一種平面金屬微針陣列及其制備方法技術

一種平面金屬微針陣列及其制備方法，屬于醫療器械技術領域與機械加工領域。將大尺寸金屬薄片裁剪為小型金屬薄片；加工由上下兩塊金屬蓋板組成的夾持工裝，工裝上下蓋板內側設有與小型金屬薄片尺寸匹配的凹槽，且蓋板四周邊緣處設有通孔；將金屬薄片放置于凹槽內，并通過螺栓緊固；設計片狀微針陣列的幾何形狀和尺寸，構建平面微針CAD模型；按照CAD模型切割走絲路徑，微針尖端加工時采用“8”字形路徑保證針尖尖銳程度，微針陣列基片兩側留少許材料不切割；加工完成后拆卸工裝清洗基片，并裁切微針基片兩側未加工部分，得到具有多個微針針體的平面金屬微針陣列。本發明專利技術通過簡單組裝可大批量制成微針陣列，成本低效率高，且能夠保證微針尖端加工精度。

【技術實現步驟摘要】
一種平面金屬微針陣列及其制備方法
本專利技術屬于醫療器械
與機械加工領域，涉及一種平面金屬微針陣列及其制備方法。
技術介紹
口服給藥、注射給藥和經皮給藥是目前最為常用的三種給藥方式，但口服給藥需經過胃腸道及肝臟等組織器官，腸道滅活及肝臟“首過效應”會使部分藥物被代謝掉，吸收效率大為降低；另一方面，部分藥物會對腸胃產生不良刺激等副作用，從而限制了口服給藥的應用范圍，尤其不適合用于蛋白質、胰島素以及DNA等類型的藥物輸送。注射給藥技術雖然克服了上述缺點，但將尺寸較大的普通針頭刺入人體組織，往往會給患者帶來不可忽視的疼痛，在嬰幼兒輸藥過程中，這種疼痛甚至會導致輸藥無法順利進行，而且較大尺寸的針頭會使人體受到創傷較大，處理不當容易引起皮膚感染等不良后果，因此需要專業人員操作；此外，普通注射給藥是在短時間內將藥物注入人體，使得局部藥物濃度過高，之后藥物濃度又快速下降，不利于藥物長時間連續穩定釋放。經皮給藥技術可以克服口服給藥和注射給藥的上述缺點。所謂經皮給藥，是指將藥物直接貼敷在皮膚表面并通過皮下毛細血管吸收后進入人體血液循環并達到有效血藥濃度、實現疾病治療或防御的一種輸藥方法。相比口服給藥與注射給藥，經皮給藥具有以下優點：(1)避免了肝臟與胃腸道對藥物的破壞作用，提高了藥物的生物利用度；(2)對藥物具有緩釋作用，可實現長效可控給藥；(3)血藥水平穩定，提高了藥物的療效；(4)避免了對胃腸道的刺激作用，降低了藥物的毒副作用；(5)可實現無痛、無創或微創給藥；(6)使用簡單方便，無需專業人員操作。因為具有這些優點，經皮給藥技術受到國內外研究人員的廣泛關注，但這種給藥技術也存在輸藥劑量較小、輸藥效率相對較低以及輸藥品種有限等缺點。究其原因，主要是因為皮膚最外層有厚度約為10～20微米，由死亡皮膚細胞構成的角質層，嚴重阻礙藥物經皮滲透。為了改善經皮輸藥效率并擴充經皮輸藥的種類，人們不斷從化學、物理以及生物學等方面研究經皮輸藥技術的改進方法，如使用各種促透劑的化學法，采用離子導入、超聲導入、電致孔法以及微粉超音速噴射等物理方法。近年來，隨著現代微納米加工技術的飛速發展，一種被稱之為微針的新型經皮給藥促進方法正受到人們越來越多的關注。微針(Microneedle,MN)一般是指長度在幾十微米到幾毫米，尖端直徑在幾十微米以下的微型針頭。如前所述，皮膚角質層的屏障作用是限制經皮給藥技術的關鍵問題，利用微針將皮膚角質層局部破壞，在皮膚表層短暫形成微米級的藥物輸送微通道(比一般藥物分子尺寸大一個數量級)，不僅使經皮給藥的輸藥效率顯著提高，而且可以顯著增加經皮給藥的藥物適用范圍。此外，因為微針尺寸非常微小，可以只刺破不含神經的皮膚角質層而基本不觸及富含神經和血管的皮膚深層組織，刺入過程產生的疼痛感和創傷都遠遠小于傳統注射給藥，從而可實現無痛、無創或微創給藥。若再結合其它微流體控制系統，微針還可以實現長效可控給藥。經過特殊設計后結合相應的微流體控制和分析系統，微針還可以用于人體無痛微量生化采用分析。因此，微針相關研究已成為醫療領域的熱門研究方向之一。