基于高压电场的微针阵列的制作方法

基于高压电场的微针阵列的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种生物医学工程方法的【技术领域】，更具体地，涉及一种基于高压电场的微针阵列的制作方法。通过推注装置的设置使基底混合物溶液的流入基底模具的速度可控，使其均匀分布于基底模具上，避免出现堆积；利用电场发生装置产生的电场与基底混合物溶液相互作用，通过控制电压的大小，使基底混合物溶液电离在孔模上形成泰勒锥，即形成微针阵列结构，降低微针阵列结构的制作成本，使微针技术的制作方法简单且易操作。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种生物医学工程方法的【技术领域】，更具体地，涉及一种基于高压电 场的微针阵列的制作方法。 基于高压电场的微针阵列的制作方法

【背景技术】
[0002] 在医学治疗领域中，虽然现在生物技术已经生产处许多很成熟和有效的药物，但 是许多药物的传输受到一些限制，最明显的就是药物的口服和药物的注射。
[0003] 口服投药主要的问题就在于在胃肠道中药物的降解作用和通过肝脏药物的排出。 另一种通常用的投药的途径是经过静脉注射，这种方法在非医疗场所不易使用，也不好维 持和控制药物的释放，并且对于患者来说不方便，有痛感。通过皮肤传送药物是很吸引人的 新型方法，但是这种方法由于皮肤极差的渗透性受到限制。微针阵列提供一种新型传送药 物的方法，可以增强经皮肤对药物分子的传输，实现高效、无痛投药。微针阵列刺入皮肤，创 造了通过角质层传输药物的导管，一旦药物穿过角质层，它就可以通过深层组织迅速扩散 并被下面的毛细血管吸收，形成投药系统。
[0004] 微针在生物医学领域有广泛的应用，例如用于生物医学测量系统，药物传输系 统及微量采样分析系统等。微针不但体积微小，而且在性能上还有精确，无痛，高效，便利 的特点，使其应用的优势更加大，相应的应用的范围更加宽。
[0005] 目前制作微针的方法不是太多，基于微机电系统(MEMS技术)的LIGA技术为微针 阵列的加工是其中一种有效途径。LIGA技术是一种利用同步辐射X射线制造三维器件的 先进制造技术。它由X射线掩模板制备、同步X射线光刻、微结构模具、微电铸和微复制 工艺组成，用LIGA技术可以进行微器件的大批量生产，使成本大大降低。但是由于同步X 射线较为昂贵以及制作周期长，LIGA技术制作微针的成本很高，且过程复杂不易控制。
[0006] 早期微针主要以硅作为材料，由于具有机械强度不高，脆性大，易发生断裂、与人 体的生物相容性尚不明确、加工费用仍然较高等缺陷，现阶段并不具备推广的条件和潜力。 金属微针除了在物理机械性能、力学性能具有显著优势之外，在生物相容性方面还是有一 定的欠缺，并且加工过程比较复杂，得到的金属微针在载药和药物释放方面有一定难度，效 果不一定理想。而可固化可降解高分子聚合物材料以其加工成本低和适于大批量生产的特 点显示出突出的优势，并且该高分子聚合物微针具有良好的生物相容性。另外，该可降解聚 合物材料微针可以实现直接载药，可以直接把药物加入到可被人体降解的生物材料当中， 直接把针插入人体并且释放药物，避免了金属微针载药在输药后拔出的时断落导致微针留 在人体。特别地，该可固化可降解的高分子聚合物材料成本低，有可以直接载药的优点，可 以通过改变聚合物材料来实现微针的力学强度，并且处理技术成熟，另外其成形性和相容 性比较优异，适合用于微针的批量生产。


【发明内容】

[0007] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于高压电场的微针阵列的制 作方法，通过推注装置的设置使基底混合物溶液的流入基底模具的速度可控，使其均匀分 布于基底模具上，避免出现堆积；利用电场发生装置产生的电场与基底混合物溶液相互作 用，通过控制电压的大小，使基底混合物溶液电离在孔模上形成泰勒锥，即形成微针阵列结 构，降低微针阵列结构的制作成本，使微针技术的制作方法简单且易操作，可避开MEMS技 术复杂的工艺过程，便于实现批量生产。