MEMS微针研究

　　1　引　　言

　　微型化、集成化和智能化是当今科技发展的一个重要趋势。微电子机械系统(MEMS,Micro ElectroMechaNIcal System)是目前各国竞相发展的一项高新技术,是实现仪器设备微型化、集成化和智能化的最重要手段。

　　目前微电子技术已经相当成熟,仪器设备系统的电子处理部分的微型化已不成问题,但是在系统中存在大量的非电子部分,对非电子系统的微型化和集成化是目前仪器设备发展的关键。MEMS可以将电子系统和非电子系统集成在一起,构成具有信息获取、处理和执行等功能的微系统,对仪器设备实现体积小、重量轻、能耗低和智能化具有独特的优势。

　　MEMS的一个重要研究领域是微型的生化分析系统(生物MEMS),最近生物MEMS的一个研究热点是MEMS微针的研究。

　　微针(Microneedles)是指直径为几十微米,长度在100μm以上的针状结构。微针在生物医学和化学检验等方面具有广泛的应用前景。目前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。除此之外,传统采样方法在采样过程中由于存在挤压等作用而导致分析样浓度改变和明显的疼痛感,而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。

　　2　国外的研究进展

　　MEMS微针技术在国外出现的时间也还不是很长。美国国防高级研究计划局(DARPA)是在2000年将MEMS微流体系统列入研究计划,主要目的是用于生物化学检测和分析,微针是其中的关键技术之一。美国乔治亚州理工学院的科学家们开展了微针的系统研究[1],研究了硅、玻璃、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。他们称,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。按照设想,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。该研究小组最近发表了采用激光加工技术来制备中空微针的新方法,利用激光直接在金属或聚合物材料上写出所需结构,经选择性电镀后再将原基底材料腐蚀去除以得到金属微针阵列。该方法的优点是工序简单,缺点是微针表面较粗糙,所能加工的微针长度受激光散焦限制。该研究组除金属微针外,还开展了生物可降解微针的研究。图1是该研究组制造的实心和中空微针的电镜照片(阵列和其中一个微针)。

　　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[2],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且可用于连续长期的健康监测或者地方的医学服务等。

　　荷兰Twente大学的研究人员提出了一种新的硅中空微针的加工工艺,如图2所示,并测试了微针的性能[3]。

　　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[4],如图3。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[5]如图4。

　　美国的Lawrence Livermore国家实验室、Coventor公司和Lynntech公司等也开展了微针阵列方面的研究。

　　目前,国内这方面的研究还处于起步阶段,距国外先进水平还有很大差距[6]。

3　研究结果

　　微针对MEMS加工来讲是一种高深宽比微结构。

　　目前的微细加工技术中只有少数技术可以获得高深宽比,其中比较成功的是LIGA ( Lithographie,Galvanoformung, Abformung)技术。该技术的优点是能够获得具有深宽比高、结构精细、侧壁陡峭、表面平整的微结构。

　　作者在武器装备预言基金的资助下对MEMS微针进行了初步的研究,利用日本立命馆大学的同步辐射光源的LIGA线(BL25)成功地加工出了几种微针如图5。

　　已完成的有限元分析结果表明,这种结构的微针完全可以满足刺入皮肤所需的抗弯、抗压等力学性能。

　　4　待解决的关键问题

　　MEMS微针的研究虽然已取得了明显的进展,但作者认为现在还是MEMS微针研究的初级阶段,离实际的医疗和生化检验应用还有一段距离。目前存在的主要问题是:

　　(1)采用合适的生物可降解材料来加工微针,由于微针在使用过程中有可能被折断,如果材料不能在人体中有效降解,将极大地限制其应用。

　　(2)微针和后续的生化检验装置的集成,微针只有和后续的生化检验装置集成在一起,才能真正实现生化检验的微型化。

　　5　结束语

　　MEMS微针具有良好的应用前景,会产生巨大的经济和社会效益,并且MEMS微针的研究已取得了相当大的进展,不久的将来在实际中取得广泛应用是完全有可能的。

　　参考文献

　　[1]　D.V. McAllister. Microfabricated needles for transdermaldelivery of macromolecules and nanoparticles: Fabricationmethods and transport studies[J]. Proceedings of theNational Academy of Sciences of the united states ofAmerica, 2003, 100(24): 13755213760.

　　[2]　Kazunari Oka, Seiji Aoyagi, et al. Fabrication of amicro needle for a trace blood test[J]. Sensors andActuators A, 2002, 97298: 4782485.

　　[3]　Han J. G. E. Gardeniers, Regina Luttge. Siliconmicromachined hollow microneedles for transdermalliquid Transport [J]. Journal of MicroelectromechanicalSystems, 2003, 12(6): 8552862.

　　[4]　Patrick Griss, Goran Stemme. Side2opened out2of2plane microneedles for microfluidic transdermal liquidtransfer [ J ]. Journal of MicroelectromechanicalSystems, 2003, 12(3): 2962301.

　　[5]　E.V. Mukerjee. Microneedle array for transdermalbiological fluid extraction and in situ analysis [J].Sensors and Actuators A, 2004, 114: 267 275.

　　[6]　刘冉,王晓浩,周兆英. MEMS微针阵列及其在生物医学上的应用[J].生物医学工程学杂志, 2004,21(3):4822485.