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方法文章

用于聚合物微针制备的定制微模具的设计与 vat 光聚合 3D 打印

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DOI：

10.3791/70538

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2026年6月22日

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

本文内容

摘要

本方案详细介绍了计算机辅助设计、3D打印母模制备、弹性体反向模具制备以及单次填充浇铸，以制备聚合物微针贴片，实现可重复制造的定制化阵列。

摘要

本方案介绍了一种通用且与具体应用无关的聚合物微针（MN）贴片制备流程，该流程结合了计算机辅助设计（CAD）、光固化罐聚合母模制造（例如立体光刻或数字光处理，SLA/DLP）、弹性体反向模塑以及单次填充浇铸技术。该方法首先通过参数化CAD设计微针的几何结构和阵列布局，包括一个薄型贴片基底和一个集成储液腔，以促进微腔的均匀填充，并限制贴片边缘处厚边的形成。选择适当的3D打印参数以保持微结构的完整性，随后进行短暂的溶剂清洗和受控的后固化处理，以去除残留物并稳定结构特征。将3D打印的母模复制到弹性体中，制成适用于多次浇铸循环的柔性反向模具。浇铸过程采用聚合物溶液，并通过离心或真空方式将其注入模具，从而实现多种几何结构下微腔的一致性填充。典型质量评估包括检查打印母模和反向模具的腔体完整性和缺陷情况，以及在阵列多个位置对针体高度、基底宽度和针尖质量进行尺寸检测。该工作流程可兼容多种微针阵列模型设计，并可通过调节溶液固含量、黏度和干燥条件，轻松适配不同的聚合物配方，从而实现快速、低成本且可重复地制备适用于科研与原型开发的聚合物微针贴片。

引言

微针（Microneedles, MNs）提供了一种实用的方法，可用于以最小不适感穿透皮肤、眼睛或模型组织，同时实现对几何形状和阵列布局的精确控制1,2,3,4。在实验室制造中，通过高保真母模进行复制是一种高效的方法：一旦获得合适的母模，即可反复制备软光刻复制品，用于筛选材料、尺寸和阵列构型，且保持一致的质量5,6。传统的微针制备方法，如硅微加工、激光烧蚀和注塑成型，虽可实现高精度，但通常需要专用设备、复杂的工装或较高的初始成本，从而限制了其在科研环境中快速设计迭代的灵活性7。

桌面级槽式光聚合3D打印机，包括立体光刻（SLA）和数字光处理（DLP），因其设计到成品周期短、成本相对较低且可实现微米级特征控制，非常适合用于制造模具母模8。在这些系统中，液态光敏树脂被盛放在树脂槽内，通过扫描激光束（SLA）或投影光图案（DLP）逐层选择性固化，从而实现对微结构几何形状的精确控制8,9。聚合物微针尤其具有吸引力，因其可被设计为作为水凝胶溶解或溶胀；常见的可溶性基质包括聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、透明质酸（HA）和羧甲基纤维素钠（NaCMC），而可形成水凝胶的材料则包括交联PVA、二丙烯酸酯聚乙二醇（PEGDA）以及聚（甲基乙烯基醚-共-马来酸酐；PMVE/MA）10,11。

在亚毫米级针状高度上实现精确的微细结构，需要关注打印参数和后处理工艺。与丝材挤出方法相比，槽式光聚合利用由激光光斑尺寸、体素形状、层厚和曝光时间决定的光聚合过程；通过一些实用的选择，例如适度倾斜零件以及在非功能面放置支撑，可以在分辨率有限的打印机上提高有效分辨率5,12。在母模制备完成后，可使用柔性反向模具（例如硅基弹性体聚二甲基硅氧烷（PDMS））进行单次浇铸，通过离心（使用适用于摆桶转子的适配器）或真空将水性聚合物溶液驱动填充至模具型腔中5,6,12。

这种从设计到制造的流程可加速生产与定制化过程。参数化计算机辅助设计（CAD）无需重新加工即可快速修改高度、底座、螺距和阵列数量；母模可在台式系统上快速打印；单个母模可支持多次复制，从而减少更换时间5,13,14。在不同设计之间切换仅需更新参数并重新打印母模，同时保持相同的工作流程和浇铸条件不变。因此，实验室能够更快速地迭代设计、比较不同变体并扩大批次规模，停机时间最小化，从而可根据具体研究需求快速调整几何结构5,14,15。

