يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

تصميم وطباعة ثلاثية الأبعاد من القوالب الدقيقة المخصصة لتصنيع الإبر البوليمرية

123 مشاهدات

⸱

DOI:

10.3791/70538

⸱

يونيو 22, 2026

 ,  , 
1Department of Pharmaceutics, College of Pharmacy, King Saud University

في هذه المقالة

ملخص

يوضح هذا البروتوكول تصميم التصميم بتقنية CAD، والتصنيع الرئيسي المطبوع ثلاثي الأبعاد، وتحضير القوالب العكسية للإلاستومر، والصب بملء واحد لإنشاء رقع ميكرونيبرية بوليمراتية لتحقيق تصنيع قابل للتكرار لمصفوفات قابلة للتخصيص.

الملخص

يقدم هذا البروتوكول سير عمل عام وغير معتمد من التطبيق لتصنيع رقع الإبر البوليمرية الدقيقة (MN) باستخدام التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD)، والتصنيع الرئيسي للبلمرة الضوئية في الحوض (مثل الطباعة المجسمة أو معالجة الضوء الرقمية، SLA/DLP)، والتشكيل العكسي بالإلاستومير، والصب بملء واحد. تبدأ الطريقة بتحليل CAD بارامتري لهندسة MN وتخطيط المصفوفة، بما في ذلك قاعدة رقعة رقيقة وخزان متكامل لتسهيل تسرب التجويف بشكل منتظم والحد من تكوين الحافة السميكة عند محيط الرقعة. يتم اختيار معلمات الطباعة ثلاثية الأبعاد للحفاظ على سلامة الميزات الدقيقة، تليها غسل قصير بالمذيب ومعالجة محكومة بعد المعالجة لإزالة البقايا وتثبيت الميزات. ثم يتم تكرار الماستر المطبوع ثلاثي الأبعاد في مطاط لإنتاج قالب عكسي مرن مناسب لدورات الصب المتكررة. يستخدم الصب محاليل بوليمر يتم تسرب إلى القالب عبر الطرد المركزي أو الفراغ، مما يتيح ملء تجاويفات متسقة عبر مجموعة من الهندسة. تشمل تقييمات الجودة التمثيلية فحص القالب الرئيسي المطبوع والقالب العكسي للكشف عن اكتمال التجويف والعيوب، إلى جانب فحوصات أبعاد لارتفاع الإبرة، عرض القاعدة، وجودة الطرف في مواقع مصفوفات متعددة. يستوعب سير العمل عدة تصاميم نماذج لمصفوفات MN ويمكن تكييفها بسهولة مع تركيبات بوليمر بديلة من خلال تعديل المواد الصلبة واللزوجة وظروف التجفيف، مما يتيح تصنيع رقع MN البوليمرية السريعة ومنخفضة التكلفة والقابلة للتكرار المناسبة للبحث والنمذجة.

المقدمة

توفر الإبر الدقيقة (MNs) وسيلة عملية للوصول إلى الجلد أو العين أو أنسجة النماذج مع أقل انزعاج ممكن، مع تمكين التحكم الدقيق في الهندسة وتخطيط المصفوفات 1,2,3,4. في التصنيع المختبري، يكون التكرار من جهاز ماستر عالي الدقة فعالا: بمجرد توفر نسخة رئيسية مناسبة، يمكن إنتاج نسخ ليثوغرافية ناعمة مرارا لفحص المواد والأبعاد وتكوينات المصفوفات بجودة متسقة 5,6. طرق تصنيع الإبر الدقيقة التقليدية، مثل التشغيل الدقيق بالسيليكون، والاستئصال بالليزر، والقولبة بالحقن، يمكن أن تحقق دقة عالية لكنها غالبا ما تتطلب مرافق متخصصة، أدوات معقدة، أو تكاليف أولية مرتفعة، مما يحد من مرونتها في تكرار التصميم السريع في بيئات البحث7.

