TW202038873A - 多功能織構化裝置 - Google Patents

Abstract

一種包括微結構化表面的裝置，其中於一方面，微結構化表面層次化排列了雙功能化的織構化特徵。表面可以藉由變化微結構特徵的參數而達成黏著度質。附帶而言，表面可以藉由變化相同的參數而達成細胞和∕或組織向內生長的功能性。一般而言，雙功能方面包括具有變化週期性的至少一表面特徵，其可以施加在至少一其他表面特徵上。

Description

多功能織構化裝置

本發明大致關於微結構化裝置，其展現多功能性。

更特別而言，本發明關於裝置，其所具有的表面具有微結構化圖案，而可以基於微結構特徵的空間週期性來展現至少雙功能性。

植入物表面的溼潤性可以扮演重要角色，不僅關於蛋白質吸附，也關於細胞附接和散布。植入物的這些物化性質可以透過以下而影響靠近植入物的細胞行為：(1)對蛋白質吸附的效應、更非可溼潤的(低表面能、較高疏水性)表面、減少材料表面上的蛋白質量、蛋白質分子之間的黏著強度也可以減少；以及(2)吸附蛋白質之保形性的更動可以源自接觸材料表面之分子拓樸的差異。保形性改變可以導致與細胞受體交互作用的配位基位置表現上有所差異。

乾淨表面時常可以具有高表面自由能，而汙染表面時常可以具有較低表面能。當表面不乾淨時，表面就可以由蛋白質和胺基酸所修飾。表面上存在膜則最有可能避免植入物整合發生在活體中的植入物-組織介面。即使意謂要清潔表面的程序也可以汙染表面。

植入物表面以高壓蒸氣鍋所做的殺菌引起表面更改和污染。這也可以導致減少纖維細胞在體外附接和散布。然而，若表面具有高表面能，則由於表面汙染物之離子化或熱殺菌所造成的污染可以被洗掉。舉例而言，在胺醇中潤洗的高表面能織構可以藉由在檸檬酸中潤洗再以生理食鹽水潤洗而殺菌之後去除汙染。平坦的疏水性表面(聚丙烯)在高壓蒸氣殺菌或伽瑪殺菌之後明白地汙損了胺功能性。以評估殺菌後毒性的幕前標準來看，此種表面不會登記為致熱的。

上皮細胞和纖維細胞對於細胞外基質的黏著性蛋白質具有不同的親和性。已知在體外，雖纖連蛋白披覆可以提升纖維細胞對平滑的電漿活化之植入物表面的附接二到三倍，但可以不促進上皮細胞附接。相對而言，以層黏蛋白(laminin-1，上皮細胞基底隔膜的成分)來披覆表面則導致上皮細胞黏結增進三到四倍，但對纖維細胞附接較無效果。因此，植入物的表面一般而言可以在促進或限制附著於表面或植入物上扮演關鍵角色。

植入物表面的表面形貌可以使用共焦雷射掃描輪廓儀來評估。表面形貌的生物功能性就形式、波動度、粗糙度來界定，而波動度和粗糙度時常在「織構」(texture)一詞下一起提出。形式乃關於最大結構(輪廓)，而粗糙度描述表面中最小的不規則性。

先前技術的一個問題在於基於(統計界定的)平均來使用參數，其以顯著不同分布的特徵尺寸來分開表面。這些基於平均的參數可以在每個層次化層級都不正確地產出表面粗糙度之類似的平均值。再者，若也出現大很多的特徵，則對於給定應用效能可以是重要之細微的粗糙度特徵可以不顯著貢獻於所計算的整體粗糙度數值。

因此，需要一種植入物表面織構，其生成立即的溫佐-卡西(Wenzel-Cassie)黏著，其使植入物不動，並且具有促進植入物與周圍組織健康整合的表面織構。

於一實施例，微結構化表面可以包括基板，其具有至少第一層次化微結構。微結構可以包括複數個微結構特徵，其可以包括一或更多個參數，參數跨越基板而在空間週期性做漸進變化。

於一實施例，微結構化表面可以包括一或更多個參數，其選自包括高度、寬度、直徑、形狀、節距及其組合的群組。

於一實施例，微結構化表面可以進一步包括複數個微結構特徵，其具有至少第一組微結構特徵和第二組微結構特徵。至少第一組微結構特徵可以配置遍布於基板，並且至少第二組微結構特徵可以小於至少第一組微結構特徵以及可以配置在至少第一組微結構特徵上。

於一實施例，微結構化表面可以包括平坦的基板，並且至少第一組微結構特徵可以配置遍布於平坦的基板而成均勻隔開的方形陣列。

於一實施例，微結構化表面可以包括基板，其建構成展現正弦圖案而高度在50到500微米之間。

於一實施例，微結構化表面可以包括第一和第二組微結構特徵中的至少一者，其具有跨越基板而週期性變化的寬度。

於一實施例，微結構化表面可以包括第一和第二組微結構特徵中的至少一者，其具有跨越基板而從圓形週期性變化到橢圓形的截面輪廓。

於一實施例，微結構化表面可以包括第一和第二組微結構特徵中的至少一者，其具有跨越基板而週期性變化的高度。

於一實施例，微結構化表面可以包括至少第一微結構特徵的週期性變化高度，其可以建構成產生角錐形結構。

於一實施例，微結構化表面可以包括第一和第二組微結構特徵中的至少一者，其具有跨越基板而週期性變化的節距。

於某些實施例，微結構化表面可以包括至少第一微結構特徵的週期性變化節距，其建構成產生選自包括以下之清單的結構：下凹、上凸、v形鞍、h形鞍及其組合。

於一實施例，微結構化表面可以包括表面，其包括至少第一層次化微結構，微結構包括複數個微結構特徵。複數個微結構特徵可以包括一或更多個參數，其在空間週期性做變化，並且建構成產生溫佐表面、卡西表面、或溫佐-卡西組合表面中的至少一者。

於一實施例，微結構化表面可以包括一或更多個參數，其可以選自包括高度、寬度、直徑、形狀、節距及其組合的群組。

於一實施例，微結構化表面可以包括複數個微結構特徵，其包括至少第一組微結構特徵和第二組微結構特徵。至少第一組微結構特徵可以配置遍布於基板，至少第二組微結構特徵可以小於至少第一組微結構特徵並且可以配置在至少第一組微結構特徵上。

