード(R.E.Shepherd),X.チェン(X.Chen),G.M.ホワイトサイズ(G.M.Whitesides)著,2011年,「アンゲヴァンテ・ケミ−・インターナショナル・エディション(Angewandte Chemie-International Edition)」,50,1890
T.トールスン(T.Thorsen),S.J.マークル(S.J.Maerkl),S.R.クエーク(S.R.Quake)著,2002年,「サイエンス(Science)」,298,580
この「発明の概要」では、選ばれた概念を簡略化した形で紹介し、下記の「発明を実施するための形態」では、それらをさらに詳しく説明する。この「発明の概要」は、クレームされた主題の重要な特徴または本質的特徴を特定しようとするものではなく、クレームされた主題の範囲を限定するために使用されることも意図していない。
能動的生物付着制御のためのデバイスおよび方法を、ここに開示する。ある態様では、デバイスが生物材料と接触するための表面を含む。デバイスは、表面を第1形状と第2形状との間で変化させるように構成された構造を含む機構も含む。汚損物質が第1形状にある表面に結合している場合に、第1形状から第2形状への変化は、表面からの汚損物質の脱離のための臨界ひずみを超えて表面を変形させる。
もう一つの態様では、システムが、電極と、その電極に付着していて生物材料と接触するための表面を画定する層とを含む。システムは、表面を第1形状と第2形状との間で変化させるような形で電極と生物材料との間に電圧を印加するように構成された電圧源も含む。汚損物質が第1形状にある表面に結合している場合に、第1形状から第2形状への変化は、表面からの汚損物質の脱離のための臨界ひずみを超えて表面を変形させる。
もう一つの態様では、表面から細胞コンポーネントを剥離させるためのデバイスが提供される。デバイスは、細胞コンポーネントと接触するための表面を含む。さらに、デバイスは、細胞コンポーネントが付着した状態になっている第1形状と第2形状との間で表面を変化させるように構成された機構を含む。第1形状から第2形状への変化は、表面からの細胞コンポーネントの剥離のための臨界ひずみを超えて表面を変形させる。
もう一つの態様では、デバイスが、生物材料における物理的状態を測定し、その測定に基づいてシグナルを生成するように構成されたセンサを含む。センサは、生物材料に曝露されるための表面を含む。さらにデバイスは、センサの表面を少なくとも部分的に覆い、かつ生物材料と接触するためのもう一つの表面を画定するカバーを含む。デバイスは、カバーの表面を第1形状と第2形状との間で変化させるように構成された機構も含む。第1形状から第2形状への変化は、センサの表面の少なくとも一部分が生物材料に曝露されるような形で、汚損物質がセンサの表面と第1形状にあるカバーの表面とに結合している場合に、カバーの表面の少なくとも一部分からの汚損物質の脱離のための臨界ひずみを超えてカバーの表面を変形させる。
上記の概要、ならびにさまざまな実施形態の下記の詳細な説明は、添付の図面と併せて読めば、より良く理解される。説明のために、例示的実施形態を図面に示すが、ここに開示する主題は、開示する具体的方法および道具に限定されない。
ここに開示する主題を、法令の要件を満たすように具体的に説明する。ただし説明そのものはこの特許の範囲を限定しようとするものではない。むしろ本発明者らは、クレームされる主題が、他の現在のまたは将来の技術と組み合わされて、本明細書に記載するものと類似するが異なるステップまたは要素を含むように、他の方法で具体化されることもありうると考えている。さらにまた、使用される方法の異なる側面を暗示するために、ここでは「ステップ」という用語を使用する場合があるが、個々のステップの順序が明示的に述べられている場合を除き、さまざまなステップ間の何らかの特定の順序を含意していると、この用語を解釈してはならない。
別段の定義がある場合を除き、本明細書において使用される技術用語は全て、この開示が属する技術分野の通常の技能を有する者に一般に理解されているものと同じ意味を有する。
冠詞「a」および「an」は、本明細書では、1つのまたは1つより多くの(すなわち少なくとも1つの)、その冠詞の文法上の目的物を指す。例えば「要素」(an element)は、少なくとも一つの要素を意味し、2つ以上の要素を包含することができる。
図面において図解する本開示のさまざまな実施形態を説明する際には、わかりやすくするために、特定の術語を使用する。
しかし、ここに開示する主題を、そうして選択された特定の術語に限定するつもりはなく、各特定要素は、同様に作用して同様の目的を達成する技術的等価物を全て包含すると理解すべきである。
本明細書に開示する動的エラストマーフィルムは、その上に生物付着物が蓄積するのを阻害することが望まれる装置または容器を含めて、数多くの応用を持つ。その例には、材料が濡れた環境に置かれることになる任意の状況、例えば船体または艇体、熱交換器、または医療用デバイス、例えばカテーテル、ステント、IV管、呼吸器管などが含まれるであろう。本発明者らの発見の一つは、エラストマーフィルムの変形が、汚損物質を剥離させるのに役立ちうることである。この変形は、電圧の印加によって、または機械的手段、例えば伸展、屈曲、ねじりなどによって起こりうる。したがって、ポリマーフィルムの作動は、汚損生物種または化学種の定着および付着を防止するために使用するか、または作動間の期間中に蓄積した汚損材料を除去するための「デューティーサイクル」として使用しうる。剥離または脱着した汚損種をエラストマー表面の近傍から除去するために、流体せん断力の同時適用を使用してもよい。
ここに開示する主題は、外部刺激に応答して起こるエラストマーの表面積およびトポロジーの動的変化によって、微視的および肉眼的汚損生物を能動的かつ効果的に剥離するための技法およびデバイスを提供する。これらの動的表面は船舶コーティングおよび医療用デバイスに使用される材料から製作することができ、電気的刺激および空気刺激によって作動させることができる。能動的表面変形に基づく新しい防汚管理戦略は、生物付着に対する他の既存および新興の管理アプローチと組み合わせて使用することもできる。
本開示の実施形態によれば、水性環境に曝露された場合に、汚損物質の接着を防止し、または汚損物質の除去を可能にすることができる構造が提供される。本明細書において使用する用語「汚損物質」は、濡れた表面での微生物、植物、藻類、および/または動物の望ましくない蓄積を指す。ここに開示する主題の範囲内では、用語「汚損物質」が、蓄積させた後に表面から回収することが望まれるような、望ましい原核または真核細胞タイプの蓄積も指しうる。そのような汚損物質の例には、生化学的分析にとって望ましい細菌蓄積または他のそのようなフィルム、バイオテクノロジーにおいて使用される真菌その他のそのような蓄積、または再生医学もしくは他の医学的手法もしくは研究において使用される哺乳動物細胞の蓄積が含まれるが、これらに限るわけではない。本構造は、軟質ポリマー層と作動手段とを含むか、それらからなるか、または本質的にそれらからなり、ここでは作動手段が、汚損物質の脱離のための臨界ひずみ(εC)を超えて軟質ポリマー層を変形させる能力を有する。
ここに開示する主題の応用には、例えば、いくつかの生物フィルムおよび吸着物質の脱離などの応用が含まれ、それらの生物フィルムおよび吸着物質には、次に挙げるものによって形成されるものが含まれる:(i)海洋生物付着および産業生物付着;(ii)哺乳動物細胞の培養;および(iii)医療用インプラントにおける感染性バイオフィルムの形成。最後に挙げたものの一例は、エラストマーで構築されることが多い留置カテーテルなどの医療用インプラント上に形成されうる厄介な感染性バイオフィルムである。ここに提供するデバイス、方法、およびシステムによれば、厄介なバイオフィルムを、そのようなカテーテルから、そのポリマー表面を周期的な表面積の変化に付すことによって遊離させることができる。ポリマー表面の変形は、微生物バイオフィルムおよび肉眼的汚損生物を効果的に剥離させることができる。
本明細書において使用する用語「臨界ひずみ」は、本開示による軟質ポリマーまたは他の材料の表面の任意の領域の任意の変化を指す。例えば、電気的作動が適用されるいくつかの実施形態では、表面積が変化しうる(すなわち表面をひずませる/しわを生じさせる)が、軟質ポリマーフィルムの全幅または全長は変化しない。別の例において、例えば軟質ポリマーフィルムを伸展させたり、引っ張ったり、ねじったりする場合は、全幅および/または全長が変化しうる。
本明細書において、表面の「形状を変化させる」または「形状を変化させること」という動作用語は、表面の面積の変化、表面の何らかのゆがみ、またはある形状から別の形状への、他のタイプの、表面の変化のいずれかを指すことができる。
もう一つの例において、ここに開示する主題は、汚損物質が第1形状にある表面に結合している場合に、第1形状から第2形状への変化が、表面からの汚損物質の脱離のための臨界ひずみを超えて表面を変形させるような形で、デバイスの表面を第1形状と第2形状との間で変化させるように構成された構造を含む機構を含む、デバイス、方法、およびシステムを提供する。「形状」という用語は、その最も広い意味で使用されている。例えば本明細書にいう形状の変化は、汚損物質の脱離のための臨界ひずみを超えて、表面を変形させる。形状の変化は全表面積の変化を含みうるが、そのような全表面積の変化が必要なわけではない。
ある例では、軟質ポリマー層が水性環境に曝露され、その上に汚損物質が付着しうるか、またはその上への汚損物質の付着が防止されうる。軟質ポリマー層は不活性、無毒性および不燃性の物質であることができる。適切な材料には、ポリジメチルシロキサン(PDMS)または他のシリコーンゴム、アクリル系エラストマー、ポリウレタン、フルオロエラストマーなどがあるが、これらに限るわけではない。
軟質ポリマー層の厚さは、作動手段の適用が変形を引き起こしうるような厚さであるべきである。適切な厚さは10nm〜1mm、または1μm〜約500μmでありうる。また、軟質ポリマー層は、約0.5KPa〜約2.0MPa、または1.0KPa〜約1.0MPaのヤング率を有しうる。
一定の実施形態では、軟質ポリマー層をコーティング(例えばスピンコーティング)するか、硬質ポリマーフィルム上にコーティングしうる。別の実施形態では、軟質ポリマー層の外表面(すなわち濡れた環境に面する側面)にテクスチャ加工を施しうる。本明細書において使用する用語「テクスチャ」は、例えば、うね、しわ、穴など、エラストマー表面に凹凸をつける、エラストマー表面の任意の変化(permutation)を指す。一定の実施形態では、軟質ポリマー層が波形の表面を含む。
さらに別の実施形態では、耐汚損性または汚損遊離性をさらに高めるために、化学的手段によって軟質ポリマー層の表面を修飾してもよい。そのような修飾には、ポリ(エチレングリコール)誘導体などの水和ポリマー、ポリ両性イオンおよびポリマーブラシによるポリマー表面のコーティング、または他のタイプのポリマーによるコーティングなどがあるが、これらに限るわけではない。
本構造はさらに作動手段を含む。本明細書において使用する用語「作動手段」は、軟質ポリマー層を動作または運動させることができる任意の手段を指す。いくつかの実施形態において、作動手段は、汚損物質の脱離のための臨界ひずみを超えうる機械力を軟質ポリマー層に印加するものであることができる。実施例の項で詳述するように、ここに開示する主題の知見の一つは、機械力の印加、例えば軟質ポリマー層の伸展が、表面に接着したまま留まるという汚損物質の能力に、どれほど驚くべき劇的な効果を持っていたかである。適切な機械力には、伸展、圧搾、ねじり、振とうなどが含まれるが、これらに限るわけではない。
別の実施形態では、作動手段が電気的作動手段を含む。適切な電気的作動手段には、少なくとも20kVの電圧を生成する能力を有する任意のデバイスが含まれる。電気作動手段が使用される実施形態では、本構造は、上面および底面を有する硬質ポリマー層をさらに含み、軟質ポリマー層を硬質ポリマー層の上面に付着させる。さらに、軟質ポリマー層の外表面は電解質溶液(例えば水)に曝露され、硬質ポリマー層の底面は、電解質に対して電圧がポリマー層を貫通できるようにすることができる導電性材料を含む。適切な材料には、導電性金属、例えば金、銀、アルミニウム、スズ、銅などの薄層、カーボンテープなどの導電性テープ、導電性酸化物、例えば酸化インジウムスズ、半導体などがあるが、これらに限るわけではない。
硬質ポリマー層は、非反応性である任意の材料を含みうる。適切な材料の例には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE;テフロン)、ポリ(4,4’−オキシジフェニレン−ピロメリトイミド(カプトン)、ポリエチレンなどがあるが、これらに限るわけではない。セラミックスなどの非ポリマー絶縁フィルムも硬質ポリマー層に適している。
硬質ポリマー層の厚さは、電圧の印加が軟質ポリマー層を変形させることができるような厚さであるべきである。適切な厚さは10nm〜約1μm、または1μm〜約500μmでありうる。また、硬質ポリマー層は約0.5GPa〜約200GPa、または1GPa〜約100GPaのヤング率を有しうる。
