CN104056346B - 异平面微针阵列及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种异平面微针阵列及其制作方法，包括同平面微针和基板，同平面微针包括一个及一个以上针尖和连接针尖的底座，针尖和底座在同一平面内,两片以上的同平面微针组装在基板上。该异平面微针阵列的制作方法，利用上述的异平面微针阵列作为主模具，利用倒模工艺制备可重复使用的阴模具，然后再次用倒模工艺制备异平面微针阵列。本发明的有益效果是：同平面微针的针尖形状容易控制，针尖质量好，利用多片同平面微针并排组装成的微针阵列既能保证针尖、针形、针长，又能满足微针密度要求。微针阵列制作过程中使用的工艺都较为成熟，容易实现，如果用于批量生产，并排组装的异平面微针阵列仅用于倒模制作阴模具的主模具，使用次数少，可以保障微针成品率，降低微针阵列制作成本。
Description
技术领域
本发明涉及医疗美容器械和医药注射用微针技术领域，特别是一种异平面微针阵列及其制作方法。
背景技术
微针透皮给药是一种新兴的给药技术，通过按压微针在皮肤角质层和表皮层产生大量微米级的孔道，药物通过这些孔道渗透到皮肤真皮层内的大量血管里，从而实现透皮给药。微针在治疗过程中可实现集成化、便携、无痛和精确、高效给药等特点，在糖尿病治疗、化学疗法、疫苗接种等方面具有无可比拟的优势。此外，由于微针针尖锋利、尺寸小，给药时不会产生疼痛及出血现象，行成的微创小孔可以很快愈合，十分适合用于美容领域。
传统机械加工方法难以制作微米尺度的微针，当前微针结构大多基于微电子机械工艺(MEMS)制作。微针作为一种用于穿透皮肤给药的装置，其针尖越小、密度越高、一致性越强越好，其制造工艺越简单、成品率越高、成本越低越好。微针阵列是一种典型的高深宽比的三维结构，MEMS工艺是从平面的IC工艺演化而来，用于制作高深宽比的微针阵列仍有一定困难。
根据结构的不同，微针分为同平面微针和异平面微针。同平面微针的轴线平行于基底平面，异平面微针的轴线垂直于基底平面。同平面微针的优点是制作工艺简单，针形、针尖、针长可以精确控制，缺点是微针数目较少。异平面微针则恰恰相反，微针数目多，但高度受到限制，而且工艺比较复杂。当前的研究重点是利用各种较为复杂工艺直接加工出异平面微针，但想同时获得优良的针形、针尖、针长以及高密度，难免使用复杂的工艺和昂贵的设备，不利于降低成本，成品率也很难保证。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有的异平面微针针尖高度受到限制，而且制作工艺复杂。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种异平面微针阵列，包括同平面微针和基板，同平面微针包括一个及一个以上针尖和连接针尖的底座，针尖和底座在同一平面内,两片以上的同平面微针组装在基板上。
进一步限定，在同平面微针之间设置弹性缓冲垫块。
进一步限定，同平面微针的制作方法为：
1)绘制二维微针图形，制作掩膜版；
2)在玻璃基底上溅射一层金属铬；
3)随后在金属铬上旋涂一层正型光刻胶，用步骤1制作的掩膜版进行曝光，随后用显影液显影，烘干得到图形化的光刻胶掩膜；
4)然后用腐蚀液腐蚀金属铬，随后去除光刻胶掩膜，得到金属铬掩膜版；
5)将SU-8光刻胶旋涂到玻璃基底上；