於一實施例，微結構化表面可以包括平坦的基板，並且至少第一組微結構特徵可以配置遍布於平坦的基板而成均勻隔開的方形陣列。

於一實施例，微結構化表面可以包括基板，其建構成展現正弦圖案而高度在50到500微米之間。

於一實施例，微結構化表面可以包括至少第一和第二組微結構特徵，其建構成產生從水體積排除溶質的區域。

於一實施例，微結構化表面可以包括第一和第二組微結構特徵中的至少一者，其具有跨越基板而從圓形週期性變化到矩形的截面輪廓。

於一實施例，微結構化表面可以包括孔，其配置於基板中而在至少第一組微結構特徵的第一和第二特徵之間，該孔建構成產生毛細管效應。

於一實施例，微結構化表面可以包括基板，其具有平坦的表面。至少第一組微結構特徵可以包括隆脊而成均勻隔開的陣列，至少第二組微結構特徵可以包括配置遍布於隆脊之頂部的複數個圓柱體，並且進一步可以包括第三組微結構特徵，其配置遍布於複數個圓柱體之間的間隙區域而包括第二複數個圓柱體。

為了讓本發明的目的、技術內容、特徵和成就能更容易被理解，與以下所附圖式合作來詳述本發明的實施例。

以下詳細敘述和所附圖式描述和示範了本揭示之多樣的範例性實施例。敘述和圖式用於使熟於此技術者能製作和使用本發明。本揭示雖描述了多樣的實施例，但熟於此技術者將體認可以在形式和細節上做出改變，而不偏離本發明的精神和範圍。如此，則以下詳細敘述意欲視為示例性而非限制性，並且是所附請求項(包括其所有等同者)意欲界定本發明的範圍。

於本案，「包括」、「含括」、「具有」、「擁有」、「包含」及其變化等詞意欲為開放端的過渡性詞彙、用語或字，其不排除有額外動作或結構的可能性。

如在此所用，「微觀的」(microscopic)一詞是指夠小尺度的特徵，以致當裸眼從任何觀看平面來看以決定其形狀時需光學輔助器。一種準則可見於W.J. Smith所著的現代光學工程 (McGraw-Hill出版，1966年，第104~105頁)，藉此視敏度「…是以可以認出之最小特徵的角度尺寸所定義和測量。」當可認出之最小字母在視網膜上對應出5分弧度的角高度時視為正常的視敏度。在250毫米(10英吋)的典型工作距離，這為此目的而產生0.36毫米(0.0145英吋)的側向尺度。

如在此所用，「微結構」(microstructure)一詞意謂特徵的架構，其中特徵的至少2尺度是微觀的。特徵的局部圖和/或截面圖必須是微觀的。壓敏性黏著物品的功能嚴重取決於微結構的形式，其可以由正和負特徵所構成。

如在此所用，「微結構特徵」(microstructure feature)一詞意謂從表面突出而有特定尺寸範圍的單獨特徵或一組特徵。舉例而言，微結構特徵可以包括半徑10~20微米且高度30~40微米的單一柱或一組柱，其與半徑80~100微米且高度80~125微米之另一尺度的柱特徵有所區別。一般而言，微結構特徵的體積差到10或更多倍。微結構特徵的空間週期性發生在基板表面的一區或一部分上。空間週期性跨越表面而逐漸或漸進地發生，並且可以發生在所有三個維度，各維度單獨或同時發生。

如在此所用，「正特徵」(positive feature)一詞意謂從微結構化模製工具、微結構化襯墊、微結構化背墊或微結構化感壓黏著層突出的特徵。

如在此所用，「負特徵」(negative feature)一詞意謂突入微結構化模製工具、微結構化襯墊、微結構化背墊或微結構化感壓黏著層中的特徵。

如在此所用，「抽吸方面」(suctional aspect)一詞是能夠產生毛細管上升的負特徵。

如在此所用，「可浮雕的」(embossable)一詞是指基板層能使其部分表面於浮雕中上升並且表面的其他部分於浮雕中下降的能力，特別是藉由機械手段來為之。

如在此所用，「基板層」(substrate layer)一詞是指例如熱塑性塑膠或聚合物的一片物質，其可以藉由浮雕、模製、印刷、鑄造而接收微結構，而微結構在此變成整合於基板層。

如在此所用，「溼潤」(wetting)一詞意謂使流體散布於表面上並且接觸表面。親水性表面上的水性流體是溼潤的。

如在此所用，「去溼潤」(dewetting)一詞意謂流體從接觸表面縮回。疏水性表面上的水性流體是去溼潤的。

如在此所用，「可再定位的黏著劑」(repositionable adhesive)一詞是指黏著性微結構化表面在施加於特定目標基板上時可以移除，而不對基板造成損傷、不在基板上留下殘餘物、不在剝除力的範圍上對背墊或襯墊造成損傷。

如在此所用，「多功能微結構」(multi-functional microstructure)一詞是指當表面接觸目標表面時在微結構化表面上發展的液態、固態、氣態領域。這些領域降低在微結構化表面和目標表面之間介面的這二表面之表面能。介面藉由形成較低能量介面而呈黏著性，其須供應能量至介面以便分開二表面。負責領域形成的物理力包括凡得瓦(van der Waals)力、源自與零點場之量子交互作用的卡西米爾(Casimir)力、分子之間的力、倫敦(London)分散力、德拜(Debye)力、凱索姆(Keesom)力、氫鍵結。黏著性微結構不是指施加到表面而使之抓住目標表面的任何化學反應性物質。

如在此所用，「永久可再定位的多功能微結構化表面」(permanently repositionable multi-functional microstructured surface)一詞是指可再定位的微結構化表面，其對於給定之目標基板的黏著強度隨著時間在應用條件下大致不改變。

