Article de méthode

Fabrication de micro-aiguilles polymères ultra-tranchantes par micro-usinage et micromoulage à commande numérique par ordinateur (CNC)

DOI :

10.3791/68660

⸱

8 juillet 2025

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1School of Biomedical Engineering, International University, Ho Chi Minh City, Vietnam, 2Vietnam National University, Ho Chi Minh City, Vietnam

Dans cet article

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Cet article présente un protocole de fabrication simple, direct et innovant pour produire des micro-aiguilles polymères avec des pointes exceptionnellement tranchantes par micromoulage à partir de moules maîtres créés via le fraisage à commande numérique par ordinateur (CNC). Le système développé est rentable, facile à construire et capable de produire des micro-aiguilles avec une netteté exceptionnelle pour une pénétration accrue, améliorant ainsi les performances de livraison.

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Les micro-aiguilles ont récemment été reconnues comme une méthode prometteuse dans l’administration transdermique de médicaments en raison de leur nature peu invasive et indolore, et elles peuvent être modifiées de manière flexible par des modifications géométriques pour répondre à des exigences thérapeutiques spécifiques. Par conséquent, cette étude vise à développer des moules maîtres à micro-aiguilles en utilisant la technologie de broyage à commande numérique par ordinateur (CNC) pour créer des micro-aiguilles polymères avec divers degrés de netteté afin d’améliorer l’efficacité thérapeutique. Auparavant, notre équipe a réussi à optimiser deux paramètres d’usinage critiques, la vitesse d’avance et l’angle de rampe, tout en analysant leur influence sur les aiguilles obtenues. Par conséquent, cet article présente un ensemble complet de protocoles expérimentaux pour la fabrication et l’évaluation des performances des aiguilles modèles à base de polymères. De plus, ce travail fournit également des résultats représentatifs pour démontrer la reproductibilité et l’efficacité thérapeutique des aiguilles d’échantillon. Notre équipe de recherche prévoit que ce protocole simple permettra aux chercheurs de créer des micro-aiguilles rentables et de haute précision, faisant ainsi progresser la technologie des micro-aiguilles pour d’autres applications biomédicales, en particulier pendant la pandémie.

Introduction

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Ces dernières années, les micro-aiguilles sont apparues comme un candidat prometteur pour l’administration de médicaments en raison de leur nature indolore et auto-administrable tout en contournant le métabolisme hépatique de premier passage1. Les micro-aiguilles ont attiré beaucoup d’attention dans de nombreuses applications biomédicales (par exemple, la vaccination, le traitement du cancer, les diagnostics, les cosmétiques), qui nécessitent une administration précise et peu invasive d’agents thérapeutiques ou d’autres substances dans la peau ou les tissus sous-jacents, améliorant l’efficacité du traitement avec des effets indésirables limités2.

Selon les applications prévues, les micro-aiguilles peuvent être fabriquées sous de nombreuses formes (c’est-à-dire solides, enduites, creuses, poreuses, gonflées et solubles), potentiellement pour des applications diagnostiques et d’administration transdermique de médicaments en pénétrant la couchecornée 3. Du point de vue de l’ingénierie, de nombreuses techniques de fabrication sont disponibles pour la production de micro-aiguilles. Parmi celles-ci, le micro-usinage CNC est une méthode précise et polyvalente, largement utilisée pour créer des structures tridimensionnelles complexes avec une précision et une adaptabilité élevées, ce qui la rend particulièrement bien adaptée à la fabrication de moules maîtres à micro-aiguilles4. En réponse, notre équipe de recherche a déjà proposé une approche optimisée, peu coûteuse, simple et innovante pour produire des moules maîtres à micro-aiguilles avec des pointes ultra-tranchantes en utilisant la technique de micro-usinage CNC5. De plus, les micro-aiguilles peuvent également être fabriquées à partir d’un large éventail de matériaux (par exemple, métaux, céramiques, polymères). Parmi celles-ci, les micro-aiguilles polymères sont apparues comme prometteuses en raison de leur biocompatibilité, de leur biodégradabilité et de leur non-toxicité, ce qui les rend potentiellement utiles pour des applications biomédicales6.

