CN112191964B - 一种直接利用刮胡刀片制备三维金属微针阵列的方法 - Google Patents

Abstract

一种直接利用刮胡刀片制备三维金属微针阵列的方法，首先，采用双面刮胡刀片作为微针制备坯料，加工夹持工装，将刀片交替堆放于夹持工装凹槽内。其次，根据微针阵列的形状和尺寸对刀片进行切割，得到半片型或整片型微针片，取出加工好的微针片待用。再次，针对半片型和整片型微针阵列的封装设计并加工三维微针阵列封装夹具，将微针片和垫片间隔放入封装结构，通过螺栓紧固得到三维微针阵列。本发明充分利用常规刮胡刀片的结构特性，制造工序少、成本低、效率高，针尖尖锐，适合大批量制造；所设计的加工工装使刀片在刀刃部分交替堆放，尽量减小各片之间的间隙，提高加工精度；配套封装结构使用简单，携带方便，可拆卸清洗消毒，能重复使用。

Description

一种直接利用刮胡刀片制备三维金属微针阵列的方法

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域与机械加工领域，涉及一种三维金属微针阵列及其制备方法。

背景技术

口服给药、注射给药和经皮给药是目前最为常用的三种给药方式，这三种输药方式各有优劣。如口服给药存储、携带和使用都极为方便，但因药物需经过胃肠道及肝脏等组织器官，肠道灭活及肝脏“首过效应”会使部分药物被代谢掉，吸收效率大为降低，而有些药物则会对肠胃产生不良刺激等副作用，从而限制了口服给药的应用范围，尤其不适合用于蛋白质、胰岛素以及DNA等类型的药物输送。注射给药的主要优点是药物吸收快，血药浓度迅速升高，适用于因各种原因不宜口服给药的病人，但注射给药会造成一定程度的组织损伤，可引起疼痛及潜在并发症的发生。此外，血药浓度的快速上升和之后的快速下降不利于药物长时间连续稳定释放此外，而且因药物吸收快，某些药物的不良反应出现迅速，处理相对困难。经皮给药是指将药物直接贴敷在皮肤表面并通过皮下毛细血管吸收后进入人体血液循环并达到有效血药浓度、实现疾病治疗或防御的一种输药方法。相比口服给药与注射给药，经皮给药具有以下优点：(1)避免了肝脏与胃肠道对药物的破坏作用，提高了药物的生物利用度；(2)对药物具有缓释作用，可实现长效可控给药；(3)血药水平稳定，提高了药物的疗效；(4)避免了对胃肠道的刺激作用，降低了药物的毒副作用；(5)可实现无痛、无创或微创给药；(6)使用简单方便，无需专业人员操作。因为具有这些优点，经皮给药技术受到国内外研究人员的广泛关注。然而，因为皮肤最外层有厚度约为10～20微米的角质层，在保护人体面授外界侵袭的同时也成为药物经皮传输的重要障碍，导致经皮给药输药剂量较小、输药效率相对较低以及输药品种有限等。

为了提升经皮输药效率并扩充输药种类，人们已尝试不同方法，如使用各种促透剂的化学法，采用离子导入、超声导入、电致孔法以及微粉超音速喷射等物理方法。近年来，随着现代微纳米加工技术的飞速发展，一种被称之为微针的新型经皮给药促进方法正受到人们越来越多的关注。微针(Microneedle,MN)一般是指长度在几十微米到几毫米，尖端直径在几十微米以下的微型针头。利用微针刺破皮肤表层，形成微米级的药物输送微通道(比一般药物分子尺寸大一个数量级)，可以显著提高经皮给药的输药效率并极大扩充可经皮给药的种类。由于微针尺寸非常微小，可以只刺破不含神经的皮肤角质层而基本不触及富含神经和血管的皮肤深层组织，刺入过程产生的疼痛感和创伤都远远小于传统注射给药，从而可实现无痛、无创或微创给药。若再结合其它微流体控制系统，微针还可以实现长效可控给药。经过特殊设计后结合相应的微流体控制和分析系统，微针还可以用于人体无痛微量生化采用分析。因此，微针相关研究已成为医疗领域的热门研究方向之一。