使用する際は、軟質ポリマー層の外表面と接触している電解質溶液と硬質ポリマー層上にコーティングされた導電性電極との間に電圧を印加する。この電圧は、軟質ポリマー層が、汚損物質の脱離のための臨界ひずみ(εC)を超えて変形する原因になる。一定の実施形態において、印加電圧は約0V〜約20kV、または約100V〜約8kV、または約3kV〜約6kVであることができる。適正な電圧は、例えばポリマーフィルムの性質(例えばヤング率、厚さ、材料等)などといったいくつかの因子に依存しうるが、当業者には容易に決定することができる。別の実施形態では、電圧が振動電圧を含む。電流を生成させる時間の長さは、15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3、2、または1分の間でありうる。いくつかの実施形態では、少なくとも5分間は電流を生成させる。
ここに開示する主題のもう一つの態様は、水性溶液に曝露した表面から汚損物質を除去する方法または水性溶液に曝露した表面に汚損物質が接着するのを防止する方法であって、汚損物質の結合または脱離のための臨界ひずみ(εC)を超えて表面を変形させることを含む方法を提供する。一定の実施形態では、表面が軟質ポリマー層と機械的作動手段とを含む。そのような実施形態では、汚損物質の結合のための臨界ひずみを超えて軟質ポリマーフィルムの表面を変形させ、それによって、汚損物質を軟質ポリマー層に付着していない状態にさせるか、または軟質ポリマー層に付着することができない状態にさせるのに十分であるように、機械力、例えば伸展、ねじり、圧搾、振とうなどが印加される。
別の実施形態では、表面が、上面と導電性電極コーティングでコーティングされた底面とを有する硬質ポリマー層と、硬質ポリマー層の上面に付着した軟質ポリマー層とを含み、その軟質ポリマー層が電解質溶液(例えば水)に曝露される。そのような実施形態では、汚損物質の脱離のための臨界ひずみ(εC)を超えて軟質ポリマー層を変形させ、それによって、付着している汚損物質を、ポリマー表面から解放された状態にさせるか、または汚損物質が軟質ポリマー表面に結合するのを防止するのに十分な量で、電圧が印加される。
図10は、伸展させたエラストマーフィルムからのフジツボの脱離を図解している。特に、図10(a)は、本開示の実施形態による2つの異なる作業ステージでの脱離機構のダイアグラムである。図10(b)は伸展させたエラストマーフィルムからのフジツボの剥離を示す画像である。図10(c)は、フジツボをエラストマーフィルムから剥離するためにこの例において必要であったせん断応力が、フィルムの印加ひずみと共に減少することを示す画像である。エラストマーは、3分以内に30サイクルにわたって、所定のひずみまで周期的に一軸伸展される。
特に図10(a)を参照して説明すると、このダイアグラムは、異なるステージ、すなわち「電圧オフ」および「電圧オン」にあるシステム1000を図示している。この例では、システム1000が、複数の層1002、1004、および1006を含んでいる。層1002は導電性層または他の任意の適切な導電性コンポーネントでありうる。一例として、層1002は、金属、導電性テープ、導電性酸化物、半導体、またはそれらの組み合わせを含みうるが、これらに限るわけではない。層1006は、層1002の上に配置するか、または他の方法で付着させることができる。層1006の表面1008は、テクスチャ加工を施されていてもよく、生物材料1009、例えば海洋環境(例えば海水)内の材料と接触することができる。層1006はポリマーコーティングであることができる。そのコーティングは、適切なスピンコーティング技法によって塗布しうる。さらに例えば、層1006は、限定するわけではないが、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリ(4,4’−オキシジフェニレン−ピロメリトイミド、ポリエチレン、セラミックスなどを含みうる。さらに例えば、層1006は、ポリジメチルシロキサン、シリコーンゴム、アクリル系エラストマー、ポリウレタン、フルオロエラストマーなどを含みうる。層1006は、約10μm〜1mmの厚さ、より具体的には約1μm〜500μmの厚さを有しうる。さらに、層1006は、約0.5KPa〜約2MPaのヤング率、より具体的には約1KPa〜約1MPaのヤング率を有しうる。
システム1000は、層1006の表面1008を、「電圧オフ」と表示したダイアグラムに示す第1形状と「電圧オン」と表示したダイアグラムに示す第2形状との間で変化させるような形で導電性層1002と生物材料1009との間に電圧を印加するように構成された、電圧源1012を含みうる。例えば、電圧源1012によって印加される電圧は最初はオフであり、この時、汚損物質1010は表面1008に結合している。「電圧オン」と表示したダイアグラムに示すように、汚損物質1010が脱離するような形で、電圧を印加しうる。一例として、印加電圧は振動電圧であることができ、それは、約0.1Hz〜約100Hz、または約0.5Hz〜約10Hzでありうる。さらに、印加電圧は約0kV〜約20kV、約100V〜約8kV、または約3kV〜約6kVでありうる。電圧は、ある例では、5分以上にわたって印加されうる。適切なコントローラを使用することで、電圧源1012を制御して、表面を第1形状と第2形状との間で変化させるための印加電圧を変化させることができる。
層1004は、層1002と層1006の間に位置する任意の適切な層でありうる。例えば層1004はカプトン層でありうる。この(例えば圧縮および伸展)層は、変形したPDMSフィルムにおける電場が過剰に高くなるのを防ぐ緩衝基材として働きうる。カプトンはPDMSより3桁高い弾性率を有する。したがって、必要であれば、カプトンに匹敵する弾性率の硬質ポリマーはどれでも、層1004の代わりに使用することができる。この層は、上部ポリマーフィルムが過剰に変形すること、および電気的破壊を起こすことを防止する。この層は、硬質絶縁材料(これは硬質ポリマー、例えばカプトン、テフロン、ポリエテレン(polyethelene)、絶縁性ガラス、セラミックなどであることができる)から構成されうる。
図11は、伸展させたエラストマーフィルムからのフジツボの脱離を図解している。特に、図11(a)は、本開示の実施形態による2つの異なる作業ステージでの脱離機構のダイアグラムである。図11(b)は、伸展させたエラストマーフィルムからのフジツボの剥離を示す画像である。図11(c)は、フジツボをエラストマーフィルムから剥離するためにこの例において必要であったせん断応力が、フィルムの印加ひずみと共に減少することを示す画像である。エラストマーは、3分以内に30サイクルにわたって、所定のひずみまで周期的に一軸伸展される。
特に図11(a)を参照して説明すると、このダイアグラムは、異なるステージ、すなわち「電圧オフ」および「電圧オン」にあるシステム1100を図示している。この例では、システム1100が、複数の層1102、1104、および1106を含んでいる。層1102は導電性層または他の任意の適切な導電性コンポーネントでありうる。一例として、層1102は、金属、導電性テープ、導電性酸化物、半導体、またはそれらの組み合わせを含みうるが、これらに限るわけではない。層1106は、層1102の上に配置するか、または他の方法で付着させることができる。層1106の表面1108はテクスチャ加工を施されていてもよく、生物材料1109、例えば海洋環境(例えば海水)内の材料と接触することができる。層1106はポリマーコーティングであることができる。そのコーティングは、適切なスピンコーティング技法によって塗布しうる。さらに例えば、層1106は、限定するわけではないが、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリ(4,4’−オキシジフェニレン−ピロメリトイミド、ポリエチレン、セラミックスなどを含みうる。さらに例えば、層1106は、ポリジメチルシロキサン、シリコーンゴム、アクリル系エラストマー、ポリウレタン、フルオロエラストマーなどを含みうる。層1106は、約10μm〜1mmの厚さ、より具体的には約1μm〜500μmの厚さを有しうる。さらに、層1106は、約0.5KPa〜約2MPaのヤング率、より具体的には約1KPa〜約1MPaのヤング率を有しうる。
生物材料1109は電解質溶液を含みうる。この例では、システム1100を艇体、海洋センサなどの上に作製することができる。「電圧オフ」と表示したダイアグラムに示すように、システム1100は、汚損物質1110が表面1108に結合するような形で、十分な時間にわたって、環境内にあったものである。
特に図17を参照して説明すると、図17は、生物材料1704と接触させるための表面1702と、本開示の実施形態に従って表面1702を第1形状と第2形状との間で変化させるように構成された構造1706を含む機構とを有するデバイス1700の横断平面図である。第1形状から第2形状へのデバイス1700の表面1702の変化は、汚損物質が第1形状にある表面1702に結合している場合に、表面1702を、表面1702からの汚損物質の脱離のための臨界ひずみを超えて変形させる。図18は、デバイス1700の同じ横断平面図であって、第1形状と第2形状との間での表面1702の変化を示している。生物材料1704と接触するデバイス1700の表面1702に結合した状態になった汚損物質は、表面1702を第1形状と第2形状との間で変化させることによって脱離させることができる。汚損物質は、微生物、植物、藻類、および/または動物の任意の望ましくない蓄積、より具体的には、例えば細菌、バイオフィルム、細菌性バイオフィルム、結晶性バイオフィルム、または血栓、および線維性被膜であることができる。
ある実施形態において、デバイス1700の表面1702は、生物材料1704と接触するための内腔を画定することができる。例えばデバイス1700の表面1702は、カテーテルの内腔1704を画定することができる。デバイス1700の構造1706は、表面1702を第1形状と第2形状との間で変化させるために、表面1702に機械力を印加するように構成させることができる。表面1702はある材料によって画定することができ、第1形状と第2形状との間での変化を表面に引き起こさせる機構は、その材料に空気圧を印加することであることができる。表面1702は、ポリマーを含む材料によって画定することができる。その材料は、ポリジメチルシロキサン、シリコーンゴム、アクリル系エラストマー、ポリウレタン、またはフルオロエラストマーの1つ以上を含むことができる。
図17および図18に図解するように、デバイス1700の表面1702は、生物材料1704と接触するための内腔を画定することができ、汚損物質の脱離のための臨界ひずみを超えて表面1702を変形させるように構成された構造は、内腔1704を実質的に取り囲んでいて、膨張した時に空洞1708が内腔1704にぶつかって表面1702を第1形状から第2形状へと変化させ、収縮した時に表面1702を変化させて第1形状に戻すような形で、膨張および収縮するように構成された、少なくとも1つの空洞1708を画定することができる。本開示の実施形態によるもう一つの例において、デバイス1700の表面1702は内腔1704を画定することができ、機構は、内腔1704を実質的に取り囲んでいて、第1形状において内腔1704にぶつかり、収縮した時に空洞が内腔にぶつかるのをやめて、表面を第1形状から第2形状へと変化させるような形で、収縮および膨張するように構成された、少なくとも1つの空洞1708を画定する構造1706を含むことができる。
デバイス1700は、1つ以上の空洞1708を実質的に取り囲む高デュロメータシース1710を含むことができる。デバイス1700の表面1702は、カテーテルの内腔1704を画定することができる。デバイス1700の表面1702は、カテーテルの内腔1704を画定することができ、カテーテルは尿道カテーテルであることができる。
デバイス1700は、体内に位置する端部で膨張するように構成され、かつ挿入後のバルーン構造1900の膨張がカテーテルを適所に保持するような形で体内に位置する端部を膨張させるように構成された体外に位置する膨張ポート1902を含んでいるバルーン構造1900のための、開口部1712を含むことができる。図19は、可膨張バルーン構造1900を図解する、本開示の実施形態によるデバイス1700の側面図である。図19は、デバイス1700の少なくとも1つの空洞1708が、少なくとも1つの空洞1708を膨張および収縮させるように構成されたポンプポート1904に流体接続されうることも図解している。ポンプポート1904は、使用者によるシリンジの適用によって少なくとも1つの空洞1708を膨張および収縮させるように構成させることができる。ポンプポート1904は、空気圧の適用によって少なくとも1つの空洞1708を膨張および収縮させるように構成させることができる。ポンプポート1904は、流体の適用によって少なくとも1つの空洞1708を膨張および収縮させるように構成させることができる。
