本發(fā)明屬于微納結(jié)構(gòu)制造工藝領(lǐng)域，更具體地，涉及一種空心微針陣列制造方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，微針在醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣。在醫(yī)學(xué)治療中，傳統(tǒng)的注射和打點(diǎn)滴等集中式輸送藥物在某些場(chǎng)合并不適用，尤其是一些與生命活動(dòng)息息相關(guān)的激素，需要緩慢注射才能達(dá)到最佳的治療效果。微針注射技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要在于不僅免除了病人由注射創(chuàng)傷帶來(lái)的疼痛感，而且能夠持續(xù)性、定量地進(jìn)行藥物輸送，為類似胰島素等藥劑的輸送帶來(lái)極大便利。

在微針制備上的策略主要包含兩類：實(shí)心微針和空心微針。后者較于前者的優(yōu)勢(shì)在于微針與皮膚的接觸面積大，攜帶的藥劑量多，但容易折斷，存在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差等不足。折斷的微針若長(zhǎng)久留在人體皮膚或者其他身體部位，不僅會(huì)帶來(lái)身體的不適，也會(huì)為病菌侵入人體提供了便捷通道，引起傷病。因此，制造結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的微針至關(guān)重要。

目前實(shí)現(xiàn)空心微針的技術(shù)主要有三類：(1)先制備實(shí)心微針，再采用激光、rie等方式去除需要中空的部分，制造出傾斜的針尖或者藥物輸送的針孔；(2)采用制備模具的方法，通過(guò)澆鑄、沉積、鍍膜等方法制備微針；(3)利用硅基材料，直接在基底上刻蝕制備微針。方法(1)所采用的設(shè)備和工藝如激光、icp等都較為復(fù)雜，且成本一直居高不下；方法(2)存在一個(gè)明顯的不足就是脫模或剝離微針時(shí)極易導(dǎo)致微針折斷且不易控制；方法(3)得到的微針雖然無(wú)剝離損傷，但硅材質(zhì)較脆，容易折斷。因此，發(fā)明一種結(jié)構(gòu)力學(xué)穩(wěn)定、生物相容性好和成本低廉的微針陣列制備工藝具有廣闊的應(yīng)用前景、重要的醫(yī)療價(jià)值和社會(huì)意義。

由于刺入皮膚的角質(zhì)層需要較大的壓力，因此在微針制備工藝上通常將微針針尖加工成各類尖刺結(jié)構(gòu)，但工藝也比較復(fù)雜。臺(tái)灣國(guó)立清華大學(xué)的hhuang采用背面曝光技術(shù)通過(guò)設(shè)計(jì)不同層的掩膜版圖形進(jìn)行針尖的形狀控制，但背面曝光技術(shù)和雙層掩膜在制備結(jié)構(gòu)的工藝上較為復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種空心微針陣列制造方法，克服了目前加工微針陣列成本高、工藝復(fù)雜、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等不足，得到的微針不僅材料均勻，質(zhì)地良好，而且結(jié)構(gòu)形狀均一穩(wěn)定，與微針基底粘附性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種空心微針陣列制造方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)鍍金屬種子層：在基底的上表面采用真空鍍膜的方式鍍一層金屬種子層；

2)旋涂負(fù)性光刻膠層：在金屬種子層的上表面旋涂一層負(fù)性光刻膠，則形成負(fù)性光刻膠層；

3)對(duì)負(fù)性光刻膠層進(jìn)行前烘；

4)曝光：紫外光源向下穿過(guò)掩膜版對(duì)負(fù)性光刻膠層進(jìn)行曝光，其中，所述掩膜版上的圖形為環(huán)狀遮光圖案陣列，所述環(huán)狀遮光圖案陣列具有多個(gè)環(huán)狀遮光圖案，每個(gè)所述環(huán)狀遮光圖案的外邊緣均設(shè)有多個(gè)凹槽，則光穿過(guò)掩膜版后透入負(fù)性光刻膠層，使環(huán)狀遮光圖案陣列下方的曝光區(qū)域呈現(xiàn)上大下小的結(jié)構(gòu)；

