用于活性生物淤積控制的裝置和方法

用于活性生物淤積控制的裝置和方法
【專利摘要】本發明公開了用于活性生物淤積控制的裝置和方法。一方面，一裝置包括一與生物材料相接觸的表層。該裝置還包括一被配置為將表層在第一形態和第二形態之間變化的結構的機構。當結垢劑與處于第一形態的表層相結合，從第一形態到第二形態的變化超出表層上結垢劑剝離的臨界應力而使表層變形。
【專利說明】用于活性生物淤積控制的裝置和方法
[0001] 相關申請的交叉引用 本申請來源于2011年9月28日提交的題為"用于活性生物淤積控制系統和方法"的 美國臨時專利申請61/540,051，其內容全部通過引用結合于此。

【技術領域】
[0002] 本發明公開的技術主題涉及一種用于活性生物淤積控制的裝置和方法。
[0003] 聯邦政府贊助的研究或發展 本發明是在美國海軍研究機構授予的批準號N00014-08-0741和N00014-10-1-0907以 及美國國家科學基金會授予的批準號DMR-1 121 107的政府支持下所作出的。美國政府擁 有本發明的某些權利。

【背景技術】
[0004] 生物淤積問題阻礙了全世界許多工業操作、軍事行動和醫務治療，并且其每年花 費超過10-1000億美元。這依然是一個重要的根本問題，它顯著阻礙了人們對生物系統操 作的能力。因此，需要提供一種可多方面應用的生物淤積控制的裝置和技術。
[0005] 概述 本概述以簡化形式引入一組概念并進一步在之后的詳細說明內描述。本概述并不旨在 確定關鍵特征或所要求保護的主題的必要特征，也不是旨在用于限制所要求保護的主題的 范圍。
[0006] 本發明公開了用于活性生物淤積控制的裝置和方法。一方面，一裝置包括一與生 物材料相接觸的表層。該裝置還包括一被配置為改變表層為第一形態和第二形態之間的結 構的機構。當結垢劑與處于第一形態的表層相結合，從第一形態到第二形態的變化超出表 層上結垢劑剝離的臨界應力而使所述表層變形。
[0007] 另一方面，一系統包括一電極和一連接至所述電極的膜，所述膜有與生物材料相 接觸的表層。該系統還包括被配置在電極和生物材料之間提供電壓的電壓源，所述電壓源 使得表層在第一形態和第二形態間變化。當結垢劑與處于第一形態的表層相粘合時，從第 一形態到第二形態的變化超出表層上結垢劑剝離的臨界應力而使所述表層變形。
[0008] 另一方面，提供一從表層分離細胞組分的裝置。該裝置包括一接觸細胞組分的表 層。進一步，該裝置包括被配置為改變表層為第一形態和第二形態之間的機構，其中，所述 細胞成分附著在在所述第一形態上。從第一形態到第二形態的變化超出表層上細胞組分剝 離的臨界應力而使所述表層變形。
[0009] 另一方面，一裝置包括被配置為測量一種生物材料物理狀態并基于測量生成信號 的傳感器。所述傳感器包括一接觸生物材料的表層。進一步，該裝置包括一至少部分覆蓋 傳感器表層的覆蓋層，所述覆蓋層定義為與生物材料相接觸的另一個表層。該裝置還包括 一配置為改變覆蓋層表層為第一形態和第二形態的機構。當結垢劑與處于第一形態的傳感 器表層和覆蓋層表層相結合，從第一形態到第二形態的變化超出至少一部分覆蓋層表層上 結垢劑剝離的臨界應力而使覆蓋層表層變形，這樣所述變化使得至少部分傳感器表層暴露 于生物材料。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 上述概述以及下述多個實施例的詳細說明結合附圖閱讀時能更好理解。為了說明 的目的，示出在附圖中的示例性實施例，但是，本發明公開的主題并不限于所公開的具體方 法和變形。
[0011] 圖1所示為本文所提供的實驗中使用步驟的示意圖。
[0012] 圖2所示為側面示意圖，示出了在激勵樣本表層（A)上的生物膜因聚合物膜變形 而分離，而在對照樣本表層（B )上的生物膜被保持。
[0013] 圖3所不為突光顯微鏡圖，不出了在（A)對照聚合物膜（50 μ m厚度）；（B)激勵聚 合物膜（50 μ m厚度）；（C)激勵聚合物膜（10 μ m厚度）；和（D)對照聚合物膜（10 μ m厚度） 上的C.瑪麗娜細胞（C.marina cells)。圖3E示出了每個聚合物膜細胞密度的量化曲線 圖。
[0014] 圖4所示為熒光顯微鏡圖，示出了軟聚合物的波長圖案隨軟聚合物的厚度從 1mm 1 μ m變化而變化。波長（λ )是聚合物膜厚度的1. 5倍。
[0015] 圖5所示為通過改變相對于對照樣本的熒光而測量的細菌（C.瑪麗娜）生物膜釋 放的電激勵效果圖。所述生物膜在不同的彈性生物膜表層上形成了4天。當所述表層上 的媒質在持續性流量（0. 5ml/min)的低剪切下不斷置換(沖洗)，電激勵通過循環20分鐘 (0· 2HZ)的0V-20V電壓完成。
[0016] 圖6所示為顯示PDMS介電彈性體膜模量在固定折痕大小的C.瑪麗娜生物膜釋放 時的效果圖。所述生物膜是將表層暴露在細菌懸液中4天而形成的。電激勵是通過傳遞足 夠大的震蕩電壓，使得所有樣本（2(Γμπι)在20分鐘形成大致相同大小的折痕，而所述表層 上方的溶液是在持續性流量（〇. 5ml/min)的低剪切下不斷置換(沖洗)。
[0017] 圖7提供了生物膜從彈性體表層釋放的可能機理的示意圖。準確地說，一種受施 加在聚合物基底上的外部應力ε影響的表層面積變化。
[0018] 圖8所示為生物膜保留-表層面積部分擴展的圖表。
[0019] 圖9示出了細菌生物膜受電壓作用從介電彈性體分離。（a)層狀結構、激勵機理和 細菌生物膜分離的示意圖；（b)外加電場可引發彈性體表層發生明顯變形，最大主應力的 輪廓；（c)所述變形分離了超過95%附著在彈性體表層的生物膜（C.瑪麗娜)，所述變形在 10分鐘內進行200次周期性激勵。
[0020] 圖10示出了生物膜從拉伸的彈性體膜分離。（a)分離機理示意圖；（b)根據外加 應力的C.瑪麗娜生物膜的分離百分比；（c)根據外加應力的大腸桿菌（E. coli)生物膜的 分離百分比。所述彈性體在3分鐘內進行30次周期性單軸拉伸至設定應力。
[0021] 圖11示出了藤壺從拉伸的彈性體膜分離。尤其是，圖11 (a)示出了依據本發明 實施例公開的兩個不同操作階段的分離機理示意圖；圖11 (b)示出了藤壺從拉伸的彈性體 膜分離的示意圖；圖11 (c)示出了在本例中所需用于將藤壺從彈性體膜分離的剪切力隨施 加在膜上的外力影響而減小的示意圖。所述彈性體在3分鐘內進行30次周期性單軸拉伸 至設定應力。
[0022] 圖12示出了受壓縮空氣激勵的細菌生物膜從動態表層分離。（a) C.瑪麗娜生物 膜和藤壺一同繁殖的動態表層的結構不意圖；（b)激勵前后所述表層的照片和突光顯微鏡 圖；以及（c)根據外加壓力的生物膜分離百分比和藤壺分離剪切力百分比。所述動態表層 在3分鐘內進行30次激勵。
[0023] 圖13示出了在高電場作用下的彈性體覆蓋層不穩定。所述不穩定是受所述膜的 感應電場力造成。面板（a)_ (f)的圖為在加入電場后的彈性體覆蓋層。面板（g)_ (i)顯 示了外加電場的方向。
[0024] 圖14示出了電場應用使得在剛性基底上的膜形狀發生變化。
[0025] 圖15示出了引發彈性體膜形狀變化的臨界點的理論和實驗結果的關系。
[0026] 圖16所示為依據本發明實施例公開的裝置的側視圖。
[0027] 圖17所示為依據本發明實施例公開的且具有將結垢劑從與生物材料接觸的裝置 表層分離的結構的一裝置的橫截面視圖。
[0028] 圖18所示為圖17中所述裝置的橫截面視圖。
[0029] 圖19所示為圖17中所述裝置的側視圖。
