CN104057564A - 基于倾斜铸模的微针制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于倾斜铸模的微针制作方法，具有如下步骤：制作同平面微针阴模具；倾斜同平面微针阴模具，使微针槽的针尖部位处于高点；浇注液态微针材料；固化后从阴模具内取出微针。属于同一发明思路的另一种基于倾斜铸模的微针制作方法，具有如下步骤：制作同平面微针阴模具；倾斜同平面微针阴模具，使微针槽的针尖部位处于低点；浇注液态模具填充材料，固化后即得到带倒楔形微针槽的阴模具；利用得到的阴模具通过铸模法和热压印法制作微针。本发明的有益效果是：可以制得更小微针夹角，一般可以达到10°，针尖更锐利；相对于传统的微模具铸模法，倾斜铸模法仅改变了模具放置的倾斜角，仅需增加倾斜平台，而且倾角容易控制，工艺复杂度低。
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，特别是一种基于倾斜铸模的微针制作方法。
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。
根据结构的不同，微针阵列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。同平面微针可以通过多排组装的方式构成异平面微针阵列，从而在不明显增加工艺复杂度的条件下，提高微针密度。
同平面微针的制作方法主要包括MEMS平面工艺法和微模具铸模法。MEMS平面工艺法主要是利用光刻工艺刻蚀厚胶，形成微针图形；微模具铸模法则是利用前者MEMS平面工艺或激光加工制作微针阴模具，然后浇注微针材料或采用热压印方法制作同平面微针。通常，利用这两种方法制作的微针针尖部分的厚度与基底的厚度一致，如图1所示。由于要保证针体、基底的强度，基底的厚度一般达到100μm以上，如此针尖部分则必然存在较厚的棱，影响针尖的穿透效果。一种提高针尖锐度的方法是，利用倾斜曝光的方法使针尖处的棱发生倾斜，如Manhee Han et al,J.Micromech.Microeng.17(2007)1184–1191。这种方法可使SU-8微针针尖棱与底平面夹角 由90°降到53°，在庚烷溶液中浸泡曝光时可达到39°。该方法虽可一定程度提高针尖锐度，但基底底部也会变得倾斜，不易安装。此外倾斜曝光明显增加了工艺难度，提高成本并降低了成品率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于倾斜铸模的微针制作方法，在不明显影响基底形状的同时又能明显提高同平面微针针尖锐度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于倾斜铸模的微针制作方法，具有如下步骤：
A)制作同平面微针阴模具；
B)倾斜同平面微针阴模具，使同平面微针阴模具的微针槽的针尖部位处于高点；
C)在同平面微针阴模具的微针槽内浇注液态微针材料；
D)液态微针材料固化后，从同平面微针阴模具内取出楔形同平面微针。
属于同一发明思路的基于倾斜铸模的微针制作方法，具有如下步骤：
A)制作同平面微针阴模具；
B)倾斜同平面微针阴模具，使同平面微针阴模具的微针槽的针尖部位处于低点；
C)在同平面微针阴模具的微针槽内浇注液态模具填充材料，液态模具填充材料固化后即得到带倒楔形微针槽的同平面微针阴模具；
D)利用步骤C得到的带倒楔形微针槽的同平面微针阴模具，通过铸模法和热压印法制作楔形同平面微针。
具体地，液态模具填充材料为PDMS预聚体与交联剂的混合物。
