專利名稱：金屬微針陣列芯片及其制備方法和用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬微針陣列芯片。
本發(fā)明還涉及制備上述微針陣列芯片的方法。
本發(fā)明還涉及上述微針陣列芯片的用途。
背景技術(shù)：
一般來說，藥物可以制成多種制劑，因此可以有不同的給藥途徑和方法。給藥途徑和方法影響藥物代謝，進(jìn)而影響療效。
目前大多數(shù)藥物以片劑和膠囊的形式口服給藥。然而由于藥物在胃腸中的降解和肝臟的首過效應(yīng)，許多口服藥物在達(dá)到作用部位之前已經(jīng)大部分或全部失效，如許多多肽與蛋白質(zhì)藥物口服無效。另外患者的用藥適應(yīng)性也是一個(gè)問題，大部分口服給藥在治療期間需要以一定的間隔服藥，給患者帶來不便。
另外一種常見的給藥方式是能夠使藥物穿透生物屏障(如皮膚、粘膜、血管障壁)的注射給藥，包括皮下注射和靜脈輸入。這種方法雖然有效，但是打針通常給患者帶來額外的疼痛，在注射點(diǎn)容易造成皮膚局部損傷。注射技術(shù)也要求由受過訓(xùn)練的人操作，因此不適合需要長期和控制連續(xù)給藥的患者。
一類新型的給藥技術(shù)是透皮給藥，可以避免上述缺點(diǎn)。透皮給藥是指在皮膚表面給藥，使藥物以接近恒定速度通過皮膚各層，經(jīng)毛細(xì)血管吸收進(jìn)入體循環(huán)產(chǎn)生全身或局部治療作用的劑型。
皮膚由表皮(50～100微米厚)、真皮(大約1～2毫米厚)和皮下組織組成。表皮包括角質(zhì)層(大約10～25微米)和活性表皮，角質(zhì)層是透皮吸收的主要屏障部位。活性表皮含有高濃度的水分，對于藥物透皮吸收的屏障很小。真皮位于表皮下方，內(nèi)有血管、淋巴管、神經(jīng)、感覺末梢器、汗腺等。毛細(xì)血管系統(tǒng)存在于真皮上部，所以藥物滲透到達(dá)真皮就會很快地被吸收。
透皮給藥應(yīng)用于治療皮膚局部或全身疾病，比其他劑型具有更加安全、穩(wěn)定和病人適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn)。其中被動透皮給藥技術(shù)是以單純的濃度梯度為驅(qū)動力使藥物擴(kuò)散透過皮膚進(jìn)入血流產(chǎn)生藥效。擴(kuò)散速率取決于藥物分子的大小和親水性以及穿過角質(zhì)層的濃度梯度。藥物透過皮膚最主要的屏障是皮膚的角質(zhì)層，由于皮膚的角質(zhì)層對大多數(shù)藥物的滲透性很低，通過被動擴(kuò)散能夠有效地穿過皮膚達(dá)到藥效的藥物很少。因此尋找促進(jìn)藥物透皮吸收辦法是開發(fā)透皮給藥系統(tǒng)技術(shù)的關(guān)鍵問題之一。
迄今為止人們廣泛研究了各種促進(jìn)藥物透皮轉(zhuǎn)運(yùn)的物理和化學(xué)方法，包括各種透皮促進(jìn)劑，借助能量輔助給藥即主動透皮給藥的超聲導(dǎo)入法、離子電滲透技術(shù)、電穿孔法和加熱技術(shù)等。這些技術(shù)雖然能夠不同程度地改進(jìn)給藥速率，但不能適用于所有形式的藥物。
另外一類通過機(jī)械地穿透皮膚角質(zhì)層產(chǎn)生通路改善藥物滲透速率的方法被提出。
Harvey Kravitz在US Pat.3136314中公開了一種用高分子材料制作的微小凸起的器件，使其能在皮膚上產(chǎn)生小孔來改進(jìn)疫苗釋放效率的方法。Godshall等在US.Pat.No.5879326&PCT WO 96/37256，公開了一種在單晶硅上制作包含有許多具有直側(cè)壁的微凸起透皮藥物釋放器件。當(dāng)微凸起刺入皮膚直到停止然后被移走時(shí)，在皮膚上留下了小切口。Lee等在U.S.Pat.No.5250023中公開了一種透皮藥物釋放器件，包含許多直徑在50～400微米，長度在200～2000微米的皮膚針(skin needle)，針的材質(zhì)可以是不銹鋼，用于改進(jìn)蛋白質(zhì)或核酸的透皮釋放。Prausnitz等在US Pat.No 6503231公開了一種利用MEMS技術(shù)在單晶硅材料上制作圓錐形多孔微針的方法，該器件用于改進(jìn)藥物的透皮釋放效率。
