KR20180014744A - 무독성 생체부착 제어를 위한 표면 토포그래피 - Google Patents

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KR20180014744A
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첼시 마리아 매긴
시라반티 티. 레디
앤서니 비. 브레난
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샤크렛 테크놀러지스, 아이엔씨.
유니버시티 오브 플로리다 리서치 파운데이션, 아이엔씨.
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Abstract

물품은 유기체의 생체부착에 저항하기 위한 표면 토포그래피를 가지며, 표면을 갖는 베이스 물품을 포함한다. 표면의 조성은 중합체를 포함한다. 표면은 베이스 물품에 부착되거나 베이스 물품으로 돌출된 복수의 이격된 피쳐들에 의해 한정된 패턴을 포함하는 토포그래피를 갖는다. 복수의 피쳐들 각각은 적어도 하나의 마이크로스케일 치수 및 실질적으로 상이한 기하학적 구조를 갖는 적어도 하나의 이웃 피쳐를 가지며, 이웃하는 패턴은 공통 피쳐를 공유한다. 표면은 400nm 내지 700nm에서 70% 이상의 광 전송을 갖는다. 일 양태에서, 표면은 베이스 물품 상에 배치된 코팅층을 포함할 수 있다.

Description

무독성 생체부착 제어를 위한 표면 토포그래피
본 발명은 무독성 생체부착(bioadhesion) 제어를 제공하기 위한 표면 토포그래피(surface topography) 및/또는 표면 탄성 특성을 갖는 물품 및 관련 장치 및 시스템에 관한 것이다.
환경 표면은 종종 미생물로 오염된다. 이러한 유기체는 다른 오염된 표면으로부터의 접촉 전달을 통하거나 표면에 정착하고 부착되는 공기로 운반되는 유기체를 통해 표면에 침착 될 수 있다. 환경 표면의 오염은 질병을 퍼뜨릴 수 있으며, 이로 인해 인체 건강에 부담이 된다. 표면은 표백제, 암모니아 및 기타 일반 세제를 포함하는 독성 물질을 사용하여 소독될 수 있다. 그러나, 표면은 세정들 사이에서 재 오염 되기 쉽다.
카테터(catheter)와 같은 이식된 장치에 박테리아가 축적되면, 즉 생물막(biofilm)은 상당한 감염 위험을 나타내어 사망과 같이 심각한 합병증을 유발할 수 있다. 박테리아 오염은 특정한 광 투과 특성이 요구되는 광학적 적용에 사용되는 재료에 대해서도 문제가 된다.
발명의 요약
물품은 유기체의 생체부착에 저항하기 위한 표면 토포그래피를 가지며, 표면을 갖는 베이스 물품을 포함한다. 표면의 조성은 중합체를 포함한다. 표면은 베이스 물품에 부착되거나 투영된 복수의 이격된 피쳐(feature)들에 의해 한정된 패턴을 포함하는 토포그래피를 갖는다. 복수의 피쳐들 각각은 적어도 하나의 마이크로스케일 치수 및 실질적으로 상이한 기하학적 구조를 갖는 적어도 하나의 이웃한 피쳐를 가지며, 이웃하는 패턴은 공통의 피쳐를 공유한다. 표면은 400nm 내지 700nm에서 70% 이상의 광 전송(optical transmission )을 갖는다. 일 양태에서, 표면은 베이스 물품 상에 배치된 코팅층을 포함할 수 있다. 다른 양태에서, 표면은 베이스 물품의 일부일 수 있다.
표면 토포그래피는 베이스 물품과 비교하여 오염에 저항한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 표면 토포그래피를 제공하는 표면은, 토포그래피를 포함하는 인쇄된 패턴화 접착 코팅으로서 표면에 적용되거나, 또는 마이크로 몰딩(micromolding)을 통해 장치의 표면에 직접 적용될 수 있다. 마이크로 몰딩의 경우, 표면 토포그래피는 밑에 놓인 물품과 모놀리식으로(monolithically) 통합될 것이다.
본 명세서에서 사용되는 피쳐의 간격 거리는 인접한 피쳐들 사이의 거리를 의미한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 “마이크로스케일 피쳐”는 미크론 크기 또는 이보다 작은 피쳐를 포함하고, 따라서 마이크로스케일 및 나노스케일을 포함한다. 계층적 구조로 지칭되는 일 양태에서, 적어도 하나의 다중 요소(multi-element) 플래토(plateau)층이 표면의 일부분에 배치된다. 플래토층의 요소들 사이의 간격 거리는 제1피쳐 간격과 비교하여 실질적으로 상이한 제2피쳐 간격을 제공한다. 계층적 구조는 포자 및 따개비(barnacles)와 같이 실질적으로 다른 크기를 갖는 유기체를 동시에 접근하지 못하게 할 수 있다. 일 양태에서, 표면은 베이스 물품과 모놀리식으로 통합되고, 베이스 물품의 조성은 표면의 조성과 동일하다. 또 다른 일 양태에서, 표면은 베이스 물품 상에 배치된 코팅층을 포함한다. 이러한 코팅의 양태에서, 코팅층의 조성은 베이스 물품의 조성과 비교하여 상이하고, 중합체는 열가소성 중합체, 엘라스토머, 고무, 폴리우레탄, 폴리술폰, 폴리아크릴레이트, 예를 들어, 비닐 및/또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기재 또는 베이스 물품 상의 폴리아크릴레이트 코팅층으로부터 선택되는 비-전기 전도성 중합체를 포함할 수 있다.
토포그래피는 4 내지 50의 평균 조도(roughness) 인자(R) 및 10kPa 내지 3GPa의 탄성률을 제공할 수 있다. 다른 양태에서, 토포그래피는 2개의 상이한 정현파(sinusoidal wave)와 같은 적어도 하나의 정현 함수(sinusoidal function)를 사용하여 수치적으로 표현 가능하다. 다른 정현파 지형의 예는 샤클렛(Sharklet) 지형을 포함한다. 다른 양태에서, 복수의 이격된 피쳐들은 실질적으로 평탄한 상부 표면을 가질 수 있다. 박테리아 오염을 제한하기 위한 바람직한 양태에서, 제1피쳐의 간격은 2 내지 60㎛일 수 있다.
토포그래피 양태의 일부분 상에 배치된 다요소 플래토층에서, 플래토층의 요소들 사이의 간격 거리는 제1 피쳐 간격과 비교하여 실질적으로 다른 제2 피쳐 간격을 제공하며, 표면은 베이스 물품에 배치된 코팅층을 포함한다. 코팅층의 탄성 계수는 10kPa 내지 3GPa일 수 있다.
일 양태에서, 베이스 물품은 80% 이상의 광 전송을 갖는 광학적으로 투명한 물질을 포함할 수 있다. 베이스 물품은 텍스쳐로 패턴화된 표면을 갖는 광학적으로 투명한 금속 산화물을 포함할 수 있다.
베이스 물품은 특정한 광 투과 특성을 갖는 적용을 위한 광학 장치를 포함할 수 있다.
첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 검토하면, 그 특징 및 이점에 대한 완전한 이해가 얻어질 것이다:
도 1A는 본 발명의 일 양태에 따라, 베이스 제품의 표면으로부터 돌출하는 복수의 융기된 표면 피쳐를 포함하는 예시적인 “샤클렛” 항-미생물 표면 토포그래피의 스캐닝된(scanned) SEM 이미지이다.
도 1B는 본 발명의 또 다른 양태에 따라 베이스 물품의 표면 내로 돌출하는 복수의 피쳐를 갖는 패턴의 스캐닝된 광학 프로파일로메트리(profilometry) 이미지이다.
도 2A는 본 발명에 따른 예시적인 표면 구조 패턴을 설명한다.
도 2B는 본 발명에 따른 다른 예시적인 표면 구조 패턴을 설명한다.
도 2C는 본 발명에 따른 또 다른 예시적인 표면 구조 패턴을 설명한다.
도 2D는 본 발명에 따른 또 다른 예시적인 표면 구조 패턴을 설명한다.
도 3은 도 2(a)-(d)에 도시된 패턴에 기초한 예시적인 피쳐 깊이, 피쳐 간격, 피쳐 폭 및 결과적인 조도 인자(R)의 테이블을 제공한다.
도 4A는 본 발명의 일 실시예에 따른 베이스 물품의 표면으로부터 돌출하는 복수의 융기된 표면 피쳐를 포함하는 예시적인 “샤클렛” 항-미생물 표면 지형의 주사된 SEM 이미지이다.
도 4B는 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 계층적 표면 지형의 묘사이다.
도 5A는 샤클렛 패턴을 구성하는 4개의 형상 중 가장 작은(짧은) 중심에서 시작되는 정현파를 나타낸다.
