KR-102959990-B1 - 정전흡착을 발생하기 위한 마이크로구조화 디바이스

Abstract

디바이스 표면을 국소화하거나 타겟 표면에 대해 디바이스 표면을 부상하기 위해 표면 에너지 및 정전흡착의 쿨롱 필드 개질을 이용하는 마이크로구조화 디바이스(200)가 개시된다. 표면 에너지 개질은 전하가 외부에서 디바이스로 전달되는지 또는 디바이스에서 갈바닉으로 유도되는지 여부에 따라 영구적이거나 가역적일 수 있다. 디바이스의 마이크로구조 양태는 타겟 표면과 다양한 친수성/소수성 상호작용을 유도한다. 쿨롱 필드는 친수성/소수성 상호작용을 향상 또는 감소시키는 데 사용될 수 있다. 이에 조합하여, 개시된 전기-마이크로구조화 디바이스는 포유동물 바디에 이식물을 국소화하고, 부가적으로 이식물과 세포 상호작용을 제어하기 위한 수단을 제공한다.

Inventors

• 밀보커 마이클
• 블뤼허 루카스

Assignees

• 비브이더블유 인베스트 에이쥐

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20210401

Priority Date

20200401

Claims (20)

1. 전기-마이크로구조화 디바이스로서, 기판, 계층적 마이크로구조, 및 제1 전극과 제2 전극을 포함하고, 상기 기판은, 상기 기판 위에 배치된 계층적 마이크로구조를 가지고, 상기 기판은 두께를 가지며; 상기 계층적 마이크로구조는, 제1 마이크로피처를 가지고, 상기 제1 마이크로피처는 표면을 가지고, 복수의 제2 마이크로피처는 상기 제1 마이크로피처의 표면에 배치되며; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 기판의 두께 내에 적어도 부분적으로 매립되고 전하 소스에 연결되며, 상기 전하 소스에 의해 전원 공급될 때 상기 제1 전극은 +0.5V의 양전하를 제공하도록 구성되고, 상기 제2 전극은 -0.5V의 음전하를 제공하도록 구성되며, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 하전하는 것은 정전흡착 상태를 발생하는, 전기-마이크로구조화 디바이스.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극은 마이크로미터 스케일의 전기장을 생성하는 국소 양전하를 제공하도록 구성되는, 전기-마이크로구조화 디바이스.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 서로 인접하는, 전기-마이크로구조화 디바이스.
4. 제1항에 있어서, 기판은 유전체인, 전기-마이크로구조화 디바이스.
5. 제3항에 있어서, 인접한 제1 및 제2 전극 사이의 공간은 전기 절연체를 포함하는, 전기-마이크로구조화 디바이스.
6. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 교번하는 양전하 및 음전하 패턴으로 배열된 기판의 두께 내에 적어도 부분적으로 매립된 복수의 전극을 더 포함하는, 전기-마이크로구조화 디바이스.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서, 제1 마이크로피처는 100 미크론 이하의 높이 및 20 미크론 이하의 직경을 갖는, 전기-마이크로구조화 디바이스.
9. 제1항에 있어서, 제2 마이크로피처는 5 미크론 이하의 높이 및 2 미크론 이하의 직경을 갖는, 전기-마이크로구조화 디바이스.
10. 제1항에 있어서, 기판은 적어도 소수성인 부분을 더 포함하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 전극이 하전될 때 소수성인 기판 부분을 친수성인 부분으로 변경하기 위해 계층적 마이크로구조를 갖고 배열되는, 전기-마이크로구조화 디바이스.
11. 제1항에 있어서, 기판은 적어도 친수성인 부분을 더 포함하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 전극이 하전될 때 친수성인 기판 부분을 소수성인 부분으로 변경하기 위해 계층적 마이크로구조를 갖고 배열되는, 전기-마이크로구조화 디바이스.
12. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극의 적어도 일부는 제1 마이크로피처 내에 배치되는, 전기-마이크로구조화 디바이스.
13. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극의 적어도 일부는 제2 마이크로피처 내에 배치되는, 전기-마이크로구조화 디바이스.
14. 전기-마이크로구조화 디바이스로서, 표면, 계층적 마이크로구조, 및 제1 전극 및 제2 전극을 포함하고, 상기 표면은, 두께를 갖고, 상기 표면 위에 배치된 계층적 마이크로구조를 포함하고, 상기 계층적 마이크로구조는 상기 계층적 마이크로구조 위에 배치된 금속 미립자의 층을 포함하고, 상기 계층적 마이크로구조는, 제1 마이크로피처를 가지고, 상기 제1 마이크로피처는 표면을 가지고, 복수의 제2 마이크로피처는 상기 제1 마이크로피처의 표면에 배치되며, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 기판의 두께 내에 적어도 부분적으로 매립되고 전하 소스에 연결되며, 상기 전하 소스에 의해 전원 공급될 때 상기 제1 전극은 +0.5V의 양전하를 제공하도록 구성되고, 상기 제2 전극은 -0.5V의 음전하를 제공하도록 구성되며, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 하전하는 것은 정전흡착 상태를 발생하는, 전기-마이크로구조화 디바이스.
15. 삭제
16. 제14항에 있어서, 제1 마이크로피처는 100 미크론 이하의 높이 및 20 미크론 이하의 직경을 갖는, 전기-마이크로구조화 디바이스.
17. 제14항에 있어서, 제2 마이크로피처는 5 미크론 이하의 높이 및 2 미크론 이하의 직경을 갖는, 전기-마이크로구조화 디바이스.
18. 제14항에 있어서, 금속 미립자는 0.1 내지 1.0 미크론 범위의 직경을 갖는, 전기-마이크로구조화 디바이스.
19. 제14항에 있어서, 계층적 마이크로구조는 2개의 별개의 마이크로구조 영역, 즉, 금속 미립자가 아연을 포함하는 제1 영역 및 금속 미립자가 은을 포함하는 제2 영역을 더 포함하는, 전기-마이크로구조화 디바이스.
20. 제14항에 있어서, 계층적 마이크로구조는 2개의 별개의 마이크로구조 영역, 즉, 금속 미립자가 아연을 포함하는 제1 영역 및 금속 미립자가 금을 포함하는 제2 영역을 더 포함하는, 전기-마이크로구조화 디바이스.

