專(zhuān)利名稱(chēng)：空心醫(yī)用金屬微針的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域的微針制備方法，具體是一種空 心醫(yī)用金屬微針的制備方法。
背景技術(shù)：
利用微針經(jīng)皮給藥是使藥物進(jìn)入生物體的新方法。通常采用微細(xì)加工技術(shù)制 成幾百微米的實(shí)心或空心微針陣列。微針細(xì)而尖， 一般的穿刺深度僅在角質(zhì)層和 表皮層，未接觸到神經(jīng)末梢，其微尖亦大幅度減低了針尖接觸到神經(jīng)末梢的幾率， 減少了對(duì)機(jī)體相應(yīng)附屬組織的損傷程度，不產(chǎn)生痛覺(jué)，因此是無(wú)痛給藥方式。微 針體積小，因此它對(duì)生物體的創(chuàng)傷小，形成的創(chuàng)傷恢復(fù)快；微針操作簡(jiǎn)單，因此 避免了培訓(xùn)專(zhuān)門(mén)操作微針的醫(yī)護(hù)人員等。早期研究的微針是實(shí)心微針，這種微針 易加工，它通過(guò)在皮膚上留下針孔以使藥物通過(guò)這些針孔進(jìn)入生物體。實(shí)心微針 內(nèi)沒(méi)有微針通孔，所以其給藥量受到限制。空心微針內(nèi)具有微針通孔，因此空心 微針如果與儲(chǔ)藥池相配套，可用于長(zhǎng)期連續(xù)給藥。然而加工空心微針一般采用反 應(yīng)離子刻蝕和深反應(yīng)離子刻蝕等方法，成本較高;若采用成本低的濕法刻蝕方法， 微針的形狀尺寸又不容易控制。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，JING JI， FRANCIS E.H. TAY， FRANCIS E.H. TAY等在International MEMS Conference 2006， Journal of Physics: Conference Series 34 (2006) 1132-1136， (2006物理學(xué)期刊國(guó)際MEMS會(huì)議)撰文 "Microfabricated Hollow Microneedle Array Using ICP Etcher"(用離子感應(yīng)刻蝕機(jī) 加工空心微針陣列)。該文中提及的加工空心微針的方法是采用深反應(yīng)離子刻蝕 (DRIE)分別在正面和背面刻硅(1)旋涂光刻膠，圖形化，各向同性刻蝕光 刻膠下的硅，形成微針針尖；(2)在雙拋氧化硅片正面和背面熱氧化生長(zhǎng)二氧化 硅層；(3)圖形化正面二氧化硅層以保留針尖處的二氧化硅層，圖形化背面的二 氧化硅層以開(kāi)出儲(chǔ)藥池的刻蝕窗口； (4)正面旋涂光刻膠并圖形化，以開(kāi)出針尖 處通孔的刻蝕窗口； (5) DRIE刻蝕窗口中的硅(6)去掉光刻膠后繼續(xù)DRIE 刻蝕；(7)背面刻硅；(8)去除二氧化硅。然而該方法采用深反應(yīng)離子刻蝕加 工的微針，成本較高；微針為硅材料，較易折斷；其形狀只有單一的同心圓柱，針尖處不鋒利，不利于刺入皮膚。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種空心醫(yī)用金屬微針的制備方 法，金屬具有很好的機(jī)械特性，易刺入皮膚。采用硅與非硅復(fù)合方法制備空心微 針，加工成本低。通過(guò)曝光可控制微針針尖的形狀，改善微針刺入皮膚的效果； 還能有效的控制微針的高度，改善微針的強(qiáng)度。