微生物抗性材料以及相关的装置、系统及方法与流程

优先权信息

在此请求2014年10月28日提交的美国临时专利申请no.62/122,723的优先权，其全部内容被纳入此处作为参照。

背景技术：

微生物，包括各种类型的细菌，都会对人类和动物构成多种健康风险。例如，在美国每年超过200万人被感染了对抗生素具抗性的细菌。该抗生素抗性会导致医疗费用的增加，成人、儿童和婴儿死亡率的增加，这是个日益严重的问题。防御细菌感染的一个路径通常包括小心洗手，清洁细菌可能停留的地方，以及类似等。但是由于清洁的不一致以及与清洁相关的个人选择，难以实施应对措施。

此外，尽管小心处理，植入式表面和其他医疗装置的表面很可能在使用前经生物膜被污染。由于给患者带来短期或持续性感染，这些医疗装置的价值被减少。在一些情况下，可能需要额外的手术，或由于偏移与细菌感染相关的并发症，甚至防止使用这些潜在价值的医疗装置。

附图说明

以下参照附图，与图表一起通过示例对本发明的特征进行详细说明，且本发明的其他特征和优点将更加清楚，其中：

图1是示出根据本发明技术的微生物抗性面的示例性实施例的横截面示图；

图2是示出根据本发明技术的具有中度浸渍水平的表面的一个实施例的俯视图；

图3是示出根据本发明技术的具有低度浸渍水平的表面的一个实施例的俯视图；

图4是示出根据本发明技术的具有高度浸渍水平的表面的一个实施例的俯视图；

图5是示出根据本发明技术的表面的一个实施例的侧视图；

图6是示出钛基片上的mrsa生物膜；

图7是示出以多种浸渍水平生长的mrsa生物膜的比较测试和控制示例；

图8是示出以多种浸渍水平生长的mrsa生物膜的比较测试示例；

图9是示出直接在不锈钢(ss)上生长的ci-cnts的顶部表面；

图10是示出不锈钢后刮痕测试的ci-cnts；

图11是示出经fib(聚焦离子束)切削的l5秒生长，示出ci-cnts具有约4um的高度；

图12是示出图案化涂在3mm直径杆上的ci-cnt；

图13是示出裂缝区域与ci-cnt高度相比较的图表；

图14a-b是示出研究中使用的以一半纵切的两个凹形石英管基片；

图15是示出通过长ci-cnt生长的1mm内径的横截面图。红色标记示出分析的ci-cnts；以及

图16a-d示出内径(ids)和ci-cnt生长高度之间多种组合，a：小内径，长生长；b：大内径，长生长；c：小内径，短生长；d：大内径，短生长。

具体实施方式

出于举例目的，虽然以下详细描述中包括一些具体说明，但本领域中的普通技术人员应理解，可对以下的说明进行各种改变和替换，并被认为是包括在该说明中。

在描述和请求本发明时，将使用以下术语。

本发明中，“包括(comprises)”、“包含(comprising)”、“含有(containing)”和“具有(having)”之类的，可具有美国专利法中所赋予其的含义，并可以表示为“包括(includes)”、“包含(including)”之类的，一般解释为可扩充术语。“由…组成”或“由…构成”的术语是封闭式的，只包括组成部分、结构、步骤等，或是与这些术语相关被特别列出的，以及符合美国专利法规定的等等。“本质上由…组成”或“本质上由…构成”具有通常美国专利法所赋予其的含义。特别是，该术语一般为封闭式术语，除了允许包含额外的物体，材料，组件，步骤，或元素以外，但不实质性影响连接在其中的物体的基本性和新颖性特性或功能。例如，微量元素，当表达为“本质上由…组成“时，其可允许存在于组成中，但不影响组成的性质或特点，即使没有根据术语明确说明项目列表。当使用可扩充术语，如“包括”或“包含”，应理解，当明确表示，须提供直接支持时，也可以是“本质上由…组成”的语句，以及“由…组成”的语句，反之亦然

