莊 儉，陳壽楷，許 紅，劉 穎，黃 堯，吳大鳴

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 北京 100029)

0 前言

微針(Microneedls，MNs)技術(shù)與傳統(tǒng)透皮貼劑和靜脈注射相比，提供了高效且微創(chuàng)的藥物遞送方式[1-4]。MNs無(wú)痛地破壞角質(zhì)層，從而增強(qiáng)透皮給藥效果。由于皮膚的彈性和韌性，具有剛性基底的微針陣列會(huì)產(chǎn)生“釘子床”效應(yīng)[5]，即分散每根針上的力，降低了刺入效果，具有柔性基底的微針可適合皺紋和變形的皮膚，從而提高破壞角質(zhì)層的效率[6-8]。

微注射壓縮成型[9-10]是將微注射成型和壓縮成型相結(jié)合的一種聚合物微小制件成型方法。在其壓縮過程中能夠推動(dòng)聚合物大分子鏈段運(yùn)動(dòng)，聚合物大分子鏈段便能夠進(jìn)入型腔，克服了傳統(tǒng)注射方法因大分子鏈段纏結(jié)不易進(jìn)入微小型腔的缺點(diǎn)[11]。因此，該方法能夠改善填充效果，制備形狀尺寸高，尖端尺寸小的柔性薄底微針。Xie等[12]利用微注射壓縮成型方法制備柔性聚合物微透鏡陣列，其中涉及的微結(jié)構(gòu)類型尺寸為直徑190 μm的半球形圓孔。Shamloo等[13]針對(duì)微注射壓縮成型的工藝參數(shù)進(jìn)行研究，探究了不同參數(shù)對(duì)于聚乙烯熱性能的影響以及力學(xué)性能的改善。但到目前為止，對(duì)微注射壓縮成型柔性微尺度制件的工藝研究還鮮見報(bào)道。

本文針對(duì)微注射壓縮制備柔性基底微針陣列的成型工藝，重點(diǎn)探究微注射壓縮成型微針陣列的工藝參數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)研究獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用極差分析和方差分析得出成型最佳工藝參數(shù)，并利用聚合物分子物理模型解釋各因素對(duì)成型效果的影響。

1 微注射壓縮成型的微觀機(jī)理

微注射壓縮成型的聚合物充模過程可認(rèn)為是熔體在薄壁型腔內(nèi)簡(jiǎn)單的伸長(zhǎng)流動(dòng)，而流動(dòng)的原因主要是通過大分子鏈單體的鏈段位移實(shí)現(xiàn)。任意的大分子鏈段包含n個(gè)長(zhǎng)度為l的鏈段，其每個(gè)鏈段運(yùn)動(dòng)過程中受到相應(yīng)的等效應(yīng)力，定義纏結(jié)大分子鏈單體受力產(chǎn)生的變形量等價(jià)于分子鏈?zhǔn)住⒛﹥啥俗冃瘟浚叶x纏結(jié)大分子鏈末端距矢量為R，其物理模型[14]如圖 1所示。

圖1 纏結(jié)大分子鏈取向形變物理模型Fig.1 Tangled macromolecular chain orientation deformation physical model

鏈段運(yùn)動(dòng)依靠分子之間的取向應(yīng)力，對(duì)于聚合物充模滿足取向應(yīng)力—形態(tài)關(guān)系理論模型如式(1)～(3)所示：

(1)

(2)

σ=σ1+σ2

(3)

式中KB——Boltzmann常數(shù)

T——熱力學(xué)溫度

ξ——聚合物材料有關(guān)的模型常數(shù)ξ=3/2nl2

λ——材料柔度

C-1——微元對(duì)應(yīng)的Finger應(yīng)變張量

簡(jiǎn)化模型取C-1=0，ζ0=exp(3ξ)，取向應(yīng)力模型[14]大致曲線如圖 2所示。

圖2 恒溫可壓縮熔體充模取向應(yīng)力-形變關(guān)系示意圖Fig.2 Schematic diagram of orientation stress-deformation relationship of constant temperature compressible melt filling