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，首先通過(guò)光刻在雙拋氧化硅片上開(kāi)出硅 刻蝕窗口；濕法刻蝕窗口中的硅得到四棱錐空腔；接著在硅片上甩負(fù)膠填充四棱 錐空腔，通過(guò)負(fù)膠厚度來(lái)調(diào)整微針的高度；然后選擇特定的掩膜版曝光去除倒四 棱錐內(nèi)的負(fù)膠，得到不同形狀的微針空腔；在微針空腔內(nèi)濺射金屬薄膜作為導(dǎo)電 層，并在導(dǎo)電層上電鍍金屬層；最后開(kāi)出微針內(nèi)微針通孔，并去除硅和負(fù)膠，以 得到不同形狀的空心金屬微針。
本發(fā)明包括以下步驟
第一步、通過(guò)光刻在雙拋氧化硅片上開(kāi)出硅刻蝕窗口將光刻正膠為掩膜， 采用緩沖氫氟酸蝕刻液進(jìn)行蝕刻刻蝕去除未受光刻正膠層保護(hù)的雙拋氧化硅片 上的二氧化硅層。
所述的緩沖氫氟酸蝕刻液是指氟化銨氟化氫水413g: 28mL: 170mL。 所述的刻蝕是指在45'C恒溫水槽中，采用緩沖氫氟酸蝕刻液進(jìn)行蝕刻，
蝕刻的深度與雙拋氧化硅片上的二氧化硅層的厚度相同。
第二步、通過(guò)濕法刻蝕窗口中的硅得到四棱錐空腔以二氧化硅層為掩膜，
濕法刻蝕出硅倒四棱錐，并用緩沖氫氟酸蝕刻液蝕刻去除雙拋氧化硅片上正面和
背面上的二氧化硅層。
所述的濕法刻蝕是指用0.44g/mL的氫氧化鉀溶液刻蝕雙拋氧化硅片上的娃。
所述的硅倒四棱錐的深度為200 40(Him。
第三步、接著在雙拋氧化硅片上甩負(fù)膠填充四棱錐空腔，通過(guò)負(fù)膠厚度來(lái)調(diào) 整微針的高度。
所述的甩負(fù)膠填充四棱錐空腔是指在雙拋氧化硅片的正面先甩30 50nm 的負(fù)膠并烘干，然后再甩100 500^im的負(fù)膠并烘干。第四步、然后選擇掩膜版曝光去除硅倒四棱錐內(nèi)的負(fù)膠，得到不同形狀的微 針空腔。
所述的掩膜版的形狀為三角形、正方形或圓形。
第五步、在微針空腔內(nèi)濺射金屬薄膜作為導(dǎo)電層，并在導(dǎo)電層上電鍍金屬層。 所述的導(dǎo)電層是指由下而上厚度為100A的鉻元素層和1400A的銅元素層。 所述的電鍍金屬層是指厚度為20 8(^m的金屬鎳。
第六步、最后開(kāi)出微針內(nèi)微針通孔，并去除硅和負(fù)膠，以得到不同形狀的空 心金屬微針。
所述的開(kāi)出微針內(nèi)微針通孔是指對(duì)硅片背面采用濕法刻蝕硅露出金屬微針 頂端，然后利用剩余硅作為掩模，采用濕法刻蝕微針的裸露部分，開(kāi)出微針通孔， 也可采用機(jī)械研磨拋光的方法開(kāi)出微針通孔。
所述的去除硅和負(fù)膠是指用丙酮去除負(fù)膠并用氫氧化鉀溶液腐蝕掉多余的 硅以得到空心金屬微針。
本發(fā)明采用濕法刻蝕加工異平面金屬空心微針，微針材料為金屬，因此微針 具有很好的機(jī)械特性，且易于刺入皮膚，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于采用硅 與非硅復(fù)合方法制備異平面空心微針。采用濕法刻蝕硅坑、負(fù)膠填充硅坑并光刻 和電鍍技術(shù)，制備低成本空心金屬微針。通過(guò)負(fù)膠光刻來(lái)控制微針的形狀及調(diào)整 微針的長(zhǎng)度，從而制備出多種棱錐形狀的微針。針尖的形狀為三棱錐，四棱錐。 用此方法可加工出多種長(zhǎng)度和形狀的微針，且加工成本低；此外加工出的微針具 有錐形尖，改善了刺入皮膚的效果。