目前国内外的微针主要有硅微针、玻璃微针、陶瓷微针、金属微针、水凝胶微针、聚合物微针以及糖等(如麦芽糖、乳糖等)。在这些微针当中，硅因为相应的光刻、干法刻蚀、湿法刻蚀等加工技术已较为成熟，而且材料硬度较高，易于刺入皮肤，所以常被用作微针材料。然而，硅微针加工时对环境洁净程度要求高，加工效率较低，相应的费用也较高，所以还无法满足批量生产的要求。此外，硅作为一种典型的脆性材料，若设计不合理、加工有缺陷或使用过程中受到较大应力时都容易发生断裂破坏，而且由于硅的生物相容性不好，断裂后残留在皮肤内的碎片可能引起不良反应，严重时这些微小碎片还有可能进入血管和心脏，引起一些更恶劣的后果，像玻璃、陶瓷等脆性材料也存在类似问题。聚合物通常具有更好的生物相容性和韧性，用于制造微针一方面可以减少机体的排异反应，另一方面能够确保微针刺入皮肤不发生断裂破坏，但由于聚合物材料的硬度和刚度通常较低，刺入皮肤或人体组织的过程中针尖容易发生屈曲破坏，导致无法刺破皮肤，所以应用也受到一定限制。金属微针相比较而言，韧性好、强度高，而且像不锈钢、钛合金等金属的生物安全性已经过长期验证，所以被认为是微针的首选材料之一。目前金属微针的加工手段颇为丰富，有化学刻蚀、紫外光刻、微铣削、激光切割、电镀等，但这些加工方法都存在加工精度低、加工效率低而成本高等缺点，难以满足批量生产要求。本团队曾提出一种基于线切割的平面金属微针阵列的设计和制备方法，具有效率高、制备简单、成本低、精度可控等优点，适合批量生产，但微针是由金属薄片切割而来，沿厚度方向的尺寸不变，针尖只能依靠宽度方向的变化变得尖锐，影响了微针针尖的总体尖锐程度，导致微针刺入皮肤时所需的力偏大，不利于充分发挥微针无痛、微创等方面的优势。此外，由于作为原料的金属薄片往往都是大尺寸的，使用前需要加工成小尺寸薄片，增加了工序和成本。

发明内容

针对现有微针制造技术中存在的问题，本发明提供一种直接利用刮胡刀片制备三维金属微针阵列的新方法，即微针原料直接采用不锈钢刮胡刀片，直接利用其刀刃部分的局部厚度变化，再通过专门的加工工艺制成沿宽度方向变化的针尖，从而使所加工出的微针沿厚度和宽度方向都逐渐变得尖锐，大幅提高金属微针针尖的尖锐程度，降低刺入力，减小疼痛和创伤。此外，由于常规刮胡刀片已形成产业规模，价格低廉、做工优良，可以有效降低本发明技术的成本而提高产品性能。然而，由于刀片刀刃部分沿厚度方向是变化的，多片刀片若只进行简单堆叠，其刀刃部分相互之间必然出现较大空隙，切割加工时会影响精度，本发提了出专门的解决方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种直接利用双面刮胡刀片制备三维金属微针阵列的制备方法，首先，采用双面刮胡刀片作为微针制备坯料，加工夹持工装，将刀片交替堆放于夹持工装凹槽内。其次，根据微针阵列的形状和尺寸对刀片进行切割，得到半片型或整片型微针片，取出加工好的微针片待用。再次，针对半片型和整片型微针阵列的封装设计并加工三维微针阵列封装夹具，将微针片和垫片间隔放入封装结构，通过螺栓紧固得到三维微针阵列。具体包括以下步骤：

第一步，采用双面刮胡刀片1作为微针阵列加工的微针坯料。

第二步，设计并加工专用的刀片夹持工装，工装由上盖板2和下盖板3组成，采用强度和硬度都较高的金属材料，每块金属盖板的总厚度3～10毫米，盖板在中间沿长度方向设置与刀片1长度一致的凹槽，凹槽的深度1～5毫米，一方面可以利用凹槽对刀片1进行长度方向的限位，另一方面厚度方向便于放置足够数量的刀片，从而提高加工效率。所述上、下盖板上加工出用于刀片后续打孔用的通孔2-1和3-1；在下盖板3上加工用于刀片定位用的专用结构3-2，该结构的尺寸应与刀片1上原有的镂空结构匹配，同时在上盖板2上加工出与2-2匹配的定位槽；在工装上、下盖板上加工出用于后续对刀片刀刃进行切割的缝隙2-3和3-3，缝隙尺寸应与刀片刀刃的尺寸匹配；在工装上、下盖板上加工出用于后续对刀片进行对半分割用的缝隙2-4和3-4，缝隙尺寸和位置刀片原有中间两侧未镂空部分的尺寸和位置匹配；在工装上、下盖板上加工出用于后续螺栓紧固用的通孔2-5和3-5，孔的尺寸和位置应与刀片原有中间镂空部分的尺寸和位置匹配；上述各结构的设计应与刀片尺寸和结构匹配，最关键的是沿宽度方向左右两侧能同时放置两组刀片，而且使两侧刀片刀刃部分在2-3和3-3缝隙处相互交叠，使刀刃之间相互压实，从而提高后续切割加工的精度。在盖板外侧，要确保刀刃不露出，从而保护刀刃和后续将加工出的微针针体。

第三步，将一定数量的未加工的刀片1放置在前述工装盖板2和3之内，放置时应左右交替摆放，使刀刃部分重叠于2-3和3-3缝隙处，然后用螺栓4对整个工装进行紧固封装，以备后续加工。

