一种倒金字塔型聚合物微针模板及其应用
阅读说明：本技术 一种倒金字塔型聚合物微针模板及其应用 (Inverted pyramid type polymer microneedle template and application thereof ) 是由 周宁宁 许弯弯 于 2021-09-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种倒金字塔型聚合物微针模板及其应用,属于生物医用材料技术领域。且该制备方法包括以下步骤：1)聚苯乙烯微球模板的制备；2)碱性刻蚀得带有有序倒金字塔结构阵列的聚合物微针模板。且本发明利用自组装方法制备了聚苯乙烯微球模板,再利用此聚苯乙烯微球模板制备聚合物微针模板,该方法简单、快捷、操作方便,且以聚苯乙烯微球的直径大小决定蚀刻出的倒金字塔结构大小,使得聚合物微针模板的尺寸可控；且获得的聚合物微针模板具有自清洁的特点,可重复使用。此外,本发明还利用该聚合物微针模板转印得聚合物微针,该过程具有操作简单,无溶液参与和无残胶处理过程的优点,且获得的聚合物微针具有有序阵列分布的特点。(The invention discloses an inverted pyramid type polymer microneedle template and application thereof, and belongs to the technical field of biomedical materials. And the preparation method comprises the following steps: 1) preparing a polystyrene microsphere template; 2) and (5) alkaline etching to obtain the polymer microneedle template with the ordered inverted pyramid structure array. The method is simple, quick and convenient to operate, and the size of the inverted pyramid structure etched by the diameter of the polystyrene microspheres is determined, so that the size of the polymer microneedle template is controllable; and the obtained polymer micro-needle template has the characteristic of self-cleaning and can be repeatedly used. In addition, the invention also utilizes the polymer microneedle template to transfer and obtain the polymer microneedle, the process has the advantages of simple operation, no solution participation and no residual gum processing process, and the obtained polymer microneedle has the characteristic of ordered array distribution.)
技术领域
本发明属于生物医用材料技术领域，具体地，涉及一种倒金字塔型聚合物微针模板及其应用。
背景技术