Cette étude présente un protocole optimisé pour fabriquer des moules maîtres à micro-aiguilles, qui sont conçus pour produire des aiguilles à haute netteté par micro-usinage et micromoulage CNC. Cette approche a été inspirée par nos recherches précédentes, qui ont exploré la fabrication de moules maîtres via le fraisage CNC. Pour consulter les données et les chiffres à l’appui liés à l’optimisation des paramètres de fabrication (p. ex., vitesse d’avance, angle de rampe), les lecteurs sont invités à se référer à la publication précédente5. De plus, ce travail évalue également l’efficacité de ce protocole proposé en démontrant la fabrication d’un modèle de micro-aiguille à base de polymère nouvellement développé. Pour maximiser les avantages de ce protocole, les lecteurs sont encouragés à tenir compte de leurs spécifications techniques. Par exemple, les considérations critiques impliquent la sélection des matériaux appropriés, des outils de fraisage et des paramètres optimisés (par exemple, la vitesse d’avance, la vitesse de la broche)7. Compte tenu de la haute précision et de l’exactitude requises dans la fabrication de micro-aiguilles, le processus de fraisage CNC doit être capable de produire des structures qui répondent à des critères de conception spécifiques, tels que le diamètre de la pointe et diverses géométries, tout en offrant une plus grande flexibilité par rapport aux techniques de photolithographie8. De plus, la réplique du moule négatif PDMS dans cette méthode a démontré un haut niveau de reproductibilité, qui peut résister à plusieurs cycles de coulée sans dégradation, ce qui en fait un candidat potentiel pour une fabrication simple et rentable de micro-aiguilles avec différents degrés de netteté9.

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Protocole

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Les réactifs, l’équipement et les logiciels utilisés pour cette étude sont répertoriés dans la table des matériaux.

