一种直接利用刮胡刀片制备三维金属微针阵列的方法技术

一种直接利用刮胡刀片制备三维金属微针阵列的方法，首先，采用双面刮胡刀片作为微针制备坯料，加工夹持工装，将刀片交替堆放于夹持工装凹槽内。其次，根据微针阵列的形状和尺寸对刀片进行切割，得到半片型或整片型微针片，取出加工好的微针片待用。再次，针对半片型和整片型微针阵列的封装设计并加工三维微针阵列封装夹具，将微针片和垫片间隔放入封装结构，通过螺栓紧固得到三维微针阵列。本发明专利技术充分利用常规刮胡刀片的结构特性，制造工序少、成本低、效率高，针尖尖锐，适合大批量制造；所设计的加工工装使刀片在刀刃部分交替堆放，尽量减小各片之间的间隙，提高加工精度；配套封装结构使用简单，携带方便，可拆卸清洗消毒，能重复使用。

【技术实现步骤摘要】
一种直接利用刮胡刀片制备三维金属微针阵列的方法
本专利技术属于医疗器械
与机械加工领域，涉及一种三维金属微针阵列及其制备方法。
技术介绍
口服给药、注射给药和经皮给药是目前最为常用的三种给药方式，这三种输药方式各有优劣。如口服给药存储、携带和使用都极为方便，但因药物需经过胃肠道及肝脏等组织器官，肠道灭活及肝脏“首过效应”会使部分药物被代谢掉，吸收效率大为降低，而有些药物则会对肠胃产生不良刺激等副作用，从而限制了口服给药的应用范围，尤其不适合用于蛋白质、胰岛素以及DNA等类型的药物输送。注射给药的主要优点是药物吸收快，血药浓度迅速升高，适用于因各种原因不宜口服给药的病人，但注射给药会造成一定程度的组织损伤，可引起疼痛及潜在并发症的发生。此外，血药浓度的快速上升和之后的快速下降不利于药物长时间连续稳定释放此外，而且因药物吸收快，某些药物的不良反应出现迅速，处理相对困难。经皮给药是指将药物直接贴敷在皮肤表面并通过皮下毛细血管吸收后进入人体血液循环并达到有效血药浓度、实现疾病治疗或防御的一种输药方法。相比口服给药与注射给药，经皮给药具有以下优点：(1)避免了肝脏与胃肠道对药物的破坏作用，提高了药物的生物利用度；(2)对药物具有缓释作用，可实现长效可控给药；(3)血药水平稳定，提高了药物的疗效；(4)避免了对胃肠道的刺激作用，降低了药物的毒副作用；(5)可实现无痛、无创或微创给药；(6)使用简单方便，无需专业人员操作。因为具有这些优点，经皮给药技术受到国内外研究人员的广泛关注。然而，因为皮肤最外层有厚度约为10～20微米的角质层，在保护人体面授外界侵袭的同时也成为药物经皮传输的重要障碍，导致经皮给药输药剂量较小、输药效率相对较低以及输药品种有限等。为了提升经皮输药效率并扩充输药种类，人们已尝试不同方法，如使用各种促透剂的化学法，采用离子导入、超声导入、电致孔法以及微粉超音速喷射等物理方法。近年来，随着现代微纳米加工技术的飞速发展，一种被称之为微针的新型经皮给药促进方法正受到人们越来越多的关注。微针(Microneedle,MN)一般是指长度在几十微米到几毫米，尖端直径在几十微米以下的微型针头。利用微针刺破皮肤表层，形成微米级的药物输送微通道(比一般药物分子尺寸大一个数量级)，可以显著提高经皮给药的输药效率并极大扩充可经皮给药的种类。由于微针尺寸非常微小，可以只刺破不含神经的皮肤角质层而基本不触及富含神经和血管的皮肤深层组织，刺入过程产生的疼痛感和创伤都远远小于传统注射给药，从而可实现无痛、无创或微创给药。若再结合其它微流体控制系统，微针还可以实现长效可控给药。经过特殊设计后结合相应的微流体控制和分析系统，微针还可以用于人体无痛微量生化采用分析。因此，微针相关研究已成为医疗领域的热门研究方向之一。目前国内外的微针主要有硅微针、玻璃微针、陶瓷微针、金属微针、水凝胶微针、聚合物微针以及糖等(如麦芽糖、乳糖等)。