도 5B는 샤클렛 패턴의 주기성을 설명하는 사인파 및 코사인파를 도시한다.
도 6A는 2개의(4개의) 예시적인 샤클렛 요소, 요소 1 및 요소 2를 도시한다; 그리고 도 6B는 3 미크론으로 설정함으로써 두 요소들 간에 결과적인 레이아웃을 도시한다.
도 7A는 부과된 제한에 의해 정의된 요소로 채워진 공간을 도시한다.
도 7B는 정현파를 인가하여 주기적인 반복적 데피니션(definition)을 정의한 결과를 나타낸다.
도 7C는 원하는 표면의 전체 영역에 대한 결과적인 지형적 구조를 도시한다.
도 8은 매끄러운 표면 지형 또는 샤클렛 패턴 표면 토포그래피를 갖는 샘플 상의 오염된 천으로부터의 황색포도상구균(Staphylococcus aureus) 오염의 평균 로그 밀도의 제1분석이다. 샤클렛 표면 지형은 2x2 패턴을 가지며 피쳐의 폭은 2㎛이고 피쳐 사이 거리는 2㎛이다 (SK 2x2). 각 피쳐의 깊이는 3㎛이다. 샘플 표면은 아크릴, 폴리프로필렌, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS) 또는 열가소성 폴리우레탄(TPU)를 사용하여 준비되었다. 오차 막대는 ±1 표준 오차를 나타낸다.
도 9는 박테리아 현탁액에서 매끄러운 표면 토포그래피 또는 샤클렛 패턴 표면 토포그래피를 갖는 아크릴 필름 샘플을 배양한 후의 황색포도상구균(MSSA) 또는 메티실린내성 황색포도상구균(MRSA) 미생물 부착의 평균 로그 밀도에 대한 제2분석이다.
도 10A는 균일한 스프레이 접종 기술을 이용하는 전술한 아크릴 필름 샘플 상의 MSSA 미생물 잔류성(persistence)의 평균 로그 밀도의 제3분석이다.
도 10B는 도 10A의 분석에 따른 MSSA 샘플링 후 RODAC 접촉 플레이트의 대표적인 이미지이다.
도 11은 균일한 스프레이 접종 기술을 이용하는 구리 호일 샘플뿐만 아니라 전술한 아크릴 필름 상의 MSSA 또는 MRSA 미생물 이동 및 잔류성의 평균 로그 밀도의 네 번째 분석이다.
도 12는 600nm에서 측정된 상이한 표면 도포그래피에 대한 가시광선 스펙트럼에서의 상대적인 광 전송의 제1분석이다. 사용된 토포그래피는 그 위에 패턴이 없는 매끄러운 표면(SM)으로, 피쳐의 폭이 2㎛이고, 인접 피쳐의 중심점 사이 거리가 10㎛인(SK10x2) 10x2 패턴을 갖는 표면 및 피쳐의 폭이 2㎛이고, 인접 피쳐의 중심점 사이 거리가 2㎛인(SK2x2) 2x2 패턴을 갖는 표면이다. 오차 막대는 ±1 표준 오차를 나타낸다.
도 13은 ASTM D1003-13 절차 B(분광 광도계법)에 따라 측정된 상이한 표면 토포그래피에 대한 평균 총 시감 투과율(luminous transmittance)의 제2분석이다. 사용된 토포그래피는 산업 표준 제어 물질을 사용하는 대조 표면, 그 위에 패턴이 없는 매끄러운 표면(SM)으로, 피쳐의 폭이 2㎛이고, 인접 피쳐의 중심점 사이 거리가 10㎛인(SK10x2) 10x2 패턴을 갖는 표면 및 피쳐의 폭이 2㎛이고, 인접 피쳐의 중심점 사이 거리가 2㎛인(SK2x2) 2x2 패턴을 갖는 표면이다;
도 14는 ASTM D1003-13 절차 B(분광 광도계법)에 따라 측정된 상이한 표면 토포그래피에 대한 평균 확산 투과율(diffuse transmittance)의 제3분석이다. 사용된 토포그래피는 산업 표준 제어 물질을 사용하는 대조 표면, 그 위에 패턴이 없는 매끄러운 표면(SM)으로, 피쳐의 폭이 2㎛이고, 인접 피쳐의 중심점 사이 거리가 10㎛인(SK10x2) 10x2 패턴을 갖는 표면 및 피쳐의 폭이 2㎛이고, 인접 피쳐의 중심점 사이 거리가 2㎛인(SK2x2) 2x2 패턴을 갖는 표면이다;
도 15는 ASTM D1003-13 절차 B(분광 광도계법)에 따라 측정된 상이한 표면 토포그래피에 대한 평균 헤이즈(haze)의 제4분석이다. 사용된 토포그래피는 산업 표준 제어 물질을 사용하는 대조 표면, 그 위에 패턴이 없는 매끄러운 표면(SM)으로, 피쳐의 폭이 2㎛이고, 인접 피쳐의 중심점 사이 거리가 10㎛인(SK10x2) 10x2 패턴을 갖는 표면 및 피쳐의 폭이 2㎛이고, 인접 피쳐의 중심점 사이 거리가 2㎛인(SK2x2) 2x2 패턴을 갖는 표면이다.
본 명세서에는 생물침전 (biosettlement)의 변형에 대한 다양한 측정 가능한 표면 토포그래피, 즉, 조류, 박테리아, 균류, 곰팡이 및 따개비(barnacle)를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아닌 바이오파울링(biofouling) 유기체의 생체부착(bioadhesion)과 같은 생체부착이 개시되어 있다. 하기에서 기술된 실시예에 기술된 바와 같이, 본 발명에 따른 표면 토포그래피는 수동적이고 무독성인 표면을 제공하며, 표면은 적절한 피쳐 크기 및 간격의 선택을 통해 가장 일반적인 파울링(fouling) 미생물의 침전 및 부착을 현저하고 일반적으로 극적으로 감소시킬 수 있음이 실험적인 시험을 통해 입증되었다.
본 발명을 실시 할 필요가 없음에도 불구하고, 본 발명의 효능을 설명하기 위해 작동 가능한 것으로 믿어지는 메커니즘에 구속되려 하지 않는 출원인은 다음을 제공한다. 본 발명에 따른 표면의 효능은 조류, 박테리아 및 따개비와 같은 미생물의 침전 및 부착을 물리적으로 방해하기 때문일 수 있다. 표면 위에(on) 형성되거나 표면에(in) 형성되는 적절하게 이격된 피쳐(예를 들어 “립(rib)”)은 작은 박테리아 (<1㎛, 예를 들어 200 내지 500nm)에서 대형 관벌레(tube worm) (>200㎛, 예를 들어 200 내지 500㎛)에 이르기 까지 유기체의 크기에 따라 피쳐 간격이 변경되는(scales with) 경우 효과적이다. 다양한 상이한 표면 토포그래피는 계층적 다중 레벨 표면 구조로 결합되어 조류, 포자 및 따개비와 같이 다수의 넓은 범위의 크기를 동시에 갖는 다수의 유기체의 침전 및 부착을 방지하는 복수의 간격 치수(spacing dimension)를 제공한다. 일 양태에서, 피쳐 간격 거리는 미생물 또는 세포의 생체부착에 저항하는 크기보다 크다.
본 발명에 따른 토포그래피는 일반적으로 매우 다양한 원하는 적용을 위한 매우 다양한 표면에 적용될 수 있다. 하기에 보다 상세히 기술된 본 발명을 이용하여 생체부착을 억제하기 위한 적용은 해양 환경 또는 생체의학에서 사용되는 베이스 물품 또는 생물학적 유기체에 의한 오염에 노출될 수 있는 기타 적용, 예를 들어, 건물의 지붕, 발전소의 물 유입 파이프, 카테터, 화장용 이식(cosmetic implant), 및 심장 판막(heart valve)을 포함한다. 하기에 기술된 바와 같이, 본 발명에 따른 표면은, 적용에 의해 필요하다면, 다양한 장치에 그리고 넓은 영역으로 형성될 수 있다. 토포그래피는 베이스 물품의 표면으로부터 성장할 수 있고(예를 들어, 엠보싱에 의해), 또는 대안적으로, 베이스 물품의 표면을 눌러 자국을 낼 수 있다(예를 들어, 압축 성형에 의해).
본 발명에 따른 피쳐는 일반적으로 제1피쳐 간격을 제공하기 위해 베이스 레벨로부터 나오는 돌출된 표면(체적)이거나, 본 발명에 따른 계층적 다중-레벨 표면 구조의 경우에는 인접한 플래토(plateaus) 사이의 간격 거리인 제2피쳐 간격을 또한 포함하고, 그 자체는 바람직하게는 그 위에 돌출된 피쳐를 포함하거나 베이스 물품으로 돌출하는 피쳐를 포함한다.
