由磁場輔助3D打印制造的仿帽貝牙無痛微針

供稿人：連芩 王帥偉 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

當(dāng)下，傳統(tǒng)的打針方式除了讓人疼痛之外，還存在使用不方便、有感染風(fēng)險、產(chǎn)生醫(yī)療垃圾等缺點。微針技術(shù)歷經(jīng)迭代升級，從最初的金屬微針到后來的單晶硅微針，再到現(xiàn)在的聚乳酸微針，微針的制造技術(shù)已經(jīng)得到了巨大發(fā)展。當(dāng)下，人們可以使用小范圍立體光刻技術(shù)和雙光子技術(shù)去進(jìn)行3D微觀打印。不過，雖然人們可以制造出來，但是構(gòu)件的機(jī)械性能卻不盡人意。雖然人們可以通過增大尺寸來增大構(gòu)件的機(jī)械性能，但是這與微針的制造目的相背。對此，南加州大學(xué)和亞利桑那州立大受自然界中的帽貝——一種水生蝸牛的啟發(fā)，對3D打印構(gòu)件的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

圖1 帽貝牙齒結(jié)構(gòu)圖

帽貝是一種帶殼的水生蝸牛，能粘附在巖石上。帽貝牙齒雖小，但有著極好的機(jī)械強(qiáng)度，這源于它們獨特的層次結(jié)構(gòu)，其中大量針鐵礦納米纖維平行于表面排列，如圖1所示。研究者們以帽貝牙為原型設(shè)計了納米管，并以增強(qiáng)的氧化鐵顆粒為基礎(chǔ)制備了用于無痛注射的納米填料。采用磁場輔助3D打印工藝，利用排列的氧化鐵納米粒子和聚合物基體材料制備微針陣列，成功再現(xiàn)帽貝牙的分層結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了性能優(yōu)異的微針陣列。這種制造過程是通過磁場控制實現(xiàn)精確地微填料對準(zhǔn)。通過光固化聚合物的選擇性交聯(lián)，磁場輔助3D打印工藝可以將排列好的納米顆粒束封裝在打印的微針陣列中。與隨機(jī)排列的氧化鐵納米顆粒相比，使用排列好的氧化鐵顆粒進(jìn)行3D打印的層次結(jié)構(gòu)顯示出更好的力學(xué)性能。打印的微針陣列除了在給藥時需要更小的力、減少神經(jīng)肌肉損傷及痛感等優(yōu)點，還提供了一種新的可能，即通過精確的沉積方案，使藥物可以精確地到達(dá)皮膚的表皮層和真皮層。實驗表明，使用打印的微針貼片給小鼠注射時，小鼠根本感覺不到微針陣列貼片的存在。并且，即使在小鼠劇烈移動時，微針陣列貼片也會在長時間內(nèi)保持在相同的位置，實驗如圖2所示。小鼠體內(nèi)的實驗結(jié)果表明，磁場輔助3D打印的微針陣列具有在動物和人體內(nèi)長期給藥的潛力。

圖2 小鼠身表的微針陣列

綜上所述，仿帽貝牙結(jié)構(gòu)為高強(qiáng)度微觀3D打印的實現(xiàn)提供了一種可能的方案。研究者們描述了一個磁場輔助3D打印的過程，可以開發(fā)來制造多層的增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的微針陣列�；�于排列好的微針陣列協(xié)同效應(yīng)，構(gòu)件的抗壓縮性能和機(jī)械完整性均得到了提高。該研究證明了基于排列好的氧化鐵微填充劑可以在打印過程中通過施加磁場來組裝，這些微填充劑對于承受3d打印的微針陣列在皮膚插入過程中的壓力至關(guān)重要。微針陣列的力學(xué)性能可以通過改變排列好的氧化鐵束的密度和直徑來調(diào)節(jié)，而這些參數(shù)又由聚合物復(fù)合材料中的氧化鐵濃度和磁場強(qiáng)度控制。新開發(fā)的磁場輔助3D打印工藝為制備具有優(yōu)異力學(xué)性能和高精度的微結(jié)構(gòu)提供了新的途徑，也將有助于促進(jìn)3D打印微針陣列在生物醫(yī)學(xué)和臨床的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：
1.Yizhen Zhu, Dylan Joralmon, Weitong Shan, Yiyu Chen, Jiahui Rong, Hanyu Zhao, Siqi Xiao, Xiangjia Li, 3D printing biomimetic materials and structures for biomedical applications, Bio-Design and Manufacturing, 10.1007/s42242-020-00117-0, (2021).