3D打印中空微针,实现可控经皮给药

3D打印资讯
2021
09/16
17:05
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来源: MEMS  

据麦姆斯咨询报道,肯特大学(University of Kent)和斯特拉斯克莱德大学(University of Strathclyde)的研究人员为实现可控经皮给药开发了一种新型器件,该器件结合了3D打印、微针和微机电系统(MEMS)技术。

经皮给药是指药物通过粘性贴剂透过皮肤实现给药。针对该类方法,研究人员开发了一款由3D打印、微针贴片和MEMS组成的复合器件,可帮助使用者直接控制给药量。

该器件被命名为3DMNMEMS,其主要目标是实现个性化临床治疗,代替过去“一刀切”的给药方式。

肯特大学研究人员之一Sophia Economidou表示:“微针是一种小型穿刺装置,刺穿皮肤最不具有渗透性的表皮层,将药物直接输送到真皮微循环中。微针的微型尺寸意味着可以实现无痛给药,可解决患者对针头的不适问题,诸如针头恐惧等。”

“这款微针经皮给药系统也可以实现患者的自我用药管理,无需训练有素的专业人员,降低了治疗成本。”
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3DMNMEMS系统展示(来源:Sophia Economidou)

微模与3D打印
传统的微针是通过微模制造的,这种技术很难实现定制,而且初期设备成本很高。研究人员还注意到,微模技术无法制造微针的内部微结构。

因此,研究人员将目光转向了3D打印,以实现单步、可重复、可复制地制造复杂3DMNMEMS器件。此外,3D打印允许定制器件,制造商可以调整设计方案,以适应特定患者的需求。微针贴片也可以按需制造,消除了诊所和实验室对存储空间的需求。

以前也有过该领域的研究事例。2018年,德克萨斯大学达拉斯分校(University of Texas at Dallas)的科学家们开发了一种使用FFF 3D打印机制造微针阵列的新型低成本方法。自那以后,罗格斯大学(Rutgers University)研究人员一直使用投影微立体光刻(Projection micro-stereolithography)技术来创建4D打印仿生、可编程微针,以增强组织粘附力。

近期,亚利桑那州立大学(Arizona State University)和南加州大学(University of Southern California)的研究团队开发了3D打印微针贴片,其灵感来自帽贝的层级结构。这些贴片是利用磁场辅助3D打印(MF-3DP)工艺制成的,将来可用于向患者无痛输送药物。

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4D打印微针具有后向曲面倒钩,在刺入时可与组织互锁,增强其附着力(来源:罗格斯大学)

3D打印微针贴片
使用标准CAD软件设计的微针贴片由空心微针杆身及其孔径、内部微通道、微储层和用于流体供应的出口组成。可使用立体光刻和生物相容性聚合物对微针进行3D打印,然而,研究人员发现其复杂的结构以及对精度、可复制打印的需求,很挑战3D打印机的功能。

研究人员注意到,要达到微针贴片所需的尖端锐度,并确保其内部微结构不堵塞(限制液体流动)是特别困难的。

“微观上,打印参数对最终产品质量的影响加剧,我们必须思索并运用一系列优化步骤,包括调整打印参数和设计适应性,以获得所需的结果,并建立可复制打印方案,值得骄傲的是,该贴片的设计很适合安装在器件的MEMS以及微针针头上。”Economidou解释说。

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3D打印微针贴片示意图(来源:Sophia Economidou)

测试3D打印器件
为了探索3DMNMEMS器件在活体生物体内的有效性,研究人员通过该器件向患糖尿病的小鼠使用胰岛素。后将这一组小鼠与另一组在皮下注射相同剂量胰岛素的小鼠进行了对比。

据Economidou介绍,3DMNMEMS可以更快地降低血糖水平(一小时内),而皮下注射则需要三小时才能达到同样的降血糖作用。研究结果还显示,由于药物通过微针在皮肤组织内广泛分布,使用3DMNMEMS给药治疗组小鼠的胰岛素浓度随着时间的推移持久性更强。

Economidou解释说:“注射剂会在皮肤局部建立一个‘储存库’,通过被动扩散,药物在血液循环中被释放出来。这导致了给药时间和明显起效之间的延迟。而微针将药物扩散到组织内,使药物吸收更快、更持久。”

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3DMNMEMS器件的构建过程(来源:Sophia Economidou)


3D打印促进治疗
目前大部分3D打印空心微针是通过双光子聚合(2PP)生产的,此类3D打印机价格昂贵且打印量小。双光子聚合过程也很耗时。

为了克服这些困难,研究人员改用商用台式打印机,可成功打印微针贴片,这使研究人员和感兴趣的公司更易掌握制造过程。Economidou相信,这将有助于拓展他们的技术,使之成为一种可行的、可持续的微针制造方法。

她说:“我们首次报道了将3D打印与MEMS结合的平台药物输送器件。这项成就为医疗器械原理的转变铺平了道路,将3D打印与其它先进技术结合,是开发能够促进治疗并改善患者生活的新型器械的关键。”

通过实验,研究人员证明了一种糖尿病的可控疗法。当然,该器件可作为输送多种药物的通用平台。

Economidou补充道:“医疗和药物输送器件的3D打印仍处于起步阶段。我们相信,这项技术仍有巨大的未被开发的潜能,这些潜能可使现代临床护理发生实质性变化。我们团队进行了大量工作,通过3D打印自主开发了经皮给药系统、药物洗脱支架、片剂和伤口敷料等。”

Economidou和她的同事计划进一步扩大他们在3D打印医疗器械中集成MEMS和传感器的研究,旨在提供复杂的个性化护理解决方案。

关于3D打印微针的更多细节可以查看《增材制造》杂志发表的一篇题为《新型3D打印中空微针微机电系统,用于可控个性化经皮给药》的论文。

论文链接:https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860420311878


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