一种静电点胶制备微针的装置

1.本发明属于高分子微针制备技术领域，具体涉及一种静电点胶制备微针的装置。


背景技术：

2.透皮给药是将药物直接涂在皮肤上以达到给药的目的。最常见的透皮给药系统是外用乳膏和透皮贴剂。该给药途径具有可控、副作用少、无痛等优点。然而，该被动透皮给药系统药物利用率低且不适用于高分子量药物。近年来，微针透皮给药技术引起人们极大的关注，它是指使用微米级大小的针头穿透皮肤的角质层并输送药物。在微针透皮给药过程中，药物通过毛细血管直接进入人体，避免了首过肝脏代谢效应，防止胃肠道疾病。而且，针头不会接触到神经末梢，因此减轻了患者的疼痛并提高了患者的依从性。所以，微针技术作为新型的透皮给药方式在透皮给药市场以及临床应用中展现出广阔的前景。
3.目前，制作微针的方法有微模板法、拉伸光刻和蚀刻方法。微模板法是最常用的方法，通过用离心或者抽真空的方法将混合溶液注入pdms模具中，然后固化之后得到微针，方法简单易操作，但是制作微针的效率较低。拉伸光刻是将液体状态下的2d聚合物材料直接拉伸成3d聚合物微针，提高了制作微针的效率且具有良好的成本效益，但是通过拉伸，微针针尖变得薄且长，在刺入皮肤的过程中极易发生弯曲变形。蚀刻方法是指通过优化蚀刻因素，包括改变蚀刻溶液的浓度、蚀刻时间、蚀刻速率、温度等参数，从而来制备所需要的微针，但都是在刚性基底上制备的，不适用于人体皮肤。而且蚀刻液均具有腐蚀性，在使用和操作过程中，需穿戴防护服和耐酸碱手套，这不仅具有危险性，还大大降低了生产效率。