此外，在US 2002/0082543A1(Jung-Hwan Park and Mark R.Prausnitz)，US 2002/0138049A1(Mark G.Allen et al)，US 2002/0155737A1(Shuvo Roy，Aaron J. Fleischman)，US 6565532B1(VadimVladimirovich Yuzhakov et al)，US 2003/0045837(Michael D.Delmoreet al)，US 6050988(Michael G. Zuck(microblade))，US2004/0007796(Alexander G.Lastovich)等中公開了利用不同的微制造技術(shù)制作不同形狀的單晶硅、高分子和金屬材料的微針、微刀、微突等的方法。
上述器件都具有極大的使用價(jià)值，為了更好地滿足藥物釋放對器件的要求，即產(chǎn)生更小的創(chuàng)傷或切口，以更大的效率傳遞藥物，使用更加安全等，開發(fā)具有生物相容性的微針、低成本高強(qiáng)度的微針及改進(jìn)微針的制造方法是非常有用的。
金屬如鈦金、不銹鋼、鎳等是生物相容性材料，但是由于傳統(tǒng)的加工手段限制了金屬微針的開發(fā)，目前金屬微針的制作多是采用電鑄的方法，最常用的材料是金屬鎳或鎳鐵合金。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種金屬微針陣列芯片。
本發(fā)明的另一目的在于提供上述金屬微針陣列芯片的制備方法。
本發(fā)明提供的金屬微針陣列芯片，其微針尖部直徑為10nm～10μm，針底部直徑為20～300μm，微針的形狀可以是圓錐形或多角錐形；微針高度為50～400μm。
本發(fā)明提供的金屬微針陣列芯片基本形狀構(gòu)成有兩種一種是在金屬基片的平面上一體成型形成多排實(shí)心微針，即在金屬面上(out-of-plane)形成多排陣列；另一種是在金屬基片的側(cè)面一體成型形成實(shí)心微針，即在金屬片側(cè)面(in-plane)形成單排陣列。
本發(fā)明提供的金屬微針陣列還可以作為模具制作高分子材料的微針。
本發(fā)明是以微機(jī)電加工((Microelectromechanical systems，MEMS)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過光刻、濕蝕刻和電解拋光等步驟得到微型實(shí)心金屬針陣列芯片。
本發(fā)明提出的微針陣列芯片的制備方法中，微加工過程被用于制造實(shí)心微針，包括光刻和蝕刻技術(shù)，如濕化學(xué)蝕刻、干刻、光刻膠去除、硅的沉積等，電解拋光技術(shù)用于微針的最終成型制作。
本發(fā)明提供的制備方法包括以下步驟(1)在金屬基片上沉積保護(hù)膜雙面拋光的金屬基片，基片厚度為350～750微米(用于多排金屬微針陣列)或者100-300微米(用于單排金屬微針陣列)，經(jīng)洗液清洗后，用去離子水清洗干凈并脫水干燥。利用化學(xué)氣相淀積法(CVD)法在金屬表面沉積一層二氧化硅或氮化硅500-5000膜。
(2)光刻顯影用旋轉(zhuǎn)涂膜法在金屬基片上一面的二氧化硅膜上涂上一層均勻的1～5微米厚的光刻膠，在60～130℃預(yù)烘1～20分鐘，并將一個(gè)帶有圖案設(shè)計(jì)的掩膜遮住涂有光刻膠的金屬基片上進(jìn)行曝光1～50秒(曝光處為圖案)，然后顯影并在60～150℃烘干1～60分鐘，形成所需圖案。所述的光刻膠是半導(dǎo)體工藝常用光刻膠，如Shipley 1818，北京化學(xué)試劑研究所的BP-213、蘇州瑞紅公司生產(chǎn)的RZJ-390等。
