(57)【要約】本発明は、絹電子部品およびその構築方法に関する。絹電子部品を、新規のデバイス（埋め込み型生体電気デバイスおよび／または生体光子デバイス、バイオセンサー、サーベイランスデバイス、不可視クローク、電磁コンセントレータ、またはアンテナなど）として使用することができる。一局面において、本発明によって提供される絹電子部品は、以下：絹マトリクス；および該絹マトリクスと結合したパターン化導電構造体；を含み、該パターン化導電構造体は電磁放射線に応答する。
2013533754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絹電子部品であって、該絹電子部品は：
絹マトリクス、および
該絹マトリクスと結合したパターン化導電構造体であって、該パターン化導電構造体は電磁放射線に応答する、パターン化導電構造体
を含む、絹電子部品。
【請求項２】
前記絹マトリクスの表面粗さが５ｎｍ未満である、請求項１に記載の絹電子部品。
【請求項３】
前記絹マトリクスの表面粗さが３ｎｍ未満である、請求項１に記載の絹電子部品。
【請求項４】
前記絹マトリクスが絹フィブロインを含む、請求項１に記載の絹電子部品。
【請求項５】
前記絹フィブロインがＢ．Ｍｏｒｉ絹フィブロインである、請求項１に記載の絹電子部品。
【請求項６】
前記絹マトリクスが生体適合性成分を含む、請求項１に記載の絹電子部品。
【請求項７】
前記絹マトリクスがフィルム、ヒドロゲル、発泡体、ｅ−ｇｅｌ、またはミクロスフィアである、請求項１に記載の絹電子部品。
【請求項８】
前記絹マトリクスがドーパントを含む、請求項１に記載の絹電子部品。
【請求項９】
前記ドーパントが生物学的ドーパントである、請求項８に記載の絹電子部品。
【請求項１０】
前記ドーパントが、医薬品、抗体、抗体のフラグメントまたは抗体の一部、抗生物質、酵素、有機指示薬、光活性染料、細胞、タンパク質、ペプチド、核酸アナログ、ヌクレオチド、オリゴヌクレオチド、ペプチド核酸、アプタマー、ホルモン、ホルモンアンタゴニスト、成長因子、成長因子のフラグメント、成長因子のバリアント、組換え成長因子、組換え成長因子のフラグメント、組換え成長因子のバリアント、サイトカイン、抗菌性化合物、ウイルス、抗ウイルス剤、毒素、プロドラッグ、薬物、化学療法剤、小分子、発色団、発光有機化合物、発光無機化合物、集光性化合物、光捕捉複合体、またはその組み合わせである、請求項８に記載の絹電子部品。
【請求項１１】
前記ドーパントが前記電磁放射線を調整する、請求項８に記載の絹電子部品。
【請求項１２】
前記絹マトリクスが、表面との接触の際に該表面と一体化する、請求項１に記載の絹電子部品。
【請求項１３】
前記絹マトリクスが、表面との接触の際に該表面に接着する、請求項１に記載の絹電子部品。
【請求項１４】
前記絹マトリクスの一部が水溶液との接触の際に溶解し、表面との接触の際に該表面に接着する、請求項１に記載の絹電子部品。
【請求項１５】
前記パターン化導電構造体が前記絹マトリクスの表面上に配置されている、請求項１に記載の絹電子部品。
【請求項１６】
前記パターン化導電構造体が前記絹マトリクス中に埋め込まれている、請求項１に記載の絹電子部品。
【請求項１７】
前記パターン化導電構造体が導電性材料を含む、請求項１に記載の絹電子部品。
【請求項１８】
前記導電性材料が、金、アルミニウム、クロム、銀、白金、銅、チタン、ニッケル、ロジウム、コバルト、マグネシウム、鉄、ジルコニウム、モリブデン、パラジウム、ハフニウム、イリジウム、タングステン、タンタル、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、ポリシリコン、グラファイト、またはその任意の組み合わせを含む、請求項１７に記載の絹電子部品。
【請求項１９】
前記パターン化導電構造体が、共振器、分割リング共振器、偏光感受型電気共振器、偏光非感受型電気共振器、無線周波数認識（ＲＦＩＤ）デバイス、メタマテリアル構造体、アンテナ、導電コイル、またはその任意の組み合わせを含む、請求項１に記載の絹電子部品。
【請求項２０】
前記絹電子部品が、マイクロ波、赤外線、可視光、紫外線、またはその任意の組み合わせに応答する、請求項１に記載の絹電子部品。
【請求項２１】
前記絹電子部品が前記電磁放射線に応答して、テラヘルツ（ＴＨｚ）周波数、メガヘルツ（ＭＨｚ）周波数、ギガヘルツ（ＧＨｚ）周波数、ペタヘルツ（ＰＨｚ）周波数、またはその任意の組み合わせでの電磁サインを示す、請求項１に記載の絹電子部品。
【請求項２２】
前記絹電子部品が前記電磁放射線に応答して電磁サインを示し、該電磁サインが共振応答を含む、請求項１に記載の絹電子部品。
【請求項２３】
前記絹電子部品が前記電磁放射線を調整する、請求項１に記載の絹電子部品。
【請求項２４】
絹電子部品を製造する方法であって、該方法は：
絹マトリクス上にシャドウマスクを配置する工程、
該シャドウマスク中の開口部を介して該絹マトリクス上に導電性材料を蒸着する工程、および
該絹マトリクスから該シャドウマスクを除去する工程
を含む、方法。
【請求項２５】
前記導電性材料を蒸着する工程が、該導電性材料をスプレー蒸着することを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記導電性材料を蒸着する工程が、前記シャドウマスク中の前記開口部を介して該導電性材料を蒸発させることを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
絹電子部品をい製造する方法であって、該方法は：
基板上に一定のパターンの導電性材料を蒸着する工程、
該基板上に絹水溶液を塗布する工程、
該絹水溶液を乾燥させて絹マトリクスを形成させる工程であって、該絹マトリクスは、該絹マトリクスが乾燥したときに該導電性材料を被包する、工程、および
該基板から該絹マトリクスを剥離させる工程
を含む、方法。
【請求項２８】
前記導電性材料の前記パターンに従って前記絹マトリクス中の構造体をエッチングする工程をさらに含む、請求項２７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
政府の支援
本発明は、米国国防総省のＤｅｆｅｎｓｅ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｐｒｏｊｅｃｔｓ  Ａｇｅｎｃｙによって付与された契約番号Ｗ９１１ＮＦ−０７−１−０６１８、および米国空軍によって付与された契約番号ＦＡ９５５０−０７−１−００７９の下、政府の支援を受けてなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
【０００２】
関連出願
この出願は、２０１１年４月１２日に出願された米国仮出願番号６１／３２３，１７２、２０１０年４月１９日に出願された米国仮出願番号６１／３２５，５９３、および２０１１年２月２４日に出願された米国仮出願番号６１／４４６，１５８の利益を主張する。これらの全体の内容は、参考として本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００３】
背景
電子部品は、現代社会を促進する非常に多くのデバイスの基礎となっている。おそらく、これらのうちで最も単純な部品であるアンテナは、電磁放射強度を電圧に変換する。共振器部品は、特定周波数の放射を増幅する。
【０００４】
本発明は、注目すべき特質を有する新規の電子部品を提供する。とりわけ、提供した電子部品は、生体適合性であり、以前には到達できなかった生物学的局面における電子デバイスの開発および／または実施が可能である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
概要
本発明は、絹材料が電子部品のためのマトリクスとして非常に有用であるという認識を含む。とりわけ、本発明は、絹マトリクスおよび導電性材料（金属など）から構成されるパターン化構造体を含む絹電子部品を提供する。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は、アンテナ（金属アンテナなど）である。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は、共振器（例えば、分割リング共振器、「ＳＲＲ」）（例えば、金属共振器）である。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は無線周波数認識デバイス（ＲＦＩＤ）（例えば、金属ＲＦＩＤ）である。いくつかの実施形態では、提供した絹電子部品はメタマテリアルである。したがって、本発明は、メタマテリアル組成物およびその構築方法を提供する。
【０００６】
本発明によれば、提供した絹電子部品で特に有用な絹の特質には、とりわけ、いくつかの実施形態ではほぼ原子スケールで滑らかな材料に組み立てる能力が含まれる。いくつかの実施形態では、提供した絹電子部品中の絹マトリクスは、約１０ｎｍ、９ｎｍ、８ｎｍ、７ｎｍ、６ｎｍ、５ｎｍ、４ｎｍ、３ｎｍ、２ｎｍ、または約１ｎｍ未満の平滑度を示す。
【０００７】
あるいはまたはさらに、本発明のいくつかの実施形態で特に有用な絹材料の特質には、導電性材料（例えば、金属）から構成されるパターン化構造体の蒸着過程に適用可能であることが含まれる。いくつかの実施形態では、本発明で利用される絹材料は、導電性材料（金属など）から構成される構造体を適用するためのリソグラフィ技術に適用可能である。表面平滑度は、リソグラフィの適用可能性に寄与し得る。いくつかの実施形態では、本発明で利用される絹材料は、接触による移行に適用可能である。かかる実施形態では、利用される絹材料は、望ましい金属付着性を示す。
【０００８】
あるいはまたはさらに、本発明のいくつかの実施形態で特に有用な絹材料の特質には、その生体適合性が含まれる。
【０００９】
あるいはまたはさらに、本発明のいくつかの実施形態で特に有用な絹材料の特質には、分解制御への適用可能性が含まれる。以下に詳述されるように、既知の分解の時間的経過を有する絹フィルムの構築については公知のものが多数ある。ＷＯ２００８／１１８１３３号；ＷＯ２００４／０８０３４６号；ＷＯ２００５／１２３１１４号；ＷＯ２００７／０１６５２４号；ＷＯ２００８／１５０８６１号。
【００１０】
あるいはまたはさらに、本発明のいくつかの実施形態で特に有用な絹材料の特質には、その引張り強度が含まれる。
【００１１】
あるいはまたはさらに、本発明のいくつかの実施形態で特に有用な絹材料の特質には、その柔軟性が含まれる。
【００１２】
とりわけ、本発明は、これらの種々の特質が絹を特に興味深い材料にしており、且つ絹電子部品の使用を有益にしているとの認識を提供する。さらに、本発明は、関連する電子工学的適用で有用な特定の絹組成物、絹形態、または絹材料を同定する。
【００１３】
いくつかの実施形態では、本発明は、テラヘルツ（ＴＨｚ、１ＴＨｚ＝１０１２Ｈｚ）周波数で作動する絹電子部品を提供する。電磁スペクトルのＴＨｚ領域は、分光画像法から安全な近距離通信までの範囲に適用できる可能性がある。しかし、天然に存在する材料は、典型的には、ＴＨｚ周波数で適切に応答しない。したがって、今日まで、重要なＴＨｚの部品およびデバイス（スイッチ、変調器、および移相器など）は、決して容易に利用できなかった。適切な部品およびデバイスは、ＴＨｚレジメでの適用を実現するためのＴＨｚ放射線の発生、検出、ならびに空間的および時間的な制御について調査の余地がある。ＴＨｚ周波数で実行される材料設計をさらに拡大することにより、設計した部品およびデバイスはより広い波長レジメで適用可能であろう。一定の実施形態では、本発明は、絹マトリクスおよび導電性のパターン化構造体を含む新規且つ有益なＴＨｚ部品を提供する。
【００１４】
メタマテリアルの開発により、電磁材料の相互作用に関する一般的見解が劇的に拡大された。正確に制御された標的周波数で使用者が設計した電磁応答を有するメタマテリアルにより、新規の電磁応答または現象（負の屈折率、パーフェクトレンズ、または完全吸収体など）を得ることができる。デバイスの期待される機能を損なうことなくメタマテリアル構造体の電磁特性を理想的に統合する新規のデバイスの設計は、種々の適用（バイオセンシングおよび生体検出など）で望ましいであろう。本発明は、絹メタマテリアルを提供し、絹メタマテリアルを利用する方法およびデバイスをさらに提供する。
【００１５】
さらに、本発明は、平面構造体に制限されないメタマテリアルの構築が種々の適用（埋め込み型の生体電子工学デバイスおよびバイオフォトニックデバイスなど）にも望ましいという認識を含む。ＴＨｚ周波数での共振性メタマテリアルアブソーバーを、ポリイミドによって分離された２つの金属層構造体に基づいて構築した。Ｔａｏら、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，７８：２４１１０３（Ｒ）（２００８）を参照のこと。しかし、Ｔａｏら、に記載の特定の構造体はリジッド半導体基板上に構築されていた。最近、領域（電磁クロークまたはコンセントレータなど）中の非平面メタマテリアルコンポジットに適用可能な、高品質共振応答で構築された、６ミクロン（伝搬方向に約λ／５０）ほどの薄さのポリイミド基板上の分割リング共振器からなる大面積の独立型メタマテリアルコンポジットが構築されている。Ｔａｏら、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，４１：２３２００４（２００８）を参照のこと。
【００１６】
非平面基板としてポリイミドを使用したメタマテリアルコンポジットが有効な電磁材料であるにもかかわらず、このコンポジットは生体統合デバイスとして使用するための生体適合性および生分解性を必ずしも得ることができず、メタマテリアルにさらなる生体機能性を付与することができない。本発明は、汎用性生体統合デバイスに組み込むために生体適合性および生分解性を示す高透明性および高柔軟性の基板上にメタマテリアル構造体を統合することができるメタマテリアルコンポジットを開発する必要性が当該分野で依然としてあるという認識を含む。さらに、本発明によれば、生体ドーパント（酵素およびタンパク質など）または電気的および光学的に活性なドーパントを組み込むことができるマトリクスを使用したメタマテリアルコンポジットはまた、複数の機能性を生体統合デバイス設計に融合するのに望ましい。さらに、本発明は、絹の種々の性質がメタマテリアルでの使用を特に適切にし、さらに、１つ以上の生体ドーパントを含むいくつかの実施形態において生体適合性メタマテリアルを開発可能にしているという認識を含む。
【００１７】
本発明で提供した絹メタマテリアルコンポジットは、絹マトリクス上に蒸着したか絹マトリクス中に埋め込んだメタマテリアルエレメントのアレイを含むことができ、このエレメントは広範な周波数（テラヘルツレジメが含まれる）の電磁放射線を変調する共振性電磁構造体を形成している。生体適合性絹基板上に大面積メタマテリアル構造体を直接噴霧し、それにより、所望の周波数で強い共振を示す共振性電磁構造体を有する絹メタマテリアルコンポジットが得られる簡潔な方法論を本明細書中に提供する。かかる絹メタマテリアルコンポジットは、広範な電磁スペクトル（ＴＨｚレジメが含まれるが、これに限定されない）の電磁放射線を変調することができる。
【００１８】
本明細書中に記載の絹メタマテリアルコンポジットまたは他の絹電子部品を、新規のデバイス（バイオセンサー、標識および識別子、サーベイランスデバイス、不可視クローク、電磁コンセントレータ、またはアンテナなど）、特に埋め込み型生体電気デバイスおよび／または生体光子デバイス（ｉｎ  ｖｉｖｏバイオトラッキング、生体模倣、絹エレクトロニクス、絹フォトニクス領域）、ならびに埋め込み型のバイオセンサーおよび生体検出器で使用することができる。
【００１９】
本発明の１つの態様は、導電性材料（例えば、金属）で作製されたメタマテリアルまたはパターン化構造体の１つ以上の層および基板上にメタマテリアルまたは導電性材料（例えば、金属）で作製されたパターン化構造体の１つ以上の層を保有する絹基板を含む共振性サブ波長磁性を有する絹電子部品またはメタマテリアルコンポジットに関する。
【００２０】
本発明のいくつかの実施形態は、電磁放射線の変調のための絹メタマテリアルコンポジットであって、メタマテリアルエレメントのアレイを含む共振性電磁構造体および絹マトリクスを含み、絹メタマテリアルコンポジットの共振性電磁構造体が電磁放射線を変調するように構築される、絹メタマテリアルコンポジットを提供する。メタマテリアルエレメントを、絹マトリクス上に蒸着するか絹マトリクス中に埋め込むことができる。メタマテリアルエレメントのうちの少なくともいくつかは、サブ波長共振性電磁応答の誘導のために電磁放射線の波長より小さい。
【００２１】
本発明のいくつかの実施形態は、本明細書中に記載の絹メタマテリアルコンポジットの新規のデバイスへの適用を提供する。例えば、絹メタマテリアルコンポジットを、バイオセンシングデバイスおよび生体検出デバイス、サーベイランスデバイス、電磁クローキングデバイス、および電磁アンテナデバイスなどに構築することができる。
【００２２】
いくつかの実施形態では、絹マトリクス上に蒸着するか絹マトリクス中に埋め込まれたメタマテリアルエレメントのアレイを含む絹メタマテリアルコンポジットを含む埋め込み型デバイスであって、メタマテリアルエレメントのサイズが電磁放射線の波長未満であり、絹メタマテリアルコンポジットが電磁放射線を変調することができる、埋め込み型デバイスを本明細書中に提供する。
【００２３】
本発明の別の態様は、共振性電磁特性を有する絹メタマテリアルコンポジットの構築方法に関する。本方法は、シャドウマスクを絹基板上に接触して配置する工程、シャドウマスクを介して絹基板上に導電性材料をスプレー蒸着し（ｓｐｒａｙ−ｄｅｐｏｓｉｔｉｎｇ）、それにより、絹基板上にメタマテリアルエレメントのアレイが形成される工程を含む。本明細書中で使用されるシャドウマスクは、メタマテリアルエレメントに、絹メタマテリアルコンポジットの共振性電磁特性を定義する所望の幾何学的性質を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、例示的な絹メタマテリアルコンポジットの画像およびテラヘルツ（ＴＨｚ）レジメでのその異なる周波数応答を示す。
【図２】図２は、例示的な絹メタマテリアルコンポジットの画像およびテラヘルツ（ＴＨｚ）レジメでのその異なる周波数応答を示す。
【図３】図３は、異なるサイズにスケーリングした分割リング共振器の電磁サイン（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）を示す。
【図４】図４は、分子を模倣するために共振器のサインを重ね合わせることができる共振器の電磁サインを示す。
【図５】図５は、ＴＨｚ時間分域分光学によって測定した０．１５ＴＨｚ〜１．５ＴＨｚの範囲の周波数の関数としての純粋な絹フィルム（厚さ８０−μｍ）の場透過を特徴づけるグラフである。グラフ中の挿入図は、サンプル（上の穴）および参照（下の穴）の透過測定を示す略図およびサンプルの透過を参照の透過で割ることによる分光透過の計算である。
【図６】図６Ａ〜６Ｃは、０．１５ＴＨｚ〜１．５ＴＨｚの範囲の周波数の関数としての絹メタマテリアルコンポジットの実験（黒色実線）およびシミュレーション（赤色破線）透過スペクトルを示すグラフである。電場（Ｅ）を、分割リング共振器（ＳＲＲ）の間隙に対して垂直に調整する。グラフ中の挿入図は、異なるＳＲＲエレメントの単位格子の設計および寸法を示す。
【図７】図７は、シャドウマスクパターン化技術を使用した絹基板上のメタマテリアルの構築過程を示すスキームである。
【図８】図８Ａは、構築時のマイクロステンシルの一部の顕微鏡写真を示す。図８Ｂは、メタマテリアルエレメントの噴霧アレイの一部の顕微鏡写真を示す。図８Ｃは、メタマテリアル構築のためのマイクロステンシルの写真である。図８Ｄは、構築時の絹メタマテリアルコンポジットの写真である。図８Ｅは、絹メタマテリアルコンポジットの包装された「カプセル」を示す。
【図９】図９は、絹マトリクス表面上にパターン化構造体を直接移行可能な例示的過程を示す。
【図１０】図１０は、その後のＲＩＥ過程のためのハードマスクとしてのパターン化導電構造体の使用を示す。
【図１１】図１１は、ＲＩＥエッチングした構造体を重ね合わせたアルミニウムパターン化導電構造体の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。図１１はまた、ＲＩＥエッチングした構造体（例えば、共振器）を重ね合わせたアルミニウムパターン化導電構造体アレイのＳＥＭ画像を示す。鋳造およびその後のＲＩＥ処理によって作製された構造体は、１００×１００ＳＲＲアレイにわたって一定である。
【図１２】図１２は、ＲＩＥエッチングした構造体を重ね合わせた金パターン化導電構造体（例えば、ＳＲＲ）ＳＥＭ画像を示す。これらの構造体の寸法は、各共振器の間隙でおよそ６μｍであった。
【図１３】図１３は、さらなるＲＩＥ処理に供されたパターン化アルミニウム構造体の電磁応答を示す。
【図１４】図１４は、絹フィルム調製過程を示す略図である。繭を切断して浄化し（ａ）、炭酸ナトリウムとボイルして水溶性セリシンを抽出し（ｂ）、臭化リチウムに溶解し（ｃ）、水で透析して臭化リチウムを除去し（ｄ）、次いで濾過して透明な水ベース絹溶液を形成する。絹溶液（所望の生体ドーパント（酵素またはタンパク質など）でドーピングされていないかドーピングされている）をＰＤＭＳ鋳型に流し（ｅ）、一晩硬化させ（ｆ）、次いで固相への移行後に剥離し（ｇ）、光学的に透明な生体適合性絹フィルムを得る（ｈ）。
【図１５】図１５は、（ａ）分割リング共振器「粒子」および（ｂ）純粋な電気共振器の平面アレイをそれぞれ有する例示的な磁性（ａ）および電気（ｂ）メタマテリアル構造体の画像を示す。これらのデバイス（単位格子５０μｍ×５０μｍ）は、遠赤外線周波数で磁性（ａ）および電気的な（ｂ）共振応答を示す。
【図１６】図１６は、ｐＨ勾配の進展に並行した絹ｅ−ｇｅｌ形成の画像を提供する。ＤＣ電源を使用して、１０Ｖ（定電圧）を、メチルレッド指示染料を含む絹溶液（最初ｐＨ：６．５）に印加した。経時的に、アノード（右側の電極）周辺の流体は、ｐＨが有意に低下し、ｅ−ｇｅｌ塊の凝集体の成長が明らかである。