図20〜22は、生物材料1704と接触するための表面1702と、本開示の実施形態に従って表面1702を第1形状と第2形状との間で変化させるように構成された構造1706を含む機構とを有するデバイス1700の横断平面図である。図20〜22に図解するデバイス1700は、ある範囲の数の空洞1708を画定する構造1706を含む。例えば、図20に示すデバイス1700は4つの空洞1708を持ち、図21に示すデバイス1700は9つの空洞1708を持ち、図22に示すデバイス1700は空洞1708を一つだけ持つ。図20を参照して説明すると、内腔1704は、膨張した時に、汚損物質を表面からこすり落とすか他の方法で取り払うことができるような形で、表面1702の一部分を互いに接触させる。
図23は、生物材料と接触するための第1内腔1704を画定する表面1702と、第1内腔1704に流体接続2302された第2内腔2300とを有するデバイス1700の横断平面図を図解している。第2内腔は、第1内腔2300の長手方向に沿って1つ以上の位置で第1内腔に流体接続され、フラッシング流体を第1内腔中に導くように構成されている。図24は、第1内腔1704と第2内腔2300との間の流体接続2302をデバイス1700の長手方向に沿って図解した断面図である。第2内腔2300は、例えば医薬またはバイオフィルム弛緩剤を含むフラッシング流体を注入するために使用することができる。フラッシング流体は、汚損物質の脱離および剥離を増進するために、空洞1708の膨張および収縮に先だって使用するか、あるいは膨張および収縮中に使用することができる。デバイス1700は、フラッシング流体用の注入ポートを1つ以上含むことができる。
図25は、図17に示すデバイス1700の横断平面図であり、内腔1704の表面1702の異なる部分が、空洞1708を膨張させて第2形状へと変化させた時に、互いに接触している実施形態を図解している。図26は、空洞1708の一つを膨張させた図25のデバイス1700の横断側面図であり、内腔1704の表面1702の異なる部分の接触を図示している。図25および図26に図解したデバイス1700の表面は内腔1704を画定することができ、その内腔は尿道カテーテルの内腔であることができる。尿道カテーテルにおいて感染が起こる理由の一つは、カテーテルの排液は低速であるため、細菌を強力に排出する排尿に伴うフラッシングを受けないことである。例えば図25および図26に図解されている尿道カテーテルデバイスの内腔の表面の側面は、互いに接触しているので、尿路の封鎖をもたらし、膀胱制御サイクル(例えば膀胱はある量の尿を集積してから、封鎖を解いて、尿流を可能にする)を模倣することになるであろう。空洞1708を一つだけ膨張させた図26に示す側面図は、内腔1704からの尿の排液を効果的に封鎖することができる。そのような封鎖可能な内腔1704は、より通常の生活様式および膀胱サイクルを可能にし、おそらくは膀胱収集バッグの排除を可能にすることができるであろう。
ある実施形態において、ここに開示する主題は、デバイスの表面から汚損物質を脱離させるための方法であって、生物材料との接触によって汚損物質が結合した状態になっている第1形状と、第2形状との間で、第1形状から第2形状への変化が、デバイスの表面からの汚損物質の脱離のための臨界ひずみを超えて表面を変形させるように、デバイスの表面を変化させることを含む方法を提供する。デバイスの表面は、例えば図17〜26に示すデバイスのように、内腔を画定することができる。デバイスの表面は、例えば図17〜26に示すデバイスのように、カテーテルの内腔を画定することができる。表面は、ポリマーを含む材料によって画定することができる。表面は、ポリジメチルシロキサン、シリコーンゴム、アクリル系エラストマー、ポリウレタン、またはフルオロエラストマーの一つを含む材料によって画定することができる。
ある実施形態では、デバイスの表面から汚損物質を脱離させるための方法が、表面に機械力を印加することによって表面を第1形状と第2形状との間で変化させることを含む。表面はある材料によって画定することができ、機械力を印加することは、第1形状と第2形状との間での変化を表面に引き起こさせるために材料に空気圧を印加することを含むことができる。デバイスの表面は、例えば図17〜26に示すデバイスのような、内腔を画定することができる。デバイスの表面は、例えば図17〜26に示すデバイスのような、カテーテルの内腔を画定することができる。表面は、ポリマーを含む材料によって画定することができる。表面は、ポリジメチルシロキサン、シリコーンゴム、アクリル系エラストマー、ポリウレタン、またはフルオロエラストマーの一つを含む材料によって画定することができる。
本方法の一実施形態では、図17〜26に示すデバイス1700の表面1702が内腔1704を画定することができ、表面1702から汚損物質を脱離させるための方法は、内腔1704を実質的に取り囲む少なくとも1つの空洞1708を画定する構造1706を設けることをさらに含むことができ、表面1706を変化させることは、少なくとも1つの膨張した空洞1708が内腔1704にぶつかって表面1702を第1形状から第2形状へと変化させるような形で、少なくとも1つの空洞1708を膨張させることを含むことができる。少なくとも1つの空洞1708は、少なくとも1つの空洞1708を膨張させるように構成されたポンプポート1904に流体接続させることができる。少なくとも1つの空洞1708を膨張させることは、空気圧を印加することを含むことができる。少なくとも1つの空洞1708を膨張させることは、流体の適用を含むことができる。デバイス1700は、少なくとも1つの空洞1708を実質的に取り囲む高デュロメータシース1710をさらに含むことができる。内腔1704は、カテーテルの内腔であることができる。内腔1704は、尿道カテーテルの内腔であることができる。ある実施形態では、カテーテルの表面1702から汚損物質を脱離させるための方法が、挿入後のバルーン構造1900の膨張がカテーテルを適所に保持するような形で、膨張ポート1902を介して体内端において膨張するように構成されたバルーン構造1900を設けることを含むことができる。
本方法の一実施形態では、デバイス1700の表面1702が内腔1704を画定し、内腔1704の表面1702から汚損物質を脱離させるための方法が、内腔1704を実質的に取り囲んで内腔にぶつかる少なくとも1つの空洞1708を画定する構造1706を設けること、および収縮した空洞1708が内腔1704にぶつかるのをやめて、表面1702を第1形状から第2形状へと変化させるような形で、少なくとも1つの空洞1708を収縮および膨張させることによって、表面1702を変化させることを含みうる。
図17〜26に図解するデバイス1700に示されたさまざまな数および配向の空洞1708は、汚損物質の脱離および剥離を果たすために汚損物質が結合している表面に印加される機械的応力の改変(例えば圧縮および伸展)を可能にする。加えて、空洞の数および配向は、内腔がこすれることなく内腔1704の大きな表面積のゆがみを達成するために極端な膨張を可能にするか、または内腔のこすれる程度が機械的応力をさらに増加させて、汚損物質の脱離および剥離を果たすことを可能にすることができる。1つ以上の実施形態では、表面での機械的応力を変化させるために、異なる空洞を個別に膨張および収縮させてもよい。このように、表面の形状は、汚損物質の脱離を果たすために、大幅に変化させることができる。
本方法の一実施形態において、図23および図24に図解するデバイス1700の表面1702は第1内腔1704を画定することができ、デバイス1700は、フラッシング流体を第1内腔1704中に導くように構成された、第1内腔1704の長手方向に沿って1つ以上の位置で内腔1704に流体接続2302された第2内腔2300を、さらに含むことができる。第2内腔2300は、例えば医薬またはバイオフィルム弛緩剤を含むフラッシング流体を注入するために使用することができる。フラッシング流体は、汚損物質の脱離および剥離を増進するために、空洞1708の膨張および収縮に先だって使用するか、あるいは膨張および収縮中に使用することができる。デバイス1700は、フラッシング流体用の注入ポートを1つ以上含むことができる。
本開示の実施形態によれば、細胞コンポーネントを剥離するためのデバイスが提供される。本デバイスは細胞コンポーネントと接触するための表面を含む。例えば表面は、細胞コンポーネントを保持するための、組織スキャフォールド、細胞培養スキャフォールド、さまざまな加工装置などを画定しうる。細胞コンポーネントの例には、細胞培養、組織培養、バイオフィルムなどがあるが、これらに限るわけではない。デバイスは、第1形状から第2形状への変化が、表面からの細胞コンポーネントの剥離のための臨界ひずみを超えて表面を変形させるような形で、表面を、細胞コンポーネントが付着した状態になっている第1形状と第2形状との間で変化させるように構成された機構を含みうる。ある例では、機構が、本明細書に開示する実施形態のいずれかに従いうる。一例として、機構は、表面を第1形状と第2形状との間で変化させるために、表面に機械力を印加するように構成させることができる。もう一つの例では、機構が、第1形状と第2形状との間での変化を表面に引き起こさせるために、表面を画定する材料に空気圧を印加するように構成される。もう一つの例では、機構が、表面の近傍に位置して、表面を第1形状から第2形状へと変化させるために空洞が表面に力を発揮するような形で膨張するように構成された、少なくとも1つの空洞を画定する構造を含みうる。
本開示の実施形態では、医学的応用において使用されうるデバイスおよび方法が提供される。医学的応用における本主題の使用は、グルコースセンサなどの留置型センサの場合は、特に有益であることができる。そのようなセンサは、バイオフィルム、血栓、および線維性被膜などの汚損物質がセンサの周囲に形成し、センサへの分析物(例えばグルコース)の浸透を妨げるので、長期(例えば3日以上)性能問題に直面しうる。本開示の実施形態によるデバイスの一例として、図27に、生物材料における物理的状態を示すためのシグナルを生成させると共に、システムのセンサの表面から汚損物質を脱離させるためのデバイス2700の横断側面図を示す。図27を参照して説明すると、デバイス2700は、生物材料における物理的状態を測定し、その測定に基づいてシグナルを生成するように構成されたセンサ2702を含む。さらに、センサ2702は、生物材料に曝露されうる外表面2704を1つ以上含みうる。例えばセンサ2702は留置型センサ、例えば限定するわけではないがグルコースセンサでありうる。他の例には、生物活性環境に浸漬されうる酸素センサ、pHセンサ、動脈血液ガスセンサ、温度センサ、二酸化炭素センサ、毒物センサ、または他の任意のセンサが含まれる。
デバイス2702は、センサ2702の表面2704を少なくとも部分的に覆うカバー2706も含みうる。図に示すように、カバー2706は、センサの先端が生物材料に曝露されうるように、センサの先端にある表面2704の一部分を覆わない。カバー2706は、センサ2702の他の部分を、その部分が生物材料に曝露されないように覆いうる。図27に示す第1形状と図28に示す第2形状との間での変化をカバー2706の表面2708に引き起こさせるための機構を、カバー2706に適切に接続させうる。第1形状から第2形状への変化は、汚損物質2710がセンサ2702の表面2704に結合しており、カバー2706の表面2708が第1形状にある場合に、センサ2702の表面2704の少なくとも一部分が生物材料に曝露されるような形で、カバー2706の表面2708を、カバー2706の表面2708の少なくとも一部分からの汚損物質2710の脱離のための臨界ひずみを超えて変形させる。
この例では、センサ2704が、分析物2712を測定するように構成されたグルコースセンサである。図27に示すように、汚損物質2710はセンサ2702およびカバー2706に付着する。図28に示すようにカバーが第2形状へと移行すると、汚損物質2710に亀裂2714が形成され、測定を行いうるように、分析物2712が移行してセンサ2702の表面2704と接触しうる。あるいは、汚損物質2710は、カバーが第2形状に移行する時に、実質的にまたは完全に取り除かれうる。
本開示の実施形態によれば、カバー2706の表面2708の形状を変化させるための機構は、それぞれがカバー内に配置された空洞を画定する1つ以上の可膨張コンポーネントを含みうる。例えば可膨張コンポーネントは、カバー2706内に、センサ2702を部分的または実質的に取り囲むように配置しうる。機構は、可膨張空洞への流体接続のために構成され、かつカバー2706の表面2708を第1形状と第2形状との間で変化させるために空洞を膨張および収縮させるように構成された、ポンプも含みうる。ポンプは、当業者には理解されるであろうが、例えば空洞を膨張させるのに適したシリンジであることができる。デバイス2700を適切に使用することで、物理的状態を測定し、その測定に基づいてシグナルを生成させうる。
