CN101829396A - 微针阵列芯片及利用其的经皮给药贴剂及其制备方法 - Google Patents

微针阵列芯片及利用其的经皮给药贴剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微针阵列芯片，包括微针和基板，所述微针由针头、针杆和针座组成，所述针头顶部为针尖，所述微针通过针座固定在基板上；所述微针的针杆呈圆柱体或圆锥体，所述针杆向基板倾斜设定角度，针头呈圆锥形或针尖上表面为与基板平行或倾斜设定锐角的椭圆形平面。本发明微针阵列芯片中的金属微针结构坚固、不会断裂；针尖锋利、便于穿刺；易于调节与控制微针的最大刺入深度；阵列中的微针一致性好，使用安全可靠；空心微针具有类似于传统注射针头的侧面开孔，从而能够有效避免皮肤堵塞输液孔的现象，更有利于药物的迅速扩散与吸收，疗效显著。

Description

微针阵列芯片及利用其的经皮给药贴剂及其制备方法
本申请要求申请日为2009年3月27日、申请号为200910080758.X的中国专利申请的优先权。
技术领域
本发明涉及医疗和美容器械、生物医药及微细加工技术领域，具体涉及一种微针阵列芯片、经皮给药装置、经皮给药贴剂、微针阵列电极及制备方法。
背景技术
药物的治疗作用不仅依赖于药物本身，药物输运系统对于药效的发挥也具有十分重要的影响。对于以胰岛素为代表的多肽、蛋白质、DNA、疫苗等生物大分子药物，由于受胃肠道中酶的降解作用、肝脏的首过效应等影响，其口服给药生物利用度很低而不能达到疗效。皮下注射可以方便快捷地将大剂量药物注入人体并能够弥补口服给药的缺点，但是它的局限性在于给人疼痛感、存在注射点损伤、注射需要专门技术和难于实现持续给药，患者尤其是儿童患者通常具有恐针意识，不适合于长期给药。经皮给药系统又称经皮治疗系统，是指药物以一定的速率通过皮肤经毛细血管吸收进入体循环而产生药效的一类制剂。与传统的给药方式相比，经皮给药有许多优点：可产生持久、恒定和可控的血药浓度，使因为体内新陈代谢迅速而半衰期很短的药物活性明显提高，避免了肝脏的首过效应与胃肠道因素的干扰，将毒副作用降到最小；具有无痛、无创或微创性，患者可自己用药，使用方便，可随时中断给药。虽然经皮给药非常诱人，但是当前进入世界经皮给药市场的药物只有二十种左右，这主要是因为人体皮肤最外层厚约30～50微米角质层的阻挡作用，导致绝大多数药物的经皮渗透速度太低，不能满足治疗的需要。现在能够经皮给药的药物受到许多限制，例如分子量小于500D、高脂溶性、熔点小于150℃、治疗剂量小于20毫克/日等，高分子以及极性药物难以实现被动经皮给药。目前国际上正在研发的生物大分子药物有上千种，缺乏合适的给药系统已经成为其能否发挥最佳疗效而顺利进入临床和投放市场的重要障碍。
为了增加皮肤的渗透性，人们采用了化学促渗剂、离子电渗法和电致孔法等多种方法。这些方法对所传输的药物都存在不同程度的局限性，有些可能还会引起较大的毒副作用。1998年，美国Prausnitz教授课题组首次将微机电系统(MEMS)技术制备的微型实心硅针阵列用于经皮给药领域，发现其可以将生物大分子模型药物钙黄绿素的经皮渗透性提高4个数量级，从此在国际上掀起了微针经皮给药研究的浪潮。
微针阵列从一定意义上讲是介于皮下注射和经皮贴剂之间的一种给药方式。人体的皮肤有三层组织：角质层、活性表皮层和真皮层。最外层的角质层厚度约为30-50微米，由致密的角质细胞组成，其对绝大多数药物的渗透率很低，是这些药物通过经皮输送的主要障碍；角质层以下是表皮层，厚度约为50-100微米，含有活性细胞和很少量的神经组织，但是没有血管；表皮层以下是真皮层，其为皮肤的主要组成部分，含有大量的活细胞、神经组织和血管组织。传统皮下注射法使用的针头外径一般为0.4-3.4毫米，注射时必须将针头穿透皮肤深入到肌肉中，无疑将会触及血管并损伤大量神经组织，因此除了会出血外，患者往往会感受到较为剧烈的疼痛。采用MEMS技术可以低成本、大批量的制造出短小而锋利的微针阵列，通过按压施针的方式能够瞬间在皮肤角质层和表皮层产生大量微米量级大小的孔道来明显提高药物的渗透性，理论上应该适用于包括生物大分子药物在内的任何药物而不受分子量大小、药物极性、熔点等的限制。由于微针给药部位在体表并没有触及神经组织和血管，因此不会产生疼痛和出血现象；采用微针给药不需要专业人员进行操作，使用灵活方便，可随时中断给药，所以更容易被患者所接受。
与经皮给药同理，由于角质层的阻挡作用，采用一般传统的方法使用美容护肤品，其中的绝大部分活性养分难以进入活性表皮层和真皮层，所以美容效果并不显著。如果将表面涂敷有美容护肤品的微针阵列刺入皮肤，或微针阵列刺入皮肤后移开再涂敷美容护肤品，均会明显提高活性养分穿越角质层进入表皮层及真皮层细胞的渗透能力，从而显著提高美容养颜效果。另外，如果用染料代替美容护肤品进行微针纹身，无疑将会使纹身过程变得无痛、安全并且更快捷。
