CN111467668B

CN111467668B - 一种基底具有微吸盘结构的微针阵列及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN111467668B
Application number: CN202010303773.2A
Authority: CN
Inventors: 赵远锦; 张筱萱; 王月桐
Original assignee: Nanjing Drum Tower Hospital
Current assignee: Nanjing Drum Tower Hospital
Priority date: 2020-04-17
Filing date: 2020-04-17
Publication date: 2020-10-23
Anticipated expiration: 2040-04-17
Also published as: CN111467668A

Abstract

本发明公开了一种基底具有微吸盘结构的微针阵列及其制备方法和应用，基底上设置有若干微吸盘结构，微吸盘结构为下凹的微米级小洞，微米级小洞内设有球状凸起，球状凸起的高度小于微米级小洞的高度；微吸盘结构与针尖之间通过交替排列或微吸盘结构包围针尖的方式排布。通过3D打印，可以制备出和微针阵列结构相同的微针模型；通过复制微针模型，可以得到具有相反结构的模板；通过向模板中填充微针阵列的原材料溶液并将其固化，最终可以得到基底具有微吸盘结构的微针阵列。所述微吸盘结构增强了微针阵列对于皮肤的贴附性能，使其能够牢固地粘附在皮肤上，并且这种微针阵列使用安全方便，适用范围广，可用于多种生物医学领域。

Description

一种基底具有微吸盘结构的微针阵列及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及生物医用材料领域，具体涉及一种基底具有微吸盘结构的微针阵列及其制备方法和应用。

背景技术

微针的概念在上世纪首次被提出，它由一系列微米尺度的针尖和一个支撑基底组成。微针可以刺穿表皮，在皮肤内部留下细小的通道，促进经皮给药的药物吸收和渗透；同时，微针几乎不会接触真皮层的毛细血管或神经末梢，产生的小创口可以快速愈合，微创、安全、无痛；此外，微针的使用很方便，可以由无专业经验的人员自行操作。

这些优点使得微针在药物递送、检测诊断等领域受到广泛关注。现在，已有各种各样的微针被开发出来，如实心金属微针、空心微针、溶胀微针、实心水凝胶微针等。在药物递送上，微针克服了传统口服药物利用率低、针对性差的缺点，避开了皮下注射针注射药物易感染、疼痛、不方便操作的劣势，实现了药物输送效率的提高和药物类型的扩展；在检测诊断上，微针可以提取皮肤组织间隙液中的成分，有望成为血液检测的一种临床替代方案。

提高微针阵列和皮肤的黏附是现在微针亟待改进的方面。现有大多数微针在皮肤上的贴附不牢固，很容易松动脱落，往往需要配合敷贴、医用胶带等辅助工具，不利于其实际使用。为此，已有一些针对于表面化学修饰微针阵列的方案被提出，然而，从微纳物理结构方面进行改进还从未被提出。

发明内容

本发明的目在于针对现有技术中的不足，提供一种基底具有微吸盘结构的微针阵列及其制备方法和应用。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种基底具有微吸盘结构的微针阵列，包括针尖和基底，所述的基底上设置有若干微吸盘结构，所述的微吸盘结构为下凹的微米级小洞，微米级小洞内设有球状突起；所述的微吸盘结构与针尖之间通过交替排列或微吸盘结构包围针尖的方式排布。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的微吸盘结构包围针尖具体是指：每4~6个微吸盘结构环绕包围1个针尖。

上述的针尖的半径为50~300 µm，长度为250~1000 µm，相邻针尖与微吸盘结构的间距为100~600 µm。

上述的微吸盘结构的半径为50~300 µm，高度为100~500 µm。

本发明还保护基底具有微吸盘结构的微针阵列的制备方法，包括以下步骤：

S1：自主设计基底具有微吸盘结构的微针阵列的结构，通过3D打印技术制备出和微针阵列结构相同的微针模型；

S2：将微针模型置于容器内，向容器中加入含有固化剂的聚二甲基硅氧烷使其完全覆盖微针模型，在65℃的温度下加热5h，待聚二甲基硅氧烷固化后将微针模型剥离，得到和微针模型具有相反结构的模板；

S3：将水凝胶溶液填充到模板中，使水凝胶溶液进行固化后将其从模板中拔出，即得到基底具有微吸盘结构的微针阵列；

其中，微针阵列包括针尖和基底，所述基底上设置有若干微吸盘结构，所述的微吸盘结构为下凹的微米级小洞，微米级小洞内设有球状突起；所述的微吸盘结构与针尖之间通过交替排列或微吸盘结构包围针尖的方式排布。

进一步地，步骤S3中，所述水凝胶包括丝素蛋白、聚乙二醇双丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯明胶、海藻酸钠、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、聚(N-异丙基丙烯酰胺)、羧甲基纤维素、甲基化透明质酸、壳聚糖、聚乳酸和聚乙烯醇中的一种或多种。

