本發明屬于醫療器械與機械加工領域，涉及一種三維傾斜式金屬微針陣列及其加工方法。

背景技術：

1、微針(microneedle,mn)是一種針體直徑長度在幾十微米到幾毫米、尖端曲率半徑在幾微米到幾十微米的微型針頭，常以陣列形式存在。由于尺寸微小，可以利用微針陣列僅刺破皮膚角質層而不觸及皮膚深層組織，從而確保無痛和微創，同時又能在皮膚表層形成微米級通道(陣列)，以實現高效經皮給藥或生物采樣，因此在藥物經皮傳輸、疫苗接種、組織液提取以及生物標志物檢測等方面展現出巨大的應用潛力。

2、微針陣列的功能各異、種類繁多，常見的按針體與基底的相對位置可分為同平面微針陣列和異平面微針陣列，其中同平面微針陣列針體長度方向與基底處于同一平面，而異平面微針陣列的整體長度方向一般垂直于基底平面，但在某些特殊應用場合，針體長度方向與基底平面存在一定傾角的傾斜式微針陣列會帶來諸多好處。首先，在生物采樣式，傾斜微針可以通過改變傾斜角度，可在刺入垂直深度保持不變的情況下增加針體與皮膚組織之間的接觸深度，從而實現樣品的高效采集，極大減輕患者的不適感；在組織創口治療方面，可以設計成對稱布置的傾斜式微針陣列用于創口處的組織牽引，使創口兩側皮膚組織相互接近，達到一種線縫合的效果，從而促進創口愈合。然而，因為傾斜式微針陣列針體不可避免會受到橫向力作用，而用于創口牽引用的微針一般要求較長，屬于細長結構，在橫向力和刺入反力共同作用下容易斷裂或屈曲，所以傾斜式微針陣列在設計和材料選擇上必須充分考慮上述作用的影響。此外，傾斜式微針相比于垂直式的微針陣列，其加工難度無疑會增加，尤其當微針陣列中單個針體的傾斜角度不同時，難度還會進一步增加，需要采用特殊的制備工藝才有可能達成目標。

3、如前所述，傾斜式微針材料必須具有足夠高的強度和剛度才能抵抗使用過程中受到的橫向力和刺入反力的作用，所以諸如硅、陶瓷等脆性材料或者較軟的聚合物材料都不宜用于傾斜式微針陣列的制備。相比而言，金屬材料具有更好的強度和剛度，適合用于傾斜式微針陣列的制備，但金屬材料微針陣列的加工方法較為有限，目前主要加工方法為激光切割、模具沖壓、電鍍和超精密機加工等。其中激光切割涉及局部高溫，可能導致微針針體尖端加工精度不佳，且不適合異平面微針陣列加工；模具沖壓一般是利用激光切割制成同平面微針之后利用模具使針體產生彎曲而形成異平面微針陣列，除了前述激光切割的缺點外還存在模具昂貴、沖壓變形精度控制較差等缺點，也不適合傾斜式微針陣列的加工；電鍍法可以制備出精度較高、一致性好、排布密度高的金屬微針陣列，但制備過程復雜、控制要求高、成本亦高，尚未見到采用此方法制備傾斜式微針陣列的先例；超精密機加工可以在微米甚至納米尺度上對金屬材料進行加工，能夠制備出形狀復雜、精度極高的微針，但加工過程復雜、耗時較長、費用高昂，不適合大規模生產，用于傾斜式微針陣列加工更是未見到相關報告。

4、除上述方法外，本研究團隊和其他個別團隊還提出了采用慢走絲進行微針陣列切割的方法，其加工精度高、效率高、成本較低，但該技術在切割過程中金屬絲會對被切割對象產生一定的橫向力，當被切割對象為細長的微針針體時，可能在橫向力的作用下產生變形，最終導致加工精度變差，需要從設計和加工兩方面進行綜合考量才有可能精確加工出所需要的三維傾斜式微針陣列。目前暫未見用慢走絲進行三維傾斜式微針陣列的公開報道。

5、綜上所述，迫切需要一種傾斜式的金屬微針陣列設計及其加工方法。

技術實現思路

1、本發明的目的是提供一種三維傾斜式金屬微針陣列及其加工方法，以適應傾斜式微針陣列在使用過程中遭受的橫向力和刺入反力共同作用，避免微針針體出現斷裂或屈曲，同時兼顧刺入力小、無痛和微創等優點。此外，本發明還結合三維傾斜式金屬微針陣列加工過程中的精度控制問題提供解決方案。

2、為達到上述目的，本發明采用的技術方案為：

3、一種三維傾斜式金屬微針陣列，所述三維傾斜式金屬微針陣列包括微針陣列基底1、中間按列垂直分布的垂直微針針體2、兩邊按列且對稱分布的傾斜微針針體，同一列的微針針體具有相同的形狀和尺寸，同一行的微針針體可以具有不同形狀，該設計能兼顧微針陣列的特殊功能需求和加工便捷性要求。其中，兩邊按列且對稱分布的傾斜微針針體包括左側傾斜微針針體3、右側傾斜微針針體4。

