聚合物四开叉型微针阵列的仿真、制备与测试

王洁J金敏慧蔦蔡金东S吴文渊J李以贵I(1.±海应用技术大学理学院，上海201418；2.±海应用技术大学机械工程学院，上海201418)摘 要：通过使用MATLAB软件，设计了四开叉型微针阵列的掩模板图形，并利用仿真和掩模板图形补

偿方法，改进了四开叉型微针阵列的掩模板图形，使得制备的四开叉型微针阵列的强度得到增加。采用两 次移动X光曝光技术制备了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)四开叉型微针阵列。利用毛细管现象，制备的四 开叉型微针可以提取与血液性质类似的苯胺蓝溶液,验证了该微针阵列可以用来采血。通过将微针刺入

聚氨酯薄膜上,测试施加的负荷来进行强度测试，验证了所制备的微针阵列有足够的强度，负荷为0.4N/针。

关键词：移动X光光刻技术；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)四开叉型微针；毛细管现象中图分类号：TP212； TH703；TN305.7 文献标识码：A 文章编号：1000-9787(2020)06-0070-03Simulation, preparation and testing of polymer

quadruplets-microneedle array *WANG Jie1, JIN Minhui1, CAI Jindong2, WU Wenyuan1, LI Yigui1(1. School of Science,Shanghai Institute of Technology,Shanghai 201418,China；2. School of Mechanical Engineering,Shanghai Institute of Technology,Shanghai 201418,China)Abstract: By using MATLAB software, mask pattern of quadruplets-microneedle is designed, and the mask

pattern of quadruplets-micnmeedle is improved by simulation and mask pattern compensation method, so that the

strength of the prepared quadruplets・microneedle is increased. PMMA quadruplets-microneedle is prepared by

moving X-ray exposure technology twice・ By using the capillary phenomenon, the quadruplets-microneedle array

can extract the aniline blue solution,because the viscosity of the liquid is similar to that of blood, which proves that the microneedle array can be used for blood extraction. The strength test is carried out by inserting the micro

needle into the polyurethane film and testing the applied load. It is verified that the prepared micro-needle array

has sufficient strength and the load onto the microneedle is 0. 4 N/needle・Keywords: moving X-ray lithography technology ； PMMA quadruplets-microneedle ； capillarity phenomenon0引言以改善患者的依从性，因为它们不会刺激与疼痛有关的神

微针技术在过去的十年中取得了重大的进步,研究已

经，而且可以自我给药，所以说微针阵列是药物领域中最有

经提出了传递系统作为一种无痛的跨越皮肤屏障的多种治

前途的透皮给药系统之一。疗手段的主要概念。微针阵列的一个主要治疗领域是微创

本文在之前研究了关于空心和实心微针阵列的制 或者经皮给药，如流感疫苗，这一方式依赖于向表皮的免疫

备［7呦，进行了四开叉型聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微针

应答活细胞提供局部疫苗。微针虽仅有微米尺寸大小，但

的仿真，微细加工制备,强度测试以及透皮给药功能和采血

可以穿过角质层，产生微创性伤口，又不损坏真皮层产生痛 功能。感，也不会流血，而且由于针孔极小、易愈合、不易引起细菌感 1两次移动X光光刻技术制备四开叉型PMMA微针染同时还增加了病人的顺应性，使用起来也更为方

1.1 原理便，亦不需要专业注射技能。材料也越多样化，有聚合 利用两次移动X光刻掩模板可以实现四开叉型PMMA

物⑷、多糖类⑸、不锈钢⑹、陶瓷⑺等。微创给药已经证明

微针阵列结构的加工。可以改善全身药物吸附和生物利用度，理想情况下，它们可 图1为双直角三角形X光光刻掩模板及尺寸，其中连收稿日期：2019-03-15*基金项目：国家自然科学基金资助项目(51035005)；上海市农委重点项目(沪农科创字(2018)第3-3号)Kj：\\2020-5-28\\［天才】\\已传一传感器与微系统\\2020-06\\G 2020=^ps 20200M8 15：00：09 Time： 20200528 15：28；53第6期王洁，等:聚合物四开叉型微针阵列的仿真、制备与测试71续排列了高度为1 500 jim，间距为300 pm,沟道间距为

(两个直角三角形的两腰向外凸出)的模拟仿真结果，侧壁

10 的双直角三角形。显示出高度的线性。/1«»

300 jxm图1双直角三角形X光光刻掩模板及尺寸制备PMMA四开叉型微针阵列的制作工艺如图2所示。图4补偿前、后四开叉型微针结构,,,. 同步辐射曝光,.

