本发明涉及一种制备微型针阵列的原理及方法。
背景技术：
微针，即微小的针具，采用微针阵列给药或采样；具有创面小、精确、微量、无痛等优点，同时还能提高生化检验的精度和可靠性等。
近几年，微针的应用主要集中在透皮给药、微电极、流体采样分析与检测等方面。目前微针制作工艺主要采用的是硅微加工工艺和liga(lithographie、galvanoformung、abformung，即光刻、电铸和注塑)等工艺。前者流程大概有热氧化，光刻，体硅腐蚀，反应离子刻蚀等；后者基本步骤为x光曝光、显影、电镀、光刻胶脱膜、真空压塑、塑料脱模，此方法在微细加工技术中较为突出，能够获得具有高深宽比、结构精细、侧壁陡峭、表面平整的微结构。但是，上述现有工艺，其制备过程均非常复杂，效率低且成本较高。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是提供一种简单高效，形状尺寸可控，具有良好的机械性能的微针制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：微针制备方法，利用基于dlp原理的3d打印机，通过控制打印光束的曝光时间t以在打印材料层内曝光成型锥尖状的针尖结构。
进一步的是：所述基于dlp原理的3d打印机包括打印平台和载玻片，所述打印材料层设置于打印平台上，所述载玻片与打印材料层的液面相贴，打印光束从上方穿过载玻片后投射入打印材料层内。
进一步的是：在载玻片上游的打印光线路径上设置有调节透镜组。
进一步的是：在打印材料层的底部垫有一层非粘性垫层，所述非粘性垫层铺设于打印平台上。
进一步的是：所述基于dlp原理的3d打印机，在曝光成型针尖结构时，其打印光线由多束彼此间隔的打印光束组成。
进一步的是：每束针尖结构的横截面呈圆形、三角形、十字形或米字形。
进一步的是：在曝光成型锥尖状的针尖结构之前或之后，通过投射平面式的打印光线以在打印材料层内的上层曝光成型具有一定厚度d的基层。
进一步的是：在曝光成型锥尖状的针尖结构之后，利用水将打印材料层内未成型的打印材料冲走，然后再对已成型的针尖结构进行二次曝光固化或者自然晾干。
进一步的是：在进行二次曝光固化时，采用平面式打印光线。
进一步的是：所述打印材料层为光敏材料，所述打印光束为紫外光。
本发明的有益效果是：本发明所述的微针制备方法，直接利用基于dlp原理的3d打印机进行制备，如紫外线光照对光敏材料进行曝光成型，利用打印光束在打印材料层内位于同一横截面上光强由打印光束的中心向周围逐渐减弱以及在同一纵截面上光强由靠近光源端向远离光源端逐渐减弱的现象，通过控制特定的曝光时间t以直接成型微针的针尖结构，其具有方法简单高效，微针形状尺寸可控，具有良好的机械性能等优点。
附图说明
图1为本发明所述的微针制备方法中的3d打印机的打印平台结构部分的示意图；
图2是打印管束打印状态示意图；
图3是微针打印成型后的结构示意图；
图4是3d打印机中打印光线的路径示意图；
图5为在打印材料层内单束打印光束的光强等势线图；
图6为图5中横截面的示意图；
图7为图5中纵截面的示意图；
图8为本发明所述的微针打印成型后的立体示意图；
图9至图12为不同形状的针尖结构的结构示意图；
图中标记为：打印光束1、打印材料层2、针尖结构3、打印平台4、载玻片5、调节透镜组6、非粘性垫层7、基层8、调节台9、打印光线路径10、光强等势线11。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1至图11中所示，本发明所述的微针制备方法，其利用基于dlp原理的3d打印机进行制备，通过控制打印光束1的曝光时间t以在打印材料层2内曝光成型锥尖状的针尖结构3。其中，dlp原理的3d打印机是利用由相应的计算机控制的打印光线投射到相应的光敏材料内，以使光敏材料发生交联作用并形成与投射光线相应形状的3d打印方式。本发明利用dlp原理的3d打印机的工作原理，为微针上的每个针尖结构3设置一束打印光束1，同时利用该打印光束1投射到打印材料层2，即光敏材料内使其交联形成相应的针尖结构3。另外，理论上根据打印材料的不同，其打印光束1可以采用不同类型的光线，如可采用紫外光、红外光等；具体需要根据相应的打印材料而定。
之所以能通过相应的打印光束1成型针尖结构3，其成型的原理是利用在打印材料层2内位于同一横截面上光强由打印光束1的中心向周围逐渐减弱以及在同一纵截面上光强由靠近光源端向远离光源端逐渐减弱的现象，这样通过控制特定的曝光时间t，即可直接成型相应形状的针尖结构3。
为了便于理解上述成型原理，参照附图5至7中所示，由于打印光束1在投射入相应的打印材料层2内以后会发生散射所用，其在打印材料层2内的光强将呈图中所示光强等势线11的形状分布。在附图6和附图7中为了便于表述光强梯度，采用不同填充密度的方式进行标示，其中填充密度越大则表示对应的光强越强，反之填充密度越小则表示对应的光强越弱。因此可以看出，在附图6中所示的表明其位于同一横截面上光强由打印光束1的中心向周围逐渐减弱；而附图7中则表明其在同一纵截面上光强由靠近光源端向远离光源端逐渐减弱的现象。
