一种用于微热压印快速成型聚合物微针的辅助装置及方法

摘要

本发明公开了一种用于微热压印快速成型聚合物微针的辅助装置及方法，下模具板位于上压紧板下部，下模具板和上压紧板通过连接部分连接，连接部分包括螺栓和螺母，叠片式微针模具由多个带有微针凹形结构的片状长方体叠加而成，叠片式微针模具位于下模具板的中心，和下模具板过紧配合，活动板心位于上压紧板和下模具板之间，活动板心和下模具板之间有一个适合放置一定大小的聚合物片材的长方体空间。本发明适用于板‑板热压印装置，热压印时，该装置作为一个整体放置在压印机上下模架之间，聚合物片材变形填充进入微针模具微结构所需的温度和压力都来自于压印机，压印结束时，直接取出该辅助装置该辅助转置结构简单，可以极大的缩短压印时间。

说明书

技术领域

本发明涉及聚合物微热压印成型技术，尤其涉及一种用于微热压印快速成型聚合物微针的辅助装置以及使用该装置的成型方法，属于聚合物微结构成型技术领域。

背景技术

微热压印技术是一种借助微复制模具成型微结构的高精度微纳制造技术，该微热压印技术具有成本低、复制精度高、残余应力小等优点并且广泛用于制备应用于机械、医疗、生物等各个领域的微齿轮、微针、微流控芯片、导光板等。聚合物微针给药技术结合了传统经皮给药方式皮下注射给药和透皮给药方式的优点，如快速可控给药、能够输送大分量药物等，又规避了皮下注射给药给患者带来的疼痛感，避免了透皮贴给药速率慢的缺点，此外，微针给药时可以不需要专业的医护人员进行给药，允许患者自行给药，方便安全。

聚合物微针给药技术的核心部分就是微针，其针体形状呈圆锥形或非对称斜面形，高度在200μm到1mm不等，针体长径比通常在3:1到5:1之间，属于大长径比微结构。用微热压压印法制备这样长径比的微针时，热压印温度一般至少高于聚合物玻璃化转变温度10℃。在脱模前，必须使聚合物和模具保压降温，当温度降低到玻璃化转变温度以下10℃时才能脱模，否则聚合物片材会产生翘曲，成型的微结构会产生拉丝断裂等缺陷。热压印过程包括加热、加压保温压印、保压降温、卸压脱模过程，即在压印前需将聚合物和模具都加热到聚合物的玻璃化转变温度以上，加压保温压印后需将聚合物和模具的温度都降到聚合物的玻璃化转变温度以下方能脱模，整个压印过程周期比较长。现有缩短压印周期的方法主要有超声波辅助加热法、石墨烯镀层快速变温法等，尽管这些方式在一定程度上解决了平板热压印工艺周期过长的问题，但是这些方式存在结构复杂、成本较高、使用寿命短等不可忽视的问题。

此外，在压印过程中，聚合物片材由于受到压力的作用会在垂直于其厚度方向产生较大的取向，对于微米级别尺寸的微针模具凹形阵列，特别是位于阵列边缘的凹形结构会由于这种取向变形效应使聚合物不容易填充，造成的结果是成型的聚合物微针制品微针高度均匀性较差，具有明显的边缘微针高度小，中心微针高度大的现象，这样成型的微针制品是不符合实际要求的。

常见的微针模具材料有硅模具、聚合物模具、金属模具等，硅模具一般通过刻蚀法制备凹形高深宽比的微针结构，制备出的微针凹形结构表面光洁度高，但是硅片比较脆，在热压印过程中，当施加的压力较大时，硅片会脆裂；聚合物模具，如PDMS、SU-8胶模具，是通过光刻技术制备的，制备过程复杂，并且质软，不适合一定温度、一定压力条件下的热压印过程。金属模具可耐高温高压，不易变形，寿命很长，是理想的模具制备材料，但是在金属模具上加工出高深宽比的微针凹形结构非常不易。

发明内容

本发明的目的是为了解决平板热压印工艺周期过长的问题，并在结构上使聚合物片材处于一个压印空间内，阻止聚合物片材在压印过程中过多的向垂直于厚度方向变形取向，并设计了一种新的微针模具结构，进而提出了一种脱模时不需压印机本身降温并保证微针制品一致性较好的快速成型聚合物微针的辅助装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种用于微热压印快速成型聚合物微针的辅助装置及方法，热压印时，该辅助装置作为一个整体放置在压印机的上、下模架之间，聚合物片材变形填充进入微针模具微结构所需的温度和压力都来自于压印机，压印结束时，直接取出该辅助装置，无需压印机再降温；由于聚合物片材处于活动板心和下模具板之间的有限空间内，在压印时，该空间侧壁阻止了过多的聚合物向垂直于厚度方向过多的流动；微针模具采用叠片式微针模具，叠片式微针模具嵌入到下模具板上，该叠片式微针模具在加工微针凹形微结构时，只需在单个金属片的侧面加工出微针凹形微结构，将复杂的金属高深宽比体微加工转化为简单的面加工。