6)烘干SU-8光刻胶后从玻璃基底背面曝光，随后用显影液显影，得到同平面微针结构；
7)将同平面微针从玻璃基底上剥离。
将同平面微针组装在基板上的第一个方案是：
基板上具有与底座相配合配合的凹槽，同平面微针的底座和弹性缓冲垫块通过嵌入凹槽的安装方式组装在基板上。
进一步限定，底座和基板的凹槽之间填充粘结剂。
将同平面微针组装在基板上的第二个方案是：
基板为带卡具的基板，包括基板本体和卡具，基板本体上具有至少两条定位凸条，卡具上具有与定位凸条一一对应配合的卡槽，卡具安装在基板本体上，定位凸条嵌在卡槽内，卡槽和定位凸条之间留有卡接间隙，同平面微针的底座放置在卡接间隙内，在卡具和基板本体之间设置推动卡具向缩小卡接间隙的一侧平移的弹性件，以夹紧同平面微针的底座。
进一步限定，定位凸条为弹性缓冲垫块。
进一步限定，同平面微针为楔形的同平面微针，楔形的同平面微针向针尖一侧收窄，所述的构成卡接间隙的两个侧面的其中一个侧面为垂直面，另一个侧面为与楔形的同平面微针契合的倾斜面。
将同平面微针组装在基板上的第三个方案是：
基板内具有浇注槽，同平面微针的底座放置在浇注槽内，同平面微针之间通过垫块相互隔开并定位，浇注槽的深度大于同平面微针的底座的高度，在安装入同平面微针的浇注槽内浇注液态浇注料，在浇注料固化后使同平面微针和基板成为一体。
进一步限定，垫块为弹性缓冲垫块。
为方便同平面微针的组装，进一步限定，浇注槽在基板的侧面具有便于从基板的侧面放入同平面微针和垫块的侧面开口，侧面开口通过槽档块进行封堵。
进一步限定，浇注槽内具有向侧面开口延伸的定位柱，同平面微针的底座和垫块上具有与定位柱配合的定位孔，同平面微针的底座和垫块穿套在定位柱上。
将同平面微针组装在基板上的第四个方案是：
基板采用可固化的液态基板材料固定而成，同平面微针在液态基板材料固化前植入，其后通过固化的方式使同平面微针组装在基板上。
进一步限定，同平面微针在液态基板材料固化前植入的具体方法为：
1)制作同平面微针的转运模板，转运模板上具有阶梯型凹槽，阶梯型凹槽包括用于容纳同平面微针的针体部分的内槽和用于容纳同平面微针的底座部分外槽，每片同平面微针对应一个阶梯型凹槽；
2)将同平面微针的针尖向下的倒置在转运模板的阶梯型凹槽内；
3)将液态基板材料浇注在微针转运模板上；
4)固化液态基板材料；
5)从转运模板上将固化而成的基板和同平面微针从转运模板上剥离。
进一步限定，同平面微针在液态基板材料固化前植入的具体方法为：
1)制作同平面微针的转运模板，转运模板采用弹性缓冲材料，转运模板上具有阶梯型凹槽，阶梯型凹槽包括用于容纳同平面微针的针体部分的内槽和用于容纳同平面微针的底座部分外槽，每片同平面微针对应一个阶梯型凹槽，弹性缓冲材料的转运模板上的阶梯型凹槽是前后贯通的，使微针的针头可露出转运模板；
2)将同平面微针的针尖向下的倒置在转运模板的阶梯型凹槽内，同平面微针的针尖凸出转运模板的表面，或者与转运模板的表面持平，或者低于转运模板的表面，当同平面微针的针尖凸出转运模板的表面时，转运模板下方通过垫垫块的方式，或者通过在放置转运模板的平台上预留凹槽的方式，对凸出转运模板的针尖进行让位；
3)将液态基板材料浇注在转运模板上；
4)固化液态基板材料，即可得到异平面微针阵列。
一种异平面微针阵列的制作方法，利用上述的异平面微针阵列作为主模具，利用倒模工艺制备可重复使用的阴模具，然后再次用倒模工艺制备异平面微针阵列。
