CN103228416A - 液晶聚合物微针 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了热致性液晶聚合物微针(100)。

Description

液晶聚合物微针
本发明涉及液晶聚合物微针，尤其涉及热致性液晶聚合物微针。
发明内容
在一个方面，本发明提供一种装置，所述装置包括热致性液晶聚合物微针。
在另一方面，本发明提供一种装置，所述装置包括液晶聚合物微针阵列，其中使用2磅的力持续10秒时，所述微针的穿透深度为50到120微米。
在另一方面，本发明提供一种装置，所述装置包括液晶聚合物微针阵列，其中使用3磅的力持续10秒时，所述微针的穿透深度为50到150微米。
在又一方面，本发明提供一种装置，所述装置包括液晶聚合物微针阵列，其中使用3磅的力持续10秒时，所述微针的穿透效率为70％或更高。
在另一个实施例中，本发明提供一种用于制造热致性液晶聚合物微针和微针阵列的方法。
附图说明
在附图中：
图1是本发明装置的横截面侧视图。
具体实施方式
本发明的模制工艺可以提供下列一个或多个优点：能够通过在模制期间选择性地控制热致性液晶聚合物(“TLCP”)中的介晶基元流动取向排列和/或流动翻滚的程度来调整模制制品的宏观特性；能够可靠地复制所得模制制品中的制品模具腔体的形状；能够制备具有亚微米尺寸的制品特征件；能够制备具有各向异性物理特性的细小制品特征件；和/或能够制备具有平衡的介观物理特性的细小制品特征件。
在商业相关的TLCP中，介晶基元构成液晶聚合物的最基本的单元，所述单元诱导被称为“向列型”排列的结构次序，其特征在于显示出远程取向次序但仅显示出短程填充或位置次序的中间相单元。介晶基元沿着平均取向方向(或矢量)的取向排列被定义为“指向矢”，它可以通过分子各向异性因数(从现在起称为“各向异性因数”)表征，所述分子各向异性因数的范围是从0(对于介晶基元分子取向的随机分布(即，各向同性))到1(对于理想分子取向排列)。
如本文所用，术语“熔融TLCP”不仅指处于熔融状态(即，其中其介晶基元可流动翻滚)的TLCP的全部，而且还指具有呈固体取向晶区(如，其中的介晶基元为流动取向排列)形式介晶单元且其余熔融TLCP(如呈一个或多个流体非晶区的形式)的TLCP。
如本文所用，术语“流动取向排列”是指相对于流动方向，TLCP介晶基元所展现的各向异性因数在从至少约0.4到最多1.0、优选地从至少约0.5到最多但小于1.0、并且更优选地从约0.6到小于1.0的范围内。
根据本发明，由应用情况而定，当至少约30％到最多100％、35％到最多100％、40％到最多100％、45％到最多100％、50％到最多100％、55％到最多100％、60％到最多100％、65％到最多100％、70％到最多100％、75％到最多100％、80％到最多100％、85％到最多100％、90％到最多100％或95％到最多100％的填充每个模具室的TLCP介晶基元流动取向排列时，就认为填充所述模具室的熔融组合物中的相当大的一部分TLCP介晶基元流动取向排列。相应地，当整个微针中至少约30％到最多100％、35％到最多100％、40％到最多100％、45％到最多100％、50％到最多100％、55％到最多100％、60％到最多100％、65％到最多100％、70％到最多100％、75％到最多100％、80％到最多100％、85％到最多100％、90％到最多100％或95％到最多100％的TLCP介晶基元流动取向排列时，就认为装置或模制制品的由每个模具室(例如每个微针)形成的部分具有相当大的一部分取向排列TLCP介晶基元。可能希望在整个微针中有最多约25％的TLCP介晶基元发生流动翻滚(即，装置或模制制品的相应部分的最多约25％的小尺寸为各向同性的)。对于其他应用，可以容许在每个微针中流动翻滚的TLCP介晶基元的量更高。对于其他应用，甚至可能希望微针中流动翻滚的TLCP介晶基元的最大量更低。
TLCP介晶基元将在TLCP熔融的模制温度下从流动取向排列状态开始快速旋转。因此，在填充微针模制室后，至少所述微针模制室中的熔融TLCP会迅速硬化，由此确保相当大量的流动取向排列的介晶基元在模制微针中保持流动取向排列。每个微针模具腔体的尺寸都可以影响所述腔体中熔融TLCP的冷却速率。举例来说，模具腔体的尺寸越小，冷却速率就越快，因为有较少的熔融TLCP有待硬化。此外，如果模具由相对于较高导热性的材料(例如(如)铜合金)具有较低导热性的材料(例如(如)不锈钢)制成，因为具有较低热导率的模具材料将以较慢速率从熔融TLCP带走热量，所以较大或较笨重的模具设计将导致冷却速率较慢。此冷却速率将决定适量的TLCP介晶基元是否会保持流动取向排列，从而得到硬化模制制品所需的物理特性。
