CN108785847B - 金属微针 - Google Patents

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Abstract

公开了用于制造金属微针的方法。一种方法包括：提供模柱；在所述模柱上形成有孔导电层；以及在所述导电层上沉积金属层以提供有孔微针。另一种方法包括：提供模柱；在所述模柱上沉积第一金属层以提供第一微针；从所述模柱移除所述第一微针；以及在所述模柱上沉积第二金属层以提供第二微针。

Description

金属微针
本申请是2014年6月12日提交的申请号为2014800390994，发明名称为“金属微针”的中国发明专利申请的分案申请。
相关申请
本申请要求享有2013年6月13日提交的美国申请No.61/834482的优先权益，其通过引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及用于制造机械微结构的方法。具体而言，本发明涉及用于制造金属微针的方法。
背景技术
已知各种用于制造微针的方法。已知技术的实例包括在下面的公开内容中描述的那些：
·D.V.McAllister et al.,Microfabricated needles for transdermaldelivery of macromolecules and nanoparticles:Fabrication methods andtransport studies,(2003),Proc.Nat.Acad.Sci.USA,Vol.100(24),pp.13755-13760.
·B.Stoeber,D.Liepmann,Arrays of Hollow out-of-Plane Microneedles forDrug Delivery,(2005),J.Microelectromech.Syst,Vol.14,no.3,pp.472-479.
·I.Mansoor et al.Hollow Out-of-Plane Polymer Microneedles Made bySolvent Casting for Transdermal Drug Delivery,(2012),J.Microelectromech.Syst.,Vol.21,pp.44-52.
·S.P.Davis et al.,Hollow metal microneedles for insulin delivery todiabetic rats,(2005),IEEE Trans.Biomed.Eng.,Vol.52,pp.909-915.
·US patent No.7627938(Kim et al.).
发明内容
下面的实施例及其方面连同方法和装置一起描述和说明，这些方法和装置意在示例性和说明性而不限制范围。
本发明的一个方面提供了一种用于制造有孔微针的方法。所述方法包括：提供模柱；在所述模柱上形成有孔导电层；以及在所述有孔导电层上沉积金属层以提供有孔微针。
在一些实施例中，所述模柱从衬底的表面延伸开。所述模柱可以在大致垂直于所述衬底的表面的方向上从所述衬底的表面延伸开。所述模柱可以包括光致抗蚀剂并且提供所述模柱可以包括通过掩模使光致抗蚀剂暴露于光化辐射。所述掩模可以包括圆形区域，其对光化辐射而言是透明的。所述模柱可以包括带有基底和尖端的圆锥形模柱。提供所述模柱可以包括使用蚀刻工艺使所述模柱的尖端变尖锐。在一些实施例中，所述模柱包括保护层，用于使所述模柱免受后续工艺的影响并且使得能够使用所述模柱制造多根微针。所述方法可以包括使用溶剂浇铸工艺形成所述保护层。
在一些实施例中，在所述模柱上形成有孔导电层包括使用溶剂浇铸(solvent-casting)工艺。溶剂浇铸所述导电层可以包括向溶剂中添加聚合物和导电颗粒。所述聚合物可以包括聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)并且所述导电颗粒可以包括碳黑颗粒。所述方法可以包括向溶剂中添加表面活性剂。所述有孔导电层可以包括在所述聚合物内均匀分布的导电颗粒。在所述模柱上形成所述有孔导电层可以包括为所述模柱涂布所述导电层并且然后移除所述导电层的一部分以形成孔。所述方法可以包括通过干法蚀刻移除所述导电层的所述部分。所述方法可以包括通过光刻移除所述导电层的所述部分。所述方法可以包括通过机械研磨移除所述导电层的所述部分。所述方法可以包括通过局部加热移除所述导电层的所述部分。所述方法还可以包括通过向所述模柱的一个区域施加涂层而形成有孔导电层以及使用所述涂层排斥的溶剂将所述导电层溶剂浇铸到所述模柱上，以便产生带有位于涂布区域的孔的导电层。所述涂层可以包括极性涂层而所述溶剂可以包括非极性溶剂，或者所述涂层是非极性涂层而所述溶剂是极性溶剂。所述方法还可以包括通过使所述模柱定向而形成所述有孔导电层，使得所述模柱的第一区域垂直高于所述模柱的第二区域，并且将所述导电层溶剂浇铸到所述模柱上，使得重力导致所述导电层在第一区域形成有孔。
在一些实施例中，在所述有孔导电层上沉积所述金属层包括将所述金属层电镀到所述有孔导电层上并且在电镀工艺中将所述有孔导电层用作电极。所述金属层可以包括与所述导电层相邻的第一金属子层和与所述第一金属子层相邻的第二金属子层。所述第一金属子层可以包括结构性金属且所述第二金属子层可以包括生物相容性金属；或者所述第一金属子层可以包括生物相容性金属且所述第二金属子层可以包括结构性金属。
在一些实施例中，所述方法可以包括从所述模柱上移除所述微针。从所述模柱上移除所述微针可以包括至少部分地溶解所述有孔导电层。从所述模柱上移除所述微针可以包括至少部分地溶解形成于所述模柱上的牺牲层(sacrificial layer)。所述牺牲层可以形成于所述模柱和所述有孔导电层之间。从模柱上移除所述微针可以保持所述模柱基本上完好。所述方法还可以包括重复使用所述模柱制造第二微针。重复使用所述模柱制造所述第二微针可以包括在所述模柱上形成第二有孔导电层并在所述第二有孔导电层上沉积第二金属层以提供所述第二微针。重复使用所述模柱制造所述第二微针可以包括在所述有孔导电层上沉积第二金属层以提供所述第二微针。
在一些实施例中，所述方法还包括向所述微针施加涂层。所述涂层可以包括生物相容性涂层。所述涂层可以包括电绝缘涂层。所述方法可以包括从所述模柱上移除所述微针并向所述微针的内表面施加所述涂层，在从所述模柱上移除所述微针之前，所述微针的内表面被所述模柱掩模。所述方法可以包括在所述模柱上形成牺牲层。在所述模柱上沉积所述第一金属层包括在所述牺牲层上溅射所述第一金属层。从所述模柱上移除所述第一微针可以包括至少部分地溶解所述牺牲层。所述涂层可以包括金属。向所述微针的内表面施加所述金属涂层可以包括在所述微针的内表面上电镀所述金属涂层并且在电镀工艺中将所述微针用作电极。所述涂层可以包括生物相容性涂层。
本发明的另一个方面提供了一种用于制造第一微针和第二微针的方法。所述方法包括：提供模柱；在所述模柱上沉积第一金属层以提供第一微针；从所述模柱上移除所述第一微针；以及在所述模柱上沉积第二金属层以提供第二微针。
在一些实施例中，所述模柱从衬底的表面延伸开。所述模柱可以在大致垂直于所述衬底的表面的方向上从所述衬底的表面延伸开。所述模柱可以包括光致抗蚀剂并且提供所述模柱可以包括通过掩模使光致抗蚀剂暴露于光化辐射。所述掩模可以包括圆形区域，其对光化辐射而言是透明的。所述模柱可以包括带有基底和尖端的圆锥形模柱。提供所述模柱可以包括使用蚀刻工艺使所述模柱的尖端变尖锐。在一些实施例中，所述模柱包括保护层，用于使所述模柱免受后续工艺的影响并且使得能够使用所述模柱制造多根微针。所述方法可以包括使用溶剂浇铸工艺形成所述保护层。