透皮给药是指药物经过皮肤吸收后进入全身血液循环并达到有效血药浓度，从而实现疾病治疗或预防的一种给药方式。传统的透皮给药以皮肤贴剂为主要手段，这有利于长期给药。但由于皮肤角质层的屏障作用，导致药物对皮肤的渗透性较差，使得仅有很小一部分药物分子能穿透皮肤，因此很难达到治疗疾病的有效药物浓度。为了增加药物的皮肤渗透率，人们通过物理或化学方法开发出多种透皮给药技术，其中就包括新型有效的微针给药技术。微针给药是一种结合皮下注射和皮肤贴片双重优势的微侵袭透皮给药方式，利用微针刺穿皮肤表皮的角质层后形成微小通道，药物可沿着通道进入皮肤，提高了其渗透率和特定部位蓄积，同时微针又不触及分布有痛觉神经的真皮层，因此具有高效、安全、无痛等优势，在透皮给药领域中得到了广泛应用。
微针一般是由金属、单晶硅、聚合物等材料制成、长度5-900μm、针尖呈对称圆锥形或非对称斜面形的微纳米级阵列结构。然而金属、单晶硅等硬质材料较差的生物相容性，且易引起排异反应。因此，与其他硬质材料相比，聚合物微针具有制备方法简单，制备条件温和，材质软易贴合皮肤的特点，不仅能有效较低成本，同时聚合物材质的高生物稳定性和相容性，使得聚合物微针拥有更加广阔的研究和应用前景。聚合物微针一般通过微结构模板法来制备，采用将聚合物胶体浇筑在特定结构的微结构模板上，固化后分离聚合物与模板即可得到微针阵列。微针阵列具有尺寸小、足够的硬度刺破表皮层的特点，因此，就需要符合相应反结构的模板。而模板的制作一般分为激光刻蚀、离子刻蚀和湿法刻蚀等方法，将模板表面制备出具有锥形微孔结构的阵列微针模具。而激光刻蚀和离子刻蚀制备的模板阵列的精度和生产效率较高，可以实现微针模板的大批量生产，但是这两种方法都需要特殊的设备、制备过程繁琐、制备微针模板成本较高，且高温或高压等苛刻的条件也极大地限制了微模板法在聚合物微针制备上的应用。例如专利申请202011488697.3公开了一种金字塔型柔性微针阵列及其制备方法，这种方法利用了深硅刻蚀技术，通过光刻胶层制备特定图案的掩模板，再利用反应离子刻蚀机进行选择性蚀刻，即可制得微结构模板。在上述发明中需要用到特殊的设备，且制备过程复杂。
因此，针对以上问题，本发明提供了一种成本低廉、过程简单、尺寸可控、可工厂化生产的聚合物微针模板，并在此基础上，制备了一种有序阵列分布的聚合物微针。
发明内容
本发明的目的在于提供一种倒金字塔型聚合物微针模板及其应用，通过自组装方法在硅片表面制备有序多孔的聚合物模板，再利用湿化学法选择性蚀刻出有序倒金字塔结构的硅胶，并以此为模板得到正金字塔型聚合物微针，以解决现有聚合物微针模板制备成本高、过程繁琐复杂的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种倒金字塔型聚合物微针模板，通过以下步骤制成：
1)将聚苯乙烯微球溶液用自组装方法在硅片表面沉积，并进一步处理，以加强聚苯乙烯微球与硅片基底之间作用力，得聚苯乙烯微球模板；
2)在聚苯乙烯微球模板上滴涂一层聚二甲基硅氧烷溶液，固化，固化后去除聚苯乙烯微球，再利用碱溶液进行刻蚀，最后去离子水清洗，晾干，即得一种倒金字塔型聚合物微针模板。
进一步地，步骤1)中自组装方法为蒸发诱导法、旋涂或喷涂中的一种。
进一步地，步骤1)中所述聚苯乙烯微球的直径为0.5-10μm，所述聚苯乙烯微球溶液的质量分数为3-10％。
进一步地，步骤1)中进一步处理为加热处理、等离子体氩气刻蚀中的一种。
进一步地，所述加热处理为60-100℃下处理0.5-4h。
进一步地，所述等离子体氩气刻蚀的刻蚀时间为5-30min。
进一步地，步骤2)中滴加的聚二甲基硅氧烷溶液的溶剂为正己烷、环己烷、甲苯中的一种，且聚二甲基硅氧烷溶液的质量分数为5-30％，聚二甲基硅氧烷溶液中还包括固化剂，且聚二甲基硅氧烷与固化剂质量比为3-9:1。
进一步地，步骤2)中固化条件为30-120℃下处理0.5-12h。
进一步地，所述步骤2)中去除聚苯乙烯微球的方法为浸泡在二氯甲烷或三氯甲烷或丙酮或四氢呋喃中5-15min。
