基于MEMS技術的微量采樣-注射金屬微針研究.pdf

1、微針自20世紀70年代面世以來，因其能實現(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，微針在實際應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術層面。以促進微針應用于實際為目的，對新型微針及其制備工藝的探索，是學術界和產(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。從內部結構可分為空心與實心微針，空心微針的針尖末端有空腔與之相連，而實心微針沒有空

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、復雜的造型能力和更大的尺寸調節(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前針尖開發(fā)的重要目標之一，要達到這樣的效果，介入人體組織的針管微細化是關鍵，與此同時，還必須達到足夠

3、的長度以有效刺入真皮組織，擁有足夠的強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，進一步微細化設計制造必須另辟蹊徑，高度集成的非硅微納制造技術提供了實現(xiàn)這一目標的優(yōu)勢技術途徑。
　　高度集成非硅微納制造技術基于薄膜微結構逐層疊加集成的原理構建復雜微結構系統(tǒng)，典型尺度與超細微針的要求匹配，功能微結構造型能力突出，擅長同平面微結構制造，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開發(fā)超細采樣/注射微針設計制造技術，深具合理性與可行性。
　　基于以上背景，本文提出了基于MEMS技術的超細金屬微針設計制造方法，并示范性研究了其在微創(chuàng)采血和注射中的應用技術。本文的主要研究工作及取得的進展如下：
　?。?）在全面分析微針設計、制備及應用現(xiàn)狀的基礎上，基于非硅三維微加工技術能力，面向微創(chuàng)采血和微創(chuàng)注射等高品質應用需求，提出了由針桿和底座通過圓弧結構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，對所提出的超細空心微針進行了結構優(yōu)化，得出了弧線與微針針桿末端相切弧形結構，為最優(yōu)連接結構的結論。同時，結合工藝自身特點，設計了適用于大劑量注射的同平面微針陣列。
　?。?）針對超細空心金屬微針批量、可重復、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的集成制造成套技術，即在傳統(tǒng)三維微加工工藝體系內，引入厚膜光刻膠微結構熱熔再成型技術，以形成截面為半圓弧型的光刻膠微細線條，作為犧牲性微結

6、構用作制備超細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，釋放超細微針。通過對全流程工藝的系統(tǒng)研究，提升單項工藝加工能力，優(yōu)化工藝整合效果，形成了穩(wěn)定可重復的集成制造成套工藝，并完成了帶底座的超細微針樣品制作。在此基礎上，進一步設計制作了同平面微針陣列，初步顯示了創(chuàng)新工藝技術豐富的超細針管成型能力和廣泛適用性。
　?。?）基于帶底座的超細中空微針所擁有的微創(chuàng)介入特性，

7、提出了一種由單根微針與聚合物微腔復合而構成的微創(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論。結合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路線。
　?。?）采用多種方法，對超細MEMS微針及其示范應用系統(tǒng)進

8、行了有針對性的測試。使用結合力測試儀測試了微針軸向力、側向彎力承受能力，評估超細微針的力學性能。調整測試方法，測試微針刺入不同皮膚所需刺入力，結合微針軸向力和側向彎力數(shù)據(jù)，評測制備微針使用安全性。通過制備旋轉支架，實現(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系，得到60°刺入角為較優(yōu)刺入角的結論，為實際應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，對實驗制備微針進行流速測試，獲得微針流速數(shù)值。參考微針應用研究