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是： 提供一种基于高压电场的微针阵列的制作方法，基于微针阵列的制作设备包括基底模 具、具有若干小孔的孔模、用于生成高压电场的电场发生装置、用于将基底混合物溶液推注 到基底模具的推注装置，所述推注装置与基底模具相连通，微针阵列的制作方法包括下列 步骤： a. 制作基底混合物溶液，所述基底混合物溶液是由环氧树脂、环氧树脂固化剂、需要注 射的药物混合而成，并将已混合均匀的基底混合物溶液装于推注装置内； b. 将孔模放置于基底模具的上表面，开启推注装置向基底模具内注入基底混合物溶 液，孔模上的若干小孔置于基底混合物溶液的上方； c. 将步骤b的基底模具放置于电场发生装置中，通过控制电压的大小，使基底混合物 溶液电离在孔模上，形成稳定固化的微针阵列结构。
[0009] 本发明基于高压电场的微针阵列的制作方法，通过将已浇筑了基底混合物溶液且 上表面放置有孔模的基底模具放置于电场发生装置中，可使基底混合物溶液电离在孔模上 形成泰勒锥，形成稳定固化的微针阵列结构。且由于基底混合物溶液包含需要注射的药物 且其他物质在体内可降解，避免了患者在用药过程中需要拔出微针的痛苦。制作设备结构 简单，可降低微针的制作成本。
[0010] 为了基底模具稳定放置基底混合物溶液，所述基底模具的表面设置有用于放置基 底混合物溶液的凹槽，所述孔模放置于凹槽内，所述孔模的尺寸与凹槽的尺寸相匹配。孔模 的尺寸与凹槽的尺寸相匹配是为了避免孔模放置于凹槽中滑动，使其放置平稳，便于微针 阵列结构的制取。
[0011] 为了简化电场的生成方式，同时能够将基底混合物溶液电离，所述电场发生装置 包括高压直流电源、平板电极和电极片，所述平板电极设于凹槽的上方，所述电极片设于凹 槽内；所述高压直流电源的接地端与平板电极相连接、电压输出端与电极片相连接。高压 直流电源发生器采用高压直流恒定电流源，且高压直流电源输出的电压可进行粗调以及微 调。
[0012] 为了促使步骤c中的微针阵列结构固化，所述制作设备还包括用于给基底模具上 的微针进行固化的固化装置。微针需要选择用于形成微针的且可固化可降解的基底混合物 溶液。为了加速微针的固化，可根据所选择的可固化材料的固化条件选择可固化条件，选择 相应的固化装置对形成的微针进行固化。固化方法主要加热固化、辐射固化、微波固化等 等，具体的固化方式根据所选的微针制作材料来具体确定。
[0013] 为了使混合物溶液更加容易形成微针，所述推注装置包括用于给注射器提供推进 力的注射泵和用于装设基底混合物溶液的注射器，所述基底模具底部设有与推注装置连通 的连通孔；所述注射器通过橡胶软管与连接孔连接。所述推注装置在推注时需要严格控制 其推注速度和流量，使基底混合物溶液推注到孔模上的小孔里，以混合物溶液达到小孔的 顶端且没溢出孔模表面为优。
[0014] 为了避免基底模具受匀强磁场的影响，所述基底模具为非导电材料结构，所述孔 模为平板低介电材料结构。优选地，基底模具为玻璃材料结构，孔模为硅橡胶板。基底模 具为玻璃材料结构的设置是由于玻璃材质不会受到电场影响，并且基底模具的玻璃材料 的介电常数比孔模的硅橡胶板材料的介电常数大，使得作为基底模具的玻璃材料不影响 形成的电场且对孔模形成的电场影响不显著，且透明易于观察。孔模为硅橡胶板，优点是 具有优良的耐热空气老化性能、耐臭氧性能、绝缘性，并耐燃料油和润滑油，可放置在温 度-6(T+250°C的条件下的空气或油类介质中。硅橡胶板继承了硅胶的优良特性，具有介电 性、耐腐蚀、耐高温高压、无色无味的特点。另外，硅橡胶板具有低介电常数，将其置于高压 电场之下，其上面的小孔所形成的局部电场相当于尖锐的金属针头所产生的局部电场。
[0015] 优选地，所述孔模上的若干小孔的孔径为0. 3~0. 5mm，所述若干小孔之间的间距为 15~30mm。若干小孔的孔径为0· 3~0· 5mm是根据实验测出的较佳的孔径，孔径的大小会影响 微针的直径，且会影响孔模上小孔的分布数目。若干小孔之间的间距是为15~30mm是为了 避免相邻孔之间所产生的电场互相干扰。
[0016] 基底混合物溶液是由可固化可降解的高分子材料、需要注射的药物混合而成，可 以根据基地混合物的固化条件搭固化装置，并将已混合均匀的基底混合物溶液装于推注装 置，在高压电场下形成针后就可以开启固化装置对微针进行固化。