针头高度、底边宽度、间距和阵列数量等几何与布局参数直接影响插入可靠性、患者舒适度以及材料使用。选择合适的高度、底边和间距可促进性能一致性及可制造性3,5,16,17。为了明确并可重复地权衡这些因素，本方案采用锥形微针模型作为示例，同时完全兼容其他形状（如金字塔形或混合形）、尺寸、间距和针数。最终形成一个通用的制造流程，涵盖计算机辅助设计（CAD）、桌面级光固化3D打印制备母模、反向复制模具以及单次填充浇铸，实验室可据此快速且一致地生产聚合物微针贴片。

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方案

 注意：完整的 CAD 到制造工作流程概述如图1所示。

1. 计算机辅助设计（CAD）

  1. 使用 CAD 软件设计微针（MN）母版。定义微针的单元结构（例如圆锥形或金字塔形），并设置尺寸以满足预定目标（例如高度 1,000 µm；底边 500 µm）。
  2. 设计阵列排布（例如 6 × 6）。选择合适的间距以实现所需的针间距离（例如 1.1–1.2 mm 间距，确保针间距离 ≥0.5 mm）。
  3. 创建参数化的贴片基底（例如 10 × 10 mm），并设定基底厚度（例如 0.25 mm）。
  4. 在基底下方添加一个圆形或椭圆形储液腔（深度约 3 mm），用于容纳过量溶液，促进单次浇铸时均匀填充。
  5. 在储液腔边缘添加圆角（例如 1.0–1.5 mm），以改善浇铸过程中的材料流动（图 2）。
  6. 将设计导出为 STL 格式。
    注意：确保母版几何结构与预期的最终贴片几何结构一致。

2. 切片与打印

  1. 将.STL文件导入切片软件中。设置层厚（例如，25–50 µm）、打印方向，并在非功能面/背面添加支撑结构。
  2. 检查切片后的图层，确认微针面无悬空区域、侧壁连续完整，且支撑结构充分。
  3. 发送至3D打印机，装载树脂并开始打印。使用打印机可稳定实现的最小层厚；更薄的层可提高细节精度，但会增加打印时间。
    注意：为尽量减少阶梯效应，应使用打印机和树脂系统可稳定支持的最小层厚。

3. 清洗与后固化

  1. 用适当的清洗溶剂（如异丙醇）轻轻振荡冲洗打印件；沥干后自然风干。使用小型软毛刷清除针间残留的树脂。
  2. 根据树脂制造商的建议，在固化装置中进行紫外后固化处理；避免过热或过度固化。
  3. 在光学显微镜下检查（如4倍物镜）；仅当阵列各部位结构完整且清洁时，方可继续后续操作。

4. 反向模具

  1. 根据制造商的说明混合PDMS基础剂与固化剂。
  2. 将3D打印的微针母模微针面朝上放置于浇铸皿中（可用少量胶水或双面胶固定基底）；倒入弹性体材料，覆盖厚度至少为3–5 mm。
  3. 如需要可进行脱气处理；在室温下固化24小时，或按说明采用温和加热，直至形成弹性体。
  4. 小心地将弹性体模具从母模上剥离；修整边缘；在无尘环境中保存。
    注意：某些光聚合树脂会抑制铂催化硅胶的固化。建议将完全后固化的母模在约40–50 °C条件下放置过夜（保持无尘），以改善固化效果。确保表面清洁、干燥且无未固化树脂残留。

5. 聚合物溶液的制备

  1. 称取聚合物至所需浓度（例如，5%），在搅拌下加入溶剂（例如，去离子水）；如需要，加热至完全溶解。
  2. 冷却至室温，脱气（抽真空或静置）以去除夹带的空气。
    注意：可使用其他聚合物体系（例如，PVA、PVP、HA）；相应调整固含量、黏度和干燥条件。

6. 填充模具

  1. 加入聚合物溶液以覆盖阵列和储液区。选择以下方法之一将溶液驱动进入腔体。
  2. 真空法：将模具置于干燥器或真空烘箱中（不加热）。抽真空 2–5 分钟，然后缓慢释放真空，使溶液进入腔体。如有需要，可重复此步骤。
  3. 离心法：将模具放入摆桶式（水平或 90°）转子中。在 1,500–3,000 x g 条件下离心 5–10 分钟，以促进腔体完全填充。若观察到填充不完全，可在该范围内调整时间或离心力。
    注意：对于小型贴片，可设计模具以适配 50 mL 圆锥管（放置在轻质固化硅胶支撑物上），或使用板式载体，确保模具在加速过程中保持水平且不会移动。

