CN113975619B - 一种基于光控制微针刺入的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光控制微针刺入的装置和方法。所述装置包括：光响应形状记忆复合材料，其组成包括光热转化材料和温度响应的形状记忆材料；光响应形状记忆复合材料在加热、拉伸至设定长度后冷却以维持在拉伸后的临时形状，然后将其两端固定在固定座上，中部向上凸起且中部下表面固设有朝下的微针；光源，可照射光响应形状记忆复合材料使其吸热升温后收缩回复至原始形状进而带动微针向下运动。所述方法采用上述装置，将光源照射在光响应形状记忆复合材料上，光响应形状记忆复合材料在光照下吸热升温后收缩回复至原始形状的过程中带动微针向下运动，刺入目标物。

Description

一种基于光控制微针刺入的装置和方法

技术领域

本发明涉及微针施加技术领域，具体涉及一种基于光控制微针刺入的装置和方法。

背景技术

微针透皮给药平台是近三十年快速发展起来的一种新型透皮给药系统，具有无痛、微创、可自助使用等优势。

微针通过物理的方式在目标组织表面形成大量微米级的通道，从而极大地提升了药物的递送效率，尤其对生物大分子的递送，如疫苗、胰岛素、抗体、遗传物质等。

目前微针最主要的作用方式是利用手指进行摁压，尽管这种方式为微针的使用带来了便利性，但是作用力的不均衡和不稳定影响了微针对药物递送的一致性。

同时，受到微针在透皮给药领域研究的快速发展的影响，近年来大量的研究将微针递送药物的应用范围拓展到了其他组织器官，如角膜、胃肠道、血管组织、心脏等。在这些组织器官上的应用对微针的刺入过程的精准控制(如刺入深度，作用力大小，触发方式等)提出了更高的要求。

因此，亟待开发更为多元、精准有效、可按需控制的微针作用方式。

已经开发了多种微针施加装置和方法用于提高微针对药物递送的精准有效性。最为常见的手段为利用弹簧等弹性元件，通过释放固定的能量从而实现微针刺入的可重复性。

另，专利CN105126243B公开了一种基于高压气体的微针推进装置，该装置通过气压释放产生冲击力，使针体结构完全进入皮肤的方式以达到给药量的稳定性。

专利CN105246541B公开了一种基于结构设计的微针施加器，通过施加力使施加器由第一稳定构型向第二稳定构型转变，利用两种不同稳定构型的固定能量差以提升施加的稳定性。

尽管这些装置和方法提升了微针施加的的可重复性，但是通常局限于固定的力或刺入深度，距离精准的控制还有一定的差距。同时，现有的触发方式无法实现远程控制微针的刺入。

发明内容

本发明提供了一种基于光控制微针刺入的装置，该装置能够通过光照远程控制微针刺入，具体为通过光源作用在光响应形状记忆复合材料上，使其发生形状记忆效应，从而驱动微针刺入，同时通过调控光响应形状记忆复合材料的形变程度可以精确控制施加在微针上的力和限制微针的最大刺入深度。

一种基于光控制微针刺入的装置，包括：

光响应形状记忆复合材料，其组成包括光热转化材料和温度响应的形状记忆材料；光响应形状记忆复合材料在加热、拉伸至设定长度后冷却以维持在拉伸后的临时形状，然后将其两端固定在固定座上，中部向上凸起且中部下表面固设有朝下的微针；

光源，可照射光响应形状记忆复合材料使其吸热升温后收缩回复至原始形状进而带动微针向下运动。

本发明的基于光控制微针刺入的装置工作时，光源照射在处于临时状态的光响应形状记忆复合材料上时，部分固定在固定座上的光响应形状记忆复合材料根据光照强度发生可控的形变回复，从而产生力驱动微针精准刺入。

所述的光热转化材料可通过涂覆、混合或沉积等方式复合在所述形状记忆材料上，通过将光能转化为热能，从而影响所述形状记忆材料的形变状态。

所述基于光控制微针刺入的装置，微针可以为固体微针、可溶解微针、中空微针、涂层微针、水凝胶微针中的至少一种。

所述基于光控制微针刺入的装置，所述形状记忆材料可为形状记忆聚合物、形状记忆陶瓷、形状记忆合金中的至少一种。

所述形状记忆聚合物包括但不限于聚降冰片稀、交联聚乙烯、反式1,4-聚异戊二烯、全氟磺酸/聚四氟乙烯共聚物、乙烯/醋酸乙烯共聚物、苯乙烯/丁二烯共聚物中的至少一种。