Description

정전흡착을 발생하기 위한 마이크로구조화 디바이스 본 개시내용은 마이크로구조화(microstructured) 디바이스의 물리적 특성의 상태를 변경할 수 있는 전기 관리 시스템을 갖는 마이크로구조화 디바이스에 관한 것이다. 본 개시내용은 또한 개시된 마이크로구조화 표면의 표면 에너지를 변화시킴으로써 정전흡착(electroadhesion) 및 전기습윤(electrowetting)을 통해 타겟 표면과 상호작용할 수도 있는 마이크로구조화 표면에 관한 것이다. 또한, 이식 가능한 표면 및 일반적인 그립 향상(grip-enhancing) 표면의 모두인 정전흡착성 마이크로구조화 표면이 본 명세서에 개시된다. 표면이 전기습윤으로서 알려진 인가된 전기장에 의해 표면의 습윤 특성의 개질을 경험할 수 있다는 것이 종래 기술에 알려져 있다. 전기습윤은 인가된 전기장으로부터 발생하는 힘에 기초하여 이해될 수 있다. 일반적으로, 전기습윤은 소수성 표면(hydrophobic surfaces) 상에 이용된다. 일반적으로, 물 분자 사이의 인력이 표면 상의 물을 평탄화하는 경향이 있을 것인 중력에 대항하기 때문에 물은 소수성 표면 상에 배치될 때 구체(sphere)에 근사할 것이다. 반대로, 비극성 액체는 자기 인력(self-attraction)을 거의 갖지 않을 것이고, 따라서 비극성 액체는 중력의 작용 하에서 소수성 표면 상에 확산될 수도 있다. 이에 비교하여, 물이 친수성 표면(hydrophilic surface) 상에 배치될 때, 자기 인력을 통해 구체를 형성하는 물의 경향이 친수성 표면에 대한 물의 인력에 의해 상쇄되고, 따라서 중력이 지배하고, 물 액적이 확산한다. 비극성 액체가 친수성 표면 상에 배치될 때, 중력이 우세할 것이라고 고려할 수도 있지만, 몇몇 경우에 표면 장력이 지배하고, 비극성 액체는 종종 소수성 표면 상에 구형 구성을 형성할 것이다. 최근에, 외인성 전기장이 예를 들어 상처 치유에서 세포 이동과 같은 세포 기능을 조절하는 데 유용한 것으로 판명되었다. 특히, 뼈의 복구에서, 정적 또는 동적 전기장의 영향을 이용하는 치료 디바이스 및 상처 드레싱의 지속적인 증가가 존재하고 있다. 이들 디바이스는 대형 전극, 및 거시적으로 균일한 전자기장을 사용한다. 그러나, 본 출원에 제공된 개시내용은 100 kV/m 필드의 정도의 크기의 필드 강도에 관한 것이다. 이러한 필드가 거시적으로 이격된 대형 전극 상에 배치된 경우, 통상적으로 이 필드 강도는 조직의 대규모 전기천공(electroporation) 및 전기융합(electrofusion)을 위해 충분하다. 대조적으로, 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이 발생된 필드는 마이크로미터 스케일이기 때문에, 이들 필드는 조직의 전기천공 및 전기융합을 야기하지 않는다. 따라서, 높은 필드 구배는 마이크로스케일의 높은 에너지 밀도와 동등하지 않다. 정전흡착을 실험해 본 사람은 실제로 발생하는 힘이 이론으로부터 계산된 것보다 상당히 더 낮다는 것을 이해한다. 이러한 이론으로부터의 이탈은 실제 물질이 완벽하게 균질한 유전체가 아니라는 사실에 기인한다. 이 비균질성은 비균질성이 무작위일 때 정전흡착성을 억제한다. 다른 한편으로, 계층적으로 구조화된 비균질성은 이론적인 기대값 초과로 이상으로 파악력(prehension force)을 향상시킬 수 있다. 마이크로구조화 전하 국소화와 조합하여 마이크로구조화 유전체는 정전흡착력을 기하학적으로 제어하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 동일한 디바이스가 생체 조직 내에 디바이스를 국소화하고 디바이스에 대해 세포 이동성을 지시할 수 있다. 