Conception et impression 3D par photopolymérisation en cuve de micromoules personnalisés pour la fabrication de microaiguilles polymériques

Résumé

Ce protocole détaille la conception CAO, la fabrication maîtresse imprimée en 3D, la préparation inverse du moule en élastomère et la moulée à remplissage unique pour créer des patchs polymériques à microaiguilles afin d’assurer la fabrication reproductible de réseaux personnalisables.

Résumé

Ce protocole présente un flux de travail généralisé et indépendant de l’application pour la fabrication de patchs à microaiguilles polymériques (MN) utilisant la conception assistée par ordinateur (CAO), la fabrication de maîtres par photopolymérisation en cuve (par exemple, stéréolithographie ou traitement numérique de la lumière, SLA/DLP), le moulage inversé d’élastomères et la coulée à remplissage unique. La méthode commence par une CAO paramétrique de la géométrie MN et de la disposition du réseau, incluant une base fine en patch et un réservoir intégré pour faciliter une infiltration uniforme dans la cavité et limiter la formation d’épais bords au périmètre du patch. Les paramètres d’impression 3D sont sélectionnés pour préserver l’intégrité des micro-caractéristiques, suivis d’un bref lavage au solvant et d’un post-durcissement contrôlé pour éliminer les résidus et stabiliser les caractéristiques. Le maître imprimé en 3D est ensuite répliqué dans un élastomère pour obtenir un moule inversé flexible adapté aux cycles de coulée répétés. La coulée utilise des solutions polymères qui sont infiltrées dans le moule par centrifugation ou vide, permettant un remplissage constant des cavités à travers une gamme de géométries. Les évaluations de qualité représentatives incluent l’inspection du maître imprimé et du moule inversé pour vérifier la complétude et les défauts de la cavité, ainsi que des contrôles dimensionnels de la hauteur de l’aiguille, de la largeur de la base et de la qualité de la pointe à plusieurs positions de la matrice. Le flux de travail permet de multiples modèles de réseaux MN et s’adapte facilement à des formulations polymères alternatives en ajustant les solides en solution, la viscosité et les conditions de séchage, permettant une fabrication rapide, peu coûteuse et reproductible de patchs MN polymériques adaptés à la recherche et au prototypage.

Introduction

Les microaiguilles (MN) offrent un moyen pratique d’accéder à la peau, à l’œil ou aux tissus modèles avec un inconfort minimal tout en permettant un contrôle précis de la géométrie et de la disposition^{des réseaux} 1,2,3,4. Pour la fabrication en laboratoire, la réplication à partir d’un maître haute fidélité est efficace : une fois qu’un maître adapté est disponible, des copies lithographiques souples peuvent être produites à plusieurs reprises pour tamiser les matériaux, dimensions et configurations de matrices avec une qualité^{constante 5,6}. Les méthodes traditionnelles de fabrication par microaiguilles, telles que le microusinage au silicium, l’ablation laser et le moulage par injection, peuvent atteindre une grande précision mais nécessitent souvent des installations spécialisées, des outils complexes ou des coûts initiaux élevés, limitant leur flexibilité pour une itération rapide de conception dans des environnements^{de recherche 7}.

Les imprimantes 3D à photopolymérisation en cuve de bureau, incluant la stéréolithographie (SLA) et le traitement numérique de la lumière (DLP), sont bien adaptées à la génération de maîtres de moule grâce à des cycles de conception à pièces courts et à un contrôle des fonctionnalités à l’échelle micrométrique à un coût relativement^{bas 8}. Dans ces systèmes, une résine photopolymère liquide est contenue dans une cuve et durcie sélectivement couche par couche par un faisceau laser balayé (SLA) ou un motif lumineux projeté (DLP), permettant un contrôle fin de la géométrie des^{micro-caractéristiques 8,9}. Les MN polymériques sont particulièrement attrayantes car elles peuvent être formulées pour dissoudre ou gonfler sous forme d’hydrogels ; Les matrices de dissolution courantes incluent l’alcool polyvinylique (PVA), le polyvinylpyrrolidone (PVP), l’acide hyaluronique (HA) et la carboxyméthylcellulose de sodium (NaCMC), tandis que les exemples formant l’hydrogel incluent le PVA réticulé, le poly(éthylène glycol) diacrylate (PEGDA) et l’anhydride poly(méthyl vinyl éther-co-maléique ; PMVE/MA)^10,11.

