CN114768080B - 一种多通道微针及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多通道微针及其制造方法，一种多通道微针的制造方法包括a)开口；b)一次成膜；c)二次成膜；d)三次成膜；e)开孔；f)光学和电极处理和g)去衬，本发明通过在衬底的顶面刻蚀若干个内凹部，再在衬底的顶面依次生成具有第一针膜空心下沉结构的第一针体膜层、具有第二针膜空心下沉结构的第二针体膜层以及具有第三针膜空心下沉结构或第三针膜实心下沉结构的第三针体膜层，从而共同形成复合下沉结构，可利用打磨或刻蚀的方式在复合下沉结构之中形成中空通道，最终在去除衬底之后，得到具有微米级尺寸的光机电通道的单根微针或微针阵列，具有一对或一对以上的电极以及单一或多光学通道，可实现对人体组织液的原位检测。
Description
【技术领域】
本发明涉及医疗器材的技术领域，特别是一种多通道微针及其制造工艺的技术领域。
【背景技术】
微针(Microneedles,MN)是一种新型的物理促透技术，由单个或多个微米级的细小针尖以单一或阵列的方式连接在基座上组成，能定向穿过角质层，产生微米尺寸的机械通道，将药物直接置于表皮层或上部真皮层，不用通过角质层即可参与微循环，发挥药理反应，与传统的针头给药不同，不产生疼痛感，给药方便，可有效改善患者的顺应性。按照微针的特点，可将微针具体分为实心微针、空心微针、包衣微针、可溶微针和水凝胶微针。其中，空心微针(Hollow Microneedles)，即中空微针，其实质是微米级别的微型注射器。药物可被预先装载于空心微针的针腔内，再在空心微针的针尖刺入皮肤之后，在组织液浓度梯度的压力驱动之下而自动进入体内，实现递送。
近年来，空心微针的应用范围逐渐扩大，除了递送药物，还能够以微创的方式进入皮下，采集含有生物分析物的组织液或血液，以进行后续测试。尤其是组织液，其不仅具有与血液相似的蛋白质和RNA，还包含比血液更富集的特定生物标志物。
然而，现有的微针通常需要采用数字化控制微机电系统进行加工制备，整个制备工艺精密且复杂，制备成本高，耗时长，难以大规模推广使用。此外，现有的微针无法直接与传感器集成于一体并进而进行原位检测，操作较为不便，亟待解决。
【发明内容】
本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种多通道微针及其制造工艺，集光路、机械传输、多电极为一体的微结构针头，可在微针的微米级或者亚微米的针尖处形成一对或一对以上的电极以及单一或多光学通道，并连接到相应的传感器上，从而实现对人体组织液之中的葡萄糖、黑色素瘤、PH值和过氧化氢等浓度的原位检测。
为实现上述目的，本发明提出了一种多通道微针的制造工艺，包括如下步骤：
a)开口：在衬底的顶面刻蚀若干个内凹部，其中内凹部可贯穿底面或不贯穿底面；
b)一次成膜：在衬底的顶面生成第一针体膜层，同时使部分所述第一针体膜层沉入各个内凹部之中并分别形成第一针膜空心下沉结构，所述第一针体膜层具有导电性；
c)二次成膜：在第一针体膜层的顶面生成第二针体膜层，同时使部分所述第二针体膜层沉入各个第一针膜空心下沉结构之中并分别形成第二针膜空心下沉结构，所述第二针体膜层具有透光性和绝缘性；
d)三次成膜：在第二针体膜层的顶面生成第三针体膜层，同时使部分所述第三针体膜层沉入各个第二针膜空心下沉结构之中并分别形成第三针膜空心下沉结构或第三针膜实心下沉结构，所述第三针体膜层具有导电性；
