ステンレス鋼の滑りやすい表面の作製と高温の反付着挙動
2018年3月29日
滑りやすい路面では、接着の問題を解決する新しい方法を提供します。このプロトコルでは、高温で滑りやすいサーフェスを作成する方法について説明します。結果は、滑りやすい路面が反湿潤液体や高温で柔らかいティッシュの驚くべき癒着防止効果を示したことを示します。
この実験の全体的な目標は、高温耐性のある滑りやすい表面をどのように作製するかを説明し、高温での準備された表面の付着防止効果を調査することです。この方法は、生物医学分野の重要な質問に答えるのに役立ちます。例えば、電気外科器具の軟部組織の癒着問題。
この技術の主な利点は、準備された滑り面が高温で優れた接着性を達成できることです。その手順を実演するのは、私の研究室の大学院生であるLiu Guangです。この手順を開始するには、テキストプロトコルで概説されているようにフォトマスクを設計および製造します。
次に、ステンレス鋼板をアルカリ性溶液で室温で15分間洗浄します。超音波洗浄機を使用して、500ワットの超音波電力で40キロヘルツの動作周波数でプレートを完全に洗浄します。次に、脱イオン水とヘキサン、アセトン、エタノールでそれぞれ10分間順番にすすぎます。
洗浄したプレートを摂氏150度に設定されたホットプレートに置きます。ステンレス鋼をアルミホイルのシートで覆い、ホットプレートに30分間置いて乾かします。この後、鋼をスピンカッターに移し、中央に置きます。
スポイトを使用して、約1ミリリットルのポジ型フォトレジストをプレートの中心から端に向かって堆積させ、プレート全体が覆われるまで堆積させます。次に、スピンカッターを700rpmで6秒間回転させ、次に1500rpmまで15秒間回転させてフォトレジストを均一に広げます。次に、真空バルブを放します。
ピンセットを使用して、コーティングされたスチールをスピンカッターから取り外します。鋼をホットプレートに120°Cで2分間置いて、フォトレジストを焼きます。次に、ステンレス鋼をフォトマトグラフィーマシンの真空バルブに移します。
露光時間を25秒に設定し、フォトマトグラフィーマシンの電源を入れます。この後、鋼を取り除きます。現像液に1分間浸して、紫外線をさらさずにフォトレジストを除去します。
次に、プレートを現像液から取り出し、脱イオン水で洗浄します。洗浄したプレートを窒素ガスで乾燥させます。次に、乾燥させた鋼をホットプレートの上に置きます。
120°Cで2分間焼きます。倍率100倍の正立顕微鏡を用いて、得られたフォトレジストのテクスチャをステンレス鋼で検査します。まず、500ミリリットルのビーカーに200ミリリットルの化学エッチング溶液を準備します。
次に、ステンレス鋼を追加します。プレートを溶液に10分間放置します。ピンセットを使用して、化学的にエッチングされた鋼を取り除きます。
脱イオン水で1分間洗浄します。窒素ガスを使用して乾燥させます。超音波洗浄機を使用して、アセトンで鋼を5分間洗浄し、フォトレジストのテクスチャーを取り除きます。
次に、エッチングされたプレートを窒素ガスで乾燥させます。脱イオン水の安定した流れを使用して、化学的にエッチングされたステンレス鋼を洗浄します。窒素ガスで乾燥させます。
ホットプレートを使用して、鋼を摂氏100度に30分間加熱し、表面を完全に乾かします。次に、鋼をRFプラズママシンに移します。100ワットのRF電力、100ミリバールのシステム圧力、20SSCMの流量を使用して、O2プラズマ処理で鋼を10分間ヒドロキシレートします。
この後、無水トルエンに1ミリリットルのOTS溶液を調製します。エッチングされた鋼をOTS溶液に移します。ビーカーを密封し、室温で4時間休ませます。
次に、溶液から鋼を取り除き、無水トルエンで洗浄します。超音波洗浄機を使用して、プレートを10分間洗浄します。窒素ガスで乾燥させます。
まず、スポイトを使用して、OTSコーティングされた化学的にエッチングされたステンレス鋼に約10ミリリットルのシリコーンオイルを堆積させます。次に、光学実体顕微鏡を使用して、鋼表面のシリコーンの濡れ過程を観察します。鋼板を垂直位置に1時間置き、余分な油分を取り除きます。
次に、滑りやすいシリコン表面に4マイクロリットルの水滴を堆積させます。鋼を光学顕微鏡にロードし、約2度傾けます。低倍率で水滴を観察し、滑りやすい表面で水滴が動きやすいことを確認します。
