《Additive Manufacturing》:双光子3D打印微针的参数优化！

导读：基于双光子聚合的三维（3D）微打印技术可以制造复杂的微结构，分辨率可达数百纳米。近年来，该技术已被用于制造各种纳米和微米大小的结构，如微流控设备、光子学、微光学和微针阵列。微针主要用于治疗剂在皮肤上的透皮给药和提取生物样本用于即时检验（POC）诊断。随着制造技术的发展，现在能通过双光子直接激光写入技术，获得3D打印复杂的微针结构。然而，双光子3D打印技术的选择最佳参数仍然有待研究。


△传统微针贴片

2022年6月，南极熊获悉，来自伯明翰大学和南昆士兰大学的研究人员正在探索使用微型3D打印技术来制造微针。他们研究了双光子3D打印制造微针过程中的最佳实验参数，专门用于开发具有复杂特征（如侧通道）的聚合物微针。研究已经发表在《Additive Manufacturing》，题目为《Parametric optimization of two-photon direct laser writing process for manufacturing polymeric microneedles 》（《用于制造聚合物微针的双光子直接激光写入工艺的参数优化》），让我们一看看他们的研究吧！


研究背景：使用微针达可达到纳米级应用
传统的皮下注射针通常可用于提取血液样本和静脉内输送化合物，但微针及其小型化的外形由于自身的优势具有更广泛的用途，包括穿过皮肤屏障的透皮给药、提取用于诊断的微小生物样本，甚至是美容手术。微针可以由各种材料制成，例如金属、硅、玻璃，甚至陶瓷。其中，尤其是聚合物微针，因其生物相容性和机械稳定性而备受青睐。

聚合物确实可以通过 2PP 进行 3D 打印，但选择最佳打印参数来创建可用的微针阵列通常需要进行大量测试。据研究团队称，在打印参数优化方面的研究也很有限。
●2021年9月，斯坦福大学和北卡罗来纳大学教堂山分校(UNC) 的科学家3D打印了一种疫苗贴片，此款直接应用于皮肤的微针贴片产生的免疫反应是注射到手臂肌肉中的疫苗的十倍，而且所有这些都是无痛的。

●2021年1月，肯特大学和斯特拉斯克莱德大学的研究人员此前开发了一种新型3D打印微针设备，该设备使用微机电系统(MEMS) 来控制透皮给药。该设备被命名为 3DMNMEMS，其开发目标是个性化临床治疗，并允许医疗专业人员根据患者的需要对其进行给药。


△斯坦福大学和北卡罗来纳大学的科学家们使用3D打印来制作微针疫苗贴片。照片来自 UNC。

优化的打印工艺参数研究


△用双光子直接激光写入工艺制造微针的过程示意图

为了开展此项研究，该团队使用了Nanoscribe Photonic Professional GT 3D 打印机，打印了许多具有不同工艺参数的微针测试样品，以确定最佳的工艺参数组合。最终，他们选择了80mW 的激光功率、50,000μm/s的打印速度以及0.5μm 和 0.7μm之间的切片距离。


△Nanoscribe Photonic Professional GT2 3D 打印机。图片来自 Nanoscribe。


△微针的SEM显示了参数对打印质量的影响。(a)微针由于光刻胶的不完全聚合而弯曲，(b)微针表面的层状图案，打印的最小切片距离为0.5微米，最大为1.2微米，(c)由于高激光功率（100毫瓦），微针的尖端烧毁。

研究发现激光的扫描速度和功率都对打印结果有显着影响，扫描速度越快，材料聚合水平越低（更差）。通过SEM电镜查看，微针本身的几何形状，研究小组发现，针尖高度为300μm的微针在施加负载时的性能最差。只有150μm长的微针在断裂前可以承受高达50%的负载。打印部件还具有侧通道设计，形成穿过表皮的微流体通道。这些通道可到达皮下区域，用于输送药物和监测生物标志物。


△压缩试验

总结
此研究探究了双光子直接激光打印工艺参数之间的关系，如扫描模式、扫描速度、激光功率、和切片距离等。 这些参数会影响聚合过程，从而决定了打印部件的聚合程度。已经可以确定的是，在这个过程中，聚合程度受到扫描速度和激光功率的显著影响。结果表明，扫描速度越高，聚合就越不完全。此外，在保持低扫描速度的情况下，将激光功率提高到100mW可能会导致过度曝光。对于不同的打印品，系统使用的激光功率从80mW到100mW不等。过一系列优化试验，研究人员选择了50000μm/s的扫描速度、80mW的激光功率以及0.5μm（最小）和0.7μm（最大）的切片距离。可以说，研究人员成功为聚合物微针开发提供了优化的3D打印参数，并断言该技术可以应用于其他高分辨率微结构。

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102953