הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

עיצוב והדפסה תלת-ממדית של מיקרו-תבניות מותאמות אישית לייצור מחטים פולימריות

133 צפיות

⸱

DOI:

10.3791/70538

⸱

22 ביוני 2026

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

במאמר זה

סיכום

פרוטוקול זה מפרט עיצוב CAD, ייצור מאסטר מודפס בתלת-ממד, הכנת תבנית אלסטומרית הפוכה ויציקה במילוי יחיד ליצירת טלאי מיקרו-מחט פולימריים להשגת ייצור שכפול של מערכים מותאמים אישית.

תקציר

פרוטוקול זה מציג תהליך עבודה כללי, בלתי תלוי ביישום לייצור טלאי מיקרו-מחט פולימרי (MN) באמצעות עיצוב בעזרת מחשב (CAD), ייצור מאסטר של פוטופולימריזציה (למשל, סטריאוליתוגרפיה או עיבוד אור דיגיטלי, SLA/DLP), יציקה הפוכה באלסטומר, ויציקה במילוי יחיד. השיטה מתחילה ב-CAD פרמטרי של גיאומטריית MN ופריסת המערך, כולל בסיס פאצ'ה דק ומאגר משולב כדי להקל על חדירת חלל אחידה ולהגביל את היווצרות שפה עבה בהיקף הפאץ'. פרמטרי הדפסת תלת-ממד נבחרים לשמירה על שלמות המיקרו-תכונה, ולאחר מכן מתבצעת שטיפת ממס קצרה ותהליך ייבוש מבוקר לאחר הייצור להסרת שאריות ולייצוב התכונות. המאסטר המודפס בתלת-ממד משוכפל באלסטומר ליצירת תבנית הפוכה גמישה המתאימה למחזורי יציקה חוזרים. היציקה משתמשת בתמיסות פולימריות המוחדרות לתבנית באמצעות צנטריפוגציה או ואקום, ומאפשרות מילוי חללים עקבי במגוון גיאומטריות. הערכות איכות מייצגות כוללות בדיקת תבנית ראשית מודפסת ותבנית הפוכה לאיתור שלמות חלל וליקויים, יחד עם בדיקות מימדיות של גובה המחט, רוחב הבסיס ואיכות הקצה במיקומי מערך שונים. זרימת העבודה מתאימה למספר עיצובים של מערך MN ומותאמת בקלות לנוסחאות פולימריות חלופיות על ידי התאמת מוצקי תמיסה, צמיגות ותנאי ייבוש, ומאפשרת ייצור מהיר, זול וניתן לשחזור של טלאי MN פולימריים המתאימים למחקר ופרוטוטייפ.

מבוא

מחטים מיקרו (MNs) מספקות אמצעי מעשי לגישה לרקמות העור, העין או הדגם עם אי נוחות מינימלית, תוך מתן שליטה מדויקת על הגיאומטריה ופריסת המערך 1,2,3,4. בייצור מעבדתי, השכפול ממאסטר באיכות גבוהה הוא יעיל: ברגע שיש מאסטר מתאים, ניתן לייצר עותקים רכים ליתוגרפיים שוב ושוב כדי לסנן חומרים, מידות ותצורות מערך באיכות עקבית 5,6. שיטות ייצור מיקרו-מחטים מסורתיות, כגון מיקרו-מכונה בסיליקון, אבלציה בלייזר והזרקה, יכולות להגיע לדיוק גבוה אך לעיתים דורשות מתקנים מיוחדים, כלים מורכבים או עלויות התחלתיות גבוהות, מה שמגביל את הגמישות שלהן לאיטרציה מהירה של עיצוב בסביבות מחקר7.

מדפסות תלת-ממד עם פוטופולימריזציה שולחנית, כולל סטריאוליתוגרפיה (SLA) ועיבוד אור דיגיטלי (DLP), מתאימות היטב ליצירת מאסטרים של תבנית בזכות מחזורי עיצוב קצרים לחלק ושליטה בתכונות בקנה מידה מיקרומטר בעלות יחסית נמוכה8. במערכות אלו, שרף פוטופולימר נוזלי מוחזק במיכל ומיוצר סלקטיבית שכבה אחר שכבה באמצעות קרן לייזר סריקה (SLA) או דפוס אור מוקרן (DLP), מה שמאפשר שליטה עדינה על גאומטריית מיקרו-תכונות 8,9. MNs פולימריים אטרקטיביים במיוחד כי ניתן לנסח אותם כדי להמיס או להתנפח כהידרוגלים; מטריצות הממוססות נפוצות כוללות פוליוויניל אלכוהול (PVA), פוליוינילפירולידון (PVP), חומצה היאלורונית (HA) ותאית נתרן קרבוקסימתיל (NaCMC), בעוד דוגמאות ליצירת הידרוג'ל כוללות PVA משולב בקשר, פוליאק (אתילן גליקול), דיאקרילט (PEGDA), ופוליא(מתיל ויניל את'ר-קו-מאליק אנהידריד); PMVE/MA)10,11.