第四步，设计刀片微针阵列的几何形状和尺寸，所述的微针阵列由常规刮胡刀片基体5、微针针体5-1和用于封装用的通孔5-2构成；基片5与针体5-1处于同一平面；每个微针针体5-1的形状可根据需要设计，包括但不限于三角形、剑形，结合刮胡刀片1的实际刀刃的尺寸，每个微针针体5-1根部的宽度应取为50～500微米，高度为100～800微米，厚度为刀片自身厚度；相邻两个微针针体5-1之间的间距取0.25～10毫米，刀片单侧的微针针体个数为3～100根，根据需要调整。第五步，根据微针阵列类型和后续封装要求，确定刀片上用于后续封装用的通孔位置和数量，其中半片型微针阵列(切割加工后的刀片对半切分为两片，每片为半片型微针阵列)采用三孔，整片型微针阵列采用两孔。

第六步，将第三步封装好的刮胡刀片1，按照第四步设计的方案进行切割，切割方法包括但不限于激光切割、超细电火花切割、线切割，其中激光切割和超细电火花切割适合于单片切割，效率较低，线切割则适用于多片，一次可加工10～300片不等。具体加工时应先加工针体针尖部分，并保证其精度，然后再对针体根部进行加工。在微针针体5-1切割过程完成后，按照第五步确定的方案进行定位孔的加工，当加工半片型微针时，还需在2-4和3-4对应位置处对刀片5进行整体对半切割，最终得到加工好的半片型微针片。

第七步，将第六步加工好的刀片5从加工工装2和3中卸下，进行清洗、烘干备用。

第八步，设计并加工微针阵列的封装夹具，夹具分为半片型和整片型两种。

所述的半片型微针阵列封装夹具包括两块盖板：分别为上盖板主体6和下盖板主体7，材质采用较硬的聚合物或轻质金属；上盖板主体6上分别设置定位孔6-1、螺栓孔6-2、用于后续保护盖装卡用的卡凸6-3、用于定位用的块状凸起结构6-4；在下盖板主7上设置与定位孔6-1配对使用的定位柱7-1，与螺栓孔6-2配对使用的螺栓7-2、与6-3配对使用且用于后续保护盖装卡用的卡凸7-3，与块状凸起结构6-4配对使用的定位卡槽7-4。

所述的整片型微针阵列封装夹具也包括两块盖板：分别为上盖板主体10和下盖板主体11，材质采用较硬的聚合物或轻质金属；上盖板主体10上分别设置用于后续保护盖装卡用的卡凸10-1、用于定位用的块状凸起结构10-2、螺栓孔10-3和定位孔10-4；在下盖板主体11上设置与10-1配对使用且用于后续保护盖装卡用的卡凸11-1、与凸起结构10-2配对使用的定位卡槽11-2、与螺栓孔10-3配对使用的螺栓11-3、与定位孔10-4配对使用的定位柱11-4。

第九步，根据微针类型(半片型和整片型)设计并加工用于各微针片间调整间距用的专用垫片8或12，垫片采用轻质塑料制备，垫片厚度0.5～5毫米，垫片上设计并加工专门的定位孔和定位槽。

第十步，将第七步处理好的微针片放置到第八步加工好的封装结构当中，同时各微针片之间加入第九步加工好的垫片，用来调整各微针片之间的间距，微针片的数量1～100片，采用螺栓9进行预紧封装，供实际使用。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)直接采用技术已极为成熟、成本极为低廉的普通刮胡刀片，大幅减少了加工工序，降低了成本，适合大批量、低成本制造。

(2)可以充分利用刮胡刀片锋利的刃口，再结合后续加工中在宽度方向形成的锋利尺寸，可以使微针针尖在两个方向都能保持锋利，大幅减小刺入时的阻力，大幅提高使用安全性。

(3)通过设计专门的加工工装提供良好的压力对刀片进行压实，同时采用刀片交替堆叠的方式尽可能减小刀刃处的空隙，大幅减小针体加工时的稳定性，从而提高加工精度。

(4)本发明设计的封装结构，充分利用了刮胡刀片本身已有的结构，大幅减小封装结构的复杂性，可以很方便地进行安装和拆卸，从而实现封装结构和微针片的分离存储和消毒，可进行重复使用，极大提高携带、存储和使用的便捷性，大幅降低使用和维护成本。与此同时，可以根据需要灵活调整微针片的数量，从而满足不同输药要求。