生物电极现已广泛应用于现代临床和生物医学检测，例如心电图ECG，脑电图EEG和电阻抗断层成像EIT，测试电极对这些测量电子设备的测量精度与可靠性无疑有重要影响。以微针阵列为电极通过刺穿皮肤的角质层测量生物电位，这样就能够有效避开了皮肤角质层高阻抗特性的干扰，与普通电位电极比较，不需要皮肤准备和电解凝胶，更有利于长期测量使用。因此，使用微针阵列电极进行测量更方便可靠，具有更小的阻抗，而且预计有较小的电化学噪声，可以完成对低生物电位的高质量记录。
微针有实心针和空心针两种类型。在使用过程中，对于实心微针通常采用如下两种给药方式：1)先将微针阵列刺入皮肤形成孔洞，再将含药贴剂敷在治疗部位上；2)在微针阵列表面涂覆药物后，刺入皮肤持续释药。对于空心微针通常是采用微注射的形式输送药物，适用于液态和治疗剂量要求更大的药物。另外，空心微针还可以用于经皮进行微量体液的抽取与检测。
制造微针的材料有聚合物、单晶硅和金属等。现有聚合物微针存在的一个突出问题是材料强度不够，不易刺穿皮肤的角质层。单晶硅材质坚硬、易脆断，虽然有文献报道其具有较好的生物兼容性，但现在还不属于常规的医用材料，是否能够适用于生物医药方面还有待进一步考证。金属用于制造针灸针或注射针头已有千百年历史，虽然其安全性毋庸置疑，但是采用传统精密加工方法难以低成本、大批量加工出实心、空心金属微针阵列芯片。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属微针阵列芯片、经皮给药装置、经皮给药贴剂、微针阵列电极及制备方法，其中的金属微针结构坚固、针尖锋利、便于穿刺；易于调节与控制微针的最大刺入深度；阵列中的微针一致性好，使用安全可靠；空心微针具有类似于传统注射针头的侧面开孔，从而能够有效避免皮肤堵塞输液孔的现象，更有利于药物的迅速扩散与吸收，疗效显著。
为达到上述目的，提供一种依照本发明实施方式的微针阵列芯片，微针阵列芯片，包括微针和基板，
所述微针由针头、针杆和针座组成，所述针头顶部为针尖，所述微针通过针座固定在基板上；
所述微针的针杆呈圆柱体或圆锥体，所述针杆向基板倾斜设定角度，针头呈圆锥形或针尖上表面为与基板平行或倾斜设定锐角的椭圆形平面。
优选地，所述微针的针座嵌入到所述基板中或者穿透所述基板，针座底面与基板底面平齐或者凸出或者凹入。
优选地，所述针尖椭圆形平面上具有若干凹坑，或者所述椭圆形平面至少被切去一段圆弧面使其存在更多的棱角。
优选地，由至少两个微针构成微针阵列，所述微针阵列为实心或空心微针阵列，或两者的混合阵列，所述微针在基板上按设定间距进行排列。
优选地，所述微针为实心微针或空心微针，所述微针的针杆和针座分别向基板倾斜各自的设定角度，所述实心微针的针头或针杆上存在沟槽或凹坑，所述空心微针的针座与针头之间存在通孔。
优选地，所述微针阵列芯片上不同微针的针尖之间相互平行或者呈角度布置。
优选地，所述针座倾斜的设定角度为15～165度，所述针杆倾斜的设定角度为15～160度。
优选地，所述针座倾斜的设定角度为15～90度，所述针杆倾斜的设定角度为15～150度。
优选地，所述微针采用金属或合金制成，所述金属或合金包括但不限于金、银、铂、钛、铬、铜、铝、铁、镍、钨、不锈钢、钛合金、铝合金、镍合金、铜合金中的一种或几种，所述微针表面或者另覆盖有一层或若干层薄膜，所述薄膜是介质材料薄膜和/或半导体材料薄膜和/或导体材料薄膜，其中所述导体材料薄膜包括但不限于金属、合金、金属有机或无机化合物薄膜中的一种或几种。
优选地，所述导体材料薄膜为金、钛、铂金属薄膜。
优选地，所述基板是绝缘体，半绝缘体或导体，基板所采用的材料为医用塑料、聚合物、合成树脂、玻璃、橡胶、乳胶或非金属复合材料，或由其中一种材料制备而成或由其中几种材料分层组合而成，各层之间有粘结剂或固定结构。
优选地，所述针尖的曲率半径、厚度和宽度均为0.1纳米～1200微米；
所述针杆的外径为5～1500微米，高度为10～10000微米；
所述空心微针的通孔内径为1～1000微米；
所述基板的厚度为20微米～8000微米，为平面板或曲面板。
优选地，所述针尖的曲率半径为5纳米～350微米；
所述针杆的外径为20～1000微米，高度为50～5000微米；
所述空心微针的通孔内径为5～800微米。
优选地，在基板的一侧或两侧覆盖有一层或多层图形化或未图形化的介质材料薄膜和/或半导体材料薄膜和/或导体材料薄膜，导体材料薄膜包括但不限于金属、合金、金属有机或无机化合物薄膜中的一种或几种。
本发明还提供了一种微针阵列芯片的制备方法，包括步骤：
s101，将金属丝棒或金属毛细管垂直或沿设定角度倾斜插入或穿透所述基板；
s102，切断所述金属丝棒或金属毛细管，并将断口表面沿与基板平行或倾斜的方向研磨抛光形成椭圆形针尖；
s103，将微针阵列芯片浸入化学或电化学抛光液中，对微针表面进行化学或电化学抛光。
优选地，在步骤s102和步骤s103之间还包括步骤：
