CN104874098B - 一种空心金属微针及其批量制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种空心金属微针及其批量制备方法，步骤为：(1)在基片上溅射金属种子层作为导电层；(2)导电层上电镀金属层作为释放层；(3)释放层上甩光刻胶并图形化；(4)电镀金属填充图形，制作微针第一层，随后溅射金属种子层；(5)金属种子层上甩光刻胶并图形化；(6)图形化的光刻胶适当烘胶；(7)溅射金属种子层；(8)甩光刻胶并图形化，电镀金属制作微针第二层；(9)去胶，释放微针。本发明采用微加工工艺，克服传统注射针头生产工艺难以批量制作极细针头的难题。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械和生物医学技术领域，具体是一种空心金属微针及其批量制备方法。
背景技术
微针的产生得益于微加工工艺的发展及其在医疗领域的应用。微针一般指长度在数百微米到几毫米，针尖直径从数微米至数百微米的微型针头。与传统注射针头相比，微针尺寸有了明显的减小。同时，采用传统注射针头生产工艺，基本不能生产这样的微型针头，而微加工工艺的引入，恰好解决了这一难题。
人体皮肤由外至里，分别是表皮层、真皮层和皮下组织。表皮层最外为角质层，由死亡的细胞组织构成，对皮肤起到保护作用，同时，巨大的阻碍药物通过皮肤渗透入人体体内。角质层之下的表皮层开始分布有少量的神经组织和毛细血管，且随着深度增加逐步增多，到真皮层时进一步增加。微针由于尺寸微小，使用时不会刺入深层皮肤，突破角质层的同时，也能有效避开大部分神经。因此，微针能够有效的进行微量药物注射或者生物体液采集，同时产生的痛感相比传统注射针头大大减小，甚至可以忽略，所引起的创伤也小，近年来开始受到医疗界的广泛关注。
目前微针生产材料主要包括硅、聚合物和金属。成熟的IC工艺使得硅微针最初具有明显的优势，结合便于集成、成本低的特点使其一度成为研究的热点，但硅易脆断的特性也限制了其发展。聚合物优异的生物兼容性，引起了人们的广泛关注，但是，其缺点也很明显。聚合物机械性能较差，微针刺入皮肤后易失效，难以保证微针的持续作用。与此同时，金属作为长期使用的制针材料，具有出色的机械性能，金属微针也由此发展了起来。
微针生产方法多为通过异平面方式制备微针阵列，常见方法如：中国专 利“空心医用金属微针的制备方法”(CN200910055956.0)，其采用刻蚀硅形成微针模型，最后电镀制作出异平面金属微针的方法。该方法制作微针均为方形，微针外形不够合理，同时微针长度也很局限。而Hyungil Jung等人在“Lee K,Lee H C,Lee D S,etal.DrawingLithography:Three-Dimensional Fabricationof an Ultrahigh-Aspect-Ratio Microneedle[J].Advanced Materials,2010,22(4):483-486.”中利用光刻胶拉伸再电镀的方法，所制作微针长度上有了较大提高，同时微针外形近似圆柱，具有合理性。但此方法仅部分借鉴微加工工艺，拉伸光刻胶柱为其核心。方法所制备微针尺寸不易控制，同时拉伸时对温度、速度等条件要求高，工艺重复性很难保证，不具备批量加工工艺的基本特点。
发明内容
本发明的目的是针对现有方法的不足，提供一种空心金属微针及其批量制备方法，解决传统注射头生产工艺不能生产微小尺寸针头的问题，所制备微针尺寸可根据需要调整，同时微针尺寸控制精度和重复性都可得到充分保证。
为实现上述的目的，本发明采用了以下技术方案：
本发明提供一种空心金属微针批量制备方法，包括如下步骤：
步骤一，在基片上溅射金属种子层作为导电层；
优选地，所述基片为玻璃基片，或金属基片，或聚合物基片。
优选地，所述金属种子层为铬/铜，或者金，或镍，或钛种子层。