1. Fabrication de moules maîtres à micro-aiguilles à base de polyméthacrylate de méthyle (PMMA)

  1. Conception de moule maître à micro-aiguilles
    REMARQUE : la conception du moule maître à micro-aiguilles a été réalisée à l’aide de Fusion 360 (Autodesk, États-Unis, licence éducation) (voir le tableau des matériaux).
    1. Ouvrez le logiciel dans l’environnement de conception et créez une nouvelle esquisse.
    2. Dessinez une boîte à l’aide de la fonction Extruder .
    3. Générez des cavités étagées à l’aide de l’outil Extruder Cut .
    4. Créez un seul corps de micro-aiguille sous forme de cylindre.
    5. Utilisez le chanfrein pour fraiser le cylindre afin de former une micro-aiguille de forme conique.
    6. Générez un moule maître de micro-aiguilles 10 x 10 à l’aide de la commande Array .
      REMARQUE : Selon les applications prévues, les dimensions des micro-aiguilles peuvent varier. Dans ce protocole, les aiguilles démontrées sont formées avec les dimensions suivantes : forme conique, hauteur de l’aiguille : 600 μm, diamètre de la base : 400 μm et distance entre les aiguilles : 1400 μm.
    7. Examinez et finalisez la conception pour en assurer l’exactitude et la cohérence.
    8. Enregistrez les conceptions finales dans un format compatible (par exemple, .f3d) pour un traitement ultérieur.
  2. Configuration de la fabrication assistée par ordinateur (FAO)
    1. Ouvrez la conception du moule dans l’environnement FAO.
    2. Placez une pièce en PMMA avec du stock sur le dessus du moule.
    3. Effectuez un surfaçage pour enlever la surface supérieure à l’aide d’une fraise à extrémité plate10.
      REMARQUE : Réglez les paramètres de la fraise à bout plat, y compris le diamètre de l’outil (3 mm), la vitesse d’avance (300 mm/min), la vitesse de la broche (3000 tr/min), la profondeur de coupe (1 mm) et le pas (1 mm).
    4. Utilisez le fraisage de poche pour usiner les cavités étagées à l’aide d’une fraise à bout plat5.
      REMARQUE : Réglez les paramètres de la fraise à bout plat, y compris le diamètre de l’outil (1 mm), la vitesse d’avance (300 mm/min), la vitesse de la broche (4000 tr/min), la profondeur de coupe (0,5 mm) et le pas (0,3 mm).
    5. Appliquez à nouveau le fraisage de poche pour former des structures cylindriques.
      REMARQUE : Configurez les paramètres de la fraise à bout plat, y compris le diamètre de l’outil (0,8 mm), la vitesse d’avance (200 mm/min), la vitesse de la broche (4000 tr/min), la profondeur de coupe (0,2 mm) et le pas (0,2 mm).
    6. Créez une structure de micro-aiguille de forme conique en PMMA à l’aide du fraisage Bore5.
      REMARQUE : Configurez les paramètres pour le fraisage de l’alésage, y compris le diamètre de l’outil (0,4 mm), la vitesse d’avance (100 mm/min), la vitesse de la broche (4500 tr/min) et l’angle de rampe (1,5°).
    7. Pour générer le code G en vue d’un traitement ultérieur, cliquez avec le bouton droit de la souris sur le programme Configuration > Créer CN. Dans l’onglet Machine et post-traitement , sélectionnez Tormach PathPilot comme post-processeur souhaité. Enfin, cliquez sur le bouton Publier dans la boîte de dialogue pour générer du G-code.
  3. Configuration de micro-usinage à commande numérique par ordinateur (CNC)
    1. Préparation des pièces en polyméthacrylate de méthyle (PMMA)
      1. Obtenez un bloc de pièce en PMMA avec les dimensions suivantes : largeur : 30 mm, longueur : 30 mm et hauteur : 5 mm.
      2. Fixez le bloc PMMA sur la table d’usinage à l’aide de pinces pour éviter tout mouvement pendant le fraisage.
    2. Configuration de l’usinage CNC
      1. Utilisez un centre d’usinage 3 axes avec une vitesse de broche maximale de 5140 tr/min.
      2. Sélectionnez un outil de fraisage approprié et insérez-le dans une pince ER20, en vous assurant qu’il est correctement fixé à la broche.
    3. Processus de découpe
      1. Fixez la pièce en PMMA sur l’étau de la machine CNC.
      2. Configurez le point zéro pour un positionnement précis entre la fraise et la pièce à travers les axes x, y et z.
      3. Commencez l’usinage avec la trajectoire d’outil définie à l’aide d’un programme G-code et de paramètres de coupe.
      4. Démarrez la découpe automatisée pour fabriquer le moule maître en PMMA.
        REMARQUE : Il est recommandé d’appliquer en continu un lubrifiant à l’huile sur la pièce tout au long du processus de coupe. Réinitialisez le point zéro (axe z) après avoir changé l’outil de fraisage.
      5. Surveillez régulièrement la précision et la stabilité de l’outil dans le processus.
        REMARQUE : Une fois le fraisage terminé, retirez soigneusement le moule maître à micro-aiguilles obtenu de la machine CNC.
      6. Nettoyez la surface usinée à l’aide d’ultrasons pour éliminer l’excès de lubrifiant et les débris.
  4. Réplique de moule négatif
    1. Préparation de la solution de coulée de polydiméthylsiloxane (PDMS)
      1. Mélanger la base en élastomère et l’agent de durcissement dans un rapport de 10:1 (p/p).
      2. Aspirez le mélange pendant 5 min pour éliminer les bulles d’air.
    2. Procédé de fabrication de moules négatifs basé sur le PDMS
      1. Versez le mélange PDMS dégazé sur le moule maître en PMMA d’une épaisseur d’environ 1 mm.
      2. Aspirez le moule contenant le mélange pendant 5 minutes supplémentaires pour éliminer les bulles d’air.
    3. Durcissement
      1. Faites durcir le moule PDMS dans un four à 90 °C pendant 45 min pour solidifier la structure.
    4. Élimination et réplication de la moisissure
      1. Retirez avec précaution le moule durci au PDMS du moule maître en PMMA à l’aide d’une pince à épiler.
      2. Répétez le processus de réplication pour produire plusieurs moules négatifs PDMS à partir d’un seul moule maître en PMMA.
        REMARQUE : Les moules négatifs PDMS peuvent être réutilisés pour la fabrication de patchs à micro-aiguilles, démontrant un débit élevé et une approche de fabrication efficace.

