CN103568160A - 一种聚合物材料微针阵列贴片的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种聚合物材料微针阵列贴片的制作方法。采用MEMS技术直接在基材上加工出微针阵列模具，或在基材上制作出微针阵列的母模结构并在其上浇注第一类聚合物材料，固化成型并脱模，得到与微针阵列的母模结构相反结构的微针阵列模具；将第二类聚合物材料加入到微针阵列模具的上表面，然后加热使第二类聚合物材料软化，断绝热源，用机械压力把软化的第二类聚合物材料压入所述微针阵列模具上的微孔内，冷却，脱模，得到聚合物材料微针阵列贴片。所述的第一类聚合物材料的软化温度应高于第二类聚合物材料的软化温度至少10℃。本发明所制备的聚合物材料微针阵列贴片可用于促进药物经皮渗透，也可以作为载药微针阵列贴片的载体进行药物的输送。
Description
技术领域
本发明涉及聚合物材料微针阵列贴片的制作方法，所制备的聚合物材料微针阵列贴片可用于促进药物经皮渗透，也可以作为载药微针的载体进行药物的输送。
背景技术
由于皮肤角质层的屏障作用，能够应用于经皮给药的药物分子需要满足很苛刻的条件，因此应用受到了很大的局限。为此，如何克服角质层的阻碍作用，成为经皮给药研究领域的热点。在众多克服角质层的阻碍作用的方法中，微针阵列显示出很大的应用前景。虽然微针的概念早在二十世纪七十年代就已经提出，但是当时并没有实验进行论证。直到二十世纪九十年代MEMS技术的出现才提供了可以制造这样的微结构的制造工具来。自从1998年首次利用微针进行经皮给药研究以来，在发展新型方法制造微针和利用微针进行经皮给药方面掀起了一片热潮。
目前直接制作微针阵列的主要方法包括（1）以单晶硅作为初始材料，采用湿法刻蚀、干法刻蚀或湿法与干法刻蚀相结合的方式制作硅微针阵列（N.Wilke，Process optimization and characterization of silicon microneedlesfabricated by wet etch technology，Microelectronics Journal36(2005)650-656，S.Rajaraman，A unique fabrication approach for microneedles using coherentporous silicon technology，Sensors and Actuators B105(2005)443-448，HikaruSasaki，Fabrication of Densely Arrayed Si Needles with Large Height forTransdermal Drug Delivery System Application，TRANSACTIONS ONELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING IEEJ Trans 2007;2:340-347）；但该方法制作微针阵列的工艺复杂，生产成本高，而且单晶硅的生物相容性较差，导致此方法受到很大的限制。（2）采用X-射线光刻技术，制作PMMA微针阵列（Li Yi-gui,S Susμmu，Design and fabrication ofmicroneedle array based on moving LIGA technology，Nanotechnology andPrecision Engineering(2009)Volμme:7,Issue:1,Pages:81-4）；但以该方法制作微针阵列的工艺复杂，制做材料局限于PMMA，材料生物相容性较差。