3D打印中空微針，實(shí)現(xiàn)可控經(jīng)皮給藥
時(shí)間：2021-09-17 08:25 來(lái)源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)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(guò)粘性貼劑透過(guò)皮膚實(shí)現(xiàn)給藥。針對(duì)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(gè)性化臨床治療，代替過(guò)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(wú)痛給藥，可解決患者對(duì)針頭的不適問(wèn)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(wú)需訓(xùn)練有素的專業(yè)人員，降低了治療成本。”
傳統(tǒng)的微針是通過(guò)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(wú)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(jì)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(yàn)室對(duì)存儲(chǔ)空間的需求。以前也有過(guò)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(lái)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(duì)開發(fā)了3D打印微針貼片，其靈感來(lái)自帽貝的層級(jí)結(jié)構(gòu)。這些貼片是利用磁場(chǎng)輔助3D打印（MF-3DP）工藝制成的，將來(lái)可用于向患者無(wú)痛輸送藥物。
使用標(biāo)準(zhǔn)CAD軟件設(shè)計(jì)的微針貼片由空心微針桿身及其孔徑、內(nèi)部微通道、微儲(chǔ)層和用于流體供應(yīng)的出口組成。可使用立體光刻和生物相容性聚合物對(duì)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(duì)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(dòng)）是特別困難的。“微觀上，打印參數(shù)對(duì)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(jì)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(jì)很適合安裝在器件的MEMS以及微針針頭上。”Economidou解釋說(shuō)。
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(guò)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(duì)比。據(jù)Economidou介紹，3DMNMEMS可以更快地降低血糖水平（一小時(shí)內(nèi)），而皮下注射則需要三小時(shí)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(guò)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(shí)間的推移持久性更強(qiáng)。
Economidou解釋說(shuō)：“注射劑會(huì)在皮膚局部建立一個(gè)‘儲(chǔ)存庫(kù)’，通過(guò)被動(dòng)擴(kuò)散，藥物在血液循環(huán)中被釋放出來(lái)。這導(dǎo)致了給藥時(shí)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。”
目前大部分3D打印空心微針是通過(guò)雙光子聚合（2PP）生產(chǎn)的，此類3D打印機(jī)價(jià)格昂貴且打印量小。雙光子聚合過(guò)程也很耗時(shí)。為了克服這些困難，研究人員改用商用臺(tái)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(guò)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(shuō)：“我們首次報(bào)道了將3D打印與MEMS結(jié)合的平臺(tái)藥物輸送器件。這項(xiàng)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(guò)實(shí)驗(yàn)，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(tái)。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(xiàng)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(duì)進(jìn)行了大量工作，通過(guò)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(jì)劃進(jìn)一步擴(kuò)大他們?cè)?D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(gè)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(gè)性化經(jīng)皮給藥》的論文。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860420311878
經(jīng)皮給藥是指藥物通過(guò)粘性貼劑透過(guò)皮膚實(shí)現(xiàn)給藥。針對(duì)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(gè)性化臨床治療，代替過(guò)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(wú)痛給藥，可解決患者對(duì)針頭的不適問(wèn)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(wú)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(lái)源：Sophia Economidou）
微模與3D打印傳統(tǒng)的微針是通過(guò)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(wú)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(jì)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(yàn)室對(duì)存儲(chǔ)空間的需求。以前也有過(guò)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(lái)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(duì)開發(fā)了3D打印微針貼片，其靈感來(lái)自帽貝的層級(jí)結(jié)構(gòu)。這些貼片是利用磁場(chǎng)輔助3D打印（MF-3DP）工藝制成的，將來(lái)可用于向患者無(wú)痛輸送藥物。
4D打印微針具有后向曲面倒鉤，在刺入時(shí)可與組織互鎖，增強(qiáng)其附著力（來(lái)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(jì)的微針貼片由空心微針桿身及其孔徑、內(nèi)部微通道、微儲(chǔ)層和用于流體供應(yīng)的出口組成。可使用立體光刻和生物相容性聚合物對(duì)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(duì)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(dòng)）是特別困難的。“微觀上，打印參數(shù)對(duì)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(jì)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(jì)很適合安裝在器件的MEMS以及微針針頭上。”Economidou解釋說(shuō)。
3D打印微針貼片示意圖（來(lái)源：Sophia Economidou）
測(cè)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(guò)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(duì)比。據(jù)Economidou介紹，3DMNMEMS可以更快地降低血糖水平（一小時(shí)內(nèi)），而皮下注射則需要三小時(shí)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(guò)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(shí)間的推移持久性更強(qiáng)。
Economidou解釋說(shuō)：“注射劑會(huì)在皮膚局部建立一個(gè)‘儲(chǔ)存庫(kù)’，通過(guò)被動(dòng)擴(kuò)散，藥物在血液循環(huán)中被釋放出來(lái)。這導(dǎo)致了給藥時(shí)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(guò)程（來(lái)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(guò)雙光子聚合（2PP）生產(chǎn)的，此類3D打印機(jī)價(jià)格昂貴且打印量小。雙光子聚合過(guò)程也很耗時(shí)。為了克服這些困難，研究人員改用商用臺(tái)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(guò)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(shuō)：“我們首次報(bào)道了將3D打印與MEMS結(jié)合的平臺(tái)藥物輸送器件。這項(xiàng)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(guò)實(shí)驗(yàn)，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(tái)。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(xiàng)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(duì)進(jìn)行了大量工作，通過(guò)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(jì)劃進(jìn)一步擴(kuò)大他們?cè)?D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(gè)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(gè)性化經(jīng)皮給藥》的論文。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860420311878
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