附图说明

图1为切割前的双面刮胡刀片；

图2为微针加工夹持工装上盖板的主视图；

图3为微针加工夹持工装上盖板的俯视图；

图4为微针加工夹持工装上盖板的侧视图；

图5为微针加工夹持工装下盖板的主视图；

图6为微针加工夹持工装下盖板的俯视图；

图7为微针加工夹持工装下盖板的侧视图；

图8为刀片放入夹持工装中并通过螺栓连接上下盖板后的主视图；

图9为刀片放入夹持工装中并通过螺栓连接上下盖板后的俯视图；

图10为刀片放入夹持工装中并通过螺栓连接上下盖板后的侧视图；

图11刀片经切割加工并对半切分为两片(半片型)微针阵列后的示意图(针尖处进行了部放大)；

图12刀片经切割加工成整片型微针阵列示意图(针尖处为局部放大)；

图13为针尖加工时的切割路径；

图14为用于组装半片型微针阵列的专用封装结构上盖板主视图；

图15为用于组装半片型微针阵列的专用封装结构上盖板俯视图；

图16为用于组装半片型微针阵列的专用封装结构上盖板侧视图；

图17为用于组装半片型微针阵列的专用封装结构下盖板主视图；

图18为用于组装半片型微针阵列的专用封装结构下盖板俯视图；

图19为用于组装半片型微针阵列的专用封装结构下盖板侧视图；

图20为用于封装半片型微针阵列时调整间距用的专用垫片；

图21为半片型微针阵列封装后的结构主视图；

图22为半片型微针阵列封装后的结构俯视图；

图23为半片型微针阵列封装后的结构侧视图；

图24为用于组装整片型微针阵列的专用封装结构上盖板主视图；

图25为用于组装整片型微针阵列的专用封装结构上盖板俯视图；

图26为用于组装整片型微针阵列的专用封装结构上盖板侧视图；

图27为用于组装整片型微针阵列的专用封装结构下盖板主视图；

图28为用于组装整片型微针阵列的专用封装结构下盖板俯视图；

图29为用于组装整片型微针阵列的专用封装结构下盖板侧视图；

图30为用于封装整片型微针阵列时调整间距的专用垫片；

图31为整片型微针阵列封装后的结构主视图；

图32为整片型微针阵列封装后的结构俯视图；

图33为整片型微针阵列封装后的结构侧视图。

图中：

1双面刮胡刀片；1-1刀刃部分；1-2刀片原有镂空部分。2上盖板；2-1上盖板预留通孔；2-2上盖板定位槽；2-3上盖板预留缝隙；2-4上盖板缝隙；2-5上盖板通孔。3下盖板；3-1下盖板预留通孔；3-2下盖板凸起结构；3-3下盖板预留缝隙；3-4下盖板缝隙；3-5下盖板通孔。4上下盖板连接螺栓。5刀片基体；5-1微针针体；5-2刀片通孔。6半片型上盖板主体；6-1半片型上盖板通孔；6-2半片型上盖板通孔；6-3半片型上盖板卡凸；6-4凸起结构。7半片型下盖板主体；7-1半片型下盖板柱状结构；7-2半片型下盖板紧固螺栓；7-3半片型下盖板卡凸；7-4半片型下盖板卡槽。8半片型垫片；8-1垫片通孔；8-2垫片定位槽。9螺母。10整片型上盖板主体；10-1整片型上盖板卡凸；10-2整片型上盖板凸起结构；10-3整片型上盖板紧固螺栓孔；10-4整片型上盖板通孔。11整片型下盖板主体；11-1整片型下盖板卡凸；11-2整片型上盖板卡槽；11-3整片型下盖板紧固螺栓；11-4整片型下盖板柱状结构。12整片型垫片；12-1垫片定位孔；12-2垫片定位槽。