进一步地，步骤2)中碱溶液为KOH、异丙醇和去离子水混合组成，其中，KOH质量分数为3-10％，异丙醇体积分数为3-15％。
进一步地，步骤2)中碱液刻蚀条件为水浴加热50-90℃，5-60min。
进一步地，步骤2)中获得的倒金字塔型聚合物微针模板具有有序倒金字塔结构的特点。
该倒金字塔型聚合物微针模板用于转印制作聚合物微针，具体包括以下步骤：
将聚合物胶体倒入倒金字塔型聚合物微针模板中，在负压加热环境下固化，固化后，从硅胶模板上面揭离，即可得到聚合物微针。
进一步地，所述聚合物胶体包括硅橡胶、环氧树脂、聚二甲基硅氧烷及其相匹配的固化剂，也可为其他高分子聚合物，如明胶、壳聚糖、海藻酸钠、羟甲基纤维素、甲基纤维素、脂肪聚酯类聚合物、聚酸酐中的一种或几种。
进一步地，所述负压加热固化条件为在30-120℃下，处理0.5-12h。
进一步地，所述柔性金字塔型聚合物微针由柔性聚合物衬底层和聚合物金字塔构成，且金字塔高度为1-100μm，相邻金字塔结构中心间距为1-10μm，柔性聚合物衬底层厚度为1-5mm。
本发明的有益效果：
1、本发明利用自组装方法制备了聚苯乙烯微球模板，该方法简单、快捷、操作方便；再利用此聚苯乙烯微球模板制备硅胶模板，聚苯乙烯微球的直径大小决定蚀刻出的倒金字塔结构大小，进而影响正金字塔聚合物微针的结构参数，因此具有尺寸可控、阵列整齐的优点；
2、与现有技术相比，本发明制备倒金字塔型聚合物微针模板的方法为化学湿法刻蚀法，具有聚二甲基硅氧烷溶液配比简单、易于制备的特点，且能合成大面积的重复性好的微纳结构(微纳米级结构)，同时具有自洁的优点；
3、由倒金字塔型聚合物微针模板转印出柔性金字塔型聚合物微针的制备过程，具有操作简单，无溶液参与和无残胶处理过程的优点；
4、因倒金字塔型聚合物微针模板自清洁特点，转印出的柔性金字塔型聚合物微针结构不会对模板表面造成损伤，因此，本发明提供的聚合物微针模板可重复使用，便于聚合物微针的大规模生产。
因此，综上所述，本发明提供的聚合物微针模板，具有成本低廉、过程简单、微针尺寸可控、可用于工厂化生产聚合物微针的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1-1制备的聚苯乙烯微球模板的扫描电镜图片；
图2为实施例2-1制备的硅胶基板的扫描电镜图片；
图3为实施例3-1制备的聚合物微针模板的扫描电镜图片；
图4为实施例4-1制备的正金字塔型聚合物微针的扫描电镜图片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1-1：
聚苯乙烯微球模板通过以下方法制成：
将质量分数为5％聚苯乙烯微球溶液旋涂在硅片表面，自然晾干，然后进行加热处理(在80℃下处理1h)，得聚苯乙烯微球模板。
将获得聚苯乙烯微球模板进行电镜扫描，得聚苯乙烯微球模板的电镜扫描图片如图1所示。
实施例1-2：
聚苯乙烯微球模板通过以下方法制成：
将质量分数为3％聚苯乙烯微球溶液旋涂在硅片表面，自然晾干，然后进行加热处理(在100℃下处理0.5h)，得聚苯乙烯微球模板。
实施例1-3：
聚苯乙烯微球模板通过以下方法制成：
将质量分数为10％聚苯乙烯微球溶液旋涂在硅片表面，自然晾干，然后等离子体氩气刻蚀20min，得聚苯乙烯微球模板。
实施例1-4：
聚苯乙烯微球模板通过以下方法制成：
将质量分数为3％聚苯乙烯微球溶液旋涂在硅片表面，自然晾干，然后等离子体氩气刻蚀30min，得聚苯乙烯微球模板。
实施例2-1：
硅胶基板通过以下方法制成：
在实施例1-1获得的聚苯乙烯微球模板上滴涂一层质量分数为5％聚二甲基硅氧烷溶液(聚二甲基硅氧烷：固化剂＝3:1)，然后放置在烘箱中加热30℃，处理10h，再浸泡在二氯甲烷溶液中5min去除聚苯乙烯微球，即得硅胶基板。
将获得硅胶基板进行电镜扫描，得硅胶基板的电镜扫描图片如图2所示。
实施例2-2：
硅胶基板通过以下方法制成：