【図１７】（ａ）絹ゲル（白色の外観）によってメチルレッド（前、これらの事象の閾値に相当する）がそれぞれｐＨ５．０およびｐＨ４．４になる。（ｂ）ＦＴＩＲによって示されるように、酸性度の増加によってタンパク質内の高次構造が変化する。これは１６１６〜１６３７ｃｍ−１領域内で特に明白であり、βシートの含有量が増加する。
【図１８】アノードの幾何学的性質の選択は、この過程が種々の非平面トポロジー（（ａ）リング（ｂ）「Ｓ」字、および（ｃ）サドルポイントが含まれる）を使用して絹フィルムを作製する能力を反映する。（ｄ）ｅ−ｇｅｌフィルムセグメントのＳＥＭ画像は、より大きな領域を横切るｅ−ｇｅｌフィルム面の全体的な平滑度を示す。縁部の粗さは、剃刀の刃を使用した手作業の切断に起因する。
【図１９−１】ｅ−ｇｅｌフィルムは、非常に薄くすることができ、非常に低い表面粗さを付与することができる。この後者の品質により、光透過に適切になる。（ａ）ＳＥＭ画像は、その厚さがおよそ１μｍであるフィルムを示す。（ｂ）ＡＦＭ画像（サンプル領域１０μｍ×１０μｍ）は、最小表面粗さを示す。長さ１．５〜２．５μｍのサンプル経路に沿って４〜６ÅのＲＭＳ値が認められ、隣接する水平線走査に由来する視覚可能なばらつきに対して直交して描画されている。（ｃ）厚さがおよそ２５μｍのサンプルを使用した絹ｅ−ｇｅｌフィルムの透明度を示す。（ｄ）対応する光透過スペクトルは前述の物理的例と一致する。
【図１９−２】ｅ−ｇｅｌフィルムは、非常に薄くすることができ、非常に低い表面粗さを付与することができる。この後者の品質により、光透過に適切になる。（ａ）ＳＥＭ画像は、その厚さがおよそ１μｍであるフィルムを示す。（ｂ）ＡＦＭ画像（サンプル領域１０μｍ×１０μｍ）は、最小表面粗さを示す。長さ１．５〜２．５μｍのサンプル経路に沿って４〜６ÅのＲＭＳ値が認められ、隣接する水平線走査に由来する視覚可能なばらつきに対して直交して描画されている。（ｃ）厚さがおよそ２５μｍのサンプルを使用した絹ｅ−ｇｅｌフィルムの透明度を示す。（ｄ）対応する光透過スペクトルは前述の物理的例と一致する。
【図１９−３】ｅ−ｇｅｌフィルムは、非常に薄くすることができ、非常に低い表面粗さを付与することができる。この後者の品質により、光透過に適切になる。（ａ）ＳＥＭ画像は、その厚さがおよそ１μｍであるフィルムを示す。（ｂ）ＡＦＭ画像（サンプル領域１０μｍ×１０μｍ）は、最小表面粗さを示す。長さ１．５〜２．５μｍのサンプル経路に沿って４〜６ÅのＲＭＳ値が認められ、隣接する水平線走査に由来する視覚可能なばらつきに対して直交して描画されている。（ｃ）厚さがおよそ２５μｍのサンプルを使用した絹ｅ−ｇｅｌフィルムの透明度を示す。（ｄ）対応する光透過スペクトルは前述の物理的例と一致する。
【図２０】図２０Ｂは、ＳＴＡＭＰ過程で得られたメタマテリアル構造体を示す。図２０Ｃは、アルミニウムメタマテリアルパターン化絹フィルムの光透過顕微鏡写真を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
一定の実施形態の詳細な説明
絹マトリクス
絹は、一定の生物の特殊な腺で生成される天然のタンパク質繊維である。生物における絹産生は、ハチ目（ミツバチ、スズメバチ、およびアリ）で特によく見られ、時折巣作りで使用される。他の節足動物型も絹を産生する（最も知られているのは種々のクモ類（クモ（例えば、クモの糸）など）。昆虫およびクモによって産生された絹繊維は、最も強い天然繊維であることが知られており、高性能の合成繊維に匹敵する。
【００２６】
絹は、古代中国におけるその最初の出現以来、非常に所望され、広く使用されている繊維である。Ｅｌｉｓｓｅｅｆｆ，“Ｔｈｅ  Ｓｉｌｋ  Ｒｏａｄｓ：Ｈｉｇｈｗａｙｓ  ｏｆ  Ｃｕｌｔｕｒｅ  ａｎｄ  Ｃｏｍｍｅｒｃｅ，”  Ｂｅｒｇｈａｈｎ  Ｂｏｏｋｓ／ＵＮＥＳＣＯ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ（２０００）；Ｖａｉｎｋｅｒ，“Ｃｈｉｎｅｓｅ  Ｓｉｌｋ：Ａ  Ｃｕｌｔｕｒａｌ  Ｈｉｓｔｏｒｙ，”  Ｒｕｔｇｅｒｓ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ，Ｐｉｓｃａｔａｗａｙ，Ｎｅｗ  Ｊｅｒｓｅｙ（２００４）を参照のこと。光沢があり滑らかな絹は、ファッションデザイナーに好まれるだけでなく、機械的に頑丈であるが分解の際に体内で有害でないので組織エンジニアにも好まれ、非常に頑強且つ生体適合性を示す材料の基板としての新規の機会が与えられている。Ａｌｔｍａｎら、Ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌｓ，２４：４０１（２００３）；Ｓａｓｈｉｎａら、Ｒｕｓｓ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｃｈｅｍ．，７９：８６９（２００６）を参照のこと。
【００２７】
絹は、種々の種（以下が含まれるが、これらに限定されない：Ａｎｔｈｅｒａｅａ  ｍｙｌｉｔｔａ；Ａｎｔｈｅｒａｅａ  ｐｅｒｎｙｉ；Ａｎｔｈｅｒａｅａ  ｙａｍａｍａｉ；Ｇａｌｌｅｒｉａ  ｍｅｌｌｏｎｅｌｌａ；Ｂｏｍｂｙｘ  ｍｏｒｉ；Ｂｏｍｂｙｘ  ｍａｎｄａｒｉｎａ；Ｇａｌｌｅｒｉａ  ｍｅｌｌｏｎｅｌｌａ；Ｎｅｐｈｉｌａ  ｃｌａｖｉｐｅｓ；Ｎｅｐｈｉｌａ  ｓｅｎｅｇａｌｅｎｓｉｓ；Ｇａｓｔｅｒａｃａｎｔｈａ  ｍａｍｍｏｓａ；Ａｒｇｉｏｐｅ  ａｕｒａｎｔｉａ；Ａｒａｎｅｕｓ  ｄｉａｄｅｍａｔｕｓ；Ｌａｔｒｏｄｅｃｔｕｓ  ｇｅｏｍｅｔｒｉｃｕｓ；Ａｒａｎｅｕｓ  ｂｉｃｅｎｔｅｎａｒｉｕｓ；Ｔｅｔｒａｇｎａｔｈａ  ｖｅｒｓｉｃｏｌｏｒ；Ａｒａｎｅｕｓ  ｖｅｎｔｒｉｃｏｓｕｓ；Ｄｏｌｏｍｅｄｅｓ  ｔｅｎｅｂｒｏｓｕｓ；Ｅｕａｇｒｕｓ  ｃｈｉｓｏｓｅｕｓ；Ｐｌｅｃｔｒｅｕｒｙｓ  ｔｒｉｓｔｉｓ；Ａｒｇｉｏｐｅ  ｔｒｉｆａｓｃｉａｔａ；およびＮｅｐｈｉｌａ  ｍａｄａｇａｓｃａｒｉｅｎｓｉｓ）によって天然に産生される。
【００２８】
一般に、本発明で用いる絹を、任意のかかる生物によって産生することができるか、人工的過程（例えば、絹タンパク質を産生するための細胞または生物の遺伝子操作および／または化学合成が含まれる）によって調製することができる。本発明のいくつかの実施形態では、絹はカイコ（Ｂｏｍｂｙｘ  ｍｏｒｉ）によって産生される。
【００２９】
当該分野で公知のように、絹は、より短い（約１００アミノ酸）末端ドメイン（Ｎ末端およびＣ末端）に隣接した巨大な内部反復を有するモジュラー設計である。絹は高分子量（２００〜３５０ｋＤａ以上）であり、転写物は１０，０００塩基対以上であり、アミノ酸は３０００超である（Ｏｍｅｎａｔｔｏ  ａｎｄ  Ｋａｐｌａｎ（２０１０）Ｓｃｉｅｎｃｅ  ３２９：５２８−５３１に概説）。カイコ絹の場合、より大きなモジュラードメインに、疎水性電荷基を有する比較的短いスペーサーが介在している。Ｎ末端およびＣ末端は、絹の組み立ておよびプロセシング（アセンブリのｐＨ調節が含まれる）に関与する。Ｎ末端およびＣ末端は、内部モジュールと比較してそのサイズが比較的小さいにもかかわらず、高度に保存されている。
【００３０】
以下の表１は、絹産生種および絹タンパク質の例示的なリストを示す。
【００３１】
表１：絹産生種および絹タンパク質の例示的なリスト（Ｂｉｎｉら、（２００３）、Ｊ．Ｍｏｌ．Ｂｉｏｌ．３３５（１）：２７−４０から抜粋）。
【００３２】
【表１】
2013533754.tif 000003
【００３３】
絹フィブロイン
フィブロインは、絹を産生する一定のクモおよび昆虫種によって産生される構造タンパク質の１形態である。カイコ（Ｂｏｍｂｙｘ  ｍｏｒｉ）によって産生される繭絹は、安価で大量生産され、多数の商業的応用（織物など）に適切であるので、特に興味深い。
【００３４】
カイコ繭絹は、２つの構造タンパク質（フィブロイン重鎖（約３５０ｋＤａ）およびフィブロイン軽鎖（約２５ｋＤａ））を含み、これらはセリシンと呼ばれる非構造タンパク質ファミリーと会合しており、セリシンがフィブロインと接着して繭を形成している。フィブロインの重鎖および軽鎖は、２つのサブユニットのＣ末端でジスルフィド結合している（Ｔａｋｅｉ．Ｆ，Ｋｉｋｕｃｈｉ，Ｙ．，Ｋｉｋｕｃｈｉ，Ａ．，Ｍｉｚｕｎｏ，Ｓ．ａｎｄ  Ｓｈｉｍｕｒａ，Ｋ．（１９８７）Ｊ．Ｃｅｌｌ  Ｂｉｏｌ．，１０５，１７５−１８０；Ｔａｎａｋａ，Ｋ．，Ｍｏｒｉ，Ｋ．ａｎｄ  Ｍｉｚｕｎｏ，Ｓ．（１９９３）Ｊ．Ｂｉｏｃｈｅｍ．（Ｔｏｋｙｏ），１１４，１−４；Ｔａｎａｋａ，Ｋ．，Ｋａｊｉｙａｍａ，Ｎ．，Ｉｓｈｉｋｕｒａ，Ｋ．，Ｗａｇａ，Ｓ．，Ｋｉｋｕｃｈｉ，Ａ．，Ｏｈｔｏｍｏ，Ｋ．，Ｔａｋａｇｉ，Ｔ．ａｎｄ  Ｍｉｚｕｎｏ，Ｓ．（１９９９）Ｂｉｏｃｈｉｍ．Ｂｉｏｐｈｙｓ．Ａｃｔａ，１４３２，９２−１０３；Ｙ  Ｋｉｋｕｃｈｉ，Ｋ  Ｍｏｒｉ，Ｓ  Ｓｕｚｕｋｉ，Ｋ  Ｙａｍａｇｕｃｈｉ  ａｎｄ  Ｓ  Ｍｉｚｕｎｏ，Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｂｏｍｂｙｘ  ｍｏｒｉ  ｆｉｂｒｏｉｎ  ｌｉｇｈｔ−ｃｈａｉｎ−ｅｎｃｏｄｉｎｇ  ｇｅｎｅ：ｕｐｓｔｒｅａｍ  ｓｅｑｕｅｎｃｅ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ  ｃｏｍｍｏｎ  ｔｏ  ｔｈｅ  ｌｉｇｈｔ  ａｎｄ  ｈｅａｖｙ  ｃｈａｉｎ，Ｇｅｎｅ  １１０（１９９２），ｐｐ．１５１−１５８）。セリシンは、材料に粘着性を与える絹の高分子量の可溶性糖タンパク質成分である。これらの糖タンパク質は親水性であり、熱水中でのボイルによって繭から容易に除去することができる。
【００３５】
本明細書中で使用する場合、用語「絹フィブロイン」は、カイコ、クモ、または他の昆虫によって産生されるか、そうでなければ生成されるかどうかと無関係に、絹フィブロインタンパク質をいう（Ｌｕｃａｓら、Ａｄｖ．Ｐｒｏｔｅｉｎ  Ｃｈｅｍ．，１３：１０７−２４２（１９５８））。いくつかの実施形態では、絹フィブロインを、カイコ絹またはクモの糸の溶液から得る。例えば、いくつかの実施形態では、カイコ絹フィブロインを、Ｂｏｍｂｙｘ  ｍｏｒｉの繭から得る。いくつかの実施形態では、クモ絹フィブロインを、例えば、Ｎｅｐｈｉｌａ  ｃｌａｖｉｐｅｓから得る。別のいくつかの実施形態では、本発明での使用に適切な絹フィブロインを、細菌、酵母、哺乳動物の細胞、トランスジェニック動物、またはトランスジェニック植物から採取した遺伝子操作した絹を含む溶液から得る。例えば、ＷＯ９７／０８３１５号および米国特許第５，２４５，０１２号（それぞれの全体が本明細書中で参考として援用される）を参照のこと。
【００３６】
したがって、いくつかの実施形態では、本発明の組成物を構築するために使用した絹溶液は、フィブロインタンパク質を含み、本質的にセリシンを含まない。いくつかの実施形態では、種々の本発明の組成物を構築するために使用した絹溶液は、フィブロインの重鎖を含むが、本質的に他のタンパク質を含まない。他の実施形態では、種々の本発明の組成物を構築するために使用した絹溶液は、フィブロインの重鎖および軽鎖の両方を含むが、本質的に他のタンパク質を含まない。一定の実施形態では、種々の本発明の組成物を構築するために使用した絹溶液は、絹フィブロインの重鎖および軽鎖の両方を含み、いくつかのかかる実施形態では、絹フィブロインの重鎖および軽鎖は、少なくとも１つのジスルフィド結合を介して連結している。フィブロインの重鎖および軽鎖が存在するいくつかの実施形態では、これらは１つ、２つ、３つ、またはそれを超えるジスルフィド結合を介して連結している。
【００３７】
異なる絹産生種生物および異なる絹型が異なるアミノ酸組成を有するにもかかわらず、種々のフィブロインタンパク質は一定の構造フィーチャを共有する。絹フィブロイン構造の一般的な傾向は、通常はグリシンおよびアラニンまたはアラニンのみの変更によって特徴づけられるアミノ酸配列である。かかる立体配置により、フィブロイン分子がβシート高次構造に自己アセンブリされる。これらの「Ａｌａリッチ」疎水性ブロックは、典型的には、嵩高い側鎖基を有するアミノ酸のセグメント（例えば、親水性スペーサー）によって分離されている。
【００３８】
いくつかの実施形態では、フィブロインの疎水性ブロックのコア反復配列を、以下のアミノ酸配列および／または式によって示す：（ＧＡＧＡＧＳ）５〜１５（配列番号１）；（ＧＸ）５〜１５（Ｘ＝Ｖ、Ｉ、Ａ）（配列番号２）；ＧＡＡＳ（配列番号３）；（Ｓ１〜２Ａ１１〜１３）（配列番号４）；ＧＸ１〜４ＧＧＸ（配列番号５）；ＧＧＧＸ（Ｘ＝Ａ、Ｓ、Ｙ、Ｒ、Ｄ、Ｖ、Ｗ、Ｒ、Ｄ）（配列番号６）；（Ｓ１〜２Ａ１〜４）１〜２（配列番号７）；ＧＬＧＧＬＧ（配列番号８）；ＧＸＧＧＸＧ（Ｘ＝Ｌ、Ｉ、Ｖ、Ｐ）（配列番号９）；ＧＰＸ（Ｘ＝Ｌ、Ｙ、Ｉ）；（ＧＰ（ＧＧＸ）１〜４Ｙ）ｎ（Ｘ＝Ｙ、Ｖ、Ｓ、Ａ）（配列番号１０）；ＧＲＧＧＡｎ（配列番号１１）；ＧＧＸｎ（Ｘ＝Ａ、Ｔ、Ｖ、Ｓ）；ＧＡＧ（Ａ）６〜７ＧＧＡ（配列番号１２）；およびＧＧＸ  ＧＸ  ＧＸＸ（Ｘ＝Ｑ、Ｙ、Ｌ、Ａ、Ｓ、Ｒ）（配列番号１３）。
【００３９】
いくつかの実施形態では、フィブロインペプチドは、ペプチド内に複数の疎水性ブロック（例えば、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、および２０個の疎水性ブロック）を含む。いくつかの実施形態では、フィブロインペプチドは、４〜１７個の疎水性ブロックを含む。
【００４０】
本発明のいくつかの実施形態では、フィブロインペプチドは、約４〜５０アミノ酸長である少なくとも１つの親水性スペーサー配列（「親水性ブロック」）を含む。親水性スペーサー配列の非限定的な例には、以下が含まれる：ＴＧＳＳＧＦＧＰＹＶＮＧＧＹＳＧ（配列番号１４）；ＹＥＹＡＷＳＳＥ（配列番号１５）；ＳＤＦＧＴＧＳ（配列番号１６）；ＲＲＡＧＹＤＲ（配列番号１７）；ＥＶＩＶＩＤＤＲ（配列番号１８）；ＴＴＩＩＥＤＬＤＩＴＩＤＧＡＤＧＰＩ（配列番号１９）、およびＴＩＳＥＥＬＴＩ（配列番号２０）。
【００４１】
一定の実施形態では、フィブロインペプチドは、上記で列挙した代表的スペーサー配列のいずれか１つに由来する親水性スペーサー配列を含む。かかる誘導体は、親水性スペーサー配列のうちのいずれか１つと少なくとも７５％、少なくとも８０％、少なくとも８５％、少なくとも９０％、または少なくとも９５％同一である。
【００４２】
いくつかの実施形態では、本発明に適切なフィブロインペプチドはスペーサーを含まない。
【００４３】
述べたように、絹は繊維性タンパク質であり、モジュラーユニットが相互に連結して高分子量の高度に反復したタンパク質を形成することを特徴とする。これらのモジュラーユニットまたはドメイン（それぞれ、特定のアミノ酸配列および化学的性質を有する）は、特定の機能を提供すると考えられる。例えば、ポリアラニン（ポリＡ）およびポリアラニン−グリシン（ポリＡＧ）などの配列モチーフは、βシートを形成する傾向があり、ＧＸＸモチーフは３１へリックス形成に寄与し、ＧＸＧモチーフは剛性を付与し、ＧＰＧＸＸ（配列番号２２）はβらせん形成に寄与する。これらは、種々の絹構造体中の重要成分の例であり、これらの成分の配置および配列が絹ベース材料の末端材料の性質と深く関連している（Ｏｍｅｎｅｔｔｏ  ａｎｄ  Ｋａｐｌａｎ（２０１０）Ｓｃｉｅｎｃｅ  ３２９：５２８−５３１に概説）。
【００４４】
フィブロインタンパク質のβシートが積み重なって結晶を形成するのに対して、他のセグメントが無定形ドメインを形成することが認められている。これにより固い結晶セグメントと張りのある弾性半無定形領域との間に相互関係が生じ、絹に並はずれた性質を付与している。種々の絹産生種由来の反復配列およびスペーサー配列の非限定的な例を、以下の表２に示す。
【００４５】
表２：フィブロイン配列の疎水性成分および親水性成分（Ｂｉｎｉら、（２００３），Ｊ．Ｍｏｌ．Ｂｉｏｌ．３３５（１）：２７−４０から抜粋）
【００４６】
【表２】
2013533754.tif 000004
【００４７】
本明細書中で明確に例示した特定の絹材料を、典型的には、カイコ（Ｂ．Ｍｏｒｉ）によって紡ぎ出された材料から調製した。典型的には、繭を０．０２Ｍ  Ｎａ２ＣＯ３水溶液中で約３０分間ボイルし、次いで、水で完全にリンスして接着剤様セリシンタンパク質を抽出する。次いで、抽出された絹を、室温のＬｉＢｒ（９．３Ｍなど）溶液に溶解し、２０％（重量）溶液を得る。次いで、得られた絹フィブロイン溶液を、本明細書中の他の場所に記載の種々の適用のためにさらに処理することができる。当業者は、利用可能な他の供給源を理解しており、これらの供給源は十分に適切であり得る（上記表に例示の供給源など）。
【００４８】
フィブロインの構造および自己アセンブリ
Ｂｏｍｂｙｘ  ｍｏｒｉフィブロイン遺伝子の完全な配列は決定されている（Ｃ−Ｚ  Ｚｈｏｕ，Ｆ  Ｃｏｎｆａｌｏｎｉｅｒｉ，Ｎ  Ｍｅｄｉｎａ，Ｙ  Ｚｉｖａｎｏｖｉｃ，Ｃ  Ｅｓｎａｕｌｔ  ａｎｄ  Ｔ  Ｙａｎｇら、Ｆｉｎｅ  ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｂｏｍｂｙｘ  ｍｏｒｉ  ｆｉｂｒｏｉｎ  ｈｅａｖｙ  ｃｈａｉｎ  ｇｅｎｅ，Ｎｕｃｌ．Ａｃｉｄｓ  Ｒｅｓ．２８（２０００），ｐｐ．２４１３−２４１９）。フィブロインコード配列は、非反復性の５’末端および３’末端に隣接した高頻度で反復し、且つＧリッチな（約４５％）コアを有する壮観な機構を示す。この反復コアは、１２個の反復ドメインおよび１１個の無定形ドメインの別のアレイから構成される。無定形ドメインの配列は進化的に保存されており、反復ドメインは約２０８ｂｐのサブドメインの種々の縦列反復によって相互に長さが異なる。
【００４９】
カイコフィブロインタンパク質は逆平行βシート層からなり、その一次構造は主に反復性アミノ酸配列（Ｇｌｙ−Ｓｅｒ−Ｇｌｙ−Ａｌａ−Ｇｌｙ−Ａｌａ）ｎ（配列番号２１）からなる。フィブロインのβ−シート立体配置は、材料の引張り強度を主に担い、引張強度はこれらの領域中に形成された水素結合に起因する。ケブラーより強いことに加えて、フィブロインは高弾性であることが公知である。歴史的に、これらの特質により、いくつかの領域（織物業が含まれる）でこの材料が適用されている。
【００５０】
フィブロインは、高分子レベルで３つの構造（絹Ｉ、絹ＩＩ、および絹ＩＩＩ）で配列されていることが公知であり、最初の２つは天然で認められる一次構造である。絹ＩＩ構造は、一般に、フィブロインのβシート高次構造をいう。絹フィブロインの他の主な結晶構造である絹Ｉは水和構造であり、絹フィブロイン分子の組織化前または整列前に必要な中間体であると見なされている。自然界では、絹Ｉ構造は、紡ぎ出された後に絹ＩＩ構造に変換される。例えば、絹Ｉは、Ｂｏｍｂｙｘ  ｍｏｒｉ絹腺から排出される天然形態のフィブロインである。絹ＩＩは、絹紡糸中のフィブロイン分子の配列をいい、これはより高い強度を有し、しばしば商業的にさまざまに適用されている。前述のように、フィブロインのβシート形成結晶領域のアミノ酸配列は、疎水性配列が多数を占めている。絹繊維形成は、腺内でのフィブロイン溶液（３０％ｗｔ／ｖｏｌまで）の剪断および延伸ストレス作用を含み、それにより、溶液中のフィブロインが結晶化する。この過程は、リオトロピック液晶相を含み、これは、紡ぎ出し（すなわち、液晶紡糸過程１）中にゲルからゾルに変換される。延伸によってフィブロイン鎖になり、液体はフィラメントに変換される。
【００５１】
絹ＩＩＩは、新規に発見されたフィブロイン構造である（Ｖａｌｌｕｚｚｉ，Ｒｅｇｉｎａ；Ｇｉｄｏ，Ｓａｍｕｅｌ  Ｐ．；Ｍｕｌｌｅｒ，Ｗａｙｎｅ；Ｋａｐｌａｎ，Ｄａｖｉｄ  Ｌ．（１９９９）．“Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｉｌｋ  ＩＩＩ  ａｔ  ｔｈｅ  ａｉｒ−ｗａｔｅｒ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ”．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  Ｍａｃｒｏｍｅｌｃｕｌｅｓ  ２４：２３７−２４２）。絹ＩＩＩは、主にフィブロイン溶液の界面（すなわち、空気−水界面、水−油界面など）で形成される。
【００５２】
絹は、結晶構造にアセンブリ、実際には自己アセンブリすることができる。絹フィブロインを、所望の形状および高次構造（絹ヒドロゲル（ＷＯ２００５／０１２６０６号；ＰＣＴ／ＵＳ０８／６５０７６）、極薄フィルム（ＷＯ２００７／０１６５２４号）、厚膜、絶縁保護コーティング（ＷＯ２００５／０００４８３号；ＷＯ２００５／１２３１１４号）、フォーム（ＷＯ２００５／０１２６０６号）、エレクトロスパンマット（ＷＯ２００４／０００９１５号）、ミクロスフィア（ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０２０７８９）、３Ｄ多孔質マトリクス（ＷＯ２００４／０６２６９７号）、固体ブロック（ＷＯ２００３／０５６２９７号）、マイクロ流体デバイス（ＰＣＴ／ＵＳ０７／８３６４６；ＰＣＴ／ＵＳ０７／８３６３４）、電気光学デバイス（ＰＣＴ／ＵＳ０７／８３６３９）、および直径がナノスケール（ＷＯ２００４／０００９１５号）から数センチ（米国特許第６，９０２，９３２号）の範囲の繊維など）に構築することができる。上記出願および特許は、その全体が本明細書中で参考として援用される。例えば、絹フィブロインを薄くて機械的頑強なフィルムに処理することができ、このフィルムは優れた表面の品質および光透過性を有し、それにより、先端技術材料のための機械的支持体として作用する理想的な基板（金属薄膜およびコンタクト、半導体フィルム、誘電紛体、およびナノ粒子など）を提供する。
【００５３】
絹の固有の生理化学的性質により、種々の局面で使用することができる。例えば、絹は、安定性、柔軟性、耐久性、および生体適合性を示す。生体適合性は、広義では、絹の安全性および非毒性（生分解性、食用、埋め込み型、および非抗原性（例えば、刺激を与えず、且つ免疫応答を誘導しない）が含まれる）をいう。さらに、有用な絹材料を、室温および水ベースで実施できる過程によって調製することができる。
【００５４】
絹ベースの材料の表面特性