e)开孔：当形成第三针膜空心下沉结构时，打磨衬底的底面直至向上磨穿各个第三针膜空心下沉结构的底部并形成中空通道；当形成第三针膜实心下沉结构时，在各个第三针膜实心下沉结构的顶面分别进行刻蚀直至贯穿衬底的底面并形成中空通道；
f)光学和电极处理：先在第三针体膜层的顶面刻蚀至少两个第三针膜通口以形成至少一个光学窗口，再在至少一个所述第三针膜通口之中并于第二针体膜层的顶面刻蚀第二针膜通口以形成至少一个电极接触点；
g)去衬：去除衬底。
作为优选，在步骤a)之中，所述衬底为玻璃衬底或者硅衬底。
作为优选，在步骤a)之中，各个所述内凹部均呈倒锥形。
作为优选，在步骤b)和d)之中，所述第一针体膜层和第三针体膜层均为采用化学气相沉积技术镀设而成的纯金属薄膜或合金薄膜。更进一步的，所述第一针体膜层和第三针体膜层均为采用化学气相沉积技术(Chemical Vapor Deposition,CVD)镀设而成的膜层厚度在各个方向接近的纯金属薄膜，如钨薄膜或钛薄膜等。
作为优选，在步骤c)之中，所述第二针体膜层为采用化学气相沉积技术镀设而成的玻璃薄膜。更进一步的，所述第二针体膜层为采用等离子体化学气相沉积技术，如正硅酸乙酯(Tetraethoxysilane,TEOS)-CVD技术等，镀设而成的膜层厚度在各个方向接近的二氧化硅玻璃薄膜。
作为优选，在步骤a)、e)和f)之中，各个所述内凹部、第二针膜通口、第三针膜通口以及第三针膜实心下沉结构之中的中空通道均采用光胶刻蚀技术或无掩模刻蚀技术而刻蚀得到。
作为优选，在步骤e)之中，各个所述中空通道的长度均为100～1500μm，直径均为1～200μm。
作为优选，在步骤f)之中，第二针膜通口的开口小于第三针膜通口的开口。
作为优选，在步骤g)之中，所述衬底通过化学腐蚀洗去。
作为优选，还包括步骤h)表面处理：在第一针膜空心下沉结构之外通过物理溅射或电镀生成纳米级金薄膜涂层。
作为优选，还包括步骤i)针尖造型处理：将由第一针膜空心下沉结构、第二针膜空心下沉结构以及第三针膜空心下沉结构或第三针膜实心下沉结构共同构成的针体的针尖处打磨成平面、斜面或球面。
作为优选，还包括步骤j)电极中空处理：在所述平面、斜面或球面处刻蚀第二针体膜层并形成缺口从而使第一针体膜层与第三针体膜层的底端之间产生空隙。更进一步的，所述缺口通过局部化学腐蚀形成。
一种多通道微针，由前述制造工艺制造而得。
本发明的有益效果：
1.本发明通过在衬底的顶面刻蚀若干个内凹部，再在衬底的顶面依次生成具有第一针膜空心下沉结构的第一针体膜层、具有第二针膜空心下沉结构的第二针体膜层以及具有第三针膜空心下沉结构或第三针膜实心下沉结构的第三针体膜层，从而共同形成复合下沉结构，可利用打磨或刻蚀的方式在复合下沉结构之中形成中空通道，最终在去除衬底之后，得到具有微米级尺寸的光机电通道的单根微针或微针阵列，可通过连接相应的生物传感器形成微型检测平台，进而在与人体组织液接触时，实现人体组织液之中的葡萄糖、黑色素瘤、PH值和过氧化氢等浓度的原位检测，整体制备工艺简单、成熟和稳定，制备成本低廉；
2.本发明通过将电场和光学波引入皮下组织体，可有效发挥药理反应，同时可利用电场和光学波控制药物在皮下组织的释放速度，进而实现药物浓度的精准控制；
3.本发明通过采用光胶刻蚀技术或无掩模刻蚀技术在衬底的顶面刻蚀若干个贯穿或不贯穿底面的内凹部，可通过对刻蚀面积、时长和数量的调节，进而实现对单根微针的长度和形状以及微针阵列内单位面积的微针数量的个性化精确控制；
4.本发明通过采用具有导电性的纯金属薄膜或合金薄膜镀设形成第一针体膜层和第三针体膜层，同时采用具有透光性和绝缘性的玻璃薄膜形成第二针体膜层，使针体在拥有良好的生物相容性的同时，具备稳定光学、电学和机械性能，进而实现长时间稳定的皮下组织液原位检测及经皮给药；
