微型针以及微型针的制造技术

专利名称：微型针以及微型针的制造技术
技术领域：
本发明涉及微型针(microneedles)。特别是，本发明涉及例如呈阵列的微型针的制造以及所制造出的微型针。
背景技术：
微型针是一种小型针，通常，其长度在1μm(微米)至3mm范围内，底部的直径在10nm至1mm的范围内，尽管上述范围还可以更宽，例如长度可高达10mm，底部的直径可高达2mm。通常，这种微型针被应用于生物医学装置中，例如通过表皮注射将药物输送到体内的装置。现有微型针的制造工业趋向于生产出太软(由聚合材料制成)、易碎(由硅制成)、成本过高或者很不可靠的微型针。在通过表皮注射将药物输送到体内的应用中，必须穿透外部皮肤(角质层)，因此对微型针的强度和柔韧性具有最低的要求。由于微型针通常为一次性产品，因此其价格也应该低廉。
在由Becton Dickinson&Co.申请的
公开日为2001年4月4日、公开号为EP-A1-1,088,642的欧洲专利申请中，描述了通过模制方式批量生产实心微型针的方法。带有凹槽表面的硅原模件被放置于模腔中。塑料材料被泵送到该模腔内。于是在该原模腔内的凹槽中形成微型针。
在由Lifescan公司申请的
公开日为2003年3月5日、公开号为EP-A1-1,287,847的欧洲专利申请中，描述了通过注塑模制成型来制造中空微型针的方法。所用模具由两部分组成。顶部部分在其模制表面内具有圆锥形凹槽。顶部部分和底部部分中的一个具有延伸到另一部分的模制表面上的突起，以用于形成针内腔。
由Allen等人申请的
公开日为2002年1月1日、专利号为US-B1-6,334,856的美国专利描述了批量生产中空微型针的各种方法。在其中一个例子中，在硅微型针阵列的实心微型针的顶部形成罩，将二氧化硅或金属涂层涂覆在微型针阵列上，并且在硅被蚀刻后留下中空的金属或二氧化硅微型针阵列。在另一个例子中，将环氧树脂涂层浇注到一组实心硅微型针上。环氧树脂的水平面被降低为低于微型针的顶部。将该硅阵列除去，从而留下环氧树脂副模。将Ti-Cu-Ti子层(seed layer)通过溅射沉积到环氧树脂副模上并且将Ni-Fe电镀到该子层上。然后将环氧树脂去掉，从而留下中空金属微型针阵列。
由Gartstein等人申请的
公开日为2002年4月30日、专利号为US-B1-6,379,324的美国专利也描述了制造中空微型针列的各种方法。其中一种方法包括通过加热将聚合物薄膜覆盖于微型柱上的自模塑成型。第二种方法是将聚合物薄膜放置在微型柱上，加热该薄膜并且通过凹板将它压在微型柱上。第三种方法是在模具的下部加热一塑料薄膜，并且将模具的上部扣在下部上。模具的上部具有微型凹槽，其中微型柱从它们的中心突出。当模具的上部落下时，微型柱的下部将塑料薄膜的塑料转移到该微型凹槽中。

发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种由一块第一材料制造原模的方法，该原模用于制造微型针。该方法包括至少沿两个不同方向对所述材料进行切割，从而制成包括一基面的原模，该基面带有多个突出于其上的原模针。该原模针与将要制造的微型针相对应。
根据本发明的第二方面，提供一种根据该第一方面制成的原模。
根据本发明的第三方面，提供一种制造副模的方法，该副模用于制造微型针。该方法包括提供原模、形成副模、将副模从原模上去除。该原模根据上述第二方面制成。该副模形成于原模上，并带有从其中穿过的通孔，这些通孔与原模针相对应。在形成副模的过程中，该通孔从副模的第一表面延伸到副模的相对第二表面处，并与原模的基面接触。
根据本发明的第四方面，提供一种用于副模的模具。该用于副模的模具包括根据该第二方面制成的原模。该原模的基面形成了用于副模的模具的型腔的第一表面。原模针朝着所述型腔的第二相对表面延伸到所述型腔中。
根据本发明的第五方面，提供一种制造副模的方法，该副模用于制造微型针。该方法包括通过将副模注射模塑到用于第四方面的副模的模具中而制造第三方面的副模。
根据本发明的第六方面，提供一种根据该第三或第五方面制成的副模。
根据本发明的第七方面，提供一种用于制造微型针的副模。该副模包括多个通孔和多个凹槽。所述多个通孔穿过副模从一第一表面延伸到一第二相对表面。所述多个凹槽在所述副模的第二表面内延伸。该凹槽在所述第二表面附近截断所述通孔。
根据本发明的第八方面，提供一种制造微型针的方法。该方法包括提供一副模、形成一微型针层以及将该微型针层从该副模上去除。提供根据第三或第五方面的副模或者第六或第七方面定义的副模。该微型针层形成在副模的第一表面上并且位于副模的通孔内。
根据本发明的第九方面，提供一种微型针模具，它包括根据第六或第七方面的副模，该副模带有形成微型针模腔的第一表面的第一表面以及延伸到微型针模腔的第一表面内的副模通孔。
根据本发明的第十方面，提供一种根据第八方面的微型针的制造方法，它采用第九方面的微型针模具。
根据本发明的第十一方面，提供一种或多种根据第八或第十方面制成的微型针。
因此，在本发明的一个实施例中，能够提供原模，它通过沿两个或更多方向对一板进行线切割而制成，以提供带有一组从其上突出的原模针的基底。该原模针的尺寸和形状可以通过沿该两个或更多方向的向上和向下切割角的改变而很容易地发生变化。通过将一副模板热压在原模上，该原模被用于制造一副模。这便在副模中形成通孔。该副模上镀有形成一微型针阵列的金属层。