技术实现要素：

4.基于现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种静电点胶制备微针的装置。
5.为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种静电点胶制备微针的装置，包括：
7.主机；
8.微针生成单元，包括外壳和设于外壳内的基板、加热板、三轴移动机构、挤出构件，加热板用于对基板进行加热；挤出构件包括隔热套、设于隔热套内的电热管、设于电热管下方的挤出针头、设于电热管上方的放料器，挤出针头与放料器的出液口通过第一导管连通，放料器的进气口与压缩气瓶通过第二导管连通，第一导管贯穿电热管之内；三轴移动机构用于根据主机的控制信号调整挤出针头的位置以调整对应基板表面的位置以及相对基板的高度；
9.温度控制单元，与主机通信连接，用于对加热板及电热管进行温度控制；
10.高压控制单元，与主机通信连接，用于对挤出针头与基板之间的高压静电场进行控制。
11.作为优选方案，静电点胶制备微针的装置，还包括摄像头，摄像头与主机连接；摄
像头用于采集基板上微针的成型状态。
12.作为优选方案，所述摄像头与主机通过usb线连接。
13.作为优选方案，所述三轴移动机构包括x轴移动机构、y轴移动机构和z轴移动机构，z轴移动机构与挤出针头连接，用于驱动挤出针头沿z轴方向活动，以调整挤出针头相对基板的高度；x轴移动机构用于驱动y轴移动机构沿x轴方向活动，y轴移动机构用于驱动z轴移动机构沿y轴方向活动。
14.作为优选方案，所述温度控制单元包括分别与主机通信连接的第一温度控制器和第二温度控制器，第一温度控制器与电热管控制连接，第二温度控制器与加热板控制连接。
15.作为优选方案，所述第一温度控制器和第二温度控制器均包括电源、主板、显示屏、温度传感器、加热变频器和散热变频器，温度传感器设于加热板或电热管，通过感应获取温度信号，将温度信号传输至主板并通过显示屏显示当前温度；加热变频器和散热变频器用于实时调控温度。
16.作为优选方案，所述第一温度控制器和第二温度控制器的温度调控范围为0-100℃。
17.作为优选方案，所述高压控制单元包括分别与主机通信连接的第一高压静电控制器和第二高压静电控制器，第一高压静电控制器与挤出针头连接，第二高压静电控制器与基板连接，通过第一高压静电控制器和第二高压静电控制器控制挤出针头与基板之间的高压静电场。
18.作为优选方案，所述挤出针头与基板之间的高压静电场的静电压调控范围为0-10kv。
19.作为优选方案，所述外壳为铝材板、钣金、亚克力板或全钢激光焊接框架。
20.本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
21.(1)本发明的静电点胶制备微针的装置，通过将熔融的材料挤出至基板上形成高分子微针，能够通过制备材料的熔点控制电热管的温度，并通过控制基板的温度以及挤出针头与基板之间的静电场来控制微针的形成形状；
22.(2)本发明的挤出针头通过三轴移动机构的驱动，能够精准制备不同尺寸大小和阵列排列的高分子微针；
23.(3)本发明将药物与高分子材料熔融共混直接制备功能性高分子微针，摆脱了模板的限制，制备使用的材料均为具有良好生物相容性和生物降解性的聚合物，所以制备的微针可在人体内降解，无需担心针头断裂留在体内引起感染。
24.(4)本发明将熔融静电纺丝和点胶技术相结合，不但可根据所需调控高分子微针的尺寸大小和阵列排列，也可以将药物与高分子材料熔融共混直接制备功能性高分子微针，突破了传统微针制备过程中低效、耗时的关键瓶颈，为快速高效率制备高分子微针提供了新技术，可个性化快速高效制备各种功能性高分子微针。
附图说明
25.图1是本发明实施例1的静电点胶制备微针的装置结构示意图；
26.图2是本发明实施例1的挤出构件的结构爆炸图；
27.图3是本发明实施例1的微针的成型示意图；
28.图4是本发明实施例1的微针的制备过程示意图；
29.图5是本发明实施例1制得的微针的实物照片。
具体实施方式
30.为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
31.实施例1：
32.如图1所示，本实施例的静电点胶制备微针的装置，包括主机10、微针生成单元20以及电子调控单元30。
33.主机10，即计算机，包括设置在计算机内的建模软件，用于生成控制指令，该控制指令包括微针模型的坐标指令以及微针的形态控制参数。
34.其中，建模软件可用3ds max、solid works、ug、proe、catia、sketchup和c4d等。
35.微针生成单元20与主机10通信连接，用于根据控制指令制备微针。
36.具体地，微针生成单元20包括外壳21、设置在外壳21内部的基板22、设置在基板22下方的加热板23、设置在基板22上方的三轴移动机构和挤出构件27，其中，三轴移动机构包括沿外壳21内壁设置的导轨23、设置在导轨23上的移动滑块24、与移动滑块24螺旋传动连接的螺旋杆25、与螺旋杆25固定连接的固定块26；挤出构件27与固定块26连接且位于基板22上方，用于制备微针。
