CN113712547B - 多槽微针阵列及其制备方法、生物检测微针传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多槽微针阵列及其制备方法、生物检测微针传感器。该多槽微针阵列，包括针膜和针膜正面的针体，针膜上具有微孔，针体的侧壁上具有沿针体长度方向延伸的微槽，每个微孔对应一个微槽，微孔在微槽的内腔区域内，与微槽的内腔形成一个导液通道。该生物检测微针传感器，包括上述的多槽微针阵列和生物检测试纸。该多槽微针阵列的制备方法包括制备针膜和光刻掩膜，通过自聚集光刻方式，制得多槽微针阵列。有益效果是：可以在体积有限的针体上设置更多的导液通道，提高提取组织液的效率；而且微槽具有侧面开口，相比针体内部的中空通道，不易发生导液通道堵塞的问题；同时本发明的制备方法过程简单，成本低，利于推广。
Description
技术领域
本发明涉及微针技术领域，特别是一种多槽微针阵列及其制备方法、生物检测微针传感器。
背景技术
葡萄糖监测是日常生活的一部分，对于有糖尿病的人来说尤其如此。确定血糖水平的最常用方法是：刺血针刺破手指并将血滴在葡萄糖测试纸上。葡萄糖测试纸的主要缺点是：使用刺血针提取血液的疼痛以及皮肤损伤。
微针是一种微米级的三维阵列结构，因其具有安全、无痛等优点而受到广泛的研究与关注。微针既可用于经皮给药又可用于组织液提取。将微针阵列用于血糖检测不需要进行采血，可直接测量组织液中的葡萄糖含量，组织液中的葡萄糖含量和血液中的血糖含量基本相同。
中国专利文献CN110664439B公开了一种可提取皮肤组织液的微针及其制备方法，该文献中用于提取组织液的微针阵列具有多孔网络骨架，并在骨架外表面修饰一层亲水性聚合物层，可快速提取皮肤组织液并用于葡萄糖、肿瘤标志物等的检测。
该现有技术的缺点在于：制造复杂，成本高。
中国专利文献CN106662569A公开了一种检测体液中的成分的微加工的传感器和方法，该文献中用于提取体液的微针阵列的针体为中空针体。
该现有技术的缺点在于：单个针体上可制备的中空通道数量有限，一般只有一个中空通道，而且中空通道容易堵塞，提取组织液的效率低，同时制备过程复杂，成本高，不利于推广。
在现有技术中存在一种自聚焦光刻技术。如图13a所示，首先，当紫外光通过不透明的光刻掩膜上的圆形孔进入PEG-DA单体溶液时，圆孔附近的单体发生聚合，形成透镜形状，如图13b所示。由于透镜形状比非固化区域呈现更大的折射率，紫外光被透镜形状聚焦，导致紫外光分布呈锥形，如图13c所示。因此，图中所述锥形部分被光固化。由于聚合的PEG-DA比PEG-DA单体具有更大的折射率，紫外光在光固化/未固化PEG-DA界面上以折射率角θr＝sin-1(nssinθi/nl)发生折射，其中ns和nl分别表示光固化聚合物和未固化聚合物的折射率。由于光固化和未固化PEG-DA之间的折射率差只有0.04，因此在当前的锥生长阶段，反射光强度可以忽略不计。光固化锥体的光折射导致锥状生长。锥角逐渐变陡并接近θr＝sin-1(ns/nl)的临界角，其中折射光不再存在，仅在光固化/未固化界面发生反射。因此，锥角基本上由聚乙二醇二丙烯酸酯(PEG-DA)光聚合前后的折射率决定。如果在达到临界角时终止曝光，则可以得到锥形结构，如图13d所示。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有的微针阵列的提取液体的效率，而且制备成本高。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多槽微针阵列，包括针膜和针膜正面的针体，针膜上具有微孔，针体的侧壁上具有沿针体长度方向延伸的微槽，每个微孔对应一个微槽，微孔在微槽的内腔区域内，与微槽的内腔形成一个导液通道。
进一步限定，微槽通过毛细作用导出液体。
进一步限定，针体具有至少3个微槽。
进一步限定，微槽的侧面开口宽度小于内腔的宽度。
一种生物检测微针传感器，包括上述的多槽微针阵列和生物检测试纸，生物检测试纸贴附在多槽微针阵列的针膜的背面。
进一步限定，生物检测试纸为葡萄糖检测试纸，葡萄糖检测试纸与多槽微针阵列的针膜之间填充纤维素粉。