（3）采用激光切割方法，制作不锈钢微针阵列（Martanto W,Davis SP,Holiday NR,Wang J,Gill HS,Prausnitz MR.Transdermal delivery of insulin usingmicroneedles in vivo.Pharm Res2004;21(6):947–952）；（4）采用光化学刻蚀及机械弯曲的方式制作钛微针阵列（M.Cormier,A.P.Neukermans,B.Block,F.T.Theeuwes,A.Amkraut,A device for enhancing transdermal agent delivery orsampling,EP0914178B1,2003.）；但这两种方法采用金属作为微针阵列的材料，微针尺寸较大，达不到无痛微创的要求，不容易批量生产，而且使用后会留下尖锐的医疗垃圾。
以上四种直接制作微针阵列的方法存在较大的缺陷。近几年来，采用间接方式制作微针的方法越来越受到关注，即采用上述四种方法或其它方法制作微针阵列的母模结构，然后制作以微针阵列母模结构相反的微针阵列模具，最后利用该微针阵列模具和热塑成型技术批量制作聚合物微针阵列贴片。但是目前报道的采用间接法制作微针阵列的方法中存在一些不足。比如，Jin-Chern Chiou等申请的专利(Jin-Chern Chiou,Chen-Chun Hung,Chih-Wei Chang,Method forfabricating microneedle array and method for fabricating embossing mold ofmicroneedle array,patent nμmber:US7,429,333B2)，该专利所报道的方法以PDMS或PMMA作为制作微针阵列的材料。该方法所用的PDMS材料较为柔软不易刺入皮肤，而PMMA材料生物兼容性较差，同时该方法制备微针阵列耗时长，单纯烘烤聚合物使之固化的时间就需要1个小时。再如，Trautmann,A.等发表的一篇论文（Trautmann,A.，IMTEK,Freiburg Univ.，Replication ofmicroneedle arrays using vacuμm casting and hot embossing，Solid-State Sensors,Actuators and Microsystems,2005.Digest of Technical Papers，Volμme:2Page(s):1420-1423 Vol.2.），该论文涉及的方法是采用常规热压法，即在抽真空的条件下高温加热软化聚合物材料并保持真空度的条件下进行成型再冷却，该方法在高温下耗时较长，对于聚合物的稳定性非常不利。
由于聚合物材料、特别是生物可降解聚合物材料的热稳定性不高，长时间高温加热，容易使聚合物材料热解，导致材料不稳定而影响使用。针对现有直接方法和间接方法的缺陷，本发明采用改进的热塑成型技术制作微针阵列，首先制作微针阵列的母模结构，然后制作与微针阵列的母模结构相反结构的微针阵列模具；采用可降解生物相容性好的聚合物材料作为聚合物材料微针阵列贴片制作的材料；采用加热与常温机械加压两个过程分离的方式代替抽真空的方式使聚合物材料进入微针阵列模具的微孔，这个工艺过程减少了聚合物材料在高温中的暴露时间，非常有利于聚合物材料的稳定，而且大大缩短了聚合物材料微针贴片制作的时间。该方法工艺简单，成本低廉，适合批量生产，具有很强的实用性。
发明内容
本发明的目的是为了克服直接法制作微针阵列贴片的不足，如工艺复杂、针尖尖锐度低、材料生物相容性差、生产成本高等问题；克服间接法制作微针阵列贴片的不足，如在高温下制作过程耗时长，不利于聚合物材料的稳定等问题；从而提供一种采用改进的热塑成型技术制作聚合物材料微针阵列贴片的方法。
本发明所要解决的技术问题是：1、采用生物相容性好的聚合物材料制作聚合物材料微针阵列贴片，提高聚合物材料微针阵列贴片的安全性；2、降低聚合物材料在高温中的暴露时间，避免聚合物材料在高温下大量分解影响力学性能和生物安全性；3、降低聚合物材料微针阵列贴片制作的成本；4、简化聚合物材料微针阵列贴片批量生产的工艺。
