CN103908740B - 金属微针阵列的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物医学工程技术领域的方法，更具体地，涉及一种金属微针阵列的制备方法。基于金属微针阵列的制作设备包括基底装置、已切割的金属微针、具有若干小孔的孔模以及用于形成匀强磁场的磁场发生装置。通过匀强磁场作用下，作为微针针头的金属丝立起并垂直于液态环氧树脂基底装置，形成微针阵列，通过加热使基底装置溶液固化，从而固定微针针头在磁场中的阵列，最终形成异平面微针阵列。最后分离孔膜，得到所需的金属微针阵列。本发明所提出的是一种全新的微针制备方法，操作简便，加工成本低，无难处理的排放物，具有独特的优势。

Description

金属微针阵列的制备方法

技术领域

本发明涉及一种生物医学工程技术领域的方法，更具体地，涉及一种金属微针阵列的制备方法。

背景技术

在医学治疗领域中，人类已发明多种给药技术。给药方式的不同一方面会直接影响病体的直观感受，同时也会影响到药物对人体的最终治疗效果。

其中口服给药是一种最常用的药物传输技术。但是由于通过口服给药方式的药物需要经过肠胃、肝脏等器官，肠道消化酶以及肝脏的首过效应常使部分药物在到达靶目标前部分失效或者全部失效，如蛋白质药物、胰岛素药物口服无效。

另外一种常见的给药方式是注射给药，包括静脉注射和肌肉注射。注射给药能够避免口服给药技术中的问题，直接用注射器的普通针头刺入皮肤深层进行给药。这种方法虽然有效，但会由于针头刺激皮肤深层神经细胞而引起患者痛苦，特别是对于需要持续给药的患者，如糖尿病病人。同时因为针头尺寸较大，会给皮肤造成局部创伤，加大伤口感染几率。最后，由于注射给药技术会在短时间内释放所有药物，不利于药物的持续稳定释放。

透皮给药是一种可以克服上述缺点的新兴给药技术。是一种通过将药物贴在皮肤表面，利用药物对皮肤的渗透来进行药物传输的给药方式。但是由于皮肤外层的角质层对药物吸收的阻碍作用，导致药物吸收率很低。许多大分子药物根本无法通过被动渗透方式进入人体内循环。虽然人们通过离子电渗法、超声波、加热等方法试图改善渗透的几率，但并没有达到预想效果，而且操作条件严苛。

微针技术是一项无痛而又具备高传输率的给药技术。微针的有效长度刚好能刺破阻碍药物进入人体循环的角质层，形成微米级的药物输送通道，从而提高药物运输率，同时又不会刺激皮肤深层神经细胞而引起病人痛感。同时微针直径尺寸在微米甚至纳米量级，在皮肤留下的创口十分微小，大大减低伤口感染几率。从而高效率、无危害地实现药物传输。除此之外，微针还可实现长效可控给药。

由于微针有着尺寸精细微小的特点，用传统工艺加工微针十分困难。随着微纳技术的发展，使得微针的制备有了必要手段。

由于硅加工技术的发展与成熟，早期微针主要以硅作为材料。以硅作为微针材料有由于具有机械强度不高，具有脆性，易发生断裂、与人体的生物相容性尚不明确、加工费用仍然较高等缺陷，现阶段并不具推广的条件和潜力。另一种材料制备的微针——聚合物微针具有良好的生物相容性，但是由于有技术上的加工瓶颈，加工成本过高，也无法在短时间内投入市场。而金属微针除了在物理机械性能、力学性能具有显著优势之外，而且许多金属微针如钛金、不锈钢、镍等是生物相容性材料，不易对皮肤造成损伤，是制备微针的理想材料之一。特别地，金属材料中不锈钢材料成本低、来源广，处理技术成熟，另外强度高、耐腐蚀，成形性和相容性优异，适合用于微针的批量生产。

