《Additive Manufacturing》:雙光子3D打印微針的參數(shù)優(yōu)化,！

導(dǎo)讀：基于雙光子聚合的三維（3D）微打印技術(shù)可以制造復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，分辨率可達(dá)數(shù)百納米,。近年來(lái),，該技術(shù)已被用于制造各種納米和微米大小的結(jié)構(gòu)，如微流控設(shè)備,、光子學(xué),、微光學(xué)和微針陣列。微針主要用于治療劑在皮膚上的透皮給藥和提取生物樣本用于即時(shí)檢驗(yàn)（POC）診斷,。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在能通過(guò)雙光子直接激光寫(xiě)入技術(shù),，獲得3D打印復(fù)雜的微針結(jié)構(gòu),。然而，雙光子3D打印技術(shù)的選擇最佳參數(shù)仍然有待研究,。


△傳統(tǒng)微針貼片

2022年6月,，南極熊獲悉，來(lái)自伯明翰大學(xué)和南昆士蘭大學(xué)的研究人員正在探索使用微型3D打印技術(shù)來(lái)制造微針,。他們研究了雙光子3D打印制造微針過(guò)程中的最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù),，專門(mén)用于開(kāi)發(fā)具有復(fù)雜特征（如側(cè)通道）的聚合物微針。研究已經(jīng)發(fā)表在《Additive Manufacturing》,，題目為《Parametric optimization of two-photon direct laser writing process for manufacturing polymeric microneedles 》（《用于制造聚合物微針的雙光子直接激光寫(xiě)入工藝的參數(shù)優(yōu)化》）,，讓我們一看看他們的研究吧！


研究背景：使用微針達(dá)可達(dá)到納米級(jí)應(yīng)用
傳統(tǒng)的皮下注射針通�,？捎糜谔崛⊙�液樣本和靜脈內(nèi)輸送化合物,，但微針及其小型化的外形由于自身的優(yōu)勢(shì)具有更廣泛的用途，包括穿過(guò)皮膚屏障的透皮給藥,、提取用于診斷的微小生物樣本,，甚至是美容手術(shù)。微針可以由各種材料制成,，例如金屬,、硅、玻璃,，甚至陶瓷,。其中，尤其是聚合物微針,，因其生物相容性和機(jī)械穩(wěn)定性而備受青睞,。

聚合物確實(shí)可以通過(guò) 2PP 進(jìn)行 3D 打印,，但選擇最佳打印參數(shù)來(lái)創(chuàng)建可用的微針陣列通常需要進(jìn)行大量測(cè)試。據(jù)研究團(tuán)隊(duì)稱,，在打印參數(shù)優(yōu)化方面的研究也很有限,。
●2021年9月，斯坦福大學(xué)和北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校(UNC) 的科學(xué)家3D打印了一種疫苗貼片,，此款直接應(yīng)用于皮膚的微針貼片產(chǎn)生的免疫反應(yīng)是注射到手臂肌肉中的疫苗的十倍,，而且所有這些都是無(wú)痛的。

●2021年1月,，肯特大學(xué)和斯特拉斯克萊德大學(xué)的研究人員此前開(kāi)發(fā)了一種新型3D打印微針設(shè)備,，該設(shè)備使用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS) 來(lái)控制透皮給藥。該設(shè)備被命名為 3DMNMEMS,，其開(kāi)發(fā)目標(biāo)是個(gè)性化臨床治療,，并允許醫(yī)療專業(yè)人員根據(jù)患者的需要對(duì)其進(jìn)行給藥。


△斯坦福大學(xué)和北卡羅來(lái)納大學(xué)的科學(xué)家們使用3D打印來(lái)制作微針疫苗貼片,。照片來(lái)自 UNC,。

優(yōu)化的打印工藝參數(shù)研究


△用雙光子直接激光寫(xiě)入工藝制造微針的過(guò)程示意圖

為了開(kāi)展此項(xiàng)研究，該團(tuán)隊(duì)使用了Nanoscribe Photonic Professional GT 3D 打印機(jī),，打印了許多具有不同工藝參數(shù)的微針測(cè)試樣品,，以確定最佳的工藝參數(shù)組合。最終,，他們選擇了80mW 的激光功率,、50,000μm/s的打印速度以及0.5μm 和 0.7μm之間的切片距離。


△Nanoscribe Photonic Professional GT2 3D 打印機(jī),。圖片來(lái)自 Nanoscribe,。


△微針的SEM顯示了參數(shù)對(duì)打印質(zhì)量的影響。(a)微針由于光刻膠的不完全聚合而彎曲,，(b)微針表面的層狀圖案,，打印的最小切片距離為0.5微米，最大為1.2微米,，(c)由于高激光功率（100毫瓦）,，微針的尖端燒毀。

研究發(fā)現(xiàn)激光的掃描速度和功率都對(duì)打印結(jié)果有顯著影響,，掃描速度越快,，材料聚合水平越低（更差）。通過(guò)SEM電鏡查看,，微針本身的幾何形狀,，研究小組發(fā)現(xiàn)，針尖高度為300μm的微針在施加負(fù)載時(shí)的性能最差。只有150μm長(zhǎng)的微針在斷裂前可以承受高達(dá)50%的負(fù)載,。打印部件還具有側(cè)通道設(shè)計(jì),，形成穿過(guò)表皮的微流體通道。這些通道可到達(dá)皮下區(qū)域,，用于輸送藥物和監(jiān)測(cè)生物標(biāo)志物,。


△壓縮試驗(yàn)

總結(jié)
此研究探究了雙光子直接激光打印工藝參數(shù)之間的關(guān)系，如掃描模式,、掃描速度,、激光功率、和切片距離等,。 這些參數(shù)會(huì)影響聚合過(guò)程,，從而決定了打印部件的聚合程度。已經(jīng)可以確定的是,，在這個(gè)過(guò)程中,，聚合程度受到掃描速度和激光功率的顯著影響。結(jié)果表明,，掃描速度越高,，聚合就越不完全。此外,，在保持低掃描速度的情況下，將激光功率提高到100mW可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)度曝光,。對(duì)于不同的打印品,，系統(tǒng)使用的激光功率從80mW到100mW不等。過(guò)一系列優(yōu)化試驗(yàn),，研究人員選擇了50000μm/s的掃描速度,、80mW的激光功率以及0.5μm（最小）和0.7μm（最大）的切片距離,。可以說(shuō),，研究人員成功為聚合物微針開(kāi)發(fā)提供了優(yōu)化的3D打印參數(shù)，并斷言該技術(shù)可以應(yīng)用于其他高分辨率微結(jié)構(gòu),。

原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102953