[0030] 圖20所示為圖17中所述裝置的橫截面視圖。
[0031] 圖21所示為依據本發明實施例公開的且具有將結垢劑從與生物材料接觸的裝置 表層分離的結構的一裝置的橫截面視圖。所述裝置有9個空腔。
[0032] 圖22所示為依據本發明實施例公開的具有將結垢劑從與生物材料接觸的裝置表 層分離的結構的一裝置的橫截面視圖。所述裝置有單個空腔。
[0033] 圖23所示為依據本發明實施例公開的具有將結垢劑從與生物材料接觸的裝置表 層分離的結構的一裝置的橫截面視圖。所述裝置具有為第一內腔沖刷的第二內腔。
[0034] 圖24所示為沿著圖23中所述裝置長度，在第一內腔和第二內腔之間的流體連接 的橫截面視圖。
[0035] 圖25所示為圖17中所述裝置的橫截面視圖，并示出了依據本發明實施例公開的 當4個空腔膨脹時，所述內腔側邊如何相互接觸。
[0036] 圖26所示為圖25中只有一個空腔膨脹而有效密閉所述空腔的裝置的側視圖。
[0037] 圖27示出了一能產生顯示生物材料物理狀態信號且能將結垢劑從系統中的傳感 器表層分離的裝置的橫截面側視圖。所述橫截面視圖示出了所述裝置上的覆蓋層的表層的 第一形態。
[0038] 圖28示出了圖27中所述裝置的橫截面側視圖，并示出了所述覆蓋層表層從第一 形態到第二形態的變化產生了可允許分析物進入而用于傳感器測量的裂縫。
[0039] 圖29示出了依據本發明實施例公開的另一能產生顯示生物材料物理狀態信號且 能將結垢劑從系統中的傳感器表層分離的實例裝置的橫截面側視圖。
[0040] 圖30示出了圖29中的橫截面側視圖，并示出了所述覆蓋層表層從第一形態到第 二形態的變化產生了可允許分析物進入而用于傳感器測量的裂縫。
[0041] 圖31示出了依據本發明實施例公開的且包括受相關膨脹組分形成多個空腔的一 實例裝置的橫截面俯視圖。
[0042] 圖32示出了所述空腔膨脹的圖31中所述實例裝置的橫截面俯視圖。
[0043] 圖33示出了依據本發明實施例公開的另一實例裝置的橫截面俯視圖。在圖33中 的裝置不包括在圖31和圖32中所示的通道。所示在第一位置的覆蓋層的空腔未膨脹。 [0044] 圖34示出了圖33中除了所述覆蓋層在空腔膨脹的位置外的所述裝置橫截面的俯 視圖。
[0045] 詳細說明 本發明公開的主題被明確描述，以滿足法定要求。然而，該描述本身并非旨在限制本 專利的范圍。相反，發明人設想所要求保護的主題還可以其他方式實施，包括不同步驟或元 素類似于本文檔中描述的，可與其他目前或未來技術相結合。此外，盡管本文中使用的術語 "步驟"意味著所采用方法的不同方面，但該術語不應被解釋為意味著各個步驟之間的任何 特定順序，除非各個步驟的順序是明確描述。
[0046] 除非另有定義，本文所使用的所有技術術語具有與本發明所屬領域的普通技術人 員通常理解相同的含義。
[0047] 本文使用的冠詞"一"代表一個或多于一個（S卩，至少一個）冠詞的語法對象。例 如，"一個元素"是指至少一個元素，并且可以包括一個以上的元素。
[0048] 在描述附圖中示出的多個本發明實施例時，采用特定術語用于清楚描述。
[0049] 然而，本發明公開的主題不旨在限于如此選擇的特定術語，并且應當理解每個特 定元素包括以類似方式實現類似目的的所有技術等同物。
[0050] 本文所公開的動態彈性體膜有許多應用，包括在設備或容器中抑制生物淤積累 積。這樣的例子包括，材料處于潮濕環境的任何情況，諸如船或船體，熱交換器，或醫療器械 如導管，支架，輸液管，呼吸管等。發明人的某一發現是彈性體膜的變形有助于分離結垢劑。 所述變形的發生是通過加入電壓或其他機械方式，例如拉伸，彎曲，扭曲等。因此，聚合物膜 的激勵可防止結垢的生物或化學物質沉降和附著，或作為"占空比"（duty cylce)去除在 激勵期間累積的結垢材料。同時流體剪切力的應用可用于將已分離或未附著物種從彈性體 表層附近去除。
[0051] 本發明公開的主題提供了通過表層面積的動態變化和彈性體的拓補結構對外部 刺激響應，能積極有效分離微觀和宏觀結垢生物的技術和裝置。這些動態表面可由海洋涂 料和醫療設備中的材料制成并能被電和氣刺激激勵。基于活性表層變形的新防結垢管理策 略可與其他現有且新興的生物淤積管理方法聯合使用。
[0052] 依據本發明實施例，當結垢劑暴露于水環境中時，本發明提供了一個能防止粘附， 或允許移除結構，。本文所用的術語"結垢劑"是指微生物，植物，藻類，和/或濕表層的動 物所不需要的積累。從本公開主題的角度看，術語"結垢劑"可指理想細胞類型的積累，原 核或真核，所述細胞類型在積累后從表層恢復。這些結垢劑的例子包括，但不限于細菌累積 或其他用于生化分析，真菌或其他在生物技術中積累的膜，或者在再生醫學或其他醫療程 序或研究中使用的哺乳動物細胞的積累。該結構包含，由或基本上由軟聚合物層和激勵方 式組成，其特征在于，所述激勵方式能夠超過結垢劑分離的臨界應力（ε。）使軟聚合物膜變 形。
[0053] 本發明公開的主題包括如下應用，例如許多生物膜和吸附物的分離，所述吸附物 由以下形成：（i)海洋和工業生物淤積；（ii)哺乳動物細胞培養；（iii)醫療植入物上的傳 染性生物膜形成。后者的一個例子是能夠在醫療植入物上，如通常構成彈性體的留置導管， 形成有問題的感染性生物膜。根據該裝置、方法以及本文提供的系統，有問題的生物膜可以 從這種使聚合物表層在表層面積周期性變化的導管處釋放。聚合物表層的變形可以有效地 分離微生物膜和宏觀結垢生物。
[0054] 本文使用的術語"臨界應力"指的是根據本發明的軟聚合物或其他材料表層的任 何區域的任何變化。例如，在一些實施例中，當施加電激勵時，所述表層面積可能發生變化 (即所述表層拉緊/起皺)，但是軟聚合物膜的整個寬度或長度不會。在其它情況下，整個寬 度和/或長度可以改變，當軟聚合物薄膜被拉伸，拉扯，扭曲等。
[0055] 本文使用的動作術語"改變形態"（change a shape)或"變形態"（changing a shape)指的是表層區域變化，表層歪曲，或表層從一形態到另一形態變化的其他類型。
[0056] 在另一實例中，本發明公開的主題提供了包括一機構的裝置、方法和系統。所述機 構包括被配置為改變裝置表層處于第一形態和第二形態之間的結構，當結垢劑與處于第一 形態的表層相結合，這種從第一形態到第二形態的變化使得表層變形，超出表層上結垢劑 剝離的臨界應力。使用的術語"形狀"是指在其最廣泛的意義。例如，本文所使用的形狀變 化使得所述表層變形，超出結垢劑剝離的臨界應力。形狀變化包括總表層面積變化，但不要 求在總表面積這樣的改變。
[0057] 在某一實例中，軟聚合物膜可暴露于可附著結垢劑或防止結垢劑附著的水環境 中。軟聚合物膜可以是惰性的，無毒，不易燃的物質。合適材料包括，但不限于聚二甲基硅 氧烷（PDMS)或其它硅橡膠、丙烯酸系彈性體、聚氨酯、氟橡膠等。
[0058] 軟聚合物膜的厚度應是在激勵方式應用時將能夠引起變形的。合適厚度可以為10 納米至1毫米，或1 μ m至約500 μ m。類似地，軟聚合物膜具有約0. 5千帕至2. 0兆帕，或 1. 〇千帕至1. 〇兆帕的楊氏模量。
[0059] 在某些實施方案中，所述軟聚合物膜可被涂覆，例如旋涂，或涂覆在所述剛性聚合 物膜上。在其它實施例中，所述軟聚合物膜的外表層（即，面向濕潤環境的一側）可被紋理 化。本文所用的術語"紋理"是指該彈性體表層的任何排列，使其粗糙，如脊，折痕，孔等。在 某些實施方案中，軟聚合物膜包括一波紋狀表層。
