熱壓成型聚合物實(shí)心微針的模具設(shè)計(jì)

 摘要: 傳統(tǒng)的給藥方式有經(jīng)皮給藥和透皮給藥2 種方式。而微針經(jīng)皮給藥可以有效地將2 種給藥技術(shù)相結(jié)合。
微針作為一種新型醫(yī)療技術(shù)，既結(jié)合了傳統(tǒng)給藥方式的優(yōu)點(diǎn)，又克服了其劣勢(shì)，未來(lái)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。而微針尺寸小，屬于微米尺度制品，其成型和大批量生產(chǎn)主要依賴于微成型模具。文章設(shè)計(jì)了一種微成型熱壓模具，模具主要由壓模成型零件、控溫系統(tǒng)、定位導(dǎo)向系統(tǒng)3 部分組成，設(shè)計(jì)的成型零件結(jié)構(gòu)將裁剪與熱壓2 種功能統(tǒng)一，倒T 型結(jié)構(gòu)將聚合物片自動(dòng)頂出型腔，為實(shí)現(xiàn)聚合物微針低成本、大批量生產(chǎn)提供了解決方案?；赑C 聚合物成功制備微針的實(shí)驗(yàn)，證明了聚合物微針模具設(shè)計(jì)方案、模具整體結(jié)構(gòu)、模具設(shè)計(jì)及模具材料的選擇都是合理的。
0 引言
        傳統(tǒng)的經(jīng)皮給藥主要通過(guò)皮下注射，這種方式突破角質(zhì)層屏障，直接把藥物送到皮膚深層，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確有效地給藥，但是經(jīng)常會(huì)發(fā)生疼痛、皮膚感染、組織損傷等問(wèn)題，危害患者健康。傳統(tǒng)的透皮給藥有藥物涂覆、膏藥貼片等方式，其使用便捷，沒(méi)有痛感，可以隨時(shí)停止給藥，但皮膚角質(zhì)層會(huì)阻礙藥物，使藥物吸收效果不理想［1］。微針經(jīng)皮給藥作為一種將傳統(tǒng)的經(jīng)皮給藥與透皮給藥技術(shù)相結(jié)合的新型給藥方式［2 － 3］，其主要仿照蚊子口針設(shè)計(jì)［4］，既有傳統(tǒng)經(jīng)皮給藥運(yùn)輸藥物速度快、準(zhǔn)確給藥的優(yōu)點(diǎn)，又沒(méi)有皮膚損傷、疼痛及感染等副作用，同時(shí)避免了難以輸送生物大分子藥物的劣勢(shì)［5］。
        微針的制備方法多種多樣，有各向異性濕法腐蝕法、干法刻蝕和微細(xì)加工技術(shù)。李以貴等［6］通過(guò)LIGA 技術(shù): X 光光刻、顯影之后得到聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA) 微針陣列。Park 等［7］結(jié)合掩膜刻蝕技術(shù)和MEMS 技術(shù)，制備出帶有傾斜針尖的生物可降解聚合物微針。閆肖肖等［8］等人通過(guò)微針原始模具的制作，微針模具的制作，運(yùn)用澆鑄成型的方法復(fù)制了四棱錐微針。但是大量的研究者所采用的成型方法都只適用在實(shí)驗(yàn)研究中的少量生產(chǎn)，并且生產(chǎn)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)成本高，工藝條件可重復(fù)性差，難以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，更難應(yīng)用在工業(yè)化生產(chǎn)中。文章設(shè)計(jì)了一種微針熱壓微成型模具，該成型方法工藝簡(jiǎn)單、成型周期短，提高了微針成型效率，實(shí)現(xiàn)了微針高質(zhì)量、大批量成型。
1 微針?biāo)芗治?br/>        制作微針常用的材料有: 硅、金屬和聚合物。硅材料微針制作工藝技術(shù)成熟、便于集成化，但硅微針抗斷裂強(qiáng)度低，在刺入皮膚后容易發(fā)生斷裂，造成針頭留在體內(nèi)［8］。金屬微針堅(jiān)硬不易破碎，力學(xué)性能優(yōu)異，不會(huì)像硅微針在刺入皮膚后發(fā)生斷裂有殘留在體內(nèi)的可能，但是金屬微針制備目前只能通過(guò)刻蝕、鑄模電鍍等方法，加工成本高，不易工業(yè)化生產(chǎn)，并且金屬容易被氧化污染，對(duì)人體造成危害［9］。聚合物應(yīng)用廣泛、價(jià)格便宜，具有很好的生物相容性［10］。隨著聚合物的發(fā)展，研究聚合物微針的應(yīng)用越來(lái)越多，文章設(shè)計(jì)的模具主要應(yīng)用于制作聚合物微針。
        微針針尖的形狀有圓筒形［11］、尖銳針尖、圓柱形針體及側(cè)面開口的微針［12］、頂部為半球形的空心微針［13］、四棱錐形［14］、帶溝槽的實(shí)心聚合物微針［15］。文章中，微針針尖的形狀為實(shí)心三棱錐，如圖1 所示，微針高315 μm，底面為邊長(zhǎng)250 μm 的等邊三角形。微針排列為6 × 10 的矩形，一次成型共計(jì)60 個(gè)微針。