2. Fabrication de patchs de micro-aiguilles polymères

REMARQUE : Pour évaluer l’efficacité du système proposé, nous avons fait la démonstration d’un procédé de fabrication d’échantillons pour produire des micro-aiguilles modèles à base de polymères composées d’alcool polyvinylique (PVA), de polyvinylpyrrolidone (PVP) et de chitosane soluble dans l’eau (WCS), qui a été précédemment développé dans notre laboratoire.

  1. Préparation de solution polymère
    1. Préparation de la solution WCS
      1. Préparez une solution de WCS à 3 % (p/v) en dissolvant directement la poudre de WCS dans de l’eau distillée.
        REMARQUE : Utilisez un agitateur magnétique pour accélérer la vitesse de dissolution.
    2. Préparation de la solution PVA/PVP
      REMARQUE : La solution PVA/PVP améliore l’intégrité structurelle du patch à micro-aiguilles en servant de matériau de base de support.
      1. Préparez une solution de PVA/PVP à une concentration de 7,5 % (p/v) pour chaque substance.
      2. Ajoutez la quantité calculée d’eau distillée au mélange de poudre.
      3. Mélanger la solution en continu à l’aide d’un agitateur magnétique tout en chauffant à 70 °C pendant 4 h jusqu’à ce qu’elle soit homogène.
      4. Couvrez le bécher contenant la solution avec un film pour éviter l’évaporation.
  2. Fabrication de patchs à micro-aiguilles
    REMARQUE : La fabrication de patchs de micro-aiguilles PVA/PVP/WCS à partir du moule PDMS obtenu en utilisant la technique de coulée de solvant.
    1. Distribuer 400 μL de la solution WCS obtenue dans le moule négatif PDMS à l’aide d’une micropipette.
    2. Placez le moule dans une chambre à vide et passez l’aspirateur pendant 15 minutes pour éliminer les bulles d’air et vous assurer que la solution remplit correctement les cavités du moule.
    3. Appliquez une autre couche de solution PVA/PVP comme matériau de base sur la surface du moule.
    4. Transférez le moule dans un four et séchez-le à 65 °C pendant 4 h pour une solidification complète du patch à micro-aiguilles.
    5. Une fois séché, séparez soigneusement le patch obtenu du PDMS à l’aide d’une pince à épiler.