5)顯影：采用顯影液對(duì)負(fù)性光刻膠層進(jìn)行顯影，以去除環(huán)狀遮光圖案下方未發(fā)生光固化反應(yīng)的負(fù)性光刻膠，則在負(fù)性光刻膠層上留下多個(gè)上小下大的空洞，并且負(fù)性光刻膠層空洞處的內(nèi)壁在對(duì)應(yīng)于凹槽的位置還形成有凸臺(tái)，此后再將剩余的負(fù)性光刻膠層烘干；

6)電鍍結(jié)構(gòu)層：以步驟1)的金屬種子層作為導(dǎo)電層，采用電鍍的方法在步驟4)形成的每個(gè)空洞內(nèi)均填滿一層金屬，則空洞內(nèi)的金屬層形成微針的針管；

7)采用有機(jī)溶劑去除基底上的負(fù)性光刻膠，得到在基底上獲得空心微針陣列結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述凹槽的寬度為1～3μm。

優(yōu)選地，所述金屬種子層的厚度為100～500nm。

優(yōu)選地，微針針壁的厚度在10～50μm。

優(yōu)選地，微針高度在100～500μm。

優(yōu)選地，所述環(huán)狀遮光圖案上的凹槽的形狀呈弧形或多邊形。

總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

1)由于小尺寸掩膜版圖形的光學(xué)衍射和光強(qiáng)逐層衰減的作用，顯影后會(huì)在負(fù)性光刻膠層上形成上小下大的空洞結(jié)構(gòu)，由此電鍍填充得到的金屬微針針壁具有很好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；

2)微針的針尖在掩膜版圖形的控制下可以一次性得到復(fù)雜的微針針尖結(jié)構(gòu)，為金屬微針在刺入皮膚角質(zhì)層時(shí)減少了接觸面積，能夠使得微針從小到大順利插入皮膚從而進(jìn)行藥物輸送，制備出上小下大的空洞結(jié)構(gòu)的微針針壁，具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，不易折斷等特點(diǎn)，且在填充過(guò)程中直接完成微針針尖的造型過(guò)程，工藝簡(jiǎn)單；

3)通過(guò)光刻技術(shù)中的光在小尺度圖形發(fā)生衍射和光強(qiáng)逐層遞減的原理來(lái)控制微針的針壁大小、傾斜角度以及空心微針的形狀，可以實(shí)現(xiàn)大面積微針陣列的制備，通過(guò)調(diào)節(jié)旋涂負(fù)性光刻膠的時(shí)間和轉(zhuǎn)速控制微針的高度，微針的截面大小和形狀則是掩膜版圖形、光強(qiáng)衰減和負(fù)性光刻膠顯影溶脹等因素的共同作用；微針陣列制備流程簡(jiǎn)單，成本低廉且可大批量生產(chǎn)，采用光刻和電鍍的方法制備了形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的微針和陣列周期均可控的微針陣列。

附圖說(shuō)明

圖1為鍍金屬種子層示意圖；

圖2是光刻曝光示意圖；

圖3為顯影后剩余的負(fù)性光刻膠層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為電鍍填充金屬后的微針和負(fù)性光刻膠結(jié)構(gòu)剖面圖；

圖5為去除負(fù)性光刻膠后微針結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6a～圖6d中，圖6a為微針掩膜版示意圖，其中兩個(gè)較大圓環(huán)為微針主體部分，與外圓相交的矩形開(kāi)槽是控制微針針尖形狀部分；圖6b為在掩膜版圖6a下加工出的微針俯視圖；圖6c為在掩膜版圖6a下加工出的微針主視圖；圖6d為在掩膜版圖6a下加工出的微針等軸側(cè)圖；