具体地，步骤D中利用带倒楔形微针槽的同平面微针阴模具，通过铸模法制作楔形同平面微针具体为：水平放置带倒楔形微针槽的同平面微针阴模具，然后在带倒楔形微针槽的同平面微针阴模具内浇注铸模用液态微针材料，铸模用液态微针材料固化后，从同平面微针阴模具内取出楔形同平面微针。
上述两个方案中，进一步限定，同平面微针阴模具的微针槽的针体轴线垂直于倾斜面与水平面的相交线，即微针槽的针体正向上或正向下。
上述两个方案中，具体地，在上述两个方案中通过将同平面微针阴模具固定在倾斜平台的斜面上的方式使同平面微针阴模具倾斜。
上述两个方案中，具体地，上述两个方案中的楔形同平面微针包括一个及一个以上针体和连接针体的基底，针体和基底在同一平面内。上述两个方案中的同平面微针阴模具的制作方法为：
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)在金属铬上旋涂一层光刻胶，用步骤1制作的掩膜版对光刻胶进行曝光，用显影液显影，烘干得到图形化的光刻胶掩膜；
4)用腐蚀液腐蚀金属铬，随后去除光刻胶，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，用显影液显影，得到同平面微针结构；
7)在SU-8光刻胶表面旋涂PDMS预聚体和交联剂的混合物；
8)加热使PDMS固化，并从玻璃基底上剥离得到同平面微针阴模具。
上述两个方案中的铸模用液态微针材料为丝素蛋白、胶原蛋白、明胶、羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、硫酸软骨素、糖原、糊精、直链淀粉、透明质酸、聚乳酸-乙醇酸共聚物、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乙醇酯、聚丙烯酸、聚丙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、ABS塑料(即丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、醋酸纤维、聚酯、碳纤维、聚氨酯、聚二氧环乙酮、聚(乙二醇)、聚(乳酸)、聚丙烯酰胺类聚合物、环烯烃共聚合物、羧甲基壳聚糖、聚左旋乳酸、海藻酸、葡聚糖、硫酸葡聚糖、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、甲壳质、聚乙烯吡咯烷酮、半乳糖、海藻糖、蔗糖、麦芽糖、葡聚糖、糖苷、果糖、壳聚糖、壳多糖、琼脂糖、山梨糖醇、甘露醇或木糖醇、蛋白聚糖、磷脂酰胆碱、聚丙交酯、聚乙交酯、羟丙基纤维素、蜡、聚酯、聚酐、聚酰胺、磷系聚合物、聚(氰基丙烯酸酯)、聚氨酯、聚原酸酯、聚二氢吡喃、聚缩醛中的一种或两种以上的混合溶液组成。
进一步限定，铸模用液态微针材料还包含一种或多种活性物质，活性物质为药物或化妆品分子，活性物质为柠檬酸、蛋白质、肽、多糖，抗原、免疫原、疫苗、抗体、酶、核酸、适配子、病毒、细菌、细胞、激素、抗生素、抗癌药物、基因工程药物、天然产物药物、中药成分、营养成分、治疗剂、诊断剂中的一种或者上述试剂的组合。
本发明的有益效果是：
1.通常情况下，同平面微针的厚度远小于针体与基底的长度，通过本倾斜铸模法制得更小微针夹角，一般可以达到10°，针尖更锐利。
2.相对于传统的微模具铸模法，倾斜铸模法仅改变了模具放置的倾斜角，仅需增加倾斜平台，而且倾角容易控制，工艺复杂度低。
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是传统同平面微针的结构示意图；
图2是本发明的倾斜铸模原理图；
图3是本发明的实施例1的过程示意图；
图4是本发明的实施例2的过程示意图；
图5a是本发明的制作同平面微针阴模具的过程中的玻璃基底的示意图；
图5b是本发明的制作同平面微针阴模具的过程中在玻璃基底上溅射金属铬的示意图；