优选地，取玻璃片为基片，溅射铬/铜种子层，进一步降低制作成本。溅射金属种子层前，先清洗玻璃基片，保证基片洁净。
步骤二，导电层上电镀金属层作为释放层；
优选地，所述金属释放层为铜、镍、锌中的一种。
优选地，选择电镀金属铜为释放层，后期腐蚀工艺简单，对微针结构层影响小，电镀厚度为0.5μm～50μm，电镀速率为0.01μm/min～1μm/min。
步骤三，金属释放层上甩光刻胶并图形化；
优选地，所述金属释放层上甩正胶，甩胶厚度为5μm～100μm。
步骤四，电镀金属填充图形，制作微针第一层，随后溅射金属种子层；
优选地，所述的电镀，金属为镍、金、钛中的一种。
优选地，所述溅射金属种子层为铬、铜、金、镍、钛中的一种。
优选地，电镀金属为镍，其电镀工艺成熟，金属机械性能好。电镀速率为0.01μm/min～1μm/min，电镀厚度为5μm～100μm。随后溅射金种子层，进一步提升微针生物兼容性。
步骤五，金属种子层上甩光刻胶并图形化，制作微针通道填充光刻胶；
所述金属种子层上甩正胶，甩胶厚度为5μm～100μm。
优选地，所述的通道填充光刻胶，图形化后呈长条状，在第一层微针结构上表面中间，使得结构对称，保证最终微针性能。最后去掉此填充光刻胶，制作出空心金属微针内通道。
步骤六，适当烘胶，使通道填充光刻胶圆滑；
优选地，对光刻胶采用程控加热烘胶，升温速度控制为0.15℃/min～18℃/min，最高加热温度为50℃～150℃。升温速度尽量慢，充分释放光刻胶内部溶剂，避免光刻胶产生气泡、后续种子层起皱或其他缺陷。
步骤七，溅射金属种子层作为导电层；
所述金属种子层为铬/铜，或者金，或镍，或钛种子层。
优选地，选择金作为溅射种子层，进一步提升微针生物兼容性。
步骤八，甩光刻胶并图形化，电镀金属制作微针第二层；
所述的电镀，金属为镍、金、钛中的一种。
所述种子层上甩正胶，甩胶厚度为5μm～100μm。
优选地，电镀金属为镍，电镀速率为0.01μm/min～1μm/min，电镀厚度为5μm～100μm。
步骤九，去胶，释放微针。
所述的去胶溶剂采用丙酮，或者0.1％～10％的NaOH溶液。
优选地，去胶溶液为丙酮，简单易操作，去胶时将基片侵泡与丙酮溶剂中，同时可以采用磁力搅拌或者超声加快去胶。
作为一个优选方式，在所述步骤三之后、步骤四之前进一步包括一烘胶步骤，使步骤三光刻图形侧壁倾斜、圆滑，制作针头断面近似椭圆微针。
本发明还提供一种上述方法制备的空心金属微针，所述微针包括针头，所述针头的第一层电镀结构四周侧壁垂直或不垂直。
优选地，所述针头断面近似椭圆，针头内通道为半椭圆。
优选地，所述针头的针尖带斜面倾角，角度为10°～50°。
作为一个优选方式，所述微针进一步包括针座，所述针头和所述针座通过圆弧外形连接，所述针座内设有通道，该通道与针头内通道相通。
优选地，所述针头宽度为5μm～200μm，针座宽度为20μm～2000μm。
优选地，所述针头内通道宽度为2μm～100μm，针座内通道宽度为12μm～1800μm。
优选地，所述针头长度为100μm～10000μm，针座长度为100μm～10000μm。
作为优选地尺寸，上述尺寸微针使用传统注射针头生产工艺难以生产，这样尺寸的微针能明显减轻使用带来的痛感，同时造成更微小的创伤，更易恢复。
优选地，所述微针一共为两层，分别由两次电镀金属获得，第一层结构电镀完全后上表面基本为平面，第二层结构电镀完全后上表面为曲面。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明制作方法简单、稳定，并且成本低。此方法能够突破传统注射针头生产工艺的局限，制作微型针头。同时，采用了同平面方式，结合特有的光刻胶烘胶工艺，能够批量制备针头剖面近视椭圆微针，微针结构更为合理。同平面方式，使得制备微针尺寸可以根据需要调整，能够生产各种长度、大小微针。独特的光刻胶烘胶工艺，使微针表面圆滑，有效增强自身强度的同时，减小对皮肤的创伤。微针的针头和底座通过圆弧结构连接，更符合力学原理，保证接头稳定性。针头尖端带有倾角，便于刺入皮肤，微针使用时更为安全。针座便于微针和其他部件连接，拓展微针应用范围。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例一制得微针第一层立体结构示意图；
