一种局部多孔硅微针阵列及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种局部多孔硅微针阵列及其制备方法，所述制备方法包括：S1、在硅片表面制备双层薄膜；S2、转移掩模版的图案，在硅片上制备电化学刻蚀的掩膜；S3、电化学刻蚀，在硅片上制备局部多孔硅；S4、在硅片上制备干法刻蚀的图案化铝掩膜；S5、在硅片上制备局部多孔硅微针阵列。本发明专利技术相较于普通的固体微针，在微针针尖上制备了局部的多孔硅层，此结构能够利用较大的表面积增大微针的载药量，通过调节多孔硅的性质增强微针对药物释放的控制能力，提供了两种载药方式，且利用高深宽比的宏孔阵列能够提取组织液；相较于全多孔硅微针，此结构显著增强了微针的机械性能和穿刺能力。著增强了微针的机械性能和穿刺能力。著增强了微针的机械性能和穿刺能力。

【技术实现步骤摘要】
一种局部多孔硅微针阵列及其制备方法


[0001]本专利技术属于硅微针
，具体涉及一种局部多孔硅微针阵列及其制备方法。

技术介绍

[0002]经皮给药是一种高效且具有巨大潜力的递药方式，其原理是药物通过扩散或者渗透的方式穿过皮肤的表皮层到达真皮层，随后被毛细血管吸收进入体循环，从而达到递药的目的。相对于传统的口服给药，经皮给药能够避免一些药物在体内由于pH值变化而引起的降解，穿过肠壁进入血液时的低渗透性以及肝脏的首过效应等问题，且这种给药方式更容易被患者接纳，因此更适合于长期的治疗。在2019年，仅经皮药贴的市场价值就达到了62.3亿美元。然而，目前最大的障碍在于只有20种左右的活性药物成分适合于经皮的药物递送，由于药物分子必须同时满足低分子量<600Dalton，低熔点<250℃，合适的亲油性log P value 1
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3等特性才能够有效地穿透皮肤最外层的屏障——角质层。因此，寻找新的方法来增强药物的渗透性对于提高经皮给药的可靠性和可递送药物种类的多样性有着重要的意义。微针一般是指通过微细加工工艺制作的，尺寸在微米级别的针状结构的阵列，用于经皮给药的微针高度通常在50μm～300μm之间。微针能够利用外界的驱动力主动地刺破角质层，而不触及真皮层的神经末梢，在皮肤表面创造微通道，将药物分子高效、无痛、可控地递送进目标的皮肤层内，或者通过深层组织迅速扩散并且被真皮层的毛细血管吸收进入体循环，以此来达到经皮给药的目的。相对于传统的皮下注射给药，由于微针微米级别的尺寸以及较短的长度，利用微针经皮给药，能够极大地减少病人的恐惧和疼痛，降低伤口感染的风险和皮肤的损伤，提高患者的舒适度和依从性，且易于操作，能够进行自我给药。而相对于其它一些只适合于递送小分子药物的经皮给药方式，例如离子电渗疗法，电穿孔，激光或化学增强剂等，利用微针经皮给药能够递送大量大分子药物，如胰岛素、生长激素、免疫生物疫苗、蛋白质和多肽，并且有助于提高药物疗效。因此，综上所述，微针在经皮给药领域具有很好的应用前景。
[0003]微针按照药物释放方式的不同可分为固体微针、涂层微针、中空微针、可溶解性微针、溶胀微针和多孔微针。其中涂层微针的给药方式是首先将药物涂覆在固体微针表面，当微针插入皮肤后，涂覆的固体药物配方将溶解在组织液中并且扩散进皮肤内。涂层微针的优点在于能够增强药物的渗透性，而缺点在于递送的药物剂量有限。多孔微针阵列由多孔微针针体与多孔基底组成，多孔基底可以作为储药池。多孔微针既可以装载固态药物配方，也可以装载液态药物配方。当多孔微针插入皮肤后，液态药物配方能从多孔基质中扩散进入皮肤，同时多孔基底的药物扩散进入多孔微针，持续释放药物，而固态药物配方能够与被多孔微针通过毛细管力吸取的组织液发生水合作用，溶解并扩散进入皮肤。由此可以看出，多孔微针相对于涂层微针具有更高的载药量，且具有更加灵活多变的两种载药方式，此外，多孔微针还可以通过调节孔径和孔隙率的范围来控制药物释放的速率和负载。然而，由于多孔微针多孔的结构，其具有较低的机械性能和较差的穿刺能力，可能会在刺入皮肤的过程因发生断裂而失效。
[0004]由于多孔硅材料具有可调的生物活性与生物降解性，使其在生物医学领域拥有广泛的应用。多孔硅可以作为药物的载体应用于许多递药体系，例如口服给药，皮下给药，静脉注射和眼部给药等。利用多孔硅进行给药不仅可以提高药物的生物活性和生活利用度，而且还能够有效地调节药物释放的速率。多孔硅的表面化学性质能够被轻易地修饰来产生不同功能化的表面，以此来改变表面的亲水性，从而达到控制释放速率的目的。此外，通过电化学腐蚀方式制备出的多孔硅材料可以通过改变电化学参数方便地调节其孔径与孔隙率，进而控制药物的负载与释放速率。总之，提高药物的生物利用度和实现可控的释放对于如今的制药行业有着重要的价值与意义。然而，关于制备多孔硅微针或者局部多孔硅微针并用于经皮给药的研究却十分罕见，存在开发与研究的空间。