进一步地，所述的聚乙二醇双丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯明胶、甲基化透明质酸、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、聚(N-异丙基丙烯酰胺)通过添加2-羟基-2-甲基苯丙酮在紫外照射下聚合固化；所述的丝素蛋白、聚乳酸、聚乙烯醇通过溶剂蒸发固化；所述的海藻酸钠、羧甲基纤维素、壳聚糖通过离子诱导成胶固化。

本发明还保护所述的基底具有微吸盘结构的微针阵列在制备药物传递或标记物材料检测材料中的应用。

本发明的有益效果在于：

1）本发明设计并开发了一种基底具有微吸盘结构的微针阵列，从赋予微针阵列特殊的微纳结构入手，当所述微针阵列被按压在皮肤上时，其微吸盘结构内的空气被挤出，形成负压环境，从而增强了微针阵列对皮肤的粘附性。

2）本发明设计的微针阵列通用性好，适用范围广，生物安全性高，有望用于多种生物医学领域。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的基底具有微吸盘结构的微针阵列和其对应模板的示意图。

图2为本发明实施例2制备的基底具有微吸盘结构的微针阵列和其对应模板的示意图。

图3为实施例2制备的微吸盘结构和微针针尖结构的扫描电子显微镜截面图。

图4为本发明制备的基底具有微吸盘结构的微针阵列和普通的微针阵列对猪皮粘附力的柱状统计图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。实施例中未注明具体条件的，按照本领域熟知的常规条件或制造商建议的条件进行，所用仪器或试剂未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

一种基底具有微吸盘结构的微针阵列，包括针尖和基底，所述的基底上设置有若干微吸盘结构，所述的微吸盘结构为下凹的微米级小洞，微米级小洞内设有球状凸起，球状凸起的高度小于微米级小洞的高度；所述的微吸盘结构与针尖之间通过交替排列或微吸盘结构包围针尖的方式排布。

本实施例中，所述的微吸盘结构包围针尖具体是指：每4~6个微吸盘结构环绕包围1个针尖。

本实施例中，所述针尖的半径为50~300 µm，长度为250~1000 µm，相邻针尖与微吸盘结构的间距为100~600 µm。

本实施例中，所述微吸盘结构的半径为50~300 µm，高度为100~500 µm。

一种基底具有微吸盘结构的微针阵列的制备方法，包括以下步骤：

其中，微针阵列包括针尖和基底，所述基底上设置有若干微吸盘结构，所述的微吸盘结构为下凹的微米级小洞，微米级小洞内设有球状凸起，球状凸起的高度小于微米级小洞的高度；所述的微吸盘结构与针尖之间通过交替排列或微吸盘结构包围针尖的方式排布，其中，本发明在微米级小洞中设置球状凸起，这种球状凸起使得基底的表面形成微纳结构，所述微针阵列被按压在皮肤上时，其微吸盘结构内的空气被挤出，形成负压环境，从而增强了微针阵列对皮肤的粘附性。

本实施例中，步骤S3中，所述水凝胶包括丝素蛋白、聚乙二醇双丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯明胶、海藻酸钠、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、聚(N-异丙基丙烯酰胺)、羧甲基纤维素、甲基化透明质酸、壳聚糖、聚乳酸和聚乙烯醇中的一种或多种。

本实例中，所述的聚乙二醇双丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯明胶、甲基化透明质酸、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、聚(N-异丙基丙烯酰胺)通过添加2-羟基-2-甲基苯丙酮在紫外照射下聚合固化；所述的丝素蛋白、聚乳酸、聚乙烯醇通过溶剂蒸发固化；所述的海藻酸钠、羧甲基纤维素、壳聚糖通过离子诱导成胶固化。

实施例1

微吸盘结构和微针针尖交替排列的微针阵列的制备

（1）首先设计微针阵列的结构，其结构具体为：微吸盘结构和微针针尖交替排列，微吸盘结构为下凹的微米级小洞，微吸盘结构半径为300 µm、高度为250 µm，微吸盘结构内设置球状凸起，球状凸起的高度低于微吸盘结构的高度，微针针尖的半径为300 µm，长度为1000 µm，相邻微针针尖和微吸盘结构的间距为500 µm，然后，通过3D打印技术，制备出和微针阵列结构相同的微针模型；

（2）将微针模型置入容器内，向其中加入4mL含有10%固化剂的聚二甲基硅氧烷使其完全覆盖微针模型，65℃的温度下加热5 h，待聚二甲基硅氧烷固化后将微针模型剥离，即得到和微针模型具有相反结构的模板；

（3）配置300 µL30%（w/v）的丝素蛋白水溶液，用移液枪加在上述模板表面，真空处理4min，使得丝素蛋白水溶液在模板中充分装填；将上述填充后的模板室温静置，干燥24小时，待丝素蛋白溶液固化后将其从模板中拔出，即可得到基底具有微吸盘结构的微针阵列。参见图1，其中，A为微针阵列的结构示意图，B为其对应模板的机构示意图。

