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高精密3D打印技术解决透皮给药微针的加工难题

发布时间:2020-08-06      点击次数:581

行业背景

一直以来,我们常用的临床医疗给药方式有口服药剂、注射针剂、外用涂抹等。不同的给药方式会各有优劣。口服药剂服用方便,需要首先通过肠胃吸收,这样药效会有所降低,并且对肝脏等器官产生较强的副作用;注射针剂存在使用不便、产生疼痛、制备成本高、过程复杂等特点。外用涂抹膏药因为皮肤的隔离,药物的吸收效率低,并且给日常生活行动带来不便。临床上一般不同的药物有效成分会根据自身的理化性质、药理学等因素而采用不同的给药医疗方式。

随着科技的发展,研究人员逐步开发了一种新型的医疗给药方式——微针透皮给药,它既能实现有效给药,又操作简单并且让患者获得良好体验。上世纪90年代,世界上早的微针是用硅材料制备而成的。由于硅材料具有脆性,且不适合作为模具来大批量复制,因此近年来微针的制备材料研究的重点逐步转移到金属、陶瓷以及聚合物材料。

目前微针透皮给药已经在药物治疗、美容祛斑、整形植发等消费市场领域获得应用推广,并且市场上已经出现一批规模化量产的公司,中国的微针市场给药系统产品主要是国外品牌,医疗方面的以欧美国家居多,美容方面以日韩品牌为主。上有3M、Zosano Pharma、Corium、Becton-Dickinson(BD)等;国内有中科微针(北京)、揽微医疗、纳通生物、和心诺泰等。

 

 

加工方法

由于表皮厚度高达1500μm,因此针长度达1500μm足以将药物释放到表皮中。长度较大且直径较粗的针可深入真皮层,容易损伤神经并引起疼痛。微针长度大多数150-1500μm,直径50~250μm,宽度为1~25μm。微针常见的形状是圆锥形、圆柱形、三棱锥、四棱锥等。微针根据种类不同(固体型,包被型,中空型、溶解型等)以及材料的需求,制作的工艺也不一样,硅材料常见加工方法有硅蚀刻;金属材料常见的加工方法激光切割;陶瓷材料加工方法陶瓷烧结光刻。

而聚合物材料常用的加工方法是微立体光刻3D打印技术。近些年来3D打印技术获得快速发展,相对于传统加工工艺,3D打印技术能够灵活、自由的设计各种复杂三维的结构。目前市场上普通3D打印技术(SLA、FDM等)加工的精度低,表面粗糙,远远满足不了微针加工技术要求。而双光子激光直写(TPP)3D打印技术,虽然加工的精度高,但是加工幅面小、速度极慢,对于大幅面、规模化生产显然不太适宜。

面投影微立体光刻(PμsL)3D打印工艺能够加工并兼顾快速、高精度、大幅面的特点,可以满足上述微针尺寸要求,并且加工出来的微针表面光滑程度高,为微创、无痛的微针治疗效果提供技术支持,也为快速、高效产业化生产提供可行性方案。目前,已经和国内多所科研高校、相关企业进行合作。

 

面投影微立体光刻(PμsL)工艺助力微针的制备

面投影微立体光刻(PμsL)基于数字DMD(Digital Micromirror Device)芯片作为动态掩模,通过精密的光路投影系统,在树脂液面进行整面曝光打印。因此,与普通的微立体光固化工艺相比,除了成型精度高以外,打印的速度得到大大提升。

由于微针需要具有良好的力学性能和生物相容性才能满足其应用的安全性要求,所以微针的选材、结构设计及其相应的制备技术直接关系到微针的效能。一般而言,微针的表面越光滑,微针才能更好的发挥安全、无痛以及定量释放的优势。

下图是深圳摩方材料科技有限公司基于面投影微立体光刻(PμsL)工艺的3D打印系统nanoArch®S130设备加工的阵列微针结构,该微针底部直径0.198mm,高度0.572mm,针尖的小宽度仅0.006mm!加工的微针表面光滑,针尖细节更加明晰。该微针打印材料属于丙烯酸聚合物类固体型微针,通常研究人员使用该聚合物打印出针尖形态阳模,通过二次倒模形成实际需要的医用聚合物材料针尖结构,比如形成溶解型微针。

 

近,国外研究机构美国罗格斯大学Howon Lee和意大利比萨大学Giuseppe Barillaro合作团队从寄生虫的微钩,蜜蜂的尾刺针,豪猪的针毛研究发现一种具有高组织粘附力的微观倒刺结构。这些复杂的微观结构对于传统加工工艺而言是一种巨大的挑战。

研究人员通过4D打印技术制造具有后向曲面倒钩以增强组织附着力的仿生微针。通过系列实验测试发现该种倒刺结构的仿生微针的组织附着力是普通微针的18倍!在组织中具有持续、定量释放药物的行为。

 

文章链接地址:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.201909197

 

结论

尽管目前微针在药物治疗、美容祛斑、整形植发等获得广泛应用,并且衍生一批产业化公司。但是微针治疗市场竞争较为混乱、竞争格局并不明晰、技术水平良莠不齐。我们经常会在一些公共场所见到微针治疗的相关广告。

未来随着微加工技术的发展和相关的药理学研究的进展,微针治疗会获得广泛的认可,市场规模扩大、市场竞争更加规范。而高精密3D打印作为一种具有复杂三维、灵活自由、快速设计的微细加工技术,目前已经被众多前沿的科研机构以及规模化企业所采用,进一步深化课题研究程度,提高了企业的创新性及生产效益。