圖7為本發(fā)明中形成的微針陣列示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

實(shí)施例1

1)鍍金屬種子層2

在si基底1上采用磁控濺射的方式在表面上鍍100nm厚度的金屬ni種子層，以作為后續(xù)步驟中電鍍的導(dǎo)電層；

2)曝光

在上述金屬ni種子層的上表面旋涂厚度為100μm的負(fù)性光刻膠形成負(fù)性光刻膠層3，前烘后進(jìn)行曝光；曝光過(guò)程如下：紫外光源向下穿過(guò)掩膜版4對(duì)負(fù)性光刻膠層3進(jìn)行曝光，其中，所述掩膜版4上的圖形為環(huán)狀遮光圖案9陣列，特點(diǎn)在于環(huán)狀遮光圖案9四周有特定尺寸的凹槽8，凹槽8的寬度為1μm。由于紫外光線5經(jīng)過(guò)掩膜版4的小尺度圖形時(shí)會(huì)發(fā)生衍射，使得凹槽8圖形下方的曝光區(qū)域深度較淺，會(huì)使得該曝光區(qū)域呈現(xiàn)上大下小的結(jié)構(gòu)，然后烘干。其中，采用的掩膜版4上的環(huán)狀遮光圖案9為外邊緣設(shè)置有4個(gè)方形的凹槽8的同心圓環(huán)形成，同心圓環(huán)的外徑30μm，內(nèi)徑10μm，相鄰兩同心圓環(huán)的間距為100μm，同心圓環(huán)形成的網(wǎng)格的基本網(wǎng)絡(luò)單元為正方形；

3)顯影

采用顯影液對(duì)基底1上的負(fù)性光刻膠結(jié)構(gòu)進(jìn)行顯影，去除未發(fā)生光固化反應(yīng)的負(fù)性光刻膠，烘干后得到的負(fù)性光刻膠層3帶有多個(gè)呈圓臺(tái)形狀的空洞6結(jié)構(gòu)，并且圓臺(tái)上附有凸臺(tái)，凸臺(tái)是因?yàn)檠谀ぐ?遮光圖案上的凹槽8下方的負(fù)性光刻膠發(fā)生了光固化反應(yīng)，因此顯影后這一塊負(fù)性光刻膠未被去除；

4)電鍍結(jié)構(gòu)層

采用電鍍的方法在步驟1)的金屬ni種子層表面電鍍金屬ni，以填充負(fù)性光刻膠層3形成的微針模具空洞結(jié)構(gòu)6，所鍍的金屬ni形成微針管壁7；

5)去膠

采用有機(jī)溶劑丙酮去除金屬ni種子層表面的負(fù)性光刻膠，從而獲得空心微針陣列結(jié)構(gòu)，得到微針內(nèi)針壁7呈錐形，其母線相對(duì)于基底1傾斜一定角度，微針7整體形狀為空心圓錐，針尖處有缺口10(缺口10的位置與凹槽8的位置對(duì)應(yīng))從而使針尖呈類梅花狀。

實(shí)施例2

1)鍍金屬種子層2

在si基底1上采用磁控濺射的方式在表面上鍍250nm厚度的金屬ti種子層，以作為后續(xù)步驟中電鍍的導(dǎo)電層；

2)曝光

在上述金屬ti種子層的上表面旋涂厚度為200μm的負(fù)性光刻膠形成負(fù)性光刻膠層3，前烘后進(jìn)行曝光，曝光過(guò)程如下：紫外光源向下穿過(guò)掩膜版4對(duì)負(fù)性光刻膠層3進(jìn)行曝光；其中，所述掩膜版4上的圖形為環(huán)狀遮光圖案9陣列，特點(diǎn)在于環(huán)狀遮光圖案9四周有凹槽8，凹槽8的寬度為1.5μm。由于紫外光線5經(jīng)過(guò)掩膜版4的小尺度圖形時(shí)會(huì)發(fā)生衍射，使得凹槽8圖形下方的曝光區(qū)域深度較淺，會(huì)使得該曝光區(qū)域呈現(xiàn)上大下小的結(jié)構(gòu)，然后烘干。其中，采用的掩膜版4上的環(huán)狀遮光圖案9為外邊緣設(shè)置有5個(gè)梯形凹槽8的同心正方形環(huán)形成，大正方形的邊長(zhǎng)為40μm，小正方形的邊長(zhǎng)為25μm，相鄰兩同心正方形環(huán)的間距為150μm，同心矩形環(huán)形成的網(wǎng)格的基本網(wǎng)絡(luò)單元為三角形；