5.本发明通过采用镀设方式在衬底的顶面生成针体膜层，可根据实际需求控制针体膜层的厚度；
6.本发明通过将微针的长度控制在100～1500μm，而直径控制在1～200μm，既可保证针体顺利扎入皮下，又可避免疼痛感过强；
7.本发明通过在空心下沉结构或实心下沉结构之外利用物理溅射或电镀的方式生成纳米级金薄膜涂层，可有效增加导电率、机械性能化学和生物稳定性。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
【附图说明】
图1是实施例一的流程图；
图2是实施例一所制备的微针的主视剖视图；
图3是实施例二所制备的微针的主视剖视图；
图4是实施例三所制备的微针的主视剖视图；
图5是实施例四所制备的微针的主视剖视图；
图6是实施例五的流程图；
图7是实施例六的流程图；
图8是实施例七的流程图。
图中：1-衬底、11-内凹部、2-第一针体膜层、21-第一针膜空心下沉结构、3-第二针体膜层、31-第二针膜空心下沉结构、32-第二针膜通口、33-缺口、4-第三针体膜层、41-第三针膜空心下沉结构、42-第三针膜实心下沉结构、43-中空通道、44-第三针膜通口、5-光胶层、51-通孔。
【具体实施方式】
实施例一：
参阅图1，本发明一种多通道微针及其制造工艺，包括如下步骤：
a)开口：根据所需选择合适厚度的衬底1，再在衬底1的顶面刻蚀若干个不贯穿底面的内凹部11，所述衬底1为玻璃衬底，各个所述内凹部11均呈倒锥形，各个所述内凹部11均采用无掩模刻蚀技术而刻蚀得到；
其中，无掩模刻蚀技术可为激光刻蚀技术，能够利用高能量密度的激光照射衬底1的顶面，使被照射区域表面材料经受热、融化、汽化、形成等离子体、挥发和溅射等一系列复杂的物理甚至化学等过程，最终形成内凹部11；
b)一次成膜：在衬底1的顶面生成第一针体膜层2，同时使部分所述第一针体膜层2沉入各个内凹部11之中并分别形成第一针膜空心下沉结构21，所述第一针体膜层2具有导电性，所述第一针体膜层2为采用化学气相沉积技术镀设而成的膜层厚度在各个方向接近的钨薄膜；
c)二次成膜：在第一针体膜层2的顶面生成第二针体膜层3，同时使部分所述第二针体膜层3沉入各个第一针膜空心下沉结构21之中并分别形成第二针膜空心下沉结构31，所述第二针体膜层3具有透光性和绝缘性，所述第二针体膜层3为采用正硅酸乙酯(Tetraethoxysilane,TEOS)-CVD技术镀设而成的膜层厚度在各个方向接近的二氧化硅玻璃薄膜；
d)三次成膜：在第二针体膜层3的顶面生成第三针体膜层4，同时使部分所述第三针体膜层4沉入各个第二针膜空心下沉结构31之中并分别形成第三针膜空心下沉结构41，所述第三针体膜层4具有导电性，所述第三针体膜层4为采用化学气相沉积技术镀设而成的膜层厚度在各个方向接近的钨薄膜；
e)开孔：打磨衬底1的底面直至向上磨穿各个第三针膜空心下沉结构41的底部并形成中空通道43，各个所述中空通道23的长度均为100～1500μm，直径均为1～200μm；
f)光学和电极处理：先在第三针体膜层4的顶面刻蚀至少两个第三针膜通口44以形成至少一个光学窗口，再在至少一个所述第三针膜通口44之中并于第二针体膜层3的顶面刻蚀第二针膜通口32以形成至少一个电极接触点，所述第二针膜通口32的开口小于第三针膜通口44的开口，各个所述第二针膜通口32和第三针膜通口44均采用无掩模刻蚀技术(同上)而刻蚀得到；
g)去衬：通过化学腐蚀洗去衬底1；