图2为本发明实施例二制得微针第一层立体结构示意图；
图3为本发明实施例一、二制得微针第二层立体结构示意图；
图4为本发明实施例二制得微针针头剖面图；
图5为本发明实施例一、二使用掩模板示意图；
图6为本发明的制备流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例一
所制备微针包括针头和针座，针头第一层侧壁垂直，如图1所示。
第一层侧壁垂直空心金属微针，流程如下：
首先选取玻璃片为基片，清洗后溅射铬/铜种子层。在种子层上电镀金属铜为释放层，电镀厚度为1μm，电镀速率为0.05μm/min。随后在金属释放层上甩正胶，厚度10μm，并利用掩模板光刻出微针第一层结构图形。直接电镀金属镍填充图形，制作微针第一层。电镀速率为0.05μm/min，电镀厚度为10μm。
随后溅射金种子层，甩正胶10μm，利用掩模板光刻出通道填充光刻胶。利用程控烘箱，对填充光刻胶进行多段程控烘胶，升温速度控制为0.5℃/min，最高加热温度为70℃。之后再次溅射金种子层作为后续电镀导电层，甩正胶10μm，后光刻图形画。电镀金属镍制作微针第二层结构，电镀速率为0.05μm/min，电镀厚度为10μm。
通过以上过程，完成第一层侧壁垂直空心金属微针制作，本实施例只需一次烘胶。随后将整片片子侵泡于丙酮溶剂中去胶，去胶过程中可同时磁力搅拌或者适当超声，进一步加速去胶。最后，将片子侵泡于HCl与H2O2混合溶液，去掉铜金属释放层，完成微针最终释放。
实施例二
所制备微针包括针头和针座，针头断面近似为椭圆，接近传统注射针头；针座便于微针与其他部件连接，同时增强微针强度。
针头剖面近似椭圆空心金属微针，流程如下：
整个过程如图6所示，首先选取玻璃片1为基片，清洗后溅射铬/铜种子层2。在种子层上电镀金属铜3为释放层，电镀厚度为5μm，电镀速率为0.2μm/min。随后在金属释放层上甩正胶4，厚度50μm，并利用图5所示掩模1光刻出微针第一层结构图形。对图形化后的光刻胶4进行程控烘胶，使图形侧壁倾斜、圆滑，升温速率为3℃/min，最高烘胶温度为90℃。
电镀金属镍5填充图形，制作微针第一层，电镀时电镀速率为0.2μm/min，电镀厚度为35μm，随后溅射金种子层6。第一层结构中，微针针头长1200μm，针尖带有30°倾角，针座长800μm，圆弧连接部分长500μm，结构外形如图2所示。随后再次甩正胶40μm，利用图5掩模2光刻出通道填充光刻胶7。使用程控烘箱，对填充光刻胶7进行多段程控烘胶，升温速度控制为2℃/min，最高加热温度为110℃。之后再次溅射金种子层8作为后续电镀导电层，甩正胶9，厚度50μm，后用图5掩膜3光刻图形画。电镀金属镍10制作微针第二层结构，电镀速率为0.2μm/min，电镀厚度为35μm，各部分长度与第一层相同，第二层结构外形如图3所示。
通过以上过程完成微针制作，其中使用了两次烘胶，最终微针针头截面将近似为椭圆形，如图4所示。随后将整片片子侵泡于丙酮溶剂中去胶，去胶过程中可同时磁力搅拌或者适当超声，进一步加速去胶。最后，将片子侵泡于HCl与H2O2混合溶液，去掉铜金属释放层，即可完成微针最终释放。
实施例三
无针座，针头剖面近似椭圆空心金属微针，流程如下：
首先选取玻璃片为基片，清洗后溅射铬/铜种子层。在种子层上电镀金属铜为释放层，电镀厚度为20μm，电镀速率为0.5μm/min。随后在金属释放层上甩正胶，厚度90μm，并利用只含针头掩模板光刻出微针第一层结构图形。对图形化后的光刻胶进行程控烘胶，使图形侧壁倾斜、圆滑，升温速率为1℃/min，最高烘胶温度为90℃。