如在此所用，「暫時可再定位的多功能微結構化表面」(temporarily repositionable multi-functional microstructured surface)一詞是指可再定位的微結構化表面，其隨著時間、壓力或溫度而建立黏著。這現象有時稱為「抽吸效應」(suction effect)，其中微結構化黏著劑和目標表面之間的介面漸進地變薄並且增加解離能。

如在此所用，「解離能」(energy of dissociation)一詞是指微結構和目標表面在介面分開和結合之表面能的差異。解離能是黏著度的定量測量。

如在此所用，「目標基板」(target substrate)一詞是指為了意欲目的而施加感壓微結構化黏著劑的表面。

如在此所用，「排除區」(exclusion zone)一詞是指表面和水之間的區域，其中由於表面親水性的緣故，此因為表面織構或化學特徵，所以水熱力學地排除了離子和不是水的分子。

如在此所用，「結構化水」(structured water)一詞是指水的狀態，其中溶液中的水分子採取過渡性六角形式，其由水和固體表面之間的表面能和化學所強化和持續。

如在此所用，「毛細管作用」(capillary action，有時稱為毛細管性、毛細管運動、毛細管上升、毛細管效應或燈芯現象)一詞是液體能於窄空間中流動而無像是重力的外力輔助(甚至與之相抗)的能力。此效應可以見於畫筆毛之間、薄管中、多孔性材料中(例如紙和石膏)、某些非多孔性材料中(例如沙和液化碳纖維)、或於細胞中的液體拉起。它的發生是因為在液體和周圍固體表面之間的分子之間的力。若管子直徑夠小，則液體和容器壁之間的表面張力和黏著力的組合作用而推動液體。

如在此所用，「節距」(pitch)一詞是指在特殊方向上的二微結構之間的中心到中心距離。若未指定方向，則節距假設在至少二正交方向上是相等的。

如在此所用，「摩擦」(friction)一詞是指一表面織構在另一者上的習用交互作用，其中抑制了表面之間的變形、直接實體接觸、對跨越非平坦表面之平移的阻力。這些是結構在結構上的直接衝突，其中一表面上的結構是與避免平移之另一表面的固體對固體交互作用。將摩擦效應教導成黏著功能性者並未教導本案的目的。

本揭示討論二維非滑動的植入物/組織表面與組織鷹架的三維需求之間的二維介面(沉浸於三維中)平衡。雙功能方面模仿單獨細胞所生活的真實三維世界。鑽縫而行的細胞沿著平坦的結構來行進，該結構模仿摺疊、彎曲或伸展的表面。這三維方面乃呈現給在二維表面上的細胞。

基板的表面可以由正弦格柵或圓點的總和所組成，並且可以設計成表面立體影像所呈現的指向和頻率資訊之間的差異化。下凹、上凸、鞍形和斜面的細胞感知可以源於指向調變的標記圖案。這些指向性調變可以被認為是固定空間頻率的時間頻率調變，而當細胞跨越二維植入物表面時可以經歷到它。

使用組織鷹架來示範微結構化表面的雙功能性不是意謂為限制性的。舉例而言，指尖表面的微結構(其在微觀尺度是三維的)可以模仿細胞交互作用，而指尖表面的巨觀表面是全面二維的。指尖和在此揭示表面之間的溼潤介面藉由在指尖組織中引入漣漪而巨觀地建立對手指組織的溫佐-卡西抓握，並且進一步建立對於既有指紋結構之第二層級的溫佐-卡西黏著。一般而言，可以有多種古典摩擦所未描述的黏著機制，包括溫佐-卡西區、表面誘發的本徵皺紋模式、毛細管和抽吸方面、沙勒拉馬赫(Schallamach)波。

藉由調變用於組織向內生長的表面圖案，其中所要調變的單獨表面特徵本身是層次化特徵，則獲得未預期的利益。舉例而言，於某些實施例，小柱可以放置在較大柱的頂部上而成層次化排列，其中一方面是在分子尺度之相對而言更為疏水性並且抵抗污染。另一方面，細胞較不受這較小尺度疏水性的影響並且回應於調變圖案。

如在此所用的調變描述在特徵尺度上的特徵之週期性或隨機的改變。舉例而言，於某些實施例，五微米高的柱可以在其直徑上從最小而正弦調變到最大。一般而言，可用於調變設計的特徵可以涉及尺度、幾何型態、節距或間距。於調變特徵幾何型態的情形，柱的截面可以採連續方式而從圓形截面變化到橢圓截面。

當使用隨機過程來製備錯合表面時，可以發生功能的雙重性。更複雜(儘管需大量運算)的做法是使用傅立葉(Fourier)轉換來匹配觀察到的表面輪廓，並且使在不同尺寸範圍(稱為窗口)的粗糙度能夠被決定且關聯於生物回應。為此緣故，當多樣的織構層級藉由在明確區分尺度上之明確區分的週期性而界定時，則達成了優化的生物功能性。雖人眼不能輕易觀察到這些週期性中的許多者或是以人類感知而辨認為明確區分的，但無論如何細胞強烈感受到。織構設計成接合動物組織(譬如肌纖維、包覆層、肌腱、脈管和類似者)的巨觀特徵，而不接合微觀的細胞，尤其是在身體靜態結構裡游離的細胞。

表面粗糙度可以發生在二主平面：一者垂直(橫向)於表面，而另一者在表面的平面中(縱向)。波可以是：橫向的，其中圖案是垂直於(細胞所做的)能量轉移之傳播的振盪；或是縱向的，其中圖案是平行於能量傳播之方向的振盪。不規則性的指向可以是均向性的或異向性的。無掌控方向的表面結構可以考慮成均向性的。

於某些實施例，這些表面可以併入組織鷹架植入物中。蛋白質膜的組成和指向和吸附在植入物表面上之分子的指向可以受到表面粗糙度的影響。

表面織構可以影響細胞傳播。平滑鈦表面的溼潤性可以關聯於纖維蛋白吸附但這不存在於粗糙鈦上。上皮細胞在經拋光蝕刻的表面上可以附接和散布得比在較粗糙表面(噴砂)上更容易。