さらに、絹ベースの材料を、分子レベルで滑らかおよび／または接着性を示すように本発明にしたがって調製することができる。いくつかの実施形態では、本発明によって提供され、そして／または本発明で利用される絹ベースの材料は、分子レベルで滑らか且つ接着性を示す。分子レベルの平滑度および／または接着性を示す絹ベースの材料は、他の材料を使用しても不可能な一定の適用が可能である。平滑度／粗さは、どのようにして実物体がその環境と相互作用するのかを決定する場合に重要な役割を果たす。一定の実施形態では、本発明によって提供され、および／または本発明で利用される絹ベースの材料は、生物学的表面（例えば、細胞および軟組織）に親和性を示す。さらに、本発明の一定の実施形態によって提供され、および／または本発明の一定の実施形態で利用される絹ベースの材料は、導電性材料（金属など）への優れた接着性を示す。本発明は、一定の絹材料が生物学的エレメントと非生物学的エレメント（例えば、伝導性エレメントおよび／または電子的エレメント）との間の界面として作用することができるという認識を含む。
【００５５】
本発明の一定の実施形態によれば、いくつかの提供した絹ベースの材料を、湿潤時に粘着性（例えば、粘着能）を示すように調製することができる。この性質は、特に本明細書中に記載の表面平滑度と組み合わせた場合に、一定の絹材料を他のマトリクスで不可能な方法で電子（例えば、導電）エレメントを生物学的表面に付着させるナノスケールおよび／またはミクロスケールの粘着剤（例えば、接着剤）としての機能を果たすのに固有に適切にすることが可能である。
【００５６】
すべての絹ベースの組成物が必ずしも絹電子部品に特に望ましい本明細書中に記載の表面特性（例えば、並外れて高い平滑度）を有するわけではないことを認識すべきである。例えば、本発明および一定の所望の性質のその認識の前に、利用可能な絹材料の典型的な表面粗さは、一般に、およそ１０ｎｍ以上の範囲であった。これは他の広範に使用されているマトリクス材料（ＰＤＭＳなど）と比較して有意により「滑らか」である一方で、導電性材料（金属など）から構成される非生物学的構造を支持するためのナノスケールの適用は、特に、困難であった。
【００５７】
以下の実施例に提供するように、本発明者らは、本発明の絹電子部品を対象にしたナノスケールの操作に適切な優れた表面品質および展性（例えば、柔軟性）の絹マトリクスを産生するための構築方法を開発した。いくつかの実施形態では、本明細書中に記載の方法にしたがって調製した絹マトリクスは、表面粗さが約５ｎｍ未満であることを特徴とする。いくつかの実施形態では、本発明に適切な絹マトリクスの表面粗さは、約４．０ｎｍ、約３．５ｎｍ、約３．０ｎｍ、約２．５ｎｍ、約２．０ｎｍ、約１．５ｎｍ、または約１ｎｍ未満である。
【００５８】
優れた表面特性を提供する絹マトリクスには、ＳＴＡＭＰベースの絹マトリクス（以下を参照のこと）および電気ゲル化ベースの絹マトリクスが含まれるが、これらに限定されない。
【００５９】
「絹移行応用マイクロパターニング」（ＳＴＡＭＰ）法は、金属微細加工フィーチャを有する大面積絹フィブロインタンパク質フィルムのパターン化が可能である。これらの組成物および方法への生物材料（タンパク質など）の組み込みに有利な水性環境での周囲条件下にて全ての過程を行う。したがって、構築されたマイクロパターンにより、ドライエッチングのためにバイオポリマーフィルムをマスキングしてタンパク質ベースのメタマテリアル構造体を産生することが可能である。簡潔な構築技術は、単回工程にて周囲処理条件下で金属ミクロパターンを独立型絹フィルムに移行させる。この過程を、本明細書中で「絹移行応用マイクロパターニング」またはＳＴＡＭＰという。さらに、この方法は、酸素ベースの反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のためのハードマスクとしてパターン化フィルムを使用可能にすることによって多用途性および有用性を絹タンパク質デバイスの構築に付加する。ＲＩＥ自体が汎用性および高処理性マイクロおよびナノパターン化のための広範に使用されているツールである一方で、バイオポリマーについてのその有用性は制限されており［１９］、このことは、バイオポリマーフィルムにエッチングマスクを適用するための都合の良い方法がないことに一部起因する。したがって、本出願に記載の方法は、絹電子部品の構築のためのその適用において有意な多用途性を提供する。
【００６０】
ＳＴＡＭＰベースの絹材料と同様に、電気ゲル化（「ｅ−ｇｅｌ」）ベースの絹マトリクスは、並外れて滑らかな表面形態を示す。原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）によって決定した場合、電気ゲル化によって調製された絹材料はおよそ１ｎｍの表面粗さの表面を有し得る。かかる性質により、絹マトリクスのナノスケールの分解能でのエッチングまたは操作が可能である。
【００６１】
本発明のいくつかの実施形態では、たとえば、絹ベースの材料を本明細書中に記載の方法によって調製する場合、絹フィブロインは主にβシート高次構造と考えられる。既に記載のように、この立体配置は、絹材料の強度および弾性を担うと考えられる。現在、βシート立体配置が絹材料（絹フィルムが含まれる）の並外れた表面平滑度も提供することが本発明者らに認識されている。絹ベースの材料のこの固有の性質により、絹が生物学的表面とハイテクノロジーエレメントとの間の界面で「接着剤」としての機能を果たすことが可能となる。
【００６２】
以前に、生体ハイテクデバイスの構築における技術的な困難の１つは、生物学的表面（例えば、細胞または軟組織）をナノスケールのハイテクノロジー部品（光学デバイスおよび電子デバイスなど）と安定に架橋することができる適切な媒体を欠くことであった。
【００６３】
本発明者らは、現在、絹ベースの材料を使用して生物学的エレメントとハイテクノロジーエレメントとの間の界面を形成することができるナノスケールおよびマイクロスケールで並外れて滑らかな表面を提供することができることを発見した。以下にさらに詳述されるように、本明細書中に記載の方法を使用して、ハイテク部品（センサーおよび共振器など）を含む広範な種々の生体適合性デバイスを作製および使用することができる。
【００６４】
絹ベースの材料の分解性
さらに、当業者によって認識されるように、研究者が絹の分解過程を制御することができる多くの研究が確立されている。本発明によれば、かかる制御は、特に、電子部品、特に、生体材料自体であり、そして／または生体材料と適合する電子部品の構築で特に有益であり得る。分解性（例えば、生体分解性）は、しばしば、組織工学および移植で使用される生体材料に不可欠である。本発明は、かかる分解性が絹電子部品の構築に関連し且つ有用でもあるという認識を含む。
【００６５】
本発明によれば、絹ベースの材料の１つの特に望ましいフィーチャは、絹ベースの材料がプログラム可能に分解可能であるという事実である。すなわち、当該分野で公知のように、どのようにして特定の絹ベースの材料が調製されるかに応じて、一定の速度で分解するように制御することができる。絹ベースの材料の分解性および絹ベースの材料からの物質の制御放出が公開されている。例えば、ＷＯ２００４／０８０３４６号、ＷＯ２００５／０１２６０６号、ＷＯ２００５／１２３１１４号、ＷＯ２００７／０１６５２４号、ＷＯ２００８／１５０８６１号、ＷＯ２００８／１１８１３３号（それぞれ、本明細書中で参考として援用される）を参照のこと。
【００６６】
絹材料産生の制御方法および絹ベースの材料の種々の形態により、既知の分解性を有する絹組成物を生成することができる。例えば、種々の絹フィブロイン材料（例えば、およそ直径２μｍのミクロスフィア、絹フィルム、絹ヒドロゲル）を使用して、捕捉した薬剤（治療薬など）を活性形態で投与することができ、次いで、制御様式で、たとえば、数分間、数時間、数日間、数週間から数ヵ月にわたって放出させる。層状の絹フィブロインコーティングを使用して、任意の材料、形状、およびサイズの基板をコーティングすることができ、次いで、これを使用して制御放出（例えば、２〜９０日間）のために分子を捕捉することができることが示された。
【００６７】
上述の通り、結晶性絹材料は珍しい表面平滑度を示すことができる。本発明によれば、例えば、約１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内の表面平滑度を示す絹材料が、本明細書中に記載の電子部品の構築で特に有用である。
【００６８】
結晶性絹材料
当該分野で公知であり、且つ本明細書中に記載されるように、絹タンパク質は結晶性アレイ中で相互に積み重ねることができる。かかるアレイの種々の性質は、例えば、材料中のβシート構造の程度、かかるβシート間の架橋度、一定のドーパントまたは他の材料の存在（非存在）によって決定される。
【００６９】
多数の実施形態では、これらの特徴のうちの１つ以上を意図的に制御するか、絹マトリクスの特徴を達成するように操作する。
【００７０】
多数の実施形態では、本発明は、結晶性絹材料（例えば、無定形材料ではない）を利用する。
【００７１】
いくつかの実施形態では、本発明で用いる結晶性絹材料は、導電性材料（金属など）に付着性を示す滑らかな表面形態を有することを特徴とし、生物材料と一体化する。
【００７２】
さらなるエレメント
いくつかの実施形態では、提供された絹電子部品は、絹マトリクスおよびパターン化導電構造体に加えて１つ以上の他のエレメントを含む。
【００７３】
絹電子部品の１つ以上のさらなるエレメントは、例えば、ドーパントまたはドープ剤であり得る。当業者は、かかる薬剤に通じている。
【００７４】
例えば、いくつかの実施形態では、１つ以上のさらなるエレメントは、絹マトリクス中または上に存在する。いくつかの実施形態では、１つ以上のさらなるエレメントは、絹マトリクス全体に分布している。他の実施形態では、１つ以上のさらなるエレメントは、絹マトリクス内に不均一に分布している。いくつかの実施形態では、１つ以上のさらなるエレメントの不均一な分布により、絹マトリクス内に勾配が形成される。いくつかの実施形態では、１つ以上のさらなるエレメントは、絹マトリクス内の１つ以上の部分に局在している。
【００７５】
いくつかの実施形態では、提供した絹電子部品は、１つ以上のさらなるポリマーエレメントを含む。いくつかの実施形態では、かかるポリマーエレメントは、生物学的ポリマー（例えば、タンパク質または核酸）であるか、これを含む。いくつかの実施形態では、かかるポリマーエレメントは、生物学的ポリマーを含まないか含有しない。いくつかの実施形態では、提供した絹電子部品は、絹以外のいかなるポリマーも含まない。
【００７６】
いくつかの実施形態では、提供した絹電子部品は１つ以上のポリペプチドまたはタンパク質を含む。いくつかの実施形態では、提供した電子部品は１つ以上の酵素を含む。いくつかの実施形態では、提供した絹電子部品は１つ以上の抗体を含む。
【００７７】
いくつかの実施形態では、提供した絹電子部品は１つ以上の医薬品を含む。
【００７８】
いくつかの実施形態では、１つ以上の活性因子を、絹マトリクスにさらに処理するために絹フィブロイン溶液中で組み合わせることができるか、そうでなければ絹マトリクスまたは組成物に導入することができる。本発明の絹マトリクスと併せて使用することができる種々の活性因子は膨大である。例えば、活性因子は、治療薬または生物材料（細胞、タンパク質、ペプチド、核酸アナログ、ヌクレオチド、オリゴヌクレオチド、核酸（ＤＮＡ、ＲＮＡ、ｓｉＲＮＡ）、ペプチド核酸、アプタマー、抗体またはそのフラグメントもしくは一部、ホルモン、ホルモンアンタゴニスト、成長因子または組換え成長因子およびそのフラグメントおよびバリアント、サイトカイン、酵素、抗生物質または抗菌性化合物、抗炎症剤、抗真菌剤、抗ウイルス剤、毒素、プロドラッグ、化学療法剤、小分子、薬物（例えば、薬物、色素、アミノ酸、ビタミン、抗酸化剤）、およびその組み合わせなど）であり得る。
【００７９】
本発明の絹イオノマー組成物中に含めるのに適切な例示的抗生物質には、アミノグリコシド（例えば、ネオマイシン）、アンサマイシン、カルバセフェム、カルバペネム、セファロスポリン（例えば、セファゾリン、セファクロール、セフジトレン、セフジトレン、セフトビプロール）、糖ペプチド（例えば、バンコマイシン）、マクロライド（例えば、エリスロマイシン、アジスロマイシン）、モノバクタム、ペニシリン（例えば、アモキシシリン、アンピシリン、クロキサシリン、ジクロキサシリン、フルクロキサシリン）、ポリペプチド（例えば、バシトラシン、ポリミキシンＢ）、キノロン（例えば、シプロフロキサシン、エノキサシン、ガチフロキサシン、オフロキサシンなど）、スルホンアミド（例えば、スルファサラジン、トリメトプリム、トリメトプリム−スルファメトキサゾール（コトリモキサゾール））、テトラサイクリン（例えば、ドキシサイクリン（ｄｏｘｙｃｙｌｉｎｅ）、ミノサイクリン、テトラサイクリンなど）、クロラムフェニコール、リンコマイシン、クリンダマイシン、エタンブトール、ムピロシン、メトロニダゾール、ピラジナミド、チアンフェニコール、リファンピシン、チアンフェニコール（ｔｈｉａｍｐｈｅｎｉｃｏｌ）、ダプソン、クロファジミン、キヌプリスチン、メトロニダゾール、リネゾリド、イソシアジド、ホスホマイシン、およびフシジン酸が含まれるが、これらに限定されない。
【００８０】
本明細書中の使用に適切な例示的細胞には、前駆細胞または幹細胞、平滑筋細胞、骨格筋細胞、心筋細胞、上皮細胞、内皮細胞、尿路上皮細胞、線維芽細胞、筋芽細胞、軟骨細胞、軟骨芽細胞、骨芽細胞、破骨細胞、角化細胞、肝細胞、胆管細胞、膵島細胞、甲状腺細胞、副甲状腺細胞、副腎細胞、視床下部細胞、下垂体細胞、卵巣細胞、精巣細胞、唾液腺細胞、脂肪細胞、および前駆細胞が含まれるが、これらに限定されない。
【００８１】
例示的な抗体には、アブシキシマブ、アダリムマブ、アレムツズマブ、バシリキシマブ、ベバシズマブ、セツキシマブ、セルトリズマブペゴール、ダクリズマブ、エクリズマブ、エファリズマブ、ゲムツズマブ、イブリツモマブチウキセタン、インフリキシマブ、ムロモナブ−ＣＤ３、ナタリズマブ、オファツムマブ、オマリズマブ、パリビズマブ、パニツムマブ、ラニビズマブ、リツキシマブ、トシツモマブ、トラスツズマブ、ペンテト酸アルツモマブ、アルシツモマブ、アトリズマブ、ベクツモマブ、ベリムマブ、ベシレソマブ、ビシロマブ、カナキヌマブ、カプロマブペンデチド、カツマキソマブ、デノスマブ、エドレコロマブ、エフグマブ、エルツマキソマブ、エタラシズマブ、ファノレソマブ、フォントリズマブ、ゲムツズマブオゾガマイシン、ゴリムマブ、イゴボマブ、イムシロマブ、ラベツズマブ、メポリズマブ、モタビズマブ、ニモツズマブ、ノフェツモマブメルペンタン、オレゴボマブ、ペムツモマブ、ペルツズマブ、ロベリズマブ、ルプリズマブ、スレソマブ、タカツズマブテトラキセタン、テフィバズマブ、トシリズマブ、ウステキヌマブ、ビシリズマブ、ボツムマブ、ザルツムマブ、およびザノリムマブが含まれるが、これらに限定されない。
【００８２】
いくつかの実施形態では、本発明の絹電子部品は、さらに、ポリペプチド（例えば、タンパク質）（１つ以上の抗原、サイトカイン、ホルモン、ケモカイン、酵素、およびその任意の組み合わせが含まれるが、これらに限定されない）を含む。
【００８３】
本明細書中の使用に適切な例示的酵素には、ペルオキシダーゼ、リパーゼ、アミロース、有機リン酸デヒドロゲナーゼ、リガーゼ、制限エンドヌクレアーゼ、リボヌクレアーゼ、ＤＮＡポリメラーゼ、グルコースオキシダーゼ、およびラッカーゼなどが含まれるが、これらに限定されない。
【００８４】
本明細書中の使用に適切なさらなるまたは別の活性因子には、細胞成長培地（ダルベッコ改変イーグル培地、ウシ胎児血清、非必須アミノ酸、および抗生物質など）；成長因子および形態形成因子（線維芽細胞成長因子、トランスフォーミング成長因子、血管内皮成長因子、上皮成長因子、血小板由来成長因子、インスリン様成長因子など）、骨形成成長因子、骨形成様タンパク質、トランスフォーミング成長因子、神経成長因子、および関連タンパク質（成長因子は当該分野で公知である。例えば、Ｒｏｓｅｎ  ＆  Ｔｈｉｅｓ，ＣＥＬＬＵＬＡＲ  ＆  ＭＯＬＥＣＵＬＡＲ  ＢＡＳＩＳ  ＢＯＮＥ  ＦＯＲＭＡＴＩＯＮ  ＆  ＲＥＰＡＩＲ（Ｒ．Ｇ．Ｌａｎｄｅｓ  Ｃｏ．，Ａｕｓｔｉｎ，ＴＸ，１９９５）を参照のこと）など）；抗血管新生タンパク質（エンドスタチン、および他の天然由来または遺伝子操作されたタンパク質など）；ポリサッカリド、糖タンパク質、またはリポタンパク質；抗感染薬（抗生物質および抗ウイルス薬、化学療法剤（すなわち、抗癌剤）、抗拒絶反応薬、鎮痛薬および鎮痛薬の組み合わせ、抗炎症薬、およびステロイドなど）が含まれる。
【００８５】
いくつかの実施形態では、活性因子はまた、生物（細菌、真菌、植物もしくは動物、またはウイルスなど）であり得る。いくつかの実施形態では、活性因子には、神経伝達物質、ホルモン、細胞内シグナル伝達因子、薬学的に活性な因子、毒物、農薬、化学的毒素、生物学的毒素、微生物、および動物細胞（ニューロン、肝臓細胞、および免疫系細胞など）が含まれ得るか、これらから選択することができる。活性因子には、治療化合物（薬理学的物質、ビタミン、鎮静剤、睡眠薬、プロスタグランジン、および放射性医薬品など）も含まれ得る。
【００８６】
本発明で用いる活性因子は、光学的または電気的に活性な因子（発色団；発光有機化合物（ルシフェリン、カロテンなど）；発光無機化合物（化学染料など）；集光性化合物（ｌｉｇｈｔ−ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ  ｃｏｍｐｏｕｎｄ）（クロロフィル、バクテリオロドプシン、プロトロドプシン、およびポルフィリンなど）；光捕捉複合体（フィコビリタンパク質など）；および関連する電子工学的に活性な化合物；ならびにその組み合わせが含まれるが、これらに限定されない）であり得る。
【００８７】
パターン化導電構造体の概説
絹マトリクスは、１つ以上のパターン化導電構造体を支持することができる。絹マトリクスとパターン化導電構造体との組み合わせは、固有の電磁サインを示すことができる。多数の因子が電磁サインに影響を及ぼし得る。例示的な因子には、パターン化導電構造体の幾何学的性質、パターン化導電構造体および／または絹マトリクスの誘電特性、ならびに絹マトリクス中のドーパントが含まれるが、これらに限定されない。
【００８８】
いくつかの実施形態では、電磁サインは、絹マトリクス、ドーパントを有する絹マトリクス、および／またはパターン化導電構造体の誘電率が変化する場合に変化し得る。かかる変化を、化学的、生化学的、または他の環境因子（温度、機械的歪み、ガス濃度、ガス放出、化学反応（例えば、表面反応、バルク反応）、水和、および／または材料除去など）によって誘導することができる。
【００８９】
いくつかの実施形態では、絹マトリクスにおける材料の相転移（例えば、溶解、加熱、融解、表面結合の制御）は、電磁サインに影響を及ぼし得る。いくつかの実施形態では、絹マトリクスおよびパターン化導電構造体の材料の再配置（例えば、絹マトリクスの伸張、収縮、屈曲、および／または折り畳み）は電磁サインに影響を及ぼし得る。いくつかの実施形態では、変化によって電磁サインの共振周波数が別の周波数にシフトし得る。例えば、変化によって共振周波数がより高いかより低い周波数にシフトし得る。いくつかの実施形態では、変化によって電磁サインの共振応答の振幅を調整することができる。いくつかの実施形態では、変化によって共振周波数がシフトし、電磁サインの共振応答の振幅を調整することができる。いくつかの実施形態では、変化によって電磁サインのフィーチャの幅（例えば、スペクトル応答の半値幅）を変化させることができる。
【００９０】
パターン化導電構造体の幾何学的性質、絹マトリクス中のドーパント、または種々の他の因子の制御により、使用者は、標的周波数で所望の電磁応答を示すパターン化導電構造体を有する絹マトリクスを設計することができる。いくつかの実施形態では、使用者は、標的周波数で環境因子に応答して所望の電磁応答を示すパターン化導電構造体を有する絹マトリクスを設計することができる。
【００９１】
パターン化導電構造体の例
パターン化導電構造体は、使用者が設計した電磁応答を有する構造体であり得る。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は、電源、レンズ、スイッチ、変調器、検出器、またはその任意の組み合わせであるか、これらを含む。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は、アンテナであるかこれを含む。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は、無線周波数認識（ＲＦＩＤ）デバイスであるかこれを含む。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は、メタマテリアル構造体であるかこれを含む。
【００９２】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は電極であるかこれを含む。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は受動電子機器であるかこれを含む。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は薄膜半導体部品であるかこれを含む。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は太陽電池であるかこれを含む。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は、蓄電器、誘導子、または抵抗器であるかこれを含む。
