用于活性生物淤积控制的装置和方法.pdf

本发明公开了用于活性生物淤积控制的装置和方法。一方面，一装置包括一与生物材料相接触的表层。该装置还包括一被配置为将表层在第一形态和第二形态之间变化的结构的机构。当结垢剂与处于第一形态的表层相结合，从第一形态到第二形态的变化超出表层上结垢剂剥离的临界应力而使表层变形。

1.  一装置包括：
   一用于接触生物材料的表层；以及
   一包括被配置于将表层在第一形态和第二形态之间变化的一结构的机构，其特征在于，当结垢剂粘附在第一形态的表层上，从第一形态到第二形态的变化超过结垢剂及从表层上剥离的临界应力而使表层变形。

2.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述表层有一内腔。

3.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述表层有一导尿管内腔。

4.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述表层具有一包含聚合物的材料。

5.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述表层具有包括聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、丙烯酸系弹性体、聚氨酯或氟橡胶之一的材料。

6.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述结构被配置为施加机械力至所述表层，以将所述表层在第一形态和第二形态之间变化。

7.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述表层有一材料，以及所述结构被配置为施加气动压力至所述材料，以使表层在第一形态和第二形态间变化。

8.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述表层有一内腔，所述结构有至少一空腔，所述空腔大体上围绕所述内腔并被配置为膨胀和收缩，这样所述空腔碰撞所述内腔，当所述空腔膨胀时将表层从第一形态变为第二形态；而在所述空腔收缩时将表层恢复到第一形态。

9.  根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括一大体上围绕所述空腔的高硬度鞘。

10.  根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述内腔是一导管的内腔。

11.  根据权利要求8所述的装置，其特征在于，至少一个所述空腔流动连接到一被配置为充气至少一个所述空腔的泵端口。

12.  根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述泵端口被配置为利用气动压力充气至少一个所述空腔。

13.  根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所诉内腔有一第一侧边和第二侧边，所述第一侧边和第二侧边在第二形态时接触。

14.  根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括用于气球结构的孔，所述气球结构被配置在内部定位端膨胀，并且包括配置为内部定位端膨胀的外部定位膨胀口，这样使得所述气球结构膨胀在其插入后用于固定导管。

15.  根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述导管是一导尿管。

16.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述表层有一内腔，所述结构有至少一个空腔，所述空腔大体上围绕所述内腔并碰撞第一形态的所述内腔，并被配置为膨胀和收缩，这样所述空腔停止碰撞所述内腔，当所述空腔收缩时将所述表层从第一形态变为第二形态。

17.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述表层有第一内腔，
所述装置进一步包括第二内腔，所述第二内腔沿着所述第一内腔的长度流动连接至所述第一内腔的一个或多个位置，并且被配置为注入冲洗液至所述第一内腔。

18.  一用于从一装置表层剥离结垢剂的方法，所述方法包括：一装置表层在通过接触生物材料而使结垢剂粘合的第一形态和第二形态之间变化，这样从第一形状到第二形状的变化超出结垢剂从装置表层剥离的临界应力而使表层变形。

19.  根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述表层有一内腔。

20.  根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述表层有一导管内腔。

21.  根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述表层具有一包含聚合物的材料。

22.  根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述表层具有一包括聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、丙烯酸系弹性体、聚氨酯或氟橡胶之一的材料。

23.  根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述表层在第一形态和第二形态之间的变化包括施压机械力至所述表层上。

24.  根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述表层有一材料，以及所示施加的机械力包括施加气动压力至所述材料，以使表层在第一形态和第二形态之间变化。

25.  根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述表层有一内腔，
所述方法进一步包括提供一具有至少一个大体上围绕所述内腔的空腔的结构，以及
所述表层变化包括：
充气至少一个所述空腔，使得至少一个膨胀空腔碰撞所述内腔并将所述表层从第一形态变为所述第二形态。

26.  根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述装置进一步包括一大体上围绕所述空腔的高硬度鞘。

27.  根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述内腔是一导管内腔。

28.  根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述空腔流动连接至被配置为充气所述至少一个空腔的泵。

29.  根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述充气至少一个空腔包括施加气动压力。

30.  根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括提供一被配置为在一内部端膨胀的气球结构，这样使得所述气球结构膨胀在其插入后用于固定导管。

31.  根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述导管是一导尿管。

32.  根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述表层有一内腔，所述方法进一步包括提供一具有至少一个空腔的结构，所述空腔大体上围绕所述内腔并碰撞处于第一形态的所述内腔，以及
所述表层变化包括：
收缩至少一个空腔，这样至少一个收缩的空腔停止碰撞所述内腔并将所述表层从所述第一形态变为所述第二形态。

33.  根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述表层有第一内腔，
所述装置进一步包括第二内腔，所述第二内腔沿着所述第一内腔的长度流动连接至所述第一内腔的一个或多个位置，并且被配置为注入冲洗液至所述第一内腔。

34.  一系统包括：一电极；
一连接至所述电极上的膜，所述膜有一与生物材料相接触的表层；以及
被配置在电极和生物材料之间提供电压的电压源，所述电压源使得表层在第一形态和第二形态间变化；当结垢剂与处于第一形态的表层相粘合时，其特征在于，所述从第一形态到第二形态的变化超出所述表层上结垢剂剥离的临界应力，使所述表层变形。

35.  根据权利要求34所述的系统，其特征在于，所述电极包括金属、导电胶带、导电氧化物或半导体中的一种。

36.  根据权利要求34所述的系统，其特征在于，所述电极包括一层导电材料。

37.  根据权利要求34所述的系统，其特征在于，所述生物材料包括一电解质溶液。

38.  根据权利要求34所述的系统，其特征在于，所述膜包括一聚合物。

39.  根据权利要求38所述的系统，其特征在于，所述聚合物膜包括一覆盖层。

40.  根据权利要求39所述的系统，其特征在于，所述覆盖层通过旋涂技术实施。

41.  根据权利要求34所述的系统，其特征在于，所述表层被纹理化。

42.  根据权利要求34所述的系统，其特征在于，所述膜包括聚四氟乙烯、聚（4,4' - 氧二亚苯基 - 均苯四甲酰亚胺、聚乙烯或陶瓷中的一种。

43.  根据权利要求34所述的系统，其特征在于，所述膜包括聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、丙烯酸系弹性体、聚氨酯或氟橡胶中的一种。

44.  根据权利要求34所述的系统，其特征在于，所述膜的厚度约为10μm~1mm。

45.  根据权利要求34所述的系统，其特征在于，所述膜厚度约为1μm~500μm。

46.  根据权利要求34所述的系统，其特征在于，所述膜具有杨氏模量约0.5KPa~约2Mpa。

47.  根据权利要求34所述的系统，其特征在于，所述膜具有杨氏模量约1KPa~约1MPa。

48.  根据权利要求34所述的系统，其特征在于，所述外加电压为振荡电压。

49.  根据权利要求48所述的系统，其特征在于，所述振荡电压为约0.1Hz~约100Hz。

50.  根据权利要求48所述的系统，其特征在于，所述振荡电压为约0.5Hz~约10Hz。

51.  根据权利要求48所述的系统，其特征在于，所述外加电压为约0kV~约20kV。

52.  根据权利要求48所述的系统，其特征在于，所述外加电压为约100V~约8kV。

53.  根据权利要求48所述的系统，其特征在于，所述外加电压为约3kV~约6kV。

54.  根据权利要求34所述的系统，其特征在于，所述电压施加至少5分钟。

55.  根据权利要求34所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括一被配置为控制所述电压源改变外加电压以使所述表层在第一形态和第二形态之间变化的控制器。

56.  一方法包括：
提供一电极；
提供一连接至所述电极上的膜，所述膜有一与生物材料相接触的表层；以及
提供一被配置在电极和生物材料之间提供电压的电压源，所述电压源使得表层在第一形态和第二形态间变化；当结垢剂与处于第一形态的表层相粘合时，其特征在于，所述从第一形态到第二形态的变化超出所述表层上结垢剂剥离的临界应力，使所述表层变形。

57.  根据权利要求56所述的方法，其特征在于，所述电极包括金属、导电胶带、导电氧化物和半导体中的一个。

58.  根据权利要求56所述的方法，其特征在于，所述电极包括一层导电材料。

59.  根据权利要求56所述的方法，其特征在于，所述生物材料包括一电解质溶液。

60.  根据权利要求56所述的方法，其特征在于，所述膜包括一聚合物。

61.  根据权利要求60所述的方法，其特征在于，所述聚合物膜包括一覆盖层。

62.  根据权利要求61所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括提供利用旋涂技术的所述覆盖层。

63.  根据权利要求56所述的方法，其特征在于，所述表层被纹理化。

64.  根据权利要求56所述的方法，其特征在于，所述膜包括聚四氟乙烯、聚（4,4' - 氧二亚苯基 - 均苯四甲酰亚胺、聚乙烯或陶瓷中的一种。

65.  根据权利要求56所述的方法，其特征在于，所述膜包括聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、丙烯酸系弹性体、聚氨酯或氟橡胶中的一种。

66.  根据权利要求56所述的方法，其特征在于，所述膜的厚度约为10μm~1mm。

67.  根据权利要求56所述的方法，其特征在于，所述膜厚度约为1μm~500μm。

68.  根据权利要求56所述的方法，其特征在于，所述膜具有杨氏模量约0.5KPa~约2Mpa。

69.  根据权利要求56所述的方法，其特征在于，所述膜具有杨氏模量约1KPa~约1MPa。

70.  根据权利要求56所述的方法，其特征在于，所述外加电压为振荡电压。

71.  根据权利要求70所述的方法，其特征在于，所述振荡电压为约0.1Hz~约100Hz。

72.  根据权利要求70所述的方法，其特征在于，所述振荡电压为约0.5Hz~约10Hz。

73.  根据权利要求70所述的方法，其特征在于，所述外加电压为约0kV~约20kV。

74.  根据权利要求70所述的方法，其特征在于，所述外加电压为约100V~约8kV。

75.  根据权利要求70所述的方法，其特征在于，所述外加电压为约3kV~约6kV。

76.  根据权利要求56所述的方法，其特征在于，所述施加电压包括所述电压施加至少5分钟。

77.  根据权利要求56所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括控制所述电压源改变外加电压以使所述表层在第一形态和第二形态之间变化。