표면은 일반적으로 전적으로 중합체인 것으로 본 명세서에서 설명되지만, 코팅은 점탄성 및 지형상의 특성에 기여하는 비-중합체적 요소를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용된 “피쳐”는 베이스 재료의 밑면(base plane)으로부터 돌출된(project out) 부피(L, W 및 H)로 정의되거나, 베이스 재료로 돌출된(project into) 오목 부피(L, W 및 H)로 정의된다. 청구된 구조는 어떠한 특정 길이로도 제한되지 않는다. 예를 들어, 서로 평행한 무한 길이의 두 리지(ridge)는 중간에서 채널을 정의할 것이다. 이에 반해, 리지의 전체 길이를 줄임으로써 하나의 기둥을 형성할 수 있다. 표면은 일반적으로 베이스 물품과 비교하여 일반적으로 상이한 재료인 코팅으로 설명되지만, 위에서 언급한 바와 같이, 본 발명은 코팅 및 베이스층이 모놀리식 디자인에 의해 제공되는 것과 같이 동일한 재료로 형성되는 양태를 포함하고, 이는 마이크로 몰딩(micromolding)으로 얻을 수 있다.
표면 코팅의 경우, 코팅은 실온에서 1×10-6 S/cm 미만의 전기 전도도를 갖는 것으로 정의된 비-전기 전도성 물질을 포함할 수 있다. 코팅층은 엘라스토머, 고무, 폴리우레탄 및 폴리술폰을 포함할 수 있다. 코팅층의 단성 계수는 10 kPa 내지 3 GPa 일 수 있다. 10 내지 100 kPa 물질의 경우, 코팅은 폴리아크릴산과 같은 하이드로겔 및 폴리이소필아크릴아마이드와 같은 열에 민감한 하이드로겔을 포함할 수 있다. 코팅층은 1 ㎛ 내지 10 ㎜, 바람직하게는 100 ㎛ 내지 1 ㎜와 같은 다양한 두께 일 수 있다.
각각의 피쳐들은 적어도 하나의 마이크로스케일 치수를 갖는다. 일부 양태에서, 피쳐의 상부 표면은 대개 실질적으로 평면이다.
비록 피쳐 간격이 가장 중요한 설계 파라미터인 것으로 밝혀졌지만, 피쳐 치수 또한 중요할 수 있다. 본 발명의 바람직한 양태에서, 피쳐 각각은 “실질적으로 상이한 기하학적 구조”를 갖는 적어도 하나의 이웃한 피쳐를 포함한다. “실질적으로 상이한 기하학적 구조”는 더 작은 비교 치수보다 적어도 10%, 보다 바람직하게는 50 % 그리고 가장 바람직하게는 적어도 100 % 큰 적어도 하나의 치수를 의미한다. 피쳐의 길이 또는 너비는 일반적으로 상당한 차이를 제공하는 데에 사용된다.
주어진 패턴의 피쳐 간격은 일반적으로 일정해야 한다. 본 발명자들의 연구에 따르면, 1 ㎛ 미만의 변화(10% 또는 공칭 간격(nominal spacing)보다 작은)로 입증된 표면 피쳐를 구성하는 리브(rib)의 마이크로미터 스케일 간격의 작은 변화가 코팅 성능을 현저하게 저하시킬 수 있음을 보여 주었다.
또한, 패턴화된 코팅층의 조성은 또한 약간의 생체부착 제어를 제공할 수 있는 표면 탄성 특성을 제공할 수 있다. 바람직한 양태에서, 생체부착을 최소화하고자 할 때, 코팅된 표면은 표면으로부터 떨어지는 유기체에 의해 피쳐 중 하나에 압력이 가해질 때 여러 개의 주변 피쳐에 압력을 분배한다.
조도 인자(R)는 표면 조도의 척도이다. R은 본 명세서에서 표면적(Ract) 대 기하학적 표면적(Rgeo)의 비율로 정의된다; R=Ract/Rgeo). 한 예가 1cm2 조각의 재료에 대해 제공된다. 샘플이 완전히 평평한 경우, 실제 표면적과 기하학적 표면적은 모두 1cm2 이다. 그러나, 평평한 표면이 포토 리소그래피 및 선택적 에칭과 같은 패터닝에 의해 거칠어지게 되면, 생성된 실제 표면적은 생성된 피쳐의 측벽(sidewall)에 의해 제공되는 추가적인 표면적으로 인해 원래의 기하학적 표면적보다 훨씬 커지게 된다. 예를 들어, 노출된 표면적을 거칠어지게 함으로써 원래의 평평한 표면 표면적의 두 배가 되는 경우, R 값은 2가 된다.
타이포그래피(typography)는 일반적으로 적어도 2의 조도 인자(R)를 제공한다. 본 발명에 따른 패턴화된 코팅의 유효성은 약 2의 R값 이상으로 패턴 조도가 증가함에 따라 향상될 것이고, 그 다음에 더 높은 R값에 도달할 때 거의 상쇄될 것이라 여겨진다. 바람직한 양태에서, 조도 인자 (R)은 적어도 4, 예를 들어, 5, 6, 7, 8, 9, 10 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 25 또는 30이다. 보다 깊고 더 가까이 이격된 피쳐가 제공될 수 있다고 가정하면, R 값은 30보다 클 수 있다.
도 1a는 조류 부착 및 성장에 저항할 수 있는 크기의 본 발명의 양태에 따른 예시적인 “샤클렛” 토포그래피의 스캐닝된 SEM 이미지이다. 샤클렛 토포그래피는 상어 피부의 토포그래피를 기초로 한다. 상어 피부는 물에 마찰이 적은 표면의 유명한 예이다. 종에 따라 고정된 특정 피쳐 치수를 갖는 실제 상어 피부와는 달리, 샤클렛 토포그래피는 피쳐의 폭, 피쳐 높이, 피쳐의 기하학적 구조 및 피쳐 간 간격을 포함한 모든 토포그래피의 피쳐 차원으로 확장 가능하다. 실제 상어 피부의 구성은 피부의 자연적인 구성으로 제한된다. 본 발명에 따른 샤클렛 토포그래피는 합성 중합체, 세라믹 및 금속뿐만 아니라, 복합 재료를 포함하는 다양한 물질로 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 샤클렛 및 관련 토포그래피는 2개의 정현파 함수(sinusoidal function)을 사용하여 정량적으로 기술될 수 있다. 이 설명은 하기에 제공된다.
표면층은 베이스 표면(130)에 부착되어 돌출하는 복수의 피쳐(111)를 포함한다. 베이스 표면(130)은 루핑 재료(roofing material), 동력 또는 수처리 설비를 위한 물 유입 파이프의 내부 표면, 유방 임플란트, 카테터(catheter) 또는 심장 밸브와 같이 이식 가능한 의료 장치 또는 재료일 수 있다. 각각의 피쳐들(111)은 약 3㎛의 폭, 약 3 내지 약 16㎛의 길이 및 약 1.5㎛의 피쳐 간격을 갖는 적어도 하나의 마이크로 스케일 치수를 갖는다. 코팅층을 포함하는 치펴(111)의 두께(높이)는 약 3 미크론이다.
일반적으로 주어진 피처(111)에 인접한 피쳐들은 도 1에 도시된 정렬에서 실질적으로 상이한 치수, 피쳐 길이를 제공한다. 피쳐의 상부 표면은 평면으로 나타내어진다. 패턴화된 코팅층은 실시예 및 도 8(a)-(c)에 기술된 일반적으로 평면인 베이스 표면과 비교하여 일반적으로 조류에 저항한다.
도 1b는 본 발명의 또 다른 양태에 따라 베이스 표면(180) 내로 돌출하는 복수의 피쳐(161)를 갖는 패턴의 스캐닝된 광학 프로파일로메트리(profilometry) 이미지이다. 피쳐(161)는 베이스 표면(180) 내로 만입된 공극체적(void volume)을 포함한다. 비록 도시되지는 않았지만, 표면은 도 1b에 나타난 만입된 피쳐(161)를 갖는 영역과 함께 도 1a에 도시된 돌출된 피쳐(111)를 갖는 영역을 포함할 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 패턴화된 표면의 조성은 일반적으로 다우 코닝 코포레이션(Dow Corning Corp)에서 제공되는 폴리메틸실록산(PDMS)엘라스토머 SILASIC T2® 와 같은 중합체이며, 이는 상대적으로 낮은 탄성 계수의 엘라스토머이다. 피쳐(111)는 단일 중합체로 형성될 필요는 없다. 피쳐는 공중합체 및 중합체 복합 재료로 형성될 수 있다. 다른 양태에서, 표면 또는 코팅은 강철 또는 알루미늄 또는 세라믹과 같은 재료로 이루어진다. 코팅층은 또한 전형적으로 소수성이지만, 중성 또는 친수성일 수도 있다.