通過上述曲線走勢(shì)可知，應(yīng)力變化在微尺度型腔充模初期和充模后期增加較快，中期相對(duì)緩慢。在充模初期，熔體大分子在應(yīng)力作用下產(chǎn)生變形，但是由于大分子鏈的制約，分子體積受到壓縮而趨于收縮的趨勢(shì)，為了克服大分子鏈段的約束，應(yīng)力增加較快。在充模中期，熔體微元克服大分子鏈段的約束，此段為高彈形變區(qū)，產(chǎn)生剪切膨脹變形，在較小的取向應(yīng)力下就能產(chǎn)生大的應(yīng)變量。在充模后期，形變達(dá)到峰值，若要繼續(xù)產(chǎn)生形變則需要更大的取向應(yīng)力。因此，在充模后期，利用壓縮成型過程，能夠使分子鏈段獲得更大的取向應(yīng)力，能夠解決大分子鏈段在運(yùn)動(dòng)后期因分子鏈纏結(jié)造成熔體不易充模的缺點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原料、模具及設(shè)備

微針陣列的微注射壓縮成型材料選用聚丙烯(PP)，牌號(hào)為MT40S，高流動(dòng)級(jí)別，熔體流動(dòng)速率為38 g/10 min，玻璃化轉(zhuǎn)化溫度為130 ℃，熔融溫度為220 ℃，透明度高。此牌號(hào)PP適合成型薄片微小結(jié)構(gòu)塑件，且機(jī)械性能良好。

本實(shí)驗(yàn)制造的模具為疊層鑲塊式模具，采用這種方式有利于模具的清理和排氣，這也是此模具的特殊之處。模具疊層鑲塊部分由11個(gè)疊片構(gòu)成，疊片間的微小型腔構(gòu)成了微針的6×10正三棱錐陣列分布，其底部邊長(zhǎng)為260 μm，高度為350 μm，模具三維圖如圖 3所示，模具疊片零件圖如圖4所示。

圖3 模具三維圖Fig.3 Three-dimensional image of the mold

圖4 模具疊片零件圖Fig.4 Lamination part image of the mold

實(shí)驗(yàn)所使用的微注射成型設(shè)備為Battenfeld 55/130H B6注塑機(jī)，其規(guī)格參數(shù): 螺桿直徑22 mm，注射壓力287 MPa,最大注射量120 cm3, 螺桿長(zhǎng)徑比(L/D)20, 螺桿轉(zhuǎn)速500 r/min, 最大鎖模力550 kN。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)的目的旨在研究不同工藝參數(shù)對(duì)于微針成型的影響，評(píng)估指標(biāo)為微針成型的高度以及成型形狀，得出最佳成型工藝參數(shù)。對(duì)于微注射壓縮法成型聚合物微針陣列，其工藝參數(shù)主要有熔體溫度、注射速度、注射壓力、模具溫度、二次鎖模時(shí)間以及二次鎖模壓力。因此，設(shè)計(jì)了6因素5水平的L25(56)正交實(shí)驗(yàn)表，各因素各水平代表的具體工藝參數(shù)見表1。

表1 各因素各水平代表的具體工藝參數(shù)Tab.1 Specific process parameters represented by each level of factors

對(duì)于設(shè)計(jì)的25組中，每次注射壓縮成型的注射量保持一致，即為20 cm3，且每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)10次。正交實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用極差分析以及方差分析得到主要影響因素以及實(shí)驗(yàn)指標(biāo)與因素的關(guān)系，從而獲得成型最佳工藝參數(shù)。

2.3 聚合物微針的外形表征

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)表中的工藝參數(shù)制備微針陣列，制得的微針樣件利用顯微鏡以及SEM觀測(cè)具體形態(tài)以及尺寸，其顯微鏡及SEM照片如圖5所示。

(a)顯微鏡下微針陣列圖 (b)單個(gè)微針尺寸圖 (c)單個(gè)微針SEM照片(×250) (d)微針柔性陣列圖5 微針陣列外形尺寸Fig.5 Microneedle array dimensions

圖5(a)為顯微鏡觀測(cè)的微針陣列。圖5(b)為測(cè)量單個(gè)微針的高度，可達(dá)322 μm，填充率達(dá)到92 %。圖5(c)是通過SEM電鏡放大250倍之后的圖像，可以觀察到整個(gè)微針填充效果良好。圖5(d)為PP基底微針陣列呈現(xiàn)整體柔性彎曲的特征，該微針陣列能夠適用皮膚的褶皺以及皺紋，能夠適應(yīng)于皮膚的各個(gè)部位，這個(gè)特點(diǎn)也成為了此種微針具有巨大應(yīng)用潛力所在。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 極差分析