本发明的有益效果是：同平面微针的针尖形状容易控制，针尖质量好，利用多片同平面微针并排组装成的微针阵列既能保证针尖、针形、针长，又能满足微针密度要求。
微针阵列制作过程中使用的同平面微针制作工艺、基板、模板机械加工、阴模具倒模等工艺都较为成熟，成本较低，容易实现，如果用于批量生产，并排组装的异平面微针阵列仅用于倒模制作阴模具的主模具，使用次数少，可以保障微针成品率，降低微针阵列制作成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；
图1是本发明的同平面微针的制作过程示意图；
图2是本发明的方案1中的异平面微针阵列的结构示意图；
图3是本发明的方案2中的异平面微针阵列的剖视图；
图4是本发明的方案2中的异平面微针阵列的立体图；
图5是本发明的方案3的异平面微针阵列的制作过程示意图；
图6是本发明的在方案3中使用弹性缓冲垫块的制造过程示意图；
图7是本发明的方案4中的转运模板的结构示意图；
图8是本发明的方案4中其中一种异平面微针阵列的结构示意图；
图9是本发明的方案4中的另一种异平面微针阵列的结构示意图；
图10本发明的用于制作异平面微针阵列的阴模具的结构示意图；
图11本发明的通过倒模制备形成的异平面微针阵列的结构示意图；图中，1.同平面微针，2.基板，3.凹槽，4.卡具，5.定位凸条，6.弹性件，7.浇注槽，8.垫块，9.槽档块，10.定位柱，11.转运模板，12.阶梯型凹槽，13.阴模具，14.掩膜版，15.玻璃基底，16.金属铬，17.正型光刻胶，18.SU-8光刻胶，19.弹性缓冲垫块。
具体实施方式
一种异平面微针阵列，包括同平面微针1和基板2，同平面微针1包括一个及一个以上针尖和连接针尖的底座，针尖和底座在同一平面内,两片以上的同平面微针1组装在基板2上，在同平面微针1之间设置弹性缓冲垫块19。
弹性缓冲垫块19具有如下作用：一、可隔离控制同平面微针1之间的距离；二、在注射过程中起到缓冲和调整刺入皮肤深度的作用，可通过控制不同的按压力度调整弹性缓冲垫块19的变形度，进而控制微针针体凸出弹性缓冲垫块19的长度，调整刺入皮肤的深度。
本发明意在融合同平面微针与异平面微针的优点，并结合聚合物微针工艺低成本的优势。
同平面微针1可以利用现有的制作工艺制作，如干法刻蚀硅、电镀金属制作工艺。
同平面微针1还可以利用下面的方法制作，如图1所示，提供一个以光刻工艺制作SU-8材质的同平面微针1的实施例：
1)用AUTOCAD绘制二维微针图形，制作掩膜版14。针体高300μm，宽200μm，间隙500μm，单片同平面微针1包含10个针体，底座高2mm。
2)准备一片K9玻璃圆片作为玻璃基底15，在玻璃基底15上溅射一层300nm厚的金属铬16；
3)随后旋涂一层2微米厚的BP212-37s正型光刻胶17，用步骤1制作的掩膜版14进行曝光，用0.5％的氢氧化钠显影液显影，100℃后烘5min得到图形化的光刻胶掩膜；
4)然后用CR-14腐蚀液腐蚀金属铬16，随后用丙酮去除光刻胶得到铬掩膜版，从而将光刻SU-8用的铬掩膜版转移到玻璃基底15上，CR-14腐蚀液由5g硝酸铈铵、20mL醋酸和100mL水配制而成；
5)将SU-8光刻胶18旋涂到玻璃基底15上，厚度为100μm；
6)90℃烘干后从玻璃基底15背面曝光；烘干后用显影液显影，得到同平面微针结构；
7)将同平面微针结构放置在20％的氢氧化钠溶液中，将同平面微针1从玻璃基底15上剥离。