相較於平滑表面，粗糙表面可以促進在不朽之上皮細胞的周邊形成多絲狀假足，而細胞是圓的並且在更平滑的表面上彼此直接接觸。可以假設出現絲狀假足則暗示有更高層級的黏著。這假設是不正確的。對於上皮細胞來說，顯示絲狀假足不是正常行為。上皮細胞事實上可以不直接接觸粗糙化鈦的凹谷，而是橋接於凹谷上。

均向性表面織構可以影響細胞的生長和增殖，而導致有接觸指引，其取決於不同幾何元件的微圖案和尺寸。接觸指引是指細胞行動被細胞所附著之基層的表面形貌之掌控方向而導引或指引的傾向。表面上的圓周溝槽可以導引纖維細胞以形成具指向性且似囊狀的結構，而生長在多孔性表面上的細胞可以顯示不出優選指向。因此，在細胞對特徵的回應上可以有層次，而較大特徵掌控了較小特徵。

表面織構架構與當細胞特定長期培養在該表面上所採取的形狀之間的關係可以由表面織構所決定。再者，細胞可以對特徵尺寸敏感。已觀察到如0.2微米一樣小的特徵產生細胞回應

現參見圖1，100比較雙功能層次化表面102與單功能層次化表面104。表面104的層次化結構可以由一頻率108的第一週期性結構106和另一頻率112的第二週期性結構110所形成。雙功能層次化表面102可以包括雙週期性結構114，其包括相同的元件106和110。

參見圖2，方形空間頻率格子200而在指向調變202所修改的相同格子下，則出現為三維的組織支架。注意200和202事實上可以都是平坦的二維表面織構。植入物和組織之間的介面可以是二維，並且可移動的細胞和植入物之間的介面可以是偽三維。當圖案呈現摺疊外觀時，如202，雖偽表面上的真實頻率/柱尺寸可以維持不改變，但織構扭曲可以藉由變化柱尺寸和間距而發生在植入物表面上，使得該比例可以是常數。

參見圖3，示範了多樣的實施例，其顯示均勻直徑且均勻中央隔開柱之方形格子的指向調變。圖3的頂列示範中央下凹的圖案，而底列示範中央上凸的圖案。第一欄可以包括隨機分布的均勻直徑柱。第二欄可以包括均勻的直徑柱，其可以對齊。第三欄可以包括隨機直徑柱，其可以對齊。

參見圖4，以不同形式的偽變形來示範多樣的實施例。

參見圖5，示範了某些實施例，其中呈現了具有多樣指向調變之柱的方形格子。圖5的範例可以描述四種偽表面(欄)，每種差別在於胞格的類型和分布，因此差別在於最終向內生長之組織的結構和組成。圖2~5可以描述本揭示的基本頻率詞彙。

表面圖案化的另一方面是高表面張力的局部化區域，其可以指引細胞向內生長，但可以不利地影響植入物-組織介面的不動化和植入物耐用性。為了滿足這些相抗衡的限制，可以引入偽應力的想法，就如之前這可以是有可能的，因為細胞是微觀的並且組織是巨觀的。

可以誘發偽應力的圖案可以一類微觀的不穩定性圖案。此種圖案可以是應用導向設計中的成分，而作為誘發或修改微觀的、相依於週期性的結構或表面性質的技術，該等結構或表面性質例如對掌性(chirality)(鏡像異構性)、波傳播和聲子性質、調變的奈米/微米圖案、疏水性、或於週期性固體中產生巨觀回應。

如圖6所示範，可以考慮未變形之矩形格子的變形，其可以包括方形602、三角形604、六角形606。

附帶而言，如下所揭示，也可以考慮對掌性形式。方形格子602可以有三種變形模式。參見圖7，三變形模式700可以包括剪切702、壓縮704、週期性706的方形格子。

參見圖8，示範了二種額外的變形模式800，其包括壓縮模式802和週期性模式804。

參見圖9，變形模式900可以包括軸向壓縮902、雙軸向壓縮904、週期性壓縮906。

現參見圖10，顯示的是三角形格子1002的對掌性形式。附帶而言，顯示了對掌性六角形格子1004、1006的二種其他形式。

現參見圖11，示範的是壓縮對掌性三角形式1102和二種壓縮對掌性六角形式1104、1106。應注意雖壓縮對掌性三角形格子1102僅顯示左對掌性形式，但熟於此技術者將了解右對掌性形式藉由鏡像反射(非旋轉)而獲得。

現參見圖12，顯示的是方形格子和關聯的單位胞格之波傳播形式的某些實施例。這些波形是藉由規則方形格子之節點的週期性平移和旋轉所給出。

關於植入物相對於組織的局部化，已未預期地發現植入物的局部化可以藉由參與組織於活化之前在組織-植入物介面所可能經歷的波形(本徵模式)而改善。舉例而言，介質(例如組織)可以扣於正常模式或本徵模式。當表面圖案的波形參與這些本徵模式中的一者時，則可以增進相對於組織的局部化。以此方式，則植入物和組織之間的應力可以增加植入物相對於組織做平移所需的剪切力。

已經辨識出對於黏著性物品的需求，其當附著於各式各樣的目標基板時展現初始的可再定位性，並且透過微結構化雙圖案的獨立變化和選擇，則黏著性物品可以在至少二尺度上展現分開的效應。

本揭示也關於一種物品，其包括黏著性表面和轉移披覆，而帶有具微結構化表面的連續黏著層，其中微結構化表面可以包括至少二種特徵。進一步而言，物品可以包括特徵的側向高寬比，其對於每個特徵來說範圍從約0.1到約10，並且至少一特徵尺度可以變化至少10%倍。舉例而言，於某些實施例，二組柱(一組直徑5微米、高30微米，另一組柱直徑至少15微米、高至少75微米)可以配置於物品的表面。於某些實施例，第一組柱可以配置在第二組柱的頂面上。至少二特徵尺度(高度、寬度、直徑)必須是微觀的。所有三種特徵尺度(高度、寬度、直徑)可以都是微觀的。物品的雙功能性可以藉由跨越裝置的表面來變化一或更多個參數而達成，該變化可以是空間週期性的或在統計範圍裡。類似而言，雙功能性可以藉由變化柱的密度或一特徵與相鄰特徵之間的節距而達成。