在这些微针当中，硅因为相应的光刻、干法刻蚀、湿法刻蚀等加工技术已较为成熟，而且材料硬度较高，易于刺入皮肤，所以常被用作微针材料。然而，硅微针加工时对环境洁净程度要求高，加工效率较低，相应的费用也较高，所以还无法满足批量生产的要求。此外，硅作为一种典型的脆性材料，若设计不合理、加工有缺陷或使用过程中受到较大应力时都容易发生断裂破坏，而且由于硅的生物相容性不好，断裂后残留在皮肤内的碎片可能引起不良反应，严重时这些微小碎片还有可能进入血管和心脏，引起一些更恶劣的后果，像玻璃、陶瓷等脆性材料也存在类似问题。聚合物通常具有更好的生物相容性和韧性，用于制造微针一方面可以减少机体的排异反应，另一方面能够确保微针刺入皮肤不发生断裂破坏，但由于聚合物材料的硬度和刚度通常较低，刺入皮肤或人体组织的过程中针尖容易发生屈曲破坏，导致无法刺破皮肤，所以应用也受到一定限制。金属微针相比较而言，韧性好、强度高，而且像不锈钢、钛合金等金属的生物安全性已经过长期验证，所以被认为是微针的首选材料之一。目前金属微针的加工手段颇为丰富，有化学刻蚀、紫外光刻、微铣削、激光切割、电镀等，但这些加工方法都存在加工精度低、加工效率低而成本高等缺点，难以满足批量生产要求。本团队曾提出一种基于线切割的平面金属微针阵列的设计和制备方法，具有效率高、制备简单、成本低、精度可控等优点，适合批量生产，但微针是由金属薄片切割而来，沿厚度方向的尺寸不变，针尖只能依靠宽度方向的变化变得尖锐，影响了微针针尖的总体尖锐程度，导致微针刺入皮肤时所需的力偏大，不利于充分发挥微针无痛、微创等方面的优势。此外，由于作为原料的金属薄片往往都是大尺寸的，使用前需要加工成小尺寸薄片，增加了工序和成本。
技术实现思路
针对现有微针制造技术中存在的问题，本专利技术提供一种直接利用刮胡刀片制备三维金属微针阵列的新方法，即微针原料直接采用不锈钢刮胡刀片，直接利用其刀刃部分的局部厚度变化，再通过专门的加工工艺制成沿宽度方向变化的针尖，从而使所加工出的微针沿厚度和宽度方向都逐渐变得尖锐，大幅提高金属微针针尖的尖锐程度，降低刺入力，减小疼痛和创伤。此外，由于常规刮胡刀片已形成产业规模，价格低廉、做工优良，可以有效降低本专利技术技术的成本而提高产品性能。然而，由于刀片刀刃部分沿厚度方向是变化的，多片刀片若只进行简单堆叠，其刀刃部分相互之间必然出现较大空隙，切割加工时会影响精度，本发提了出专门的解决方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种直接利用双面刮胡刀片制备三维金属微针阵列的制备方法，首先，采用双面刮胡刀片作为微针制备坯料，加工夹持工装，将刀片交替堆放于夹持工装凹槽内。其次，根据微针阵列的形状和尺寸对刀片进行切割，得到半片型或整片型微针片，取出加工好的微针片待用。再次，针对半片型和整片型微针阵列的封装设计并加工三维微针阵列封装夹具，将微针片和垫片间隔放入封装结构，通过螺栓紧固得到三维微针阵列。具体包括以下步骤：第一步，采用双面刮胡刀片1作为微针阵列加工的微针坯料。第二步，设计并加工专用的刀片夹持工装，工装由上盖板2和下盖板3组成，采用强度和硬度都较高的金属材料，每块金属盖板的总厚度3～10毫米，盖板在中间沿长度方向设置与刀片1长度一致的凹槽，凹槽的深度1～5毫米，一方面可以利用凹槽对刀片1进行长度方向的限位，另一方面厚度方向便于放置足够数量的刀片，从而提高加工效率。