具体实施方式

本发明实施例仅用于说明并解释本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

图1～图33是本发明的结构示意图，图1中包括切割前的双面刮胡刀片1、刀片刀刃部分1-1、刀片原有镂空部分1-2。图2、图3、图4中包括微针加工夹持工装上盖板的主体2、上盖板中用于刀片打孔用的预留通孔2-1、上盖板上用于刀片定位专用结构插入的定位槽2-2、上盖板上用于对刀片刀刃进行切割用的预留缝隙2-3、上盖板上预留用于将刀片对半切割用的缝隙2-4、上盖板用于螺栓连接的通孔2-5。图5、图6、图7中包括微针加工夹持工装下盖板的主体3，与2配对使用；盖板上用于刀片打孔用的预留通孔3-1，与2-1匹配的；下盖板上用于刀片定位的凸起结构3-2，与2-2匹配；下盖板上用于对刀片刀刃进行切割用的预留缝隙3-3，与2-3匹配；下盖板上预留用于将刀片对半切割用的缝隙3-4，与2-4匹配；下盖板上用于螺栓连接的通孔3-5，与2-5匹配。针加工夹持工装上下盖板连接螺栓4。图10～图13中包括切割后的刀片基体5；刀片上切割好的微针针体5-1(尺寸有所放大)；刀片上加工出的通孔5-2，用于后续三维微针阵列的封装固定。图14～图16中包括半片型微针阵列专用封装结构中的上盖板主体6，半片型微针阵列专用封装结构中上盖板上用于定位的通孔6-1，半片型微针阵列专用封装结构中上盖板上用于螺栓紧固的通孔6-2，半片型微针阵列专用封装结构中上盖板上预留用于微针阵列整体保护盖固定用的卡凸6-3，半片型微针阵列专用封装结构中上盖板中用于微针片定位用的专用凸起结构6-4。图17～图19中包括半片型微针阵列专用封装结构中的下盖板主体7，与6配对；半片型微针阵列专用封装结构中下盖板上用于定位的柱状结构7-1，与6-1匹配；半片型微针阵列专用封装结构中下盖板上的紧固螺栓7-2，与6-2匹配；半片型微针阵列专用封装结构中下盖板上预留用于微针阵列整体保护盖固定用的卡凸7-3；半片型微针阵列专用封装结构中下盖板中用于微针片定位的专门卡槽7-4，与6-4匹配。图20中包括半片型微针封装定位和调整各微针片之间间距用的专用垫片主体8，垫片上的通孔8-1，与6-4匹配的垫片中的定位槽8-2。通过三维微针阵列封装结构紧固用的螺母9紧固。图24～图26中包括整片型微针阵列专用封装结构中的上盖板主体B10，整片型微针阵列专用封装结构中上盖板上预留用于微针阵列整体保护盖固定用的卡凸10-1，整片型微针阵列专用封装结构中上盖板中用于微针片定位用的专用凸起结构10-2，整片型微针阵列专用封装结构中上盖板上的紧固螺栓孔10-3，整片型微针阵列专用封装结构中上盖板上用于定位的通孔10-4。图27～图29中包括整片型微针阵列专用封装结构中的下盖板主体11，与10配对；整片型微针阵列专用封装结构中下盖板上预留用于微针阵列整体保护盖固定用的卡凸11-1；整片型微针阵列专用封装结构中上盖板中用于微针片定位的专门卡槽11-2，与10-2匹配；整片型微针阵列专用封装结构中下盖板上的紧固螺栓11-3，与10-3匹配；整片型微针阵列专用封装结构中下盖板上用于定位的柱状结构11-4，与10-4匹配。图30中包括整片型微针封装定位和调整各微针片之间间距用的专用垫片12，垫片中的定位孔12-1，垫片中的定位槽12-2。以下结合附图详细描述本发明的技术方案。

包括以下步骤：直接采用常规双面刮胡刀片作为微针制备坯料；设计并加工由上下两块金属盖板组成的夹持工装，工装上下盖板内设有与刮胡刀片尺寸匹配的凹槽，凹槽沿长度方向与刀片长度一致，宽度方向与两倍的刀片宽度相当，其中一块盖板上设有紧固螺栓、用于刀片打孔用的通孔以及刀片加工定位用的凸起结构，另一盖板上也设有紧固螺栓、用于刀片打孔用的通孔以及与另一盖板上定位结构匹配的定位槽；将一定数量的刮胡刀片放置于凹槽内，采取交替堆放的方式一次摆放，使刀刃部分重叠，通过螺栓紧固；设计刀片微针阵列的几何形状和尺寸，分为半片型和整片型两种；按照设计的形状和尺寸对工装内的刀片进行切割，切割时先保证微针针尖的精度，然后再切割针体根部，最终得到半片型或整片型微针片；加工完成后拆卸工装，对加工好的微针片进行清洗烘干待用；针对半片型和整片型微针阵列的封装设计并加工专门的三维微针阵列封装夹具，两种夹具都由两块盖板构成，其中一块盖板上设置有定位孔、螺栓通孔和凸起的定位结构，另一盖板上则设计有与之配到的定位孔、螺栓和定位槽；设计加工用于调节各微针片间距用的垫片，垫片上有通孔和定位槽；将一定数量的微针片和垫片间隔放入封装结构，通过螺栓紧固，得到三维微针阵列。

具体实施例如下：

实施例1：制备半片型微针阵列

S1：微针原料直接采用双面刮胡刀片1(如飞鹰牌74-C或74-S系列双面刀片，吉列超级蓝双面刀片等)，其外轮廓长约43毫米，宽约22毫米，刀刃部分1-1的宽度约0.5毫米。

S2：加工专用的刀片夹持工装用于刀片加工

工装结构由上下两块盖板组成，上盖板分别如图2、图3和图4所示，下盖板分别如图5、图6和图7所示。盖板采用强度和硬度都较高的不锈钢材料。每块盖板整体长度83毫米。整体宽度46毫米，使两边的刀片在中间有约0.3～0.5毫米的重叠，但外侧刀刃藏于盖板之内，防止加工过程中破坏刀刃或加工好的针尖。每块盖板整体厚度8毫米，然后在上下盖板中间都加工出与刀片长度一致的凹槽(43毫米)，凹槽深度3毫米。在工装上、下盖板上加工出用于刀片后续打孔用的通孔2-1和3-1，本实施例中这些通孔孔径取为5毫米；在下盖板3上加工用于刀片定位用的专用结构3-2，该结构的尺寸应与刀片1上原有的镂空结构匹配，同时在上盖板2上加工出与2-2匹配的定位槽，本实施例中其长度取为10毫米，宽度3.2毫米，确保与刀片中间镂空结构紧密贴合，结构高度20毫米；在工装上、下盖板上加工出用于后续对刀片刀刃进行切割的缝隙2-3和3-3，缝隙尺寸应与刀片刀刃的尺寸匹配，同时便于加工，本实施例中缝隙宽度1.2毫米，长度40毫米；在工装上、下盖板上加工出用于后续对刀片进行对半分割用的缝隙2-4和3-4，缝隙尺寸和位置刀片原有中间两侧未镂空部分的尺寸和位置匹配，本实施例中取其长度为8毫米，宽度1毫米；在工装上、下盖板上加工出用于后续螺栓紧固用的通孔2-5和3-5，孔的尺寸和位置应与刀片原有中间镂空部分的尺寸和位置匹配，本实施例中，孔的直径取5毫米。

