由磁場(chǎng)輔助3D打印制造的仿帽貝牙無(wú)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

當(dāng)下，傳統(tǒng)的打針?lè)绞匠俗屓颂弁粗?，還存在使用不方便、有感染風(fēng)險(xiǎn)、產(chǎn)生醫(yī)療垃圾等缺點(diǎn)。微針技術(shù)歷經(jīng)迭代升級(jí)，從最初的金屬微針到后來(lái)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(guò)，雖然人們可以制造出來(lái)，但是構(gòu)件的機(jī)械性能卻不盡人意。雖然人們可以通過(guò)增大尺寸來(lái)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(duì)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(duì)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(dú)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(jì)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(wú)痛注射的納米填料。采用磁場(chǎng)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(shí)現(xiàn)了性能優(yōu)異的微針陣列。這種制造過(guò)程是通過(guò)磁場(chǎng)控制實(shí)現(xiàn)精確地微填料對(duì)準(zhǔn)。通過(guò)光固化聚合物的選擇性交聯(lián)，磁場(chǎng)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(shí)需要更小的力、減少神經(jīng)肌肉損傷及痛感等優(yōu)點(diǎn)，還提供了一種新的可能，即通過(guò)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(shí)驗(yàn)表明，使用打印的微針貼片給小鼠注射時(shí)，小鼠根本感覺(jué)不到微針陣列貼片的存在。并且，即使在小鼠劇烈移動(dòng)時(shí)，微針陣列貼片也會(huì)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持在相同的位置，實(shí)驗(yàn)如圖2所示。小鼠體內(nèi)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磁場(chǎng)輔助3D打印的微針陣列具有在動(dòng)物和人體內(nèi)長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)提供了一種可能的方案。研究者們描述了一個(gè)磁場(chǎng)輔助3D打印的過(guò)程，可以開(kāi)發(fā)來(lái)制造多層的增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的微針陣列。基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(guò)程中通過(guò)施加磁場(chǎng)來(lái)組裝，這些微填充劑對(duì)于承受3d打印的微針陣列在皮膚插入過(guò)程中的壓力至關(guān)重要。微針陣列的力學(xué)性能可以通過(guò)改變排列好的氧化鐵束的密度和直徑來(lái)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(chǎng)強(qiáng)度控制。新開(kāi)發(fā)的磁場(chǎng)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).