2 模具設(shè)計(jì)
2. 1 微針模具設(shè)計(jì)要求
        成型微針制品的微針成型模具屬于微成型模具，其設(shè)計(jì)的合理性和加工質(zhì)量直接決定了成品的質(zhì)量［16］，因此設(shè)計(jì)的模具應(yīng)滿足: 1) 熱壓過(guò)程中，凸模和凹模會(huì)發(fā)生接觸，所以模具要有足夠的剛度、強(qiáng)度，保證模具分型面基準(zhǔn)不變; 2) 凸模和凹模表面要和聚合物片直接接觸，由于微結(jié)構(gòu)尺寸小，充模之后，聚合物更容易黏接在結(jié)構(gòu)中，造成取樣困難，因此加工精度要求高，表面要足夠光潔; 3) 為實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，模具必須具有快速升
溫降溫功能; 4) 成型表面要有足夠的平面度，微量誤差會(huì)造成微針無(wú)法成型; 5) 凸模和凹模需要在密閉的空間內(nèi)成型微針制品，配合精度要求高; 6) 微針模具的型腔尺寸屬于微尺度范圍，尺度效應(yīng)的存在使成型過(guò)程中熔體的流動(dòng)、傳熱與宏觀尺度下形成差異［16］，手動(dòng)脫模會(huì)導(dǎo)致成型微針發(fā)生傾斜，需要設(shè)置自動(dòng)脫模裝置。同時(shí)，文章所使用的本實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的微納成型熱壓印機(jī)進(jìn)一步為微針的精密成型提供了保證。
2. 2 模具選材
        為保證凹凸模具的剛度，選擇用于制件形狀復(fù)雜、工作負(fù)荷較重的Cr12MoV 模具鋼。過(guò)熱處理后，Cr12MoV 鋼具有較高的硬度、高溫強(qiáng)度、耐磨性和較高的抗回火穩(wěn)定性，能承受高溫、高壓的作用，承受較大的沖擊力，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。微針鑲塊使用具有高拋光度及高耐蝕的塑料模具鋼S136。上下模架采用S50C 高級(jí)優(yōu)質(zhì)中碳鋼，此種鋼材耐磨性優(yōu)良、延展性小。加熱板、通風(fēng)板、壓緊板、微針擋塊、U 形塊、排氣板則采用
具有較高強(qiáng)度和較好切削加工性、經(jīng)適當(dāng)熱處理以后可獲得一定的韌性、塑性和耐磨性且材料來(lái)源方便的中碳調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼45號(hào)鋼，其調(diào)質(zhì)處理后的零件具有良好的綜合力學(xué)性能。
2. 3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2. 3. 1 擬定結(jié)構(gòu)形式
        實(shí)驗(yàn)采用壓制成型，成型模具分為上模和下模，上模為動(dòng)模，隨著滑動(dòng)臺(tái)上下移動(dòng)，下模為定模，固定在熱壓機(jī)的工作臺(tái)上。模具整體結(jié)構(gòu)主要由壓模成型零件、導(dǎo)向零件、控溫系統(tǒng)構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