s102a，在固定有金属丝棒或金属毛细管的基板一侧涂覆掩蔽膜，利用图形转移技术在金属丝棒或金属毛细管的一端形成设计的掩蔽膜图案；
s102b，化学或电化学腐蚀未被掩蔽膜保护的金属丝棒或金属毛细管，制备出具有凹坑或沟槽的针头、具有通向针头的沟槽或凹坑的针杆、具有更多棱角的针尖的实心金属微针，或制备出具有更多棱角的针尖的空心金属微针后，去除掩蔽膜。
优选地，在所述步骤s103之后还包括步骤：
S103a，在基板上覆盖介质材料薄膜和/或半导体材料薄膜和/或导体材料薄膜；
S103b，在基板上制备掩蔽膜，利用图形转移技术或丝网印刷技术在基板上形成预期设计的掩蔽膜图案；
S103c，化学或电化学腐蚀基板上未被掩蔽膜保护的介质材料薄膜和/或半导体材料薄膜和/或导体材料薄膜，制备出预期设计的图形后，去除掩蔽膜。
本发明还提供了一种经皮给药贴剂，其包括上述微针阵列芯片，以及覆盖于所述微针阵列芯片的微针或者微针和基板上的一层或多层薄膜，所述薄膜包含一种或多种物质，所述物质具有至少一种药物或美容护肤品。
优选地，所述物质为固体、液体、微粒、溶胶、凝胶、硬膏、软膏中的一种或几种的混合物。
本发明还提供了一种经皮给药贴剂的制备方法，其包括步骤：
S201，通过浸沾、熏蒸、涂覆、物理性或化学性淀积方法在微针或者微针和基板上覆盖包含药物的薄膜；
S202，将微针阵列芯片的基板背面粘接在胶带有胶一侧的中间，基板的边缘或周围胶带上具有或没有凸起结构，胶带在该侧的其余部分胶面和芯片表面用易于剥离的材料薄膜覆盖。
本发明一种利用所述微针阵列芯片的经皮给药装置，其包括：
基座，微针阵列芯片永久性或可拆卸的固定在所述基座的正面；
所述基座正面的尺寸小于或等于或大于所述微针阵列芯片的尺寸；
所述基座背面具有用手操作、具有平面或曲面形的手柄；
所述基座正面的尺寸大于微针阵列芯片的尺寸时，所述微针阵列芯片嵌入在所述基座正面的中心，且基座正面的边缘与基板平齐或高于中心处的微针阵列芯片的基板，但低于针头。
优选地，在所述微针阵列芯片中的微针为空心微针时，所述微针阵列芯片与所述基座的结合能够形成具有内腔的结构，在基座上具有向所述内腔内添加药液的通道与接口，或将置于内腔内的药液包装刺破的元件。
优选地，在基座背面通过管道连接或集成方式固定有对内腔进行挤压的推进装置；
所述基座由塑料、聚合物、合成树脂、陶瓷、玻璃、橡胶、乳胶、金属或复合材料进行制备，或由其中一种材料制造或多种材料组合而成，多种材料间可能有粘结剂或固定结构。
本发明还提供了一种经皮给药装置的制备方法，包括步骤：
S301，采用模铸、切割、机械加工或粘接方式制作出正面尺寸小于或等于或大于微针阵列芯片尺寸的基座；
S302，采用粘接、融合、键合、机械压合方式将微针阵列芯片永久性或可拆卸的固定在基座上正面的中心。
优选地，在所述微针阵列芯片中的微针为空心微针时，
步骤s301中，制作的基座上具有向所形成的内腔添加药液的通道与接口，或将置于内腔内的药液包装刺破的元件。
优选地，在步骤s301和步骤s302之间还包括步骤：
S301a，在基座背面通过管道连接或集成方式固定有对内腔进行挤压的推进装置。
优选地，采用粘接、键合、焊接、螺口或卡口、螺钉固定方式在基座内组装或在基座外通过管道连接对内腔中药液起挤压作用的推进装置。
本发明还提供了一种微针阵列电极检测器件，其包括：覆盖于微针阵列芯片的基板背面和/或正面的一层或多层未图形化或图形化的导电材料薄膜，所述导电材料薄膜与相关的金属微针和外接导线相连；微针阵列芯片的基板背面粘接在胶带有胶一侧的中间，基板的边缘或周围胶带上具有凸起结构，胶带在该侧的其余部分胶面和芯片表面用易于剥离的材料薄膜覆盖，其中所述微针阵列芯片为权利要求1-14中任一项所述的微针阵列芯片。
上述技术方案具有如下优点：1)微针结构坚固、不会断裂，针尖锋利、便于穿刺；2)空心微针具有类似于传统注射针头的侧面开孔，从而有效避免了皮肤堵塞输液孔现象，更有利于药物的迅速扩散与吸收；3)采用常规的医用材料制造微针阵列芯片及其相关器械，并利用成熟的加工工艺实现其低成本、高成品率、高重复性的批量制造；4)易于调节与控制微针的最大刺入深度，阵列中的微针一致性好，使用安全可靠、经久耐用；5)非常适用于多肽、蛋白质、疫苗、DNA等生物大分子药物、美容护肤品的经皮输运和现有药物经皮新剂型的开发，具有非常广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例中一种圆柱形针杆与针座均垂直于基板的实心微针阵列芯片结构示意图；
图2为本发明实施例中一种圆锥形针杆与针座均垂直于基板的实心微针阵列芯片结构示意图；
图3为本发明实施例中一种圆锥形针杆与针座均垂直于基板的实心微针阵列芯片结构示意图；
图4为本发明实施例中一种针头有椭圆平面形针尖且其与基板平行的实心微针阵列芯片结构示意图；
图5为本发明实施例中一种针头有更多棱角的椭圆平面形针尖且其与基板倾斜的实心微针阵列芯片结构示意图；