図29および図30は、生物材料における物理的状態を示すためのシグナルを生成させると共に、本開示の実施形態に従ってシステムのセンサの表面から汚損物質を脱離させるためのデバイス2700のもう一つの例の横断側面図である。図29を参照して説明すると、デバイス2700は、センサ2702の表面2704の曝露部分がカバー2706の部分2800と部分2802との間に位置する点以外は、図27および28に示すデバイスと似ている。1つ以上の可膨張コンポーネントを、異なる部分2800および2802内に配置しうる。分析物2712は、センサ2702による測定のために、亀裂2714を通過してセンサ2702と接触しうる。
図31は、本開示の実施形態によるデバイス例2700の横断平面図である。図31を参照して説明すると、デバイス2700は、対応する可膨張コンポーネント3102によって形成される複数の空洞3100を含む。汚損物質を脱離させる目的で表面2708をもう一つの位置に変化させるために、ポンプによって、空洞3100を適切に膨張させうる。カバーは、それぞれがセンサの曝露された表面2704につながる一般に3104で示す複数の通路を含みうる。図32は、空洞3100を膨張させた場面での図31に示すデバイス例2700の横断平面図である。カバーの表面が図31に示す位置に戻るように空洞3100を収縮させるために、ポンプによって、空洞3100から空気を抜くこともできる。図32には分析物2712も示されており、その一部は通路3104内に位置する。
図33および図34は、本開示の実施形態によるもう一つのデバイス例2700の横断平面図である。図33および図34に示すデバイス2700は、図33および図34に示すデバイス2700が図31および図32に示す通路3104を含まない点以外は、図31および図32に示すデバイス2700に似ている。図33および図34は、空洞3100がそれぞれ収縮および膨張している第1位置にあるカバーを示している。
ある実施形態または態様からの特徴は、他の実施形態または態様からの特徴と、任意の適正な組み合わせで組み合わせうる。例えば、方法の態様または実施形態の個々の特徴または集合的特徴はいずれも、実施形態の機器、システム、製品、またはコンポーネント態様に適用することができ、その逆もまた可能である。
さまざまな図面のさまざまな実施形態に関して実施形態を説明したが、そこから逸脱することなく同じ機能を果たすために、他の類似する実施形態を使用するか、記述した実施形態に変更および付加を行いうることを理解すべきである。したがって開示された実施形態は、どの単一実施形態にも限定されるべきではなく、むしろ本願特許請求の範囲に従って、その拡がりと範囲を解釈すべきである。
(実施例)
実施例1:実験設定
図1は、本開示の実施形態による多層フィルム構造ならびにこの項で行われた実験の手順の概略図である。簡単に述べると、試料表面にバイオフィルムを形成させた(ステップ1)。一群の試料は振動電圧を印加することによって作動させ、他方(対照)は作動させなかった(ステップ2)。作動させた試料と対照試料の両方をすすぎ、SYTO13で染色した(ステップ3およびステップ4)。次に蛍光顕微鏡下で細菌密度を計数した(ステップ5)。
実施例1:実験設定
図1は、本開示の実施形態による多層フィルム構造ならびにこの項で行われた実験の手順の概略図である。簡単に述べると、試料表面にバイオフィルムを形成させた(ステップ1)。一群の試料は振動電圧を印加することによって作動させ、他方(対照)は作動させなかった(ステップ2)。作動させた試料と対照試料の両方をすすぎ、SYTO13で染色した(ステップ3およびステップ4)。次に蛍光顕微鏡下で細菌密度を計数した(ステップ5)。
ポリマー表面の変形は、バイオフィルムの剥離をもたらした。図2に示すように、作動させた試料表面(図2A)上のバイオフィルムはポリマーフィルムの変形ゆえに剥離し、一方、対照試料表面上のバイオフィルムは依然として維持されていた(図2B)。
この剥離を、蛍光顕微鏡法によって、さらに図3に示した。対照(図3A)および作動させた(図3B)50mmのポリマーフィルム上、ならびに対照(図3C)および作動させた(図3D)10mmのポリマーフィルム上のC.マリナを示す蛍光顕微鏡像。
図4に示すように、軟質ポリマー上に生成するパターンの波長は、軟質ポリマーの厚さを変化させることによって、1mmから1μmまで微調整することができる。波長はポリマーフィルムの厚さの1.5倍である。
実施例2:細菌性バイオフィルムを剥離させるための電気的作動の使用
バイオフィルムの遊離が作動下でのエラストマーフィルム表面の変形によるものであることの証拠を得るために、追加実験を行った。厚さは一定であるが、弾性係数が異なる(架橋剤の含量を3.5重量%から10重量%まで変化させることによって変動させた)エラストマーフィルム(PDMS、シルガード(SYLGARD)184、ダウコーニング・インク(DOW CORNING INC.))の表面からのバイオフィルム遊離を、それぞれ異なる振幅で振動する2つの印加電圧下で調べたデータを、図5に提示する。エラストマーフィルムは硬質ポリマー基材(カプトン、約125μm、デュポン(DuPont))上に結合している。電圧は、それぞれが、最低弾性率試料の場合は表面作動(動的な表面波形、しわまたは「クレータ」の形成)をもたらし、最高弾性率試料の場合はそれをもたらさないように選んだ。図5に示すとおり、弾性率の低いフィルムでは、どちらの作動電圧でも、高レベルの細菌性バイオフィルム遊離が観察されたのに対し、弾性率が最も高い(10%架橋剤)フィルムでは、どちらの作動電圧でも、低レベルの遊離が観察された。中間の弾性率(5%架橋剤)を持つフィルムの場合、表面のしわ形成は、高レベル側の印加電圧についてのみ観察され、低い方の電圧はこのフィルムの表面しわ形成を引き起こすには十分でなかった。これに呼応して、高交流電圧(6kV)を適用した場合には高レベルの細菌遊離が観察されたが、低い方の電圧ではそうではなかった。これらの結果は、バイオフィルム遊離の機構がポリマー表面の変形によるものであり、電場の印加そのものによるものではないことの証拠を提供している。
バイオフィルムの遊離が作動下でのエラストマーフィルム表面の変形によるものであることの証拠を得るために、追加実験を行った。厚さは一定であるが、弾性係数が異なる(架橋剤の含量を3.5重量%から10重量%まで変化させることによって変動させた)エラストマーフィルム(PDMS、シルガード(SYLGARD)184、ダウコーニング・インク(DOW CORNING INC.))の表面からのバイオフィルム遊離を、それぞれ異なる振幅で振動する2つの印加電圧下で調べたデータを、図5に提示する。エラストマーフィルムは硬質ポリマー基材(カプトン、約125μm、デュポン(DuPont))上に結合している。電圧は、それぞれが、最低弾性率試料の場合は表面作動(動的な表面波形、しわまたは「クレータ」の形成)をもたらし、最高弾性率試料の場合はそれをもたらさないように選んだ。図5に示すとおり、弾性率の低いフィルムでは、どちらの作動電圧でも、高レベルの細菌性バイオフィルム遊離が観察されたのに対し、弾性率が最も高い(10%架橋剤)フィルムでは、どちらの作動電圧でも、低レベルの遊離が観察された。中間の弾性率(5%架橋剤)を持つフィルムの場合、表面のしわ形成は、高レベル側の印加電圧についてのみ観察され、低い方の電圧はこのフィルムの表面しわ形成を引き起こすには十分でなかった。これに呼応して、高交流電圧(6kV)を適用した場合には高レベルの細菌遊離が観察されたが、低い方の電圧ではそうではなかった。これらの結果は、バイオフィルム遊離の機構がポリマー表面の変形によるものであり、電場の印加そのものによるものではないことの証拠を提供している。
図6に、弾性率が異なり、付着しているバイオフィルムの量も異なるエラストマーフィルムでの、バイオフィルム遊離に影響を及ぼすために、動的表面波形を使用できることを示す、顕微鏡データを提示する。弾性率が異なる(3.5重量%から10重量%までのさまざまな量の架橋剤を含有する)エラストマーフィルムの場合、細菌懸濁液への4日間の曝露は、異なる特徴を持つバイオフィルムの形成をもたらした(図6参照)。弾性率が高い(架橋剤濃度が高い)フィルムの方に、より高度の生物付着が観察された。これらの異なる基材上でのこれらのバイオフィルムの遊離を調べるために、経時的に変化する電圧をそれぞれに印加した。電圧の振幅は、ほぼ同じ最大しわサイズ(約20μm)が達成されるように調節した。これらのデータは、このレベルの表面波形が、いずれの場合も、実質的な量のフィルムをもたらすのに十分であったことを示している。
図5および図6のデータは、弾性率が異なるエラストマーフィルムへの振動電圧の印加を使って、その表面からバイオフィルムを除去することが可能であること、およびバイオフィルムの機構が表面波形の形成に関係することを明らかに示しているが、表面波形がバイオフィルム遊離をもたらす機構は、まだ解明されていない。
実施例3:生物付着の能動的制御および能動的表面変形によるバイオフィルム遊離の考えられる機構
図7に、表面変形、より正確には、ポリマー基材に外部から印加されたひずみεによる表面積の変化を起こす、エラストマー表面からのバイオフィルムの遊離に関する考えうる機構の模式図を掲載する。
図7に、表面変形、より正確には、ポリマー基材に外部から印加されたひずみεによる表面積の変化を起こす、エラストマー表面からのバイオフィルムの遊離に関する考えうる機構の模式図を掲載する。
バイオフィルムと基材との間の単位面積あたりの界面エネルギーはΓである。脱離した領域の単位面積あたりのバイオフィルムにおいて解放される弾性エネルギーはW(ε)Hであり、ここで、Wはバイオフィルムの弾性エネルギー密度であり、Hはバイオフィルムの厚さである。
バイオフィルムの脱離は臨界ひずみεCにおいて起こり、この時、
この式から、脱離に必要な、そしてバイオフィルムの遊離に必要な、臨界ひずみは、バイオフィルムの厚さの平方根に逆比例することが予測される。
したがって、この脱離およびバイオフィルム遊離の機構の真実性を調べる簡単な手段は、バイオフィルムの厚さを変化させ、その遊離を達成するのに必要なひずみの程度を調べることである。上記の分析は、厚いバイオフィルムほど小さな表面積の変化率で遊離させることができることを示しており、この結果は反直観的に思われるかもしれないが、生物付着を制御するための能動的システムの設計にとって重要な意味も持っているであろう。
実施例4:界面積の拡大はバイオフィルムの接着破壊につながり、バイオフィルム遊離を可能にする
2日から6日にわたる期間、エラストマー表面を細菌懸濁液に曝露することによって、C.マリナのバイオフィルムをエラストマー(エコフレックス(ECOFLEX)スーパーソフト(SUPERSOFT)0010、スムースオン・インク(SMOOTH-ON,INC.))の表面に形成させた。バイオフィルムを長期間にわたって形成させるほど、バイオフィルムが厚くなったのは、外見からも明白だった。指定のバイオフィルム形成時間の後に、それぞれのバイオフィルムが付随しているエラストマーフィルムを反復ひずみに付した。伸展サイクル中、バイオフィルム表面上の培地は一定流速であった(速度0.5mL/分の滅菌人工海水)。流量条件は、剥離したバイオフィルムまたは緩く接着しているバイオフィルムを除去するために低せん断力が加わるような条件とした。各試料を、7.5秒/サイクルというおよそのサイクル時間で、25サイクルにわたって、画定されたひずみおよび遊離に付した。図8に、さまざまな面積拡大率に付した厚さの異なるバイオフィルムの蛍光強度の減少によって見積もった、遊離したバイオフィルムの量を示す。これらのデータは、厚いバイオフィルムほど小さな脱離のための臨界ひずみ(εC)を示し、したがって、より小さな拡大率でエラストマー表面から遊離させることができるという仮説に合致している。
2日から6日にわたる期間、エラストマー表面を細菌懸濁液に曝露することによって、C.マリナのバイオフィルムをエラストマー(エコフレックス(ECOFLEX)スーパーソフト(SUPERSOFT)0010、スムースオン・インク(SMOOTH-ON,INC.))の表面に形成させた。バイオフィルムを長期間にわたって形成させるほど、バイオフィルムが厚くなったのは、外見からも明白だった。指定のバイオフィルム形成時間の後に、それぞれのバイオフィルムが付随しているエラストマーフィルムを反復ひずみに付した。伸展サイクル中、バイオフィルム表面上の培地は一定流速であった(速度0.5mL/分の滅菌人工海水)。流量条件は、剥離したバイオフィルムまたは緩く接着しているバイオフィルムを除去するために低せん断力が加わるような条件とした。各試料を、7.5秒/サイクルというおよそのサイクル時間で、25サイクルにわたって、画定されたひずみおよび遊離に付した。図8に、さまざまな面積拡大率に付した厚さの異なるバイオフィルムの蛍光強度の減少によって見積もった、遊離したバイオフィルムの量を示す。これらのデータは、厚いバイオフィルムほど小さな脱離のための臨界ひずみ(εC)を示し、したがって、より小さな拡大率でエラストマー表面から遊離させることができるという仮説に合致している。
