3D打印可定制微針及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

微針（MNs）是一種新興的微創(chuàng)技術(shù)，采用高度在10到1000微米之間的針頭用于治療、疾病監(jiān)測和診斷。常用微針的制造方法是微注射成型技術(shù)，具有可擴展的優(yōu)勢，但微成型無法快速定制尺寸、幾何形狀和結(jié)構(gòu)，而此正是決定微針功能和效果的關(guān)鍵因素。3D打印技術(shù)提供了一種有前景的替代方案，可以制造出高精度的微針，從而提高微針的性能。3D打印微針具有可定制性和可一步成型，在個體化和按需治療領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

近日，來自新加坡科技研究局（A*STAR）的Kun Liang教授團隊對3D打印可定制微針的設(shè)計和制造及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進行了綜述。相關(guān)論文以“Design and fabrication of customizable microneedles enabled by 3D printing for biomedical applications”為題發(fā)表在Bioactive Materials期刊上。該綜述概述了設(shè)計微針的關(guān)鍵參數(shù)，并介紹了制造新一代微針的各種3D打印技術(shù)，重點介紹3D打印微針在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面取得的進展。最后，對3D打印微針的未來轉(zhuǎn)化和進入市場方面前景提出見解。

圖1 綜述設(shè)計及機制示意圖

微針設(shè)計考慮因素

在設(shè)計微針時應(yīng)考慮以下幾個因素，確保能以最佳方式發(fā)揮功能。在理想情況下，微針應(yīng)能穿透皮膚，穿透深度應(yīng)能將受試者的疼痛和不適感降至最低，接著遞送活性成分或提取生物物質(zhì)。微針的參數(shù)不僅影響微針的功能，還可用來提高其功效。

（1）微針的尺寸和幾何形狀是影響微針皮膚穿透的最重要參數(shù)；

（2）縱橫比（定義為微針高度與基底寬度之比）會影響微針皮膚插入難易度和機械強度；

（3）同時，必須優(yōu)化微針的高度，控制其所需的穿透深度，盡量減少疼痛、出血和感染；

（4）增加微針密度可增加單個貼片的載藥量，但超過最佳密度會減小微針間距，并由于"釘床"效應(yīng)而降低皮膚插入效率；

（5）微針的幾何形狀是另一個可用于增強皮膚穿透力、機械強度、輸送效果和組織粘附性的因素。

微針的制造

為實現(xiàn)所需的設(shè)計，人們已經(jīng)探索了許多制造方法，包括微成型、微沖壓、光刻和液滴空氣吹塑以及電拉伸等。其中，微成型是最廣泛采用的方法。這是一種分兩步進行的工藝，首先利用蝕刻或其他方法制造模具，然后將模具用作鑄造微針的反模板。雖然微成型工藝能有效重復(fù)生產(chǎn)標準化微針，但微針的設(shè)計復(fù)雜性和可定制性有限。隨著對更簡單、一致和低成本生產(chǎn)用于特定應(yīng)用復(fù)雜微針設(shè)計的需求不斷增加，研究人員一直在共同努力探索其他制造方法。

3D打印微針

用于制造微針的3D打印方法主要有兩種：材料沉積和大桶光聚合。最常見的材料沉積方法是熔融沉積成型（FDM）和材料噴射（MJ）。大桶光聚合（VP）是一種用于制造微針的光基3D打印方法，包括立體光刻（SLA）、數(shù)字光處理（DLP）、連續(xù)液體界面生產(chǎn)（CLIP）和雙光子聚合（TPP）等技術(shù)。

圖2 用于微針制造的3D打印技術(shù)

（1）材料沉積

FDM由一組夾輥組成，可產(chǎn)生擠壓熔融材料的壓力。固體熱塑性聚合物長絲放入機器中，在機器噴嘴中加熱并作為熔融聚合物逐層擠出到構(gòu)建板上。由于下一層是在上一層完全冷卻凝固之前打印出來的，因此兩層會融合在一起。這一過程不斷重復(fù)，直到計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件設(shè)計的整個模型成型。FDM是最普遍、最經(jīng)濟實惠的材料沉積打印方法。由于FDM打印機既便宜又容易獲得，常常受到研究人員的青睞。FDM的制造成本較低，但其主要局限是打印分辨率較低。因此，F(xiàn)DM打印的微針通常需要后加工步驟來提高微針的分辨率。

（2）大桶光聚合技術(shù)

VP是一種3D打印技術(shù)，在大桶中光固化液體，通過逐層工藝打印出構(gòu)造物。最常用的VP技術(shù)包括SLA、DLP、CLIP和TPP，主要區(qū)別在于光源和平臺不同。VP的高分辨率可快速制造出復(fù)雜幾何形狀的小型結(jié)構(gòu)，因此近年來VP打印往往成為微針等復(fù)雜生物醫(yī)學(xué)設(shè)備快速原型制造的首選。

圖3采用各種VP 3D打印技術(shù)制造的微針

3D打印微針的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

近年來，3D打印的出現(xiàn)極大促進了微針的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，其多功能性設(shè)計、易定制性和高度復(fù)雜性不僅提高了微針的給藥效果，還為給藥以外的新應(yīng)用領(lǐng)域提供可能，如生物提取和生物傳感。