,,从仿真图中看岀，微针阵列的下边缘的长度与设计的V v V W

V W W ▼X射线掩模掩模板的反度相同，并且其型宽与型深之比值由蚀刻时间

曝光区域决定，时间越长,深宽比越大。然而太高的深宽比容易导致 微针断裂，所以要严格控制刻蚀时间，再者刻蚀过程中，包

未曝光区域第一次扫描<--->第二次扫描括显影液的浓度和时间，X光曝光时间以及周围环境的影 (a)第一次曝光(b)第二次曝光响都会造成微针结构的变化，造成显影出来的微针形状不

像预期的直角三角形的两腰形状，所以要严格控制实验的

(c)第一次显影(d)第二次显影条件和步骤避免上述情况的发生。图6(a)为利用未补偿

图2移动X光光刻法制备四开叉型微针阵列的原理

的掩模板制备的四开叉型微针阵列；图6 ( b)为利用补偿后 将x光光刻掩模板沿丫轴方向快速移动，使得第一次的掩模板制备的四开叉型微针阵列。移动曝光之后，在PMMA(光刻胶)上得到如图2(a)的X光

曝光光强分布，图2 (c )是在显影液中显影出的PMMA结

构，可以看出第一次显影后立体图形的横截面形状与设计 的掩模板图形形状大同小异，设计的掩模板形状决定了在

纵向移动曝光过程中PMMA基板吸收的X光的能量的强

(a)弱。使用的PMMA是正胶，在移动曝光过程中光刻胶尖端 补偿前

(b)补偿后部分一直被掩模板遮住，未被X射线照射，所以显影后的微

图5利用补偿前、后的掩模板制备的四开叉型微针阵列2制备的微针的性能测试针阵列的尖端尺寸就是掩模板图形三角形的端部尺寸。2. 1 微针提取苯胺蓝液体试验第二次所用的掩模板是在第一次掩模板的基础上顺时 图6是液体提取实验前和实验后拍摄的相同微针的图 针旋转90。再进行的移动X光曝光(见图2(b))，所有的曝

像，通过毛细力作用，苯胺蓝溶液保留在四开叉型微针的微

光方式和条件与第一次完全相同，经过后续的步骤显影出

槽中。值得注意的是，由于光热效应,在通过数字显微镜观

来的微针阵列结构，如2(d)所示。察时液体会迅速蒸发，因此，在拍照之前完全填充微槽的液

1.2补偿前后仿真效果和制备结果对比体会因热量而消散。利用毛细管现象，制备的四开叉型微

利用MATLAB软件仿真，图3中的实线为光刻掩模板

针可以提取与血液性质类似的苯胺蓝溶液，验证了该微针 补偿前的形状,为规则的两个直角三角形,虚线为补偿后的 阵列可以用来采血。形状，两个直角三角形的边向外突出。通过掩模板形状的 补偿,使得微针阵列的强度增加。图6苯胺蓝溶液提取实验前、后拍摄的相同微针的图像2.2 毛细血管采血实验图3四开叉型微针掩模板补偿为了测试血液的毛细现象的特性，利用微细加工技术

图4(a)为未补偿的(两个直角三角形的掩模板)X光

在PMMA板上制备了与四开叉型微针阵列截面相似的

光刻预测效果图，侧壁略微凹陷。图4(b)为掩模板补偿后

32个高3.5 cm的微槽。将该制备的带微槽的PMMA基板

Kj：\\2020-5-28\\[天才】\\已传一传感器与微系统\\2020-06\\G 2020=^ps 20200M8 15：00：09 Time： 20200S28 15：28；5672传感器与微系统第39卷垂直放置在盛有老鼠血液的容器中，等待1 min,老鼠血液 通过将微针刺入聚氨酯薄膜上，测试施加的负荷来进行强 在PMMA微槽中上升8.6mm,如图7所示。表明该微针可

度测试，验证了所制备的微针阵列有足够的强度。以利用毛细管现象来提取血液。可以证明，该微针可以进

8行液体或血液的精确提取。4

057.3 57.4 57.5 57.6 57.7测试距离/mm图9纳米压痕仪测试微针强度3结论通过掩模板的设计和两次X光移动曝光技术制备了四 开叉型微针阵列。首先掩模板在X光的照射下纵向移动,

(a)开始时

(b)老鼠血液在PMMA微槽中上升8.6 mm然后第2次曝光采用同一 X光光刻掩模板，旋转90。再进行

图7利用毛细管现象，老鼠血液在PMMA微槽中上升移动曝光,曝光条件与第1次完全相同，显影后得到四开叉 提取后保留在PMMA微槽内的血液量可以通过实验获 型微针阵列结构,利用两次移动X光光刻技术(即第一次

