JP2022537566A - テクスチャー加工された表面を有する物品を形成する方法および装置 - Google Patents

Abstract

本明細書では、押出材料がベース面上に一連の平行なスプラインを有する表面を有するように、突起のパターンを有するダイを通して材料を押し出すこと、および一連の平行な隆起したスプラインが様々な長さの個別の隆起したセグメントに形成されるように、押出材料の表面に第一のパターン化されたテンプレートを用いて圧力を加えることを含む、耐生物付着性物品を形成する方法を開示し、パターン化されたテンプレートは、スプラインに対して角度αで傾斜した溝を含む。この方法は、さらに、第二のパターン化されたテンプレートを用いて押出材料の表面に圧力を加えることを含み、第二のパターン化されたテンプレートは、スプラインに対して角度βで傾斜している溝を含む。【選択図】図２

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１９年６月１９日に出願された米国特許出願第６２／８６３，３４９号の利益を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

連邦政府が後援する研究または支援に関する声明

本発明は、アメリカ合衆国保健福祉省が授与する５Ｒ４４ＨＤ０８５６１６－０３に基づく政府支援により行われたもので、本発明に関する一定の権利を有する。

テクスチャー加工された表面を有する物品を形成するための方法および装置が本明細書に開示される。

テクスチャー加工された表面は、生物付着や流れの制御など、さまざまな機能に利用され得る。テクスチャー加工はマイクロメートルからナノメートルのオーダーであるため、経済的に大量の表面を作製することは困難である。そのため、これらの表面を大量生産できる効率的な製造プロセスが期待される。

本明細書では、押出材料がベース面上に一連の平行なスプラインを有する表面を有するように、突起のパターンを有するダイを通して材料を押し出すこと、および一連の平行な隆起したスプラインが様々な長さの個別の隆起したセグメントに形成されるように、押出材料の表面に第一のパターン化されたテンプレートを用いて圧力を加えることを含む、耐生物付着性物品を形成する方法を開示し、パターン化されたテンプレートは、スプラインに対して角度αで傾斜した溝を含む。この方法は、さらに、第二のパターン化されたテンプレートを用いて押出材料の表面に圧力を加えることを含み、第二のパターン化されたテンプレートは、スプラインに対して角度βで傾斜している溝を含む。

図１は、パターン化された表面の一実施形態の例示的図示である。 図２は、表面をテクスチャー加工するために使用され得る装置の例示的一実施形態の図示である。

テクスチャー加工された表面を製造するための装置および方法が本明細書に開示される。当該装置は、物品表面上にテクスチャーの第一の部分を有する物品を作製する製造装置、およびテクスチャーの第一の部分を修正してテクスチャーの第二の部分を作出する修正装置を備える。修正装置は、製造装置の下流に位置し、テクスチャーの第一の部分の一部を粉砕、エッチング、押圧、またはアブレートすることによって、テクスチャーの第一の部分を修正する。物品はシートまた管であり得る。

本明細書では、押出材料がベース面上に一連の平行なスプラインを有する表面を有するように、突起のパターンを有するダイを通して材料を押し出すこと、および一連の平行な隆起したスプラインが様々な長さの個別の隆起したセグメントに形成されるように、押出材料の表面に第一のパターン化されたテンプレートを用いて圧力を加えることを含む、耐生物付着性物品を形成する方法を開示し、パターン化されたテンプレートは、スプラインに対して角度αで傾斜した溝を含む。

この方法は、さらに、第二のパターン化されたテンプレートを用いて押出材料の表面に圧力を加えることを含み、第二のパターン化されたテンプレートは、スプラインに対して角度βで傾斜している溝を含む。一実施形態では、角度αは角度βと等しく、別の実施形態では、角度αは角度βと等しくない。一実施形態では、角度αと角度βはともに４０度以上である。

