14_聚合物微针的制备与应用

聚合物微针的制备与应用

庄俭1，周刚2，薛领1，杨于光1，张亚军1*

1.北京化工大学机电工程学院，北京100029；

2.宁波力劲科技有限公司，浙江宁波31500

摘要

现在的医用微针主要采用的是医用不锈钢材料，但医用不锈钢材料易断裂在皮肤中，对皮肤造成长久损伤。聚合物具有生物相容与可降解等优点，聚合物材料的微针逐渐成为一个研究的热点。本文主要研究了聚合物微针的结构设计及其强度校核，针对微注射成型填充过程进行了数值模拟分析，对聚合物微针的制备和应用进行了阐述。

关键词：聚合物微针；强度校核；微注射成型；填充过程数值模拟

引言

随着市场的发展，人们越来越关注经皮给药系统，它透过皮肤进行给药，药物从皮肤的角质层进入，通过人体的表皮，最终到达皮肤的真皮，被其中的血管网吸收实现给药[1-3]。经过几十年的研制，贴剂类制药逐渐增多[4-7]，同时在物理方法基础之上的透皮给药技术被开发出来，例如化学促渗、微针（Micro-needle）技术、电致孔、离子导入、超声波导入[8]与压力波导入[9]等，其中一种药物导入技术就是利用微针的经皮给药技术。

目前，透皮给药微针主要分为空心微针和实心微针，加工微针的材料主要选用金属材料和非金属材料，非金属材料主要是聚合物等材料，由于聚合物的易成型性、加工周期短、成本低，切可具有生物相容与可降解等优点，聚合物材料成型微针已经成为性微纳制造领域中一个重要研究方向。实心微针的给药主要分为四种方式[10]：（1）在实心微针的表面涂抹药物，然后将微针刺入人体皮肤从而是实现给药；（2）把微针阵列刺入施药表皮从而形成刺穿孔，然后将需要施加的药物涂抹或是敷在需要进行治疗的部位，这种情况使用实心微针或者是空心微针都可以；（3）采用空心微针的方式进行给药注射；（4）在可进行生物降解的聚合物微针中包裹需要施加的药物，然后把微针刺入皮肤进行药物的释放。由于微针的细小结构，实心微针比空心微针更易加工，采用把药物涂抹在微针的实心微针和形成刺穿孔的实心微针的给药方式的应用更加广泛。

本文主要研究实心聚合物微针的结构设计，校核聚合物材料微针刺入皮肤时的强度，同时分析微针阵列的微注射成型填充过程，优化。

1 聚合物微针的结构设计

图1三棱锥台形

图2四棱锥台形

图3圆锥台形

本文设计的聚合物微针针体的外形结构主要有三种，分别为三棱锥台形、四棱锥台形和圆锥台形微针，如图1、图2、图3所示。模具分型面均位于微针的针体上，三棱锥台形和四棱锥台形微针的一侧面分别垂直于底面，分型面分别设置在此面上；圆锥台形微针的分型面位于微针的轴线方向。三棱锥台形和四棱锥台形微针的分型面位置可避免由于长期使用而产生的错动，此位置优于圆锥台形微针的分型面设置。

图錯誤! 找不到參照來源。微针给药系统

图4微针针体与基板

聚合物微针的给药系统设计为可精确控制微针插入长度的印章式微针工具，整体设计如

图錯誤! 找不到參照來源。所示，图4是其针形阵列设计，主要零部件包括针体、挡板、保护壳和后部的针体长度调节机构。由于皮肤厚度不同或者某些治疗阶段需要不同长度的微针，本设计的微针插入长度调整工具，对不同部位的皮肤治疗有较强的适应性。整体设计采用印章的形式，微针长度的调节可以通过扭动端盖，调节端盖与保护壳之间的间隙，以达到调节微针探出挡板的长度，定位销可以定位于连接柱不同的槽内以达到对微针探出长度的精确控制。