技术实现思路

[0005]针对上述技术问题，本专利技术拟提供一种局部多孔硅微针阵列及其制备方法，
[0006]为了克服现有的涂层微针和多孔硅微针在经皮给药性能方面的不足，本专利技术提出了一种将电化学刻蚀技术与MEMS技术结合的用于经皮给药的局部多孔硅微针阵列及其制备方法，所述微针阵列中只有针尖的局部存在一定深度的多孔硅层，仅仅在微针针尖的局部制备一定深度的多孔硅层，相对于全多孔硅微针，此结构能够显著加强微针的机械强度和穿刺能力，保证微针在刺入的过程中不会发生断裂。而相对于普通的涂层微针，此局部多孔硅微针不仅可以利用较大的表面积装载更多的药物，而且还可以通过调节多孔硅的性质来控制药物的释放。本专利技术结合了普通涂层微针与多孔硅微针的特性，具有多功能，载药方式灵活，载药量大，药物释放可调节等优点。
[0007]本专利技术提供的局部多孔硅微针阵列微针所有横截面的外轮廓均为圆形。微针底部的直径优选设计为100～150μm，可以提供足够的机械强度来穿刺皮肤。微针针柱呈现出近乎垂直的侧壁和平滑锥形轮廓，能够缓解微针的不完全插入。微针针尖的直径优选为10～30μm，较小的针尖尺寸保证了较小的刺入力，极大地减少了给药时的疼痛。受限于微针的尖锐程度，针尖顶端多孔硅层的宽度设计优选为5～20μm，且由于微针主要依靠针尖部分进行有效的给药，多孔硅层的深度设计优选为10～50μm。微针的高度设计优选为150～250μm，此高度能够保证微针刺破角质层，并触及充满组织液的深层表皮。微针的间距设计优选为250～350μm，较小的微针密度可以缓解床钉效应并且能够保证在穿刺皮肤过程中剪应力分布均匀。
[0008]本专利技术拟首先在硅片上制备局部多孔硅，然后再用干法刻蚀制备微针针柱和针尖。制备多孔硅层采用了电化学腐蚀法，其原理是将硅片浸泡在含有HF溶液的电化学腐蚀槽中作为阳极，在外加电场的情况下，在单晶硅表面将发生氧化还原反应，部分硅原子将脱离硅衬底溶解到腐蚀液中，以此来刻蚀硅片。
[0009]在电化学刻蚀产生局部多孔硅之前，首先需要在硅片表面制备电化学刻蚀的掩膜，而在电化学刻蚀结束后需要将掩膜移除且不能破坏下面的多孔硅层。尽管Si3N4通常可以作为电化学刻蚀的掩膜由于其在高浓度的HF溶液中有较高的化学抗性且能承受较长时间的阳极氧化，但是其在沉积后就很难被移除由于干法刻蚀过程对于多孔硅层没有选择性。因此，我们选择了由等离子体聚合形成的含氟聚合物薄膜作为电化学刻蚀的掩膜，其不仅对含HF的电解液拥有高的化学抗性，而且能够在不破坏，不氧化多孔硅层的情况下用氧
等离子体轻松地移除。值得注意的是，在形成图案化含氟聚合物掩膜时，氧等离子体同时会刻蚀正性光刻胶，所以在沉积含氟聚合物薄膜之后，需要再沉积一层SiO2薄膜作为硬掩膜。
[0010]本专利技术的技术方案是：一种局部多孔硅微针阵列的制备方法，包括以下步骤：
[0011]步骤S1、在硅片表面制备含氟聚合物薄膜和SiO2薄膜双层薄膜；