78.  一用于将细胞组分从表层分离的装置，所述装置包括：
一接触细胞成分的一表层；以及
一被配置为将表层在细胞成分附着的第一形态和第二形态之间变化的机构，这样从第一形态变为第二形态的变化超出细胞成分从表层剥离的临界应力以使所述表层变形。

79.  根据权利要求78所述的装置，其特征在于，所述表层有组织支架、细胞培养支架或加工设备中的一种。

80.  根据权利要求78所述的装置，其特征在于，所述细胞成分包括细胞培养、组织培养或生物膜中的一种。

81.  根据权利要求78所述的装置，其特征在于，所述机构被配置为施加机械力至所述表层，将所述表层在所述第一形态和所述第二形态之间变化。

82.  根据权利要求81所述的装置，其特征在于，所述表层有一材料，以及所述机构被配置为施加气动压力至所述材料，使所述表层在第一形态和第二形态之间变化。

83.  根据权利要求78所述的装置，其特征在于，所述机构包括：
一有至少一个位于表层附近且膨胀的空腔的结构，这样所述空腔施力于表层上将表层从第一形态变为第二形态。

84.  一用于将细胞组分从表层分离的方法，所述方法包括：
将表层在细胞成分附着的第一形态和第二形态之间变化，这样从第一形态变为第二形态的变化超出细胞成分从表层剥离的临界应力以使所述表层变形。

85.  根据权利要求84所述的方法，其特征在于，所述表层有组织支架、细胞培养支架或加工设备中的一种。

86.  根据权利要求84所述的方法，其特征在于，所述细胞成分包括细胞培养、组织培养或生物膜中的一种。

87.  根据权利要求84所述的方法，其特征在于，所述表层在第一形态和第二形态之间的变化包括施加机械力至所述表层。

88.  根据权利要求87所述的方法，其特征在于，所述表层有一材料，以及施加机械力包括施加气动压力至所述材料，使所述表层在第一形态和第二形态之间变化。

89.  根据权利要求84所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括提供一有至少一个位于表层附近的空腔的结构，以及
表层变化包括：充气至少一个所述空腔，这样至少一个所述空腔施力于表层上将表层从第一形态变为第二形态。

90.  一装置包括：
一被配置为测量生物材料物理状态并基于所述测量产生一信号的传感器，其特征在于，所述传感器包括一暴露于所述材料的表层；
一覆盖层，其至少部分覆盖所述传感器的所述表层并有接触生物材料的另一表层；
一机构被配置为将一覆盖层的所述表层在第一形态和第二形态之间变化，当结垢剂与处于第一形态的传感器表层和覆盖层表层相结合，从第一形态到第二形态的变化超出至少一部分覆盖层表层上结垢剂剥离的临界应力而使覆盖层表层变形，这样所述变化使得至少部分传感器表层暴露于生物材料。

91.  根据权利要求90所述的装置，其特征在于，所述传感器是一内置传感器。

92.  根据权利要求91所述的装置，其特征在于，所述内置传感器为一葡萄糖传感器。

93.  根据权利要求91所述的装置，其特征在于，所述内置传感器是氧传感器、pH传感器、动脉血液气体传感器、温度传感器、二氧化碳传感器或毒剂传感器中的一个或多个。

94.  根据权利要求90所述的装置，其特征在于，所述物理状态包括一分析物的测量。

95.  根据权利要求90所述的装置，其特征在于，所述机构包括1个或多个膨胀成分，每个成分具有布置在覆盖层内的空腔。

96.  根据权利要求95所述的装置，其特征在于，所述机构包括一泵，其被配置为流动连接至1个或多个膨胀空腔，并被配置为充气和放气一个或多个膨胀成分的空腔，以使所述覆盖层的表层在第一形态和第二形态之间变化。

97.  根据权利要求96所述的装置，其特征在于，所述一个或多个膨胀成分包括第一、第二膨胀成分，以及所述覆盖层包括位于第一、第二膨胀成分之间的渗水材料，允许分析物通向所述传感器表层用于传感器测量。

98.  一方法包括，
提供一装置包括：
一被配置为测量生物材料物理状态并基于所述测量产生一信号的传感器，其特征在于，所述传感器包括一暴露于所述材料的表层；以及
一覆盖层，其至少部分覆盖所述传感器的所述表层并有接触生物材料的另一表层；
暴露所述传感器表层于所述生物材料；以及
将所述覆盖物的表层在第一形态和第二形态之间变化，当结垢剂与处于第一形态的传感器表层和覆盖层表层相结合，从第一形态到第二形态的变化超出至少一部分覆盖层表层上结垢剂剥离的临界应力而使覆盖层表层变形，这样所述变化使得至少部分传感器表层暴露于生物材料。

99.  根据权利要求98所述的方法，其特征在于，所述传感器为一内置传感器。

100.  根据权利要求98所述的方法，其特征在于，所述内置传感器为一葡萄糖传感器。

101.  根据权利要求98所述的方法，其特征在于，所述内置传感器是氧传感器、pH传感器、动脉血液气体传感器、温度传感器、二氧化碳传感器或毒剂传感器中的一个或多个。

102.  根据权利要求98所述的方法，其特征在于，所述物理状态包括一分析物的测量。

103.  根据权利要求98所述的方法，其特征在于，所述装置进一步包括1个或多个膨胀成分，每个成分具有布置在覆盖层内的空腔。

104.  根据权利要求103所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括充气和放气一个或多个膨胀成分的空腔，以使所述覆盖层的表层在第一形态和第二形态之间变化。

105.  根据权利要求104所述的方法，其特征在于，所述1个或多个膨胀成分包括第一和第二膨胀成分，以及
所述覆盖层包括位于第一、第二膨胀成分间的渗水材料，允许分析物通向所述传感器表层用于传感器测量。

106.  根据权利要求98所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使用所述装置测量所述物理状态并基于测量产生所述信号。