패턴화된 표면은 일반적으로 커버될 영역에 의존하는 다수의 기술들을 사용하여 형성되거나 적용될 수 있다. 대략 평방 밀리미터 또는 그 이하와 같은 작은 면적 중합체 층의 적용에 있어서, 통상적인 포토리소그래피, 습식 및 건식 에칭, 적층 가공(additive manufacturing), 3D 프린팅 및 잉크젯 프린팅과 같은 기술을 사용하여 원하는 폴리머 패턴을 형성할 수 있다. 평방 센치미터 또는 그 이상과 같이 더 넓은 면적의 층이 필요할 때, 스프레이, 딥코트, 핸드 페인트 또는 “아플리케(applique)”” 방법의 변형이 사용되어야 한다. 이러한 보다 넓은 면적 기술은 전술한 바와 같이 구성된 다수의 더 작은 영역을 효과적으로 결합시켜 선박의 흘수선(waterline) 근방 및 하부 영역과 같은 넓은 면적의 영역에 중합체 패턴을 제공한다.
Xia 외. “소프트 리소그래피”라는 제목의 논문은 본 발명에 따른 비교적 넓은 면적의 표면을 형성하기에 적합한 다양한 기술들을 개시한다. Xia 외.는 본원에 참조로 통합된다. 이 기술들은 마티크로 콘택트 프린팅(microcontact printing), 레플리카 몰딩(replica molding), 마이크로트랜스퍼 몰딩(microtransfer molding), 모세관에서의 마이크로 몰딩(micromolding in capillaries) 그리고 용매-보조 마이크로 몰딩을 포함하며, 이들은 일반적으로 본 발명에 따른 토포그래피를 표면에 형성하거나 적용하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 이러한 표면 토포그래피는 토포그래피를 포함하는 인쇄된 패턴화 접착 코팅과 같은 장치에 적용되거나 마이크로 몰딩을 통해 장치의 표면에 직접 적용될 수 있다.
사용될 수 있는 다른 툴은 Anvik Corporation, Hawthorne, N.Y. 10532 제조의 상업적으로 이용 가능한 시스템인 Anvik HexScan® 1010 SDE 마이크로 리소그래피 시스템이다. 이와 같은 툴은 본 발명에 따른 표면 토포그래피를 넓은 영역에 걸쳐 매우 빠르게 제조하는 데 쓰일 수 있다. 그것은 1 미크론 분해능을 가지고 있어 시간당 약 90 패널 (10"×14")의 속도로 가장 작은 패턴을 생성할 수 있다.
사용할 수 있는 또 다른 툴은 Old World Laboratories, Virginia Beach, Virginia 제조의 상업적으로 이용 가능한 시스템인 OWL Nano 3D 프린터이다. 그것은 1 미크론 이하의 분해능을 가지고 있어 시간당 약 90 패널 (10 "×14")의 속도로 가장 작은 패턴을 생성 할 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 사용될 수 있는 몇 가지 예시적인 구성적(architectural) 패턴(단위 셀)을 설명한다. 도 2a는 실리콘 웨이퍼 상에 약 2㎛ 로 이격된 피쳐를 갖는 PDMS 엘라스토머로부터 제조된 리블렛(riblet) 패턴을 도시한다. 피쳐는 통상적인 포토 리소그래피 공정을 사용하여 형성되었다. 도 2b는 별/클로버 패턴을 도시하고, 도 2c는 경사진 패턴, 도 2d는 삼각형/원형 패턴을 도시한다.
도 3은 도 2a 내지 도 2d에 도시된 패턴에 기초한 예시적인 피쳐의 깊이, 피쳐 간격, 피쳐 폭 및 결과적인 조도 인자 (R)의 표를 제공한다. 도시된 깊이, 간격 및 폭에 대해 도 2a에 도시된 리블렛 패턴에 관련하여, 결과적인 패턴의 조도 인자 (R)는 5.0 내지 8.9의 범위였다. 별/클로버 패턴(도 2b), 경사진 패턴(도 2c) 및 삼각형/원형(도 2d)에 대한 유사한 데이터가 도 3에 도시되었다. 삼각형/원형 배열(도 2d)에 관하여는, 10㎛의 피처 깊이, 1㎛의 피처 간격 및 1㎛(원형) 및 5㎛(삼각형), 13.9의 조도 인자(R)가 얻어진다.
도 4는 본 발명의 일 양태에 따른 예시적인 계층적(다층) 표면 구조의 스캐닝된 SEM 이미지이다. 피쳐(412)와 피쳐를 포함하는 이웃 피쳐(411) 사이의 약 2㎛의 제1 피쳐 간격 거리는 첫 번째 유기체, 또는 약 5㎛ 이하의 크기의 유기체를 억제하기 위한 것이다. 예를 들어, 상기에서 언급한 바와 같이, 조류 포자는 표면상 5㎛ 너비이다. 복수의 줄무늬가 있는 플래토 영역(420)을 포함하는 패턴화된 제2층은 제1층 상에 배치된다. 플래토 층의 요소들 사이의 간격 거리는 제1 피쳐 간격과 비교하여 실질적으로 상이한 제2 피쳐 간격을 제공한다. 본 명세서에서 사용된 “실질적으로 상이한 간격 거리”는 적어도 50% 더 크고, 바람직하게는 가장 작은 제1 피쳐 간격 거리보다 적어도 100% 더 크다. 도 4에서, 도시된 구조는 제2 패턴 스트립들 사이의 간격 거리를 약 20㎛, 또는 제1 간격 거리보다 약 900% 큰 것을 제공한다. 20㎛의 간격은 약 표면상 따개비(barnacle)의 폭(가장 작은 치수)의 약 ½이므로 따개비의 접근을 막는다(repel). 따라서, 본 발명에 따른 계층적(다층) 표면 구조는 상당한 범위의 크기를 커버하는 다수의 유기체를 동시에 접근하지 못하게 할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 표면 토포그래피는 적어도 하나의 정현파 함수를 사용하여 수치적으로 표현될 수 있는 토포그래피이다. 아래 단락에서는 샤클렛 및 관련 토포그래피의 정현파 설명이 제공된다.
샤클렛 및 관련 토포그래피는 2개의 정현파를 사용하여 수치로 나타낼 수 있다. 1차원 길이의 차이(discrepancy)를 갖는 두 요소가 선택되고 구조 전체에서 주기적이어야 한다는 것이 유일한 토포그래피 제한인 일반 방정식이 제공된다. 이 두 가지 중 가장 작은 피쳐는 관심 있는 유기체의 가장 작은 치수(폭)의 크기와 관련 있다. 모든 요소와 두 주기적인 피쳐 사이 및/또는 둘레의 모든 피쳐는 관련이 없어진다. 이들 각각의 예시가 제시되고 일반화된 방정식이 다음으로 기술된다.
도 1a에 도시된 샤클렛이 이 예시에 사용된다. 치수는 이 점과는 관련이 없다. 도 1a에 도시된 샤클렛은 4-C 요소 (반복) 구조이다.
도 5a는 네 개의 샤클렛 피쳐 중 가장 작은 것의 중심에서 시작되는 정현파를 도시한다. 샤클렛 피쳐의 주기성을 검사함으로써, 도 5a에 도시된 바와 같이 y=A sin(wx) 형태의 사인파가 주기성을 기술하는 데 사용될 수 있다. 사인파에 의해 기술된 섹션 위의 반복적인 구조는 그 구조로부터 90 도 또는 π/2 라디안만큼 위상이 다르고, 이는 코사인파가 된다. 그 주기성 및 패킹은 y=B+A cosine(wx) 형태의 코사인파를 사용하여 표현될 수 있다(도 5b에 도시된 바와 같이).
토포그래피의 전체 표면적은 다음과 형식의 두 정현파의 수치적인 합계를 통해 수치적으로 나타낼 수 있다: y=cN+A sin(wx) y=cN+B+A cosine(wx) 여기서 N = 0 , 1,2,3. . . n이다.
토포그래피의 적용 범위 영역은 따라서 n과 x의 한계로 설명된다.
샤클렛 및 관련 토포그래피는 다음과 같은 제한에 의해 정의될 수 있다:
적어도 1차원 차이의 두 개의 기하학적 피쳐는 구조 전체에 걸쳐 주기적이어야 한다.
