雾化给药作为一种重要的非注射给药途径,其优点有
(1)药物释放形式及给药部位多样,药物可以喷雾、泡沫及凝胶等形式释放,可以对口腔、鼻腔、咽喉及肺部等诸多部位实施给药。
(2)可使药物直接进入靶器官,起效快,给药量低,降低了药物的毒、副作用。
(3)雾化给药时与给药部位无直接的机械摩擦,从而减少了对皮肤的损伤、刺激。
目前常用的雾化方法有定量定压式、气雾式和超声雾化式等。但它们都存在雾化颗粒较大或装置复杂等缺点。而超声雾化式虽然产生的液滴直径较小,但工作中发热较大,会使一些药物受热分解,同时高频超声波对有些药物会产生破坏作用。微喷作为微电子机械系统(MEMS)技术的一个重要的研究方向,有着广泛的用途,并已应用在生物医学领域。Ph. Luginbuhl报道了用于脱氧核糖核酸(DNA)质谱分析的压电致动微喷[1];Wang X. Q.等人在聚合物上制作了孔为5μm×10μm大的静电驱动微喷[2],用于在溶液中探测肌血球素;Micro2Fab Technologies公司制作了基于压电喷墨打印原理的微喷[3],用于DNA沉积、诊断、免疫测定、蛋白质阵列和药物输送。本文介绍了一种可用于雾化吸入治疗(IDT)的压电驱动阵列微喷。与其他雾化法相比,该阵列微喷所产生的液滴颗粒较小,并且液滴直径和速度分布集中。该雾化微喷采用压电陶瓷作为致动器,在工作中不产生热效应,因此对药液中的蛋白质等大分子物质不会产生破坏作用。
1 工作原理
微喷的结构简图如图1所示。它由两片硅片键合而成,两片硅片之间是闭合的药液腔,药液从进液口进入腔体。在振动膜上粘有压电片,作为微喷的致动器。为了减少微喷管道长度以减少压力损失,在另一片硅片上刻蚀有一定数量的凹槽结构,在凹槽的底部有上千个用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)的微喷孔,直径为/5~20μm。在压电陶瓷上施加一定频率的正弦信号,引起薄膜振动,液体腔内产生压力波并在腔体内传播,当喷孔内液体获得的动能足够克服液体的表面张力时,液滴就会从喷孔内喷出。
为了获得最好的喷射效果,微喷工作在谐振频率点,在该谐振频率处,振动薄膜有最大的振幅。以往的设计[4-5]仅考虑系统的结构振型,认为结构振幅越大,液滴喷射效果越好。我们在对液体腔内压力波进行固2液耦合分析的基础上[6],优化了喷孔的布置,将喷孔布置在了压力波出现峰值的腔体中央和边缘处(见图1)。
2 微喷的加工
2.1 喷孔面的制作
图2为喷孔面的加工工艺。工艺流程为
(1)热氧化双面生长SiO2200μm;低压化学气相淀积(LPCVD)双面淀积Si3N4160μm。
(2)上表面光刻,RIE刻蚀Si3N4和SiO2,形成体硅腐蚀图形窗口。
(3) 30% KOH+H2O溶液各向异性腐蚀单晶硅上表面,留膜厚30μm。
(4)下表面光刻,反应离子刻蚀(RIE)刻蚀Si3N4和SiO2,形成离子刻蚀微喷孔图形窗口。
(5) ICP刻蚀单晶硅,致膜穿透形成微喷孔。
图3为喷孔面和微喷孔的扫描电镜照片,微喷孔采用ICP工艺加工,制作了直径分别为/5μm、10μm和20μm的微孔。
微喷孔阵列的加工结果说明了ICP工艺可实现在小面积芯片上制作高密度、小直径微孔阵列。但是由于ICP刻蚀工艺的异向性较差,刻蚀时等离子体会对掩膜层下的单晶硅产生钻蚀作用,导致加工会存在一定的误差,致使微孔比设计的尺寸要大。且微喷孔直径越小,加工误差越大,直径为/5μm、10μm和20μm的微孔加工后测量的实际孔径分别为8μm、13μm和23μm。
2.2 振动腔膜的制作
圆形腔膜与方型膜相比,具有以下两点优点:
(1)应力集中相对较小,尤其对于在高频谐振下工作的器件优点更为突出。方形膜片弯曲变形时在其边角处将产生较大的拉伸应力和剪切应力,对可靠性和寿命影响很大。
(2)便于清洗,腔体中不存在尖角结构,在供液时容易将气泡排出腔体。然而,受晶格特性的限制,在单晶硅片上利用KOH各向异性腐蚀技术不可能制作出规则圆形的单晶硅腔膜。图4为加工结果,圆形掩膜腐蚀出的图形为近似圆形的图形。
2.3 微喷的装配
压电驱动阵列微喷的封装主要有(见图5)喷孔面与弹性腔膜的装配;压电换能器的制作及供液管道的连接3个步骤。
