一种金属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，涉及一种金属微针阵列的制作方法，基于金属微针阵列的制作设备包括基底模具、具有若干小孔的孔模、用于形成匀强磁场的磁场发生装置，通过磁场发生装置生成的匀强磁场与磁性纳米颗粒相互作用形成微针阵列结构，可简化金属微针的制作工艺且操作简单。本发明可以通过调节匀强磁场的磁场强度大小、孔膜上的若干小孔的孔径大小以及磁粉颗粒与环氧树脂比例等方式来改变微针阵列长度以及微针粗细，使金属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。
【专利说明】一种金属微针阵列的制作方法
【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，涉及一种金属微针阵列的制作方法。
【背景技术】
[0002]在医学治疗领域中，人类已发明多种给药技术。给药方式的不同不仅会直接影响病人的直观感受，同时也会影响到药物对人体的最终治疗效果。传统的给药方式主要包括口服给药和注射给药。
[0003]口服给药是一种最常用的药物传输技术。但是由于通过口服给药方式的药物需要经过肠胃、肝脏等器官，肠道消化酶以及肝脏的首过效应常使部分药物在到达靶目标前部分失效或者全部失效，如蛋白质药物、胰岛素药物口服无效。
[0004]注射给药能够避免口服给药技术中的一些问题，直接用注射器的普通针头刺入皮肤深层进行给药。这种方法虽然有效，但由于针头刺激皮肤深层神经细胞会引起患者痛苦，特别是对于需要持续给药的患者，如糖尿病病人。同时因为针头尺寸较大，会给皮肤造成局部创伤，加大伤口感染几率。另外，由于注射给药技术会在短时间内释放所有药物，不利于药物的持续稳定释放。
[0005]目前比较新兴的给药方式主要包括透皮给药和微针给药技术两种方式。
[0006]透皮给药是一种可以克服口服给药和注射给药两种给药技术缺陷的新兴给药方式，它通过将药物贴在皮肤表面，利用药物对皮肤的渗透来进行药物传输。但是由于皮肤外层的角质层对药物吸收的阻碍作用，导致药物吸收率很低。许多大分子药物根本无法通过被动渗透方式进入人体内循环。虽然人们通过离子电渗法、超声波、加热等方法试图改善渗透的几率，但并没有达到预想效果，而且操作条件严苛。
[0007]微针技术是一项无痛而又具备高传输率的给药技术。微针的有效长度刚好能刺破阻碍药物进入人体循环的角质层，形成微米级的药物输送通道，从而提高药物运输率，同时又不会刺激皮肤深层神经细胞而引起病人痛感。微针直径尺寸在微米甚至纳米量级，在皮肤留下的创叶分微小，大大降低了伤口感染几率。除此之外，微针还可实现长效可控给药。
[0008]虽然微针给药技术有着诸多优点，但是良好的微针的制作却是一大难题。由于微针有着尺寸精细微小的特点，用传统工艺加工微针十分困难。随着微纳技术的发展，使得微针的制备有了一些技术手段。
[0009] 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。另一种材料制备的微针——聚合物微针具有良好的生物相容性，但是由于有技术上的加工瓶颈，加工成本过高，也无法在短时间内投入市场。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，而且许多金属微针如钛金、不锈钢、镍等是生物相容性材料，不易对皮肤造成损伤，是制备微针的理想材料之一。特别地，金属材料中不锈钢材料成本低、来源广，处理技术成熟，另外强度高、耐腐蚀，成形性和相容性优异，适合用于微针的批量生产。
[0010]基于微机电系统(MEMS技术)的LIGA技术为金属微针阵列的加工提供了有效途径。LIGA技术是应用X射线进行曝光并以电铸成型的一种崭新的微机械加工方法。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，金属加工工艺限制了金属微针的开发与推广。
【发明内容】
[0011]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种金属微针阵列的制作方法，利用磁场发生装置产生的匀强磁场与基底混合物溶液相互作用，可形成微针阵列结构，降低微针阵列结构的制作成本，且通过采用特殊的加热膜结构，使金属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，经济效益和社会效益显著。
[0012]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:
提供一种金属微针阵列的制作方法，基于金属微针阵列的制作方法的制作设备包括基底模具、具有若干小孔的孔模、加热膜、用于形成匀强磁场的磁场发生装置以及外界直流电源，所述加热膜与外界直流电源电连接，金属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磁性纳米颗粒、环氧树脂、环氧树脂固化剂混合而成，并取已混合均匀的基底混合物溶液浇注于基底模具上；
b.将孔模放置于基底模具的上表面，若干小孔置于基底混合物溶液的上方；
c.将步骤b的基底模具放置于磁场发生装置中，形成稳定固化的微针阵列结构，
d.将步骤C所得的微针阵列表面真空溅镀一层质地均匀的金属，形成金属微针阵列。
[0013]本发明金属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磁场发生装置中，可使匀强磁场与基底混合物溶液里磁性纳米颗粒相互作用，形成稳定的微针阵列结构；然后在微针阵列的表面镀一层金属，形成金属微针阵列，使金属微针阵列的制作方法简便易于操作，且制作设备结构简单，可降低金属微针的制作成本。