流动取向排列的TLCP介晶基元可以存在于由每个腔体形成或至少由每个微针模制腔体形成的制品的整个模制元件中。或者，由每个微针模制腔体形成的模制元件的流动取向排列的TLCP介晶基元可以存在于包封熔融组合物的核心的外部区域或厚度(例如皮肤)中，与外部区域或厚度相比，所述熔融组合物含有非流动取向排列的TLCP介晶基元(例如，所述介晶基元主要或完全是流动翻滚的或者以其他方式各向同性的)。流动取向排列的TLCP介晶基元的此类外部区域或厚度可以在三个可能的条件下形成：(1)当小尺寸太大以致于不允许在整个小尺寸上具有足够高的流速时；(2)当只有外部部分的冷却足够快到使处于流动取向排列状态的介晶基元硬化时；或(3)条件(1)和(2)两者。当微针尺寸足够小并且熔融TLCP的冷却速率足够快时，在整个微针上的熔融TLCP中的所有介晶基元都可以处于流动取向排列状态，并且在熔融TLCP硬化时保持流动取向排列。
有关制备根据本发明的微针的方法的详细说明描述于美国临时专利申请61/287,799(2009年12月18日提交)中。以下示例性方法描述了与使用层合腔体工具构造进行TLCP微针阵列的注模有关的模制程序。
所述方法通过使用配备有设计用于低等到中等压缩的22mm往复式螺杆的克劳斯玛菲注模机(Krauss-Maffei injection molding machine)(可得自肯塔基州佛罗伦萨的克劳斯玛菲公司(Krauss-Maffei，Florence，KY))使纯净的TLCP材料(例如Vectra MT1300，可得自肯塔基州佛罗伦萨的泰科纳工程聚合物公司(Ticona Engineering Polymers，Inc，Florence，KY))的固体球粒塑化来开始。在接近聚合物的标称熔融温度(如，对于Vectra MT1300来说，＜480°F)的温度下，将材料引入到螺杆的进料段中以确保所述材料经历有限的热暴露过程。当螺杆旋转时，材料开始塑化并且移动到螺杆的压缩区中，在所述压缩区中，聚合物开始展现高剪切力，这些剪切力在高达520°F到540°F下开始软化材料的熔融过程。
当形成注射丸粒时，聚合物进入并通过螺杆的计量部分，在所述计量部分中，所述聚合物准备好进行注射(现处于560°F下)。材料也可以在注射到所关注的腔体中之前，另外引入到热歧管(或热流道)中。热流道的液滴保持与螺杆的计量区处于相同的标称温度下。
一旦形成材料丸粒并且聚合物与螺杆和圆筒组件处于热平衡状态，就准备好开始循环。保持TLCP所处的温度使得在塑化工艺期间所得到的各向异性的量减少，并且还确保聚合物不会在进入模具中的入口点附近过早地冻结。
模具关闭并且产生介于20吨到30吨之间的足够夹紧力，由此克服注射材料时的内腔压力(大于20千帕)。假设可获得足够的第一阶段压力(大于25千帕)来达到所希望的速度，那么当夹紧力积聚时，通过注射单元的柱塞以高速(＞4英寸/秒)来注射TLCP。在循环的整个持续时间内，模具温度稳定保持在180°F。
进入的聚合物材料经历极高的剪切速率通过注口，由此促进高度分子各向异性，从而确保模制微针的机械特性优先处于所述针的长轴上(也就是说，对于四方椎体针来说，沿着从基部到锥形尖端的轴)。正是在此步骤期间，材料经历了从它的平衡‘流动翻滚’状态向一种‘流动取向排列’的转变(参见美国临时专利申请61/287,799(2009年12月18日提交))。
有关TLCP的另一个加工要素是使用P20或P420不锈钢层合工具，这一工具有助于在材料的注射速度下同时促进抽空腔体中的空气。空气的粘度足够低，由此允许气体经由界定针几何形状的亚微米表面排出。同时，快速进入、定取向并硬化的聚合物的粘度因此太高而无法进入由层合的工具腔体界定的亚微米表面，故只有空气能够散逸。
由材料的流动通道的长度而定，第一阶段填充通常在不到0.3秒内进行。在第一阶段注射期间，更通常需要0.1秒来完全填充腔体。
一旦使用第一阶段注射(速度受控的)，材料进入并已经填充了约98％的腔体，就使用第二阶段(压力受控的)注射来填充模具的剩余部分。
18千帕或接近18千帕的第二阶段压力确保模具(大型或微型)的任何剩余部分被完全填充，并且确保任何材料收缩能通过在螺杆前部可用的小聚合物衬垫所施加的额外材料加以补偿。
当材料在低于它的热变形温度(heat distortion temperature，HDT)350°F下迅速硬化时，微针阵列即准备好进入所述工艺的脱模期。
脱模是从注模腔体中移出模制部件的机制。此过程通常可以在一系列脱模销、空气辅助、真空辅助等条件下发生，以确保能够从工具中充分地移出部件。
也可以制造注模聚碳酸酯阵列的比较例。以下描述了与使用层合腔体工具构造进行基于聚碳酸酯(PC)的微针阵列的注模有关的比较性模制程序。
所述方法通过使用配备有设计用于中等压缩的18mm往复式注模螺杆的克劳斯玛菲注模机使纯聚碳酸酯(“PC”)材料的固体粒料(LexanHPS1R，可得自马萨诸塞州皮茨菲尔德的沙伯基础创新塑料公司(SabicInnovative Plastics，Pittsfield，MA))塑化来开始。
在接近聚合物的标称熔融温度(如，对于Lexan来说，＜480°F)的温度下，将材料引入到螺杆的进料段中以确保所述材料经历有限的热暴露过程。当螺杆旋转时，材料开始塑化并且移动到螺杆的压缩区中，在所述压缩区中，聚合物开始展现高剪切力，这些剪切力在高达540°F下开始软化材料的熔融过程。
当形成注射丸粒时，聚合物进入并通过螺杆的计量部分，在所述计量部分中，所述聚合物准备好进行注射(仍处于540°F下，在螺杆的整个长度上保持线性温度特征)。材料也可以在注射到所关注的腔体中之前，另外引入到热歧管(或热流道)中。热流道的液滴保持与螺杆的计量区处于相同的标称温度下。