طابعات الطباعة الضوئية ثلاثية الأبعاد باستخدام الميكروبوليرات المكتبية، بما في ذلك الطباعة المجسمة (SLA) ومعالجة الضوء الرقمي (DLP)، مناسبة جدا لتوليد نماذج القوالب الرئيسية بسبب دورات التصميم القصيرة للأجزاء والتحكم في الميزات على مقياس الميكرومتر بتكلفة منخفضة نسبيا.8. في هذه الأنظمة، يتم احتواء راتنج بوليمر ضوئي سائل في وعاء ويتم معالجته انتقائيا طبقة بطبقة إما بواسطة شعاع ليزر ممسوح (SLA) أو نمط ضوء مسقط (DLP)، مما يتيح تحكما دقيقا في هندسة الخصائص الدقيقة 8,9. تعد الشبكات البوليمرية MN جذابة بشكل خاص لأنها يمكن صياغتها لتذيب أو تتورم كهيدروجيلات؛ تشمل المصفوفات الشائعة الذوبان كحول البولي فينيل (PVA)، بولي فينيل بيروليدون (PVP)، حمض الهيالورونيك (HA)، وسليلوز الصوديوم (NaCMC)، بينما تشمل أمثلة تكوين الهيدروجيل PVA المتقاطعة، البولي (إيثيلين جليكول)، الدياكريلات (PEGDA)، والبولي (ميثيل فينيل إيثر الأثير-كو-ماليك أنهيدريد)؛ PMVE/MA) 10، 11.

تحقيق ميزات دقيقة دقيقة عند ارتفاعات إبر تحت المليمتر يتطلب الانتباه لمعلمات الطباعة والمعالجة اللاحقة. مقارنة بطرق بثق الخيط، تستفيد الفوتوبلمرة من الفوبلمرة الضوئية التي تتحكم بها حجم بقعة الليزر، شكل الفوكسل، سمك الطبقة، ووقت التعريض؛ الخيارات العملية، بما في ذلك ميل الأجزاء بشكل معتدل ووضع الدعم على الوجه غير الوظيفي، يمكن أن تحسن الدقة الفعالة على الطابعات ذات الدقةالمحدودة 5,12. بعد التصنيع الرئيسي، يمكن استخدام قالب عكسي مرن، مثل السيليكون المطاطي متعدد ثنائي ميثيل سيلوكسان (PDMS)، في الصب بملء واحد، حيث يتم دفع المحاليل البوليمرية المائية إلى التجاويف عن طريق الطرد المركزي (باستخدام حاملات مناسبة لدوارات الدلاء المتأرجحة) أو عن طريق الفراغ 5,6,12.

يمكن لهذا المسار من التصميم إلى التصنيع أن يسرع الإنتاج والتخصيص. يتيح CAD البارامتري تعديلات سريعة على الارتفاع والقاعدة والنغمة وعدد المصفوفة دون إعادة التصميم؛ يمكن طباعة النسخ الماسترة بسرعة على نظام على الطاولة؛ وماستر واحد يدعم العديد من النسخ المقلدة، مما يقلل من زمن التغيير 5,13,14. يصبح التبديل بين التصاميم مسألة تحديث المعاملات وإعادة طباعة الماستر، بينما يتم الاحتفاظ بنفس سير العمل وظروف الصب. نتيجة لذلك، يمكن للمختبرات تكرار التصاميم، ومقارنة المتغيرات، وتكبير الدفعات بشكل أسرع مع وقت توقف ضئيل، مما يتيح التلاعب السريع بالهندسة لتلبية احتياجات الدراسةالخاصة 5,14,15.