圖1為本發(fā)明掩膜版示意其中黑色部分為遮光部分，a為直角三角形掩膜版，b為斜三角形掩膜版， C為方形掩膜版，d為圓型掩膜版。 圖2為本發(fā)明工藝流程其中a為雙拋氧化硅片，b為旋涂光刻正膠，C為曝光顯影光刻正膠并刻 蝕出二氧化硅窗口， d為刻蝕硅四棱錐，e為去除二氧化硅并涂負(fù)膠，f、 i為負(fù) 膠的曝光顯影，g、 j為濺射導(dǎo)電層，h、 k為電鍍金屬形成微針；l二氧化硅層、 2硅、3光刻正膠、4負(fù)膠、5導(dǎo)電層、6電鍍金屬層。圖3為單個(gè)異平面金屬空心微針立體其中a為斜三棱臺(tái)微針，b為直角三棱臺(tái)微針，C為四棱臺(tái)微針；7微針微 針通孔、8微針針體頂部、9微針針體底部。 圖4為異平面金屬空心微針陣列其中7微針微針通孔、8微針針體頂部、9微針針體底部、IO微針基底。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1
如圖la和圖2所示，本實(shí)施例在去除填充硅坑的負(fù)膠時(shí)采用直角三角形掩
膜版，形成斜三棱臺(tái)微針。
1. 雙拋氧化硅片在18(TC烘箱里烘3個(gè)小時(shí)，然后在雙拋氧化硅片的正面 甩涂光刻正膠5pm，接著95'C烘30分鐘，如圖la所示，其中二氧化硅層1 位于硅2的兩側(cè)，其厚度為2 3pm;
2. 用做好目標(biāo)圖形的掩膜版曝光，顯影后開(kāi)出邊長(zhǎng)為350nm的正方形光刻 正膠窗口，如圖lb所示，3為光刻正膠層；
3. 卯'C烘30分鐘，然后在雙拋氧化硅片的背面也甩一層光刻正膠，厚度為
4. 135'C烘1個(gè)小時(shí)，然后在45E恒溫水槽中，用緩沖氫氟酸蝕刻液刻蝕出 寬度為350pm的二氧化硅窗口，如圖2c所示；
所述的緩沖氫氟酸蝕刻液是指氟化銨氟化氫水-113g: 28mL: 170mL。
5. 用丙酮加超聲振蕩去掉光刻正膠直到露出二氧化硅，時(shí)間為5分鐘；
6. 用0.44g/mL的氫氧化鉀液刻蝕出硅倒四棱錐，倒四棱錐的深度為247pm， 如圖2d所示；
7. 用緩沖氫氟酸蝕刻液去掉雙拋氧化硅片的正面和背面的二氧化硅層1;
8. 18(TC烘箱里烘3個(gè)小時(shí)，在雙拋氧化硅片的正面甩50pm厚度的SU-8 第一負(fù)膠層，然后烘干；
9. 接著再甩同一型號(hào)的150pm負(fù)膠并烘干，如圖2e所示，4為硅倒四棱錐上
7的負(fù)膠；
10. 用直角三角形掩膜版遮住硅倒四棱錐上的負(fù)膠，并對(duì)圖形上其余的負(fù)膠 曝光；
11. 90'C升溫25分鐘，恒溫30分鐘烘干，然后顯影，如圖2f所示，空白處 為去掉的負(fù)膠；
12. 正面濺射鉻100A、銅1400A金屬薄膜作為導(dǎo)電層，如圖2g所示，5為 導(dǎo)電層；
13. 電鍍厚度為5(^m的金屬鎳以形成中空金屬微針，如圖2h所示，6為金 屬鎳；
14. 用濃度為0.44g/mL的氫氧化鉀液刻蝕背面硅材料以露出金屬微針頂端；
15. 利用剩余硅作為掩膜，采用鎳刻蝕液去除刻蝕微針的裸露部分，開(kāi)出微 針通孔；
16. 用丙酮溶劑去除負(fù)膠并用濃度為0.44g/mL的氫氧化鉀溶液腐蝕掉多余 的硅以釋放空心金屬微針。
加工出的微針如圖3a和圖4所示，其棱臺(tái)底端直角外邊長(zhǎng)為400nm,內(nèi)邊 長(zhǎng)為300pm;微針高度為447Hm;微針頂端的微針通孔的直角邊為10pm。 實(shí)施例2
