Progettazione e stampa 3D con fotopolimerizzazione in vasca di microstampi personalizzati per la fabbricazione di microaghi polimerici

Sommario

Questo protocollo dettaglia la progettazione CAD, la fabbricazione master stampata in 3D, la preparazione dello stampo inverso in elastomero e la colata a riempimento singolo per creare patch polimeriche a microago e ottenere la produzione riproducibile di array personalizzabili.

Abstract

Questo protocollo presenta un flusso di lavoro generalizzato e indipendente dall'applicazione per la produzione di patch a microaghi polimerici (MN) utilizzando progettazione assistita da computer (CAD), la produzione master di fotopolimerizzazione in vasca (ad esempio, stereolitografia o trattamento digitale della luce, SLA/DLP), lo stampaggio inverso degli elastomeri e la fusione a riempimento singolo. Il metodo inizia con una CAD parametrica della geometria MN e della disposizione dell'array, includendo una base sottile a patch e un serbatoio integrato per facilitare un'infiltrazione uniforme delle cavità e limitare la formazione di bordo spesso al perimetro della patch. I parametri di stampa 3D vengono selezionati per preservare l'integrità delle micro-feature, seguiti da un breve lavaggio con solvente e un post-indurimento controllato per rimuovere residui e stabilizzare le caratteristiche. Il master stampato in 3D viene poi replicato in un elastomero per ottenere uno stampo inverso flessibile adatto a cicli di colata ripetuti. La colata impiega soluzioni polimeriche che vengono infiltrate nello stampo tramite centrifugazione o vuoto, consentendo un riempimento costante delle cavità su una gamma di geometrie. Le valutazioni rappresentative della qualità includono l'ispezione del master stampato e dello stampo inverso per completezza e difetti della cavità, insieme a controlli dimensionali dell'altezza dell'ago, della larghezza della base e della qualità della punta in più posizioni dell'array. Il flusso di lavoro consente più progetti di modelli MN array ed è facilmente adattato a formulazioni polimeriche alternative regolando solidi in soluzione, viscosità e condizioni di essiccazione, consentendo una rapida, economica e riproducibile fabbricazione di patch polimerici MN adatte alla ricerca e alla prototipazione.

Introduzione

I microaghi (MN) offrono un mezzo pratico per accedere alla pelle, agli occhi o ai tessuti del modello con un minimo fastidio, consentendo un controllo preciso sulla geometria e sulla disposizione degli^array 1,2,3,4. Per la produzione in laboratorio, la replica da un master ad alta fedeltà è efficiente: una volta disponibile un master adatto, le copie soft-litographic possono essere prodotte ripetutamente per selezionare materiali, dimensioni e configurazioni di array con qualità^{costante 5,6}. I metodi tradizionali di fabbricazione a microaghi, come la microlavorazione al silicio, l'ablazione laser e lo stampaggio a iniezione, possono raggiungere alta precisione ma spesso richiedono strutture specializzate, utensili complessi o costi iniziali elevati, limitandone la flessibilità per iterazioni progettuali rapide in contesti^{di ricerca 7}.

Le stampanti 3D da fotopolimerizzazione in vasca da scrivania, inclusi stereolitografia (SLA) e elaborazione digitale della luce (DLP), sono particolarmente adatte alla generazione di master di stampo grazie ai brevi cicli progettazione-componente e al controllo delle caratteristiche su scala micrometrica a costi^{relativamente bassi 8}. In questi sistemi, una resina fotopolimerica liquida è contenuta in una vasca e polimerizzata selettivamente strato per strato tramite un fascio laser scansionato (SLA) o un pattern di luce proiettato (DLP), consentendo un controllo fine sulla geometria delle micro-caratteristiche ^8,9. I MN polimerici sono particolarmente attraenti perché possono essere formulati per dissolversi o gonfiarsi come idrogel; le matrici di dissoluzione comuni includono alcol polivinilico (PVA), polivinipirolidone (PVP), acido ialuronico (HA) e carbossimetilcellulosa di sodio (NaCMC), mentre esempi idrogel-formanti includono PVA reticolato, poli(glicole) diacrilato (PEGDA) e poli(etil vinil-etere-anidride co-maleica); PMVE/MA)^10,11.