ピンセットを使用して、鋼をホットプレートに移します。温度を設定して、テキストプロトコルで説明されているように、さまざまな高温での濡れ防止動作を分析します。ハイスピードカメラを三脚に固定し、鋼に向けます。
ピントを調整した後、マイクロシリンジを使用して滑りやすい表面に10マイクロリットルの水を堆積させ、500ヘルツのフレームレートで水滴の動きを記録します。液滴が鋼の滑りやすい表面から滑り落ちたら、録音を停止します。次に、試験プロトコルに概説されているように、滑りやすい表面の軟部組織に対する付着防止効果を分析します。
この研究では、OTSコーティングされた化学エッチングされたステンレス鋼にシリコーンオイルを添加することにより、滑りやすい表面を準備します。湿潤処理が完了すると、目に見える油層を乾燥した表面と区別できます。次に、準備された表面が2度の角度で向けられたときに水滴が堆積する滑りやすい特性が調査されます。
黄色の点線は接触点を示し、水滴は水面に沿って浮かんで滑ります。次に、さまざまな高温での濡れ防止挙動を調査します。摂氏200度では、水滴は最初は表面にしっかりと接触しているように見えますが、その接触は時間の経過とともに減少します。
6200ミリ秒で、液滴は表面から滑り始めます。摂氏250度では、液滴の初期接触面積は大幅に小さくなります。この温度では、液滴はわずか800ミリ秒後に表面から滑り始めます。
しかし、摂氏300度では、液滴は接触するとすぐに不安定になり、わずか250ミリ秒後に表面から急速に滑り落ちます。次に、滑りやすい表面が軟組織に付着しない効果を評価し、接着力を測定します。接着力は、滑らかなステンレス鋼で0.80プラスマイナス0.18ニュートン、滑りやすい表面で0.04プラスマイナス0.02ニュートンであることがわかります。
このように、滑りやすい表面と滑らかなステンレス鋼の表面との間の接着力には桁違いの差がありました。このテクニックを習得すると、適切に実行すれば12時間で完了します。この方法は、効果的な接着効果を得るために滑りやすい表面を持つ電気外科器具の設計と製造に関する洞察を提供します。
また、制御装置の潤滑や薬剤の接着など、他のシステムにも適用できます。この手順を試行するときは、ホットプレートが高温にあるときにホットプレートに触れないように注意することが重要です。その開発後、この技術は、医用生体工学の分野の研究者が電気外科器具の軟部組織接着問題を解決するための道を開きました。
このビデオを見た後、高温耐性を備えた滑りやすい表面を製造する方法をよく理解しているはずです。
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概要
本記事では、耐熱性と防汚性を備えた滑りやすい表面（slippery surfaces）を作製するためのプロトコルを紹介します。本研究では、バイオ医学における軟組織の癒着問題に対処するための、これらの表面の潜在的な応用可能性について強調しています。
研究の主要構成要素
科学分野
- 生物医学
- 材料科学
- 表面工学
背景
- 電気手術器具において、軟組織の付着は大きな課題となっています。
- 表面を滑りやすくすることで、付着を軽減し、手術成績を向上させることができます。
- これらの表面の機能性を維持するためには、耐高熱性が不可欠です。
- 本研究では、手術器具の性能を高めるための革新的な解決策を検討します。
研究の目的
- 耐熱性の高い滑り表面を作製すること。
- これらの表面の防汚・抗接着効果を調査すること。
- 生物医学における軟組織の癒着問題に対する解決策を提供すること。
使用した手法
- フォトマスクの設計および作製。
- 高温処理技術の適用。
- 表面の防濡性の評価。
- 軟組織に対する接着効果の試験。
主な結果
- 作製した滑り表面は、液体に対して効果的な防濡性を示した。
- 高温下において、軟組織への接着の大幅な減少が観察された。
- この手法は、接着問題の解決に有効であることが証明された。
- 結果は、電気手術器具の性能向上の可能性を示唆している。
結論
- 滑りやすい表面は、軟組織の癒着を大幅に軽減することができます。
- これらの表面の高い耐熱性は、その適用性を向上させます。
- このアプローチは、生物医学における課題に対する有望な解決策を提供します。
よくある質問
産業上の重要性