用于活性生物淤积控制的装置和方法
相关申请的交叉引用
    本申请来源于2011年9月28日提交的题为“ 用于活性生物淤积控制系统和方法”的美国临时专利申请61/540，051，其内容全部通过引用结合于此。
技术领域
    本发明公开的技术主题涉及一种用于活性生物淤积控制的装置和方法。
联邦政府赞助的研究或发展
    本发明是在美国海军研究机构授予的批准号N00014-08-0741和N00014-10-1-0907以及美国国家科学基金会授予的批准号DMR-1 121 107的政府支持下所作出的。美国政府拥有本发明的某些权利。
背景技术
    生物淤积问题阻碍了全世界许多工业操作、军事行动和医务治疗，并且其每年花费超过10-1000亿美元。这依然是一个重要的根本问题，它显著阻碍了人们对生物系统操作的能力。因此，需要提供一种可多方面应用的生物淤积控制的装置和技术。
概述
    本概述以简化形式引入一组概念并进一步在之后的详细说明内描述。本概述并不旨在确定关键特征或所要求保护的主题的必要特征，也不是旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
本发明公开了用于活性生物淤积控制的装置和方法。一方面，一装置包括一与生物材料相接触的表层。该装置还包括一被配置为改变表层为第一形态和第二形态之间的结构的机构。当结垢剂与处于第一形态的表层相结合，从第一形态到第二形态的变化超出表层上结垢剂剥离的临界应力而使所述表层变形。
另一方面，一系统包括一电极和一连接至所述电极的膜，所述膜有与生物材料相接触的表层。该系统还包括被配置在电极和生物材料之间提供电压的电压源，所述电压源使得表层在第一形态和第二形态间变化。当结垢剂与处于第一形态的表层相粘合时，从第一形态到第二形态的变化超出表层上结垢剂剥离的临界应力而使所述表层变形。
另一方面，提供一从表层分离细胞组分的装置。该装置包括一接触细胞组分的表层。进一步，该装置包括被配置为改变表层为第一形态和第二形态之间的机构，其中，所述细胞成分附着在在所述第一形态上。从第一形态到第二形态的变化超出表层上细胞组分剥离的临界应力而使所述表层变形。
另一方面，一装置包括被配置为测量一种生物材料物理状态并基于测量生成信号的传感器。所述传感器包括一接触生物材料的表层。进一步，该装置包括一至少部分覆盖传感器表层的覆盖层，所述覆盖层定义为与生物材料相接触的另一个表层。该装置还包括一配置为改变覆盖层表层为第一形态和第二形态的机构。当结垢剂与处于第一形态的传感器表层和覆盖层表层相结合，从第一形态到第二形态的变化超出至少一部分覆盖层表层上结垢剂剥离的临界应力而使覆盖层表层变形，这样所述变化使得至少部分传感器表层暴露于生物材料。
附图说明
上述概述以及下述多个实施例的详细说明结合附图阅读时能更好理解。为了说明的目的，示出在附图中的示例性实施例，但是，本发明公开的主题并不限于所公开的具体方法和变形。
图1所示为本文所提供的实验中使用步骤的示意图。
图2所示为侧面示意图，示出了在激励样本表层（A）上的生物膜因聚合物膜变形而分离，而在对照样本表层（B）上的生物膜被保持。
图3所示为荧光显微镜图，示出了在（A）对照聚合物膜（50μm厚度）；（B）激励聚合物膜（50μm厚度）；（C）激励聚合物膜（10μm厚度）；和（D）对照聚合物膜（10μm厚度）上的C.玛丽娜细胞（C.marina cells）。图3E示出了每个聚合物膜细胞密度的量化曲线图。
图4所示为荧光显微镜图，示出了软聚合物的波长图案随软聚合物的厚度从1mm^-1μm变化而变化。波长（λ）是聚合物膜厚度的1.5倍。
图5所示为通过改变相对于对照样本的荧光而测量的细菌（C.玛丽娜）生物膜释放的电激励效果图。所述生物膜在不同的弹性生物膜表层上形成了4天。当所述表层上的媒质在持续性流量（0.5ml/min）的低剪切下不断置换（冲洗），电激励通过循环20分钟（0.2HZ）的0V-20V电压完成。
图6所示为显示PDMS介电弹性体膜模量在固定折痕大小的C.玛丽娜生物膜释放时的效果图。所述生物膜是将表层暴露在细菌悬液中4天而形成的。电激励是通过传递足够大的震荡电压，使得所有样本（20~μm）在20分钟形成大致相同大小的折痕，而所述表层上方的溶液是在持续性流量（0.5ml/min）的低剪切下不断置换（冲洗）。
图7提供了生物膜从弹性体表层释放的可能机理的示意图。准确地说，一种受施加在聚合物基底上的外部应力ε影响的表层面积变化。
图8所示为生物膜保留-表层面积部分扩展的图表。
图9示出了细菌生物膜受电压作用从介电弹性体分离。（a）层状结构、激励机理和细菌生物膜分离的示意图；（b）外加电场可引发弹性体表层发生明显变形，最大主应力的轮廓；（c）所述变形分离了超过95%附着在弹性体表层的生物膜（C.玛丽娜），所述变形在10分钟内进行200次周期性激励。
图10示出了生物膜从拉伸的弹性体膜分离。（a）分离机理示意图；（b）根据外加应力的C.玛丽娜生物膜的分离百分比；（c）根据外加应力的大肠杆菌（E.coli）生物膜的分离百分比。所述弹性体在3分钟内进行30次周期性单轴拉伸至设定应力。
图11示出了藤壶从拉伸的弹性体膜分离。尤其是，图11（a）示出了依据本发明实施例公开的两个不同操作阶段的分离机理示意图；图11（b）示出了藤壶从拉伸的弹性体膜分离的示意图；图11（c）示出了在本例中所需用于将藤壶从弹性体膜分离的剪切力随施加在膜上的外力影响而减小的示意图。所述弹性体在3分钟内进行30次周期性单轴拉伸至设定应力。
图12示出了受压缩空气激励的细菌生物膜从动态表层分离。（a）C.玛丽娜生物膜和藤壶一同繁殖的动态表层的结构示意图；（b）激励前后所述表层的照片和荧光显微镜图；以及（c）根据外加压力的生物膜分离百分比和藤壶分离剪切力百分比。所述动态表层在3分钟内进行30次激励。
图13示出了在高电场作用下的弹性体覆盖层不稳定。所述不稳定是受所述膜的感应电场力造成。面板（a）-（f）的图为在加入电场后的弹性体覆盖层。面板（g）-（i）显示了外加电场的方向。
图14示出了电场应用使得在刚性基底上的膜形状发生变化。
图15示出了引发弹性体膜形状变化的临界点的理论和实验结果的关系。
图16所示为依据本发明实施例公开的装置的侧视图。
图17所示为依据本发明实施例公开的且具有将结垢剂从与生物材料接触的装置表层分离的结构的一装置的横截面视图。
图18所示为图17中所述装置的横截面视图。
图19所示为图17中所述装置的侧视图。
图20所示为图17中所述装置的横截面视图。
图21所示为依据本发明实施例公开的且具有将结垢剂从与生物材料接触的装置表层分离的结构的一装置的横截面视图。所述装置有9个空腔。
图22所示为依据本发明实施例公开的具有将结垢剂从与生物材料接触的装置表层分离的结构的一装置的横截面视图。所述装置有单个空腔。
图23所示为依据本发明实施例公开的具有将结垢剂从与生物材料接触的装置表层分离的结构的一装置的横截面视图。所述装置具有为第一内腔冲刷的第二内腔。
图24所示为沿着图23中所述装置长度，在第一内腔和第二内腔之间的流体连接的横截面视图。
图25所示为图17中所述装置的横截面视图，并示出了依据本发明实施例公开的当4个空腔膨胀时，所述内腔侧边如何相互接触。
图26所示为图25中只有一个空腔膨胀而有效密闭所述空腔的装置的侧视图。
图27示出了一能产生显示生物材料物理状态信号且能将结垢剂从系统中的传感器表层分离的装置的横截面侧视图。所述横截面视图示出了所述装置上的覆盖层的表层的第一形态。
图28示出了图27中所述装置的横截面侧视图，并示出了所述覆盖层表层从第一形态到第二形态的变化产生了可允许分析物进入而用于传感器测量的裂缝。
图29示出了依据本发明实施例公开的另一能产生显示生物材料物理状态信号且能将结垢剂从系统中的传感器表层分离的实例装置的横截面侧视图。
图30示出了图29中的横截面侧视图，并示出了所述覆盖层表层从第一形态到第二形态的变化产生了可允许分析物进入而用于传感器测量的裂缝。
图31示出了依据本发明实施例公开的且包括受相关膨胀组分形成多个空腔的一实例装置的横截面俯视图。
图32示出了所述空腔膨胀的图31中所述实例装置的横截面俯视图。
图33示出了依据本发明实施例公开的另一实例装置的横截面俯视图。在图33中的装置不包括在图31和图32中所示的通道。所示在第一位置的覆盖层的空腔未膨胀。
图34示出了图33中除了所述覆盖层在空腔膨胀的位置外的所述装置横截面的俯视图。
详细说明
本发明公开的主题被明确描述，以满足法定要求。然而，该描述本身并非旨在限制本专利的范围。相反，发明人设想所要求保护的主题还可以其他方式实施，包括不同步骤或元素类似于本文档中描述的，可与其他目前或未来技术相结合。此外，尽管本文中使用的术语“步骤”意味着所采用方法的不同方面，但该术语不应被解释为意味着各个步骤之间的任何特定顺序，除非各个步骤的顺序是明确描述。
除非另有定义，本文所使用的所有技术术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解相同的含义。
本文使用的冠词“一”代表一个或多于一个（即，至少一个）冠词的语法对象。例如，“一个元素”是指至少一个元素，并且可以包括一个以上的元素。
在描述附图中示出的多个本发明实施例时，采用特定术语用于清楚描述。
然而，本发明公开的主题不旨在限于如此选择的特定术语，并且应当理解每个特定元素包括以类似方式实现类似目的的所有技术等同物。 
本文所公开的动态弹性体膜有许多应用，包括在设备或容器中抑制生物淤积累积。这样的例子包括，材料处于潮湿环境的任何情况，诸如船或船体，热交换器，或医疗器械如导管，支架，输液管，呼吸管等。发明人的某一发现是弹性体膜的变形有助于分离结垢剂。所述变形的发生是通过加入电压或其他机械方式，例如拉伸，弯曲，扭曲等。因此，聚合物膜的激励可防止结垢的生物或化学物质沉降和附着，或作为“占空比”（duty cylce）去除在激励期间累积的结垢材料。同时流体剪切力的应用可用于将已分离或未附着物种从弹性体表层附近去除。
