CN108675258B - 基于多孔氧化铝的薄膜组件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多孔氧化铝的薄膜组件及其制备方法，包括一薄膜基体，所述薄膜基体其中至少一表面上具有微阵列结构，所述微阵列结构是凸出于所述薄膜基体表面的多孔氧化铝微柱阵列，所述微柱阵列的每个柱状体的端部都具有多个纳米孔；所述微阵列结构是对一双面氧化的多孔氧化铝薄膜进行光刻和湿法刻蚀而形成；其中，光刻时涂覆负性光刻胶并通过一具有微孔阵列的掩膜板进行曝光。制备方法包括对多孔氧化铝薄膜进行光刻，得到样片，放入刻蚀液中，以使刻蚀液沿显影后去除光刻胶而暴露出的纳米孔流入，进行垂直于多孔氧化铝薄膜表面的各向异性刻蚀，得到具有所述微阵列结构的所述薄膜组件。

Description

基于多孔氧化铝的薄膜组件及其制备方法

技术领域

本发明涉及多孔氧化铝薄膜的后加工和应用领域，具体涉及一种基于多孔氧化铝的薄膜组件及其制备方法。

背景技术

多孔氧化铝薄膜制备技术已经相对成熟，但是在其应用方面相对不足。目前多孔氧化铝薄膜的应用主要集中在两个方面，一是利用膜的多孔结构研制出新型超精密分离膜；二是利用膜的纳米级有序孔作为模板应用，在孔内沉积出各种不同性质的物质(如金属、半导体、高分子材料、磁性材料等)，研制开发各种新型功能材料。多孔氧化铝薄膜的新型应用有待开发。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日前已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种基于多孔氧化铝的薄膜组件及其制备方法，以解决目前多孔氧化铝薄膜的应用不足的问题。

为达上述目的，本发明其中一具体实施例提出了以下技术方案：

一种基于多孔氧化铝的薄膜组件，包括一薄膜基体，所述薄膜基体其中至少一表面上具有微阵列结构，所述微阵列结构是凸出于所述薄膜基体表面的多孔氧化铝微柱阵列，所述微柱阵列的每个柱状体的端部都具有多个纳米孔；所述微阵列结构是对一双面氧化的多孔氧化铝薄膜进行光刻和湿法刻蚀而形成；其中，光刻时涂覆负性光刻胶并通过一具有微孔阵列的掩膜板进行曝光，湿法刻蚀时刻蚀液沿多孔氧化铝薄膜表面的纳米孔进行纵向的各向异性刻蚀。

本发明上述实施例提供的基于多孔氧化铝的薄膜组件，每根氧化铝微柱上都具有很多纳米孔，可以应用于经皮给药等领域，纳米孔内载入药物，可以实现大剂量经皮无痛给药。也可以用于减肥美容等领域，搭载相应的药物将该组件贴于皮肤而注入，达到相应的用药目的。

本发明其中另一具体实施例提出了以下技术方案：

一种基于多孔氧化铝的薄膜组件，包括一薄膜基体，所述薄膜基体其中至少一表面上具有凹陷于表面的微阵列结构；所述微阵列结构是对一双面氧化的多孔氧化铝薄膜进行光刻和湿法刻蚀而形成的凹坑阵列；其中，光刻时涂覆正性光刻胶并通过一具有微孔阵列的掩膜板进行曝光，湿法刻蚀时刻蚀液沿多孔氧化铝薄膜表面的纳米孔进行纵向的各向异性刻蚀。

本发明上述提供的基于多孔氧化铝的薄膜组件，可以用于翻模制作其它多种结构，拓宽了多孔氧化铝薄膜的应用前景。

本发明又一实施例提供了前述薄膜组件的制备方法，包括以下步骤：

S1、提供一多孔氧化铝薄膜并进行光刻，得到样片；

S2、将光刻得到的所述样片放入刻蚀液中，以使所述刻蚀液沿显影后去除光刻胶而暴露出的纳米孔流入，进行垂直于多孔氧化铝薄膜表面的各向异性刻蚀，得到具有所述微阵列结构的所述薄膜组件。

本发明的上述制备方法利用多孔氧化铝其自身拥有的垂直于表面的纳米孔结构，从而可以在普通湿法刻蚀条件下，实现各向异性刻蚀，从而制备出与掩膜图案高度一致的结构，实现多孔氧化铝薄膜的更多应用。