この重要な結果は、付着したバイオフィルムと弾性表面との間の界面積を、脱離のための臨界ひずみ(εC)を超えて拡大することが、接着性バイオフィルムおよび生物付着を遊離させるための一般手段であることを、強く示唆している。そのような界面積の拡大を達成する方法は数多く考えられ、本開示で説明した電気的作動はそのうちの一つに過ぎない。バイオフィルム遊離のために弾性表面に電圧をかけることが可能でないか実行できない場合は、εCを超えて界面積を増加させるための他の手段が望ましいだろう。そのような手段には、(a)エラストマー表面の伸展;(b)エラストマー表面に差圧をかけることによってその表面にしわを寄らせること;および(c)管状または球状のエラストマージオメトリにおける半径の拡大を含めることができる。
そのような機構は、いくつかの生物フィルムおよび吸着物質の脱離に応用することができ、それらの生物フィルムおよび吸着物質には、次に挙げるものによって形成されるものが含まれる:(i)海洋および産業生物付着;(ii)哺乳動物細胞の培養;(iii)医療用インプラント上の感染性バイオフィルムの形成。
最後に挙げたものの一例は、エラストマーで構築されることが多い留置カテーテルなどの医療用インプラント上に形成されうる厄介な感染性バイオフィルムである。上記の分析は、厄介なバイオフィルムが、そのようなカテーテルから、それら表面を周期的な表面積の変化に付すことによって遊離させることができることを示している。
実施例5:電圧が誘発するポリマー表面の動的トポロジーは、接着性バイオフィルムを能動的かつ効果的に剥離することができる
(図9a)に電気活性防汚コーティングの構造を図解する。2.5GPaのヤング率と125μmの厚さとを持つ硬質ポリマー基材カプトン(DUPONT、米国)の下面に10nmの金層をスパッタコーティングした。50μmポリジメチルシロキサン(シルガード184、ダウコーニング(DOW CORNING)、米国)フィルムをカプトンフィルムの上面にスピンコーティングし、65℃で12時間硬化させた。シルガード184の架橋剤密度は、60kPaから365kPaまでの範囲にわたるずり弾性率を持つエラストマーフィルムが得られるように、2%から10%まで変化させた。フィルムの厚さおよびずり弾性率は、それぞれデクタック(DEKTAK)150スタイラスプロファイラー(ブルカー・エイエックスエス(BRUKER AXS)、米国)および一軸引張試験機(ティー・エイ・インスツルメント(TA INSTRUMENTS)、米国)で測定した。
(図9a)に電気活性防汚コーティングの構造を図解する。2.5GPaのヤング率と125μmの厚さとを持つ硬質ポリマー基材カプトン(DUPONT、米国)の下面に10nmの金層をスパッタコーティングした。50μmポリジメチルシロキサン(シルガード184、ダウコーニング(DOW CORNING)、米国)フィルムをカプトンフィルムの上面にスピンコーティングし、65℃で12時間硬化させた。シルガード184の架橋剤密度は、60kPaから365kPaまでの範囲にわたるずり弾性率を持つエラストマーフィルムが得られるように、2%から10%まで変化させた。フィルムの厚さおよびずり弾性率は、それぞれデクタック(DEKTAK)150スタイラスプロファイラー(ブルカー・エイエックスエス(BRUKER AXS)、米国)および一軸引張試験機(ティー・エイ・インスツルメント(TA INSTRUMENTS)、米国)で測定した。
シリコーンエラストマーのフィルム、硬質絶縁基材、および金属箔を一つに結合して、三層積層物を形成させた(Wangら,2011)。積層物は容易に製作され、大きな面積を覆うことができる。多くの材料に迅速にコロニー形成して海水中の他の汚損生物の付着を媒介することが知られている(Makiら,1995)モデル海洋細菌コベティア・マリナ(Cobetia marina)(7×107細胞/mL)の人工海水懸濁液に、エラストマー表面を曝露し、4日間にわたってバイオフィルムを形成させた(図9a)。付着したバイオフィルムの表面上を穏やかに流れる人工海水に接地電極を入れることによってエラストマー表面を電気的に接地した。対照研究により、その流れだけではバイオフィルムは剥離されないことが示された(データ未掲載)。対照試料および電気作動させた試料でのバイオフィルム剥離の分析は、SYTO13(インヴィトロゲン・インク(INVITROGEN INC.))を使ってバイオフィルムを染色することによって行った。その手順は他書に詳しい(D’Souzaら,2010)。染色−洗浄したバイオフィルム表面を暗所で約30分間風乾し、10倍対物レンズを用いる蛍光顕微鏡(ZIESS AXIO OBSERVER)を使って分析した。同じ曝露時間下で各染色表面から異なる領域の画像を少なくとも5つはキャプチャした。実験試料と対照試料との間の相対蛍光強度を比較することによって、表面から剥離したバイオフィルムの平均パーセンテージを算出した。積層物の下の金属箔にDC電圧を印加したので、エラストマー中に電場が発生した。電場が臨界値を超えると、エラストマーの表面が不安定になって、「マイクロクレータ」のパターンへと変形した(図9aおよび9b)。
クレータを形成する不安定性のための臨界電場は、次のように表すことができる(Wangら,2011):
バイオフィルムの剥離を引き起こすのは、エラストマー表面の変形であって電場の存在ではないという仮設を立てた。この仮説を検証するために、バイオフィルム剥離に対する電圧の効果と表面変形の効果とを、60kPaから365kPaまでの範囲の弾性率を持ついくつかのシリコーンエラストマー層を使って切り離した。C.マリナのバイオフィルムを、以下の説明に従ってエラストマー表面上で成長させた。20%グリセロールを含有する、それぞれマリンブロス(MB)(2216,Difco,ATTC,米国)とトリプシン大豆ブロス(TSB)中の、コベティア・マリナ(バソニム、ハロモナス・マリナ(Halomonas marina)(ATTC4741)と大腸菌(ATTC15222)とを、保存用に小分けして−80℃で凍結保存した。人工海水は既報のとおり調製した(Istaら,1999)。実験用保存株調製物は寒天スラント上に維持し、4℃で2週間まで保存した。寒天スラントからの単一コロニーを50mLのMB(C.マリナ用)またはTSB(大腸菌用)に接種し、25℃(C.マリナ)または37℃(大腸菌)で振とうしながら終夜成長させた。細菌濃度は、C.マリナと大腸菌について、それぞれ7×107細胞mL−1および11×107細胞mL−1だった。バイオフィルムを成長させるために使用した表面は、エタノールで数回すすいだ後、大量の滅菌DI水ですすぐことによって滅菌した。約1mLのC.マリナまたは大腸菌細菌培養を5mLの滅菌人工海水またはTSBブロスと共に試料表面上に置いた。試料を所望の期間、C.マリナについては26℃、大腸菌については37℃に維持したインキュベータ中で保存した。試料を注意深く監視し、乾燥分を補うために、必要に応じて、毎日、約1〜2mLの人工海水またはTSBブロスを加えた。バイオフィルムの厚さは倒立型共焦点顕微鏡(ZEISS LSM 510)によって測定した(下記参照)。
電圧と表面変形とを切り離すための実験のために、エラストマーにおける印加電場を、式(1)に従って、同じ電場Eが、E>ECであるエラストマーでは有意な変形を誘発することができるが、E<ECであるエラストマーでは、有意な変形を誘発することができないように制御した。可変式電圧源(松定(MASTSUSADA)、日本)によってDC電圧を人工海水と底部電極との間に印加した。剥離したバイオフィルムを運び去るために人工海水の持続的低せん断流(0.5mL/分)の下で、各試料に対し、10分間にわたって0.33Hzの頻度で、電圧をオン/オフした。下記表1に示す電場は、
を使って算出した。ある範囲の印加電場下でさまざまな弾性率を持つシルガード184フィルムから剥離したC.マリナ・バイオフィルムのパーセンテージ(%)を表1に示す。約60kPaから365kPaまでの範囲にわたるずり弾性率を持つエラストマーフィルムを得るために、シルガード184の架橋剤密度を変化させた。電場はゼロと一定値(表1に示すもの)との間で10分間で200サイクルにわたって周期的に変動させた。EC未満の電場の負荷は表面変形を引き起こさず、剥離したバイオフィルムはごくわずかなパーセンテージ(約15%)でしかなかった(表1では濃い灰色のセルで表す)。EC未満の電場の負荷は、表面が平坦な状態から凹みがある状態へと可逆的に転換するような形で「マイクロクレータ」の形成をもたらし、それが、高いバイオフィルム剥離率(約95%)をもたらした(表1では白いセルで表す)。バイオフィルムの著しい剥離(すなわち>85%)は、変形を起こした表面(表1における白いセル)でのみ起こった。これらは同じ電場に付したが、変形していない表面はごくわずかなバイオフィルムの剥離(すなわち<15%)しか示さなかった。これらの結果は、電場によって作動させたエラストマー表面からのバイオフィルムの剥離については、表面変形が主要な機構であることを示唆している。
実施例6:伸展によるさまざまな形態の生物付着の剥離に対する表面変形の効果
エラストマーを伸展することによるさまざまな形態の生物付着の剥離に対する表面変形の効果を、電場を負荷せずに調べた。C.マリナおよび大腸菌で、それらの培養時間を変化させることにより、エラストマー上に、厚さが異なるバイオフィルムを形成させた(Costertonら,1995)。その後、剥離したバイオフィルムを運び去るためにエラストマーの表面を横切るように人工海水を穏やかに流しながら、バイオフィルムを持つ各エラストマーを3分以内に30サイクルにわたって所定のひずみまで一軸的に伸展させた。より具体的には、機械的伸展によってバイオフィルムを剥離させるために、シリコーンエラストマーであるエコフレックス00−10(スムースオン(SMOOTH-ON)、米国)のフィルムを使用した。エコフレックスフィルムの厚さとずり弾性率はそれぞれ1mmおよび10.4kPaであった。バイオフィルムがフィルムに接着した後、フィルムの端部2箇所をつかんで、周期的に伸展させたり弛緩させたりした。フィルムは、脱離した生物を運び去るために人工海水の持続的低せん断流(0.5mL/分)を使用しながら、3分間で30サイクルにわたって、所定のひずみまで伸展させ弛緩させた。伸展後に、バイオフィルム剥離のパーセンテージを、印加ひずみの関数として測定した。図10cおよび10dは、印加ひずみが2%〜14%の範囲にある臨界値を超えると、表面変形が、C.マリナ・バイオフィルムおよび大腸菌バイオフィルムの著しい剥離(すなわち>80%)を誘発することを示している。印加ひずみの臨界値はバイオフィルムの厚さに依存する(図10c)。興味深いことに、バイオフィルムが厚いほど、著しい剥離のために要求される臨界ひずみは低くなる。
エラストマーを伸展することによるさまざまな形態の生物付着の剥離に対する表面変形の効果を、電場を負荷せずに調べた。C.マリナおよび大腸菌で、それらの培養時間を変化させることにより、エラストマー上に、厚さが異なるバイオフィルムを形成させた(Costertonら,1995)。その後、剥離したバイオフィルムを運び去るためにエラストマーの表面を横切るように人工海水を穏やかに流しながら、バイオフィルムを持つ各エラストマーを3分以内に30サイクルにわたって所定のひずみまで一軸的に伸展させた。より具体的には、機械的伸展によってバイオフィルムを剥離させるために、シリコーンエラストマーであるエコフレックス00−10(スムースオン(SMOOTH-ON)、米国)のフィルムを使用した。エコフレックスフィルムの厚さとずり弾性率はそれぞれ1mmおよび10.4kPaであった。バイオフィルムがフィルムに接着した後、フィルムの端部2箇所をつかんで、周期的に伸展させたり弛緩させたりした。フィルムは、脱離した生物を運び去るために人工海水の持続的低せん断流(0.5mL/分)を使用しながら、3分間で30サイクルにわたって、所定のひずみまで伸展させ弛緩させた。伸展後に、バイオフィルム剥離のパーセンテージを、印加ひずみの関数として測定した。図10cおよび10dは、印加ひずみが2%〜14%の範囲にある臨界値を超えると、表面変形が、C.マリナ・バイオフィルムおよび大腸菌バイオフィルムの著しい剥離(すなわち>80%)を誘発することを示している。印加ひずみの臨界値はバイオフィルムの厚さに依存する(図10c)。興味深いことに、バイオフィルムが厚いほど、著しい剥離のために要求される臨界ひずみは低くなる。