이론으로부터의 다른 이탈은 유전체와 타겟 물체 사이의 접촉이 결코 완벽하지 않다는 사실이다. 이하에 설명되는 바와 같이, 표면의 마이크로구조는 중요한 역할을 할 수 있다. 본 개시내용의 목적은 국소화된 전기력(높은 필드 구배) 및 웬젤-캐시(Wenzel-Cassie) 인터페이스로서 알려진 복합 친수성/소수성 도메인의 형성의 모두를 통해 유전 접촉을 상당히 개선할 수도 있는 계층적으로 마이크로구조화된 표면의 사용을 설명하는 것이다. 정전흡착 효과는 2개의 표면이 이격되어 있을 때의 총 에너지가 2개의 표면이 접촉할 때의 총 에너지보다 더 큰 효과라는 것이 이해되어야 한다. 반대로, 정전반발(electrorepulsive) 효과는 2개의 표면이 이격되어 있을 때의 총 에너지가 2개의 표면이 접촉할 때의 총 에너지보다 더 작은 효과이다. 본 명세서에서는 높은 전단력 및 박리력을 갖는 접착 표면을 설명하기 위해 단어 정전흡착을 사용할 것이지만, 그 반대, 즉, 낮은 전단력 및 박리력을 갖는 표면도 또한 가능하다. 무작위 및 규칙적의 모두인 미시적 표면 텍스처의 계층적 배열로 인한 이들 효과는 비교적 약한 효과를 보강하고 증폭하는 공간적 공진 효과(spatially resonant effects)를 생성한다. 특히, 공간 공진은 마이크로구조화 표면과 광범위한 타겟 표면 사이의 계면에서 고도로 유인성 및 반발성 미시적 영역의 인터로킹 영역을 유도할 수 있다. 유인성 및 반발성 미시적 영역의 이들 인터로킹 영역은 타겟 표면에 마찰 또는 연마 손상을 야기하지 않고, 가공된 표면이 표면에 강하게 접착성이 되게 한다. 이러한 유형의 가공된 표면은, 조직의 조작이 마찰성 또는 연마성 조직 손상을 야기하고 수술 후 유착을 야기할 수 있는 수술실에서 특히 가치가 있다. 일반적으로, 이 마찰성 조직 손상은 육안으로 관찰 가능하지 않고 빈번히 무시된다. 따라서, 본 출원의 마이크로구조화 정전흡착 디바이스의 많은 유익한 양태 및 따라서 용례는 아직 이해되거나 예상되지 않는다. 본 개시내용은 일 실시예에서 마이크로구조 표면 및 적어도 하나의 전극을 포함할 수도 있는 전기-마이크로구조화 디바이스를 제공한다. 마이크로구조화 디바이스는 전극을 하전함으로써 변경될 수도 있는 웬젤 또는 캐시 습윤 상태 중 적어도 하나를 포함할 수도 있고, 여기서 전극을 하전하는 것은 정전흡착 상태를 발생할 수도 있다. 일 실시예에서, 전기-마이크로구조화 디바이스는 타겟 표면에 대한 접착을 야기할 수도 있는 적어도 하나의 정전흡착 상태를 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 전기-마이크로구조화 디바이스는 웬젤-캐시 습윤 상태의 변화를 야기할 수도 있는 적어도 하나의 정전흡착 상태를 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 전기-마이크로구조화 디바이스는 상기 디바이스를 타겟 표면에 대해 국소화할 수도 있는 웬젤-캐시 상태와 조합하여 정전흡착 상태를 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 전기-마이크로구조화 디바이스는 디바이스의 표면의 적어도 하나의 부분이 하나의 습윤 상태로부터 다른 상태로 전이하게 할 수도 있는 적어도 하나의 전극의 하전을 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 전기-마이크로구조화 디바이스는 디바이스 상의 표면 에너지 구배를 변경할 수도 있는 적어도 하나의 전극의 하전을 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 