تؤثر معايير الهندسة والتخطيط، بما في ذلك ارتفاع الإبرة، عرض القاعدة، الميل، وعدد المصفوفات، بشكل مباشر على موثوقية الإدخال، وراحة المريض، واستخدام المواد. اختيار الارتفاعات والقواعد والمسافة المناسبة يعزز الأداء المتسق وقابلية التصنيع 3,5,16,17. لجعل هذه المقايضات صريحة وقابلة للتكرار، يستخدم هذا البروتوكول نموذج MN مخروطي كحالة توضيحية، مع البقاء متوافقا تماما مع الأشكال البديلة (مثل الهرمي أو الهجين)، والأحجام، والنغمات، وعدد الإبر. والنتيجة هي سير عمل تصنيع عام يشمل التصميم بالحاضير، والطباعة ثلاثية الأبعاد للماستر باستخدام الميكروبلمرة الضوئية المكتبية، والتشكيل العكسي، والصب بملء واحد، والتي يمكن للمختبرات تكييفها لإنتاج رقع MN البوليمرية بسرعة ومتسقة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

ملاحظة: يظهر في الشكل 1 نظرة عامة على سير عمل CAD إلى التصنيع الكامل في الشكل.

1. تصميم التصميم بمساعدة الحاسوب

  1. استخدم برنامج CAD لتصميم الماستر في مينيسوتا. حدد خلية وحدة MN (مثل المخروطية أو الهرمية) وتعيين أبعاد لتحقيق الأهداف المحددة (مثل الارتفاع 1000 ميكرومتر؛ الأساس 500 ميكرومتر).
  2. قم بتصميم المصفوفة (مثلا، 6 × 6). اختر الزاوية لتحقيق التباعد المطلوب بين الإبر (مثلا، 1.1–1.2 مم للانحناء للحفاظ على ≥0.5 مم بين الإبر).
  3. أنشئ قاعدة رقعة بارامترية (مثلا 10 × 10 مم) وحدد سمك القاعدة (مثلا 0.25 مم).
  4. أضف خزانا دائريا أو بيضاويا تحت القاعدة (~3 مم عمق) لاحتفاظ المحلول الزائد وتعزيز الحشو المصبوب الواحد بشكل منتظم.
  5. أضف شرائح حواف (مثل 1.0-1.5 مم) إلى محيط الخزان لتحسين التدفق أثناء الصب (الشكل 2).
  6. تصميم التصدير ك. STL.
    ملاحظة: تأكد من تطابق الهندسة الرئيسية مع الهندسة النهائية المقصودة.

2. التقطيع والطباعة

  1. استورد. STL في برنامج التقطيع. اضبط سمك الطبقة إلى (مثلا، 25-50 ميكرومتر)، والاتجاه، والدعامات على الوجه غير الوظيفي/الخلفي.
  2. راجع الطبقات المقطعة للتأكد من استمرار الجدران، وعدم وجود نتلوات غير مدعومة على وجه مينيسوتا، ودعم كاف.
  3. أرسل إلى طابعة ثلاثية الأبعاد، وحمل الراتنج، ثم اطبع. استخدم أصغر سمك طبقة موثوق؛ الطبقات الرقيقة تحسن التفاصيل لكنها تزيد من وقت الطباعة.
    ملاحظة: استخدم أصغر طبقة موثوقة تدعمها الطابعة ونظام الراتنج لتقليل تأثير الدرج الدرجي.

3. الغسل وبعد التجفيف

  1. اشطف الطباعة بمذيب غسيل مناسب (مثل كحول الأيزوبروبيل) مع تحريك لطيف؛ اتركها لتصرف وتجف بالهواء. استخدم فرشاة صغيرة ذات شعيرات ناعمة لإزالة الراتنج المتبقي من المساحات بين الإبر.
  2. الأشعة فوق البنفسجية بعد التصلب في جهاز التجفيف وفقا لإرشادات الشركة المصنعة للراتنج؛ تجنب ارتفاع درجة الحرارة أو التصلب الزائد.
  3. الفحص تحت المجهر الضوئي (مثلا، 4x)؛ تابع فقط إذا كانت الميزات مكتملة ونظيفة عبر المصفوفة.