目前國內外的微針主要有硅微針、玻璃微針、陶瓷微針、金屬微針、水凝膠微針、聚合物微針以及糖等(如麥芽糖、乳糖等)。在這些微針當中，硅因為相應的光刻、干法刻蝕、濕法刻蝕等加工技術已較為成熟，而且材料硬度較高，易于刺入皮膚，所以常被用作微針材料。然而，硅微針加工時對環境潔凈程度要求高，加工效率較低，相應的費用也較高，所以還無法滿足批量生產的要求。此外，硅作為一種典型的脆性材料，若設計不合理、加工有缺陷或使用過程中受到較大應力時都容易發生斷裂破壞，而且由于硅的生物相容性不好，斷裂后殘留在皮膚內的碎片可能引起不良反應，嚴重時這些微小碎片還有可能進入血管和心臟，引起一些更惡劣的后果，像玻璃、陶瓷等脆性材料也存在類似問題。聚合物通常具有更好的生物相容性和韌性，用于制造微針一方面可以減少機體的排異反應，另一方面能夠確保微針刺入皮膚不發生斷裂破壞，但由于聚合物材料的硬度和剛度通常較低，刺入皮膚或人體組織的過程中針尖容易發生屈曲破壞，導致無法刺破皮膚，所以應用也受到一定限制。金屬微針相比較而言，韌性好、強度高，而且像不銹鋼、鈦合金等金屬的生物安全性已經過長期驗證，所以被認為是微針的首選材料之一。目前金屬微針的加工手段頗為豐富，有化學刻蝕、紫外光刻、微銑削、激光切割、電鍍等，但這些加工方法都存在加工精度低、加工效率低而成本高等缺點，難以滿足批量生產要求。
技術實現思路
針對微針現有制造技術中存在的問題，本專利技術提供一種片狀平面金屬微針陣列及其加工新方法，平面微針陣列采用生物相容性良好、強度和韌性俱佳的片狀不銹鋼或鈦合金材料，通過傳統線切割加工技術制備，微針陣列由用于后續夾持組裝的基片6和微針針體7組成，基片與針體為一整體，且處于同一平面。該類型微針陣列易于使用，該加工方法既能保證精度，又適合高效率、低成本批量生產。為實現上述目的，本專利技術采用的技術方案如下：一種平面金屬微針陣列的制備方法，包括以下步驟：第一步，將大尺寸金屬薄片裁剪為方便夾持的小型金屬薄片5，小型金屬薄片5厚度為20～200微米，長為30～50毫米，寬為10～30毫米。第二步，加工專用的薄片夾持工裝工裝由上下兩塊完全相同的金屬蓋板2組成，每塊蓋板總體厚度為5～10毫米。在工裝上下蓋板內壁加工與所述小型金屬薄片5尺寸相匹配的凹槽3，即凹槽長寬與金屬薄片5長寬一致，用于放置金屬薄片5；上下蓋板凹槽的深度均為1～5毫米；上下蓋板主體2四周邊緣處均加工用于通過緊固螺栓4的通孔1。所述夾持工裝材料為導電性能良好、強度高的不銹鋼、45#鋼等金屬材料。第三步，將小型金屬薄片5放置在任一工裝金屬蓋板的凹槽3內進行堆疊，一次放置的金屬薄片5片數根據薄片厚度和凹槽深度進行調整；將另一工裝金屬蓋板放置在已放置金屬薄片的蓋板之上，凹槽朝向金屬薄片，上下對齊；通過緊固螺栓4將夾持工裝上下金屬蓋板封裝，壓實金屬薄片5，與上下蓋板成為一整體。第四步，設計片狀微針陣列的幾何形狀和尺寸片狀微針陣列由用于后續夾持部分的基片6和微針針體7組成，由同一金屬薄片5整體切割而成。每片基片上微針針體7的個數為3～50根，微針針體7之間的間距0.25～10毫米，厚度為金屬薄片5自身厚度。每個微針針體7形狀為三角形或劍形，其高度為100～500微米、針體根部寬度為50～300微米、厚度為金屬薄片5自身厚度。第五步，將第三步封裝好的金屬薄片5和工裝裝夾到線切割設備上，線切割設備根據第四步設計的微針幾何形狀和尺寸確定走絲路徑，對工裝和金屬薄片5作為整體進行線切割，金屬薄片5加工出基片6和微針針體7。線切割過程中，對微針針體7的尖端加工采用“8”字形路徑切割，確保微針針尖尖銳程度。加工過程中，基片6不完全切割，兩側預留2～5毫米不進行切割，確保工裝金屬蓋板、金屬薄片5在切割后仍為整體結構，既防止所加工時微針被冷卻液沖走，又能保證使用后的工裝仍具有足夠高結構剛度，使得工裝可重復使用。第六步，卸下工裝上的緊固螺栓4，取出加工好的金屬薄片5并進行清洗。