在一些实施例中，在所述模柱上沉积第一金属层以提供第一微针包括在所述模柱上形成导电层；以及在所述导电层上沉积第一金属层。在所述模柱上形成导电层可以包括使用溶剂浇铸工艺。溶剂浇铸所述导电层可以包括向溶剂中添加聚合物和导电颗粒。所述聚合物可以包括聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)并且所述导电颗粒可以包括碳黑颗粒。所述方法可以包括向溶剂中添加表面活性剂。所述导电层可以包括在所述聚合物内均匀分布的导电颗粒。所述导电层可以包括有孔导电层。所述方法还可以包括通过为所述模柱涂布所述导电层而形成所述有孔导电层并且然后移除所述导电层的一部分以形成孔。所述方法可以包括通过干法蚀刻移除所述导电层的所述部分。所述方法可以包括通过光刻移除所述导电层的所述部分。所述方法可以包括通过机械研磨移除所述导电层的所述部分。所述方法可以包括通过局部加热移除所述导电层的所述部分。在所述模柱上形成所述导电层可以包括向所述模柱的一个区域施加涂层以及使用所述涂层排斥的溶剂将所述导电层溶剂浇铸到所述模柱上，以便于产生带有位于涂布区域的孔的导电层。所述涂层可以包括极性涂层而所述溶剂可以包括非极性溶剂，或者所述涂层可以包括非极性涂层而所述溶剂可以包括极性溶剂。在所述模柱上形成所述有孔导电层可以包括使所述模柱定向，使得所述模柱的第一区域垂直高于所述模柱的第二区域，并且将所述导电层溶剂浇铸到所述模柱上，使得重力导致所述导电层在第一区域形成有孔。
在一些实施例中，在所述导电层上沉积所述第一金属层包括将所述导电层用作电极并且将所述第一金属层电镀到所述导电层上。所述第一金属层可以包括施加在所述导电层上的第一金属子层和施加在所述第一金属子层上的第二金属子层。所述第一金属子层可以包括结构性金属并且所述第二金属子层可以包括生物相容性金属。
在一些实施例中，从所述模柱上移除所述第一微针包括至少部分地溶解所述导电层。从所述模柱上移除所述第一微针可以包括至少部分地溶解形成于所述模柱上的牺牲层。所述方法可以包括在所述模柱和所述导电层之间形成牺牲层并且从模柱上移除所述第一微针可以包括至少部分地溶解所述牺牲层。从模柱上移除所述第一微针可以保持所述模柱基本上完好。所述方法还可以包括向所述第一微针施加涂层。所述涂层可以包括生物相容性涂层。所述涂层可以包括电绝缘涂层。所述方法可以包括，在从所述模柱上移除所述第一微针之后，向所述第一微针的内表面施加涂层，在从所述模柱上移除所述第一微针之前所述第一微针的内表面被所述模柱掩模。所述涂层可以包括金属。向所述第一微针的内表面施加所述金属涂层可以包括在电镀工艺中将第一微针用作电极，将所述金属涂层电镀在所述第一微针的内表面上。所述涂层可以包括生物相容性涂层。在所述模柱上沉积所述第二金属层以提供所述第二微针可以包括在所述导电层上沉积所述第二金属层以提供所述第二微针。
在所述模柱上沉积所述第二金属层以提供所述第二微针可以包括在所述模柱上形成第二导电层并且在所述第二导电层上沉积第二金属层以提供所述第二微针。
本发明的另一个方面提供了一种用于制造微针的方法。所述方法包括提供模柱；在所述模柱上形成导电性聚合物层；以及在所述导电性聚合物层上沉积金属层以提供微针。
在一些实施例中，所述模柱从衬底的表面延伸开。所述模柱可以在大致垂直于所述衬底的表面的方向上从所述衬底的表面延伸开。所述模柱可以包括光致抗蚀剂并且提供所述模柱可以包括通过掩模使光致抗蚀剂暴露于光化辐射。所述掩模可以包括圆形区域，其对光化辐射而言是透明的。所述模柱可以包括带有基底和尖端的圆锥形模柱。提供所述模柱可以包括使用蚀刻工艺使所述模柱的尖端变尖锐。在一些实施例中，所述模柱包括保护层，用于使所述模柱免受后续工艺的影响并且使得能够使用所述模柱制造多根微针。所述方法可以包括使用溶剂浇铸工艺形成所述保护层。
在一些实施例中，在所述模柱上形成导电性聚合物层包括使用溶剂浇铸工艺。溶剂浇铸所述导电性聚合物层可以包括向溶剂中添加聚合物和导电颗粒。所述聚合物可以包括聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)并且所述导电颗粒可以包括碳黑颗粒。所述方法可以包括向溶剂中添加表面活性剂。所述导电性聚合物层可以包括在所述聚合物内均匀分布的导电颗粒。所述导电性聚合物层可以包括有孔导电性聚合物层。所述方法可以包括通过为所述模柱涂布所述导电性聚合物层而形成所述有孔导电性聚合物层并且然后移除所述导电性聚合物层的一部分以形成孔。所述方法可以包括通过干法蚀刻移除所述导电性聚合物层的所述部分。所述方法可以包括通过光刻移除所述导电性聚合物层的所述部分。所述方法可以包括通过机械研磨移除所述导电性聚合物层的所述部分。所述方法可以包括通过局部加热移除所述导电性聚合物层的所述部分。所述方法可以包括通过向所述模柱的一个区域施加涂层而形成有孔导电性聚合物层以及使用所述涂层排斥的溶剂将所述导电性聚合物层溶剂浇铸到所述模柱上，以便产生带有位于涂布区域的孔的导电性聚合物层。所述涂层可以包括极性涂层而所述溶剂可以包括非极性溶剂，或者所述涂层可以包括非极性涂层而所述溶剂可以包括极性溶剂。所述方法还可以包括通过使所述模柱定向而形成所述有孔导电性聚合物层，使得所述模柱的第一区域垂直高于所述模柱的第二区域，并且将所述导电性聚合物层溶剂浇铸到所述模柱上，使得重力导致所述导电性聚合物层在第一区域形成有孔。
在一些实施例中，在所述导电层上沉积所述金属层包括将所述金属层电镀到所述导电性聚合物层上并在电镀工艺中将所述导电性聚合物层用作电极。在所述导电性聚合物层上沉积所述金属层可以包括将所述金属层溅射到所述导电性聚合物层上。所述金属层可以包括与所述导电性聚合物层相邻的第一金属子层和与所述第一金属层相邻的第二金属子层。所述第一金属子层可以包括结构性金属且所述第二金属子层可以包括生物相容性金属；或者所述第一金属子层可以包括生物相容性金属且所述第二金属子层可以包括结构性金属。
在一些实施例中，所述方法包括从所述模柱上移除所述微针。从所述模柱上移除所述微针可以包括至少部分地溶解所述导电性聚合物层。从所述模柱上移除所述微针可以包括至少部分地溶解形成于所述模柱上的牺牲层。所述牺牲层可以形成于所述模柱和所述导电性聚合物层之间。从所述模柱上移除所述微针可以保持所述模柱基本上完好。所述方法还可以包括重复使用所述模柱以制造第二微针。重复使用所述模柱以制造所述第二微针可以包括在所述模柱上形成第二导电性聚合物层并且在所述第二导电性聚合物层上沉积第二金属层以提供所述第二微针。重复使用所述模柱以制造所述第二微针可以包括在所述导电性聚合物层上沉积第二金属层以提供所述第二微针。
在一些实施例中，所述方法还包括向所述微针施加涂层。所述涂层可以包括生物相容性涂层。所述涂层可以包括电绝缘涂层。所述方法还可以包括从所述模柱上移除所述微针；以及向所述微针的内表面施加所述涂层，在从所述模柱上移除所述微针之前所述微针的内表面被所述模柱掩模。所述涂层可以包括金属。向所述微针的内表面施加所述金属涂层可以包括在所述微针的内表面上电镀所述金属涂层并且在电镀工艺中将所述微针用作电极。所述涂层可以包括生物相容性涂层。
除了上述示例性方面和实施例外，通过参考附图并通过研究以下详述，其他方面和实施例将变得显而易见。
附图简述
在参考的附图中说明了示例性实施例。意图是本文公开的实施例和附图应被视为说明性而非限制性。
图1A-1G(统称为图1)是剖面图，其描述了根据示例性实施例用于制造金属微针的方法。
图2是示出根据示例性实施例用于制造金属微针的方法的示意图。
图3是示出根据示例性实施例用于制造金属微针的方法的示意图。
图4A是根据特定实施例的非对称形模柱的示意性平面图。图4B是根据特定实施例的形成于导电层内的非对称形孔的示意性平面图。
图5是示出根据示例性实施例用于制造金属微针的方法的示意图。
发明详述
为了向本领域技术人员提供更全面的理解，下面的描述通篇陈述了具体细节。然而，可能没有示出或详细描述熟知的元件，以免使本公开不必要地含糊不清。因此，应该在说明性的意义上而非在限制性的意义上看待说明书和附图。
本发明的一个实施例提供了一种用于制造金属微针的方法。所述方法可以包括：提供模柱；在所述模柱上形成导电层；在所述导电层上沉积金属层以提供微针；以及从所述模柱上移除所述微针。在沉积所述导电层之前，所述导电层可以被开孔以形成有孔金属层以及相应地有孔微针。所述模柱可以重复用于制造另外的金属微针。
制造或者以其他方式提供模柱
可以通过任何适合方法制造模柱，包括微加工(例如硅微加工)、压印(例如热压印)、光刻(例如软光刻和光学光刻)、3D打印和/或诸如此类。所述模柱可以包括任何适合材料。在一些实施例中，先前制造的微针可以用作所述模柱。