Ottenere micro-caratteristiche accurate ad altezze di ago sub-millimetrica richiede attenzione ai parametri di stampa e alla post-produzione. Rispetto agli approcci di estrusione filamentosa, la fotopolimerizzazione in vasca sfrutta la fotopolimerizzazione governata dalla dimensione del punto laser, dalla forma del voxel, dallo spessore dello strato e dal tempo di esposizione; Scelte pratiche, tra cui una modesta inclinazione dei pezzi e posizionamento del supporto sulla faccia non funzionante, possono migliorare la risoluzione efficace sulle stampanti a risoluzione^{limitata 5,12}. Dopo la produzione master, uno stampo inverso flessibile, ad esempio l'elastomero di silicone polidimetilsilossano (PDMS), può essere utilizzato per la colata a riempimento singolo, dove soluzioni acquose polimeriche vengono spinte nelle cavità tramite centrifugazione (usando supporti appropriati per rotori oscillanti dei secchi) o per^{vuoto 5,6,12}.

Questa pipeline dalla progettazione alla produzione può accelerare la produzione e la personalizzazione. Il CAD parametrico consente modifiche rapide su altezza, base, altezza e numero di array senza rielaborazione; I master possono essere stampati rapidamente su un sistema da banco; e un singolo master supporta molte repliche, riducendo i tempi di cambio ^5,13,14. Il passaggio tra i design diventa una questione di aggiornamento dei parametri e ristampa del master, mantenendo lo stesso flusso di lavoro e condizioni di fusione. Di conseguenza, i laboratori possono iterare i progetti, confrontare varianti e scalare i lotti più velocemente con tempi di inattività minimi, consentendo una manipolazione rapida della geometria per esigenze specifiche^{dello studio 5,14,15}.

Geometria e parametri di disizione, inclusi altezza dell'ago, larghezza della base, passo e numero di matrici, influenzano direttamente l'affidabilità dell'inserimento, il comfort del paziente e l'uso dei materiali. Scegliere altezze, basi e spaziatura adeguate favorisce prestazioni e manufacturabilità^costanti 3,5,16,17. Per rendere espliciti e riproducibili questi compromi, questo protocollo utilizza un modello conico MN come caso illustrativo, pur rimanendo pienamente compatibile con forme alternative (ad esempio, piramidali o ibride), dimensioni, altezze e conteggi di aghi. Il risultato è un flusso di lavoro di produzione generale che spazia dal CAD, dalla stampa 3D da fotopolimerizzazione in vasca desktop del master, allo stampaggio inverso e alla colata a riempimento singolo, a cui i laboratori possono adattarsi rapidamente e costantemente per produrre patch polimeriche MN.

Protocollo

NOTA: Una panoramica del flusso di lavoro completo dal CAD alla produzione è mostrata nella Figura 1.

1. Progettazione CAD

1. Usa software CAD per progettare il master MN. Definire la cella unitaria MN (ad esempio, conica o piramidale) e impostare le dimensioni per raggiungere obiettivi definiti (ad esempio, altezza 1.000 μm; base 500 μm).
2. Modella l'array (ad esempio, 6 x 6). Scegli l'intonazione per ottenere la distanza desiderata tra aghi (ad esempio, passo 1,1–1,2 mm per mantenere ≥0,5 mm tra gli aghi).
3. Crea una base parametrica (ad esempio, 10 x 10 mm) e imposta lo spessore della base (ad esempio, 0,25 mm).
4. Aggiungi un serbatoio rotondo o ovale sotto la base (~3 mm di profondità) per trattenere la soluzione in eccesso e favorire un riempimento uniforme a singolo colato.
5. Aggiungere filetti ai bordi (ad esempio, 1,0-1,5 mm) al perimetro del serbatoio per migliorare il flusso durante la colata (Figura 2).
6. Esporta design come. STL.
   NOTA: Assicurati che la geometria master corrisponda alla geometria finale della patch prevista.