得的高度来预测。进行的接触角测试是为了测量老鼠血液 掩模板移动曝光，第二次掩模板旋转90。后再进行移动曝

和固态的PMMA基板之间的接触角度，血液和PMMA基板 光)可以得到特定的三维立体结构。该微针可以进行液体

的接触角度大约是69。。或血液的精确提取，具有较高的医学价值。由于微针阵列

通过与PMMA沟壁接触的血液中央弯月面和摄像机记 录的毛细血管速度，测量毛细血管高度的结果如图8(a)所

在设计和制造中出现的侧壁凹陷的问题，提出了一种弥补

示。测得的毛细血管高度与微槽尺寸的关系图和典型的毛 实际制造时PMMA微结构发生误差的方法，即光刻掩模板 细上升一样，呈线性趋势，因此可以计算表面张力yo的补偿设计。通过毛细力的液体提取试验和PMMA微槽,

流动前锋的位置图是时间的指数函数，如图8(b)所

证实了苯胺蓝溶液和血液的毛细上升现象，测量了毛细管

示，可以表示为在微槽中血液的上升速度。基于实验，通过

上升速度。X射线曝光并由GG显影剂显影的PMMA与曝光前的相比

参考文献：看起来更具有亲水性；同时观察到宽度小于20 pm的微槽

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中血液的毛细管上升情况。通常情况下，尽管细胞的形状

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4

drawn polymer microneedle arrays with controlled shape and

050

100

150微槽尺寸/»m流体前锋的位置/mmdimension [ J ]. Sensors and Actuators B: Chemical ,2018,25(2):

(a)毛细管高度VS各种微槽宽度(b)在微槽中血液的上升速度1553 -1560.图8实验结果[4]

CALIO, A, DARDANO P, PALMA V D, et al. Polymeric

2.3 微针强度测试microneedles based enzymatic electrodes for electrochemical bio­利用纳米压痕仪(日本英斯特朗公司)来测试制备的微 sensing of glucose and lactic acid [ J ]. Sensors and Actuators B:

针阵列刺破300 pn的聚氨酯薄膜的强度，从薄膜表面开始

Chemical,2016,236( 11) ：343 -349.施加压力载荷传感器并缓慢推动微针插入薄膜，这个实验

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一直进行直到微针断裂。图9为纳米压痕仪测试微针强

Science,2018,5(4) ：171609.度。在图9中,测量从57.38 mm开始，此时聚氨酯膜表面 [6] IT A K. Ceramic microneedles and hollow microneedles for trans-

与测力传感器接触,并且从57.42 mm时薄膜开始微针穿透

dermal drug delivery: Two decades of research [ J ]. Journal of 聚氨酯膜,微针在57.45 mm的距离处破裂，总负荷为6 N,

Drug Delivery Science and Technology ,2018 ,44(4) ：314 —322.测量距离约为70 pm,直至破裂时微针上的负荷为0.4N针。

(下转第76页)Kj：\\2020-5-28\\[天才】\\已传一传感器与微系统\\2020-06\\G 2020=^ps 20200M8 15：00：09 Time： 20200528 15：29：0476传感器与微系统第39卷及常量取值，其中t =30,” =15,u =30。实验共进行6次，第 的设计与安装，并对避障系统的检测准确性和避障飞行效 一组实验的飞行轨迹图如图6所示,实验数据如表1所示。果进行了验证实验。实验结果表明，该避障系统能够准确

的检测出障碍物的前方距离、侧方距离和宽度，并能辅助植

保无人机完成避障飞行，验证了系统的有效性。参考文献：[1] 兰玉彬，王林琳,张亚莉•农用无人机避障技术的应用现状及

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2向右向右110012101104800481010轻工学报,2018,33(5) ：90 -96.3向右向右1100640-46048004690-110[7]

赵东涛，王浩•基于角闪烁抑制的高分辨雷达角跟踪技

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障动作的响应误差、定位误差和测量误差等的影响。州:杭州电子科技大学,201&4结束语作者简介：本文基于双毫米波雷达,为植保无人设计了一种自动

孙柯(1992-),男，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统、无

避障系统，该系统满足了植保无人机在两种飞行模式下的 人机避障技术。障碍物检测需求。研究了毫米波雷达对障碍物前方距离、 吴开华(1968 -),男，博士，教授，主要研究领域为检测技术及

侧方距离和宽度的检测，完成了植保无人机自动避障系统仪器、光机电一体化、精密测量、无人机技术。(上接第72页)试和仿真[J].光学精密工程,2018,26(5):1156-1164.[7] BYSTROVA S, LUTTGE R. Micromolding for ceramic micro­

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作者简介：与强度特性测试[J].纳米技术与精密工程,2014,12(3)：

王 洁(1995 -)，女，硕士研究生，研究方向为MEMS微针。

194-201.李以贵(1965-),男，通讯作者，教授，博士生导师，主要从事

[9] 李以贵，吴文渊，王欢，等.X光光刻工艺微针阵列的制备、测 微光机电系统(MEMS )方面的研究,E-mail: ygli@ sit. edu. cn。