於至少一實施例，雙功能表面可以包括做層次化排列之不同尺度的至少二微結構化圖案，其中至少一微結構化圖案可以做調變，或者層次化組合生成了調變方面。調變方面是圖案化特徵(經常是週期性的)，其以不同於底下層次化結構的尺度來影響接觸表面。

某些實施例可以包括雙功能表面，其由層次化排列之不同尺度的至少二微結構化圖案所組成，其中至少一微結構化圖案可以是雙功能的，或者層次化組合生成了雙功能方面。尤其，實施例可以由基板層所構成，上面以基板層之二側可以都展現正弦方面的方式而浮雕了二維圖案。再者，在正弦基板層的頂部上，可以浮雕出實心圓柱體，其以10到100個均等隔開的圓柱體來填充正弦圖案的每個完整方形循環。在圓柱體之第一圖案的每個圓柱體頂部上可以是1到10個較小尺度的實心圓柱體。雙功能效應可以藉由相對於虛擬平坦的表面來調變第一圓柱體指向而起始。尤其，第一圓柱體可以垂直於正弦表面而指向。

某些實施例可以包括雙功能圖案化表面，其由層次化排列之不同尺度的三微結構化圖案所組成，其中至少一微結構化圖案是雙功能的，或者層次化組合生成了雙功能方面。尤其，物品可以由平坦的基板層所構成。在平坦基板層的頂部上可以浮雕出呈均勻隔開之方形陣列的實心圓柱體。在圓柱體之第一圖案的每個圓柱體頂部上可以浮雕出1到10個較小尺度的實心圓柱體。第一圓柱體可以跨越平坦的基板而在寬度上做週期性變化。

於某些實施例，雙功能黏著性織構化表面可以包括層次化排列之不同尺度的三微結構化圖案，其中至少一微結構化圖案是雙功能的，或者層次化組合生成了雙功能方面。物品可以由平坦的基板層所構成。在基板層的頂部上可以浮雕出實心柱而呈均勻隔開的方形陣列。在柱之第一圖案的每個柱頂部上可以浮雕出1到10個較小尺度的實心圓柱體。第一柱的截面輪廓可以採空間週期性方式而從圓形變化到橢圓形。

於某些實施例，雙功能黏著性織構化表面可以包括層次化排列之不同尺度的三微結構化圖案，其中至少一微結構化圖案可以是雙功能的，或者層次化組合可以生成雙功能方面。尤其，實施例可以由基板層所構成，其具有高度從50微米變化到500微米的正弦方面。

再者，基板層的頂部可以浮雕了實心圓柱體而呈均勻隔開的方形陣列。在圓柱體之第一圖案的每個圓柱體頂部上可以浮雕出1到10個較小尺度的實心圓柱體。第一圓柱體的高度可以跨越基板而做週期性變化。

本揭示的某些實施例可以包括微結構表面，其中雙功能表面可以包括層次化排列之不同尺度的三微結構化圖案。至少一微結構化圖案可以是雙功能的，或者層次化組合生成了雙功能方面。第一微結構圖案可以包括平坦的基板層，並且第二微結構圖案可以配置在基板層的頂部上而浮雕了呈空間變化方形陣列的第一實心柱。第三微結構圖案可以配置在第二圖案之每個第一實心柱的頂部上，並且可以浮雕出1到10個較小尺度的實心圓柱體。第一微結構圖案可以包括在至少一區域之第一柱的排列，其可以包括對應於如圖4所示範之下凹、上凸、v形鞍或h形鞍分布中至少一者的間距。

本揭示的至少一實施例包括特定幾何型態的微結構特徵。典型的幾何特徵可以由矩形、角錐、蕈菇形、具有刮杓末端的圓柱體、鉤子、線圈、碟形和類似者所構成。層次化結構可以藉由將一幾何圖案堆疊在前一幾何圖案的頂部上而建造。舉例而言，角錐具有從角錐面垂直伸出的實心圓柱體。可以採取可變形的幾何形態，舉例而言，平行的隆脊在壓縮下可以形成隧道，或者圓形同心隆脊在壓縮下可以形成較窄的開口。排列成六角形格子顯示的隆脊可以展現格外的黏著性質。

將了解於某些實施例，層次化結構可以使用變化高度之實心圓柱體的均勻方形格子來建造，使得成組的實心圓柱體可以形成角錐形結構。於此種結構建造，至少一特徵可以具有雙週期性，舉例而言可以為恆定的間距和變化的指向。

於本揭示的某些實施例，可以使用雙功能性與其他黏著技術的組合。舉例而言，可以實施涵括了化學性或黏滯性黏著劑。可以使用主要生成真空而作用的抽吸杯，而非使用毛細管作用。可以使用固態黏著劑，例如纖維壁虎結構。在稍後典型而言可以是溼潤的目標表面上，此種黏著劑可以經由凡得瓦力而在微結構化表面的固體和乾燥表面之間生成附著。

於某些實施例，微結構化多功能表面可以當溼潤或存在了界面活性劑或疏水性液體(例如油)時而更為黏著。可以使用相對於表面巨觀方面的溫佐-卡西局部化效應與相對於微觀特徵的接合方面的組合。當使用植入物裝置時，微觀特徵可以是游離細胞，並且巨觀方面可以使植入物不動，而允許細胞自然地組織和建造生物結構而無破裂。破裂可以導致關聯於植入物的纖維化和較無功能的組織。於治療性植入物裝置(例如疝氣篩網)，關聯於植入物的組織雖可以幫助強化疝氣缺陷，但可以不促進新肌肉組織的生長，而這會代表疝氣缺陷的真實治癒。

溫佐-卡西介面可以包括混合介面，舉例而言為水和皂的混合介面，其可以同時增加剝除力和平移力。藉由添加潤滑劑到毛細管溫佐-卡西表面和目標表面之間的介面，則可以導致有增加的黏著度。再者，幾乎所有的水性環境都涉及疏水性和親水性成分二者。舉例而言，在許多外部環境中可以遭遇水-油乳液。可以於多數生物環境中遭遇水-脂質乳液。即使是皮膚對表面環境(在此出現高溼度)可以為了本揭示的目的而考慮成親水性-疏水性介面。