图5c是本发明的制作同平面微针阴模具的过程中的金属铬掩膜版的示意图；
图5d是本发明的制作同平面微针阴模具的过程中在玻璃基底上旋涂SU-8光刻胶的示意图；
图5e是本发明的制作同平面微针阴模具的过程中在玻璃基底上得到同平面微针结构的示意图；
图5f是本发明的制作同平面微针阴模具的过程中在同平面微针结构上旋涂PDMS预聚体和交联剂的混合物的示意图；
图5g是本发明的制作同平面微针阴模具的过程中得到的同平面微针阴模具的示意图；
图中：1.同平面微针阴模具，2.倾斜平台，3.楔形同平面微针，4.带倒楔形微针槽的同平面微针阴模具，5.玻璃基底，6.金属铬，7.金属铬掩膜版，8.SU-8光刻胶。
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。
本发明采用微模具铸模法，提高同平面微针针尖锐度的原理是：把同平面微针阴模具1倾斜一定夹角θ，通过直接或者间接方法浇注微针液体材料，固化形成楔形同平面微针3，如图2所示。
实施例1，如图3所示：
一种基于倾斜铸模的微针制作方法，具有如下步骤：
A)用MEMS平面工艺或激光烧蚀工艺制作同平面微针阴模具1，材料可选择PDMS，针尖夹角α为90°，针体厚度为h，针体连同底座长为l；
利用MEMS平面工艺制作同平面微针阴模具1包括如下步骤：
1)用AUTOCAD绘制二维微针图形，制作掩膜版。同平面微针包括一个及一个以上针体和连接针体的基底，针体和基底在同一平面内。针体长300μm，宽200μm，针体之间的间隙500μm，单排包含10个针体，基底高1mm。
2)准备一片K9玻璃圆片作为玻璃基底5，如图5a，在玻璃基底5上溅射一层300nm厚的金属铬6，如图5b；
3)在金属铬6上旋涂一层2微米厚的BP212-37s正型光刻胶，用步骤a制作的掩膜版对BP212-37s正型光刻胶进行曝光，用0.5％的氢氧化钠显影液显影，100℃下烘5min，烘干后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6，随后用丙酮去除光刻胶得到金属铬掩膜版7，如图5c，从而将光刻SU-8用的掩膜版转移到玻璃基底5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8旋涂到玻璃基底5上，厚度为200μm，如图5d；
6)90℃烘干SU-8光刻胶8后从玻璃基底5背面曝光；用显影液显影，得到同平面微针结构，如图5e；
7)在SU-8光刻胶8表面旋涂PDMS预聚体和交联剂的混合物，配比为10:1，厚度为1mm，如图5f；
8)100℃加热30min使PDMS固化，并从玻璃基底5上剥离得到同平面微针阴模具1，如图5g。
B)倾斜同平面微针阴模具1，并且微针槽的针体轴线垂直于同平面微针阴模具倾斜时的倾斜面与水平面的相交线，使同平面微针阴模具1的微针槽的针尖部位处于高点，即微针槽的针体正向上。倾斜同平面微针阴模具1过程中，为不因倾角过大使针体长度缩短，控制θ<＝tan-1(h/l)，为了不因铸模用液态微针材料与同平面微针阴模具1表面吸附而降低针尖锐度，选择的阴模具内表面与铸模用液态微针材料的接触角大于90°；
通过将同平面微针阴模具1固定在倾斜平台2的斜面上的方式使同平面微针阴模具1倾斜。
倾斜平台2采用PMMA材料通过机械切屑等工艺加工而成，倾斜平台2的斜面的尺寸略大于同平面微针阴模具1，倾斜平台2的斜面倾角θ为10°，把倾斜平台2放置在用水平仪(水平仪精度0.1mm/m)标定过的水平平台上并固定，保证平台无明显振动。将同平面微针阴模具1贴在倾斜平台2的斜面上，使同平面微针阴模具1的微针槽的针尖部位处于高点，微针槽的基底部位处于低点。
C)在同平面微针阴模具1的微针槽内浇注铸模用液态微针材料；
