3D打印中空微針，實現可控經皮給藥
時間：2021-09-17 08:25 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
據麥姆斯咨詢報道，肯特大學（University of Kent）和斯特拉斯克萊德大學（University of Strathclyde）的研究人員為實現可控經皮給藥開發了一種新型器件，該器件結合了3D打印、微針和微機電系統（MEMS）技術。
經皮給藥是指藥物通過粘性貼劑透過皮膚實現給藥。針對該類方法，研究人員開發了一款由3D打印、微針貼片和MEMS組成的復合器件，可幫助使用者直接控制給藥量。該器件被命名為3DMNMEMS，其主要目標是實現個性化臨床治療，代替過去“一刀切”的給藥方式。
肯特大學研究人員之一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中。微針的微型尺寸意味著可以實現無痛給藥，可解決患者對針頭的不適問題，諸如針頭恐懼等�！�“這款微針經皮給藥系統也可以實現患者的自我用藥管理，無需訓練有素的專業人員，降低了治療成本。”
傳統的微針是通過微模制造的，這種技術很難實現定制，而且初期設備成本很高。研究人員還注意到，微模技術無法制造微針的內部微結構。因此，研究人員將目光轉向了3D打印，以實現單步、可重復、可復制地制造復雜3DMNMEMS器件。此外，3D打印允許定制器件，制造商可以調整設計方案，以適應特定患者的需求。微針貼片也可以按需制造，消除了診所和實驗室對存儲空間的需求。以前也有過該領域的研究事例。2018年，德克薩斯大學達拉斯分校（University of Texas at Dallas）的科學家們開發了一種使用FFF 3D打印機制造微針陣列的新型低成本方法。自那以后，羅格斯大學（Rutgers University）研究人員一直使用投影微立體光刻（Projection micro-stereolithography）技術來創建4D打印仿生、可編程微針，以增強組織粘附力。
近期，亞利桑那州立大學（Arizona State University）和南加州大學（University of Southern California）的研究團隊開發了3D打印微針貼片，其靈感來自帽貝的層級結構。這些貼片是利用磁場輔助3D打印（MF-3DP）工藝制成的，將來可用于向患者無痛輸送藥物。
使用標準CAD軟件設計的微針貼片由空心微針桿身及其孔徑、內部微通道、微儲層和用于流體供應的出口組成�？墒褂昧Ⅲw光刻和生物相容性聚合物對微針進行3D打印，然而，研究人員發現其復雜的結構以及對精度、可復制打印的需求，很挑戰3D打印機的功能。研究人員注意到，要達到微針貼片所需的尖端銳度，并確保其內部微結構不堵塞（限制液體流動）是特別困難的。“微觀上，打印參數對最終產品質量的影響加劇，我們必須思索并運用一系列優化步驟，包括調整打印參數和設計適應性，以獲得所需的結果，并建立可復制打印方案，值得驕傲的是，該貼片的設計很適合安裝在器件的MEMS以及微針針頭上。”Economidou解釋說。
為了探索3DMNMEMS器件在活體生物體內的有效性，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行了對比。據Economidou介紹，3DMNMEMS可以更快地降低血糖水平（一小時內），而皮下注射則需要三小時才能達到同樣的降血糖作用。研究結果還顯示，由于藥物通過微針在皮膚組織內廣泛分布，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。
Economidou解釋說：“注射劑會在皮膚局部建立一個‘儲存庫’，通過被動擴散，藥物在血液循環中被釋放出來。這導致了給藥時間和明顯起效之間的延遲。而微針將藥物擴散到組織內，使藥物吸收更快、更持久。”
目前大部分3D打印空心微針是通過雙光子聚合（2PP）生產的，此類3D打印機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，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，使之成為一種可行的、可持續的微針制造方法。她說：“我們首次報道了將3D打印與MEMS結合的平臺藥物輸送器件。這項成就為醫療器械原理的轉變鋪平了道路，將3D打印與其它先進技術結合，是開發能夠促進治療并改善患者生活的新型器械的關鍵�！�
通過實驗，研究人員證明了一種糖尿病的可控療法。當然，該器件可作為輸送多種藥物的通用平臺。Economidou補充道：“醫療和藥物輸送器件的3D打印仍處于起步階段。我們相信，這項技術仍有巨大的未被開發的潛能，這些潛能可使現代臨床護理發生實質性變化。我們團隊進行了大量工作，通過3D打印自主開發了經皮給藥系統、藥物洗脫支架、片劑和傷口敷料等。”Economidou和她的同事計劃進一步擴大他們在3D打印醫療器械中集成MEMS和傳感器的研究，旨在提供復雜的個性化護理解決方案。
關于3D打印微針的更多細節可以查看《增材制造》雜志發表的一篇題為《新型3D打印中空微針微機電系統，用于可控個性化經皮給藥》的論文。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860420311878