说明书和权利要求中的术语“第一”，“第二”，“第三”，“第四”等，其被用于区分相似的元素，且并不一定是说明一个特定的顺序或按时间顺序。应理解，本文所述的实施例中，在适当的情况下，所使用的任何术语在适当的情况下都可以被互换，例如，不同于在此所示或所说明的，还可以是操作顺序。同样，当在此所述的方法包括一系列步骤，这些步骤的顺序并不是一定是可以执行的唯一的秩序，且一些规定的步骤可以被省略和/或一些没有说明的其他步骤可被添加到方法中。

在此使用的术语“结合”，是指以化学、机械、电子或非电子方式直接或间接地连接。在此所述的彼此“相邻”的对象可以是在彼此之间物理接触，彼此接近，或在同一区间或区域中彼此靠近，与所使用该短语的上下文相对应。在此使用的短语“在一个实施例中”或“在一个方面”并不一定都涉及相同的实施例或方面。

在此使用的相关术语，如“上部”、“下部”、“向上”、“向下”、“垂直”等，涉及各种组件，和组件的方向，系统的方向，以及系统可以利用的相关结构，这些术语将容易地被本领域的普通技术人员所理解。应注意，这些术语并不是用来限制本发明，而是用来以最直接的方式描述系统的组成部分和相关结构。

在此所使用的术语“基本”是指动作、特征、属性、状态、结构、项目或结果的完成或几乎完成，或完成的程度。作为任意的示例，当对象或一组对象涉及“基本”对称时，应理解其表示该对象或多个对象完全对称或几乎完全对称。在一些情况下，根据上下文，精确程度可能与绝对完全具有偏差。但是，一般来说，当获得绝对和总体完成时，接近完成将是指具有相同的总体结果。

“基本”同样适用于消极的含义，指的是完全或几乎完全缺乏行动、特征，性质，状态，结构，项目，或结果。作为任意的示例，一种开口，“基本上无”材料，将表示完全缺乏材料，或几乎完全缺乏材料，其与完全缺乏材料的效果将是相同的。换句话说，开口“基本上无”材料，实际上也可以是包含一些材料，只要不影响测量作为其结果。

在此所使用的术语“约”是用来提供数值范围端点的灵活性，通过提供一个给定的值可能是“略高于”或“略低于”端点。

定向术语，如“上部”，“下部”，“向内”，“远端”，“近端”等，在此被用来更准确地描述本发明的各种特征。除非另有说明，这些术语不用来以任何方式限制发明，仅提供说明使本领域的普通技术人员可更容易地理解。因此，虽然组件被说明为“下部”组件，但装置或系统被安装到患者时该组件可能实际上是高于其他组件。“下部”的术语可以用来简化各种附图的说明。

距离、力、重量、数量和其他数值数据可在此以范围格式被表现或表示。应理解，该范围格式仅仅为了方便使用，因此可灵活地解释为不仅包括限制范围的明确数值，当各数值和子范围被明确说明时，还包括涵盖范围内的所有个别数值或子范围。

在此所使用的多个项目，结构元件，组成元件，和/或材料可能会为了方便被表现在通用的列表中。然而，这些列表应该被解释为，列表中的各成员被单独地识别为一个独立和唯一的成员。因此，该列表中的单独成员不应被解释为，完全基于共群中的表现的相同列表中任何其他成员的实际等值而没有相反的显示。

浓度，数量，和其他数值数据可以是通过范围格式被表示或提出。应理解，该范围格式是仅仅为了方便被使用，因此，应被灵活地解释为，不仅包括明确表示范围被限制的数值，而且还包括当各数值和子范围被明确时，涵盖在该范围内的所有个体数值或子范围。作为一个例子，“约1到5”的数值范围应解释为不仅包括被明确的约1到5的值，而且还包括该指示范围内的个体值和子范围。因此，在该数值范围内包括：类似2，3，和4的个体值，以及类似1-3，2-4，3-5等的子范围，以及个别地1，2，3，4，和5。

应用于范围的相同原则为仅一个数值是最小或最大的。此外，该解释在应用时与范围幅度或描述的特性无关。

示例性实施例

下面示出示例实施例的初步概述，并进一步详细描述了具体的实施例。该初步概述的目的在于帮助读者更快地理解技术概念，但并不是用来确定关键或基本特征，也不是用来限制在此请求的对象范围。