[0060] 在另一些實施方案中，所述軟聚合物膜表層也可通過化學方式改性，以進一步提 高更大的防淤積或淤積釋放性能。這些改性方式包括，但不限于，用水合聚合物覆聚合物表 層，如聚（乙二醇)衍生物，兩性聚合物（polyzwitterions)和聚合物刷或涂料與其它類型聚 合物的覆蓋層等。
[0061] 該結構還包括一激勵方式。本文使用的術語"激勵方式"是指任何能夠使軟聚合 物膜作用或動作的方式。在一些實施例中，激勵方式可以是一施加于軟聚合物膜上的機械 力，所述力可超出結垢劑剝離的臨界應力。所詳述的實施例部分，本發明公開的主題的某一 發現是機械力如何應用，如拉伸軟聚合物膜，其具有使結垢劑附著在所述表層的驚奇和顯 著能力。合適機械力包括，但不限于，拉伸、擠壓、扭曲、搖動等。
[0062] 在其它實施例中，所述激勵方式包括電激勵方式。合適的電激勵方式包括能夠產 生至少20kV電壓的任何裝置。在那些使用電激勵方式的實施方案中，該結構還包括具有一 頂側和底側的剛性聚合物膜，所述軟聚合物膜附著于剛性聚合物膜的頂側。進一步，所述 軟聚合物膜的外表層暴露于電解質溶液(例如，水）和剛性聚合物層的底側包括相對于電解 液，能使電壓通過該聚合物層的導電材料。合適材料包括，但不限于，導電金屬的薄膜，如 金，銀，鋁，錫，銅等、導電膠帶，如碳膠帶、導電氧化物，如氧化銦錫、半導體等。
[0063] 剛性聚合物膜可以包含不反應的任何材料。合適的材料的實例包括，但不限于， 聚四氟乙烯（PTFE; TEFLON)，聚（4,4' -氧二亞苯基-均苯四甲酰亞胺（ΚΑΡΤ0Ν)，聚乙烯 等。同樣也適用于剛性聚合物膜的是非聚合物絕緣膜，如陶瓷。
[0064] 剛性聚合物膜的厚度應該是在施加電壓時能夠使軟聚合物膜變形的。合適的厚度 可以為l〇nm至Ιμπι之間，或Ιμπι至500 μ m。同樣，剛性聚合物膜可具有大約為0. 5GPa至 200 GPa，或lGPa至100 GPA的楊氏模量。
[0065] 在使用中，電壓施加在所述軟聚合物膜外表層相接觸的電解質溶液和包覆在剛性 聚合物膜上的導體電極之間。電壓超過結垢劑剝離的臨界應力（〇而使所述軟聚合物膜 變形。在某些實施方案中，所施加的電壓可約為0V至20kV，或約100V至8kV，或約3kV至 6kV。合適電壓可取決于幾個因素，如聚合物膜特性等(例如，楊氏模量，厚度，材料等)，并可 以通過本領域技術人員容易確定。在其它實施例中，電壓包括一振蕩電壓。產生電流的時 長可為15，14，13，12，11，10,9,8,7,6,5,4,3,2或1分鐘。在一些實施方案中，電流產生至 少5分鐘。
[0066] 本發明公開的主題的另一個方面提供了從暴露于水溶液的表層去除結垢劑或防 止結垢劑附著的方法，所述水溶液為包括超過結垢劑粘合或剝離的臨界應力（ε。）而使所 述表層變形的水溶液。在某些實施方案中，該表層包括軟聚合物膜和一機械激勵方式。在 這樣的實施方案中，機械力，如拉伸，扭轉，擠壓，搖動等被充分地應用到超過結垢劑粘合的 臨界應力使軟聚合物膜表層變形，從而使結垢劑從軟聚合物膜上分離，或者不能附著到所 述軟聚合物膜上。
[0067] 在其他實施例中，所述表層包括具有頂側和底側的剛性聚合物膜，且所述軟聚合 物膜暴露在電解質溶液中(例如，水)。所述底側被涂覆有導電覆蓋層的電極，軟聚合物膜連 接所述剛性聚合物膜的頂側。在這種實施例中，施壓的電壓能足夠大，超過結垢劑剝離的臨 界應力（ε。）使得所述軟聚合物膜變形，從而使附著的結垢劑從聚合物表層剝離或防止結 垢劑粘合在軟聚合物表層上。
[0068] 圖10示出了藤壺從拉伸彈性體膜上剝離。特別是，圖10 (a)示出了依據本發明 實施例公開的在兩個不同操作階段的剝離機理圖；圖10 (b)為藤壺從拉伸彈性體膜分離的 示意圖；圖10 (c)為本例所需用于將藤壺從所述彈性體膜分離的剪切力隨著施加在所述膜 上的應力而減小。彈性體在3分鐘內進行30次周期性單軸拉伸至設定應力。
[0069] 尤其參照圖10 (a)，圖中描述了在"電壓接通"和"電壓關閉"不同階段的系統 1000。在本例中，該系統1000包括多層膜1002、1004、1006。膜1002可以是導電膜或任何 其他合適的導電元素。作為一個例子，所述膜1002可包括，但不限于，金屬、導電帶，導電氧 化物，半導體，或它們的組合。所述膜1006可布置在或以其他方式附著在所述膜1002上。 所述膜1006的表層1008可被紋理化，且可與生物材料1009接觸，如海洋環境中的材料(例 如海水)。所述膜1006可以是聚合物覆蓋層。該覆蓋層可通過合適的旋涂技術施加。此外， 例如，所述膜1006可以包括，但不限于，聚四氟乙烯、聚（4, 4' -氧二亞苯基-均苯四甲酰 亞胺、聚乙烯、陶瓷或類似物。此外，例如，所述膜1006可包括聚二甲基硅氧烷、硅橡膠、丙 烯酸系彈性體、聚氨酯、氟橡膠或類似物，所述膜1006可具有厚度約為10 μ m至1_，或更具 體的厚度約為lym和500μπι。另外，所述膜1006可具有約0. 5千帕至2MPa，或優選為約 lKPa至IMPa的楊氏模量。
[0070] 該系統1000可包括被配置為導電膜1002和生物材料1009之間提供電壓的一電 壓源1012。這樣所述膜1006的表層1008在"電壓關閉"的第一形態和"電壓接通"的第二 形態間變化。例如，當結垢劑1010粘附在所述表層1008上時，所述電壓源1012施加的電 壓起始關閉；電壓被提供時如圖中標示為"電壓接通"，結垢劑1010剝離。在一個例子中， 所施加的電壓可以是振蕩電壓，可約為〇. 1Hz至100Hz，或約0. 5Hz至10Hz。另外，所施加 的電壓可約為OkV至20kV，約100kV至8kV，或約3kV至6kV。在某一例中，施加電壓彡5分 鐘。合適的控制器可用于控制電壓源1012改變施壓電壓，以使所述表層在第一形態和第二 形態之間變化。
[0071] 所述膜1004可以是位于所述膜1002和1006之間的任意膜。例如，膜1004可以 是聚酰亞胺薄膜層。所述膜(例如壓縮或拉伸）可作為防止變形的PDMS膜內的電場過高的 緩沖基底。ΚΑΡΤ0Ν具有大于該PDMS 3個數量級的模量。所以，如有需要可將如ΚΑΡΤ0Ν類 似模量的任何剛性聚合物用以代替膜1004使用。所述膜可防止頂部聚合物膜過度變形，并 被電擊穿。所述膜可由剛性絕緣材料組成，可以是剛性聚合物，如ΚΑΡΤ0Ν，TEFLON，聚乙烯， 絕緣玻璃，陶瓷或類似物。
[0072] 圖11示出了藤壺從拉伸彈性體膜剝離。尤其是，圖11 (a)顯示了依據本發明實 施例公開的兩個不同操作階段的剝離機理示意圖；圖11 (b)示出了藤壺從拉伸的彈性體膜 分離的示意圖；圖11 (c)示出了在本例中所需用于將藤壺從彈性體膜分離的剪切力隨施加 在膜上的外力影響而減小的示意圖。所述彈性體在3分鐘內進行30次周期性單軸拉伸至 設定應力。
[0073] 尤其參照圖11 (a)，圖表描述了處于"電壓關閉"和"電壓接入"不同階段的一系 統1100。所述系統1100,在本例中，包括多層膜1102、1104、1106。膜1102可以是一導電 膜或其他適合的導電元素。作為一個例子，所述膜1102可包括，但不限于，金屬、導電帶，導 電氧化物，半導體，或它們的組合。所述膜1106可布置在或以其他方式附著在所述膜1102 上。所述膜1106的表層1108可被紋理化，且可與生物材料1109接觸，如海洋環境中的材 料(例如海水)。所述膜1106可以是聚合物覆蓋層。該覆蓋層可通過合適的旋涂技術施加。 此外，例如，所述膜1106可以包括，但不限于，聚四氟乙烯、聚（4, 4' -氧二亞苯基-均苯 四甲酰亞胺、聚乙烯、陶瓷或類似物。此外，例如，所述膜1106可包括聚二甲基硅氧烷、硅橡 膠、丙烯酸系彈性體、聚氨酯、氟橡膠或類似物，所述膜1106可具有厚度約為ΙΟμπι至1_， 或更具體的厚度約為1 μ m和500 μ m。另外，所述膜1106可具有約0.5千帕至2MPa，或優 選為約lKPa至IMPa的楊氏模量。
