CN112933392A - 基于微压电泵热驱动耦合精确控制的微针经皮给药系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于微压电泵热驱动耦合精确控制的微针经皮给药系统，所述基于微压电泵热驱动耦合精确控制的微针经皮给药系统包括微压电泵、管道、圆台形空心微针、导线、电源、第一储药腔体以及第二储药腔体，所述微压电泵由压电振子和微压电泵腔体组成，所述微压电泵腔体的侧部开设有V状进液孔，底部开设有Y状出液孔。本发明的基于微压电泵热驱动耦合精确控制的微针经皮给药系统，可精准控制药液流量，锥形无阀进（V型）出（Y型）液孔既能防止药液大量回流，又能增快药液进入到微针端，采用圆台形空心微针，既能防止针尖断裂留在生物体，又能更好的释放药物，采用压电片和金属加热结构配合控制微压电泵，泵的工作稳定，能保证给药效率。

Description

基于微压电泵热驱动耦合精确控制的微针经皮给药系统
技术领域
本发明涉及一种生物医学领域的装置，尤其涉及一种基于微压电泵热驱动耦合精确控制的微针经皮给药系统。
背景技术
近年来，微机电系统MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技术的不断进步，利用MEMS技术实现微压电泵的微型化已经得到了迅速的发展。然而，目前的微针经皮给药系统在可操作性、体积大小、制作工艺等方面还有所欠缺，如有的微针给药系统仅仅由一个柔性腔体与空心微针组成，较难克服人体内外的压力差，且药液控制不精确；有的微针给药系统由压力推进系统与空心微针组成，可克服人体内外的压力差及精确控制药液，但其体积大、操作不方便。因此，解决微针经皮给药系统体积较大、使用不便、推力小、不易携带、自动化程度低等问题，实现药液的缓释可控、持续稳定的释放，是目前设计微针经皮给药系统亟需解决的问题。
目前完全集成的热驱动-压电耦合微泵给药系统还未有应用的先例，一方面由于微针刺入皮肤后皮肤对微针的挤压使得药物量释放不佳，另一方面，给药系统的微压电泵动力不足使得给药量控制不精准，自动化程度低。
经对现有技术文献的检索发现，M.W.Ashraf,S.Tayyaba等人在6th annual IEEEConference on Automation Science and Engineering(2010)：192-197撰文“MEMS basedPolymeric Drug Delivery System”(“基于MEMS的聚合物给药系统”《第六届IEEE自动化科学与工程年度会议》)。该文中提及的加工经皮给药系统的方法是采用微热压印法和紫外准分子激光法制备给药装置。但是过大的热应力不但会导致聚合物微结构产生破坏，甚至会导致脆性模具(如常用的硅模具)发生断裂，影响模具寿命。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种基于微压电泵热驱动耦合精确控制的微针经皮给药系统。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于微压电泵热驱动耦合精确控制的微针经皮给药系统，包括微压电泵、管道、圆台形空心微针、导线、电源、第一储药腔体以及第二储药腔体，所述微压电泵由压电振子和微压电泵腔体组成，所述微压电泵腔体的侧部开设有V状进液孔，所述微压电泵腔体的底部开设有Y状出液孔，所述压电振子的上下电极或其中一个电极可作为金属加热结构。系统工作时，微压电泵和金属加热结构耦合可精准控制药液流量，锥形无阀进出液孔既能防止药液大量回流，又能增快药液进入到微针端，解决了药液流量控制不精确的问题；压电片和加热器同时提供推动药液流动的驱动力，可克服药液通过微针进入生物体时所遇到的体内外压力差。
进一步的，所述圆台形空心微针由不锈钢材料制作。