【００９３】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は、発光ダイオード（ＬＥＤ）であるかこれを含む。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体はトランジスタであるかこれを含む。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は導電コイルであるかこれを含む。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は、電力を受け取るコイルであるかこれを含む。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は光検出器であるかこれを含む。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は垂直共振器型面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）であるかこれを含む。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は薄膜電子機器であるかこれを含む。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は空洞共振器であるかこれを含む。
【００９４】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は共振器であるかこれを含む。共振器は磁気共振器または電気共振器であり得る。例示的な電気共振器には、分割リング共振器（ＳＲＲ）、偏光感受型電気共振器（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）、偏光非感受型電気共振器（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｎｏｎ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）、またはその組み合わせが含まれる。共振器およびその電磁サインの例示的なパターンを、図１および２に示す。例示的なパターンは、間隙数、間隙の配置、間隙間の距離、および／または線幅の厚さ、その任意の組み合わせ、または当業者によって認識される任意の他の因子によって相互に異なり得る。共振器の幾何学的性質の相違は、電磁サインに影響を及ぼし得る。
【００９５】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体を、絹マトリクス上の配置することができる。例えば、パターン化導電構造体を、絹マトリクスの表面上にスプレー蒸着することができる。別の例では、パターン化導電構造体を、接触によって基板から絹マトリクス表面に移行することができる。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体を、絹マトリクス中に埋め込むことができる。例えば、パターン化導電構造体を基板上に形成させることができ、絹フィブロイン溶液を基板上に紡ぎ出すことができる。絹タンパク質は、パターン化導電構造体の周囲でマトリクスに自己アセンブリし、それにより、導電性材料（例えば、金属）をマトリクス内に埋め込むことができる。
【００９６】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は、導電性材料層を含む。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は、１つを超える導電金属層を含む。パターン化導電構造体の寸法は任意のサイズであり得る。例えば、パターン化導電構造体の寸法は、およそマイクロメーターまたはナノメーターであり得る。例示的な寸法には、全体として１０μｍ×１０μｍ、５０μｍ×５０μｍ、１００μｍ×１００μｍ、４ｃｍ×４ｃｍ、または６ｃｍ×６ｃｍである構造が含まれるが、他の寸法を使用することができる。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体のフィーチャは、寸法に沿って２００〜５００ｎｍであり得る。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体のフィーチャは、寸法に沿って２００〜５００ｎｍであり得る。他のサイズのフィーチャを使用することができる。
【００９７】
パターン化導電構造体の幾何学的性質をスケーリングして、より大きな構造体またはより小さな構造体を作製することができる。例えば、導電構造体のパターンを、マイクロメーターオーダーからナノメートルオーダーまたはその逆にスケーリングすることができる。
【００９８】
本明細書中に記載の任意の実施形態では、パターン化導電構造体および／または絹マトリクスのパラメーターを変動させることができる。例えば、構造体の厚さ、絹マトリクスの厚さ、構造体の充填率および／または配向、構造体の間隔、使用した金属の伝導率、および／または構造体の幾何学的性質を変動させることができる。
【００９９】
パターン化導電構造体の挙動
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は、所望の波長または波長範囲の電磁放射線に応答することができる。例示的な波長には、マイクロ波、遠赤外線、可視光、および／または紫外線の波長が含まれる。放射に応答して、パターン化導電構造体は、標的にした周波数または周波数範囲で電磁サインを示すことができる。いくつかの実施形態では、電磁サインは、テラヘルツ（ＴＨｚ）、メガヘルツ（ＭＨｚ）、および／またはペタヘルツ（ＰＨｚ）周波数で顕著なフィーチャ（例えば、ピーク、トラフ、ピークおよびトラフを含む既知のパターン）を示すことができる。電磁サインには、共振性電磁応答が含まれ得る。応答には、種々の周波数（共振周波数が含まれる）での電磁放射線の透過、反射、および／または吸収の振幅および相が含まれ得る。
【０１００】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体の少なくとも１つの寸法は、入射電磁放射線の波長ほどであるかそれより小さい可能性がある。例えば、１マイクロメートルより短い波長を有する可視光（例えば、太陽光については５６０ナノメートル）について、パターン化導電構造体の寸法は、５６０ナノメートル未満であり得、さらに２８０ナノメートルであり得る。マイクロ波について、パターン化導電構造体の寸法は、およそデシメートルであり得る。
【０１０１】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は、構造体の幾何学的スケールにしたがって電磁放射線に応答することができる。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は赤外線に応答し得る。構造体が幾何学的にスケーリングされる場合、スケーリングされた構造は、赤外線の代わりにマイクロ波または紫外線に応答し得る。いくつかの実施形態では、より小さくなるように幾何学的にスケーリングされた構造体は、電磁放射線のより短い波長に応答し得る。例えば、パターン化導電構造体は、入射電磁放射線のおよそ波長または半波長であり得る。いくつかの実施形態では、約４００ｎｍのパターン化導電構造体は、可視光に応答する。いくつかの実施形態では、約１μｍのパターン化導電構造体は、赤外線に応答する。図３は、共振器をより大きくまたはより小さくなるようにスケーリングする場合の分割リング共振器の電磁サインを示す。
【０１０２】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体（例えば、共振器）は、共振性電磁モードのためのコンジットであり得る。例えば、３０μｍリング共振器は、ＴＨｚモードをサポートすることができる。およそ数ｃｍのリング共振器は、ＧＨｚモードをサポートすることができる。およそ数十ｃｍのリング共振器は、ＭＨｚモードをサポートすることができる。
【０１０３】
いくつかの実施形態では、絹マトリクス中のドーパントは、絹マトリクスおよび／またはパターン化導電構造体の誘電性を変化させることができる。したがって、ドーパントは、透過、反射、および／または吸収された電磁放射線の強度および／または振幅を変化させることができる。例示的なドーパントは西洋ワサビペルオキシダーゼ（ＨＲＰ）であるかこれを含む。ＨＲＰをドープした絹マトリクスをテトラメチルベンジジン（ｔｅｒａｍｅｔｈｙｌｂｅｎｚｉｄｉｎｅ）（ＴＭＢ）に曝露する場合、ドープした絹マトリクス上のパターン化導電構造体の電磁サインは、より低い周波数にシフトすることができる。ドーパントは、パターン化導電構造体の共振周波数を変化させることができる。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体の一部を除去して、構造体の電磁応答を変化させることができる。
【０１０４】
いくつかの実施形態では、各パターン化導電構造体は、それ自体の電磁サインを示すことができる。構造体を同一の絹マトリクス上にパターン化する場合、構造体の各応答を重ね合わせて構造体の集合的な広周波数帯域の応答を得ることができる。例えば、図４に示すように、テラヘルツ範囲の異なる電磁応答を有する共振器を、単一の絹マトリクス上に構築することができる。共振器の応答を重ね合わせて、生体分子（ビオチンなど）の電磁応答を模倣するパターン化導電構造体を有する絹マトリクスを作製することができる。
【０１０５】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体の電磁応答は、導電性材料（例えば、金属）中での電子の振動に由来し得る。振動により、パターン化導電構造体の誘電率（ε）または透磁率（μ）による特異的共振応答を設計可能である。
【０１０６】
いくつかの実施形態では、共振器（ＳＲＲなど）は、共振周波数を超える周波数範囲で有効な負の透過率（μ）を達成するための共振性の磁気応答または電気応答を示すことができる。共振器は、共振器内の循環電流を励起するために電場を共振器間隙に対して垂直に配置する場合に光照射野の電気部品に対して共振応答を示し、それにより、有効な負の透過率（ε）を得ることができる。
【０１０７】
いくつかの実施形態では、ＳＲＲを、ＬＣ共振器（すなわち、誘導子および蓄電器を有する共振回路）としてモデル化することができる。ＳＲＲの共振周波数を、
【０１０８】
【数１】
2013533754.tif 000005
【０１０９】
として示すことができ、ここで、インダクタンスはＳＲＲの電流路に由来し得、キャパシタンスを絹マトリクスの分割間隙および誘電性ならびに間隙中の他のエレメントによって決定することができる。キャパシタンスまたはインダクタンスの変化によってＳＲＲの共振応答を変化させることができる。ＳＲＲがその環境に敏感であり得るので、ＳＲＲはアプリケーションの感知および検出のためのデバイスへの統合に適切であり得る。
【０１１０】
いくつかの実施形態では、テラヘルツ時間分域分光学（ＴＨｚ−ＴＤＳ）を使用して、絹マトリクス上のパターン化導電構造体の電磁サインを特徴づけることができる。乾燥した（湿度０．１％未満）大気下にて室温で測定することができる。ＴＨｚ電場の透過を、サンプルおよび参照についてそれぞれ測定することができ、参照はこの例において大気である。電場スペクトルの振幅および相を、時間領域パルスのフーリエ変換によって計算することができる。図５の挿入図に示すように、分光透過を、サンプルの透過を参照の透過で割ることによって得ることができる。
【０１１１】
一連の厚さ８０μｍの純粋な絹マトリクスについてＴＨｚ−ＴＤＳ測定を行うことができ、図５に示すように、約０．２ＴＨｚ〜約１．５ＴＨｚの範囲のテラヘルツ放射の約６０％の高場透過を示し得る。いくつかの実施形態では、純粋な絹フィルムの屈折率は、ｎ＝１．９１＋ｉ０．１２（０．１５ＴＨｚ〜１．５ＴＨｚ）であり得る。
【０１１２】
いくつかの実施形態では、分割リング共振器、偏光非感受型電気共振器、および偏光感受型電気共振器を構築し、ＴＨｚ−ＴＤＳ測定値を使用して特徴づけることができる。例えば、第１のサンプルは、単一の分割リング共振器（サンプル番号１）であり得、第２のサンプルは偏光非感受型電気共振器（サンプル番号２）であり得、第３のサンプルは偏光感受型電気共振器（サンプル番号３）であり得る。サンプル番号１の寸法は５０μｍ×５０μｍであり得る。サンプル番号２およびサンプル番号３の寸法は１００μｍ×１００μｍであり得る。サンプルを１ｃｍ×１ｃｍ四方にダイシングし、ＳＲＲ間隙に対して垂直な電場を使用してＴＨｚビームに対して直角入射でマウントすることができる。
【０１１３】
図６は、サンプルの実験結果およびシミュレーション結果を示す。黒色実線は、周波数の関数として実験的に測定した場透過を示す。赤色破線は、ＣＳＴ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｓｔｕｄｉｏ（商標）２００８（ＣＳＴ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ＡＧ，Ｄａｒｍｓｔａｄｔ，Ｇｅｒｍａｎｙ）を使用した電磁シミュレーションの結果である。電磁シミュレーションでは、図６中に示す寸法を共振器エレメントのために使用し、絹マトリクスについて実験的に測定した屈折率（ｎ＝１．９１＋ｉ０．１２）を使用した。
【０１１４】
図６に示すように、実験結果はシミュレーションデータと合理的に一致するが、３つ全てのサンプルにおいて一貫して顕著な共振が外れた（ｏｆｆ−ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）不一致が起こり、この不一致は、サンプルの不完全な構築および表面粗さに一部起因し得る。シミュレーションの結果から予想されるように、サンプル番号２およびサンプル番号３より小さい寸法のサンプル番号１は、サンプル番号２（０．７ＴＨｚ）およびサンプル番号３（０．４ＴＨｚ）より高い共振周波数（０．８５ＴＨｚ）を示す。
【０１１５】
構築
パターン化導電構造体を、長時間のサンプル調製、高温、および／または高真空を回避することができるパターン化技術を使用して絹マトリクス上に構築することができる。かかるパターン化技術は安価であり得る。パターン技術を、周囲温度および周囲圧力で行い、それにより、絹マトリクス中の生物学的ドーパントの機能性を保持することができる。例示的温度には、４０℃以下が含まれる。例示的圧力には７００〜８００ｍＴｏｒｒが含まれる。別の例示的圧力は７６０ｍＴｏｒｒである。
【０１１６】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体を、スプレー蒸着によって形成させることができる。スプレー蒸着技術は、高平滑度の基板に適用した場合に最適性能を示す。本開示の絹マトリクスが他のバイオポリマーと比較して高レベルの平滑度および優れたレベルの平滑度を示すので、絹マトリクスは、良好に均一性を有する大面積パターンの直接噴霧を促進することができる。
【０１１７】
シャドウマスクを絹マトリクスに付着させることができる。いくつかの実施形態では、シャドウマスクを、顕微鏡下でアラインメントを介して絹マトリクスに対して正確に配置および／または固定することができる。いくつかの実施形態では、シャドウマスクを絹マトリクス上に接触して配置することができる（例えば、シャドウマスクを絹マトリクスに接触させて置き、粘着剤を使用せずに整列および／または配置することができる）。いくつかの実施形態では、クランプおよび／またはクリップによってシャドウマスクと絹マトリクスとの間の接触を固定することができる。いくつかの実施形態では、シャドウマスクの縁部を、例としてテープで絹マトリクスに付着させることができる。
【０１１８】
導電性材料を、シャドウマスクによって絹マトリクス上にスプレー蒸着させ、それにより、マトリクス上にパターン化導電構造体またはパターン化導電構造体アレイを形成することができる。シャドウマスクは、パターン化導電構造体に所定の幾何学的性質（例えば、構造フィーチャ、アレイのパターン）を提供することができる。導電性材料を絹マトリクスに適用した後、いくつかの実施形態では、シャドウマスクを、溶媒または他の処理を使用することなく除去することができる。例えば、クランプおよび／またはクリップを、シャドウマスクおよび絹マトリクスから除去することができる。シャドウマスクを、絹マトリクスから手作業で分離することができる。いくつかの実施形態では、シャドウマスクを、シャドウマスクを絹マトリクスに付着させるテープの剥離によって除去することができる。したがって、溶媒を絹マトリクスに適用して、テープに起因する残存する粘着性物質を除去することができる。
【０１１９】
いくつかの実施形態では、シャドウマスクはステンシル（例えば、大面積ステンシル、マイクロステンシル、ナノステンシル）であり得る。いくつかの実施形態では、蒸着を、軟性の構築技術（例えば、エラストマースタンプ、鋳型、コンフォーマブルフォトマスク）と組み合わせて使用することができる。
【０１２０】
ここで図７に関して、パターン化導電構造体を形成するための絹マトリクス上の金属の噴霧過程を、表示および説明している。第１に、パターン化導電構造体に対応する所望のパターンを有するマイクロステンシルを、市販の４インチシリコンウエハ上に構築することができる。厚さ４００ｎｍの低ストレス窒化珪素（ＳｉＮｘ）フィルムを、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）によってシリコンウエハの両側に予め蒸着することができる。共振器（例えば、ＳＲＲ）のパターンを、ステンシルパターンを定義するためのエッチングマスクとしてシリコンウエハの上側に配置したＭｉｃｒｏｐｏｓｉｔ（登録商標）Ｓ１８１３フォトレジストと共に標準的なＵＶフォトリソグラフィおよびその後の六フッ化硫黄（ＳＦ６）およびヘリウム（Ｈｅ）を使用した１１０℃で６分間の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を使用して構築することができる。シリコンウエハをひっくり返すことができる。裏面のウェットエッチングを行うためのオープンウィンドウを、上記の類似の過程を使用してウエハの裏面上にパターン化することができる。この過程の後にウエハを２５％濃ＫＯＨの撹拌溶液中にて７０℃で数時間リンスすることによって裏面をウェットエッチングを行うことができる。浮遊したステンシル構造体は、ＫＯＨでエッチングした場合にウエハを介して裏面から放出され、上側のＳｉＮｘフィルムに到達することができる。予め蒸着させたＳｉＮｘフィルムの品質に応じて、ステンシルは上限なしの数ｃｍ２以上の大きさであり得る。
【０１２１】
図８のインサートＡおよびＣは、例示的な構築済みのマイクロステンシルを示す。インサートＡは、７×７ステンシルアレイをパターン化した４インチシリコンウエハを示す。各ステンシル領域はおよそ１ｃｍ×１ｃｍで、ステンシル中央のＳＲＲアレイの全領域はおよそ８ｍｍ×８ｍｍである。その後の操作のために構造体を支持しながらステンシルの縁部に幅１ｍｍのシリコンフレームを保持した。
【０１２２】
マイクロステンシルを、接触様式で厚さ８０μｍの絹マトリクスに慎重に付着させることができる。マイクロステンシルを、顕微鏡下で絹マトリクスに対して整列させることができる。マイクロステンシルの縁部を、スコッチテープを使用して絹マトリクスに付着させることができる。厚さ１００ｎｍの金薄層を、約３Å／秒の速度にて絹マトリクス上に均一に噴霧することができる。金属層の噴霧後、マイクロステンシルを、テープを剥離して絹マトリクスから外すことによって除去することができる。パターン化導電構造体を有する絹マトリクスは、良好な均一性、機械的頑強さ、および柔軟性を示し得る。例えば、図８のインサートＥに示すように、パターン化導電構造体を有する絹マトリクスを、直径約３ｍｍのカプセル様シリンダーに包装することができ、歪みやひびは認められなかった。
【０１２３】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体を、蒸発過程を介して絹マトリクス上に形成させることができる。シャドウマスクの開口部を介して導電性材料を蒸発させて、絹マトリクス上に蒸着することができる。例示的な蒸発過程には電子ビーム蒸着および熱蒸発が含まれるが、当業者に公知の任意の蒸発過程を使用することができる。いくつかの実施形態では、蒸発過程を４０℃未満（絹マトリクスの品質維持に安全な温度）に制御することができる。いくつかの実施形態では、蒸発過程を、異なる導電性材料および／または異なるシャドウマスク設計を使用して繰り返し、多層パターンを作製することができる。
【０１２４】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体を、インクジェットプリント（直接書き込みアセンブリなど）を使用して形成することができる。いくつかの実施形態では、プリントはフィラメントでのプリントである。いくつかの実施形態では、プリントは液滴ベースである。コンピュータ制御三軸並進運動ステージは、導電性材料（例えば、金属、金属溶液）を収容するシリンジバレルを制御することができる。シリンジバレルは、１つ以上のノズル（微細な蒸着ノズルなど）に接続することができる。シリンジバレルへの圧力の印可により、ノズルを介して導電性材料を絹マトリクス上に押し進めることができる。コンピュータプログラムは、導電構造体の幾何パターンに応じて絹マトリクス上へ導電性材料を蒸着するようにシリンジバレルおよびノズルを制御することができる。
【０１２５】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体を、接触による移行によって絹マトリクス上に形成することができる。基板上にパターンを形成することができる。いくつかの実施形態では、基板内にパターンをエッチングすることができる。いくつかの実施形態では、パターンを基板表面に対して上部に配置することができる。いくつかの実施形態では、基板上にパターンを鋳造することができる。導電性材料を基板上に蒸着して、パターンと一体化させることができる。いくつかの実施形態では、絹マトリクス（例えば、独立型絹マトリクス）を基板に適用することができる。いくつかの実施形態では、絹マトリクスおよび基板に圧力を印可して、蒸着した導電性材料を基板から絹マトリクスに移行させることができる。接触による移行は、大気圧および／または大気温度条件下で生じ得る。
【０１２６】