如圖lb和圖2所示，本實(shí)施例在去除填充硅坑的負(fù)膠時(shí)采用斜三角形掩膜 版，形成直角三棱臺(tái)微針。
1. 雙拋氧化硅片在18(TC烘箱里烘3個(gè)小時(shí)，然后在雙拋氧化硅片的正面甩 涂光刻正膠5Mm，接著95t:烘30分鐘，如圖2a所示，其中二氧化硅層1位 于硅2的兩側(cè)，其厚度為2.5iam;
2. 用做好目標(biāo)圖形的掩膜版曝光，顯影后開(kāi)出邊長(zhǎng)為350nm的正方形光刻 正膠窗口，如圖2b所示，3為光刻正膠層；
3. 9(TC烘30分鐘，然后在雙拋氧化硅片的背面也甩一層光刻正膠，厚度為
4. 135C烘l個(gè)小時(shí)，然后在45'C恒溫水槽中，用緩沖氫氟酸蝕刻液刻蝕出 寬度為35(^m的二氧化硅窗口，如圖lc所示；
所述的緩沖氫氟酸蝕刻液是指氟化銨氟化氫水-113g: 28mL: 170mL。5. 用丙酮加超聲振蕩去掉光刻正膠直到露出二氧化硅，時(shí)間為5分鐘；
6. 用0.44g/mL的氫氧化鉀液刻蝕出硅倒四棱錐，倒四棱錐的深度為247pm， 如圖ld所示；
7. 用緩沖氫氟酸蝕刻液去掉雙拋氧化硅片正面和背面的二氧化硅層；
8. 18(TC烘箱里烘3個(gè)小時(shí)，在雙拋氧化硅片的正面甩50pm厚度的SU-8 第一負(fù)膠層，然后烘干；
9. 接著在第一負(fù)膠層上再甩150pm的第二負(fù)膠層并烘干，如圖2e所示，4 為硅倒四棱錐上的負(fù)膠；
10. 用斜三角形掩膜版遮住硅倒四棱錐上的負(fù)膠，并對(duì)圖形上其余的負(fù)膠曝
光；
11. 9(TC升溫25分鐘，恒溫30分鐘烘千，然后顯影，如圖2f所示，空白處 為去除的負(fù)膠；
12. 正面濺射鉻100A、銅1400A金屬薄膜作為導(dǎo)電層，如圖2g所示，5為 導(dǎo)電層；
13. 電鍍厚度為5(Him的金屬鎳以形成中空金屬微針，如圖2h所示，6為金 屬鎳；
14. 用0.44g/mL的氫氧化鉀液刻蝕背面硅材料以露出金屬微針頂端；
15. 利用剩余硅作為掩膜，采用鎳刻蝕液去除刻蝕微針的裸露部分，開(kāi)出微 針通孔；
16. 去除負(fù)膠并用0.44g/mL的氫氧化鉀溶液腐蝕掉多余的硅以釋放空心金 屬微針；
加工出的微針如圖3b和圖4所示，其棱臺(tái)底端直角邊長(zhǎng)為290pm，內(nèi)邊長(zhǎng) 為190nm;微針高度為447pm;微針頂端的微針通孔的直角邊為lOpm。 實(shí)施例3
如圖lc和圖2所示，本實(shí)施例在去除填充硅坑的負(fù)膠時(shí)采用正方形掩膜版， 形成四棱臺(tái)微針，具體步驟如下
1.雙拋氧化硅片在18(TC烘箱里烘3個(gè)小時(shí)，然后在雙拋氧化硅片的正面甩 涂光刻正膠5pm，接著95。C烘30分鐘，如圖la所示，其中二氧化硅層1位 于硅2的兩側(cè)，其厚度為2 3]um;
92. 用一已做好目標(biāo)圖形的掩膜版曝光，顯影后開(kāi)出邊長(zhǎng)為350nm的正方形 光刻正膠窗口，如圖lb所示，3為光刻正膠層；
3. 9(TC烘30分鐘，然后在雙拋氧化硅片的背面也甩一層光刻正膠，厚度為
4. 135X:烘l個(gè)小時(shí)，然后在45。C恒溫水槽中，用緩沖氫氟酸蝕刻液刻蝕出 寬度為350^m的二氧化硅窗口，如圖lc所示；
所述的緩沖氫氟酸蝕刻液是指氟化銨氟化氫水413g: 28mL: 170mL。