一旦形成材料丸粒并且聚合物与螺杆和圆筒组件处于热平衡状态，就准备好开始循环。为了确保聚碳酸酯可以完全地复制层合模具腔体的表面，需要将模具温度升高到适当状态，以确保进入的聚合物的温度不会降到低于软化点并且具有足够低的粘度以填充所关注的腔体。
接近腔体的模具温度迅速增加至330°F到360°F的温度。此温度将根据材料的剪切粘度、熔体流动指数、大型到微型模具腔体特征件的大小以及通风而变化。此温度保持足够长的时间以确保在第二阶段之前完全填充所关注的腔体。一旦达到所述温度，就关闭模具并施加足够的夹紧力(20到30吨)以克服注射材料时的内腔压力(大于16千帕)。假定可获得足够的第一阶段压力来达到所希望的速度，那么当夹紧力积聚时，通过注射单元的柱塞以相对较低的速度(＜2英寸/秒)来注射PC。
进入的材料将经历高剪切力，然而，如果在第一阶段注射期间模具保持如此高的温度，那么相对于传统的PC注模，这些力基本上较低。这将确保在冷却后最终制品存在最小限度的热应力和剪切应力。继而，此将有助于促进制品中的宏观特性与微观特性保持均一和平衡。
使用层合工具加工PC微针阵列的益处是能够在材料的注射速度下同时抽空腔体中的空气。空气的粘度足够低，由此允许气体经由界定针几何形状的亚微米表面排出。同时，迅速进入、定取向并硬化的聚合物的粘度太高而无法进入由层合工具腔体界定的亚微米表面。
模具由多个196(14×14)腔体组成，每个腔体为700微米深并且会聚到横截面不到5微米的尖端。由材料的流动通道的长度而定，第一阶段填充通常在不到2秒内进行。在第一阶段注射期间，更通常需要1秒来完全填充腔体。
一旦使用第一阶段注射(速度受控的)，材料已经进入并填充了约98％的腔体，就使用第二阶段(压力受控的)注射来填充模具的剩余部分。第二阶段注射确保模具(大型或微型)的任何剩余部分被完全填充，并且确保任何材料收缩能通过在螺杆前部可用的小聚合物衬垫所施加的此额外量的材料加以补偿。
正是在第二阶段期间，模具温度(240°F至250°F)急剧降低以使聚合物的温度低于材料的玻璃化转变温度。一旦材料的硬化完成(确保聚合物低于其HDT)，微针阵列现在就准备好进入所述工艺的脱模期。
脱模是从注模腔体中移出模制部件的机制。此过程通常可以在一系列脱模销、空气辅助、真空辅助等条件下发生，以确保能够从工具中充分地移出部件。
上述示例性方法中的每一种都可以用于形成多种不同的模制制品。此外，用熔融组合物填充每个特征腔可以形成空心的结构特征件(如空心针)、实心的结构特征件(如实心针或销)或两者的组合。
在一个方面，本发明提供一种装置，所述装置包括热致性液晶聚合物微针。
如本申请中所用，微针通常具有不到1000微米的高度，不到800微米的高度，并且有时不到500微米的高度。微针可以具有超过50微米的高度，超过200微米的高度，并且有时超过500微米的高度。
微针可以通过纵横比来表征。如本文所用，术语“纵横比”是微针高度(高出包围微针基部的表面)与最大基部尺寸(也就是说，基部所占据的最长直线尺寸)(在微针基部所占据的表面上)的比率。在具有矩形基部的锥状微针的情况下，最大基部尺寸应当是跨越基部而连接相对角的对角线。根据本发明的微针的纵横比通常介于约2∶1至约6∶1之间，并且有时介于约2.5∶1至约4∶1之间。
根据本文所述的任一个实施例制备的微针阵列可以包括多种构形中的任一种，例如以下专利和专利申请中描述的那些构形，这些专利的公开内容都以引用方式并入本文。有关微针装置的一个实施例包括美国专利申请公开号2003/0045837中所公开的结构。上述专利申请中所公开的微结构是呈微针形式，这些微针具有锥形结构，包括至少一个在每个微针的外表面中形成的沟槽。所述微针可以具有在一个方向上伸长的基部。具有伸长的基部的微针中的沟槽可以从伸长的基部的一端朝向微针的尖端延伸。沿着微针侧面形成的沟槽可以任选地在不到微针的尖端处终止。微针阵列也可以包括在微针阵列所处基底的表面上形成的导管结构。微针中的沟槽可以与导管结构流体连通。有关微针装置的另一个实施例包括共同待审的美国专利申请公开号2005/0261631中所公开的结构，所述专利申请公开描述了具有截平的锥形形状和受控的纵横比的微针。有关微针阵列的另一个实施例包括美国专利号6,313,612(Sherman等人)中所公开的结构，所述专利描述了具有中空中心沟槽的锥形结构。有关微针阵列的另一个实施例包括国际公开号WO00/74766(Gartstein等人)中所公开的结构，所述国际公开描述了在微针尖端的顶面处具有至少一个纵向刀片的中空微针。
在一个实施例中，微针包括介晶基元，这些介晶基元通过在大于0.3到最多1.0的范围内的各向异性因数进行分子取向排列。本文所述的模制工艺可以使微针具有这种各向异性。举例来说，图1示出了根据本发明的装置的横截面。装置10包括基部130和微针100。微针100进一步包括取向排列介晶基元层110和未取向排列介晶基元层120。基部130可以具有与未取向排列介晶基元层120相比取向排列程度较大或较小的层。
