Este protocolo detalla el diseño CAD, la fabricación maestra impresa en 3D, la preparación del molde inverso de elastómero y la fundición con un solo relleno para crear parches de microaguja polimérica que permitan la fabricación reproducible de matrices personalizables.
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Artículo de método
Diseño e impresión 3D por fotopolimerización en cuba de micromoldes personalizados para la fabricación de microagujas poliméricas
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Resumen
Resumen
Este protocolo presenta un flujo de trabajo generalizado y independiente de la aplicación para la fabricación de parches de microaguja polimérica (MN) utilizando diseño asistido por ordenador (CAD), fabricación de maestros de fotopolimerización en cuba (por ejemplo, estereolitografía o procesamiento digital de luz, SLA/DLP), moldeo inverso de elastómeros y fundición de relleno único. El método comienza con CAD paramétrico de la geometría MN y la disposición de la matriz, incluyendo una base fina de parche y un depósito integrado para facilitar una infiltración uniforme en cavidades y limitar la formación de bordes gruesos en el perímetro del parche. Se seleccionan los parámetros de impresión 3D para preservar la integridad de las microcaracterísticas, seguidos de un breve lavado con disolvente y un post-curado controlado para eliminar residuos y estabilizar las características. El maestro impreso en 3D se replica entonces en un elastómero para obtener un molde inverso flexible adecuado para ciclos de fundición repetidos. La colada emplea soluciones poliméricas que se infiltran en el molde mediante centrifugación o vacío, permitiendo un relleno constante de cavidades a lo largo de una variedad de geometrías. Las evaluaciones de calidad representativas incluyen la inspección del molde maestro y inverso impreso para verificar la completitud y los defectos de la cavidad, junto con comprobaciones dimensionales de la altura de la aguja, ancho de base y calidad de la punta en múltiples posiciones de la matriz. El flujo de trabajo permite múltiples diseños de modelos de matriz MN y se adapta fácilmente a formulaciones poliméricas alternativas ajustando sólidos en solución, viscosidad y condiciones de secado, permitiendo una fabricación rápida, de bajo coste y reproducible de parches de MN poliméricos adecuados para investigación y prototipado.
Introducción
Las microagujas (MN) proporcionan un medio práctico para acceder a la piel, el ojo o los tejidos modelo con molestias mínimas, permitiendo un control preciso sobre la geometría y la disposición de la matriz 1,2,3,4. Para la fabricación en laboratorio, la replicación desde un maestro de alta fidelidad es eficiente: una vez disponible un maestro adecuado, se pueden producir copias litografías blandas repetidamente para filtrar materiales, dimensiones y configuraciones de matriz con calidadconsistente 5,6. Los métodos tradicionales de fabricación con microaguja, como el micromecanizado de silicio, la ablación láser y el moldeo por inyección, pueden alcanzar alta precisión pero a menudo requieren instalaciones especializadas, herramientas complejas o altos costes iniciales, lo que limita su flexibilidad para iteraciones rápidas de diseño en entornosde investigación 7.
Las impresoras 3D de fotopolimerización en cuba de sobremesa, incluyendo estereolitografía (SLA) y procesamiento digital de luz (DLP), son muy adecuadas para generar maestros de molde debido a ciclos cortos de diseño a pieza y control de características a escala micrométrica a un costerelativamente bajo 8. En estos sistemas, una resina fotopolimérica líquida se contiene en una cubeta y se cura selectivamente capa por capa mediante un haz láser escaneado (SLA) o un patrón de luz proyectada (DLP), lo que permite un control fino sobre la geometría de microcaracterísticas 8,9. Los MNs poliméricos son especialmente atractivos porque pueden formularse para disolverse o hincharse como hidrogeles; las matrices disolventes comunes incluyen alcohol polivinílico (PVA), polivinipirrolidona (PVP), ácido hialurónico (HA) y carboximetil celulosa sódica (NaCMC), mientras que ejemplos formadores de hidrogel incluyen PVA reticulado, poli(etileno glicol) diacrilato (PEGDA) y poli(metilvinilo éter-co-maleico anhídrido); PMVE/MA)10,11.