[0017] 为了简化电场的生成方式，同时能够将基底混合物溶液电离，所述高压直流电源 的输出端电压为1KV飞0KV。高压电源输出电压为1KV-50KV，且0到最高电压连续可调，可 以实现对不同实验条件的控制，提高微针形成的成功率。高压直流电源主要用于产生高压 电场，将基底混合物溶液电离，因此功率不需要太大，安全性能高。
[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果是： 本发明基于高压电场的微针阵列的制作方法，通过推注装置的设置使基底混合物溶液 的流入基底模具的速度可控，使其均匀分布于基底模具上，避免出现堆积；利用电场发生装 置产生的电场与基底混合物溶液相互作用，通过控制电压的大小，使基底混合物溶液电离 在孔模上形成泰勒锥，即形成微针阵列结构，降低微针阵列结构的制作成本，使微针技术的 制作方法简单且易操作。本发明的基底混合物溶液是由可固化的高分子材料与药物的混合 组成的聚合物溶液，其形成的微针可以直接作用于人体后无需拔出，药物可以缓慢地直接 释放到人体，实现药物的直接传输，并且其成针材料可于人体内降解。本发明可以通过调节 高压直流电源电压、孔膜上的若干小孔的孔径大小以及混合物溶液的组分等方式来改变微 针阵列长度以及微针粗细，使微针的形状具有可控性，且制作设备结构简单，成本低廉，使 用方便。

【专利附图】

【附图说明】
[0019] 图1为实施例1基底模具的结构示意图。
[0020] 图2为实施例1孔模的结构示意图。
[0021] 图3为实施例1加孔模前微针阵列的制作设备结构示意图。
[0022] 图4为实施例1微针阵列制作成型后的结构示意图。
[0023] 图5为实施例2微针阵列的制作设备的结构示意图。

【具体实施方式】
[0024] 下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明， 表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实 施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员 来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0025] 本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描 述中，需要理解的是，若有术语"上"、"下"、"左"、"右"等指示的方位或位置关系为基于附图 所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的 装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的 用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可 以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0026] 实施例1 如图1至图4所示为本发明基于高压电场的微针阵列的制作方法的第一实施例，如图 4所示，基于微针阵列的制作设备包括基底模具1、具有若干小孔的孔模2、用于生成高压电 场的电场发生装置3、用于将基底混合物溶液推注到基底模具1的推注装置4,推注装置4 与基底模具1相连通，微针阵列的制作方法包括下列步骤： a. 制作基底混合物溶液，所述基底混合物溶液是由环氧树脂、环氧树脂固化剂、需要注 射的药物混合而成，并将已混合均匀的基底混合物溶液装于推注装置4内； b. 将孔模2放置于基底模具1的上表面，开启推注装置4向基底模具1内注入基底混 合物溶液，孔模2上的若干小孔置于基底混合物溶液的上方； c. 将步骤b的基底模具1放置于电场发生装置3中，通过控制电压的大小，使基底混合 物溶液电离在孔模2上，形成稳定固化的微针阵列结构。
[0027] 具体地，如图1所示，基底模具1的表面设置有用于放置基底混合物溶液的凹槽 11，孔模2放置于凹槽11内，孔模2的尺寸与凹槽11的尺寸相匹配。孔模2的尺寸与凹槽 11的尺寸相匹配是为了避免孔模2放置于凹槽11中滑动，使其放置平稳，便于微针阵列结 构的制取。本实施例中选用的基底模具1为方形结构；凹槽11为方形凹槽，长为150mm，宽 为lOCtam,深度为2謹。