2. Taglia e stampa

1. Importa. STL nel software slicer. Imposta lo spessore dello strato a (ad esempio, 25-50 μm), l'orientamento e i supporti sulla faccia non funzionale/posteriore.
2. Esamina gli strati tagliati per confermare pareti continue, nessuna sporgenze senza supporto sulla facciata del MN e un supporto adeguato.
3. Invia alla stampante 3D, carica la resina e stampa. Usa lo spessore di strato più piccolo e affidabile; Strati più sottili migliorano i dettagli ma aumentano il tempo di stampa.
   NOTA: Utilizzare lo spessore di strato più piccolo e affidabile supportato dalla stampante e dal sistema di resina per minimizzare l'effetto a gradini di scala.

3. Lavaggio e post-polimerizzazione

1. Risciacquare la stampa con un solvente adatto (ad esempio, alcol isopropilico) con una delicata agitazione; lascia scolare e asciuga all'aria. Usa un piccolo pennello a setole morbide per rimuovere la resina residua dagli spazi tra gli aghi.
2. Polimerizzazione UV post-polimerizzante in un dispositivo di polimerizzazione secondo le indicazioni del produttore della resina; Evita il surriscaldamento o il sovra-indurimento.
3. Ispezionare al microscopio lucinico (ad esempio, 4x); procedere solo se le funzionalità sono complete e pulite su tutta la matrice.

4. Stampo inverso

1. Mescola la base PDMS e l'agente polimerizzante secondo le istruzioni del produttore.
2. Metti il master stampato in 3D con il lato MN in un piatto per la fusione (fissa la base con una piccola quantità di colla o nastro a doppio verso); versare elastomero fino a coprire di ≥3–5 mm.
3. Degas se necessario; Indurire a temperatura ambiente per 24 ore o a temperatura moderata come specificato fino a quando non si elastomerica.
4. Rimuovere delicatamente lo stampo elastomerico dal padrone; sfilare i bordi; Conserva senza polvere.
   NOTA: Alcune resine fotopolimerizzabili inibisconono l'indurimento in silicone catalizzato dal platino. Migliora l'indurimento tenendo il master completamente post-polimerizzato a ~40-50 °C durante la notte (senza polvere) prima di versare l'elastomero. Assicurati che la superficie sia pulita, asciutta e priva di resina non polimerizzata.

5. Preparazione della soluzione polimerica

1. Pesa il polimero fino alla concentrazione desiderata (ad esempio, 5%). Aggiungere solvente (ad esempio, acqua deionizzata) con la mescolatura; Riscaldare se necessario fino a disciolto.
2. Da freddo a temperatura ambiente; degas (vuoto o riposo) per rimuovere l'aria intraprendita.
   NOTA: Possono essere utilizzati altri sistemi polimerici (ad esempio, PVA, PVP, HA); Regola di conseguenza solidi, viscosità e condizioni di asciugatura.

6. Riempimento dello stampo

1. Dispensa la soluzione polimerica per coprire l'array e il serbatoio. Scegli una delle seguenti opzioni per far entrare la soluzione nelle carie.
2. Via del vuoto: Metti lo stampo in un essiccatore o forno a vuoto (senza calore). Applica il vuoto per 2–5 minuti. Ventila lentamente per aspirare la soluzione nelle cavità. Ripeti se necessario.
3. Percorso centrifugo: Posizionare lo stampo in un rotore a secchio oscillante (orizzontale o a 90°). Centrifugare a 1.500–3.000 x g per 5–10 minuti per favorire il riempimento completo delle cavità. Se si osserva un riempimento incompleto, si regola il tempo o la forza g entro questo intervallo.
   NOTA: Per patch piccole, progetta lo stampo per adattarsi a tubi conici da 50 mL (posizionati su un supporto in silicone leggero e indurito) oppure usa un supporto a piastra in modo che lo stampo rimanga in linea e non possa spostarsi durante l'accelerazione.