Lograr microcaracterísticas precisas a alturas de aguja submilimétricas requiere prestar atención a los parámetros de impresión y al postprocesado. En comparación con los enfoques de extrusión de filamento, la fotopolimerización en cuba aprovecha la fotopolimerización gobernada por el tamaño de la mancha láser, la forma del vóxel, el grosor de la capa y el tiempo de exposición; Elecciones prácticas, incluyendo una inclinación modesta de las piezas y la colocación de soporte en la cara no funcional, pueden mejorar la resolución efectiva en impresoras de resoluciónlimitada 5,12. Tras la fabricación maestra, se puede usar un molde inverso flexible, por ejemplo, el elastómero de silicona polidimetilsiloxano (PDMS), para la fundición de relleno único, donde las soluciones poliméricas acuosas se introducen en las cavidades mediante centrifugación (utilizando portadores apropiados para rotores oscilantes de cubos) o por vacío 5,6,12.
Esta cadena de producción a fabricación puede acelerar la producción y la personalización. El CAD paramétrico permite editar rápidamente altura, base, pitch y número de arreglos sin necesidad de reajustar; Los másteres pueden imprimirse rápidamente en un sistema de bancada; y un solo maestro soporta muchas réplicas, reduciendo el tiempo de cambio 5,13,14. Cambiar entre diseños se convierte en una cuestión de actualizar parámetros y reimprimir el maestro, mientras se mantienen el mismo flujo de trabajo y condiciones de fundición. Como resultado, los laboratorios pueden iterar diseños, comparar variantes y escalar lotes más rápido con un tiempo de inactividad mínimo, lo que permite una manipulación rápida de la geometría para necesidades específicas deestudio 5,14,15.
La geometría y los parámetros de disposición, incluyendo la altura de la aguja, el ancho de la base, el paso y el número de arreglos, influyen directamente en la fiabilidad de la inserción, la comodidad del paciente y el uso del material. Elegir alturas, bases y espacios apropiados fomenta un rendimiento y manufacturabilidadconsistentes 3,5,16,17. Para hacer explícitos y reproducibles, este protocolo utiliza un modelo MN cónico como caso ilustrativo, manteniéndose totalmente compatible con formas alternativas (por ejemplo, piramidales o híbridas), tamaños, alturas y conteos de agujas. El resultado es un flujo de trabajo de fabricación general que abarca CAD, la impresión 3D de fotopolimerización en cuba de escritorio del maestro, el moldeo inverso y la fundición con un solo relleno, que los laboratorios pueden adaptar para producir rápida y consistentemente parches de MN polimérico.
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Protocolo
NOTA: En la Figura 1 se muestra una visión general del flujo de trabajo completo de CAD a fabricación.
1. Diseño CAD
- Utiliza software CAD para diseñar el máster de MN. Definir la celda unitaria MN (por ejemplo, cónica o piramidal) y establecer dimensiones para cumplir objetivos definidos (por ejemplo, altura 1.000 μm; base 500 μm).
- Patrona el array (por ejemplo, 6 x 6). Elige el paso para lograr el espaciado entre agujas deseado (por ejemplo, paso de 1,1–1,2 mm para mantener ≥0,5 mm entre agujas).
- Crea una base paramétrica para parche (por ejemplo, 10 x 10 mm) y ajusta el grosor de la base (por ejemplo, 0,25 mm).
- Añade un depósito redondo u ovalado bajo la base (~3 mm de profundidad) para retener el exceso de solución y favorecer un relleno uniforme de fundición única.
- Añadir filetes de borde (por ejemplo, 1,0-1,5 mm) al perímetro del depósito para mejorar el flujo durante la fundición (Figura 2).