        在壓印過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，聚合物片材由于受到壓力的作用會(huì)沿著平面方向流動(dòng)取向，聚合物充滿型腔所需壓強(qiáng)達(dá)到50 MPa 以上，過(guò)大的壓力不僅造成微針制品成型困難，取向變形效應(yīng)使位于陣列邊緣的微針制品高度明顯低于中心微針高度，高度均勻性差。所以將凹凸模改進(jìn)設(shè)計(jì)為可以形成密閉空間的結(jié)構(gòu)。
2. 3. 2 整體結(jié)構(gòu)
        模具的整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。壓模成型零件主要包括: 凸模、壓緊板、凹模、微針鑲塊、滑塊; 模具的定位依靠滾珠導(dǎo)柱; 控溫系統(tǒng)包括加熱塊、支撐板、通風(fēng)板。
模具上半部分包括: 上模座、上隔熱板、上支撐板、上加熱塊、上通風(fēng)板、凸模、壓緊板。下半部分包括: 凹模、滑塊、微針鑲塊、排氣板、下通風(fēng)板、下模座。

2. 3. 3 成型零件結(jié)構(gòu)
1) 凸模結(jié)構(gòu)
        凸模的設(shè)計(jì)如圖3 所示，凸模和壓緊板屬于上模具部分，凹模、滑塊、排氣板和微針鑲塊屬于下模具部分，兩者以兩分型面為界。在未接觸時(shí)，壓緊板的下表面低于凸模的下表面，凸模與壓緊板之間設(shè)有彈簧，壓緊板接觸到凹模后，彈簧收縮，凸模和凹模裁剪聚合物片，同時(shí)形成微針制品型腔。凸模與凹模的側(cè)邊設(shè)有螺紋孔，螺紋孔放置熱電偶，起到控制模具溫度的作用。
2) 凹模結(jié)構(gòu)
        凹模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4 所示，在滑塊上有上部頂出結(jié)構(gòu)和下部頂出結(jié)構(gòu)。上部頂出結(jié)構(gòu)具有將熱壓成型后的聚合物片頂出凹模型腔的作用，而下部頂出結(jié)構(gòu)則主要將滑塊移動(dòng)至低于凹模上表面，使凹模、滑塊、凸模和壓緊板形成一個(gè)密閉空間，熱壓過(guò)程結(jié)束后將滑塊頂起。在上部頂出結(jié)構(gòu)的共同作用下使微針聚合物片脫離凹模和滑塊

3) 微針鑲塊結(jié)構(gòu)
        微針鑲塊模具設(shè)計(jì)采用疊片式，由多個(gè)長(zhǎng)方體金屬片組成，長(zhǎng)方體一側(cè)上方加工微針凹型結(jié)構(gòu)，相鄰兩片金屬片拼接組成微針型腔，如圖5、6 所示。疊片式微針模具嵌入到下模的滑塊中，該疊片式微針模具在加工微針凹形微結(jié)構(gòu)時(shí)，只需在單個(gè)金屬片的側(cè)面加工出微針凹形微結(jié)構(gòu)，將復(fù)雜的金屬高深寬比體微加工轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的面加工。

 綜上所述，所設(shè)計(jì)的模具密閉空間解決了壓印壓力過(guò)大和片材取向造成的微針尺寸不精確及模具變形壽命短的問(wèn)題，同時(shí)，裁剪和脫模的一體化設(shè)計(jì)提高了成型效率，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)提供了可能。微針鑲塊模具還可隨時(shí)進(jìn)行更換，成型其它制品，節(jié)約了制造成本。
2. 3. 4 其他零件結(jié)構(gòu)
1) 支撐板
        支撐板結(jié)構(gòu)示意圖如圖7 所示，加熱塊用于模具的升溫，中部的2 個(gè)U 形槽放置加熱塊，起到固定加熱塊位置，使其不發(fā)生移動(dòng)的作用。U 形槽與加熱塊采用間隙配合，保護(hù)了加熱塊，使其不被上模座和下模座壓壞，保證了其壽命。
2) 隔熱板
        隔熱板用于模具的保溫，提高了加熱效率，同時(shí)避免溫度傳導(dǎo)至上下模座與熱壓印機(jī)的上下工作臺(tái)，造成壓印機(jī)的損壞。加熱板分別設(shè)置在上模座和上支撐板、下模座和下支撐板之間，復(fù)合材料厚12 mm，耐溫200 ℃。
3) 通風(fēng)板
        通風(fēng)板結(jié)構(gòu)示意圖如圖8 所示，在中部加工寬8 mm 的矩形槽5 條，這5 條矩形槽為壓縮空氣的流動(dòng)通道。同時(shí)在基板的兩側(cè)設(shè)置通孔，用于進(jìn)出壓縮空氣，起到快速冷卻的作用。
4) 排氣板
        排氣板的結(jié)構(gòu)示意圖如圖9 所示，在基板中部開有V 形槽，V 形槽與微針鑲塊底部接觸，由于微針鑲塊由疊片組成，空氣可以通過(guò)疊片間的縫隙到達(dá)排氣板的V 型槽，從而排出型腔中的空氣。