微生物或细菌感染在医疗保健，卫生，个人健康及类似等方面可能会导致许多问题。减少人群中有问题的细菌感染发病率的一个障碍涉及到事实上许多有害细菌可能生长在不同的表面。此外，尽管广泛使用抗生素，但快速繁殖的能力还使更具弹性的细菌菌株增殖，因此，抗生素抗性增加。许多表面频繁地被许多人接触，因此可能在整个人群中进一步传播有害的微生物如细菌。所述表面可以包括，门把手、皂液器、人行横道按钮、扶手、承轨，电话，键盘，鼠标，触摸屏，手机，以及包括许多其他共享装置等，但并不局限于此。

为了解决上述问题，在此提出一种新的技术方法，减少表面，材料，装置等上的微生物。具体地，本技术提供一种具有微生物抗性的材料。应注意，术语“微生物”可以包括任何微观有机体，无论是单一的或多细胞的，可以在所述的材料上减少生长。常见的微生物包括任何数量的细菌种类。因此，术语“细菌”和“微生物”可以方便地互换使用，因为在一些情况下，术语“微生物”包含更广泛的一系列可能的物种。

在一个实施例中，如图1所示，具有微生物抗性面层100，可以包括：支撑基片110；与支撑基片110结合的碳纳米管层120；和浸渍到碳纳米管层120中的浸渍剂材料125。浸渍剂材料125至碳纳米管层120的应用可以形成微生物抗性的拓扑图案。如图1所示，碳纳米管层120经浸渍剂材料125被浸渍，形成多个表面特征128、集合形成微生物抗性的拓扑图案。应注意，在此描述的单个特征为碳纳米管层120可以包括单个碳纳米管，或多个碳纳米管，其由图1中的单个碳纳米管柱(即碳纳米管层120)表示。

每个表面特征128具有直径，如130a或130b，以及高度，如140a或140b。此外，中心距，如150a或150b，在单个表面特征之间被保持。虽然直径，高度，以及表面特征之间的距离被示出只有两个变化，但直径，高度，以及表面特征之间的距离也可以有多种变化，来生成上述的微生物抗性的拓扑图案。因此，尽管在一些实施例中，直径、高度和/或中心距之间具高度的一致性，但在其他实施例中也可能是非一致性的。表面特征直径，高度，及中心距的示例性范围被提出作为广义描述用来示出潜在的拓扑图案参数，但是应理解，本领域的技术人员可以改变图案参数并测试微生物的生长，其包括在本发明中。应强调的是，图1为简单的附图，仅用于说明目的，不应被解释为字面定义当前技术的实施例。

本发明公开的技术可用于各种结构、装置等。非限制性示例可以包括各种医疗装置，电子装置，任何常见的接触表面等。例如，在一个方面，微生物抗性层可应用于医疗装置，结构，系统等。例如可以是需要减少微生物生长的任何表面，无论是生物环境，还是医疗环境中装置或系统的一部分，诊断工具，重复使用的物品，医疗环境中的表面，或类似等。非限制性示例可以包括手术工具或仪器，植入式装置，插入式装置，诊断装置，修复装置，医疗器械，手术或急救室表面等，以及其他任何微生物可能生长和蔓延的表面。其他特定的非限制性示例可包括解剖刀、剪刀、钻头、木锉、套管、咬骨钳、抓钳、夹、拉钩、牵引器、扩张器、吸引器头、管、订书钉和订书机、去钉器、针、望远镜、测量装置，载体和涂抹器、支架、销、螺钉、板、杆、阀，骨科植入物，耳蜗植入物，心脏起搏器、导管、传感器和监视器，牙垫等。

另一方面，微生物抗性层可以应用到电子装置、系统或其他电子的相关表面。非限制性示例可以包括移动电话，笔记本电脑，键盘，鼠标，电脑终端，平板电脑，手表，触摸屏，游戏控制器等。

