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

導讀：基于雙光子聚合的三維（3D）微打印技術可以制造復雜的微結構，分辨率可達數百納米。近年來，該技術已被用于制造各種納米和微米大小的結構，如微流控設備、光子學、微光學和微針陣列。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檢驗（POC）診斷。隨著制造技術的發(fā)展，現在能通過雙光子直接激光寫入技術，獲得3D打印復雜的微針結構。然而，雙光子3D打印技術的選擇最佳參數仍然有待研究。


△傳統(tǒng)微針貼片

2022年6月，南極熊獲悉，來自伯明翰大學和南昆士蘭大學的研究人員正在探索使用微型3D打印技術來制造微針。他們研究了雙光子3D打印制造微針過程中的最佳實驗參數，專門用于開發(fā)具有復雜特征（如側通道）的聚合物微針。研究已經發(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入工藝的參數優(yōu)化》），讓我們一看看他們的研究吧！


研究背景：使用微針達可達到納米級應用
傳統(tǒng)的皮下注射針通�？捎糜谔崛⊙�液樣本和靜脈內輸送化合物，但微針及其小型化的外形由于自身的優(yōu)勢具有更廣泛的用途，包括穿過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。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械穩(wěn)定性而備受青睞。

聚合物確實可以通過 2PP 進行 3D 打印，但選擇最佳打印參數來創(chuàng)建可用的微針陣列通常需要進行大量測試。據研究團隊稱，在打印參數優(yōu)化方面的研究也很有限。
●2021年9月，斯坦福大學和北卡羅來納大學教堂山分校(UNC) 的科學家3D打印了一種疫苗貼片，此款直接應用于皮膚的微針貼片產生的免疫反應是注射到手臂肌肉中的疫苗的十倍，而且所有這些都是無痛的。

●2021年1月，肯特大學和斯特拉斯克萊德大學的研究人員此前開發(fā)了一種新型3D打印微針設備，該設備使用微機電系統(tǒng)(MEMS) 來控制透皮給藥。該設備被命名為 3DMNMEMS，其開發(fā)目標是個性化臨床治療，并允許醫(yī)療專業(yè)人員根據患者的需要對其進行給藥。


△斯坦福大學和北卡羅來納大學的科學家們使用3D打印來制作微針疫苗貼片。照片來自 UNC。

優(yōu)化的打印工藝參數研究


△用雙光子直接激光寫入工藝制造微針的過程示意圖

為了開展此項研究，該團隊使用了Nanoscribe Photonic Professional GT 3D 打印機，打印了許多具有不同工藝參數的微針測試樣品，以確定最佳的工藝參數組合。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。圖片來自 Nanoscribe。


△微針的SEM顯示了參數對打印質量的影響。(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)現激光的掃描速度和功率都對打印結果有顯著影響，掃描速度越快，材料聚合水平越低（更差）。通過SEM電鏡查看，微針本身的幾何形狀，研究小組發(fā)現，針尖高度為300μm的微針在施加負載時的性能最差。只有150μm長的微針在斷裂前可以承受高達50%的負載。打印部件還具有側通道設計，形成穿過表皮的微流體通道。這些通道可到達皮下區(qū)域，用于輸送藥物和監(jiān)測生物標志物。


△壓縮試驗

總結
此研究探究了雙光子直接激光打印工藝參數之間的關系，如掃描模式、掃描速度、激光功率、和切片距離等。 這些參數會影響聚合過程，從而決定了打印部件的聚合程度。已經可以確定的是，在這個過程中，聚合程度受到掃描速度和激光功率的顯著影響。結果表明，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可能會導致過度曝光。對于不同的打印品，系統(tǒng)使用的激光功率從80mW到100mW不等。過一系列優(yōu)化試驗，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�。┖�0.7μm（最大）的切片距離。可以說，研究人員成功為聚合物微針開發(fā)提供了優(yōu)化的3D打印參數，并斷言該技術可以應用于其他高分辨率微結構。

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