バイオフィルムの剥離は、基材からの脱離プロセスであると解釈した(J.W.HutchinsonおよびZ.Suo,1992)。脱離するまでは、ポリマー層とバイオフィルムにおける機械的ひずみは同じである。この研究で使用した変形速度ではバイオフィルムが線形弾性であるとみなすと(Shawら,2004)、バイオフィルムにおける単位面積あたりの弾性エネルギーはHYe2/2と表すことができ、ここで、eは印加ひずみ、Yはバイオフィルムの平面ひずみヤング率、Hはバイオフィルムの厚さである。まず、バイオフィルムが、その厚さよりはるかに大きい長さスケールの全体にわたって完全性を維持していることを決定した。これは、長方形のエコフレックス表面上で6日間にわたってC.マリナのバイオフィルムを成長させ、次にそのバイオフィルムを上述の方法に従って染色することによって決定した。染色されたバイオフィルムは、エコフレックス表面の大部分を一様に覆っていた(データ未掲載)。次に、染色されたバイオフィルムを含有するエコフレックス基材の相対する2つの縁部をつかみ、手動でゆっくり一軸方向に20%ひずみまで伸展させた。基材を伸展状態で保持し、バイオフィルムの形態に対する表面変形の効果を調べるために、顕微鏡下で観察した。変形した基材上のバイオフィルムは、バイオフィルムの厚さ(すなわち30μm〜80μm)よりはるかに大きい長さスケールの全体にわたって完全性を維持していた(データ未掲載)。それゆえに、バイオフィルムの剥離は、フィルムの脱離プロセスとして分析することができる。バイオフィルムがその厚さよりはるかに大きい長さスケールの全体にわたって完全性を維持していることから、脱離は、バイオフィルムの弾性エネルギーがバイオフィルムとポリマーとの間の接着エネルギーを超えた時に起こる。それゆえに、バイオフィルムの剥離のための臨界印加ひずみは、
と表すことができる。式(2)から、臨界ひずみはバイオフィルムの厚さの関数として単調に減少することが予測される。この予測は、バイオフィルムが薄いほど、要求される剥離のための臨界ひずみは高くなるという、図10cの実験結果と一致している。
実施例7:肉眼的汚損生物に対する表面変形の効果
肉眼的汚損生物に対する表面変形の効果を調べるために、成体フジツボ(アンフィバラヌス(=バラヌス)アンフィトライト(Amphibalanus(=Balanus)amphitrite))(Rittschofら,2008)を、エラストマーの表面に再付着させた(脱離機構の図解については図11参照)。フジツボの再付着は、先に公表されたプロトコールを使って行った(Rittschofら,2008)。簡単に述べると、フジツボ(アンフィバラヌス(=バラヌス)アンフィトライト)をキプリスまで飼育し、T2(ノース・ダコタ州立大学から贈与)に定着させ、約7週間で基部直径が0.5cmになるまで培養した。フジツボをT2表面から押し外し、直ちに空気中の試験表面に置き、湿度100%で24時間インキュベートした。その後、表面を流海水中に沈め、2週間にわたってブラインシュリンプを毎日給餌し、試験した。フジツボを強固に再付着させた後、エラストマー層を、さまざまな所定のひずみまで、周期的に伸展させ、次に、フジツボを剥離するためのずり応力を決定した(Rittschofら,2008)。フジツボ剥離のためのずり応力を、エラストマー層の印加ひずみの関数としてプロットした(図11d)。ポリマーの変形は、剥離に必要なずり応力を著しく低下させた。例えば、シルガード184基材における25%の印加ひずみは、剥離力を63%低下させ、100%の印加ひずみはフジツボを完全に剥離させた。基材変形によるフジツボの脱離プロセスは、フジツボ−ポリマー界面における二つの亀裂の対称的伝播と理解することができる(図11b)。フジツボ−ポリマー系の弾性エネルギーの低下が、フジツボとポリマー基材との間の接着エネルギーを超えると、亀裂は伝播することになる(Luら,2007)。フジツボの殻底はポリマー基材よりはるかに硬質である(Ramsayら,2008)。フジツボの列の下にある基材(図11c)は、平面ひずみ条件下で変形すると仮定する(図11aおよび図11b)。亀裂伝播によるエネルギー開放率(すなわち亀裂が伝播した時の系の一単位面積における弾性エネルギーの低下)は、G=μSLf(e,L/S)と表すことができ、ここで、μSはポリマー基材のずり弾性率であり、Lはフジツボと基材との間の接着領域の長さであり、Sは基材の幅であり、fは有限要素法計算により以下の説明に従って算出される無次元関数である。S4。フジツボの脱離のためのエネルギー開放率。エラストマーフィルム上のフジツボの列の系(図11c)を、2D平面ひずみモデルとして単純化した(データ未掲載)。エコフレックスフィルムを、ずり弾性率μSのを有するネオ−フック材料としてモデル化し、無限に厚いと仮定した。フジツボを硬質体としてモデル化した。フジツボとポリマー基材との間の結合長さをLと表す。エネルギー開放率を市販の有限要素法パッケージABAQUS6.10.1(SIMULIA、米国)によって計算した(データ未掲載)。変形が小さければ(<10%ひずみ)、エネルギー開放率は、
肉眼的汚損生物に対する表面変形の効果を調べるために、成体フジツボ(アンフィバラヌス(=バラヌス)アンフィトライト(Amphibalanus(=Balanus)amphitrite))(Rittschofら,2008)を、エラストマーの表面に再付着させた(脱離機構の図解については図11参照)。フジツボの再付着は、先に公表されたプロトコールを使って行った(Rittschofら,2008)。簡単に述べると、フジツボ(アンフィバラヌス(=バラヌス)アンフィトライト)をキプリスまで飼育し、T2(ノース・ダコタ州立大学から贈与)に定着させ、約7週間で基部直径が0.5cmになるまで培養した。フジツボをT2表面から押し外し、直ちに空気中の試験表面に置き、湿度100%で24時間インキュベートした。その後、表面を流海水中に沈め、2週間にわたってブラインシュリンプを毎日給餌し、試験した。フジツボを強固に再付着させた後、エラストマー層を、さまざまな所定のひずみまで、周期的に伸展させ、次に、フジツボを剥離するためのずり応力を決定した(Rittschofら,2008)。フジツボ剥離のためのずり応力を、エラストマー層の印加ひずみの関数としてプロットした(図11d)。ポリマーの変形は、剥離に必要なずり応力を著しく低下させた。例えば、シルガード184基材における25%の印加ひずみは、剥離力を63%低下させ、100%の印加ひずみはフジツボを完全に剥離させた。基材変形によるフジツボの脱離プロセスは、フジツボ−ポリマー界面における二つの亀裂の対称的伝播と理解することができる(図11b)。フジツボ−ポリマー系の弾性エネルギーの低下が、フジツボとポリマー基材との間の接着エネルギーを超えると、亀裂は伝播することになる(Luら,2007)。フジツボの殻底はポリマー基材よりはるかに硬質である(Ramsayら,2008)。フジツボの列の下にある基材(図11c)は、平面ひずみ条件下で変形すると仮定する(図11aおよび図11b)。亀裂伝播によるエネルギー開放率(すなわち亀裂が伝播した時の系の一単位面積における弾性エネルギーの低下)は、G=μSLf(e,L/S)と表すことができ、ここで、μSはポリマー基材のずり弾性率であり、Lはフジツボと基材との間の接着領域の長さであり、Sは基材の幅であり、fは有限要素法計算により以下の説明に従って算出される無次元関数である。S4。フジツボの脱離のためのエネルギー開放率。エラストマーフィルム上のフジツボの列の系(図11c)を、2D平面ひずみモデルとして単純化した(データ未掲載)。エコフレックスフィルムを、ずり弾性率μSのを有するネオ−フック材料としてモデル化し、無限に厚いと仮定した。フジツボを硬質体としてモデル化した。フジツボとポリマー基材との間の結合長さをLと表す。エネルギー開放率を市販の有限要素法パッケージABAQUS6.10.1(SIMULIA、米国)によって計算した(データ未掲載)。変形が小さければ(<10%ひずみ)、エネルギー開放率は、
に従う(Luら,2007)。エネルギー開放率は、ポリマーのずり弾性率μSおよび標準化された接触長L/Sと共に増加することが決定された(データ未掲載)。曲線の初期部分(すなわち低ひずみ値)は、一貫して理論的結果と合致した。この実験から、GはμS、eおよびLの単調増加関数であることが示された。エネルギー開放率Gが、フジツボと基材との間の接着エネルギーΓと等しいと考えると、
実施例8:微視的および肉眼的生物付着モデルの能動的剥離のための空気ネットワーク
表面変形を達成するための代替的手段として、空気ネットワークの使用(Ilievskiら,2011)を、微視的および肉眼的生物付着モデルの能動的剥離に関して調べた。上述のように成体フジツボを表面に再付着させ成長させた後で、C.マリナのバイオフィルムをエラストマーの表面に7日間成長させた。図12aに図解するように、エラストマー層の下に空気チャネルを製作し、ネットワークの底面を硬質なプレートに結合させた。圧力−作動プロトタイプを製作するためのプロセスは、パターン形成された気道チャネルを内部に持つパターン形成エコフレックス層をキャスティングするための鋳型として、3Dプリンタ(STRATASYS、米国)を使って、プラスチック製プロトタイプを製作することであった。次に、エコフレックス層を、ガラス板上にスピンコーティングした未硬化のエコフレックスフィルム(約200μm)に接着することで、パターン形成エコフレックス層をガラス板に結合させた。硬化後に、パターン形成エコフレックスネットワークは、ガラススライドに強固に結合されて、閉じた空気チャネルを形成した。各空気チャネルは、厚さ約1mmの長いエコフレックスストリップで覆われた。ネットワークの相対する2つの壁に小さな穴をあけ、一方を空気注入用のゴム管に接続し、他方はデジタル圧力トランスデューサ(タチカラ・インク(TACHIKARA,INC.))に接続した。次に、空気ポンプ(MASTERFLEX)を使ってエコフレックス層を作動させた。空気チャネル中の圧力を徐々に増加させ、バイオフィルムの被覆率とフジツボに関する剥離せん断応力とを測定した。エコフレックス層のチャネル中の気圧を制御することにより、層の表面を、3分間で30サイクルにわたって、可逆的に変形させた。空気をチャネル中に送り込むと、空気チャネル上の薄いエコフレックスストリップが上向きに弯曲して、制御された表面変形を誘発した(図12参照)。図12に示すように、空気ネットワークの動的エラストマー表面は、バイオフィルムとフジツボの両方を能動的かつ効果的に剥離させることができる。例えば3kPaの気圧は、23%の表面ひずみと、バイオフィルムのほぼ100%の剥離を誘発した。フジツボを完全に剥離するには、さらに高い圧力(約15kPa)が必要であった。
表面変形を達成するための代替的手段として、空気ネットワークの使用(Ilievskiら,2011)を、微視的および肉眼的生物付着モデルの能動的剥離に関して調べた。上述のように成体フジツボを表面に再付着させ成長させた後で、C.マリナのバイオフィルムをエラストマーの表面に7日間成長させた。図12aに図解するように、エラストマー層の下に空気チャネルを製作し、ネットワークの底面を硬質なプレートに結合させた。圧力−作動プロトタイプを製作するためのプロセスは、パターン形成された気道チャネルを内部に持つパターン形成エコフレックス層をキャスティングするための鋳型として、3Dプリンタ(STRATASYS、米国)を使って、プラスチック製プロトタイプを製作することであった。次に、エコフレックス層を、ガラス板上にスピンコーティングした未硬化のエコフレックスフィルム(約200μm)に接着することで、パターン形成エコフレックス層をガラス板に結合させた。硬化後に、パターン形成エコフレックスネットワークは、ガラススライドに強固に結合されて、閉じた空気チャネルを形成した。各空気チャネルは、厚さ約1mmの長いエコフレックスストリップで覆われた。ネットワークの相対する2つの壁に小さな穴をあけ、一方を空気注入用のゴム管に接続し、他方はデジタル圧力トランスデューサ(タチカラ・インク(TACHIKARA,INC.))に接続した。次に、空気ポンプ(MASTERFLEX)を使ってエコフレックス層を作動させた。空気チャネル中の圧力を徐々に増加させ、バイオフィルムの被覆率とフジツボに関する剥離せん断応力とを測定した。エコフレックス層のチャネル中の気圧を制御することにより、層の表面を、3分間で30サイクルにわたって、可逆的に変形させた。空気をチャネル中に送り込むと、空気チャネル上の薄いエコフレックスストリップが上向きに弯曲して、制御された表面変形を誘発した(図12参照)。図12に示すように、空気ネットワークの動的エラストマー表面は、バイオフィルムとフジツボの両方を能動的かつ効果的に剥離させることができる。例えば3kPaの気圧は、23%の表面ひずみと、バイオフィルムのほぼ100%の剥離を誘発した。フジツボを完全に剥離するには、さらに高い圧力(約15kPa)が必要であった。
気圧と表面のひずみとの間の関係を以下の手順に従って決定した。長いエコフレックスストリップの変形を説明するために、2D平面ひずみモデルを構築することによって、空気チャネルネットワークの上のエコフレックスストリップの圧力制御弯曲をモデル化した(データ未掲載)。2つの端部をつかんだエコフレックスストリップを一様な圧力Pに付し、半径Rの弧として外向きに弯曲させた。フィルムの初期長さおよび膨れ時の長さを、それぞれ2Lおよび2lと表し、フィルムの初期厚さおよび膨れ時の厚さをHおよびhと表した。力平衡は
式(S2、S3、S5)を組み合わせて、印加圧力Pとエコフレックスフィルムの表面ひずみとの間の関係e=λθ−1を算出した。理論的結果は一貫して実験データと合致した(データ未掲載)。ここに掲載するデータは、空気ネットワークによって作動させる動的表面の防汚能力を証明している。エラストマーを変形させるための流体圧ネットワーク(Thorsenら,2002)は同様に機能することが予想される。