某些實施例可以包括非滑動表面，其用於飲料容器、多樣的皮膚接觸表面(例如繃帶)或可以需要穩穩抓握的工業設備。在一尺度下作用的溫佐-卡西微結構化表面與疊加在第一結構上但在不同尺度的其他溫佐-卡西結構之組合尤其可以用於目標接觸表面是多變的環境。

將了解本揭示的實施例不依賴接觸摩擦力。摩擦力可以包括表面織構的直接機械交互鎖定，以致要發生平移，則一結構必須結構上失效。依賴接觸摩擦的裝置當施加到活體表面(例如皮膚)時一般而言可以是刺激性的，或當施加到材料表面時引起磨耗。接觸摩擦的一個不利效應是形成粒子。舉例而言，於想要有附接的醫療應用中，對病人來說，形成微觀的碎屑可以比裝置失效更有害。於本揭示，可以避免直接機械接觸，或者其在局部化中至多可以是次要效應。可以特定地避免施加大的垂直力來達成黏著度。瞬間最小的垂直力於多數應用中可以是可允許的，假如此種垂直力導致非機械交互鎖定之固定狀態的話。然而，當採取多功能表面時，一表面織構方面可以具有大於其他表面織構方面的摩擦分量。雖然生物應用可以不偏好摩擦，不過摩擦方面可以於某些工業和環境應用中有用地與在此揭示的教導來組合使用。舉例而言，某些實施例可以包括層次化的柱排列(在柱頂部上的柱)，其中柱之間的間距可以做得尤其寬100~1000微米，並且柱的高度可以變化跨越50~200微米的範圍。可以藉由變化柱高度但不影響在每個柱在柱上之結構上所達成的溫佐-卡西區而達成可感受到的摩擦方面。

本揭示將由熟於此技術者所體會的一方面關於對目標表面的可調適性。於某些實施例，介面可以想要抵抗垂直力但非避免它。舉例而言，對於接觸飲料容器的手指來說，吾人可以不想有黏著性或研磨性的感覺。黏著性的感覺可以是因為打破表面介面之後所持續的化學附接。本揭示特定而言可以避免沾黏性。將了解在不動化和移動化之間可以有清楚的描繪，同時可以增進達成移動化的閾值。另一方面，沾黏性的另一方面可以是立即最大的黏著。於機械平移，當流體運動被過度侵略性的黏著形態所阻礙時，沾黏性可以是有害的。本揭示的一方面是黏著度隨著時間而增加，並且這潛時可以是可調整的。但一般而言，若黏著度取決於流體傳輸，例如在毛細管作用的情形下，則一般而言可以避免沾黏性的感覺。

於某些實施例，表面須被放置然後再定位，而不傷害目標表面。黏著度可以是在微結構表面-目標表面介面基於分子構成物規則化而隨著時間建立的效應。可以有額外的好處，舉例而言，因為本揭示的表面(特別是彈性體的表面)可以傾向相對於目標表面來排列其表面。與不規則表面形成介面則可以需要這調適效應，這是每當可以做出首先接觸便黏住的黏滯性黏著表面所很少經歷到的。在以介面不導致局部化的應力、皺紋或摺疊的方式而附著於另一表面的表面，則可以有相當的優點。因此，調變層次化結構的高度(前提是基板材料的模數夠低)可以降低摩擦效應，而將確保織構化表面和目標表面之間有均勻接觸。

於某些區域，可以避免剪切平移；於其他區域，可以避免剝除平移；以及於另外其他區域，可以需要此二效應。於某些實施例，可以想要於某些區域可以用最小力來促進剪切平移，並且於其他區域可以使剝除力最小化。超疏水性表面的應用是在排斥其他表面中所熟知的。此種表面圖案也可以具有最小剝除力。這些其他類型之微結構化表面的任一者(意謂要排拒而非吸引)可以與本揭示的表面相容。多數效應(包括在此所述者)可以局部取決於圖案結構，這是微結構圖案化的有利特徵。因此，包括毛細管的溫佐-卡西表面與更傳統的超疏水性表面以於一實施例同時達成排斥和黏著效應，這是在本揭示的範圍裡。此種結構可以有用於從溶液過濾粒子、從溶液過濾化學汙染物，以及/或者促進有利實體(它們是活體結構或化學結構)的附接。

於某些實施例，微結構化疏水性-親水性表面可以就尺度和位置二者做排列(在此稱為多功能層次化)，以生成電、分子、極性的規則區，其可以建立直接接觸而使局部化介面最小化。這些表面可以在微織構化表面和附著於目標表面的介面液體之間生成排除區。本揭示的微結構化表面可以是局部抗熵的，某種意義上是可以藉由提升整個系統的熵而減少介面區的熵。這交互作用已被先前技術所忽視，因為二表面之間的黏著可以藉由增加的規則性而增加，即使整個系統可以較不規則。規則局部化可以是提供本揭示特色之許多特徵中的一者。類似於毛細管效應，從水體積排除溶質可以藉由促進水中的結構(其基本上可以是六角形)而完成。因此，微結構表面可以促進水的六角形規則化，其可以藉由水的結構化而排除非水構成物並且促進親水性-疏水性偏析(segregation)。這所導致的表面可以將水結構化並且使此種結構的破裂最小化。表面織構可以考慮成水排除區效應的中間人。雖然溫佐-卡西結構可以不需要這效應，不過排除區效應就熵基礎來說可以巨幅增加溫佐-卡西結構的穩定性。

本發明的某些實施例可以包括多功能微結構化表面，其由層次化排列之不同尺度的至少二微結構化圖案所組成，其中至少一效應可以是因為微結構化圖案和層次化排列的緣故。微結構化圖案的至少一效應可以是因為該層次化圖案沿著某些尺度或幾何型態做調變的緣故。

