供稿人：连芩 王帅伟 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2021-05-08
当下，传统的打针方式除了让人疼痛之外，还存在使用不方便、有感染风险、产生医疗垃圾等缺点。微针技术历经迭代升级，从最初的金属微针到后来的单晶硅微针，再到现在的聚乳酸微针，微针的制造技术已经得到了巨大发展。当下，人们可以使用小范围立体光刻技术和双光子技术去进行3D微观打印。不过，虽然人们可以制造出来，但是构件的机械性能却不尽人意。虽然人们可以通过增大尺寸来增大构件的机械性能，但是这与微针的制造目的相背。对此，南加州大学和亚利桑那州立大受自然界中的帽贝——一种水生蜗牛的启发，对3D打印构件的机械结构进行改进。
图1 帽贝牙齿结构图
帽贝是一种带壳的水生蜗牛，能粘附在岩石上。帽贝牙齿虽小，但有着极好的机械强度，这源于它们独特的层次结构，其中大量针铁矿纳米纤维平行于表面排列，如图1所示。研究者们以帽贝牙为原型设计了纳米管，并以增强的氧化铁颗粒为基础制备了用于无痛注射的纳米填料。采用磁场辅助3D打印工艺，利用排列的氧化铁纳米粒子和聚合物基体材料制备微针阵列，成功再现帽贝牙的分层结构，实现了性能优异的微针阵列。这种制造过程是通过磁场控制实现精确地微填料对准。通过光固化聚合物的选择性交联，磁场辅助3D打印工艺可以将排列好的纳米颗粒束封装在打印的微针阵列中。与随机排列的氧化铁纳米颗粒相比，使用排列好的氧化铁颗粒进行3D打印的层次结构显示出更好的力学性能。打印的微针阵列除了在给药时需要更小的力、减少神经肌肉损伤及痛感等优点，还提供了一种新的可能，即通过精确的沉积方案，使药物可以精确地到达皮肤的表皮层和真皮层。实验表明，使用打印的微针贴片给小鼠注射时，小鼠根本感觉不到微针阵列贴片的存在。并且，即使在小鼠剧烈移动时，微针阵列贴片也会在长时间内保持在相同的位置，实验如图2所示。小鼠体内的实验结果表明，磁场辅助3D打印的微针阵列具有在动物和人体内长期给药的潜力。
图2 小鼠身表的微针阵列
综上所述，仿帽贝牙结构为高强度微观3D打印的实现提供了一种可能的方案。研究者们描述了一个磁场辅助3D打印的过程，可以开发来制造多层的增强复合材料结构的微针阵列。基于排列好的微针阵列协同效应，构件的抗压缩性能和机械完整性均得到了提高。该研究证明了基于排列好的氧化铁微填充剂可以在打印过程中通过施加磁场来组装，这些微填充剂对于承受3d打印的微针阵列在皮肤插入过程中的压力至关重要。微针阵列的力学性能可以通过改变排列好的氧化铁束的密度和直径来调节，而这些参数又由聚合物复合材料中的氧化铁浓度和磁场强度控制。新开发的磁场辅助3D打印工艺为制备具有优异力学性能和高精度的微结构提供了新的途径，也将有助于促进3D打印微针阵列在生物医学和临床的应用。