图6为本发明实施例中一种针头有更多棱角、沟槽的椭圆平面形针尖且其与基板平行的实心微针阵列芯片结构示意图；
图7为本发明实施例中一种针头有椭圆平面形针尖且其与基板平行的空心微针阵列芯片结构示意图；
图8为本发明实施例中一种针头有更多棱角的椭圆平面形针尖且其与基板平行的空心微针阵列芯片结构示意图；
图9为本发明实施例中一种针头有椭圆平面形针尖且其与基板倾斜的空心微针阵列芯片结构示意图；
图10为本发明实施例中一种针杆与基板垂直的实心微针阵列芯片结构剖视图；
图11为本发明实施例中一种针杆与基板倾斜的实心微针阵列芯片结构剖视图；
图12为本发明实施例中一种针杆与基板倾斜的实心微针阵列芯片结构剖视图；
图13为本发明实施例中一种针杆与基板倾斜的实心微针阵列芯片结构剖视图；
图14为本发明实施例中一种针杆与基板垂直的空心微针阵列芯片结构剖视图；
图15为本发明实施例中一种针杆与基板垂直的空心微针阵列芯片结构剖视图；
图16为本发明实施例中一种针杆与基板垂直的空心微针阵列芯片结构剖视图；
图17为本发明实施例中一种针杆与基板垂直的空心微针阵列芯片结构剖视图；
图18为本发明实施例中一种基于实心微针阵列芯片的经皮给药装置的结构剖视图；
图19为本发明实施例中一种基于实心微针阵列芯片的经皮给药装置的结构剖视图；
图20为本发明实施例中一种基于实心微针阵列芯片的经皮给药装置的结构剖视图；
图21为本发明实施例中一种基于实心微针阵列芯片的经皮给药装置的结构剖视图；
图22为本发明实施例中一种基于实心微针阵列芯片的经皮给药装置的结构剖视图；
图23A～图23D为本发明实施例中一种空心微针阵列芯片的制备工艺流程的示意图；
图24A～图24E为本发明实施例中一种实心微针阵列芯片的制备工艺流程的示意图。
其中，1：针头；2：针杆；3：针座；4：基板；5：针尖；5a：棱角；6：沟槽；7：椭圆形平面；8：通孔；9：基座；10：凸出部分；11：手柄。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
微针阵列芯片及其制备方法
微针阵列芯片包括微针和基板4，微针由针头1、针杆2和针座3组成，针头顶部为针尖5，微针通过针座3固定在基板4上，针杆2和针座3呈圆柱体或圆锥体，微针垂直固定在基板4上，如图1-图3所示，针头1呈圆锥形；或微针倾斜设定角度固定在基板4上，设定角度优选采用20-160度，如图4-图9、图12-图14和图16-图17所示，针头处有与基板4平行或倾斜设定角度的椭圆形平面，因此具有椭圆平面形针尖5或对该椭圆平面形针尖的边缘进一步处理而使其存在更多锐利的棱角5a；或针杆2和针座3分别向基板倾斜各自的设定角度，如图10、11、15所示。不同微针针头上的椭圆平面形针尖或圆锥形针尖之间互相平行或保持某一或若干设定角度，如图15所示。微针的针座嵌入在基板中，如图10所示；或微针穿透基板，针座底面与基板底面平齐或凸出或凹入，如图13-图17所示；芯片的基板4为厚度均匀或不均匀的平面板或曲面板，如图17所示。
微针阵列芯片中至少两个微针构成微针阵列，微针阵列为实心或空心微针阵列，或两者的混合阵列，微针在基板上按设定间距进行排列。根据微针是实心微针还是空心微针可以分为实心微针阵列芯片和空心微针阵列芯片。下面详述实心微针阵列芯片和空心微针阵列芯片的结构及其制备方法。
1)实心微针阵列芯片
本实施例中，实心微针的针杆2和针座3是与基板4的夹角分别为20～160度和15～165度的圆柱体或圆锥体。针头1可能有圆锥形针尖5，或针头1处有与基板4平行或倾斜的椭圆形平面7，针头1在该平面7上有椭圆平面形针尖5或对该椭圆平面形针尖的边缘进一步处理使其存在更多锐利的棱角5a(也称针尖平面有更多棱角)；另外，在针头和针杆2上也可能存在作为储药池的凹坑或沟槽6。
上述实心微针的制备方法包括步骤：
(1)将金属或合金的实心针或棒垂直或沿一定角度倾斜插入或穿透制备塑料、合成树脂、聚合物、玻璃、橡胶、硅橡胶、乳胶或复合材料基板4的材料，针座3在基板4中固定后形成微针阵列芯片的雏形，此时可以进一步调整针杆2的倾斜角度；
(2)将所述针或棒截断至预定长度，并将断口表面沿与基板4平行或有一定倾角的方向研磨或腐蚀抛光形成具有圆形或椭圆形平面的针座3或针头1；
(3)当设计制备的微针针头具有更多锐利的棱角5a和凹坑或沟槽6时，需要在金属棒和基板4上制备掩蔽膜，利用类似微电子工艺中的图形转移技术或丝网印刷技术在棒或棒和基板上形成所设计的掩蔽膜图案；
(4)化学或电化学腐蚀未被掩蔽膜保护的金属棒和基板，制备出具有凹坑或沟槽6的针杆2和针尖5、具有更多棱角的针尖5a的实心金属微针，在基板上也制备出预期设计的图形后，去除掩蔽膜；
(5)将上述制备出的微针阵列芯片浸入化学或电化学腐蚀抛光液中，对实心微针表面进行化学或电化学腐蚀与抛光。
在制备过程中可以根据需要推动针杆2调整其与基板4的夹角。
2)空心微针阵列芯片