두 개의 기하학적 피쳐 중 가장 작은 것은 파울링 유기체 또는 관심 세포의 가장 작은 치수와 관련 있다.
x 및 y로 표현되는 표준 데카르트 좌표계(Cartesian coordinate system)에서, 각각의 사인 및 코사인파의 시작점에 위치하는 원점을 사용하여, 두 개의 피쳐 중 더 작은 것은 파동이 y=0을을 교차하고, 주기적이다. 파동은 피쳐 @y=0의 영역 중심을 통과한다.
x 및 y로 표현되는 표준 데카르트 좌표계(Cartesian coordinate system)에서, 각각의 사인 및 코사인파의 시작점에 위치하는 원점을 사용하여, 두 개의 피쳐 중 더 큰 것은 파동이 그것의 최대 진폭에 도달하고, 주기적이다. 파동은 피쳐 @y=max의 가장 큰 부분의 중심과 피쳐 @y=0의 관성 x-모멘트를 가로지른다.
사인 곡선의 일반 형태
y= cN +A sin(wx)
y= cN +B+A cosine(wx), 여기서, N=0,1,2,3 . . . n이다.
다음의 방정식은 변수 A, B, c 및 w의 값을 정의한다:
A=(½)*(L D)
LD= 두 요소 중 더 큰 요소의 y-치수 B=(½)*(S D)+(P S)+(½)*(L D)
SD 두 요소 중 더 작은 요소의 y-치수
PS= 패킹 후 두 요소 사이의 y-간격 c=L D+2*(P S)+S D w=2π
f=(2π)/(T)→ w: 각 주파수(angular frequency)(rad), f: 주파수(Hz), T: 파주기(wave period)
T=2*XD
XD = 더 작은 피쳐의 중심으로부터 가장 큰 피쳐상의 가장 높은 점까지의 x-치수 예 단위 = 미크론
도 6a는 요소 1과 요소 2를 도시한다. 도 6b는 제한 3&4를 따르고 XD를 정의한 결과 레이아웃을 도시한다. Ps(패킹 이후 더 작은 요소와 더 큰 요소 사이의 y-간격)은 도 6c에 도시된 바와 같이 3 미크론으로 설정된다.
다음으로 변수가 계산된다:
A=(½)*(18)=9
B=(½)*(6)+(3)+(½)*(18)=15
c=18+(2)*(3)+9=33
w=(2π)/(2*20.5)=π/20.5
다음으로 정현파가 정의된다:
y=33N+9 sin((π/20.5)x) (1)
y=33N+15+9 cosine((π/20.5)x) (2)
여기서, N=0,1,2,3 . . . n이다.
그 다음, 공간은 도 7a에 도시된 바와 같이 한정된 요소들 사이의 요소로 채워진다. 정현파는 그 다음 도 7b에 도시된 바와 같이 주기적인 반복적 데피니션(definition)을 정위하기 위해 적용되어 도 7c에 도시된 원하는 표면 영역에 걸쳐 원하는 토포그래피 구조를 생성한다.
본 발명에 따른 표면 토포그래피를 설명하기 위한 또 다른 방법은 새로 고안된 공학적 조도 지수(engineered roughness index; ERI)를 포함하며, 본 발명자들에 의해 최초로 착안되고 사용되었다. ERI는 공학적 표면 토포그래피의 조도를 특성화할 수 있다. ERI는 Wenzel의 조도 인자(Wenzel R N. 1936, 물에 의한 젖음에 대한 고체 표면의 저항성)에 대해 부연하는 공학적 표면 토포그래피에 대한 포괄적이고 정량적인 설명을 제공하기 위해 개발되었다. Wenzel의 설명만으로는 연구된 공학적 토포그래피의 굴곡(tortuosity)을 적절히 포착하지 못하는 것으로 밝혀졌다. ERI는 다음과 같이 표현된다: ERI=(r*df)/f D (1) ERI는 토포그래피 피쳐의 크기, 기하학적 구조 및 공간적 배열과 관련된 3가지 변수를 포함한다: Wenzel의 조도 인자(r), 함몰된(depressed) 표면 분율(fD), 및 이동 자유도(df).
Wenzel의 조도 인자는 돌출된 평면 표면적에 대한 실제 표면적의 비율을 의미한다. 실제 표면적은 피쳐 상부, 피쳐 벽 및 피쳐 사이 함몰된 영역과 관련된 영역을 포함한다. 돌출된 평면 표면적은 피쳐 상부와 함몰만 포함된다.
함몰된 표면 분율(fD)은 돌출된(projected) 평면 표면적과 돌출한(protruded) 피쳐 사이의 오목한 표면적의 비율이다. 이러한 함몰된 표면 부분 용어는 1-φS 및 1-f1와 동등하며, φS는 Quere와 동료들에 의해 기술된 표면 고체 분율이고(Bico J, Thiele U, Quere D. 2002. Wetting of textured surfaces. Colloids Surf A: Physicochem Eng Aspects 206:41-46; Quere D. 2002. Rough ideas on wetting. Physica A: Stat Theoret Phys 313:32-46) f1는 젖음에 대한 Cassie-Baxter 관계의 고체-액체 계면 용어이다(Cassie A B D, Baxter S. 1944. Wettability of porous surfaces, Trans Faraday Soc 40:546-551).
이동 자유도는 표면의 굴곡과 관련되며, 토포그래피 표면 내 피쳐들 사이의 리세스(즉, 홈)를 따르는 유기체(예를 들어, 울바(Ulva) 포자, 따개비)의 능력을 의미한다. 리세스가 연속적으로 교차하는 격자를 형성하면, x 및 y 좌표에서의 이동이 허용되고, 자유도는 2이다. 대신, 홈이 개별적으로 분리된 경우(예를 들어, 채널 토포그래피에서와 같이), 이동은 하나의 좌표 방향으로만 허용되며, 자유도는 1이다.
이와 같이, 하기에서 상세히 설명하는 바와 같이, 더 큰 ERI 값은 감소된 침착(settlement)과 관련이 있다. 바람직한 양태에서, ERI는 적어도 5이고, 바람직하게는 8 이상이다.
본 발명의 또 다른 diudxo에 따른 관련 표면의 설명은 표면을 갖는 중합체층을 포함한다. 중합체층은 조류의 접근을 막기 위해 다른(dissimilar) 인접한 복수의 돌출한 비-평면 표면 피쳐들을 포함하고, 피쳐들은 0.5 내지 5 미크론으로 이격되어 있다. 피쳐를 구부리기 위해 필요한 응력은 세포벽을 변형시키는 데 필요한 응력보다 10%보다 크고, 피쳐는 2개의 이웃한 피쳐 사이의 굽힘 계수(bending modulus) 사이에서 10% 굽힘 계수 차이보다 크거나, 3개 이상의 경우, 10%보다 큰 벡터 등가 차이를 갖는다. 바람직하게는, 표면 피쳐는 0.1 평방 미크론 이상의 면적 농도에 대한 피쳐로 표면에 존재한다.
일 양태에서, 표면 토포그래피는 가시광의 투과를 허용하는 광학 특성을 나타낸다. 표면 토포그래피는 베이스 물품에 부착되거나 베이스 물품 내로 돌출되는 복수의 이격된 피쳐들에 의해 한정된 패턴을 포함한다. 각 피쳐들의 크기 및 인접한 피쳐들 간의 거리는 원하는 양의 광 투과를 가능하게 하도록 선택된다.
일 양태에서, 인접한 피쳐들 간의 거리는 각 피쳐들 각각의 중심점들 사이에서 측정된 바와 같이 5㎛ 이상, 구체적으로는 10㎛ 이상, 구체적으로는 15㎛ 이상, 보다 구체적으로는 20㎛ 이상, 보다 더 구체적으로는 25㎛ 이상이다.
다른 양태에서, 각각의 피쳐는 2㎛이상, 구체적으로 5㎛이상, 구체적으로는 10㎛이상, 보다 구체적으로는 15㎛이상의 폭을 가지며, 보다 더 구체적으로는 20㎛ 이상이다.
또 다른 양태에서, 인접한 피쳐들 간의 거리는 각 피쳐들 각각의 중심점들 사이에서 측정된 바와 같이 5㎛이상, 구체적으로는 10㎛이상이며, 각각의 피처 폭은 2㎛ 이상이다.
또 다른 양태에서, 인접한 피쳐들 및/또는 각각의 피쳐들 간의 거리는 5㎛ 이상인 폭을 갖는다.
일 양태에서, 표면 토포그래피는 가시광(400nm 내지 700nm), 구체적으로는 600nm 에서 70% 이상의 광 전송, 구체적으로는 80% 이상, 보다 구체적으로는 85% 이상, 보다 더 구체적으로는 90%이고, 보다 더 구체적으로는 ASTM D1003-13 절차 B (분광 광도법)에 의해 측정 시 95% 이상이다.