いくつかの実施形態では、基板はエラストマースタンプまたは複合エラストマースタンプであり得る。いくつかの実施形態では、基板は、ポリイミド−ポリ（メチルメタクリラート）（ＰＭＭＡ）でコーティングされたガラスプレートであり得る。いくつかの実施形態では、基板はテフロン（登録商標）を含むことができる。いくつかの実施形態では、基板は疎水性材料を含むことができる。基板を、疎水性材料（トリエトキシシラン、トリクロロビニルシラン、またはトリクロロシランなど）でコーティングすることができる。いくつかの実施形態では、基板は、シリコン（Ｓｉ）ウエハであり得る。
【０１２７】
基板を、シラン処理剤で処理して基板表面への金属の接着を軽減し、パターンを絹マトリクスに移行させ、絹マトリクスを基板から手作業で剥離することができる。標準的なフォトリソグラフィ技術、シャドウマスキング技術、または当業者に認識される任意の他の技術によって基板ウエハ上にパターンを蒸着することができる。
【０１２８】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体を、鋳造によって絹マトリクス上に形成させることができる。本開示の絹マトリクス上の鋳造を、大気圧および／または大気温度条件下で行い、それにより、必要に応じて、その生物学的機能を維持しながら生物学的ドーパントを絹マトリクス中に組み込むことができる。鋳造は、パターン化基板（接触過程による移行に関して記載のシリコンウエハなど）を使用することができる。
【０１２９】
ここで、図９に関して、絹マトリクス上へのパターン化導電構造体の例示的な鋳造過程を表示および説明する。絹水溶液を、金属が蒸着されており、そして／またはシラン処理剤が適用されているパターン化シリコンウエハ上に適用することができる。絹溶液を乾燥させて（例えば、一晩）自己アセンブリ（例として）によって絹マトリクスを形成させることができる。溶液が絹マトリクス中に乾燥させるにつれて、絹タンパク質は、シリコンウエハ上に蒸着された金属に結合することができる。したがって、金属を絹マトリクス上のシリコンウエハから移行させて、パターン化導電構造体を形成することができる。絹マトリクスを、シリコンウエハから手作業で剥離することができる。パターン化導電構造体を光学顕微鏡法および／または走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）によって試験して、マイクロスケールで高度に信頼のおける首尾の良い移行を検証することができる。
【０１３０】
いくつかの実施形態では、４インチシリコンウエハ（例えば、Ｎｏｖａ  ｗａｆｅｒ）を、金属のウエハへの粘着を軽減することができるシラン処理剤トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチルトリクロロシラン（ＦＯＴＳ）で処理することができる。シリコンウエハを、ＦＯＴＳ溶液を数滴加えたハウスバキューム下の真空室に入れておよそ２４時間蒸発させることができる。金属薄層（例えば、約１００ｎｍと約３００ｎｍとの間のアルミニウムまたは金）を、シリコンウエハ上にスパッタすることができる。フォトレジスト（Ｓ１８１３フォトレジスト（Ｒｏｈｍ  ＆  Ｈａａｓ製）など）を使用して標準的なフォトリソグラフィを行うことができる。残存金属を、エッチング溶液中でウェットエッチングすることができる。残存するフォトレジストを除去して、パターン化金属を出現させることができる。２ｍｌの８％ｗｔ／ｖ絹溶液を、シリコンウエハ表面上に均一に分布させることができ、室温で一晩乾燥させることができる。移行したパターン化導電構造体を有する絹マトリクスを、例えば、剃刀の刃およびピンセットを使用してシリコンウエハから取り出すことができる。
【０１３１】
鋳造によって形成されたパターン化導電構造体を、ドライエッチング（例えば、酸素ベースの反応性イオンエッチング、すなわちＲＩＥ）によって強化することができる。移行したパターン化導電構造体は、その後のドライエッチング過程のためのマスク（例えば、ハードマスク）として機能することができる。パターン化およびエッチングした構造体の表面積の増加および／または誘電性コントラストの増加は、非エッチングパターン化導電構造体よりも感度の高い応答を示すことができる。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体を有する絹マトリクスを、エッチングのための熱伝導度を得るために銅製両面接着テープを用いて冷却したチャックにマウントすることができる。例示的なＲＩＥ条件には、２０Ｗプレート電力、底面圧６μＴｏｒｒ未満、および処理時間２０分が含まれる。
【０１３２】
ここで、図１０に関して、その後のＲＩＥ過程のためのハードマスクとしてのパターン化導電構造体の使用を表示および説明する。酸素プラズマＲＩＥは絹マトリクスの一部をエッチングによって除去するが、パターン化導電構造体に影響を及ぼさない。したがって、エッチング過程によって得た構造体は、マトリクス表面上に蒸着した金属パターンを厳密に示す。
【０１３３】
図１１は、ＲＩＥエッチングした構造体を重ね合わせたアルミニウムパターン化導電構造体の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。図１１はまた、ＲＩＥエッチングした構造体（例えば、共振器）を重ね合わせたアルミニウムパターン化導電構造体アレイのＳＥＭ画像を示す。鋳造およびその後のＲＩＥ処理によって作製された構造体は、１００×１００ＳＲＲアレイにわたって一定である。図１２は、ＲＩＥエッチングした構造体を重ね合わせた金パターン化導電構造体（例えば、ＳＲＲ）のＳＥＭ画像（左側）を示す。これらの構造体の寸法は、各共振器の間隙でおよそ６μｍであった。
【０１３４】
パターンのために使用した導電性材料は、ＲＩＥ処理中に得た表面構造体に影響を及ぼし得る。例えば、図１２の右側に示したアルミニウムコーティングした構造体は、図１２の左側の図中のインサートに示す金コーティングした構造体よりも滑らかな表面を示し得る。スパッタリングにより高い抵抗を示し、そして／またはマイクロマスキング効果を誘導する可能性がより低い導電性材料により、より滑らかな表面を有する構造体を得ることができる。いくつかの実施形態では、導電性金属はクロムであるかこれを含む。
【０１３５】
図１３は、さらなるＲＩＥ処理に供されたパターン化アルミニウム構造体の電磁応答を示す。電磁透過スペクトルは、図１１および１２のアルミニウムおよび金パターン化構造体に対応する。構造体を、テラヘルツ時間分域分光学（ＴＨｚ−ＴＤＳ）によって分析した。１ＴＨｚ付近で検出された強い共振応答は、ＲＩＥ処理後の構造体の機能性および完全性を示唆している。ＴＨｚビームは８ｍｍ×８ｍｍのＲＩＥエッチングしたパターン化領域の中心に向かって共振応答を探索し、２つの直交偏光の一貫性を検証した。共振応答は構造体の寸法の変化に対する感度が高く、小さな製作公差を示すことができる。透過に及ぼす電磁周波数の影響は２つの偏光について変化せず（相関係数ｒ＞０．９９、ｐ＜０．００１）、構造体の優れた対称性が示され、構築の一貫性が実証された。
【０１３６】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体を、種々のリソグラフィ過程によって絹マトリクス上に形成することができる。かかるリソグラフィ過程には、基板（シリコンなど）に一般に適用される過程が含まれ得る。例示的なリソグラフィ過程には、ナノインプリントリソグラフィ、光リソグラフィ（例えば、水ベースの光リソグラフィ）、プラズマエッチング、およびレーザー加工が含まれる。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体を、種々の印刷工程を介して絹マトリクス上に形成させることができる。例示的な印刷過程には、マイクロ流体印刷、インクジェット印刷、レーザー印刷、および熱印刷が含まれる。
【０１３７】
これらの実施形態のうちのいずれかでは、パターン化導電構造体の形成過程を、異なる波長での電磁放射線（例えば、マイクロ波、可視光）に応答する構造体の作製に適合させることができる。例えば、標準的なＵＶフォトリソグラフィを使用して、パターン化導電構造体のためのマイクロステンシルを作製することができる。数十ナノメートルまで下げられるより小さなフィーチャを構築することができる電子ビーム書き込みへの転換により、マイクロステンシル上のパターンをスケーリングしてナノステンシルを作製することができる。
【０１３８】
本明細書中に記載のパターン化導電構造体の任意の構築過程を、乾燥した化学物質を使用しない環境下で行うことができる。かかる環境は、他のフォトリソグラフィベースの導電性材料パターン化方法（リフトオフ過程およびウェットエッチングなど）に関与し得る汚染可能性を低下させることができる。かかる方法は、マトリクスに悪影響を及ぼすことなく絹マトリクスの完全性および生体適合性の維持に役立ち、それにより、例えば、ヒトの体内に植え込み可能な適用が容易に得られる。
【０１３９】
いくつかの実施形態では、導電性材料は、導電性金属（金または銅など）であり得る。他の例示的な金属には、銅、金、銀、白金、クロム、コバルト、アルミニウム、ニッケル、ロジウム、チタン、マグネシウム、鉄、ジルコニウム、モリブデン、パラジウム、ハフニウム、イリジウム、タングステン、タンタル、およびその組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、導電性材料は非金属であり得る。例示的な非金属には、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、ポリシリコン、グラファイト、およびその組み合わせが含まれる。
【０１４０】
いくつかの実施形態では、熱ベースまたは反応ベースの化学を使用して、パターン化導電構造体の一部を除去することができる。いくつかの実施形態では、過程は、構造体のある領域を選択的に溶解することができる。
【０１４１】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体を有する絹マトリクスは、パターン化導電構造体上に接着層、エラストマー層（例えば、ＰＤＭＳ層）、障壁層、および／またはカプセル封じ層を含まない。
【０１４２】
適用
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体を有する絹マトリクスを、生物学的および／または化学的分析物のセンサーとして使用することができる。生物学的および／または化学的分析物は、絹マトリクス中のドーパントと相互作用することができる。共振周波数または共振強度および／または変化した電磁サインの振幅は、分析物の存在を示すことができる。
【０１４３】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体を有する絹マトリクスを、生物模倣のために使用することができる。例えば、その電磁応答が化学分子および／または生体分子（ビオチンなど）の応答と集合的に調和する共振器を選択することができる。共振器を絹マトリクス上に構築する場合、共振器の電磁応答を重ね合わせて、化学分子または生体分子の応答を再現することができる。
【０１４４】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体を有する絹マトリクスを、無線電源装置のために使用することができる。パターン化導電構造体は導電コイルであり得る。無線電源装置は、体内に埋め込み可能である。パターン化導電構造体は、体内または身体に近いデバイスに動力を供給するために身体外から受けたエネルギーを伝達することができる。
【０１４５】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体を有する絹マトリクスを、人体の生理学的パラメーターの感知のために使用することができる。共振器および／またはアンテナは、分析のために体液をサンプリングおよび／または探索することができる。分析により、血液酸素化または拍動性の応答に関する情報を得ることができ、例えば、それにより、診断が可能である。いくつかの実施形態では、共振器および／またはアンテナは、人体の脈拍数を示すことができる。
【０１４６】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体を有する絹マトリクスを、水和状態の決定のために使用することができる。いくつかの実施形態では、導電性材料構造体の共振周波数のシフトは、乾燥絹マトリクスからの残存する水の除去に相当し得る。
【０１４７】
例えば、シフトは、絹マトリクスの総含水量が１０％未満であることを示し得る。
【０１４８】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体を有する絹マトリクスを、医薬品の安全のために使用することができる。絹マトリクスを、薬学的用量（例えば、錠剤、丸薬）上のコーティングとして使用することができ、この用量を消費可能である。パターン化導電構造体は、例えば、絹マトリクス上にホログラムおよび／またはキネグラムを形成することができる。パターン化導電構造体を、ブランディング、認可、安全、追跡、またはその任意の組み合わせのために使用することができる。
【０１４９】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体を有する絹マトリクスを、追跡のために使用することができる。例えば、パターン化導電構造体は、ＲＦＩＤ電磁サインを有するアンテナであり得る。アンテナを有する絹マトリクスを、任意の対象物（包装、食品、丸薬、目録など）に付着させることができる。アンテナは、種々の周波数（ＭＨｚ、ＧＨｚ、またはＴＨｚなど）で作動することができる。アンテナをスキャンし、アンテナ上に含まれる情報をデータベースに入力することができる。したがって、スキャンしたアンテナに関連する対象物の位置を記録することができる。
【０１５０】
いくつかの実施形態では、ＲＦＩＤデバイスを有する絹マトリクスを、ヒトに付着させることができる。絹マトリクスは、マトリクスへの水の適用、その後のヒトの皮膚へのマトリクスの適用によってヒトに接着することができる。マトリクスはヒトの皮膚と一体になり、それにより、皮膚に付着する。いくつかの実施形態では、マトリクスを小児に付着させて群衆中の小児の位置を追跡することができる。いくつかの実施形態では、マトリクスは、識別の一形態としての機能を果たし得る。アンテナに関する情報をスキャン後、管理者は、例えば、イベントまたは建物への入場を許可すべきかどうかを決定することができる。
【０１５１】
いくつかの実施形態では、アンテナを有する絹マトリクスを、書類（法律関係書類など）に付着することができる。書類に署名する際のアンテナへの物質（例えば、インク）の適用により、書類はアンテナの電磁サインを変化させることができる。インクが適用されたアンテナの電磁サインにより、書類の証明の一形態を得ることができる。
【０１５２】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体を有する絹マトリクスをセンサーとして使用することができる。絹マトリクスおよび構造体を、その所定の化学物質との相互作用によってパターン化導電構造体が所定の電磁サインを示すように設計することができる。例えば、食品が腐敗するにつれて、絹マトリクス中のドーパントが、パターン化導電構造体の電磁サインの所定の周波数へのシフト毎に放出されるエチレンと相互反応することができる。別の例では、絹マトリクス中のドーパントは、細菌（例えば、大腸菌、サルモネラ菌、リステリア菌、赤痢菌）と相互作用してパターン化導電構造体の電磁サインがシフトし得る。使用者はこのシフトを検出して、食品が腐敗しているか汚染されているかを決定することができる。
【０１５３】
パターン化導電構造体を有する絹マトリクスを、グルコースが検出されるように設計することができる。使用者は、パターン化導電構造体上に血液を配置し、血糖値によって構造体の電磁サインを変化させ得る。デバイスは電磁サインをスキャンして解釈し、使用者の血糖値を決定することができる。
【０１５４】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体を有する絹マトリクスを、遠隔感知のために使用することができる。絹マトリクスおよび／またはパターン化導電構造体は、環境因子に応答してその色または反射率を変化させることができる。例えば、絹マトリクスを使用したサインを、天然ガスの貯蔵所付近に配置することができる。貯蔵所から天然ガスが漏れはじめると、ガスが絹マトリクスおよびパターン化導電構造体と相互反応し得る。それに応じて、マトリクスおよび構造体は、色および／または反射率を変化させてその部位からガスが漏れていることを示すことができる。
【０１５５】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体を有する絹マトリクスを、バイオセンサー、生体検出器、および／または埋め込み型バイオトラッキングデバイスのために使用することができる。埋め込み型デバイスは、内部器官または外部器官の曲面に貼り付ける共形曲面を有し得る。
【０１５６】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体を有する絹マトリクスを光学デバイスのために使用することができる。例示的な光学デバイスおよび／または光学デバイスの適用には、レンズ、ミラー、レーザー書き込み、データエンコーディング、および光ファイバが含まれる。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体を有する絹マトリクスを、フォトニック格子、比色センサー、または無標識造影剤として使用することができる。いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体を有する絹マトリクスを、金電極、薄膜トランジスタ、または生体誘電体として使用することができる。
【０１５７】
絹マトリクス上のパターン化導電構造体を、デバイス（標識および識別子、サーベイランスデバイス、不可視クローク、電磁クローキングデバイス、電磁コンセントレータ、または電磁アンテナなど）中で使用することができる。絹マトリクス上のパターン化導電構造体を、ｉｎ  ｖｉｖｏバイオトラッキング、生体模倣、絹エレクトロニクス、絹フォトニクス、および埋め込み型バイオセンサー、および生体検出器の領域における埋め込み型生体電気デバイスおよび／または生体光子デバイス中で使用することができる。
【０１５８】
いくつかの実施形態では、パターン化導電構造体は、ｉｎ  ｖｉｖｏでの神経活動の測定のための電極であり得る。例えば、電極のアレイを絹マトリクス上に蒸着することができる。絹マトリクスおよび電極を、外科的手技に供されるヒト脳に適用することができる。絹マトリクスを溶解して除去し、脳に電極をとどまらせて手術中の脳の機能をモニタリングすることができる。
【０１５９】
多数の化学物質および生物学的因子がＴＨｚ範囲で固有の「フィンガープリント」を示すので、テラヘルツ周波数で共振するパターン化導電構造体を同定およびバイオセンシングのために使用することができる。
【０１６０】
方法およびシステムの種々の実施形態を記載しているが、これらの実施形態は例示であり、記載した方法およびシステムの範囲を決して制限しない。関連分野の当業者は、記載の方法およびシステムのもっとも広い範囲を逸脱することなく、記載の方法およびシステムの形態および詳細を変更することができる。したがって、記載の方法およびシステムの範囲はいかなる例示的な実施形態によっても制限されるべきではなく、添付の特許請求の範囲およびその等価物にしたがって定義されるべきである。
【実施例】
【０１６１】
実施例１：絹フィルムの調製
典型的な絹フィルムの調製過程を図１４に示す。Ｂｏｍｂｙｘ  ｍｏｒｉの繭を絹フィブロイン溶液中で処理し、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）鋳型で鋳造した。
【０１６２】
絹フィブロイン溶液を、以前に記載のように得た。Ｐｅｒｒｙら、Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，２０：３０７０−７２（２００８）；Ｓｏｆｉａら、Ｊ．Ｂｉｏｍｅｄ．Ｍａｔｓ．Ｒｅｓ．５４：１３９（２００１）を参照のこと。簡潔に述べれば、Ｂｏｍｂｙｘ  ｍｏｒｉの繭を浄化し、小片に切断した（図１４ａ）。その後のゴム質除去過程で、セリシン（未処理の絹フィブロインフィラメントに結合した水溶性糖タンパク質）を、Ｂｏｍｂｙｘ  ｍｏｒｉの繭を０．０２Ｍ  ＮａＣＯ３水溶液中で６０分間ボイルすることによって絹糸から除去した（図１４ｂ）。得られた絹フィブロインを乾燥させ、次いで、９．３ＭＬｉＢｒ水溶液中に６０℃で４時間溶解させた（図１４ｃ）。Ｓｌｉｄｅ−Ａ−Ｌｙｚｅｒ（登録商標）３．５Ｋ  ＭＷＣＯ透析カセット（Ｐｉｅｒｃｅ，Ｒｏｃｋｆｏｒｄ，ＩＬ）を使用した水ベースの透析過程によってＬｉＢｒ塩を数日間にわたって絹フィブロイン溶液から除去した（図１４ｄ）。次いで、得られた溶液を遠心分離し、シリンジベースの微量濾過（孔径５μｍ，Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ  Ｉｎｃ．，Ｂｅｄｆｏｒｄ，ＭＡ）によって濾過していかなる残存粒子も除去した。この過程により、光学的適用のための夾雑物が最少であり散乱が減少した６％〜１０％（ｗ／ｖ）絹フィブロイン溶液を得ることができる。絹フィブロイン溶液を、より低い濃度に希釈することができる。
【０１６３】
絹フィブロイン溶液を、例えば、約３０％（ｗ／ｖ）に濃縮することもできる。例えば、ＷＯ２００５／０１２６０６号を参照のこと。簡潔に述べれば、より低い濃度の絹フィブロイン溶液を、吸湿性ポリマー（ＰＥＧ、アミロース、またはセリシンなど）に対して所望の濃度を得るのに十分な期間透析することができる。
【０１６４】
