综述：3D打印可定制微针及其生物医学应用
时间:2023-10-31 11:20 来源:微流控 作者:admin 点击:次
| 微针（MNs）是一种新兴的微创技术，采用高度在10到1000微米之间的针头用于治疗、疾病监测和诊断。常用微针的制造方法是微注射成型技术，具有可扩展的优势，但微成型无法快速定制尺寸、几何形状和结构，而此正是决定微针功能和效果的关键因素。3D打印技术提供了一种有前景的替代方案，可以制造出高精度的微针，从而提高微针的性能。3D打印微针具有可定制性和可一步成型，在个体化和按需治疗领域具有巨大的应用潜力。 近日，来自新加坡科技研究局（A*STAR）的Kun Liang教授团队对3D打印可定制微针的设计和制造及其在生物医学领域的应用进行了综述。相关论文以“Design and fabrication of customizable microneedles enabled by 3D printing for biomedical applications”为题发表在Bioactive Materials期刊上。该综述概述了设计微针的关键参数，并介绍了制造新一代微针的各种3D打印技术，重点介绍3D打印微针在生物医学应用方面取得的进展。最后，对3D打印微针的未来转化和进入市场方面前景提出见解。 
图1 综述设计及机制示意图
微针设计考虑因素 在设计微针时应考虑以下几个因素，确保能以最佳方式发挥功能。在理想情况下，微针应能穿透皮肤，穿透深度应能将受试者的疼痛和不适感降至最低，接着递送活性成分或提取生物物质。微针的参数不仅影响微针的功能，还可用来提高其功效。（1）微针的尺寸和几何形状是影响微针皮肤穿透的最重要参数；（2）纵横比（定义为微针高度与基底宽度之比）会影响微针皮肤插入难易度和机械强度；（3）同时，必须优化微针的高度，控制其所需的穿透深度，尽量减少疼痛、出血和感染；（4）增加微针密度可增加单个贴片的载药量，但超过最佳密度会减小微针间距，并由于"钉床"效应而降低皮肤插入效率；（5）微针的几何形状是另一个可用于增强皮肤穿透力、机械强度、输送效果和组织粘附性的因素。 微针的制造 为实现所需的设计，人们已经探索了许多制造方法，包括微成型、微冲压、光刻和液滴空气吹塑以及电拉伸等。其中，微成型是最广泛采用的方法。这是一种分两步进行的工艺，首先利用蚀刻或其他方法制造模具，然后将模具用作铸造微针的反模板。虽然微成型工艺能有效重复生产标准化微针，但微针的设计复杂性和可定制性有限。随着对更简单、一致和低成本生产用于特定应用复杂微针设计的需求不断增加，研究人员一直在共同努力探索其他制造方法。 3D打印微针 用于制造微针的3D打印方法主要有两种：材料沉积和大桶光聚合。最常见的材料沉积方法是熔融沉积成型（FDM）和材料喷射（MJ）。大桶光聚合（VP）是一种用于制造微针的光基3D打印方法，包括立体光刻（SLA）、数字光处理（DLP）、连续液体界面生产（CLIP）和双光子聚合（TPP）等技术。 
图2 用于微针制造的3D打印技术
（1）材料沉积 FDM由一组夹辊组成，可产生挤压熔融材料的压力。固体热塑性聚合物长丝放入机器中，在机器喷嘴中加热并作为熔融聚合物逐层挤出到构建板上。由于下一层是在上一层完全冷却凝固之前打印出来的，因此两层会融合在一起。这一过程不断重复，直到计算机辅助设计（CAD）软件设计的整个模型成型。FDM是最普遍、最经济实惠的材料沉积打印方法。由于FDM打印机既便宜又容易获得，常常受到研究人员的青睐。FDM的制造成本较低，但其主要局限是打印分辨率较低。因此，FDM打印的微针通常需要后加工步骤来提高微针的分辨率。 （2）大桶光聚合技术 VP是一种3D打印技术，在大桶中光固化液体，通过逐层工艺打印出构造物。最常用的VP技术包括SLA、DLP、CLIP和TPP，主要区别在于光源和平台不同。VP的高分辨率可快速制造出复杂几何形状的小型结构，因此近年来VP打印往往成为微针等复杂生物医学设备快速原型制造的首选。 
图3 采用各种VP 3D打印技术制造的微针
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