在实施例1-2获得的聚苯乙烯微球模板上滴涂一层质量分数为15％聚二甲基硅氧烷溶液(聚二甲基硅氧烷：固化剂＝6:1)，然后放置在烘箱中加热70℃，处理5h，再浸泡在三氯甲烷溶液中10min去除聚苯乙烯微球，即得硅胶基板。
实施例2-3：
硅胶基板通过以下方法制成：
在实施例1-3获得的聚苯乙烯微球模板上滴涂一层质量分数为30％聚二甲基硅氧烷溶液(聚二甲基硅氧烷：固化剂＝9:1)，然后放置在烘箱中加热120℃，处理0.5h，再浸泡在丙酮中15min去除聚苯乙烯微球，即得硅胶基板。
实施例2-4：
硅胶基板通过以下方法制成：
在实施例1-4获得的聚苯乙烯微球模板上滴涂一层质量分数为20％聚二甲基硅氧烷溶液(聚二甲基硅氧烷：固化剂＝3:1)，然后放置在烘箱中加热30℃，处理10h，再浸泡在四氢呋喃中5min去除聚苯乙烯微球，即得硅胶基板。
实施例3-1：
一种倒金字塔型聚合物微针模板通过以下方法制成：
将KOH质量分数为3％，异丙醇体积分数为5％的碱性蚀刻液放置在水浴锅中，加热至80℃，并预热10min后将实施例2-1制备的硅胶基板放入该溶液中，保温反应10min，并用去离子水清洗，晾干，即得一种倒金字塔型聚合物微针模板。
将获得聚合物微针模板进行电镜扫描，得聚合物微针模板的电镜扫描图片如图3所示。
实施例3-2：
一种倒金字塔型聚合物微针模板通过以下方法制成：
将KOH质量分数为7％，异丙醇体积分数为3％的碱性蚀刻液放置在水浴锅中，加热至80℃，并预热10min后将实施例2-2制备的放入该溶液中，保温反应10min，并用去离子水清洗，晾干，即得一种倒金字塔型聚合物微针模板。
实施例3-3：
一种倒金字塔型聚合物微针模板通过以下方法制成：
将KOH质量分数为10％，异丙醇体积分数为15％的碱性蚀刻液放置在水浴锅中，加热至80℃，并预热10min后将实施例2-3制备的放入该溶液中，保温反应10min，并用去离子水清洗，晾干，即得带有有序倒金字塔结构阵列的硅胶模板。
实施例3-4：
一种倒金字塔型聚合物微针模板通过以下方法制成：
将KOH质量分数为4％，异丙醇体积分数为7％的碱性蚀刻液放置在水浴锅中，加热至80℃，并预热10min后将实施例2-4制备的放入该溶液中，保温反应10min，并用去离子水清洗，晾干，即得一种倒金字塔型聚合物微针模板。
实施例4-1：
金字塔型聚合物微针通过以下方法制成：
将聚合物胶体倒入实施例3-1制备的硅胶模板中，真空烘箱中加热50℃环境下固化8h，然后从硅胶模板上面揭离，即可得到柔性金字塔型聚合物微针。
将获得金字塔型聚合物微针进行电镜扫描，得柔性金字塔型聚合物微针的电镜扫描图片如图4所示，可以得出相邻金字塔结构中心间距为6μm。
实施例4-2：
金字塔型聚合物微针通过以下方法制成：
将聚合物胶体倒入实施例3-2制备的硅胶模板中，真空烘箱中加热50℃环境下固化8h，然后从硅胶模板上面揭离，即可得到金字塔型聚合物微针。
实施例4-3：
金字塔型聚合物微针通过以下方法制成：
将聚合物胶体倒入实施例3-3制备的硅胶模板中，真空烘箱中加热30℃环境下固化12h，然后从硅胶模板上面揭离，即可得到金字塔型聚合物微针。
实施例4-4：
金字塔型聚合物微针通过以下方法制成：
将聚合物胶体倒入实施例3-4制备的硅胶模板中，真空烘箱中加热120℃环境下固化0.5h，然后从硅胶模板上面揭离，即可得到金字塔型聚合物微针。
从图1-图2可知硅胶基板上的微孔的微观形态与聚苯乙烯微球的形态相关，从图2-图3可知倒金字塔型聚合物微针模板上的有序倒金字塔结构阵列是以硅胶基板上的微孔为基础形成的，从图3-图4可知金字塔型聚合物微针的微观形态与倒金字塔型聚合物微针模板上的有序倒金字塔结构阵列的微观形态相互对应，综上，可知聚苯乙烯微球的形态、大小可调控倒金字塔型聚合物微针模板的金字塔的大小和形态，进而调控聚合物微针的金字塔的大小和形态。
在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。