附图说明

图1是经阳极氧化得到的多孔氧化铝薄膜的分层结构示意图；

图2是经阳极氧化得到的多孔氧化铝薄膜的表面微观形貌图；

图3是经阳极氧化得到的多孔氧化铝薄膜的切面微观形貌图；

图4是多孔氧化铝薄膜的其中一表面经过光刻后的微光形貌图；

图5是经过酸洗刻蚀得到的微针形貌图；

图6是经过除胶和尖锐化处理后得到的多孔氧化铝微针形貌图；

图7是采用本发明制备的多孔氧化铝微针进行经皮给药(胰岛素)测试的应用效果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。

目前主流的给药方式包括口服给药与注射给药，但是其在诸多方面难以完成，比如儿童给药困难、肝脏首过效应影响、肠胃刺激明显、患者顺应性差等始终难以解决。而经皮给药作为一种新型给药方式凸显其优越性。本发明其中一具体实施例将多孔氧化铝薄膜制造成多孔氧化铝微针，然后利用多孔氧化铝微针的纳米孔进行载药，来实现便捷、无痛、大剂量、无损伤的微针经皮给药。

为此，本发明的第一实施例提出一种基于多孔氧化铝的薄膜组件及其制备方法，所述薄膜组件包括一薄膜基体，所述薄膜基体其中至少一表面上具有微阵列结构，所述微阵列结构是凸出于所述薄膜基体表面的多孔氧化铝微柱阵列，所述微柱阵列的每个柱状体的端部都具有多个纳米孔；所述微阵列结构是对一双面氧化的多孔氧化铝薄膜进行光刻和湿法刻蚀而形成；其中，光刻时涂覆负性光刻胶并通过一具有微孔阵列的掩膜板进行曝光，湿法刻蚀时刻蚀液沿多孔氧化铝薄膜表面的纳米孔进行纵向的各向异性刻蚀。所述柱状体例如可以是直径150μm以下的微针，每根微针的针尖都具有所述多个纳米孔。所述微针和所述纳米孔均垂直于所述薄膜基体的表面。

上述第一实施例提供的薄膜组件的制备方法包括以下步骤S1至S2：

S1、提供一如图1至图3所示的多孔氧化铝薄膜10并进行光刻，得到如图4所示的样片。所述光刻大致包括依次进行的三步：涂覆光刻胶、曝光和显影。该第一实施例的薄膜组件制备过程中，所采用的光刻胶为负性光刻胶，曝光时采用的掩膜板是具有微孔阵列的掩膜板，曝光时被光照的光刻胶发生交联反应而耐酸碱腐蚀，未被光照的部分在显影时被显影液去除，从而经过光刻后得到的样片的表面上是稍微凸出的光刻胶微片阵列，如图4所示，即氧化铝层表面具有很多个光刻胶微片20。所述掩膜板的微孔阵列的微孔例如可以是圆孔、方形孔或其它形状的孔，优选为直径不超过150微米的圆孔，更优选地，直径在80微米左右。涂覆光刻胶优选地只涂覆在其中一表面，涂覆前先进行预热预热的主要目的在于排出纳米孔内的水蒸气，并使薄膜温度升高，在涂覆了光刻胶后温度下降，这样就能使光刻胶吸附更加牢固。涂覆光刻胶之后优选地还进行匀胶处理，采用匀胶机用分级转速匀胶法(一阶段转速500rpm至1000rpm，二阶段1500rpm至2000rpm,三阶段3000rpm至5000rpm)进行匀胶处理。显影完成后在进行后续的步骤S5之前还可进行坚膜处理，即：进行120～200℃的加热处理，以使所述光刻胶微片阵列完全固化。

