CN105903121A - 一种基于负光刻胶的高密度空心微针阵列及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于负光刻胶的高密度空心微针阵列及其制造工艺，本发明属于医疗美容器械和医药给药用微针技术领域。本发明所述微针阵列可用于无痛、安全、便捷的透皮给药。所述微针阵列由大量单体微针组合而成，其密度可达到8000~10000枚单体微针每平方厘米。所述单体微针包含一个可供液体通过的中空通道，不少于一个开在中空通道侧面的、可供液体流出的开口的针体；以及位于中空通道顶端的实心针头。利用负光刻胶的感光特性以及其粘性，本发明申明了一种拉伸光刻定型工艺，即在针体制作完成后，通过拉伸的方式在针体顶端制作针头。与现有技术相比，本发明所述微针阵列及其制造工艺具有密度高、成本低、易于大规模生产的优点。

Description

一种基于负光刻胶的高密度空心微针阵列及其制造工艺

技术领域

本发明涉及医疗美容器械和医药给药用微针技术领域，特别是一种基于负光刻胶的高密度空心微针阵列及其制造工艺。

背景技术

在目前的临床治疗中，治疗药物的递送主要采用针头注射的手段。针头注射虽然具很多优点，如快速有效、成本低廉同时可以适用于多种类型药物，但同时也存在很多问题：针头注射无可避免的会带来疼痛反应，很多时候病人，尤其是儿童，会对这种疼痛产生恐惧反应从而导致注射的不便；同时，针头注射时有可能造成皮肤和肌肉的伤害或造成皮肤感染，而且还有交叉感染的可能性，据世界卫生组织统计，每年有超过一百万人死于针头的交叉感染；此外，一次性注射器还会带来的生物垃圾造成环境污染和资源浪费；最后，针头注射一般需要护士等受过培训的专业人士进行操作，限制了针头注射给药的便捷性。

为了克服上述缺点，透皮给药越来越受到人们的关注。透皮给药是指在人体或动物体表面进行给药，使药物以渗透的方式扩散通过皮肤各层，然后通过毛细血管吸收后进生物体循环系统，以达到全身或局部治疗的效果。但是，透皮给药的方式十分依赖于药物通过皮肤的扩散。由于皮肤表面有约60微米厚度的角质层的屏障作用，药物扩散通过皮肤各层的效率很低，所以在临床实践中，透皮给药对许多药物（如疫苗）的有效性都没能得到验证。

为了提高透皮给药的有效性，研究人员开发出了微针给药的方法。微针是尺寸在微米级（长度100-700微米，尖端直径10-50微米）的针头，因而它们不会过于深入的刺入皮肤中以刺激到使用者的痛觉神经，因此微针输药拥有无疼痛的优点。同时，微针尺寸小的特点使其造成的创伤很低，且伤口愈合相对较快。在没有其他任何处理的情况下，微针产生的暂时性孔隙也会在移除微针之后的72小时内闭合，因此大大降低了感染的风险，这在临床实践中是非常有吸引力的。最后，微针的使用无需专门进行培训，使得其使用面更广。

目前所知的微针大多使用注模成型进行制备，也有少部分使用单晶硅等材料通过光照蚀刻进行制造，而这两类方法都有其缺陷。使用注模成型进行制备的微针，一般存在微针之间间隙大、微针粗等弊端，很难制作高密度微针阵列，限制了微针给药的效率。使用注模成型制备的微针阵列在一平方厘米内一般只能达到400~800枚，相比传统的透皮给药并没有太大的优势。而使用单晶硅等材料通过光照蚀刻进行制造的微针阵列虽然可以达到较高的密度，但是其制造成本十分高昂，大大限制了微针给药的广泛应用。

综上所述，发明一种可以低成本、大批量的制备高密度微针阵列的技术对于微针给药的广泛应用有很大的意义。

发明内容

本发明公开了一种基于负光刻胶的高密度空心微针阵列及其制造工艺。

本发明的目的是为大批量、低成本地制备高密度微针阵列提供一种可行的制造方法。

本发明所述的基于负光刻胶的高密度空心微针阵列包括一个衬底和制作与其上的微针阵列。

进一步的，本发明所述微针阵列每平方厘米含有不少于8000枚微针。

进一步的，本发明所述微针包含：一根内部含有可供液体通过的通道的管道；不少于一个开在管道侧面的、可供液体流出的开口；以及一个实心的、位于管道顶端的针头。上述包含内部通道和侧面开口的管道在以下称为“针体”，上述实心的、位于管道顶端的针头称为“针头”。