基于微机电系统（MEMS技术）的LIGA技术为金属微针阵列的加工提供了有效途径。LIGA技术是应用X射线进行曝光并以电铸成型的一种崭新的微机械加工方法。但是由于同步X射线较为昂贵以及制作周期长，LIGA技术制作微针的成本很高，且过程复杂不易控制。因此金属加工工艺限制了金属微针的开发与推广。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种全新的金属微针制备方法，通过利用已切割的的金属微针与磁场发生装置产生的匀强磁场相互作用，形成稳定的微针阵列结构，降低了金属微针的生产成本，避开MEMS技术复杂的工艺过程，为实现批量化生产和投入市场的提供了可能性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种金属微针阵列的制备方法，基于金属微针阵列制备的设备包括基底装置、已切割的金属微针、具有若干小孔的孔模以及用于形成匀强磁场的磁场发生装置，金属微针阵列制备方法包括以下步骤：

第一步、制备基底装置并在基底装置上浇注环氧树脂溶液；

第二步、将孔膜水平悬放至基底装置上，且使若干小孔置于环氧树脂溶液的上方；

第三步、将金属微针依次插入孔膜内，形成微针阵列；

第四步、将微针阵列放入磁场发生装置中，微针阵列在磁场作用下垂直于基底装置，使其形成稳定固化的微针阵列结构；

第五步、分离孔膜，形成金属微针阵列。

本发明金属微针阵列的制作方法，通过将已浇注了环氧树脂溶液且上表面放置有孔模的基底装置模具放置于磁场发生装置中，利用匀强磁场与孔膜孔隙中的金属微针相互作用，形成稳定的微针阵列结构，使金属微针阵列的制作方法简便易于操作，且制作设备结构简单，可降低金属微针的制作成本。

为了促使第四步中的微针阵列结构固化，所述制作设备还包括用于给基底装置加热的加热源。通过加热源给基底装置加热促使微针阵列结构固化。

为了简化操作，所述加热源包括电源，所述电源与基底装置电连接；加热固化温度为80~120℃，时间长度为25~40min。通过电源直接给基底装置通电加热，简化加热步骤同时促进微针阵列结构固化。

为了基底装置模具稳定放置基底装置混合物溶液，所述基底装置的表面设置有用于放置环氧树脂溶液的凹槽，所述孔模放置于凹槽内，所述孔模的尺寸与凹槽的尺寸相匹配。孔模的尺寸与凹槽的尺寸相匹配是为了避免孔模放置于凹槽中滑动，使其放置平稳，便于微针阵列结构的制取。

为了易于观察，所述基底装置为玻璃结构，所述孔膜为塑料结构。基底装置为玻璃结构的设置是由于玻璃材质透明可视，并且不会受到磁场影响。利用激光打孔技术在塑料薄膜上打出所需微针阵列阵眼，制备用于排列微针阵列的塑料孔膜；孔径大小会影响微针的长度和直径，小孔的分布决定了微针阵列的分布。

为了不造成材料的浪费以及混合比例的不足影响微针的生成质量，所述环氧树脂溶液是由两种环氧树脂溶液按重量比3:1配置而成。

为了便于加工且节省时间成本，所述金属微针由金属丝切割而成，所述金属丝直径为28~32μm，利用激光切割技术切割成长度为2.8~3.2mm的等长金属微针。

为了固定金属微针避免其随意移动且使其简单可行，所述磁场发生装置中的磁场强度为0.4~0.6T。

为了符合标准，所述金属微针阵列微针长度为1~2mm，深度与宽度比为33:1。金属微针的有效长度根据实际情况进行设定，至少能刚好刺破阻碍药物进入人体循环的角质层，形成药物输送通道。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明金属微针阵列的制作方法，通过磁场发生装置生成的匀强磁场与金属微针相互作用形成微针阵列结构，可简化金属微针的制作工艺且操作简单。本发明可以通过调节匀强磁场的磁场强度大小、孔膜上的若干小孔的孔径大小以及金属丝长度和直径大小等方式来改变微针阵列长度以及微针粗细，使金属微针的形状具有可控性，且制作设备结构简单，成本低廉，使用方便。