実施例9:粘弾性および結晶性バイオフィルムによる外被の遊離を促進するための伸展による能動的表面ゆがみ
尿道カテーテルデバイスにおける粘弾性および結晶性バイオフィルムによる外被を遊離させる能力について試験するために、インビトロ膀胱モデルを構築した。このモデルは、ミニインキュベータによって37℃に維持されたドリップフローリアクタからなった。p.ミラビリス(p.mirabilis)に使用した培地は人工尿であり、脱イオン水中の塩化カルシウム0.49g/L、塩化マグネシウム六水和物0.65g/L、塩化ナトリウム4.6g/L、硫酸二ナトリウム2.3g/L、クエン酸三ナトリウム二水和物0.65g/L、シュウ酸二ナトリウム0.02g/L、リン酸二水素カリウム2.8g/L、塩化カリウム1.6g/L、塩化アンモニウム1.0g/L、尿素25g/L、およびゼラチン5.0g/Lから構成された。培地のpHを6.1に調節した後、滅菌した。トリプトン・ソイ・ブロス(TRYPTONE SOYA BROTH)を別途調製し、オートクレーブし、滅菌基礎培地に最終濃度が1.0g/Lになるように加えることで、全人工尿培地を作った。大腸菌用の培地はナチュラルブロス(NATURAL BROTH)(NB)またはトリプトン・ソイ・ブロスとした。
尿道カテーテルデバイスにおける粘弾性および結晶性バイオフィルムによる外被を遊離させる能力について試験するために、インビトロ膀胱モデルを構築した。このモデルは、ミニインキュベータによって37℃に維持されたドリップフローリアクタからなった。p.ミラビリス(p.mirabilis)に使用した培地は人工尿であり、脱イオン水中の塩化カルシウム0.49g/L、塩化マグネシウム六水和物0.65g/L、塩化ナトリウム4.6g/L、硫酸二ナトリウム2.3g/L、クエン酸三ナトリウム二水和物0.65g/L、シュウ酸二ナトリウム0.02g/L、リン酸二水素カリウム2.8g/L、塩化カリウム1.6g/L、塩化アンモニウム1.0g/L、尿素25g/L、およびゼラチン5.0g/Lから構成された。培地のpHを6.1に調節した後、滅菌した。トリプトン・ソイ・ブロス(TRYPTONE SOYA BROTH)を別途調製し、オートクレーブし、滅菌基礎培地に最終濃度が1.0g/Lになるように加えることで、全人工尿培地を作った。大腸菌用の培地はナチュラルブロス(NATURAL BROTH)(NB)またはトリプトン・ソイ・ブロスとした。
インビトロ膀胱モデルは、ミニインキュベータで37℃に維持したドリップフローリアクタからなった。ドリップフローリアクタは、チューブ、その内部にある平坦な試験片またはカテーテル切片を有することができる。DFR中の試料を、人工尿中の4時間p.ミラビリス細菌培養物20mLまたはNB中の24時間大腸菌培養物20mLのどちらかで感染させた。感染培養物を1時間放置してから培地供給を再開した。
蠕動ポンプを使って人工尿培地を0.5mL/分の流速でモデルに持続的に流した。所望の時点まで、または系の封鎖が起こるまで、モデルを連続稼働した。試料をリアクタから取り出し、所望の量まで伸展させるか、表面をゆがませ、軽くすすいでから、蛍光染色した。蛍光染料(CYTO13)は細胞外マトリックス(ECM)ならびに細胞に結合した。次に蛍光染色試料を撮像し、蛍光強度を測定した。蛍光強度を使ってバイオフィルム遊離のパーセンテージを算出した。
エラストマー内腔表面を細菌懸濁液に曝露した後、NB培地の連続流を7日間供給することにより、大腸菌バイオフィルムを管状試料(シリコーンチューブ、VWR)上で成長させた。バイオフィルムは曝露された内腔表面を覆った。対照試料はひずみサイクルに付さなかったが、試験試料は10〜50%の範囲のひずみに20サイクルにわたって曝露した。10%ひずみ試料は80%のバイオフィルム遊離を示し、50%ひずみ試料は90%を上回るバイオフィルム遊離を示した。これらの結果は、表面変形が、典型的なバイオフィルム粘弾性の機械的性質を有する尿バイオフィルムを効果的に剥離したことを裏付けている。蛍光画像の視覚的観察により、バイオフィルムの大部分は剥離していたことが確認された。
エラストマー表面を細菌懸濁液に曝露した後、人工尿培地の連続流を1日供給することにより、P.ミラビリス・バイオフィルムを平坦な試験試料(ドラゴンスキン(DRAGON SKIN)0020、スムースオン・インク(SMOOTH-ON,INC.))上で成長させた。結晶性バイオフィルムが曝露された表面を覆い、結晶性構造が顕微鏡下で確認された。対照試料はひずみサイクルに付さなかったが、試験試料は10〜50%の範囲のひずみに15サイクルにわたって曝露した。10%ひずみ試料は50%のバイオフィルム遊離を示し、50%ひずみ試料は90%を上回るバイオフィルム遊離を示した。これらの結果は、表面変形が、高弾性率および低粘弾性の機械的性質を有する血漿性尿バイオフィルムを効果的に剥離したことを裏付けている。蛍光画像の視覚的観察により、変形させた領域ではバイオフィルムの大部分が剥離することが確認された。加えて、変形させた領域では、残りのバイオフィルム領域に、亀裂が観察された。
エラストマー内腔表面を細菌懸濁液に曝露してから、人工尿培地の連続流を2日間供給することにより、P.ミラビリス・バイオフィルムを管状試料(シリコーンチューブ、VWR)上で成長させた。結晶性バイオフィルムが、曝露された内腔表面を覆い、裸眼での観察で見ることができた。対照試料はひずみサイクルに付さなかったが、試験試料は10〜50%の範囲のひずみに15サイクルにわたって曝露した。10%ひずみ試料は68%のバイオフィルム遊離を示し、50%ひずみ試料は98%を上回るバイオフィルム遊離を示した。これらの結果は、表面変形が、高弾性率および低粘弾性の機械的性質を有する血漿性尿バイオフィルムを効果的に剥離したことを裏付けている。より厚いと思われるバイオフィルム(1日間の成長に対して2日間の成長によるもの)の方が、10%ひずみ時に遊離するバイオフィルムのパーセンテージが高く、変動性も低かった。この結果は、バイオフィルム遊離技術の臨床適用を支持しており、治療的バイオフィルム剥離間の時間の増加は、患者によって有利であるだろう。
要約すると、ポリマー表面の変形は、微生物バイオフィルムおよび肉眼的汚損生物を効果的に剥離することができる。能動的な生物表面に触発されて、電圧、機械的伸展および気圧を含む外部刺激に応答して動的に変形する能力を持つ単純なエラストマー表面を創製した。動的表面変形の使用は補足的手段であり、生物付着管理のための他の手段、例えば表面修飾、制御遊離ならびにマイクロトポグラフィおよびナノトポグラフィを強化することができる。
本明細書について言及した特許または刊行物はいずれも、本開示が関係する分野の当業者の水準を示すものである。これらの特許および刊行物は、あたかも個々の刊行物について具体的かつ個別に参照によって組み込まれることを示したかのように、参照により本明細書に組み込まれるものとする。
本開示が、対象を実行し、言及した目的および利点、ならびにそこに固有のものを得ることに、よく適合していることは、当業者には容易に理解されるであろう。本実施例は、本明細書に記載する方法、手順、組成物、デバイス、システム、および機器と共に、現時点で、さまざまな実施形態を代表し、例示するものであって、ここに開示する主題の範囲への限定を意図していない。当業者であれば、特許請求の範囲によって画定され、本明細書に概説する、ここに開示する主題の主旨に包含される、それらの変更および他の使用にも考えが至る。
Claims (106)
- 生物材料と接触するための表面;および
表面を第1形状と第2形状との間で変化させるように構成された構造を含む機構
を含み、汚損物質が第1形状にある表面に結合している場合に、第1形状から第2形状への変化が、表面からの汚損物質の脱離のための臨界ひずみを超えて表面を変形させる、デバイス。 - 前記表面が内腔を画定する、請求項1に記載のデバイス。
- 前記表面がカテーテルの内腔を画定する、請求項1に記載のデバイス。
- 前記表面がポリマーを含む材料によって画定される、請求項1に記載のデバイス。
- 前記表面が、ポリジメチルシロキサン、シリコーンゴム、アクリル系エラストマー、ポリウレタン、またはフルオロエラストマーの一つを含む材料によって画定される、請求項1に記載のデバイス。
- 前記構造が、前記表面を前記第1形状と前記第2形状との間で変化させるために、前記表面に機械力を印加するように構成されている、請求項1に記載のデバイス。
- 前記表面が材料によって画定されており、
前記構造が、前記第1形状と前記第2形状との間での変化を表面に引き起こさせるために、前記材料に空気圧を印加するように構成されている、請求項1に記載のデバイス。 - 前記表面が内腔を画定し、
前記構造が、前記内腔を実質的に取り囲んでいて、膨張した時に前記空洞が前記内腔にぶつかって前記表面を前記第1形状から前記第2形状へと変化させ、収縮した時に前記表面を変化させて前記第1形状に戻すような形で、膨張および収縮するように構成された、少なくとも1つの空洞を画定する、請求項1に記載のデバイス。 - 前記空洞を実質的に取り囲む高いデュロメータシースをさらに含む、請求項8に記載のデバイス。
- 前記内腔がカテーテルの内腔である、請求項8に記載のデバイス。
- 前記少なくとも1つの空洞が、前記少なくとも1つの空洞を膨張させるように構成されたポンプポートに流体接続されている、請求項8に記載のデバイス。
- 前記ポンプポートが、空気圧の印加によって前記少なくとも1つの空洞を膨張させるように構成されている、請求項11に記載のデバイス。
- 前記内腔が第1側面および第2側面を有し、前記第2形状では前記第1側面と前記第2側面とが接触する、請求項8に記載のデバイス。
- 体内に位置する端部で膨張するように構成され、かつ挿入後のバルーン構造の膨張が前記カテーテルを適所に保持するような形で前記体内に位置する端部を膨張させるように構成された体外に位置する膨張ポートを含んでいる前記バルーン構造のための、開口部をさらに含む、請求項8に記載のデバイス。
- 前記カテーテルが尿道カテーテルである、請求項8に記載のデバイス。
- 前記表面が内腔を画定し、
前記内腔を実質的に取り囲んでいて、前記第1形状において前記内腔にぶつかり、収縮した時に前記空洞が前記内腔にぶつかるのをやめて前記表面を前記第1形状から前記第2形状へと変化させるような形で、収縮および膨張するように構成されている少なくとも1つの空洞を、前記構造が画定する、請求項1に記載のデバイス。 - 前記表面が第1内腔を画定し、
前記デバイスが、前記第1内腔の長手方向に沿って1つ以上の位置で前記第1内腔に流体接続されていてフラッシング流体を前記第1内腔中に導くように構成された第2内腔を、さらに含む、
請求項1に記載のデバイス。 - デバイスの表面から汚損物質を脱離させるための方法であって、
生物材料との接触によって汚損物質が結合した状態になっている第1形状と、第2形状との間で、前記第1形状から前記第2形状への変化が、デバイスの表面からの前記汚損物質の脱離のための臨界ひずみを超えて前記表面を変形させるように、前記デバイスの前記表面を変化させること
を含む方法。 - 前記表面が内腔を画定する、請求項18に記載の方法。
- 前記表面がカテーテルの内腔を画定する、請求項18に記載の方法。
- 前記表面がポリマーを含む材料によって画定される、請求項18に記載の方法。
- 前記表面が、ポリジメチルシロキサン、シリコーンゴム、アクリル系エラストマー、ポリウレタン、またはフルオロエラストマーの一つを含む材料によって画定される、請求項18に記載の方法。
- 前記表面を前記第1形状と前記第2形状との間で変化させることが、前記表面に機械力を印加することを含む、請求項18に記載の方法。
- 前記表面が材料によって画定されており、
前記機械力を印加することが、前記第1形状と前記第2形状との間での変化を前記表面に引き起こさせるために、前記材料に空気圧を印加することを含む、請求項23に記載の方法。 - 前記表面が内腔を画定し、
前記方法が、前記内腔を実質的に取り囲む少なくとも1つの空洞を画定する構造を設けることをさらに含み、
前記表面を変化させることが、少なくとも1つの膨張した空洞が内腔にぶつかって前記表面を前記第1形状から前記第2形状へと変化させるような形で、前記少なくとも1つの空洞を膨張させることを含む、請求項18に記載の方法。 - 前記デバイスが、前記空洞を実質的に取り囲む高デュロメータシースをさらに含む、請求項25に記載の方法。
- 前記内腔がカテーテルの内腔である、請求項25に記載の方法。
- 前記空洞が、前記少なくとも1つの空洞を膨張させるように構成されたポンプに流体接続されている、請求項25に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの空洞を膨張させることが、空気圧を印加することを含む、請求項25に記載の方法。
- 挿入後のバルーン構造の膨張がカテーテルを適所に保持するような形で体内端において膨張するように構成されたバルーン構造を設けることをさらに含む、請求項25に記載の方法。