S3：将100片刮胡刀片一侧各50片交替放置在下盖板1的凹槽内，刀片中间镂空部分套入定位结构1-2之上，使刀刃1-1处于图10所示的交替堆叠的状态，装好之后再盖上上盖板2，然后用螺栓4按照图8、图9和图10所示方式进行紧固封装。

S4：根据需要设计微针阵列中针体的几何形状、尺寸、根数、间距以及高度等参数，加工前的刀片如图1所示，本实施例中微针针体形状为剑形，针体5-1高度350微米，针体根部宽度200微米，厚度方向的尺寸即为刀片自身厚度，即根部约200微米，往尖端逐步变薄，单片基体上一侧的微针根数为13根，间距2.8毫米，如图11所示。

S5：按照S4设计的微针针体特点，本实施例中采用线切割方法对如图8、图9和图10所示封装好的刮胡刀片刃口进行切割，切割过程始终保持工装本身的完整性，以备后续重复使用。具体加工时还应先加工针体5-1针尖部分，并保证其精度，针尖加工时走丝路径如图13所示，针尖加工完成后然后再对针体根部进行加工。最后加工用于微针片后续封装紧固用的通孔5-2，本实施例中半片型微针阵列采用如图11所示的3孔。

S6：加工完成后将工装2和3上的紧固螺栓4卸下，从工装内取出一侧已经加工好的微针片5，将微针片5放入75％乙醇溶液中，在超声清洗仪中震荡清洗15分钟，然后按照S3-S5的步骤，加工另一侧，但在S5中在缝隙2-3和3-3处对刀片进行对半分割，最后加工完成的半片型微针阵列如图11所示。将加工好的半片型微针片进行清洗、烘干待用。

S7：半片型微针阵列封装结构设计与加工，半片型微针阵列由盖板6和盖板7两块盖板组成，为了确保结构不至于笨重又能重复使用，每块盖板整体厚度设为2毫米，采用强度高的轻质铝合金制备。盖板6的具体结构如图14、图15和图16所示，盖板7的具体结构如图17、图18和图19所示。在盖板6和盖板7上，对应设置2个用于定位的通孔6-1和7-1，配对使用，本实施例中，孔的直径5毫米。在盖板6上，设置3个用于螺栓紧固用的通孔6-2，在盖板7上，设置与之对应的螺栓7-2，配对使用，本实施例中，螺栓直径5毫米。在盖板6和7两侧设置用于后续保护盖装卡用的卡凸6-3与7-3配对使用。在盖板6上，设置凸起的定位结构6-4，在本实施例中，该结构宽度12毫米，厚度2毫米，高度14毫米，在盖板7上设置与6-4配套的定位卡槽。

S8：加工半片型微针阵列封装用的垫片8，采用普通塑料即可，本实施例中垫片8的厚度取1毫米，具体结构形式如图20所示，设置有专门的螺栓孔8-1，内径5毫米，设置定位孔8-2，内径5毫米。

S9：将一定数量的半片型微针片5和垫片8放入6和7之中，然后用螺母9将盖板6和7压紧，最后便得到装配好的半片型三维微针阵列，具体如图21、图22和图23所示。实际使用时，微针的片数可自由选择，通过垫片数量来调整间隔，本实施例中共有10片。

实施例2：制备整片型微针阵列

S1：微针原料直接采用双面刮胡刀片1，如飞鹰牌74-C或74-S系列双面刀片，吉列超级蓝双面刀片等，其外轮廓长约43毫米，宽约22毫米，刀刃部分1-1的宽度约0.5毫米。