其他装置和表面的非限制性示例可包括门把手、皂液器、人行横道按钮、扶手、承轨、柜台面、食物台，以及服务物品等。

在一个实施例中，本技术可以采用结合至支撑基片的碳纳米管层。应理解，在本领域中，具有各种方法来制造碳纳米管，如电弧放电，激光烧蚀，等离子炬，化学气相沉积(cvd)，以及其他。本发明范围并不局限于制备碳纳米管的技术或特定的浸渍技术。在使用mems制造工程的一个非限制性示例中，掩模可以通过具体的二维几何被制成。碳纳米管可垂直地生长，将二维几何压成三维碳纳米管簇。因此，在一个方面，本技术的碳纳米管层可以通过该技术或其他技术从支撑基片上生长，不管是否使用掩模。在另一方面，碳纳米管可以在单独的基片上生长或以其他方式制造，然后以模制方式沉积在支撑基片上并形成碳纳米管层。

碳纳米管层可以形成或沉积到基片上，且浸渍剂材料可以浸渍到碳纳米管层中，形成表面特征的拓扑图案，其具有微生物抗性。碳纳米管层可通过一种模式被施加到支撑基片上，该模式有助于形成所述的拓扑图案，或是碳纳米管可被应用且与最终的拓扑图案无关。可以利用各种浸渍剂材料，包括碳、热解碳、碳石墨、银、铝、钼、钛、镍、硅、碳化硅、聚合物、及上述组合，但并不局限于此。

在通过浸渍剂材料被浸渍之后，获得的层可以是微生物抗性，独立的化学成分。例如，表面特征的微生物抗性拓扑图案可被配置用来对抗与支撑基片接触的微生物或细菌。因此，细菌可以被限制在一组表面特征的末端，并防止接近和附着于支撑表面进行复制和生长。此外，表面特征本身或其组合可以被配置或隔开，以防向细菌细胞提供足够的生长表面。换句话说，表面特征的拓扑图案具有足够的表面特征密度，足以限制微生物与支撑基片接触，且不足以使表面特征本身作为微生物生长基质。因此，浸渍的碳纳米管层不包括促进微生物或细菌生长的适当表面。

因此，表面特征的微生物抗性拓扑图案可被配置用来减少支撑基片上的细菌生长。在一个实施例中，表面特征的微生物抗性拓扑图案可提供抑菌表面以防止细菌附着在表面和复制。在另一个实施例中，表面特征的微生物抗性拓扑图案可以提供杀菌表面。在一个方面，该表面可以杀菌，其中表面特征被配置用来刺破或刺穿细菌细胞的细胞壁/膜。在另一方面，该表面可以杀菌，其中表面特征被配置用来使细菌细胞的细胞壁/膜破损或破裂，这是由于其自身在单个表面特征上被质量压倒。

为了形成表面特征的微生物抗性拓扑图案，图案和表面特征结合在细菌耐药的方式。例如，该图案可在表面特征之间提供间距，防止或减少细菌细胞进入支撑基片。然而，间距也可以足够大，使表面特征本身不提供用于细菌细胞的生长基质。同样地，表面特征可以具有适当的直径和高度以容纳表面特征之间的间距，来限制支撑基片上的细菌细胞，从而如上所述不向细菌细胞提供生长表面。因此，密度，直径，高度等不同的组合，可以实现合适的表面特征的微生物抗性拓扑图案，可被优化来用于特定的应用和细菌细胞。

因此，表面特征的微生物抗性拓扑图案可以具有多种密度。在一个方面，表面特征的微生物抗性拓扑图案密度可以是每平方微米一表面特征至每平方微米一万表面特征。另一方面，表面特征的细菌抗性拓扑图案密度可以是每平方微米25表面特征至每平方微米7300表面特征。另一方面，表面特征的细菌抗性拓扑图案的密度可以是每平方微米750表面特征至每平方微米5000表面特征。

表面特征可以具有多种直径。表面特征的直径可与多种原因相关。例如，当直径太小，表面特征可能缺乏足够的刚度来支持细菌细胞。因此，表面特征可能被移位或弯曲，以允许细菌细胞进入支撑基片进行粘附、生长和复制。然而，当直径过大，表面特征可能会相互邻接，或者其可能足够大向细菌提供生长表面。此外，不同的浸渍剂材料可能传递不同的结构特征，因此，浸渍至不同直径可能有利于不同的材料。在一个方面，表面特征可具有10nm至1000nm的的直径。在另一个方面，表面特征可具有50nm到500nm的直径。在另一个方面，表面特征可具有100nm至200nm的直径。