现在参照附图以非限制性的例子对本发明进行更详细的描述，其中图1为本发明的一实施例的原模的视图；图2为将被切割成图1中的原模的板的侧视图，其示出了在一线切割道次中金属丝行进的路线；图3A和3B为在切割过程中不同时段下图2中板的视图；图4为具有64(8×8)模针阵列的原模的等角图；图5为涉及根据一示范性实施例的原模制造的流程图；图6A和图6B为根据本发明的一实施例制造副模的模压过程的视图；图7A为穿过副模的一部分的剖面图；图7B为图7A的副模内的开口的放大视图；
图8为涉及根据又一示范性实施例的副模制造的流程图；图9A和9B示出了在制造微型针阵列中图7A的副模的应用；图10A为采用图7A中的副模制造的微型针阵列的等角图；图10B为图10A的微型针阵列的放大视图；图11为涉及制造微型针的流程图；图12为将被切割成原模的板的侧视图，其示出了在一线切割道次中金属丝行进的另一路线；图13A至13D为四面体原模针的可替换形状的放大视图；图14A至14I示出了用于制造带有三棱锥原模针的原模的线切割过程的不同方面；图15A至15D示出了通过三个线切割道次切割成的模针的几何变化(横截面)；图16A至16H示出了用于制造带有六棱锥原模针的原模的三个线切割道次的不同方面；图17A至17J示出了用于制造带有八棱锥原模针的原模的四个线切割道次的不同方面；图18为涉及根据另一示范性实施例的可替换副模的制造方法的流程图；图19A为穿过一改进副模的一部分的剖面图；图19B为图17A的改进副模中的开口的放大视图；以及图18C为由图18A的改进副模制成的三角形微型针的放大视图。
具体实施例方式
在附图中，不同附图内的相同附图标记始终表示相同的部件。
这里将要说明的制造微型针的方法通常包括三个主要步骤
(i)制造原模；(ii)制造副模；以及(iii)形成微型针。
(i)制造原模图1示出了本发明第一实施例的原模或母模(master mould)10。原模10具有大致平行六面体状基底12，从基底的一面上延伸有一阵列或一组原模针14。为简化起见，图中仅示出了单个原模针阵列，尽管通常在原模、副模以及形成微型针的产品上形成有多个或成批这种阵列。
在该实施例中，制造原模10包括精加工。首先，对一块材料，在该示范性实施例中为一平行六面体工具钢板(例如AISI A2或其它指定的合金钢)进行硬化。然后，将所有的表面进行镜面精加工。在完成镜面精加工后，如图2、3A和3B所示，通过精确线切割(或其它精加工，例如CNT加工)切割钢板的一侧。
图2为带有镜面精加工表面的将被切割成图1中的原模的平行六面体工具钢板的侧视图，它示出了在一线切割道次中金属丝行进的路线。图3A和3B为在切割过程中不同时段下图2中钢板的视图。图3A是在沿X方向进行了一个道次后同一工具钢板16的等角立体视图。图3B为沿X方向进行了一个道次以及沿Y方向进行了半个道次后的同一工具钢板16的等角视图。
线切割的第一道次沿X方向进行。图2示出了线切割路径18。该线切割路径18沿着一基底切割部分18a的基准面水平地延伸穿过钢板16，直到第一原模针线的位置处，在该点处线切割路径18沿着第一倾斜切割部分18b以向上切割角α向上延伸，该角α为与基底12的表面所成的角，该原模针的第一侧面以该角度延伸。在钢板16的顶表面处，线切割路径18朝向基准面又向下延伸。线切割路径18沿着第二倾斜切割部分18c以向下切割角β向下延伸，该角β为与基底12的表面所成的角，原模针的与第一侧面相对的第二侧面以该角度延伸。在该实施例中，向上和向下切割角α、β相等，因此，原模针的第一和第二侧面为两等边。在该第一道次中，该对向上和向下的切割或第一和第二倾斜切割部分18b、18a在两个基底切割部分18a之间形成一脊20。线切割路径18沿着另一基底切割部分18a的基准面再次水平地延伸到下一原模针14的位置处，在该位置处，线切割路径18再次向上延伸，然后又向下延伸，从而形成另一脊20。该过程一直持续，直到在X方向上具有足够多的以形成原模针的脊20为止。
理想的是，在向上切割的顶部，立即开始向下切割。然而，目前的线切割机无论多么精确，却总是存在精度的限制。因此，当金属丝到达一个脊20的顶部并向下运动前，实际上它必须横向移动一定距离(通常为1-20μm[微米])。这样，实践中，目前所形成的脊20和随后形成的原模针14将具有小段的平坦顶部表面，而不是十分尖锐的顶部。为简化的目的，图中的脊20和原模针14看起来具有十分尖锐的顶部，而不是小段平坦的顶部表面。
在进行了第一切割道次后，钢板16的顶部被去掉，平行的脊留在钢板的一表面上，如图3A所示。然后，将钢板16(或线切割工具)围绕Z轴(穿过钢板16垂直向下的方向)旋转90°。现在进行沿Y方向的第二线切割道次。除了现在处于与第一切割路径成90°的方向外，其它遵循与图2所示的第一道次相同的路径。以第三和第四侧角进行向上和向下切割。当进行了第一切割后，第二线切割道次形成独立的原模针14，而不是切割成又一排脊。图3B示出了经过第二线切割道次的一半后的钢板16。这时一些原模针14已经形成，并且脊20仍然沿着钢板延伸有一半长度。在第二线切割道次结束时，钢板呈图1所示的结构。在该实施例中，每一个原模针具有相同的四棱台或四棱锥形状。
图1至3示出了仅仅具有一个原模针阵列的原模的加工过程。当使用更大的钢板时，可以通过两个线切割道次形成数十个或者甚至更多的原模针阵列。例如，图4为由两个线切割道次制成具有64(8×8)原模针阵列的原模10的等角图。其中一个单一原模针14以放大形式示出。