7. 干燥、释放与基本质量控制

  1. 将填充好的模具在常温条件（或受控的相对湿度/温度）下干燥，直至聚合物溶液完全固化。
  2. 通过轻轻弯曲弹性模具启动释放，然后将微针贴片剥离。修剪边缘多余的聚合物。
  3. 在数字显微镜下检查微针产率（完整微针百分比）。在阵列的不同位置测量微针高度和基底宽度，并报告平均值 ± 标准差（如适用，同时报告与CAD设计的偏差百分比）。

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结果

该工作流程可生成微针阵列的参数化CAD设计，通过3D打印制备主模具，再用PDMS复制形成柔性的反向模具，最后通过一次填充即可脱模制备出聚合物微针贴片（图1）。由于所有几何参数均以参数化方式定义，因此可在不改变后续步骤的情况下灵活调整同一方案中的微针尺寸（高度、基底）、针形（如锥形、圆锥形、混合形）、间距以及每个阵列的总针数。

CAD 与切片
图 2 展示了用于验证阵列布局、基底厚度、边缘圆角以及贴片基底下方储液区的 CAD 模型和切片软件预览。这些视图在制造前定义了目标尺寸，并可快速重新参数化，以生成新的形状、尺寸和阵列数量，同时保持相同的后续成型与浇铸条件。

反向模具
图3 展示了从3D打印母模上固化并剥离后的典型聚二甲基硅氧烷（PDMS）反向模具。该模具可在整个阵...

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讨论

本方案建立了一种从计算机辅助设计（CAD）到光固化树脂打印（vat photopolymerization）再到聚二甲基硅氧烷（PDMS）复制的工艺流程，用于制备聚合物微针（MN）贴片，作为一种通用平台，不局限于特定药物或组织模型。在此工作流程中，若干工艺步骤对尺寸保真度、模具质量及最终贴片完整性具有决定性影响。其中最关键的步骤包括：制备尺寸精确可靠的3D打印母模、制备完全固化且柔韧的反向模具，以及在干燥前确保单次填充完全渗透。

对于3D打印母模，实际操作中的控制要点包括适度倾斜部件、在非功能面添加支撑、使用清洁溶剂进行短暂的异丙醇（IPA）清洗，以及进行受控的紫外光后固化处理。层厚应根据打印机和树脂能够可靠支持目标特征尺寸的前提下尽可能选择较小值；较薄的层厚可提高垂直分辨率和尖端轮廓清晰度，但会增加打印时间。立体光刻（SLA）和数字光处理（DLP）的特征尺寸限制由光学系统或体素尺寸、层高以及曝光参数决定。极小的结构特征、较深或间距紧密的空腔以及极高的长宽比结构可能出现一定的变异，这些变异会传递至弹性体模具中。调整打印方向可提高有效分辨率和微细结构的保真度。将模型适度倾斜（约20°...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者感谢沙特阿拉伯利雅得国王大学持续研究资助计划（ORF-2026-1435）的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
分析天平（±0.1 mg）Mettler Toledo用于精确称量聚合物。
透明光敏树脂 Formlabs用于打印微针母模；请选择实际使用的树脂。
桌面式立体光刻（SLA）3D 打印机 Form 4Formlabs用于打印微针母模；请注明所使用的具体型号。
异丙醇（IPA），≥99%Merck Sigma Aldrich用于清洗 SLA 打印件。易燃；应在通风橱中使用。
磁力搅拌器/加热板IKA 用于配制聚合物溶液。
显微图像分析软件ImageJ 用于测量显微图像中的针体高度、基底宽度及产率。
光学显微镜或体视显微镜Leica用于检查针体高度、基底宽度及针尖质量。
参数化 CAD 软件Autodesk Fusion 360用于微针母模设计及参数化阵列布局。
PDMS 弹性体套件（基础剂 + 固化剂），Sylgard 184Dow用于制备柔性反向模具。
聚乙烯醇（PVA）Merck Sigma Aldrich用于溶解型微针贴片的示例聚合物（本方案中为 10% w/v）。
SLA 切片软件 PreFormFormlabs用于对 STL 文件进行定向、支撑和切片以进行打印。
羧甲基纤维素钠（NaCMC），药用/分析级Merck Sigma Aldrich用于溶解型微针贴片的示例聚合物（本方案中为 10% w/v）。
SLA 打印件紫外固化箱 Form Cure Formlabs 根据树脂说明书对打印的母模进行后固化处理。
真空烘箱Hanyang用于真空辅助填充。
SLA 部件清洗站或清洗容器定制容器与异丙醇配合使用，以去除母模上的未固化树脂。

参考文献

  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).

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