[0012]步骤S2、在步骤S1制备有双层薄膜的硅片表面转移掩模版的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种局部多孔硅微针阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、在硅片(3)表面制备含氟聚合物薄膜(2)和SiO2薄膜(1)双层薄膜；步骤S2、在步骤S1制备有双层薄膜的硅片(3)表面转移掩模版的图案，在硅片(3)上制备电化学刻蚀的含氟聚合物掩膜层(6)；步骤S3、通过电化学刻蚀，在具有含氟聚合物掩膜层(6)的硅片(3)上制备局部多孔硅；步骤S4、在硅片(3)上制备干法刻蚀的图案化铝掩膜层(10)；步骤S5、在带有所述铝掩膜层(10)的硅片(3)上制备局部多孔硅微针阵列。2.根据权利要求1所述局部多孔硅微针阵列的制备方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：将所述硅片(3)置于第一混合液中，在硅片(3)上形成氢终止硅H
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Si表面，第一混合液包括40％～50％的HF溶液与去离子水；将制备有氢终止硅H
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Si表面的硅片(3)置于反应离子刻蚀系统中，通过等离子体聚合在硅片(3)的表面沉积一层含氟聚合物薄膜(2)；在表面沉积有含氟聚合物薄膜(2)的硅片(3)上通过等离子体增强化学气相沉积制备一层SiO2薄膜(1)。3.根据权利要求1所述局部多孔硅微针阵列的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中掩模版的图案为圆形阵列或由多个小正方形单元形成的阵列。4.根据权利要求3所述局部多孔硅微针阵列的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中掩模版的图案为圆形阵列，具体包括以下步骤：在制备有双层薄膜的硅片(3)表面旋涂光刻胶，并通过标准的光刻工艺，转移第一掩模版的图案到光刻胶上形成正性光刻胶掩膜层(4)，第一掩模版的图案为圆形阵列；将带有图案化正性光刻胶掩膜层(4)的硅片(3)置于缓冲氢氟酸溶液中，充分刻蚀暴露的SiO2薄膜(1)，将正性光刻胶掩膜层(4)的图案转移到SiO2掩膜(1)上形成SiO2掩膜层(5)；将带有图案化SiO2掩膜层(5)的硅片(3)置于氧等离子体中，充分移除暴露的含氟聚合物薄膜(2)，同时正性光刻胶掩膜层(4)也被氧等离子体移除，将SiO2掩膜层(5)的图案转移到含氟聚合物薄膜(2)上形成含氟聚合物掩膜层(6)。5.根据权利要求4所述的局部多孔硅微针阵列的制备方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：将带有第一掩模版图案的含氟聚合物掩膜层(6)的硅片(3)置于电化学腐蚀槽内，带有掩膜的一面暴露于腐蚀液中，进行电化学刻蚀，腐蚀液包括30％的HF溶液与25％的乙酸溶液，在硅片(3)上形成局部介孔硅(7)；将硅片(3)置于氧等离子体中，移除剩余的含氟聚合物掩膜层(6)。6.根据权利要求3所述的局部多孔硅微针...

【专利技术属性】
技术研发人员：张立强，朱晨曦，葛道晗，周卓然，曾洲，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：