(3)二氧化硅膜/氮化硅膜的去除經(jīng)步驟(2)光刻形成圖案后，用三氟甲烷或四氟甲烷干法蝕刻(反應(yīng)性離子蝕刻，RIE)未受光刻膠保護(hù)處的二氧化硅/氮化硅形成需要的圖案。
(4)金屬蝕刻經(jīng)步驟(3)除去二氧化硅或氮化硅形成所設(shè)計(jì)的圖案后，用濕法腐蝕未受保護(hù)的金屬部分。腐蝕液用酸性氧化劑，如硝酸、雙氧水、過硫酸銨、過硫酸鈉、三氯化鐵的酸性水溶液或它們的任意混合物等，為了改善腐蝕效果，增加腐蝕表面的光潔度，可適當(dāng)加入緩蝕劑如異丙醇、鹽酸等。蝕刻完后，用利用反應(yīng)性離子蝕刻法(RIE)蝕刻殘留的二氧化硅。
(5)電解拋光形成微針將(4)處理后的金屬基片在電解質(zhì)溶液中處理電解液含有碳水化合物如醇(如乙醇，丙醇或異丙醇，丁醇，乙烯醇，芳香醇等)，氯化物(三氯化鋁，氯化鋅等)或無機(jī)酸如硫酸、磷酸；電流密度3-500A/dm2；電解液溫度5-70度。
按上述步驟制備的微針還可以加入適量含藥物的高分子溶液成膜劑，自然干燥制成含藥物的薄膜，對照為相應(yīng)體積的不含藥物的高分子聚合物溶液制成的薄膜。
本發(fā)明的方法可制備出單獨(dú)實(shí)心微針，也可形成實(shí)心微針陣列。本發(fā)明工藝簡單，實(shí)心微針耐用性好，特別適用于生物大分子藥物的透皮藥物釋放及生物體采樣。
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述，但并非對本發(fā)明的技術(shù)方案作限定。


圖1多排金屬微針陣列示意圖(out-of-plane)；圖2單排金屬微針陣列示意圖(in-plane)；圖3圖1所示金屬微針陣列的制作工藝流程；圖4圖2所示金屬微針陣列的制作工藝流程。
圖5以牛血清蛋白為模型藥物的大鼠體外透皮藥物釋放實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1、多排金屬微針陣列(out-of-plane)請參見圖3。
a)500微米厚的不銹鋼薄片1，經(jīng)洗液清洗后，用去離子水沖洗干凈并烘干。然后利用化學(xué)氣相淀積法在金屬兩個(gè)表面沉積上一層厚度為1微米的二氧化硅2作為金屬的保護(hù)層，在一面的二氧化硅上旋涂2微米厚的Shipley 1818光刻膠3，(見3a所示)；b)在90℃預(yù)烘(軟烘)5分鐘，將一張?jiān)?平方毫米的單元內(nèi)形成20×20陣列、直徑為80微米、間距為200微米的實(shí)心圓的石英玻璃掩膜遮住帶有光刻膠的基片進(jìn)行曝光4秒，然后顯影并在120℃烘干30分鐘左右，(見3b所示)；經(jīng)步驟制備的效果參見俯視圖；c)在另一面的二氧化硅表面旋涂2微米厚的Shipley 1818光刻膠3作為保護(hù)層，在120℃堅(jiān)膜30分鐘左右，(見3c所示)；d)用三氟甲烷或四氟甲烷干法蝕刻(反應(yīng)性離子蝕刻，RIE)未受光刻膠保護(hù)處的二氧化硅，(見3d所示)；e)待二氧化硅蝕刻完后，將基片放在由30％三氯化鐵(w/v)，5％鹽酸，30％乙醇和35％水組成的混合液中室溫下腐蝕未受二氧化硅保護(hù)處的不銹鋼，(見3e所示)；f)清洗腐蝕過的基片，在5％NaOH溶液中除去光刻膠，再用三氟甲烷或四氟甲烷干法蝕刻(反應(yīng)性離子蝕刻，RIE)剩余的二氧化硅，(見3f所示)
g)然后放入含有30％濃硫酸和10％磷酸的電解質(zhì)溶液中，在50℃，電流密度200A/dm2電解2分鐘，得到表面光亮的微針，(見3g所示)。
制作出來的多排金屬微針陣列的外形圖參見圖1，在金屬基片的平面上一體成型形成多排實(shí)心微針。
實(shí)施例2、單排金屬微針陣列(in-plane)制作工藝流程請參見圖4。