为解决上述的技术问题，本发明揭露了一种改进的热塑成型技术制作聚合物材料微针阵列贴片的方法，如图1所示，该方法为：
(1)制作微针阵列模具：制作微针阵列模具的方法包括直接法和间接法。
制作微针阵列模具的直接法，即采用MEMS技术直接在基材上加工出微针阵列模具。所述的微针阵列模具的参数受到MEMS技术条件及工艺的影响，而微针阵列模具参数最终影响着聚合物材料微针阵列贴片的参数；
制作微针阵列模具的间接法，即采用MEMS技术在基材上制作出微针阵列的母模结构；在得到的微针阵列的母模结构上浇注第一类聚合物材料，固化成型，然后脱模，得到与所述的微针阵列的母模结构相反结构的由第一类聚合物材料固化成型得到的微针阵列模具；所述的微针阵列模具的参数受到微针阵列的母模结构的影响，而微针阵列模具参数最终影响着聚合物材料微针阵列贴片的参数；
(2).将第二类聚合物材料加入到步骤(1)得到的微针阵列模具的上表面，然后把微针阵列模具放入（根据具体第二类聚合物材料的熔点而定）热源处并在高于所述的第二类聚合物材料的软化温度1-10℃下进行加热（一般加热的时间不超过10分钟，较佳的为5分钟）使第二类聚合物材料软化，断绝热源，在室温用机械压力把软化的第二类聚合物材料压入所述的微针阵列模具上的微孔内，冷却，脱模，得到聚合物材料微针阵列贴片。
所述的微针阵列模具中形成单根微针的微孔的深度（即形成聚合物材料微针阵列贴片中的单根微针的针体的高度）在50～1000微米之间（较佳的为100～1000微米）；形成单根微针的微孔的尖度直径在100纳米～10微米之间；形成单根微针的微孔尖度的锥角是20～120度。所述的微针阵列模具的材料选自单晶硅、钛、不锈钢和有机玻璃中的一种。
所述的微针阵列的母模结构上的单根微针的针体的高度在50～1000微米之间（较佳的为100～1000微米）；所述的微针阵列的母模结构上的单根微针的针尖的直径在100纳米～10微米之间；所述的微针阵列的母模结构上的单根微针的针尖的锥角是20～120度。
所述的基材选自单晶硅、铝、不锈钢和有机玻璃中的一种。
所述的第一类聚合物材料与所述的第二类聚合物材料为不同的聚合物材料，且所述的第一类聚合物材料的软化温度应高于第二类聚合物材料的软化温度至少10℃。
所述的第一类聚合物材料是硅橡胶（如polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷（PDMS），使用温度：-40℃～250℃）。
所述的第二类聚合物材料选自L-丙交酯（L-LA，熔点：124～128℃）、乙交酯（GA，熔点：84℃）、聚乳酸（PLA，熔点：175～185℃）、聚乙醇酸（PGA，熔点：200～220℃）、聚己内酯（PCL，熔点：59～64℃）、聚丁二酸丁二醇酯[poly(butyl succinate),PBS，熔点：114℃]、聚乳酸羟基乙酸（PLGA，熔点：140℃）以及聚羟基脂肪酸酯（PHA，熔点：120～177℃）等生物相容性好的材料中的一种。
本发明采用机械压力的方法把第二类聚合物材料压入微孔内，相比于采用降低真空度的方法，更为快速，因此大大缩短了微针制作的时间，节约了成本，同时减小了第二类聚合物材料在高温中的暴露时间，有利于第二类聚合物材料的稳定。
本发明采用第二类聚合物材料的软化过程与施加机械压力的成型过程分别在两个不同温度环境中进行，进一步降低了第二类聚合物材料在高温中的曝光时间，有利于第二类聚合物材料的稳定。
本发明的聚合物材料微针阵列贴片的制作方法，采用生物可降解医用材料作为制作的材料，不仅提高了聚合物材料微针阵列贴片应用的安全性，而且不会留下尖锐的医疗垃圾；采用机械加压的方式代替降低真空度的方式和加热与加压两个过程相分离的方式，大大降低聚合物在高温中的暴露时间，非常有利于聚合物材料的稳定；采用热塑成型技术，属于间接法制作微针，大大简化了微针制作的工艺，从而降低了微针阵列制作的成本；以改进的热塑成型技术制作聚合物材料微针阵列贴片，工艺简单，生产成本低，能够进行大规模批量生产，具有很强的实用性。