铸模用液态微针材料可由蛋白聚糖、果糖、半乳糖、无水海藻糖、海藻糖、蔗糖、麦芽糖、葡聚糖、糖苷、壳聚糖、琼脂糖、山梨糖醇、甘露醇和木糖醇溶于去离子水制备而成。将四百毫克的上述的一种或多种原料混合溶解在2毫升的去离子水中，制成15％～20％W/v的糖溶液。
将铸模用液态微针材料从微针槽的针尖部位浇注，使铸模用液态微针材料沿倾斜的微针槽往下流动，铸模用液态微针材料在微针槽内形成楔形，待所有微针槽流满铸模用液态微针材料且不往外溢出时，擦除模具表面残留的微针材料，若铸模用液态微针材料的流动性较低，可将大量铸模用液态微针材料浇注到微针槽上，使铸模用液态微针材料填满微针槽，等待一定时间，使多余的微针槽溢出微针槽，擦除模具表面残留的填充材料，然后在铸模用液态微针材料所要求的固化条件下固化。上诉糖溶液所要求的固化的条件可为：在室温下，将糖溶液放置在空气流速为0.2～4米/秒的通风橱中蒸发脱水24h，然后加热到50℃后继续放置在通风橱中脱水固化24h。待所有铸模用液态微针材料充分固化后。
D)铸模用液态微针材料固化后，轻轻剥离微针槽中的微针从而得到楔形同平面微针3，针尖夹角等于倾斜平台2的倾斜角。
实施例2，如图4所示：
属于同一发明思路的另一种基于倾斜铸模的微针制作方法，具有如下步骤：
A)制作同平面微针阴模具1；
B)通过将同平面微针阴模具1粘贴在倾斜平台2的斜面上的方式使同平面微针阴模具1倾斜，并且微针槽的针体轴线垂直于倾斜平台2的斜面与水平面的相交线，同平面微针阴模具1的微针槽的针尖部位处于低点、微针槽的基底部位处于高点，即微针槽的针体正向下；
C)在同平面微针阴模具1的微针槽内浇注液态模具填充材料，液态模具填充材料固化后即得到带倒楔形微针槽的同平面微针阴模具4；
液态模具填充材料选择PDMS预聚体与交联剂的混合物，配比为10:1。将大量液态模具填充材料浇注到微针槽内，以填满微针槽，静置10～30min，使多余的液态模具填充材料溢出微针槽，擦除同平面微针阴模具1表面残留的液态模具填充材料。然后在60℃～100℃环境下加热30min～60min使液态模具填充材料充分固化，即得到带倒楔形微针槽的同平面微针阴模具4。
D)利用步骤C得到的带倒楔形微针槽的同平面微针阴模具4，通过铸模法和热压印法制作楔形同平面微针3，带倒楔形微针槽的同平面微针阴模具4可以重复使用，传统铸模法和热压印法较为成熟可靠，本方案较为适合批量生产。
通过铸模法制作楔形同平面微针3具体为：将带倒楔形微针槽的同平面微针阴模具4贴附在水平平台上，然后在带倒楔形微针槽的同平面微针阴模具4内浇注铸模用液态微针材料，静置10～30min待铸模用液态微针材料流匀后，擦除模具表面残留的铸模用液态微针材料，然后在铸模用液态微针材料所要求的固化条件下固化。待所有铸模用液态微针材料充分固化后，轻轻剥离微针槽中的微针从而得到楔形同平面微针3，针尖夹角等于倾斜平台2的倾斜角。
Claims (10)
1.一种基于倾斜铸模的微针制作方法，其特征是：具有如下步骤：
A)制作同平面微针阴模具；
B)倾斜同平面微针阴模具，使同平面微针阴模具的微针槽的针尖部位处于高点；
C)在同平面微针阴模具的微针槽内浇注铸模用液态微针材料；
D)铸模用液态微针材料固化后，从同平面微针阴模具内取出楔形同平面微针。
2.一种基于倾斜铸模的微针制作方法，其特征是：具有如下步骤：
A)制作同平面微针阴模具；
B)倾斜同平面微针阴模具，使同平面微针阴模具的微针槽的针尖部位处于低点；
C)在同平面微针阴模具的微针槽内浇注液态模具填充材料，液态模具填充材料固化后即得到带倒楔形微针槽的同平面微针阴模具；
D)利用步骤C得到的带倒楔形微针槽的同平面微针阴模具，通过铸模法和热压印法制作楔形同平面微针。