一実施形態では、第一のパターン化されたテンプレートの溝は、１０ナノメートル～１００マイクロメートルである厚さ「ｔ」を有し、第一のテンプレートの溝の間の距離「ｄ」は、１０ナノメートル～１００マイクロメートルである。第二のパターン化されたテンプレートの溝は、１０ナノメートル～１００マイクロメートルである厚さ「ｔ」を有し、第二のテンプレートの溝の間の距離「ｄ」は、１０ナノメートル～１００マイクロメートルである。一実施形態では、第一のパターン化されたテンプレートおよび第二のパターン化されたテンプレートは、その軸が押出材料の長手方向軸と平行であるローラーである。一実施形態では、ローラーは、（押出材料が導管の形態である場合）押出材料の周りを回転し、回転中は押出材料に接触し得る。

図１は、物品の表面上に配置されたテクスチャーを示す。この物品は、複数の特徴１１１が配置された基材を含む。複数の特徴は、ベース面１３０から突出しているか、または代わりにベース面１３０に突出している。ベース面１３０は、基材の表面である。

ベース面１３０は、ボート、船橋などの他の表面に適用され得るシート状材料、屋根材、電力または水処理プラントの水源パイプの内面、乳房インプラント、カテーテル、または心臓弁などの移植可能な医療機器または材料、あるいは同様の物品であり得る。代替的に、ベース面は物品表面であり、（テクスチャーを形成する）特徴がベース面１３０から突出する、あるいは代わりにベース面１３０中に突出し得る。これらの機能については後で詳しく論じる。

ここで、図２を参照すると、装置１００は、テクスチャーの第一の部分１０８を有する物品１０４を作製する製造装置１０２を備える。一実施形態では、テクスチャーの第一の部分は、物品１０４のベース面の全長に沿って延在するスプラインを含む。スプラインは、ベース面から外向きに突出するか、または代替的に、ベース面から内向きに突出し得る。スプラインは１０ナノメートル～１００マイクロメートルである。

物品１０４は、管、シリンダー、またはシートであり得る。物品が前方に移動すると（製造装置１０２からより多くの材料が発せられた結果）、一つまたは複数の修正装置１０６Ａ、１０６Ｂに接触する。一実施形態では、修正装置は、物品１０４の表面に接触した際にその中へと凹む溝付き表面（溝１１０を含む）である。一実施形態では、第一の修正装置１０６Ａおよび第二の修正装置１０６Ｂは、紙の平面内にあり、かつまた物品１０４の移動方向に平行な軸を中心に回転する。両方の修正装置は、両方の装置が同時に同じ場所にない限り、同じ方向にも反対方向にも回転することができる。一実施形態では、修正装置１０６Ａおよび１０６Ｂは、円形物品の円周の周りを移動して、以下で詳細に説明する経路１１２Ａおよび１１２Ｂを形成し得る。

第一の修正装置１０６Ａが物品の表面に接触するとき、それはスプラインを圧し潰し（すなわち、テクスチャーの第一の部分を修正し）、物品の表面に第一の経路１１２Ａを形成する。この第一の経路は、移動方向に垂直に角度αで傾斜している。スプラインがベース面から外向きに突出しているとき、スプラインの破砕中、修正装置の溝がベース面に入り込まない。角度αは５度～８０度、変化し得る。溝は、１０ナノメートル～１００マイクロメートル、好ましくは１マイクロメートル～５マイクロメートルである厚さ「ｔ」を有する。溝の間の距離「ｄ」（溝のピッチとしても知られる）は、１０ナノメートル～１００マイクロメートルである。

スプラインがベース面に突出するとき、第一の修正装置１０６Ａは、スプラインの深さと同等またはそれ以下の深さまで物品の表面に押し込まれる。第一の修正装置によって接触された後に物品上に残るテクスチャーは、溝のピッチ「ｄ」に等しい長さを有する一連の突起を含む。