[0028] 其中，如图3至图4所示，电场发生装置3包括高压直流电源31、平板电极32和电 极片33,平板电极32设于凹槽11的上方，电极片33设于凹槽11内；高压直流电源31的 接地端与平板电极32相连接、电压输出端与电极片33相连接。高压直流电源发生器采用 高压直流恒定电流源，且高压直流电源31输出的电压可进行粗调以及微调。高压直流电源 31的输出端电压为1KV?50KV。高压制流电源31输出电压为1KV-50KV，且0到最高电压连 续可调，可以实现对不同实验条件的控制，提高微针形成的成功率。高压直流电源31主要 用于产生高压电场，将基底混合物溶液电离，因此功率不需要太大，安全性能高。
[0029] 另外，如图3至4所示，制作设备还包括用于给基底模具1上孔模2所形成的微针 固化的固化源。本申请的固化源采用加热源。加热源包括放置于基底模具1底部的加热膜 5和用于给加热膜5提供电源的外界直流电源6,加热膜5为碳纤维材料构成。加热膜5为 碳纤维材料构成的设置是由于碳纤维电热转换效率高，使用寿命长，耐疲劳性高，且不会受 到外加磁场影响。通过对加热膜5对基底混合物溶液加热，加速环氧树脂固化，S卩加速微针 阵列结构的固化。
[0030] 其中，推注装置4包括用于给注射器提供推进力的注射泵和用于装设基底混合物 溶液的注射器，基底模具1底部设有与推注装置4连通的连通孔12 ;注射器通过橡胶软管7 与连接孔12连接。推注装置4在推注时需要严格控制其推注速度和流量，使基底混合物溶 液推注到孔模2上的小孔里，以混合物溶液达到小孔的顶端且没溢出孔模2表面为优。凹 槽11底部有小孔引出橡胶软管7连接推注装置4,并且在凹槽11底部固定有电极片33,以 便与推注到凹槽11的基底混合物溶液充分接触和电离。
[0031] 另外，基底模具1为非导电材料结构，孔模2为平板低介电材料结构。本实施例中， 基底模具1为玻璃材料结构，孔模2为硅橡胶板。基底模具1为玻璃材料结构的设置是由 于玻璃材质不会受到电场影响，且透明易于观察。如图2所示，孔模2上的若干小孔的孔径 为0· 3?0· 5臟，若干小孔之间的间距为15?30mm。若干小孔的孔径为0· 3?0· 5mm是根据实验 测出的较佳的孔径，孔径的大小会影响微针的直径，且会影响孔模上小孔的分布数目。若干 小孔之间的间距是为15~30mm是为了避免相邻孔之间所产生的电场互相干扰。其小孔的数 目是可以根据实际情况进行设计的，本实施例中选用孔径为〇. 4mm的小孔，孔距为20mm，孔 模2上均匀分布35个小孔，长边7个，短边5个。
[0032] 另外，基底混合物溶液的部分成分的重量比值为，环氧树脂：环氧树脂固化剂 =3:1。基底混合物溶液的成分的重量比值的设置是为了不造成材料的浪费以及混合比例的 不足影响微针的生成质量。
[0033] 本实施例中具体的操作步骤如下： 步骤一：制作玻璃材质的凹槽结构基底模具1，其长为150mm，宽为100mm，深为2mm，通 过橡胶软管7与连接孔12连接将基底模具1与推注装置4连通。
[0034] 步骤二：通过激光在硅橡胶板上刻蚀形成孔模2。孔模2上的小孔孔距为0. 4mm， 孔模2上均匀分布35个小孔，长边7个，短边5个。
[0035] 步骤三：制作基底混合物溶液。其中环氧树脂与环氧树脂固化剂的重量比为3:1。
[0036] 步骤四：利用推注装置4吸取基底混合物溶液，并且将推注装置4通过橡胶软管7 通过小孔12连接到凹槽11底部连接，并将高压直流电源31电压输出端与固定在凹槽11 底部的电极片33连接。
[0037] 步骤五：将孔模2放置于凹槽11内，将连接着高压直流电源4接地端的平板电极 3置于距离凹槽11开口端4mm处。
[0038] 步骤六：启动推注装置4,将基底混合物溶液被推注到凹槽11中，直至基底混合物 溶液到达孔模2顶端且没有溢出小孔时停止推注。
[0039] 步骤七：打开高压直流电源31开关，从OkV开始逐渐升高电压，升高到3kV的时候 进行微调，利用放大镜观察，直至出现微针，保持该电压。
[0040] 步骤八：在基底模具1下方放置一片与外界直流电源6电连接的加热膜5,开启外 界直流电源6,调节其输出直流电压为5. 0V，在该电压下加热膜8的温度为90至130°C，对 基底模具1的加热直至微针阵列结构完全固化，形成微针阵列。