原模可以不由钢板而由其它金属/合金例如铝合金、锌合金等制成。一种或多种硬涂层，例如金刚石碳涂层、类金刚石碳涂层(DLC)、化学沉积镍涂层、硬质铬涂层、氮化物涂层、碳化物涂层或硼化物涂层均可以被涂覆到原模表面和原模针上。这将提高原模的硬度，从而延长原模的寿命。另外或者可替换地，还可以加入脱模层涂层，例如铝涂层、钛涂层、铬涂层、碳涂层、类金刚石碳涂层或一些特定或者适宜的涂层，从而便于在用于生成副模时钢板的脱模。一些涂层可以在提高硬度的同时用作脱模剂。
图5示出了在制造该实施例的原模中所包含的步骤的流程图。在步骤S100中，先准备一块材料。在步骤S102中，沿第一方向对该材料进行切割，从而形成多个脊，在步骤S104中，沿第二方向使该脊变成原模针。
(ii)制造副模图6A和图6B示意性地示出了制造副模或二次模(secondary mould)的模压过程(embossing process)，其中以采用四个微型针阵列的原模10为例。
如图6A所示，原模10被水平放置于一热压机(未示出)的下表面上，该热压机带有面朝上的原模针14。将一模压板22放置于原模10的顶部。该实施例的模压板22由热塑性聚合物材料(例如聚碳酸酯、尼龙聚酰亚胺、PMMA等)制成并且其厚度等于将要制成的成品微型针的高度。板厚优选为50到2000μm(微米)，但该范围可以更大。一顶板24被放置于模压板22的上方。顶板24具有多个成阵列的通孔26，该通孔26与原模10的原模针阵列对齐。通孔26的形状为圆柱形，其每一个的截面面积均足够大，以至于能够容纳从中穿过的原模针14的方形截面。
模压板22和顶板24的组合厚度大于原模针14的高度。原模针14的高度比成品针的高度大，以便于它们能够完全穿过模压板22。
顶板24中的孔26也可不必为通孔。它们可以简单为位于顶板24的下侧中的凹槽，以容纳延伸在模压板22的顶部表面上方的原模针14的顶端。类似地，顶板24内的通孔26也可不必为圆柱形，它们可以为方形、截头圆锥体形、棱台形或者任何其它形状，以容纳在模压板22的顶部表面上方延伸的原模针14的顶端。
顶板24由能够承受随后的加热温度的材料制成，例如钢，其可以与制造原模10的材料类型相同。或者，顶板24可由其它材料制成，例如铝或铝合金(或者其它金属或合金)或者其工作温度比模压板22的材料的工作温度高的其它热塑性材料。
原模10被加热到第一温度，该温度稍稍高于模压板22的软化温度(对于聚碳酸酯而言，它高于150℃，在150和200℃之间)。在该第一温度下，顶板26被热压机的上板在相同的温度下模压，以形成一夹层块28(它包括三层原模10、模压板22和顶板24)，如图6B所示。
该温度允许被降低到低于模压板22的软化温度的第二值。在该第二温度值下，模压板22被硬化。然后移去顶板24，且模压成的模压板脱离该底部原模10，同时四棱台形状的通孔被“印在”其上。该被模压的模压板形成一副模。原模10和顶板24被重复使用，以用于制造另外的副模。
图7A为副模30的一部分的剖面图，其示出了四棱台形状的通孔32。图7B为这种通孔中的一个的放大等角立体图。这些图相对于图6A和图6B的方向被颠倒。
在另一示范性实施例中，可以翻转模压过程的方位。原模可以被放置在顶部，同时原模针面朝下，模压板位于原模下方并且顶板(现在为底板)放置于底部。
在另一可替换过程或工艺中，使用另外的板，而不使用顶板，其上没有任何开口。该板由与模压板22相同的材料制成或者由具有较低软化温度的材料制成。然后可将一分离薄膜放置于模压板22和新的顶板之间，以用于防止在热压(模压)过程中两块板粘合在一起。该分离薄膜可以呈通过PVD、CVD、蒸发等方法施加的Ti、Cr或铝涂层的形式，或者简单地为一层液体注射模塑脱模剂薄膜。
图8的流程图示出了制造本实施例的副模所包含的步骤。在步骤S110中，先提供一原模。在步骤S112中，将一副模板放置于原模的顶部。在步骤S114中，加热并压下副模板，从而形成穿过该副模的通孔。在步骤S116中，将副模从原模上移开。
(iii)形成微型针在热压过程中被模压的、带有四棱台形状通孔32的模压板22为副模30。正如参照图9A和图9B所描述，采用副模30制作微型针阵列。
如图9A所示，副模30通过在其顶面36上沉积薄的导电子薄膜34(例如Ni、Ti、Cr、Al、Ag或其它导电薄膜)被金属化。为此，副模30的顶面36为带有通向四棱台形状通孔32的较大开口的表面(其为早些时候参照图6A和6B所描述的副模30的形成过程的底部表面)。用于沉积子薄膜34的方法可以是通过银镜像反应(用于薄的银涂层)或其它一些工艺进行的PVD、CVD、热蒸发、Ni或其它金属的化学沉积(electroless plating)。该沉积层覆盖包括通孔32的内部在内的整个顶部表面36。沉积层34通常具有基本上相等的厚度，该厚度通常在10nm和几微米(或者更大)之间的范围内。
然后，进行Ni或Ni/Fe合金或其它金属/合金的电铸沉积(electroforming)，以提供微型针层38。该微型针层38位于副模30上的薄金属子薄膜34的顶部以及通孔32内，如图9B所示。电镀金属/合金厚度的范围优选为20-100μm(虽然更宽的范围也是可行的)。除了电铸沉积外，特别是在沉积非金属层例如碳时，也可采用其它的方法，例如无电镀(化学镀)、或蒸汽沉积，虽然这些方法可能较昂贵。