4、所述微針陣列基底1的厚度在0.05mm～2mm之間，可根據功能需要靈活調整，以便控制基底的柔順性。

5、所述垂直微針針體2位于基底1正中心，按列排布，同一列微針形狀和尺寸完全相同；當創口不平整時，垂直微針針體2能夠對創口兩側的組織起到釘扎作用；當創口較平整時，垂直微針針體2可以省去。

6、進一步的，每個垂直微針針體2包括左側面2-1、右側面2-2、前側面2-3、后側面2-4，共四個側面。具體的：

7、從列方向看，所述垂直微針針體2的左側面2-1和右側面2-2都為曲面，兩曲面在垂直微針針體2的尖端相交，形成尖銳針尖，從尖端到根部兩個曲面之間的距離逐漸增加，以抵抗可能來自創口兩側的橫向載荷所引起的彎曲應力。從行方向看，所述垂直微針針體2的前側面2-3、后側面2-4均為平面，從垂直微針針體2根部到尖端兩個平面的距離逐漸減小，但在頂部仍保持一定距離，使垂直微針針體2的尖端形成具有一定寬度的鋒利刃口，該設計可以在減小刺入力的同時，又能避免針體尖端過細而引發斷裂或屈曲失效。

8、所述左側傾斜微針針體3、右側傾斜微針針體4沿所述垂直微針針體2的兩側按列對稱分布，向中心位置傾斜，傾斜角度45°～90°，當傾角為90°時即為完全垂直分布的微針陣列，同一列微針形狀和尺寸完全相同，便于后續加工。

9、進一步的，所述左側傾斜微針針體3為三維彎曲結構，每個傾斜微針針體3包括左側面3-1、右側面3-2、前側面3-3、后側面3-4，共四個側面，具體的：

10、從列方向看，背離中心一側為左側面3-1，靠近中心一側，即內傾一側為右側面3-2，其中左側面3-1為曲面、右側面3-2為平面。內傾一側設計為平面在實際使用時可以更好地防止組織從微針上滑脫，而所述曲面3-1與所述平面3-2的距離從微針針體根部到尖端逐漸減小，最終匯聚于尖端。該設計一方面可以形成尖銳的針尖從而減小刺入組織時所需的刺入力，另一方面可以更好地抵抗組織施加在所述左側傾斜微針針體3上的橫向力所引起的從尖端到根部逐漸增加的彎曲應力，防止所述左側傾斜微針針體3出現斷裂。

11、從行方向看，所述前側面3-3、后側面3-4均為平面，兩個平面和平面從微針針體根部到尖端逐漸靠近，使所述左側傾斜微針針體3在兩個平面所構成的方向上都逐漸變細，但在微針針體頂部仍任保持一定距離，使傾斜微針針體3的尖端形成具有一定寬度的鋒利刃口；該設計在減小刺入力的同時，又能避免針體尖端過細而引發斷裂或屈曲失效。

12、所述右側傾斜微針針體4與所述左側傾斜微針針體3在結構、尺寸和數量上完全相同，但傾斜方向相反，即右側傾斜微針針體4與左側傾斜微針針體3沿所述垂直微針針體2兩側對稱布置。

13、所述垂直微針針體2、左側傾斜微針針體3與所述右側傾斜微針針體4的根部與微針陣列基底1均采用圓弧過渡連接，避免應力集中，同時方便加工。

14、進一步的，所述的微針陣列基底1、所述中間垂直微針微針2、所述左側傾斜微針針體3和所述右側傾斜微針針體4的材質均為金屬材料，包括304不銹鋼、316不銹鋼、鈦合金等。

15、一種上述三維傾斜式金屬微針陣列的加工方法，包括以下步驟：

16、第一步：選用力學性能、導電性能和生物相容性都較好的金屬材料作為微針加工原料，所述金屬材料采用304不銹鋼、316不銹鋼、鈦合金等。

17、第二步：將原材料首先加工為直六面體，作為加工坯料5。

18、第三步：采用慢走絲線切割技術在所述加工坯料5上加工出貫通空腔6，貫通空腔6的橫截面由路徑p1、路徑p2形成。具體的：

19、采用慢走絲線切割技術在加工坯料5的下側沿路徑p1按列進行切割；所述路徑p1與設計的三維傾斜式金屬微針陣列從列方向上看的外輪廓一致，加工完成后得到沿列方向連續的棱狀針體。

20、采用慢走絲線切割技術在在所述加工坯料5的上側沿路徑p2按列進行切割，所述路徑p2的起始位置為路徑p1的結束位置，所述路徑p2的結束位置為所述路徑p1的起始位置，即路徑p2與路徑p1形成封閉路徑，從而使路徑內的材料與坯料5完全分離，將此部分的材料去除后，在所述加工坯料5上形成貫通空腔6。