所述上、下盖板上加工出用于刀片后续打孔用的通孔2-1和3-1；在下盖板3上加工用于刀片定位用的专用结构3-2，该结构的尺寸应与刀片1上原有的镂空结构匹配，同时在上盖板2上加工出与2-2匹配的定位槽；在工装上、下盖板上加工出用于后续对刀片刀刃进行切割的缝隙2-3和3-3，缝隙尺寸应与刀片刀刃的尺寸匹配；在工装上、下盖板上加工出用于后续对刀片进行对半分割用的缝隙2-4和3-4，缝隙尺寸和位置刀片原有中间两侧未镂空部分的尺寸和位置匹配；在工装上、下盖板上加工出用于后续螺栓紧固用的通孔2-5和3-5，孔的尺寸和位置应与刀片原有中间镂空部分的尺寸和位置匹配；上述各结构的设计应与刀片尺寸和结构匹配，最关键的是沿宽度方向左右两侧能同时放置两组本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种直接利用双面刮胡刀片制备三维金属微针阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n第一步，采用双面刮胡刀片(1)作为微针阵列加工的微针坯料；/n第二步，设计并加工专用的刀片夹持工装/n工装由上盖板(2)和下盖板(3)组成，每块盖板的总厚度3～10毫米，盖板在中间沿长度方向设置与刀片(1)长度一致的凹槽，凹槽的深度1～5毫米；所述上、下盖板上分别设有以下结构：用于刀片后续打孔用的预留通孔(2-1)和(3-1)；用于对刀片刀刃(1-1)进行切割的缝隙(2-3)和(3-3)，缝隙尺寸与刀片刀刃(1-1)匹配；用于对刀片进行对半分割用的缝隙(2-4)和(3-4)，缝隙与刀片中间两侧未镂空部分的尺寸和位置匹配；通孔(2-5)和(3-5)，孔与刀片中间镂空结构(1-2)的尺寸和位置匹配；所述下盖板(3)上还加工用于刀片定位用的凸起结构(3-2)，其尺寸与刀片原有镂空结构(1-2)匹配，同时在上盖板(2)上加工定位槽(2-2)；沿刀片夹持工装宽度方向左右两侧能同时放置两组刀片，而且使两侧刀片刀刃部分在缝隙(2-3)、(3-3)处相互交叠，使刀刃之间相互压实；在盖板外侧，保证刀刃不露出；/n第三步，将未加工的刀片(1)放置在工装上、下盖板(2)、(3)内部，放置时左右交替摆放，使刀刃部分重叠于(2-3)和(3-3)缝隙处，通过连接螺栓(4)对整个工装进行紧固封装；/n第四步，设计刀片微针阵列的几何形状和尺寸，包括半片型和整片型两种；所述的微针阵列由刀片基体(5)、微针针体(5-1)构成和用于封装用的通孔(5-2)构成，刀片基片(5)与针体(5-1)处于同一平面；每个微针针体(5-1)根部的宽度为50～500微米，高度为100～800微米，厚度为刀片自身厚度；相邻两个微针针体(5-1)之间的间距取0.25～10毫米，刀片单侧的微针针体个数为3～100根；/n第五步，根据微针阵列类型和后续封装要求，确定刀片上用于后续封装用的通孔位置和数量：半片型微针采用三孔，整片型微针采用两孔；/n第六步，将第三步封装好的刮胡刀片(1)采用第四步的方案进行切割，切割时先加工针体针尖部分，并保证其精度，然后再对针体根部进行加工；在微针针体(5-1)切割过程完成后，按照第五步方案进行加工定位孔：当加工半片型微针时，还需在上、下盖板缝隙(2-4)、(3-4)的对应位置处对刀片基体(5)进行整体对半切割，最终得到加工好的半片型微针片；/n第七步，将第六步加工好的刀片基体(5)从加工工装中卸下，进行清洗、烘干备用；/n第八步，设计并加工微针阵列的封装夹具，夹具分为半片型和整片型两种；/n所述的半片型微针阵列封装夹具包括两块盖板：上盖板主体(6)和下盖板主体(7)；上盖板主体(6)上分别设置定位孔(6-1)、螺栓孔(6-2)、用于后续保护盖装卡用的卡凸(6-3)、用于定位用的块状凸起结构(6-4)；在下盖板主(7)上设置与定位孔(6-1)配对使用的定位柱(7-1)，与螺栓孔(6-2)配对使用的螺栓(7-2)、与(6-3)配对使用且用于后续保护盖装卡用的卡凸(7-3)，与块状凸起结构(6-4)配对使