7. Asciugatura, rilascio e controllo qualità di base

1. Asciuga lo stampo riempito a condizioni ambienti (o umidità/temperatura controllata) finché la soluzione polimerica non si solidifica completamente.
2. Inizia il rilascio flettendo delicatamente lo stampo elastomerico, poi togli la toppa MN. Rifila per rimuovere l'eccesso di polimero ai bordi.
3. Ispezionare al microscopio digitale la resa dell'ago (% intatta). Misurare altezza e base in più posizioni dell'array e riportare la media ± SD (e la deviazione percentuale dal CAD, se applicabile).

Risultati

Il flusso di lavoro produce un progetto CAD parametrico per un array MN, un master stampato in 3D replicato in PDMS per formare uno stampo inverso flessibile, e patch polimeriche MN smoldate prodotte da un singolo riempimento (Figura 1). Poiché tutte le variabili geometriche sono definite parametricamente, lo stesso protocollo può essere regolato in modo flessibile per modificare le dimensioni MN (altezza, base), la forma dell'ago (ad esempio, piramidale, co...

Discussione

Questo protocollo stabilisce un flusso di lavoro da fotopolimerizzazione da CAD a vasca a PDMS per la fabbricazione di patch polimerici di MN come piattaforma generale non legata a un specifico modello di farmaco o tessuto. All'interno di questo flusso di lavoro, diversi passaggi del processo giocano un ruolo sproporzionato nel determinare la fedeltà dimensionale, la qualità dello stampo e l'integrità della patch finale. I passaggi più critici sono la produzione di un master stampato in ...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Analytical balance (±0,1 mg)	Mettler Toledo		Per pesature precise di polimeri.
Resina fotopolimerica trasparente	Formlabs		Resina utilizzata per stampare il master delle microaghi; scegliere la resina reale utilizzata.
Stampante 3D stereolitografica (SLA) desktop Form 4	Formlabs		Utilizzata per stampare il master delle microaghi; specificare il modello esatto utilizzato.
Alcool isopropilico (IPA), ≥99%	Merck Sigma Aldrich		Utilizzato per lavare le stampe SLA. Infiammabile; utilizzare in cappa aspirante.
Agitatore magnetico / piastra calda	IKA		Per preparare soluzioni polimeriche.
Software per microscopia/analisi delle immagini	ImageJ		Utilizzato per misurare l'altezza dell'ago, la larghezza della base e la resa dai micrografi.
Microscopio ottico o stereomicroscopio	Leica		Per ispezionare l'altezza dell'ago, la larghezza della base e la qualità della punta.
Software CAD parametrico	Autodesk Fusion 360		Utilizzato per la progettazione del master delle microaghi e il layout dell'array parametrico.
Kit elastomerico PDMS (base + agente di indurimento), Sylgard 184	Dow		Utilizzato per fabbricare lo stampo reversibile flessibile.
Alcool polivinilico (PVA)	Merck Sigma Aldrich		Polimero di esempio per sciogliere i cerotti a microaghi (10% p/v nel protocollo).
Software di slicing SLA PreForm	Formlabs		Utilizzato per orientare, supportare e tagliare i file STL per la stampa.
Sodium carboxymethyl cellulose (NaCMC), grado farmaceutico/analitico	Merck Sigma Aldrich		Polimero di esempio per sciogliere i cerotti a microaghi (10% p/v nel protocollo).
Camera di polimerizzazione UV per stampe SLA Form Cure	Formlabs		Per la polimerizzazione post-stampa del master secondo le istruzioni della resina.
Forno a vuoto	Hanyang		Utilizzato per il riempimento assistito da vuoto.
Stazione di lavaggio o contenitore di lavaggio per parti SLA	contenitore personalizzato		Utilizzato con IPA per rimuovere la resina non polimerizzata dal master.