本发明公开的主题提供了通过表层面积的动态变化和弹性体的拓补结构对外部刺激响应，能积极有效分离微观和宏观结垢生物的技术和装置。这些动态表面可由海洋涂料和医疗设备中的材料制成并能被电和气刺激激励。基于活性表层变形的新防结垢管理策略可与其他现有且新兴的生物淤积管理方法联合使用。
依据本发明实施例，当结垢剂暴露于水环境中时，本发明提供了一个能防止粘附，或允许移除结构，。本文所用的术语“结垢剂”是指微生物，植物，藻类，和/或湿表层的动物所不需要的积累。从本公开主题的角度看，术语“结垢剂”可指理想细胞类型的积累，原核或真核，所述细胞类型在积累后从表层恢复。这些结垢剂的例子包括，但不限于细菌累积或其他用于生化分析，真菌或其他在生物技术中积累的膜，或者在再生医学或其他医疗程序或研究中使用的哺乳动物细胞的积累。该结构包含，由或基本上由软聚合物层和激励方式组成，其特征在于，所述激励方式能够超过结垢剂分离的临界应力（ε_c）使软聚合物膜变形。
本发明公开的主题包括如下应用，例如许多生物膜和吸附物的分离，所述吸附物由以下形成：（i）海洋和工业生物淤积；（ii）哺乳动物细胞培养；（iii）医疗植入物上的传染性生物膜形成。后者的一个例子是能够在医疗植入物上，如通常构成弹性体的留置导管，形成有问题的感染性生物膜。根据该装置、方法以及本文提供的系统，有问题的生物膜可以从这种使聚合物表层在表层面积周期性变化的导管处释放。聚合物表层的变形可以有效地分离微生物膜和宏观结垢生物。
本文使用的术语“临界应力”指的是根据本发明的软聚合物或其他材料表层的任何区域的任何变化。例如，在一些实施例中，当施加电激励时，所述表层面积可能发生变化（即所述表层拉紧/起皱），但是软聚合物膜的整个宽度或长度不会。在其它情况下，整个宽度和/或长度可以改变，当软聚合物薄膜被拉伸，拉扯，扭曲等。
本文使用的动作术语“改变形态”（change a shape）或“变形态”（changing a shape）指的是表层区域变化，表层歪曲，或表层从一形态到另一形态变化的其他类型。
在另一实例中，本发明公开的主题提供了包括一机构的装置、方法和系统。所述机构包括被配置为改变装置表层处于第一形态和第二形态之间的结构，当结垢剂与处于第一形态的表层相结合，这种从第一形态到第二形态的变化使得表层变形，超出表层上结垢剂剥离的临界应力。使用的术语“形状”是指在其最广泛的意义。例如，本文所使用的形状变化使得所述表层变形，超出结垢剂剥离的临界应力。形状变化包括总表层面积变化，但不要求在总表面积这样的改变。
在某一实例中，软聚合物膜可暴露于可附着结垢剂或防止结垢剂附着的水环境中。软聚合物膜可以是惰性的，无毒，不易燃的物质。合适材料包括，但不限于聚二甲基硅氧烷（PDMS）或其它硅橡胶、丙烯酸系弹性体、聚氨酯、氟橡胶等。
软聚合物膜的厚度应是在激励方式应用时将能够引起变形的。合适厚度可以为10纳米至1毫米，或1μm至约500μm。类似地，软聚合物膜具有约0.5千帕至2.0兆帕，或1.0千帕至1.0兆帕的杨氏模量。
在某些实施方案中，所述软聚合物膜可被涂覆，例如旋涂，或涂覆在所述刚性聚合物膜上。在其它实施例中，所述软聚合物膜的外表层（即，面向湿润环境的一侧）可被纹理化。本文所用的术语“纹理”是指该弹性体表层的任何排列，使其粗糙，如脊，折痕，孔等。在某些实施方案中，软聚合物膜包括一波纹状表层。
在另一些实施方案中，所述软聚合物膜表层也可通过化学方式改性，以进一步提高更大的防淤积或淤积释放性能。这些改性方式包括，但不限于，用水合聚合物覆聚合物表层，如聚（乙二醇）衍生物，两性聚合物（polyzwitterions）和聚合物刷或涂料与其它类型聚合物的覆盖层等。
该结构还包括一激励方式。本文使用的术语“激励方式”是指任何能够使软聚合物膜作用或动作的方式。在一些实施例中，激励方式可以是一施加于软聚合物膜上的机械力，所述力可超出结垢剂剥离的临界应力。所详述的实施例部分，本发明公开的主题的某一发现是机械力如何应用，如拉伸软聚合物膜，其具有使结垢剂附着在所述表层的惊奇和显著能力。合适机械力包括，但不限于，拉伸、挤压、扭曲、摇动等。
在其它实施例中，所述激励方式包括电激励方式。合适的电激励方式包括能够产生至少20kV电压的任何装置。在那些使用电激励方式的实施方案中，该结构还包括具有一顶侧和底侧的刚性聚合物膜，所述软聚合物膜附着于刚性聚合物膜的顶侧。进一步，所述软聚合物膜的外表层暴露于电解质溶液（例如，水）和刚性聚合物层的底侧包括相对于电解液，能使电压通过该聚合物层的导电材料。合适材料包括，但不限于，导电金属的薄膜，如金，银，铝，锡，铜等、导电胶带，如碳胶带、导电氧化物，如氧化铟锡、半导体等。
刚性聚合物膜可以包含不反应的任何材料。合适的材料的实例包括，但不限于，聚四氟乙烯（PTFE; TEFLON），聚（4,4' - 氧二亚苯基 - 均苯四甲酰亚胺（KAPTON），聚乙烯等。同样也适用于刚性聚合物膜的是非聚合物绝缘膜，如陶瓷。
刚性聚合物膜的厚度应该是在施加电压时能够使软聚合物膜变形的。合适的厚度可以为10nm至1μm之间，或1μm至500μm。同样，刚性聚合物膜可具有大约为0.5GPa至200 GPa，或1GPa至100 GPA的杨氏模量。
在使用中，电压施加在所述软聚合物膜外表层相接触的电解质溶液和包覆在刚性聚合物膜上的导体电极之间。电压超过结垢剂剥离的临界应力（ε_c）而使所述软聚合物膜变形。在某些实施方案中，所施加的电压可约为0V至20kV，或约100V至8kV，或约3kV至6kV。合适电压可取决于几个因素，如聚合物膜特性等（例如，杨氏模量，厚度，材料等），并可以通过本领域技术人员容易确定。在其它实施例中，电压包括一振荡电压。产生电流的时长可为15，14，13，12，11，10，9，8，7，6，5，4，3，2或1分钟。在一些实施方案中，电流产生至少5分钟。
本发明公开的主题的另一个方面提供了从暴露于水溶液的表层去除结垢剂或防止结垢剂附着的方法，所述水溶液为包括超过结垢剂粘合或剥离的临界应力（ε_c）而使所述表层变形的水溶液。在某些实施方案中，该表层包括软聚合物膜和一机械激励方式。在这样的实施方案中，机械力，如拉伸，扭转，挤压，摇动等被充分地应用到超过结垢剂粘合的临界应力使软聚合物膜表层变形，从而使结垢剂从软聚合物膜上分离，或者不能附着到所述软聚合物膜上。
在其他实施例中，所述表层包括具有顶侧和底侧的刚性聚合物膜，且所述软聚合物膜暴露在电解质溶液中（例如，水）。所述底侧被涂覆有导电覆盖层的电极，软聚合物膜连接所述刚性聚合物膜的顶侧。在这种实施例中，施压的电压能足够大，超过结垢剂剥离的临界应力（ε_c）使得所述软聚合物膜变形，从而使附着的结垢剂从聚合物表层剥离或防止结垢剂粘合在软聚合物表层上。
图 10示出了藤壶从拉伸弹性体膜上剥离。特别是，图10（a）示出了依据本发明实施例公开的在两个不同操作阶段的剥离机理图；图10（b）为藤壶从拉伸弹性体膜分离的示意图；图10（c）为本例所需用于将藤壶从所述弹性体膜分离的剪切力随着施加在所述膜上的应力而减小。弹性体在3分钟内进行30次周期性单轴拉伸至设定应力。
尤其参照图10（a），图中描述了在“电压接通”和“电压关闭”不同阶段的系统1000。在本例中，该系统1000包括多层膜1002、1004、1006。膜1002可以是导电膜或任何其他合适的导电元素。作为一个例子，所述膜1002可包括，但不限于，金属、导电带，导电氧化物，半导体，或它们的组合。所述膜1006可布置在或以其他方式附着在所述膜1002上。所述膜1006的表层1008可被纹理化，且可与生物材料1009接触，如海洋环境中的材料（例如海水）。所述膜1006可以是聚合物覆盖层。该覆盖层可通过合适的旋涂技术施加。此外，例如，所述膜1006可以包括，但不限于，聚四氟乙烯、聚（4,4' - 氧二亚苯基 - 均苯四甲酰亚胺、聚乙烯、陶瓷或类似物。此外，例如，所述膜1006可包括聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、丙烯酸系弹性体、聚氨酯、氟橡胶或类似物，所述膜1006可具有厚度约为10μm至1mm，或更具体的厚度约为1μm和500μm。另外，所述膜1006可具有约0.5千帕至2MPa，或优选为约1KPa至1MPa的杨氏模量。 
该系统1000可包括被配置为导电膜1002和生物材料1009之间提供电压的一电压源1012。这样所述膜1006的表层1008在“电压关闭”的第一形态和“电压接通”的第二形态间变化。例如，当结垢剂1010粘附在所述表层1008上时，所述电压源1012施加的电压起始关闭；电压被提供时如图中标示为“电压接通”，结垢剂1010剥离。在一个例子中，所施加的电压可以是振荡电压，可约为0.1Hz至100Hz，或约0.5Hz至10Hz。另外，所施加的电压可约为0kV至20kV，约100kV至8kV，或约3kV至6kV。在某一例中，施加电压≥5分钟。合适的控制器可用于控制电压源1012改变施压电压，以使所述表层在第一形态和第二形态之间变化。
所述膜1004可以是位于所述膜1002和1006之间的任意膜。例如，膜1004可以是聚酰亚胺薄膜层。所述膜（例如压缩或拉伸）可作为防止变形的PDMS膜内的电场过高的缓冲基底。KAPTON具有大于该PDMS 3个数量级的模量。所以，如有需要可将如KAPTON类似模量的任何刚性聚合物用以代替膜1004使用。所述膜可防止顶部聚合物膜过度变形，并被电击穿。所述膜可由刚性绝缘材料组成，可以是刚性聚合物，如KAPTON，TEFLON，聚乙烯，绝缘玻璃，陶瓷或类似物。 