进一步的，所述圆台形空心微针的底部孔径为150～240μm，所述圆台形空心微针的顶部孔径为75～150μm。
进一步的，所述压电振子的形状可以为圆形、方形、三角形等，所述压电振子为压电材料PZT和导电层通过导电胶粘接或薄膜沉积工艺沉积金属导电层。
进一步的，所述金属加热结构采用金属或金属合金制作而成。
进一步的，所述微压电泵腔体由ABS材料制成，所述V状进液孔的小端朝着所述微压电泵腔体，所述Y状出液孔的小端朝向所述第一储药腔体。
进一步的，所述管道采用聚四氟乙烯材料制作而成。
进一步的，所述第一储药腔体和所述第二储药腔体均采用柔性聚合物材料制作而成。
本发明的基于微压电泵热驱动耦合精确控制的微针经皮给药系统，使得驱动药物的动力更有效、持久，药物进入生物体的效率更高，以解决药液流量控制不精确、驱动动力不足等问题，而且本发明具有制作工艺简单，更有利于控制的特点。
本发明的基于微压电泵热驱动耦合精确控制的微针经皮给药系统，可精准控制药液流量，锥形无阀进(V型)出(Y型)液孔既能防止药液大量回流，又能增快药液进入到微针端。采用圆台形空心微针，既能防止针尖断裂留在生物体，又能更好的释放药物。采用压电片和金属加热结构配合控制微压电泵，泵的工作稳定，能保证给药效率。药液进药池与药液储液池为柔性聚合物材料制作，柔性好，易加工。
附图说明
图1为本发明的基于微压电泵热驱动耦合精确控制的微针经皮给药系统的结构示意图；
图2为图1中A处的俯视图；
图3为图1中B处的局部放大图；
图中：上电极1、圆形压电片2、下电极3、微压电泵腔体4、V状进液孔41、Y状出液孔42、椭圆形空腔43、第一储药腔体5、圆台形空心微针6、导线7、电源8、第二储药腔体9、圆形连接口91、药液92、管道10、滑动变阻器11、隔热层12。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参看图1-图3，包括微压电泵、管道10、圆台形空心微针6、导线7、电源8、第一储药腔体5以及第二储药腔体9，所述微压电泵由压电振子和微压电泵腔体4组成，所述微压电泵腔体的侧部开设有V状进液孔41，所述微压电泵腔体的底部开设有Y状出液孔42，所述压电振子的上下电极或其中一个电极可作为金属加热结构。系统工作时，微压电泵和金属加热结构耦合可精准控制药液流量，锥形无阀进出液孔既能防止药液大量回流，又能增快药液进入到微针端，解决了药液流量控制不精确的问题；压电片和加热器同时提供推动药液流动的驱动力，可克服药液通过微针进入生物体时所遇到的体内外压力差。
进一步的，所述圆台形空心微针由不锈钢材料制作。
进一步的，所述圆台形空心微针的底部孔径为150～240μm，所述圆台形空心微针的顶部孔径为75～150μm。
进一步的，所述压电振子的形状可以为圆形、方形、三角形等，所述压电振子为压电材料PZT和导电层通过导电胶粘接或薄膜沉积工艺沉积金属导电层。
进一步的，所述金属加热结构采用金属或金属合金制作而成。
进一步的，所述微压电泵腔体由ABS材料制成，所述V状进液孔的小端朝着所述微压电泵腔体，所述Y状出液孔的小端朝向第一储药腔体。
进一步的，所述管道采用聚四氟乙烯材料制作而成。
进一步的，所述第一储药腔体和所述第二储药腔体均采用柔性聚合物材料制作而成。
具体的，本发明提供了一种基于微压电泵热驱动耦合精确控制的微针经皮给药系统，所述基于微压电泵热驱动耦合精确控制的微针经皮给药系统包括上电极1、圆形压电片2、下电极3、微压电泵腔体4、V状进液孔41、Y状出液孔42、椭圆形空腔43、第一储药腔体5、圆台形空心微针6、导线7、电源8、第二储药腔体9、圆形连接口91、药液92、管道10、滑动变阻器11、隔热层12。
