基于MEMS技術(shù)的微量采樣-注射金屬微針研究.pdf

1、微針自20世紀(jì)70年代面世以來，因其能實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)、無痛或微痛經(jīng)皮給藥，一直備受矚目。然而，微針研究得到極大豐富的今天，微針在實(shí)際應(yīng)用中的推廣并沒有太多的突破，大部分微針研究仍停留在學(xué)術(shù)層面。以促進(jìn)微針應(yīng)用于實(shí)際為目的，對新型微針及其制備工藝的探索，是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界不懈的追求。
　　微針一般指長度在數(shù)百微米到幾毫米，針桿直徑從數(shù)微米至數(shù)百微米的微型針頭。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為空心與實(shí)心微針，空心微針的針尖末端有空腔與之相連，而實(shí)心微針沒有空

2、腔；按制作材料劃分，微針可分為：硅、聚合物、金屬和玻璃微針等；若以制備工藝來分類，則可分為異平面與同平面微針，異平面微針的軸或空腔垂直于基底的表面，長度受微加工工藝限制，一般較短，而同平面微針則為平行于襯底制作，擁有更豐富、復(fù)雜的造型能力和更大的尺寸調(diào)節(jié)范圍，能夠更好地滿足高性能采樣微針的要求。
　　微創(chuàng)、無痛或者微痛采血與注射是當(dāng)前針尖開發(fā)的重要目標(biāo)之一，要達(dá)到這樣的效果，介入人體組織的針管微細(xì)化是關(guān)鍵，與此同時，還必須達(dá)到足夠

3、的長度以有效刺入真皮組織，擁有足夠的強(qiáng)度以克服皮膚黏彈性，微針針管最好還能夠與微型的針座一體化集成以方便組裝應(yīng)用。面對如此多樣化的極端要求，傳統(tǒng)針管制造工藝已經(jīng)難以勝任，進(jìn)一步微細(xì)化設(shè)計(jì)制造必須另辟蹊徑，高度集成的非硅微納制造技術(shù)提供了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的優(yōu)勢技術(shù)途徑。
　　高度集成非硅微納制造技術(shù)基于薄膜微結(jié)構(gòu)逐層疊加集成的原理構(gòu)建復(fù)雜微結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，典型尺度與超細(xì)微針的要求匹配，功能微結(jié)構(gòu)造型能力突出，擅長同平面微結(jié)構(gòu)制造，兼容多種材料

4、的一體化集成，基于非硅微納集成制造技術(shù)開發(fā)超細(xì)采樣/注射微針設(shè)計(jì)制造技術(shù)，深具合理性與可行性。
　　基于以上背景，本文提出了基于MEMS技術(shù)的超細(xì)金屬微針設(shè)計(jì)制造方法，并示范性研究了其在微創(chuàng)采血和注射中的應(yīng)用技術(shù)。本文的主要研究工作及取得的進(jìn)展如下：
　　（1）在全面分析微針設(shè)計(jì)、制備及應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，基于非硅三維微加工技術(shù)能力，面向微創(chuàng)采血和微創(chuàng)注射等高品質(zhì)應(yīng)用需求，提出了由針桿和底座通過圓弧結(jié)構(gòu)連接的同平面空心金屬微針

5、，并采用理論分析和數(shù)值仿真方法，對所提出的超細(xì)空心微針進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得出了弧線與微針針桿末端相切弧形結(jié)構(gòu)，為最優(yōu)連接結(jié)構(gòu)的結(jié)論。同時，結(jié)合工藝自身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適用于大劑量注射的同平面微針陣列。
　?。?）針對超細(xì)空心金屬微針批量、可重復(fù)、低成本制備的難題，提出并開發(fā)建立了基于三維非硅微加工技術(shù)的集成制造成套技術(shù)，即在傳統(tǒng)三維微加工工藝體系內(nèi)，引入厚膜光刻膠微結(jié)構(gòu)熱熔再成型技術(shù)，以形成截面為半圓弧型的光刻膠微細(xì)線條，作為犧牲性微結(jié)

6、構(gòu)用作制備超細(xì)空心金屬微針的芯模，再借助曲表面上的掩膜電鍍工藝，形成微針的金屬管壁和一體化底座，最后溶解犧牲性光刻膠芯模，釋放超細(xì)微針。通過對全流程工藝的系統(tǒng)研究，提升單項(xiàng)工藝加工能力，優(yōu)化工藝整合效果，形成了穩(wěn)定可重復(fù)的集成制造成套工藝，并完成了帶底座的超細(xì)微針樣品制作。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計(jì)制作了同平面微針陣列，初步顯示了創(chuàng)新工藝技術(shù)豐富的超細(xì)針管成型能力和廣泛適用性。
　?。?）基于帶底座的超細(xì)中空微針?biāo)鶕碛械奈?chuàng)介入特性，

7、提出了一種由單根微針與聚合物微腔復(fù)合而構(gòu)成的微創(chuàng)采血器和微創(chuàng)注射器。使用Ansys仿真軟件，對采樣所帶執(zhí)行器空腔受力變形情況進(jìn)行分析，優(yōu)化空腔形狀，減少微腔死體積，提升注射/采樣精度和液體利用率，得出空腔為梭型執(zhí)行器空腔利用率更高的結(jié)論。結(jié)合MEMS微針底座銜接的優(yōu)勢，利用聚合物模型澆注方法，完成了微創(chuàng)采血/注射器的加工制作，初步形成了具有批量低成本制造潛力的技術(shù)路線。
　?。?）采用多種方法，對超細(xì)MEMS微針及其示范應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)

8、行了有針對性的測試。使用結(jié)合力測試儀測試了微針軸向力、側(cè)向彎力承受能力，評估超細(xì)微針的力學(xué)性能。調(diào)整測試方法，測試微針刺入不同皮膚所需刺入力，結(jié)合微針軸向力和側(cè)向彎力數(shù)據(jù)，評測制備微針使用安全性。通過制備旋轉(zhuǎn)支架，實(shí)現(xiàn)微針不同角度刺入皮膚，分析微針刺入角度與刺入力之間關(guān)系，得到60°刺入角為較優(yōu)刺入角的結(jié)論，為實(shí)際應(yīng)用中微針介入方式選擇提供參考。參考傳統(tǒng)注射針頭流速測定方法，對實(shí)驗(yàn)制備微針進(jìn)行流速測試，獲得微針流速數(shù)值。參考微針應(yīng)用研究