图11示出了藤壶从拉伸弹性体膜剥离。尤其是，图11（a）显示了依据本发明实施例公开的两个不同操作阶段的剥离机理示意图；图11（b）示出了藤壶从拉伸的弹性体膜分离的示意图；图11（c）示出了在本例中所需用于将藤壶从弹性体膜分离的剪切力随施加在膜上的外力影响而减小的示意图。所述弹性体在3分钟内进行30次周期性单轴拉伸至设定应力。
尤其参照图11（a），图表描述了处于“电压关闭”和“电压接入”不同阶段的一系统1100。所述系统1100，在本例中，包括多层膜1102、1104、1106。膜1102可以是一导电膜或其他适合的导电元素。作为一个例子，所述膜1102可包括，但不限于，金属、导电带，导电氧化物，半导体，或它们的组合。所述膜1106可布置在或以其他方式附着在所述膜1102上。所述膜1106的表层1108可被纹理化，且可与生物材料1109接触，如海洋环境中的材料（例如海水）。所述膜1106可以是聚合物覆盖层。该覆盖层可通过合适的旋涂技术施加。此外，例如，所述膜1106可以包括，但不限于，聚四氟乙烯、聚（4,4' - 氧二亚苯基 - 均苯四甲酰亚胺、聚乙烯、陶瓷或类似物。此外，例如，所述膜1106可包括聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、丙烯酸系弹性体、聚氨酯、氟橡胶或类似物，所述膜1106可具有厚度约为10μm至1mm，或更具体的厚度约为1μm和500μm。另外，所述膜1106可具有约0.5千帕至2MPa，或优选为约1KPa至1MPa的杨氏模量。 
所述生物材料1109可包括一电解质溶液。在这个例子中，所述系统1100可在船体、海洋传感器或类似物上制造。如图中所示“电压关闭”，所述系统1100处于环境中足够时间，以使结垢剂1110粘合在所述表层1108上。
尤其参照附图17，附图17是依据本发明实施例公开的包括与生物材料1704相接触的一表层1702和具有能改变表层1702处于第一形态和第二形态之间的结构的一机构1706的装置的横截面俯视图。当结垢剂粘合在处于第一形态的表层1702上时，所述装置1700的表层1702从第一形态到第二形态的变化使得所述表层1702变形，超过所述表层1702结垢剂剥离的临界应力。图18是装置1700相同的横截面俯视图，描述了其表层1702在第一形态和第二形态之间变化。粘合在与生物材料1704相接触的所述装置1700的所述表层1702上的结垢剂，可通过将所述表层1702在第一形态和第二形态之间变化而被剥离。结垢剂可以是微生物，植物，藻类和/或动物或其他更多具体的任何不理想积聚，例如，细菌，生物膜，细菌生物膜，结晶生物膜（srystalline biofilmsor），血栓和纤维粒。
在一个实施例中，装置1700的表层1702具有一用于接触生物材料1704的内腔。例如，该设备1700的表层1702可具有一导管的内腔1704。该装置1700的结构1706可以被配置为一机械力施加到表层1702，用于改变表层1702处于第一形状和第二形状之间。该表层1702可由一材料限定，而通过改变所述表层处于第一形态和第二形态之间的机构，施加气动压力至所述材料上。所述表层1702由含聚合物的一材料限定。该材料可包括一种或多种聚二甲基硅氧烷，硅橡胶，丙烯酸系弹性体，聚氨酯，或含氟弹性体。
如图17、18，装置1700的表层1702具有接触生物材料的内腔1704，而被配置为超过结垢剂剥离的临界应力使表层1702变形的所述结构，具有至少一个大体上包围内腔1704且被配置为膨胀和收缩的空腔1708；所述空腔1708碰撞所述内腔1704，当其膨胀时改变所述表层1702从第一形态变为第二形态，而当其收缩时改变所述表层1702从第二形态变为第一形态。在依据本发明实施例公开的另一个例子中，装置1700的表层1702具有一内腔1704，一机构包括具有至少一个空腔1708的结构1706，所述空腔1708大体上包围内腔1704且影响处于第一形态的所述内腔1704，并且所述空腔1708被配置为膨胀和收缩的，如此这样，当空腔收缩将表层从第一形态变为第二形态时，所述空腔停止碰撞所述内腔。
该装置1700可包括一个大体上围绕所述一个或多个空腔1708的高硬度的鞘1710。该装置1700的表层1702可具有一导管的内腔1704。该装置1700的表层1702具有一导管的内腔1704和所述导管可以是导尿管。
该装置1700可包括用于气球结构1900的孔1712，所述气球结构1900被配置在内部定位端膨胀，并且包括配置为内部定位端膨胀的外部定位膨胀口1902，这样使得气球结构1900膨胀再其插入后用于固定导管。图19是依据本发明实施例公开的一装置1700的侧视图，其示出了膨胀的气球结构1900。图19还示出了该装置1700中至少一个空腔1708可流动地连接到被配置为充气和放气至少一个空腔1708的泵端口1904。所述泵端口1904可被配置成通过应用注射器充气和放气所述至少一个空腔1708。所述泵端口1904可被配置为通过应用气动压力来充气和放气所述至少一个空腔1708。所述泵端口1904可被配置为通过应用流体充气和放气的至少一个空腔1708。
图20-22是依据本发明实施例公开的具有一接触生物材料1704的表层1702和包括被配置为改变所述表层1702处于第一形态和第二形态之间的结构1706的机构的装置1700的横截面俯视图。如图20-22所示的装置1700包括具有一些数量的空腔1708。例如，图20中的装置1700有4个空腔1708，图21中的装置1700有9个空腔，以及图22中的装置仅有一个空腔。参照图20，内腔1704膨胀时，表层1702部分互相接触，这样结垢剂可从表层上擦洗掉或以其他方式去除。
图23示出了装置1700的横截面俯视图，所述装置包括具有接触生物材料的第一内腔1704和被流动2303连接至所述第一内腔1704的第二内腔2300的一表层1702。该第二内腔沿着该第一内腔2300地的长度流动连接至第一内腔的一个或多个位置，并且被配置为注入冲洗液至第一内腔。图24示出了沿着装置1700长度的第一内腔1704和第二内腔2300之间流体连接的横截面示意图。该第二内腔2300可被用于注入冲洗液，包括如药物或生物膜松动剂。该冲洗液可用于空腔1708膨胀和收缩前或之间增加结垢剂剥离和分离。该设备1700可包括一个或多个冲洗液的注射口。
图25是图17中的装置1700的横截面俯视图，并示出了当空腔1708膨胀变为第二形态时，内腔1704中表层1702的不同部分相互接触的实施例。图26是图25中装置1700的横截面侧视图，图中其中之一空腔1708膨胀，且图26示出了内腔1704的表层1702不同部分的覆盖层。图25和26中所述装置1700表层具有内腔1704且所述内腔可以是导尿管内腔。导尿管感染的原因之一是，导尿管低速排水，因而不接受排尿有关且强行排出细菌的冲刷。例如，图25和26中一导尿管装置的内腔表面的侧边互相接触，使得尿液途径密封，并会模仿膀胱控制周期（例如，膀胱在接接触密封使尿液流入前积聚的尿液量）。图26仅有一个空腔1708的所示侧视有效地从内腔1704中密封尿液引流。这个密封性内腔1704能允许更正常的生活方式和膀胱周期，且可能去除了膀胱收集袋。
在一个实施方案中，目前公开的主题提供了将结垢剂从装置表层剥离的方法，所述方法包括一装置表层在通过接触生物材料而使结垢剂粘合的第一形态和第二形态之间变化。这样从第一形状到第二形状的变化超出结垢剂从装置表层剥离的临界应力而使表层变形。该装置表层可具有一内腔，例如图17-26中的装置。该装置表层可具有导管内腔，例如，在图中17 - 26所示的装置。该装置表层可由包含聚合物的一材料限定。该表层由包括聚二甲基硅氧烷，硅橡胶，丙烯酸系弹性体，聚氨酯，或含氟弹性体材料中的一种限定。
在一个实施方案中，将结垢剂从装置表层剥离的方法包括施加机械力于表层上，使得所述表层在第一形态和第二形态之间变化。该表层可由一种材料限定，采用的机械力包括施加气动压力至所述材料以使表层在第一形态和第二形态之间变化。该装置表层可有一内腔，例如图17-26所示的装置。该装置表层可有导管的内腔，例如如图17-26的装置。该表层由具有聚合物的材料所限定。该表层由包括聚二甲基硅氧烷，硅橡胶，丙烯酸系弹性体，聚氨酯，或含氟弹性体材料中的一种限定。
在该方法的一个实施例中，图17-26所示装置1700的表层1702可具有一内腔1704，将结垢剂从表层剥离的方法可进一步包括提供一具有至少一个大体上围绕内腔1704的空腔1708的结构1706以及改变表层1706包括至少一个空腔1708，以使至少一膨胀空腔1708碰撞一内腔1704并将表层1702从第一形态变为第二形态。所述至少一空腔1708可流动地连接到被被配置为使至少一空腔1708膨胀的泵端口1904。充气至少一空腔1708可包括施加气动压力。充气至少一空腔1708可包括流体应用。该装置1700可进一步包括一大体上围绕所述至少一个空腔1708的高硬度鞘1710。该内腔1704可以是一导管的内腔。该内腔1704可以是一尿导管的内腔。在一个实施方案中，将结垢剂从导管表层1702剥离的方法包括提供一气球结构1900，所述气球结构1900被配置为通过充气端口1902在内部端充气，使得气球结构1900插入后，其通胀用于固定导管。
在该方法的一个实施例中，装置1700的表层1702具有一内腔1704，并且将结垢剂从内腔1704表层1702剥离的方法包括提供一具有至少一个大体上围绕所述内腔1704且碰撞内腔的空腔1708的结构1706，以及通过在至少一个空腔1708处放气和充气以改变所述表层1702，如此以致收缩的空腔1708停止碰撞所述内腔1704并将所述表层1702从第一形态变为第二形态。