空心微针的针杆2和针座3是与基板4的夹角分别为20～160度和15～165度的圆柱形管或圆锥形管；针头1处有与基板4平行或倾斜的椭圆形平面7，针头1在该平面7上有椭圆平面形的通孔8和针尖5或对该椭圆平面形针尖进一步处理使其存在更多锐利的棱角5a。
上述空心微针的制备方法包括步骤：
(1)将金属或合金的空心针或管垂直或沿一定角度倾斜穿透制备塑料、合成树脂、聚合物、玻璃、橡胶、硅橡胶、乳胶或复合材料基板4的材料，针座在基板中固定后形成微针阵列芯片的雏形，此时可以进一步调整针杆的倾斜角度；
(2)将所述针或管截断至预定长度，并将其断口表面沿与基板4平行或有一定倾角的方向研磨或腐蚀抛光形成具有通孔和圆形或椭圆形平面的针座或针头；
(3)当设计制备的微针针尖具有更多锐利的棱角5a时，需要在金属管和基板上制备掩蔽膜，然后利用类似微电子工艺中的图形转移技术或丝网印刷技术在金属管或金属管和基板上形成所设计的掩蔽膜图案；
(4)化学或电化学腐蚀未被掩蔽膜保护的金属管，形成所需的针尖后，去除掩蔽膜；
(5)将上述制备出的微针阵列芯片浸入化学或电化学腐蚀抛光液中，对空心微针的内外表面进行化学或电化学腐蚀与抛光。
在制备过程中可以根据需要推动针杆2调整其与基板4的夹角。
本该实施例中，微针阵列芯片制造微针采用的材料是金属或合金制备的实心针或空心针或实心棒或空心管，其表面光滑或存在沟槽与凹坑，所述金属或合金包括但不限于金、银、铂、钛、铬、铜、铝、铁、镍、钨、不锈钢、钛合金、铝合金、镍合金、铜合金中的任意一种或几种。制造基板4的材料包括塑料、合成树脂、聚合物、玻璃、橡胶、硅橡胶、乳胶或复合材料，可以由其中一种材料制备而成或几种材料分层组合而成，各层之间可能有粘结剂或固定结构。所述微针表面还可以覆盖有一层或若干层薄膜，所述薄膜可以是介质材料薄膜和/或半导体材料薄膜和/或导体材料薄膜，导体材料薄膜包括但不限于金属、合金、金属有机或无机化合物薄膜中的任意一种或几种。。
优选地，针头1处针尖5的曲率半径或等效曲率半径为0.1nm-1200μm；针杆2的外径为5～1500微米，高度为10～10000微米。空心针管的通孔内径为1～800微米。基板4的厚度为10微米～8000微米，是厚度均匀或不均匀的平面板或曲面板。
实施例2
实心或空心不锈钢微针阵列芯片的制造
将外径为300微米的不锈钢实心针或空心针按照设定间距垂直或倾斜插入或穿透厚度为2mm、用于制备聚甲基丙烯酸甲酯基板的甲基丙烯酸甲酯预聚物溶液中，针头需凸出基板一定的高度，经加热聚合固化后形成微针阵列芯片雏形。截断基板底部一侧露出的针棒或针管，根据需要可以推动针杆调整其与基板的夹角，最后形成如图1-3、10、11所示的实心或如图5、9、14、15所示的空心不锈钢微针阵列芯片。
实施例3
实心或空心不锈钢微针阵列芯片的制造
在通孔阵列模具的每个孔中插入一根外径为300微米的不锈钢实心棒或空心管，然后将这些棒或管沿一定角度插入或穿透厚度为2mm、用于制备聚甲基丙烯酸甲酯基板的甲基丙烯酸甲酯预聚物溶液中，经加热聚合固化后，在距离该基板0.5～8毫米处将这些棒或管截断，从而形成实心棒或空心管阵列芯片雏形，如图23A所示。如果是制造空心微针，必须将该芯片的基板底部一侧的管或基板磨平，确保该侧基板表面露出所有的管；根据需要可以推动另一侧的不锈钢棒或管调整其与基板的夹角，如图23B所示，然后对断口进行研磨抛光至所需的高度，如图23C所示。根据需要可以进一步推动不锈钢棒或管调整其与基板的夹角，如图23D所示。最后形成如图4、10～13所示的实心或如图7、9、14、15所示的空心不锈钢微针阵列芯片
实施例4
实心或空心不锈钢微针阵列芯片的制造
在通孔阵列模具的每个孔中插入一根外径为300微米的不锈钢实心棒或空心管，然后将这些棒或管沿一定角度插入或穿透厚度为2mm、用于制备环氧树脂基板的环氧树脂预聚物溶液中，经加热聚合固化后，在距离该基板0.5～8毫米处将这些棒或管截断，从而形成实心棒或空心管阵列芯片雏形。将该芯片的基板底部一侧的棒或管或基板磨平，确保该侧基板表面露出所有的棒或管；对另一侧的棒或管断口进行磨平抛光至需求的高度，如图24A所示。在上述芯片的阵列一侧涂覆一层如图24B所示的光刻胶12，并利用常规微电子工艺中的图形转移技术对光刻胶12进行选择性的曝光和显影，从而在棒或管上形成光刻胶图形，如图24C所示。以光刻胶12作为掩蔽膜对芯片上的棒或管进行选择性的化学或电化学腐蚀，从而在棒或管的一端形成具有更多棱角的针尖、沟槽或凹坑，如图24D所示。使用的化学腐蚀液是波美相对密度为35～45的三氯化铁溶液，腐蚀时间为20～60min。电化学腐蚀时，需将芯片基板的微针阵列一侧浸入电化学腐蚀液中，该腐蚀液包含16～38wt％三氯化铁1000mL、1～10vol％盐酸，1～10vol％硝酸、0.1～0.5wt％重铬酸钾；将芯片基板的另一侧浸入包含有0.1～0.5wt％NaCl的导电水溶液中；上述两个溶液中都接入石墨电极，其间加5～25伏直流电压，首先在腐蚀液的电极中接正电位2～10分钟，然后将其接负电位20～50分钟。