KR20210095163A

KR20210095163A - 마이크로구조 표면

Info

Publication number: KR20210095163A
Application number: KR1020217018349A
Authority: KR
Inventors: 마이클 밀보커; 루카스 블뤼허
Original assignee: 비브이더블유 홀딩 에이쥐
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2021-07-30
Also published as: TWI832928B; TW202038873A; WO2020106945A1; CN113164655A; US20200155292A1; EP3883619A1

Abstract

디바이스(100)는 마이크로구조 표면을 포함하고, 하나의 양태에서, 마이크로구조 표면은 이중 기능 텍스쳐 특징부로 계층적으로 배열된다. 표면은 마이크로구조 특징부의 파라미터를 변경하여 접착성 특성을 달성할 수도 있다. 추가로, 표면은 동일한 파라미터를 변경함으로써 세포 및/또는 조직 내부 성장 기능성을 달성할 수도 있다. 일반적으로, 이중 기능 양태는 적어도 하나의 다른 표면 특징부에 부과될 수도 있는 다양한 주기성을 갖는 적어도 하나의 표면 특징부를 포함한다.

Description

마이크로구조 표면

본 발명은 일반적으로 다기능 마이크로구조를 갖는 마이크로구조 디바이스에 관한 것이다.

더 구체적으로, 본 발명은 적어도 하나의 마이크로구조 특징부의 가변적 공간 주기성에 기초하여 이중 기능을 나타내는 마이크로구조 패턴에 관한 것이다.

임플란트 표면의 습윤성은 단백질 흡착뿐 아니라 세포 부착 및 확산에도 중요한 역할을 할 수 있다. 임플란트의 이러한 물리 화학적 특성은 다음을 통해 임플란트 근방의 세포 거동에 영향을 미칠 수도 있다: (1) 단백질 흡착에 대한 영향, 표면의 비습윤성이 높을수록(낮은 표면 에너지, 더 높은 소수성), 물질 표면의 단백질 양이 감소하고 및 단백질 분자 사이의 접착 강도가 마찬가지로 감소할 수도 있고; (2) 물질 표면과 접촉하는 분자 토폴로지의 차이로 인해, 흡착된 단백질의 입체 구조의 변화가 발생할 수 있다. 입체 구조 변화는 세포 수용체와 상호 작용하는 리간드 부위의 발현에 차이를 초래할 수 있다.

깨끗한 표면은 종종 높은 표면 자유 에너지를 가질 수도 있는 반면 오염된 표면은 종종 더 낮은 표면 에너지를 가질 수도 있다. 표면이 깨끗하지 않으면 단백질과 아미노산에 의해 표면이 수정될 수 있다. 표면에 막이 존재하면 생체 내 임플란트-조직 계면에서 임플란트 통합이 발생하는 것을 방지할 가능성이 높다. 표면을 세정하는 절차조차도 표면을 오염시킬 수 있다.

스팀 오토클레이브에 의한 임플란트 표면의 멸균은 표면의 변화와 오염을 유발한다. 이는 또한 섬유 아세포 세포 부착의 감소 및 시험관내 확산을 초래할 수도 있다. 그러나, 표면의 표면 에너지가 높으면 표면 오염물의 이온화 또는 열 멸균으로 인한 오염을 세척 제거할 수 있다. 예를 들어, 아미노-알콜로 헹궈진 고 표면 에너지 텍스쳐는 시트르산으로 헹군 다음 생리 식염수로 헹구어 멸균 후에 오염을 제거할 수 있다. 편평한 소수성 표면(폴리프로필렌)은 오토클레이브 또는 감마 멸균 후 아민 관능기에 대해 밝게 착색된다. 이러한 표면은 멸균후 독성을 평가하는 현재 표준인 발열성인 것으로 등록되지 않는다.

상피 세포와 섬유 아세포는 세포외 기질의 접착 단백질에 대해 서로 다른 친화력을 가지고 있다. 시험관내에서 피브로넥틴 코팅은 매끄러운 플라즈마 활성화 임플란트 표면에 대한 섬유 아세포 부착을 2 내지 3배 개선시킬 수도 있지만 상피 세포 부착을 촉진하지 않을 수도 있다는 것이 알려져 있다. 대조적으로, 상피 세포 기저막의 성분인 라미닌-1로 표면을 코팅하면 상피 세포 결합이 3 내지 4배 개선되지만 섬유 아세포 부착에 미치는 영향은 적다. 따라서, 임플란트의 표면은 일반적으로 표면 또는 임플란트에 대한 접착을 촉진하거나 제한하는 데 중요한 역할을 할 수 있다.

공초점 레이저 스캐닝 프로파일로미터를 사용하여 임플란트 표면의 표면 토폴로지를 평가할 수 있다. 표면 토폴로지의 생물학적 기능성은 형태, 파형 형상 및 거칠기에 관하여 정의되며 파형 형상과 거칠기는 종종 "텍스쳐"라는 용어로 함께 표시된다. 형태는 가장 큰 구조(프로파일)와 관한 것인 반면 거칠기는 표면의 가장 작은 불규칙성을 설명한다.

종래 기술의 한 가지 문제점은 특징부 크기의 분포가 현저히 다른 표면을 분리하는 평균(통계적으로 정의됨)에 기초한 파라미터를 사용하는 것이다. 평균에 기초한 이러한 파라미터는 각 계층 수준에서 표면 거칠기의 유사한 평균 값을 잘못 산출할 수도 있다. 더욱이, 주어진 응용의 성능에 중요할 수도 있는 미세 거칠기 특징부는 훨씬 더 큰 특징부가 또한 존재하는 경우 계산된 전체 거칠기 값에 크게 기여하지 않을 수도 있다.

따라서, 임플란트를 고정시키는 즉각적인 웬젤-캐시(Wenzel-Cassie) 접착을 생성하는 임플란트 표면 텍스쳐와 주변 조직과 임플란트의 건강한 통합을 촉진하는 표면 텍스쳐가 필요하다.

일 실시예에서, 마이크로구조 표면은 적어도 제1 계층적 마이크로구조를 포함하는 기질을 포함할 수도 있다. 제1 계층적 마이크로구조는 복수의 마이크로구조 특징부를 포함할 수도 있으며, 복수의 마이크로구조 특징부는 기질에 걸쳐 공간 주기성이 점진적으로 변하는 하나 이상의 파라미터를 포함할 수도 있다.

일 실시예에서, 마이크로구조 표면은 높이, 폭, 직경, 형상 및 피치 그리고 그 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 파라미터를 포함할 수도 있다.

마이크로구조 표면은 적어도 제1 세트의 마이크로구조 특징부 및 제2 세트의 마이크로구조 특징부를 포함하는 복수의 마이크로구조 특징부를 더 포함할 수도 있다. 적어도 제1 세트의 마이크로구조 특징부가 기질 주위에 배치될 수도 있고, 적어도 제2 세트의 마이크로구조 특징부는 적어도 제1 세트의 마이크로구조 특징부보다 더 작고 적어도 제1 세트의 마이크로구조 특징부 상에 배치된다.

마이크로구조 표면은 편평한 기질을 더 포함할 수도 있고, 적어도 제1 세트의 마이크로구조 특징부는 균일하게 이격된 정사각형 어레이로 편평한 기질 주위에 배치된다.

일 실시예에서, 마이크로구조 표면은 50 내지 500 미크론의 높이를 가진 사인곡선형 패턴을 나타내도록 구성된 기질을 포함할 수도 있다.

일 실시예에서, 마이크로구조 표면은 기질에 걸쳐 주기적으로 변하는 폭을 포함할 수도 있는 제1 및 제2 세트의 마이크로구조 특징부 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다.

마이크로구조 표면은 기질에 걸쳐 원형에서 타원형으로 주기적으로 변하는 단면 프로파일을 갖는 제1 및 제2 세트의 마이크로구조 특징부 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다.

마이크로구조 표면은 기질에 걸쳐 주기적으로 변하는 높이를 갖는 제1 및 제2 세트의 마이크로구조 특징부 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다.

마이크로구조 표면은 피라미드형 구조를 생성하도록 구성될 수도 있는 적어도 제1 마이크로구조 특징부의 높이를 주기적으로 변화시키는 것을 더 포함할 수도 있다.

몇몇 실시예에서, 마이크로구조 표면은 기질에 걸쳐 주기적으로 변하는 피치를 포함할 수도 있는 제1 및 제2 세트의 마이크로구조 특징부 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다.

몇몇 실시예에서, 마이크로구조 표면은 오목, 볼록, v-새들 및 h-새들, 및 그 조합을 포함하는 목록으로부터 선택된 구조를 생성하도록 구성되도록 적어도 제1 마이크로구조 특징부의 주기적으로 변화하는 피치를 포함할 수도 있다.

몇몇 실시예에서, 마이크로구조 표면은 적어도 제1 계층적 마이크로구조를 포함하는 표면을 포함할 수도 있다. 제1 계층적 마이크로구조는 복수의 마이크로구조 특징부를 포함할 수도 있으며, 여기서, 복수의 마이크로구조 특징부는 공간 주기성이 변하고 웬젤 표면 또는 캐시 표면 또는 조합 웬젤-캐시 표면 중 적어도 하나를 생성하도록 구성된 하나 이상의 파라미터를 포함할 수도 있다.