S2、将光刻得到的所述样片(参考图4)放入刻蚀液中，以使所述刻蚀液沿显影后去除光刻胶而暴露出的纳米孔流入，进行垂直于多孔氧化铝薄膜表面的各向异性刻蚀，得到具有所述微阵列结构的所述薄膜组件。刻蚀温度20～80摄氏度，刻蚀时间3～50小时(根据不同需求可以作出相应的调整)。刻蚀完成后超纯水冲洗。更优选地，刻蚀之后还可超声处理：将刻蚀后的样片置于磷酸含量为2％wt-20％wt的磷酸溶液中，进行超声清洗，以去除各柱状体的间隙中残留的刻蚀反应生成物；清洗完成后采用氮气吹干。继续参考图4，在进行刻蚀的过程中，刻蚀液顺着光刻胶微片覆盖以外的纳米孔(即暴露的纳米孔)垂直流入，纵向刻蚀，腐蚀纳米孔的孔壁，形成各向异性刻蚀，从而形成如图5所示的微阵列结构，该微阵列结构为很多个多孔氧化铝柱状物30——例如是带纳米孔的微针(直径基本由掩膜板的孔径决定，但后期还可进行微针尖锐化处理，得到如图6所示的微针阵列)，每个柱状物30的顶部是曝光过的负性光刻胶31。在使用前，可先去除这些光刻胶使针尖上的纳米孔暴露出，此处的使用例如是通过针尖的纳米孔载入药物进行经皮给药，又比如是搭载具有减肥功能的药物(例如能使白色脂肪棕色化的调控因子)贴到肥胖处进行减肥等等。在一些优选的方案中，去除针端上的光刻胶之前，还可先进行微针的尖锐化处理，在本发明中，由于氧化铝层具有纳米孔，在进行刻蚀出针时，刻蚀液顺着纳米孔垂直腐蚀氧化铝，因此横向的腐蚀速度较慢，微针的尖锐度往往需要在刻蚀出针之后，再进行后期修饰变尖。尖锐化处理之后，采用浓硫酸去掉针端上的光刻胶，得到如图6所示的具有一定尖锐度针尖的微针。在另一些优选的实施例中，在经过前述得到如图6所示的多孔氧化铝微针之后，还进一步地进行相变强化的烧结处理(1100摄氏度至1300摄氏度管式炉烧结)，使微针转变为刚玉结构(α-氧化铝)，具备耐酸碱腐蚀的特性，在应用时可以反复多次使用。

上述第一实施例制备的薄膜组件应用场景1：多孔氧化铝微针在婴儿(及儿童)给药方面的应用。由于婴儿不能口服用药，注射给药顺应性极差。使用本发明制备的多孔氧化铝微针经皮给药，既可以实现无痛给药(婴儿顺应性好)，还可以满足用药量需求，达到药到病除的效果。此外，经皮给药还拥有缓释效果，可以延长使用药效；其便携性更可以满足各种人群便捷只用，在家中、在办公室、在餐厅、在健身房、在户外均可以独立操作完成用药。

应用场景2：治疗脂肪堆积时的应用。随着人民生活水平的提高，肥胖人群日趋多，同时有减肥需求的人群也随之增多。原理说明：哺乳动物的脂肪可分为白色脂肪和棕色脂肪，白色脂肪是哺乳动物的能量库，主要用于贮存能量；棕色脂肪主要是加快能量的消耗，释放能量。通过白色脂肪棕色化，从而达到减肥的目的。在白色脂肪棕色化过程中，调控因子(PPARγ、PGC-1α、UCP1、Irisin鸢尾素)起到重要作用。因此，可以利用本发明制备的多孔氧化铝微针搭载可使白色脂肪棕色化的调控因子，贴到身体的脂肪部位，可以快速有效地起到减肥的效果。此应用可以有效地解决脂肪堆积部位血管少，血液流通慢，注射不能有效减肥的难题。

除此之外，其他领域例如美容领域、胰岛素注射等方面也拥有广阔的应用前景。例如搭载玻尿酸、羊胎素等用于美容行业；搭载抗蛇毒血清，针对毒蛇伤口处释放药物。

下面以糖尿病(SD大鼠模型)为例进行本发明制备的多孔氧化铝微针经皮给药应用效果的测试，搭载的药物为胰岛素。测试结果如图7所示，图7中的各折线代表SD大鼠在注入胰岛素后的血糖随横轴时间的变化情况，其中N1至N3分别代表3组SD大鼠的血糖数据，Average表示三组数据的平均值。实验结果表明：

1)SD大鼠血糖有下降趋势，血糖水平从原来的27毫克每升左右，经过2.5小时后下降到15毫克每升，证明本发明制备的多孔氧化铝微针经皮给药的方案是有效的。

2)低水平血糖持续接近1个小时左右，说明通过本发明制备的多孔氧化铝微针拥有延长药效的功能，即缓释效果。

总之，本发明制备的多孔氧化铝微针在经皮给药方面的应用具有如下几大优点：

优点一：无痛给药、病人顺应性强。微针底部直径30微米至150微米(尖端直径10微米至50微米)，长度约为100微米至500微米，微针只会穿透角质层将药物释放在表皮层，并不够触碰到神经细胞，因此不会有疼痛感或不适感。针对目前市场上儿童给药困难的弊病(恐惧针管注射、药物肠胃刺激)，显著提高病人顺应性。