附图说明
图1.本发明的以改进的热塑成型技术制作聚合物材料微针阵列贴片的方法的流程示意图，所述的示意图以间接法制作微针阵列模具为例。
附图标记
1.制作微针阵列的母模结构
2.浇注第一类聚合物材料并固化成型
3.脱模得到由第一类聚合物材料固化成型得到的微针阵列模具
4.加入第二类聚合物材料并加热
5.断绝热源并机械加压
6.冷却脱模，得到聚合物材料微针阵列贴片
具体实施方式
以下将采用实施例对本发明做进一步的说明，本发明的实施例仅用来说明本发明的技术方案，并非限定本发明。
实施例1.制作针体的高度为50μm，阵列为48×48，阵列面积为1cm2的聚乳酸材料微针阵列贴片
(1).利用MEMS技术制作硅微针阵列的母模结构，具体说来是采用湿法刻蚀结合干法刻蚀的方法制作出微针阵列的母模结构。简单来说，在单晶硅基片上用掩膜的方法形成特定图案，然后用SF6/O2等离子体刻蚀形成柱状体。所述的柱状体，采用氢氧化钾水溶液（50%w/v）刻蚀成针状，最终得到硅微针阵列的母模结构。制作完成的硅微针阵列的母模结构上的单根微针的针体的高度为50μm，针形为八棱锥，单根微针的针尖直径为100nm，锥角为20度，阵列为48×48，阵列面积为1cm2。
(2).制作与硅微针阵列的母模结构相反结构的微针阵列模具，所用设备是一个聚四氟乙烯框。所述的聚四氟乙烯框的内边长略大于步骤(1)得到的硅微针阵列的母模结构的外边长，因此硅微针阵列的母模结构刚好能够放入聚四氟乙烯框内，形成组合结构。聚四氟乙烯框比硅微针阵列的母模结构高，所以形成一个腔体，所述的腔体用于浇注聚二甲基硅氧烷。
将步骤(1)得到的硅微针阵列的母模结构置于聚四氟乙烯框内，然后浇注聚二甲基硅氧烷（PDMS，polydimethylsiloxane），放入80℃烘箱中固化30分钟，然后取出，脱模，得到与所述的硅微针阵列的母模结构相反结构的由PDMS固化成型得到的微针阵列模具。所述的微针阵列模具中形成单根微针的微孔的深度为50μm，孔形为八棱锥，形成单根微针的微孔的尖度直径在100nm，形成单根微针的微孔尖度的锥角是20度，阵列为48×48，阵列面积为1cm2。
(3).将聚乳酸材料加入到步骤(2)得到的微针阵列模具的上表面，然后把微针阵列模具放入175℃热源处并加热5分钟使聚乳酸材料软化，取出微针阵列模具，断绝热源，在室温用机械压力把软化的聚乳酸材料压入所述的微针阵列模具上的微孔内，冷却，脱模，得到聚乳酸材料微针阵列贴片。得到的聚乳酸材料微针阵列贴片上的单根微针的高度为50μm，针形为八棱锥，单根微针的针尖直径为100nm，锥角为20度，阵列为48×48，阵列面积为1cm2。
实施例2制作针体的高度为260μm，阵列为12×12，阵列面积为1cm2的聚乳酸羟基乙酸材料微针阵列贴片
(1).利用MEMS技术制作硅微针阵列的母模结构，具体说来是采用湿法刻蚀结合干法刻蚀的方法制作出微针阵列的母模结构。简单来说，在单晶硅基片上用掩膜的方法形成特定图案，然后用SF6/O2等离子体刻蚀形成柱状体。所述的柱状体，采用氢氧化钾水溶液（50%w/v）刻蚀成针状，最终得到硅微针阵列的母模结构。制作完成的硅微针阵列的母模结构上的单根微针的针体的高度为260μm，针形为八棱锥，单根微针的针尖直径为1000nm，锥角为60度，阵列为12×12，阵列面积为1cm2。
(2).制作与硅微针阵列的母模结构相反结构的微针阵列模具，所用设备是一个聚四氟乙烯框。所述的聚四氟乙烯框的内边长略大于步骤(1)得到的硅微针阵列的母模结构的外边长，因此硅微针阵列的母模结构刚好能够放入聚四氟乙烯框内，形成组合结构。聚四氟乙烯框比硅微针阵列的母模结构高，所以形成一个腔体，所述的腔体用于浇注聚二甲基硅氧烷。
