一种压控式柔性微针给药系统技术领域
本发明涉及一种微针给药系统，特别是涉及一种压控式柔性微针给药系统。
背景技术
药物治疗是一种常见的医疗手段，药物进入人体的主要输送方式包括注射和口
服，这两种方式都存在一定的局限性。药物在口服期间可能由于自我代谢从而失去疗效；皮
下注射需要受过训练的人员才能实施，并给病患带来无法避免的疼痛感以及感染的风险，
给患者带来不便。近年来，微针给药方式越来越吸引人们的关注。微针是一种类似注射针头
的微米级空心或实心针，一般采用单晶硅材料、金属或高分子聚合物制作而成。它可以恰好
穿过角质层而不触及痛觉神经，在起到药物渗透作用同时又不引起痛感和真皮层的损伤。
空心微针是指一组整体尺寸与固态微针相似、沿着针的轴线上有同传统注射功能
相似的小孔。与实心微针相比，其强度足以刺入皮肤，又允许流体通过，应用时将药物溶液
填充空腔，或将药液在一定外压下通过针孔进入体内。空心微针刺入皮肤后，皮肤会产生对
抗微针注射的阻力，影响针体内药液的流入，给药效率低。但由于中空通道的存在，空心微
针的物理结构并不稳固。在给药过程中，装载空心微针的给药装置与皮肤表面产生的相对
位移会导致微针断裂的现象发生，容易造成医疗事故。
实心微针可分为载药实心微针和不载药实心微针两类。
载药实心微针通过喷雾包衣法、蘸取包衣法等将药物包裹在针体表面。由于针体
与药物表面张力的作用，微针的载药量很低，包裹药物后会影响针体的锐度，可能导致针体
不能顺利刺入皮肤；可溶性载药实心微针由可溶解或可降解的高分子材料形成，药物通过
与高分子材料混合，直接存在于针体，针体刺入皮肤后，溶解在针体内的药物开始释放。可
溶性微针克服了空心微针和包衣微针在使用过程中可能断裂的缺陷。但是在混合过程中涉
及有机溶剂的使用，会产生皮肤刺激性。有些制备条件，如较高的温度，会影响大分子药物
的稳定性，降低药物活性。针体载药超过一定限度时，会影响针体的机械性能。
不载药实心微针实现药物经皮导入由两步组成：微针作用于皮肤后，可暂时打破
皮肤角质层的屏障作用，建立大量的皮下微细通道；药物由皮下微细通道进入皮肤。微针移
除后，皮下微细通道会逐渐消失。相对而言，不载药实心微针是一种更加安全的给药工具。
传统不载药实心微针器件为确保药物在装药和输药过程中不受污染，其装药和输
药过程复杂，导致用户使用不便。传统微针器件不可重复使用，造成资源浪费。
基于不载药实心微针的优势，为了克服上述现有技术的不足，本发明设计了一种
压控式柔性微针给药系统，所述的一种压控式柔性微针给药系统采用由SU-8负光刻胶制成
的不载药实心微针阵列，同时整合了由聚二甲基硅氧烷制成的微流体网络和微流体通道。
与传统的一次性微针器件相比，所述微针给药系统采用不载药实心微针阵列，针体不易断
裂，使用安全；所述微针给药系统整合了微流体通道和微流体网络，用于实现装药到透皮输
药的整个过程，提高了设备的易用性，可重复使用，经济效益高。
发明内容
发明所述一种压控式柔性微针给药系统包括：微流体通道、微针阵列和微流体网
络。微流体分配网络在其各网络分支顶部留有开口，开口均匀的分布在微针阵列的底部，微
流体通道与微流体网络相连接。
所述微流体通道由聚二甲基硅氧烷制成，包括微泵、单向阀和微流体网络接入部
分。
所述微泵装载液体或气体，与单向阀相连接。
所述单向阀包括输入单向阀和输出单向阀，输入单向阀与微泵相连接，输出单向
阀与微泵和微流体网络接入部分相连接。
所述微流体网络接入部分与微流体通道和微流体网络相连接。
两个单向阀只允许气体或者液体往一个方向流动，手指对微泵进行按压及松放操
作，微泵的形变产生内外压强差，从而实现对所述微针给药系统中的气体或液体进行驱动，
完成微针系统的装药和输药环节。
所述微针阵列是一个不少于5×5的不载药实心微针，微针由SU-8负光刻胶制成。
当所述微针给药设备施加在皮肤表面上时，这些微针可以穿透角质层并在生物体组织中建
立皮下微细通道。
所述微流体网络由一组对称分布的微流体网络分支构成，微流体网络各分支顶部
留有开口，开口均匀的分布在所述微针阵列的底部，微流体网络各分支与微流体通道相连
通。
装载在所述柔性微针给药设备中的药物由微泵驱动，通过输出单向阀流到微流体
网络各分支，通过各分支的顶端开口流出到微针阵列表面，通过微针在生物体组织中形成