絹フィブロイン溶液の調製後、１５ｍＬの溶液を平らなＰＤＭＳ鋳型（３インチ×５インチ）で鋳造し（図１４ｅ）、大気中で一晩結晶化させた（図１４ｆ）。得られたフィルムをＰＤＭＳから容易に取り出し（図１４ｇおよび図１４ｈ）、このフィルムは厚さおよび８０μｍであった。Ｌａｗｒｅｎｃｅら、Ｂｉｏｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ，９：１２１４−２０（２００８）を参照のこと。基板上に鋳造した絹フィブロイン溶液の濃度および／または体積ならびに鋳造パラメーターの調整により、厚さ２ｎｍ〜１ｍｍの絹フィルムを得ることができる。あるいは、絹フィブロイン溶液を、種々の濃度および回転速度を使用して基板上にスピンコーティングして２ｎｍ〜１００μｍのフィルムを産生することができる。得られた絹フィブロインフィルムは、優れた表面の品質および光透過性を有することが認められた。
【０１６５】
実施例２：絹メタマテリアル組成物
本発明の１つの態様は、メタマテリアル構造体の１つ以上の層および基板上にメタマテリアル構造体の１つ以上の層を保有する絹基板を含む共振性サブ波長磁性を有する絹メタマテリアルコンポジットに関する。
【０１６６】
絹メタマテリアルコンポジットの他の新規のデバイスへの適用が想定され、本発明に含まれる。例えば、絹メタマテリアルコンポジットを、センサーおよび検出器、標識および識別子、サーベイランスデバイス、電磁クローキングデバイス、および電磁アンテナデバイスなどに構築することができる。
【０１６７】
本発明のいくつかの実施形態は、電磁放射線の変調のための絹メタマテリアルコンポジットであって、メタマテリアルエレメントのアレイおよび絹マトリクスを含む共振性電磁構造体を含み、絹メタマテリアルコンポジットの共振性磁性構造体が電磁放射線を変調するように構築される、絹メタマテリアルコンポジットを提供する。メタマテリアルエレメントを、絹マトリクス上に配置するか絹マトリクス中に埋め込むことができる。メタマテリアルエレメントのうちの少なくともいくつかは、サブ波長共振性電磁応答の誘導のために電磁放射線の波長より小さい。
【０１６８】
メタマテリアルは、天然では容易に利用できない性質を得るために操作された人工構築材料である。メタマテリアルの開発により、電磁材料の相互作用に関する見解が劇的に拡大された。Ｓｈｅｌｂｙら、Ｓｃｉｅｎｃｅ，２９２：７７−７９（２００１）；Ｓｍｉｔｈら、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，８４：４１８４−８７（２０００）を参照のこと。メタマテリアルは、典型的には高導電性材料（例えば、高導電性金属（金または銅など））からなる共振性サブ波長電磁性コンポジットである。メタマテリアルの電磁応答は、典型的には、高導電性材料中の振動電子に由来し、それにより、誘電率（ε）または透磁率（μ）の特定の共振応答を設計する手段を得ることが可能である。この設計の柔軟性により、正確に制御された標的周波数で使用者が設計した電磁応答を有する材料（しばしば、天然に存在する材料では利用不可能）を構築可能であり（Ｂｉｎｇｈａｍら、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ，１６：１８５６５（２００８）を参照のこと）、それにより、新規の電磁応答または現象（負の屈折率、パーフェクトレンズ、完全吸収体、および不可視クロークなど）を得ることができる。Ｓｍｉｔｈら、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，８４：４１８４−８７（２０００）；Ｐｅｎｄｒｙら、Ｓｃｉｅｎｃｅ，３１２：１７８０（２００６）；Ｓｃｈｕｒｉｇら、Ｓｃｉｅｎｃｅ，３１４：９７７（２００６）を参照のこと。
【０１６９】
用語「メタマテリアル構造体」には、所望の電磁レジメに対してサブ波長特性を示すメタマテリアルエレメントの任意の１〜３つの寸法の構造配置が含まれ得る。本明細書中のメタマテリアル構造体は共振性電磁構造体を含み、種々の要因（例えば、基板がメタマテリアルエレメントの構造を妨害するかどうかまたは基板がメタマテリアルエレメントの構造またはメタマテリアルの電磁性の調整を妨害する他のドーパント（または活性因子）を含むかどうか）に応じて、メタマテリアルエレメントが配置されているか埋め込まれている基板を含んでも含まなくても良い。メタマテリアル構造フィーチャは、電磁波に影響を及ぼすためにこれらが干渉する電磁放射線の波長と少なくとも同等の小ささでなければならない。例えば、典型的には１マイクロメートル未満の波長を有する可視光（例えば、太陽光線については５６０ナノメートル）について、メタマテリアルエレメントのサイズは、一般に、その波長未満（例えば、その波長の半分以下）であり、マイクロ波については、かかる構造フィーチャはおよそ１デシメートルであろう。
【０１７０】
メタマテリアルエレメントは、典型的には、高導電性材料（例えば、金または銅などの導電性金属）でできている。メタマテリアルの電磁応答は、典型的には、導電性材料中の振動電子に由来し、それにより、特定の共振応答を設計することが可能である。基板上でスパッタリングまたは蒸発させ、蒸着することができる任意の導電性金属を、本明細書中で、メタマテリアルエレメントを構築するために使用することができる。例示的な適切な金属には、銅、金、銀、白金、クロム、コバルト、アルミニウム、ニッケル、ロジウム、チタン、マグネシウム、鉄、ジルコニウム、モリブデン、パラジウム、ハフニウム、イリジウム、タングステン、タンタル、およびその組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。
【０１７１】
メタマテリアルエレメントには、構造体（電源、レンズ、スイッチ、変調器、および検出器が含まれるが、これらに限定されない）に使用者が設計した電磁応答を提供するように設計することができる当業者に公知の任意のメタマテリアルエレメントが含まれ得る。１つの実施形態では、メタマテリアルエレメントは、共振器エレメント（磁性共振器および電気共振器（例えば、分割リング共振器、偏光感受型電気共振器、偏光非感受型電気共振器、またはその組み合わせ）が含まれる）である。例えば、図１５は、分割リング共振器および電気共振器の平面状の周期的アレイを有する例示的な磁性共振器および電気共振器を示す。これらのサブ波長共振器（例えば、共振器の単位格子：５０μｍ×５０μｍ）を含むデバイスは、遠赤外線周波数で磁性または電気的な共振応答を示す。一定の共振器の例示的な設計および性質は、例えば、米国特許出願公開第２００９／０２６２７６６号（その全体が本明細書中で参考として援用される）中に見いだすことができる。
【０１７２】
標準的なサブ波長メタマテリアルエレメントは分割リング共振器（ＳＲＲ）である。最初に、ＳＲＲを、強力な共振性の磁気応答を示し、それにより、共振周波数を超える一定の周波数レジメで有効な負の透過率（μ）が達成されるように設計された「原子」として提案した。Ｐｅｎｄｒｙら、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｔｈｅｏｒｙ  Ｔｅｃｈ．，４７：２０７５（１９９９）を参照のこと。次いで、共振器内の循環電流を励起するために電場をＳＲＲ間隙に垂直に配置する場合にＳＲＲが光照射野の電気部品に対する共振応答を示すこともでき、それにより、有効な負の誘電率（ε）が得られることをさらに証明した。Ｓｃｈｕｒｉｇら、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８８：０４１１０９（２００６）；Ｃｈｅｎら、Ｎａｔｕｒｅ，４４４：５９７（２００６）を参照のこと。両方の場合、電磁応答は高導電性金属（金または銅など）中の振動電子に由来し、それにより、あつらえの電磁応答が得られる。ＳＲＲは、
【０１７３】
【数２】
2013533754.tif 000006
【０１７４】
（式中、インダクタンスがＳＲＲの電流路に起因し、キャパシタンスが主にスプリットギャップによって決定される）の共振周波数で簡潔に示されるＬＣ（すなわち、誘導子および蓄電器からなる共振回路）共振器と考えることができる。Ｐａｄｉｌｌａら、Ｍａｔｅｒ．Ｔｏｄａｙ，９：２８（２００６）を参照のこと。キャパシタンスまたはインダクタンスの任意の変化により、共振応答が変化し、メタマテリアルの局所環境の感度が高くなるであろう。したがって、メタマテリアルを、感知および検出で適用するためのデバイスに統合することができる。
【０１７５】
メタマテリアル構造体の共振電磁応答（透過の振幅および位相、反射および吸収、ならびに共振周波数が含まれる）は、メタマテリアル構造体の幾何学的性質および材料の性質だけでなく、メタマテリアル構造体のための基板の誘電性にも依存する。典型的には、その誘電性に影響を及ぼし得る基板の任意の変化により、メタマテリアルの共振応答に影響を及ぼすことができる。この性質を、感知および追跡への適用のためのデバイスの構築のためのメタマテリアル構造体の特定の基板との統合のために使用することができる。
【０１７６】
一般に、任意の非導電性材料を基板として使用することができる。例えば、バイオポリマー（絹フィブロイン、コラーゲン、およびキトサンなど）は、生体統合デバイスへの構築のための有望な材料である。本発明によれば、絹フィブロインは、その汎用性のある物理的および化学的性質、ならびに種々の活性因子の調和能力のために、かかるデバイスの形成のための特に魅力的なバイオポリマー候補である。
【０１７７】
さらに、本発明によれば、平面構造に制限されないメタマテリアルの構築はまた、種々の適用（埋め込み型の生体電子工学デバイスおよびバイオフォトニックデバイスなど）に望ましい。本明細書中に記載のように、絹メタマテリアルを、多層電磁コンポジット、特に平面構造に制限されないコンポジットを含むように構築することができる。これらの非平面メタマテリアルコンポジット、特に多層電磁コンポジットを、超薄、高透明度、および高柔軟性の基板上に構築することができる。
【０１７８】
１つの実施形態では、絹メタマテリアルコンポジットの絹マトリクスは絹フィルムである。絹フィブロインフィルムを、絹フィブロイン含有水溶液を支持基板（ＰＤＭＳ、ガラス、または石英の基板など）上に蒸着し、絹フィブロイン溶液を乾燥させてフィルムにすることによって調製することができる。これに関して、絹フィブロインベースの溶液でコーティングした基板を、空気中に一定期間（数時間など）曝露することができる。絹フィブロイン溶液の蒸着を、例えば絹フィブロイン溶液を基板上にスピンコーティングして高さが不均一な薄膜を構築するスピンコーティング法を使用するか、単純に絹フィブロイン溶液を基板上に注ぐことによって行うことができる。
【０１７９】
絹フィブロイン溶液の調製に関して、全水性様式でこれを行うことができる。例えば、米国特許出願公開第２００５／０２６０７０６；ＷＯ２００５／０１２６０６号（その全体が本明細書中で参考として援用される）を参照のこと。任意選択的に、微量濾過工程を本明細書中で使用することができる。例えば、調製された絹フィブロイン溶液を、基板上への蒸着の前に遠心分離およびシリンジベースの微量濾過によってさらに処理することができる。この過程により、質および安定性に優れた６％〜１０％ｗ／ｖの絹フィブロイン溶液を生成可能である。微量濾過工程は、しばしば、透明性が最大であり、その結果としての散乱が最小である高品質の光学フィルムの生成に望ましい。
【０１８０】
実施例３：本明細書中に記載の電子部品で利用することができる例示的なポリマー成分
本発明のいくつかの実施形態では、１つ以上の生体適合性および／または生分解性ポリマーを、絹マトリクスへのさらなる処理のために絹フィブロイン溶液中にブレンドすることができる。例えば、さらなるバイオポリマー（キトサン）は望ましい機械的性質を示し、水中で処理し、絹フィブロインとブレンドし、一般に光学的適用のための透明なフィルムを形成することができる。他のバイオポリマー（コラーゲン、ゼラチン、アガロース、キチン、ポリヒドロキシアルカノアート、プラン、デンプン（アミロース、アミロペクチン）、セルロース、アルギン酸塩、フィブロネクチン、ケラチン、ヒアルロン酸、ペクチン、ポリアスパラギン酸、ポリリシン、ペクチン、デキストラン、および関連バイオポリマー、またはその組み合わせなど）を、特定の適用で利用することができ、合成生分解性ポリマー（ポリエチレンオキシド、ポリエチレングリコール、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリカプロラクトン、ポリオルソエステル、ポリカプロラクトン、ポリフマラート、ポリ酸無水物、および関連コポリマーなど）も選択的に使用することができる。絹マトリクスにブレンドするために本明細書中で選択したポリマーは、絹マトリクスの光透過性および電磁性に悪影響を及ぼすべきではない。
【０１８１】
実施例４：絹フィブロインの化学修飾
いくつかの実施形態では、本発明で用いる絹フィブロインを、例えば、ジアゾニウムまたはカルボジイミドカップリング反応カップリング反応、アビジン−ビオチン（ｂｉｏｄｉｎ）相互作用、または遺伝子改変などによって、例えば、１つ以上の活性因子で化学修飾して、絹タンパク質の物理的性質および機能性を変化させることができる。例えば、ＰＣＴ／ＵＳ０９／６４６７３；米国特許出願第６１／２２７，２５４号；同第６１／２２４，６１８号；同第１２／１９２，５８８（その全体が本明細書中で参考として援用される）を参照のこと。
【０１８２】
例えば、酵素的重合によってさらなる機能性を絹マトリクスに付与することができ、導電性ポリマーを絹フィルムとフィルムを支持する基板との間に生成し、それによって電気活性絹マトリクスが作製され、電気光学デバイスを得ることが可能である。例えば、ＷＯ２００８／１４０５６２号（その全体が本明細書中で参考として援用される）を参照のこと。
【０１８３】
実施例５：絹メタマテリアルコンポジットの構築
図７は、独立型絹フィルム上へのメタマテリアルエレメントの噴霧によって調製された絹メタマテリアルの構築過程を示す。
【０１８４】
メタマテリアル構造体を示す所望のパターンを有するマイクロステンシルを、市販の４インチシリコンウエハ上に構築した。厚さ４００ｎｍの超低ストレス窒化珪素（ＳｉＮｘ）フィルムを、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）によってシリコンウエハの両側に予め蒸着させた。共振器エレメント（例えば、ＳＲＲ）のパターンを、標準的なＵＶフォトリソグラフィおよびその後のステンシルパターンを定義するためのエッチングマスクとしてシリコンウエハの上側に配置したＭＩＣＲＯＰＯＳＩＴ（登録商標）Ｓ１８１３フォトレジスト（Ｓｈｉｐｌｅｙ，Ｍａｒｌｂｏｒｏｕｇｅ，ＭＡ）と共に１１０ｗで６分間の六フッ化硫黄（ＳＦ６）およびヘリウム（Ｈｅ）を使用した反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を使用して構築した。次いで、シリコンウエハをひっくり返した。裏面のウェットエッチングを行うためのオープンウィンドウを、上記の類似の過程を使用してウエハの裏面上にパターン化した。この過程の後にウエハを２５％濃ＫＯＨの撹拌溶液中にて７０℃で数時間リンスすることによって裏面をウェットエッチングを行った。浮遊したステンシル構造体は、ＫＯＨでエッチングした場合にウエハを介して裏面から放出され、上側のＳｉＮｘフィルムに到達した。予め蒸着させたＳｉＮｘフィルムの品質に応じて、ステンシルは上限なしの数ｃｍ２以上の大きさであり得る。
【０１８５】
図８Ａおよび図８Ｃは、構築時のマイクロステンシルを示す。７×７ステンシルアレイを、４インチシリコンウエハ上にパターン化した。各ステンシル領域はおよそ１ｃｍ×１ｃｍであり、ステンシル中央のＳＲＲアレイの全領域はおよそ８ｍｍ×８ｍｍであった。その後の操作のために構造体を支持しながらステンシルの縁部に幅１ｍｍのシリコンフレームを保持した。
【０１８６】
マイクロステンシルを、接触様式で厚さ８０μｍの絹フィルムに慎重に付着させた。マイクロステンシルを、顕微鏡下で絹マトリクスに対して整列させ、マイクロステンシルの縁部を、スコッチテープを使用して絹フィルムに強固に付着させた。次いで、厚さ１００ｎｍの金薄層を、電子ビーム蒸着を使用して約３Å／秒の速度にて絹基板上に均一に「噴霧」した。蒸発過程を、絹の品質維持のための安全な温度である４０℃未満に制御した。金属層の噴霧後、マイクロステンシルを、テープを剥離して噴霧時の絹フィルムから外すことによって除去し、それにより、絹メタマテリアルコンポジットを得た。独立型絹フィルム上にメタマテリアル構造体を含む構築時の絹メタマテリアルコンポジットは、良好な均一性、機械的頑強さ、および柔軟性を示した。図８Ｅに示すように、得られた絹メタマテリアルコンポジットを、直径約３ｍｍのカプセル様シリンダーに包装することができ、歪みやひびは認められなかった。
【０１８７】
実施例６：絹メタマテリアルコンポジットの特徴づけ
テラヘルツ時間分域分光学（ＴＨｚ−ＴＤＳ）を使用して、絹メタマテリアルコンポジットの電磁応答を特徴づけた。乾燥した（湿度０．１％未満）大気下にて室温で測定した。ＴＨｚ電場の透過を、サンプルおよび参照についてそれぞれ測定し、参照はこの例において大気であった。電場スペクトルの振幅および相を、時間領域パルスのフーリエ変換によって計算した。次いで、図５の挿入図に示すように、分光透過を、サンプルの透過を参照の透過で割ることによって得た。
【０１８８】
一連の厚さ８０μｍの絹フィルムについてＴＨｚ−ＴＤＳ測定を行い、図５に示すように、０．１５ＴＨｚ〜１．５ＴＨｚの範囲のテラヘルツ放射の約６０％の高場透過を示した。次いで、純粋な絹フィルムの屈折率を、以前の刊行物に記載の標準的なアプローチを使用して実験的に決定し、屈折率はｎ＝１．９１＋ｉ０．１２（０．１５ＴＨｚ〜１．５ＴＨｚ）であった。Ｄｕｖｉｌｌａｒｅｔら、ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｓｅｌ．Ｔｏｐ．Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ，２：７３９（１９９６）；Ｐｕｐｅｚａら、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ，２４：４３３５（２００７）を参照のこと。
【０１８９】
多数のメタマテリアル構造体を示す絹メタマテリアルコンポジットを構築し、ＴＨｚ−ＴＤＳ測定（基準分割リング共振器（シングルＳＲＲ：サンプル番号１）および純電気共振器（例えば、偏光非感受型電気共振器：サンプル番号２、および偏光感受型電気共振器：サンプル番号３）が含まれる）で特徴づけた。サンプル番号１の単位格子サイズは５０μｍ×５０μｍであり、サンプル番号２およびサンプル番号３の単位格子は１００μｍ×１００μｍである。サンプルを１ｃｍ×１ｃｍ四方にダイシングし、ＳＲＲ間隙に対して垂直な電場を使用してＴＨｚビームに対して直角入射でマウントした。
【０１９０】
実験およびシミュレーションの結果を図６に示す。黒色実線は、周波数の関数として実験的に測定した場透過を示す。赤色破線は、ＣＳＴ  ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ  ＳＴＵＤＩＯ（商標）２００８（ＣＳＴ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ＡＧ，Ｄａｒｍｓｔａｄｔ，Ｇｅｒｍａｎｙ）を使用した電磁シミュレーションの結果である。電磁シミュレーションでは、図６中に示す寸法を共振器エレメントのために使用し、絹基板について実験的に測定した屈折率（ｎ＝１．９１＋ｉ０．１２）を使用した。図６に示すように、実験結果はシミュレーションデータと合理的に一致するが、３つ全てのサンプルにおいて一貫して顕著な共振が外れた不一致が起こり、この不一致は、サンプルの不完全な構築および表面粗さに一部起因し得る。シミュレーションの結果から予想されるように、サンプル番号２およびサンプル番号３より小さい単位格子を有するサンプル番号１は、サンプル番号２（０．７ＴＨｚ）およびサンプル番号３（０．４ＴＨｚ）より高い共振周波数（０．８５ＴＨｚ）を示す。これら全てのサンプルが半導体およびポリマー物質について測定した共振に匹敵する強い共振を示す。Ｐａｄｉｌｌａら、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，７５：０４１１０２Ｒ（２００７）；Ｔａｏら、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，４１：２３２００４（２００８）を参照のこと。これらのサンプル由来の共振応答は、ＳＲＲ間隙に対して垂直に配置される電場によって駆動された循環電流から生じるＬＣ共振応答に関連する（すなわち、これらのサンプルのテラヘルツ放射の透過における共振の変化は、実効誘電率に相当する）。
【０１９１】
実施例７：電気ゲル化（「ｅ−ｇｅｌ」）による絹フィルムの構築
現在の絹フィルムの生成方法には、鋳造およびスピンコーティングが含まれる。本発明者らは、絹フィルムの新規の構築方法（電気ゲル化）を紹介する。閉ループアノードの使用により、再生絹フィブロイン（ＲＳＦ）溶液への電流の制御印可によって絹ゲルが得られ、これが乾燥の際に光透過性フィルムが形成される。この技術により、所望の特徴（非常に低い表面粗さ、幾何学的な湾曲、およびナノスケールの厚さが含まれる）を有する独立型の機械的に頑強な薄膜を迅速に生成可能である。
【０１９２】
最近、アノード周囲での凝集およびゲルの形成（その形成方法を特定するためにｅ−ｇｅｌと呼ばれる）によってＢｏｍｂｙｘ  ｍｏｒｉカイコ由来のＲＳＦ溶液が直流（ＤＣ）電気刺激に応答することが確立されている（１〜３）。作業進行における共通の要素は、その幾何学的性質が桿状の簡潔な電極を使用することである。この論文では、本発明者らは、閉ループ内への陽極の配置によってループ自体に取り囲まれた絹フィルムが形成されることを示すためのこの１次元アプローチを詳細に説明している。さらに、他の電着研究と対照的に、絹および他のバイオポリマーの両方を使用して、得られたｅ−ｇｅｌフィルムは支持構造の表面を持たず、フィルム縁部のみで支持されている（１〜１０）。最も簡潔な場合、ループは二次元面内に存在し、平らな円形フィルムが生成される。さらに、ループの操作によって多数の３次元トポロジーを実現することができる。
【０１９３】
ｅ−ｇｅｌアセンブリ機構は、主に、溶液ｐＨの局在的低下（水の電気分解の副産物）によって駆動される（２，３）。必要な電流は小さく、１ｍＡ未満である。電流を印可するとアノード周辺の局所ｐＨが低下し、以下の反応：
【０１９４】
【数３】