具有或不具有薄的金属子薄膜34的电镀金属/合金结构、微型针层38从副模30上脱离。该脱离结构为所需要的微型针阵列产品40，如图10A所示，它带有成阵列的所需微型针42。虽然通常会制造出多个这样的阵列(例如64(8×8)阵列，并采用如图4的原模)，但是为了简化，这里仅仅示出了一个微型针阵列。图10B为棱台形微型针42中的一个的放大图。这里所示出的微型针是中空的。然而，如果需要以及金属或其它材料被沉积到足够厚度的话，它们也可以是实心的。
在脱离后，被脱离的副模30可以被再次使用或被废弃。
图11的流程图示出了制造该实施例的微型针所包含的步骤。在步骤S120中，首先提供一副模。在步骤S122中，在副模的顶部和通孔的壁面上形成薄的可导电子薄膜。在步骤S124中，一金属层被电铸到位于副模顶部和通孔中的子层上。在步骤S126中，微型针与副模脱离。
可替换的几何形状位于微型针阵列产品40上的成品微型针42的尺寸和几何形状可以通过在制造原模时改变线切割路径18来进行调整。当采用图2所示的切割路径18(沿Y方向重复)时，原模针14(以及由此加工出的成品微型针42)的四个侧面具有相同的形状、相对于底部表面具有相同的倾斜角以及方形横截面。通过改变切割路径上的向上和向下切割角α、β，可以调整原模针的形状。这种不同几何形状的原模能够以前面所述的相同方式形成不同几何形状的副模。这些不同几何形状的副模能够再次以前面所述的相同方式制造微型针阵列产品。
图12为与图2类似的将被切割为原模的带有镜面精加工表面的平行六面体工具钢板16的侧视图，其示出了在用于形成原模针50的第一替换形状的一线切割道次中金属丝的行进路线。
图13A为原模针50的第一替换形状的放大视图。在该例子中，在X方向上，向上的切割角α＝90°，向下切割角β＜90°，而在Y方向上，向上和向下的切割角与第一实施例相同。
图13B为原模针52的第二替换形状的放大视图，其中，在X和Y方向上，向上的切割角α＝90°，向下的切割角β＜90°。
图13C为原模针54的第三替换形状的放大视图，其中，在X方向上，向上的切割角α＞90°，向下的切割角β＜180°-向上的切割角α，而在Y方向上，向上和向下的切割角与第一实施例相比均没有发生改变。
图13D为原模针56的第四替换形状的放大视图，其中，在X方向上，向上的切割角α＞90°，向下的切割角β＝180°-向上的切割角α，而在Y方向上，向上和向下的切割角均为90°。该原模针56为倾斜的平行六面体针。
这些变化可以使微型针根据应用场合的不同可调整地穿透皮肤。
对于倾斜的原模针，如图13C和13D中的一个侧角大于90°的倾斜微型针，在制造副模时，模压方向同样需要倾斜，以便于原模穿过模压板，从而形成所需要的开口形状。
在图13D的实施例中，原模针56的顶部不是单独的点。这就意味着在向上的切割中，在切割过程达到钢板的顶部处时，没有立即向下倾斜运动，而是首先延着板16的顶部向前移动一小段距离。当原模针的两个表面在钢板16的顶部相交或者在向上和向下切割角α、β非常尖锐以至于原模针的侧面会在板16的水平表面上方相交时，这种情况也会发生。
在上述的实施例中，原模针和最终生产出的微型针具有从方形基底上升起的四边形横截面。通过改变线切割道次的数目和/或每次切割之间板16转过的角度，可以产生出其它形状。
例如，具有从平行四边形基底上升起的四边形横截面的原模针可以通过仅仅采用两个线切割道次产生，此处板在第一道次和第二道次之间转过的角度不等于90°，例如等于60°。
具有从三角形基底上升起的三角形横截面的原模针可以通过三个线切割道次产生。如果板在第一和第二道次以及第二和第三道次之间转过的角度等于120°的话，则三角形基底可以是等边的。这种等边三角形原模针60如图14A所示。在这种情况下，一对向上和向下切割中的向上切割角α定义了每根针的一个面，而该对向上和向下切割中的向下切割角β则没有定义每根针的任何一面。每对切割中的向下切割角β定义了包含将连接针的未被所述每对切割中的向上切割定义的另外两个侧面相连的直线所在的平面。一旦确定了原模针的每个表面的角度(在该实施例中，该角度为在每一道次中的向上切割角α)以及原模针的高度，那么通过数学计算便可以精确地确定向下的位置以及切割角β的大小(甚至对于非等边三角形也是如此，虽然对于由三次切割形成的非等边三角形来说，所形成的三角形并非均匀分布在基准面上)。金属丝经过的向上切割的终点与向下切割的起点之间的距离由图14A中的线段“ab”定义。金属丝在其向上切割的起点和其完成向下切割的终点之间的距离被定义为线段“a’b’”。点“a”和“a’”被分别定义为第一侧面(在向上切割中被切割的第一切割部分)的顶线和底线的中点。点“b”和“b’”被分别定义为连接其它两相邻侧面的直线的顶部和底部。“h”为原模针的垂直高度。
图14B至14I示出了用于带有等边三角形横截面原模针60的原模的线切割过程的各个方面。
图14B与图2和12相类似，为带有镜面精加工表面的将被切割成原模的平行六面体工具钢板16的侧视图，其示出了在用于等边三角形横截面原模针60的一线切割道次中金属丝所采取的路径。
图14C为第一道次P1后钢板16的俯视图。图14D为图14C的同一工具钢板16的等角图。
图14E为第二道次P2后钢板16的俯视图。图14F为图14E的同一工具钢板16的等角图。
图14G为第三道次P3后钢板16的俯视图。图14H为图14G的同一钢板16的等角图。图14I为等边三角形原模针60(在任何点)的截面图，它示出了三个道次P1，P2，P3之间的关系以及它们的夹角。