4. العفن العكسي

  1. اخلط قاعدة PDMS وعامل المعالجة حسب تعليمات الشركة المصنعة.
  2. ضع النسخة الأصلية المطبوعة ثلاثية الأبعاد على وجه MN في طبق صب (ثبت القاعدة بكمية صغيرة من الغراء أو شريط لاصق مزدوج الوجه)؛ صب المطاط لتغطية بمقدار ≥3–5 مم.
  3. ديغاس إذا لزم الأمر؛ يصلبهم في درجة حرارة الغرفة لمدة 24 ساعة أو بحرارة معتدلة كما هو محدد حتى يصلبوا إلى الطلاء المرن.
  4. قم بتقشير القالب المطاطي من الماستر برفق؛ حواف الزينة؛ خزن بدون غبار.
    ملاحظة: بعض الراتنجات القابلة للبلمرة الضوئية تثبط معالجة السيليكون المحفز بالبلاتين. حسن عملية التصلب بتثبيت الماستر بعد المعالجة بالكامل عند ~40-50 درجة مئوية طوال الليل (خالية من الغبار) قبل صب المرآة. تأكد من أن السطح نظيف وجاف وخال من الراتنج غير المعالج.

5. تحضير محلول بوليمري

  1. وزن البوليمر إلى التركيز المطلوب (مثلا 5٪). أضف المذيب (مثل الماء منزوع الأيون) مع التحريك؛ إذا لزم الأمر تسخن حتى يذوب تماما.
  2. بارد إلى درجة حرارة الغرفة؛ إزالة الغاز (شفط أو استراحة) لإزالة الهواء المكثف.
    ملاحظة: يمكن استخدام أنظمة بوليمر أخرى (مثل PVA، PVP، HA)؛ عدل المواد الصلبة واللزوجة وظروف التجفيف وفقا لذلك.

6. ملء القالب

  1. توزيع محلول بوليمري لتغطية المصفوفة والخزان. اختر أحد الخيارات التالية لدفع المحلول إلى التجاويف.
  2. طريقة التفريغ: ضع القالب في مجفف أو فرن مفرغ (بدون حرارة). ضع الفراغ لمدة 2–5 دقائق. قم بتهوية ببطء لسحب المحلول إلى التجاويف. كرر ذلك إذا لزم الأمر.
  3. مسار الطرد المركزي: ضع القالب في دوار متأرجح (أفقي أو 90°). الطرد المركزي بقوة 1,500–3,000 × جرام لمدة 5–10 دقائق لتعزيز ملء التجاويفات بالكامل. إذا لوحظ ملء غير كامل، قم بضبط الزمن أو قوة الجاذبية ضمن هذا النطاق.
    ملاحظة: بالنسبة للرقع الصغيرة، صمم القالب ليتناسب مع أنابيب مخروطية بحجم 50 مل (مثبتة على دعم سيليكون خفيف الوزن معالج) أو استخدم حاملا على شكل لوحة بحيث يبقى القالب مستويا ولا يمكن أن يتحرك أثناء التسارع.

7. التجفيف، والتحرير، ومراقبة الجودة الأساسية

  1. جفف القالب المملوء في ظروف محيطة (أو في النسبي/درجة حرارة مضبوطة) حتى يتصلب المحلول البوليمري تماما.
  2. ابدأ التحرير عن طريق ثني القالب المطاطي بلطف، ثم قم بتقشير رقعة MN دون أن يطلق النار. قم بتقليم القطع لإزالة البوليمر الزائد عند الحواف.
  3. افحص تحت المجهر الرقمي للتأكد من وجود إبر (نسبة سليمة). قس الارتفاع والقاعدة عند مواقع متعددة عبر المصفوفة وأبلغ عن متوسط SD ± (ونسبة الانحراف عن CAD، إذا كان ذلك ممكنا).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

ينتج سير العمل تصميما بارامتري CAD لمصفوفة MN، وماستر مطبوع ثلاثي الأبعاد يتم تكراره في PDMS لتشكيل قالب عكسي مرن، ورقع MN بوليمية مفككة التشكيل تنتج عن ملء واحد (الشكل 1). نظرا لأن جميع المتغيرات الهندسية معرفة بشكل بارامتري، يمكن تعديل نفس البروتوكول بمرونة لتغيير أبعاد MN (الارتفاع، القاعدة)، شكل الإبرة (مثل الهرم، المخروطي، الهجين)، النغمة، والعدد الكلي للإبر في كل مصفوفة دون تغيير الخطوات التالية.