몇몇 실시예에서, 마이크로구조 표면은 높이, 폭, 직경, 형상 및 피치 그리고 그 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 파라미터를 포함할 수도 있다.

마이크로구조 표면은 적어도 제1 세트의 마이크로구조 특징부 및 제2 세트의 마이크로구조 특징부를 포함할 수도 있는 복수의 마이크로구조 특징부를 포함할 수도 있다. 적어도 제1 세트의 마이크로구조 특징부가 기질 주위에 배치될 수도 있고, 적어도 제2 세트의 마이크로구조 특징부는 적어도 제1 세트의 마이크로구조 특징부보다 더 작고 적어도 제1 세트의 마이크로구조 특징부 상에 배치될 수도 있다.

마이크로구조 표면은 편평한 기질을 포함할 수도 있고, 적어도 제1 세트의 마이크로구조 특징부는 균일하게 이격된 정사각형 어레이로 편평한 기질 주위에 배치된다.

몇몇 실시예에서, 마이크로구조 표면은 50 내지 500 미크론의 높이를 가진 사인곡선형 패턴을 나타내도록 구성된 기질을 포함할 수도 있다.

몇몇 실시예에서, 마이크로구조 표면은 물의 체적으로부터 용질을 배제하는 영역을 생성하도록 구성될 수도 있는 적어도 제1 및 제2 세트의 마이크로구조 특징부를 포함할 수도 있다.

마이크로구조 표면은 기질에 걸쳐 원형에서 직사각형으로 주기적으로 변하는 단면 프로파일을 포함할 수도 있는 제1 및 제2 세트의 마이크로구조 특징부 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다.

마이크로구조 표면은 적어도 제1 세트의 마이크로구조 특징부의 제1 및 제2 특징부 사이에 기질에 배치되는 구멍을 포함할 수도 있다. 구멍은 모세관 효과를 생성하도록 구성될 수도 있다.

몇몇 실시예에서, 마이크로구조 표면은 편평한 표면을 포함할 수도 있는 기질을 포함할 수도 있다. 적어도 제1 세트의 마이크로구조 특징부는 균일하게 이격된 어레이의 리지를 포함할 수도 있고, 적어도 제2 세트의 마이크로구조 특징부는 리지의 상부 부분 주위에 배치된 복수의 실린더를 포함할 수도 있으며, 제2 복수의 실린더를 포함하는 복수의 실린더 사이의 틈새 영역 주위에 배치된 제3 세트의 마이크로구조 특징부를 더 포함할 수도 있다.

본 발명의 목적, 기술적 내용, 특징 및 성과가 더 쉽게 이해될 수 있게 하기 위해, 본 발명의 실시예가 이하의 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명된다.

도 1은 단일-기능 계층적 표면에 대한 이중 기능 계층적 표면의 실시예이다.
도 2는 정사각형 공간 주파수 그리드 및 배향 변조에 의해 수정된 동일한 그리드의 실시예이다.
도 3은 균일한 직경의 정사각형 그리드와 균일한 중심 간격의 기둥의 배향 변조의 실시예이다.
도 4는 다양한 형태의 의사 변형의 예시이다.
도 5는 4 가지 유형의 의사 표면(열(column))의 예시이다.
도 6은 비변형 정사각형 그리드, 삼각형 그리드 및 육각형 그리드의 예시이다.
도 7은 전단, 압축 및 주기적 모드를 포함한 3 가지 변형 모드의 예시이다.
도 8은 압축 모드 및 주기적 모드의 예시이다.
도 9는 축 압축, 이축 압축 및 주기적 압축의 예시이다.
도 10은 삼각형 그리드의 키랄 형태와 2개의 형태의 키랄 육각형 그리드의 실시예이다.
도 11은 삼각형 그리드의 압축된 키랄 형태와 2개의 형태의 키랄 육각형 그리드의 실시예이다.
도 12는 정사각형 격자 및 관련 단위 셀의 파동 전파 형태의 실시예이다.
도 13은 본 개시내용의 마이크로구조 표면의 실시예이다.
도 14는 2차원 패턴이 엠보싱된 기질 층으로 구성된 실시예이다.
도 15는 다중 마이크로구조 패턴을 갖는 이중 기능 패턴화 표면의 실시예이다.
도 16은 다중 마이크로구조 패턴을 갖는 이중 기능 패턴화 표면의 추가적인 실시예이다.

이하의 상세한 설명 및 첨부 도면은 본 개시내용의 다양한 실시예를 설명하고 예시한다. 설명 및 도면은 통상의 기술자가 본 발명을 구성하고 사용하는 것을 가능하게 하는 역할을 한다. 본 개시내용이 다양한 실시예를 설명할 것이지만, 통상의 기술자는 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 형태 및 상세의 변화가 이루어질 수도 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 이와 같이, 이하의 상세한 설명은 한정적이기보다는 예시적인 것으로서 간주되고 본 발명의 범주를 정의하기 위해 의도된 것은 그 모든 등가물을 포함하는 첨부된 청구범위인 것이 의도된다.

본 출원에서, 용어 "포함한다", "구비한다", "갖는", "갖는다", "함유한다" 및 이들의 변형은 부가의 행위 또는 구조의 가능성을 배제하지 않는 개방형 접속 구문, 용어 또는 단어가 되도록 의도된다.

본 명세서에 사용될 때, 용어 "미시적"은 그 형상을 결정하기 위해 임의의 관찰 평면에서 볼 때 육안으로의 광학 보조 장치를 필요로 하는 충분히 작은 치수의 특징부를 칭한다. 한 가지 기준은 문헌 [Modem Optic Engineering by W. J. Smith, McGraw-Hill, 1966, pages 104-105]에서 찾을 수 있으며, 여기서, 시력(visual acuity)은 "... 인식될 수 있는 최소 문자의 시각(angular size)에 관하여 정의되고 측정된다". 정상 시력은 가장 작은 인식할 수 있는 문자가 망막 상의 5 분각(minutes of arc)의 고저각(angular height)에 마주할 때가 되는 것으로 고려된다. 250 mm(10 인치)의 전형적인 작업 거리에서, 이는 이러한 물체에 대한 0.36 mm(0.0145 인치)의 측방향 치수를 산출한다.

본 명세서에 사용될 때, 용어 "마이크로구조"는 특징부의 적어도 2개의 치수가 미시적인 특징부의 구성을 의미한다. 특징부의 토피컬(topical) 및/또는 단면 모습은 미시적이어야한다. 감압 접착성 물품의 기능은 포지티브 및 네거티브 특징부로 구성될 수도 있는 마이크로구조의 형태에 따라 크게 달라진다.

본 명세서에 사용될 때, 용어 "마이크로구조 특징부"는 특정 범위의 크기로 표면 밖으로 돌출되는 개별 특징부 또는 특징부 그룹을 의미한다. 예를 들어, 마이크로구조 특징부는 반경이 10-20 미크론이고 높이가 30-40 미크론인 기둥 그룹 또는 단일 기둥을 포함할 수도 있으며, 이는 반경이 80-100 미크론이고 높이가 80-125 미크론인 기둥의 다른 치수의 특징부와 구별된다. 일반적으로, 마이크로구조 특징부의 체적은 10배 이상 다르다. 마이크로구조 특징부의 공간 주기성은 기질 표면의 세그먼트 또는 일부에 걸쳐 발생한다. 공간 주기성은 표면에 걸쳐 점진적으로 또는 누진적으로 발생하며 개별적으로 또는 동시에 모든 3차원에서 발생할 수 있다.

본 명세서에 사용될 때, 용어 "포지티브 특징부"는 마이크로구조 성형 도구, 마이크로구조 라이너, 마이크로구조 이면재 또는 마이크로구조 감압 접착성 층에서 돌출되는 특징부를 의미한다.

본 명세서에 사용될 때, 용어 "네거티브 특징부"는 마이크로구조 성형 도구, 마이크로구조 라이너, 마이크로구조 이면재 또는 마이크로구조 감압 접착성 층 내로 돌출되는 특징부를 의미한다.

본 명세서에 사용되는 용어 "흡인 양태"는 모세관 상승을 생성할 수 있는 네거티브 특징부이다.

본 명세서에 사용된 용어 "엠보싱 가능"은 특히 기계적 수단에 의해 그 표면의 일부가 부조로 상승하고, 그 표면의 다른 부분이 부조로 낮아지는 기질 층의 능력을 의미한다.

본 명세서에 사용될 때, 용어 "기질 층"은 마이크로구조가 기질 층에 통합되는 엠보싱, 성형, 인쇄 및 주조에 의해 마이크로구조를 수용할 수 있은 열가소체 또는 폴리머와 같은 물질 단편을 의미한다.

본 명세서에 사용될 때, 용어 "습윤"은 유체를 표면 위로 확산시키고 접촉시키는 것을 의미한다. 친수성 표면 상의 수성 유체는 습윤한다.