2013533754.tif 000007
【０１９５】
によって酸素ガスが放出される。
【０１９６】
逆に、カソード近傍の流体は、以下の式のようにｐＨが上昇し、水素の気泡が放出される。
【０１９７】
【数４】
2013533754.tif 000008
【０１９８】
図１６は、メチルレッド（４．４＜ｐＨ＜６．２で無色の指示薬）の使用によって示されたＲＳＦサンプル内のｐＨ勾配の進展を示す。ｐＨ４．４より酸性の溶液は赤色を呈する一方で、ｐＨ６．２より塩基性の溶液は黄色を呈する。狭領域ｐＨ試験紙を使用して、絹溶液の初期ｐＨは６．５と測定された。経時的に、アノード周辺の局所環境の酸性化が明白であり、且つ拡大している。
【０１９９】
図１７ｂに示すように、ｐＨの局所的変化により、絹分子内の高次構造の変化が誘導される（１１〜１３）。絹溶液のゲル化を試験した多数の論文が、およそｐＨ５が臨界閾値としての機能を果たし、それ未満で絹溶液が迅速にゲル化することを示している（２、１４、１５）。これはまた、腺内に投与したカイコ絹溶液の紡績可能なゲルへの移行がｐＨ４．８で起こることが見いだされているカイコ生理学研究と一致する（１６、１７）。
【０２００】
過程における電荷の役割も重要である。絹分子は負に荷電し、あらゆる論文において、絹フィブロインの等電点（ｐＩ）の実験的測定値は３．６〜４．２であり、ＲＳＦ溶液の初期ｐＨより十分に低い（１８〜２１）。したがって、電気刺激が絹分子の陽極への移動（周囲の溶液と比較してｅ−ｇｅｌ塊内の絹濃度の増加の測定によって確証された挙動）を促進する。アノード環境が段階的に絹ゲル形成の閾値に近づくにつれて、非依存的に進展するｐＨ勾配はこの挙動と一致する。
【０２０１】
リング状アノードの使用により、電極面に制限され、且つリング自体に取り囲まれたシートとして形成するように最初のゲル成長が強制される。空間が占有された後のみで、最初の面の上下およびワイヤ周囲に絹ゲルが発生する。この結果は、不完全なループ（切断によって妨害されたループなど）で認められた結果（ゲル形成によってループ中およびループの外側の両方に均一にワイヤが囲まれ、フィルムを生成しない）と全く異なる。これらの２つの事象間の相違は閉ループの結果の特有性を反映し、電場の分布がｅ−ｇｅｌフィルム過程で役割を果たし、リングの平面内に絹塊のほとんど排他的な凝集を促進することができるという役割を示唆している。
【０２０２】
図１８に示すように、リングの折り畳みによって固有の幾何学的性質を有するｅ−ｇｅｌフィルムが得られ、既存の絹フィルム構築方法では実現できないトポロジーを有する絹フィルムが可能である。このアプローチの適用には、標的器官に同調的に適合するように鋳造することができる独自の幾何学的性質を有するバイオセンサーおよび薬物送達デバイスならびに湾曲しているが層状の組織の構造のためのあつらえの患者に特異的な組織のために操作した足場が含まれる。これらのアイデアは、湿潤によって脳と一体化する平面絹フィルムを最初に紹介した最近の論文を補完するのに役立つ。しかし、基礎となる組織幾何学的性質に許容可能に適合するのは、厚さ７ミクロン未満のフィルムについてのみ明らかであった（２２）。
【０２０３】
ｅ−ｇｅｌフィルムは、一定範囲の厚さの湾曲したフィルムの生成が可能である。図１９ｂは、厚さ数十ミクロンからサブミクロンの厚さの薄膜までの範囲のフィルムの断面走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。多数の要因（ワイヤゲージ、電圧、絹濃度、および曝露時間が含まれる）によってフィルムの厚さを制御することができる。薄膜は、フォトニクスおよびオプトエレクトロニクスで適用されるので、とくに興味深い（２３、２４）。さらに、他の絹フィルム構築方法との比較により、電気ゲル化過程により、操作が容易な薄膜をより容易に構築し、生成することが可能である（２５）。
【０２０４】
図１８に示すように、ｅ−ｇｅｌフィルム表面は非常に滑らかである。原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を使用した１０μｍ×１０μｍのフィルム切片を横切った複数の直線状のトポグラフィカル測定により、４〜６Åの平方根平均二乗（ＲＭＳ）値が得られた。より大きなスケールでは、ミリメートルオーダーの大きさを有するフィルム切片のＳＥＭ画像では、検出可能な表面欠陥は認められなかった。これらの結果は平均の粗さが２桁大きい交流（ＡＣ）実験由来の結果と対照的であり、絹分子自体がＤＣ電場に応答して整列することができることを示唆している（２６）。
【０２０５】
電気ゲル化によって生成された絹フィルムは光透過性を示し、他の方法で作製された絹フィルムで認められる特徴に類似する特徴を有する。図１９に示すように、光透過の分光学的測定は、厚さ２０〜３０μｍのフィルムについて可視スペクトルにわたって９０％を超え、これは、鋳造絹フィルムについて以前に報告された結果と都合良く比較される（２７、２８）。さらに、市販の屈折計を用いた屈折率の測定値ｎ＝１．５４は、他の絹フィルム構築技術を用いた以前に発表された結果とほとんど相違なかった。（２８〜３０）。
【０２０６】
以前の論文は、水の電気分解（ｅｌｅｃｔｒｏｙｌｓｉｓ）のガス状生成物として生成したｅ−ｇｅｌ内の気泡形成が果たす問題のある役割を強調している。電極の幾何学的性質は重要である。桿状アノードを使用して、酸素気泡が電極表面上に凝集して拡大したゲル内に蓄積し、機械的剛性が損なわれて電気絶縁体としての機能を果たし、それにより、ゲル形成が遅延する（１〜３）。カソードでは、以下の全電気分解反応の通り、水素気泡の凝集がアノードの酸素の倍の速度で起こる：
【０２０７】
【数５】
2013533754.tif 000009
【０２０８】
平らなリング状のアノードは、フィルム形成中の有意な気泡による干渉を回避する（幾何学的性質（リング内にフィルムが生成される一方で、リング外側の絹−金属界面が任意の有意なｅ−ｇｅｌ塊の蓄積を経ず、形成中のゲル内に捕捉されることなく気泡が回避される）によって説明することができる効果）。さらに、溶液内の電流の制御によって気泡形成速度を最小にすることができる（３、３１）。しかし、いくつかの三次元立体配置によって気泡が捕捉されるが、気泡を捕捉するか生成されているｅ−ｇｅｌフィルムから気泡を遠ざけるフィルターの使用によってこの影響を最小にすることができることに留意のこと。
【０２０９】
以前に、生体適合性の接着性絹が生成される可能性ならびに超音波処理によって形成されたヒドロゲルおよびゲルの補完的過程として機能する能力について電気ゲル化に注目した。ここで、閉ループアノードを使用した電気ゲル化は、非常に滑らかな絹フィルムの迅速な新規の生成アプローチであることを示す。さらに、電極の操作によって得られたフィルムを湾曲させることができ、これは別の方法では達成できない。構築過程の微調整により、数十ミクロンから数百ナノメートルの範囲のフィルム厚さが得られることが示された。これにより、フォトニクスおよびオプトエレクトロニクスからバイオセンシング、薬物送達、および組織工学にわたる多数の分野で興味深い機会が創出される。
【０２１０】
再生絹フィブロイン（ＲＳＦ）溶液を、標準的過程をわずかに修正することによって生成した（１、１５、３２）。０．０２Ｍ炭酸ナトリウム溶液内でのゴム質除去時間を、１０分のボイル（フィブロインタンパク質分解を最小にするために以前のｅ−ｇｅｌ過程を考察した論文よりも短い）に制限した（１、２）。同様に、フィブロインを、９．３Ｍ臭化リチウム中にて６０℃のオーブン中で１６時間可溶化して比較的長いフィブロイン鎖のアンフォールディングをより完全にした。次いで、カオトロピック塩を、全部で７２時間のＭｉｌｌｉ−Ｑ水に対する透析（３．５ｋＤａ  ＭＷＣＯ）によって除去して８％（ｗ／ｖ）絹溶液を得た。次いで、得られた液体を、温度を４℃に保持した８，８００ｒｐｍで２回の２５分間の遠心分離によって精製した。
【０２１１】
直流電流に曝露した絹溶液内のｐＨ勾配の時間空間的進展を試験するために、５μｌのメチルレッド指示染料（Ｒｉｅｄｅｌ−ｄｅ−Ｈａｅｎ）を２ｍＬの絹溶液に添加した。メチルレッドは、ｐＨ４．４未満で赤色を呈し、ｐＨ６．２超で黄色を呈するアゾ染料である。狭領域ｐＨ試験紙（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｓｓｅｎｔｉａｌ  Ｌａｂ，Ｈｙｄｒｉｏｎ）によって測定した初期ＲＳＦのｐＨは６．５であった。金メッキのロッド（直径０．６ｍｍ）を、分離距離５ｍｍで電極として使用した。１０Ｖ、定電圧（Ｍａｓｔｅｃｈ，ＨＹ３００５Ｄ−３  ＤＣ）で１０分間ビデオで記録した。
【０２１２】
リング状電極を、金（直径０．２ｍｍ）および金メッキ（直径０．６、０．８、および１．０ｍｍ）ワイヤ（Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ  ａｎｄ  Ｐａｒａｍｏｕｎｔ  Ｗｉｒｅ  Ｃｏｍｐａｎｙ）の選択によって生成した。再現性を確実にするために、各アノードを、手作業で７〜２０ｍｍの範囲の既知の直径の硬質プラスチックの筒の周囲にワイヤを巻きつけることによって作製した。一方、カソードは、金ワイヤの直線セグメントのままであった。フィルム構築のために、リング状アノードおよび直線状カソードの導入前に、２ｍＬの絹溶液をポリスチレンチューブに入れた。５、１０、または２５Ｖ、定電圧の電源によって０．５〜１０分間溶液に電流を送った。次いで、絹フィルムを取り囲んでいる陽極を除去し、風乾した。ｅ−ｇｅｌフィルムと周囲の溶液の間の絹濃度の変化を、電気刺激後に回収されたサンプルの湿性塊および乾燥塊の比較によって測定した。
【０２１３】
多数の分析ツールを使用してフィルムを研究した。ＩｎＬｅｎｓ検出器および二次後方散乱検出器の両方を使用して、Ｐｔ／Ｐｄ標的を使用したスパッタコーティング（Ｃｒｅｓｓｉｎｇｔｏｎ，２０８ＨＲ）後にＳＥＭ（Ｃａｒｌ  Ｚｅｉｓｓ，Ｕｌｔｒａ５５）画像を回収した。Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｎａｎｏｓｃｏｐｅソフトウェアバージョン７．３０（Ｖｅｅｃｏ）を使用して大気中でＡＦＭ（Ｖｅｅｃｏ，Ｎａｎｏｓｃｏｐｅ  ＩＩＩ）画像を記録した。バネ定数３Ｎ／ｍの長さ２２５ｍｍのシリコン片持ちばりを、タッピングモードで使用した。ＡＴＲプローブを使用してＦＴＩＲスペクトルを取り、その後にバックグラウンドを差し引いた。
【０２１４】
タングステン−ハロゲン光源（Ｏｃｅａｎ  Ｏｐｔｉｃｓ，ＬＳＩ）および可視域分光計（Ｏｃｅａｎ  Ｏｐｔｉｃｓ，ＵＳＢ２０００）を使用して、ソフトウェア（Ｏｃｅａｎ  Ｏｐｔｉｃｓ，ＳｐｅｃｔｒａＳｕｉｔｅ）にて光透過を測定した。市販の屈折計（Ｍｅｔｒｉｃｏｎ，２０１０  Ｍ  ｐｒｉｓｍ  ｃｏｕｐｌｅｒ）を使用して、屈折率を決定した。
【０２１５】
【化１−１】
2013533754.tif 000010
【０２１６】
【化１−２】
2013533754.tif 000011
【０２１７】
実施例８：例示的な絹フィルム
いくつかの実施形態では、絹フィブロインフィルムの性質（他の成分の厚さおよび含有量ならびに光学的特性など）を、基板に適用される絹フィブロイン溶液の濃度および／または体積に基づいて変化させることができる。例えば、絹フィルムの厚さを、溶液中の絹フィブロイン濃度の変化または所望の体積の絹フィブロイン溶液の使用によって制御して、およそ２ｎｍ〜１ｍｍの範囲の厚さの絹フィブロインフィルムを得ることができる。１つの実施形態では、種々の絹フィブロイン濃度および回転速度を使用して基板上に絹フィブロインをスピンコーティングして、厚さ約２ｎｍ〜約１００μｍのフィルムを作製することができる。形成された絹フィブロインフィルムは、優れた表面品質および光透過性を有する。
【０２１８】
いくつかの実施形態では、本明細書中で使用される絹フィルムは独立型絹フィルムである。絹フィルムは、超薄（例えば、１００μｍまで、７５μｍまで、２５μｍまで、７μｍまで、２．５μｍまで、または１μｍまで）であり得る。かかる超薄絹フィルムは、絹フィルムの鋳造技術および硬化パラメーターに応じて、非平面構造を有する絹メタマテリアルコンポジットの構築のための軟質かつ柔軟なフィルムを提供することができる。
【０２１９】
絹フィルムの機械的性質を、添加物（グリセロールなど）によって修飾して、より延性を示し柔軟な絹フィブロインフィルムを得ることができる。例えば、ＰＣＴ／ＵＳ０９／０６０１３５（その全体が本明細書中で参考として援用される）を参照のこと。かかる絹フィルムの修飾を、多数の生物医学的適用（組織工学、医療機器または移植片、薬物送達、および食用医薬品または食品ラベルなど）で使用することができる。
【０２２０】
実施例９：絹微細構造の急速移行ベースのマイクロパターン化およびドライエッチング（「ＳＴＡＭＰ」）
この２０年間で、カイコＢｏｍｂｙｘ  ｍｏｒｉによって産生された絹は、フォトニクス、エレクトロニクス、およびオプトエレクトロニクスを含むハイテクノロジーへの適用のための持続可能な材料プラットフォームとしての新規の有用性が見いだされている（１〜４）。絹繊維は、その生体適合性および機械的性質のために（６）、ＦＤＡ承認された医療用縫合糸材料として数十年間使用されている（５）。これらの性質により、絹の固有の生分解性と共に、このタンパク質の生物学的研究のための使用が駆り立てられてきた（６）。未変性の絹繊維を可溶化し、絹フィブロインタンパク質水溶液中で再処理することができ（７）、次いで、これを使用して多数の新規の材料形式（５）（ヒドロゲル（８）、フォーム（９）、エレクトロスパンマット（１０）、およびスポンジ（１１）など）を生成することができる。これらの新規の絹形態は、薬物送達、細胞培養、および組織工学への応用で非常に有用である。優れた光学的性質（可視スペクトルにおいて透過率９０％超）を有する絹フィルム（１２）は、現在、光学機器およびバイオフォトニクスでの応用について模索されている（３、４）。さらに、環境に優しく全て水を使用する処理条件および絹の化学的性質により、生物活性成分（酵素など）をタンパク質マトリクス中で安定化することが可能である（１３）。
【０２２１】
優れた機械的性質により（１４）、絹フィルムのマイクロパターン化およびナノパターン化を、広範なフィーチャサイズにわたって行うことができる。ナノインプリンティングおよびナノキャスティング（４、１５）技術を使用して、フォトニック適用のために絹フィルムがパターン化されている（１６）。
【０２２２】
これらのフィルムは、金属および薄膜半導体デバイスとインターフェースをとり、生体適合性ハイブリッド絹デバイスの開発機会を得ることができるという有用な性質を有する。ｉｎ  ｖｉｖｏでの神経活動を測定するための絹ベースの電極の使用によってこのことが最近証明された（１７）。さらに、微細構築されたメタマテリアル（ＭＭ）絹コンポジットのＴＨｚ周波数レジメでの電磁共振応答、ｉｎ  ｖｉｖｏバイオセンサーへの潜在的応用が証明された（１８）。
【０２２３】
このタンパク質を使用したデバイスの製造は、長期間にわたるサンプル調製、高温、または高真空の回避によってパターン化技術を単純化する構築方法から恩恵を受け（１８）、より複雑になることはさておき、生物学的に活性な種の使用も制限されるであろう（１３）。
【０２２４】
本明細書では、本発明者らは、単回工程にて周囲処理条件下で金属マイクロパターンを独立型絹フィルムに移行する簡潔な構築技術を報告する。本発明者らは、この過程を、「絹移行応用マイクロパターニング」またはＳＴＡＭＰ（略称）と呼ぶ。さらに、この方法は、酸素ベースの反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のためのハードマスクとしてパターン化フィルムを使用することによって、絹タンパク質デバイス構築に汎用性および有用性を付加する。ＲＩＥは、汎用性および高処理性のマイクロパターン化およびナノパターン化のための広く使用されるツールである。しかし、バイオポリマーに対するその有用性は制限されており（１９）、このことは、バイオポリマーフィルムにエッチングマスクを適用するための都合の良い方法がないことに一部起因する。
【０２２５】
図９は、絹フィルム表面上にマイクロスケールパターンを直接移行させる構築過程を示す。技術の有効性は、周囲圧力および周囲温度でアルミニウム（Ａｌ）または金（Ａｕ）を使用して作製した分割リング共振器（ＳＲＲ）からなる大面積絹フィルムベースのＴＨｚメタマテリアル（ＭＭ）構造体の製造によって証明されている。使用したＴＨｚＭＭＳＲＲ構造体は以前に記載されている（１８、２０）。Ｓｉ表面への金属の接着を軽減して絹フィルムに容易にパターンを移行させるために、シリコン（Ｓｉ）ウエハをシラン処理剤で最初に処理した。標準的なフォトリソグラフィ技術、あるいはシャドウマスキングアプローチの使用によって、マイクロスケールパターンを、Ｓｉウエハ上に蒸着させた（１８）。
【０２２６】
一旦パターン化工程が完了すると、絹水溶液を、パターン化したＳｉウエハ上に適用することができる。以前に記載のように（２１）、絹溶液を一晩乾燥させて自己アセンブリさせ、独立型絹フィルムを形成する。乾燥過程の間に、絹は表面上の金属パターンに結合し、それにより、ウエハから絹フィルム上に金属パターンが移行する。金属パターンと絹フィルムとの間に認められた接着を裏付ける正確な分子機構は不明である。そのうちで可能性のある説明としてシステイン（Ｃｙｓ）残基およびチロシン（Ｔｙｒ）残基の存在が挙げられ（絹高分子中に全部で８個のＣｙｓおよび５５個のＴｙｒアミノ酸が存在する（２２））、これらの残基は、フィルムの表面エネルギー特性に影響を及ぼし、それにより、ＣｙｓのＡｕとのチオール結合（２３）またはＡｌ酸化物のＴｙｒ残基上のヒドロキシル基との相互作用（２４、２５）のいずれかを好むであろう。
【０２２７】
シラン処理によって絹フィルムがＳｉウエハ表面に接着するのを防止し、手作業で基板から剥離することが可能である。一旦この過程が完了すると、構造体を光学顕微鏡法および走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）によって試験して、マイクロスケールで信頼性の高い首尾の良い移行を確認した。ＳＴＡＭＰ過程で得たＭＭ構造体を図２０Ｂに示し、この図は、独立型微細パターン化絹フィルムを図示する。透明なフィルムを周囲条件下で構築した。このフィルムは、およそ８ｍｍ×８ｍｍパターン化領域にわたって一貫した滑らかな表面および厚さを有する。図２０Ｃは、ＡｌＭＭパターン化絹フィルムの光透過顕微鏡写真を示す。このＳＲＲ設計中の限界寸法はおよそ３μｍである。ＳＲＲ構造のフィーチャは、剥離過程中に一貫して維持されることが見いだされている。大面積独立型絹ベースのＭＭの容易な処理に加えて、上記過程の全てが周囲条件下で行われることを示すことが有益である。絹マトリクスに組み込まれた場合に生物学的ドーパント（酵素または抗体など）の活性が保持されるので、これは特に重要である（１３）。絹フィルムにおいて生化学的機能性を有するハイブリッドシステムを製造するために（例えば、医薬品（２６））、周囲温度および大気圧構築過程の使用は、これらの化合物の生物活性の維持に重要である。この方法を使用して、任意に複雑な所望のパターンを個別の基板上に構築し、次いで、生物学的機能を保存することができる処理条件下で生物学的にドープした絹フィルム上に移行させることができる。
【０２２８】
絹マイクロパターン化およびナノパターン化の製造ツールとしてのアプローチの適合性およびＲＩＥの適合性をさらに証明するために、本発明者らは、絹−ＲＩＥのためのマスクとして予め製造したＭＭ  ＳＲＲ構造体を使用した（図１０）。予め移行させた金属パターンにより、その後のＲＩＥ工程のためのハードマスクを得た（図１０Ａ）。このアプローチのために、本発明者らは、本発明者らの最小サイズのＳＲＲアレイを使用し、このアレイは、間隙におよそ１．５μｍのフィーチャ寸法および共振器を形成する金属の線幅４μｍを有していた。エッチング過程から得た構造体は絹中にＳＲＲパターンを厳密に示し、金属パターンは依然としてエッチングしたフィルムの表面に存在している。さらに、エッチングした構造体の電磁応答の測定により、ＭＭ絹コンポジット構造体の機能性が証明され、サンプリング領域にわたって構築の一貫性が示された。図１１Ｂは、Ａｌ  ＭＭマスクおよびＲＩＥエッチングした構造体のＳＥＭ画像を示す。図１１ＣはＲＩＥ−絹フィルム由来の共振器アレイのＳＥＭ画像を示し、図１１Ｂ中に構造体を示す。図１１Ｃ中に認められるように、ＳＴＡＭＰ法およびその後のＲＩＥ過程を使用して生成された絹フィーチャは、１００×１００ＳＲＲアレイにわたって一貫していた。図１２Ｄは、Ａｕパターン化ＳＲＲおよびＲＩＥエッチングした絹構造体のＳＥＭ画像を示す。これらのパターンを、前に記載のシャドウマスキング技術を使用してＳｉ基板上に構築した（１８）。ＳＲＲ設計における臨界フィーチャサイズは、共振器の間隙でおよそ６μｍであった。Ａｕシャドウマスキング技術を使用して構築したフィーチャは、伝統的なリソグラフィで構築されたフィーチャに匹敵する品質であった。ＲＩＥで処理した絹表面の間で、使用した金属に起因する顕著な相違が認められた。Ａｕコーティングした試験体は粗い「草のような」表面構造（図１２Ｄ中のインサート）を示し、Ａｌマスキングサンプルを使用して認められた滑らかな表面と対照的であった。本発明者らは、「草のような」表面構造が二次Ａｕマイクロマスキングにあると考えている。これは、低スパッタリング閾値または高スパッタリング収率を有するマスキング金属（Ａｕなど）を使用した場合にＲＩＥ処理中に起こり得る（２７）。本発明者らは、サンプルを酸素プラズマに曝露した場合に生じるＡｌ酸化物の形成により、ＲＩＥ処理工程のためのマスク材料としてＡｌを選択する。かかる酸化物は、スパッタリングに対する優れた耐性を有し、マイクロマスキングを誘導する傾向が低く、したがって、ポリマーのための優れたマスキング材料である。図１２Ｅは、Ａｌマスキングしたサンプルのエッチングした壁のプロフィールのＳＥＭ顕微鏡写真を示す。エッチングの深さは垂直側壁を伴っておよそ１０μｍであった。これは、絹ドライエッチング過程の異方性を示す。予想通り、非マスキング表面は滑らかであることが見いだされ、残渣はほとんど認められなかった。本発明者らは、図１２Ｄ中のエッチフロア上にフィーチャがほとんど認められないことは、そのより安定な構造のために大部分の絹材料よりも遅い速度でバックボーンがエッチングする場合のタンパク質内の異なるエッチング速度に起因し得る���仮定する（２２）。