5. 用丙酮加超聲振蕩去掉光刻正膠直到露出二氧化硅，時(shí)間為5分鐘；
6. 用0.44g/mL的氫氧化鉀液刻蝕出硅倒四棱錐，倒四棱錐的深度為247nm， 如圖ld所示；
7. 用緩沖氫氟酸蝕刻液去掉雙拋氧化硅片正面和背面的二氧化硅層；
8. 180'C烘箱里烘3個(gè)小時(shí)，在雙拋氧化硅片的正面甩50nm厚度的SU-8 第一負(fù)膠層，然后烘干；
9. 接著在第一負(fù)膠層上再甩15(Vm的第二負(fù)膠層并烘干，如圖2e所示，4 為硅倒四棱錐上的負(fù)膠；
10. 用正方形掩膜版遮住硅倒四棱錐上的負(fù)膠，并對(duì)圖形上其余的負(fù)膠曝光；
11. 9(TC升溫25分鐘，恒溫3分鐘烘干，然后顯影，如圖2i所示，空白處 為去除的負(fù)膠；
12. 正面濺射鉻100A、銅1400A金屬薄膜作為導(dǎo)電層，如圖2j所示，5為 導(dǎo)電層；
13. 電鍍厚度為50^n的金屬鎳以形成中空金屬微針，如圖2k所示，6為金 屬鎳；
14. 用0.44g/mL的氫氧化鉀液刻蝕背面硅材料以露出金屬微針頂端；
15. 利用剩余硅作為掩膜，采用鎳刻蝕液去除刻蝕微針的裸露部分，開(kāi)出微 針通孔；
16. 去除負(fù)膠并用0.44g/mL的氫氧化鉀溶液腐蝕掉多余的硅以釋放空心金 屬微針。
加工出的微針如圖3c和圖4所示，其棱臺(tái)底端邊長(zhǎng)為300pm，內(nèi)邊長(zhǎng)為 200pm;微針高度為447pm;微針頂端的微針通孔的邊長(zhǎng)為10pm。
權(quán)利要求
1、一種空心醫(yī)用金屬微針的制備方法，其特征在于，首先通過(guò)光刻在雙拋氧化硅片上開(kāi)出硅刻蝕窗口；濕法刻蝕窗口中的硅得到四棱錐空腔；接著在硅片上甩負(fù)膠填充四棱錐空腔，通過(guò)負(fù)膠厚度來(lái)調(diào)整微針的高度；然后選擇特定的掩膜版曝光去除倒四棱錐內(nèi)的負(fù)膠，得到不同形狀的微針空腔；在微針空腔內(nèi)濺射金屬薄膜作為導(dǎo)電層，并在導(dǎo)電層上電鍍金屬層；最后開(kāi)出微針內(nèi)微針通孔，并去除硅和負(fù)膠，以得到不同形狀的空心金屬微針。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空心醫(yī)用金屬微針的制備方法，其特征是，包括 以下步驟第一步、通過(guò)光刻在雙拋氧化硅片上開(kāi)出硅刻蝕窗口將光刻正膠為掩膜， 采用緩沖氫氟酸蝕刻液進(jìn)行蝕刻液刻蝕去除未受光刻正膠層保護(hù)的雙拋氧化硅 片上的二氧化硅層；第二步、通過(guò)濕法刻蝕窗口中的硅得到四棱錐空腔以二氧化硅層為掩膜， 濕法刻蝕出硅倒四棱錐，并用緩沖氫氟酸蝕刻液蝕刻去除雙拋氧化硅片上正面和 背面上的二氧化硅層；第三步、接著在雙拋氧化硅片上甩負(fù)膠填充四棱錐空腔，通過(guò)負(fù)膠厚度來(lái)調(diào) 整微針的高度；第四步、然后選擇掩膜版曝光去除硅倒四棱錐內(nèi)的負(fù)膠，得到不同形狀的微 針空腔；第五步、在微針空腔內(nèi)濺射金屬薄膜作為導(dǎo)電層，并在導(dǎo)電層上電鍍金屬層； 第六步、最后開(kāi)出微針內(nèi)微針通孔，并去除硅和負(fù)膠，以得到不同形狀的空 心金屬微針。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的空心醫(yī)用金屬微針的制備方法，其特征是，所述 的緩沖氫氟酸蝕刻液是指氟化銨氟化氫水-113g: 28mL: 170mL。