21、第五步：將低熔點金屬熔化后澆注入所述貫通空腔6中，待冷卻后低熔點金屬與按照所述路徑p1切割出的微針外輪廓緊密貼合，使后續按行切割時金屬絲是對整個加工坯料5進行切割，提高了工件對加工過程中金屬絲所施加橫向力的抵抗能力，確保切割時微針針體不發生變形，以改善切割精度；此外，低熔點金屬與微針針體固結為整體也能在后續加工過程中為微針陣列針體提供額外保護，防止觸碰導致針體受損。

22、第六步：采用慢走絲線切割技術在在第五步加工后的加工坯料5的右側面沿路徑p3按行進行切割，所述路徑p3與設計的三維傾斜式金屬微針陣列按行看的外輪廓一致，可以包含多個輪廓周期，以提高加工效率。

23、第七步：采用慢走絲線切割技術在第六步加工后的加工坯料5的右側面沿路徑p4進行切割，所述路徑p4與所述路徑p3的距離與所述微針陣列基底1要求的厚度一致。

24、第八步，由于后續加工對精度要求較低，為提高效率和降低成本，后續步驟都采用快走絲線切割技術進行加工，根據需要對第七步處理后的加工坯料5進行切割分塊，去除多余材料，最后得到包覆有低熔點金屬的三維傾斜式金屬微針陣列。

25、第九步，將熔覆于三維傾斜式微針陣列上的低熔點金屬加熱熔解去除，最終得到三維傾斜式金屬微針陣列。

26、進一步的，所述第五步中，低熔點金屬的熔點選擇范圍約100℃～250℃，熔點過低在切割過程中容易出現局部摩擦生熱燒熔的現象，熔點過高會給澆注和熔解帶來不必要的麻煩。

27、進一步的，所述第三步中，所述路徑p1的起始位置和結束位置與坯料5的外邊緣保持一定距離，邊緣未切割的材料能為后續按行切割時提供橫向支撐，保證后續加工精度。所述第六步中，所述路徑p3兩側與坯料5外邊緣保持一定距離，確保切割過程中的完整性，提高切割精度。

28、進一步的，所述第八步中，采用快走絲線切割技術進行加工，先沿路徑p5和路徑p6進行切割，去除加工坯料5前后兩端的多余材料。再按照路徑p7、路徑p8、路徑p9和路徑p10進行切割，對坯料按微針陣列周期進行分割，最后得到包覆有低熔點金屬的微針陣列塊。所述的路徑p5沿行方向貫穿整個坯料5，將坯料5前端多余材料去除。所述的路徑p6沿行方向貫穿整個坯料5，將坯料5后端多余材料去除。所述的路徑p7和p8均沿行方向貫穿整個坯料5，將加工好的坯料按原先設計的微針陣列周期數進行切割，得到單個微針陣列。所述的路徑p9沿列方向貫穿整個坯料5，將坯料5左側多余材料去除。所述的路徑p10沿列方向貫穿整個坯料5，將坯料5右側多余材料去除。

29、與現有技術相比，本發明的有益效果為：

30、(1)本發明所設計的三維傾斜式金屬微針陣列按列兩側對稱布局，往中心位置傾斜，可以對創口組織提供較好的牽拉作用。

31、(2)本發明所設計的三維傾斜式金屬微針陣列按列按行設計，即同一列的微針針體三維輪廓尺寸完全一致，不同列的微針陣列輪廓可以不同；同一行的微針針體沿行方向上看具有相同截面輪廓，但同一行不同列的微針針體沿列方向看可以具有不同的截面輪廓。該設計既能滿足不同任務或功能需求進行個性化設計，以便提高治療效果和患者滿意度，又能大幅提高慢走絲線按列按行進行切割加工的便捷性和效率，降低成本。

32、(3)本發明所設計的三維傾斜式金屬微針陣列中各針體的形狀和尺寸設計兼顧了微針刺入阻力低、抗彎曲斷裂能力高、抗壓縮屈曲能力高以及防組織脫離能力高的綜合要求，實現了功能性和安全性的統一。

33、(4)本發明采用慢走絲線切割技術按列按行依次進行切割，很好地實現了三維微針陣列的加工。

34、(5)本發明按列加工時兩側預留不加工區域，提高了后續切割時棱狀微針陣列的整體剛度及其對切割絲的橫向抗力，確保了切割精度。

35、(6)本發明按列加工完成后利用低熔點金屬澆注，進一步增強了棱狀微針陣列在后續切割時的整體剛度，提高切割精度，而且為微針陣列在后續加工過程中提供了額外保護，是本發明的關鍵創新。

36、(7)本發明采用熔點低、導電性好的低熔點金屬作為加工時微小針體的保護材料，具有澆注和去除容易、可重復使用、成本低的優點，提高了加工方法的便捷性，降低了加工成本。