制作时,需对施加在压电陶瓷上的压力进行适当控制。压力过小,压电陶瓷与弹性腔膜之间粘接质量差,界面之间的损耗增加,换能器的机械阻增大,致使换能器的性能不佳。当压力过大时,会使压电陶瓷材料退极化。为了保证粘接质量,采用了导电环氧树脂胶,粘接条件为80℃温度环境,在一定压力下保持8~10 h。设计了专用卡具,保证所加的压力为5 N,并均匀作用在整个压电陶瓷上。
3 微喷性能测试
图6为使用粒子图像测速(PIV)系统拍摄的微喷工作图像。该微喷结构尺寸为:振动薄膜厚度100μm,喷孔面厚400μm,直径均为?0 mm,压电片厚300μm,直径? mm,液体腔厚300μm。微喷的谐振工作频率为34.5 kHz,电压为90 V。
由于微喷喷出的液滴过于稠密,难以用PIV分辨液体颗粒,无法进行测速,因此采用丹麦Dantec公司的相位多普勒粒子分析(PDPA)系统进行阵列微喷雾化粒子直径和速度的测量。激光相位2多普勒测速系统主要由氩离子激光器、光纤配耦器、光纤发射单元、光纤接收单元、光电转换单元、数字信号处理器和微处理机组成。散射光信号由光纤传送至光电转换器转换成电信号,然后由数字信号处理器进行处理,计算出信号的频率和相位,由此得出粒子速度和直径大小。图7、8分别是喷孔直径为8μm的微喷粒子直径和速度分布图。从图中可看出,直径为?μm的喷孔,所产生平均液滴直径约为?μm,平均速度为0.66 m/s。由于PDPA的测量点距离喷孔面有一定的距离,液滴离开喷孔之后会发生碰撞、破裂和融合,因此液滴直径分布图上出现了一些偏离平均直径较大的液滴。最大液滴直径约达20μm。
图9~11分别为雾粒直径和速度分布与喷孔直径关系、雾粒直径和速度与驱动电压的关系。从图9~11可看出,雾粒的直径和速度随喷孔直径的增大而增大。驱动电压升高,雾粒的速度有较大变化,而对雾粒直径的影响则较小。
4 结束语
本文介绍了一种基于MEMS技术的压电驱动阵列微喷的设计和加工工艺。该微喷可用于雾化吸入给药。使用激光相位2多普勒粒子分析(PDPA)系统对微喷的粒子速度和直径进行了测量。实验结果表明,该微喷具有结构简单、易于控制、液滴直径和速度分布集中的特点。
参考文献:
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[2] WANG X Q, DESAI A, TAI Y C, et al. Polymer2based electrospray chips for mass spectrometry[A].In: Proc. IEEE MEMS'99[C]. Orlando, 1999: 5232528.
[3] PATRICK C, DAVID W, BOGDAN A. Applicationsof ink2jet printing technology to BioMEMS andmcrofluidic systems[A].In:Proceedings SPIE confer2ence on microfluidics and BioMEMS[C]. San Francis2co, October, 2001: 1772188.
[4] YUAN Song2mei, ZHOU Zhao2ying, WANG Guo2hui, et al. MEMS2based piezoelectric array microjet[J]. MicroelectroNIc Engineering, 2003, 66 (124):7672772.
[5] HEIJ D B, SCHOOT V D B, HU B , et al. Charac2terization of a fL droplet generator for inhalation drugtherapy[J]. Sensors and Actuators, 2000, A85(4):4302434.
[6]冯焱颖,周兆英,叶雄英,等.压电致动微喷的压力波特征分析[J].微纳电子技术, 2003, 40(z1): 5062511.
本文作者;朱俊华 周兆英 杜桂彬 冯焱颖 林 冬