電気外科手術器具への軟組織の付着は、バイオメディカルデバイス開発における永続的な課題となっており、手術の精度やデバイスの寿命に影響を与えます。本プロトコルでは、耐熱性を備えた滑りやすい表面の作製が可能になり、熱負荷の高い環境におけるバイオフーリングと付着を低減するための材料ベースの解決策を提供します。このアプローチは、適切な生理学的および手技的な条件下で定量化可能な抗付着結果を提供することにより、デバイス性能に対する予測的な信頼性を裏付けるものです。
バイオ医薬品研究開発における戦略的応用
初期発見およびターゲットバリデーション
- 科学的価値： バイオマテリアル設計における抗凝着仮説を検証するため、材料と組織の相互作用の解析を可能にする。
- 運用的価値： 凝着修飾化合物やコーティングのスクリーニングに用いる試験表面を作製するための、再現可能な手法を提供する。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- 科学的価値：表面修飾の高スループット評価に向けた、標準化され定量可能なリードアウト（例：接着力、液滴の移動度）を生成する。
- 運用的価値：定義された作製工程と環境制御（例：温度、潤滑層の安定性）を通じて、アッセイの標準化を支援する。
トランスレーショナル・前臨床研究
- 科学的価値： 電気手術時の使用を模した高温などの疾患に関連する条件下で滑りやすい表面をテストすることにより、発見と前臨床検証の橋渡しをします。
- 運用的価値： デバイスの展開に関連するストレス条件下での耐久性能を実証することで、リスクを調整した上での推進決定を促進します。
パイプラインおよびワークフローの統合
本手法は、発見から前臨床までの連続的なプロセスに適合しており、後続のデバイス機能や生体適合性に影響を与える材料特性を早期段階で評価することを可能にします。
- 探索生物学：表面エネルギー、潤滑剤の安定性、および組織接着メカニズムに関する仮説検証を支援します。
- スクリーニング：材料の比較スクリーニングに向けて、再現性のある防濡性および防汚性を備えた、アッセイ可能なプラットフォームを提供します。
- 分析：表面処理間の客観的な比較を可能にする定量的測定値（ニュートン単位の接着力、液滴の滑落時間）を算出します。
- トランスレーショナルリサーチ：手術器具の使用を模した条件下で機能を検証することにより、表面性能を前臨床の連続性に結びつけます。
- エンタープライズ再利用：複数のプロジェクトや材料系にわたって標準化された滑り表面を生成するための、再利用可能な作製プロトコルを確立します。
運用および企業への影響
- 科学的価値：表面潤滑を主要な変数として分離することで、接着研究におけるメカニズムの曖昧さを低減する。
- 運用的価値：フォトリソグラフィーを用いたパターニングと定義された潤滑剤注入工程により、再現性と拡張性を向上させる。
- 戦略的価値：熱ストレス下での材料性能に関する早期の予測データを提供し、go/no-go判定を改善する。
- ポートフォリオへの影響：検証済みの抗接着性と熱安定性プロファイルに基づき、バイオ材料候補のリスク調整済み優先順位付けを可能にする。
実施上の検討事項
- フォトリソグラフィー、表面化学、および高温材料の取り扱いに関する専門知識が必要です。
- 作製および特性評価のため、スピンコーター、プラズマ処理装置、ホットプレート、および顕微鏡システムの利用が不可欠です。
- データの比較可能性を確保するため、表面処理および試験プロトコルのチーム間での標準化が必要です。
- 異なる基板材料や潤滑剤システムに本手法を適用する場合、適合性の検討が必要となります。
- 実用上の制限として、試験中の潤滑剤の枯渇や表面汚染を防ぐための制御された環境が必要となります。
バイオファーマ FAQ
Chapters in this video
0:04
Title
0:46
Photolithography on Stainless Steel
3:43
Chemical Etching of Stainless Steel
4:36
Saline Octadecyltrichlorosilane Self-assembly on Chemically Etched Stainless Steel
5:58
Analysis of Anti-wetting on the Slippery Surface at High Temperatures
7:40
Results: Anti-adhesion Effects of Prepared Slippery Surfaces at High Temperatures
9:44
Conclusion