应该指出的是，尽管在图1中示出的取向排列介晶基元层110在基部处终止，但是可能存在沿着基部130的表面(邻近微针并且沿着与微针相对的表面)具有一定程度的取向排列的层。更一般地说，在树脂与模具接触的任何位置，可能存在一定程度的介晶基元取向排列，尤其是在这些区域能够足够快地冷却以保持取向排列的情形下。这种取向排列可能是由于TLCP在填充模具腔体时所经受的流动应力以及伴随发生的最接近模具表面的TLCP迅速冷却所致。
本发明的装置可以提供具有高挠曲模量的微针，例如，从而允许容易地穿透皮肤。另外，本发明的微针具有韧性。“韧性”意思是指根据本发明的装置不会发生针断裂而偏离基部。特别是，对于本发明的装置，观测到在微针的中点处施加足够高的剪力时，微针可能在其基部处断裂，而这些针往往不与基部分离。
在一些实施例中，微针与基部130形成整体并从基部130突出。如上述方法中所述，至少一部分的介晶基元可为流动取向排列的。在其他实施例中，至少约30％的介晶基元为流动取向排列的。在另一个实施例中，至少约10％的介晶基元为流动取向排列的，并且其余的介晶基元具有相对各向同性的取向状态。
在不希望受理论束缚的情况下，据信取向排列介晶基元层110的高度取向排列的介晶基元“皮肤”可以提供一定强度以使本发明的装置能够容易地穿透皮肤。另一方面，未取向排列介晶基元层由于其未取向排列状态以及基部130的未取向排列状态，可以提供一定韧性以使微针能够抵抗通常在高度结晶模制的聚合物微针装置中所观测到的断裂损坏。
在另一个实施例中，本发明的装置包括一种微针，所述微针本身包括尖端和基部。为了说明所述针的刚度，在某些实施例中可以观测到微针的弯曲矩(在从尖端到基部的距离的15％处测量)为30,000到60,000mN-μm。在其他实施例中，如在从尖端到基部的距离的60％处所测量，微针的弯曲矩为85,000到105,000mN-μm。
包括微针的装置的性能可以通过施加到微针尖端直到观测到严重变形所需的压曲力来说明。举例来说，在一个实施例中，本发明的装置包括压曲力为0.2到0.5N的微针。作为参考，如实例中所示，聚碳酸酯微针的类似压曲力为约0.1N，不到使本发明的微针发生严重变形所需的力的一半。
描述本发明装置的另一种方式是表征微针横截面的弹性模量。举例来说，在一个实施例中，微针的含有分子取向排列的介晶基元的区域的弹性模量为6到8Gpa。在另一个实施例中，当微针另外包括介晶基元基本上呈各向同性的区域(例如，未取向排列介晶基元层120)时，所述各向同性区域的弹性模量为4到6Gpa。此差异性的弹性模量可以允许将微针容易地插入到皮肤中，同时降低微针断裂的趋势。
本发明的装置所具有的微针可以通过其取向程度来描述。举例来说，赫曼斯取向函数(Hermans orientation function)是一种相对简单的数学表达式，这一表达式描述了特定聚合样品的取向程度。举例来说，如上文所述而制造的PC阵列仅显示x射线的漫散射，并且没有取向排列结晶材料的证据。然而，对于根据本发明的TLCP微针，观测到赫曼斯取向函数值为0.4到0.8，更具体地讲为0.6到0.75。
在另一方面，本发明提供一种装置，所述装置包括液晶聚合物微针阵列，其中使用2磅的力持续10秒时，所述微针的穿透深度为50到120微米。
在另一方面，本发明提供一种装置，所述装置包括液晶聚合物微针阵列，其中使用3磅的力持续10秒时，所述微针的穿透深度为50到150微米。
本领域的技术人员应当了解，穿透深度研究可能受所穿透的基底的选择所影响。举例来说，如实例中更详细地论述，对猪进行的穿透深度研究的结果根据这些研究是在后腿还是在肋骨处进行而不同。在本申请中，除非另有说明，否则所提供的穿透深度值是通过施用于猪的肋骨段来测量的。
在又一方面，本发明提供一种装置，所述装置包括液晶聚合物微针阵列，其中使用3磅的力持续10秒时，所述微针的穿透效率为70％或更高，80％或更高，或甚至90％或更高。在此情形中，穿透效率是指对于给定的微针阵列，穿透皮肤的微针与阵列中针总数的比率。有关测量技术的更具体说明描述于实例中。
另在此情形中，穿透效率研究可能受所穿透的基底的选择所影响。在本申请中，除非另有说明，否则所提供的穿透效率值是通过施用于猪后腿段来测量的。
在又一方面，本发明涉及手动可插入的模制塑料微针。更具体地讲，这些微针可以是热致性液晶聚合物。在一个实施例中，手动可插入的意思是指使用正常的手施加的压力可插入到人的皮肤中。举例来说，适合的手施加的压力可以是小于8磅的力、小于5磅的力或甚至小于3磅的力。
可以了解到，对人类测试这些装置可能不太适宜，因此测定手动插入能力可能需要使用动物代替者。本领域的技术人员通常考虑猪皮肤为接近人类皮肤的动物模型。因此，在一个实施例中，可以使用正常的手施加的压力将这些微针手动插入到猪的皮肤中。举例来说，适合的手施加的压力可以是小于8磅的力、小于5磅的力或甚至小于3磅的力。
在另一个实施例中，将本发明的装置插入到人皮肤中所需的力可以足够低，并且这些微针可以具有足够小的长度，以使得将这些装置手动插入到人皮肤中引起极少出血或不引起出血。与此成对比的如柳叶刀、皮下注射针等，因为其长度而在插入到皮肤中时穿透深度通常会引起出血。