为提高针尖的穿透效果，在对SU-8材质的同平面微针1的SU-8光刻胶18曝光时，从玻璃基底15的背面倾斜曝光，倾斜角为70°，形成倾斜的针尖，以增加针尖的锐度。
如图2所示，将同平面微针1组装在基板2上的第一个方案是：
基板2上具有与底座相配合配合的凹槽3，在凹槽3中填充用于粘接微针底座的粘结剂，基板2上的凹槽3与同平面微针1的底座形状一致，凹槽3深度略高于底座。通过现有的制作工艺制作的同平面微针1一般包含数十个针体，底座长度可达数毫米，深度可设计为微米量级。基板2上的凹槽3可以用传统的机械加工或较低精度的MEMS加工工艺实现，多排同平面微针1通过底座垂直嵌入凹槽3的安装方式组装在基板2上，得到异平面微针阵列。
下面提供一个方案1的实施例：
利用激光烧蚀在有机玻璃(PMMA)表面上制作与微针的底座形状对应的凹槽3，作为连接同平面微针1的基板2。在基板2表面滴上作为粘接微针底座的粘结剂的PDMS预聚体和交联剂的混合液体并涂匀，静置5min使部分PDMS粘接剂渗入凹槽3，然后擦干残余的PDMS粘接剂。用镊子夹取单片的SU-8同平面微针1的底座，分别放入凹槽3，并压紧底座部分。全部同平面微针1安装完成后，100℃烘干10min使PDMS粘接剂固化，得到并排嵌入式的异平面微针阵列。
如图3和4所示，将同平面微针1组装在基板2上的第二个方案是：
基板2为带卡具4的基板2，包括基板本体和卡具4，基板本体上具有至少两条定位凸条5，卡具4上具有与定位凸条5一一对应配合的卡槽，卡具4安装在基板本体上，定位凸条5嵌在卡槽内，卡槽和定位凸条5之间留有卡接间隙，同平面微针1的底座放置在卡接间隙内，在卡具4和基板本体之间设置推动卡具4向缩小卡接间隙的一侧平移的弹性件6，以夹紧同平面微针1的底座。
当同平面微针1为楔形的同平面微针1，并且楔形的同平面微针1向针尖一侧收窄，构成卡接间隙的两个侧面的其中一个侧面为垂直面，另一个侧面为与楔形的同平面微针1契合的倾斜面。
下面提供一个方案2的实施例：
用有机玻璃制作卡具4，并将卡具4和弹簧安装在基板本体上，将卡具4推到卡接间隙最大的方向，把同平面微针1的底座逐个放入卡接间隙中，松开卡具4，弹簧自动压紧微针底座，形成异平面微针阵列。
如图5所示，将同平面微针1组装在基板2上的第三个方案是：
基板2内具有浇注槽7，同平面微针1的底座放置在浇注槽7内，同平面微针1之间通过垫块8相互隔开并定位，浇注槽7的深度大于同平面微针1的底座的高度，在安装入同平面微针1的浇注槽7内浇注液态浇注料，在浇注料固化后使同平面微针1和基板2成为一体。为方便同平面微针1的组装，浇注槽7在基板2的侧面具有便于从基板2的侧面放入同平面微针1和垫块8的侧面开口，侧面开口通过槽档块9进行封堵。浇注槽7内具有向侧面开口延伸的定位柱10，同平面微针1的底座和垫块8上具有与定位柱10配合的定位孔，同平面微针1的底座和垫块8穿套在定位柱10上。
如图6所示，垫块8也可为凸出基板2平面的弹性缓冲垫块19，弹性缓冲垫块19的材质为柔性橡胶。
下面提供一个方案3的实施例：