[0074] 所述生物材料1109可包括一電解質溶液。在這個例子中，所述系統1100可在船 體、海洋傳感器或類似物上制造。如圖中所示"電壓關閉"，所述系統1100處于環境中足夠 時間，以使結垢劑1110粘合在所述表層1108上。
[0075] 尤其參照附圖17,附圖17是依據本發明實施例公開的包括與生物材料1704相 接觸的一表層1702和具有能改變表層1702處于第一形態和第二形態之間的結構的一機 構1706的裝置的橫截面俯視圖。當結垢劑粘合在處于第一形態的表層1702上時，所述裝 置1700的表層1702從第一形態到第二形態的變化使得所述表層1702變形，超過所述表層 1702結垢劑剝離的臨界應力。圖18是裝置1700相同的橫截面俯視圖，描述了其表層1702 在第一形態和第二形態之間變化。粘合在與生物材料1704相接觸的所述裝置1700的所述 表層1702上的結垢劑，可通過將所述表層1702在第一形態和第二形態之間變化而被剝離。 結垢劑可以是微生物，植物，藻類和/或動物或其他更多具體的任何不理想積聚，例如，細 菌，生物膜，細菌生物膜，結晶生物膜（srystalline biofilmsor)，血栓和纖維粒。
[0076] 在一個實施例中，裝置1700的表層1702具有一用于接觸生物材料1704的內腔。 例如，該設備1700的表層1702可具有一導管的內腔1704。該裝置1700的結構1706可以 被配置為一機械力施加到表層1702,用于改變表層1702處于第一形狀和第二形狀之間。該 表層1702可由一材料限定，而通過改變所述表層處于第一形態和第二形態之間的機構，施 加氣動壓力至所述材料上。所述表層1702由含聚合物的一材料限定。該材料可包括一種 或多種聚二甲基硅氧烷，硅橡膠，丙烯酸系彈性體，聚氨酯，或含氟彈性體。
[0077] 如圖17、18,裝置1700的表層1702具有接觸生物材料的內腔1704,而被配置為 超過結垢劑剝離的臨界應力使表層1702變形的所述結構，具有至少一個大體上包圍內腔 1704且被配置為膨脹和收縮的空腔1708 ;所述空腔1708碰撞所述內腔1704,當其膨脹時 改變所述表層1702從第一形態變為第二形態，而當其收縮時改變所述表層1702從第二形 態變為第一形態。在依據本發明實施例公開的另一個例子中，裝置1700的表層1702具有一 內腔1704, 一機構包括具有至少一個空腔1708的結構1706,所述空腔1708大體上包圍內 腔1704且影響處于第一形態的所述內腔1704,并且所述空腔1708被配置為膨脹和收縮的， 如此這樣，當空腔收縮將表層從第一形態變為第二形態時，所述空腔停止碰撞所述內腔。
[0078] 該裝置1700可包括一個大體上圍繞所述一個或多個空腔1708的高硬度的鞘 1710。該裝置1700的表層1702可具有一導管的內腔1704。該裝置1700的表層1702具有 一導管的內腔1704和所述導管可以是導尿管。
[0079] 該裝置1700可包括用于氣球結構1900的孔1712,所述氣球結構1900被配置在內 部定位端膨脹，并且包括配置為內部定位端膨脹的外部定位膨脹口 1902,這樣使得氣球結 構1900膨脹再其插入后用于固定導管。圖19是依據本發明實施例公開的一裝置1700的 側視圖，其示出了膨脹的氣球結構1900。圖19還示出了該裝置1700中至少一個空腔1708 可流動地連接到被配置為充氣和放氣至少一個空腔1708的泵端口 1904。所述泵端口 1904 可被配置成通過應用注射器充氣和放氣所述至少一個空腔1708。所述泵端口 1904可被配 置為通過應用氣動壓力來充氣和放氣所述至少一個空腔1708。所述泵端口 1904可被配置 為通過應用流體充氣和放氣的至少一個空腔1708。
[0080] 圖20-22是依據本發明實施例公開的具有一接觸生物材料1704的表層1702和包 括被配置為改變所述表層1702處于第一形態和第二形態之間的結構1706的機構的裝置 1700的橫截面俯視圖。如圖20-22所示的裝置1700包括具有一些數量的空腔1708。例如， 圖20中的裝置1700有4個空腔1708,圖21中的裝置1700有9個空腔，以及圖22中的裝 置僅有一個空腔。參照圖20,內腔1704膨脹時，表層1702部分互相接觸，這樣結垢劑可從 表層上擦洗掉或以其他方式去除。
[0081] 圖23示出了裝置1700的橫截面俯視圖，所述裝置包括具有接觸生物材料的第一 內腔1704和被流動2303連接至所述第一內腔1704的第二內腔2300的一表層1702。該第 二內腔沿著該第一內腔2300地的長度流動連接至第一內腔的一個或多個位置，并且被配 置為注入沖洗液至第一內腔。圖24示出了沿著裝置1700長度的第一內腔1704和第二內 腔2300之間流體連接的橫截面示意圖。該第二內腔2300可被用于注入沖洗液，包括如藥 物或生物膜松動劑。該沖洗液可用于空腔1708膨脹和收縮前或之間增加結垢劑剝離和分 離。該設備1700可包括一個或多個沖洗液的注射口。
[0082] 圖25是圖17中的裝置1700的橫截面俯視圖，并示出了當空腔1708膨脹變為第二 形態時，內腔1704中表層1702的不同部分相互接觸的實施例。圖26是圖25中裝置1700 的橫截面側視圖，圖中其中之一空腔1708膨脹，且圖26示出了內腔1704的表層1702不同 部分的覆蓋層。圖25和26中所述裝置1700表層具有內腔1704且所述內腔可以是導尿管 內腔。導尿管感染的原因之一是，導尿管低速排水，因而不接受排尿有關且強行排出細菌的 沖刷。例如，圖25和26中一導尿管裝置的內腔表面的側邊互相接觸，使得尿液途徑密封， 并會模仿膀胱控制周期(例如，膀胱在接接觸密封使尿液流入前積聚的尿液量)。圖26僅有 一個空腔1708的所示側視有效地從內腔1704中密封尿液引流。這個密封性內腔1704能 允許更正常的生活方式和膀胱周期，且可能去除了膀胱收集袋。
[0083] 在一個實施方案中，目前公開的主題提供了將結垢劑從裝置表層剝離的方法，所 述方法包括一裝置表層在通過接觸生物材料而使結垢劑粘合的第一形態和第二形態之間 變化。這樣從第一形狀到第二形狀的變化超出結垢劑從裝置表層剝離的臨界應力而使表層 變形。該裝置表層可具有一內腔，例如圖17-26中的裝置。該裝置表層可具有導管內腔，例 如，在圖中17 - 26所示的裝置。該裝置表層可由包含聚合物的一材料限定。該表層由包 括聚二甲基硅氧烷，硅橡膠，丙烯酸系彈性體，聚氨酯，或含氟彈性體材料中的一種限定。
[0084] 在一個實施方案中，將結垢劑從裝置表層剝離的方法包括施加機械力于表層上， 使得所述表層在第一形態和第二形態之間變化。該表層可由一種材料限定，采用的機械力 包括施加氣動壓力至所述材料以使表層在第一形態和第二形態之間變化。該裝置表層可有 一內腔，例如圖17-26所示的裝置。該裝置表層可有導管的內腔，例如如圖17-26的裝置。 該表層由具有聚合物的材料所限定。該表層由包括聚二甲基硅氧烷，硅橡膠，丙烯酸系彈性 體，聚氨酯，或含氟彈性體材料中的一種限定。