所述形状记忆陶瓷包括但不限于氧化锆、氧化铝、碳化硅、氮化硅中的至少一种。

所述形状记忆合金包括但不限于镍钛合金、金镉合金、铜锌合金、镍铝合金、银镉合金中的至少一种。

所述基于光控制微针刺入的装置，所述光热转化材料可为碳纳米管、石墨烯、聚多巴胺、普鲁士蓝、硫化铜、金纳米颗粒中的至少一种。

所述基于光控制微针刺入的装置，光源的波长优选为265nm至1000μm，进一步优选为780nm至3μm。优选的波长范围在光热转换上更具优势，利用效率更高，光能更容易转换成热能。

作为一个总的发明构思，本发明还提供了一种基于光控制微针刺入的方法，采用所述的基于光控制微针刺入的装置，将光源照射在光响应形状记忆复合材料上，光响应形状记忆复合材料在光照下吸热升温后收缩回复至原始形状的过程中带动微针向下运动，刺入目标物。

本发明与现有技术相比，主要优点包括：

1)本发明提出的基于光控制微针刺入的装置和方法，能够通过光控制处于拉伸后临时形状的光响应形状记忆复合材料发生形变回复，从而实现微针的远程控制刺入。

2)本发明的基于光控制微针刺入的装置和方法，能够通过改变光强调控光响应形状记忆材料的形变回复状态，从而实现对微针施加力的按需控制。

3)本发明的基于光控制微针刺入的装置和方法，能够通过改变光响应形状记忆材料的预拉伸应变来控制其形变恢复量，从而限制微针刺入的最大深度。

附图说明

图1为本发明实施例的基于光控制微针刺入的装置的结构示意图，图中：1代表光响应形状记忆复合材料，2代表固定座，3代表微针，4代表粘合层，5代表光源，6代表被刺物体；

图2为本发明实施例的光响应形状记忆复合材料的光强温度图；

图3为本发明实施例的光响应形状记忆复合材料的光强压力曲线图；

图4为本发明实施例的基于光控制微针刺入的装置在不同预拉伸形变下刺入情况的示意图和实物照片。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规的条件，或者按照制造厂商所建议的条件。

请参阅图1，本发明实施例提供了一种基于光控制微针刺入的装置，包括光响应形状记忆复合材料1、固定座2、微针3、粘合层4和光源5，其作用对象为被刺物体6。

光响应形状记忆复合材料1可以为长条形、正方形、圆形。在本实施例中，光响应形状记忆复合材料1为长条形，通过在100℃下拉伸为原始形状的1至2倍长度，冷却以固定其临时形状。其长度在使用时可按需裁剪。

光响应形状记忆复合材料1两端固定在固定座2上。微针3和光响应形状记忆复合材料1通过粘合层4相连。光源5用于触发光响应形状记忆复合材料1发生形变恢复，从而提供力驱动微针3刺入。

光响应形状记忆复合材料1包括光热转化材料和温度响应的形状记忆材料。所述形状记忆材料可以是形状记忆合金、形状记忆聚合物、形状记忆陶瓷中的至少一种。该形状记忆材料能够响应温度的变化发生形状、位置或应变的变化。在本实施例中，该形状记忆材料为形状记忆聚合物，可选自聚降冰片稀、交联聚乙烯、反式1,4-聚异戊二烯、全氟磺酸/聚四氟乙烯共聚物、乙烯/醋酸乙烯共聚物、苯乙烯/丁二烯共聚物中的一种。所述光热转化材料可选自碳纳米管、石墨烯、聚多巴胺、普鲁士蓝、硫化铜、金纳米颗粒中的一种。该光热转化材料可通过涂覆、混合或沉积复合在形状记忆材料上，通过将光能转化为热能从而影响形状记忆聚合物的形变状态。如图2所示，本实施例的光响应形状记忆复合材料1采取全氟磺酸/聚四氟乙烯共聚物作为形状记忆聚合物，利用聚多巴胺作为光热转化材料，能够根据光强的改变产生不同的温度。