h)表面处理：在第一针膜空心下沉结构21之外通过物理溅射或电镀生成纳米级金薄膜涂层；
i)针尖造型处理：将由第一针膜空心下沉结构21、第二针膜空心下沉结构31以及第三针膜空心下沉结构41共同构成的针体的针尖处打磨成平面。
参阅图2，一种多通道微针，由前述制造工艺制造而得。
实施例二：
还包括步骤j)电极中空处理：在所述平面、斜面或球面处刻蚀第二针体膜层3并形成缺口33从而使第一针体膜层2与第三针体膜层4的底端之间产生空隙，所述缺口通过局部化学腐蚀形成。
其他同实施例一。
参阅图3，一种多通道微针，由前述制造工艺制造而得。
实施例三：
i)针尖造型处理：将由第一针膜空心下沉结构21、第二针膜空心下沉结构31以及第三针膜空心下沉结构41或第三针膜实心下沉结构42共同构成的针体的针尖处打磨成球面。
其他同实施例一。
参阅图4，一种多通道微针，由前述制造工艺制造而得。
实施例四：
i)针尖造型处理：将由第一针膜空心下沉结构21、第二针膜空心下沉结构31以及第三针膜空心下沉结构41或第三针膜实心下沉结构42共同构成的针体的针尖处打磨成斜面。
其他同实施例一。
参阅图5，一种多通道微针，由前述制造工艺制造而得。
实施例五：
参阅图6，本发明一种多通道微针及其制造工艺，包括如下步骤：
a)开口：根据所需选择合适厚度的衬底1，再在衬底1的顶面刻蚀若干个不贯穿底面的内凹部11，所述衬底1为玻璃衬底，各个所述内凹部11均呈倒锥形，各个所述内凹部11均采用光胶刻蚀技术而刻蚀得到；
其中，光胶刻蚀技术具体为，首先在衬底1的顶面涂覆光胶并形成光胶层5，在经过烘干之后，利用掩膜进行遮挡，从而使光线照射光胶层5的部分区域，再利用显影液将光胶层5被曝光或者未被曝光的区域溶解并形成通孔51，最后利用在电场作用下所产生等离子体穿过通孔51并轰击和侵蚀衬底1的顶面直至产生内凹部11；
f)光学和电极处理：先在第三针体膜层4的顶面刻蚀至少两个第三针膜通口44以形成至少一个光学窗口，再在至少一个所述第三针膜通口44之中并于第二针体膜层3的顶面刻蚀第二针膜通口32以形成至少一个电极接触点，所述第二针膜通口32的开口小于第三针膜通口44的开口，各个所述第二针膜通口32和第三针膜通口44均采用光胶刻蚀技术(同上)而刻蚀得到；
其他同实施例一。
一种多通道微针，由前述制造工艺制造而得。
实施例六：
参阅图7，本发明一种多通道微针及其制造工艺，包括如下步骤：
d)三次成膜：在第二针体膜层3的顶面生成第三针体膜层4，同时使部分所述第三针体膜层4沉入各个第二针膜空心下沉结构31之中并分别形成第三针膜实心下沉结构42，所述第三针体膜层4具有导电性，所述第三针体膜层4为采用化学气相沉积技术镀设而成的膜层厚度在各个方向接近的钨薄膜；
e)开孔：在各个第三针膜实心下沉结构42的顶面分别进行刻蚀直至贯穿衬底1的底面并形成中空通道43，各个所述中空通道23的长度均为100～1500μm，直径均为1～200μm，各个所述中空通道23均采用无掩模刻蚀技术(同上)而刻蚀得到；
i)针尖造型处理：将由第一针膜空心下沉结构21、第二针膜空心下沉结构31以及第三针膜实心下沉结构42共同构成的针体的针尖处打磨成平面。
其他同实施例一。
一种多通道微针，由前述制造工艺制造而得。
实施例七：
参阅图8，本发明一种多通道微针及其制造工艺，包括如下步骤：
a)开口：根据所需选择合适厚度的衬底1，再在衬底1的顶面刻蚀若干个贯穿底面的内凹部11，所述衬底1为玻璃衬底，各个所述内凹部11均呈倒锥形，各个所述内凹部11均采用无掩模刻蚀技术而刻蚀得到；
其他同实施例六。