השגת מיקרו-תכונות מדויקות בגובהי מחטים תת-מילימטריים דורשת תשומת לב לפרמטרי הדפסה ולעיבוד לאחר מכן. בהשוואה לשיטות אקסטרוזיה של פילמנט, פוטופולימריזציה של מיכלים מנצלת פוטופולימריזציה הנשלטת לפי גודל נקודות הלייזר, צורת ווקסלים, עובי השכבה וזמן החשיפה; בחירות מעשיות, כולל הטיית חלקים מתונה ומיקום תמיכה על הפנים הלא פונקציונליות, יכולות לשפר את הרזולוציה האפקטיבית במדפסות ברזולוציהמוגבלת 5,12. לאחר ייצור מאסטר, ניתן להשתמש בתבנית הפוכה גמישה, לדוגמה, אלסטומר סיליקון פולידימתילסילוקסן (PDMS), ליציקה במילוי יחיד, שבה תמיסות פולימרי מימיות מונעות לחללים באמצעות צנטריפוגציה (באמצעות נושאים מתאימים לרוטורי דלי מתנדנד) או באמצעות ואקום 5,6,12.

צינור התכנון לייצור הזה יכול להאיץ את הייצור וההתאמה האישית. CAD פרמטרי מאפשר עריכות מהירות למספר הגובה, הבסיס, הגובה והמערך ללא שינוי; ניתן להדפיס מאסטרים במהירות על מערכת על שולחן; ומאסטר יחיד תומך בהרבה עותקים, מה שמקצר את זמן השינוי 5,13,14. המעבר בין עיצובים הופך לעניין של עדכון פרמטרים והדפסה מחודשת של המאסטר, בעוד שאותם זרימת עבודה ותנאי יציקה נשמרים. כתוצאה מכך, מעבדות יכולות לשפר עיצובים, להשוות וריאנטים ולהגדיל אצולות מהר יותר עם זמן השבתה מינימלי, מה שמאפשר מניפולציה מהירה של הגיאומטריה לצרכים ספציפיים למחקר 5,14,15.

פרמטרי הגיאומטריה והפריסה, כולל גובה המחט, רוחב הבסיס, זווית ומספר המערך, משפיעים ישירות על אמינות ההכנסה, נוחות המטופל ושימוש בחומרים. בחירת גבהים, בסיסים ומרווחים מתאימים מקדמת ביצועים וייצור עקביים 3,5,16,17. כדי להפוך את הפשרות הללו למפורשות וניתנות לשחזור, פרוטוקול זה משתמש במודל MN קוני כמקרה המחשה, תוך שמירה על התאמה מלאה לצורות חלופיות (למשל, פירמידליות או היברידיות), גדלים, צלילים וספירת מחטים. התוצאה היא תהליך ייצור כללי הכולל CAD, הדפסת תלת-ממד של המאסטר באמצעות פוטופולימריזציה שולחנית, יציקה הפוכה, ויציקה במילוי יחיד, שהמעבדות יכולות להתאים לייצור מהיר ועקבי של טלאי MN פולימריים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

הערה: סקירה של כל תהליך העבודה בין CAD לייצור מוצגת באיור 1.

1. עיצוב CAD

  1. השתמש בתוכנת CAD כדי לעצב את המאסטר של מינסוטה. הגדר את תא היחידה MN (למשל, קוני או פירמידלי) וקבע ממדים לעמוד ביעדים מוגדרים (למשל, גובה 1,000 מיקרון; בסיס 500 מיקרון).
  2. צור דפוס למערך (למשל, 6 על 6). בחר את הגובה כדי להשיג את המרווח הרצוי בין המחטים (למשל, זווית של 1.1–1.2 מ"מ כדי לשמור על ≥0.5 מ"מ בין המחטים).
  3. צור בסיס פאץ' פרמטרי (למשל, 10 x 10 מ"מ) וקבע את עובי הבסיס (למשל, 0.25 מ"מ).
  4. הוסיפו מאגר עגול או אליפטי מתחת לבסיס (~3 מ"מ) כדי להחזיק את התמיסה העודפת ולקדם מילוי חד-יציקתי אחיד.
  5. הוסיפו פילטים בקצה (למשל, 1.0-1.5 מ"מ) להיקף המאגר כדי לשפר את הזרימה במהלך היציקה (איור 2).
  6. ייצוא עיצוב כ-. STL.
    הערה: ודא שהגיאומטריה הראשית תואמת לגאומטריית העדכון הסופי המיועדת.

2. חיתוך והדפסה

  1. ייבא את ה. STL לתוכנת הסלייסר. הגדר את עובי השכבה ל(למשל, 25-50 מיקרון), כיוון ותומכים על הפנים הלא-פונקציונליות/האחוריות.
  2. בדוק את השכבות החתוכות כדי לוודא קירות רציפים, אין בליטות לא נתמכות על חזית מינסוטה, ותמיכה מספקת.
  3. שלח למדפסת התלת-ממד, טען שרף, והדפס. השתמש בעובי השכבה הקטן והאמין ביותר; שכבות דקות משפרות את הפרטים אך מגדילות את זמן ההדפסה.
    הערה: השתמשו בעובי השכבה הקטן והאמין ביותר הנתמך על ידי מערכת המדפסת והשרף כדי למזער את אפקט המדרגות.

3. שטיפה ועיבוד לאחר

  1. שטוף את ההדפסה בממס שטיפה מתאים (למשל, אלכוהול איזופרופיל) עם ערבוב עדין; אפשר לנקז ולהתייבש באוויר. השתמש במברשת רכה קטנה כדי לנקות שרף שנותר מרווחים בין המחטים.
  2. קרינת UV לאחר התייבשות במכשיר ייבוש לפי הנחיות יצרן השרף; הימנעו מהתחממות יתר או ייבוש יתר.
  3. לבדוק תחת מיקרוסקופ אור (למשל, 4x); המשך רק אם התכונות שלמות ונקיות בכל המערך.

4. תבנית הפוכה

  1. מערבבים את בסיס ה-PDMS ואת חומר הקיבוש לפי הוראות היצרן.
  2. הנח את המודפס התלת-ממדי MN בצד כלפי מעלה בקערת יציקה (אבטח את הבסיס עם מעט דבק או סרט דו-צדדי); שפוך אלסטומר לכיסוי ב-≥3–5 מ"מ.
  3. דגות אם צריך; התייבש בטמפרטורת החדר למשך 24 שעות או בחום מתון כפי שמוגדר עד לאלסטומרי.
  4. קילף בעדינות את התבנית האלסטומרית מהמאסטר; קצוות גימור; אחסן ללא אבק.
    הערה: חלק מהשרפים הפוטופולימריזביים מעכבים את תהליך התייבשות סיליקון עם זרז פלטינה. שפר את התהליך על ידי החזקת העץ המאסטר לאחר התייבשות במלואו בטמפרטורה ~40-50°C למשך הלילה (ללא אבק) לפני ששופכים את האלסטומר. ודא שהמשטח נקי, יבש וללא שרף לא מעובד.

5. הכנת תמיסה פולימרית

  1. שקלו את הפולימר לריכוז הרצוי (למשל, 5%). מוסיפים ממס (למשל, מים דה-יוניים) עם ערבוב; חממו במידת הצורך עד שהמסה מלאה.
  2. קר לטמפרטורת החדר; דה-גז (ואקום או מנוחה) להסרת אוויר דחוס.
    הערה: ניתן להשתמש במערכות פולימר נוספות (כגון PVA, PVP, HA); התאימו את המוצקים, הצמיגות ותנאי הייבוש בהתאם.

6. מילוי התבנית

  1. פזר תמיסה פולימרית לכיסוי המערך והמאגר. בחר אחד מהבאים כדי להכניס את התמיסה לחללים.
  2. דרך ואקום: שים את התבנית במייבש או בתנור ואקום (ללא חום). הפעילו ואקום למשך 2–5 דקות. אוורור לאט כדי למשוך את התמיסה לחללים. חזור על זה אם צריך.
  3. מסלול צנטריפוגה: מניחים את התבנית בדלי מתנדנד (אופקי או 90°). צנטריפוגה בעוצמה של 1,500–3,000 x g למשך 5–10 דקות לקידום מילוי מלא של החללים. אם נצפית מילוי לא מלא, יש לכוון את הזמן או כוח ה-g בטווח זה.
    הערה: עבור טלאים קטנים, תכננו את התבנית כך שתתאים לצינורות קוניים בקוטר 50 מ"ל (יושבים על תומך סיליקון קל משקל עם ייבוש) או השתמשו בנושא בסגנון פלטה כך שהתבנית תישאר ישרה ולא תוכל לזוז בזמן האצה.