[0014]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加热的加热源。通过加热源给基底模具加热促使微针阵列结构固化。
[0015]为了提供优质的加热源，所述加热源包括纺织于基底模具底部的加热膜和用于给加热膜提供外界电力的外界直流电源，所述加热膜为碳纤维材料构成。加热膜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。通过外界直流电源对加热膜通电可对基底混合物溶液加热，加速环氧树脂固化，即加速微针阵列结构的固化。
[0016]为了简化产生磁场的方式，所述磁场发生装置由两块表面绕制多匝线圈的铁芯构成。
[0017]为了降低成本同时选出优质的铁芯和线圈，所述铁芯为硅钢片卷制或由DT4C纯铁切割而成，所述线圈为铜导线。硅钢片的选用是由于硅钢片磁饱和密度较高，成本低，加工延展性好，磁致伸缩系数小。工业纯铁做铁芯，型号为DT4C，工业纯铁质地较软，韧性特别大，电磁性能好，突出表现在矫顽力低，导磁率高，饱和磁感高，磁性稳定又无磁时效。铜导线的选用是由于铜线的引线焊接方便，电阻率较低，熔点较高，抗温性好，安全性高，耐腐蚀，体积小，机械强度大，寿命强。
[0018]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。
[0019]为了避免基底模具受匀强磁场的影响，所述基底模具为玻璃材料结构，所述孔模为薄铜片结构。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磁场影响，且透明易于观察。
[0020]优选地，所述孔模上的若干小孔的孔径为0.25、.40mm。若干小孔的孔径为
0.25、.40mm的设置是根据实验测出的较佳的孔径，孔径的大小会影响微针的长度和直径，且会影响孔模上小孔的分布数目。
[0021]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，所述基底混合物溶液的成分的重量比值为，环氧树脂:磁性纳米颗粒:环氧树脂固化剂=150:3:50。所述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，由于磁性纳米颗粒与环氧树脂的比例影响微针的长度与粗细。
[0022]为了便于加工且节省时间成本，所述磁性纳米颗粒的直径为45~55nm。
[0023]为了使基底混合溶液混合均匀，所述基底混合物溶液置于超声清洗仪中震荡8~15min。
[0024]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
本发明金属微针阵列的制作方法，通过磁场发生装置生成的匀强磁场与磁性纳米颗粒相互作用形成微针阵列结构，可简化金属微针的制作工艺且操作简单。本发明可以通过调节匀强磁场的磁场强度大小、孔膜上的若干小孔的孔径大小以及磁粉颗粒与环氧树脂比例等方式来改变微针阵列长度以及微针粗细，使金属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】
[0025]图1为实施例1基底模具的结构示意图。
[0026]图2为实施例1孔模的结构示意图。
[0027]图3为实施例1金属微针阵列的制作设备的结构示意图。
[0028]图4为实施例2金属微针阵列的制作设备的结构示意图。
【具体实施方式】
[0029]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。
[0030]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。
[0031]实施例1
如图1至图3所示为本发明金属微针阵列的制作方法的第一实施例，如图3所示，基于金属微针阵列的制作方法的制作设备包括基底模具1、具有若干小孔的孔模2、用于形成匀强磁场的磁场发生装置3，金属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，基底混合物溶液是由磁性纳米颗粒、环氧树脂、环氧树脂固化剂按一定比例混合而成，并取一定量的已混合均匀的基底混合物溶液浇注于基底模具I上；
b.将孔模2放置于基底模具I的上表面,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I放置于磁场发生装置3中，形成稳定的微针阵列结构；
d.将步骤c所得的微针阵列表面真空溅镀一层质地均匀的金属，形成金属微针阵列。
[0032]具体地，制作设备还包括用于给基底模具I加热的加热源。加热源包括纺织于基底模具I底部的加热膜4和用于给加热膜4提供外界电力的外界直流电源5，加热膜4为碳纤维材料构成。加热膜4为碳纤维材料构成。加热膜为3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4对基底混合物溶液加热，加速环氧树脂固化，即加速微针阵列结构的固化。另外，磁场发生装置3由两块表面绕制多匝线圈的铁芯构成，铁芯为硅钢片卷制而成，线圈为铜导线。硅钢片的选用是由于硅钢片磁饱和密度较高，成本低，加工延展性好，磁致伸缩系数小。铜导线的选用是由于铜线的引线焊接方便，电阻率较低，熔点较高，抗温性好，安全性高，耐腐蚀，体积小，机械强度大，寿命强。
[0033]其中，如图1所示，基底模具I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I为方形结构；凹槽11为方形凹槽，长为2.5cm，宽为