图14A中的等边三角形原模针60也能够通过在每个道次之间将板旋转60°的方式获得。在这种情况下，第一和第三道次的向上切割定义了每一原模针的两个面，而第二道次中的向下切割定义了每一原模针的一个表面，其中在第二切割道次中的向上切割定义了包含连接另外两个面的直线所在的平面。可替换的是，也可以用第一和第三切割道次的向下切割来定义每一原模针的两个面，而第一和第三道次中的向上切割定义包含连接其它两个面的直线所在的平面。
当切割从三角形基底上升起的具有三角形横截面的原模针时，在任何道次中，原模针的任意外表面仅仅只由每对向上和向下切割中的一个来定义。每对切割中的另一个以一定角度进行切割，其用于对包含连接未被该对切割所切割的两侧面的边所在的平面进行切割，或者其可以切割得更浅。这是为了避免在其它道次中的任一切割过程中在向下切割时切割掉任何可能露出的材料。否则，这将会导致出现其它多边形四边形、五边形或六边形，这取决于有多少切割比定义连接棱锥的其它两侧面的平面的角度更陡。
图15A至15D示出了针模横截面的这些变化。图15A示出了(双箭头)用于形成横截面为非等边三角形的原模的三个线切割道次。在每一次线切割中，金属丝的运动方向在基准平面上的投影平行于三角形的一个高在基准平面上的投影(从一个顶点到三角形的相对边上的垂线的投影，该相对侧为被切割的那一侧)。图15B示出了由三次线切割所形成的模针的四边形截面，它具有一对相互平行的侧面(梯形)，其中的一次线切割产生该两个相互平行的侧面。图15C示出了由三次线切割所形成模针的五边形截面，它具有两对相互平行的侧面，其中两次线切割产生该两对平行侧面。图15D为模针的非等六边形截面。该截面的每一侧面与其相对侧面平行。该模针由三次线切割形成，每一次线切割产生一对相互平行的侧面。
对于具有六边形截面的模针来说，如果在每一切割道次中向上和向下的切割以相同的角度进行，且彼此之间的夹角为120°(或适当地为60°)的话，则会生产出等六边形原模针。该过程在图16A至16H中示出。
图16A示出了等六边形原模针62的放大视图。图16B为在经过第一道次P1后钢板16的俯视图。图16C为图16B的同一工具钢板16的等角图，其中露出了将成为成品针的表面1和1’的表面。图16D为在经过第二道次P2后钢板16的俯视图。图16E为图16D中的一部分成形(平行四边形)原模针的放大视图，其中露出了将成为成品针的表面1和1’、2和2’的表面。图16F为在经过第三道次P3后的钢板16的俯视图。图16G为16F中的一已完全成形原模针62的放大视图，其具有成品表面1和1’、2和2’、3和3’。图16H为穿过等六边形原模针62(在任意点处)的剖面图，它示出了三个道次P1，P2，P3之间的相互关系。
类似地，也可以采用呈45°角间隔的4个切割道次，从而生产出具有等八边形截面的原模针。图17A至17J示出了这一切割过程。
图17A为等八边形原模针64的放大视图。图17B为在经过第一道次P1后的钢板16的俯视图。图17C为图17B的同一工具钢板16的等角图，其露出了将成为成品针表面1和1’的表面。图17D为在经过第二道次P2后的钢板16的俯视图。图17E为图17D中的部分成形(平行四边形)原模针的放大视图，其露出将成为成品针表面1和1’、2和2’的表面。图17F为在经过第三道次P3后的钢板16的俯视图。图17G为图17F中已部分成形(等六边形)原模针的放大视图，其露出将成为成品表面1、1’、2、2’3、3’的表面。图17H为在经过第四道次P4后的钢板16的俯视图。图17I为图17H中的完全成形原模针64的放大视图，其具有成品表面1、1’、2、2’、3、3’、4、4’。图17J为穿过等八边形原模针64(任意点)的剖面图，它示出了四个道次P1，P2，P3，P4之间的相互关系。
也可以形成具有带更多边数的等多边形截面的模针阵列。通过有限数目的金属丝横切整个板来确定形成侧面的数目为一数学(几何)问题。
原模的设计特别是原模针的设计通过数学计算由所需微型针的设计来确定。
与原模针具有方形截面一样，三角形原模针的侧面的倾斜度也可以通过调整向上和向下的切割角来进行调节。当向上切割角α＝90°时，原模针的一个侧面与底面垂直。当向下切割角β＝90°时，两侧面之间的相应交线变成与底面垂直。通过改变倾斜角，还可以进行其它变化。上述内容同样可以应用于其它形状的原模针上。
制造副模的替换方法制造副模的一种替换方法通过放电加工(EDM)进行。原模由如前所述的方式制造，原模针形成一EDM电极阵列。电极阵列的几何形状和尺寸由所需的微型针的几何形状和尺寸决定。例如由不锈钢、铝/铝合金或镍/镍合金制成的金属/合金板被放置于EDM电极阵列的下方。EDM被用于在该板内制成与电极阵列的形状和尺寸对应的开口。之后，带有开口的板被涂覆上绝缘层。该绝缘层被涂覆到下表面以及所有的侧表面上，但是通常不涂覆在顶表面(与原模的基面相接触的面)上。该板可以与先前提到过的模压板相同的方式被用作一副模。微型针阵列通过如前所述的电铸沉积制成。以这种EDM方式制成的副模能够被永久地使用，它能在电铸沉积的微型针阵列取出后被反复使用。这种金属副模强于通过模压制成的聚合物副模的优点在于具有更持久的耐用性。
图18中的流程图示出了根据该实施例制造副模所包含的步骤。在步骤S130中，提供形成有一EDM电极阵列的原模。在步骤S132中，将一副模板放置于原模下方。在步骤S134中，进行EDM过程，以形成穿过副模板的通孔。在步骤S136中，将副模从原模上移开。