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的空心醫(yī)用金屬微針的制備方法，其特征是，所述 的刻蝕是指在45'C恒溫水槽中，采用緩沖氫氟酸蝕刻液進(jìn)行蝕刻，蝕刻的深度 與雙拋氧化硅片上的二氧化硅層的厚度相同。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的空心醫(yī)用金屬微針的制備方法，其特征是，所述的濕法刻蝕是指用0.44g/mL的氫氧化鉀溶液刻蝕雙拋氧化硅片上的硅。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的空心醫(yī)用金屬微針的制備方法，其特征是，所述 的硅倒四棱錐的深度為200 40(Him。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的空心醫(yī)用金屬微針的制備方法，其特征是，所述 的甩負(fù)膠填充四棱錐空腔是指在雙拋氧化硅片的正面先甩厚度為30 50nm的 第一負(fù)膠層并烘干，然后再甩厚度為100 50(^m的第二負(fù)膠層并烘干。
8、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的空心醫(yī)用金屬微針的制備方法，其特征是，所述 的掩膜版的形狀為三角形、正方形或圓形。
9、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的空心醫(yī)用金屬微針的制備方法，其特征是，所述 的導(dǎo)電層是指由下而上厚度為100A的鉻元素層和1400A的銅元素層。
10、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的空心醫(yī)用金屬微針的制備方法，其特征是，所述 的電鍍金屬層是指厚度為20 8(Him的金屬鎳。
全文摘要
一種生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域的空心醫(yī)用金屬微針的制備方法，首先通過(guò)光刻在雙拋氧化硅片上開(kāi)出硅刻蝕窗口；濕法刻蝕窗口中的硅得到四棱錐空腔；接著在硅片上甩負(fù)膠填充四棱錐空腔，通過(guò)負(fù)膠厚度來(lái)調(diào)整微針的高度；然后選擇特定的掩膜版曝光去除倒四棱錐內(nèi)的負(fù)膠，得到不同形狀的微針空腔；在微針空腔內(nèi)濺射金屬薄膜作為導(dǎo)電層，并在導(dǎo)電層上電鍍金屬層；最后開(kāi)出微針內(nèi)微針通孔，并去除硅和負(fù)膠，以得到不同形狀的空心金屬微針。本發(fā)明采用硅與非硅復(fù)合方法制備空心金屬微針，加工成本低。通過(guò)曝光可控制微針針尖的形狀，改善微針刺入皮膚的效果；還能有效的控制微針的高度，改善微針的強(qiáng)度。
文檔編號(hào)A61M37/00GK101623535SQ20091005595
公開(kāi)日2010年1月13日 申請(qǐng)日期2009年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月6日
發(fā)明者劉景全, 剛 唐, 楊春生, 芮岳峰, 閆肖肖 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)