实施例2

微针针尖被6个微吸盘结构包围的微针阵列的制备

（1）首先设计微针阵列的结构，其结构具体为：微针针尖被6个微吸盘结构包围，微吸盘结构为下凹的微米级小洞，微吸盘结构的半径为150 µm、高度为120 µm，微吸盘结构内设置球状凸起，球状凸起的高度低于微吸盘结构的高度，微针针尖的半径为150 µm，长度为650 µm，相邻微针针尖和微吸盘结构的间距为200 µm；然后，通过3D打印技术，制备出和微针阵列结构相同的微针模型；

（2）将微针模型置入容器内，向其中加入4 mL含有10%固化剂的聚二甲基硅氧烷使其完全覆盖微针模型，65℃的温度下加热5 h，待聚二甲基硅氧烷固化后将微针模型剥离，即得到和微针模型具有相反结构的模板；

（2）配置500 µL 50%（v/v）聚乙二醇双丙烯酸酯和1%（v/v）2-羟基-2-甲基苯丙酮的水凝胶溶液，用移液枪加在上述模板表面，真空处理8 min，使得水凝胶溶液在模板中充分装填；将上述填充后的模板置于紫外光下照射20s，待水凝胶溶液固化后将其从模板中拔出，即可得到基底具有微吸盘结构的微针阵列。参见图2，其中，A为微针阵列的结构示意图，B为其对应模板的机构示意图。参见图3，是微针阵列截面的扫描电子显微镜图，由图可知，已经制备出具备微吸盘结构的微针阵列。

应用例1

将新鲜猪皮切成若干3×2平方厘米的小块，并固定在电子测力计（HP-500,Handpi®）的底座上。分别将普通的微针阵列和实施例2制备的基底具有微吸盘结构的微针阵列按压在猪皮小块上，微针阵列的边缘粘在电子测力计的自由端。自由端以0.1 mm/s的速度上移，使得微针阵列和猪皮缓慢分离，此过程中和电子测力计的配套的软件记录自由端的拉力。通过将记录的拉力值除以微针阵列和猪皮小块的接触面积，可以计算出剥离粘附力的值。结果如图4所示，和普通的微针阵列相比，基底具有微吸盘结构的微针阵列的剥离粘附力为0.81852N/cm²，相比于普通微针阵列的0.32292 N/cm²，明显提高。因此，使用本发明制备的基底具有微吸盘结构的微针阵列，可以提高微针的黏附特性。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，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。

Claims

1.一种基底具有微吸盘结构的微针阵列，包括针尖和基底，其特征在于：所述的基底上设置有若干微吸盘结构，所述的微吸盘结构为下凹的微米级小洞，微米级小洞内设有球状凸起，球状凸起的高度小于微米级小洞的高度；所述的微吸盘结构与针尖之间通过交替排列或微吸盘结构包围针尖的方式排布。

2.根据权利要求1所述的一种基底具有微吸盘结构的微针阵列，其特征在于：所述的微吸盘结构包围针尖具体是指：每4~6个微吸盘结构环绕包围1个针尖。

3.根据权利要求1所述的一种基底具有微吸盘结构的微针阵列，其特征在于：所述针尖的半径为50~300µm，长度为250~1000µm，相邻针尖与微吸盘结构的间距为100~600µm。

4.根据权利要求1所述的一种基底具有微吸盘结构的微针阵列，其特征在于：所述微吸盘结构的半径为50~300µm，高度为100~500µm。

5.一种基底具有微吸盘结构的微针阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

其中，微针阵列包括针尖和基底，所述基底上设置有若干微吸盘结构，所述的微吸盘结构为下凹的微米级小洞，微米级小洞内设有球状凸起，球状凸起的高度小于微米级小洞的高度；所述的微吸盘结构与针尖之间通过交替排列或微吸盘结构包围针尖的方式排布。

6.根据权利要求5所述的基底具有微吸盘结构的微针阵列的制备方法，其特征在于：步骤S3中，所述水凝胶包括丝素蛋白、聚乙二醇双丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯明胶、海藻酸钠、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、聚(N-异丙基丙烯酰胺)、羧甲基纤维素、甲基化透明质酸、壳聚糖、聚乳酸和聚乙烯醇中的一种或多种。

7.根据权利要求6所述的基底具有微吸盘结构的微针阵列的制备方法，其特征在于：所述的聚乙二醇双丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯明胶、甲基化透明质酸、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、聚(N-异丙基丙烯酰胺)通过添加2-羟基-2-甲基苯丙酮在紫外照射下聚合固化；所述的丝素蛋白、聚乳酸、聚乙烯醇通过溶剂蒸发固化；所述的海藻酸钠、羧甲基纤维素、壳聚糖通过离子诱导成胶固化。