在制造副模的另一种方法中，例如通过注射模塑将其模制到原模上。原模提供注射模塑型腔的第一壁，并带有朝向与第一壁相对的第二壁而延伸进入注射模塑型腔内的原模针。副模被模制到位于第一壁、原模表面和与第一壁相对的第二壁之间的型腔内。该型腔的第二壁通常可以具有两种结构中的一种。在第一种结构中，该壁简单地为平壁。在这种情况下，原模针的高度等于成品针的高度。当模塑型腔在注射模塑操作中被封闭时，模塑型腔的宽度也等于成品针的高度。原模针可以部分或完全地延伸到第二壁处。在第二种结构中，多个容纳孔(或凹槽)位于第二壁上。容纳孔的位置与位于第一原模壁上的原模针的位置对应。这些针的高度比成品针的高度大。在注射模塑操作过程中被封闭时，模塑型腔的宽度也与成品针的高度相等。容纳孔的深度等于或稍大于原模针高度与型腔宽度的差值。每个容纳孔(或凹槽)的横截面正好足够大，从而在成品针的高度下(即第二壁表面处)将原模针的横截面容纳。
通过注入聚合物材料例如(但不限于)聚碳酸酯、PMMA、尼龙或者硅橡胶而制成副模。当采用硅橡胶时，“注入”过程将在室温下进行，并且通过将固化剂加入到预制的硅橡胶液体中使硅橡胶发生凝固(冷铸过程)。
制造副模的另一种替换方法为通过将一适宜的金属例如(但不限于)Ni，Ni-Fe合金电铸沉积到原模(以先前所述的方式制造)上。在电铸沉积之前可能会需要恰当的脱离措施。这可以采取将薄的导电层(优选为大约100-1000nm)沉积到原模表面上的方式进行，该导电层对原模不具有高的附着性。对原模的非高附着性使得薄的导电层不会对原模形成强的粘合。该导电层可以由例如铝、钛或铬形成。电镀金属/合金的厚度可大于成品针的高度。在脱离后，电铸沉积件的后侧表面(在电铸过程中不与原模针相接触的一侧)被磨削/铣削成与成品针的高度相同的厚度。然后将一绝缘层施加到该后表面以及所有侧面上，但是通常不施加到前表面(与原模针表面相接触的一面)以及孔壁上。该电铸沉积件可以用作制造微型针的永久副模。
然而，如图19A和图19B所示，还可以对副模进行改进。图19A为通过改进后的副模70的一部分的剖面图；它示出了改进后的三棱台形状的通孔72。图19B为一个这种通孔72的等角图。
如图19A所示，V形槽74形成于改进后的副模72的底面中。为此，改进后的副模70的底面上带有开向通孔72的较小开口。V形槽74平行于通孔72的行延伸。每一通孔72至少与V形槽74的一个表面或一条边相交。通常，V形槽74与改进后的副模72的底面之间的两条交线中的一个与位于一行通孔72中的开向该通孔72的每个小开口的一条边对齐并与之会合。每一V形槽74向上延伸至通孔72内，该V形槽74的边与通孔72的对齐和相交。在图19A的实施例中，V形槽74的顶端与每一通孔72的一内表面直线相交。与V形槽相交的该内表面位于和V形槽74与底面相交的边相对的通孔72的另一侧上。
凹槽74的作用在于提高由副模70制造的微型针的尖锐或锋利程度，它通过在用以形成微型针的通孔72的截面上倾斜地切割而实现，此时微型针的端部呈切口形状。图19C为由图19A的改进后的副模制成的三角形微型针80的放大视图，它带有锋利的顶端82。
这种类型的凹槽还可以用于包括三角形在内的其它形状的微型针。凹槽的横截面可以不必为V形而为其它形状，例如半圆、圆的弦长、抛物线等。在横截面中，各凹槽具有从副模的第二表面延伸到副模内的凹槽最深点处的第一凹槽表面。该第一凹槽表面可以完全地在凹槽截断的通孔的整个宽度上延伸，以在微型针的顶部形成一个单一斜面(图19C)。通常，凹槽在超过一半的宽度上截断每个通孔(图19D和19E)。第一凹槽表面也可以仅仅部分地在凹槽截断的通孔的宽度上延伸，且该凹槽的一第二表面截断每个通孔的其余部分，以在微型针的不同侧面上形成两个锋利的顶端。
凹槽可以被模压到形成为副模的板上，或者还可以例如通过切割、激光切除或者铣削被机械加工或被烙印到该板上，或者也可以其它任何适当方式形成于板上。在如上所述副模通过模塑形成于原模上的情况下，在模塑过程中模具相对表面上的脊可以直接形成凹槽。在副模通过EDM或电铸沉积形成的情况下，优选的是，在涂覆绝缘层之前首先制成凹槽。然后，再将绝缘层涂覆到副模的背面以及所有的侧表面上(包括凹槽表面)。如果在涂覆绝缘层之前凹槽没有形成的话，便需要对凹槽表面再次涂覆电绝缘层。
副模的其它用途前面，微型针阵列被描述为通过电铸形成于副模上。作为一种可能的替换，副模无论是如参照图5A和5B所述的方法制成，还是如其它地方所描述的方法制成或者以其它方式制成，其均可被用作模具的一个壁，并带有与原模的模针对应的通孔以及带有或不带有使针顶端锋利的凹槽。如图9A和9B，金属通过模塑例如注射模塑形成于副模的相同表面上，所后经过一脱离过程，于是便制造出微型针阵列。该方法可被用作产生例如由聚合物材料制成的实心针，所述聚合物材料例如可以是聚碳酸酯、PMMA、尼龙等。如果与副模相对的面上具有突起，该突起位于与副模中的通孔对应的位置上，并延伸到与副模内的通孔的顶部一样的高度但是更窄的话，则所模制出的微型针可以是中空的。
本发明的实施例允许很容易地、大规模地生产坚固并且柔韧的中空微型针阵列或者实心针，例如实心聚合物针。用于制造微型针的模具可以采用便宜的聚合物材料制成，因此模具的成本低并且可以是一次性的。此外，采用线切割方法来制成原模的制造副(微型针)模的示范性方法更为便宜。线切割方法的使用允许微型针的尺寸和形状很容易地发生变化，无论是等边的还是非等边的、锥形的还是非锥形的、直的还是倾斜的，以及可以具有各种数目的侧面。这种微型针的锋利度还可以通过在副模的背面采用凹槽来增强。这便允许很容易地生产出锋利的微型针，这种微型针可更好地穿透皮肤并且将液体输送到目的地。这种微型针阵列能够被用于无痛注射装置中，从而代替传统的注射针/注射器。