2微针的强度校核

微针的强度校核时，首先应确定皮肤的插入力，National Cancer Center[11]研究了针体在不同插入速度下人体乳腺组织的插入力，速度分别是4mm/s、6mm/s和8mm/s时，针体的插入力约为2.0N。

微针的材料采用PMMA，其弹性模量为2770MPa，泊松比为0.355。三种针体顶部面积均设计为1.96×10-9mm2，且依次设计在同一平面上。按插入力为2.0N计算，微针顶部压强为1020MPa，以下是三种针部结构强度计算分析。

图5变形前后对比

微针变形前后的对比图如

图5所示，图中虚线框图为微针变形前的形状，实体为微针变形后的变形图。由上图可以看出，圆锥台形微针变形量最小，变形量最大的地方发生在四棱锥台的顶部，最大变形矢量和163.45μm。

图7应力强度

图8 von Mises应力强度

由于微针的针体较小，所承受的力也非常有限，錯誤! 找不到參照來源。显示的为微针的应力强度，最大应力发生在三棱锥台的顶部，值为1117.04MPa。图8中最大von Mises应力也位于三棱锥台的顶部，最大值为1113.40MPa。圆锥台的最大应力为620.59MPa，远小于三棱锥台所承受的应力。

对于棱锥台的变形量较大的主要原因为模型设计时把锥台的一面与地面垂直，这有利于分型面的设置，但其会引起较大的变形。并且锥台所受的机械应变量和应力要普遍高于圆锥台所受的机械应变量和应力，圆柱形的针体要优于三棱锥台和四棱锥台形的针体。

3微针的填充模拟

本文针对设计的聚合物微针进行微注射成型数值模拟。首先，对所设计的微针进行网格划分如图所示，网格划分均匀，没有出现自由边界，网格的匹配百分比为93.2%。

图9局部网格划分

图10微针整体填充情况

微针填充完成时的填充情况如图所示，可以得出微针在推荐工艺参数条件下可以完全充满微针的针体，且微针顶部在填充时间末期被填充。

图11注射尾部表层取向

图6浇口处表层取向

带有微针的基板填充末端与浇口处的表层取向分别如

图与

图6所示，针底部的取向会沿着针的轴线方向，而针顶部的取向无规律，产生这种情况大多数是由物料填充的不平衡流动引起的，可通过改变或者修改流道的方式使模腔内的流动平衡。

4 微针的加工与检测

微针模具型腔的加工采用电火花技术，其电极如图7所示。

图7微针电极

为了避免聚合物微针在微注射成型过程中产生拉丝现象，微针模芯的设计图8所示，分型面在微针的针体的径向方向，此种设计可增加微针填充时的排气，也可在微针模腔堵塞时便于清理堵塞物。图9显示的是分层微针模芯的实物安装。

图8分层微针模芯设计

图9分层微针模芯

聚合物微针阵列微注射成型填充时采用PMMA材料，并采用PC材料进行对比分析，图显示的为PMMA材料加工的微针，图显示的为PC材料加工的微针。

图16 PMMA制品

图17 PC制品

PMMA材料加工出的微针针体的表面光洁度较好，并且基本上没有出现飞边。PC 材料做制作的微针的飞边严重，甚至出现倒钩。分析其原因是根据物料性能，PC的流动性较好，在相同注射压力下易产生飞边。

5 微针的应用

实心微针主要有两方面功能：一方面微针透过皮肤进行给药，药物从皮肤的角质层进入，通过人体的表皮，最终到达皮肤的真皮，被其中的血管网吸收，给药得以实现。非常重要的另一方面为微针会多皮肤形成微创，但这些微小的创伤并不会造成伤疤，反而可以刺激皮肤的再生，活化人皮表皮细胞，从而形成对人体皮肤的凹洞和伤疤进行修复。

图18皮肤渗透试验[12]

微针对皮肤的渗透作用如图所示，皮肤