附图说明

图1为基底装置示意图。

图2为图1加设孔模的示意图。

图3为图2加设金属微针的示意图。

图4为图3放置在磁场发生装置中的示意图。

图5为图4加设电源的示意图。

图6为金属微针阵列的示意图。

图7为基底装置的结构示意图。

图8为用本发明提出方法制备出的金属微针阵列的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸。

实施例1

如图1至图8所示为本发明金属微针阵列的制作方法的第一实施例，如图7至图8所示，基于金属微针阵列制备的设备包括基底装置1、已切割的金属微针2、具有若干小孔的孔模3以及用于形成匀强磁场的磁场发生装置4，金属微针阵列制备方法包括以下步骤：

第一步、制备基底装置1并在基底装置上1浇注环氧树脂溶液；

第二步、将孔膜3水平悬放至基底装置1上，且使若干小孔置于环氧树脂溶液的上方；

第三步、将金属微针2依次插入孔膜3内，形成微针阵列；

第四步、将微针阵列放入磁场发生装置4中，微针阵列在磁场作用下垂直于基底装置，使其形成稳定固化的微针阵列结构；

第五步、分离孔膜3，形成金属微针阵列。

具体地，制作设备还包括用于给基底装置1加热的加热源，通过对加热源对基底装置溶液加热，加速环氧树脂固化，即加速微针阵列结构的固化。加热源包括电源5，电源5与基底装置1电连接；加热固化温度为80~120℃，时间长度为25~40min。本实施例中，通过电源5直接给基底装置1通电加热，简化加热步骤同时促进微针阵列结构固化。

其中，磁场发生装置4由两块表面绕制多匝线圈的铁芯构成，铁芯为硅钢片卷制而成，线圈为铜导线。硅钢片的选用是由于硅钢片磁饱和密度较高，成本低，加工延展性好，磁致伸缩系数小。铜导线的选用是由于铜线的引线焊接方便，电阻率较低，熔点较高，抗温性好，安全性高，耐腐蚀，体积小，机械强度大，寿命强。磁场强度为0.4~0.6T,在磁场中的时间长度为25~40min。本实施例中选用磁场强度为0.5T，在磁场中的实际长度为30min。

另外，如图7所示，基底装置1的表面设置有用于放置环氧树脂基底装置溶液的凹槽11，孔模3放置于凹槽11内，孔模3的尺寸与凹槽11的尺寸相匹配。孔模3的尺寸与凹槽11的尺寸相匹配是为了避免孔模3放置于凹槽11中滑动，使其放置平稳，便于微针阵列结构的制取。本实施例中选用的基底装置1为方形结构，中间表面带有凹槽11。基底装置1材质为玻璃材质，孔膜3的材质为塑料材质，玻璃和塑料材质透明可视，并且不会受到磁场影响。利用激光打孔技术在薄膜上打出所需微针阵列阵眼，制备用于排列微针阵列的孔膜3。孔径的大小会影响微针的长度和直径，小孔的分布决定了微针阵列的分布。孔膜3悬挂于基底装置溶液上方0.8~1.2mm处，防止基底装置溶液与孔膜3粘滞，本实施例中选用悬挂高度为1mm。。

另外，本实施例中选用环氧树脂溶液2以环氧树脂A、B液按重量比3:1配置而成。环氧树脂固化物透明度佳、无毒、硬度高、表面平整、光亮、具有良好的耐溶性及抗黄变性能。在基底装置1上浇注环氧树脂溶液2，该基底装置溶液深度为3~5mm。本实施例中选用的基底装置1溶液深度为4mm。金属微针2由金属丝切割而成，金属丝直径为28~32μm，利用激光切割技术切割成长度为2.8~3.2mm的等长金属微针。本实施例中选用的金属丝为直径30μm的不锈钢丝，为了便于加工且节省时间成本用激光切割技术不锈钢丝切割为为3mm等长的金属微针2。