权利要求
1.一种由一块第一材料制造原模的方法，该原模用于制造微型针，该方法包括至少沿两个不同方向对所述材料进行切割，以提供一原模，该原模包括一带有多个从其上突出的原模针的原模基面；其中，该原模针与将要制造的微型针相对应。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述材料进行的切割包括对该材料进行线切割。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，沿至少两个不同方向所述材料进行切割包括沿每一方向进行一次切割。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，各切割包括多个基底切割部分，用于切割原模基面；多个第一倾斜切割部分，用于从基底切割部分向原模针的顶端的切割；以及多个第二倾斜切割部分，用于从原模针的顶端到基底切割部分的切割；以及其中各基底切割部分由一对第一倾斜切割部分和第二倾斜切割部分分隔开；以及每对第一和第二倾斜切割部分中的至少一个对多个原模针的一表面进行切割。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，每次切割的组成部分是相同的。
6.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，该原模针呈三棱锥形状；以及该具有多个从其上突出的原模针的原模基面通过沿三个不同方向进行三次切割的方式提供。
7.如权利要求4或5或者当至少从属于权利要求4时如权利要求6所述的方法，其特征在于，每对第一和第二倾斜切割部分中只有一个切割多个原模针的一表面。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，每对第一和第二倾斜切割部分中的另一个切割多个原模针的边。
9.如权利要求1至5中任何一项所述的方法，其特征在于，该原模针呈六边形；以及该具有多个从其上突出的原模针的原模基面通过沿三个不同方向进行三次切割的方式提供。
10.如权利要求1至5中任何一项所述的方法，其特征在于，该原模针呈四棱锥形；以及该具有多个从其上突出的原模针的原模基面通过沿两个不同方向进行两次切割的方式提供。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该两次切割的方向彼此成直角。
12.如权利要求1至5中任何一项所述的方法，其特征在于，该原模针为八边形；以及该具有多个从其上突出的原模针的原模基面通过沿四个不同方向进行四次切割的方式提供。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，该四次切割的方向彼此成45°。
14.如权利要求4或5或者当从属于至少权利要求4时如权利要求9至13中任何一项所述的方法，其特征在于，每对第一和第二倾斜切割部分均切割多个原模针的一表面。
15.如权利要求6至9中任何一项或者当从属于权利要求9时如权利要求14所述的方法，其特征在于，该三次切割的方向彼此成60°或120°。
16.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，还包括在原模基面和原模针上涂覆硬质涂层。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，该硬质涂层包括以下的一种或多种涂层金刚石碳涂层、类金刚石碳涂层、化学沉积的镍涂层、硬质铬涂层、氮化物涂层、碳化物涂层、硼化物涂层。
18.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，还包括将薄的导电涂层涂覆到原模表面上，以作为一脱模层。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，该脱模层包括以下一种或多种涂层铝涂层、钛涂层、铬涂层、碳涂层和类金刚石碳涂层。
20.一种用于制造微型针的原模，该原模由前述任一权利要求所述的方法制造而成。
21.一种制造副模的方法，该副模用于制造微型针，包括提供原模，该原模为如权利要求20所述的原模；在该原模上形成带有从中穿过的通孔的副模，该通孔与原模针相对应并在形成副模的过程中从副模的第一表面延伸到副模的相对第二表面，并与原模基面相接触；将该副模从原模上去除。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，提供原模的步骤包括由根据权利要求1至19中任何一项所述的方法制造一原模。
23.如权利要求21或22所述的方法，其特征在于，形成副模的步骤包括抵靠着原模热模压、放电加工、电铸沉积或注射模塑该副模。
24.如权利要求21至23中任何一项所述的方法，其特征在于，还包括将电绝缘涂层涂覆到副模的表面上。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，该电绝缘涂层被涂覆到副模的侧面和第二表面上。