3. Évaluation des patchs de micro-aiguilles

  1. Évaluation de la résistance mécanique
    1. Dispositif expérimental pour la mesure de l’intégrité structurelle à l’aide d’une micro-aiguille
      REMARQUE : Cette expérience a été menée à l’aide d’un système développé par nos soins. En bref, l’appareil comprend (1) une station d’essai de force, (2) une interface logicielle, (3) un microscope USB et (4) une cellule de charge 10 N.
    2. Installation du logiciel de mesure
      1. Téléchargez trois fichiers d’opération du progiciel « Configuration automatique de l’injection d’aiguille » disponibles en différents types <.exe>, , , dans le fichier supplémentaire 1, le fichier supplémentaire 2 et le fichier supplémentaire 3. Ces fichiers correspondent à l’installation de ce logiciel de mesure mécanique.
        REMARQUE : Pour faire fonctionner le système, les utilisateurs n’ouvrent que le fichier <.exe>, tandis que les autres fichiers sont des fichiers de configuration et ne nécessitent pas d’interaction directe.
    3. Procédure de mesure
      1. Placez une seule micro-aiguille sur la surface de la micro-étape, qui est fixée par du ruban adhésif double face.
      2. Réglez la vitesse de déplacement à 40 mm/h.
      3. Ajustez la distance entre le capteur et la pointe de la micro-aiguille jusqu’à ce que le capteur entre directement en contact avec la pointe de l’aiguille.
      4. Enregistrez le graphique force-déplacement obtenu généré par le logiciel de mesure.
      5. Répétez l’expérience trois fois pour chaque échantillon.
  2. Évaluation de la pénétration
    1. Dispositif expérimental pour la mesure de la pénétration des micro-aiguilles
      1. Préparez une pile de huit couches de feuilles de film de paraffine (PF) d’une épaisseur de 125 μm chacune.
      2. Placez et fixez l’empilement de PF sur la surface de la micro-platine pour plus de stabilité pendant l’expérience.
    2. Fixation de micro-aiguille
      1. Fixez une seule micro-aiguille à une cellule de charge mécanique pour une insertion verticale correcte.
    3. Procédure d’insertion
      1. Réglez le capteur de charge fixé à l’aide d’une micro-aiguille pour qu’il se déplace vers le bas à une vitesse constante de 40 mm/h dans la pile PF.
    4. Recueil et analyse des données
      1. Retirez la micro-aiguille de la pile PF.
      2. Dépliez soigneusement les couches PF pour exposer chaque feuille.
      3. Observez l’empilement de PF déplié au microscope pour compter le nombre de trous de pénétration dans chaque couche.
      4. Répétez l’expérience trois fois pour chaque échantillon.

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Résultats

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Cette étude présente un protocole de fabrication de moules maîtres à micro-aiguilles, qui sont conçus pour obtenir des micro-aiguilles exceptionnellement tranchantes à l’aide du micro-fraisage CNC. Pour examiner les données sur la netteté de la pointe, les lecteurs sont encouragés à se référer à la publication précédente5. La figure 1 montre la vue schématique de la conception du moule maître à micro-aiguilles avec ses dimensions. La figure 2

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Discussion

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Cette étude a développé un protocole expérimental unique pour fabriquer des moules maîtres afin de produire des micro-aiguilles polymères avec une excellente netteté par micro-usinage CNC et micromoulage. Principalement, cette approche comprend l’intégration d’une conception schématique avec la fabrication d’un moule maître par fraisage CNC, suivie d’une série de processus de micromoulage pour créer des patchs de micro-aiguilles. Pendant longtemps, le micromoulage a été largemen...

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Déclarations de divulgation

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Les auteurs n’ont rien à déclarer.

Remerciements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Cette recherche est financée par l’Université nationale du Vietnam à Ho Chi Minh-Ville (VNU-HCM) sous le numéro de subvention DN2023-28-01.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Centre d’usinage 3 axesTormach PCNC 1100Fraiseuse CNC pour la coupe de matériaux
Configuration automatique d’injection d’aiguilleAuto-développéLogiciel de mesure mécanique
Eau distilléeCole-Parmer WS-200 Series Stuart Water Stills
Logiciel Fusion 360, version éducativeAutodesk, États-UnisLogiciel de conception (https://www.autodesk.com/asean/products/fusion-360/overview?term=1-YEAR&tab=subscription)
Logiciel ImageJNational Institutes of Health, USAAnalyse d’images
PolydiméthylsiloxaneSYLGARD 184 Kit d’élastomère de silicone1330-20-7Utilisé pour les moules négatifs
PolyméthacrylateUtilisé pour les moules maîtres
Alcool polyvinylique  ;Sigma Aldrich, États-Unis9003-39-8  ;Matériau des micro-aiguilles
Polyvinyle pyrrolidoneSigma Aldrich, USA9002-89-5Matériau des micro-aiguilles
Rhodamine BSigma Aldrich, USA83689-1GMédicament modèle
Chitosane soluble dans l’eau  ;Matériau des micro-aiguilles
de méthyle

Références

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