进一步的，本发明所述微针的高度约200~700微米，底部尺寸不大于50微米，间隔不大于50微米。

优选的，本发明所述微针全部由负光刻胶制成。

本发明所述微针阵列的制作工艺是由制备针体和制备针头两个步骤构成。

第一步，制备针体：通过光刻工艺，利用负光刻胶的感光特性，在二氧化硅基板上制作竖直的、内部含有可供液体通过、侧面开口的圆柱形针体阵列。所述二氧化硅基板以及其上的针体阵列统称为“针基模块”。进一步的，“针基模块”上的针体外径记为r，相邻针体中心间距记为d。

第二步、制备针头：针头是由“针基模块”和“针头原料模块”进行充分接触后，通过拉伸光照成型所制成。上述“针头原料模块”分两步制成：首先在二氧化硅基板上覆盖一层半融化状态的负光刻胶，制成“原料模块基板”；然后将“针头阵列定型模具”压覆在上述“原料模块基板”上，使得半融化状态的负光刻胶溢出“针头阵列定型模具”上的孔洞，完成针头原料模块的制作。上述“针头阵列定型模具”是一块平整的、具有孔洞阵列的硬板，其孔洞阵列排布与“针基模块”上的针体阵列排布相同，相邻孔洞中心间距为d，孔洞的内径R比针体外径r大5%，记为：R=r×105%。优选的，“针头阵列定型模具”根据需求选择用100~700微米厚的硅基板，通过光照蚀刻及湿法蚀刻的方式来制作。