3.根据权利要求1或2所述的基于倾斜铸模的微针制作方法，其特征是：所述的液态模具填充材料为PDMS预聚体与交联剂的混合物。
4.根据权利要求2所述的基于倾斜铸模的微针制作方法，其特征是：步骤D中利用带倒楔形微针槽的同平面微针阴模具，通过铸模法制作楔形同平面微针具体为：水平放置带倒楔形微针槽的同平面微针阴模具，然后在带倒楔形微针槽的同平面微针阴模具内浇注铸模用液态微针材料，铸模用液态微针材料固化后，从同平面微针阴模具内取出楔形同平面微针。
5.根据权利要求1或2所述的基于倾斜铸模的微针制作方法，其特征是：所述的同平面微针阴模具的微针槽的针体轴线垂直于倾斜面与水平面的相交线。
6.根据权利要求1或2所述的基于倾斜铸模的微针制作方法，其特征是：通过将同平面微针阴模具固定在倾斜平台的斜面上的方式使同平面微针阴模具倾斜。
7.根据权利要求1或2所述的基于倾斜铸模的微针制作方法，其特征是：所述的楔形同平面微针包括一个及一个以上针体和连接针体的基底，针体和基底在同一平面内。
8.根据权利要求1或2所述的基于倾斜铸模的微针制作方法，其特征是：所述的同平面微针阴模具的制作方法为：
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)在金属铬上旋涂一层光刻胶，用步骤a制作的掩膜版对光刻胶进行曝光，用显影液显影，烘干得到图形化的光刻胶掩膜；
4)用腐蚀液腐蚀金属铬，随后去除光刻胶，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，用显影液显影，得到同平面微针结构；
7)在SU-8光刻胶表面旋涂PDMS预聚体和交联剂的混合物；
8)加热使PDMS固化，并从玻璃基底上剥离得到同平面微针阴模具。
9.根据权利要求1或4所述的基于倾斜铸模的微针制作方法，其特征是：所述的铸模用液态微针材料为丝素蛋白、胶原蛋白、明胶、羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、硫酸软骨素、糖原、糊精、直链淀粉、透明质酸、聚乳酸-乙醇酸共聚物、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乙醇酯、聚丙烯酸、聚丙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、ABS塑料、聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、醋酸纤维、聚酯、碳纤维、聚氨酯、聚二氧环乙酮、聚(乙二醇)、聚(乳酸)、聚丙烯酰胺类聚合物、环烯烃共聚合物、羧甲基壳聚糖、聚左旋乳酸、海藻酸、葡聚糖、硫酸葡聚糖、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、甲壳质、聚乙烯吡咯烷酮、半乳糖、海藻糖、蔗糖、麦芽糖、葡聚糖、糖苷、果糖、壳聚糖、壳多糖、琼脂糖、山梨糖醇、甘露醇或木糖醇、蛋白聚糖、磷脂酰胆碱、聚丙交酯、聚乙交酯、羟丙基纤维素、蜡、聚酯、聚酐、聚酰胺、磷系聚合物、聚(氰基丙烯酸酯)、聚氨酯、聚原酸酯、聚二氢吡喃、聚缩醛中的一种或两种以上的混合溶液组成。
10.根据权利要求9所述的基于倾斜铸模的微针制作方法，其特征是：所述的铸模用液态微针材料还包含一种或多种活性物质，活性物质为药物或化妆品分子，活性物质为柠檬酸、蛋白质、肽、多糖，抗原、免疫原、疫苗、抗体、酶、核酸、适配子、病毒、细菌、细胞、激素、抗生素、抗癌药物、基因工程药物、天然产物药物、中药成分、营养成分、治疗剂、诊断剂中的一种或者上述试剂的组合。
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