다른 양태에서, 표면 토포그래피는 ASTM D1003-13 절차 B (분광 광도법)에 의해 측정시 85% 이하의 헤이즈(haze)를 가지고, 구체적으로는 75% 이하, 보다 구체적으로는 50% 이하, 보다 더 구체적으로는 35% 이하이다.
또 다른 양태에서, 표면 토포그래피는 ASTM D1003-13 절차 B (분광 광도법)에 의해 측정 시 100% 이하의 총 시감 투과율(luminous transmittance)을 가지고, 구체적으로는 98% 이하, 보다 구체적으로는 95% 이하이다.
또 다른 양태에서, 표면 토포그래피는 ASTM D1003-13 절차 B (분광 광도법)에 의해 측정 시 60% 이하의 확산 투과율을 가지고, 구체적으로는 50% 이하, 보다 구체적으로는 40% 이하이다.
본 발명은 다양한 적용에 대한 다수의 이점을 제공하며, 이는 표면 특성이 특정한 적용에 맞게 커스터마이즈 될 수 있기 때문이다. 본 발명은 바이오파울링(biofouling)을 먼저 감소시킴으로써 바이오파울링의 표면을 깨끗이 하는 데 필요한 에너지 및 비용을 감소시킬 수 있다. 결과적으로, 표면들의 유지/세척 사이에 시간이 오래 걸릴 수 있다. 하기에서 설명하는 바와 같이, 본 발명은 또한 코팅된 임플란트 물품의 경우 이물 반응(foreign body response)으로 인한 비-캡슐 형성을 제공할 수 있다. 본 발명은 또한 표면에 향상된 접착을 제공하도록 구성될 수 있다.
따라서, 본 발명은 다양한 제품에 광범위하게 적용될 것으로 기대된다. 본 발명에 따른 코팅 구조물에 의해 제공되는 생체부착 저항으로부터 이익을 얻을 수 있는 예시적인 제품은 다음을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다:
a. 스마트폰, 태블릿과 같은 전자제품 터치 스크린의 화면 보호기
b. 심장 판막과 같은 생체의학(biomedical) 기구;
c. 병원 표면, 예를 들어 수술 사이에 쉽게 교체될 수 있는 표면에 대한 필름(정전기) 적용
d. 의류/보호용 개인보호복;
e. 생체의학 패키징;
f. 반도체 또는 생체의학과 같은 산업을 위한 클린룸 표면;
g. 패키징, 음식 준비 표면을 포함하는 식품 산업;
h. 해양 산업-선박 및 관련 빌지 탱크(bilge tank) 및 회식 물 탱크 및 물 유입/유출 파이프를 포함하는 해양 선박의 외부표면을 포함;
i. 펌프장을 포함하는 수처리 설비;
j. 발전소;
k. 항공 산업;
l. 어린이 침대(children's crib)와 같은 가구 산업;
m. 구급차, 버스, 대중 교통과 같은 운송 산업, 및
n. 수영장.
실시예
하기의 실시예는 설명의 목적으로만 제공되며, 본 발명의 범위를 어떤 식으로든 한정하지 않는다는 것을 이해해야 한다.
Staphylococcus aureus 박테리아를 이용한 조사에서, 2㎛ 간격 치수의 샤클렛 토포그래피는 격리된 개별 박테리움(세포 크기~1-2㎛)을 수용하기 위해 선택되어 박테리아 세포 간의 연결을 막음으로써 융합성 생물막의 형성을 제지했다.
첫 번째 분석은 매끄러운 표면 토포그래피 또는 샤클렛 패턴 표면 토포그래피를 갖는 샘플의 오염된 천으로부터 Staphylococcus aureus 오염의 평균 로그 밀도를 결정하기 위해 수행되었다. 각 샘플의 표면은 니켈 심(shim)((패턴이 없는 매끄러운 표면 제어)에 대해 주조된 아크릴, 폴리프로필렌, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS) 또는 열가소성 폴리우레탄(TPU) 또는 샤클렛 표면 토포그래피로 추가 양각된 것을 사용하여 준비되었다.
사용된 토포그래피는 패턴이 없는 매끄러운 표면(SM) 및 피쳐의 폭이 2㎛이고 피쳐들 사이의 거리가 2㎛ 인 2x2 패턴을 갖는 표면 (SK2x2)을 포함한다. 각 피쳐의 깊이는 3㎛이다. 각 샘플을 페트리 접시 바닥에 단단히 부착시키고, 95% 에탄올로 10분 동안 멸균시키고, 탈 이온수로 3회 헹구고, 노출과 테스트 전에 건조시켰다.
그 결과를 도 8의 차트에 도시하였다. 오차 막대는 ±1 표준 오차를 나타낸다. 도 8의 차트로부터 알 수 있는 바와 같이, 샤클렛 토포그래피를 갖는 샘플 모두는 매끄러운 표면 토포그래피와 비교하여 사용된 각각의 물질에 대해 미생물 오염이 현저하게 낮았다.
두 번째 분석은 상이한 토포그래피를 갖는 샘플에서 RODAC 회복 기술을 이용한 박테리아 현탁액 침지를 사용하여 Staphylococcus aureus(MSSA) 또는 메티실린 내성 Staphylococcus aureus(MRSA) 미생물 부착의 평균 로그 밀도를 결정하기 위해 수행되었다.
각각의 샘플 표면은 니켈 심(패턴이 없는 매끄러운 표면 제어)에 대해 주조된 아크릴을 사용하여 전술한 바와 같이 제조되거나, 전술한 동일한 샤클렛 표면 토포그래피로 추가 양각된다.
1×103 내지 1×104 CFU/ml 범위의 MSSA 또는 MRSA의 박테리아 접종은 시험 샘플을 실온에서 1시간 동안 페트리 접시에 완전히 잠기게 했다. 그 다음, 박테리아 현탁액을 제거하고 접시를 80rpm으로 회전시켜 부착되지 않은 세포들을 제거하면서 10초 동안 멸균 1×PBS로 3회 헹궜다. 최종 세척액(rinsate)을 버린 후, 샘플 표면을 대기 조건(ambient condition)에서 1시간 동안 건조시키고, RODAC 접촉 아가 플레이트 (BBL Prepared RODAC Plate, Trypticase Soy Agar with Lecithin and Polysorbate 80)를 사용하여 샘플을 생균(viable bacteria)에 대해 평가했다. RODAC 접촉 아가 플레이트를 5초 동안 접종한 표면에 눌러 놓고 37 ℃에서 18-24 시간 동안 배양했다. 플레이트를 촬영하고 계수하였으며, 결과를 정량화하고, 로그로 변형하여 기록하였다.
그 결과를 도 9의 차트에 도시하였다. 도표는 평균 로그 밀도 및 평균의 표준 오차를 나타낸다. 로그 감소 데이터 포인트의 단일 T-검정 사용하여 유의성을 결정하였다. 그 다음, 평균 로그 감소 데이터 값을 사용하여 도 9(***)의 각각의 기둥 위에 표시된 중앙 백분율의 감소 값을 계산했다 p<0.005. 도 9의 차트로부터 알 수 있는 바와 같이, 샤클렛 표면 토포그래피를 갖는 샘플은 모두 매끄러운 표면 토포그래피를 갖는 샘플 보다 노출 후 MSSA 및 MSRA 미생물 부착이 현저히 적게 나타났으며, 구체적으로는 MSSA 및 MSRA에서 각각 98-99% 감소를 나타냈다.
세 번째 분석은 균일 스프레이 접종 기술 후에 상이한 토포그래피를 갖는 샘플의 MSSA 미생물 잔류성(persistence)의 평균 로그 밀도를 결정하기 위해 수행되었다. 균일 스프레이 접종 기술은 일반적인 표면 오염 사건을 모방한다. 각각의 샘플 표면은 니켈 심(패턴이 없는 매끄러운 표면 제어)에 대해 주조된 아크릴을 사용하여 전술한 바와 같이 제조되거나, 전술한 동일한 샤클렛 표면 토포그래피로 추가 양각된다. 각 샘플을 페트리 접시 바닥에 단단히 부착시키고, 95% 에탄올로 10분 동안 멸균시키고, 탈 이온수로 3회 헹구고, 노출과 테스트 전에 건조시켰다.
1×105 내지 1×107 CFU/ml 범위의 박테리아 현탁액을 멸균 처리 된 Central Pneumatic Professional® 중력 이용(gravity-fed) 페인트 분무기를 사용하여 (Harbor Freight Tools, Camarillo, California에서 이용 가능) 페트리 접시에 놓인 반경 40 mm의 반원형 모양으로 자른 시험 표면에 뿌렸다. 대기 조건에서 30분 동안 건조시키고, RODAC 샘플링을 전술한 바와 같이 수행하였다. 그 결과를 도 10A에 도시하였다.