将步骤(1)得到的硅微针阵列的母模结构置于聚四氟乙烯框内，然后浇注聚二甲基硅氧烷（PDMS，polydimethylsiloxane），放入80℃烘箱中固化30分钟，然后取出，脱模，得到与所述的硅微针阵列的母模结构相反结构的由PDMS固化成型得到的微针阵列模具。所述的微针阵列模具中形成单根微针的微孔的深度为260μm，孔形为八棱锥，形成单根微针的微孔的尖度直径在1000nm，形成单根微针的微孔尖度的锥角是60度，阵列为12×12，阵列面积为1cm2。
(3).将聚乳酸羟基乙酸材料加入到步骤(2)得到的微针阵列模具的上表面，然后把微针阵列模具放入140℃热源处并加热5分钟使聚乳酸羟基乙酸材料软化，取出微针阵列模具，断绝热源，在室温用机械压力把软化的聚乳酸羟基乙酸材料压入所述的微针阵列模具上的微孔内，冷却，脱模，得到聚乳酸羟基乙酸材料微针阵列贴片。得到的聚乳酸羟基乙酸材料微针阵列贴片上的单根微针的高度为260μm，针形为八棱锥，单根微针的针尖直径为1000nm，锥角为60度，阵列为12×12，阵列面积为1cm2。
实施例3制作针体的高度为500μm，阵列为11×11，阵列面积为1cm2的聚乙醇酸材料微针阵列贴片
(1).利用电火花加工技术和化学刻蚀技术制作铝微针阵列的母模结构，具体说来，制作铝微针图纸，然后按照铝微针图纸，采用电火花加工技术制作铝微针阵列的母模结构的粗胚，再用化学刻蚀液（如用体积比为80%磷酸、5%硝酸、5%醋酸及10%水配制的化学刻蚀液）对粗胚进行刻蚀20分钟，使微针的针体更加尖锐。制作完成的铝微针阵列的母模结构上的单根微针的针体的高度为500μm，针形为四棱锥，单根微针的针尖直径为5μm，锥角为80度，阵列为11×11，阵列面积为1cm2。
(2).制作与铝微针阵列的母模结构相反结构的微针阵列模具，所用设备是一个聚四氟乙烯框。所述的聚四氟乙烯框的内边长略大于步骤(1)得到的铝微针阵列的母模结构的外边长，因此铝微针阵列的母模结构刚好能够放入聚四氟乙烯框内，形成组合结构。聚四氟乙烯框比铝微针阵列的母模结构高，所以形成一个腔体，所述的腔体用于浇注聚二甲基硅氧烷。
将步骤(1)得到的铝微针阵列的母模结构置于聚四氟乙烯框内，然后浇注聚二甲基硅氧烷（PDMS，polydimethylsiloxane），放入80℃烘箱中固化30分钟，然后取出，脱模，得到与所述的铝微针阵列的母模结构相反结构的由PDMS固化成型得到的微针阵列模具。所述的微针阵列模具中形成单根微针的微孔的深度为500μm，孔形为四棱锥，形成单根微针的微孔的尖度直径在5μm，形成单根微针的微孔尖度的锥角是80度，阵列为11×11，阵列面积为1cm2。
(3).将聚乙醇酸材料加入到步骤(2)得到的微针阵列模具的上表面，然后把微针阵列模具放入200℃热源处并加热5分钟使聚乙醇酸材料软化，取出微针阵列模具，断绝热源，在室温用机械压力把软化的聚乙醇酸材料压入所述的微针阵列模具上的微孔内，冷却，脱模，得到聚乙醇酸材料微针阵列贴片。得到的聚乙醇酸材料微针阵列贴片上的单根微针的高度为500μm，针形为四棱锥，单根微针的针尖直径为5μm，锥角为80度，阵列为11×11，阵列面积为1cm2。
实施例4制作针体的高度为1000μm，阵列为11×11，阵列面积为1cm2的L-丙交酯材料微针阵列贴片
(1).利用电火花加工技术和化学刻蚀技术制作铝微针阵列的母模结构，具体说来，制作铝微针图纸，然后按照铝微针图纸，采用电火花加工技术制作铝微针阵列的母模结构的粗胚，再用化学刻蚀液（如用体积比为80%磷酸、5%硝酸、5%醋酸及10%水配制的化学刻蚀液）对粗胚进行刻蚀20分钟，使微针的针体更加尖锐。制作完成的铝微针阵列的母模结构上的单根微针的针体的高度为1000μm，针形为四棱锥，单根微针的针尖直径为10μm，锥角为120度，阵列为11×11，阵列面积为1cm2。