物品が第二の修正装置１０６Ｂによって接触されたとき、それは第二の経路１１２Ｂを形成するスプラインも圧し潰す。第二の修正装置１０６Ｂはまた、物品の移動方向に平行な軸の周りを回転する。第二の修正装置１０６Ｂが物品の表面に接触するとき、それはまたスプラインを圧し潰し（すなわち、テクスチャーの第一の部分を修正し）、物品の表面上に第二の経路１１２Ｂを形成する。この第二の経路は、移動方向に垂直に角度βで傾斜している。角度βは５度～８０度、変化し得る。角度αとβは反対方向で測定される。

角度α、βの両方はそれぞれ４０度超であることが望ましい。

第二の修正装置上の溝はまた、１０ナノメートル～１００マイクロメートル、好ましくは１マイクロメートル～５マイクロメートルである厚さ「ｔ」を有する。溝の間の距離「ｄ」（溝のピッチとしても知られる）は、１０ナノメートル～１００マイクロメートルである。見ての通り、各ローラー（テンプレート）は複数の溝を有する。（単一のテンプレート上の）これらの溝は、互いに平行であり得る。別の実施形態では、単一のローラー上のこれらの溝は、互いに平行でない場合もある。

パス１１２Ａと１１２Ｂの間の角度は、αおよびβの値に依存し、α＋βの和に等しい。αとβの値は同じか、または互いに異なる値であり得る。一実施形態では、αの値はβよりも大きく、またはその逆もある。換言すれば、αとβの値が互いに異なることが望ましい。図２に見られるように、経路１１２Ａと１１２Ｂは周期的に交差する。経路１１２Ａと１１２Ｂは、図１に見られるように、結合して正弦波の経路を形成するように見ることができる。

経路１０６Ａと１０６Ｂの間の角度はまた、（その進行方向に沿った）物品１０４の直線速度と、第一および第二の修正装置の直線速度に依存する。

修正装置で作製されたテクスチャーの詳細は以下の通りである。

一実施形態では、有機体の生物付着に抵抗するための表面トポグラフィーを有する物品は、表面を有するベース物品を含む。表面および／またはベース物品の組成は、ポリマー、金属または合金、セラミックを含む。ポリマー、金属、およびセラミックの組み合わせもまた、ベース物品に使用され得る。トポグラフィーを有する表面は、複数のパターンを含み、各パターンは、ベース物品から突出する複数の離間した特徴によって画定されている。複数の特徴は、それぞれが少なくとも一つのマイクロスケール（マイクロメートルまたはナノメートルサイズ）の寸法を有し、実質的に異なる形状を有する少なくとも一つの隣接する特徴を有する。隣接する特徴との平均的な第一の特徴間隔は、表面の少なくとも一部分上において、好ましくは少なくとも１ｎｍ、より好ましくは少なくとも１０ｎｍ、さらにより好ましくは少なくとも１００ｎｍ、なおより好ましくは少なくとも１ミクロン、またより好ましくは少なくとも１０ミクロン、かつ５００ミクロン以下、好ましくは２００ミクロン以下、より好ましくは１００ミクロン以下であり、前述の複数の離間した特徴は、周期関数によって表される。複数の特徴のうち、それぞれの特徴は、互いに分離しており、互いに接触していないことに留意されたい。

この方法は、表面が前述のベース物品とモノリシックに一体化された物品を作製するのに便利であり、ベース物品の組成は表面の組成と同じである。別の実施形態では、本方法は、後にベース物品に接着されるパターン化されたシートを作製するのに有用である。接着されたシートの組成は、ベース物品の組成と異なっていてもよい。

上述のように、当該パターンは隣のパターンと曲がりくねった経路によって隔てられている。曲がりくねった経路は、周期関数によって表され得る。周期関数は、曲がりくねった経路ごとに異なり得る。一実施形態では、パターンは、二つ以上の周期関数によって表現され得る曲がりくねった経路によって互いに分離され得る。周期関数は、正弦波を含み得る。例示的一実施形態では、周期関数は二つ以上の正弦波を含み得る。