本發明的某些實施例可以包括多功能微結構化表面，其包括層次化排列之不同尺度的三微結構化圖案，其中至少一微結構化圖案可以做週期性變化，或者整個層次化排列可以做週期性變化。尤其，某些實施例由基板層所構成，上面以基板層的二側可以都展現正弦方面的方式而浮雕出二維圖案。再者，在正弦基板層的頂部上可以浮雕了實心圓柱體，其以10到100個均等隔開的圓柱體來填充正弦圖案的每個完整方形循環。在圓柱體之第一圖案的每個圓柱體頂部上可以浮雕了1到10個較小尺度的實心圓柱體。其中柱的第一和第二層可以生成排除區和微結構化水狀態。多功能效應可以藉由在至少一尺度或幾何方面來調變微結構表面而達成。舉例而言，柱或可跨越表面而從圓形截面變化到矩形截面。

某些實施例可以包括多功能微結構化黏著表面，其可以包括層次化排列之不同尺度的三微結構化圖案，其中至少一微結構化圖案可以是抽吸的，或者層次化組合可以生成抽吸方面。實施例可以由平坦的基板層所構成。在基板層的頂部上可以浮雕出實心圓柱體而呈均勻隔開的方形陣列。在圓柱體之第一圖案的每個圓柱體頂部上可以浮雕出1到10個較小尺度的實心圓柱體。第一層柱之間的間隙區域可以包括圓柱形鑽孔，其可以鑽穿基板層或僅部分鑽穿。這些孔的直徑可以跨越圖案表面而以二維做正弦變化。可以將微結構表面放置在目標表面的流體層上而不任何施加壓力來起始毛細管效應。

第一層次化圓柱體可以從目標表面充分抽走水，使得水接觸包括鑽孔的負特徵。鑽孔然後可以施加第二毛細管效應，這使微結構層緊密接觸目標表面。

某些實施例可以包括多功能微結構化表面，其可以包括層次化排列之不同尺度的三微結構化圖案，其中至少一微結構化圖案是一系列的隆脊，其以等距間隔來排列。尤其，實施例可以包括平坦的基板層。

再者，在基板層的頂部上可以浮雕出實心隆脊而呈均勻隔開的陣列。在隆脊之第一圖案的每個隆脊頂部上可以浮雕出較小尺度的實心圓柱體。在隆脊的第一層之間的間隙區域可以是第二實心圓柱體。隆脊的第一圖案可以是曲線的，其描繪均等隔開的正弦。

某些實施例可以包括多功能微結構化表面，其由層次化排列之不同尺度的微結構化圖案所組成，其中至少一微結構化圖案可以受應力的圖案。尤其，受應力的圖案可以是受應力的對掌性圖案。

現參見圖13，微結構化表面1300包括至少二種微結構化特徵。特徵的側向高寬比範圍對於每個特徵來說可以從約0.1到約10，並且至少一特徵尺度可以變化至少10%倍。微結構化表面1300可以包括二組柱1302和1304。柱1302可以是直徑5微米、高30微米，並且柱1304可以是直徑至少15微米、高至少75微米。第一組柱1302可以配置在第二組柱1304的頂面1306上。特徵尺度(高度1308、寬度1310、長度1312、指向1314)中的至少二者必須是微觀的。所有三種特徵尺度(高度、寬度、長度)可以都是微觀的。雙功能性可以藉由跨越裝置1300的表面1316來變化一或更多個參數而達成。變化可以是空間週期性的或在統計範圍裡。調變方面是圖案化特徵(其經常是週期性的)，它在不同於底下層次化結構的尺度來影響接觸表面。

參見圖14，雙功能表面1400可以包括層次化排列之不同尺度的至少二微結構化圖案，其中至少一微結構化圖案是雙功能的，或者層次化組合生成了雙功能方面。尤其，某些實施例可以包括基板層1402，上面則以基板層1402之二側可以都展現正弦方面的方式而浮雕了二維圖案1404。

再者，在正弦基板層1404的頂部上可以浮雕了實心圓柱體1406，其以10到100個均等隔開的圓柱體來填充正弦圖案1404的每個完整方形循環1408。在圓柱體的第一圖案之每個圓柱體1406的頂部上可以浮雕出1到10個較小尺度的實心圓柱體1410。可以相對於虛擬平坦的表面1416來調變第一圓柱體指向1414而起始雙功能效應。尤其，第一圓柱體可以垂直於正弦表面來指向。

參見圖15，雙功能圖案化表面1500可以包括層次化排列之不同尺度的三微結構化圖案，其中至少一微結構化圖案是雙功能的，或者層次化組合生成了雙功能方面。尤其，某些實施例可以包括梯級化的平坦基板層1502。再者，在基板層1502的頂部上可以浮雕出實心圓柱體1504而呈均勻隔開的方形陣列。在圓柱體的第一圖案之每個圓柱體1504的頂部上可以浮雕出1到10個較小尺度的實心圓柱體1506。第一圓柱體1504可以跨越平坦的基板而在寬度1508做週期性變化。

參見圖16，雙功能表面1600可以包括層次化排列之不同尺度的三微結構化圖案，其中至少一微結構化圖案是雙功能的，或者層次化組合生成了雙功能方面。尤其，某些實施例可以包括平坦的基板層1602。再者，在基板層1602的頂部上可以浮雕出實心柱1604而呈空間變化的方形陣列1606。在柱的第一圖案之每個柱1604的頂部上可以浮雕了1到10個較小尺度的實心圓柱體1608。第一柱1604的截面輪廓可以如圖3所示範來採取空間週期性的方式而從圓形1610變化到橢圓形1612。

提供上述那些實施例來闡明本發明以使熟於此技術者能了解、製作和使用本發明。然而，不意欲限制本發明的範圍，並且根據本發明精神之任何均等的修改和變化也是要包括在本發明的範圍裡