一种上述的多槽微针阵列的制备方法：具有如下步骤：
a、制备具有微孔的针膜和具有透光掩膜图案的光刻掩膜，
每个透光掩膜图案都对应待制备的多槽微针阵列的一个针体，透光掩膜图案的外形轮廓与对应的针体的根部轮廓一致，每个透光掩膜图案中都具有不透光的微槽掩膜部分，用于形成微槽，针膜上的微孔与光刻掩膜上的微槽掩膜部分一一对应；
b、层叠针膜和光刻掩膜，并使针膜上的微孔与光刻掩膜上的微槽掩膜部分对齐，光刻掩膜位于针膜的背面，通过自聚集光刻方式，在针膜的正面生成带微槽的针体，制得多槽微针阵列。
进一步限定，在步骤b中，层叠并对齐的针膜和光刻掩膜一起放置装有微针光刻液的光刻槽内，用于光刻的光线从光刻掩膜一侧照向针膜，在针膜的正面生成带微槽的针体，将带针体的针膜和光刻掩膜从光刻槽内取出，去除光刻掩膜和未固化的微针光刻溶液，制得多槽微针阵列。
更进一步限定，用于光刻的光线为UV光，针膜为PEG-DA针膜或打孔PET膜，微针光刻溶液为PEG-DA与光引发剂的混合液。
本发明的有益效果是：将用于提取液体的微槽设置在针体的侧面，可以在体积有限的针体上设置更多的导液通道，提高提取组织液的效率；而且微槽具有侧面开口，相比针体内部的中空通道，不易发生导液通道堵塞的问题；同时本发明的制备方法过程简单，成本低，利于推广。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；
图1为本发明的多槽微针阵列的立体状态结构示意图；
图2为本发明的多槽微针阵列的仰视状态结构示意图；
图3是本发明的步骤a1的示意图；
图4是本发明的步骤b1的示意图；
图5是本发明的步骤b2的示意图；
图6是本发明的步骤b3的示意图；
图7是本发明的步骤b3中在针膜的正面生成带微槽的针体的示意图；
图8是本发明的步骤b4的示意图；
图9是本发明的通过步骤b5制得的多槽微针阵列的示意图；
图10是本发明的光刻掩膜的结构示意图；
图11是本发明的针膜和光刻掩膜对齐的结构示意图；
图12是本发明的生物检测微针传感器的爆炸图；
图13a是自聚焦光刻的步骤1的原理示意图；
图13b是自聚焦光刻的步骤2的原理示意图；
图13c是自聚焦光刻的步骤3的原理示意图；
图13d是自聚焦光刻的步骤4的原理示意图；
图中，1.针膜，2.针体，3.微孔，4.微槽，5.葡萄糖检测试纸，6.纤维素粉，7.光刻掩膜，7-1.透光掩膜图案，7-2.微槽掩膜部分，8.光刻槽。
具体实施方式
如图1和2所示，一种多槽微针阵列，包括针膜1和针膜1正面的针体2，针膜1上具有微孔3，针体2的侧壁上具有沿针体2长度方向延伸的微槽4，每个微孔3对应一个微槽4，微孔3在微槽4的内腔区域内，与微槽4的内腔形成一个导液通道。
微槽4通过毛细作用导出液体。
针体2具有至少3个微槽4。在本实施例中具体为3个微槽4。
微槽4的侧面开口宽度小于内腔的宽度。
针膜1为PEG-DA针膜，也可以为打孔PET膜。
一种多槽微针阵列的制备方法：具有如下步骤：
a1、如图3所示，制备具有微孔3的针膜1，具体为：将聚乙二醇二丙烯酸酯(PEG-DA)Mn＝250与光引发剂2-羟基-2-甲基丙苯酮按5％的比列(重量百分比)混合得到微针光刻液，然后通过常规光刻方法形成多个微孔3的针膜1。当然该针膜1也可通过模具进行制备。该PEG-DA针膜厚度为0.1mm～1mm，优选0.5mm。PEG-DA针膜上的微孔大小为85um～120um。
a2、制备具有透光掩膜图案7-1的光刻掩膜7。
每个透光掩膜图案7-1都对应待制备的多槽微针阵列的一个针体2，如图10所示，透光掩膜图案7-1的外形轮廓与对应的针体2的根部轮廓一致，每个透光掩膜图案7-1中都具有不透光的微槽掩膜部分7-2，用于形成微槽4，针膜1上的微孔3与光刻掩膜7上的微槽掩膜部分7-2一一对应；
b1、如图4和11所示，层叠针膜1和光刻掩膜7，并使针膜1上的微孔3与光刻掩膜7上的微槽掩膜部分7-2对齐，光刻掩膜7位于针膜1的背面。
b2、如图5所示，层叠并对齐的针膜1和光刻掩膜7一起放置装有微针光刻液的光刻槽8的底部，光刻槽8为PDMS槽。