一种用于微热压印快速成型聚合物微针的辅助装置，该装置包括上压紧板1、活动板心2、下模具板4、叠片式微针模具3和连接部分，下模具板4位于上压紧板1的下部，下模具板4和上压紧板1通过连接部分连接，连接部分包括螺栓5和螺母6；上压紧板1和下模具板4的四周设有安装用的螺栓孔，螺栓5穿过上压紧板1和下模具板4的螺栓孔并通过螺母6连接；叠片式微针模具3由多个带有微针凹形结构的片状长方体依次叠加而成；叠片式微针模具3位于下模具板4的中心，并和下模具板4过盈配合；活动板心2位于上压紧板1和下模具板4之间，活动板心2和下模具板4之间有一个适合放置聚合物片材的空间。所述活动板心2为一个四棱凸台结构，上压紧板1的中心设有倒置的四棱凸台方孔，活动板心2与上压紧板1之间相配合。叠片式微针模具3的厚度和下模具板4的厚度相同，叠片式微针模具3的上下表面分别和下模具板4的上下表面重合，叠片式微针模具3由一系列相同尺寸的片状长方体组成，片状长方体的单个侧面上刻有若干相同尺寸的微针针体形状的凹形结构。连接部分用于上压紧板和下模具板的定位与压紧，螺栓5、螺母6采用沉头式结构。

本发明还提供了一种使用微热压印快速成型聚合物微针辅助装置的成型方法，该成型方法包括以下步骤：

步骤一：准备聚合物片材，聚合物片材的形状为正方形或圆形。

步骤二：将准备好的聚合物片材放置于下模具板4的中心，在聚合物片材上放置活动板心2，使活动板心2和聚合物片材对中，然后放置上压紧板1，使上压紧板1中心倒置的四棱凸台方孔和活动板心2配合，最后连接上压紧板1、下模具板4四周的螺栓5、螺母6，使上压紧板1和下模具板4压紧。

步骤三：将连接好的用于微热压印快速成型聚合物微针的辅助装置放置到板对板式压印机的下模架上，待温度达到压印温度时，设定好压印压力和压印时间，开始压印，使压印机的上模架压到活动板心2上，继而活动板心2对聚合物片材产生压力，使聚合物片材受压，同时在受热的情况下，聚合物片材变形流动，填充进入下模具板4中心的叠片式微针模具3的微针凹形结构中，保压后，压印机开模，然后取出用于微热压印快速成型聚合物微针的辅助装置，用水冷或其他冷却方式使整个辅助装置快速冷却。

步骤四：待整个辅助装置温度达到脱模温度以下时，即可取下螺栓5、螺母6连接，使上压紧板1、活动板心2、下模具板4分开，利用手工脱模或其它装置辅助脱模的方式，使聚合物片材和下模具板4分离，获得带有微针阵列的聚合物片材。至此完成了聚合物微针的压印成型实验。如若继续制备聚合物微针，重复步骤一至步骤四即可。

所述聚合物片材为绝大多数非晶聚合物或一部分结晶聚合物，聚合物片材为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚苯乙烯(PS)或聚碳酸酯(PC)或聚氯乙烯(PVC)或聚乙烯(PE)等。

本发明用于微热压印快速成型聚合物微针辅助装置的成型方法，在压印时，上压紧板1、活动板心2、聚合物片材、下模具板4四者的中心在压印方向共线。热压印时，螺栓5的端部不能露出下模具板4的下表面，螺母6不能露出上压紧板1的上表面。

本发明用于微热压印快速成型聚合物微针辅助装置的成型方法，在整个压印过程中，热压印温度不因微热压印快速成型聚合物微针辅助装置的取出而进行降温，不因微热压印快速成型聚合物微针辅助装置的放入而进行升温，即脱模过程中压印机本身的控温装置不需要调节温度使压印机的上下模架降温，在微热压印快速成型聚合物微针辅助装置放入压印机上下模架时上下模架保持设定的压印温度即可。