本发明所述基于负光刻胶的高密度空心微针阵列及其制造工艺有以下益处：

⒈本发明所述基于负光刻胶的高密度空心微针阵列密度可达8000~10000枚针头没平方厘米，大大提高了药物的输送效率，为微针给药贴片的大范围应用提供了条件；

⒉本发明所述基于负光刻胶的高密度空心微针阵列全部由负光刻胶制成，硬度高，足以刺穿皮肤，而且起韧性相对于硅等材料更高，不容易折断，避免了针头折断所带来的风险；

⒊本发明所述基于负光刻胶的高密度空心微针阵列内部含有可供药物流通的通道，避免了药物在递送过程中与外界空气的接触而导致的药物氧化或污染；

⒋本发明所述制备基于负光刻胶的高密度空心微针阵列的工艺操作简便，可以大批量的生产，而且成本低廉。

附图说明

图1为一种基于负光刻胶的高密度空心微针阵列制造工艺流程图。

图2为制备“针基模块”时，SU-8光刻胶旋涂于硅基板#1表面的侧视图。

图3为制备“针基模块”时，一号光照掩膜覆盖于SU-8上的侧视图。

图4为制备“针基模块”时，一号光照掩膜覆盖于SU-8上的俯视图。

图5为制备“针基模块”时，“针体阵列基座#1”的侧视图。

图6为制备“针基模块”时，SU-8光刻胶旋涂于“针体阵列基座#1”上的侧视图。

图7为制备“针基模块”时，覆盖二号光照掩膜的侧视图。

图8为制备“针基模块”时，覆盖二号光照掩膜的俯视图。

图9为制备“针基模块”时，“针体阵列基座#2”的侧视图。

图10为制备“针基模块”时，SU-8光刻胶旋涂于“针体阵列基座#2”上的侧视图。

图11为制备“针基模块”时，覆盖三号光照掩膜的侧视图。

图12为制备“针基模块”时，覆盖三号光照掩膜的俯视图。

图13为制备“针基模块”时，“针体阵列基座#3”的侧视图。

图14为“针基模块”侧视图。

图15为制备“针头原料模块”时，SU-8光刻胶旋涂于硅基板#2表面的侧视图。

图16为制备“针头原料模块”时，覆盖四号光照掩膜的侧视图。

图17为制备“针头原料模块”时，覆盖四号光照掩膜的俯视图。

图18为制备“针头原料模块”时，刻蚀掩膜的侧视图。

图19为制备“针头原料模块”时，刻蚀掩膜的俯视图。

图20为制备“针头原料模块”时，“针头阵列定型模具”侧视图。

图21为制备“针头原料模块”时，“针头阵列定型模具”俯视图。

图22为制备“针头原料模块”时，SU-8光刻胶旋涂于硅基板#3表面的侧视图。

图23为制备“针头原料模块”时，“针头原料模块”侧视图。

图24为拉伸光刻定型时，“针基模块”上的针体顶部与“针头原料模块”上的SU-8粘连的侧视图。

图25为拉伸光刻定型时，“针基模块”与“针头原料模块”缓慢分开的侧视图。

图26为拉伸光刻定型时，带有尖锐但处于半凝固状态的SU-8光刻胶针头的“针基模块”侧视图。

图27为制备的基于负光刻胶的高密度空心微针阵列的侧视图。

具体实施方式

本发明所述的负光刻胶采用的是SU-8光刻胶。

以下结合附图，对发明作进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所述的基于负光刻胶的高密度空心微针阵列的制备工艺流程如图1所示，具体步骤如下：

第一步、制作针体。针体的制作由8个步骤构成，从下往上分别对针体底层、针体中层和针体顶层光刻定型，最后在化学显影剂的作用下完成“针基模块”的制备。

第1步：准备基板#1。选取一块二氧化硅基板1（基板#1），用去离子水在40 kHz的超声波氛围中清洗3分钟；然后用异丙醇在40 kHz的超声波氛围中清洗4分钟；再用丙酮在40 kHz的超声波氛围中清洗4分钟；最后用去离子水在40 kHz的超声波氛围中清洗5分钟。

第2步：如图2所示，将SU-8光刻胶2旋涂于清洗干净的二氧化硅基板1表面，并进行光照前烘烤。SU-8光刻胶2的旋涂转速和旋涂时间根据所选光刻胶与设计所需厚度而定。

第3步：如图3和图4所示，在一号光照掩膜3的覆盖下进行光刻，对针体底层4进行定型。该步骤后得到“针体阵列基座#1”，如图5所示。

第4步：在“针体阵列基座#1”上再旋涂一层SU-8光刻胶5，如图6所示，并进行光照前烘烤。SU-8光刻胶5的旋涂转速和旋涂时间根据所选光刻胶与设计所需厚度而定。

第5步：如图7和8所示，在二号光照掩膜6的覆盖下进行光刻，对针体中层7进行定型。进一步的，为本发明所述针体部分的侧面开口8位于针体中层7。该步骤后得到“针体阵列基座#2”，如图9所示。

第6步：如图10所示，在“针体阵列基座#2”上再旋涂一层SU-8光刻胶9，并进行光照前烘烤。SU-8光刻胶9的旋涂转速和旋涂时间根据所选光刻胶与设计所需厚度而定。

第7步：如图11和12所示，在三号光照掩膜10的覆盖下进行光刻，对针体顶层11进行定型。该步骤后得到“针体阵列基座#3”，如图13。

第8步：将“针体阵列基座#3”在对应光刻胶专用的化学显影剂在40 kHz的超声波氛围中处理一段时间，然后进行光照后烘焙。具体显影时间由所选取的光刻胶、显影剂及光刻胶的厚度决定。该步骤后得到具有针体12的“针基模块”，如图14。

第二步、制作针头。针头制作由两大部分构成：制作“针头原料模块”和拉伸光刻定型。

⑴“针头原料模块”制作

第1步：准备基板#2。选取一块硅基板13（基板#2），用去离子水在40 kHz的超声波氛围中清洗3分钟；然后用异丙醇在40KHz的超声波氛围中清洗4分钟；再用丙酮在40 kHz的超声波氛围中清洗4分钟；最后用去离子水在40 kHz的超声波氛围中清洗5分钟。

第2步：将AZ9260光刻胶14旋涂于清洗干净的硅基板13表面，如图15所示，并进行光照前烘烤。AZ9260光刻胶14的旋涂转速和旋涂时间根据所选光刻胶与设计所需厚度而定。