图17-26所示装置1700中空腔1708的各种数量和方向，允许改变的机械力（例如，压缩和拉伸）施加到具有影响结垢剂剥离和分离的粘合结垢剂的表层。此外，空腔数量和方向可允许极度膨胀以在忽略摩擦时获得内腔1704大表层面积变形，或者可允许摩擦度以进一步增加影响结垢剂剥离和分离的机械应力。在一个或多个实施例中，不同空腔可以单独地充气和放气，以改变表层上的机械应力。在这种方式中，该表层形状可更大程度变化以影响结垢剂剥离。
在该方法的一个实施例中，图23和24所示的装置1700的表层1702具有第一内腔1704，并且该装置1700进一步包括流动2302连接至第一内腔1704的第二内腔2300，所述连接在沿着第一内腔1704长度的一个或多个位置被配置为注入冲洗液至第一内腔1704内。该第二内腔可被用于注入冲洗液，包括例如药物或生物膜松动剂。所述冲洗液可被用在空腔1708膨胀和收缩之前或之间，增加结垢剂剥离和分离。该装置1700可包括一个或多个用于冲洗液的注射口。
根据本发明公开的实施例，提供了一种用于分离细胞成分的装置。该装置包括与细胞成分接触的表层。例如，表面可具有组织支架，细胞培养支架，各种加工设备，或类似的用于保持细胞成分的。例如细胞成分包括，但不限于，细胞培养，组织培养，生物膜等。该装置可以包括被配置为将表层在细胞成分附着的第一形态和第二形态之间变化的机构，这样从第一形态变为第二形态的变化超出细胞成分从表层剥离的临界应力以使表层变形。在一个示例中，该机构可能是按照本文公开的任何实施例。作为一个例子，该机构可被配置为施加机械力至表层，用于将表层在第一形态和第二形态之间变化。在另一实例中，该机构被构造为施加气动压力至表层，用于将表层在第一形态和第二形态之间变化。在另一实例中，该机构可包括一具有至少一个位于表层附近且膨胀的空腔的结构，这样空腔施力于表层上将表层从第一形态变为第二形态。
根据本发明公开的实施例，提供了应用于医疗中的装置和方法。在医疗应用中使用的本发明的主题，就内置传感器如葡萄糖传感器而言，是特别有利的。这样的传感器会面临长期性能问题（例如，大于3天），因为结垢剂如如生物膜、血栓和纤维胶囊可形成围绕所述传感器并防止分析物（如葡萄糖）渗入传感器中。如按照本发明实施例公开的示例装置，图27示出了用于产生信号显示生物材料物理状态和将结垢剂从系统传感器表层分离的装置2700的横截面侧视图。参照图 27，装置2700包括被配置为测量生物材料物理状态并生成基于所测量的信号的传感器2702。此外，传感器2702可包括一个或多个暴露于生物材料的外表层2704。例如，传感器2702可以是内置传感器，例如，但不限于，葡萄糖传感器。其他例子包括氧传感器，pH传感器，动脉血液气体传感器，温度传感器，二氧化碳传感器，毒剂传感器，或可以被浸泡在生物活性环境中的任何其他传感器。
该装置2702还可以包括一至少局部覆盖传感器2702表层2704的覆盖层2706。如图所示，覆盖层2706不会覆盖在传感器尖端处的表层2704部位，所述尖端暴露于生物材料中。覆盖层2706可能覆盖在传感器2702其他不暴露于生物材料的部位。一机构可适合连接至所述覆盖层2706用于覆盖层2706表层2708在如图27所示的第一形态和如图28所示的第二形态之间变化。当结垢剂2710粘合在所述传感器2702的表层2704上且覆盖层2706的表层2708处于第一形态时，这样至少一部分传感器2702的表层2704暴露于生物材料中，则所述从第一形态到第二形态的变化，超过结垢剂2710从至少一部分覆盖层2706的表层2708中剥离的临界应力使表层变形。
在本例中，传感器2704是配置成测量分析物2712的葡萄糖传感器。如图27所示，结垢剂2710附着在传感器2702和覆盖层2706上。当覆盖层移动到图28所示的第二形态时，结垢剂270形成裂缝2714可以形成在结垢剂2710，使得分析物2712可以移动并接触传感器2702表层2704，如此进行测量。或者，当覆盖层移动到第二形态时，所述结垢剂2710可以基本上或完全清除。
根据本发明，用于改变所述覆盖层2706表层2708形态的机构包括1个或多个膨胀成分，且每个成分具有布置在覆盖层内的空腔。例如，膨胀成分可以布置在覆盖层2706内，并部分或大体上围绕该传感器2702。该机构还可以包括不仅被配置为流动连接至膨胀空腔且被配置为膨胀和收缩空腔以改变覆盖层2706表层2708处于第一形态和第二形态之间的泵。该泵可以是，例如，本领域技术人员所理解的适合于为空腔充气的一注射器。该装置2700可适合用于测量物理状态并基于所测量产生信号。
图29和30示出了用于产生信号指示生物材料物理状态和将结垢剂从系统传感器表层剥离的另一依据本发明公开的实例装置2700的横截面侧视图。参照图 29，装置2700与图27和28所示的装置类似，不同处在于传感器2702表层2704裸露部分位于覆盖层2706的部分2800和2802之间。一个或多个可膨胀成分可以被布置在不同的部分2800和2802内。分析物2712可通过裂缝2714连接传感器2702用于传感器2702测量。
图 31示出了依据本发明公开的实例装置2700的横截面俯视图。参照图 31，该装置2700包括通过相应充气成分3102形成的多个空腔3100。泵可适当充气空腔3100，改变表面2708到另一个位置以剥离结垢剂。该覆盖层可以包括多个通路，通常标示3104，每个通路通向传感器的裸露表层2704。图32示出了图31所示的空腔3100膨胀的示例装置2700的横截面俯视图。该泵还可以从空腔3100提取空气以收缩空腔3100，这样覆盖层的表层恢复到图31所示位置。图32还示出了分析物2712，其中的一些位于通路3104内。
图33和34示出了根据本发明公开的实施例的另一实例装置2700的横截面俯视图。图33和34所示装置2700与图31和32所示装置2700类似，不同处在于图33和34所示装置2700不包括图31和32所示通路3104。图33和34分别示出了具有收缩空腔3100的处于第一位置的覆盖层和具有膨胀空腔3100的处于第一位置的覆盖层。
某一实施例或方面的特征可与任何其他实施例或方面特征以任何合适方式相结合。例如，方法方面或实施方案的任何单个或集体的特征可以被应用到设备，系统，产品，或实施例成分方面，反之亦然。
虽然本实施例已经结合各个附图的各种实施例进行了描述，但是应当理解，其它相似的实施例可以被使用，或者可以对所描述的实施例修改和增加，不偏离且功能相同。因此，公开的实施例不应限于任何单个实施例，而是应根据所附的权利要求在广度和范围上理解。
实施例
实施例一：实验装置。图1示出了根据本发明公开的实施例以及在本节中进行的实验程序中的多层膜结构的示意图。简要地说，生物膜被允许在样本表层上形成（步骤1）。一批样品通过施加振荡电压被激励，而其他（对照样本）没有（步骤2）。激励和对照样品均用SYTO 13冲洗、染色（步骤3和4）。细菌密度荧光显微镜下计数（步骤5）。
聚合物表层变形导致生物膜剥离。如图2所示，在样本表层（图2A）上激励的生物膜因聚合物膜变形而分离，而在对照样本表层的生物膜仍保持（图2B）。
这个剥离可进一步在图3中通过荧光显微镜显示。荧光显微镜图显示了对照样本（图3A）和激励样本（图3B）50mm聚合物膜上的C.马琳娜细胞，以及对照样本（图3C）和激励样本（图3D）10mm聚合物膜上的C.马琳娜细胞。
如图4所示，在软聚合物生成的图案的波长，通过改变软聚合物的厚度可以从1毫米调整到1μm。波长是在聚合物膜厚度的1.5倍。
实施例二：使用电激励剥离细菌生物膜：其他实施的实验表明了生物膜的释放是由于激励作用下的弹性体膜表层变形引起的。图5示出了恒定厚度的生物膜从弹性体膜（PDMS，SYLGARD 184，DOW CORNING INC.）表层释放的数据，但不同的弹性模量（所述弹性模量通过改变交联剂质量组分3.5%-10%而变化）在两个外加电压下检测，每个振荡幅度不同。该弹性体膜粘合在刚性聚合物基底上（KAPTON，~125μm，DuPont）。电压选择为使表层激励的最低模量样本（动态表层形成皱状，折痕或“火山口”），但不为最高模量样本。如图5所示，观察到细菌生物膜释放的高阶是在两个激励电压下的低模量膜，而生物膜释放的低阶是在两个激励电压下的最高模量膜（10%交联剂）。对于具有中等模量膜表层的皱折仅当施加高电压时观察到，较低电压不能够引起膜表层皱折。相应地，细菌释放的高阶在当施加高交流电压（6kV）且不是更低的电压时方能观察到。这些结构表明生物膜释放的原理是取决于聚合物表层的变形，而不是电场自身的应用。
图6示出了微观数据，所述数据显示动态表层起皱可被用于影响生物膜在具有不同模量和不同数量的附着生物膜的弹性体膜上释放。对于模量变化的弹性体膜，其在细菌悬液暴露4天会形成具有不同特性的生物膜（如图6）。高程度的生物淤积可在高模量膜上观察到（高交联剂浓度）。为了检查在不同基底上这些生物膜释放，每个生物膜施加随时间变化的电压。调整电压幅值以获得近似相同最大折皱大小（~20μm）。这些数据表明表层起皱程度足够产生每种情况下的大量生物膜。
图5和6所示数据清楚表明了振荡电压施加到不同模量弹性体膜的应用可被用于从表层去除生物膜，以及生物膜的机构与表层皱折形成有关，表层皱折通过所述机构使得生物膜释放，所述机构有待阐明。
实施例三：假定通过活性表层变形的生物淤积活性控制和生物膜释放的机制。图7提供了用于生物膜从发生表层形变的弹性体膜表层释放的类似机理示意图，精确地说，一种由于在聚合物基底上外加应力ε导致的表层面积的变化。
在生物膜和基底之间的每单位面积的界面能为Γ。剥离区域每单位面积由生物膜释放的弹性能量为W（ε）H，所述W是生物膜的弹性能量密度，以及H是生物膜厚度。
生物膜剥离发生在临界应力ε_c，当
Γ=W(ε_c)H
如果生物膜是线性弹性材料，剥离的临界应力为：

