MEMS微针上课讲义.ppt

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1、MEMS微针（MEMSMicroneedle）MEMS微针概述分类制备工艺应用概述透皮给药（percutaneousadministration）：指药物涂布或敷贴于皮肤表面的一种给药方法。除作为皮肤患处的局部给药以外，还可以作为全身性给药。用于后者时可将药膏或贴片置于皮肤较薄的部位，如耳后、臂内侧、胸前区、阴囊等处。此时药物可直接由皮肤角膜层，以及皮肤的附属结构如毛囊、汗腺导管的开口等透入皮下，进入毛细血管，经体循环分布于全身。此给药途径具有方便、简单和药效持久等优点。某些心血管系统药能够透皮吸收，例如硝酸甘油贴片敷贴于心前区后能较好地预防心绞痛发作。透皮给药，其吸收

2、药量与药物接触皮肤面积成正比。药物脂溶性增加可加速透皮吸收，皮肤角质层湿润时可增加药物的吸收率。用于敷贴透皮吸收的药物通常要制成缓释剂型，使药物缓慢而平稳的释放，以达到药效持久发挥之目的。概述微针的概念在20世纪70年代已被提出，由于受到制造条件的限制，直到微机电系统（MEMS）技术成熟，各种微针才被制作出。传统机械制作方法制作直径小于300μm的针已相当困难，而微电子机械工艺技术（MEMS）可以制作结构复杂的微米尺度的微针。微针(Microneedles):是指制作材料包括金属、硅、二氧化硅、玻璃、镍、钛及可生物降解的聚合物等，采用MEMS工艺等制备的直径为几十微米,

3、长度100μm以上的针状结构。由于硅材料具有脆性，且不适合作为模具来大批量复制，因此近年来微针研究的重点逐步转移到金属和聚合物材料。概述人的外层皮肤，由外向内，依次是角质层，表皮层和真皮层。角质外层的厚度在10～15μm，是死去细胞的组织，是液体的屏障，具有电绝缘性。下面是表皮（50～100μm），包括活细胞，但绕开了血管，几乎不包括神经，这层皮肤是相当于电解液的导电组织。再深层，真皮形成了皮肤大部分的体积，它不但包括活细胞，而且包括神经和血管。这样，微针刺穿皮肤10～15μm，而小于50～100μm的深度，可以提供穿过角质层的传送通道，达到导电组织，而由于刺不到深层组

4、织的神经不会有痛感。一般注射时，微针的长度应该要大于角层的厚度10～40μm，小于角质层和表皮层厚度之和200μm。概述在生物化学检验和研究中用的微针都是单个的玻璃或金属微针,是采用常规的拉制或磨削工艺加工的,无法形成阵列,因此存在加工效率低、成本很高的缺点,难以实现精确和微量采样。现在较多的是采用微针阵列进行各种应用。采用微针阵列给药或采样,不仅能实现精确、微量、无痛,而且可以使生化检验的精度、可靠性和效率大幅度提高。微针和MEMS中的微流体、微分析系统相结合,可以实现生化检测的微型化和集成化。研究进展美国乔治亚州理工学院的科学家们开展微针的系统研究,研究了硅、玻璃、

5、金属或其它医用聚合物材料的实心和中空微针的加工方法及微针向细胞和皮肤输送药物的能力。微型针头适用于小剂量注射高效药物,特别是一些利用生物新技术制造的基于蛋白的大分子药物。微型针头还可通过计算机控制,对病人进行精确的药物治疗。下图为实心和中空微针的电镜照片。研究进展日本Kansan大学的研究人员开展了用于微量血液检测的微型针加工方法的研究,因为血液采集系统中需要更长的针。制造这种针应该放在平行于硅表面的方向上,长大约2～4mm的中空的针,通过应用掺硼自停止腐蚀技术制造,这项研究的最终目标是发展微量血液采集系统。因为这种系统携带很方便并且可控,将来不仅可用于常规的血液监测而

6、且可用于连续长期的健康监测或者地方的医学服务等。研究进展瑞典皇家研究院的科研人员也提出了一种新的硅微针加工方法,其特别吸引人的地方在于微针中空通道的出口设计在硅微针的侧面,该设计可极大地提高硅微针的强度,增大药物与肌肉组织的接触面,降低通道阻塞率（左下图）。美国加利福尼亚大学研究了用于药物传输的斜开口微针阵列（右下图）。微针技术的优势与挑战优势：（1）针头极其锋利，对生物组织器官的破坏量小，可避免与痛觉感受器官接触；表面处理后，MEMS微针可避免被刺入区域的感染和发炎；还可通过制作微结构过滤细菌，降低注射引起的细菌感染。（2）可精确控制注射的剂量、速率和位置；可利用多个

7、微针和流体控制技术混合药物溶液，并注射到生物体内。（3）可穿透皮肤提取体液样品进行分析；可通过其上的微电极反馈体内药物浓度的变化情况；可制成便携式装置监测生物体在药物传输与释放过程中的新陈代谢。（4）具有高集成度，传统的药物传输系统高考样品存储与供应系统、控制系统、推进系统和检测系统，MEMS微针将这些系统集成并封装到极小的体积内实现未定的药物/基因传输过程。（5）可大批量加工，可以大大降低成本。困难和挑战（1）材料与生物兼容性问题；（2）对生物体的损坏量以及自身刺穿能力问题；（3）新材料与MEMS的兼容性问题。微针的分类目前，用于制作微