的皮下微细通道输送到皮下组织中。
本发明所述一种压控式柔性微针给药系统特点在于：
1.整体结构由柔性的聚合物对二甲基硅氧烷制成，拥有柔性、亲肤的特性；
2.装药的控制是由使用者对微泵进行一次按压后的松放操作来完成，微泵的外压强大
于内压强，使得外部药液通过输入单向阀流入微泵内，完成装药过程；
3.输药的控制是由使用者对微泵进行按压操作来完成，微泵的内压强大与外压强，使
得微泵中的药液通过输出单向阀流入微流体网络，完成输药过程；
4.微流体网络以分配药液为目的，微流体网络的顶端开口对称的分布在微针阵列的底
部，药液通过开口后均匀的分布在微针阵列的表面；
5.所述微针给药设备施加在皮肤表面上时，不载药实心微针穿透角质层并在生物体组
织中建立皮下微细通道，使得微针阵列表面的药液体通过皮下微细通道内进入生物体内。
本发明所述一种压控式柔性微针给药系统有以下益处：
1.本发明所述微针给药系统生物兼容性好，不会导致过敏等不良反应；
2.本发明所述微针给药系统具备柔性的特点，可以很好的贴合皮肤，佩戴舒适度高；
3.本发明所述微针给药系统的微针是不载药实心微针，使用起来安全有效；
4.本发明所述微针给药系统在使用时，装药环节和输药环节的操作简单；
5.本发明所述微针给药系统可重复完成装药和输药过程，循环使用，避免一次性浪费，
经济效益高；
6.本发明所述给药贴片采用封闭的微流体通道来进行药物输送，可避免药物在传输过
程中的污染。
附图说明
图1为一种压控式柔性微针给药系统分层结构图。
图2为一种压控式柔性微针给药系统第1层结构图。
图3为一种压控式柔性微针给药系统第2层结构图。
图4为一种压控式柔性微针给药系统第3层结构图。
图5为一种压控式柔性微针给药系统第4层结构图。
图6为一种压控式柔性微针给药系统第5层结构图。
图7为所述微针给药系统微针阵列俯视图。
图8为所述微针给药系统微流体网络俯视图。
图9为所述微针给药系统微流体通道侧视图。
图10为所述微针给药系统微流体通道工作阶段1原理图。
图11为所述微针给药系统微流体通道工作阶段2原理图。
图12为所述微针给药系统微流体通道工作阶段3原理图。
具体实施方式
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明所述一种压控式柔性微针给药系统，如图1所示，包括5层。1为层1，2为层2，3为
层3，4为层4，5为层5，1～5依次堆叠组合，其中1为顶层， 5为底层。所述微针给药系统由聚
二甲基硅氧烷制成。
所述一种压控式柔性微针给药系统的第1层，如图2所示，1包括一个11×11的微针
阵列6和对称分布在微针阵列底部的微流体网络顶端开口7，微流体网络顶端开口与微针阵
列的分布关系如图7所示。当所述微针给药系统施加在皮肤表面上时，微针阵列6可以穿透
角质层并在生物体组织中建立皮下微细通道，药液受到驱动后从微流体网络顶端开口7流
出，并通过建立的皮下微细通道进入体内以实现给药过程。层1的基板8由聚二甲基硅氧烷
制成，所述微针阵列6由SU-8负光刻胶制成。
所述一种压控式柔性微针给药系统的第2层，如图3所示，2包括微流体网络9。所述
微流体网络9由各微流体网络分支对称组合而成，所述各微流体网络顶端开口7为微流体网
络9各分支的顶部开口。微流体网络9与微流体通道的连接如关系如图8所示，微流体网络各
分支与微流体通道的微流体网络接入通道10相连通。层2的基板20由聚二甲基硅氧烷制成。
所述一种压控式柔性微针给药系统的2～5组合成微流体通道，如图3、图4、图5、图
6所示。3的基板24、4的基板28和5的基板由聚二甲基硅氧烷制成。所述微针给药系统的微流
体通道侧视图如图9所示，微流体通道由输入单向阀、输出单向阀、微泵、微流体网络接入部
分构成。
输入单向阀由微流体输出端16、微流体输入端19、微流体输出端隔断通道17、微流
体输入端隔断通道18、微流体联通通道26，隔液膜29，隔液膜小孔23组成。微流体输出端16
和微流体输入端19的单向阀与微流体通道的其他部件接口。微流体输出端隔断通道17、微
流体输入端隔断通道18分别与微流体输出端16和微流体输入端19相连，微流体联通通道26
与微流体输出端隔断通道17、输入端隔断通道18之间夹有一层柔性的隔液膜29，隔液膜29
