[发明专利]复合柱状物结构

说明书

本发明涉及复合柱状物结构，其特别地用于对柔软且粗糙的表面的粘附。所述复合柱状物结构在纵向上包括至少一个具有较低的弹性模量的区域和至少一个具有较高的弹性模量的区域，其中具有较低的弹性模量的区域优选地包括端面，其中两个区域彼此邻接。

技术领域

本发明涉及具有改善的粘附性、特别地对粗糙和/或柔软的表面的改善的粘附性的结构化表面及其制造方法。

背景技术

一些节肢动物和壁虎的粘附器官揭示了临时的可逆粘附的有前景的构思。它们的纤维状纳米或微米结构使得能够通过均匀的粘附接触在不同材料和具有不同粗糙度的基底上前向运动。这种纯物理作用的粘附体系自发现以来就已成为针对产生这种性质的人造系统的研究主题。进来，基于弹性体微观结构已证实纤维状粘附体系对非常光滑且硬的基底表面(例如玻璃、硅晶片或抛光的金属表面)的模拟成功的构思。然而，到目前为止不太成功的是，将这样的粘附机制转换至粗糙且易弯曲(柔性)的表面，尽管这在自然界中并不罕见并且对节肢动物或壁虎来说不存在障碍。

设计参数(例如原纤维直径、长径比和接触点的几何形状(几何结构))可通过微结构化技术被有针对性地改变，并且之后被研究和分析。例如，经发现，具有高的长径比的原纤维在分离期间能更好地消散弹性能量，并因此能够获得较大的粘附力。然而，高的长径比对于这样的结构的机械稳定性是不利的，因为这些结构在压缩时更易于受到欧拉屈曲(Euler buckling)或者甚至在没有力的作用下由于降低的弯曲强度而出现相邻原纤维的聚集。

纤维状结构增加了接触区域中的弹柔性，其结果是该结构比相同材料的未结构化的表面可更好地适应粗糙的基底。已经显示，粘附力随着粗糙度的增加而降低，但是这种效果可被纤维状结构的增加的柔性抵消。理论上，这可通过有效E模量的确定来描述，其中固体的固有E模量作为互穿空气体积的函数而降低。因此，以壁虎的β-角蛋白原纤维为例，已经观察到E模量降低超过4个数量级至约100kPa的有效弹性模量。此外，分层组织的原纤维结构具有抵抗在数个长度尺度(长度标)上的粗糙度的可能性，其中每个层级均覆盖限定的幅度(数量级)。

尽管在过去十年中对纤维状粘附体系的基础理解有了巨大的收益，但是迄今为止，它们的应用领域仍几乎完全地限于硬的且光滑的物体，例如玻璃、晶片和经抛光的金属表面。这种体系对柔软的、易弯曲的、常常具有粘弹性质的基底例如皮肤表面的粘附机制至今仍然知之甚少。此外，除了其粘弹性性质之外，皮肤在不同程度上是粗糙和潮湿的，并因此代表了研究的一个重大挑战。

可逆粘结的重要领域是基于范德华力的干粘附，类似于壁虎结构。这种结构是可分离的并且还可被多次使用。然而，问题在于表面的粘附力可仅受到有限程度的影响。

Bae等人(Bae,W.G.,Kim,D.,Kwak,M.K.,Ha,L.,Kang,S.M.Suh,K.Y. (2013a).Enhanced skin adhesive patch with modulus-tunable compositemicropillars.Adv.Healthc.Mater.,2,109-113)可显示，突起(projection)的端面 (endface)上的薄膜可改善对柔软表面(例如皮肤)的粘附性。然而，仅使用了薄膜并且仅经不充足地聚合，这在应用到皮肤上时是特别有问题的。

技术问题

本发明的目的在于提供具有粘附性质并且避免现有技术的缺点的结构化的表面。所述结构化的表面应特别适用于粗糙且柔软的表面。此外，提供能够制造这种结构化的表面的方法。

解决方案

该目的通过具有独立权利要求的特征的本发明得以解决。本发明的有利的扩展在从属权利要求中被特征化。所有权利要求的措辞在此通过引用并入本说明书的内容中。本发明还包括所有合理的并且特别地所有提及的独立权利要求和/或从属权利要求的组合。