根据本发明的装置和微针阵列可以用于多种情形中。举例来说，可以使用中空微针或微针阵列将活性剂的制剂递送到真皮内间隙中。另外，可以使用中空微针或微针阵列，使用毛细管力、抽吸或其他适当构件进行提取，由此从皮肤中提取流体(例如间质液等)。根据本发明的实心微针或微针阵列可以用于多种途径中。实心微针或微针阵列可以用活性剂涂覆，并且用于递送活性剂穿过角质层并递送到皮肤的真皮内间隙中。实心微针或微针阵列还可以用于穿透角质层，从而提供进入真皮内间隙的通道，以便稍后进行后续治疗，例如施用透皮贴剂、霜膏等。另外，可以在微针中产生沟槽(例如，使用适当成型的模具腔体)，这些沟槽可以配置成允许经由毛细管作用提取流体(例如间质液)。
选择以下实例仅仅为了进一步说明本发明的特征、优点以及其它细节。然而，应该清楚地了解到，尽管实例用于此种目的，但是每个实例的具体内容都不应理解为不当地限制本发明的范围。
实例
实例1
在约克夏杂交家猪(Yorkshire cross domestic pig；明尼苏达州吉本的中西猪研究所(Midwest Research Swine，Gibbon，Minnesota))中体内测定以模拟手动施加于皮肤的方式施加的液晶聚合物微针阵列的穿透深度(DOP)。每个阵列都是使用Vectra MT1300热致性液晶聚合物(肯塔基州佛罗伦萨的泰科纳工程聚合物公司(Ticona Engineering Polymers，Florence，Kentucky))模制的并且特征为多个四边形锥体状微针，这些微针呈15行×15列图案，并且微针高度为标称的700微米，纵横比为约3.1并且相邻微针之间尖端到尖端的距离为标称的550微米。
在施加前，用薄的不透明若丹明B(Rhodamine B)涂层完全地覆盖这些微针以便测定DOP。使用两步底涂工艺对这些阵列进行底涂：步骤1)用35μl含0.5mg/ml聚乙烯醇(80％水解的)(密苏里州圣路易斯的西格玛-阿尔德里奇有限公司(Sigma-Aldrich，Inc，St.Louis，Missouri))和35μg/ml80(密苏里州圣路易斯的西格玛-阿尔德里奇有限公司)的90％(v/v)乙醇/水溢流涂覆这些阵列并且在95°F下干燥20分钟，和步骤2)用35μl的33.3mg/ml硫酸铝钾(Alum Potassium Sulfate)水溶液(新泽西州利文斯顿的遍达制造公司(Penta Manufacturing，Livingston，New Jersey))溢流涂覆这些阵列并且在95°F下干燥30分钟。随后，用35μl的0.08％(w/v)若丹明B水溶液(威斯康星州密尔沃基的阿尔德里奇化学品公司(Aldrich Chemical Company，Inc，Milwaukee，Wisconsin))溢流涂覆经过底涂的阵列并且在95°F下干燥30分钟。
修剪动物体上的施加部位，随后如实例2中所描述进行剃毛以去除肋骨和后腿区域的毛发，并用异氟烷气体使动物麻醉，并且在整个实验中保持麻醉状态。
涂有若丹明B的TLCP微针阵列用双面的压敏胶带连接到
Figure BDA00003254090900121
测力仪(型号DFS-050)的轴上以监测施加力的程度。使用2磅力(1bf)、31bf以及51bf的力将这些阵列施加到猪的皮肤，保持10秒。在每一种施加力下将测试阵列(n＝3)施加到覆骨组织(肋骨区域)和覆结实肌肉的组织(后腿区域)。
通过在施加到皮肤中之后测量从微针尖端到若丹明B涂层从微针擦除或溶解的位置的距离，来间接测定穿透到皮肤中的深度。通过使用显微镜，用ImagePlus数字图像分析软件(马里兰州贝塞斯塔的米迪亚赛博尼斯有限公司(Media Cybemetics，Inc，Bethesda，Maryland))获取微针图像来测量穿透深度的分析结果。通过测量阵列图案的四个区域中每个阵列的225个总微针中的66个微针，来测定每个阵列的平均DOP。
施加到猪皮肤的涂有若丹明B的TLCP微针阵列的穿透深度结果中有关施加到覆骨组织(肋骨区域)的阵列结果提供于表1中，并且有关施加到覆结实肌肉的组织(后腿区域)的阵列结果提供于表2中。
表1：DOP相对于体内施加到猪肋骨区域的施加力
施加力 21bf 31bf 51bf
平均DOP(n＝3) 85μm 100μm 138μm
标准偏差 4.6μm 18.0μm 12.7μm
％RSD 5.4％ 18.1％ 9.3％
表2：DOP相对于体内施加到猪后腿区域的施加力
施加力 21bf 31bf 51bf
平均DOP(n＝3) 70μm 82μm 94μm
标准偏差 22.6μm 11.7μm 3.4μm
％RSD 32.4％ 14.4％ 3.6％
实例2
在比较性研究中，微针阵列是使用Vectra MT-1300热致性液晶聚合物模制的，并且阵列也是使用LEXAN HPS1R-1125聚碳酸酯(PC)(马萨诸塞州皮茨菲尔德的GE塑料公司(GE Plastics，Pittsfield，Massachusetts))模制的。在每一种情形中使用相同的模具插入物。这些微针阵列的特征为三边形锥体状微针，呈14行×14列图案，并且微针高度为标称的700微米并且相邻微针之间尖端到尖端的距离为标称的500微米。个别微针为三边形的，其中一边垂直于阵列基部的平面并且另外两边为倾斜的。垂直的微针边为275微米宽，其中所述边与阵列基部相交，并且所述针的三个边之间的角度都是60度。