（1）透皮給藥

微針微創(chuàng)給藥可大大減少病人的不適和疼痛，并降低皮膚創(chuàng)傷和感染風(fēng)險，而皮膚創(chuàng)傷和感染是皮下注射常見的不良反應(yīng)。此外，與透皮貼片和局部制劑等現(xiàn)有方法相比，微針可提高藥物的生物利用度。對于一些口服藥物，如蛋白質(zhì)、抗體、抗原和其他生物活性化合物，使用微針給藥是一種更好的選擇，這些藥物吸收效率較低，在胃腸道中會被降解。傳統(tǒng)的微針制備方法在藥物釋放可調(diào)性、藥物負載量和藥效等方面受到限制。3D打印技術(shù)可微針幾何形狀定制，用于改善這些問題。

例如，3D打印可精確制造復(fù)雜微針結(jié)構(gòu)，從而適應(yīng)不同藥物釋放機制。通過VP和材料沉積技術(shù)制造的實心微針可以涂上藥物，并通過被動釋放的方式釋放到皮膚中。利用3D打印技術(shù)的多功能性，3D打印的微針可以設(shè)計集成功能，以便在溫度和pH值等外部刺激下主動釋放藥物。因此，3D打印微針作為一種可行的給藥方式有望在胰島素局部給藥、癌癥治療和感染控制等方面發(fā)揮作用。

圖4 用于透皮給藥的3D打印微針

（2）提取生物樣本

皮膚是人體最大的器官，富含大量的生物標記物，因此研究人員一直在研究如何利用微針提取生物樣本，如血液、ISF和組織樣本，用于疾病診斷和監(jiān)測。雖然按體積計算，70%的真皮由ISF組成，但一直缺乏有效的方法在對皮膚造成最小損傷的情況下收集足夠的ISF用于分析。目前提取ISF的方法包括抽吸水泡，這種方法可能會受到細胞內(nèi)物質(zhì)和炎癥標志物的污染，原因是為了制造水泡需要將表皮與真皮分離。反向離子透入法，其中涉及電流、微透析和開流微灌注，這兩種方法分別涉及植入半透膜或鋼網(wǎng)管。微針為提取生物流體、組織和細胞提供了一種相對快速、微創(chuàng)和友好的選擇。

圖5 用于提取生物樣本的3D打印微針

（3）生物傳感

電化學(xué)生物傳感器是微針最常用的生物傳感技術(shù)，通過反應(yīng)過程中產(chǎn)生的生理化學(xué)信號檢測體內(nèi)生物或化學(xué)物質(zhì)。由于微針能夠透過角質(zhì)層，可直接評估富含生物標記物的真皮層ISF?；谖⑨樀纳飩鞲衅骺蓪ζつw病變組織進行實時分析，無需提取ISF或病變組織。從臨床角度來看，簡化了生物化驗過程，縮短得出結(jié)果時間。因此，微針生物傳感器已在疾病診斷和健康監(jiān)測中得到應(yīng)用，為實時監(jiān)測身體狀況或快速檢測病變組織提供一種可穿戴、微創(chuàng)的選擇。

圖6 用于生物傳感的3D打印微針

綜上所述，該論文介紹了用于制造微針的3D打印技術(shù)，分析了每種方法的優(yōu)點和局限性，并深入探討3D打印微針的當(dāng)前和新興應(yīng)用。3D打印的優(yōu)勢包括高分辨率、高可定制性、與生物材料的兼容性以及一步法的制造過程，這些優(yōu)勢使新型復(fù)雜微針的制造成為可能，并提高在各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的效果。在臨床環(huán)境中，透皮應(yīng)用微針所面臨的一個困難是，必須確保微針在完全溶解前一直插在皮膚中，微成型作為大規(guī)模制造微針最常用的方法，無法滿足患者不同皮膚狀況或體表輪廓。

因此，3D打印將是更好的選擇。除了透皮給藥，3D打印微針還可用于向其他組織、器官和損傷部位非透皮給藥。除小分子藥物外，微針還可用于遞送生物制品，尤其是大分子，從而為疫苗接種和治療需要復(fù)雜療法（如蛋白質(zhì)、基因、藥物和金屬離子聯(lián)合療法）的復(fù)雜疾病提供可行的選擇。除了遞送，3D打印制造的微針還可用于皮膚組織活檢或細胞應(yīng)用?？傊?，在這些需要精確控制和改變穿透深度以及機械性能的高敏感領(lǐng)域，3D打印制造的微針將變得越來越有吸引力。3D打印技術(shù)在制造微針方面的應(yīng)用尚處于起步階段，大多數(shù)創(chuàng)新仍處于研究或臨床前水平。但該技術(shù)具有傳統(tǒng)方法無法實現(xiàn)的高度個體化、可定制性和高分辨率，未來有望促進治療、診斷和醫(yī)美領(lǐng)域的發(fā)展。

審核編輯：劉清