其中E是生物膜的杨氏模量。 
该方程预测，剥离所需临界应力，即对生物膜释放有必要，与生物膜厚度的平方根成反比。 
因此，用于检测剥离机制和生物膜释放的精确性的简单方法是改变生物膜厚度，并且检测生物膜成功释放所需的应力程度。上述分析表明，较厚的生物膜在表层面积较小局部变化下释放，可能的结构式相反的，但对用于生物淤积控制的活性系统设计也有显著影响。
实施例四：界面面积扩展导致生物膜粘附失败而使得生物膜释放。C.玛丽娜生物膜通过将弹性体（ECOFLEX SUPERSOFT 0010， SMOOTH-ON, INC）表层暴露在细菌悬液2-6天时间，在弹性体表层上形成。视觉上明显可见随着生物膜形成较长时间，生物膜将变得较厚。在指定生物膜形成时间后，弹性体膜及其相关的生物膜受到反复压力。在拉伸周期内，位于生物膜表层的介质低于恒定流量（无菌人工海水为0.5mL/min）。所述流动条件是施加低剪切力，以去除剥离的或松散附着的生物膜。每个样本遭受限定压力并释放25周期且大概7.5秒/每周期时间。图8示出了大量生物膜释放，通过不同厚度生物膜的荧光强度减弱评估，所述生物膜遭受面积部分扩展。这些数据符合较厚生物膜表现出较小剥离临界应力（ ε_c），则可从较小局部扩展的弹性体表层释放的这一假设。
这一重要结果有利表明了在附着生物膜与弹性表层之间且超出了剥离临界应力(ε_c)的界面面积扩展，是用于释放粘附生物膜和生物淤积的常用方法。有许多可能实现界面面积扩展的方法，本发明公开的电激励是其中之一。在一些不能或不可将电压施加在弹性表层用以生物膜释放的情况下，其他增加界面面积超出ε_c的方法可能有用。这些方法包括：（a）弹性体表层拉伸；（b）通过施加在其表面上的压力差使弹性体表层起皱；（c）管形或球形的弹性体几何形状的半径扩展。
所述机制可被应用于许多生物膜和包括由以下物质形成的吸附物的剥离：（i）海洋及工业淤积；（ii）哺乳动物细胞培养；（iii）感染生物膜在医用植入物上形成。
后者例子是有问题的感染性生物膜可在通常由弹性体构成的医用植入物上形成，诸如留置导管。上述分析显示有问题的生物膜通过使其表层经受周期变化而从所述导管上释放。
实施例五：聚合物表层的电压感应动态拓补图可积极有效地分离附着的生物膜。图9a示出了电活性防垢覆盖层的结构。一刚性基底，具有2.5GPa杨氏模量和125μm厚度的KAPTON,(DUPONT,USA)与下方10nm金层溅射镀膜。50μm聚二甲基硅氧烷膜（SYLGARD 184 DOW CORNING，USA）旋涂在KAPTON膜的顶部并在65℃下固化12小时。SYLGARD 184的交联剂密度变化为2％至10％，以得到具有60kPa至365kPa剪切模量的弹性体膜。所述膜的厚度和剪切模量分别通过DEKTAK 150探针式轮廓仪（BRUKER AXS，USA）和单轴拉伸测试仪（TA INSTRUMENT，USA）测定。
硅弹性体、刚性绝缘基底和金属基板粘合在一起形成一个三层层压板（王等，2011）。所述层压板可容易做成覆盖大部分区域的。该弹性体表层暴露于一典型海洋细菌，海科贝特氏菌（Cobetia marina 7×10⁷cell/mL）的人工海水悬液中，且需4天形成生物膜（图9a），所述细菌可知用于快速繁殖许多材料并调整海水中结垢生物的附着（真希等，1995）。该弹性体膜表层通过将接地电极放入在附着生物膜表层上轻轻流动的人工海水中实现电接地。对照研究表明单独流动不能剥离生物膜（数据未示出）。对于对照和电激励样本的生物膜剥离分析是在利用SYTO 13（INVITROGEN INC.）着色生物膜进行的；这个程序在其他地方详述（迪 苏萨等，2010）。使用着色剂的生物膜表层在黑暗中被空气干燥30分钟并利用10倍物镜的荧光显微镜（ZIESS AXIO OBSERVER）分析。在不同区域至少五幅图在相同曝光时间下从每个着色表层抓拍。生物膜从表层剥离的平均百分比是通过比较实验和对照样本间的相对荧光强度进行计算的。当施加直流电压于层压板下的金属基板上时，弹性体内形成电场。当所述电场超过临界值时，弹性体表层变得不稳定，形成微型“火山口（micro-craters）”（图9a和9b）。
成坑不稳定的临界电场可以表示为（王等，2011）
                                                             (1)      
其中，μ和ε是剪切模量和弹性体的介电常数。当除去电场时，弹性体恢复到初始、平坦地形。弹性体的表层应力在电场作用下具有在其表层印标记的特性（9b）。所述标记比上述火山口的小，且所述标记在未变形表层上形成规则方形格子。所述表层应力通过跟踪标记（数据未示出）的相对位移来计算。简而言之，该标记通过将50μm厚度的SYLGARD 184膜浇铸在具有由光刻形成的正方形格子支柱的硅模具上。相邻两个支柱（5μm）之间的距离比SYLGARD 184膜的厚度（50μm）小。因此，该标记对SYLGARD 184膜的变形可忽略不计影响。在平坦和变形状态下的SYLGARD 184表层图像（图中未示出）通过显微镜（Nikon，Japan）获取。初始坐标（）和变形坐标（）是用一款图像处理软件（ImageJ，NIH，USA）测量，并且梯度变形利用有限元分析获得（T.J.R. Hughes， Dover Publication，2000）。该格林应力（Green strain）然后计算为，其中，表示克罗内克符号张量(KRONECKER DELTA TENSOR)。图9b示出了在变形表层上最大主应力的分布。由此可见，超过20%的最大主应力在表层大部分区域。在10分钟内施加电压200次通断周期后，弹性体表层上超过95%生物膜被剥离（图9c）。这些数据表明聚合物表层的感应电压动态拓补可积极有效地分离粘附的生物膜。
假设弹性体表层变形并且在不存在电场下会引起生物膜剥离。为了检验这个假设，电压和表层变形对生物膜剥离的影响是不挂钩的，在使用许多具有模量范围在60kPa至365kPa的硅弹性体膜。C.玛丽娜生物膜根据下述描述在弹性体表层生长。海科贝特氏菌（basonym，Halomonas marina）（ATTC 4741）和大肠杆菌（ATTC 15222）分别在海洋液体培养基（MB）（2216，Difco，ATTC，USA）和胰蛋白酶液体培养基（TSB）中，含有20％甘油，被冰冻保存在-80°C的库存中。人工海水制备如先前报道（伊斯塔等，1999）。实验库存制剂保持在琼脂斜面上，并在4℃下储存长达2周。在琼脂斜面上的单个菌落接种于50 mL的 MB（C.玛丽娜）或TSB（大肠杆菌），并振荡在25°（C.玛丽娜）或37℃（大肠杆菌）下一夜长大。细菌浓度分别为7×10⁷cells mL^-1C.玛丽娜和11×10⁷cells mL^-1大肠杆菌。用于生长生物膜的表层利用甲醇冲洗数次并之后用大量消毒过的去离子水消毒。约1mL的C.玛丽娜和大肠杆菌培养基被放置于随同有5mL消毒过的人工海水或TSB液体培养基的样本表层上。所述样本储存在C.玛丽娜26℃和大肠杆菌37℃的细菌培养器所需时间。所述样本仔细监测，根据每天补偿脱水需要增加大约1至2mL人工海水或TSB液体培养基。生物膜的厚度由倒置的共聚焦显微镜（Zeiss LSM 510）（见下文）进行测定。
对于解耦电压和表层变形的实验，弹性体中的感应电场依据公式（1）控制，这样相同电场E可引起那些E>Ec而不是E<Ec的弹性体明显变形。一直流电压通过可控电压源（MASTSUSADA）施加在人工海水和底层电极之间。下述表一中所示电场利用计算所得，其中是外加电压，是SYLGARD 184膜的厚度，是基底厚度，和分别是SYLGARD 184和KaptonD 介电常数，其中为真空介电常数。从具有多种模量并在多种外接电场下的SYLGARD 184膜上剥离的C.玛丽娜百分比在表1中示出。SYLGARD 184交联剂密度变化得到具有范围在~60kPa至365kPa剪切模量的弹性体膜。所述电场在10分钟内周期性从零到某个值（如表1所示）进行20次变化。施加低于E_C的电场不会引起表层变形且有生物膜被剥离的最低百分比（~15%）（表1的暗灰色单元格指出）。施加低于EC的电场导致“微型火山口”形成，这样表层可逆转地从平坦状态变为成坑状态，导致高百分比生物膜分离（~95%）（表1中白色单元格指出）。生物膜显著分离（即，>85%）仅出现在其经受变形的表层上（表1中的白色单元格）。尽管它们承受相同电场，未变形表层表现出极小的生物膜分离（即<15%）。这些结构显示表层变形是生物膜从电场激励的弹性体表层上生物膜剥离的主要机制。
表1