所述模柱可以具有任何适合形状并且可以包括圆柱、立柱、圆锥、墙壁等。所述模柱可以被制造成从衬底延伸开(或者可能以其他方式延伸开)。所述衬底可以包括任何适合材料，包括硅、玻璃、
Figure BDA0001795600400000071
石英、聚合物、金属、陶瓷及其任何组合。所述模柱可以在任何方向上从所述衬底的表面延伸开，当所述衬底通常为平面时，在离开平面(out-of-plane)的方向(例如，其具有垂直于所述衬底的大致平面的至少一个分量的方向)。在实施例中，当所述衬底是非平面时，所述模柱可以在于所述模柱的位置具有垂直于所述衬底表面的至少一个分量的方向上延伸。可以制造或者以其他方式在所述衬底的表面上提供包括多个模柱的阵列。正如将从接下来的说明变得更清楚的那样，模柱阵列的间隔和排列可以定义使用所述模柱阵列制造的微针阵列的间隔和排列。
图1A和1B示出一种根据示例性实施例用于制造模柱阵列110的方法。可以向衬底104的第一表面104A施加光致抗蚀剂102，并且可以向衬底104的相反表面104B施加掩模106。衬底104的掩模表面104B可以暴露于光化辐射108。在暴露于光化辐射108之后，可以将光致抗蚀剂102浸入显影液槽中，从而溶解一些光致抗蚀剂102并留下模柱110(图1B)。图1A和1B说明的实施例涉及使用负性光致抗蚀剂102(在暴露后保留所暴露的光致抗蚀剂以提供模柱110)。在一些实施例中，可以使用正性光致抗蚀剂(使得在暴露后溶解所暴露的光致抗蚀剂且保留未暴露的光致抗蚀剂以提供模柱110)。
在一些示例性实施例中，厚度在200μm-1200μm范围内(例如700μm)的SU-8 2150环氧型负性光致抗蚀剂层(来自Newton，MA的
Figure BDA0001795600400000081
)可以旋转涂布(或者以其他方式涂布)到包括PryexTM晶圆的衬底104的表面104A上，该晶圆厚度在100μm-500μm范围内(例如300μm)。衬底104和光致抗蚀剂102可以在65℃下软烤(soft-baked)10分钟并且在95℃下软烤2.5小时。成形为限定对光化辐射透明的圆形区域阵列(例如，孔)106A的暗场掩模106用于覆盖掩模表面104B。在一些实施例中，所述圆形透明区域106A的直径为20-120μm(例如40μm)。在一些实施例中，透明区域106A可以具有不同的形状(例如多边形)。在一些实施例中，这种多边形形状的区域的边缘尺寸在20-120μm范围内(例如40μm)。
衬底104的掩模表面104B可以暴露于光化辐射，其使SU-8光致抗蚀剂的暴露部分形成交联。在一些实施例中，光化辐射包括紫外辐射。在一个特定示例性实施例中，光化辐射是9200mJ/cm3的紫外光。在暴露之后，所述衬底104和所述光致抗蚀剂102可以在65℃下烘烤5分钟并在95℃下烘烤35分钟，然后置于显影液槽内50分钟以移除未暴露的光致抗蚀剂104，然后在175℃下烘烤1小时。
所述光致抗蚀剂102通过掩模106的透明区域106A暴露可以导致使光致抗蚀剂102的圆锥形部分暴露于辐射，并且从而可以在显影后产生圆锥形模柱110，其中这种圆锥形模柱110包括基底110B和尖端110A。例如，因为通过衬底104暴露光致抗蚀剂102提供的空间(介于掩模106和光致抗蚀剂102之间)，所以可以提供这种形状。圆锥形模柱110的基底110B可以具有比模柱110的尖端110A更大的横截面尺寸。然而，这不是必须的。在一些实施例中，模柱110可以成形为使得它们具有从衬底104的表面基本正交地(或者在法向向量的方向上)延伸其至少一部分(例如，靠近基底110B的部分)的侧壁，且可以，任选地，在靠近尖端110A处更尖锐。在一些实施例中，模柱110可以具有相对于衬底104的表面角度范围为75到90度的侧壁。在一些实施例中，模柱110可以具有范围为3:1到12:1的纵横比(即高度(例如基底110B和尖端110A之间的距离)与基底尺寸(例如基底直径、基底110B的最长尺寸和/或诸如此类)的比例)。在其他实施例中，模柱110可以具有其他侧壁角度和其他纵横比。
如在下面更详细地解释的那样，所说明的实施例的圆锥形模柱110可用于制造带有相对较宽通道开口(例如靠近模柱110的基底110B)和尖锐尖端(例如靠近圆锥形模柱110的尖端110A)的微针。圆锥形模柱110的基底110B的直径/边缘长度(和使用模柱110制造的微针的通道开口的相应直径/边缘长度)可以大致等于掩模106的透明区域106A的直径/边缘长度。
在一些实施例中，在其上形成模柱110的衬底104可以切割成(或者以其他方式分成)更小片(例如1x1cm一片)，每一片均包括模柱110和/或多个模柱110的阵列。
在一些实施例中，模柱110可以通过任何适合方法进一步成形。例如，可使用蚀刻工艺(例如干法蚀刻)使模柱110的尖端110A变尖锐(例如各向同性地)。在一些实施例中，可以使模柱10的尖端非对称地变尖锐—例如，以具有与图4A中所示模柱尖端110A的形状110C相似的非对称尖端形状。
在一些实施例中，包括图1C的示例性实施例，可以通过任何适合方法将保护层112施加到所述模柱110的表面和/或到衬底104上，包括升华、喷射沉积、凝结、浇注、溅射、旋转浇铸、溶剂浇铸，和/或诸如此类。这样的保护层112可以增加模柱110的强度和/或模柱110与衬底104的粘合。保护层112可以有助于使模柱110足够耐用以多次重复用于制造多组微针。保护层112是任选的而不是必须的。在一些实施例中，模柱110可以足够耐用以多次重复用于在即使没有保护层112的情况下制造微针。保护层112可以包括任何适合材料。保护层112可以包括与模柱110相同的材料或者不同的材料。
图1C示出用于为模柱110和衬底104涂布保护层112的示例性方法。可通过将保护层112的材料溶于溶剂中形成溶液，并且然后将溶液浇铸(例如溶剂浇铸和/或旋转浇铸)到模柱110和衬底104上而涂布保护层112。溶剂可以蒸发，留下保护层112。可以用光、热和/或诸如此类固化保护层112。
在一个特定且非限制性实施例中，SU-8 3025(来自Newton，MA的
Figure BDA0001795600400000091
)可用环戊酮稀释以制成6.7重量％溶液。可在95℃下将这种溶液浇铸(例如溶剂浇铸和/或旋转浇铸)20分钟到模柱110和/或衬底104上，留下30μm的保护层112。该保护层112可以用900mJ/cm2的紫外光固化并在95℃下烘烤5分钟以及在190℃下烘烤1小时。
在模柱上形成导电层
在制造或以其他方式提供模柱110之后，可以通过任何适合方法为模柱110的暴露表面涂布导电层114，这些方法包括，以非限制性实例而言，升华、喷射沉积、凝结、浇注、旋转浇铸、溶剂浇铸、溅射和/或诸如此类。如果模柱110具有保护层112，则可以为保护层112的暴露表面涂布导电层114。在一些实施例中，可先为模柱110或保护层112涂布牺牲层(即之后可以溶解、融化或以其他方式破坏的层)，并且然后为所述牺牲层的暴露表面涂布导电层114。在一些实施例中，导电层114自身可以提供牺牲层(如在下面更详细地讨论的那样)。
导电层114可以包括任何适合材料。在一些实施例中，导电层114包括一种或多种导电性聚合物。包括导电性聚合物的导电层114可以包括一种或多种固有或天然导电性聚合物(例如聚(3,4-乙烯-二氧噻吩))；导电性共聚物(例如聚(3,4-乙烯二氧噻吩)和聚(苯乙烯-磺酸酯)的共聚物)；以及包含导电颗粒的聚合物以形成导电复合聚合物基质。通过非限制性示例而言，可用于导电复合聚合物基质中的聚合物包括：
●聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)；
●聚(醋酸乙烯酯)；
●聚丙烯腈；
●聚(氯乙烯)；
●聚(偏二氯乙烯)；
●聚乙烯(LDPE，HDPE)；
●聚丙烯；
●聚苯乙烯；
●聚四氟乙烯；
●可生物降解聚合物和共聚物(例如聚(乳酸)、(乳酸-羟基乙酸)共聚物)、聚(己内酯)、聚磷腈以及聚酐)；
●生物聚合物(例如多糖(例如壳聚糖和纤维素)、多肽和多核苷酸)；和/或
●诸如此类。
可用于导电复合聚合物基质中的导电颗粒包括碳黑(CB)颗粒、金属颗粒(例如银纳米颗粒)、金属氧化物颗粒、包括导电性聚合物的颗粒和/或诸如此类。在一些实施例中，导电层114可以包括一种或多种适合金属或其合金。