[0085] 在該方法的一個實施例中，圖17-26所示裝置1700的表層1702可具有一內腔 1704,將結垢劑從表層剝離的方法可進一步包括提供一具有至少一個大體上圍繞內腔1704 的空腔1708的結構1706以及改變表層1706包括至少一個空腔1708,以使至少一膨脹空腔 1708碰撞一內腔1704并將表層1702從第一形態變為第二形態。所述至少一空腔1708可 流動地連接到被被配置為使至少一空腔1708膨脹的泵端口 1904。充氣至少一空腔1708可 包括施加氣動壓力。充氣至少一空腔1708可包括流體應用。該裝置1700可進一步包括一 大體上圍繞所述至少一個空腔1708的高硬度鞘1710。該內腔1704可以是一導管的內腔。 該內腔1704可以是一尿導管的內腔。在一個實施方案中，將結垢劑從導管表層1702剝離 的方法包括提供一氣球結構1900,所述氣球結構1900被配置為通過充氣端口 1902在內部 端充氣，使得氣球結構1900插入后，其通脹用于固定導管。
[0086] 在該方法的一個實施例中，裝置1700的表層1702具有一內腔1704,并且將結垢劑 從內腔1704表層1702剝離的方法包括提供一具有至少一個大體上圍繞所述內腔1704且 碰撞內腔的空腔1708的結構1706,以及通過在至少一個空腔1708處放氣和充氣以改變所 述表層1702,如此以致收縮的空腔1708停止碰撞所述內腔1704并將所述表層1702從第一 形態變為第二形態。
[0087] 圖17-26所示裝置1700中空腔1708的各種數量和方向，允許改變的機械力（例 如，壓縮和拉伸）施加到具有影響結垢劑剝離和分離的粘合結垢劑的表層。此外，空腔數量 和方向可允許極度膨脹以在忽略摩擦時獲得內腔1704大表層面積變形，或者可允許摩擦 度以進一步增加影響結垢劑剝離和分離的機械應力。在一個或多個實施例中，不同空腔可 以單獨地充氣和放氣，以改變表層上的機械應力。在這種方式中，該表層形狀可更大程度變 化以影響結垢劑剝離。
[0088] 在該方法的一個實施例中，圖23和24所示的裝置1700的表層1702具有第一內 腔1704,并且該裝置1700進一步包括流動2302連接至第一內腔1704的第二內腔2300,所 述連接在沿著第一內腔1704長度的一個或多個位置被配置為注入沖洗液至第一內腔1704 內。該第二內腔可被用于注入沖洗液，包括例如藥物或生物膜松動劑。所述沖洗液可被用 在空腔1708膨脹和收縮之前或之間，增加結垢劑剝離和分離。該裝置1700可包括一個或 多個用于沖洗液的注射口。
[0089] 根據本發明公開的實施例，提供了一種用于分離細胞成分的裝置。該裝置包括與 細胞成分接觸的表層。例如，表面可具有組織支架，細胞培養支架，各種加工設備，或類似的 用于保持細胞成分的。例如細胞成分包括，但不限于，細胞培養，組織培養，生物膜等。該裝 置可以包括被配置為將表層在細胞成分附著的第一形態和第二形態之間變化的機構，這樣 從第一形態變為第二形態的變化超出細胞成分從表層剝離的臨界應力以使表層變形。在一 個示例中，該機構可能是按照本文公開的任何實施例。作為一個例子，該機構可被配置為施 加機械力至表層，用于將表層在第一形態和第二形態之間變化。在另一實例中，該機構被構 造為施加氣動壓力至表層，用于將表層在第一形態和第二形態之間變化。在另一實例中，該 機構可包括一具有至少一個位于表層附近且膨脹的空腔的結構，這樣空腔施力于表層上將 表層從第一形態變為第二形態。
[0090] 根據本發明公開的實施例，提供了應用于醫療中的裝置和方法。在醫療應用中使 用的本發明的主題，就內置傳感器如葡萄糖傳感器而言，是特別有利的。這樣的傳感器會面 臨長期性能問題(例如，大于3天)，因為結垢劑如如生物膜、血栓和纖維膠囊可形成圍繞所 述傳感器并防止分析物(如葡萄糖）滲入傳感器中。如按照本發明實施例公開的示例裝置， 圖27示出了用于產生信號顯示生物材料物理狀態和將結垢劑從系統傳感器表層分離的裝 置2700的橫截面側視圖。參照圖27,裝置2700包括被配置為測量生物材料物理狀態并生 成基于所測量的信號的傳感器2702。此外，傳感器2702可包括一個或多個暴露于生物材料 的外表層2704。例如，傳感器2702可以是內置傳感器，例如，但不限于，葡萄糖傳感器。其 他例子包括氧傳感器，pH傳感器，動脈血液氣體傳感器，溫度傳感器，二氧化碳傳感器，毒劑 傳感器，或可以被浸泡在生物活性環境中的任何其他傳感器。
[0091] 該裝置2702還可以包括一至少局部覆蓋傳感器2702表層2704的覆蓋層2706。 如圖所示，覆蓋層2706不會覆蓋在傳感器尖端處的表層2704部位，所述尖端暴露于生物材 料中。覆蓋層2706可能覆蓋在傳感器2702其他不暴露于生物材料的部位。一機構可適合 連接至所述覆蓋層2706用于覆蓋層2706表層2708在如圖27所示的第一形態和如圖28所 示的第二形態之間變化。當結垢劑2710粘合在所述傳感器2702的表層2704上且覆蓋層 2706的表層2708處于第一形態時，這樣至少一部分傳感器2702的表層2704暴露于生物材 料中，則所述從第一形態到第二形態的變化，超過結垢劑2710從至少一部分覆蓋層2706的 表層2708中剝離的臨界應力使表層變形。
[0092] 在本例中，傳感器2704是配置成測量分析物2712的葡萄糖傳感器。如圖27所示， 結垢劑2710附著在傳感器2702和覆蓋層2706上。當覆蓋層移動到圖28所示的第二形態 時，結垢劑270形成裂縫2714可以形成在結垢劑2710,使得分析物2712可以移動并接觸傳 感器2702表層2704,如此進行測量。或者，當覆蓋層移動到第二形態時，所述結垢劑2710 可以基本上或完全清除。
[0093] 根據本發明，用于改變所述覆蓋層2706表層2708形態的機構包括1個或多個膨 脹成分，且每個成分具有布置在覆蓋層內的空腔。例如，膨脹成分可以布置在覆蓋層2706 內，并部分或大體上圍繞該傳感器2702。該機構還可以包括不僅被配置為流動連接至膨脹 空腔且被配置為膨脹和收縮空腔以改變覆蓋層2706表層2708處于第一形態和第二形態之 間的泵。該泵可以是，例如，本領域技術人員所理解的適合于為空腔充氣的一注射器。該裝 置2700可適合用于測量物理狀態并基于所測量產生信號。
[0094] 圖29和30示出了用于產生信號指示生物材料物理狀態和將結垢劑從系統傳感器 表層剝離的另一依據本發明公開的實例裝置2700的橫截面側視圖。參照圖29,裝置2700 與圖27和28所示的裝置類似，不同處在于傳感器2702表層2704裸露部分位于覆蓋層2706 的部分2800和2802之間。一個或多個可膨脹成分可以被布置在不同的部分2800和2802 內。分析物2712可通過裂縫2714連接傳感器2702用于傳感器2702測量。
[0095] 圖31示出了依據本發明公開的實例裝置2700的橫截面俯視圖。參照圖31，該 裝置2700包括通過相應充氣成分3102形成的多個空腔3100。泵可適當充氣空腔3100,改 變表面2708到另一個位置以剝離結垢劑。該覆蓋層可以包括多個通路，通常標示3104,每 個通路通向傳感器的裸露表層2704。圖32示出了圖31所示的空腔3100膨脹的示例裝置 2700的橫截面俯視圖。該泵還可以從空腔3100提取空氣以收縮空腔3100,這樣覆蓋層的 表層恢復到圖31所示位置。圖32還示出了分析物2712,其中的一些位于通路3104內。
[0096] 圖33和34示出了根據本發明公開的實施例的另一實例裝置2700的橫截面俯視 圖。圖33和34所示裝置2700與圖31和32所示裝置2700類似，不同處在于圖33和34所 示裝置2700不包括圖31和32所示通路3104。圖33和34分別示出了具有收縮空腔3100 的處于第一位置的覆蓋層和具有膨脹空腔3100的處于第一位置的覆蓋層。