b3、如图6和7所示，用UV光从光刻掩膜7一侧照向针膜1，通过自聚集光刻方式，在针膜1的正面生成带微槽4的针体2。UV光的波长为365nm～400nm，光照强度为10mW/cm2，曝光时间为40s。针体2的根部大小为600um～800um，优选700um。
b4、如图8所示，将带针体2的针膜1和光刻掩膜7从光刻槽8内取出。
b5、用乙醇和去离子水冲洗几次，然后用氮气枪烘干，以去除未固化的PEG-DA残留和光刻掩膜7，制得多槽微针阵列，如图9所示。
如图12所示，一种生物检测微针传感器，包括上述的多槽微针阵列和生物检测试纸，生物检测试纸贴附在多槽微针阵列的针膜1的背面。
生物检测试纸为葡萄糖检测试纸5，葡萄糖检测试纸5与多槽微针阵列的针膜1之间填充纤维素粉6。
当多槽微针阵列刺入皮肤后，通过毛细血管作用，组织液经由微槽4和微孔3到达背面的葡萄糖检测试纸5，从而达到检测人体的葡萄糖浓度的目的。
在本发明中，微针光刻溶液还可以是不饱和聚酯(unsaturatedpolyester)、环氧丙烯酸酯(epoxyacrylate)、聚氨酯丙烯酸酯(polyurethaneacrylate)、聚酯丙烯酸酯(polyesteracrylate)、丙烯酸酯化聚二甲基氧烷(AF-PDMS)、丙烯酸酯化聚丙烯酸酯(acrylatedacrylicoligomer)、环氧树脂(epoxyresin)等光聚物单体和光引发剂的混合液。环氧丙烯酸酯(epoxyacrylate)由商品环氧树脂和丙烯酸或甲丙烯酸酯化得来。
用于光刻的光线除了为UV光还可以为可见光，由微针光刻溶液决定。
在本实施例的附图6中，采取的是背面曝光方式，当然也可以采用正面曝光方式，即光刻掩膜7和针膜2位于光刻槽8的顶部。
Claims (6)
1.一种多槽微针阵列的制备方法：其特征是：待制备的多槽微针阵列，包括针膜(1)和针膜(1)正面的针体(2)，其特征是：所述的针膜(1)上具有微孔(3)，针体(2)的侧壁上具有沿针体(2)长度方向延伸的微槽(4)，每个微孔(3)对应一个微槽(4)，微孔(3)在微槽(4)的内腔区域内，与微槽(4)的内腔形成一个导液通道；
具有如下步骤：
a、制备具有微孔(3)的针膜(1)和具有透光掩膜图案(7-1)的光刻掩膜(7)，
每个透光掩膜图案(7-1)都对应待制备的多槽微针阵列的一个针体(2)，透光掩膜图案(7-1)的外形轮廓与对应的针体(2)的根部轮廓一致，每个透光掩膜图案(7-1)中都具有不透光的微槽掩膜部分(7-2)，用于形成微槽(4)，针膜(1)上的微孔(3)与光刻掩膜(7)上的微槽掩膜部分(7-2)一一对应；
b、层叠针膜(1)和光刻掩膜(7)，并使针膜(1)上的微孔(3)与光刻掩膜(7)上的微槽掩膜部分(7-2)对齐，光刻掩膜(7)位于针膜(1)的背面，通过自聚集光刻方式，在针膜(1)的正面生成带微槽(4)的针体(2)，制得多槽微针阵列。
2.根据权利要求1所述的多槽微针阵列的制备方法：其特征是：在步骤b中，层叠并对齐的针膜(1)和光刻掩膜(7)一起放置装有微针光刻液的光刻槽(8)内，用于光刻的光线从光刻掩膜(7)一侧照向针膜(1)，在针膜(1)的正面生成带微槽(4)的针体(2)，将带针体(2)的针膜(1)和光刻掩膜(7)从光刻槽(8)内取出，去除光刻掩膜(7)和未固化的微针光刻溶液，制得多槽微针阵列。
3.根据权利要求2所述的多槽微针阵列的制备方法：其特征是：所述的用于光刻的光线为UV光，针膜(1)为PEG-DA针膜或打孔PET膜，微针光刻溶液为光聚物单体与光引发剂的混合液。
4.根据权利要求1所述的多槽微针阵列的制备方法：其特征是：所述的微槽(4)通过毛细作用导出液体。
5.根据权利要求1所述的多槽微针阵列的制备方法：其特征是：所述的针体(2)具有至少3个微槽(4)。
6.根据权利要求1所述的多槽微针阵列的制备方法：其特征是：所述的微槽(4)的侧面开口宽度小于内腔的宽度。
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- 2021-09-07 CN CN202111041542.XA patent/CN113712547B/zh active Active
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