其中，所述圆形压电片2与所述上电极1、所述下电极3连接，所述下电极3与所述隔热层12周边固定连接，所述隔热层12与所述微压电泵腔体4固定连接，所述管道10一端与所述微压电泵腔体4固定连接，所述微压电泵腔体4的左部开设有V状进液孔41，所述微压电泵腔体4的底部开设有Y状出液孔42，所述微压电泵腔体4的内腔为椭圆形空腔43，所述第二储药腔体9与所述管道10另一端可拆卸连接，所述第二储药腔体9的上部有圆形连接口91、内部存放药液92，所述第一储药腔体5与所述微压电泵腔体4固定连接，所述圆台形空心微针6与所述第一储药腔体5可拆卸连接，所述导线7由所述电源8的正负极引出，分别与所述上电极1、所述滑动变阻器11及所述下电极3连接。
微压电泵腔体4有进出液孔，分别位于微泵的侧面(V型)和底部(Y型)，均为无阀锥形。
在本实施例中，微压电泵腔体4采用ABS材料通过3D打印增材熔融沉积技术制作，能精确加工出微泵所需的进出液孔及腔体，精度高。锥形无阀进出液孔既能防止药液大量回流，又能增快药液进入到微针端。ABS的电绝缘性较好，并且几乎不受温度、湿度和频率的影响。
在本实施方式中，圆台形空心微针6选用不锈钢金属切割成圆台柱，然后用激光打孔得到空心微针。
本实施例中，药液第一储药腔体5和药液第二储药腔体9采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)浇铸而成，它们分别是药液92进入圆台形空心微针6的储药腔和原始药液的储药腔。
本实施例中，管道10由耐腐蚀的聚四氟乙烯材料制作而成，化学稳定性好。
本实施例中，隔热层12由SiO2气凝胶制作而成，隔热性能好。
圆形压电片2和上电极1通过溅射连接，圆形压电片2和下电极3通过粘结剂环氧树脂导电胶粘接。圆形压电片2的压电材料为PZT-5H。
在本实施例中，压电振子为圆形压电片2、上电极1和下电极3组成。先将压电材料PZT-5H和铍青铜分别切割、减薄至所需尺寸、厚度，再用键合工艺采用丝网印刷的方式将PZT-5H和铍青铜使用环氧树脂导电胶键合在一起，作为下电极3。最后在PZT-5H的上电极溅射Cr和Ag，作为上电极1，分别为30nm和400nm。因为Ag作为电极材料和PZT-5H的结合力不强，所以要在中间溅射Cr。
在本实施例中，下电极3作为金属加热结构。
在本实施例中，粘合剂环氧树脂导电胶具有接触更紧密和固化效果好的优点，方便拆卸。高导热性、可室温固化、较长工作时间、有防火性能。
在本实施例中，压电材料PZT-5H耦合系数和功率高、损耗低、介电常数低。从而能够更好的控制微泵的给液量。
本实施例的工作原理：圆台形空心微针6刺入皮肤，给所述上电极1和金属加热结构(下电极3)通电使圆形压电片2发生形变挤压微压电泵腔体4，微压电泵腔体4带动药液第二储药腔体9，使得其里边的药液92通过管道10进入椭圆形泵腔43，然后由椭圆形泵腔43进入第一储药腔体5(微压电泵底部)，第一储药腔体5(微压电泵底部)中的药液92通过圆台形空心微针6里的孔进入生物体。在所述压电层2工作期间，药液流量控制结构中的所述滑动变阻器11控制流经所述金属加热结构(下电极3)电流，所述金属加热结构(下电极3)受热使得金属膨胀变形，从而和所述压电层2共同挤压泵腔体，精确控制药液92通过微压电泵腔体4的流量。
在本实施例中，首先使得管道10和微压电泵腔体4的椭圆形泵腔43连通；其次管道10连接上药物第二储药腔体9(微压电泵侧面)，椭圆形泵腔43连接上药液第一储药腔体5(微压电泵底部)，密封好；然后药液第一储药腔体5(微压电泵底部)接上圆台形空心微针6，密封好；最后压电片2与上电极1和金属加热结构(下电极3)连接，金属加热结构(下电极3)与隔热层12周边固定连接，隔热层12与微压电泵腔体4上端连接，密封好。电源8的正负极引出两根导线7，分别与上电极1、滑动变阻器11及金属加热结构(下电极3)连接。
本实施例可根据具体的应用要求，采用相应的尺寸。如下表1列出了整个给药系统尺寸大小为5×5×5cm3的一组设计参数。
表1 5×5×5cm3尺寸给药系统的一组设计参数
Figure BDA0002973764550000081