본 명세서에 사용될 때, 용어 "탈습윤"은 표면과의 접촉으로부터 수축하는 유체를 의미한다. 소수성 표면의 수성 유체는 탈습윤한다.

본 명세서에 사용될 때, "재배치 가능한 접착제"라는 용어는 특정 타겟 기질에 적용시 다양한 박리력에 걸쳐 이면재나 라이너에 손상을 유발하지 않고 기질에 잔류물을 남기지 않으면서 기질에 대한 손상을 유발하지 않고 제거될 수 있은 접착성 마이크로구조 표면을 의미한다.

본 명세서에 사용될 때, 용어 "다기능 마이크로구조"는 표면이 타겟 표면과 접촉할 때 마이크로구조 표면에서 발생하는 액체, 고체 및 기체 도메인을 의미한다. 이러한 도메인은 2개의 표면 사이의 계면에서 마이크로구조 표면과 타겟 표면의 표면 에너지를 낮춘다. 계면은 2개의 표면을 분리하기 위해서는 계면에 에너지를 공급해야 하는 저에너지 계면을 형성하여 접착성을 띈다. 도메인 형성을 담당하는 물리적 힘에는 반 데르 발스 힘, 영점 장(zero-point field)과의 양자 상호 작용에서 발생하는 카시미르(Casimir) 힘, 분자간 힘, 런던(London) 분산력, 디바이(Debye) 힘, 키솜(Keesom) 힘 및 수소 결합이 포함된다. 접착성 마이크로구조는 타겟 표면을 붙들기 위해 표면에 적용된 임의의 화학적 반응성 물질을 의미하지 않는다.

본 명세서에 사용될 때, 용어 "영구적으로 재배치 가능한 다기능 마이크로구조 표면"은 주어진 타겟 기질에 대한 접착 강도가 적용 조건 하에서 시간에 따라 실질적으로 변화하지 않는 재배치 가능한 마이크로구조 표면을 의미한다.

본 명세서에 사용될 때, 용어 "일시적으로 재배치 가능한 다기능 마이크로구조 표면"은 시간, 압력 또는 온도에 따라 접착력이 구축되는 재배치 가능한 마이크로구조 표면을 의미한다. 이 현상은 때때로 "흡인 효과"라고 칭해지며, 마이크로구조 접착제와 타겟 표면 사이의 계면이 누진적으로 얇아지고 해리 에너지를 증가시킨다.

본 명세서에 사용될 때, 용어 "해리 에너지"는 계면에서 분리 및 결합하는 마이크로구조와 타겟 표면의 표면 에너지 차이를 의미한다. 해리 에너지는 접착 정도의 정량적 척도이다.

본 명세서에 사용되는 용어 "타겟 기질"은 감압성 마이크로구조 접착제가 의도된 목적을 위해 도포되는 표면을 의미한다.

본 명세서에 사용될 때, 용어 "배제 존"은 물과 표면 사이의 영역을 의미하며, 여기서 해당 표면의 친수성으로 인해, 또한 표면 텍스쳐 또는 화학적 특성으로 인해, 물은 물이 아닌 이온과 분자를 열역학적으로 배제한다.

본 명세서에 사용된 용어 "구조화된 물"은 용액의 물 분자가 물과 고체 표면 사이의 표면 에너지 및 화학에 의해 강화되고 유지되는 전이 육각형 형태를 취하는 물의 상태를 의미한다.

본 명세서에 사용될 때, 용어 "모세관 작용" (때때로, 모세관 현상, 모세관 운동, 모세관 상승, 모세관 효과 또는 위킹)은 액체가 중력과 같은 외력의 도움 없이 또는 심지어 그에 반하여, 좁은 공간에서 유동하는 능력이다. 이 효과는 붓의 모발 사이에서, 얇은 튜브 내에서, 종이와 석고와 같은 다공성 물질 내에서, 모래 및 액화 탄소 섬유와 같은 일부 비다공성 물질 내에서 또는 세포 내에서 액체를 흡인할 때 볼 수 있다. 이는 액체와 주변 고체 표면 사이의 분자간 힘 때문에 발생한다. 튜브의 직경이 충분히 작으면, 액체와 용기 벽 사이의 표면 장력과 접착력의 조합이 액체를 추진하는 작용을 한다.

본 명세서에 사용될 때, 용어 "피치"는 특정 방향으로 2개의 마이크로구조 사이의 중심 대 중심 거리를 의미한다. 방향이 지정되지 않은 경우, 피치는 적어도 2개의 직교 방향에서 동일한 것으로 가정된다.

본 명세서에 사용될 때, 용어 "마찰"은 하나의 표면 텍스쳐와 다른 표면 텍스쳐의 통상적인 상호 작용을 의미하며, 여기서, 표면 사이의 변형, 직접적인 물리적 접촉 및 편평하지 않은 표면을 가로지르는 병진에 대한 저항이 억제된다. 이들은 직접적인 구조간 간섭이며, 한 표면의 구조는 다른 표면과 고체간 상호 작용하고, 이것이 병진을 방지한다. 접착제 기능성으로 마찰 효과를 교시하고 있는 것들은 본 출원의 목적을 교시하고 있지 않다.

본 개시내용은 2차원 활주 방지 임플란트/조직 표면과 조직 스캐폴드의 3차원 요구 사이의 2차원 계면의 균형화(3개 차원에서의 침지(immerse))를 설명한다. 이중 기능적 양태는 개별 세포가 생존하는 진정한 3차원 세계를 모방한다. 틈으로 이동하는 세포는 절첩되거나 굴곡되거나 신장되는 표면을 모방하는 평면 구조를 따라 이동한다. 이 3차원 양태는 2차원 표면의 세포에 제공된다.

기질의 표면은 사인곡선형 창살 또는 원형 도트의 합으로 구성될 수 있으며, 표면의 원근 이미지에 존재하는 배향 및 주파수 정보 사이를 구별하도록 설계될 수도 있다. 오목, 볼록, 새들 및 경사에 대한 세포 지각은 배향 변조의 시그니처 패턴에서 발생할 수 있다. 이러한 배향 변조는 세포가 2차원 임플란트 표면에 걸쳐 이동할 때 경험할 수도 있는 고정된 공간 주파수의 시간적 주파수 변조로 고려할 수 있다.

마이크로구조 표면의 이중 기능성을 예시하기 위해 조직 스캐폴드를 사용하는 것은 제한을 의미하지 않는다. 예를 들어, 마이크로 스케일에서 3차원인 손가락 단부 표면의 마이크로구조는 세포 상호 작용을 모방할 수 있는 반면, 손가락 단부 표면의 거시적 표면은 전체적으로 2차원이다. 손가락 단부와 본 명세서에 개시된 표면 사이의 습윤된 계면은 손가락 단부 조직에 파문(ripple)을 유도함으로써 거시적으로 손가락 조직과 웬젤-캐시 그립을 설정한다. 그리고, 또한, 기존 지문 구조와의 제2 수준의 웬젤-캐시 접착을 설정한다. 일반적으로, 웬젤-캐시 구역, 표면 유도 고유 주름 모드, 모세관 및 흡인 양태 및 샬라마흐(Schallamach) 파를 포함하는 고전적인 마찰로 설명되지 않는 다수의 접착 메커니즘이 있을 수도 있다.

변조될 개별 표면 특징부 자체가 계층적 특징부인 조직 내부 성장을 위한 표면 패턴을 변조함으로써 예상치 못한 이점이 얻어진다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 작은 기둥은 계층적 배열에서 더 큰 기둥 상부에 배치될 수도 있으며, 하나의 양태는 분자 스케일에서 상대적으로 더 소수성이고 오염에 저항한다. 반면에, 세포는 이 더 작은 스케일의 소수성에 의해 영향을 덜 받고 변조된 패턴에 반응한다.

본 명세서에 사용된 변조는 특징적인 스케일의 특징부의 주기적 또는 무작위 변경을 설명한다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 5 미크론 높이의 기둥은 최소에서 최대로 사인곡선형으로 그 직경으로 변조될 수도 있다. 일반적으로, 변조 설계에 유용한 특징부는 치수, 기하형상, 피치 또는 간격을 포함할 수도 있다. 특징부 기하형상을 변조하는 경우, 기둥의 단면은 원형 단면에서 타원형 단면까지 연속적인 방식으로 변할 수도 있다.

무작위 프로세스를 사용하여 복잡한 표면을 준비할 때 기능 이중성이 발생할 수도 있다. 계산 집약적이지만 더 정교한 접근법은 푸리에 변환을 사용하여 관찰된 표면 프로파일을 피팅하고 윈도우라고 하는 다양한 크기 범위에서 거칠기를 결정하여 생물학적 반응과 상호 관련될 수 있게 하는 것이다. 이러한 이유로, 다양한 텍스쳐 수준이 구별되는 스케일의 구별되는 주기성에 의해 정의될 때 최적의 생물학적 기능성이 달성된다. 많은 이러한 주기성은 육안으로 쉽게 관찰되거나 인간의 지각에 의해 구별되는 것으로 인식되지 않지만 그럼에도 불구하고 세포에서는 강하게 감지된다. 동물 조직의 거시적 특징부, 예를 들어 근육 섬유, 둘러싸는 층, 힘줄, 혈관 등과 결합하도록 설계된 텍스쳐는 미시적 세포, 특히 신체의 고정 구조 내에서 유목적인(nomadic) 세포와 결합하지 않는다.