上靠微流体输出端隔断通道17的一侧留有隔液膜小孔23，用于实现空气与液体的单向输入
输出功能。
输出单向阀由微流体输出端11、微流体输入端14、微流体输出端隔断通道12、微流
体输入端隔断通道13、微流体联通通道27，隔液膜30，隔液膜小孔21组成。微流体输出端11
和微流体输入端14的单向阀与微流体通道的其他部件接口。微流体输出端隔断通道12、微
流体输入端隔断通道13分别与微流体输出端11和微流体输入端14相连，微流体联通通道27
与微流体输出端隔断通道12、微流体输入端隔断通道13之间夹有一层柔性的隔液膜29，隔
液膜30上靠微流体输出端隔断通道12的一侧留有隔液膜小孔21，实现空气与液体的单向输
入输出功能。
微流体网络接入部分由微流体网络接入通道10构成，微流体网络接入部分负责连
接微流体通道和微流体网络。
微泵由微泵储药仓5、微泵接入仓15、微泵连接部分23和微泵连接部分25，微泵连
接部分23和微泵连接部分25将微泵储药仓5和微泵接入仓15连接起来组合成微泵整体。微
泵接入仓15与输入单向阀的微流体输出端16、输出单向阀的微流体输入端14相连。微泵储
药仓5存储药液或者空气。
单向阀工作原理如下：
以输入单向阀为例，当微流体输出端16形成低压而微流体输入端19形成高压时，气体
或液体将通过在高压的驱使下，从微流体输入端19进入微流体输入端隔断通道18。由于压
强差的存在，气体或液体将挤压隔液膜29使其变形，导致隔液膜29不密贴输入端隔断通道
18并产生隙缝，输入端隔断通道18中的气体或液体可由隙缝进入微流体联通通道26，并通
过隔液膜小孔23进入输出端隔断通道17，最终进入微流体输出端16，实现了单向阀控制气
体或液体由输入端流向输出端的功能；而当微流体输出端16形成高压而微流体输入端19形
成低压时，气体或液体将通过在高压的驱使下，从微流体输出端16进入微流体输出端隔断
通道17，并通过隔液膜29上的隔液膜小孔23流入微流体联通通道26，挤压隔液膜29的另一
端，使之紧贴输入端隔断通道18，阻止气体或液体流入输入端隔断通道18，因此，单向阀中
气体或液体不能反向从输出端流向输入端。
微流体通道工作原理如下：
如图10所示，在阶段1中，第一次按压微泵，微泵产生形变，使得输入单向阀的微流体输
出端16和输出单向阀的微流体输入端14处于相对高压状态，输入单向阀的微流体输入端19
和输出单向阀的微流体输出端11处于相对低压状态。因此，微泵中的药液可由输出单向阀
的微流体输入端14流向微流体输入端11，而不可由输入单向阀的微流体输出端16流向微流
体输入端19，微泵中存储的药液通过输出单向阀输出到微流体网络，完成输药过程。
如图11所示，在阶段2中，当松放微泵，被挤压的微泵复原，使得输入单向阀的微流
体输出端16和输出单向阀的微流体输入端14处于相对低压状态，输入单向阀的微流体输入
端19和输出单向阀的微流体输出端11处于相对高压状态。因此，外界装药池的药液可通过
输入单向阀的微流体输入端19流向微流体输入端16，而输入单向阀的微流体输出端11中的
空气不能逆流向微流体输入端14。外界装药池的药液通过输入单向阀进入微泵，完成装药
过程。
如图12所示，在阶段3中，再次按压微泵，微泵产生形变，使得输入单向阀的微流体
输出端16和输出单向阀的微流体输入端14处于相对高压状态，输入单向阀的微流体输入端
19和输出单向阀的微流体输出端11处于相对低压状态。因此，微泵中的药液可由输出单向
阀的微流体输入端14流向微流体输入端11，而不可由输入单向阀的微流体输出端16流向微
流体输入端19，微泵中存储的药液通过输出单向阀输出到微流体网络，完成输药过程。
用户反复的对所述微针给药系统的微泵进行按压和松放操作，可重复实现装药和
输药过程。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术
人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技
术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些
变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。