2. 3. 5 工作過(guò)程
        將聚合物片材放置于上模與下模的分型面處，熱壓機(jī)啟動(dòng)后，模具上半部分下行，在壓緊板接觸到凹模時(shí)將聚合物片材壓緊，凸模繼續(xù)下行，凸模與壓緊板之間的彈簧壓縮，將聚合物片材裁剪成凹模型腔尺寸大小的薄片，凸模推動(dòng)聚合物片材下行直至接觸到微針鑲塊，滑塊在下部頂出結(jié)構(gòu)的作用下收縮，凸模的下表面位于分型面水平線下，此時(shí)凹模的微針鑲塊形成一個(gè)密閉空間，在壓力和溫度的共同作用下，聚合物片材變成黏彈態(tài)，充滿微針模具型腔，壓印完成后，模具上半部分上行，模具下半部分中滑塊也上行，待與凹模上平面平行時(shí)，將有微針的聚合物片材頂出凹模型腔，滑塊上部頂出結(jié)構(gòu)將聚合物片材脫離滑塊和微針鑲塊表面。

3 聚碳酸酯微針成型
        聚合物材料采用聚碳酸酯( PC) 片材( 東莞市群美塑膠材料廠) ，厚度為1 mm。
熱壓印機(jī)采用由北京化工大學(xué)塑料機(jī)械與塑料工程研究所自主研發(fā)的IHE-200A 熱壓印機(jī)。此壓機(jī)專為微結(jié)構(gòu)壓印成型設(shè)計(jì)，采用伺服電機(jī)作為動(dòng)力源，能對(duì)滑塊的行程、速度和工作壓力、上下模板平行度等進(jìn)行精確控制。最大輸出壓力200 kN，上滑塊行程180 ～ 300 mm，上滑塊和下工作臺(tái)面大小相同。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程: 將聚合物片材放于模具下部分凹模的分型面處，啟動(dòng)熱壓機(jī)后，模具上半部分下行，壓緊板將PC 片壓緊，凸模把PC 片裁剪后，PC 片隨著凸模進(jìn)入凹模型腔，滑塊頂出結(jié)構(gòu)在凸模的壓力作用下收縮，PC 片處于凸模、滑塊、凹模、微針鑲塊的密閉空間內(nèi)，在模具上下模板溫度為154 ℃，壓強(qiáng)為12 MPa的條件下形成微針。熱壓結(jié)束后，模具上半部分上行，PC 微針片在滑塊上部頂出結(jié)構(gòu)作用下彈出凹模型腔，最后取出制品完
成實(shí)驗(yàn)。
        通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，模具成功制備出PC 聚合物微針片，PC 微針片整體圖和單個(gè)放大圖如圖10 所示。其過(guò)程中模具成型零件沒(méi)有出現(xiàn)失效現(xiàn)象，證明設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)論
        1) 根據(jù)聚合物微針壓印要求，設(shè)計(jì)了聚合物微針壓印模具，模具結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了裁剪、熱壓、冷卻功能的一體化，操作簡(jiǎn)單，效率高，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)提供了條件。
        2) 疊片式微針鑲塊設(shè)計(jì)，為微針模具提供了可行的加工方法，同時(shí)，鑲塊可更換特點(diǎn)降低了微針模具的加工成本。
        3) 基于PC 片材進(jìn)行壓印實(shí)驗(yàn)，成功壓制出PC 微針，證明微針模具設(shè)計(jì)方案，模具整體結(jié)構(gòu)，模具材料選擇是合理的。