3)顯影

采用顯影液對(duì)基底1上的負(fù)性光刻膠結(jié)構(gòu)進(jìn)行顯影，去除未發(fā)生光固化反應(yīng)的負(fù)性光刻膠，烘干后得到的負(fù)性光刻膠層3帶有多個(gè)呈錐臺(tái)形狀的空洞6結(jié)構(gòu)，并且錐臺(tái)上附有凸臺(tái)，凸臺(tái)是因?yàn)檠谀ぐ?遮光圖案的凹槽8下方的負(fù)性光刻膠發(fā)生了光固化反應(yīng)，因此顯影后這一塊負(fù)性光刻膠未被去除；

4)電鍍結(jié)構(gòu)層

采用電鍍的方法在步驟1)的金屬ti種子層表面電鍍金屬ni，以填充負(fù)性光刻膠層3形成的模具的空洞結(jié)構(gòu)6，所鍍的金屬ni形成微針管壁7；

5)去膠

采用有機(jī)溶劑丙酮去除金屬ti種子層表面的負(fù)性光刻膠，從而獲得空心微針陣列結(jié)構(gòu)，得到的微針內(nèi)針壁7相對(duì)于基底1傾斜一定角度，微針7整體形狀為空心四棱錐，針尖處有缺口10(缺口10的位置與凹槽8的位置對(duì)應(yīng))，因此針尖呈類梅花狀。

實(shí)施例3

1)鍍金屬種子層2

在si基底1上采用磁控濺射的方式在表面上鍍500nm厚度的金屬ti種子層，以作為后續(xù)步驟中電鍍的導(dǎo)電層；

2)曝光

在上述金屬ti種子層的上表面旋涂厚度為400μm的負(fù)性光刻膠形成負(fù)性光刻膠層3，前烘后進(jìn)行曝光，曝光過(guò)程如下：紫外光源向下穿過(guò)掩膜版4對(duì)負(fù)性光刻膠層3進(jìn)行曝光；其中，所述掩膜版4上的圖形為環(huán)狀遮光圖案9陣列，特點(diǎn)在于環(huán)狀遮光圖案9四周有特定尺寸的凹槽8，凹槽8的寬度為3μm。由于紫外光線5經(jīng)過(guò)掩膜版4的小尺度圖形時(shí)會(huì)發(fā)生衍射，使得凹槽8圖形下方的曝光區(qū)域深度較淺，會(huì)使得該曝光區(qū)域呈現(xiàn)上大下小的錐狀結(jié)構(gòu)，然后烘干。其中，采用的掩膜版4上的環(huán)狀遮光圖案9為外邊緣設(shè)置有3個(gè)半圓形凹槽8的同心圓環(huán)形成，同心圓環(huán)的外徑100μm，內(nèi)徑85μm，相鄰兩同心圓環(huán)的間距為100μm，同心圓環(huán)形成的網(wǎng)格的基本網(wǎng)絡(luò)單元為矩形，并且沿第一方向(譬如x向)，相鄰兩同心圓環(huán)的間距為300μm，沿第二方向(譬如y向)，相鄰兩同心圓環(huán)的間距為330μm；

3)顯影

采用顯影液對(duì)基底1上的負(fù)性光刻膠結(jié)構(gòu)進(jìn)行顯影，去除未發(fā)生光固化反應(yīng)的負(fù)性光刻膠，烘干后得到的負(fù)性光刻膠層3帶有多個(gè)呈圓臺(tái)形狀的空洞結(jié)構(gòu)6，并且圓臺(tái)上附有凸臺(tái)，凸臺(tái)是因?yàn)檠谀ぐ?遮光圖案的凹槽8下方的負(fù)性光刻膠發(fā)生了光固化反應(yīng)，因此顯影后這一塊負(fù)性光刻膠未被去除；

4)電鍍結(jié)構(gòu)層

采用電鍍的方法在步驟1)的金屬ti種子層表面電鍍金屬cr，以填充負(fù)性光刻膠層3形成的模具的空洞結(jié)構(gòu)6，所鍍的金屬cr形成微針管壁7；

5)去膠

采用有機(jī)溶劑丙酮去除金屬ti種子層表面的負(fù)性光刻膠，從而獲得空心微針陣列結(jié)構(gòu)，得到微針內(nèi)針壁7呈錐形，其母線相對(duì)于基底1傾斜一定角度，微針7整體形狀為空心圓錐，針尖處有缺口10(缺口10的位置與凹槽8的位置對(duì)應(yīng))從而使針尖呈類梅花狀。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。