固定座2用于固定光响应形状记忆材料1的两端，通过限制形变恢复的方向实现在微针3上施加力。

微针3可为固体微针、可溶解微针、中空微针、涂层微针和水凝胶微针中一种。在本实施例中，微针3为固体微针，材料可选自铜、聚乳酸、聚己内酯、硅中的一种。

粘合层4为丙烯酸酯压敏胶粘剂，将微针3粘合到光响应形状记忆复合材料1的中部。

光源5的波长为780nm至3μm。在本实施例中，光源5采用的波长为808nm。

本实施例的基于光控制微针刺入的装置工作时，光源5照射在处于临时状态的光响应形状记忆复合材料1上时，部分固定在固定座2上的光响应形状记忆复合材料1根据光照强度发生可控的形变回复，从而产生力驱动微针精准刺入。

具体的，将光源5照射在光响应形状记忆复合材料1上，光响应形状记忆复合材料1在光照下吸热升温后收缩回复至原始形状的过程中带动微针3向下运动，刺入目标物。

光响应形状记忆复合材料1能够根据光强的改变产生不同的温度，因此通过光强可以控制光响应形状记忆复合材料1的形变恢复状态。同时由于固定在固定座2的两端限制了形变恢复的方向，因此可以调控在微针3上施加的力。在本实施例中，光响应形状记忆复合材料1长度为2cm，宽度为3mm，固定两端距离为9mm，中部高度为4mm，预拉伸形变是初始长度1.4倍。其光强与施加力的关系如图3所示。

光响应形状记忆复合材料1的最终恢复长度受其预拉伸形变率影响，相同长度的材料，预拉伸形变率越大，恢复量越大。因此能够通过控制光响应形状记忆复合材料1的预拉伸形变来限制最大刺入深度。在本实施例中，光响应形状记忆复合材料1长度为2cm，宽度为3mm，固定两端距离为9mm，中部高度为4mm。当预拉伸形变分别是1.2倍、1.4倍和1.6倍时，在14.3mW/mm²的光照强度下其刺入情况如图4所示。

由此可见，本发明的基于光控制微针刺入的装置和方法，其有益效果有：

1)能够通过光控制光响应形状记忆复合材料发生形变回复，从而实现微针的远程控制刺入。

2)能够通过改变光强调控光响应形状记忆材料的形变回复状态，从而实现对微针施加力的按需控制。

3)能够通过改变光响应形状记忆材料的预拉伸应变来控制其形变恢复量，从而限制微针刺入的最大深度。

此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种基于光控制微针刺入的装置，其特征在于，包括：

光响应形状记忆复合材料(1)，其组成包括光热转化材料和温度响应的形状记忆材料；光响应形状记忆复合材料(1)在加热、拉伸至设定长度后冷却以维持在拉伸后的临时形状，然后将其两端固定在固定座(2)上，中部向上凸起且中部下表面固设有朝下的微针(3)；

光源(5)，可照射光响应形状记忆复合材料(1)使其吸热升温后收缩回复至原始形状进而带动微针(3)向下运动；

所述基于光控制微针刺入的装置，当光源(5)照射在光响应形状记忆复合材料(1)上，光响应形状记忆复合材料(1)可在光照下吸热升温后收缩回复至原始形状的过程中带动微针(3)向下运动，刺入目标物。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，微针(3)为固体微针、可溶解微针、中空微针、涂层微针、水凝胶微针中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述形状记忆材料为形状记忆聚合物、形状记忆陶瓷、形状记忆合金中的至少一种。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述形状记忆聚合物包括聚降冰片稀、交联聚乙烯、反式1,4-聚异戊二烯、全氟磺酸/聚四氟乙烯共聚物、乙烯/醋酸乙烯共聚物、苯乙烯/丁二烯共聚物中的至少一种。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述形状记忆陶瓷包括氧化锆、氧化铝、碳化硅、氮化硅中的至少一种。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述形状记忆合金包括镍钛合金、金镉合金、铜锌合金、镍铝合金、银镉合金中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光热转化材料为碳纳米管、石墨烯、聚多巴胺、普鲁士蓝、硫化铜、金纳米颗粒中的至少一种。

8.根据权利要求1或7所述的装置，其特征在于，光源(5)的波长为265nm至1000μm。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，光源(5)的波长为780nm至3μm。

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