[0097] 某一實施例或方面的特征可與任何其他實施例或方面特征以任何合適方式相結 合。例如，方法方面或實施方案的任何單個或集體的特征可以被應用到設備，系統，產品，或 實施例成分方面，反之亦然。
[0098] 雖然本實施例已經結合各個附圖的各種實施例進行了描述，但是應當理解，其它 相似的實施例可以被使用，或者可以對所描述的實施例修改和增加，不偏離且功能相同。因 此，公開的實施例不應限于任何單個實施例，而是應根據所附的權利要求在廣度和范圍上 理解。
[0099] 實施例 實施例一：實驗裝置。圖1示出了根據本發明公開的實施例以及在本節中進行的實驗 程序中的多層膜結構的示意圖。簡要地說，生物膜被允許在樣本表層上形成(步驟1)。一 批樣品通過施加振蕩電壓被激勵，而其他(對照樣本）沒有(步驟2)。激勵和對照樣品均用 SYT0 13沖洗、染色(步驟3和4)。細菌密度熒光顯微鏡下計數(步驟5)。
[0100] 聚合物表層變形導致生物膜剝離。如圖2所示，在樣本表層（圖2A)上激勵的生物 膜因聚合物膜變形而分離，而在對照樣本表層的生物膜仍保持（圖2B)。
[0101] 這個剝離可進一步在圖3中通過熒光顯微鏡顯示。熒光顯微鏡圖顯示了對照樣本 (圖3A)和激勵樣本（圖3B) 50mm聚合物膜上的C.馬琳娜細胞，以及對照樣本（圖3C)和激 勵樣本（圖3D) 10mm聚合物膜上的C.馬琳娜細胞。
[0102] 如圖4所示，在軟聚合物生成的圖案的波長，通過改變軟聚合物的厚度可以從1毫 米調整到1 μ m。波長是在聚合物膜厚度的1. 5倍。
[0103] 實施例二：使用電激勵剝離細菌生物膜：其他實施的實驗表明了生物膜的釋放是 由于激勵作用下的彈性體膜表層變形引起的。圖5示出了恒定厚度的生物膜從彈性體膜 (PDMS，SYLGARD 184，D0W CORNING INC.)表層釋放的數據，但不同的彈性模量(所述彈性 模量通過改變交聯劑質量組分3. 5%-10%而變化）在兩個外加電壓下檢測，每個振蕩幅度不 同。該彈性體膜粘合在剛性聚合物基底上（ΚΑΡΤ0ΝΓ125 μ m，DuPont)。電壓選擇為使表層 激勵的最低模量樣本(動態表層形成皺狀，折痕或"火山口")，但不為最高模量樣本。如圖 5所示，觀察到細菌生物膜釋放的高階是在兩個激勵電壓下的低模量膜，而生物膜釋放的低 階是在兩個激勵電壓下的最高模量膜（10%交聯劑)。對于具有中等模量膜表層的皺折僅當 施加高電壓時觀察到，較低電壓不能夠引起膜表層皺折。相應地，細菌釋放的高階在當施加 高交流電壓（6kV)且不是更低的電壓時方能觀察到。這些結構表明生物膜釋放的原理是取 決于聚合物表層的變形，而不是電場自身的應用。
[0104] 圖6示出了微觀數據，所述數據顯示動態表層起皺可被用于影響生物膜在具有不 同模量和不同數量的附著生物膜的彈性體膜上釋放。對于模量變化的彈性體膜，其在細菌 懸液暴露4天會形成具有不同特性的生物膜(如圖6)。高程度的生物淤積可在高模量膜上 觀察到（高交聯劑濃度)。為了檢查在不同基底上這些生物膜釋放，每個生物膜施加隨時間 變化的電壓。調整電壓幅值以獲得近似相同最大折皺大小Γ20μπι)。這些數據表明表層起 皺程度足夠產生每種情況下的大量生物膜。
[0105] 圖5和6所示數據清楚表明了振蕩電壓施加到不同模量彈性體膜的應用可被用于 從表層去除生物膜，以及生物膜的機構與表層皺折形成有關，表層皺折通過所述機構使得 生物膜釋放，所述機構有待闡明。
[0106] 實施例三：假定通過活性表層變形的生物淤積活性控制和生物膜釋放的機制。圖 7提供了用于生物膜從發生表層形變的彈性體膜表層釋放的類似機理示意圖，精確地說，一 種由于在聚合物基底上外加應力ε導致的表層面積的變化。
[0107] 在生物膜和基底之間的每單位面積的界面能為Γ。剝離區域每單位面積由生物膜 釋放的彈性能量為W ( ε )Η，所述W是生物膜的彈性能量密度，以及Η是生物膜厚度。
[0108] 生物膜剝離發生在臨界應力ε。，當 Γ=Κ ε c)H 如果生物膜是線性彈性材料，剝離的臨界應力為： 其中E是生物膜的楊氏模量。

【權利要求】
1. 一裝置包括： 一用于接觸生物材料的表層；以及 一包括被配置于將表層在第一形態和第二形態之間變化的一結構的機構，其特征在 于，當結垢劑粘附在第一形態的表層上，從第一形態到第二形態的變化超過結垢劑及從表 層上剝離的臨界應力而使表層變形。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述表層有一內腔。
3. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述表層有一導尿管內腔。
4. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述表層具有一包含聚合物的材料。
5. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述表層具有包括聚二甲基硅氧烷、硅橡 膠、丙烯酸系彈性體、聚氨酯或氟橡膠之一的材料。
6. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述結構被配置為施加機械力至所述表 層，以將所述表層在第一形態和第二形態之間變化。
7. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述表層有一材料，以及所述結構被配置 為施加氣動壓力至所述材料，以使表層在第一形態和第二形態間變化。
8. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述表層有一內腔，所述結構有至少一空 腔，所述空腔大體上圍繞所述內腔并被配置為膨脹和收縮，這樣所述空腔碰撞所述內腔，當 所述空腔膨脹時將表層從第一形態變為第二形態；而在所述空腔收縮時將表層恢復到第一 形態。
9. 根據權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述裝置進一步包括一大體上圍繞所述 空腔的高硬度鞘。
10. 根據權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述內腔是一導管的內腔。
11. 根據權利要求8所述的裝置，其特征在于，至少一個所述空腔流動連接到一被配置 為充氣至少一個所述空腔的泵端口。
12. 根據權利要求11所述的裝置，其特征在于，所述泵端口被配置為利用氣動壓力充 氣至少一個所述空腔。
13. 根據權利要求8所述的裝置，其特征在于，所訴內腔有一第一側邊和第二側邊，所 述第一側邊和第二側邊在第二形態時接觸。
14. 根據權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述裝置進一步包括用于氣球結構的 孔，所述氣球結構被配置在內部定位端膨脹，并且包括配置為內部定位端膨脹的外部定位 膨脹口，這樣使得所述氣球結構膨脹在其插入后用于固定導管。
15. 根據權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述導管是一導尿管。
16. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述表層有一內腔，所述結構有至少一 個空腔，所述空腔大體上圍繞所述內腔并碰撞第一形態的所述內腔，并被配置為膨脹和收 縮，這樣所述空腔停止碰撞所述內腔，當所述空腔收縮時將所述表層從第一形態變為第二 形態。
17. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述表層有第一內腔， 所述裝置進一步包括第二內腔，所述第二內腔沿著所述第一內腔的長度流動連接至所 述第一內腔的一個或多個位置，并且被配置為注入沖洗液至所述第一內腔。
18. -用于從一裝置表層剝離結垢劑的方法，所述方法包括：一裝置表層在通過接觸 生物材料而使結垢劑粘合的第一形態和第二形態之間變化，這樣從第一形狀到第二形狀的 變化超出結垢劑從裝置表層剝離的臨界應力而使表層變形。
19. 根據權利要求18所述的方法，其特征在于，所述表層有一內腔。
20. 根據權利要求18所述的方法，其特征在于，所述表層有一導管內腔。
21. 根據權利要求18所述的方法，其特征在于，所述表層具有一包含聚合物的材料。
22. 根據權利要求18所述的方法，其特征在于，所述表層具有一包括聚二甲基硅氧烷、 硅橡膠、丙烯酸系彈性體、聚氨酯或氟橡膠之一的材料。
23. 根據權利要求18所述的方法，其特征在于，所述表層在第一形態和第二形態之間 的變化包括施壓機械力至所述表層上。
24. 根據權利要求23所述的方法，其特征在于，所述表層有一材料，以及所示施加的機 械力包括施加氣動壓力至所述材料，以使表層在第一形態和第二形態之間變化。
25. 根據權利要求18所述的方法，其特征在于，所述表層有一內腔， 所述方法進一步包括提供一具有至少一個大體上圍繞所述內腔的空腔的結構，以及 所述表層變化包括： 充氣至少一個所述空腔，使得至少一個膨脹空腔碰撞所述內腔并將所述表層從第一形 態變為所述第二形態。
26. 根據權利要求25所述的方法，其特征在于，所述裝置進一步包括一大體上圍繞所 述空腔的高硬度鞘。
27. 根據權利要求25所述的方法，其特征在于，所述內腔是一導管內腔。
28. 根據權利要求25所述的方法，其特征在于，所述空腔流動連接至被配置為充氣所 述至少一個空腔的泵。
29. 根據權利要求25所述的方法，其特征在于，所述充氣至少一個空腔包括施加氣動 壓力。
30. 根據權利要求25所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括提供一被配置為 在一內部端膨脹的氣球結構，這樣使得所述氣球結構膨脹在其插入后用于固定導管。
31. 根據權利要求25所述的方法，其特征在于，所述導管是一導尿管。
32. 根據權利要求25所述的方法，其特征在于，所述表層有一內腔，所述方法進一步包 括提供一具有至少一個空腔的結構，所述空腔大體上圍繞所述內腔并碰撞處于第一形態的 所述內腔，以及 所述表層變化包括： 收縮至少一個空腔，這樣至少一個收縮的空腔停止碰撞所述內腔并將所述表層從所述 第一形態變為所述第二形態。
33. 根據權利要求25所述的方法，其特征在于，所述表層有第一內腔， 所述裝置進一步包括第二內腔，所述第二內腔沿著所述第一內腔的長度流動連接至所 述第一內腔的一個或多個位置，并且被配置為注入沖洗液至所述第一內腔。
34. 一系統包括：一電極； 一連接至所述電極上的膜，所述膜有一與生物材料相接觸的表層；以及 被配置在電極和生物材料之間提供電壓的電壓源，所述電壓源使得表層在第一形態和 第二形態間變化；當結垢劑與處于第一形態的表層相粘合時，其特征在于，所述從第一形態 到第二形態的變化超出所述表層上結垢劑剝離的臨界應力，使所述表層變形。
35. 根據權利要求34所述的系統，其特征在于，所述電極包括金屬、導電膠帶、導電氧 化物或半導體中的一種。
36. 根據權利要求34所述的系統，其特征在于，所述電極包括一層導電材料。
37. 根據權利要求34所述的系統，其特征在于，所述生物材料包括一電解質溶液。
38. 根據權利要求34所述的系統，其特征在于，所述膜包括一聚合物。
39. 根據權利要求38所述的系統，其特征在于，所述聚合物膜包括一覆蓋層。
40. 根據權利要求39所述的系統，其特征在于，所述覆蓋層通過旋涂技術實施。
41. 根據權利要求34所述的系統，其特征在于，所述表層被紋理化。
42. 根據權利要求34所述的系統，其特征在于，所述膜包括聚四氟乙烯、聚（4, 4' -氧 二亞苯基-均苯四甲酰亞胺、聚乙烯或陶瓷中的一種。
43. 根據權利要求34所述的系統，其特征在于，所述膜包括聚二甲基硅氧烷、硅橡膠、 丙烯酸系彈性體、聚氨酯或氟橡膠中的一種。
44. 根據權利要求34所述的系統，其特征在于，所述膜的厚度約為10 μ nTlmm。
45. 根據權利要求34所述的系統，其特征在于，所述膜厚度約為1 μ πΓ500 μ m。
46. 根據權利要求34所述的系統，其特征在于，所述膜具有楊氏模量約0. 5KPa~約 2Mpa〇
47. 根據權利要求34所述的系統，其特征在于，所述膜具有楊氏模量約1即&~約IMPa。
48. 根據權利要求34所述的系統，其特征在于，所述外加電壓為振蕩電壓。
49. 根據權利要求48所述的系統，其特征在于，所述振蕩電壓為約0. 1抱~約100Hz。
50. 根據權利要求48所述的系統，其特征在于，所述振蕩電壓為約0. 5抱~約10Hz。
51. 根據權利要求48所述的系統，其特征在于，所述外加電壓為約0kV~約20kV。
52. 根據權利要求48所述的系統，其特征在于，所述外加電壓為約100Vl^8kV。
53. 根據權利要求48所述的系統，其特征在于，所述外加電壓為約3kV~約6kV。
54. 根據權利要求34所述的系統，其特征在于，所述電壓施加至少5分鐘。
55. 根據權利要求34所述的系統，其特征在于，所述系統進一步包括一被配置為控制 所述電壓源改變外加電壓以使所述表層在第一形態和第二形態之間變化的控制器。
56. -方法包括： 提供一電極； 提供一連接至所述電極上的膜，所述膜有一與生物材料相接觸的表層；以及 提供一被配置在電極和生物材料之間提供電壓的電壓源，所述電壓源使得表層在第一 形態和第二形態間變化；當結垢劑與處于第一形態的表層相粘合時，其特征在于，所述從第 一形態到第二形態的變化超出所述表層上結垢劑剝離的臨界應力，使所述表層變形。
57. 根據權利要求56所述的方法，其特征在于，所述電極包括金屬、導電膠帶、導電氧 化物和半導體中的一個。
58. 根據權利要求56所述的方法，其特征在于，所述電極包括一層導電材料。
59. 根據權利要求56所述的方法，其特征在于，所述生物材料包括一電解質溶液。
60. 根據權利要求56所述的方法，其特征在于，所述膜包括一聚合物。
61. 根據權利要求60所述的方法，其特征在于，所述聚合物膜包括一覆蓋層。
62. 根據權利要求61所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括提供利用旋涂技 術的所述覆蓋層。
63. 根據權利要求56所述的方法，其特征在于，所述表層被紋理化。
64. 根據權利要求56所述的方法，其特征在于，所述膜包括聚四氟乙烯、聚（4, 4' -氧 二亞苯基-均苯四甲酰亞胺、聚乙烯或陶瓷中的一種。
65. 根據權利要求56所述的方法，其特征在于，所述膜包括聚二甲基硅氧烷、硅橡膠、 丙烯酸系彈性體、聚氨酯或氟橡膠中的一種。
66. 根據權利要求56所述的方法，其特征在于，所述膜的厚度約為10 μ nTlmm。