优点二：无毒无害。超纯铝(纯度99.999％)材料对人体无毒无害。氧化烧结后氧化铝化学性能稳定，拥有耐酸耐碱耐腐蚀的特点。

优点三：强度硬度优秀。微针材料α-氧化铝结构，俗称“刚玉”结构(与宝石结构相同)，硬度仅次于钻石。完全满足给药功能，且不会发生断裂难题。即使万一有个别断裂情况，由于微针是氧化铝材料，随人体无毒无害的。

优点四：解决首过效应难题。一般药物空腹食用会对胃部有一定刺激(饭后食用药物略有减轻)，而且由于药物经过胃部，小肠吸收后才可发挥药效。因此药效会大打折扣。利用无痛微针给药可以绕开胃部吸收过程，直接进入表皮组织扩散，皮下静脉血管吸收并发挥药效。

优点五：微针的多孔结构极大地增加了微针阵列的载药量，可满足高剂量给药的要求。

优点六：微针阵列性能稳定，可利用多种方法进行消毒，从而可重复利用。

优点七：微针周边自然形成锯齿状结构可以大大降低微针刺入皮肤时的压力，从而更容易穿透皮肤

上述所采用的刻蚀液是磷酸含量为2％wt～20％wt的磷酸溶液，或者是2％wt～20％wt磷酸与1％wt-10％wt铬酸的混合溶液。总的来说，刻蚀液是能腐蚀未覆光刻胶的位置处的氧化铝层但又不腐蚀到更深处的铝层。

本发明的第二实施例提供了另一种基于多孔氧化铝的薄膜组件及其制备方法，该薄膜组件包括一薄膜基体，所述薄膜基体其中至少一表面上具有凹陷于表面的微阵列结构；所述微阵列结构是对一双面氧化的多孔氧化铝薄膜进行光刻和湿法刻蚀而形成的凹坑阵列；其中，光刻时涂覆正性光刻胶并通过一具有微孔阵列的掩膜板进行曝光，湿法刻蚀时刻蚀液沿多孔氧化铝薄膜表面的纳米孔进行纵向的各向异性刻蚀。

上述第二实施例的薄膜组件的制备方法与第一实施例的类似，主要区别在于光刻胶是正性光刻胶，在曝光时被照射的光刻胶于显影时被显影液去除，从而得到与图4的结构互补的样片，即掩膜板圆孔对应位置处的光刻胶被显影液去除而凹陷，未被光照射的部分的光刻胶则不会被显影液去除，刚好与第一实施例相反。如此一来，该第二实施例中刻蚀时刻蚀液腐蚀掉未覆有光刻胶处的氧化铝层之后，即形成与图5所示的结构互补的结构，即凹坑的结构与图5所示的微针结构对应，这样的薄膜组件可用作模板，翻模制作与第一实施例结构类似的其它用途的结构。

在一种具体的实施例中，制备多孔氧化铝薄膜具体包括如下步骤S11至S14：

S11、制作铝基板：取高纯度的铝板按需裁剪尺寸，并用压力机压平备用。优选地采用纯度95％以上的铝板，更优选地采用纯度99.999％以上的铝板。例如裁剪为厚度1.5mm，长和宽均为50mm的方形铝片备用。

S12、铝片清洗：包括物理清洗和化学清洗。先进行物理清洗，分别利用丙酮、超纯水、乙醇溶液超声清洗2分钟以上，然后氮气吹干。其中，丙酮可以溶解高纯铝片表面油污及其它有机物；超纯水溶解高纯铝片表面的无机物。丙酮还可以采用其它有机溶剂例如苯、甲苯、乙醚、二甲苯、苯乙烯、全氯乙烯、三氯乙烯、汽油、乙烯乙二醇醚或三乙醇胺等来替代。然后进行化学清洗，由于物理清洗后，高纯铝表面仍残留一些不溶物，利用浓度为1～3mol/L的氢氧化钠溶液进行浸泡清洗，此时会有大量气泡生成，直到气泡稳定后，镊子取出铝片，超纯水清洗，氮气吹干。