Obtenir des micro-caractéristiques précises à des hauteurs d’aiguille submillimétriques nécessite une attention particulière aux paramètres d’impression et au post-traitement. Comparée aux approches d’extrusion de filament, la photopolymérisation en vasque exploite la photopolymérisation régie par la taille du point laser, la forme des voxels, l’épaisseur de la couche et le temps d’exposition ; Des choix pratiques, notamment une inclinaison modeste des pièces et un placement du support sur la face non fonctionnelle, peuvent améliorer la résolution effective sur les imprimantes à résolution^{limitée 5,12}. Après fabrication principale, un moule inversé flexible, par exemple le polydiméthylsiloxane élastomère de silicone (PDMS), peut être utilisé pour la coulée à remplissage unique, où des solutions polymères aqueuses sont introduites dans les cavités par centrifugation (utilisant des supports appropriés pour les rotors de godets pivotants) ou par vide ^5,6,12.

Cette chaîne de conception à fabrication peut accélérer la production et la personnalisation. La CAO paramétrique permet des modifications rapides de la hauteur, de la base, de la hauteur et du nombre de tableaux sans réajustement ; Les masters peuvent être imprimés rapidement sur un système de laboratoire ; et un seul maître prend en compte de nombreuses répliques, réduisant^{ainsi le} temps de passage ^5,13,14. Le passage entre les designs consiste à mettre à jour les paramètres et à réimprimer le master, tout en conservant le même flux de travail et les mêmes conditions de moulage. Ainsi, les laboratoires peuvent itérer les conceptions, comparer les variantes et écheller, plus rapidement avec un temps d’arrêt minimal, permettant une manipulation rapide de la géométrie pour les besoins spécifiques à^{l’étude 5, 14, 15}.

La géométrie et les paramètres de disposition, notamment la hauteur de l’aiguille, la largeur de base, le pas et le nombre de tableaux, influencent directement la fiabilité de l’insertion, le confort du patient et l’utilisation des matériaux. Choisir des hauteurs, bases et espacements appropriés favorise une performance et une fabrication^cohérentes 3,5,16,17. Pour rendre ces compromis explicites et reproductibles, ce protocole utilise un modèle MN conique comme cas illustratif, tout en restant pleinement compatible avec les formes alternatives (par exemple, pyramidales ou hybrides), les tailles, les hauteurs et le nombre d’aiguilles. Le résultat est un flux de fabrication général qui couvrant la CAO, l’impression 3D par photopolymérisation en cuve de bureau du maître, le moulage inversé et la coulée à remplissage unique, que les laboratoires peuvent adapter rapidement et de manière constante pour produire des patchs polymériques MN.

Protocole

REMARQUE : Un aperçu complet du flux de travail de la CAO à la fabrication est présenté à la Figure 1.

1. Conception CAO

1. Utilisez un logiciel de CAO pour concevoir le master MN. Définir la cellule élémentaire MN (par exemple, conique ou pyramidale) et définir les dimensions pour atteindre des objectifs définis (par exemple, hauteur 1 000 μm ; base 500 μm).
2. Modelez le tableau (par exemple, 6 x 6). Choisissez le pas pour obtenir l’espacement entre les aiguilles souhaité (par exemple, un pas de 1,1 à 1,2 mm pour garder ≥0,5 mm entre les aiguilles).
3. Créez une base paramétrique (par exemple, 10 x 10 mm) et fixez l’épaisseur de la base (par exemple, 0,25 mm).
4. Ajoutez un réservoir rond ou ovale sous la base (~3 mm de profondeur) pour retenir l’excès de solution et favoriser un remplissage uniforme en une seule pièce.
5. Ajouter des filets de bord (par exemple, 1,0-1,5 mm) au périmètre du réservoir pour améliorer le débit lors de la coulée (Figure 2).
6. Export design comme. STL.
   REMARQUE : Assurez-vous que la géométrie maîtresse correspond à la géométrie finale du patch prévue.