另外，参照附图1至3中所示，所述基于dlp原理的3d打印机，其包括有打印平台4和载玻片5；当然，不失一般性，其通常还包括有相应的计算机控制系统、打印光线发生系统等部分。其中，打印材料层2设置于打印平台4上，在进行打印成型时所述载玻片5需要与打印材料层2的液面相贴，打印光束1从上方穿过载玻片5后投射入打印材料层2内。当然，上述结构的基于dlp原理的3d打印机为打印光线从上方投射入打印材料层2的方式进行打印。不失一般性，本发明也可采用打印光线从下方投射入打印材料层2的方式进行打印；相应的只需要采用不同打印方式的基于dlp原理的3d打印机即可。其中，上述载玻片5是用于承载曝光成型后的针尖结构3的承载片，一般采用透光性较好的玻璃片；并且通常将载玻片5安装到可上下调节高度的调节台9上，以便根据需要进行调节。
另外，一般情况下，为了便于调节控制打印光线，参照附图4中所示，还可在载玻片5上游的打印光线路径10上设置有调节透镜组6，以通过调节透镜组6实现对打印光线的调节。
另外，还可进一步在打印材料层2的底部垫有一层非粘性垫层7，所述非粘性垫层7铺设于打印平台4上；其中非粘性垫层7的作用一方面可避免将打印材料层2直接至于打印平台4上，另一方面也可避免曝光成型的针尖结构3与打印平台4粘接，可更利于成型后的微针的提取。具体的，非粘性垫层7可以采用硅胶薄膜或者其它类似材料。
另外，由于通常情况下微针是由大量的针尖结构3所组成，如附图8中所示，因此为了实现快速或者一次性的打印多个针尖结构3，可设置打印光线由多束彼此间隔的打印光束1组成，这样可每个打印光束1对应成型一个针尖结构3。具体的，打印光线整体内部的打印光束1数量、排布、大小等，均可预先通过计算机进行设计，然后再导入到打印机内以通过打印光线发生系统控制并产生相应的打印光束1。
不失一般性，参照附图9至附图11中所示，本发明中所示的微针，其成型后的针尖结构3的横截面可呈圆形、三角形、十字形或米字形。相应的，只需要在进行微针结构设计的过程中设置相应结构的图形，然后通过控制打印机产生相应横截面形状的打印光束1即可。当然，理论上本发明中对于针尖结构的横截面形状也可设置为同上述四种形状类似的其它形状。
另外，为了便于使所有的针尖结构3连接在一起形成微针整体结构，本发明进一步在曝光成型锥尖状的针尖结构3之前，通过投射平面式的打印光线以在打印材料层2内的上层曝光成型具有一定厚度d的基层8。其中所谓的平面式的打印光线是指所投射的打印光线为面光，因此其可在打印材料层2内曝光成型一层基层8；而基层8则是用于承载并连接曝光成型的多个针尖结构3，以避免针尖结构3分散。其中，对于基层8的厚度d，其与材料层2厚度相关，可具体根据实际情况进行控制。
另外，由于本发明在曝光成型针尖结构3时，是通过控制相应的曝光时间t，以使打印光束1直接在打印材料层2内成型相应的针尖结构3；因此，容易出现因在针尖结构3的表层的曝光强度较弱，成型固化效果不佳的情况；为此，本发明进一步采取如下处理：在曝光成型锥尖状的针尖结构3之后，首先利用水将打印材料层2内未成型的打印材料冲走，然后再对已成型的针尖结构3进行二次曝光固化或者自然晾干；其中二次曝光固化或者自然晾干的目的均是进一步提高针尖结构3的成型强度，以使其能满足刺破皮肤的要求，确保微针的有效使用。在利用水将打印材料层2内未成型的打印材料冲走的过程中，应尽量使用流动缓慢的水液体，以避免对已成型的针尖结构3的破坏。并且，在进行二次曝光固化时，也可采用平面式打印光线进行曝光固化。当然，不失一般性，也可采用其它液体代替水作为冲洗液，如采用乙醇等，只要确保该种液体不会与已成型的打印材料发生反应即可。
以下是本发明的一些具体实施例：
实施例一，选用亲脂性材料，如3d打印光敏树脂材料作为打印材料层2的打印材料滴加于带硅胶薄膜作为非粘性垫层7的打印平台4表面，在加液过程中应避免气泡的产生影响微针的曝光成型之后再将载玻片5安装于调节台9上，通过控制调节台9调控载玻片5与打印平台4之间的距离为1mm；观察载玻片5与打印平台4是否保持于水平状态并使载玻片5充分接触光敏材料以保证曝光成型的针尖结构3高度一致。之后启动3d打印机投射预先设置好的打印光束1，并控制打印光束1曝光14s后结束。当然，在上述曝光之后，可进一步利用水将打印材料层2内未成型的打印材料冲走，然后再对已成型的针尖结构3进行二次曝光固化或者自然晾干。
实施例二，选用亲水性材料，如30％pegda，2.1％lap材料作为打印材料层2的打印材料滴加于带硅胶薄膜作为非粘性垫层7的打印平台4表面，在加液过程中应避免气泡的产生影响微针的曝光成型。之后再将载玻片5安装于调节台9上，通过控制调节台9调控载玻片5与打印平台4之间的距离为1mm；观察载玻片5与打印平台4是否保持于水平状态并使载玻片5充分接触光敏材料以保证曝光成型的针尖结构3高度一致。之后启动3d打印机，投射预先设置好的打印光束1，控制打印光束1曝光15s后结束。
本发明所述的微针制备方法，根据所选用的光敏材料、打印材料层的厚度、需要成型的针尖结构3的高度以及打印光线的强度等的不同，对应的曝光时间t均需要随之改变，因为曝光时间的长短将直接影响到针尖结构3的尖钝情况。因此在设置曝光时间t时需要根据具体的情况而定，需要确保其能实现在打印材料层2内通过曝光成型设计所需形状的针尖结构3。