도 10A의 차트로부터 알 수 있는 바와 같이, 샤클렛 토포그래피를 갖는 샘플은 매끄러운 표면 토포그래피 보다 노출 후 현저히 적은 미생물 부착을 나타냈으며, 구체적으로는 MSSA에서 98% 감소를 나타냈다.
이러한 감소는 또한 도 10B에서의 MSSA 샘플링 후 RODAC 접촉 플레이트의 대표적인 이미지로부터 시각적으로 명백해진다. 도 10B의 이미지로부터 알 수 있는 바와 같이, 샤클렛 토포그래피(오른쪽)를 갖는 표면은 매끄러운 표면 토포그래피(오른쪽) 보다 현저히 적은 박테리아를 갖는다.
네 번째 분석은 건조의 0 및 90분 후에 샘플링된 시간 포인트를 이용하여 전술한 균일 스프레이 접종을 사용하여 상술한 샘플에서의 MSSA 또는 MRSA 미생물 이전 및 잔류성의 평균 로그 밀도를 결정하기 위해 수행되었다. 전술한 아크릴 필름에 더하여, 구리 호일을 소재로 사용하는 추가 샘플도 평가되었다 (99.9% 순수 합금은 Alaskan Copper and Brass Company, Seattle, Washington에서 이용 가능하고 US EPA 항균제로 등록됨). 그 결과를 도 11의 차트에 도시하였다.
도 11의 차트로부터 알 수 있는 바와 같이, 샤클렛 토포그래피를 갖는 샘플은 매끄러운 표면 토포그래피 및 구리 표면 보다 노출 후 현저히 적은 미생물 부착을 나타냈다. 보다 구체적으로는, 도 11의 결과는 샤클렛 패턴을 갖는 아크릴 필름으로의 MSSA 이전(0 분 에서)은 매끄러운 표면에 비해 87% 감소된 것을 보여준다. 샤클렛 패턴의 MSSA 잔류성(90분 에서) 매끄러운 표면에 비해 97% 더 감소했다. MRSA에 노출된 샘플에 대해서도 유사한 결과가 나타났는데, 매끄러운 표면과 비교하여 91% 감소된 이전 및 샤클렛 토포그래피에 대해 94% 감소된 지속성이 나타났다.
이 결과는 또한 샤클렛 토포그래피를 갖는 샘플이 매끄러운 표면 또는 구리 표면보다 MSSA 또는 MRSA의 이전 및 지속성을 감소시키는 데 훨씬 더 효과적이라는 것을 보여준다.
게다가, 도 11의 결과는 환경 오염을 줄이기 위해 판매된 구리가 MSSA 오염을 감소시키는 데 효과적이지 않고, 샤클렛 토포그래피보다 훨씬 효과적이지 않다는 것을 보여준다. 또 다른 분석에서, Staphylococcus aureus 박테리아에 대한 연구에서, 생체막 형성을 촉진하기 위해 2㎛ 샤클렛 PDMSe, 매끄러운 PDMSe 및 유리 시료를 12일 동안 성장 배지에서 107 CFU/ml로 정적으로 노출시켰다. 샘플을 2nd, 4th, 7th 및 12th 일에 제거하고, 탈이온수에 침지시켜 부드럽게 헹구고 특성화를 위해 공기 건조 시켰다.
12일 후, 주사 전자 현미경(SEM)은 유리 상의 풍부한 생물막을 나타내 보였고, 매끄러운 PDMSe은 약간 적었지만, 샤클렛 표면에는 생물막의 증거가 없었다. 얻어진 SEM 이미지는 또한 샤클렛 표면에서 박테리아 세포 침착의 억제를 제안한다.
상이한 표면 토포그래피를 사용하여 600nm에서 가시광의 상대 광 전송을 결정하기 위해 또 다른 실험을 수행하였다. 사용된 토포그래피는 패턴이 없는 매끄러운 표면(SM), 피쳐의 폭이 2㎛이고 인접한 피쳐의 중심점 사이의 거리가 10㎛인 10x2 패턴을 갖는 표면(SK10x2) 및 피쳐의 폭이 2㎛이고 피쳐 사이의 거리가 2㎛ 인 2x2 패턴 (SK2x2)을 포함했다. 각각의 표면 토포그래피의 박막을 제조하고, 큐벳의 측면에 부착시켰다. 막이 부착되지 않은 빈 큐벳은 대조군으로서 매끄러운 표면(SM) 토포그래피로 사용되었다. 매끄러운 아크릴 및 폴리에스테르계 필름도 준비하고 분석했다. 각각의 매끄러운 표면(SM) 토포그래피의 결과는 도 12의 차트로 함께 그룹화되었다. SK10x2 표면 토포그래피는 폴리에스테르계 필름을 사용하여 준비되었다. SK2x2 표면 토포그래피는 아크릴계 필름을 사용하여 준비되었다.
각각의 표면 토포그래피의 600nm에서 가시광 전송을 CO8000 세포 밀도 측정기를 사용하여 큐벳을 통해 측정하였다. 광 전송은 3개의 표면 토포그래피 각각에 대한 백분율로서 기록되었다. 그 결과를 도 12에 도시하였다. 오차 막대는 ±1 표준 오차를 나타낸다.
도 12의 차트로부터 알 수 있는 바와 같이, 매끄러운 표면 토포그래피는 모두 동일한 양의 광 전송을 나타냈다. SK10x2 표면 토포그래피는 SK2x2 표면 토포그래피 및 SM 표면 토포그래피와 비교하여 76%의 광 전송을 나타내었다. 도 12의 결과는 따라서 피쳐의 폭이 2㎛ 이상 및/또는 인접 피쳐의 중심점 사이의 거리가 10㎛이상인 표면 토포그래피는 광 회절을 감소시키고 SK2x2 표면 토포그래피에 비해 광 전송이 현저히 증가시킨다는 것을 증명한다.
ASTM D1003-13 절차 B (분광 광도법)에 따라 측정된 상이한 표면 토포그래피에 대한 총 시감 투과율(total luminous transmittance)을 결정하기 위해 또 다른 실험이 수행되었다. BYK Gardner® TCS Plus 분광 광도계를 ASTM D1003-13 절차 B (분광 광도계 방법)에 따라 사용된 분광 광도계로 사용했다. 사용된 토포그래피는 업계 표준 제어 물질을 사용하는 대조 표면(Apple iPhone 5/5s/5c 용 WriteRight 최대 화면 보호에 맞는 스크린 보호장치), 패턴이 없는 매끄러운 표면 (SM), 피쳐의 폭이 2㎛이고 인접한 피쳐의 중심점 사이의 거리가 10㎛인 10x2 패턴을 갖는 표면(SK10x2) 및 피쳐의 폭이 2㎛이고 피쳐 사이의 거리가 2㎛ 인 2x2 패턴 (SK2x2)을 포함했다. 표면 토포그래피 각각의 상대적인 두께는 하기 표 1에 제공된다:
샘플 두께(인치)
업계 표준 제어 물질 0.0060
SK2x2 0.0037
SM 0.0033
SK10x2 0.0032
샘플들을 3개의 개별적인 런(run)에서 분석하여 각 샘플의 총 시감 투과율을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 2에 나타낸다.
샘플 총 시감 투과율(%) 평균 총 시감 투과율(%)
업계 표준 제어 물질 92.56
92.43
92.61		 92.53
SK2x2 104.69
104.30
104.07		 104.35
SM 91.03
91.20
91.54		 91.26
SK10x2 94.95
94.52
94.52		 94.66
각 샘플의 평균 총 시감 투과율을 도 13의 차트에 도표로 나타내었다. 표 2 및 도 13으로부터 알 수 있는 바와 같이, SK10x2 표면 토포그래피에 대한 총 시감 투과율은 SK2x2 표면 토포그래피 보다 현저히 낮으며 대조군 및 매끄러운 (SM) 표면 토포그래피와 비슷한 수준이다.
또 다른 실험은 ASTM D1003-13 절차 B (분광 광도법)에 따라 측정된 상이한 표면 토포그래피에 대한 확산 투과율을 결정하기 위해 수행되었다. 표면 토포그래피는 전술한 바와 같다. 샘플들을 3개의 개별적인 런(run)에서 분석하여 각 샘플의 확산 투과율을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 3에 나타낸다.
샘플 확산 투과율(%) 평균 확산 투과율(%)
업계 표준 제어 물질 1.06
1.27
1.46		 1.26
SK2x2 91.62
91.05
90.73		 91.14
SM 2.26
2.22
2.36		 2.28
SK10x2 33.90
33.18
30.39		 32.49
각 샘플의 평균 확산 투과율을 도 14의 차트에 도표로 나타내었다. 표 3 및 도 14로부터 알 수 있는 바와 같이, SK10x2 표면 토포그래피에 대한 확산 투과율은 SK2x2 표면 토포그래피 보다 현저히 낮다.
