3D打印中空微針，實(shí)現(xiàn)可控經(jīng)皮給藥

來源： MEMS  

據(jù)麥姆斯咨詢報道，肯特大學(xué)（University of Kent）和斯特拉斯克萊德大學(xué)（University of Strathclyde）的研究人員為實(shí)現(xiàn)可控經(jīng)皮給藥開發(fā)了一種新型器件，該器件結(jié)合了3D打印、微針和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)。

經(jīng)皮給藥是指藥物通過粘性貼劑透過皮膚實(shí)現(xiàn)給藥。針對該類方法，研究人員開發(fā)了一款由3D打印、微針貼片和MEMS組成的復(fù)合器件，可幫助使用者直接控制給藥量。

該器件被命名為3DMNMEMS，其主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)個性化臨床治療，代替過去“一刀切”的給藥方式。

肯特大學(xué)研究人員之一Sophia Economidou表示：“微針是一種小型穿刺裝置，刺穿皮膚最不具有滲透性的表皮層，將藥物直接輸送到真皮微循環(huán)中。微針的微型尺寸意味著可以實(shí)現(xiàn)無痛給藥，可解決患者對針頭的不適問題，諸如針頭恐懼等�！�

“這款微針經(jīng)皮給藥系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)患者的自我用藥管理，無需訓(xùn)練有素的專業(yè)人員，降低了治療成本。”

3DMNMEMS系統(tǒng)展示（來源：Sophia Economidou）

微模與3D打印
傳統(tǒng)的微針是通過微模制造的，這種技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)定制，而且初期設(shè)備成本很高。研究人員還注意到，微模技術(shù)無法制造微針的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)。

因此，研究人員將目光轉(zhuǎn)向了3D打印，以實(shí)現(xiàn)單步、可重復(fù)、可復(fù)制地制造復(fù)雜3DMNMEMS器件。此外，3D打印允許定制器件，制造商可以調(diào)整設(shè)計方案，以適應(yīng)特定患者的需求。微針貼片也可以按需制造，消除了診所和實(shí)驗室對存儲空間的需求。

以前也有過該領(lǐng)域的研究事例。2018年，德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校（University of Texas at Dallas）的科學(xué)家們開發(fā)了一種使用FFF 3D打印機(jī)制造微針陣列的新型低成本方法。自那以后，羅格斯大學(xué)（Rutgers University）研究人員一直使用投影微立體光刻（Projection micro-stereolithography）技術(shù)來創(chuàng)建4D打印仿生、可編程微針，以增強(qiáng)組織粘附力。

近期，亞利桑那州立大學(xué)（Arizona State University）和南加州大學(xué)（University of Southern California）的研究團(tuán)隊開發(fā)了3D打印微針貼片，其靈感來自帽貝的層級結(jié)構(gòu)。這些貼片是利用磁場輔助3D打�。∕F-3DP）工藝制成的，將來可用于向患者無痛輸送藥物。

4D打印微針具有后向曲面倒鉤，在刺入時可與組織互鎖，增強(qiáng)其附著力（來源：羅格斯大學(xué)）

3D打印微針貼片
使用標(biāo)準(zhǔn)CAD軟件設(shè)計的微針貼片由空心微針桿身及其孔徑、內(nèi)部微通道、微儲層和用于流體供應(yīng)的出口組成�？墒褂昧Ⅲw光刻和生物相容性聚合物對微針進(jìn)行3D打印，然而，研究人員發(fā)現(xiàn)其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以及對精度、可復(fù)制打印的需求，很挑戰(zhàn)3D打印機(jī)的功能。

研究人員注意到，要達(dá)到微針貼片所需的尖端銳度，并確保其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)不堵塞（限制液體流動）是特別困難的。

“微觀上，打印參數(shù)對最終產(chǎn)品質(zhì)量的影響加劇，我們必須思索并運(yùn)用一系列優(yōu)化步驟，包括調(diào)整打印參數(shù)和設(shè)計適應(yīng)性，以獲得所需的結(jié)果，并建立可復(fù)制打印方案，值得驕傲的是，該貼片的設(shè)計很適合安裝在器件的MEMS以及微針針頭上�！盓conomidou解釋說。

3D打印微針貼片示意圖（來源：Sophia Economidou）

測試3D打印器件
為了探索3DMNMEMS器件在活體生物體內(nèi)的有效性，研究人員通過該器件向患糖尿病的小鼠使用胰島素。后將這一組小鼠與另一組在皮下注射相同劑量胰島素的小鼠進(jìn)行了對比。

據(jù)Economidou介紹，3DMNMEMS可以更快地降低血糖水平（一小時內(nèi)），而皮下注射則需要三小時才能達(dá)到同樣的降血糖作用。研究結(jié)果還顯示，由于藥物通過微針在皮膚組織內(nèi)廣泛分布，使用3DMNMEMS給藥治療組小鼠的胰島素濃度隨著時間的推移持久性更強(qiáng)。

Economidou解釋說：“注射劑會在皮膚局部建立一個‘儲存庫’，通過被動擴(kuò)散，藥物在血液循環(huán)中被釋放出來。這導(dǎo)致了給藥時間和明顯起效之間的延遲。而微針將藥物擴(kuò)散到組織內(nèi)，使藥物吸收更快、更持久。”

3DMNMEMS器件的構(gòu)建過程（來源：Sophia Economidou）

3D打印促進(jìn)治療
目前大部分3D打印空心微針是通過雙光子聚合（2PP）生產(chǎn)的，此類3D打印機(jī)價格昂貴且打印量小。雙光子聚合過程也很耗時。

為了克服這些困難，研究人員改用商用臺式打印機(jī)，可成功打印微針貼片，這使研究人員和感興趣的公司更易掌握制造過程。Economidou相信，這將有助于拓展他們的技術(shù)，使之成為一種可行的、可持續(xù)的微針制造方法。

她說：“我們首次報道了將3D打印與MEMS結(jié)合的平臺藥物輸送器件。這項成就為醫(yī)療器械原理的轉(zhuǎn)變鋪平了道路，將3D打印與其它先進(jìn)技術(shù)結(jié)合，是開發(fā)能夠促進(jìn)治療并改善患者生活的新型器械的關(guān)鍵。”

通過實(shí)驗，研究人員證明了一種糖尿病的可控療法。當(dāng)然，該器件可作為輸送多種藥物的通用平臺。

Economidou補(bǔ)充道：“醫(yī)療和藥物輸送器件的3D打印仍處于起步階段。我們相信，這項技術(shù)仍有巨大的未被開發(fā)的潛能，這些潛能可使現(xiàn)代臨床護(hù)理發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化。我們團(tuán)隊進(jìn)行了大量工作，通過3D打印自主開發(fā)了經(jīng)皮給藥系統(tǒng)、藥物洗脫支架、片劑和傷口敷料等�！�

Economidou和她的同事計劃進(jìn)一步擴(kuò)大他們在3D打印醫(yī)療器械中集成MEMS和傳感器的研究，旨在提供復(fù)雜的個性化護(hù)理解決方案。

關(guān)于3D打印微針的更多細(xì)節(jié)可以查看《增材制造》雜志發(fā)表的一篇題為《新型3D打印中空微針微機(jī)電系統(tǒng)，用于可控個性化經(jīng)皮給藥》的論文。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860420311878