(4)

分析得出的數(shù)據(jù)，可以確定PP成型微針的主次順序?yàn)樽⑸渌俣?熔體溫度>二次鎖模壓力>注射壓力>模具溫度>二次鎖模時(shí)間，并且得出最佳工藝參數(shù)組合為A4B5C5D2E3F4。為了便于直觀地分析各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)微針高度形成的影響，以各工藝參數(shù)為橫坐標(biāo)、微針平均高度為縱坐標(biāo)繪制圖6。

(a)熔體溫度、注射速度、注射壓力對(duì)微針高度的影響 (b)模具溫度、二次鎖模時(shí)間、二次鎖模壓力對(duì)微針高度的影響圖6 工藝參數(shù)對(duì)微針高度影響趨勢(shì)Fig.6 Trend of process parameters on microneedle height

從圖6可以看出，隨著熔體溫度和注射速度的因素水平值增大，微針高度增加趨勢(shì)明顯，而注射壓力和二次鎖模壓力對(duì)微針高度的影響表現(xiàn)出相對(duì)平穩(wěn)的趨勢(shì)，模具溫度以及二次鎖模時(shí)間呈現(xiàn)先增大后減小的影響趨勢(shì)。

(1)熔體溫度曲線可以觀察得出微針平均高度先呈現(xiàn)線性增加再趨于穩(wěn)定。熔體溫度主要影響熔體的黏度，即分子運(yùn)動(dòng)初期大分子鏈團(tuán)對(duì)于熔體微元運(yùn)動(dòng)的約束。在熔體溫度245～255 ℃分段，微針高度隨著溫度的增加而增加，且呈現(xiàn)線性變化，每升高5 ℃，微針高度增加約10 μm，超過255 ℃，對(duì)制品的成型不利，因此，得出最佳的溫度參數(shù)為255 ℃，且該因素對(duì)微針高度的影響較顯著。

(2)注射速度在260～200 mm/s速度范圍內(nèi)，微針高度呈現(xiàn)遞增的現(xiàn)象，超過200 mm/s后趨于穩(wěn)定，從分子角度考慮，充模初期中，由于熔體黏度的影響，纏結(jié)的大分子鏈彈性效應(yīng)顯著，這段期間需要大的注射速度，因此，微針高度呈現(xiàn)遞增現(xiàn)象。注射中期，隨著注射速度的提升，剪切力的增大，促使大分子鏈單體扭結(jié)成聚合物微元，剪切應(yīng)力趨于平穩(wěn)。注射后期，若提高微針高度則需要更大地增加注射速度，然而當(dāng)注射速度達(dá)到設(shè)定之后便進(jìn)入壓縮過程，因此接下來(lái)取決的因素為二次鎖模壓力。

(3)注射壓力在整個(gè)注射過程中與注射速度相對(duì)應(yīng)，增大注射壓力，熔體剪切應(yīng)力也相應(yīng)增大，使熔體的黏度下降，當(dāng)熔體的剪切應(yīng)力超過臨界值后，會(huì)產(chǎn)生壁面滑移現(xiàn)象，因此促進(jìn)熔體的流動(dòng)，微針高度隨著注射壓力的增大而增大。

(4)根據(jù)材料的特性，將實(shí)驗(yàn)中模具溫度設(shè)定的范圍為80～120 ℃，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，微針成型高度變化量為0.0134 mm，模具溫度對(duì)微針高度影響較小。

(5)注射壓縮成型過程中，二次鎖模時(shí)間相當(dāng)于保壓時(shí)間，曲線在二次鎖模時(shí)間為10 s時(shí)出現(xiàn)峰值，該時(shí)間微針成型的高度明顯優(yōu)于其他時(shí)間，可以認(rèn)為該時(shí)間為PP材料成型最佳二次鎖模時(shí)間。當(dāng)鎖模時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，容易使塑件產(chǎn)生殘余應(yīng)力，使塑件發(fā)生變形，影響微針高度的形成，該因素在整個(gè)成型過程中影響較小。