S2：加工专用的刀片夹持工装用于刀片加工

工装结构由上下两块盖板组成，上盖板分别如图2、图3和图4所示，下盖板分别如图5、图6和图7所示。盖板采用强度和硬度都较高的不锈钢材料。每块盖板整体长度83毫米。整体宽度46毫米，使两边的刀片在中间有约0.3～0.5毫米的重叠，但外侧刀刃藏于盖板之内，防止加工过程中破坏刀刃或加工好的针尖。每块盖板整体厚度8毫米，然后在上下盖板中间都加工出与刀片长度一致的凹槽(43毫米)，凹槽深度3毫米。在工装上、下盖板上加工出用于刀片后续打孔用的通孔2-1和3-1，本实施例中这些通孔孔径取为5毫米；在下盖板3上加工用于刀片定位用的专用结构3-2，该结构的尺寸应与刀片1上原有的镂空结构匹配，同时在上盖板2上加工出与2-2匹配的定位槽，本实施例中其长度取为10毫米，宽度3.2毫米，确保与刀片中间镂空结构紧密贴合，结构高度20毫米；在工装上、下盖板上加工出用于后续对刀片刀刃进行切割的缝隙2-3和3-3，缝隙尺寸应与刀片刀刃的尺寸匹配，同时便于加工，本实施例中缝隙宽度1.2毫米，长度40毫米；在工装上、下盖板上加工出用于后续对刀片进行对半分割用的缝隙2-4和3-4，缝隙尺寸和位置刀片原有中间两侧未镂空部分的尺寸和位置匹配，本实施例中取其长度为8毫米，宽度1毫米；在工装上、下盖板上加工出用于后续螺栓紧固用的通孔2-5和3-5，孔的尺寸和位置应与刀片原有中间镂空部分的尺寸和位置匹配，本实施例中，孔的直径取5毫米。

S3：将100片刮胡刀片一侧各50片交替放置在下盖板1的凹槽内，刀片中间镂空部分套入定位结构1-2之上，使刀刃1-1处于图10所示的交替堆叠的状态，装好之后再盖上上盖板2，然后用螺栓4按照图8、图9和图10所示方式进行紧固封装。

S4：根据需要设计微针阵列中针体的几何形状、尺寸、根数、间距以及高度等参数，加工前的刀片如图1所示，本实施例中微针针体形状为剑形，针体5-1高度350微米，针体根部宽度200微米，厚度方向的尺寸即为刀片自身厚度，即根部约200微米，往尖端逐步变薄，单片基体上一侧的微针根数为13根，间距2.8毫米，如图12所示。

S5：按照S4设计的微针针体特点，本实施例中采用线切割方法对如图8、图9和图10所示封装好的刮胡刀片刃口进行切割，切割过程始终保持工装本身的完整性，以备后续重复使用。具体加工时还应先加工针体5-1针尖部分，并保证其精度，针尖加工时走丝路径如图13所示，针尖加工完成后然后再对针体根部进行加工。最后加工用于微针片后续封装紧固用的通孔5-2，本实施例中整片型微针阵列采用如图12所示的2孔。

S6：加工完成后将工装2和3上的紧固螺栓4卸下，从工装内取出一侧已经加工好的微针片5，将微针片5放入75％乙醇溶液中，在超声清洗仪中震荡清洗15分钟，然后按照S3-S5的步骤，加工另一侧，最后加工完成的半片型微针阵列如图12所示。将加工好的整片型微针片进行清洗、烘干待用。

S7：整片型微针阵列封装结构设计与加工，整片型微针阵列由盖板10和盖板11两块盖板组成，为了确保结构不至于笨重又能重复使用，每块盖板整体厚度设为2毫米，采用强度高的轻质铝合金制备。盖板10的具体结构如图24、图25和图26所示，盖板7的具体结构如图27、图28和图29所示。在盖板10和11两侧设置用于后续保护盖装卡用的卡凸10-1与11-1配对使用。在盖板10上，设置凸起的定位结构10-2，在本实施例中，该结构宽度12毫米，厚度2毫米，高度14毫米，在盖板11上设置与11-2配套的定位卡槽。在盖板10上，设置2个用于螺栓紧固用的通孔10-3，在盖板11上，设置与之对应的螺栓11-3，配对使用，本实施例中，螺栓直径5毫米。在盖板10和盖板11上，对应设置2个用于定位的通孔10-4和11-4，配对使用，本实施例中，孔的直径5毫米。

S8：加工整片型微针阵列封装用的垫片12，采用普通塑料即可，本实施例中垫片12的厚度取1毫米，具体结构形式如图30所示，设置有专门的螺栓孔12-1，内径5毫米，设置定位孔12-2，内径5毫米。

S9：将一定数量的整片型微针片5和垫片12放入10和11之中，然后用螺母9将盖板10和11压紧，最后便得到装配好的整片型三维微针阵列，具体如图31、图32和图33所示。实际使用时，微针的片数可自由选择，通过垫片数量来调整间隔，本实施例中共有10片。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种直接利用双面刮胡刀片制备三维金属微针阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，采用双面刮胡刀片(1)作为微针阵列加工的微针坯料；