采用丙酮去除光刻胶后如图24E所示，再将芯片浸入不锈钢化学腐蚀抛光液或电化学腐蚀抛光液中进行腐蚀抛光2～10分钟。化学腐蚀抛光液中包含80～120g/L盐酸、50～60g/L硝酸和150～200g/L磷酸。电化学腐蚀抛光液中包含600mL/L磷酸和300mL/L硫酸。电化学腐蚀抛光时，需将芯片基板的微针阵列一侧浸入接有铅正电极的电化学腐蚀抛光液中，芯片基板的另一侧浸入接有铅负电极的0.1～0.5wt％NaCl导电水溶液中，在两电极间加8～10V直流电压。最后可以形成如图1、2、5、6所示的实心或如图8、16所示的空心微针阵列芯片。
实施例5
经皮给药装置及其制备方法
本实施例中，实心或空心微针阵列芯片永久性或可拆卸的固定在基座9上；阵列芯片的基板边缘或周围可以具有固定或可拆卸的凸起结构10，通过调节该凸出部分10凸出于基板4的高度，能够限制施针时刺入皮肤的最大深度。
对于实心微针阵列芯片，基座9的背面是便于用手操作、具有平面形或曲面形的手柄11。如图18-22为本实施例中的几种基于实心微针阵列芯片的经皮给药装置的结构剖视图，阵列芯片的基板可以是平面板或曲面板，与其接触的基座一侧的形状设计可以随之变化；阵列芯片的基板边缘或周围可以根据需要设置凸起结构10。
对于空心微针阵列芯片，芯片与基座9的结合能够形成具有内腔的结构。在基座上具有向内腔内添加药液的通道或接口，或具有将预置于内腔内的药液包装刺破或打开的结构或元件。在基座内集成或在基座外通过管道连接有对内腔中液体起挤压作用的推进装置。这种推进装置是基于手动、电动、热动、形状记忆合金、弹簧或簧片机械运动或其他方式推动活塞位置或弹性隔膜形状的改变进行工作的，也可能是基于手动、压电、电动、电磁或其他工作方式的微型泵。根据需要还可以在所述基座内集成或基座外的推进装置中集成用于控制推进速率、时间和监控药液余量的智能系统。
经皮给药装置中的基座9由塑料、合成树脂、聚合物、陶瓷、玻璃、橡胶、硅橡胶、乳胶、金属或合金或复合材料进行制备，可以由其中一种材料制造或多种材料组合而成，多种材料间可能有粘结剂或固定结构。
本实施例中，对于实心微针阵列芯片，经皮给药装置的制备方法包括以下步骤：
(1)包括但不限于采用铸模、切割、机械加工和压合、粘接、焊接、组装方式制作出正面尺寸等于或大于或小于实心微针阵列芯片尺寸的基座9，该基座由塑料、合成树脂、聚合物、陶瓷、玻璃、橡胶、硅橡胶、乳胶、金属或合金或复合材料组成。优选地，采用粘接方式在芯片基板的边缘或其周边的基座正面上制作凸起结构用于控制微针的最大刺入深度。
(2)包括但不限于采用粘接、融合、键合、焊接、机械压合方式将实心微针阵列芯片永久性或可拆卸的固定在基座9上。
本实施例中，对于空心微针阵列芯片，经皮给药装置的制备方法包括以下步骤：
(1)包括但不限于采用模铸、切割、机械加工和压合、粘接、焊接、组装方式制作出正面尺寸等于或大于或小于空心微针阵列芯片尺寸的基座9，该基座由塑料、合成树脂、聚合物、陶瓷、玻璃、橡胶、硅橡胶、乳胶、金属或合金或复合材料组成。包括但不限于采用粘接、融合、键合、焊接、机械压合方式将微针阵列芯片永久性或可拆卸的固定在基座上，微针阵列芯片与基座的结合能够形成具有内腔的结构，在基座上具有向该内腔内添加药液的通道或接口，或具有将预置于内腔内的药液包装刺破或打开的结构或元件。优选地，采用粘接方式在芯片基板的边缘或其周边的基座正面上制作凸起结构用于控制微针的最大刺入深度；
(2)在基座的背面采用粘接、键合、焊接、螺口或卡口、组装、螺钉固定等方式通过管道连接或集成方式固定对内腔中药液起挤压作用的推进装置。这种推进装置是基于手动、电动、热动、形状记忆合金、弹簧或簧片机械运动或其他方式推动活塞位置或弹性隔膜形状的改变进行工作的，也可能是基于手动、压电、电动、电磁或其他工作方式的微型泵。根据需要还可以在所述基座内集成或基座外的推进装置中集成用于控制推进速率、时间和监控药液余量的智能系统。
(3)包括但不限于采用粘接、键合、融合、焊接、机械压合方式将空心微针阵列芯片永久性或可拆卸的固定在能够形成内腔的基座正面。
实施例6
实心微针阵列芯片的经皮给药装置的制备方法
首先采用塑料注射成型机制造出如图18-22所示的聚乙烯基座9及其上面的手柄11，并利用常规切割工具将实心微针阵列的基板切割成需要的芯片尺寸。可以直接将芯片粘接到基座9上，然后在芯片的基板边缘或周围的基座边缘粘接适当厚度的橡胶层10以限制微针刺入皮肤的最大深度。
实施例7
经皮给药贴剂及其应用方法
微针经皮给药贴剂的结构如下：该经皮给药贴剂由一层或多层包含一种或多种物质的薄膜构成；所述物质中至少包含有一种具有治疗、诊断或预防作用的药物或具有护肤、美白、养颜作用的美容护肤品。所述物质为固体、液体、微粒、溶胶、凝胶、硬膏、软膏或其中几种的混合体，其中可能包含有增粘剂、溶剂等辅料成分。