因此，雖已描述新且有用的多功能織構化裝置之本發明的特殊實施例，但除了下面所列的請求項，此種參考不意欲解讀成本發明範圍的限制。

100:雙功能層次化表面與單功能層次化表面的比較 102:雙功能層次化表面 104:單功能層次化表面 106:第一週期性結構 108:頻率 110:第二週期性結構 112:頻率 114:雙週期性結構 200:方形空間頻率格子 202:指向調變 602:方形 604:三角形 606:六角形 702:剪切 704:壓縮 706:週期性 802:壓縮模式 804:週期性模式 902:軸向壓縮 904:雙軸向壓縮 906:週期性壓縮 1002:對掌性三角形格子 1004:對掌性六角形格子 1006:對掌性六角形格子 1102:壓縮對掌性三角形式 1104:壓縮對掌性六角形式 1106:壓縮對掌性六角形式 1300:微結構化表面 1302:第一組柱 1304:第二組柱 1306:頂面 1308:高度 1310:寬度 1312:長度 1314:指向 1316:表面 1402:基板層 1404:二維圖案、頂部 1406:實心圓柱體 1408:完整方形循環 1410:實心圓柱體 1416:表面 1500:雙功能圖案化表面 1502:基板層 1504:實心圓柱體 1506:實心圓柱體 1508:寬度 1600:雙功能表面 1602:基板層 1604:實心柱 1606:方形陣列 1608:實心圓柱體 1610:圓形 1612:橢圓形

[圖1]是雙功能層次化表面對單功能層次化表面的實施例。

[圖2]是方形空間頻率格子和由指向調變所修改之相同格子的實施例。

[圖3]是均勻直徑和均勻中央隔開柱的方形格子之指向調變的實施例。

[圖4]是不同形式之偽變形的圖示。

[圖5]是四種偽表面(柱)的圖示。

[圖6]是未變形的方形格子、三角形格子、六角形格子的圖示。

[圖7]是三種變形模式的圖示，包括剪切、壓縮、週期性。

[圖8]是壓縮模式和週期性模式的圖示。

[圖9]是軸向壓縮、雙軸向壓縮、週期性壓縮的圖示。

[圖10]是三角形格子之對掌性形式和二種形式之對掌性六角形格子的實施例。

[圖11]是三角形格子之壓縮對掌性形式和二種形式之對掌性六角形格子的實施例。

[圖12]是方形格子和關聯的單位胞格之波傳播形式的實施例。

[圖13]是本揭示之微結構化表面的實施例。

[圖14]是由基板層所構成的實施例，其上是浮雕的二維圖案。

[圖15]是具有多重微結構圖案之雙功能圖案化表面的實施例。

[圖16]是具有多重微結構圖案之雙功能圖案化表面的額外實施例。

100:雙功能層次化表面與單功能層次化表面的比較

102:雙功能層次化表面

104:單功能層次化表面

106:第一週期性結構

108:頻率

110:第二週期性結構

112:頻率

114:雙週期性結構

Claims (20)

1. 一種微結構化表面，其包括： 基板，其包括至少第一層次化微結構，該微結構包括複數個微結構特徵，該複數個微結構特徵包括一或更多個參數，其跨越該基板而在空間週期性做漸進變化。
2. 如請求項1的微結構化表面，其中該一或更多個參數選自包括高度、寬度、直徑、形狀、節距及其組合的群組。
3. 如請求項1的微結構化表面，其中該複數個微結構特徵包括至少第一組微結構特徵和第二組微結構特徵，該至少第一組微結構特徵配置遍布於該基板，該至少第二組微結構特徵小於該至少第一組微結構特徵並且配置在該至少第一組微結構特徵上。
4. 如請求項3的微結構化表面，其中該基板是平坦的，並且該至少第一組微結構特徵配置遍布於平坦的該基板而成均勻隔開的方形陣列。
5. 如請求項3的微結構化表面，其中該基板建構成展現正弦圖案，其高度在50到500微米之間。
6. 如請求項3的微結構化表面，其中該第一和第二組微結構特徵中至少一者包括跨越該基板而週期性變化的寬度。
7. 如請求項3的微結構化表面，其中該第一和第二組微結構特徵中至少一者包括截面輪廓，其跨越該基板而從圓形週期性變化到橢圓形。
8. 如請求項3的微結構化表面，其中該第一和第二組微結構特徵中至少一者包括跨越該基板而週期性變化的高度。
9. 如請求項8的微結構化表面，其中該至少第一微結構特徵的該週期性變化高度建構成產生角錐形結構。
10. 如請求項3的微結構化表面，其中該第一和第二組微結構特徵中至少一者包括跨越該基板而週期性變化的節距。
11. 如請求項10的微結構化表面，其中該至少第一微結構特徵的該週期性變化節距建構成產生選自包括以下之清單的結構：下凹、上凸、v形鞍、h形鞍及其組合。
12. 一種微結構化表面，其包括： 表面，其包括至少第一層次化微結構，該微結構包括複數個微結構特徵，該複數個微結構特徵包括一或更多個參數，其在空間週期性做變化，並且建構成產生溫佐(Wenzel)表面、卡西(Cassie)表面、或溫佐–卡西組合表面中的至少一者。
13. 如請求項12的微結構化表面，其中該一或更多個參數選自包括高度、寬度、直徑、形狀、節距及其組合的群組。
14. 如請求項12的微結構化表面，其中該複數個微結構特徵包括至少第一組微結構特徵和第二組微結構特徵，該至少第一組微結構特徵配置偏布於該基板，該至少第二組微結構特徵小於該至少第一組微結構特徵並且配置在該至少第一組微結構特徵上。
15. 如請求項14的微結構化表面，其中該基板是平坦的，並且該至少第一組微結構特徵配置偏布於平坦的該基板而成均勻隔開的方形陣列。
16. 如請求項14的微結構化表面，其中該基板建構成展現正弦圖案，其高度在50到500微米之間。
17. 如請求項14的微結構化表面，其中該至少第一和第二組微結構特徵建構成產生從水體積排除溶質的區域。
18. 如請求項14的微結構化表面，其中該第一和第二組微結構特徵中至少一者包括截面輪廓，其跨越該基板而從圓形週期性變化到矩形。
19. 如請求項15的微結構化表面，其中孔配置於該基板中而在該至少第一組微結構特徵的第一和第二特徵之間，該孔建構成產生毛細管效應。
20. 如請求項14的微結構化表面，其中該基板包括平坦的表面，該至少第一組微結構特徵包括隆脊而成均勻隔開的陣列，該至少第二組微結構特徵包括配置偏布於該隆脊之頂部的複數個圓柱體，並且進一步包括第三組微結構特徵，其配置偏布於該複數個圓柱體之間的間隙區域而包括第二複數個圓柱體。

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