第3步：如图16和17所示，在四号光照掩膜15的覆盖下进行光刻，形成蚀刻掩膜16，根据设计需求确定所需蚀刻的部分，如图18和19。

第4步：使用浓氢氧化硅水溶液对上述覆盖了蚀刻掩膜16的基板#2进行湿法蚀刻。此步骤后得到的硅基的“针头阵列定型模具”17具有与“针基模块”上的针体阵列排布相同的孔洞阵列，如图20和21所示。

第5步：准备基板#3。选取一块二氧化硅基板18（基板#3），用去离子水在40 kHz的超声波氛围中清洗3分钟；然后用异丙醇在40 kHz的超声波氛围中清洗4分钟；再用丙酮在40 kHz的超声波氛围中清洗4分钟；最后用去离子水在40 kHz的超声波氛围中清洗5分钟。

第6步：将SU-8光刻胶19旋涂于清洗干净的硅基板18表面，保持半融化状态，如图22。转速与时间根据所选光刻胶与设计所需厚度而定。此步骤后得到“原料模块基板”。

第7步：将第4步得到的“针头阵列定型模具”平整的按压于第6步所得“原料模块基板”上，使“原料模块基板”上半融化状态的SU-8光刻胶19溢出“针头阵列定型模具”上的孔洞，如图23。此步骤后得到“针头原料模块”。

⑵拉伸光刻定型

第1步：将“针基模块”的针体朝下，将“针基模块”上的针体对准“针头原料模块”上的孔洞，在“针基模块”与“针头原料模块”平行的条件下将“针基模块”压覆于“针头原料模块”上。“针头原料模块”上溢出孔洞的半融化SU-8光刻胶19与“针基模块”上的针体顶部20粘连在一起，如图24。

第2步：将“针基模块”与“针头原料模块”在平行的条件下缓慢的拉开，如图25，直至粘连在针体顶部20和“针基模块上”的SU-8光刻胶19分离。此步骤后，“针基模块”上所有的针体顶部留下一个尖锐但处于半凝固状态的SU-8光刻胶针头21，如图26。

第3步：将带有尖锐但处于半凝固状态的SU-8光刻胶针头21的“针基模块”进行无掩膜光刻，并做光照后烘烤，从而将针头完全定型，如图27。

至此，基于负光刻胶的高密度空心微针阵列的具体制备过程完成。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (8)

1.一种基于负光刻胶的高密度空心微针阵列，其特征在于，所述微针阵列由大量微针组成，其密度达到8000~10000枚微针每平方厘米。

2.如权利要求1所述的一种基于负光刻胶的高密度空心微针阵列，其特征在于，所述的微针内部包含一根可供液体通过的通道；不少于一个开在管道侧面的、可供液体流出的开口；以及一个实心的、位于管道顶端的针头。

3.如权利要求1所述的一种基于负光刻胶的高密度空心微针阵列，其特征在于，所述的微针阵列使用负光刻胶制成。

4.一种基于负光刻胶的高密度空心微针阵列的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：

⑴制备针基模块；

⑵制备针头原料模块；

⑶拉伸光刻定型：将针基模块压覆于针头原料模块上并缓慢拉开，进行无掩膜光刻，在针体顶端形成尖锐的针头。

5.如权利要求4所述的一种基于负光刻胶的高密度空心微针阵列的制造工艺，其特征在于，步骤⑴所述的针基模块由没有针头的针体阵列组成；针体内部包含一个可由液体通过的通道；针体侧面包含不少于一个的可通过液体的开口。

6.如权利要求4所述的一种基于负光刻胶的高密度空心微针阵列的制造工艺，其特征在于，步骤⑵所述的针头原料模块包含一层半融化状态的负光刻胶以及一个压覆其上的针头阵列定形模具。

7.如权利要求4所述的一种基于负光刻胶的高密度空心微针阵列的制造工艺，其特征在于，步骤⑶所述的拉伸光刻定型时，针基模块和针头原料模块是完全平行的。

8.如权利要求5或6所述的一种基于负光刻胶的高密度空心微针阵列的制造工艺，其特征在于，所述的针头阵列定型模具上有的通透的孔洞阵列与所述的针基模块上的针体阵列的排布相同。