- Exportar diseño como. STL.
NOTA: Asegúrese de que la geometría maestra coincida con la geometría final del parche prevista.
2. Cortar e imprimir
- Importa. Stal al software slicer. Ajusta el grosor de la capa a (por ejemplo, 25-50 μm), orientación y soportes en la cara no funcional/trasera.
- Revisa las capas recortadas para confirmar paredes continuas, sin voladizos sin soporte en la cara MN y soporte adecuado.
- Envía a la impresora 3D, carga la resina e imprime. Utiliza el grosor de capa más pequeño y fiable; Las capas más finas mejoran el detalle pero aumentan el tiempo de impresión.
NOTA: Utiliza el grosor de capa más pequeño y fiable soportado por la impresora y el sistema de resina para minimizar el efecto escalonado.
3. Lavado y post-curado
- Enjuagar la impresión con un disolvente de lavado adecuado (por ejemplo, alcohol isopropílico) con una agitación suave; Deja escurrir y seca al aire. Utiliza un pequeño cepillo de cerdas blandas para eliminar la resina residual de los espacios entre agujas.
- Poscurado UV en un dispositivo de curado según las indicaciones del fabricante de resina; Evita sobrecalentar o curar en exceso.
- Inspeccionar bajo un microscopio óptico (por ejemplo, 4x); Procede solo si las características están completas y limpias en toda la matriz.
4. Molde inverso
- Mezcla la base PDMS y el agente de curado según las instrucciones del fabricante.
- Coloca el maestro impreso en 3D con el lado MN hacia arriba en un plato de fundición (asegura la base con un poco de pegamento o cinta de doble cara); Vierte elastómero hasta cubrir ≥3–5 mm.
- Degas si es necesario; Curar a temperatura ambiente durante 24 horas o con calor suave según especifique hasta que sea elastomérico.
- Pelar suavemente el molde elastomérico del maestro; recortar los bordes; Guarda libre de polvo.
NOTA: Algunas resinas fotopolimerizables inhiben el curado de silicona catalizada por platino. Mejora el curado manteniendo el master completamente post-curado a ~40-50 °C durante la noche (sin polvo) antes de verter el elastómero. Asegúrate de que la superficie esté limpia, seca y libre de resina sin curar.
5. Preparación de solución polimérica
- Pesa el polímero hasta la concentración deseada (por ejemplo, 5%). Añadir disolvente (por ejemplo, agua desionizada) con revolver; Calienta si es necesario hasta que se disuelva completamente.
- De temperatura ambiente fría; Degas (vacío o reposo) para eliminar el aire retenido.
NOTA: Se pueden usar otros sistemas poliméricos (por ejemplo, PVA, PVP, HA); Ajusta los sólidos, la viscosidad y las condiciones de secado en consecuencia.
6. Rellenar el molde
- Dispensa la solución polimérica para cubrir el conjunto y el depósito. Elige una de las siguientes opciones para introducir la solución en las caries.
- Vía al vacío: Coloca el molde en un desecador o horno al vacío (sin calefacción). Aplica el vacío durante 2–5 minutos. Ventila lentamente para aspirar la solución hacia las cavidades. Repite si es necesario.
- Ruta de centrifugadora: Coloque el molde en un rotor oscilante (horizontal o de 90°). Centrifugar a 1.500–3.000 x g durante 5–10 minutos para favorecer el relleno completo de las cavidades. Si se observa un llenado incompleto, ajusta el tiempo o la fuerza g dentro de este rango.
NOTA: Para parches pequeños, diseña el molde para que se adapte a tubos cónicos de 50 mL (colocados sobre un soporte ligero de silicona curada) o utiliza un soporte tipo placa para que el molde permanezca nivelado y no pueda desplazarse durante la aceleración.
7. Secado, liberación y control de calidad básico
- Seca el molde lleno en condiciones ambientales (o humedad/humedad relativa controlada) hasta que la solución polimérica se solidifique completamente.