本发明的有益效果是：首先，将聚合物片材放到整个辅助装置中，无需在热压印保压降温脱模阶段直接降低上下模架的温度，从而不仅节约了保压降温脱模阶段的时间，而且节约了再次加热上下模板的时间，极大的减少了整个压印周期。

另外，在该辅助装置中，活动板心位于上压紧板和下模具板之间，当活动板心侧面和上压紧板中心的四棱台孔的侧面接触时，活动板心就会和下模具板之间产生一个高度为1mm，长度和宽度都为20mm的一个长方体空间，这个空间适合放置一个厚度为1mm-1.2mm，边长或直径小于20mm的聚合物正方形或圆形片材，这个空间的作用有两个：一是在压印过程中，该空间的侧壁限制了聚合物片材沿垂直于厚度方向过多的取向变形，使成型的聚合物微针阵列一致性良好；二是在压印周期最后阶段，当将整个辅助装置从压印机取出后，由于活动板心在压印方向最大的移动位移为1mm，虽然厚度为1mm-1.2mm的聚合物片材由于受压厚度变小，但是在整个辅助装置降温过程中也不会有过大的翘曲，该空间的这两个作用共同保证了聚合物微针制品的质量。

最后，本发明提出了一种微针模具结构，即叠片式微针模具结构，该模具由多个长方体金属片组成，每个长方体片的一个侧面有一系列微针凹形结构，这样在加工类似微针这样高深宽比微结构时，加工方式从难度较高的体加工转化为面加工，加工难度大大降低，选择在单个侧面进行面加工，而不是两个侧面都进行微针凹形结构加工，是因为两个侧面都进行凹形结构加工后，相邻两片金属片拼接时不易使微针凹形结构完全拼接，在单个侧面进行微针凹形结构加工后，相邻金属片的未加工侧面和此金属片加工侧面拼合时，不会产生错位问题。

附图说明

图1为快速成型聚合物微针的辅助装置的结构示意图。

图2为快速成型聚合物微针的辅助装置的立体透视图。

图3为叠片式微针模具的一个长方体金属片。

图4为整个叠片式微针模具。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于以下所述的具体设备及工艺过程。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。

为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

本发明微热压印快速成型聚合物微针辅助装置的一个实施案例结构示意图如图1所示，立体透视图如图2所示，该装置由上压紧板1、活动板心2、下模具板4、叠片式微针模具3和连接部分组成，下模具板4位于上压紧板1下部，下模具板4和上压紧板1通过连接部分连接，连接部分包括螺栓5和螺母6，叠片式微针模具3由多个带有微针凹形结构的片状长方体叠加而成，叠片式微针模具3位于下模具板4的中心，和下模具板4过紧配合，活动板心2位于上压紧板1和下模具板4之间，活动板心2和下模具板4之间有一个高度为1mm，长和宽分别为20mm的长方体空间，可以放置厚度为1mm-1.2mm，长和宽分别为10-20mm的聚合物片材(图中未画出)，本发明适用于板-板热压印装置。

本发明用于微热压印快速成型聚合物微针辅助装置成型方法，其具体的工艺步骤为：

步骤一：准备聚合物片材，形状为正方形或圆形，其厚度为1mm-1.2mm之间，正方形边长或圆形直径小于20mm。

步骤二：将准备好的聚合物片材放置于下模具板4中心的叠片式微针模具3表面，在聚合物片材上放置活动板心2，使活动板心2和聚合物片材对中，然后放置上压紧板1，使上压紧板1中心的四棱台方孔和活动板心2配合良好，最后连接四对螺栓5螺母6，使上压紧板1和下模具板4压紧。

步骤三：将连接好的用于微热压印快速成型聚合物微针的辅助装置放置到板对板式压印机的下模架上，待温度达到压印温度时，设定好压印压力和压印时间，开始压印，使压印机的上模架压到活动板心2上，继而活动板心2对聚合物片材产生压力，使聚合物片材受压，同时在受热的情况下，聚合物片材变形流动，填充进入下模具板4中的叠片式微针模具3的微针凹形结构中，保压一定的时间后，压印机开模，然后取出微热压印快速成型聚合物微针的辅助装置，用水冷或其他冷却方式使整个辅助装置快速冷却。

步骤四：待整个辅助装置温度达到脱模温度以下时，即可取下螺栓5螺母6连接，使上压紧板1、活动板心2与下模具板4分开，利用手工脱模或其它装置辅助脱模的方式，使聚合物片材和下模具板4分离，获得带有微针阵列的聚合物片材。至此完成了聚合物微针的压印成型实验。如若继续制备聚合物微针，重复步骤一至步骤四即可。

依照本发明的实施例如上文所述，所述的实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述的实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。