CAD والتقطيع

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

يؤسس هذا البروتوكول سير عمل من CAD إلى وعاء من البوليمرة الضوئية إلى PDMS لتصنيع رقع MN البوليمرية كمنصة عامة غير مرتبطة بدواء أو نموذج أنسجة محدد. ضمن هذا سير العمل، تلعب عدة خطوات عملية دورا غير متناسب في تحديد جودة الأبعاد، وجودة القالب، وسلامة الرقعة النهائية. الخطوات الأكثر أهمية هي إنتاج نموذج رئيسي مطبوع ثلاثي الأبعاد موثوق من حيث الأبعاد، وإنشاء قالب عكسي مرن ومعالج بالكامل، وضمان تسرب كامل بملء واحد قبل التجفيف.

بالنسبة للنسخة الأصلية المطبوعة ثلاثية ...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

المؤلفون ليس لديهم ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

يرغب المؤلفون في شكر برنامج تمويل البحث المستمر (ORF-2026-1435)، جامعة الملك سعود، الرياض، المملكة العربية السعودية.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
ميزان تحليلي (±0.1 ملغم)Mettler Toledoللوزن الدقيق للبوليمرات.
راتنج فوتوبوليمر شفاف Formlabsالراتنج المستخدم لطباعة قالب الإبرة الدقيقة؛ اختر الراتنج الفعلي الذي استخدمته.
طابعة ثلاثية الأبعاد بالطباعة المجسمة الضوئية (SLA) مكتبية Form 4Formlabsيستخدم لطباعة قالب الإبرة الدقيقة؛ قم بتحديد النموذج المحدد الذي استخدمته.
كحول الأيزوبروبيل (IPA)، ≥99٪Merck Sigma Aldrichيستخدم لغسل طبعات SLA. قابل للاشتعال؛ استخدم في غطاء الدخان.
مقلع مغناطيسي / لوحة ساخنةIKA لتحضير محاليل البوليمر.
برنامج التصوير المجهري / تحليل الصورImageJ يستخدم لقياس ارتفاع الإبرة، عرض القاعدة، والعائد من الصور المجهرية.
مجهر بصري أو مجهر ستيريوسكوبيLeicaلفحص ارتفاع الإبرة، عرض القاعدة، وجودة الطرف.
برنامج CAD بارامتيريAutodesk Fusion 360يستخدم لتصميم قالب الإبرة الدقيقة وتخطيط المصفوفة البارامترية.
مجموعة إيثر PDMS (القاعدة + عامل المعالجة)، Sylgard 184Dowيستخدم لتصنيع القالب المرن العكسي.
كحول بولي فينيل (PVA)Merck Sigma Aldrichمثال على البوليمر لإذابة بقع الإبرة الدقيقة (10٪ بالوزن في البروتوكول).
برنامج تقسيم طابعة SLA PreFormFormlabsيستخدم لتوجيه ودعم وتقطيع ملفات STL للطباعة.
كربوكسيميثيل سليلوز الصوديوم (NaCMC)، درجة دوائية / تحليليةMerck Sigma Aldrichمثال على البوليمر لإذابة بقع الإبرة الدقيقة (10٪ بالوزن في البروتوكول).
غرفة علاج بالأشعة فوق البنفسجية لطبعات SLA Form Cure Formlabs لمعالجة ما بعد الطباعة للقالب المطبوع وفقًا لتعليمات الراتنج.
فرن تفريغHanyangيستخدم للحشو بمساعدة التفريغ.
محطة غسل أو حاوية غسل لأجزاء SLAحاوية مخصصةيستخدم مع IPA لإزالة الراتنج غير المعالج من القالب.

المراجع

  1. Fitaihi, R., Abukhamees, S., Orlu, M., Craig, D. Q. M. Transscleral Delivery of Dexamethasone-Loaded Microparticles Using a Dissolving Microneedle Array. , Pharmaceutics. (2023).
  2. Aldawood FK, F. K., Andar, A., Desai, S. A Comprehensive Review of Microneedles: Types, Materials, Processes, Characterizations and Applications. Polymers (Basel). , (2021).
  3. Kim, Y. C., Park, J. H., Prausnitz, M. R. Microneedles for drug and vaccine delivery. Adv Drug Deliv Rev. , (2012).
  4. Leone, M., Mönkäre, J., Bouwstra, J. A., Kersten, G. Dissolving Microneedle Patches for Dermal Vaccination. Pharm Res. , (2017).
  5. Fitaihi, R., Abukhamees, S., Chung, S. H., Craig, D. Q. M. Optimization of stereolithography 3D printing of microneedle micro-molds for ocular drug delivery. Int J Pharm. , (2024).
  6. Xia, Y., Whitesides, G. M. Soft Lithography. Angewandte Chemie International Edition. , (1998).
  7. Indermun, S., et al. Current advances in the fabrication of microneedles for transdermal delivery. J Controlled Release. , (2014).
  8. Xu, X., et al. Vat photopolymerization 3D printing for advanced drug delivery and medical device applications. J Controlled Release. , (2021).
  9. Deshmane, S., Kendre, P., Mahajan, H., Jain, S. Stereolithography 3D printing technology in pharmaceuticals: a review. Drug Dev Ind Pharm. , (2021).
  10. Pan, J., et al. A Multifunctional Hydrogel Microneedle Patch for Treatment of Atopic Dermatitis. ACS Appl Mater Interfaces. , (2025).
  11. Fitaihi, R., et al. Safety and Efficacy of Dissolvable Microneedles Embedded with Dexamethasone-Loaded Nanoparticles for Treating Ocular Inflammation. Int J Pharm. , (2025).
  12. ElShebiny, T., et al. Effect of printing technology, layer height, and orientation on assessment of 3D-printed models. J World Fed Orthod. , (2024).
  13. Dempsey, D., McDonald, S., Masato, D., Barry, C. Characterization of Stereolithography Printed Soft Tooling for Micro Injection Molding. Micromachines (Basel). , (2020).
  14. Choo, S., Jin, S., Jung, J. Fabricating High-Resolution and High-Dimensional Microneedle Mold through the Resolution Improvement of Stereolithography 3D Printing. Pharmaceutics. , (2022).
  15. Jeong, J., Park, J., Lee, S. 3D printing fabrication process for fine control of microneedle shape. Micro Nano Sys Lett. , (2023).
  16. Li, Y., et al. Dissolving Microneedle Arrays with Optimized Needle Geometry for Transcutaneous Immunization. Eur J Pharma Sci. , (2020).
  17. Gittard, S. D., et al. The Effects of Geometry on Skin Penetration and Failure of Polymer Microneedles. J Adhes Sci Technol. , (2013).
  18. Venzac, B., et al. PDMS Curing Inhibition on 3D-Printed Molds: Why? Also, How to Avoid It. Anal Chem. , (2021).
  19. Guide to Post-Processing and Finishing SLA Resin 3D Prints. , Formlabs. https://formlabs.com/global/blog/post-processing-and-finishing-sla-prints (2026).
  20. Smith, E., et al. Vac-and-fill: A micromoulding technique for fabricating microneedle arrays with vacuum-activated, hands-free mould-filling. Int J Pharm. , (2024).
  21. Balmert, S. C., et al. Dissolving undercut microneedle arrays for multicomponent cutaneous vaccination. J Controlled Release. , (2020).
  22. Babapour, F., Faraji, R. Z., Ganji, F. Mechanics of dissolving microneedles insertion into the skin: Finite element and experimental analyses. J Appl Polym Sci. , (2024).
  23. Amano, N., et al. Fabrication and mechanical/biological evaluations of dissolving bird-bill microneedle arrays. Drug Deliv Transl Res. , (2025).
  24. Chen, H., et al. A novel scalable fabrication process for the production of dissolving microneedle arrays. Drug Deliv Transl Res. , (2019).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

الفيديو قريباً
اتصل بنا
أوصِ بها للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

2026 © حقوق الطبع والنشر MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.