(2).制作与铝微针阵列的母模结构相反结构的微针阵列模具，所用设备是一个聚四氟乙烯框。所述的聚四氟乙烯框的内边长略大于步骤(1)得到的铝微针阵列的母模结构的外边长，因此铝微针阵列的母模结构刚好能够放入聚四氟乙烯框内，形成组合结构。聚四氟乙烯框比铝微针阵列的母模结构高，所以形成一个腔体，所述的腔体用于浇注聚二甲基硅氧烷。
将步骤(1)得到的铝微针阵列的母模结构置于聚四氟乙烯框内，然后浇注聚二甲基硅氧烷（PDMS，polydimethylsiloxane），放入80℃烘箱中固化30分钟，然后取出，脱模，得到与所述的铝微针阵列的母模结构相反结构的由PDMS固化成型得到的微针阵列模具。所述的微针阵列模具中形成单根微针的微孔的深度为1000μm，孔形为四棱锥，形成单根微针的微孔的尖度直径在10μm，形成单根微针的微孔尖度的锥角是120度，阵列为11×11，阵列面积为1cm2。
(3).将L-丙交酯材料加入到步骤(2)得到的微针阵列模具的上表面，然后把微针阵列模具放入124℃热源处并加热5分钟使L-丙交酯材料软化，取出微针阵列模具，断绝热源，在室温用机械压力把软化的L-丙交酯材料压入所述的微针阵列模具上的微孔内，冷却，脱模，得到L-丙交酯材料微针阵列贴片。得到的L-丙交酯材料微针阵列贴片上的单根微针的高度为1000μm，针形为四棱锥，单根微针的针尖直径为10μm，锥角为120度，阵列为11×11，阵列面积为1cm2。
Claims (8)
1.一种聚合物材料微针阵列贴片的制作方法，其特征是，所述的制作方法包括以下步骤：
(1)在基材上加工出微针阵列模具；或在基材上制作出微针阵列的母模结构；在得到的微针阵列的母模结构上浇注第一类聚合物材料，固化成型，然后脱模，得到与所述的微针阵列的母模结构相反结构的由第一类聚合物材料固化成型得到的微针阵列模具；
(2).将第二类聚合物材料加入到步骤(1)得到的微针阵列模具的上表面，然后把微针阵列模具放入热源处并在高于所述的第二类聚合物材料的软化温度1-10℃下进行加热使第二类聚合物材料软化，断绝热源，在室温用机械压力把软化的第二类聚合物材料压入所述的微针阵列模具上的微孔内，冷却，脱模，得到聚合物材料微针阵列贴片；
所述的第一类聚合物材料与所述的第二类聚合物材料为不同的聚合物材料，且所述的第一类聚合物材料的软化温度高于第二类聚合物材料的软化温度至少10℃。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征是：步骤(2)所述的加热的时间不超过10分钟。
3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征是：所述的微针阵列模具中形成单根微针的微孔的深度在50～1000微米之间。
4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征是：所述的微针阵列模具中形成单根微针的微孔的深度为100～1000微米。
5.根据权利要求1、3或4所述的制作方法，其特征是：所述的微针阵列模具中形成单根微针的微孔的尖度直径在100纳米～10微米之间；形成单根微针的微孔尖度的锥角是20～120度。
6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征是：所述的基材选自单晶硅、铝、不锈钢和有机玻璃中的一种。
7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征是：所述的第一类聚合物材料是硅橡胶。
8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征是：所述的第二类聚合物材料选自L-丙交酯、乙交酯、聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚乳酸羟基乙酸以及聚羟基脂肪酸酯中的一种。
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