表面特征还可以具有各种高度。特定高度的相关性在一定程度上与直径的说明相平行。表面特征约高约可能会弯曲，从而允许微生物进入至支撑基片。因此，在一个方面，表面特征可以具有约1细菌细胞直径的高度。虽然细菌可能具有各种各样的直径，表面特征可被专门设计为特定大小或特定范围的细菌。此外，一些细菌的直径范围为0.2微米至2微米，且由此，在一些方面，表面特征的高度范围可以是0.2，0.5，1或2微米至10，100或1000微米。

虽然如上所述，在任何给定的直径或高度，仍然可以考虑表面特征的间距。在一个方面，单个表面特征之间的中心距可以保持在200nm至800nm。在另一方面，单个表面特征之间的中心距可以保持在200nm至600nm。在另一方面，单个表面特征之间的中心距可以保持在300nm至500nm。

由于表面特征的配置可以通过不同的模式，间距和直径/高度的表面特征实现微生物抗性，因此，在本领域中应理解，该碳纳米管层可以通过各种其他表面被取代，其包括在本发明中。例如，表面可以被塑造成具有上述指定的配置，从而使表面具微生物抗性。此外，该表面可以被蚀刻，以实现等效配置。此外，该表面可通过cvd或物理气相沉积(pvd)方法被沉积。这些表面中的一些也可以被浸渍以实现所需的配置，而其他的可以配置为不浸渍。因此，不管是否具有碳纳米管层，用于表面特征的微生物抗性拓扑图案的特定配置的任何表面特征都应被认为是在本技术的范围内。

在另一个实施例中，示出一种用于减少表面微生物生长的方法。该方法可以包括以下步骤：在支撑基片上沉积碳纳米管层；以及使用浸渍剂材料来浸渍碳纳米管层。从而可以形成表面特征的微生物抗性拓扑图案。

如上所述，可以使用本领域中各种已知的方法来沉积碳纳米管层。在一个方面，碳纳米管层可以在支撑表面上生长。在另一方面，碳纳米管层可以通过cvd或pvd中的至少一个被沉积在表面上。在另一方面，碳纳米管可以生长或沉积在单独的基片上，并转移或施加到支撑基片上。

合适的支撑基片类型可以包括任何类型的有用材料，微生物抗性层可被形成于其上。例如，在一个方面，支撑基片可以包括各种金属、金属合金、聚合物、陶瓷、半导体等，以及上述组合。非限制性示例可以包括铁，钢，不锈钢，镍，铝，钛，黄铜，青铜，锌等，以及上述组合。其他非限制性示例可包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、尿素甲醛、呋喃类、有机硅等，以及上述组合。此外，其他非限制性示例可以包括硅，石英，玻璃等，以及上述组合。

示例

示例1-浸渍的碳纳米管

碳纳米管在750℃下生长，通过使用乙烯气体作为碳源，流速约为146seem。厚度为2-10nm的铁层被用来作为纳米管生长的催化剂。测试生物膜生长的样品通过使用7nm的催化剂层被生长。纳米管的密度经生长之前沉积的铁催化剂层的厚度被控制。在900℃下通过使用乙烯气体作为碳源，碳纳米管被浸渍(流速约为214seem)，约1-60分钟生成碳浸渍的碳纳米管(ci-cnts)。

图2示出中度(30分钟)浸渍样品的俯视图像。该图像示出表面特征，直径约为100-200nm，且大约被隔开300-500nm。

图3示出低度(3分钟)浸渍样品的俯视图像。在这种情况下，柱直径约为20-50nm。

图4示出高度(60分钟)浸渍样品的俯视图像。在这种情况下，碳纳米管层被完全填充，留下相邻的球形突起表面，而不是间隔的表面特征。

图5从侧面示出示例性碳纳米管簇，示出浸渍材料涂抹碳纳米管的整个长度，材料中留有空洞(或孔)。

示例2-表面的微生物抗性

mrsa生物膜测试在ci-cnt表面上被执行来决定细菌抗性。三个ci-cnt样品和对照品如示例1所述以低，中，高不同的浸渍水平被准备。每个测试样品被接种mrsa细菌，且对照品不接种。随后，每个样品和对照品被放入到将使mrsa细菌蓬勃繁殖并经48小时生成生物膜的环境中。通常情况下，如图6所示生物膜被生成。然而，如图7所示，尽管测试样品被接种mrsa细菌并提供最佳的48小时生长环境，但测试样品和对照品之间几乎没有什么区别。因此，虽然ci-cnt表面上具有细菌细胞，但其没有如预料在生长条件下被复制生成如图6所示的典型生物膜。这表明ci-cnt表面抵抗细菌生长和复制。