표면 거칠기는 표면에 수직인 것(횡방향) 및 표면의 평면 내에 있는 것(종방향)의 2개의 기본 평면에서 발생할 수 있다. 파동은 횡방향- 패턴이 에너지 전달(세포에 의한) 전파에 수직인 진동임 - 또는 길이방향 - 패턴이 에너지 전파 방향에 평행한 진동임 -일 수 있다. 불규칙성의 배향은 등방성 또는 이방성일 수도 있다. 지배적인 방향이 없는 표면 구조는 등방성으로 고려될 수도 있다.

몇몇 실시예에서, 이러한 표면은 조직 스캐폴드 임플란트에 통합될 수도 있다. 단백질 막의 조성과 배향, 임플란트 표면에 흡착되는 분자의 배향은 표면 거칠기에 영향을 받을 수도 있다.

표면 텍스쳐는 세포 증식에 영향을 미칠 수도 있다. 매끄러운 티타늄 표면의 습윤성은 섬유소 흡착과 상호 관련될 수도 있지만 거친 티타늄에는 존재하지 않는다. 상피 세포는 거친 표면(샌드블라스트됨)보다는 연마되고 에칭된 표면에 더 쉽게 부착되고 확산될 수도 있다.

매끄러운 표면과 비교하여, 거친 표면은 불멸화된 상피 세포의 주변에서 다수의 필로포디아(filopodia) 형성을 촉진할 수도 있는 반면, 세포는 더 매끄러운 표면에서 둥글고 서로 직접 접촉했다. 필로포디아의 존재는 더 높은 수준의 접착력을 시사한다고 가정할 수도 있다. 이 가정은 부정확하다. 상피 세포가 필로포디아를 나타내는 것은 정상적인 거동이 아니다. 상피 세포는 실제로 거친 티타늄의 골부와 직접 접촉하지 않고 오히려 골부 위로 가교할 수도 있다.

등방성 표면 텍스쳐는 세포의 성장과 증식에 영향을 주어 접촉 안내(contact guidance)를 초래할 수도 있으며, 이는 서로 다른 기하학적 요소의 마이크로 패턴과 크기에 따라 달라진다. 접촉 유도는 세포가 부착되는 기질의 표면 토폴로지의 지배적인 방향에 의해 안내되거나 유도되는 세포 운동의 경향을 의미한다. 표면의 원주방향 홈은 섬유 아세포가 배향된 캡슐형 구조를 형성하도록 안내할 수도 있는 반면, 다공성 표면에서 성장한 세포는 어떠한 선호 배향도 나타내지 않을 수도 있다. 따라서, 특징부에 대한 세포 반응에 계층이 있을 수도 있으며, 더 큰 특징부가 더 작은 특징부보다 지배적이다.

표면 텍스쳐 구성과 그 위에서 배양될 때 세포가 취하는 형상, 특히, 긴 형상 사이의 관계는 표면 텍스쳐에 의해 결정될 수도 있다. 또한, 세포는 특징부 크기에 민감할 수 있다. 0.2 미크론만큼 작은 특징부가 세포 반응을 생성하는 것으로 관찰되었다.

이제, 도 1을 참조하면, 표면(100)은 이중 기능 계층적 표면(102)을 단일-기능 계층적 표면(104)과 비교한다. 표면(104)의 계층적 구조는 하나의 주파수(108)의 제1 주기적 구조(106) 및 다른 주파수(112)의 제2 주기적 구조(110)에 의해 형성될 수도 있다. 이중 기능 계층적 표면(102)은 동일한 요소(106 및 110)를 포함하는 이중 주기적 구조(114)를 포함할 수도 있다.

도 2를 참조하면, 배향 변조(202)에 의해 수정된 동일한 그리드 아래의 정사각형 공간 주파수 그리드(200)는 3차원 조직 스캐폴드로 나타난다. 200과 202 둘 모두 실제로 편평한 2차원 표면 텍스쳐일 수도 있음에 주목한다. 임플란트와 조직 사이의 계면은 2차원일 수도 있고, 이동 세포와 임플란트 사이의 계면은 의사 3차원일 수도 있다. 202에서와 같이 패턴이 절첩된 외관을 나타내는 경우, 의사 표면의 실제 주파수/기둥 크기는 변경되지 않고 유지될 수도 있지만 비율이 일정할 수도 있도록 기둥 크기와 간격을 변화시키는 것에 의해 임플란트 표면에서 텍스쳐 왜곡이 발생할 수도 있다.

도 3을 참조하면, 균일한 직경의 정사각형 그리드 및 균일하게 중심 간격의 기둥의 배향 변조를 나타내는 다양한 실시예가 예시되어 있다. 도 3의 상부 행은 오목 중심 패턴을 예시하고 하단 행은 볼록 중심 패턴을 예시한다. 제1 열은 무작위로 분포된 균일한 직경의 기둥을 포함할 수도 있다. 제2 열은 정렬될 수도 있는 균일한 직경의 기둥을 포함할 수도 있다. 제3 열은 정렬될 수도 있는 무작위 직경의 기둥을 포함할 수도 있다.

도 4를 참조하면, 다양한 형태의 의사 변형을 갖는 다양한 실시예가 예시되어 있다.

도 5를 참조하면, 다양한 배향 변조를 갖는 기둥의 정사각형 그리드가 표현되는 몇몇 실시예가 예시된다. 도 5의 예는 4 가지 유형의 의사 표면(열)을 설명할 수 있는데, 각 유형은 세포의 유형과 분포가 다르며 따라서 최종 내부 성장 조직의 구조와 조성이 다르다. 도 2 내지 도 5는 본 개시내용의 기초적 고빈도 어휘를 설명할 수 있다.

세포 내부 성장을 유도할 수 있지만 임플란트-조직 계면 고정화 및 임플란트 내구성에 악영향을 미칠 수도 있는 표면 패턴화의 다른 양태는 높은 표면 장력의 국부화된 영역이다. 이러한 상반된 제약을 충족시키기 위해 의사 응력의 개념이 도입될 수 있으며, 이전과 마찬가지로 이는 세포는 미시적이고 조직은 거시적이 때문에 가능할 수도 있다.

의사 응력을 유도할 수도 있는 패턴은 미시적 불안정 패턴의 한 종류일 수도 있다. 이러한 패턴은 키랄성(거울상 이성질체), 파동 전파 및 음향양자 특성, 변조된 나노/마이크로 패턴, 소수성 또는 주기적 고체에서의 거시적 반응 생성 등과 같은 미시적 주기성-의존 구조적 표면 특성의 유도이나 수정을 위한 기술로서의 응용-지향 설계의 요소일 수 있다.

도 6에 예시되어 있는 바와 같이, 정사각형(602), 삼각형(604) 및 육각형(606)을 포함할 수도 있는 비변형 직사각형 격자의 변형이 고려될 수도 있다.

추가로, 아래에 개시된 바와 같이, 키랄 형태도 고려될 수도 있다. 정사각형 격자(602)에 대해 3 가지 변형 모드가 존재할 수도 있다. 도 7을 참조하면, 3 가지 변형 모드(700)는 전단(702), 압축(704) 및 주기적(706) 정사각형 격자를 포함할 수도 있다.

도 8을 참조하면, 압축 모드(802) 및 주기적 모드(804)를 포함하는 2개의 추가 변형 모드(800)가 예시되어 있다.

도 9를 참조하면, 변형 모드(900)는 축 압축(902), 이축 압축(904) 및 주기적 압축(906)을 포함할 수도 있다.

이제, 도 10을 참조하면, 삼각형 격자(1002)의 키랄 형태가 도시되어 있다. 추가로, 2개의 다른 형태의 키랄 육각형 격자(1004, 1006)가 도시되어 있다.

이제, 도 11을 참조하면, 압축된 키랄 삼각형 형태(1102) 및 2개의 압축된 키랄 육각형 형태(1104, 1106)가 예시되어 있다. 압축된 키랄 삼각형 격자(1102)는 좌측 키랄 형태만을 도시하지만, 우측 키랄 형태가 거울 반사(회전이 아님)에 의해 얻어진다는 것을 통상의 기술자는 이해할 것임을 주목하여여 한다.

이제, 도 12를 참조하면, 정사각형 격자 및 관련 단위 셀의 파동 전파 형태의 몇몇 실시예가 도시되어 있다. 이러한 파형은 정사각형 격자 노드의 주기적 병진 및 회전에 의해 제공된다.

조직에 대한 임플란트의 국부화와 관련하여, 조직-임플란트 계면에서 조직이 동원(mobilization)(고유 모드) 이전에 겪을 수 있은 파형을 예상함으로써 임플란트의 국부화가 개선될 수 있다는 것을 예기치 않게 발견하였다. 예를 들어, 조직과 같은 매체는 정규 모드 또는 고유 모드에서 휘어질 수도 있다. 표면 패턴의 파형이 이러한 고유 모드 중 하나를 예상하면 조직에 대한 국부화가 개선될 수도 있다. 이러한 방식으로, 임플란트와 조직 사이의 응력은 조직에 상대적인 임플란트 병진에 필요한 전단력을 증가시킬 수도 있다.