第二步，设计并加工专用的刀片夹持工装

工装由上盖板(2)和下盖板(3)组成，每块盖板的总厚度3～10毫米，盖板在中间沿长度方向设置与刀片(1)长度一致的凹槽，凹槽的深度1～5毫米；所述上、下盖板上分别设有以下结构：用于刀片后续打孔用的预留通孔(2-1)和(3-1)；用于对刀片刀刃(1-1)进行切割的缝隙(2-3)和(3-3)，缝隙尺寸与刀片刀刃(1-1)匹配；用于对刀片进行对半分割用的缝隙(2-4)和(3-4)，缝隙与刀片中间两侧未镂空部分的尺寸和位置匹配；通孔(2-5)和(3-5)，通孔与刀片中间镂空结构(1-2)的尺寸和位置匹配；所述下盖板(3)上还加工用于刀片定位用的凸起结构(3-2)，其尺寸与刀片原有镂空结构(1-2)匹配，同时在上盖板(2)上加工定位槽(2-2)；沿刀片夹持工装宽度方向左右两侧能同时放置两组刀片，而且使两侧刀片刀刃部分在缝隙(2-3)、(3-3)处相互交叠，使刀刃之间相互压实；在盖板外侧，保证刀刃不露出；

第三步，将未加工的刀片(1)放置在工装上、下盖板(2)、(3)内部，放置时左右交替摆放，使刀刃部分重叠于缝隙(2-3)和(3-3)处，通过连接螺栓(4)对整个工装进行紧固封装；

第四步，设计刀片微针阵列的几何形状和尺寸，包括半片型和整片型两种；所述的微针阵列由刀片基体(5)、微针针体(5-1)和用于封装用的通孔(5-2)构成，刀片基体(5)与针体(5-1)处于同一平面；每个微针针体(5-1)根部的宽度为50～500微米，高度为100～800微米，厚度为刀片自身厚度；相邻两个微针针体(5-1)之间的间距取0.25～10毫米，刀片单侧的微针针体个数为3～100根；

第五步，根据微针阵列类型和后续封装要求，确定刀片上用于后续封装用的通孔位置和数量：半片型微针采用三孔，整片型微针采用两孔；

第六步，将第三步封装好的刮胡刀片(1)采用第四步的方案进行切割，切割时先加工针体针尖部分，并保证其精度，然后再对针体根部进行加工；在微针针体(5-1)切割过程完成后，按照第五步方案进行加工通孔：当加工半片型微针时，还需在上、下盖板缝隙(2-4)、(3-4)的对应位置处对刀片基体(5)进行整体对半切割，最终得到加工好的半片型微针阵列；

第七步，将第六步加工好的半片型微针阵列从加工工装中卸下，进行清洗、烘干备用；

第八步，设计并加工微针阵列的封装夹具，夹具分为半片型和整片型两种；

所述的半片型微针阵列封装夹具包括两块盖板：半片型上盖板主体(6)和半片型下盖板主体(7)；半片型上盖板主体(6)上分别设置定位孔(6-1)、螺栓孔(6-2)、用于后续保护盖装卡用的卡凸(6-3)、用于定位用的块状凸起结构(6-4)；在半片型下盖板主体(7)上设置与定位孔(6-1)配对使用的定位柱(7-1)，与螺栓孔(6-2)配对使用的螺栓(7-2)、与卡凸(6-3)配对使用且用于后续保护盖装卡用的卡凸(7-3)，与块状凸起结构(6-4)配对使用的定位卡槽(7-4)；

所述的整片型微针阵列封装夹具也由两块盖板组成：分别为整片型上盖板主体(10)和整片型下盖板主体(11)；整片型上盖板主体(10)上分别设置用于后续保护盖装卡用的卡凸(10-1)、用于定位用的块状凸起结构(10-2)、螺栓孔(10-3)和定位孔(10-4)；在整片型下盖板主体(11)上设置与卡凸(10-1)配对使用且用于后续保护盖装卡用的卡凸(11-1)、与凸起结构(10-2)配对使用的定位卡槽(11-2)、与螺栓孔(10-3)配对使用的螺栓(11-3)、与定位孔(10-4)配对使用的定位柱(11-4)；

第九步，根据微针类型设计并加工半片型垫片(8)或整片型垫片(12)，垫片厚度0.5～5毫米，垫片上设计并加工有定位孔和定位槽；

第十步，将第七步处理好的微针阵列放置到第八步加工好的封装夹具当中，同时各微针阵列之间加入垫片，用来调整各微针阵列之间的间距，微针阵列的数量1～100片，最后进行预紧封装。

2.根据权利要求1所述的一种直接利用双面刮胡刀片制备三维金属微针阵列的制备方法，其特征在于，所述的上盖板(2)和下盖板(3)为金属材料。

3.根据权利要求1所述的一种直接利用双面刮胡刀片制备三维金属微针阵列的制备方法，其特征在于，所述的每个微针针体(5-1)的形状根据需要设计，包括但不限于三角形、剑形。

4.根据权利要求1所述的一种直接利用双面刮胡刀片制备三维金属微针阵列的制备方法，其特征在于，所述第六步中的切割方法包括但不限于激光切割、超细电火花切割、线切割。

5.根据权利要求1所述的一种直接利用双面刮胡刀片制备三维金属微针阵列的制备方法，其特征在于，所述第八步中半片型上盖板主体(6)、半片型下盖板主体(7)、整片型上盖板主体(10)和整片型下盖板主体(11)的材质采用聚合物或轻质金属。

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