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3D打印帽贝牙齿启发性微针贴剂,以实现无痛药物输送

赵师傅
2020-10-27 13:38:43

从研究者亚利桑那州立大学和美国南加州大学开发的3D打印可用于无痛输送药物微针贴片。 

 

受帽贝(一种具有极强力的牙齿的水生蜗牛)的层次结构的启发,该团队创建了一个增强的微针阵列,该阵列显示出对长期使用的增强抵抗力。

 

此外,利用磁场辅助3D打印(MF-3DP)工艺,该设备的形态可以在将来进行优化,以在不引起临床试验中患者不适的情况下进行药物输送。

3D打印

联合研究小组的生物启发式针头是使用注入铁的聚合物制成的。图片来自“高级功能材料”期刊。

 

注射:3D打印消除痛苦 

 

皮下注射针由于其低成本和相对大的容量而可能已经使用了150多年,但是插入时通常会伴有疼痛,并且会产生大量医疗废物。为了解决这些问题,在1970年代引入了微针贴片,这种贴片更方便,能够携带多种药物并在使用时减轻疼痛。 

 

如果要对这些微针进行3D打印,则可以使用自定义的几何形状来创建它们,以提高不同药物的功效,但是到目前为止,由于缺乏精确性,这种情况无法避免。例如,熔融沉积建模(FDM)和基于喷墨打印的方法需要大量且昂贵的后处理,以增强和完善设备的功能。 

 

此外,以前的实验用针必须相对较大以提供足够的强度,但是发现这种增大的尺寸会增加插入过程中的疼痛。为了克服这些限制,科学家们转向了一个不太可能的来源:帽贝。最近的研究表明,海洋生物的牙齿由许多层次的纳米纤维组成,是自然界中发现的最坚固的材料之一。 

 

基于帽贝的进化优势,该团队试图设计一种具有生物启发性的针头阵列,具有改善的机械性能和无痛药物输送的潜力。 

3D打印

研究人员使用创新的磁场辅助3D打印工艺来创建他们的微针。图片来自“高级功能材料”期刊。

 

研究人员的生物启发式微针阵列

 

帽贝的牙齿的强度归因于针铁矿矿物的独特排列,使其难以使用传统的微细加工方法进行复制。结果,联合团队选择部署MF-3DP技术,该技术通过磁场将光固化聚合物材料内部的氧化铁纳米粒子(aIOs)对准。 

 

然后,团队使用立体光刻(SLA)系统选择性地固化复合材料,并通过调整不同点处的磁性颗粒浓度来调节针的直径。所得的微针以四边形图案制造,每个圆锥形装置的直径为200 µm,但发现分辨率受针头宽度的影响。 

 

通过调整打印机的光穿透深度,该团队发现他们能够更精确地调整其设备的宽度,最终实现仅为8 µm的宽度。此外,科学家的生物启发性阵列在测试过程中被证明比以纯聚合物印刷的相同设计要强,后者具有较低的交联度,并且在插入时会弯曲。 

 

为了评估其微针贴片的减轻疼痛的元素,研究人员将其应用于小鼠,并观察到有和没有贴片的行为无差异。该团队还测试了其设备在猪皮肤上的药物输送能力,发现荧光素可以成功注射并在两天内释放。 

 

总的来说,科学家们认为他们的方法是成功的,因为他们的微针由于对齐方式而表现出更高的机械完整性。将来,该团队MF-3DP工艺的精确性将有助于开发具有可定制的微观特征的针,以用于生物医学和临床应用。 

 

3D打印药物输送系统 

 

自从1970年代以来,微针贴片就已经问世了,因此,近年来3D打印的进步导致了众多添加剂变体的开发也就不足为奇了。 

 

罗格斯大学(Rutgers University)的一个团队已经部署了一种投影微立体光刻技术(PµSL),以创建具有生物启发性的可编程微针。基于寄生虫的微钩,蜜蜂的带刺刺的刺和豪猪的羽毛,该设备被设计为可水平变形,从而在插入过程中具有最小的侵入性。 

 

同样,天普大学的科学家也从蜜蜂中汲取了灵感,以优化手术针的设计。该团队基于聚合物的3D打印设备具有“倒刺”状的蜜蜂状布局,他们认为这种布局可以减少针头插入过程中的组织损伤。 

 

在其他地方,得克萨斯大学达拉斯分校(UT Dallas)的研究人员创造了一种新的低成本制造微针阵列的方法。通过将台式3D打印机与化学蚀刻技术相结合,该团队能够制造出可在多个医疗设备中使用的细针。 

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