用有机玻璃制作基板2，基板2具有与同平面微针1的底座形状对应的浇注槽7，浇注槽7在基板2的侧面具有便于从基板2的侧面放入同平面微针1和垫块8的侧面开口，并在浇注槽7内安装与底座的定位孔对应的定位柱10。浇注槽7深度略高于底座的高度，以浇注一层固定用的液态浇注料。用金属或有机玻璃制作垫片，垫片形状与同平面微针1的底座一致，厚度与同平面微针1的间距一致或由微针密度决定。将同平面微针1并排插入到浇注槽7中，每两片同平面微针1之间用垫片隔开。多片同平面微针1并排组装成异平面微针阵列。用槽档块9封堵浇注槽7的侧面开口，以固定同平面微针1。在浇注槽7内浇注PDMS液体即PDMS预聚体和交联剂的混合液，至液面与基板2上表面平齐，然后在50-100℃的环境下加热3-5小时，使PDMS液体固化。由此便将多个同平面微针1组装成了异平面微针阵列。
如图7，8和9所示，将同平面微针1组装在基板2上的第四个方案是：
基板2采用可固化的液态基板材料固定而成，同平面微针1在液态基板材料固化前植入，其后通过固化的方式使同平面微针1组装在基板2上。
同平面微针1在液态基板材料固化前植入的具体方法为：
1)制作同平面微针1的转运模板11，转运模板11上具有阶梯型凹槽12，阶梯型凹槽12包括用于容纳同平面微针1的针体部分的内槽和用于容纳同平面微针1的底座部分外槽，每片同平面微针1对应一个阶梯型凹槽12，阶梯型凹槽12足以容纳针体部分，并能使底座的一半以上露出转运模板11，阶梯型凹槽12并排排列；
2)将同平面微针1的针尖向下的倒置在转运模板11的阶梯型凹槽12内；
3)将液态基板材料浇注在转运模板11上，并施加压力使液态基板材料流动并深入到底座之间的间隙中，使液态基板材料与同平面微针1的底座完全粘合；
4)固化液态基板材料；
5)从转运模板11上将固化而成的基板2和同平面微针1从转运模板11上剥离。
下面提供一个方案4的实施例：
转运模板11亦采用激光烧蚀有机玻璃制作，阶梯型凹槽12的内槽的槽深0.2～1.5mm，取决于微针的针长。转运模板11的阶梯型凹槽12朝上放置，分别将单片的SU-8材质的同平面微针1反向放置到阶梯槽中，底座露出0.5mm。然后在转运模板11表面上滴PDMS预聚体和交联剂的混合液体，静置10min使其流平，厚度约为1mm。然后将其整体在100℃烘干10min使PDMS液体固化，将PDMS固化而成的基板2连同植入的同平面微针1从转运模板11上剥离，既得到植入式的异平面微针阵列。
在方案4中，转运模板11也可采用弹性缓冲材料，如柔软的橡胶。橡胶材质的转运模板11的作用弹性缓冲垫块19相同。弹性缓冲材料的转运模板11上的阶梯型凹槽12是贯通的，可以使微针的针头露出，而且植入的同平面微针1的基板不需要从转运模板11上剥离。同平面微针1的针尖可以凸出转运模板11的表面，如图8所示，或者与转运模板11的表面持平，或者低于转运模板11的表面，当同平面微针1的针尖凸出转运模板11的表面时，转运模板11下方通过垫垫块的方式，或者通过在放置转运模板11的平台上预留凹槽的方式，对凸出转运模板11的针尖进行让位。
如图10和11所示，一种异平面微针阵列的制作方法，利用方案1、2、3和4得到异平面微针阵列作为主模具，利用倒模工艺制备可重复使用的阴模具13，然后再次用倒模工艺制备异平面微针阵列。
用倒模工艺形成阴模具13的具体方法为：液态模具材料在软化状态下浇注至主模具的针体表面，在一定的真空或压力环境下，使液态模具材料渗进针体间的空隙，待液态模具材料固化后与主模具分离，得到阴模具13；
用倒模工艺制备异平面微针阵列的具体方法为：液态微针材料在软化的状态下浇注至阴模具13，在一定的真空或压力环境下，使液态微针材料渗进并填充针形槽，待液态微针材料固化后与阴模具13分离，得到异平面微针阵列。