67. 根據權利要求56所述的方法，其特征在于，所述膜厚度約為1 μ πΓ500 μ m。
68. 根據權利要求56所述的方法，其特征在于，所述膜具有楊氏模量約0. 5KPa~約 2Mpa〇
69. 根據權利要求56所述的方法，其特征在于，所述膜具有楊氏模量約1即&~約IMPa。
70. 根據權利要求56所述的方法，其特征在于，所述外加電壓為振蕩電壓。
71. 根據權利要求70所述的方法，其特征在于，所述振蕩電壓為約0. 1Ηζ~約100Hz。
72. 根據權利要求70所述的方法，其特征在于，所述振蕩電壓為約0. 5Hz~約10Hz。
73. 根據權利要求70所述的方法，其特征在于，所述外加電壓為約0kV~約20kV。
74. 根據權利要求70所述的方法，其特征在于，所述外加電壓為約100V~約8kV。
75. 根據權利要求70所述的方法，其特征在于，所述外加電壓為約3kV~約6kV。
76. 根據權利要求56所述的方法，其特征在于，所述施加電壓包括所述電壓施加至少5 分鐘。
77. 根據權利要求56所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括控制所述電壓源 改變外加電壓以使所述表層在第一形態和第二形態之間變化。
78. -用于將細胞組分從表層分離的裝置，所述裝置包括： 一接觸細胞成分的一表層；以及 一被配置為將表層在細胞成分附著的第一形態和第二形態之間變化的機構，這樣從第 一形態變為第二形態的變化超出細胞成分從表層剝離的臨界應力以使所述表層變形。
79. 根據權利要求78所述的裝置，其特征在于，所述表層有組織支架、細胞培養支架或 加工設備中的一種。
80. 根據權利要求78所述的裝置，其特征在于，所述細胞成分包括細胞培養、組織培養 或生物膜中的一種。
81. 根據權利要求78所述的裝置，其特征在于，所述機構被配置為施加機械力至所述 表層，將所述表層在所述第一形態和所述第二形態之間變化。
82. 根據權利要求81所述的裝置，其特征在于，所述表層有一材料，以及所述機構被配 置為施加氣動壓力至所述材料，使所述表層在第一形態和第二形態之間變化。
83. 根據權利要求78所述的裝置，其特征在于，所述機構包括： 一有至少一個位于表層附近且膨脹的空腔的結構，這樣所述空腔施力于表層上將表層 從第一形態變為第二形態。
84. -用于將細胞組分從表層分離的方法，所述方法包括： 將表層在細胞成分附著的第一形態和第二形態之間變化，這樣從第一形態變為第二形 態的變化超出細胞成分從表層剝離的臨界應力以使所述表層變形。
85. 根據權利要求84所述的方法，其特征在于，所述表層有組織支架、細胞培養支架或 加工設備中的一種。
86. 根據權利要求84所述的方法，其特征在于，所述細胞成分包括細胞培養、組織培養 或生物膜中的一種。
87. 根據權利要求84所述的方法，其特征在于，所述表層在第一形態和第二形態之間 的變化包括施加機械力至所述表層。
88. 根據權利要求87所述的方法，其特征在于，所述表層有一材料，以及施加機械力包 括施加氣動壓力至所述材料，使所述表層在第一形態和第二形態之間變化。
89. 根據權利要求84所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括提供一有至少一 個位于表層附近的空腔的結構，以及 表層變化包括：充氣至少一個所述空腔，這樣至少一個所述空腔施力于表層上將表層 從第一形態變為第二形態。
90. -裝置包括： 一被配置為測量生物材料物理狀態并基于所述測量產生一信號的傳感器，其特征在 于，所述傳感器包括一暴露于所述材料的表層； 一覆蓋層，其至少部分覆蓋所述傳感器的所述表層并有接觸生物材料的另一表層； 一機構被配置為將一覆蓋層的所述表層在第一形態和第二形態之間變化，當結垢劑與 處于第一形態的傳感器表層和覆蓋層表層相結合，從第一形態到第二形態的變化超出至少 一部分覆蓋層表層上結垢劑剝離的臨界應力而使覆蓋層表層變形，這樣所述變化使得至少 部分傳感器表層暴露于生物材料。
91. 根據權利要求90所述的裝置，其特征在于，所述傳感器是一內置傳感器。
92. 根據權利要求91所述的裝置，其特征在于，所述內置傳感器為一葡萄糖傳感器。
93. 根據權利要求91所述的裝置，其特征在于，所述內置傳感器是氧傳感器、pH傳感 器、動脈血液氣體傳感器、溫度傳感器、二氧化碳傳感器或毒劑傳感器中的一個或多個。
94. 根據權利要求90所述的裝置，其特征在于，所述物理狀態包括一分析物的測量。
95. 根據權利要求90所述的裝置，其特征在于，所述機構包括1個或多個膨脹成分，每 個成分具有布置在覆蓋層內的空腔。
96. 根據權利要求95所述的裝置，其特征在于，所述機構包括一泵，其被配置為流動連 接至1個或多個膨脹空腔，并被配置為充氣和放氣一個或多個膨脹成分的空腔，以使所述 覆蓋層的表層在第一形態和第二形態之間變化。
97. 根據權利要求96所述的裝置，其特征在于，所述一個或多個膨脹成分包括第一、第 二膨脹成分，以及所述覆蓋層包括位于第一、第二膨脹成分之間的滲水材料，允許分析物通 向所述傳感器表層用于傳感器測量。
98. -方法包括， 提供一裝置包括： 一被配置為測量生物材料物理狀態并基于所述測量產生一信號的傳感器，其特征在 于，所述傳感器包括一暴露于所述材料的表層；以及 一覆蓋層，其至少部分覆蓋所述傳感器的所述表層并有接觸生物材料的另一表層； 暴露所述傳感器表層于所述生物材料；以及 將所述覆蓋物的表層在第一形態和第二形態之間變化，當結垢劑與處于第一形態的傳 感器表層和覆蓋層表層相結合，從第一形態到第二形態的變化超出至少一部分覆蓋層表層 上結垢劑剝離的臨界應力而使覆蓋層表層變形，這樣所述變化使得至少部分傳感器表層暴 露于生物材料。
99. 根據權利要求98所述的方法，其特征在于，所述傳感器為一內置傳感器。
100. 根據權利要求98所述的方法，其特征在于，所述內置傳感器為一葡萄糖傳感器。
101. 根據權利要求98所述的方法，其特征在于，所述內置傳感器是氧傳感器、pH傳感 器、動脈血液氣體傳感器、溫度傳感器、二氧化碳傳感器或毒劑傳感器中的一個或多個。
102. 根據權利要求98所述的方法，其特征在于，所述物理狀態包括一分析物的測量。
103. 根據權利要求98所述的方法，其特征在于，所述裝置進一步包括1個或多個膨脹 成分，每個成分具有布置在覆蓋層內的空腔。
104. 根據權利要求103所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括充氣和放氣一 個或多個膨脹成分的空腔，以使所述覆蓋層的表層在第一形態和第二形態之間變化。
105. 根據權利要求104所述的方法，其特征在于，所述1個或多個膨脹成分包括第一和 第二膨脹成分，以及 所述覆蓋層包括位于第一、第二膨脹成分間的滲水材料，允許分析物通向所述傳感器 表層用于傳感器測量。
106. 根據權利要求98所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括使用所述裝置測 量所述物理狀態并基于測量產生所述信號。
【文檔編號】A01N25/10GK104144709SQ201280056959
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2012年9月28日 優先權日:2011年9月28日
【發明者】加布里埃爾·皮·洛佩茲, 弗拉德·伍·利弗林, 趙選賀, 梵尼德候·希瓦普嘉, 王啟名 申請人:杜克大學