电镀金属镍填充图形，制作微针第一层，电镀时电镀速率为0.5μm/min，电镀厚度为90μm。随后再次甩正胶80μm，利用只含针头掩模板光刻出通道填充光刻胶。使用程控烘箱，对填充光刻胶进行多段程控烘胶，升温速度控制为2℃/min，最高加热温度为120℃。之后再次溅射金种子层作为后续电镀导电层， 甩正胶，厚度90μm，后用只含针头掩模板光刻图形画。电镀金属镍制作微针第二层结构，电镀速率为0.5μm/min，电镀厚度为90μm。
通过以上过程完成微针制作。随后将整片片子侵泡于丙酮溶剂中去胶，去胶过程中可同时磁力搅拌或者适当超声，进一步加速去胶。最后，将片子侵泡于HCl与H2O2混合溶液，去掉铜金属释放层，即可完成微针最终释放。
本发明有效解决传统注射针生产工艺不能生产微小尺寸针头的问题，同时相比其他微针制备方法，又能生产各种长度、大小微针。本发明方法便于批量生产，成本低，生产的微针性能优异。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (11)
1.一种空心金属微针批量制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，在基片上溅射金属种子层作为导电层；
步骤二，导电层上电镀金属层作为释放层；
步骤三，金属释放层上甩光刻胶并图形化；
步骤四，电镀金属填充图形，制作微针第一层，随后溅射金属种子层；
步骤五，金属种子层上甩光刻胶并图形化，制作微针通道填充光刻胶；
步骤六，烘胶，使通道填充光刻胶圆滑；
步骤七，溅射金属种子层作为导电层；
步骤八，甩光刻胶并图形化，电镀金属制作微针第二层；
步骤九，去胶，释放微针。
2.根据权利要求1所述的一种空心金属微针批量制备方法，其特征是：步骤二中，所述释放层为铜、镍、锌中的一种，电镀厚度为0.5μm～50μm，电镀速率为0.01μm/min～1μm/min。
3.根据权利要求1所述的一种空心金属微针批量制备方法，其特征是：步骤一、步骤四和步骤七中，所述溅射金属种子层为铬、铜、金、镍、钛中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种空心金属微针批量制备方法，其特征是：步骤三、步骤五和步骤八中，所述光刻胶为正胶，厚度为5μm～100μm；所述微针在步骤三、步骤五和步骤八中，改变图形化掩膜版，可制作针头顶端至底端逐渐变大的微针。
5.根据权利要求1所述的一种空心金属微针批量制备方法，其特征是：步骤五中所述的通道填充光刻胶，图形化后呈长条状，在第五步的第一层微针结构上表面中间，使得结构对称，保证最终微针性能，最后去掉此填充光刻胶，制作出空心金属微针内通道。
6.根据权利要求1所述的一种空心金属微针批量制备方法，其特征是：在所述步骤三之后、步骤四之前进一步包括一烘胶步骤，使步骤三光刻图形侧壁倾斜、圆滑，制作针头断面近似椭圆微针。
7.一种上述任一项权利要求所述方法制备得到的空心金属微针，其特征是：所述微针包括针头，所述针头第一层电镀结构四周侧壁垂直或不垂直。
8.根据权利要求7所述的空心金属微针，其特征是：所述微针包括针头，所述针头断面近似椭圆，针头内通道为半椭圆。
9.根据权利要求7所述的一种空心金属微针，其特征是：所述针头的针尖带斜面倾角，角度为10°～50°。
10.根据权利要求7-9任一项所述的一种空心金属微针，其特征是：所述微针进一步包括针座，所述针头和所述针座通过圆弧外形连接，所述针座内设有通道，该通道与针头内通道相通；针头长度为100μm～10000μm，针座长度为100μm～10000μm。
11.根据权利要求10所述的一种空心金属微针，其特征是：所述针头宽度为5μm～200μm，针座宽度为20μm～2000μm；针头内通道宽度为2μm～100μm，针座内通道宽度为12μm～1800μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |