研究人员通过3D打印空心微针进行受控的皮下给药

肯特大学和斯特拉斯克莱德大学的研究人员开发了一种新颖的设备，该设备结合了3D打印，微针和微机电系统（MEMS），可控的透皮给药。 透皮药物递送是指药物或药物通常通过使用粘性贴剂通过皮肤施用。对于他们的方法，研究人员开发了一种复合设备，该复合设备由3D打印的微针贴片与MEMS组成，可以使用户直接控制给药。 该设备名为3DMNMEMS，其主要目标是实现个性化的临床治疗，并且过去一直采用“一刀切”的方法进行药物输送。肯特大学的研究人员之一索菲亚·埃科诺米杜（Sophia Economidou）表示：“微针是一种小的穿刺装置，可破坏皮肤的最外层，最不渗透的层，从而将药物直接输送到真皮微循环中。它们的微型尺寸意味着它们的应用无痛，可解决患者不适和针头恐惧症等问题。同时还简化了微型皮肤系统，消除了对经过培训的专业人士进行干预的需求，从而减少了治疗成本。”

 微成型与3D打印 典型地，常规的微针是通过微模制造的，微模是一种难以定制且与高初始加工成本相关的技术。研究人员还观察到，使用微模技术不可能在自己的微针中制造内部微结构。 因此，研究人员转向3D打印，以实现复杂的3DMNMEMS器件，可重复和可复制的制造。此外，3D打印可以轻松定制设备，从而制造商可以调整设计以适应单个患者的需求。微针贴片也可以按需生产，从而消除了对诊所和实验室内存储空间的需求。 在此之前已经进行了这一领域的研究，例如在2018年，得克萨斯大学达拉斯分校的科学家开发了一种使用FFF 3D打印机制造微针阵列的新型低成本方法。从那时起，罗格斯大学的研究人员就一直使用Projection微立体光刻技术来创建4D打印的生物启发式可编程微针，以增强组织粘附力。 最近，来自亚利桑那州立大学和南加州大学的团队开发了3D打印的微针贴片，其灵感来自帽贝的分层结构。这些贴片是使用磁场辅助3D打印（MF-3DP）制成的，将来可用于向患者无痛地输送药物。

 3D打印微针贴片 使用标准CAD软件设计的微针贴片由空心微针杆身及其孔，内部微通道，微储器和用于流体供应的开口组成。使用立体平版印刷术和生物相容性聚合物对微针进行3D打印，但是研究人员发现其复杂的结构以及对准确，可复制的打印的需求对3D打印机的功能提出了挑战。特别是，他们观察到要达到所需的刀头锋利度并确保内部微结构没有可能限制液体流动的堵塞是特别困难的。“在微观尺度上，印刷参数对最终产品质量的影响加剧，因此我们必须开发和应用一系列优化步骤，包括定制印刷参数和进行设计调整以获得所需的结果并建立可复制的印刷方案”，Economidou解释说。 “值得注意的是，该贴片的设计易于安装在此处使用的MEMS以及典型的注射器上。”

测试3D打印设备 为了探索3DMNMEMS设备在活体内生物体内的有效性，研究人员使用该设备向糖尿病小鼠施用胰岛素。然后他们将这一组小鼠与另一组在皮肤下注射相同量胰岛素的小鼠进行了比较。根据Economidou的说法，3DMNMEMS可以更快地降低血糖水平（一小时），而注射则需要三个小时才能达到相同的降血糖作用。研究结果还表明，由于微针在皮肤组织内广泛分布了药物，器械治疗组的胰岛素浓度随着时间的推移更加持久。 Economidou解释说：“注射剂往往会在皮肤上局部形成一个贮库，药物通过被动扩散从循环中释放出来。这在给药和效果达到顶峰之间出现了滞后。另一方面，微针在组织内散布药物，从而可以更快，更持久地吸收药物。”

3D打印促进治疗 大多数3D打印的空心微针是通过双光子聚合（2PP）生产的，此类3D打印机往往价格昂贵且打印量较小。 2PP过程也可能很耗时。为了克服这些问题，可以使用商用台式打印机成功打印研究人员的微针贴片，从而使研究人员和感兴趣的公司更容易进行制造过程。 Economidou认为，这将有助于扩大其技术的应用范围，以用作可行且可持续的微针制造方法。 她说：“我们还首次报道了将3D打印与MEMS相结合的平台药物输送设备。这项成就为改变医疗器械的原理铺平了道路；将3D打印与其他先进技术相结合是开发能够促进治疗并改善患者生活的新型设备的关键。” 通过他们的测试，研究人员证明了该糖尿病的可控治疗，尽管该设备已被设计为用于输送多种药物的通用平台。Economidou补充说：“医疗和药物输送设备的3D打印仍处于起步阶段。我们相信，这项技术在现代临床护理中进行重大改变的潜力仍然很大。在我们的小组中，我们在透皮系统，药物洗脱支架，片剂和伤口敷料上进行了大量工作，这些都是通过3D打印开发的。” Economidou和她的同事计划进一步扩展对3D打印医疗设备中MEMS和传感器集成的研究，以期提供复杂的个性化护理解决方案。