超锐利聚合物微针的制备 通过 计算机数控（CNC）微加工与微成型

摘要

本文介绍了一种简单、直接且创新的制备方法，通过使用由母模制成的微模进行微模塑，制备具有极尖锐针尖的聚合物微针。 通过 计算机数控（CNC）铣削。该系统成本低廉、易于构建，能够制备出具有优异尖锐度的微针，从而增强穿透能力，提高递送性能。

摘要

微针近年来因其微创、无痛的特性，以及可通过几何结构的灵活设计来满足特定治疗需求，已被公认为经皮药物递送的一种有前景的方法。因此，本研究旨在利用计算机数控（CNC）铣削技术开发微针母模，以制备具有不同尖锐程度的聚合物微针，从而提高治疗效果。此前，我们的团队已成功优化了两个关键加工参数——进给速率和斜坡角度，并分析了这些参数对所获得微针的影响。因此，本文提供了一套完整的实验方案，用于制备和评估基于聚合物的模型微针的性能。此外，本研究还提供了代表性结果，以展示样品微针的可重复性及治疗效能。我们的研究团队预计，这一简便的方案将使研究人员能够制备出成本低廉、高精度的微针，从而推动微针技术在生物医学领域，特别是在大流行期间的进一步应用。

引言

近年来，微针因其无痛、可自行给药的特性，并能避免肝脏的首过代谢¹，已成为一种极具前景的药物递送方式。微针在多种生物医学应用（如疫苗接种、癌症治疗、诊断、化妆品）中受到广泛关注，这些应用需要将治疗剂或其他物质精确、微创地递送至皮肤或皮下组织，从而在减少不良反应的同时提高治疗效果²。

根据预期的应用，微针可以制成多种形式（即实心、包衣、中空、多孔、可溶胀和可溶解），有望用于穿透角质层的诊断和透皮药物递送应用³。从工程角度来看，目前已有多种微针制备技术。其中，CNC微加工是一种精确且多功能的方法，广泛用于高精度、高适应性的复杂三维结构制造，特别适用于微针主模具的制备⁴。针对这一需求，我们的研究团队此前已提出一种优化的、低成本、简单且创新的方法，利用CNC微加工技术制备具有超锐尖端的微针主模具⁵。此外，微针还可由多种材料（如金属、陶瓷、聚合物）制成。在这些材料中，聚合物微针因其良好的生物相容性、可生物降解性和无毒性而展现出广阔前景，可能在生物医学领域具有重要应用价值⁶。

本研究介绍了一种优化的微针母模制备方案，该方案通过数控微加工和微模塑技术，旨....

方案

本研究所用的试剂、设备和软件列于材料表中。

1. 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基微针母模的制备

1. 微针母模设计
   注意：微针母模设计使用 Fusion 360 软件（Autodesk，美国，教育许可）完成（参见材料表）。
   1. 在设计环境中打开软件，并创建一个新的草图。
   2. 使用拉伸功能绘制一个方块。
   3. 使用拉伸切除工具生成阶梯状型腔。
   4. 将单个微针本体创建为圆柱体。
   5. 使用倒角功能将圆柱体加工成锥形微针。
   6. 使用阵列命令生成一个 10 × 10 的微针母模。
      注意：根据预期应用，微针的尺寸可能有所不同。在本方案中，所展示的微针尺寸如下：锥形结构，针高：600 µm，底面直径：400 µm，针间距：1400 µm。
   7. 检查并最终确定设计的准确性和一致性。
   8. 将最终设计保存为兼容格式（例如 .f3d），以便进一步处理。
2. 计算机辅助制造（CAM）设置
   ....

结果

本研究介绍了一种用于制备微针母模的方案，该母模通过数控微铣削技术加工，可制得极为尖锐的微针。欲了解针尖锐度的相关数据，建议读者参考此前发表的文献⁵. 图1 显示微针主模具设计的示意图及其尺寸。 图2 展示了将示意图设计转化为铣削指令的过程 通过 CAM。在完成CAM设置后，采用数控微加工技术进行母模的微铣削制备，如图所示。 图3母模制备完成后，可作为模板用于系列化复制，以制备微针贴片，如图所示。 图4为确保成功制备，展示了以PDMS主模具复制PVA/PVP/WCS微针贴片过程中各阶段的可视化检查点（如模具填充完成、气泡去除）。 图5最后，对所获得的微针进行力学性能和穿透性评估，以考察其结构完整性（图6）为了确保本方案的.......

讨论

本研究开发了一种独特的实验方案，通过数控微加工和微模塑技术制备主模具，用于制造具有优异尖锐度的聚合物微针。该方法主要包括将 schematic 设计与主模具的制备过程相结合 通过 数控铣削，随后通过一系列微模塑工艺制备微针贴片。长期以来，微模塑因其能够高精度地制造复杂且可重复的微结构而被广泛应用，适用于大规模生产，同时保持成本效益。¹¹.

为确保所提出制备方案的可重复性，图5A展示了模具填充过程不同阶段的可视化检查点。在施加真空之前，PDMS模具中的未填充微腔清晰可见（红色箭头）。在真空处理过程中，PDMS模具逐渐被载有聚合物的溶液填充，直至微腔消失（蓝色箭头），表明模具填充完成。载有聚合物的模具在65 °C的烘箱中干燥4小时。干燥完成后，可通过小心弯曲PDMS模具进行判断；固化后的微针贴片会自动脱模。Smith等人提出了用于制备微针的“真空-填充”微模塑技术，该方法已被证明可有效消除气泡，突显了真空过程的作用¹¹

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
三轴加工中心	Tormach PCNC 1100		用于切割材料的数控铣床
自动针头注射装置	自主开发		机械测量软件
蒸馏水	Cole-Parmer WS-200 系列 Stuart 水蒸馏器
Fusion 360 软件（教育版）	Autodesk, USA	设计软件 (https://www.autodesk.com/asean/products/fusion-360/overview?term=1-YEAR&tab=subscription)
ImageJ 软件	美国国立卫生研究院（National Institutes of Health, USA）		图像分析
聚二甲基硅氧烷	SYLGARD 184 硅橡胶弹性体试剂盒	1330-20-7	用于制作负模
聚甲基丙烯酸甲酯			用于制作母模
聚乙烯醇	Sigma Aldrich, USA	9003-39-8	微针材料
聚乙烯吡咯烷酮	Sigma Aldrich, USA	9002-89-5	微针材料
罗丹明 B	Sigma Aldrich, USA	83689-1G	模型药物
水溶性壳聚糖			微针材料