[0041] 实施例二 如图5所示为本发明基于高压电场的微针阵列的制作方法的第二实施例，本实施例与 实施例一类似，所不同之处在于，本实施例中选用孔径为0. 5mm的小孔，孔距为30mm，孔模2 上均匀分布35个小孔，长边7个，短边5个。本实施例中基底模具1不添加加热源，微针阵 列结构直接风干固化，可节省成本。
[〇〇42] 显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对 本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可 以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本 发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求 的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种基于高压电场的微针阵列的制作方法，其特征在于，基于微针阵列的制作设备 包括基底模具（1)、具有若干小孔的孔模（2)、用于生成高压电场的电场发生装置（3)、用于 将基底混合物溶液推注到基底模具（1)的推注装置（4)，所述推注装置（4)与基底模具（1) 相连通，微针阵列的制作方法包括下列步骤： a. 制作基底混合物溶液，所述基底混合物溶液是由可固化可降解的高分子材料、需要 注射的药物混合而成，并将已混合均匀的基底混合物溶液装于推注装置（4)内； b. 将孔模（2)放置于基底模具（1)的上表面，开启推注装置（4)向基底模具（1)内注入 基底混合物溶液，孔模（2)上的若干小孔置于基底混合物溶液的上方； c. 将步骤b的基底模具（1)放置于电场发生装置（3 )中，通过控制电压的大小，使基底 混合物溶液电离在孔模（2)上，形成稳定固化的微针阵列结构。
2. 根据权利要求1所述的基于高压电场的微针阵列的制作方法，其特征在于，所述基 底模具（1)的表面设置有用于放置基底混合物溶液的凹槽（11)，所述孔模（2)放置于凹槽 (11)内，所述孔模（2)的尺寸与凹槽（11)的尺寸相匹配。
3. 根据权利要求2所述的基于高压电场的微针阵列的制作方法，其特征在于，所述电 场发生装置（3)包括高压直流电源（31)、平板电极（32)和电极片（33)，所述平板电极（32) 设于凹槽（11)的上方，所述电极片（33)设于凹槽（11)内；所述高压直流电源（31)的接地 端与平板电极（32)相连接、电压输出端与电极片（33)相连接。
4. 根据权利要求1至3任一项所述的基于高压电场的微针阵列的制作方法，其特征在 于，所述制作设备还包括用于给基底模具（1)上孔模（2)所形成的微针固化的固化源。
5. 根据权利要求1至3任一项所述的基于高压电场的微针阵列的制作方法，其特征在 于，所述推注装置（4)包括用于给注射器提供推进力的注射泵和用于装设基底混合物溶液 的注射器，所述基底模具（1)底部设有与推注装置（4)连通的连通孔（12);所述注射器通过 橡胶软管与连接孔（12)连接。
6. 根据权利要求1所述的基于高压电场的微针阵列的制作方法，其特征在于，所述基 底模具（1)为非导电材料结构，所述孔模（2)为平板低介电材料结构。
7. 根据权利要求1所述的基于高压电场的微针阵列的制作方法，其特征在于，所述孔 模（2)上的若干小孔的孔径可以根据具体要求调整，所述若干小孔之间的间距为15~30mm。
8. 根据权利要求1所述的基于高压电场的微针阵列的制作方法，其特征在于，所述基 底混合物溶液的部分成分包括可固化可降解的高分子聚合物。
9. 根据权利要求3所述的基于高压电场的微针阵列的制作方法，其特征在于，所述高 压直流电源的输出端电压可以根据具体的可固化材料进行调整，范围为1KV飞OKV。
【文档编号】A61M37/00GK104096311SQ201410308295
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月1日 优先权日:2014年7月1日
【发明者】蒋乐伦, 黄伟龙, 陈珂云, 潘程枫, 凌金田, 陈志鹏 申请人:中山大学