一実施形態では、複数の離間した特徴は、実質的に平面的な頂面を有する。別の実施形態では、多素子プラトー層を表面の一部分上に配置し得、前述のプラトー層の素子間の間隔が第二の特徴間隔を提供し、第二の特徴間隔は第一の特徴間隔と比較して実質的に異なる。二次パターニングは、ダイ上でのパターニングによって、および／または、プレス上でのパターニングによって達成され得る。

本発明の方法は、図１に示すように、離間した特徴が類似した形状と異なる寸法を有する物品を作製するのに特に有用である。ダイの突起およびプレスの表面上のパターンに依存して、この方法によって様々な形状の特徴を有する様々な物品が作製され得るが、本発明は特に多角形、特に四角形や三角形などの作製に好適である。

以下に記すように、曲がりくねった経路は、正弦波関数、スプライン関数、多項式関数などによって画定され得る。曲がりくねった経路は、一般的に、複数の離間した特徴のグループの間に存在し、特徴の存在または二つの特徴間の接触によって時折中断され得る。曲がりくねった経路は、曲がりくねった経路の障害として作用する特徴を通過させれば、その上にパターンが配置されている表面の全長に及ぶ長さを有し得る。二つの隣接するパターンの二つの隣接する特徴の間で測定した曲がりくねった経路の幅は、約１０ナノメートル～約５００マイクロメートル、具体的には約２０ナノメートル～約３００マイクロメートル、具体的には約５０ナノメートル～約１００マイクロメートル、さらに具体的には約１００ナノメートル～約１０マイクロメートルである。

一実施形態では、離間した特徴は、それらの間に直線経路またはチャネルを有する。

上述のように、離間した特徴は、異なる寸法（高さ、幅、長さのサイズ）を有し得る。離間した特徴の平均サイズは、ナノスケール（例えば、１００ナノメートル未満）または約１００ナノメートル以上であり得る。一実施形態では、離間した特徴は、高さ、幅、長さの各方向に独立して、少なくとも１ナノメートル、具体的には少なくとも１０ナノメートル、より具体的には少なくとも１００ナノメートル、さらにより具体的には少なくとも５００ナノメートル、最も具体的には少なくとも１ミクロンかつ５００マイクロメートル以下、具体的には約２００ミクロン以下、より具体的には約１００ミクロン以下、さらにより具体的には約５０ミクロン以下、最も具体的には約１０ミクロン以下の平均寸法を有し得る。一般的に、特徴は類似した高さを有し、隣接した特徴は、隣接した特徴とは異なる長さまたは幅のうちの少なくとも一つを有する。

別の実施形態では、離間した特徴の間の平均周期性は、約１ナノメートル～約５００マイクロメートルとし得る。一実施形態では、離間した特徴の間の周期性は、約２、５、１０、２０、５０、１００、または２００ナノメートルであり得る。別の実施形態では、離間した特徴の間の平均周期性は、約２、５、１０、２０、５０、１００、または２００ナノメートルであり得る。別の実施形態では、周期性は約０．１、０．２、０．５、１、５、１０、２０、５０、１００、２００、３００、４００、または４５０マイクロメートルであり得る。さらに別の実施形態では、平均周期性は約０．１、０．２、０．５、１、５、１０、２０、５０、１００、２００、３００、４００、または４５０マイクロメートルであり得る。

一実施形態では、パターンの各特徴は、異なる幾何学的形状（例えば、サイズまたは形状）を有する少なくとも一つの隣接する特徴を有する。パターンの特徴は、単一の要素である。パターンの各特徴は、その特徴と異なる形状を有する少なくとも２、３、４、５、６つの隣接した特徴を有する。