(6)二次鎖模壓力對(duì)于微針高度的影響較顯著，隨著二次鎖模壓力增大，微針高度增加，主要是由于聚合物熔體的體積由大分子鏈單體以及自由體積兩部分組成，在填充后期，熔體主要依靠二次鎖模壓力進(jìn)行充模，注射壓縮過程引起熔體體積變化，進(jìn)而導(dǎo)致熔體黏度變化，充模過程前段熔體會(huì)影響后段熔體的運(yùn)動(dòng)。但當(dāng)鎖模壓力過大時(shí)，反而使熔體黏度增大，同時(shí)模具中殘余的空氣對(duì)熔體的運(yùn)動(dòng)有阻礙作用，因此造成了曲線在過大壓力是時(shí)候呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

3.2 方差分析

為了獲取顯著因子的最佳水平，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析[15]。假設(shè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果在誤差范圍之內(nèi)，實(shí)驗(yàn)的各方面條件因素都是保證理想狀態(tài)；且不同水平條件下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)是相互獨(dú)立的，不會(huì)對(duì)其他實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響。設(shè)微針高度y1,y2,y3,…,yn(mm)為考察指標(biāo)，計(jì)算總離差平方和以及各因素離差平方和為：

(5)

(6)

式中SST——總離差平方和

SSj——各因素離差平方和

f——自由度

n——實(shí)驗(yàn)次數(shù)(正交表的行數(shù)×重復(fù)次數(shù))

a——第j因素的水平數(shù)為5

ni——第i水平下的實(shí)驗(yàn)次數(shù)為3

則計(jì)算檢驗(yàn)值FA：

(7)

(8)

式中MSSj——各因素均方和

MSSe——誤差均方和

各因素方差分析及貢獻(xiàn)率(ρi)見表2。從表2可知FB>F0.95(4，25)=2.76，因素B在顯著性水平0.05上是顯著的，有檢驗(yàn)值Fj可以看出在顯著水平上B最占優(yōu)，而E影響最小。

表2 各因素方差分析以及貢獻(xiàn)率Tab.2 Analysis of variance of factors and contribution rate

由貢獻(xiàn)率的大小來(lái)衡量影響因素的強(qiáng)弱，對(duì)于各個(gè)不同因素對(duì)于微針高度的形成來(lái)計(jì)算貢獻(xiàn)率：

(9)

(10)

式中ρj——各因素的貢獻(xiàn)率

ρe——誤差貢獻(xiàn)率

各因素貢獻(xiàn)率如錯(cuò)誤!未找到引用源。3所示。注射速度和熔體溫度占據(jù)主要影響因素，分別為25.3 %以及21.2 %，而二次鎖模時(shí)間僅占10.1 %，對(duì)于工藝成型的影響較不顯著。

表3 各因素貢獻(xiàn)率 %

4 結(jié)論

(1)通過極差分析，獲得PP微針陣列成型的主次工藝影響順序?yàn)樽⑸渌俣?熔體溫度>二次鎖模壓力>注射壓力>模具溫度>二次鎖模時(shí)間，并且得出最佳工藝參數(shù)組合為B5=340 mm/s，A4=255 ℃，F(xiàn)4=280 kN，C5=240 MPa，D2=90 ℃，E3=10 s；

(2)通過利用取向應(yīng)力場(chǎng)模型對(duì)各個(gè)因素影響成型的原因進(jìn)行分析，注射速度增大使聚合物熔體黏度下降，使得大分子鏈由于剪切力的作用分散成聚合物微元，此時(shí)聚合物熔體向前運(yùn)動(dòng)依靠注射速度給予的慣性，熔體向前運(yùn)動(dòng)距離主要取決于注射速度的大?。贿M(jìn)入運(yùn)動(dòng)末期，熔體向前運(yùn)動(dòng)主要依靠二次鎖模壓力，基于自由體積理論，該過程由于慣性的減弱，聚合物微元能夠繼續(xù)運(yùn)動(dòng)依賴壓縮體積的作用，因此二次鎖模壓力在充填末期占據(jù)主導(dǎo)作用；

(3)通過方差分析確定各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)于成型微針的貢獻(xiàn)率，結(jié)果顯示，注射速度和熔體溫度的影響效果最大，其貢獻(xiàn)率分別為25.3 %以及21.2 %；

(4)通過對(duì)微注射壓縮成型PP柔性基底微針陣列的工藝研究，可為微注射壓縮成型微小制件提供一定的理論依據(jù)，并對(duì)于微模具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供技術(shù)支持。