다양한 타겟 기질에 부착될 때 초기 재배치성을 나타내는 접착성 물품에 대한 필요성이 확인되었으며, 마이크로구조 이중 패턴의 독립적인 변형 및 선택을 통해 접착성 물품은 적어도 2개의 스케일에서 별개의 효과를 나타낼 수도 있다.

본 개시내용은 또한 접착성 표면 및 전사 코팅을 포함하고, 마이크로구조 표면을 갖는 연속 접착성 층을 보유하는 물품에 관한 것이며, 여기서 마이크로구조 표면은 적어도 2개의 종류의 특징부를 포함할 수도 있다. 또한, 물품은 각 특징부에 대해 약 0.1 내지 약 10 범위의 특징부의 측방향 형상비를 포함할 수도 있고, 적어도 하나의 특징부 치수는 적어도 10 %의 인자만큼 변할 수도 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서 하나는 직경 5 미크론 및 높이 30 미크론이고 다른 세트의 기둥은 적어도 직경 15 미크론 및 적어도 높이 75 미크론인 두 세트의 기둥이 물품의 표면 주위에 배치될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 세트의 기둥은 제2 세트의 기둥의 상부 표면에 배치될 수도 있다. 특징부 치수(높이, 폭 및 직경) 중 적어도 2개는 미시적이어야 한다. 모든 3개의 특징부 치수(높이, 폭 및 직경)는 모두 미시적일 수도 있다. 물품의 이중 기능성은 디바이스의 표면에 걸쳐 하나 이상의 파라미터를 변화시킴으로써 달성될 수도 있으며, 변화는 공간적으로 주기적이거나 통계적 범위 내에 있을 수도 있다. 유사하게, 이중 기능성은 기둥의 밀도 또는 하나의 특징부와 인접한 특징부 사이의 피치를 변경함으로써 달성될 수도 있다.

적어도 하나의 실시예에서 이중 기능 표면은 계층적으로 배열된 상이한 치수의 적어도 2개의 마이크로구조 패턴을 포함할 수도 있으며, 여기서 마이크로구조 패턴 중 적어도 하나가 변조될 수도 있거나 계층적 조합이 변조 양태를 생성한다. 변조 양태는 기본 계층적 구조와는 다른 스케일로 접촉 표면에 영향을 미치는 일반적으로 주기적인, 패턴화된 특징부이다.

몇몇 실시예는 계층적으로 배열된 상이한 치수의 적어도 2개의 마이크로구조 패턴으로 구성된 이중 기능 표면을 포함할 수도 있으며, 여기서 마이크로구조 패턴 중 적어도 하나는 이중 기능이거나 계층적 조합이 이중 기능 양태를 생성한다. 특히, 실시예는 기질 층의 양면이 사인곡선형 양태를 나타낼 수도 있는 방식으로 2차원 패턴이 엠보싱된 기질 층으로 구성될 수도 있다. 더욱이, 사인곡선형 기질 층의 상부에, 10 내지 100개의 균등하게 이격된 실린더로 사인곡선형 패턴의 각각의 완전한 정사각형 사이클을 충전하는 중실 실린더가 엠보싱될 수도 있다. 실린더의 제1 패턴에서 각각의 실린더의 상부에는 더 작은 치수의 1 내지 10개의 중실 실린더가 존재할 수도 있다. 이중 기능 효과는 가상의 편평한 표면에 대해 제1 실린더 배향을 변조함으로써 개시될 수도 있다. 특히, 제1 실린더는 사인곡선형 표면에 수직으로 배향될 수도 있다.

몇몇 실시예는 계층적으로 배열된 상이한 치수의 3개의 마이크로구조 패턴으로 구성된 이중 기능 패턴화 표면을 포함할 수도 있으며, 여기서 마이크로구조 패턴 중 적어도 하나는 이중 기능이거나 계층적 조합이 이중 기능 양태를 생성한다. 특히, 물품은 편평한 기질 층으로 구성될 수도 있다. 편평한 기질 층의 상부에는 균일한 간격의 정사각형 어레이로 중실 실린더가 엠보싱될 수도 있다. 실린더의 제1 패턴에서 각각의 실린더의 상부에는 더 작은 치수의 1 내지 10개의 중실 실린더가 엠보싱될 수도 있다. 제1 실린더는 편평한 기질에 걸쳐 주기적으로 폭이 변할 수도 있다.

몇몇 실시예에서, 이중 기능 접착성 텍스쳐 표면은 계층적으로 배열된 상이한 치수의 3개의 마이크로구조 패턴을 포함할 수도 있으며, 여기서 마이크로구조 패턴 중 적어도 하나는 이중 기능이거나 계층적 조합이 이중 기능 양태를 생성한다. 물품은 편평한 기질 층으로 구성될 수도 있다. 기질 층의 상부에는 균일한 간격의 정사각형 어레이로 중실 기둥이 엠보싱될 수도 있다. 기둥의 제1 패턴에서 각각의 기둥의 상부에는 더 작은 치수의 1 내지 10개의 중실 실린더가 엠보싱될 수도 있다. 제1 기둥의 단면 프로파일은 공간적으로 주기적인 방식으로 원형에서 타원형으로 변할 수도 있다.

몇몇 실시예에서, 이중 기능 접착성 텍스쳐 표면은 계층적으로 배열된 상이한 치수의 3개의 마이크로구조 패턴을 포함할 수도 있으며, 여기서 마이크로구조 패턴 중 적어도 하나는 이중 기능일 수도 있거나 계층적 조합이 이중 기능 양태를 생성할 수도 있다. 특히, 실시예는 높이가 50 내지 500 미크론으로 변하는 사인곡선형 양태를 갖는 기질 층으로 구성될 수도 있다.

더욱이, 기질 층의 상부는 균일한 간격의 정사각형 어레이의 중실 실린더로 엠보싱될 수도 있다. 실린더의 제1 패턴에서 각각의 실린더의 상부에는 더 작은 치수의 1 내지 10개의 중실 실린더가 엠보싱될 수도 있다. 제1 실린더의 높이는 기질에 걸쳐 주기적으로 변할 수도 있다.

본 개시내용의 몇몇 실시예는 마이크로구조 표면을 포함할 수도 있으며, 이중 기능 표면은 계층적으로 배열된 상이한 치수의 3개의 마이크로구조 패턴을 포함할 수도 있다. 마이크로구조 패턴 중 적어도 하나는 이중 기능일 수도 있거나 계층적 조합이 이중 기능 양태를 생성한다. 제1 마이크로구조 패턴은 편평한 기질 층을 포함할 수도 있고, 제2 마이크로구조 패턴은 공간적으로 변화하는 정사각형 어레이의 엠보싱된 제1 중실 기둥과 함께 기질 층의 상부에 배치될 수도 있다. 제3 마이크로구조 패턴은 제2 패턴의 각각의 제1 중실 기둥의 상부에 배치될 수도 있고, 더 작은 치수의 1 내지 10개의 중실 실린더가 엠보싱될 수도 있다. 제1 마이크로구조 패턴은 도 4에 예시되어 있는 바와 같이 오목, 볼록, v-새들 또는 h-새들 분포 중 적어도 하나에 대응하는 간격을 포함할 수도 있는 적어도 하나의 영역에서 제1 기둥의 배열을 포함할 수도 있다.

본 개시내용의 적어도 하나의 실시예는 마이크로구조 특징부의 특정 기하형상을 포함한다. 전형적인 기하학적 특징부는 직사각형, 피라미드, 버섯 형상, 주걱 단부를 갖는 실린더, 후크, 코일, 접시형 등으로 구성될 수도 있다. 계층적 구조는 이전 기하학적 패턴 상부에 하나의 기하학적 패턴을 적층하여 구성할 수도 있다. 예를 들어, 피라미드는 피라미드의 면에서 수직으로 돌출된 중실 실린더를 갖는다. 예를 들어, 압축하에 터널을 형성할 수도 있는 평행 리지 또는 압축하에 더 좁은 개구를 형성할 수도 있는 원형 동심 리지와 같은 변형 가능한 기하형상이 사용될 수도 있다. 육각형 그리드 디스플레이에 배열된 리지는 탁월한 접착성 특성을 나타낼 수도 있다.

몇몇 실시예에서, 중실 실린더 그룹이 피라미드형 구조를 형성할 수도 있도록, 가변적 높이의 중실 실린더의 균일한 정사각형 그리드를 사용하여 계층적 구조가 구성될 수 있음이 이해될 것이다. 이러한 구조 구성에서, 적어도 하나의 특징부는 예를 들어 일정할 수도 있는 간격 및 변하는 배향과 같은 이중 주기성을 가질 수도 있다.