图1D示出了用于为一个或多个模柱110涂布导电层114的示例性方法。在说明的实施例中，模柱110包括保护层112，尽管(如上面讨论的那样)，这不是必须的并且可以在没有保护层112的模柱110上形成导电层114。在一些实施例中，导电层114是溶剂浇铸的。可以通过首先将导电层114的材料溶于溶剂中形成溶液，然后将溶液浇铸到模柱110上(例如在说明的实施例的情况下浇铸到保护层112上)而施加导电层114。溶剂可以蒸发，在模柱110上留下导电层114。在图1D的实施例中，模柱110定向为以便于它们在与重力相反的方向上从衬底104延伸开——即模柱110的尖端110A位于衬底104上方。重力可以使导电层溶液在尖端110A处形成相对薄的层以及在靠近基底110B处形成相对厚的层。因此，在一些实施例中，导电层114可以相对薄或者甚至在尖端110A处不存在。溶剂浇铸参数(例如浓度、温度、露点、蒸发速度、湿度等)可以调节以控制导电层114的厚度(例如在模柱110的尖端110A和基底110B之间的导电层114的厚度)。
在一些示例性实施例中，所述导电层114可以包括PMMA(来自Warrington，PA的
Figure BDA0001795600400000111
)，分子量为25kDa，种有碳黑(CB，
Figure BDA0001795600400000112
XC72R，来自Boston，MA的
Figure BDA0001795600400000113
Corporation)，一次粒径为约150nm。可以通过向包含5g的N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)的载液添加0.3g的PMMA和0.5g的CB制备PMMA/CB溶液/悬浮液。在一些实施例中，可以使用其他适合载液。通过非限制性实例而言，适合载液可以包括二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)、长链醇(包括1-辛醇)和/或诸如此类。
可以向导电性聚合物溶液/悬浮液添加包含0.015g十二烷基硫酸钠(SDS，来自Oakville，ON的
Figure BDA0001795600400000114
)的表面活性剂。可以将该溶液/悬浮液置于超声波浴中30分钟。所得液体可以具有9重量％的固体浓度，CB占总固体含量的30％。可将这种液体施加到模柱110(例如在说明的实施例的情况下施加到保护层112)和衬底104上，并允许蒸发以留下包含PMMA和CB的聚合物基质的导电层。
表面活性剂可以有助于防止CB颗粒团簇的形成并从而可以造成在所述溶液/悬浮液中CB颗粒相对均匀分布。一旦将材料浇铸到模柱110和衬底104上，在所述溶液/悬浮液中CB颗粒的均匀悬浮就可以造成所述PMMA聚合物基质内的CB颗粒均匀分布。在所述PMMA聚合物基质内的CB颗粒均匀分布可以造成导电层114具有均匀导电率。如下面更详细地讨论的那样，导电层114的这种均匀导电率可以转而促进通过电镀在导电层114上沉积均匀金属层118。
在所述导电性聚合物溶液/悬浮液中可以使用任何适合表面活性剂。通过非限制性实施例而言，适合的表面活性剂可以包括：
●非离子表面活性剂，包括：
○聚氧乙烯二醇辛基酚醚(Triton X-100)，
○葡萄糖苷烯丙基醚(月桂基葡糖苷)，
○山梨聚糖烷基酯(司盘(spans))，
○聚乙二醇共聚物，
○聚丙二醇(泊洛沙姆(poloxamers))，和/或
○诸如此类；
●阴离子表面活性剂，包括：
○十二烷基硫酸钠，
○月桂基硫酸铵，
○月桂基硫酸钠，
○烷基芳基醚磷酸酯，
○烷基醚磷酸酯，
○磺基琥珀酸钠二辛酯，
○全氟辛烷磺酸，和/或
○诸如此类；
●阳离子表面活性剂，包括：
○十六烷基三甲基溴化铵，
○氯化十六烷基吡啶，以及
○双十八烷基二甲基氯化铵，和/或
○诸如此类；以及
●两性离子表面活性剂，包括：
○卵磷脂(磷脂酰胆碱)，
○CHAPS(3-[3-(胆酰胺丙基)二甲氨基]-1-丙磺酸内盐)，和/或
○诸如此类；和/或
●诸如此类。
在一些实施例中，可以向模柱110和/或衬底104(或者保护层或者牺牲层，若存在)施加一种物质以在施加导电层114之前提高表面粘附力。例如，在一个特定示例性实施例中，20μl的六甲基二硅氮烷(HMDS，来自Oakville，ON的
Figure BDA0001795600400000131
)可在室温下施加到模柱110(例如在说明的实施例的情况下施加到保护层112)和衬底104上。然后，可将40μl的9重量％PMMA/CB混合物沉积到模柱110和衬底104上并且然后在80℃烘烤3小时以蒸发NMP并彻底干燥所述PMMA/CB混合物。在衬底104上的所得PMMA/CB层可以是100μm厚，并且可以朝着模柱110的尖端110A在厚度上逐渐减小。
在一些实施例中，导电层114可以开孔以提供有孔导电层114A。在这个描述中，如上下文指示的那样，术语导电层114的使用可以(但不一定)包括有孔导电层114A。有孔导电层114A可用于制造空心微针(即带有贯通的孔的微针)。实心(即非开孔)导电层114可用于制造实心(即非开孔)微针。
可以使用任何适合方法来形成具有或者限定贯通的一个或多个孔117的有孔导电层114A。可以使用任何适合方法在已经形成的导电层114中制作或者产生一个或多个孔117以提供有孔导电层114A。
通过有孔导电层114A的孔117可位于有孔导电层114A上的任何地方。在一些实施例中，孔117位于有孔导电层114A上与模柱110相对应的区域中。例如，孔117可以延伸通过有孔导电层114A以暴露模柱110的表面，或者可以在与模柱110相对应(例如，覆盖)的区域中延伸通过有孔导电层114A，与模柱110之间的区域相对。在一些实施例中，孔117可位于模柱110的尖端110A处。在一些实施例中，孔117可在模柱110的尖端110A处对称成形。在一些实施例中，孔117可在模柱110的尖端110A处以类似于图4B中所示的方式不对称成形。
在一些实施例中，可以使用适合的蚀刻技术在已经形成的导电层114中制作孔117，以提供有孔导电层114A。适合的蚀刻技术可以包括化学蚀刻、物理蚀刻、等离子蚀刻、反应离子蚀刻和/或诸如此类。在一些实施例中，可以使用激光烧蚀在已经形成的导电层114中制作孔117，以提供有孔导电层114A。
图1E示出了用于从模柱110的尖端110A上移除导电层114以形成在与模柱110(更特别地，与模柱110的尖端110A)相对应的区域中延伸通过导电层114的孔117，并从而提供有孔导电层114A的方法。导电层114可以在图1E中箭头所示的大致方向上被离子116轰击。离子116可以磨损导电层114，直至形成孔117并且模柱110的尖端110A(或者覆盖尖端110A的部分保护层112)暴露从而提供有孔导电层114A。蚀刻工艺可以使尖端110A具有比模柱110的其他部分更高的温度。模柱110可以具有不良导热性，而且这可以促成温差。尖端110A的温度更高可以使尖端110A处的蚀刻速度相比于模柱110的其他部分增加。
在一些实施例中，覆盖模柱110的尖端110A的部分导电层114(或者覆盖模柱110的一些其他部分导电层114)可通过等离子蚀刻移除以制作孔117，从而提供有孔导电层114A。通过非限制性实例而言，等离子可以包括O2/CF4(O2流量：80sccm；CF4流量：20sccm；压力：500mTorr；温度：25℃；功率：200W)。可以施加所述等离子适合持续时间(例如200秒)或者直到导电层114从模柱110的尖端110A上移除，以提供孔117并从而提供有孔导电层114A。
在一些实施例中，部分导电层114可通过机械研磨、激光微加工或者通过局部加热移除，以制作孔117(并且从而提供有孔导电层114A)。
在一些实施例中，导电层114可以包括可光刻图案的(photo-patternable)聚合物并且可通过光刻法移除部分导电层114以形成孔117，从而提供有孔导电层114A。