또 다른 실험이 ASTM D1003-13 절차 B (분광 광도법)에 따라 측정된 바와 같이 상이한 표면 토포그래피에 대한 헤이즈(haze)를 결정하기 위해 수행되었다. 표면 토포그래피는 위에서 전술한 바와 같다. 샘플들을 3개의 개별적인 런(run)에서 분석하여 각 샘플의 확산 투과율을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 4에 나타낸다.
샘플 헤이즈 (%) 평균 헤이즈 (%)
업계 표준 제어 물질 1.15
1.47
1.58		 1.37
SK2x2 87.52
87.30
87.18		 87.33
SM 2.48
2.43
2.58		 2.50
SK10x2 35.70
35.10
32.15		 34.32
각 샘플에 대한 평균 헤이즈를 도 15의 차트에 도표로 나타내었다. 표 4 및 도 15로부터 알 수 있는 바와 같이, SK10x2 표면 토포그래피에 대한 헤이즈는 SK2x2 표면 토포그래피 보다 현저히 낮다.
일 양태에서, 물품은 복수의 이격된 피쳐들을 포함하며, 인접한 피쳐 사이의 거리는 10 마이크로미터(㎛)이상, 바람직하게는 12 마이크로미터 이상, 바람직하게는 20 마이크로미터 이상, 바람직하게는 25 마이크로미터 이상, 최대값 50 마이크로미터까지이다.
또 다른 양태에서, 물품은 복수의 이격된 피쳐들을 포함하며, 각각의 피쳐들은 2 마이크로미터(㎛) 이상, 바람직하게는 3 마이크로미터 이상, 바람직하게는 4 마이크로미터 이상, 바람직하게는 5 마이크로미터 이상, 바람직하게는 6 마이크로미터 이상, 바람직하게는 8 마이크로미터 이상, 바람직하게는 10 마이크로미터 이상, 보다 바람직하게는 약 15 마이크로미터 이상의 폭을 갖는다. 폭은 25 마이크로미터의 최대값을 가질 수 있고, 바람직하게는 20 마이크로미터 이하의 값을 갖는다.
물품은 투명 기판(본 명세서에서 베이스 물품으로도 지칭됨) 상에 배치될 수 있다. 다시 말해, 광학적으로 투명한 기판은 본 명세서에서 설명된 텍스쳐를 포함하는 표면을 그 위에 배치할 수 있다. 광학적으로 투명한 기판은 약 80% 이상, 바람직하게는 약 90% 이상, 보다 바람직하게는 약 95% 이상의 투명도를 가질 수 있다. 또 다른 양태에서, 광학적으로 투명한 기판은 ASTM D1003-13 절차 B (분광 광도법)에 따라 측정될 때 50% 미만, 바람직하게는 35% 미만, 바람직하게는 20% 미만, 바람직하게는 10% 미만, 보다 바람직하게는 5% 미만의 헤이즈를 가질 수 있다.
일 양태에서, 물품은 윈드실드(windshields), 광학 현미경, 망원경 등의 렌즈, 화학적 신호의 분산을 위해 사용되는 렌즈와 같은 투명한 표면(투명한 기판 또는 베이스 물품) 상에 사용될 수 있다. 요약하면, 표면 및 기판(베이스 물품)은 금속 산화물(예를 들어, 실리카, 알루미나, 티타니아, 지르코니아 또는 이들의 조합)을 포함하는 유리를 포함할 수 있다.
윈드실드에서, 윈드실드의 외부(즉, 자동차의 외부를 향하는 윈드실드의 표면)에 배치될 수 있고, 윈드실드의 내부(즉, 자동차 내부를 향하는 윈드실드의 표면), 및/또는 윈드실드를 형성하는 두 개 이상의 유리층 사이에 배치될 수 있다. 입사광의 회절시키는 물품의 능력은 운전자에게 입사되는 빛의 강도를 감소시킨다.
물품은 또한 집의 창문 안 또는 창문에 배치될 수 있다. 이것은 창 밖을 볼 때 집안의 거주자에게 입사되는 빛의 강도를 감소시킨다. 따라서, 광학적으로 투명하고 관찰자가 그것을 투시할 수 있게 하는 물품은 입사광을 회절 시키고 관찰자를 눈 멀게 하는 것을 방지할 수 있다. 물품이 입사광을 회절 시키는 능력은 광원의 화학적 분석에 유용하며, 분석 기계 내 다수의 검출기 위치가 광원에 포함된 화학 물질의 검출을 할 수 있도록 허용한다.
물품은 망원경 및 현미경의 렌즈에 사용되어 생체부착을 방지하고 수분 축적을 통한 오염을 방지할 수 있다. 부착을 방지하는 물품의 능력은 응축에 의한 빌드업(build-up)이 있을 때 표면으로부터 수분의 배수를 용이하게 한다. 물품은 응축 배수(condensation drainage)를 위해 끓는 플레이트에도 사용할 수 있다.
본 발명은 바람직한 특정 양태와 관련하여 기술되었지만, 앞의 설명뿐만 아니라 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 다른 양태, 이점 및 변형은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (23)

  1. 표면을 갖는 베이스 물품; 상기 표면은 상기 베이스 물품에 부착되거나 상기 베이스 물품으로 돌출된 복수의 이격된 피쳐(feature)들에 의해 한정된 패턴을 포함하는 토포그래피를 가지고, 복수의 피쳐들은 실질적으로 상이한 기하학적 구조를 갖는 적어도 하나의 피쳐를 포함하고, 이웃하는 패턴들은 공통 피쳐를 공유하며, 상기 복수의 이격된 피쳐들은 적어도 하나의 마이크로스케일 치수를 가지고, 상기 표면은 400nm 내지 700nm에서의 광투과율이 70% 이상인,
    유기체의 생체부착에 저항하기 위한 표면 토포그래피(surface topography)를 갖는 물품.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 표면은 400nm 내지 700nm에서 80% 이상의 광 전송을 갖는 것인, 물품.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 표면은 400nm 내지 700nm에서 85% 이상의 광 전송을 갖는 것인, 물품.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 표면은 400nm 내지 700nm에서 90% 이상의 광 전송을 갖는 것인, 물품.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 표면은 ASTM D1003-13 절차 B (분광 광도법)에 따라 측정될 때 50% 이하의 헤이즈를 갖는 것인, 물품.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 표면은 ASTM D1003-13 절차 B (분광 광도법)에 따라 측정될 때 35% 이하의 헤이즈를 갖는 것인, 물품.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 표면은 ASTM D1003-13 절차 B (분광 광도법)에 따라 측정될 때 10% 이하의 헤이즈를 갖는 것인, 물품.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 표면은 ASTM D1003-13 절차 B (분광 광도법)에 따라 측정될 때 5% 이하의 헤이즈를 갖는 것인, 물품.
  9. 제1항에 있어서,
    인접한 피쳐들 사이의 거리가 10㎛ 이상인, 물품.
  10. 제1항에 있어서,
    각 피쳐의 폭은 2㎛ 이상인, 물품.
  11. 제1항에 있어서,
    인접한 피쳐들 사이의 거리 및/또는 각 피쳐의 폭은 5㎛ 이상인, 물품.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 표면은 구불구불한 경로(tortuous path)을 포함하는 것인, 물품.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 구불구불한 경로는 이웃 피쳐들 사이에 놓인 것인, 물품.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 이격된 피쳐들은 코팅의 형태로 상기 표면에 적용되는 것인, 물품.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 이격된 피쳐들은 유기 중합체, 세라믹 또는 금속을 포함하는 것인, 물품.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 피쳐의 그룹은(groupings) 서로에 대해 정렬되어 선형 경로 또는 복수의 채널을 한정하는 것인, 물품.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 구불구불한 경로는 정현 함수에 의해 정의되는 것인, 물품.
  18. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 피쳐가 그룹 간에 공유되는 것인, 물품.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 피쳐는 유사한 기하학적 구조를 갖는 것인, 물품.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 피쳐는 약 2 내지 약 30의 조도 인자(R)를 갖는 것인, 물품.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 표면은 400nm 내지 700nm에서의 광투과율이 80% 이상인, 물품.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 표면은 ASTM D1003-13 절차 B (분광 광도법)에 따라 측정될 때 5% 이하의 헤이즈를 갖는 것인, 물품.
  23. 제23항에 있어서,
    상기 베이스 물품은 금속 산화물을 포함하는 유리를 포함하는 것인, 물품.
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