微针在模拟的手施加的力下穿透皮肤的能力是使用约克夏杂交家猪(明尼苏达州吉本的中西猪研究所)在体内测定的。首先用电动剪毛机(带有#50刀片的Oster Golden A5剪毛机)修剪后腿区域，随后使用剃刀和剃毛膏剃毛。随后用去离子水冲洗后腿，并用70/30异丙醇/水擦拭。将微针阵列施加到后腿区域，并使用测力器(阿美特克曼斯菲尔德和格林分公司(Ametek Mansfield&Green Division)Accu Force Cadet，在0-51bf范围内)监测施加的力。将待测试的微针阵列放置在皮肤表面上，随后使用测力器以指定的力将力施加到阵列，持续指定时间段。
通过在施加后体内用含Tween 80(2.0mg/ml)的亚甲蓝(2.0mg/ml)于去离子水中的染色溶液进行染色，来评估微针穿透皮肤角质层的情况。在施加微针阵列后，从皮肤中去除阵列，并用经过亚甲蓝染色溶液饱和的棉球棍润湿施加部位。施加部位立即用Hill Top
Figure BDA00003254090900131
系统(俄亥俄州辛辛那提的希尔托普研究有限公司(Hill Top Research，Inc.，Cinncinnati，Ohio))覆盖，用亚甲蓝染色溶液使所述系统达到接近饱和以维持液体与皮肤的接触。10分钟的染色时间后，移出Hill Top
Figure BDA00003254090900132
并用去离子水充分冲洗施加部位，并且通过用纸巾吸干来干燥。随后拍摄所述部位的照片。
角质层中由微针穿透引起的破裂使染色溶液扩散到底层组织，产生染成蓝色的孔。染色的孔的图案(即，针之间的间距和阵列的针图案)可见，并且容易与毛囊或由刮痕或擦痕引起的皮肤损伤的区域相区分。通过对相应蓝色点进行计数来测定针穿透部位的数量。
使用以31bf施加到猪后腿并保持10秒的TLCP微针阵列得到总计6个副本。使用以51bf施加到猪后腿并保持30秒的PC微针阵列得到总计6个副本。对每个阵列类型的个别副本的结果求平均值，并以阵列中穿透施加部位的微针的百分比的形式来报导(表3)。阵列中平均89％的TLCP微针穿透猪后腿，而阵列中平均36％的PC微针穿透猪后腿。
表3：
Figure BDA00003254090900141
实例3
使用以下程序进行TLCP微针的X射线衍射(XRD)分析。使用Vectra MT1300热致性液晶聚合物(肯塔基州佛罗伦萨的泰科纳工程聚合物公司)模制微针阵列。TLCP微针阵列的特征为呈八边形图案的316个四边形锥体状微针，其中微针高度为标称的500微米，纵横比为约3.1，并且相邻微针之间尖端到尖端的距离为标称的550微米。通过在两侧上垂直于阵列基部平面并平行于微针行分割，从阵列取出一行微针。将所得到的一行微针安装到带有双面涂覆的胶带的1mm平坦玻璃带上。检查所述行中的5个单独微针。使用Bruker GADDS微区衍射仪(威斯康星州麦迪逊的布鲁克AXS公司(Bruker-AXS，Madison，Wisconsin))、铜Kα辐射以及
Figure BDA00003254090900142
20002D位置灵敏检测器(Bruker-AXS)收集透射几何形状数据。用石墨单色器调节500μm针孔准直的入射x射线束，并垂直于样品针的轴导向，其中所述针经过定位以使针的长轴处于垂直方向上。在样品到检测器的距离为12cm处累积数据，持续3小时。检测电子器件横过2D检测器配准平面设置有2048×2048个沟槽并且在0度(2θ)处定中心。所用样品倾角(ω)为0，并且X射线发生器设置为50kV和50mA。使用Bruker GADDS软件(4.1.32版，布鲁克AXS公司)对观测到的2D数据进行处理并针对空间线性和灵敏度加以校正。使用每个2D检测器图像来鉴别衍射峰最大值。将聚合物链与微针长轴对准使得沿着2D检测器图像的赤道出现最大值。TLCP微针在19.7度散射角(2θ)(标准偏差为0.1度，％RSD为0.5％)处产生测量的平均(n＝5)近赤道衍射峰最大值。
使用1度的角度步长，从2D数据集中选出在360度方位角内集中在最大值并且具有0.5度散射角(2θ)窗口宽度的方位角迹线。检查方位角迹线数据以鉴别在这些数据中最大值的角度位置。鉴别方位角最大值的中心并指定角度
Figure BDA00003254090900151
值为0。将在与
Figure BDA00003254090900153
之间观测到的方位角强度数据制成表格。在介于85度与90度之间的值下，算出方位角背景强度(I-bkg)值作为平均方位角强度。从介于
Figure BDA00003254090900155
度与
Figure BDA00003254090900156
度之间观测到的每个方位角强度数据(I-观测值)中减去平均方位角背景值(I-bkg)，得到经过校正的强度值使用以下参考文献中的程序测定赫曼斯取向函数(f)的值：X-ray Diffraction Methodsin Polymer Science(聚合物科学：X射线衍射法)，Leroy E.Alexander(1969)，约翰威立出版公司(John Wiley&Son，Inc.)，纽约(New York)；第4章，“Preferred Orientation in Polymers(聚合物中的优选取向)”。使用显示和计算软件6.1版ORIGIN(马萨诸塞州北安普顿的麦博公司(MicroLab Corp.，Northampton，Massachussetts))进行赫曼斯取向函数的计算和数据显示。TLCP微针的平均(n＝5)赫曼斯取向函数为0.61(标准偏差为0.12，％RSD为19.6％)。TLCP微针的测量的平均方位角峰宽度为33.9度(标准偏差为1.4度，％RSD为4.1％)。