26.如权利要求21至25中任何一项所述的方法，其特征在于，该副模的第二表面包括多个延伸到副模内的凹槽，该凹槽在第二表面附近截断该通孔。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，各凹槽在横截面中具有从副模的第二表面延伸到副模内的凹槽的最深点处的第一凹槽表面，该第一凹槽表面地在凹槽所截断的通孔的至少部分宽度上延伸。
28.如权利要求26或27所述的方法，其特征在于，该凹槽在超过通孔宽度的一半的位置上将通孔截断。
29.如权利要求26至28中任何一项所述的方法，其特征在于，该凹槽在第二表面处在通孔的边缘处或附近将第二表面截断。
30.如权利要求26至29中任何一项所述的方法，其特征在于，还包括提供所述多个凹槽。
31.一种制造副模的模具，包括如权利要求20所述的原模，该原模带有用于形成型腔的第一表面的原模基面以及朝着型腔的第二相对表面延伸入该型腔中的原模针。
32.如权利要求31所述的模具，其特征在于，该型腔的第二表面包括多个在位置上与该原模针相对应的容纳孔，以用于容纳所述原模针；该容纳孔的深度至少为原模针的高度与位于型腔的第一和第二表面之间的型腔宽度的差值；位于该型腔的第二表面处的孔的尺寸和形状与位于该型腔的第二表面处的原模针的尺寸和形状相同。
33.如权利要求31所述的模具，其特征在于，位于该型腔的第一和第二表面之间的该型腔的宽度基本上与位于该原模基面上方的原模针的高度相等。
34.如权利要求31至33中任何一项所述的模具，其特征在于，该型腔的第二表面包括多个延伸到该型腔内的脊。
35.如权利要求23或者当从属于至少权利要求23时如权利要求24至30中任何一项所述的方法，其特征在于，形成副模的步骤包括在一副模注射模具的型腔内注射模塑该副模。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，该副模注射模具为一用于如权利要求31至34中任何一项所述的副模的模具。
37.当从属于至少权利要求26时以及当注射模具为如权利要求34所述副模时如权利要求36所述的方法，其特征在于，该脊形成位于该副模的第二表面内的所述凹槽。
38.如权利要求35至37中任何一项所述的方法，其特征在于，形成副模的步骤包括将一聚合物注射模塑在该副模注射模具中。
39.一种由根据权利要求21至30以及35至38中任何一项所述的方法制成的副模。
40.一种制造微型针的方法，包括提供一副模，该副模为如权利要求39所述的副模；在该副模的第一表面和该副模的通孔内形成一微型针层；以及将该微型针层从该副模上去除。
41.如权利要求40所述的方法，其特征在于，还包括将该微型针层分割成多个微型针部分，每一微型针部分具有位于其上的一个或多个微型针。
42.如权利要求40或41所述的方法，其特征在于，提供副模的步骤包括由根据如权利要求21至30以及35至38中任何一项所述的方法制造副模。
43.如权利要求40至42中任何一项所述的方法，其特征在于，形成微型针层的步骤包括PVD、CVD、热蒸发、化学沉积或将微型针层注射模塑到该副模的第一表面上。
44.一种微型针模具，其包括如权利要求39所述的副模，该副模带有用于形成微型针型腔的第一表面的副模的第一表面以及延伸入微型针模具型腔的第一表面内的副模通孔。
45.如权利要求43所述的方法，其特征在于，形成微型针层的步骤包括在微型针层注射模具的型腔内注射模塑该微型针层。
46.如权利要求45所述的方法，其特征在于，该注射模具为如权利要求44所述的微型针模具。
47.如权利要求45或46所述的方法，其特征在于，形成微型针层的步骤包括将一聚合物注射模塑在该微型针层注射模具的型腔内。
48.如权利要求40至43，45和46中任何一项所述的方法，其特征在于，该微型针层由金属形成。
49.一种或多种由根据权利要求40至43以及45至48中任何一项所述的方法制成的微型针。
50.如权利要求49所述的一种或多种微型针，其特征在于，该微型针为实心的。
51.一种基本上如上前述并参照附图所示的制造原模的方法，该原模用于制造微型针。
52.一种用于制造微型针的原模，该原模基本上以基本上如上所述并且参照附图所示的方式构造和布置。
53.一种基本上如上前述并参照附图所示的制造副模的方法，该副模用于制造微型针。
54.一种用于制造副模的模具，该副模用于制造微型针，该用于制造副模的模具以基本上如上所述并且参照附图所示的方式构造和布置。
55.一种用于制造微型针的副模，该副模以基本上如上所述并且参照附图所示的方式构造和布置。
56.一种基本上如上所述并且参照附图所示的制造微型针的方法。
57.一种用于制造微型针的微型针模具，该微型针模具以基本上如上所述并且参照附图所示的方式构造和布置。
58.一种或多种以基本上如上所述并且参照附图所示的方式构造和布置的微型针。
全文摘要
通过沿两个或更多方向对一板进行线切割而制成一原模，以提供一带有从其上突出的原模针阵列的基底。该原模针的尺寸和大小可以通过改变在该两个或更多方向上的向上和向下切割角而很容易地改变。该原模用于通过将一副模板热模压在该原模上而制造一副模。这样便在该副模中形成通孔。该副模被镀以一形成微型针层的金属层。
文档编号B29C33/38GK1691970SQ200380100375
公开日2005年11月2日 申请日期2003年11月10日 优先权日2003年11月10日
发明者徐源, 陈美马, 李忠莉, 林治远, 陈佩莹 申请人:新加坡科技研究局