전기-마이크로구조화 디바이스는 유체 밸빙 상태를 발생할 수도 있는 계층적 마이크로구조와 조합하여 적어도 하나의 전극의 하전을 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 전기-마이크로구조화 디바이스는 전기-마이크로구조화 디바이스가 소수성 및 친수성 표면 중 적어도 하나로부터 친수성 및 소수성 표면 중 적어도 하나로 전이하게 할 수도 있는 적어도 하나의 전극의 하전을 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 전기-마이크로구조화 디바이스는 구조화된 물을 포함하는 습윤 상태를 생성할 수도 있는 적어도 하나의 전극의 하전을 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 전기-마이크로구조화 디바이스는 제동 시스템으로서 작용하도록 구성될 수도 있다. 일 실시예에서, 전기-마이크로구조화 디바이스는 유체/입자 분리 시스템으로서 작용하도록 구성될 수도 있다. 일 실시예에서, 전기-마이크로구조화 디바이스는 상기 디바이스가 습윤 비전도성 표면에 접착될 수 있도록 구성될 수도 있다. 일 실시예에서, 전기-마이크로구조화 디바이스는 상기 디바이스가 습윤 전도성 표면에 접착될 수 있도록 구성될 수도 있다. 일 실시예에서, 전기-마이크로구조화 디바이스는 상기 디바이스가 습윤 표면 위로 통과할 때 물이 상기 습윤 표면의 부분으로부터 제거되는 소수성 상태와 친수성 상태 사이에서 상기 디바이스가 스위칭될 수도 있도록 구성될 수도 있다. 일 실시예에서, 전기-마이크로구조화 디바이스는 그 위에 배치된 계층적 마이크로구조를 갖는 기판을 포함할 수도 있다. 기판은 적어도 하나의 전극이 기판의 두께 내에 적어도 부분적으로 매립될 수도 있는 두께를 포함할 수도 있다. 전극은 또한 전하 소스에 연결될 수도 있고, 적어도 하나의 전극은 전하 소스에 의해 전원 공급될 때 국소 전하를 제공하도록 구성되고, 전극을 하전하는 것은 정전흡착 상태를 발생한다. 일 실시예에서, 전기-마이크로구조화된 디바이스는 적어도 하나의 전극의 국소 전하가 마이크로미터 스케일의 전기장을 생성하도록 구성될 수도 있다. 일 실시예에서, 전기-마이크로구조화 디바이스는 제1 전극 및 제2 전극을 포함할 수도 있다. 제1 및 제2 전극은 각각 기판의 두께 내에 매립될 수도 있다. 제1 전극은 양전하를 발생하도록 구성되고, 제2 전극은 음전하를 발생하도록 구성될 수도 있고, 제1 및 제2 전극은 서로 인접할 수도 있다. 일 실시예에서, 전기-마이크로구조화 디바이스는 유전체인 기판을 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 전기-마이크로구조화 디바이스는 인접한 제1 및 제2 전극 사이의 공간이 전기 절연체를 포함할 수도 있도록 구성될 수도 있다. 일 실시예에서, 전기-마이크로구조화 디바이스는 기판의 두께 내에 적어도 부분적으로 매립될 수도 있고 공간적으로 주기적 패턴으로 배열될 수도 있는 복수의 전극을 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 전기-마이크로구조화 디바이스는 복합 기둥을 이용할 수도 있는 계층적 마이크로구조를 포함할 수도 있다. 복합 기둥은 적어도 제1 마이크로피처(microfeature) 및 제2 마이크로피처를 포함할 수도 있고, 제2 마이크로피처는 제1 마이크로피처 둘레에 배치될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 복합 기둥은 제2 마이크로피처 둘레에 배치된 제3 마이크로피처, 제3 마