实施例六：关于多种形式生物淤积分离通过拉伸表层变形的影响。关于多种形式生物淤积分离通过拉伸弹性体表层变形的影响是在不施加电场下研究。弹性体上不同厚度的生物膜通过改变培养时间由C.玛丽娜和大肠杆菌形成（哈钦森等，1995）。其后，每个有生物膜的弹性体在3分钟内进行30次单轴拉伸至设定应力，而人工海水在弹性体表层轻轻冲刷去除剥离的生物膜。更具体地，硅弹性体膜，ECOFLEX 00-10（SMOOTH-ON，USA）被用在利用机械拉伸剥离生物膜。该ECOFLEX膜的厚度和剪切模量分别为1mm和10.4kPa，在生物膜附着在一薄膜上后，该薄膜两端以周期性的方式被夹紧、拉伸和松弛。所述薄膜被拉伸至设定应力并在3分钟内进行30次松弛，在此期间人工海水的持续性低剪切流量（0.5mL/min）被用于去除剥离的生物。在拉伸后，生物膜分离的百分比由应力公式计算。图10c和10d示出了当外加应力超过范围从2%至14%的临界值时，表层变形引起C.玛丽娜和大肠杆菌生物膜明显分离（即>80%）。外加应力的临界值基于生物膜厚度（图10c）。有趣的是，较厚的生物膜需要较低临界应力用于明显分离。
生物膜剥离被解释为从基底上剥离的过程（JW Hutchinson和Z. Suo，1992）。在剥离前，聚合物膜和生物膜的机械应力是相同的。如果生物膜在目前研究中被认为在形变率下为线性弹性的（肖等，2004），生物膜单位面积弹性能可表示为,其中e是外加应力，Y是生物膜平面应力杨氏模量，以及H是生物膜厚度。首先它被确定生物膜在比其厚度大的长度尺寸上保持完整性。这是通过在矩形共聚酯（ECOFLEX）表层生长C.玛丽娜生物膜六天，并根据如上所述方法着色生物膜确定。所述着色生物膜有一在共聚酯大部分表层上的均匀覆盖面（图中未示出）。包括着色生物膜的共聚酯基底夹紧在两个相对的边缘并手动慢慢单轴方向拉伸至20％应力。所述基底保持在拉伸状态且在显微镜下观察以检测在生物形态上表层变形的效果。变形基底上的生物膜在比其厚度大的长度尺寸上保持完整性（即，30μm~80μm）（数据未示出）。因此，生物膜分离可被分析为薄膜剥离过程。假设生物膜在比其厚度大的长度尺寸上保持完整性，当生物膜的弹性能超过在生物膜和聚合物之间的粘附能时，剥离出现。因此，生物膜剥离的临界应力可表示为
                                                               （2）
其中Γ是单位面积的生物膜聚合物粘附能。公式（2）预测临界应力为一生物膜厚度的单调递减函数。该预测是与图10c的实验结果相一致，其中较薄的生物膜需要较高的剥离临界应力。
实施例七：关于大面积淤积生物（macrofouling organisms）表层变形的影响。为了检测大面积淤积生物表层变形的影响，成年藤壶（纹藤壶属（=藤壶属）须头虫）（瑞提斯高夫等，2008））再次附着在弹性体表层（参见所示为剥离机制的图11）。藤壶的再次附着是利用先前公开方案实现的（瑞提斯高夫等 2008）。简单地说，藤壶（纹藤壶属（=藤壶属）须头虫）由介虫饲养，寄居在在T2（来自北达科他州立大学的礼物）上并培养大约一周达到0.5cm底面直径。藤壶被推离T2表层，并立即放置在空气中的测试表层上，并在100％湿度下培养24小时。然后，将所述表层浸没在活动海水和每天喂养盐水虾长达2周，并进行测试。在藤壶紧密地再次附着后，该弹性体膜周期性地拉伸至各种规定的应力，然后分离藤壶的剪切力被测定（瑞提斯高夫等，2008）。藤壶分离的剪切力被绘制为弹性体膜上施加的应力的函数（图11d）。聚合物的形变显著减少了剥离所需的剪切力。例如，25％的SYLGARD 184基底上施加的应力降低了63％剥离力，100％施加的应力完全分离藤壶。由于基底变形的藤壶剥离过程可以理解为在藤壶-聚合物界面的两个裂缝的对称繁殖（图11b）。如果藤壶-聚合物系统的弹性能的减小量超过在藤壶和聚合物基底（路等，2007）之间的粘附能时，所述裂缝繁殖。藤壶基板比聚合物基底更硬（拉姆塞等，2008）。一排藤壶下的基底被假定为在平面-应力条件下变形（图1 1a和11 b）。因裂缝繁殖的能量释放率（即当裂缝繁殖1个单位面积的系统弹性能的减少量）可被表示为，,其中为聚合物基底的剪切模量，L为藤壶和基底之间附着区域的长度，S为基底宽度，f为根据下述利用有限元计算的描述的一无量纲函数计算，S4用于藤壶剥离的能量释放率。在弹性体膜上的一排藤壶系统以2D平面-应力模型简化（数据未示出）。该共聚酯膜可建模为带有剪切模量的新胡克材料并假定为无限厚。所述藤壶被建模为一刚体。在藤壶和聚合物基底之间的粘合长度表示为L。能量释放率由商业有限元软件包ABAQUS 6.10.1（SIMULIA，USA）计算（数据未显示）。如果变形很小（<10％应力），能量释放率如下:
                                                         （S1）
其中S是聚合物膜（路等，2007）的宽度。能量释放率随聚合物的剪切模量和标准接触长度的增长而确定。曲线的初始部分（即，低应力值）与理论结果相一致。从这个实验中，G被证明是，e和L的单调递增函数。当能量释放率G与藤壶和基底之间的粘附能相等时，则
                                                          （3）
在任何应力e下的藤壶和基底之间附着长度L可由公式(3)计算得出。从图11d可见，藤壶-SYLGARD 184和藤壶-ECOFLEX系统的粘附强度近似相等。但是所述SYLGARD 184比所述ECOFLEX具有更高的剪切模量，因此，当施加相同外加应力时，所述SYLGARD 184基底（即给予较小L）比ECOFLEX基底更有效地分离藤壶。这种预测是与实验结果一致（图1 1 d）的。
实施例八：用于微观和宏观生物淤积模型的活性分离的气动网络。作为另一种使表层变形的方法，气动网络（伊利夫斯基等，2011）的使用被用于检测微观和宏观生物淤积模型的活性分离。C.玛丽娜生物膜生长在弹性体表层7天，在成年藤壶再次附着在所述表层并如上述描述生长后。如图12a所示，空气通道在弹性体膜下方制造，而所述网络的底面与硬板粘合。压力激励原型的制作过程是利用3D打印机（STRATASYS, USA）作为模具，以制作内部具有模型式空气通道的模型式共聚酯膜，而制成塑料原型。所述共聚酯模之后附着在被旋涂在玻璃板上的未固化的共聚酯膜（~200μm），以使模型式共聚酯膜与玻璃板粘合。在固化后，模型式共聚酯膜网络紧密粘附在玻璃载片上以形成封闭的空气通道。每个空气通道由厚度约为1mm的长条形共聚酯覆盖。小孔被冲压在所述网络的两个相对壁上：一个连接到一个橡胶管用作空气入口，另一个用于数字压力传感器（TACHIKARA，INC）。该共聚酯膜之后由用气动泵（MASTERFLEX）激励。在空气通道中的压力逐渐升高，生物膜和脱离剪切应力对藤壶的覆盖范围被测量。通过控制共聚酯膜通道内的空气压力，所述膜表层3分钟30次可逆地变形。当空气被泵入到通道中，空气通道上方的薄条形共聚酯向上弯曲并引起对照表层变形（参见图12）。如图12所示，气动网络的动态弹性体表层可积极有效地分离生物膜和藤壶。例如，3kPa的气压引起的23％表层应力和几乎100％生物膜分离。为了完全分离所述藤壶，需要较高压强（~15kPa）。
气动压力与表层应力的关系根据下述步骤测定。在空气通道上方的所述共聚酯条受压力控制弯曲被建模为利用2D平面-应力模型计算长条形共聚酯（数据未示出）。夹在两个端部的所述共聚酯条承受均匀压力P，以圆弧半径为R弯曲。初始和起泡的长度分别记为2L和2l，所述膜的初始和起泡的厚度为H和h。力平衡给出:
                                                                （S2）
其中为膜应力。在所述膜的两个主要拉伸为
                                                  （S3）
其中为圆弧角度，所述共聚酯膜服从新胡克模型（Neo-Hookean Model），即
                                                   （S4）
其中，是弹性体中的静水压力。鉴于该径向应力，公式（S4），给出了                                                             （S5）
结合公式（S2，S3，S5），所施加的压力P和共聚酯膜表层应力之间的关系被计算。所述理论结果与实验数据匹配一致（数据未显示）。本文提供的数据表明了由气动网络激励的动态表层的防淤积能力。用于弹性体变形的液压网络预期有类似表现（托尔森等，2002）。
实施例九：通过拉伸使活性表层变形，以便于粘弹性和结晶质的生物膜结壳释放该模型由微型培养箱中维持在37℃的滴流反应器组成。用于p.紫茉莉（mirabilis）的媒质是一种人工尿，由在去离子水中的0.49g/ L氯化钙、0.65g/ L氯化镁六水合物、4.6g/ L氯化钠、2.3g/ L硫酸二钠、0.65g/ L柠檬酸三钠二水合物、0.02g/ L草酸钠、2.8g/ L磷酸二氢钾、1.6g/ L氯化钾、1.0g / L氯化铵、尿素25g /L和明胶5.0g/L组成。将培养基的pH调节至6.1，然后灭菌。胰蛋白胨大豆液体培养基分开制备、灭菌，并加入到无菌的基础培养基中达到1.0 g / L终浓度；由此制成总人工尿媒质。大肠杆菌的媒质为天然液体培养基（NB）或胰蛋白胨大豆液体培养基。
该体外膀胱模型由微型培养箱中维持在37℃的滴流反应器组成。滴流反应器内部可以有管、平券（flat coupons），或导管部分。DFR的样品既被20mL4h人工尿液的p.紫茉莉细菌培养基被感染，或又被20mL24hrNB大肠杆菌培养基感染。在介质供应得到恢复之前，所述受感染的培养基静置1小时。
人造尿媒质利用蠕动泵在以流速为0.5mL/min持续性流过所述模型。该模型是连续运行，直到所需的时间点或者出现系统堵塞。样本从反应器中取出并进行了拉伸或表层变形至所需量，轻轻漂洗，然后荧光染色。荧光染色（CYTO 13）粘合到细胞外基质（ECM）和细胞。荧光染色的样本然后成像且荧光强度被测量。荧光强度用来计算生物膜释放的百分比。
大肠杆菌生物膜通过暴露弹性体腔表层于细菌悬液上并然后提供NB媒质7天连续流动，使其生长在管状样本上（SILICONE TUBING，VWR）。生物膜覆盖在暴露的管腔表层上。对照样本不是周期应力而测试样本暴露在应力范围从10-50％的20个周期。10％应力样本显示80%生物膜释放，以及50％应力样品显示大于90％生物膜释放。这些结果证实，表层变形有效地利用典型生物膜的粘弹性力学性能分离尿生物膜。荧光图像的视觉观察可确认生物膜的大部分已被分离。
P.紫茉莉生物膜，通过将弹性体表层暴露在细菌悬液并之后提供1天人工尿媒质流动，而生长在平券样本（DRAGON SKIN 0020，SMOOTH-ON，INC）上。结晶质生物膜覆盖所述暴露表层并在显微镜下确认结晶质结构。对照样本不是周期应力而测试样本暴露在应力范围从10-50％的15个周期。10%应力样本显示50%生物释放而50%应力样本显示超过90%生物释放。这些结果确认表层变形有效分离具有较高模量、更少粘弹性和机械特性的结晶质膀胱生物膜。荧光图像的视觉观察证实大部分生物膜在变形区域分离。另外，在变形区域的生物膜剩余区域可见裂缝。
P.紫茉莉生物膜，通过将弹性体腔表层暴露在细菌悬液并之后提供2天人工尿媒质流动，而生长在管状样本（SILICONE TUBING，VWR）上。结晶质生物膜覆盖在暴露腔表层并在裸眼观察下可见。对照样本不是周期应力而测试样本暴露在应力范围从10-50％的15个周期。10%应力样本显示68%生物释放而50%应力样本显示超过98%生物释放。这些结果确认表层变形有效分离具有较高模量、更少粘弹性和机械特性的结晶质膀胱生物膜。假定较厚生物膜（因2增长相对1天增长）释放到到在10%应力和较少可变性生物膜的较大百分比。这个结果支持生物膜释放技术的临床应用；在治疗的生物膜分离间增长时间对病人有利。
综上所述，聚合物表层的变形可以有效地分离微观细菌生物膜和宏观淤积生物。通过活性生物表层激励，简单的弹性体表层形成而具有动态变形能力，响应外界刺激，包括电压、机械拉伸和气压。动态表层变形的使用是互补的，可以增强其他生物淤积管理手段，如表层改善，控释和微型-纳米形貌（micro-and nanotopography）。
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本领域技术人员将容易理解的是，本发明很好地适合于实现目的和获得提及的目标和优势，以及其中固有的那些。具有方法、过程、组合物、装置、系统和本文所述的装置的本实施例是目前代表的各种实施方案，是示例性的，并且不旨在作为限制本发明公开的主题的范围。其中的变化和其它用途出现在本领域技术人员面前，这是目前公开的主题的精神，被权利要求书的范围和这里所概述的限定。
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