본 개시내용의 몇몇 실시예에서, 이중 기능성과 다른 접착제 기술을 조합하는 것이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 화학적 또는 점성 접착제의 함입이 구현될 수도 있다. 진공을 생성하여 주로 작동하는 흡인 컵의 사용이 모세관 작용 대신 사용될 수도 있다. 섬유 게코(Gecko) 구조와 같은 고체 접착제를 사용할 수도 있다. 이러한 접착제는 통상적으로 나중에 습윤될 수도 있는 타겟 표면 상에 반 데르 발스 힘을 통해 마이크로구조 표면의 고체와 건조한 표면 사이에 접착력을 생성할 수도 있다.

몇몇 실시예에서, 마이크로구조 다기능 표면은 습윤되었을 때 또는 계면활성제나 오일과 같은 소수성 액체의 존재하에 더 접착성을 띌 수도 있다. 표면의 거시적 양태에 대한 웬젤-캐시 국부화 효과와 미시적 특징부에 대한 결합 양태의 조합이 사용될 수도 있다. 임플란트 디바이스를 사용할 때 마이크로 특징부는 유목 세포일 수도 있으며 거시적 양태는 임플란트를 고정하여 세포가 자연적으로 조직화되고 중단 없이 생물학적 구조를 구축하게 할 수 있다. 중단은 섬유증 및 임플란트와 관련된 조직의 기능을 저하시킬 수도 있다. 탈장 메시와 같은 치유 임플란트 디바이스에서 임플란트와 관련된 조직은 탈장 결함을 보강하는 데 도움이 될 수도 있지만 탈장 결함의 진정한 치유를 나타내는 새로운 근육 조직의 성장을 촉진하지는 않을 수도 있다.

웬젤-캐시 계면에는 예를 들어 물과 비누의 혼합 계면이 포함될 수도 있으며, 이는 박리력과 병진력을 모두 증가시킬 수도 있다. 모세관 웬젤-캐시 표면과 타겟 표면 사이의 계면에 윤활제를 추가하면 접착성이 증가할 수도 있다. 더욱이, 거의 모든 수성 환경은 소수성 및 친수성 성분을 모두 포함한다. 예를 들어, 물-오일 에멀젼은 다수의 외부 환경에서 만날 수도 있다. 물-지질 에멀젼은 대부분의 생물학적 환경에서 만날 수도 있다. 높은 습도가 존재하는 피부 대 표면 환경조차도 본 개시내용의 목적상 친수성-소수성 계면으로 고려될 수도 있다.

몇몇 실시예는 음료 용기를 위한 활주 방지 표면, 확실한 파지력이 필요할 수도 있는 붕대 또는 산업 장비와 같은 다양한 피부 접촉 표면을 포함할 수도 있다. 하나의 스케일로 작용하는 웬젤-캐시 마이크로구조 표면과 제1 구조에 겹쳐지지만 다른 스케일의 다른 웬젤-캐시 구조의 조합은 타겟 접촉 표면이 가변적인 환경에서 특히 유용할 수도 있다.

본 개시내용의 실시예는 접촉 마찰력에 의존하지 않는다는 것이 이해될 것이다. 마찰력에는 표면 텍스쳐의 직접적인 기계적 연동이 포함될 수도 있으므로 병진이 발생하려면 하나의 구조가 구조적으로 파괴되어야 한다. 접촉 마찰에 의존하는 디바이스는 일반적으로 피부와 같은 살아있는 표면에 적용될 때 자극적일 수 있으며, 물질 표면에 적용될 때 마모를 유발할 수 있다. 접촉 마찰의 한 가지 부작용은 미립자의 형성이다. 예를 들어, 부착이 필요한 의료 응용에서 미시적 파편의 형성은 디바이스의 고장보다 환자에게 더 유해할 수 있다. 본 개시내용에서, 직접적인 기계적 접촉은 피할 수도 있거나 기껏해야 국부화에서의 2차 효과일 수도 있다. 특히, 접착성을 달성하기 위해 큰 수직력을 인가하는 것을 피할 수도 있다. 이러한 수직력이 비기계적으로 연동되는 고정 상태를 초래하는 경우 대부분의 응용에서 일시적인 최소 수직력이 허용될 수도 있다. 그러나, 다기능 표면이 사용되는 경우, 하나의 표면 텍스쳐 양태는 다른 표면 텍스쳐 양태보다 더 큰 마찰 성분을 가질 수도 있다. 마찰은 생물학적 응용에서 선호되지 않을 수도 있지만 마찰 양태는 일부 산업 및 환경 응용에서 본 명세서에 개시된 교시와 조합하여 유용하게 사용될 수도 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예는 계층적 기둥 배열(기둥 상부의 기둥)을 포함할 수도 있으며 기둥 사이의 간격은 특히 넓게 100 내지 1000 미크론으로 형성될 수도 있으며 기둥의 높이는 50 내지 200 미크론의 범위에 걸쳐 변할 수도 있다. 각 기둥-상부-기둥(pillar-on-pillar) 구조에서 달성되는 웬젤-캐시 구역에 영향을 주지 않고 기둥 높이를 변경하여 상당한 마찰 양태를 달성할 수도 있다.

통상의 기술자에 의해 인식될 본 개시내용의 양태는 타겟 표면에 대한 적응성에 관한 것이다. 몇몇 실시예에서, 계면이 수직력에 저항하는 것이 바람직할 수도 있지만 이를 방지하는 것은 아니다. 예를 들어, 음료 용기에 손가락이 접촉하는 경우 점착성 느낌이나 찰과상을 원치 않을 수도 있다. 점착성 느낌은 표면 계면이 끊어진 후에도 지속되는 화학적 부착으로 인한 것일 수도 있다. 본 개시내용내용에서는 특히 점착성을 피할 수도 있다. 고정화와 동원 사이에 명확한 묘사가 있을 수도 있으며 동시에 동원을 달성하기 위한 임계값이 개선될 수도 있음이 이해될 것이다. 반면에, 점착성의 다른 양태는 즉각적인 최대 접착력일 수도 있다. 기계적 병진에서, 과도한 접착 양상으로 인해 유체 운동이 방해를 받을 때 점착성은 유해할 수도 있다. 본 개시내용의 양태는 접착성이 시간이 지남에 따라 증가하고, 이 지연 기간이 조절 가능할 수도 있다는 것이다. 그러나, 일반적으로 접착성이 모세관 작용의 경우와 같이 유체 수송에 의존하는 경우 일반적으로 점착성 느낌을 피할 수도 있다.

몇몇 실시예에서 표면은 배치후 타겟 표면에 해를 끼치지 않고 재배치될 필요가 있다. 접착성은 마이크로구조 표면 타겟 표면 계면에서 분자 성분의 질서화에 기초하여 시간이 지남에 따라 형성되는 효과일 수도 있다. 예를 들어, 본 개시내용의 표면, 특히 탄성중합성일 수도 있는 이들 표면은 타겟 표면에 대해 그 표면을 배열하는 경향이 있을 수도 있기 때문에 부가의 이점이 있을 수도 있다. 불규칙적 표면과의 인터페이싱은, 이들이 최초 접촉하는 경우마다 고착하는, 점성-접착성 표면에서는 거의 경험하지 못하는, 이 조절 효과를 요구할 수도 있다. 그 계면이 국부 응력, 주름 또는 절첩부를 야기하지 않는 방식으로 다른 표면에 접착하는 표면에서 상당한 장점이 존재할 수도 있다. 따라서, 기질 재료의 모듈러스가 충분히 낮다면 계층적 구조의 높이를 변조하면 마찰 효과를 낮출 수도 있어 텍스쳐 표면과 타겟 표면 사이의 균일한 접촉을 보장할 수 있을 것이다.

몇몇 영역에서, 전단 병진이 방지될 수도 있고, 다른 영역에서 박리 병진이 방지될 수도 있으며, 또 다른 영역에서는 양 효과의 모두가 요구될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 일부 영역에서는 전단 병진이 최소 힘으로 촉진될 수도 있고, 또 다른 영역에서는 박리력이 최소화될 수도 있는 것이 바람직할 수도 있다. 초소수성 표면의 적용은 다른 표면의 반발에서 잘 알려져 있다. 이러한 표면 패턴은 또한 최소한의 박리력을 가질 수도 있다. 끌어 당기기보다는 반발하는 것을 의미하는 이러한 다른 부류의 마이크로구조 표면 중 임의의 것이 본 개시내용의 표면과 양립할 수도 있다. 본 명세서에 설명된 효과를 포함하여 대부분의 효과가 패턴 구조에 국부적으로 의존할 수도 있다는 것은 마이크로구조 패턴화의 유리한 특징이다. 따라서, 일 실시예에서 반발 및 접착 효과를 모두 달성하기 위해 보다 전통적인 초소수성 표면과 함께 모세관 웬젤-캐시 표면을 포함하는 것은 본 개시내용의 범위 내에 있다. 이러한 구조는 용액으로부터의 미립자의 여과, 용액으로부터의 화학적 오염물의 여과 및/또는 살아있는 구조 또는 화학적 구조와 같은 유익한 개체의 부착을 촉진하는 데 유용할 수도 있다.