2. Découpage et impression

1. Importez le. Faites du STL dans le logiciel de trancheur. Régler l’épaisseur de la couche à (par exemple, 25-50 μm), l’orientation et les supports sur la face non fonctionnelle/arrière.
2. Examinez les couches tranchées pour confirmer que les murs continus, qu’il n’y a pas de surplombs non soutenus sur la face MN, et un support adéquat.
3. Envoyez à l’imprimante 3D, chargez la résine et imprimez. Utilisez la plus petite épaisseur de couche fiable ; Des couches plus fines améliorent les détails mais augmentent le temps d’impression.
   REMARQUE : Utilisez la plus petite épaisseur de couche fiable supportée par l’imprimante et le système de résine pour minimiser l’effet de marche d’escalier.

3. Lavage et post-durcissement

1. Rincez l’impression dans un solvant adapté (par exemple, alcool isopropylique) avec une légère agitation ; Laissez égoutter et séchez à l’air. Utilisez une petite brosse à poils souples pour éliminer la résine résiduelle des espaces entre les aiguilles.
2. Après-durcissement UV dans un dispositif de durcissement selon les directives du fabricant de résine ; Évitez de surchauffer ou de durcir trop fort.
3. Inspecter au microscope optique (par exemple, 4x) ; Ne procédez que si les fonctionnalités sont complètes et propres sur tout le réseau.

4. Moule inversé

1. Mélangez la base PDMS et l’agent de durcissement selon les instructions du fabricant.
2. Placez le master imprimé en 3D côté MN vers le haut dans un bol de moulage (fixez la base avec une petite quantité de colle ou de ruban recto-verso) ; Verser l’élastomère jusqu’à couvrir de ≥3 à 5 mm.
3. Dégazer si nécessaire ; Séchage à température ambiante pendant 24 heures ou à une chaleur douce selon les spécifications, jusqu’à l’élastomérie.
4. Décollez doucement le moule élastomérique du maître ; les bords de taille ; Conserver sans poussière.
   REMARQUE : Certaines résines photopolymérisables inhibent le durcissement du silicone catalysé par le platine. Améliorez le durcissement en maintenant le master entièrement post-durcissement à ~40-50 °C toute la nuit (sans poussière) avant de verser l’élastomère. Assurez-vous que la surface soit propre, sèche et exempte de résine non durcie.

5. Préparation de la solution polymérique

1. Pesez le polymère à la concentration souhaitée (par exemple, 5 %). Ajouter le solvant (par exemple, eau déionisée) en remuant ; Chauffe si nécessaire jusqu’à ce que ce soit complètement dissous.
2. Froid à température ambiante ; dégazer (vide ou repos) pour éliminer l’air endormi.
   REMARQUE : D’autres systèmes polymères (par exemple, PVA, PVP, HA) peuvent être utilisés ; Ajustez les solides, la viscosité et les conditions de séchage en conséquence.

6. Remplir le moule

1. Dispensez la solution polymérique pour recouvrir le réseau et le réservoir. Choisissez l’un des éléments suivants pour introduire la solution dans les cavités.
2. Solution sous vide : Placez le moule dans un dessicateur ou un four sous vide (sans chauffage). Mettez le vide pendant 2 à 5 minutes. Ventilez lentement pour aspirer la solution dans les cavités. Répétez si besoin.
3. Itinéraire centrifuge : placez le moule dans un seau pivotant (horizontal ou à 90°). Centrifugez à 1 500–3 000 x g pendant 5 à 10 minutes pour favoriser un remplissage complet des cavités. Si un remplissage incomplet est observé, ajustez le temps ou la force g dans cette plage.
   REMARQUE : Pour les petites réparations, concevez le moule pour s’adapter à des tubes coniques de 50 mL (posés sur un support en silicone légèrement durci) ou utilisez un support de type plaque afin que le moule reste à niveau et ne puisse pas bouger lors de l’accélération.

7. Séchage, libération et contrôle qualité de base

1. Séchez le moule rempli dans des conditions ambiantes (ou humidité hydratémique/température contrôlée) jusqu’à ce que la solution polymérique se solidifie complètement.
2. Initiez la libération en fléchissant doucement le moule élastomérique, puis décollez la plaque MN. Coupez pour enlever l’excès de polymère sur les bords.
3. Inspectez au microscope numérique le rendement de l’aiguille ( % intact). Mesurez la hauteur et la base à plusieurs positions sur le tableau et rapportez la moyenne ± de la DS (et un pourcentage d’écart par rapport au CAD, si applicable).

Résultats

Le flux de travail permet de réaliser une conception CAO paramétrique pour un réseau MN, un maître imprimé en 3D répliqué dans PDMS pour former un moule inversé flexible, ainsi que des patchs polymériques MN démoulés produits par un seul remplissage (Figure 1). Comme toutes les variables géométriques sont définies de façon paramétrique, le même protocole peut être ajusté de manière flexible pour modifier les dimensions MN (hauteur, base), la forme de l’aigui...

Discussion

Ce protocole établit un flux de travail CAD-photopolymérisation-vaisseau puis PDMS pour fabriquer des patchs de MN polymérique comme plateforme générale qui n’est pas liée à un médicament ou un modèle tissulaire spécifique. Dans ce flux de travail, plusieurs étapes du processus jouent un rôle disproportionné dans la fidélité dimensionnelle, la qualité du moule et l’intégrité du patch final. Les étapes les plus cruciales sont la production d’un master imprimé en 3D dimensionnellement fiab...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Balance analytique (±0,1 mg)	Mettler Toledo		Pour peser avec précision les polymères.
Résine photopolymère transparente	Formlabs		Résine utilisée pour imprimer le maître des micro-aiguilles ; choisissez la résine réelle que vous avez utilisée.
Imprimante 3D stéréolithographique (SLA) de bureau Form 4	Formlabs		Utilisée pour imprimer le maître des micro-aiguilles ; spécifiez le modèle exact que vous avez utilisé.
Alcool isopropylique (IPA), ≥99%	Merck Sigma Aldrich		Utilisé pour laver les impressions SLA. Inflammable ; utiliser dans une hotte.
Agitateur magnétique / plaque chauffante	IKA		Pour préparer des solutions polymères.
Logiciel de microscopie/analyse d'images	ImageJ		Utilisé pour mesurer la hauteur des aiguilles, la largeur de base et le rendement à partir des micrographies.
Microscope optique ou stéréomicroscope	Leica		Pour inspecter la hauteur des aiguilles, la largeur de base et la qualité de la pointe.
Logiciel de CAO paramétrique	Autodesk Fusion 360		Utilisé pour la conception du maître des micro-aiguilles et la disposition de la disposition paramétrique.
Kit d'élastomère PDMS (base + agent de durcissement), Sylgard 184	Dow		Utilisé pour fabriquer le moule inverse flexible.
Polyvinyl alcool (PVA)	Merck Sigma Aldrich		Exemple de polymère pour dissoudre les patchs de MN (10% w/v dans le protocole).
Logiciel de découpe SLA PreForm	Formlabs		Utilisé pour orienter, supporter et découper les fichiers STL pour l'impression.
Sodium carboxyméthylcellulose (NaCMC), grade pharmaceutique/analytique	Merck Sigma Aldrich		Exemple de polymère pour dissoudre les patchs de MN (10% w/v dans le protocole).
Chambre de durcissement UV pour impressions SLA Form Cure	Formlabs		Pour le post-durcissement du maître imprimé selon les instructions de la résine.
Four à vide	Hanyang		Utilisé pour le remplissage assisté par vide.
Station de lavage ou récipient de lavage pour pièces SLA	récipient personnalisé		Utilisé avec de l'IPA pour éliminer la résine non durcie du maître.