实例4
使用微机械测试器(以下参考文献的图4中所描述的一般设计的改良版：Parker，E.R.，Rao，M.P.，Turner，K.L.，Meinhart，C.D.，MacDonald，N.C.，Journal of Micromechanical Systems(微机械系统杂志)，2007，第16卷，第289-295页，改良的细节提供于下文)测定阵列中各个微针的压曲力(P)。测试阵列中微针，所述阵列是使用VectraMT1300 TLCP(肯塔基州佛罗伦萨的泰科纳工程聚合物公司)模制的。TLCP微针阵列的特征为呈八边形图案的316个四边形锥体状微针，其中微针高度为标称的500微米，纵横比为约3.1，并且相邻微针之间尖端到尖端的距离为标称的550微米。
所述阵列用环氧树脂安装到机械测试床上，由此使微针的沿轴取向关于探针的长轴呈0度(即，微针的尖端取向朝向探针)。测试床含有人工z轴测微计控制。
国家喷气飞机公司的NAJET Flat Nose Punch系列100(材料HSSC；Shank0.040″，OAL7/8″，0.002″×7X)(马里兰州拉维尔的国家喷气飞机公司(The National Jet Company，LaVale，Maryland))用环氧树脂连接到带螺纹的插件，随后将所述插件连接到GSO-150测力传感器(加利福尼亚州蒂梅丘拉的传感器技术公司(Transducer Techniques，Temecula，California))。将所述测力传感器安装在TLSR-75B两轴联动台(x轴和y轴控制)上，所述两轴联动台面向机械测试床定位。所述联动台的特征为可程序控制的速度渐变和操纵杆驱动(加拿大温哥华的扎贝技术公司(ZaberTechnologies，Vancouver，Canada))。检位规是莱昂的CPL 290电容表(明尼苏达州圣保罗的莱昂精密仪器公司(Lion Precision，Saint Paul，MN))。使用具有200X放大倍率的VH-220数字式显微镜(日本大阪的基恩士公司(Keyence Corporation，Osaka，Japan))监测穿孔机朝向微针的推进。使用显微镜上的指针来对准穿孔机，由此使穿孔机的中心冲击微针的尖端。穿孔机被程序设计成以4微米/秒的速度推进。使用图形软件包3.1.5版Igor Pro(俄勒冈州奥斯威戈湖的瓦米克公司(WaveMetrics，Lake Oswego，Oregon))实时记录载荷位移数据并进行分析。将所记录的有关力和位移数据的电压转化成力的单位[N]和位移单位[微米]。将力相对于样品点作图，并且将在图中观测在力突然降低之前所施加的最大力记录为压曲力(P)。所测量的单个TLCP微针的平均(n＝4)压曲力值为0.34N(标准偏差为0.03N，％RSD为8.8％)。
制备比较例，在所述比较例中，微针阵列是使用LEXAN HPS1R-1125聚碳酸酯(PC)(马萨诸塞州皮茨菲尔德的GE塑料公司)模制的。PC微针阵列的特征为呈八边形图案的366个四边形锥体状微针，其中微针高度为标称的500微米，纵横比为约3.1，并且相邻微针之间尖端到尖端的距离为标称的550微米。单个PC微针的平均(n＝3)压曲力值为0.15N(标准偏差为0.017N，％RSD为11.3％)。
实例5
使用与实例4中相同的阵列类型、检测仪表以及分析条件来测定TLCP微针阵列中单个微针的最大持续弯曲矩(M)，但存在以下变化。弯曲矩的数据分析假定微针可模型化为简单支撑的悬臂。阵列经过安装，使得阵列中微针的沿轴取向关于探针的长轴呈90度。为了进入内部微针，垂直于阵列基部平面分割阵列。将穿孔机对准，由此使穿孔机的中心冲击微针上所测量的到微针总长度(从尖端到基部测量)15％或60％的位置。
根据测试，基于微针的初始高度测量值计算15％或60％的微针高度。所有测量都是以微针尖端为基准(例如，在15％处的挠曲测试首先涉及测量针的总长度，计算此值的15％，随后将探针从微针尖端向下测量长度的15％来定位)。随后，将探针定位，以使穿孔机的中心点位于中心线上，垂直于微针的长轴通过微针，到达将要进行测试的位置。在弯曲矩的测定中杠杆臂取为：杠杆＝L-L15％，其中L是针的长度，并且L15％是微针长度的15％。通过用载荷位移最大时的力乘以杠杆臂长度来计算最大持续弯曲矩(M)。表4提供了所测定的阵列中单个TLCP微针的平均最大持续弯曲矩(n＝3)。
表4：TLCP微针的最大持续弯曲矩
Figure BDA00003254090900171
制备比较例，在所述比较例中，微针阵列是使用LEXAN HPS1R-1125聚碳酸酯(PC)(马萨诸塞州皮茨菲尔德的GE塑料公司)模制的。PC微针阵列与实例4中相同。所测定的阵列中单个比较PC微针的平均最大持续弯曲矩(n＝3)提供于表5中。