a)100微米厚的鈦金薄片1經(jīng)洗液清洗后，用去離子水沖洗干凈并烘干；然后利用化學(xué)氣相淀積法在金屬兩個(gè)表面沉積上一層厚度約為1微米的二氧化硅2作為金屬的保護(hù)層，在基片一面的二氧化硅表面旋涂2微米厚的Shipley 1818光刻膠3，(見4a所示)；b)在90℃預(yù)烘(軟烘)5分鐘，將一張有微針圖的石英玻璃掩膜遮住帶有光刻膠的基片曝光4秒，然后顯影并在120℃烘干10分鐘左右；再在基片另一面的二氧化硅表面旋涂2微米厚的Shipley 1818光刻膠3，在90℃預(yù)烘(軟烘)5分鐘，將上一步使用過的石英玻璃掩膜遮住光刻膠雙面對準(zhǔn)曝光4秒，然后顯影并在120℃烘干30分鐘左右，(見4b所示)；經(jīng)步驟制備的效果參見俯視圖；c)用三氟甲烷或四氟甲烷干法蝕刻(反應(yīng)性離子蝕刻，RIE)未受光刻膠保護(hù)處的二氧化硅；待二氧化硅蝕刻完后，將基片放在由40％硝酸(v/v)、10％氫氟酸和50％水組成的混合液中60℃下腐蝕未受二氧化硅保護(hù)處的鈦金，(見4c所示)；經(jīng)步驟制備的效果參見俯視圖；d)清洗腐蝕過的基片，再用三氟甲烷或四氟甲烷干法蝕刻(反應(yīng)性離子蝕刻，RIE)剩余的二氧化硅，然后放入含有200ml水、600ml乙醇、200ml異丙醇、100g三氯化鋁和300g氯化鋅的電解質(zhì)溶液中，在40℃，電流密度500A/dm2電解5分鐘，得到表面光亮的微針，(見4d所示)。
制作出來的單排金屬微針陣列的外形圖參見圖2，在金屬片側(cè)面(in-plane)形成單排陣列。
實(shí)施例3、以牛血清蛋白為模型藥物的大鼠體外透皮藥物釋放將牛血清蛋白溶于0.25％卡波姆(pH 6.5)溶液中配制成含有25mg/ml牛血清蛋白的混合液，取40微升加到實(shí)施例1制備的微針表面室溫自然干燥制成含牛血清蛋白的高分子薄膜微針制劑。該微針在4平方毫米面積上有400根針，針之間的間距為200微米。
取去毛大鼠皮一張，角質(zhì)層向上置于擴(kuò)散池口，用上述制備的實(shí)心微針放在其上，用手輕按微針使其在皮膚上扎出微孔，但不穿透皮膚，皮膚角質(zhì)層面向藥物供給室，真皮層面向藥物接受室，在接受室中加滿預(yù)先加熱至37℃的磷酸鹽緩沖液(pH7.4)，并用封口膜密封取樣口，放在37℃的恒溫水浴槽中。在持續(xù)攪拌下，于一定時(shí)間間隔分別取出0.2mL接受介質(zhì)測定牛血清蛋白濃度，并立即補(bǔ)充等體積的磷酸鹽緩沖液，以供給室不加牛血清蛋白的磷酸鹽緩沖液為對照。同時(shí)進(jìn)行無微孔的大鼠皮滲透實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示(為分辨三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在圖5中用符號◆表示第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，■表示第二次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，▲表示第三次結(jié)果)。當(dāng)皮膚沒有微針扎孔時(shí)，牛血清蛋白幾乎不能透過皮膚，而當(dāng)微針扎孔后，在兩小時(shí)藥物的滲透量達(dá)到200微克/平方厘米，滲透速度為46μg/cm2h，滲透系數(shù)達(dá)到9.24×10-3厘米/小時(shí)。
本發(fā)明提到的腐蝕液(包括腐蝕液中加入的緩蝕劑)、電解液以及干法蝕刻等對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說均是公知技術(shù)。只要給定某一種材料，就知道用什么成份的腐蝕液和電解液來進(jìn)行操作。
本發(fā)明提到的高分子聚合物為生物相容性聚合物，是在藥典中允許使用的藥物輔料，如卡波姆(Carbomer)、殼聚糖(甲殼胺)、羧乙(丙)基纖維素、甲殼素、葡聚糖、b-環(huán)糊精、聚左旋乳酸、黃原膠、聚乙烯吡咯烷酮、聚酰胺酯類等。