将覆盖有药物的微针阵列芯片的基板4置于胶带或胶布的有胶一侧的中间，基板的边缘或周围胶带、胶布上可以具有凸起结构，胶带或胶布在该侧的其余部分胶面和芯片表面用易剥离的材料薄膜覆盖保护。
经皮给药贴剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过浸沾、熏蒸、涂覆、物理性或化学性淀积方法在实心微针甚至基板上覆盖经皮给药贴剂，为了提高金属微针对这些物质的浸润与粘接能力，制备时可能需要首先在实心微针表面覆盖具有相关作用的表面活性剂；
(2)将微针阵列芯片的基板背面粘接在胶带或胶布的有胶一侧的中间，基板的边缘或周围胶带、胶布上可以粘接有塑料、橡胶或布制备的凸起结构，胶带或胶布在该侧的其余部分胶面和芯片表面用易于剥离的材料薄膜覆盖保护。
本发明实施例提供的微针阵列芯片中的微针结构坚固、不会断裂，针尖锋利、便于穿刺；空心微针具有类似于传统注射针头的侧面开孔，从而有效避免了皮肤堵塞输液孔现象，更有利于药物的迅速扩散与吸收；采用常规的医用材料制造微针阵列芯片及其相关器械，并利用成熟的加工工艺实现其低成本、高成品率、高重复性的批量制造；易于调节与控制微针的最大刺入深度，阵列中的微针一致性好，使用安全可靠、经久耐用；非常适用于多肽、蛋白质、疫苗、DNA等生物大分子药物、美容护肤品的经皮输运和现有药物经皮新剂型的开发，具有非常广阔的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (28)

1.微针阵列芯片，包括微针和基板，其特征在于，
所述微针由针头、针杆和针座组成，所述针头顶部为针尖，所述微针通过针座固定在基板上；
所述微针的针杆呈圆柱体或圆锥体，所述针杆向基板倾斜设定角度，针头呈圆锥形或针尖上表面为与基板平行或倾斜设定锐角的椭圆形平面。
2.根据权利要求1所述的微针阵列芯片，其特征在于，所述微针的针座嵌入到所述基板中或者穿透所述基板，针座底面与基板底面平齐或者凸出或者凹入。
3.根据权利要求1所述的微针阵列芯片，其特征在于，所述针尖椭圆形平面上具有若干凹坑，或者所述椭圆形平面至少被切去一段圆弧面使其存在更多的棱角。
4.根据权利要求1-3任一项所述的微针阵列芯片，其特征在于，由至少两个微针构成微针阵列，所述微针阵列为实心或空心微针阵列，或两者的混合阵列，所述微针在基板上按设定间距进行排列。
5.根据权利要求4所述的微针阵列芯片，其特征在于，所述微针为实心微针或空心微针，所述微针的针杆和针座分别向基板倾斜各自的设定角度，所述实心微针的针头或针杆上存在沟槽或凹坑，所述空心微针的针座与针头之间存在通孔。
6.根据权利要求5所述的微针阵列芯片，其特征在于，所述微针阵列芯片上不同微针的针尖之间相互平行或者呈角度布置。
7.根据权利要求1-3任一项所述的微针阵列芯片，其特征在于，所述针座倾斜的设定角度为15～165度，所述针杆倾斜的设定角度为15～160度。
8.根据权利要求7所述的微针阵列芯片，其特征在于，所述针座倾斜的设定角度为15～90度，所述针杆倾斜的设定角度为15～150度。
9.根据权利要求1-3任一项所述的微针阵列芯片，其特征在于，所述微针采用金属或合金制成，所述金属或合金包括但不限于金、银、铂、钛、铬、铜、铝、铁、镍、钨、不锈钢、钛合金、铝合金、镍合金、铜合金中的一种或几种，所述微针表面或者另覆盖有一层或若干层薄膜，所述薄膜是介质材料薄膜和/或半导体材料薄膜和/或导体材料薄膜，其中所述导体材料薄膜包括但不限于金属、合金、金属有机或无机化合物薄膜中的一种或几种。
10.根据权利要求9所述的微针阵列芯片，其特征在于，所述导体材料薄膜为金、钛、铂金属薄膜。
11.根据权利要求1-3任一项所述的微针阵列芯片，其特征在于，所述基板是绝缘体、半绝缘体或导体，基板所采用的材料为医用塑料、聚合物、合成树脂、玻璃、橡胶、乳胶或非金属复合材料，或由其中一种材料制备而成或由其中几种材料分层组合而成，各层之间有粘结剂或固定结构。
12.根据权利要求4所述的微针阵列芯片，其特征在于，所述针尖的曲率半径、厚度和宽度均为0.1纳米～1200微米；
所述针杆的外径为5～1500微米，高度为10～10000微米；
所述空心微针的通孔内径为1～1000微米；
所述基板的厚度为20微米～8000微米，为平面板或曲面板。
13.根据权利要求12所述的微针阵列芯片，其特征在于，所述针尖的曲率半径为5纳米～350微米；
所述针杆的外径为20～1000微米，高度为50～5000微米；
所述空心微针的通孔内径为5～800微米。
14.根据权利要求12所述的微针阵列芯片，其特征在于，在基板的一侧或两侧或者另覆盖有一层或多层图形化或未图形化的介质材料薄膜和/或半导体材料薄膜和/或导体材料薄膜，导体材料薄膜包括但不限于金属、合金、金属有机或无机化合物薄膜中的一种或几种。
15.一种微针阵列芯片的制备方法，包括步骤：