第七步，對第六步所述的金屬薄片5上，基片6兩側預留區域材料進行裁剪，使片狀微針陣列從金屬薄片5剝離，得到具有多個微針針體的片狀平面金屬微針陣列，利用本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種平面金屬微針陣列的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：第一步，將大尺寸金屬薄片裁剪為小型金屬薄片(5)，小型金屬薄片(5)厚度為20～200微米，長為30～50毫米，寬為10～30毫米；第二步，加工專用的薄片夾持工裝工裝由上下兩塊完全相同的金屬蓋板(2)組成，每塊蓋板總體厚度為5～10毫米；在工裝上下蓋板內壁加工與金屬薄片(5)尺寸相匹配的凹槽(3)，用于放置金屬薄片(5)；上下蓋板凹槽的深度均為1～5毫米；上下金屬蓋板(2)四周邊緣處均加工用于通過緊固螺栓(4)的通孔(1)；第三步，將金屬薄片(5)放置在任一金屬蓋板的凹槽(3)內進行堆疊，一次放置的金屬薄片(5)片數根據薄片厚度和凹槽深度進行調整，并將另一金屬蓋板(2)放置在其上方，凹槽朝向金屬薄片(5)，上下對齊；通過緊固螺栓(4)將夾持工裝上下金屬蓋板(2)封裝，壓實金屬薄片(5)，與上下金屬蓋板(2)成為一個整體；第四步，設計片狀微針陣列的幾何形狀和尺寸片狀微針陣列由基片(6)和微針針體(7)組成，基片(6)與微針針體(7)由同一金屬薄片整體切割而成，針體(7)的數量、形狀及尺寸根據需要調整；第五步，將第三步封裝好的金屬薄片(5)和夾持工裝裝夾到線切割設備上，線切割設備根據第四步設計的微針幾何形狀、尺寸確定走絲路徑，對工裝和金屬薄片(5)作為整體進行線切割，金屬薄片(5)加工出基片(6)和微針針體(7)；線切割過程中，對微針針體(7)的尖端加工采用“8”字形路徑切割，確保微針針尖尖銳程度；此外，線切割過程中，基片(6)兩側預留2～5mm不進行切割，確保工裝和金屬薄片(5)在切割后仍為一整體；第六步，卸下工裝上的緊固螺栓(4)，取出加工好的金屬薄片(5)并進行清洗；第七步，對第六步所述的金屬薄片(5)上，基片(6)兩側預留區域的材料進行裁剪，使片狀微針陣列從金屬薄片(5)剝離，得到具有多個微針針體的片狀平面金屬微針陣列。...

【技術特征摘要】
1.一種平面金屬微針陣列的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：第一步，將大尺寸金屬薄片裁剪為小型金屬薄片(5)，小型金屬薄片(5)厚度為20～200微米，長為30～50毫米，寬為10～30毫米；第二步，加工專用的薄片夾持工裝工裝由上下兩塊完全相同的金屬蓋板(2)組成，每塊蓋板總體厚度為5～10毫米；在工裝上下蓋板內壁加工與金屬薄片(5)尺寸相匹配的凹槽(3)，用于放置金屬薄片(5)；上下蓋板凹槽的深度均為1～5毫米；上下金屬蓋板(2)四周邊緣處均加工用于通過緊固螺栓(4)的通孔(1)；第三步，將金屬薄片(5)放置在任一金屬蓋板的凹槽(3)內進行堆疊，一次放置的金屬薄片(5)片數根據薄片厚度和凹槽深度進行調整，并將另一金屬蓋板(2)放置在其上方，凹槽朝向金屬薄片(5)，上下對齊；通過緊固螺栓(4)將夾持工裝上下金屬蓋板(2)封裝，壓實金屬薄片(5)，與上下金屬蓋板(2)成為一個整體；第四步，設計片狀微針陣列的幾何形狀和尺寸片狀微針陣列由基片(6)和微針針體(7)組成，基片(6)與微針針體(7)由同一金屬薄片整體切割而成，針體(7)的數量、形狀及尺寸根據需要調整；第五步，將第三步封裝好的金屬薄片(5)和夾持工裝裝夾到線切割設備上，線切割設備根據第四步設計的微針幾何形狀、尺寸確定走絲路徑，對工裝和金...

【專利技術屬性】
技術研發人員：馬國軍，吳承偉，牛玉婷，張偉，呂永濤，韓嘯，馬建立，
申請(專利權)人：大連理工大學，
類型：發明
國別省市：遼寧,21