一种多通道微针，由前述制造工艺制造而得。
上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种多通道微针的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
a）开口：在衬底（1）的顶面刻蚀若干个内凹部（11），所述衬底为玻璃衬底或者硅衬底；
b）一次成膜：在衬底（1）的顶面生成第一针体膜层（2），同时使部分所述第一针体膜层（2）沉入各个内凹部（11）之中并分别形成第一针膜空心下沉结构（21），所述第一针体膜层（2）具有导电性；
c）二次成膜：在第一针体膜层（2）的顶面生成第二针体膜层（3），同时使部分所述第二针体膜层（3）沉入各个第一针膜空心下沉结构（21）之中并分别形成第二针膜空心下沉结构（31），所述第二针体膜层（3）具有透光性和绝缘性；
d）三次成膜：在第二针体膜层（3）的顶面生成第三针体膜层（4），同时使部分所述第三针体膜层（4）沉入各个第二针膜空心下沉结构（31）之中并分别形成第三针膜空心下沉结构（41）或第三针膜实心下沉结构（42），所述第三针体膜层（4）具有导电性；
e）开孔：当形成第三针膜空心下沉结构（41）时，打磨衬底（1）的底面直至向上磨穿各个第三针膜空心下沉结构（41）的底部并形成中空通道（43）；当形成第三针膜实心下沉结构（42）时，在各个第三针膜实心下沉结构（42）的顶面分别进行刻蚀直至贯穿衬底（1）的底面并形成中空通道（43）；
f）光学和电极处理：先在第三针体膜层（4）的顶面刻蚀至少两个第三针膜通口（44）以形成至少一个光学窗口，再在至少一个所述第三针膜通口（44）之中并于第二针体膜层（3）的顶面刻蚀第二针膜通口（32）以形成至少一个电极接触点；
g）去衬：去除衬底（1）；
h）表面处理：在第一针膜空心下沉结构（21）之外通过物理溅射或电镀生成纳米级金薄膜涂层；
在步骤b)和d)之中，所述第一针体膜层（2）和第三针体膜层（4）均为采用化学气相沉积技术镀设而成的纯金属薄膜或合金薄膜；
在步骤c)之中，所述第二针体膜层（3）为采用化学气相沉积技术镀设而成的玻璃薄膜。
2.如权利要求1所述的一种多通道微针的制造方法，其特征在于：在步骤a)之中，各个所述内凹部（11）均呈倒锥形。
3.如权利要求1所述的一种多通道微针的制造方法，其特征在于：在步骤a)、e)和f)之中，各个所述内凹部（11）、第二针膜通口（32）、第三针膜通口（44）以及第三针膜实心下沉结构（42）之中的中空通道（43）均采用光胶刻蚀技术或无掩模刻蚀技术而刻蚀得到。
4.如权利要求1所述的一种多通道微针的制造方法，其特征在于：在步骤e)之中，各个所述中空通道（43）的长度均为100～1500μm，直径均为1～200μm。
5.如权利要求1所述的一种多通道微针的制造方法，其特征在于：还包括步骤i)针尖造型处理：将由第一针膜空心下沉结构（21）、第二针膜空心下沉结构（31）以及第三针膜空心下沉结构（41）或第三针膜实心下沉结构（42）共同构成的针体的针尖处打磨成平面、斜面或球面。
6.如权利要求5所述的一种多通道微针的制造方法，其特征在于：还包括步骤j)电极中空处理：在所述平面、斜面或球面处刻蚀第二针体膜层（3）并形成缺口（33）从而使第一针体膜层（2）与第三针体膜层（4）的底端之间产生空隙。
7.一种多通道微针，其特征在于：由权利要求1至6中任一项所述的制造方法制造而得。
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