用的定位卡槽(7-4)；/n所述的整片型微针阵列封装夹具也由两块盖板组成：分别为上盖板主体(10)和下盖板主体(11)；上盖板主体(10)上分别设置用于后续保护盖装卡用的卡凸(10-1)、用于定位用的块状凸起结构(10-2)、螺栓孔(10-3)和定位孔(10-4)；在下盖板主体(11)上设置与(10-1)配对使用且用于后续保护盖装卡用的卡凸(11-1)、与凸起结构(10-2)配对使用的定位卡槽(11-2)、与螺栓孔(10-3)配对使用的螺栓(11-3)、与定位孔(10-4)配对使用的定位柱(11-4)；/n第九步，根据微针类型设计并加工半片型垫片(8)或整片型垫片(12)，垫片厚度0.5～5毫米，垫片上设计并加工的定位孔和定位槽；/n第十步，将第七步处理好的微针片放置到第八步加工好的封装结构当中，同时各微针片之间加入垫片，用来调整各微针片之间的间距，微针片的数量1～100片，最后进行预紧封装。/n...

【技术特征摘要】
1.一种直接利用双面刮胡刀片制备三维金属微针阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，采用双面刮胡刀片(1)作为微针阵列加工的微针坯料；
第二步，设计并加工专用的刀片夹持工装
工装由上盖板(2)和下盖板(3)组成，每块盖板的总厚度3～10毫米，盖板在中间沿长度方向设置与刀片(1)长度一致的凹槽，凹槽的深度1～5毫米；所述上、下盖板上分别设有以下结构：用于刀片后续打孔用的预留通孔(2-1)和(3-1)；用于对刀片刀刃(1-1)进行切割的缝隙(2-3)和(3-3)，缝隙尺寸与刀片刀刃(1-1)匹配；用于对刀片进行对半分割用的缝隙(2-4)和(3-4)，缝隙与刀片中间两侧未镂空部分的尺寸和位置匹配；通孔(2-5)和(3-5)，孔与刀片中间镂空结构(1-2)的尺寸和位置匹配；所述下盖板(3)上还加工用于刀片定位用的凸起结构(3-2)，其尺寸与刀片原有镂空结构(1-2)匹配，同时在上盖板(2)上加工定位槽(2-2)；沿刀片夹持工装宽度方向左右两侧能同时放置两组刀片，而且使两侧刀片刀刃部分在缝隙(2-3)、(3-3)处相互交叠，使刀刃之间相互压实；在盖板外侧，保证刀刃不露出；
第三步，将未加工的刀片(1)放置在工装上、下盖板(2)、(3)内部，放置时左右交替摆放，使刀刃部分重叠于(2-3)和(3-3)缝隙处，通过连接螺栓(4)对整个工装进行紧固封装；
第四步，设计刀片微针阵列的几何形状和尺寸，包括半片型和整片型两种；所述的微针阵列由刀片基体(5)、微针针体(5-1)构成和用于封装用的通孔(5-2)构成，刀片基片(5)与针体(5-1)处于同一平面；每个微针针体(5-1)根部的宽度为50～500微米，高度为100～800微米，厚度为刀片自身厚度；相邻两个微针针体(5-1)之间的间距取0.25～10毫米，刀片单侧的微针针体个数为3～100根；
第五步，根据微针阵列类型和后续封装要求，确定刀片上用于后续封装用的通孔位置和数量：半片型微针采用三孔，整片型微针采用两孔；
第六步，将第三步封装好的刮胡刀片(1)采用第四步的方案进行切割，切割时先加工针体针尖部分，并保证其精度，然后再对针体根部进行加工；在微针针体(5-1)切割过程完成后，按照第五步方案进行加工定位孔：当加工半片型微针时，还需在上、下盖板缝隙(2-4)、(3-4)的对应位置处对刀片基体(5)进行整体对半切割，最终得到加工好的半片型微针片；
第七步，将第六步加工好的刀片基体(5)从加...

【专利技术属性】
技术研发人员：马国军，吴成伟，马建立，张伟，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21