1.5cm，深度为1mm。基底模具I为玻璃材料结构，孔模2为薄铜片结构。基底模具I为玻璃材料结构的设置是由于玻璃材质不会受到磁场影响，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0.25、.40mm。若干小孔的孔径为0.25、.40mm的设置是根据实验测出的较佳的孔径，孔径的大小会影响微针的长度和直径，且会影响孔模上小孔的分布数目以致影响微针阵列的分布。其小孔的数目是可以根据实际情况进行设计的，本实施例中选用的若干小孔的孔径为0.3mm,孔模2上均匀分布66个小孔,长边11个,短边6个。
[0034] 另外，基底混合物溶液的成分的重量比值为，环氧树脂:磁性纳米颗粒:环氧树脂固化剂=150:3:50。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，由于磁性纳米颗粒与环氧树脂的比例影响微针的长度与粗细。磁性纳米颗粒的直径为45飞5nm。本实施例中，磁性纳米颗粒选用直径为50nm的铁粉颗粒。基底混合物溶液置于超声清洗仪中震荡8~15min。基底混合物溶液置于超声清洗仪中震荡8~15min是为了使基底混合溶液混合均匀。本实施例基底混合物溶液置于超声清洗仪中震荡lOmin。
[0035]本实施例中具体的操作步骤如下:
步骤一:制作玻璃材质的长方形凹槽结构的基底模具1，其长为2.5 cm,宽为1.5 cm,凹槽深度为I _。
[0036] 步骤二:通过激光在薄铜片刻蚀形成孔膜2。小孔孔径大小为0.3 mm,孔膜上2呈长方形均匀分布的66个小孔,其中长边11个,短边6个。
[0037]步骤三:制作基底混合物溶液3。其中环氧树脂与直径50 nm的铁粉颗粒的重量以及与环氧树脂固化剂的重量比为150:3:50。
[0038]步骤四:取基底混合物溶液0.75 ml于超声清洗仪中震荡10 min混合均匀后浇注于基底模具I并在模具表面放置孔膜2,使所有小孔分布于基底混合物溶液上方。
[0039]步骤五:将浇注有基底混合物溶液并附有孔膜2的基底模具I放置于磁场发生装置3中，其为磁场强度0.5 T的匀强磁场，并在基底模具I下方放置一片与外界直流电源5电连接的加热膜4。
[0040]步骤六:将基底模具I放置于磁场发生装置3中30min形成稳定的微针阵列结构。
[0041]步骤七:开启外界直流电源5，调节其输出直流电压为5.0V，在该电压下加热膜的温度为90至130°C，对基底模具I的加热直至微针阵列结构完全固化。
[0042]步骤八:将固化后的微针阵列放入溅镀机进行真空溅镀，使其表面溅镀上一层质地均匀的镍，形成金属微针阵列。
[0043]实施例二
如图4所示为本发明金属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，本实施例中基底模具I不添加加热源，微针阵列结构直接风干固化，可节省成本。
[0044]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】
1.一种金属微针阵列的制作方法，其特征在于，基于金属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)、用于形成匀强磁场的磁场发生装置(3)，金属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磁性纳米颗粒、环氧树脂、环氧树脂固化剂混合而成，并取已混合均匀的基底混合物溶液浇注于基底模具(1)上； b.将孔模(2)放置于基底模具(1)的上表面，使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)放置于磁场发生装置(3)中，形成稳定固化的微针阵列结构； d.将步骤c所得的微针阵列结构表面真空溅镀一层质地均匀的金属，形成金属微针阵 列。
2.根据权利要求1所述的金属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)加热的加热源。
3.根据权利要求2所述的金属微针阵列的制作方法，其特征在于，所述加热源包括放置于基底模具(1)底部的加热膜(4)和用于给加热膜(4)提供电源的外界直流电源(5)，所述加热膜(3)为碳纤维材料构成。
4.根据权利要求1所述的金属微针阵列的制作方法，其特征在于，所述磁场发生装置(3)由两块表面绕制多匝线圈的铁芯构成，所述铁芯为硅钢片卷制或由DT4C纯铁切割而成，所述线圈为铜导线。
5.根据权利要求1所述的金属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。
6.根据权利要求1所述的金属微针阵列的制作方法，其特征在于，所述基底模具(1)为玻璃材料结构，所述孔模(2)为薄铜片结构。
7.根据权利要求6所述的金属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为0.25、.40mm。
8.根据权利要求1至7任一项所述的金属微针阵列的制作方法，其特征在于，所述基底混合物溶液的成分的重量比值为，环氧树脂:磁性纳米颗粒:环氧树脂固化剂=150:3:50。
9.根据权利要求8所述的金属微针阵列的制作方法，其特征在于，所述磁性纳米颗粒的直径为45~55nm。
10.根据权利要求1所述的金属微针阵列的制作方法，其特征在于，所述基底混合物溶液置于超声清洗仪中震荡8~15m1n。
【文档编号】A61M37/00GK103908739SQ201410077281
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年3月5日 优先权日:2014年3月5日
【发明者】蒋乐伦, 陈珂云, 陈志鹏, 凌金田, 潘程枫 申请人:中山大学