s101，将金属丝棒或金属毛细管垂直或沿设定角度倾斜插入或穿透所述基板；
s102，切断所述金属丝棒或金属毛细管，并将断口表面沿与基板平行或倾斜的方向研磨抛光形成椭圆形针尖；
s103，将微针阵列芯片浸入化学或电化学抛光液中，对微针表面进行化学或电化学抛光。
16.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，在步骤s102和步骤s103之间还包括步骤：
s102a，在固定有金属丝棒或金属毛细管的基板一侧涂覆掩蔽膜，利用图形转移技术在金属丝棒或金属毛细管的一端形成设计的掩蔽膜图案；
s102b，化学或电化学腐蚀未被掩蔽膜保护的金属丝棒或金属毛细管，制备出具有凹坑或沟槽的针头、具有通向针头的沟槽或凹坑的针杆、具有更多棱角的针尖的实心金属微针，或制备出具有更多棱角的针尖的空心金属微针后，去除掩蔽膜。
17.根据权利要求16所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤s103之后还包括步骤：
S103a，在基板上覆盖介质材料薄膜和/或半导体材料薄膜和/或导体材料薄膜；
S103b，在基板上制备掩蔽膜，利用图形转移技术或丝网印刷技术在基板上形成预期设计的掩蔽膜图案；
S103c，化学或电化学腐蚀基板上未被掩蔽膜保护的介质材料薄膜和/或半导体材料薄膜和/或导体材料薄膜，制备出预期设计的图形后，去除掩蔽膜。
18.一种经皮给药贴剂，其特征在于，所述经皮给药贴剂包括如权利要求1-14中任一项所述的微针阵列芯片，以及覆盖于所述微针阵列芯片的微针或者微针和基板上的一层或多层薄膜，所述薄膜包含一种或多种物质，所述物质具有至少一种药物或美容护肤品。
19.如权利要求18所述的经皮给药贴剂，其特征在于，所述物质为固体、液体、微粒、溶胶、凝胶、硬膏、软膏中的一种或几种的混合物。
20.一种经皮给药贴剂的制备方法，其特征在于，其包括步骤：
S201，通过浸沾、熏蒸、涂覆、物理性或化学性淀积方法在微针或者微针和基板上覆盖包含药物的薄膜；
S202，将微针阵列芯片的基板背面粘接在胶带有胶一侧的中间，基板的边缘或周围胶带上具有或没有凸起结构，胶带在该侧的其余部分胶面和芯片表面用易于剥离的材料薄膜覆盖。
21.一种利用所述微针阵列芯片的经皮给药装置，其特征在于，该装置包括：
基座，微针阵列芯片永久性或可拆卸的固定在所述基座的正面；
所述基座正面的尺寸小于或等于或大于所述微针阵列芯片的尺寸；
所述基座背面具有用手操作、具有平面或曲面形的手柄；
所述基座正面的尺寸大于微针阵列芯片的尺寸时，所述微针阵列芯片嵌入在所述基座正面的中心，且基座正面的边缘与基板平齐或高于中心处的微针阵列芯片的基板，但低于针头。
22.根据权利要求21所述的经皮给药装置，其特征在于，在所述微针阵列芯片中的微针为空心微针时，
所述微针阵列芯片与所述基座的结合能够形成具有内腔的结构，在基座上具有向所述内腔内添加药液的通道与接口，或将置于内腔内的药液包装刺破的元件。
23.根据权利要求22所述的经皮给药装置，其特征在于，
在基座背面通过管道连接或集成方式固定有对内腔进行挤压的推进装置；
所述基座由塑料、聚合物、合成树脂、玻璃、陶瓷、橡胶、乳胶、金属或复合材料进行制备，或由其中一种材料制造或多种材料组合而成，多种材料间可能有粘结剂或固定结构。
24.一种经皮给药装置的制备方法，包括步骤：
S301，采用模铸、切割、机械加工或粘接方式制作出正面尺寸小于或等于或大于微针阵列芯片尺寸的基座；
S302，采用粘接、融合、键合、机械压合方式将微针阵列芯片永久性或可拆卸的固定在基座正面的中心。
25.根据权利要求24所述的制备方法，其特征在于，在所述微针阵列芯片中的微针为空心微针时，
步骤s301中，制作的基座上具有向所形成的内腔添加药液的通道与接口，或将置于内腔内的药液包装刺破的元件。
26.根据权利要求25所述的制备方法，其特征在于，在步骤s301和步骤s302之间还包括步骤：
S301a，在基座背面通过管道连接或集成方式固定有对内腔进行挤压的推进装置。
27.根据权利要求26所述的制备方法，其特征在于，采用粘接、键合、焊接、螺口或卡口、螺钉固定方式在基座内组装或在基座外通过管道连接对内腔中药液起挤压作用的推进装置。
28.一种微针阵列电极检测器件，其特征在于，所述微针阵列电极检测器件包括：覆盖于微针阵列芯片的基板背面和/或正面的一层或多层未图形化或图形化的导电材料薄膜，所述导电材料薄膜与相关的金属微针和外接导线相连；微针阵列芯片的基板背面粘接在胶带有胶一侧的中间，基板的边缘或周围胶带上具有或没有凸起结构，胶带在该侧的其余部分胶面和芯片表面用易于剥离的材料薄膜覆盖，其中所述微针阵列芯片为权利要求1-14中任一项所述的微针阵列芯片。
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