与先前的测试相似，进行了附加的研究，不同的是24个样品在同一时间被测试。每个样品被放入相同的室中用于48小时的潜伏期。如图8所示的代表性sem图像。各种图像之间具有形态差异，但其对于生物膜并不常见。中度浸渍对于生物膜的抑制效果优于低度浸渍和高度浸渍样品。此外，基于示例1中说明的浸渍参数，其被发现，高度有效的表面特征配置可以通过在950℃下浸渍约16分钟被获得。

示例3-在不锈钢上生长ci-cnts

铁是用于cnt生长的催化剂。因此，本研究探讨了不锈钢(ss)中存在的铁是否可以被用作cnt生长的催化剂。如图9所示，cnts可以在不锈钢表面上直接被生长而无需外部催化剂。其极大地简化了制造过程。此外，由于催化剂是在基片内，粘合强度可被提高。其允许使用cnts将不锈钢医疗植入物或工具涂层，以获取有益的抗菌性能。

虽然可以使用各种方法，但当前的ss样品以高浓度盐酸被蚀刻15分钟。然后将样品转移到炉中用于生长和浸渍。该蚀刻过程可将不锈钢上的氧化铬层部分地去除，并允许铁被使用在cnt生长过程中作为催化剂。

通过sem成像和刮痕测试，对不锈钢样品进行了分析。顶部表面被sem成像，观察其是否视觉地匹配硅基片表面。如图9所示，不锈钢样品确实与中度浸渍水平的硅基片相匹配，但样品需要更长的浸渍时间。刮痕测试通过使用尖锐镊子被执行划伤表面(图10)。通常，不锈钢上ci-cnts的附着力被两极化，因此，可以是较好地粘附或是最小接触剥落。

如图11所示，不锈钢上15秒的生长可以导致约4微米的生长高度。生长密度和特性通常与典型的硅样品相似。

示例4-多种基片配置上生长的ci-cnts

ci-cnts的一个独特的特征在于其“生长”，这表示其具有被涂在各种表面几何形状上的潜在性。因此，在此研究了各种表面几何形状上ci-cnts的生长特性。首先，3mm直径杆被涂上ci-cnts。在此发现，凸状基片可能具有裂缝的问题(图12)。

为了评估这种裂缝现象的原因，铁的厚度，cnt高度，浸渍水平，和生长后的冷却时间被测定。结果表明，铁的厚度和cnt高度为主要变量，影响开裂。增加铁的厚度可减小裂缝面积。增加ci-cnt高度会增加裂缝面积(图13)。因此，通过优化这些变量可以减少并最终消除凹形表面上的ci-cnt裂缝。

凹形基片也被评估。特别是，对两个变量进行了测试：曲率半径和ci-cnt高度。石英管沿轴线被切割，且ci-cnts通过相同的方法被生长作为硅晶基片(图14a-b)。在生长和浸渍之后，每个管被断成两段，sem图像示出内部截面。这些sem图像暴露出生长中的缺陷，例如cnt弯曲以及内部裂缝(图15)，由此确定协调内径(id)和ci-cnt高度的重要性。sem示例的结果在图16a-16d中被示出。总体上，相比小内径(1-2mm)，具大内径(3-4mm)的长ci-cnt生长结合更好。然而，短ci-cnt可与所有测试的内径都较好地生长结合。ci-cnt生长的一个潜在缺点是较脆弱。部分原因是由于cnts不附着于石英管。然而，当其被附至不锈钢的基片时不具有该问题。

虽然上述的示例在一个或多个特定的应用中被示出说明本发明的原理，但应理解，本领域的普通技术人员无需创造性的实践可对形式、用法、和实施细节进行修改，且不脱离本发明的原理和概念。因此，除了后附的与应用相关的任何权利要求，上述示例并不用来限制本发明。