經皮給藥是指藥物通過粘性貼劑透過皮膚實現給藥。針對該類方法，研究人員開發了一款由3D打印、微針貼片和MEMS組成的復合器件，可幫助使用者直接控制給藥量。該器件被命名為3DMNMEMS，其主要目標是實現個性化臨床治療，代替過去“一刀切”的給藥方式。
肯特大學研究人員之一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中。微針的微型尺寸意味著可以實現無痛給藥，可解決患者對針頭的不適問題，諸如針頭恐懼等�！�“這款微針經皮給藥系統也可以實現患者的自我用藥管理，無需訓練有素的專業人員，降低了治療成本。”
3DMNMEMS系統展示（來源：Sophia Economidou）
微模與3D打印傳統的微針是通過微模制造的，這種技術很難實現定制，而且初期設備成本很高。研究人員還注意到，微模技術無法制造微針的內部微結構。因此，研究人員將目光轉向了3D打印，以實現單步、可重復、可復制地制造復雜3DMNMEMS器件。此外，3D打印允許定制器件，制造商可以調整設計方案，以適應特定患者的需求。微針貼片也可以按需制造，消除了診所和實驗室對存儲空間的需求。以前也有過該領域的研究事例。2018年，德克薩斯大學達拉斯分校（University of Texas at Dallas）的科學家們開發了一種使用FFF 3D打印機制造微針陣列的新型低成本方法。自那以后，羅格斯大學（Rutgers University）研究人員一直使用投影微立體光刻（Projection micro-stereolithography）技術來創建4D打印仿生、可編程微針，以增強組織粘附力。
近期，亞利桑那州立大學（Arizona State University）和南加州大學（University of Southern California）的研究團隊開發了3D打印微針貼片，其靈感來自帽貝的層級結構。這些貼片是利用磁場輔助3D打印（MF-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，增強其附著力（來源：羅格斯大學）
3D打印微針貼片使用標準CAD軟件設計的微針貼片由空心微針桿身及其孔徑、內部微通道、微儲層和用于流體供應的出口組成�？墒褂昧Ⅲw光刻和生物相容性聚合物對微針進行3D打印，然而，研究人員發現其復雜的結構以及對精度、可復制打印的需求，很挑戰3D打印機的功能。研究人員注意到，要達到微針貼片所需的尖端銳度，并確保其內部微結構不堵塞（限制液體流動）是特別困難的。“微觀上，打印參數對最終產品質量的影響加劇，我們必須思索并運用一系列優化步驟，包括調整打印參數和設計適應性，以獲得所需的結果，并建立可復制打印方案，值得驕傲的是，該貼片的設計很適合安裝在器件的MEMS以及微針針頭上。”Economidou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行了對比。據Economidou介紹，3DMNMEMS可以更快地降低血糖水平（一小時內），而皮下注射則需要三小時才能達到同樣的降血糖作用。研究結果還顯示，由于藥物通過微針在皮膚組織內廣泛分布，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。
Economidou解釋說：“注射劑會在皮膚局部建立一個‘儲存庫’，通過被動擴散，藥物在血液循環中被釋放出來。這導致了給藥時間和明顯起效之間的延遲。而微針將藥物擴散到組織內，使藥物吸收更快、更持久。”
3DMNMEMS器件的構建過程（來源：Sophia Economidou）
3D打印促進治療目前大部分3D打印空心微針是通過雙光子聚合（2PP）生產的，此類3D打印機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，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，使之成為一種可行的、可持續的微針制造方法。她說：“我們首次報道了將3D打印與MEMS結合的平臺藥物輸送器件。這項成就為醫療器械原理的轉變鋪平了道路，將3D打印與其它先進技術結合，是開發能夠促進治療并改善患者生活的新型器械的關鍵�！�
通過實驗，研究人員證明了一種糖尿病的可控療法。當然，該器件可作為輸送多種藥物的通用平臺。Economidou補充道：“醫療和藥物輸送器件的3D打印仍處于起步階段。我們相信，這項技術仍有巨大的未被開發的潛能，這些潛能可使現代臨床護理發生實質性變化。我們團隊進行了大量工作，通過3D打印自主開發了經皮給藥系統、藥物洗脫支架、片劑和傷口敷料等。”Economidou和她的同事計劃進一步擴大他們在3D打印醫療器械中集成MEMS和傳感器的研究，旨在提供復雜的個性化護理解決方案。
關于3D打印微針的更多細節可以查看《增材制造》雜志發表的一篇題為《新型3D打印中空微針微機電系統，用于可控個性化經皮給藥》的論文。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860420311878
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