圆形压电片2和上电极1通过溅射连接，圆形压电片2和下电极3通过粘结剂环氧树脂导电胶粘接。圆形压电片2的压电材料为PZT-5A。
在本实施例中，压电振子为圆形压电片2、上电极1和下电极3组成。先将压电材料PZT-5A和铝分别切割、减薄至所需尺寸、厚度，再用键合工艺采用丝网印刷的方式将PZT-5A和铝使用环氧树脂导电胶键合在一起，作为下电极3。最后在PZT-5A的上电极溅射Cr和Ag，作为上电极1，分别为30nm和400nm。因为Ag作为电极材料和PZT-5A的结合力不强，所以要在中间溅射Cr。
在本实施例中，下电极3作为金属加热结构。
本实施例可根据具体的应用要求，采用相应的尺寸。如下表2列出了整个给药系统尺寸大小为3×3×3cm3的一组设计参数。
表2 3×3×3cm3尺寸给药系统的一组设计参数
Figure BDA0002973764550000091
本实施例采用热驱动-压电耦合微泵控制药液通过微针进入生物体，可精准控制药液流量，锥形无阀进(V型)出(Y型)液孔既能防止药液大量回流，又能增快药液进入到微针端。系统体积小、使用放便、操作简单、易携带。
应当理解的是，本发明除了以上的实施方式外，还有其他实施方式，比如变换微针、压电振子等材料，采用其他可以实现本发明中功能的泵等。这在本发明公开的技术基础上，对于本领域技术人员来说是很容易的。
本发明的基于微压电泵热驱动耦合精确控制的微针经皮给药系统，可精准控制药液流量，锥形无阀进(V型)出(Y型)液孔既能防止药液大量回流，又能增快药液进入到微针端。采用圆台形空心微针，既能防止针尖断裂留在生物体，又能更好的释放药物。采用压电片和金属加热结构配合控制微压电泵，泵的工作稳定，能保证给药效率。药液进药池与药液储液池为柔性聚合物材料制作，柔性好，易加工。
上述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于微压电泵热驱动耦合精确控制的微针经皮给药系统，其特征在于：包括微压电泵、管道、圆台形空心微针、导线、电源、第一储药腔体以及第二储药腔体，所述微压电泵由压电振子和微压电泵腔体组成，所述微压电泵腔体的侧部开设有V状进液孔，所述微压电泵腔体的底部开设有Y状出液孔，所述压电振子的上下电极或其中一个电极可作为金属加热结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于微压电泵热驱动耦合精确控制的微针经皮给药系统，其特征在于：所述圆台形空心微针由不锈钢材料制作。
3.根据权利要求2所述的一种基于微压电泵热驱动耦合精确控制的微针经皮给药系统，其特征在于：所述圆台形空心微针的底部孔径为150～240µm ，所述圆台形空心微针的顶部孔径为75～150µm。
4.根据权利要求3所述的一种基于微压电泵热驱动耦合精确控制的微针经皮给药系统，其特征在于：所述压电振子的形状可以为圆形、方形、三角形等，所述压电振子为压电材料PZT和导电层通过导电胶粘接或薄膜沉积工艺沉积金属导电层。
5.根据权利要求4所述的一种基于微压电泵热驱动耦合精确控制的微针经皮给药系统，其特征在于：所述金属加热结构采用金属或金属合金制作而成。
6.根据权利要求5所述的一种基于微压电泵热驱动耦合精确控制的微针经皮给药系统，其特征在于：所述微压电泵腔体由ABS材料制成，所述V状进液孔的小端朝着所述微压电泵腔体，所述Y状出液孔的小端朝向所述第一储药腔体。
7.根据权利要求6所述的一种基于微压电泵热驱动耦合精确控制的微针经皮给药系统，其特征在于：所述管道采用聚四氟乙烯材料制作而成。
8.根据权利要求7所述的一种基于微压电泵热驱动耦合精确控制的微针经皮给药系统，其特征在于：所述第一储药腔体和所述第二储药腔体均采用柔性聚合物材料制作而成。
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