- 前記カテーテルが尿道カテーテルである、請求項25に記載の方法。
- 前記表面が内腔を画定し、
前記方法が、前記内腔を実質的に取り囲んでいて、前記第1形状において前記内腔にぶつかる、少なくとも1つの空洞を画定する構造を設けることをさらに含み、
前記表面を変化させることが、前記少なくとも1つの収縮した空洞が内腔にぶつかるのをやめて、前記表面を前記第1形状から前記第2形状へと変化させるような形で、前記少なくとも1つの空洞を収縮させることを含む、
請求項25に記載の方法。 - 前記表面が第1内腔を画定し、
前記デバイスが、前記第1内腔の長手方向に沿って1つ以上の位置で前記第1内腔に流体接続されていてフラッシング流体を前記第1内腔中に導くように構成された第2内腔を、さらに含む、
請求項25に記載の方法。 - 電極;
前記電極に付着していて生物材料と接触するための表面を画定する層;および
前記表面を第1形状と第2形状との間で変化させるような形で前記電極と前記生物材料との間に電圧を印加するように構成された電圧源
を含み、
前記汚損物質が前記第1形状にある前記表面に結合している場合に、前記第1形状から前記第2形状への前記変化が、前記表面からの汚損物質の脱離のための臨界ひずみを超えて前記表面を変形させる、
システム。 - 前記電極が、金属、導電性テープ、導電性酸化物、半導体の一つを含む、請求項34に記載のシステム。
- 前記電極が導電性材料の層を含む、請求項34に記載のシステム。
- 前記生物材料が電解質溶液を含む、請求項34に記載のシステム。
- 前記層がポリマーを含む、請求項34に記載のシステム。
- 前記ポリマーの層がコーティングを含む、請求項38に記載のシステム。
- 前記コーティングがスピンコーティング技法によって塗布される、請求項39に記載のシステム。
- 前記表面にテクスチャ加工が施されている、請求項34に記載のシステム。
- 前記層が、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ(4,4’−オキシジフェニレン−ピロメリトイミド、ポリエチレン、またはセラミックスの一つを含む、請求項34に記載のシステム。
- 前記層が、ポリジメチルシロキサン、シリコーンゴム、アクリル系エラストマー、ポリウレタン、またはフルオロエラストマーの一つを含む、請求項34に記載のシステム。
- 前記層が約10μm〜1mmの厚さを有する、請求項34に記載のシステム。
- 前記層が約1μm〜500μmの厚さを有する、請求項34に記載のシステム。
- 前記層が約0.5KPa〜約2MPaのヤング率を有する、請求項34に記載のシステム。
- 前記層が約1KPa〜約1MPaのヤング率を有する、請求項34に記載のシステム。
- 前記印加電圧が振動電圧である、請求項34に記載のシステム。
- 前記振動電圧が約0.1Hz〜約100Hzである、請求項48に記載のシステム。
- 前記振動電圧が約0.5Hz〜約10Hzである、請求項48に記載のシステム。
- 前記印加電圧が約0kV〜約20kVである、請求項48に記載のシステム。
- 前記印加電圧が約100V〜約8kVである、請求項48に記載のシステム。
- 前記印加電圧が約3kV〜約6kVである、請求項48に記載のシステム。
- 前記電圧が少なくとも5分間は印加される、請求項34に記載のシステム。
- 前記表面を前記第1形状と前記第2形状との間で変化させるための前記印加電圧を変化させるために電圧源を制御するように構成されたコントローラをさらに含む、請求項34に記載のシステム。
- 電極を設けること;
前記電極に付着していて生物材料と接触するための表面を画定する層を設けること;および
前記表面を第1形状と第2形状との間で変化させるような形で前記電極と前記生物材料との間に電圧を印加すること
を含む方法であって、汚損物質が前記第1形状にある前記表面に結合している場合に、前記第1形状から前記第2形状への前記変化が、前記表面からの前記汚損物質の脱離のための臨界ひずみを超えて前記表面を変形させる方法。 - 前記電極が、金属、導電性テープ、導電性酸化物、半導体の一つを含む、請求項56に記載の方法。
- 前記電極が導電性材料の層を含む、請求項56に記載の方法。
- 前記生物材料が電解質溶液を含む、請求項56に記載の方法。
- 前記層がポリマーを含む、請求項56に記載の方法。
- 前記ポリマーの層がコーティングを含む、請求項60に記載の方法。
- スピンコーティング技法によって前記コーティングを設けることをさらに含む、請求項61に記載の方法。
- 前記表面にテクスチャ加工が施される、請求項56に記載の方法。
- 前記層が、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ(4,4’−オキシジフェニレン−ピロメリトイミド、ポリエチレン、またはセラミックスの一つを含む、請求項56に記載の方法。
- 前記層が、ポリジメチルシロキサン、シリコーンゴム、アクリル系エラストマー、ポリウレタン、またはフルオロエラストマーの一つを含む、請求項56に記載の方法。
- 前記層が約10μm〜1mmの厚さを有する、請求項56に記載の方法。
- 前記層が約1μm〜500μmの厚さを有する、請求項56に記載の方法。
- 前記層が約0.5KPa〜約2MPaのヤング率を有する、請求項56に記載の方法。
- 前記層が約1KPa〜約1MPaのヤング率を有する、請求項56に記載の方法。
- 前記印加電圧が振動電圧である、請求項56に記載の方法。
- 前記振動電圧が約0.1Hz〜約100Hzである、請求項70に記載の方法。
- 前記振動電圧が約0.5Hz〜約10Hzである、請求項70に記載の方法。
- 前記印加電圧が約0kV〜約20kVである、請求項70に記載の方法。
- 前記印加電圧が約100V〜約8kVである、請求項70に記載の方法。
- 前記印加電圧が約3kV〜約6kVである、請求項70に記載の方法。
- 前記電圧を印加することが、前記電圧を少なくとも5分間印加することを含む、請求項56に記載の方法。
- 前記表面を前記第1形状と前記第2形状との間で変化させる目的で前記印加電圧を変化させるために電圧源を制御することをさらに含む、請求項56に記載の方法。
- 表面から細胞コンポーネントを剥離させるためのデバイスであって、
細胞コンポーネントと接触するための表面;および
第1形状から第2形状への変化が、前記表面からの細胞コンポーネントの剥離のための臨界ひずみを超えて表面を変形させるような形で、細胞コンポーネントが付着した状態になっている前記第1形状と、前記第2形状との間で、前記表面を変化させるように構成された機構
を含むデバイス。 - 前記表面が、組織スキャフォールド、細胞培養スキャフォールド、または加工装置の一つを画定する、請求項78に記載のデバイス。
- 前記細胞コンポーネントが、細胞培養、組織培養、またはバイオフィルムの一つを含む、請求項78に記載のデバイス。
- 前記機構が、前記表面を前記第1形状と前記第2形状との間で変化させるために表面に機械力を印加するように構成されている、請求項78に記載のデバイス。
- 前記表面が材料によって画定されており、
前記機構が、前記第1形状と前記第2形状との間での変化を前記表面に引き起こさせるために前記材料に空気圧を印加するように構成されている、請求項81に記載のデバイス。 - 前記機構が、前記表面の近傍に位置して、前記表面を前記第1形状から前記第2形状へと変化させるために前記空洞が前記表面に力を発揮するような形で膨張するように構成された、少なくとも1つの空洞を画定する構造を含む、請求項78に記載のデバイス。
- 表面から細胞コンポーネントを剥離させるための方法であって、
第1形状から第2形状への変化が、前記表面からの前記細胞コンポーネントの剥離のための臨界ひずみを超えて前記表面を変形させるような形で、細胞コンポーネントが付着した状態になっている前記第1形状と前記第2形状との間で、表面を変化させること
を含む方法。 - 前記表面が、組織スキャフォールド、細胞培養スキャフォールド、または加工装置の一つを画定する、請求項84に記載の方法。
- 前記細胞コンポーネントが、細胞培養、組織培養、またはバイオフィルムの一つを含む、請求項84に記載の方法。
- 前記表面を前記第1形状と前記第2形状との間で変化させることが、前記表面に機械力を印加することを含む、請求項84に記載の方法。
- 前記表面が材料によって画定されており、
前記機械力を印加することが、前記第1形状と前記第2形状との間での変化を前記表面に引き起こさせるために前記材料に空気圧を印加することを含む、
請求項87に記載の方法。 - 前記表面の近傍に位置する少なくとも1つの空洞を画定する構造を設けることをさらに含み、
前記表面を変化させることが、少なくとも1つの膨張した空洞が前記表面に力を発揮して前記表面を前記第1形状から前記第2形状へと変化させるような形で、前記少なくとも1つの空洞を膨張させることを含む、
請求項84に記載の方法。 - 生物材料における物理的状態を測定し、前記測定に基づいてシグナルを生成するように構成された、前記生物材料に曝露されるための表面を含むセンサ;
前記センサの前記表面を少なくとも部分的に覆い、かつ前記生物材料と接触するためのもう一つの表面を画定するカバー;および
前記カバーの表面を第1形状と第2形状との間で変化させるように構成された機構
を含み、前記センサの表面の少なくとも一部分が前記生物材料に曝露されるような形で、汚損物質が前記センサの前記表面と第1形状にある前記カバーの表面とに結合している場合に、第1形状から第2形状への変化が、前記カバーの前記表面の少なくとも一部分からの前記汚損物質の脱離のための臨界ひずみを超えてカバーの表面を変形させる、デバイス。 - 前記センサが留置型センサである、請求項90に記載のデバイス。
- 前記留置型センサがグルコースセンサである、請求項91に記載のデバイス。
- 前記留置型センサが、酸素センサ、pHセンサ、動脈血液ガスセンサ、温度センサ、二酸化炭素センサ、毒物センサの1つ以上である、請求項91に記載のデバイス。
- 前記物理的状態が、分析物の測定を含む、請求項90に記載のデバイス。
- 前記機構が、それぞれが前記カバー内に配置された空洞を画定する1つ以上の可膨張コンポーネントを含む、請求項90に記載のデバイス。
- 前記機構が、前記1つ以上の可膨張空洞に流体接続するように構成され、かつ前記カバーの前記表面を前記第1形状と前記第2形状との間で変化させるために1つ以上の可膨張コンポーネントの前記空洞を膨張および収縮させるように構成されたポンプを含む、請求項95に記載のデバイス。
- 前記1つ以上の可膨張コンポーネントが、第1および第2可膨張コンポーネントを含み、
前記カバーが、前記センサによる測定のために分析物が前記センサの前記表面に移動することを可能にするために、前記第1および第2可膨張コンポーネントの間に位置する多孔性材料を含む、
請求項96に記載のデバイス。 - 生物材料における物理的状態を測定し、前記測定に基づいてシグナルを生成するように構成された、前記生物材料に曝露されるための表面を含むセンサ;および
前記センサの前記表面を少なくとも部分的に覆い、かつ前記生物材料と接触するためのもう一つの表面を画定するカバー;
を含むデバイスを用意すること;
前記センサの前記表面を前記生物材料に曝露すること;および
前記カバーの前記表面を第1形状と第2形状との間で変化させること
を含み、前記センサの前記表面の少なくとも一部分が生物材料に曝露されるような形で、汚損物質が前記センサの前記表面と前記第1形状にある前記カバーの前記表面とに結合している場合に、前記第1形状から前記第2形状への前記変化が、前記カバーの前記表面の少なくとも一部分からの前記汚損物質の脱離のための臨界ひずみを超えて前記カバーの前記表面を変形させる、方法。 - 前記センサが留置型センサである、請求項98に記載の方法。
- 前記留置型センサがグルコースセンサである、請求項98に記載の方法。
- 前記留置型センサが、酸素センサ、pHセンサ、動脈血液ガスセンサ、温度センサ、二酸化炭素センサ、毒物センサの1つ以上である、請求項98に記載の方法。
- 前記物理的状態が、分析物の測定を含む、請求項98に記載の方法。
- 前記デバイスが、それぞれがカバー内に配置された空洞を画定する1つ以上の可膨張コンポーネントをさらに含む、請求項98に記載の方法。
- 前記カバーの前記表面を前記第1形状と前記第2形状との間で変化させるために1つ以上の可膨張コンポーネントの前記空洞を膨張および収縮させることをさらに含む、請求項103に記載の方法。
- 前記1つ以上の可膨張コンポーネントが第1および第2可膨張コンポーネントを含み、
前記カバーが、前記センサによる測定のために分析物が前記センサの表面に移動することを可能にするために、前記第1および第2可膨張コンポーネントの間に位置する多孔性材料を含む、
請求項104に記載の方法。 - 前記デバイスを使って前記物理的状態を測定し、前記測定に基づいて前記シグナルを生成させることをさらに含む、請求項98に記載の方法。
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