在一些实施例中，可以使用溶剂浇铸施加导电层114，并且各种溶剂浇铸参数(例如浓度、温度、露点、蒸发速度、湿度等)可以调节使得当溶剂被蒸发时，部分模柱110不会涂上导电层114——即使得当向模柱110施加导电层114时，通过导电层114形成孔117，从而提供有孔导电层114A。例如，可以调节用于施加导电层114的导电性聚合物溶液中的聚合物或者表面活性剂的浓度，使得导电层114不在与模柱110的尖端110A相对应的区域中形成，从而在尖端110A附近提供通过导电层114的孔117，从而提供有孔导电层114A。
在一些实施例中，模柱110的部分表面可经化学或物理改性以改变其润湿行为，以便形成带有孔117的溶剂浇铸导电层114，从而提供有孔导电层114A。如果，例如，导电层114是使用极性溶剂进行溶剂浇铸的，则可向模柱110的尖端110A(或者向模柱110的期望在那里提供孔117的一些其他区域，)施加非极性涂层(未示出)，使得导电层114不润湿(或者粘附到)模柱110涂有非极性涂层的区域(例如，尖端110A)。如果，例如，导电层114是使用非极性溶剂进行溶剂浇铸的，则可向模柱110的110A尖端(或者向模柱110的期望在那里提供孔117的一些其他区域)施加极性涂层(未示出)，使得导电层114不润湿(或者粘附到)模柱110涂有极性涂层涂布的区域(例如，尖端110A)。
在一些实施例中，其中使用水基溶剂，通过溶剂浇铸施加导电层114，在向模柱110施加导电层114之前可在模柱110的尖端110A上(或者在模柱110的期望在那里提供孔117的一些其他区域)沉积疏水性纳米颗粒。可以使用任何适合类型的疏水性材料，包括，通过非限制性实例而言，(乙烯-四氟乙烯)共聚物、聚(氯三氟-乙烯)、聚(偏二氟乙烯)、(偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物，和/或诸如此类。在沉积疏水性纳米颗粒之前，可为模柱110的尖端110A涂布SU-8薄层，这可以帮助所述疏水性纳米颗粒粘附于尖端110A。例如可以通过冲压施加SU-8。
在一个示例性实施例中，300nm直径的干燥聚四氟乙烯(PTFE)纳米颗粒粉末可以按1:50重量比混入乙醇中形成悬浮液。可以使用喷枪将悬浮液沉积在印模上。所述印模可以包括使用标准软光刻制造的一片柔软聚二甲基硅氧烷(PDMS)。所述喷枪的悬浮液和空气流量以及所述喷枪和所述印模之间的距离可以调节以确保所述喷枪射出的雾化液滴在到达印模时蒸发。涂层模柱110可以在100℃下烘烤2分钟，然后可以在所述印模和所述模柱的尖端之间进行均匀接触10秒。
应当理解的是，在一些实施例中，其中使用非极性溶剂通过溶剂浇铸而施加导电层114，在向模柱110施加导电层114之前，可以使疏油性纳米颗粒沉积在模柱110的尖端110A上(或者模柱110的期望在那里提供孔117的一些其他区域上)，从而利于在类似工艺中形成有孔导电层114A。
在导电层上沉积金属层以提供微针
可以使用任何适合方法使一个或多个金属层118沉积在导电层114上，包括电镀、溅射和/或诸如此类。在当前优选的实施例中，使用电镀技术向有孔导电层114A施加一个或多个金属层118，这样产生了一个或多个相应的有孔金属层118A。在这个描述中，如上下文指示的那样，术语金属层118的使用可以(但不一定)包括有孔金属层118A。金属层118可以包括任何适合金属，包括，通过非限制性实例而言，钴、镍、铬、锰、铁、金、铜、铅、钌、铑、钯、银、汞、铼、钛、铌、钽、锇、铱、铂、其组合；和/或诸如此类。金属层118可以为由其制造的微针120提供期望的结构强度。
在一些实施例中，多个金属层118可以沉积到导电层114上。在一些实施例中，金属A、B和C，可按顺序沉积，所以在已完成的微针中只有金属A和C将暴露(假设所述微针从模柱110上移除时，导电层114部分或完全移除)。包裹的金属B可以是结构性金属并且可以包括例如镍。暴露的金属A和C可以包括生物相容性金属。暴露的金属A和C可以彼此相同或彼此不同。生物相容性金属的非限制性实例包括：金、铂、钛、CoCr、316L不锈钢、钴-铬、钛、依靠其通过氧化物薄层的钝化的钛基植入合金、其合金和/或诸如此类。
图1F示出用于通过电镀为导电层114涂布金属层118的示例性方法。更特别地，图1F示出用于将金属层118电镀到有孔导电层114A上以提供有孔金属层118A的方法。导电层114可置于含金属离子的溶液中。在溶液116中，导电层114可以作为两个电极之一连接。可以在所述电极之间施加电压并且可以将溶液116中的金属离子电镀到导电层114上，从而形成金属层118。如果导电层114具有孔117(就像在说明的实施例中有孔导电层114A的情况那样)，不将金属离子沉积到或者沉积进孔117中，从而形成具有孔117的有孔金属层118A。如上所述，在图1F的实施例中，有孔导电层114A在模柱110的尖端110A处具有孔117并且因此，图1F电镀工艺形成有孔金属层118A，在模柱110的尖端110A处形成有孔117。金属层118可以提供微针120阵列。
在一个实施例中，可将导电层114置于电镀溶液中。电镀溶液可以包括氯化镍、硫酸镍和硼酸。导电层114可以平行于纯镍阳极并且距离纯镍阳极2.5厘米定位。导电层114可起到阴极的作用并且可以通过适合电连接(例如电线)连接到电源。导电层114可具有比电连接更低的导电率，并且电连接可以大部分保持在溶液之外，以防止镍积聚在电连接上。电源可以提供150分钟的2mA恒定电流。由此可以在导电层114上形成镍金属层118。在一些实施例中，金属层118的厚度在10到200μm范围内(例如70μm)。在其他实施例中，金属层118可具有更宽的厚度范围。
在一个实施例中，直径0.2毫米的铂丝(来自Ward Hill，MA的Alfa
Figure BDA0001795600400000161
)可以用作阳极。在其他实施例中，由其它适合材料制成的电线可以用作阳极。
Figure BDA0001795600400000162
PR18-1.2A电源(来自Baltimore，MD的Davis InstrumentsTM)可用于在导电层上电镀第一金属层。然后，可以使用包含pH7的磷酸盐缓冲液、0.17M的H3PO4、0.07M的KH2PO4和0.07M的KAu(CN)2的溶液将一层金电镀到第一金属层上。金可以在102A/m2的电流密度下电镀5分钟。所述金层的最终厚度可以在0.05到10μm的范围内(例如3μm)。
从模柱上移除微针
由金属层118提供的微针120可以通过任何适合方法从模柱110上移除。通过非限制性实例而言：
●模柱110可以至少部分地溶解或以其他方式消耗，直到金属层118(和微针120)可以从模柱110上移除；
●导电层114可以至少部分地溶解或以其他方式消耗，直到金属层118(和微针120)可以被从模柱110上移除；
●导电层114可以与金属层118具有弱表面键合，允许金属层118(和微针120)从模柱110上机械移除；
●导电层114可以通过热处理被软化或熔融，直到金属层118(和微针120)可以机械移除；
●在模柱110和导电层114之间可能已经形成牺牲层，并且：
○所述牺牲层可以至少部分地溶解、消耗或破坏以容许从模柱110上移除微针120(包括金属层118和可能的一些或全部导电层114)；
○所述牺牲层可以与导电层144具有弱表面键合以容许从模柱110上机械移除微针120(包括金属层118和可能的一些或全部导电层114)；
○牺牲层可以通过热处理被软化或熔融以容许从模柱110上移除微针120(包括金属层118和可能地一些或全部导电层114)；和/或
●诸如此类。
所述牺牲层可以是导电性或者非导电性。所述牺牲层可以由任何适合材料制成，包括二氧化硅、氮化硅、硅锗以及多晶硅。其可以通过任何适合方法沉积，包括升华、喷射沉积、化学气相沉积、凝结、浇注、溶剂浇铸、溅射和/或诸如此类。
在移除微针120后模柱110保持完好(或基本上完好)的实施例中，模柱110可以重复用于制造另外的微针。
在使用有孔导电层114A并且之后在有孔导电层上形成相应的有孔金属层118A时，移除的微针120可以包括空心(或有孔)微针120(例如，液体可以流过其中的微针120)。在使用不带孔的导电层114时，移除的微针120可以包括不带孔的微针。在一些实施例中，不带孔的微针120可以保持附着于模柱110上并且可以在使用前不从模柱110上移除。