【０２２９】
エッチング過程の質および得られた構造体の関連する限界寸法を、エッチングしたＡｌ−ＭＭ構造体の電磁応答の測定によってさらに証明した（図１３）。電磁透過スペクトルは、図１１Ｂおよび図１１Ｃに示すＡｌ  ＭＭ構造に対応する。前に記載のように、サンプルをテラヘルツ時間分域分光学（ＴＨｚ−ＴＤＳ）によって分析した（２８）。１ＴＨｚ付近で強い共振応答が検出され、これはＲＩＥ処理後の構造体の機能性および完全性を示していた。ＴＨｚビームは８ｍｍ×８ｍｍＲＩＥエッチングしたＭＭパターン化領域の中央に向かって共振応答を探索し、２つの直交偏光の一貫性を検証する。ＭＭ共振応答は特にＳＲＲ構造体の寸法の変化に感度が高く、製作公差のわずかな変動でさえ教示する。本発明者らは、統計的解析（ピアソン相関試験）から、透過に及ぼす電磁周波数の影響が２つの偏光について変化せず（相関係数ｒ＞０．９９、ｐ＜０．００１）、構造体の優れた対称性が示され、構築の一貫性が実証されたことを見いだした。本発明者らはまた、エッチングした三次元レリーフ絹構造の表面積の増加および誘電性コントラストの増加により、ＲＩＥ処理した絹−ＭＭセンサーが以前に構築された二次元構造と比較して感度を潜在的に改良することができると予想する（１８）。
【０２３０】
結論として、本発明者らは、急速移行ベースのマイクロパターン化技術の使用によって周囲処理条件下で微細構築されたパターンを絹バイオポリマーフィルムに首尾よく移行させた。この方法により、高精度でアラインメントを必要とせずに大面積の独立型で柔軟な絹フィルム上に微細構造を並行して構築可能である。本発明者らはまた、絹バイオポリマーＲＩＥ処理および種々のＳＲＲ  ＭＭ設計のためのマスクとして種々の材料を使用したこの技術の使用も証明した。このアプローチによって大面積構築が可能であり、金属の範囲を超えた異なる材料の移行に適用可能である。さらに、各フィーチャサイズを、製造のためのより大きなサイズにスケーリングするか（例えば、絹フィルム上の金属電極）、フォトニックおよびプラズモニックなセンサーシステムにおける適用のためにナノスケールにスケールダウンすることができる（１５）。
【０２３１】
絹の抽出および精製
Ｂ．ｍｏｒｉ繭から絹フィブロイン水溶液を得るための過程は以前に記載されていた（７）。簡潔に述べれば、セリシンを、繭を炭酸ナトリウム水溶液中で３０分間ボイルすることによって除去した。乾燥後、フィブロイン繊維を臭化リチウム溶液に溶解し、その後、溶液が約８〜１０％ｗｔ／ｖの濃度に達するまで脱イオン水（ＤＩ）に対して透析することによって塩を除去した。絹の純度を高めるために、本発明者らは、２回遠心分離し、５μｍシリンジフィルター（孔径５μｍ，Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ  Ｉｎｃ，Ｂｅｄｆｏｒｄ，ＭＡ）で溶液を濾過した（２９）。
【０２３２】
ＳＴＡＭＰ過程
従来の４インチＳｉウエハ（Ｎｏｖａ  ｗａｆｅｒｓ）を、シラン処理剤トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチルトリクロロシラン（ＦＯＴＳ）で処理して、移行過程中にウエハへの微細構築フィーチャの粘着を軽減した。Ｓｉウエハを、ＦＯＴＳ溶液を数滴加えたハウスバキューム下の真空室に入れておよそ２４時間蒸発させた。その後、ＡｌまたはＡｕの薄層（１００ｎｍと３００ｎｍとの間）をＦＯＴＳ処理したＳｉウエハ上にスパッタし、Ｓ１８１３フォトレジスト（Ｒｏｈｍ  ＆  Ｈａａｓ）を使用して標準的なフォトリソグラフィを行った。残存金属を、適切なエッチング溶液中でウェットエッチングし、残存するフォトレジストを除去し、所望の金属パターンが現れた。以前の研究からＭＭ設計およびマスクを使用した（２０）。およそ２ｍｌの８％ｗｔ／ｖ絹溶液を、全ウエハ表面上に均一に分布させ、室温で一晩乾燥させた。移行パターンを有する絹フィルムを、剃刀の刃およびピンセットによってウエハ表面から取り出した。
【０２３３】
ＲＩＥ
酸素ＲＩＥ過程を、あつらえの研究ＲＩＥツールで行った（３０）。パターン化絹サンプルを、その後のＲＩＥ工程中の適切な熱伝導度を確実にするために銅製両面テープ（Ｔｅｄ  Ｐｅｌｌａ）を用いて冷却したチャックにマウントした。ＲＩＥ処理条件は、２０Ｗプレート電力、底面圧６μＴｏｒｒ未満、および処理時間２０分であった。
【０２３４】
参考文献
【０２３５】
【化２−１】
2013533754.tif 000012
【０２３６】
【化２−２】
2013533754.tif 000013
【０２３７】
【化２−３】
2013533754.tif 000014
【０２３８】
【化２−４】
2013533754.tif 000015
【０２３９】
実施例１０：ＴＨｚ絹メタマテリアル
いくつかの実施形態では、本発明の絹メタマテリアルコンポジットは、入射電磁放射線を調整することができる。１つの実施形態では、テラヘルツ周波数で強い共振応答を示す独立型生体適合性絹フィルム上にパターン化したメタマテリアル構造体を有する大面積絹メタマテリアルコンポジットを本明細書中に提供する。例えば、図１５は、本発明の例示的な絹メタマテリアルコンポジットおよびテラヘルツレジメでのその異なる周波数応答を示す。この発見により、メタマテリアル構造体と統合した生体電気デバイスおよび生体光子デバイスの構築が可能である。例えば、多数の化学物質および生物学的因子がＴＨｚレジメで固有の「フィンガープリント」を示すので、テラヘルツ周波数レジメで共振性を示す絹メタマテリアルコンポジットを、同定およびバイオセンシングのために使用することができる。Ｔａｏら、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ，１６：７１８１（２００８）；Ｏ’Ｈａｒａら、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ，１６：１７８６（２００８）；Ｂａｒｂｅｒら、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ａ．，１０９：３５０１（２００５）を参照のこと。
【０２４０】
ＴＨｚ周波数で実施した絹メタマテリアルコンポジット設計の幾何学的スケーリングにより、設計した絹メタマテリアルコンポジットおよびこれを含むデバイスは、広範な周波数で適用可能である。これは、メガヘルツ周波数レジメからピコヘルツ（ｐｅｃｏｈｅｒｔｚ）周波数レジメを含むことができる。絹メタマテリアルコンポジットの共振周波数は、マイクロ波の波長、赤外線波長、可視波長、または赤外線波長に対応し得る。より小さなサイズのメタマテリアルエレメントを構築できる限り、ＴＨｚレジメで実施された絹メタマテリアル構造体のより小さな寸法へのスケーリングにより、より短い波長、可視波長、またはさらに紫外線波長で材料を適用可能である。
【０２４１】
絹フィルムが光透過性を示すので、絹フィルムの二次元および／または三次元パターン化によって新規の一連の光学エレメント（レンズおよび回折格子など）を作製することが可能である。Ｏｍｅｎｅｔｔｏ  ＆  Ｋａｐｌａｎ，Ｎａｔｕｒｅ  Ｐｈｏｔｏｎ．，２：６４１（２００８）；Ｐｅｒｒｙら、Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，２０：３０７０−７２（２００８）を参照のこと。さらに、絹フィブロインは、生体ドーパント（酵素およびタンパク質など）がその機能性を維持することができる生物学的に好ましいキャリアであることが証明されている。Ｌａｗｒｅｎｃｅら、Ｂｉｏｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ，９：１２１４−２０（２００８）；Ｄｅｍｕｒａら、Ｊ．Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．，１０：１１３（１９８９）を参照のこと。さらに、絹の生分解性により、デバイスを人体に埋め込むことが可能であり、デバイスを使用後に回復させることなく再吸収するか再取り込みすることができる。絹の汎用性により、特定の標的と埋め込んだドーパントとの間の相互作用をモニタリングするために人体に埋め込むことができる新規のバイオフォトニックデバイスクラスを作製可能である。
【０２４２】
絹フィルムの操作および適切なドーパントの埋め込みに加えて、共振性電磁構造体を絹フィルムと組み合わせることが望ましい。したがって、１つの実施形態では、本発明は、絹マトリクス上に蒸着するか絹マトリクス中に埋め込まれたメタマテリアルエレメントのアレイを含む絹メタマテリアルコンポジットを含む埋め込み型デバイスを提供する。上記のように、絹メタマテリアルコンポジットの共振性電磁構造体は、入射電磁放射線に対する共振応答を有し、したがって、電磁放射線が調整される。これにより、生体機能性を局所環境に応答して変化する容易に測定される電磁応答と組み合わせたハイブリッド絹ベースのセンサーが可能である。例示的なメタマテリアルエレメントおよび絹メタマテリアルコンポジットの部品を、本明細書中の上記実施形態に記載している。
【０２４３】
実施例１１：埋め込み型デバイス
いくつかの実施形態では、本発明は、例えば、バイオセンシングデバイスまたは生体検出デバイスとしての機能を果たす埋め込み型デバイスを提供する。かかる埋め込み型デバイスは、さらに、本明細書中の上記実施形態に記載の任意の活性因子であり得る１つ以上のドーパントを含むことができる。ドーパント（または活性因子）を、絹マトリクスへのブレンドによってデバイス中に組み込むことができる。ドーパントは、メタマテリアルエレメントの構造および性質をさらに干渉しても干渉しなくてもよいか、絹メタマテリアルの電磁特性の調整を干渉しても干渉しなくてもよい。例えば、ドーパントは、絹メタマテリアルの誘電性を変化させ、それにより、絹メタマテリアルの透過、反射、および吸収波の強度／振幅、および／または共振周波数を変化させることができる。
【０２４４】
実施例１２：適合デバイス
いくつかの実施形態では、本発明は、デバイスの大部分が埋め込み型医療機器と接触すべき被験体の表面と容易に一体化されるほど柔軟であるデバイス（例えば、埋め込み型医療機器などの生体統合デバイス）を提供する。例えば、デバイスを、導電性メタマテリアルエレメントおよび絹マトリクスの両方が超薄且つ柔軟性を示す超薄絹メタマテリアルコンポジットから構築することができる。それ故、かかる埋め込み型デバイスは、種々の器官または組織の曲面と適合接触することができる。
【０２４５】
絹メタマテリアルコンポジットを含む生体統合デバイスの被験体との適合接触を、デバイスを水溶液または被験体の湿潤表面と接触させることによって実現することができる。これに関して、埋め込み型デバイスが埋め込み型医療機器と接触すべき被験体の表面と適合接触することを可能にするために、本実施形態の絹メタマテリアルコンポジット中の絹マトリクスは、水溶液または湿潤表面との接触の際に少なくとも部分的に溶解性を示す。水溶液または湿潤表面との接触の際に迅速に溶解できるようにするために、本明細書中の絹フィルムは、典型的には、例えば、わずか１００μｍ、７５μｍまで、２５μｍまで、７μｍまで、２．５μｍまで、または１μｍまでである。
【０２４６】
いくつかの実施形態では、絹メタマテリアルコンポジットを含む生体統合デバイスの設計は、デバイスの大部分が溶解性および／または生分解性を示す。それ故、デバイスは経時的に消滅または再吸収されるであろう。十分に少量のデバイスが残存し得る。しかし、少量の貴金属の使用により、デバイスが完全に生体に適合し、残存する材料から誘導される生物学的応答は通常は無視できる。
【０２４７】
実施例１３：絹マトリクス上にパターン化金属構造を含む一定の絹電子部品の構築。
【０２４８】
いくつかの態様では、本発明は、共振性電磁特性を有する絹メタマテリアルコンポジットの構築方法に関する。いくつかの実施形態では、本方法は、シャドウマスクを絹基板上に接触して配置する工程、シャドウマスクを介して絹基板上に導電性材料をスプレー蒸着し、それにより、絹基板上にメタマテリアルエレメントのアレイが形成される工程を含む。シャドウマスクは、絹メタマテリアルコンポジットの共振性電磁特性を定義するメタマテリアル構造体およびメタマテリアルエレメントに、所望の幾何学的性質（例えば、メタマテリアルエレメントの構造フィーチャおよび／またはメタマテリアルエレメントのアレイパターン）を提供する。この進行の任意の利点は、絹フィルム処理のための利用可能な軟性構築技術と併せて大面積ステンシルベースの蒸着を使用して得られる柔軟性にある。これらのフィーチャなどにより、絹基板上の新規の柔軟な電子機器および光学機器を開発可能である。
【０２４９】
絹フィルム上のメタマテリアル構造体の微細構築は、他の広く使用されている基板（シリコンおよびＰＤＭＳなど）上のパターン化と比較した場合に異なり得る。その生体適合性を維持しながら絹基板の汚染の可能性を回避するために、絹フィルムは、典型的には、典型的なリソグラフィベースの金属パターン化過程で通常使用されるフォトレジスト（ＰＲ）および化学溶液（アセトンおよびＰＲ顕色剤など）への曝露を回避する。
【０２５０】
シャドウマスク金属パターン化構築過程を使用して、絹メタマテリアルコンポジットを構築することができる。パターン化は、一般に、マイクロ／ナノベースのシャドウマスクを介して標的材料の選択的蒸着に基づく。Ｃｏｒｄら、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ，２４：３１３９（２００６）（その全体が本明細書中で参考として援用される）を参照のこと。
【０２５１】
微細構築ステンシルの設計された幾何学的性質によって、メタマテリアル構造体を絹フィルム上に直接噴霧することができる。全構築過程を、他のフォトリソグラフィベースの金属パターン化方法（リフトオフ過程およびウェットエッチングなど）に関与し得る任意の可能性のある汚染の防止を補助するための乾燥した化学物質を含まない環境下で行うことができる。かかる方法は、絹フィルムに悪影響を及ぼさないままでの絹フィルムの完全性および生体適合性の維持に役立つ（すなわち、処理後の絹フィルムは、ＴＨｚ周波数で依然として高い透明度を示すことができ、それ故、絹メタマテリアルコンポジットが強い共振性電磁応答を示す）。構築時のサンプルは、メタマテリアルの共振応答挙動のモニタリングによるバイオトラッキングのための生物学的環境内（ヒト体内など）への組み込みに適切である。Ｋｉｍら、Ｒｏｇｅｒｓ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，９５：１３３７０１（２００９）（その全体が本明細書中で参考として援用される）を参照のこと。
【０２５２】
シャドウマスクを接触様式で絹基板に付着させることができる（すなわち、シャドウマスクを絹基板と接触させて配置し、シャドウマスクと絹基板との間にさらなる接着剤を使用することなく絹基板に対して整列および配置する）。シャドウマスクを、金属層の噴霧後、さらなる溶媒または処理を使用せずに自由に除去することができる。導電性材料を、蒸発源を介して絹基板上に蒸着させることができる（例えば、絹基板上のシャドウマスクの開口部によって蒸発させる）。任意の公知の金属蒸発手段（例えば、電子ビーム蒸着または熱蒸発が含まれる）を本明細書で使用することができる。任意選択的に、蒸発過程を、異なる導電性材料および／または異なるシャドウマスク設計を使用して繰り返し、多層マイクロパターンを作製することができる。
【０２５３】
噴霧過程中に絹基板に対してシャドウマスクを正確に配置または固定するために、シャドウマスクを、顕微鏡下で絹基板と整列させ、シャドウマスクの縁部をテープで絹基板に強く付着させることができる。噴霧後、次いで、シャドウマスクを、テープを剥離し、噴霧時の絹基板から分離させることによって除去することができる。そうでなければ、接着剤を使用してシャドウマスクを絹基板に付着させることができ、典型的には、当該分野で公知のように、その後に溶媒を使用して接着剤を除去するさらなる工程も含む。
【０２５４】
本発明で使用されるシャドウマスクを介したスプレー蒸着技術は、典型的には、導電性材料が蒸着される基板の平面度の高さを利用する。絹フィルムがタンパク質の全水性処理に起因して大面積に及んで十分な平面度を示すので、かかるアプローチは絹フィルムに非常に適切である。絹フィルムのこの性質により、絹フィルム上に良好な均一性での大面積金属および／または非金属パターンの直接噴霧が容易である。構築過程を、電磁スペクトルの広範な波長範囲（例えば、マイクロ波から可視波長まで）で絹メタマテリアルコンポジットを構築するために容易に適用することができる。例えば、マイクロステンシルの作製技術を、標準的なＵＶフォトリソグラフィから数十ナノメートルまで下げたさらにより小さなフィーチャのための電子ビーム書き込みに切り替えることによってナノステンシル作製のために容易に修正することができる。そのようなものとして、本発明の方法を、埋め込み型医療機器を使用したｉｎ−ｓｉｔｕバイオセンシングから生分解性絹／メタマテリアルビーコンを使用したコバートトラッキングまでのデバイスの構築のために使用することができる。Ｐａｄｉｌｌａら、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，７５：０４１１０２Ｒ（２００７）；Ｔａｏら、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，４１：２３２００４（２００８）を参照のこと。
【０２５５】
絹マトリクスとの接触様式でのシャドウマスクを介したスプレー蒸着技術では、噴霧パターンは実質上必要ない。それにもかかわらず、一定のパターンは、接触モードでの絹マトリクス上への直接蒸着が困難であり得る（例えば、ステンシル支持フレームへの接続通路を持たない孤立したパターン（他の閉じたパターンの内側のフィーチャなど））。これに関して、適切な補償ストラテジーを使用することができる。例えば、Ａｐａｎｉｕｓら、Ｓｅｎｓｏｒ  Ａｃｔｕａｔ．Ａ：Ｐｈｙｓ．，１４０：１６８（２００７）を参照のこと。
【０２５６】
他の実施形態
本発明は本明細書中に記載の特定の方法論、プロトコール、および試薬などに制限されず、そのようなものとして変化し得ると理解すべきである。本明細書中で使用した専門用語は、特定の実施形態の説明のみを目的とし、本発明の範囲を制限することを意図せず、特許請求の範囲のみによって定義される。
【０２５７】
文脈上明白に他の意味を示す場合を除き、本明細書中および特許請求の範囲中で使用する場合、単数形には、複数形が含まれ、逆も真である。実施例中または別なふうに示す場合以外で、本明細書中で使用される成分の量または反応条件を示す全ての数値は、全ての場合で用語「約」が修飾されると理解すべきである。
【０２５８】
特定した全ての特許および他の刊行物は、例えば、本発明と併せて使用することができるかかる刊行物に記載の方法論を説明および開示するために本明細書中で参考として明確に援用される。これらの刊行物は、本出願の出願日前のその開示のみを目的として提供している。これに関して、本発明者らが、先行発明または任意の他の理由によってかかる開示に先行する権利を持たないことを承認すると解釈すべきではない。これらの書類の内容に関する日付または表示に関する全ての記述は、出願人が入手可能な情報に基づき、これらの書類の日付または内容が正確であると決して承認していない。
【０２５９】
他で定義しない限り、本明細書中で使用した全ての技術用語および科学用語は、本発明に属する当業者によって一般に理解されている意味を有する。任意の公知の方法、デバイス、および材料を本発明の実施または試験で使用することができるにもかかわらず、本発明に関連する方法、デバイス、および材料を本明細書中に記載する。
【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
2013533754.tif 000017
【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図１１】
2013533754.tif 000021
【図１２】
2013533754.tif 000022
【図１４】
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【図１５（ａ）】
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【図１５（ｂ）】
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【図１８（ａ）】
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【図１８（ｂ）】
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【図１８（ｃ）】
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【図１８（ｄ）】
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【図１９（ａ）】
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【図１９（ｂ）】
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【図２０】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１３】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１９−３】
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【配列表】
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【国際調査報告】
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