S13、铝片抛光：利用高氯酸和乙醇的混合溶液(体积比是高氯酸：乙醇＝1:4)对上述清洗后的铝片进行电化学抛光，抛光时的温度0～20℃，抛光电压10伏特至40伏特，抛光5分钟至30分钟。抛光后超纯水清洗，氮气吹干。

S14、铝阳极氧化：采取双面铝阳极氧化方式对铝片进行氧化，在适当的氧化条件(氧化溶液：0.2～0.8mol/L的草酸溶液；氧化电压为30伏特至120伏特；氧化时间20小时至60小时；氧化温度为10～20℃循环冷却水)下进行一次氧化，氧化过程中通过控制氧化时间来控制氧化层厚度达到100～500um，之后超纯水清洗，氮气吹干。得到初步的多孔氧化铝薄膜，其分层结构如图1所示，多孔氧化铝薄膜10中间层12为纯铝(未被氧化)，外表层11和13即为氧化铝层，这两层上布满了如图2和图3所示的纳米孔。

经上述S14后得到的纳米孔的孔径约为20～50纳米(纳米孔的孔径是通过控制氧化时的氧化电压来控制的)，另外通过后续的扩孔处理也可将孔径增大。因此，在一些优选的实施例中，S14之后还可包括步骤S15：对S14得到的多孔氧化铝薄膜的纳米孔进行扩孔处理，具体为：真空干燥机内扩孔，扩孔溶液：8％的磷酸溶液，扩孔温度20摄氏度至50摄氏度，扩孔时间5分钟至30分钟(视孔大小而定)。扩孔后超纯水超声清洗，氮气吹干备用。此外，扩孔可以适当调节孔径。最大可以达到120纳米。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于多孔氧化铝的薄膜组件，其特征在于：包括一薄膜基体，所述薄膜基体其中至少一表面上具有微阵列结构，所述微阵列结构是凸出于所述薄膜基体表面的多孔氧化铝微柱阵列，所述微柱阵列的每个柱状体的端部都具有多个纳米孔；所述柱状体为长度100～500μm的微针，微针底部直径30～150微米、尖端直径10～50微米；

所述微阵列结构是对一双面氧化的多孔氧化铝薄膜进行光刻和湿法刻蚀而形成；其中，光刻时涂覆负性光刻胶并通过一具有微孔阵列的掩膜板进行曝光，湿法刻蚀时刻蚀液沿多孔氧化铝薄膜表面的纳米孔进行纵向的各向异性刻蚀。

2.如权利要求1所述的薄膜组件，其特征在于：所述柱状体是直径150μm以下的微针，每根微针的针尖都具有所述多个纳米孔。

3.如权利要求2所述的薄膜组件，其特征在于：所述微针和所述纳米孔均垂直于所述薄膜基体的表面。

4.如权利要求1所述的薄膜组件的制备方法，包括以下步骤：

S1、提供一多孔氧化铝薄膜并进行光刻，得到样片；

S2、将光刻得到的所述样片放入刻蚀液中，以使所述刻蚀液沿显影后去除光刻胶而暴露出的纳米孔流入，进行垂直于多孔氧化铝薄膜表面的各向异性刻蚀，得到具有所述微阵列结构的所述薄膜组件；

步骤S2中采用的所述刻蚀液是磷酸含量为2％wt～20％wt的磷酸溶液，或者是2％wt～20％wt磷酸与1％wt-10％wt铬酸的混合溶液。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤S1光刻包括依次进行的涂覆光刻胶、曝光和显影。

6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：采用纯度95％以上的铝片来制作所述多孔氧化铝薄膜。

7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤S1中涂覆光刻胶后，再采用匀胶机进行匀胶处理，所述匀胶处理采用分级转速匀胶法。

8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤S1中涂覆的光刻胶为正性光刻胶或负性光刻胶；

当所述光刻胶为负性光刻胶时，显影后于所述多孔氧化铝薄膜表面形成凸出的光刻胶微片阵列，并经步骤S2中刻蚀去除所述光刻胶微片阵列覆盖以外的氧化铝层，形成多孔氧化铝微柱阵列；其中，单个光刻胶微片的大小由所述掩膜板的孔大小决定；

当所述光刻胶为正性光刻胶时，显影后于所述多孔氧化铝薄膜表面形成凹陷部阵列，并经步骤S2刻蚀去除所述凹陷部阵列位置处的氧化铝层，形成凹陷于表面的凹坑阵列。