몇몇 실시예에서, 마이크로구조 소수성-친수성 표면은 국부화 계면을 최소화하는 직접 접촉을 설정할 수도 있는 전기, 분자 및 극성 질서의 구역을 생성하기 위해, 여기서 다기능 계층적이라 지칭되는, 스케일과 위치 모두로 배열될 수도 있다. 이러한 표면은 마이크로텍스쳐 표면과 타겟 표면에 부착된 계면 액체 사이에 배제 구역을 생성할 수도 있다. 본 개시내용의 마이크로구조 표면은 시스템 전체에서 엔트로피를 증가시킴으로써 계면 구역의 엔트로피를 감소시키는 것이 달성될 수도 있다는 의미에서 국부적으로 반-엔트로피적일 수도 있다. 이러한 상호 작용은 전체 시스템이 덜 무질서하더라도 2개의 표면 사이의 접착이 증가된 질서에 의해 증가될 수 있기 때문에 종래 기술에서는 간과되었다. 질서의 국부화는 본 개시내용의 특징을 제공하는 많은 특징 중 하나일 수도 있다. 모세관 효과와 유사하게, 물에서 용질을 배제하는 것은 근본적으로 육각형일 수도 있는 물 내의 구조를 촉진함으로써 달성될 수도 있다. 따라서, 마이크로구조 표면은 물의 구조화에 의해 비-물 성분을 배제하고 친수성-소수성 분리를 촉진할 수도 있는 물의 육각형 질서화를 촉진할 수도 있다. 이는 물을 구조화하고 이러한 구조의 중단을 최소화하는 표면을 초래할 수도 있다. 표면 텍스쳐는 물 독점 구역 효과의 매개체로 고려될 수도 있다. 이 효과는 웬젤-캐시 구조에 필요하지 않을 수도 있지만 독점 구역 효과는 엔트로피 그라운드에서 웬젤-캐시 구조의 안정성을 극적으로 증가시킬 수도 있다.

본 발명의 몇몇 실시예는 계층적으로 배열된 상이한 치수의 적어도 2개의 마이크로구조 패턴으로 구성된 다기능 마이크로구조 표면을 포함할 수도 있으며, 여기서 효과 중 적어도 하나는 마이크로구조 패턴 및 계층적 배열에 기인할 수도 있다. 마이크로구조 패턴의 효과 중 적어도 하나는 일부 치수 또는 기하형상을 따른 계층적 패턴의 변조로 인한 것일 수도 있다.

본 발명의 몇몇 실시예는 계층적으로 배열된 상이한 치수의 3개의 마이크로구조 패턴을 포함하는 다기능 마이크로구조 표면을 포함할 수도 있으며, 여기서 마이크로구조 패턴 중 적어도 하나는 주기적으로 변경될 수도 있거나 전체로서의 계층적 배열이 주기적으로 변경될 수도 있다. 특히, 몇몇 실시예는 기질 층의 양면이 사인곡선형 양태를 나타낼 수도 있는 방식으로 2차원 패턴이 엠보싱된 기질 층으로 구성될 수 있다. 더욱이, 사인곡선형 기질 층의 상부에는 10 내지 100개의 균등하게 이격된 실린더로 사인곡선형 패턴의 각각의 완전한 정사각형 사이클을 충전하는 중실 실린더가 엠보싱될 수도 있다. 실린더의 제1 패턴에서 각각의 실린더의 상부에는 더 작은 치수의 1 내지 10개의 중실 실린더가 엠보싱될 수도 있다. 기둥의 제1 및 제2 층은 배제 구역 및 마이크로구조화 물 상태를 생성할 수도 있다. 다기능 효과는 적어도 하나의 차원 또는 기하학적 양태에서 마이크로구조 표면을 변조함으로써 달성될 수도 있다. 예를 들어, 기둥은 원형 단면에서 직사각형 단면까지 표면 전체에 걸쳐 다양할 수 있다.

몇몇 실시예는 계층적으로 배열된 상이한 치수의 3개의 마이크로구조 패턴을 포함할 수도 있는 다기능 마이크로구조 접착 표면을 포함할 수도 있으며, 여기서 마이크로구조 패턴 중 적어도 하나는 흡인성일 수도 있거나 계층적 조합이 흡인 양태를 생성할 수도 있다. 실시예는 편평한 기질 층으로 구성될 수도 있다. 기질 층의 상부에는 균일한 간격의 정사각형 어레이로 중실 실린더가 엠보싱될 수도 있다. 실린더의 제1 패턴에서 각각의 실린더의 상부에는 더 작은 치수의 1 내지 10개의 중실 실린더가 엠보싱될 수도 있다. 기둥의 제1 층 사이의 틈새 영역은, 기질 층을 통해 드릴링 또는 단지 부분적으로 기질 층을 통해 드릴링될 수도 있는 드릴링된 원통형 구멍을 포함할 수도 있다. 이러한 구멍의 직경은 2차원에서 패턴 표면에 걸쳐 사인곡선형으로 변할 수도 있다. 모세관 효과는 임의의 인가된 압력 없이 타겟 표면의 유체 층 위에 마이크로구조 표면을 배치함으로써 개시될 수도 있다.

제1 계층적 실린더는 물이 드릴링된 구멍을 포함하는 네거티브 특징부와 접촉하게 하도록 충분히 물을 타겟 표면으로부터 이격하여 끌어당길 수도 있다. 드릴링된 구멍은 그 다음 제2 모세관 효과를 적용할 수도 있는데, 이는 마이크로구조 층을 타겟 표면과 밀접한 접촉으로 끌어당길 수도 있다.

몇몇 실시예는 계층적으로 배열된 상이한 치수의 3개의 마이크로구조 패턴을 포함할 수도 있는 다기능 마이크로구조 표면을 포함할 수도 있으며, 여기서 마이크로구조 패턴 중 적어도 하나는 등거리 간격으로 배열된 일련의 리지이다. 특히, 실시예는 편평한 기질 층을 포함할 수도 있다.

더욱이, 기질 층의 상부에는 균일하게 이격된 어레이로 중실 리지가 엠보싱될 수도 있다. 리지의 제1 패턴에서 각각의 리지의 상부에는 더 작은 치수의 중실 실린더가 엠보싱될 수도 있다. 리지의 제1 층 사이의 틈새 영역에 제2 중실 실린더가 있을 수도 있다. 제1 리지 패턴은 균등하게 이격된 사인곡선형을 그리는 곡선일 수도 있다.

몇몇 실시예는 계층적으로 배열된 상이한 치수의 마이크로구조 패턴으로 구성된 다기능 마이크로구조 표면을 포함할 수도 있으며, 여기서 마이크로구조 패턴 중 적어도 하나는 스트레스 패턴(stressed pattern)일 수도 있다. 특히, 스트레스 패턴은 키랄 스트레스 패턴일 수도 있다.

이제, 도 13을 참조하면, 마이크로구조 표면(1300)은 적어도 2개의 종류의 마이크로구조 특징부를 포함한다. 특징부의 측방향 형상비는 각 특징부에 대해 약 0.1 내지 약 10 범위일 수도 있으며, 적어도 하나의 특징부 치수는 적어도 10 %만큼 변할 수도 있다. 마이크로구조 표면(1300)은 두 세트의 기둥(1302 및 1304)을 포함할 수도 있다. 기둥(1302)은 직경이 5 미크론이고 높이가 30 미크론일 수도 있고 기둥(1304)은 직경이 적어도 15 미크론이고 높이가 적어도 75 미크론일 수도 있다. 제1 세트의 기둥(1302)은 제2 세트의 기둥(1304)의 상부 표면(1306) 상에 배치될 수도 있다. 특징부 치수(높이(1308), 폭(1310), 길이(1312), 배향(1314)) 중 적어도 2개는 미시적이어야한다. 모든 3개의 특징부 치수(높이, 폭, 길이)가 미시적일 수도 있다. 이중 기능성은 디바이스(1300)의 표면(1316)에 걸쳐 하나 이상의 파라미터를 변경함으로써 달성될 수도 있다. 변동은 공간적으로 주기적이거나 통계적 범위 내에 있을 수도 있다. 변조 양태는 기본 계층적 구조와는 다른 스케일로 접촉 표면에 영향을 미치는 일반적으로 주기적인, 패턴화된 특징부이다.

도 14를 참조하면, 이중 기능 표면(1400)은 계층적으로 배열된 상이한 치수의 적어도 2개의 마이크로구조 패턴을 포함할 수도 있으며, 여기서 마이크로구조 패턴 중 적어도 하나는 이중 기능일 수도 있거나 계층적 조합이 이중 기능 양태를 생성한다. 특히, 몇몇 실시예는 기질 층(1402)의 양면이 사인 곡선형 양태를 나타낼 수도 있는 방식으로 2차원 패턴(1404)이 엠보싱된 기질 층(1402)을 포함할 수도 있다.

더욱이, 사인곡선형 기질 층(1404)의 상부에는 10 내지 100개의 균등하게 이격된 실린더로 사인곡선형 패턴(1404)의 각각의 완전한 정사각형 사이클(1408)을 충전하는 중실 실린더(1406)가 엠보싱될 수도 있다. 실린더의 제1 패턴에서 각각의 실린더(1406)의 상부에는 더 작은 치수의 1 내지 10개의 중실 실린더(1410)가 엠보싱될 수도 있다. 이중 기능 효과는 가상의 편평한 표면(1416)에 대해 제1 실린더 배향(1414)을 변조함으로써 개시될 수도 있다. 특히, 제1 실린더는 사인곡선형 표면에 수직으로 배향될 수도 있다.

도 15를 참조하면, 이중 기능 패턴화 표면(1500)은 계층적으로 배열된 상이한 치수의 3개의 마이크로구조 패턴을 포함할 수도 있으며, 여기서 마이크로구조 패턴 중 적어도 하나는 이중 기능이거나 계층적 조합이 이중 기능 양태를 생성한다. 특히, 몇몇 실시예는 계단형 편평한 기질 층(1502)을 포함할 수도 있다. 더욱이, 기질 층(1502)의 상부에는 균일하게 이격된 정사각형 어레이로 중실 실린더(1504)가 엠보싱될 수도 있다. 실린더의 제1 패턴에서 각각의 실린더(1504)의 상부에는 더 작은 치수의 1 내지 10개의 중실 실린더(1506)가 엠보싱될 수도 있다. 제1 실린더(1504)는 편평한 기질에 걸쳐 주기적으로 폭(1508)이 변할 수도 있다.

도 16을 참조하면, 이중 기능 표면(1600)은 계층적으로 배열된 상이한 치수의 3개의 마이크로구조 패턴을 포함할 수도 있으며, 여기서 마이크로구조 패턴 중 적어도 하나는 이중 기능이거나 계층적 조합이 이중 기능 양태를 생성한다. 특히, 몇몇 실시예는 편평한 기질 층(1602)을 포함할 수도 있다. 더욱이, 기질 층(1602)의 상부에는 공간적으로 변화하는 정사각형 어레이(1606)로 중실 기둥(1604)이 엠보싱될 수도 있다. 기둥의 제1 패턴에서 각각의 기둥(1604)의 상부에는 더 작은 치수의 1 내지 10개의 중실 실린더(1608)가 엠보싱될 수도 있다. 제1 기둥(1604)의 단면 프로파일은 도 3에 예시되어 있는 바와 같이 공간적으로 주기적인 방식으로 원형(1610)에서 타원형(1612)으로 변할 수도 있다.

마이크로구조 표면을 포함하는 디바이스는, 하나의 양태에서, 마이크로구조 표면은 이중 기능 텍스쳐 특징부로 계층적으로 배열된다. 표면은 마이크로구조 특징부의 파라미터를 변경하여 접착성 특성을 달성할 수도 있다. 추가로, 표면은 동일한 파라미터를 변경함으로써 세포 및/또는 조직 내부 성장 기능성을 달성할 수도 있다. 일반적으로, 이중 기능 양태는 적어도 하나의 다른 표면 특징부에 부과될 수도 있는 다양한 주기성을 갖는 적어도 하나의 표면 특징부를 포함한다.

전술된 이들 실시예는 통상의 기술자가 본 발명을 이해, 구성 및 사용하는 것을 가능하게 하도록 본 발명을 명시하기 위해 제공된다. 그러나, 이는 본 발명의 범주를 한정하도록 의도된 것은 아니고, 본 발명의 사상에 따른 임의의 등가의 수정 및 변형이 또한 본 발명의 범주 내에 포함되어야 한다.

따라서, 신규하고 유용한 마이크로구조화 텍스쳐 디바이스의 본 발명의 특정 실시예가 설명되었지만, 이러한 참조는 이하의 청구범위에 설명된 것을 제외하고는 본 발명의 범주에 대한 제한으로서 해석되는 것으로 의도되지 않는다.

Claims

마이크로구조 표면이며,
복수의 마이크로구조 특징부를 포함하는 제1 계층적 마이크로구조를 적어도 포함하는 기질을 포함하고, 복수의 마이크로구조 특징부는 기질에 걸쳐 공간 주기성이 점진적으로 변하는 하나 이상의 파라미터를 포함하는, 마이크로구조 표면.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 파라미터는 높이, 폭, 직경, 형상 및 피치 그리고 그 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 마이크로구조 표면.
제1항에 있어서, 복수의 마이크로구조 특징부는 적어도 제1 세트의 마이크로구조 특징부 및 제2 세트의 마이크로구조 특징부를 포함하고, 적어도 제1 세트의 마이크로구조 특징부는 기질 주위에 배치되고, 적어도 제2 세트의 마이크로구조 특징부는 적어도 제1 세트의 마이크로구조 특징부보다 작으며, 적어도 제1 세트의 마이크로구조 특징부 상에 배치되는, 마이크로구조 표면.
제3항에 있어서, 기질은 편평하고, 적어도 제1 세트의 마이크로구조 특징부는 균일하게 이격된 정사각형 어레이로 편평한 기질 주위에 배치되는, 마이크로구조 표면.
제3항에 있어서, 기질은 50 내지 500 미크론의 높이를 가진 사인곡선형 패턴을 나타내도록 구성되는, 마이크로구조 표면.
제3항에 있어서, 제1 및 제2 세트의 마이크로구조 특징부 중 적어도 하나는 기질에 걸쳐 주기적으로 변하는 폭을 포함하는, 마이크로구조 표면.
제3항에 있어서, 제1 및 제2 세트의 마이크로구조 특징부 중 적어도 하나는 기질에 걸쳐 원형에서 타원형으로 주기적으로 변하는 단면 프로파일을 포함하는, 마이크로구조 표면.
제3항에 있어서, 제1 및 제2 세트의 마이크로구조 특징부 중 적어도 하나는 기질에 걸쳐 주기적으로 변하는 높이를 포함하는, 마이크로구조 표면.
제8항에 있어서, 적어도 제1 마이크로구조 특징부의 주기적으로 변하는 높이는 피라미드형 구조를 생성하도록 구성되는, 마이크로구조 표면.
제3항에 있어서, 제1 및 제2 세트의 마이크로구조 특징부 중 적어도 하나는 기질에 걸쳐 주기적으로 변화하는 피치를 포함하는, 마이크로구조 표면.
제10항에 있어서, 적어도 제1 마이크로구조 특징부의 주기적으로 변화하는 피치는 오목, 볼록, v-새들 및 h-새들, 그리고 그 조합을 포함하는 목록으로부터 선택된 구조를 생성하도록 구성되는, 마이크로구조 표면.
마이크로구조 표면이며,
복수의 마이크로구조 특징부를 포함하는 제1 계층적 마이크로구조를 적어도 포함하고, 복수의 마이크로구조 특징부는 공간 주기성이 변하고 웬젤 표면 또는 캐시 표면 또는 조합 웬젤-캐시 표면 중 적어도 하나를 생성하도록 구성된 하나 이상의 파라미터를 포함하는, 마이크로구조 표면.
제12항에 있어서, 상기 하나 이상의 파라미터는 높이, 폭, 직경, 형상 및 피치 그리고 그 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 마이크로구조 표면.
제12항에 있어서, 복수의 마이크로구조 특징부는 적어도 제1 세트의 마이크로구조 특징부 및 제2 세트의 마이크로구조 특징부를 포함하고, 적어도 제1 세트의 마이크로구조 특징부는 기질 주위에 배치되고, 적어도 제2 세트의 마이크로구조 특징부는 적어도 제1 세트의 마이크로구조 특징부보다 작으며, 적어도 제1 세트의 마이크로구조 특징부 상에 배치되는, 마이크로구조 표면.
제14항에 있어서, 기질은 편평하고, 적어도 제1 세트의 마이크로구조 특징부는 균일하게 이격된 정사각형 어레이로 편평한 기질 주위에 배치되는, 마이크로구조 표면.
제14항에 있어서, 기질은 50 내지 500 미크론의 높이를 가진 사인곡선형 패턴을 나타내도록 구성되는, 마이크로구조 표면.
제14항에 있어서, 적어도 제1 및 제2 세트의 마이크로구조 특징부는 물의 체적으로부터 용질을 배제하는 영역을 생성하도록 구성되는, 마이크로구조 표면.
제14항에 있어서, 제1 및 제2 세트의 마이크로구조 특징부 중 적어도 하나는 기질에 걸쳐 원형에서 직사각형으로 주기적으로 변하는 단면 프로파일을 포함하는, 마이크로구조 표면.
제15항에 있어서, 적어도 제1 세트의 마이크로구조 특징부의 제1 및 제2 특징부 사이에서 기질에 구멍이 배치되고, 구멍은 모세관 효과를 생성하도록 구성되는, 마이크로구조 표면.
제14항에 있어서, 기질은 편평한 표면을 포함하고, 적어도 제1 세트의 마이크로구조 특징부는 균일하게 이격된 어레이의 리지를 포함하고, 적어도 제2 세트의 마이크로구조 특징부는 리지의 상부 부분 주위에 배치된 복수의 실린더를 포함하며, 제2 복수의 실린더를 포함하는 복수의 실린더 사이의 틈새 영역 주위에 배치된 제3 세트의 마이크로구조 특징부를 더 포함하는, 마이크로구조 표면.