上述實(shí)施例1和2分別描述了制備方法和制備出的金屬微針陣列的外形，但沒有限制這二種微針陣列的尺寸。也就是說，本發(fā)明可以制備出各種尺寸的微針陣列。在使用上，實(shí)施例2制備出的微針陣列由于是一薄形，因此可以將其卷曲成一圓筒狀，該圓筒狀可以是單層，也可以是多層。形成圓筒狀后其使用效果與實(shí)施例1制備的多排金屬微針陣列的效果一樣。
權(quán)利要求
1.一種金屬微針陣列芯片，與金屬基片一體成型形成微針陣列，其微針尖部直徑為10nm～10μm，針底部直徑為20～300μm；微針高度為50～400μm。
2.如權(quán)利要求1所述的金屬微針陣列芯片，其特征在于，微針的形狀為圓錐形或多角錐形。
3.如權(quán)利要求1所述的金屬微針陣列芯片，其特征在于，微針陣列是在金屬面上形成多排微針或在金屬基片側(cè)面形成單排微針。
4.一種制備如權(quán)利要求1所述金屬微針陣列芯片的方法，其主要步驟為a)在厚度為350-750μm金屬基片的兩個(gè)表面沉積一層二氧化硅或氮化硅保護(hù)膜；b)在金屬基片上一面的保護(hù)膜上涂上光刻膠，在60～130℃預(yù)烘1～20分鐘，用帶有圖案的掩膜遮住涂有光刻膠的金屬基片上進(jìn)行曝光1～50秒，顯影并在60～150℃烘干1～60分鐘，形成所需圖案；在金屬基片另一面保護(hù)膜上涂上光刻膠，60～150℃堅(jiān)膜1～60分鐘；c)用三氟甲烷或四氟甲烷干法蝕刻未受光刻膠保護(hù)處的二氧化硅或氮化硅形成需要的圖案；d)用濕法腐蝕未受保護(hù)的金屬部分；e)用NaOH或KOH溶液去除光刻膠，用三氟甲烷或四氟甲烷干法蝕刻殘留的二氧化硅；f)將步驟d處理后的金屬基片在電解質(zhì)溶液中電解，其電解條件是電流密度3-500A/dm2、電解液溫度5-70℃，電解時(shí)間1-60分鐘；得多排金屬微針陣列芯片。
5.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟a和b為a)在厚度為100-300μm金屬基片兩個(gè)表面沉積一層二氧化硅或氮化硅保護(hù)膜；b)在金屬基片兩面的保護(hù)膜上涂上光刻膠，在60～130℃預(yù)烘1～20分鐘，先后用帶有圖案的掩膜分別遮住兩面涂覆的光刻膠，曝光1～50秒，顯影并在60～150℃烘干1～60分鐘，形成所需圖案；然后執(zhí)行步驟c-f，得單排金屬微針陣列芯片。
6.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，電解液用的醇為乙醇、丙醇、異丙醇、丁醇、乙烯醇或芳香醇；氯化物為三氯化鋁或氯化鋅；無機(jī)酸為硫酸或磷酸。
7.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟d所用的腐蝕液中加入緩蝕劑異丙醇或鹽酸。
全文摘要
本發(fā)明提供一種微針透皮藥物釋放器件的制作方法。微針有效長度為能夠穿透皮膚角質(zhì)層而不穿入皮膚的真皮層。微針器件允許藥物分子如基因工程藥物、蛋白質(zhì)、核酸、多肽、多糖、疫苗等，天然產(chǎn)物藥物、中藥成分、合成藥物以及其他的營養(yǎng)成分以一定的速率透過皮膚屏障進(jìn)入體內(nèi)，而且不造成皮膚疼痛及刺激。微針由金屬材質(zhì)構(gòu)成，并且將微制造技術(shù)用于制作金屬微針，微制造技術(shù)包括微機(jī)電加工(Microelectromechanical systemsMEMS)技術(shù)和電解拋光技術(shù)。本發(fā)明工藝簡單，價(jià)格低廉，適合于批量生產(chǎn)，微針耐用性好，特別適用于藥物及營養(yǎng)物質(zhì)的透皮釋放系統(tǒng)。
文檔編號A61M37/00GK1562402SQ20041003194
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月31日
發(fā)明者徐百, 高云華 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所