该主模具和阴模具13都可以重复使用，有利于降低成本。
下面提供一个实施例：
利用方案1、2、3和4得到异平面微针阵列作为主模具，主模具放入开口容器中，在异平面微针阵列上蒸镀一层甘油薄膜，以辅助后续的PDMS脱模工艺。浇注PDMS预聚体和交联剂的混合液体，静置10min使其流平，加热至100℃并保持10min使其固化。将固化的PDMS缓慢剥离异平面微针阵列，然后裁减掉无用的边缘部分，形成异平面微针阵列用阴模具13。
将有机玻璃(PMMA)放置于阴模具13上表面，抽真空加热到160℃，保持30min，使融化的PMMA液体顺利流入阴模具13的微针凹槽中。随炉冷却至室温，缓慢剥离阴模具13，修剪无用的边缘部分，即得到PMMA异平面微针阵列。
用倒模工艺制备异平面微针阵列的的液态微针材料可以采用含有护肤品或药剂有效成分的混合物，使异平面微针阵列既作为刺穿皮肤的针尖，又作为治疗药物。
Claims (2)
1.一种异平面微针阵列，其特征是：包括同平面微针(1)和基板(2)，所述的同平面微针(1)包括一个及一个以上针尖和连接针尖的底座，针尖和底座在同一平面内,两片以上的同平面微针(1)组装在基板(2)上，
所述的基板(2)采用可固化的液态基板材料固定而成，同平面微针(1)在液态基板材料固化前植入，其后通过固化的方式使同平面微针(1)组装在基板(2)上，
所述的同平面微针(1)在液态基板材料固化前植入的具体方法为：
1)制作同平面微针(1)的转运模板(11)，转运模板(11)上具有阶梯型凹槽(12)，阶梯型凹槽(12)包括用于容纳同平面微针(1)的针体部分的内槽和用于容纳同平面微针(1)的底座部分外槽，每片同平面微针(1)对应一个阶梯型凹槽(12)；
2)将同平面微针(1)的针尖向下的倒置在转运模板(11)的阶梯型凹槽(12)内；
3)将液态基板材料浇注在转运模板(11)上；
4)固化液态基板材料；
5)从转运模板(11)上将固化而成的基板(2)和同平面微针(1)从转运模板(11)上剥离，
或者，同平面微针(1)在液态基板材料固化前植入的具体方法为：
1)制作同平面微针(1)的转运模板(11)，转运模板(11)采用弹性缓冲材料，转运模板(11)上具有阶梯型凹槽(12)，阶梯型凹槽(12)包括用于容纳同平面微针(1)的针体部分的内槽和用于容纳同平面微针(1)的底座部分外槽，每片同平面微针(1)对应一个阶梯型凹槽(12)，弹性缓冲材料的转运模板(11)上的阶梯型凹槽(12)是前后贯通的，使微针的针头可露出转运模板(11)；
2)将同平面微针(1)的针尖向下的倒置在转运模板(11)的阶梯型凹槽(12)内，同平面微针(1)的针尖凸出转运模板(11)的表面，或者与转运模板(11)的表面持平，或者低于转运模板(11)的表面，当同平面微针(1)的针尖凸出转运模板(11)的表面时，转运模板(11)下方通过垫垫块的方式，或者通过在放置转运模板(11)的平台上预留凹槽的方式，对凸出转运模板(11)的针尖进行让位；
3)将液态基板材料浇注在转运模板(11)上；
4)固化液态基板材料，即可得到异平面微针阵列。
2.一种异平面微针阵列的制作方法，其特征是：利用权利要求1所述的异平面微针阵列作为主模具，利用倒模工艺制备可重复使用的阴模具(13)，然后再次用倒模工艺制备异平面微针阵列。
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