本实施例中具体的操作步骤如下：

（1）利用激光打孔技术在塑料薄膜上打出所需微针阵列阵眼，制备用于排列微针阵列的孔膜3；

（2）环氧树脂A、B液按重量比3:1配置成环氧树脂溶液；

（3）如图1所示，通过在基底装置1上浇注环氧树脂溶液，深度为4mm，水平放置使基底装置1溶液表面呈水平状态，制备液态环氧树脂基底装置1；

（4）如图2所示，将塑料孔膜3水平悬挂至基底装置1的环氧树脂溶液2上方1mm处，悬挂的目的在于避免基底装置1的环氧树脂溶液与孔膜3粘滞，得到微针阵列模具；

（5）用激光切割技术将直径为30um的不锈钢丝切割为3mm等长的金属微针2；

（6）如图3所示，通过将不锈钢丝依次插入孔膜3内，在基底装置1得到期望排列的微针阵列；

（7）如图4所示，将微针阵列放入磁场发生装置4中（两块永恒磁体间的匀强磁场），磁力大小控制在0.5T，作用时间30min，使不锈钢丝在磁场作用下垂直于基底装置1的水平面；

（8）如图5所示，在磁场内利用电源5对基底装置1进行通电加热固化，使温度达到90℃，加热30min，得到固定异平面实心的金属微针阵列；

（9）如图6所示，分离塑料孔膜，完成金属微针阵列。

实施例二

本实施例与实施例一类似，所不同之处在于，本实施例中基底模具1不添加加热源，微针阵列结构直接风干固化，可节省成本。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种金属微针阵列的制备方法，其特征在于，基于金属微针阵列制备的设备包括基底装置（1）、已切割的金属微针（2）、具有若干小孔的孔模（3）以及用于形成匀强磁场的磁场发生装置（4），金属微针阵列制备方法包括以下步骤：

第一步、制备基底装置（1）并在基底装置（1）上浇注环氧树脂溶液；

第二步、将孔膜（3）水平悬放至基底装置（1）上，且使若干小孔置于环氧树脂溶液的上方；

第三步、将金属微针（2）依次插入孔膜（3）内，形成微针阵列；

第四步、将微针阵列放入磁场发生装置（4）中，微针阵列在磁场作用下垂直于基底装置，使其形成稳定固化的微针阵列结构；

第五步、分离孔膜（3），形成金属微针阵列。

2.根据权利要求1所述的金属微针阵列的制备方法，其特征在于，基于金属微针阵列制备的设备还包括用于给基底装置（1）加热的加热源。

3.根据权利要求2所述的金属微针阵列的制备方法，其特征在于，所述加热源包括电源（5），所述电源（5）与基底装置（1）电连接；加热固化温度为80~120℃，时间长度为25~40min。

4.根据权利要求1或3所述的金属微针阵列的制备方法，其特征在于，所述基底装置（1）的表面设置有用于放置环氧树脂溶液的凹槽（11），所述孔模（3）放置于凹槽（11）内，所述孔模（3）的尺寸与凹槽（11）的尺寸相匹配。

5.根据权利要求1所述的金属微针阵列的制备方法，其特征在于，所述基底装置（1）为玻璃结构，所述孔膜（3）为塑料结构。

6.根据权利要求1所述的金属微针阵列的制备方法，其特征在于，所述环氧树脂溶液是由两种环氧树脂溶液按重量比3:1配置而成。

7.根据权利要求1所述的金属微针阵列的制备方法，其特征在于，所述金属微针（2）由金属丝切割而成，所述金属丝直径为28~32μm，利用激光切割技术切割成长度为2.8~3.2mm的等长金属微针。

8.根据权利要求1所述的金属微针阵列的制备方法，其特征在于，所述磁场发生装置（4）中的磁场强度为0.4~0.6T。

9.根据权利要求1所述的金属微针阵列的制备方法，其特征在于，所述金属微针阵列微针长度为1~2mm，深度与宽度比为33:1。