- Inicia la liberación flexionando suavemente el molde elastomérico, luego despega el parche MN. Recorta para eliminar el exceso de polímero en los bordes.
- Inspecciona con un microscopio digital el rendimiento de la aguja (% intacto). Mide la altura y la base en múltiples posiciones del array e informa de la media ± SD (y % de desviación respecto al CAD, si procede).
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Resultados
El flujo de trabajo produce un diseño CAD paramétrico para un array MN, un master impreso en 3D que se replica en PDMS para formar un molde inverso flexible, y parches de MN poliméricos desmoldeados producidos por un solo relleno (Figura 1). Como todas las variables geométricas están definidas paramétricamente, el mismo protocolo puede ajustarse de forma flexible para cambiar las dimensiones MN (altura, base), la forma de la aguja (por ejemplo, piramidal, có...
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Discusión
Este protocolo establece un flujo de trabajo de CAD a fotopolimerización en cuba a PDMS para fabricar parches de MN poliméricos como una plataforma general que no está vinculada a un medicamento o modelo de tejido específico. Dentro de este flujo de trabajo, varios pasos del proceso juegan un papel desproporcionado en la determinación de la fidelidad dimensional, la calidad del molde y la integridad del parche final. Los pasos más críticos son producir un maestro impreso en 3D dimensiona...
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Divulgaciones
Los autores no tienen nada que revelar.
Agradecimientos
Los autores desean agradecer al Programa de Financiación de Investigación Continua (ORF-2026-1435), Universidad King Saud, Riad, Arabia Saudí.
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Analytical balance (±0.1 mg) | Mettler Toledo | Para pesar con precisión polímeros. | |
| Resina de fotopolímero transparente | Formlabs | Resina utilizada para imprimir el master de microagujas; elija la resina real que utilizó. | |
| Impresora 3D de estereolitografía (SLA) de escritorio Form 4 | Formlabs | Utilizada para imprimir el master de microagujas; especifique el modelo exacto que utilizó. | |
| Alcohol isopropílico (IPA), ≥99% | Merck Sigma Aldrich | Utilizado para lavar impresiones de SLA. Inflamable; usar en campana de aire. | |
| Agitador magnético / placa caliente | IKA | Para preparar soluciones de polímeros. | |
| Software de microscopía/análisis de imágenes | ImageJ | Utilizado para medir la altura de las agujas, el ancho de la base y el rendimiento a partir de micrografías. | |
| Microscopio óptico o estereomicroscopio | Leica | Para inspeccionar la altura de las agujas, el ancho de la base y la calidad de la punta. | |
| Software de CAD paramétrico | Autodesk Fusion 360 | Utilizado para el diseño del master de microagujas y el diseño de la disposición paramétrica. | |
| Kit de elastómero PDMS (base + agente de curado), Sylgard 184 | Dow | Utilizado para fabricar el molde inverso flexible. | |
| Polivinil alcohol (PVA) | Merck Sigma Aldrich | Polímero de ejemplo para disolver parches de MN (10% p/v en el protocolo). | |
| Software de corte SLA PreForm | Formlabs | Utilizado para orientar, soportar y cortar los archivos STL para imprimir. | |
| Carboximetilcelulosa de sodio (NaCMC), grado farmacéutico/analítico | Merck Sigma Aldrich | Polímero de ejemplo para disolver parches de MN (10% p/v en el protocolo). | |
| Cámara de curado UV para impresiones de SLA Form Cure | Formlabs | Para el post-curado del master impreso de acuerdo con las instrucciones de la resina. | |
| Horno de vacío | Hanyang | Utilizado para el llenado asistido por vacío. | |
| Estación de lavado o contenedor de lavado para piezas de SLA | contenedor personalizado | Utilizado con IPA para eliminar la resina no curada del master. |
Referencias
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