7. ייבוש, שחרור ובקרת איכות בסיסית

  1. ייבשו את התבנית הממולאת בתנאים סביבתיים (או RH/טמפרטורה מבוקרת) עד שהתמיסה הפולימרית מתקשה לחלוטין.
  2. התחילו שחרור על ידי כיפוף עדין של התבנית האלסטומרית, ואז קילפו את הטלאי של MN החוצה. גזום כדי להסיר פולימר עודף בקצוות.
  3. בדוק תחת מיקרוסקופ דיגיטלי את תפוקת המחט (אחוז שלם). מדוד גובה ובסיס במיקומים שונים במערך ודווח ממוצע ± SD (ואחוז סטייה מ-CAD, אם רלוונטי).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

תהליך העבודה מניב עיצוב CAD פרמטרי למערך MN, מאסטר מודפס תלת-ממדי שמוכפל ב-PDMS ליצירת תבנית הפוכה גמישה, ותיקי MN פולימריים מפורקים שנוצרו על ידי מילוי יחיד (איור 1). מכיוון שכל המשתנים הגאומטריים מוגדרים פרמטרית, ניתן להתאים את אותו פרוטוקול באופן גמיש לשינוי ממדי MN (גובה, בסיס), צורת המחט (למשל, פירמידלי, חרוטית, היברידית), גובה הצליל, ומספר המחטים הכולל למערך מבלי לשנות את השלבים במורד הזרם.

CAD וחיתוך

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

פרוטוקול זה יוצר תהליך עבודה מ-CAD-to-Vat-photopolymerization-to-PDMS לייצור טלאי MN פולימריים כפלטפורמה כללית שאינה קשורה לתרופה או למודל רקמה מסוים. בתוך זרימת עבודה זו, מספר שלבי תהליך ממלאים תפקיד לא פרופורציונלי בקביעת דיוק הממד, איכות התבנית ושלמות התיקון הסופי. השלבים הקריטיים ביותר הם יצירת מאסטר מודפס תלת-ממדי אמין מבחינה מימדית, יצירת תבנית הפוכה גמישה ומייבשת לחלוטין, והבטחת חדירה מלאה במילוי יחיד לפני הייבוש.

עבור מאסטר מודפס בתלת-ממד, הבקרות המעשי...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

המחברים רוצים להודות לתוכנית מימון המחקר המתמשכת (ORF-2026-1435), אוניברסיטת המלך סעוד, ריאד, ערב הסעודית.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
Analytical balance (±0.1 mg)Mettler Toledoלשקילה מדויקת של פולימרים.
Clear photopolymer resin Formlabsשרף פוטופולימרי ברור; בחר את השרף בפועל שהשתמשת בו.
Desktop stereolithography (SLA) 3D printer Form 4Formlabsהדפסת המאסטר של המחטים המיקרו; ציין את הדגם המדויק שבו השתמשת.
Isopropyl alcohol (IPA), ≥99%Merck Sigma Aldrichלשטיפת הדפסות SLA. דליק; יש להשתמש בתא מאוורר.
Magnetic stirrer / hot plateIKA להכנת תמיסות פולימר.
Microscopy/image analysis softwareImageJ למדידת גובה המחט, רוחב הבסיס והתשואה ממיקרוגרפים.
Optical microscope or stereomicroscopeLeicaלבדיקת גובה המחט, רוחב הבסיס ואיכות הקצה.
Parametric CAD softwareAutodesk Fusion 360לעיצוב המאסטר של המחטים המיקרו ולפריסת המערך הפרמטרי.
PDMS elastomer kit (base + curing agent), Sylgard 184Dowלהכנת התבנית הגמישה ההפוכה.
Polyvinyl alcohol (PVA)Merck Sigma Aldrichפולימר לדוגמה להמסת טלאים MN (10% w/v בפרוטוקול).
SLA slicer software PreFormFormlabsלהטיה, תמיכה וחיתוך קבצי STL להדפסה.
Sodium carboxymethyl cellulose (NaCMC), pharmaceutical/analytic gradeMerck Sigma Aldrichפולימר לדוגמה להמסת טלאים MN (10% w/v בפרוטוקול).
UV curing chamber for SLA prints Form Cure Formlabs להקשה לאחר ההדפסה של המאסטר לפי הוראות השרף.
Vacuum ovenHanyangלמילוי עם עזרת ואקום.
Wash station or wash container for SLA partscustom containerלשימוש עם IPA להסרת שרף לא מיובש מהמאסטר.

מקורות

  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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

DLPCAD
הסרטון יגיע בקרוב
צור קשר
המלצה לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

2026 © זכויות יוצרים MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.