通过光刻法制备聚合物微针阵列

本实验的总体目标是制备一种尖锐的聚合物微针阵列，该阵列可用于经皮无痛递送小分子和大分子治疗剂。该目标的实现分为两个步骤：首先，通过图案化各向同性刻蚀制备包含嵌入式微透镜的光掩模；第二步，将该嵌入式光掩模置于预聚物溶液中，利用微透镜将紫外光聚焦至溶液内，使暴露区域的溶液发生聚合，从而形成微针针体。

最后一步是制备支撑微针针体的背衬层。该步骤通过将微针针尖朝上放入培养皿中，然后加入预聚物溶液，并用紫外光照射使溶液聚合来完成。最终，可使用体视显微镜观察微针的特征参数，包括长度、直径和针尖夹角。

与现有的微模塑等方法相比，该技术的主要优势在于速度更快。它是一种无需模具的工艺，且不需要使用高温。该方法有助于回答微加工领域中的一些关键问题，例如利用微透镜调控紫外光的传播路径以及聚合过程。

该技术可用于制备聚合物大针，用于经口药物递送，尽管我们仅演示如何制备空白微针。该技术也可用于制备载药微针。首先将一个四英寸的玻璃晶圆浸入装有Piranha溶液的石英容器中，在120摄氏度下处理20分钟，以开始清洗过程。

然后用蒸馏水冲洗晶圆，并使用压缩空气将其吹干。完成电子束蒸发后，将晶圆放入匀胶机装置中，在晶圆中心加入5毫升光刻胶。以3000 RPM的转速旋转晶圆30秒，形成厚度为2微米的光刻胶层。

接下来，将光刻胶在热板上于 100 摄氏度预烘 1.5 分钟，然后将主光掩模和晶圆放入光掩模对准仪中，对晶圆进行一次充分曝光。再将光刻胶在热板上于 120 摄氏度烘烤 30 分钟。随后，在室温下使用铬和金蚀刻液对玻璃晶圆蚀刻 1 小时，将蚀刻后的玻璃晶圆置于 110 摄氏度的热板上，并在玻璃晶圆的背面熔化石蜡，使晶圆整个表面均被石蜡覆盖。

将硅片与玻璃晶圆接触并用力按压，以去除多余的石蜡，从而将玻璃晶圆临时键合到假硅片上。接下来，在塑料容器中配制200毫升的蚀刻液，其中含10份49%氢氟酸和1份37%盐酸，并放入磁力搅拌器持续搅拌。将样品放入蚀刻液中，在持续搅拌条件下以每分钟7微米的速率蚀刻微透镜，持续时间为八分半钟。

完成后，使用去离子水清洗晶圆，并在室温下晾干。干燥后，将晶圆置于已预热至100摄氏度的加热板上，加热15秒。然后将玻璃晶圆与假性硅晶圆分离。

将玻璃晶圆放入装有 N-甲基吡咯烷酮的超声波清洗槽中，在 80 摄氏度下超声处理一小时，以去除残留的石蜡、光刻胶以及透镜边缘悬垂的铬层和金层。在矩形腔体两侧叠放玻璃载片，以设定微针的最大高度。在各层玻璃载片之间涂覆一层薄的预聚物溶液，以固定每层玻璃载片。

完成后，用高强度紫外光照射装置两秒钟，以固定载玻片位置。接着，放置光掩模，使镀有铬金的表面朝向腔体内部。确保腔壁侧面不会造成遮挡。

将光掩模中嵌入的透镜腔体用预聚物溶液填充，直至镀有铬金的表面与溶液接触且无可见气泡。然后将装置放入紫外光固化仪中，并在装置旁放置一个辐射计以测量紫外光的强度。

在距离紫外光源 3.5 厘米处，用强度较高的紫外光（波长范围为 320 至 500 纳米）照射装置 1 秒。紫外照射后，取下带有微针阵列的光掩模，将多余的预聚体溶液倒回原始容器中以供重复使用。使用镊子和体视显微镜，采用标准技术对微针的长度和针尖直径进行量化分析。

将连接有光刻掩模的微针针尖朝上放入24孔板的一个孔中。向孔中加入300至400微升预聚物溶液，直至微针浸没至所需背衬层高度。随后，从10.5厘米距离处以强度为15.1瓦特/平方厘米的高强度紫外光照射该装置，持续时间为1秒。

背衬层聚合后，使用锋利刀片将微针阵列上的背衬层与光掩膜分离。然后使用体视显微镜测量带背衬层的微针针尖长度、直径及基底直径。通过在固定焦距和光源距离条件下，将紫外光强度从每平方厘米3.14瓦调节至15.1瓦，研究其对微针长度和针尖直径的有效紫外光强度影响。

研究发现，随着强度的增加，微针的平均长度和针尖直径也随之增加。此处展示了300微升与400微升背衬材料对微针总体长度的影响，以及针体断裂力的变化。正如预期，使用更多背衬材料时，微针整体更短，但由于额外的支撑，其断裂力也相应增强。观看本视频后，希望您已充分掌握如何制备聚合物宏观针。一旦熟练掌握，该技术可在5至10分钟内完成。

如果仔细操作且光刻掩模已准备就绪，请务必牢记氢氟酸和紫外光刻系统等材料的使用方法，因此必须始终佩戴个人防护装备。