图1G示出了用于从模柱110上移除微针120阵列的示例性方法。在图中1G中，导电层114包括牺牲层，其被至少部分地破坏以从模柱110上移除微针120。可以使用适合溶剂(例如在图1D的步骤中用于溶剂浇铸导电层114的相同溶剂)至少部分地溶解导电层114。一旦导电层114被部分地溶解，就可以从模柱110上移除所述微针120阵列。微针120可以包括有孔(或所谓的空心)微针120。如图1G所示，微针120可以包括腔120A(形成于模柱110的基底110B处)、孔/喷嘴120B(形成于模柱110的尖端110A处)、外表面120C核内表面120D。
在一些实施例中，可以通过将导电层114置于NMP超声浴中60分钟从模柱110上移除微针120阵列或直到导电层114充分地溶解以移除微针120阵列。
可以使微针120的外和/或内表面120C、120D清洁(例如，以移除任何剩余的导电层114)。可以使微针120的外和/或内表面120C、120D涂上任何适合涂层，包括聚合物涂层和/或金属涂层。可以通过任何适合方法施加此类涂层，包括，通过非限制性实例而言，电镀、溅射、蒸发、化学气相沉积和/或诸如此类。可以在从模柱110上移除微针120之前或之后施加此类涂层。此类涂层可以改变微针120的表面特性。例如，此类涂层可以使微针120的表面疏水、亲水、生物相容、电绝缘和/或诸如此类。对其中使用微针120的应用而言生物相容性涂层可能有用，这些应用刺穿皮肤或者以其他方式用于人或其他动物的身体内部。生物相容性金属的非限制性实例包括：金、铂、钛、CoCr、316L不锈钢、钴-铬、钛、依靠其通过氧化物薄层的钝化的钛基植入合金、其合金和/或诸如此类。还可以使用非金属生物相容性涂层，例如，聚(甲基丙烯酸甲酯)。例如，当微针120用作电化学传感器的一部分时，电绝缘涂层可能有益。电绝缘涂层可以包括任何适合材料，包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚丙交酯、聚乙交酯、(丙交酯-乙交酯)共聚物和/或诸如此类。
如上所述，金属层118向由其制造的微针120提供结构性强度。在一些实施例中，微针120可以足够坚固以刺穿人体皮肤。使用图1A-1G所示的示例性方法制造微针120的原型阵列。微针120的原型阵列进行一系列机械压缩试验并且将这些试验的结果与文献数据做比较。以5μm/秒的恒定速度向微针120的原型阵列施加垂直压缩载荷。为分析破坏荷载获得力与位移的数据。在每个压缩试验之后，肉眼检查微针120以查看微针轴是否弯曲或者微针尖端是否皱缩。
进行了五次压缩试验并且平均破坏载荷为4.2±0.61N。对于尖端直径小于50μm的微针120(就像经受机械压缩试验的原型微针120的情况一样)，与微针120刺入人体皮肤相关的典型力远低于1N。原型微针的破坏载荷远高于1N，并且因此原型微针坚固到足以插入人体皮肤而不断裂。
图2是根据示例性实施例用于制造金属微针120的方法200的示意图。方法200从方框202开始，其包括制造或以其他方式提供模柱110。使用与提供块202模柱110(包括，例如，图1A，1B和/或1C的描述)有关的上述任何特征、特征的组合或者特征的子组合，可以制造或以其他方式提供方框202的模柱110。方框202的模柱110可以包括保护层112，其可以被认为是模柱110的一部分。
然后，方法200进行到方框204，其包括在方框202的模柱110上形成有孔导电层114A。形成有孔导电层114A可以包括使用与形成所述有孔导电层114A(包括，例如，图1D和/或IE的描述)有关的上述任何特征、特征的组合或者特征的子组合。在一些示例性实施例中，有孔导电层114A包含在方框204中可以通过溶剂浇铸施加的导电性聚合物。如上面讨论的那样，将导电层114施加到方框202的模柱110上时可以在导电层114上形成孔117以提供有孔导电层114A或者在将导电层114施加到方框202的模柱110上之后可以在导电层114上形成孔117以提供有孔导电层114A。
然后，方法200进行到方框206，其包括在方框204的有孔导电层114A上沉积金属层118。在方框206中沉积金属层118可以包括使用与沉积金属层118(包括，例如，图1F的描述)有关的上述任何特征、特征的组合或者特征的子组合。在一些示例性实施例中，使用电镀技术将金属层118施加到导电层114上。在导电层114包括有孔导电层114A时，电镀导致相应有孔金属层118A的沉积。在一些实施例中，方框206包括沉积多个金属层118。
方法200可以包括任选方框208，其涉及从模柱110上移除微针120。在任选方框208中移除微针120可以包括与从模柱110上移除微针120(包括，例如，图1G的描述)有关的上述任何特征、特征的组合或者特征的子组合。在一些示例性实施例中，用于提供有孔导电层114A的导电性聚合物被至少部分地溶解以容许方框208从模柱110上移除微针120。
图3是示出了根据示例性实施例用于制造金属微针120的方法300的示意图。方法300从方框302开始，其包括制造或以其他方式提供模柱110。方框302可以类似于上述方法200的方框202。方框302的模柱110可以包括导电层114并且方框302可以包括依照与形成导电层114(包括，例如，图1D和/或IE的描述)有关的上述任何特征、特征的组合或者特征的子组合在模柱110上形成导电层114。
在一些实施例中，方法300包括任选方框303，其包括在方框302的模柱110上形成导电层114。形成方框303的导电层114可以包括使用与形成导电层114(包括，例如，图1D和/或IE的描述)有关的上述任何特征、特征的组合或者特征的子组合。在一些示例性实施例中，导电层114包括在方框303中可以通过溶剂浇铸施加的导电性聚合物。如上面讨论的那样，将导电层114施加到方框302的模柱110上时可以在导电层114上形成孔117以提供有孔导电层114A或者在将导电层114施加到方框302的模柱110之后可以在导电层114上形成孔117以提供有孔导电层114A。
然后，方法300进行到方框304，其包括在方框302的模柱110和/或方框303的导电层114上沉积金属层118。在方框304中沉积金属层118可以包括使用与沉积金属层118(包括，例如，图1F的描述)有关的上述任何特征、特征的组合或者特征的子组合。在一些示例性实施例中，在方框302的模柱包括导电层114时，可以使用电镀技术将金属层118施加到方框302的模柱上。在方框302的模柱110包括有孔导电层114A时，电镀导致相应的有孔金属层118A的沉积。在一些实施例中，方框304包括沉积多个金属层118。
然后，方法300进行到方框306，其包括从模柱110上移除微针120。在方框306中移除微针120可以包括与从模柱110上移除微针120(包括，例如，图1G的描述)有关的上述任何特征、特征的组合或者特征的子组合。在一些示例性实施例中，用于在方框110模柱上提供导电层114的导电性聚合物至少被部分地溶解以容许方框306从模柱110上移除微针120。
然后，方法300进行到方框308，其包括在方框302的模柱上沉积第二金属层118以提供第二微针。方框308可以包括使用方框302的模具的至少一部分。方框308可以任选地包括在方框302的模柱110上(并且可能在方框303的导电层114的任何残留部分上)形成导电层114。形成此类导电层可以包括使用与形成导电层114(包括，例如，图1D和/或IE的描述)有关的上述任何特征、特征的组合或者特征的子组合。在方框308中在模柱上施加第二金属层可以包括使用与沉积金属层118(包括，例如，图1F的描述)有关的上述任何特征、特征的组合或者特征的子组合。
图5是示出了根据示例性实施例用于制造金属微针120的方法400的示意图。方法400从方框402开始，其包括制造或以其他方式提供模柱110。方框402可以类似于上述方法200的方框202。