37.本实施例的外壳21可选用铝材板、钣金、亚克力板或全钢激光焊接框架。其中，全钢激光焊接框架的钢性更好、精度更高、稳定性更佳。
38.本实施例的导轨23由同一个水平面上的多个横向导轨和多个竖向导轨交叉组成，挤出构件27通过移动滑块24在导轨23上进行移动来进行x轴和y轴的移动，并通过移动滑块24与螺旋杆25进行螺纹旋转传动来进行z轴的移动，实现三轴方向的活动。
39.另外，本实施例的三轴移动机构还可采用现有常用的三轴移动机构。
40.本实施例的外壳21的内壁安装有摄像头28，摄像头28通过usb线与主机10连接，摄像头28用于获取制备微针的画面并通过主机10的屏幕进行实时显示。其中，摄像头28与主机10连接后，使用提前安装好驱动以及图像采集软件，然后按照采集软件的界面提示进行操作，保证即插即用。
41.如图2所示，本实施例的挤出构件27包括隔热套271、设置在隔热套271内的电热管272、设置在电热管272下方的挤出针头273、挤出针头273与放料器275的出液口通过第一导管i连接，放料器275的进气口通过第二导管ii与压缩气瓶274连接，放料器275邻设于电热管272上方。
42.放料器275中放置有用于制备微针的材料，通过压缩气瓶274内的压缩气体将材料导入位于电热管272内的第一导管i，电热管272通过加热将第一导管i内的材料变成熔融状态，并由挤出针头273将熔融状态的材料挤出，材料在通过加热板23加热的基板22上定位成型形成微针。
43.上述用于制备微针的材料为高分子材料或将药物与高分子材料共混得到的混合
材料。其中，高分子材料为环保的高分子材料，如pla、pcl或pha等。
44.电子调控模块30包括温度控制单元和高压控制单元，温度控制单元与主机通信连接，用于对加热板及电热管进行温度控制；高压控制单元与主机通信连接，用于对挤出针头与基板之间的高压静电场进行控制。具体地，高压控制单元包括用于调控微针制备时的高压静电的第一高压静电控制器31和第二高压静电控制器32，温度控制单元包括用于调控微针制备时的温度的第一温度控制器33以及第二温度控制器34。
45.电热管272与第一温度控制器33连接，加热板23与第二温度控制器34连接，通过第一温度控制器33和第二温度控制器34对应控制电热管272和加热板23的温度，第一温度控制器33和第二温度控制器34的温度调控范围为0-100℃。
46.其中，第一温度控制器33和第二温度控制器34均包括电源、主板、显示屏、温度传感器、加热变频器以及散热变频器，温度传感器设于加热板或电热管，通过感应获取温度信号，并把温度信号传递给主板后在显示屏显示当前温度，加热变频器和散热变频器用于实时调控温度。
47.另外，第一高压静电控制器31与挤出针头273连接，第一高压静电控制器32与基板22连接，通过第一高压静电控制器31和第二高压静电控制器32控制挤出针头273和基板22之间的静电场；在静电场作用下，使得材料在挤出过程中更具有方向性，同时，使得挤出针头273处的液滴会由球形变为圆锥形，并从圆锥尖端延展成为微针针尖。其中，第一高压静电控制器31和第二高压静电控制器32的静电压调控范围为0-10kv。
48.另外，基板22的电压可以加正电压或者不加。
49.如图3和图4所示，处于熔融状态的材料通过挤出针头挤出，并在通过加热板加热的基板上定位成型形成微针。
50.如图5所示，熔融状态的材料通过挤出针头挤出进行拉伸，拉伸结束后形成圆锥尖端，并在从圆锥尖端延展成为微针针尖。
51.本实施例的静电点胶制备微针的装置的工作过程如下：
52.首先，根据微针制作需求，通过主机的建模软件生成控制指令包括微针模型的坐标指令以及微针的形态控制参数，三轴移动机构根据主机的控制信号调整挤出针头移动到对应位置后，根据放料器中材料的熔点，通过第一温度控制器控制电热管的温度，电热管达到工作温度后，通过压缩气瓶内的压缩气体将材料导入位于电热管内的第一导管，电热管通过加热将第一导管内的材料变成熔融状态，并由挤出针头将熔融状态的材料挤出，并通过第二温度控制器控制加热板的温度以及通过第一高压静电控制器和第二高压静电控制器控制挤出针头和基板之间的静电场来控制熔融状态下的材料由挤出针头挤出后在基板上的成型状态，在微针制备过程中通过摄像头采集制备微针的画面并通过主机的屏幕进行实时显示。
53.实施例2：
54.本实施例的静电点胶制备微针的装置与实施例1的不同之处在于：
55.省略摄像头的设置，将外壳选用透明材质，可直接观察；
56.其他结构可以参考实施例1。
57.实施例3：
58.本实施例的静电点胶制备微针的装置与实施例1的不同之处在于：
59.挤出针头的数量可为两个、三个、四个等，具体可根据实际需求确定所需的数量，提高微针的制作效率；
60.其他结构可以参考实施例1。
61.以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。