本発明の方法で物品を作製する際に使用する材料は、ダイを通した押出やプレスでの成形に好適なものでなければならない。このような材料の例は、金属、ポリマー、場合によってはセラミックである。高分子材料が特に適している。一実施形態によれば、熱可塑性プラスチックが好ましい。物品がその使用中に高温にさらされる場合は、リフローや特徴のパターンの消失を防ぐために、架橋型熱可塑性プラスチックが好ましい。特定の熱硬化性材料は、熱硬化が起こる温度以下の温度で押し出し可能なものであれば、使用可能である。そして、最終的な硬化は、構造上に型をプレスしている間またはその後に起こり得る。ポリマーとコポリマーのブレンドを使用し得る。低表面張力またはその他の望ましい表面特性を有するポリマーも使用され得る。

有機ポリマーの例は、ポリアセタール、ポリオレフィン、ポリアクリル、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、ポリアリルスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリ塩化ビニル、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリベンゾオキサゾール、ポリフタリド、ポリアセタール、ポリ無水物、ポリビニルエーテル、ポリビニルチオエーテル、ポリビニルアルコール、ポリビニルケトン、ポリビニルハライド、ポリビニルニトリル、ポリビニルエステル類、ポリスルホネート類、ポリスルフィド類、ポリチオエステル類、ポリスルホン類、ポリスルホンアミド類、ポリウレア類、ポリホスファゼン類、ポリシラザン類、スチレン・アクリロニトリル、アクリロニトリル－ブタジエン－スチレン（ＡＢＳ）、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリウレタン、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＲ）、ポリテトラフルオロエチレン、ペルフルオロエラストマー、フッ素化エチレンプロピレン、ペルフルオロアルコキシエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリシロキサンなど、またはこれらの有機ポリマーの少なくとも一つを含む組み合わせである。

本明細書に開示する方法は、動く製品の表面にわたって均一で一貫したテクスチャーを迅速に作製することができるという点で有利である。

本発明をいくつかの実施形態を参照して説明してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な変更を加えたり、その要素に同等のものを代用したりすることができることは、当業者であれば理解できるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況や材料に適応させるために多くの変更を加えることができる。したがって、本発明は、本発明を実施するために企図された最良の態様として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の請求の範囲内に入るすべての実施形態を含むことが意図されている。

Claims (9)

1. 耐生物付着性物品を形成するための方法であって、
   押出材料が、ベース面の上に一連の平行なスプラインを有する表面を有するように、突起のパターンを有するダイを通して材料を押し出すことと、
   前記一連の平行に隆起したスプラインが、様々な長さの個別の隆起したセグメントに形成されるように、第一のパターン化されたテンプレートを用いて前記押出材料の前記表面に圧力を加えることであって、前記パターン化されたテンプレートが、前記スプラインに対して角度αで傾斜した溝を含む、圧力を加えることと、
   を含む、方法。
2. 第二のパターン化されたテンプレートを用いて前記押出材料の前記表面に圧力を加えることをさらに含み、前記第二のパターン化されたテンプレートが、前記スプラインに対して角度βで傾斜している溝を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記角度αが前記角度βに等しい、請求項２に記載の方法。
4. 前記角度αが前記角度βと異なる、請求項２に記載の方法。
5. 前記第一のテンプレートの前記溝が、１０ナノメートル～１００マイクロメートルである厚さ「ｔ」を有し、前記第一のテンプレートの前記溝の間の距離「ｄ」が、１０ナノメートル～１００マイクロメートルである、請求項２に記載の方法。
6. 前記第二のテンプレートの前記溝が、１０ナノメートル～１００マイクロメートルである厚さ「ｔ」を有し、前記第二のテンプレートの前記溝の間の距離「ｄ」が、１０ナノメートル～１００マイクロメートルである、請求項２に記載の方法。
7. 前記第一のパターン化されたテンプレートおよび前記第二のパターン化されたテンプレートが、その軸が前記押出材料の長手方向軸と平行であるローラーである、請求項２に記載の方法。
8. 前記角度αおよび前記角度βがともに４０度超である、請求項２に記載の方法。
9. 前記ローラーの各々が、前記押出材料の周りを回転し得る、請求項７に記載の方法。
   
   

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