表5：PC微针的最大持续弯曲矩
Figure BDA00003254090900181
实例6
微针的弹性响应是以E(弹性模量)度量的，而塑性(对永久性变形的抗性)响应是以H(即，材料的硬度)表示的。使用纳米压痕测量法来测量作为进入微针表面中的深度的连续函数的弹性模量(E)和硬度(H)。关于1000nm的空间窗口对弹性模量和硬度数据求平均值，以对硬度和模量进行单点评估。TLCP微针阵列类型和PC微针阵列类型与实例4中的相同。
在用环氧树脂安装后，在微针尖端或从尖端向下测量微针长度的15％处经由切片机横向切割有待测试的微针。使用安捷伦纳米硬度计XP(Agilent Nanoindenter XP，加利福尼亚州圣克拉拉的安捷伦科技公司(Agilent Technologies，Santa Clara，California))检查阵列中单个微针的微针边缘和微针中心。
使用Berkovich金刚石探针并且空间漂移设定点设置为最大0.8nm/s。以0.05/s的速率进行恒定应变速率实验，直到1000nm的命令深度。通过放大倍数为400X的视频屏幕从上往下观察，来定位有待测试的区域。采用纳米硬度计XP在400X视频放大倍率下局部选择测试区域，以确保测试区域对于样品材料而言具有代表性(即，没有空隙、内含物或碎片)。压头的动态激发频率和振幅在所有实验中都恒定地保持在45hz和1nm。对每个样品进行多次测试，从而评估可重复性。通过纳米硬度计XP嵌入式CSM方法‘XP CSM Standard Hardness Modulus and Tip Cal(XP CSM标准硬度模量和尖端校准)’测定弹性模量和硬度，其中假定泊松比(Poisson ratio)为0.35。弹性模量(E)和硬度(H)的平均值都以GPa为单位报导，并且提供于表6到表8中。
表6：在尖端处测量的TLCP微针的弹性模量(E)和硬度(H)
Figure BDA00003254090900191
表7：在距尖端15％距离处测量的TLCP微针的弹性模量(E)和硬度 (H)
Figure BDA00003254090900192
表8：距尖端15％距离处测量的PC微针的弹性模量(E)和硬度(H) (比较例)
Figure BDA00003254090900193

Claims (17)

1.一种装置，所述装置包括热致性液晶聚合物微针。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述微针包括介晶基元，所述介晶基元以在大于0.3到最多1.0的范围内的各向异性因数进行分子取向排列。
3.根据权利要求1所述的装置，所述装置另外包括基部，其中所述微针与所述基部形成整体并从所述基部突出，另外其中所述介晶基元中至少一部分为流动取向排列的。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述介晶基元中至少约30％为流动取向排列的。
5.根据权利要求2所述的装置，其中所述介晶基元中至少约10％为流动取向排列的，并且所述介晶基元的其余部分呈现相对各向同性的取向状态。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述微针包括尖端和基部，并且其中如从所述尖端到所述基部的距离的15％处所测量，所述微针的弯曲矩为30,000mN-μm至60,000mN-μm。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述微针包括尖端和基部，并且其中如从所述尖端到所述基部的距离的60％处所测量，所述微针的弯曲矩为85,000mN-μm至105,000mN-μm。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述微针的压曲力为0.2N至0.5N。
9.根据权利要求2所述的装置，其中所述微针的含分子取向排列的介晶基元的区域的弹性模量为6Gpa至8Gpa。
10.根据权利要求2或9所述的装置，其中所述微针另外包括所述介晶基元基本上呈各向同性的区域。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述各向同性区域的弹性模量为4Gpa至6Gpa。
12.根据权利要求1所述的装置，其中所述微针的赫曼斯取向函数的值为0.4至0.8。
13.根据权利要求1所述的装置，其中所述热致性液晶聚合物是主链热致性液晶聚合物微针。
14.根据权利要求1所述的装置，其中所述热致性液晶聚合物是主链聚酯热致性液晶聚合物微针。
15.一种装置，所述装置包括液晶聚合物微针阵列，其中使用2磅的力持续10秒时，所述微针的穿透深度为50微米至120微米。
16.一种装置，所述装置包括液晶聚合物微针阵列，其中使用3磅的力持续10秒时，所述微针的穿透深度为50微米至150微米。
17.一种装置，所述装置包括液晶聚合物微针阵列，其中使用3磅的力持续10秒时，所述微针的穿透效率为70％或更高。
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