然后，方法400进行到方框404，其包括在方框402的模柱110上形成包含导电性聚合物的导电层114。形成方框404的导电层114可以包括使用与形成导电层114，其中导电层114包括导电性聚合物(包括，例如，图1D和/或IE的描述)有关的上述任何特征、特征的组合或者特征的子组合。在一些示例性实施例中，在方框404中可以通过溶剂浇铸施加导电层114。如上面讨论的那样，将导电层114施加到方框402的模柱110上时可以在导电层114上形成孔117以提供有孔导电层114A或者在将导电层114施加到方框402的模柱110之后可以在导电层114上形成孔117以提供有孔导电层114A。
然后，方法400进行到方框406，其包括在方框404的导电性聚合物层114上沉积金属层118。在方框406中沉积金属层118可以包括使用与沉积金属层118(包括，例如，图1F的描述)有关的上述任何特征、特征的组合或者特征的子组合。在一些示例性实施例中，可以使用电镀技术将金属层118施加到方框404的导电性聚合物层114上。在方框404的导电性聚合物层114包括有孔导电性聚合物层114A时，电镀导致相应的有孔金属层118A的沉积。在一些实施例中，方框406包括沉积多个金属层118。
在一些实施例中，方法400包括任选方框408，其包括从模柱110上移除微针120。在方框408中移除微针120可以包括使用与从模柱110上移除微针120(包括，例如，图1G的描述)有关的上述任何特征、特征的组合或者特征的子组合。在一些示例性实施例中，用于在方框110的模柱上提供导电层114的导电性聚合物被至少部分地溶解以容许方框408从模柱110上移除微针120。
应用1：输送设备
微针120可以用于输送试剂进入人或动物组织，或进入植物或土壤。微针120可以用于提供任何适合试剂，包括药物、化合物、颗粒和悬浮液。微针120可用于输送疫苗、神经毒素(诸如
Figure BDA0001795600400000211
)和用于变应性试验的试剂。
空心(即有孔)微针120可以用于直接注射试剂。对于经皮注射，空心微针120(或空心微针120阵列)可以刺穿皮肤的最外层(角质层)并释放试剂进入皮肤的真皮或表皮组织。在一些实施例中，微针120可以在不损坏或接触神经的情况下插入皮肤，使得插入无痛或者比插入传统的皮下针的疼痛要少。在一些实施例中，微针120可以在不接触真皮中的血管的情况下插入。
微针120阵列(或单个微针120)可附着于容器，诸如装有试剂的常规注射器或微型贮库(microreservoir)。膜可以移动或变形以给试剂加压，从而通过所述微针120的腔将其挤出。
使用图1A-1G中描述的方法制造的500μm高的原型微针120用于向猪皮中注射荧光珠。将微针120结合到1ml常规注射器的尖端。注射器填充有2.28μm荧光珠在水中的0.01重量％悬浮液。将微针120按压在皮肤上，并且向注射器柱塞施加大约2N的力5分钟。用水冲洗注射部位附近的皮肤表面并擦干。使用
Figure BDA0001795600400000212
C1共聚焦显微镜(Melville，NY)扫描皮肤内荧光珠的分布。注射部位的共聚焦扫描指示荧光珠输送至皮肤内250μm的深度。通过将荧光珠溶液施加到猪皮表面10分钟进行对照试验，清洗皮肤，并且然后对皮肤进行共聚焦扫描。对照测试在皮肤表面以下未显示任何荧光微球。这表明对荧光珠而言猪皮是不可渗透的并且所述原型微针120可能对药物，包括悬浮液的经皮输送有用。
使用图1A-1G中描述的方法制造的500μm高的原型镍微针120用于向猪皮注射荧光化疗药物(阿霉素(doxorubicin))。微针的背板粘附于经由柔性塑料毛细管连接到常规注射器的药物容器。注射器填充有阿霉素在水中的174μΜ溶液。将注射器置于商用注射器泵系统(来自Holliston，MA的KD ScienceTM)中。将所述微针120应用于剃毛猪皮样品。将泵设置成推动柱塞以产生0.2μL/分钟的恒定流量3分钟。该流量是基于一项使用硅微针调查经皮药物注射的效率的研究而选择的(UO Hafeli，等人，(2009)，Biomed.Microdevices，第11卷，第943-950页)，该研究发现在注射试验中通过每根针的平均输送速率为0.2μL/分钟。在注射后，清洁皮肤并且然后使用共聚焦显微镜扫描。共聚焦扫描显示阿霉素向下穿透到大约130μm的深度。
在一些实施例中，将试剂嵌入微针120的结构内和/或涂布在微针120表面，并且向皮肤中插入微针120导致试剂被转移到皮肤。微针120可以是实心或空心微针120。微针120可能不需要从它形成所用的模柱上移除。
应用2：穿孔设备
微针120可以用作在皮肤中穿孔(例如，产生孔、划痕、疤痕等)的穿孔设备。可以使用实心或空心微针120。通过包括冲压和滚压在内的任何适合方法可以将所述微针120施加于皮肤(例如将微针120阵列附着于滚筒上并将所述滚筒滚过皮肤区域)。
在为皮肤的区域穿孔之前和/或之后，可以将试剂施加到皮肤的区域。在皮肤中穿孔可以增加皮肤的渗透性并且可以提高试剂通过皮肤的摄取。
可以使用真空抽吸设备从穿孔皮肤提取生物液体(例如间质液和血液)。
应用3：感测
微针120可用于吸取一种或多种试剂。例如，空心微针120阵列可以用于穿透皮肤并吸取体液(例如含抗癌药物的间质液)。可以通过任何适合方法将所述液体主动地吸入微针120中，包括压力、电场、毛细力和通过载液在微针120内扩散。然后可以将所述液体引到一个或多个感测区。所述液体可以经由通道输送到感测区。感测区可位于与所述液体进入微针阵列一侧相反的微针阵列一侧。感测区可以包括任何适合传感器，包括光学的和电化学传感器。
应用4：材料沉积
微针129可以用于沉积材料(例如液体、粉末等)。微针120可以起到喷嘴的作用。可以从各个微针开口中喷射液体液滴(以类似于喷墨打印的方式)。可选地，可以从各个微针开口喷射液体射流。在相对较粘的液体的情况下，喷射可以形成相对较粘的射流。可以使用包括应用压力和电场在内的任何适合方法喷射材料。
可以从微针120阵列中喷射材料。可以同时从阵列的所有微针120喷射材料。微针120可以单独致动，以控制材料从每根单独微针120喷射。微针120可以成组致动，以控制材料从每组微针120喷射。从每根微针120喷射的材料可以与从其他微针120喷射的材料相同或者不同。从每根微针120喷射的材料可以随时间推移而变化。从微针120喷射的材料可以沉积到衬底上并且可以形成图案化结构。
应用5：电沉积
微针120可以用于通过电纺丝或电喷射沉积来沉积材料。可以在待喷射的材料和目标衬底(或目标衬底下方的电极)之间施加电场。所述材料可以在离开微针120之前与电极接触，或者微针120可以用作电极。还可以用正排量泵驱动所述材料。所述材料可以在其离开微针120时分解成液滴，或者其可以形成射流。电场可导致射流经历颤抖运动，拉伸射流。如果材料是聚合物溶液，则该溶剂可蒸发并留下非常薄的纤维。
应用6：燃烧
微针120可以用作用于液体或气体燃料的燃料注入器。可以通过微针120喷射燃料。该燃料可以包括能够相互反应的材料的混合物。该燃料可以与周围的空气或与离开其他微针120的物质反应。该燃料可以点燃。
应用7：纹身
微针120可以用于产生纹身。相对较短的微针120可以用于产生临时纹身。相对较长的微针120可以用于产生永久纹身。
应用8：成像
可以将微针120嵌入材料或组织内并成像。例如，微针阵列可以形成医疗设备(诸如仪器或植入物)的一部分，并且可将这种设备插入或植入到组织中。所述微针阵列可以通过任何适合成像过程成像，包括放射成像、x射线成像、计算机断层成像、荧光检查/血管造影成像及其任何组合。金属微针120可以具有良好的x射线造影特性。
虽然上面已经讨论了许多示例性方面和实施例，但本领域技术人员将认识到某些修改、变更、添加及其子组合。因此，其意图是将下面所附的权利要求书和此后介绍的权利要求解释为包括所有此类修改、变更、增加及子组合，如同在其真实的精神和范围内一样。

Claims (34)

1.一种制造微针的方法，该方法包括：
制造模柱；
在该模柱上形成一个或多个涂层，所述一个或多个涂层包括导电聚合物层；和
在该导电聚合物层上沉积金属层以提供第一微针；
其中，在该模柱上形成所述一个或多个涂层后，涂覆该模柱的一个或多个涂层的厚度在靠近衬底的区域相对较厚，而在离衬底较远的区域相对较薄。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述模柱上形成所述一个或多个涂层包括在所述模柱上沉积保护层，从而用所述保护层涂覆所述模柱，并在所述保护层上形成所述导电聚合物层，从而涂覆所述保护层。
