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

導(dǎo)讀：基于雙光子聚合的三維（3D）微打印技術(shù)可以制造復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，分辨率可達(dá)數(shù)百納米。近年來，該技術(shù)已被用于制造各種納米和微米大小的結(jié)構(gòu)，如微流控設(shè)備、光子學(xué)、微光學(xué)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(shí)檢驗(yàn)（POC）診斷。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在能通過雙光子直接激光寫入技術(shù)，獲得3D打印復(fù)雜的微針結(jié)構(gòu)。然而，雙光子3D打印技術(shù)的選擇最佳參數(shù)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(xué)和南昆士蘭大學(xué)的研究人員正在探索使用微型3D打印技術(shù)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(shí)驗(yàn)參數(shù)，專門用于開發(fā)具有復(fù)雜特征（如側(cè)通道）的聚合物微針。研究已經(jīng)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(shù)優(yōu)化》），讓我們一看看他們的研究吧！


研究背景：使用微針達(dá)可達(dá)到納米級應(yīng)用
傳統(tǒng)的皮下注射針通常可用于提取血液樣本和靜脈內(nèi)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(shù)。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(jī)械穩(wěn)定性而備受青睞。

聚合物確實(shí)可以通過 2PP 進(jìn)行 3D 打印，但選擇最佳打印參數(shù)來創(chuàng)建可用的微針陣列通常需要進(jìn)行大量測試。據(jù)研究團(tuán)隊(duì)稱，在打印參數(shù)優(yōu)化方面的研究也很有限。
●2021年9月，斯坦福大學(xué)和北卡羅來納大學(xué)教堂山分校(UNC) 的科學(xué)家3D打印了一種疫苗貼片，此款直接應(yīng)用于皮膚的微針貼片產(chǎn)生的免疫反應(yīng)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(xué)和斯特拉斯克萊德大學(xué)的研究人員此前開發(fā)了一種新型3D打印微針設(shè)備，該設(shè)備使用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS) 來控制透皮給藥。該設(shè)備被命名為 3DMNMEMS，其開發(fā)目標(biāo)是個(gè)性化臨床治療，并允許醫(yī)療專業(yè)人員根據(jù)患者的需要對其進(jìn)行給藥。


△斯坦福大學(xué)和北卡羅來納大學(xué)的科學(xué)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(shù)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(xiàng)研究，該團(tuán)隊(duì)使用了Nanoscribe Photonic Professional GT 3D 打印機(jī)，打印了許多具有不同工藝參數(shù)的微針測試樣品，以確定最佳的工藝參數(shù)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(jī)。圖片來自 Nanoscribe。


△微針的SEM顯示了參數(shù)對打印質(zhì)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(xiàn)激光的掃描速度和功率都對打印結(jié)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(xiàn)，針尖高度為300μm的微針在施加負(fù)載時(shí)的性能最差。只有150μm長的微針在斷裂前可以承受高達(dá)50%的負(fù)載。打印部件還具有側(cè)通道設(shè)計(jì)，形成穿過表皮的微流體通道。這些通道可到達(dá)皮下區(qū)域，用于輸送藥物和監(jiān)測生物標(biāo)志物。


△壓縮試驗(yàn)

總結(jié)
此研究探究了雙光子直接激光打印工藝參數(shù)之間的關(guān)系，如掃描模式、掃描速度、激光功率、和切片距離等。 這些參數(shù)會(huì)影響聚合過程，從而決定了打印部件的聚合程度。已經(jīng)可以確定的是，在這個(gè)過程中，聚合程度受到掃描速度和激光功率的顯著影響。結(jié)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(huì)導(dǎo)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(yàn)，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(shù)，并斷言該技術(shù)可以應(yīng)用于其他高分辨率微結(jié)構(gòu)。

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