3.根据权利要求2的制造微针的方法，其中在形成涂覆所述保护层的所述导电聚合物层之后，涂覆所述模柱的所述保护层和涂覆所述保护层的所述导电聚合物层的组合厚度在靠近衬底的区域相对较厚，而在距离衬底较远的区域相对较薄。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，涂覆所述保护层的所述导电聚合物层的厚度在靠近所述衬底的区域相对较厚，而在远离所述衬底的区域中相对较薄。
5.根据权利要求1所述的方法，其中制造所述模柱包括将光致抗蚀剂层施加到衬底上，通过掩模将所述光致抗蚀剂层的一部分暴露于光化辐射，并且在曝光之后，溶解至少一些所述光致抗蚀剂层以从所述衬底移除至少一些所述光致抗蚀剂层，以留下所述模柱。
6.根据权利要求2所述的方法，包括：
通过将至少所述金属层与所述模柱和所述保护层分开，从所述模柱中移除所述第一微针；和
在所述保护层上形成第二导电聚合物层以涂覆所述保护层，从而提供第二微针。
7.根据权利要求6所述的方法，其中在所述保护层上形成所述第二导电聚合物层以涂覆所述保护层并由此提供所述第二微针包括：
形成涂覆所述保护层的第二导电聚合物层；和
在所述第二导电聚合物层上沉积第二金属层以提供第二微针。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在形成涂覆所述保护层的第二导电聚合物层之后，涂覆所述模柱的层的厚度在靠近所述衬底的区域相对较厚并且在远离所述衬底的区域相对较薄，并且其中所述第二微针呈现相应的形状。
9.根据权利要求6所述的方法，其中通过将至少所述金属层与所述模柱和保护层分离而从所述模柱移除所述第一微针包括至少部分地溶解所述导电聚合物层，从而从所述保护层分离所述金属层。
10.根据权利要求5所述的方法，其中在所述模柱上形成所述一个或多个涂层包括在所述模柱上沉积保护层，从而用所述保护层涂覆所述模柱，并在所述保护层上形成所述导电聚合物层，从而涂覆保护层。
11.根据权利要求10的方法，包括：
通过将至少所述金属层与所述模柱和保护层分开，从所述模柱中取出所述第一微针；和
在所述保护层上形成第二导电聚合物层以涂覆所述保护层，从而提供第二微针。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在所述保护层上形成所述第二导电聚合物层以涂覆所述保护层，从而提供所述第二微针包括：
形成涂覆所述保护层的第二导电聚合物层；和
在所述第二导电聚合物层上沉积第二金属层以提供第二微针。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，在形成涂覆所述保护层的第二导电聚合物层之后，涂覆所述模柱的层的厚度在靠近所述衬底的区域相对较厚并且在远离所述衬底的区域相对较薄，并且其中所述第二微针呈现相应的形状。
14.根据权利要求11所述的方法，其中通过将至少所述金属层与所述模柱和所述保护层分离而从所述模柱移除所述第一微针包括至少部分地溶解所述导电聚合物层，从而从所述保护层分离所述金属层。
15.根据权利要求1所述的方法，包括：
通过将至少所述金属层与所述模柱和一个或多个涂层中的至少一个涂层分离，从所述模柱移除所述第一微针；
在所述一个或多个涂层中的至少一个涂层上形成第二导电聚合物层，从而提供第二微针。
16.根据权利要求15所述的方法，其中在所述一个或多个涂层中的至少一个涂层上形成所述第二导电聚合物层从而提供所述第二微针包括：
形成第二导电聚合物层，其涂覆所述一个或多个涂层中的至少一个涂层；和
在所述第二导电聚合物层上沉积第二金属层以提供第二微针。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，在形成涂覆所述一个或多个涂层中的至少一个涂层的所述第二导电聚合物层之后，涂覆所述模柱的所述层的厚度在更接近所述衬底的区域相对较厚，在更远离所述衬底的区域相对较薄，并且其中所述第二微针呈现相应的形状。
18.根据权利要求15所述的方法，其中通过将至少所述金属层与所述模柱和所述一个或多个涂层中的至少一个涂层分离而从所述模柱移除所述第一微针包括至少部分地溶解所述导电聚合物层，从而将所述金属层与所述一个或多个涂层中的至少一个涂层分开。
19.根据权利要求2所述的方法，其中形成涂覆所述保护层的导电聚合物层包括：
施加溶液以涂覆所述保护层，该溶液包含聚合物和溶解在溶剂中的导电颗粒；和
从所述模柱中蒸发所述溶剂，在所述模柱上留下所述导电聚合物层。
20.根据权利要求2所述的方法，其中形成涂覆所述保护层的导电聚合物层包括将所述导电聚合物层溶剂浇铸到所述保护层上。
21.根据权利要求1所述的方法，其中在所述一个或多个涂层上沉积所述金属层以提供所述第一微针包括：
将所述金属层电镀到所述导电聚合物层上；和
在所述电镀过程中使用所述导电聚合物层作为电极。
22.根据权利要求19所述的方法，其中在所述一个或多个涂层上沉积所述金属层以提供所述第一微针包括：
将所述金属层电镀到所述导电聚合物层上；和
在所述电镀过程中使用所述导电聚合物层作为电极。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的方法，其中，在所述模柱上形成所述一个或多个涂层之后，涂覆所述模柱的所述一个或多个涂层的厚度在更靠近所述衬底的区域相对较厚，在更远离所述衬底的区域相对较薄，并且其中所述第一微针呈现相应的形状。
24.根据权利要求1所述的方法，其中在所述模柱上形成一个或多个涂层，所述一个或多个涂层包括导电聚合物层，其包括：
施加溶液以涂覆所述模柱，该溶液包含聚合物和溶解在溶剂中的导电颗粒；和
从所述模柱蒸发所述溶剂，在所述模柱上留下所述导电聚合物层。
25.根据权利要求1所述的方法，其中在所述模柱上形成包括导电聚合物层的所述一个或多个涂层，包括将所述导电聚合物层溶剂浇铸到所述模柱上。
26.根据权利要求2,3,6-9,19,20和22中任一项所述的方法，其中将所述保护层沉积在所述模柱上从而用所述保护层涂覆所述模柱包括：
将聚合物溶解在溶剂中以提供保护层溶液；
将所述保护层溶液施加在所述模柱上以涂覆所述模柱；和
固化所述聚合物以由所述固化的聚合物形成所述保护层。
27.根据权利要求26所述的方法，其中将所述保护层溶液施加到所述模柱包括旋转浇铸所述保护层溶液。
28.根据权利要求26所述的方法，其中将所述保护层溶液施加到所述模柱包括溶剂浇铸所述保护层溶液。
29.根据权利要求26的方法，其中固化所述聚合物以由所述固化的聚合物形成所述保护层包括向所述聚合物施加电磁辐射。
30.根据权利要求26所述的方法，其中固化所述聚合物以由所述固化的聚合物形成所述保护层包括向所述聚合物施加热量。
31.根据权利要求26所述的方法，其中将所述保护层沉积在所述模柱上从而用所述保护层涂覆所述模柱还包括在固化之前从所述保护层溶液中蒸发所述溶剂以留下所述聚合物并由此用所述聚合物涂覆所述模柱。
32.根据权利要求31所述的方法，其中将所述保护层沉积在所述模柱上从而用所述保护层涂覆所述模柱包括：在从所述保护层蒸发所述溶剂之后，使用多个单独的烘烤步骤烘烤所述模柱和所述聚合物的组合，在一系列烘烤步骤中的每个连续烘烤步骤涉及更长的持续时间和更高的温度。
33.根据权利要求26所述的方法，其中将所述保护层沉积在所述模柱上从而用所述保护层涂覆所述模柱包括：在固化所述聚合物以从所述固化的聚合物形成所述保护层之前，使用多个单独的烘烤步骤烘烤所述模柱和聚合物的组合，在一系列烘烤步骤中的每个连续的烘烤步骤涉及不同的持续时间和不同的温度。
34.根据权利要求5所述的方法，包括在通过所述掩模将所述光致抗蚀剂层的部分暴露于光化辐射之后并且在溶解所述光致抗蚀剂层的至少一些之前，使用多个单独的方式烘烤所述衬底和所述光致抗蚀剂层的组合，在一系列烘烤步骤中的每个连续的烘烤步骤涉及更长的持续时间和更高的温度。
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