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方法論記事

ポリマリックマイクロニードル製造用のカスタマイズマイクロモールドの設計およびバットフォトポリマー化3Dプリント

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DOI：

10.3791/70538

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2026年6月22日

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

この記事について

サマリー

このプロトコルは、CAD設計、3Dプリントマスターファブリケーション、エラストマー逆型準備、単一充填鋳造を詳細に扱い、カスタマイズ可能なアレイの再現性製造を実現するポリマリックマイクロニードルパッチの作成を詳細に扱っています。

要約

このプロトコルは、コンピュータ支援設計(CAD)、バットフォトポリマー化マスターファブリケーション(例:ステレオリソグラフィーやデジタル光処理、SLA/DLP)、エラストマー逆成形、単一充填鋳造を用いて、ポリママイクロニードル(MN)パッチの製造に関する汎用的かつ応用に依存しないワークフローを提供します。この手法は、MNジオメトリとアレイレイアウトのパラメトリックCADから始まり、薄いパッチベースと統合リザーバーを用いて、均一な空洞浸透を促進し、パッチ周辺での厚いリム形成を制限します。3Dプリントパラメータはマイクロフィーチャーの整合性を保つために選択され、その後短い溶剤洗浄と制御された後硬化で残留物を除去し特徴を安定化させます。3Dプリントされたマスターはエラストマーで複製され、繰り返し鋳造サイクルに適した柔軟な逆型が作られます。鋳造は、遠心分離や真空で型に浸透させるポリマー溶液を用い、さまざまな形状で一貫したキャビティ充填を可能にします。代表的な品質評価には、プリントマスターとリバースモールドのキャビティの完全性や欠陥の検査、複数のアレイ位置での針の高さ、基幅、先端品質の寸法チェックが含まれます。ワークフローは複数のMNアレイモデル設計に対応し、溶液固形、粘度、乾燥条件を調整することで代替ポリマー配合に容易に適応できるため、研究や試作に適したポリマニックMNパッチの迅速かつ低コストかつ再現性のある製造が可能です。

概要

マイクロニードル(MN)は、皮膚、目、モデル組織に最小限の不快感でアクセスできる実用的な手段を提供し、ジオメトリや配列配置の精密な制御を可能にします(1、2、3、4)。実験室での製造では、高忠実度マスターからの複製が効率的です。適切なマスターが利用可能になると、ソフトリソグラフィーのコピーを繰り返し作成し、材料、寸法、アレイ構成を一貫した品質でスクリーニングできます 5,6。シリコンマイクロマシニング、レーザーアブレーション、射出成形などの従来のマイクロニードル製造方法は高精度を実現できますが、専門的な設備や複雑な金型、または高い初期コストを必要とし、研究現場での迅速な設計反復の柔軟性が制限されます7。

ステレオリソグラフィー(SLA)やデジタル光処理(DLP)を含むデスクトップバットフォトポリマリゼーション3Dプリンターは、設計から部品までのサイクルが短く、マイクロメートルスケールのフィーチャー制御を比較的低コストで行うため、金型マスターの生成に適しています。これらのシステムでは、液体フォトポリマー樹脂をバットに封じ込め、走査レーザービーム(SLA)または投影光パターン(DLP)によって層ごとに選択的に硬化させ、マイクロフィーチャージオメトリ8,9の細かな制御を可能にします。ポリマー性MNは特に魅力的で、ハイドロゲルとして溶解または膨張させることができます。一般的な溶解マトリックスにはポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルピロリドン(PVP)、ヒアルロン酸(HA)、カルボキシメチルセルロースナトリウム(NaCMC)があり、架橋形成の例としてはPVA、ポリ(エチレングリコール)ジアクレート(PEGDA)、ポリ(メチルビニルエーテル共マレ酸酸塩)などがあります。PMVE/MA)10,11。

サブミリメートルの針高で正確なマイクロフィーチャーを実現するには、プリントパラメータへの注意と後処理が必要です。フィラメント押出法と比較すると、バットフォトポリマーはレーザースポットサイズ、ボクセル形状、層厚、露光時間によって制御される光高中重合を活用します。部品の傾斜や非機能面へのサポート配置などの実用的な選択により、限られた解像度プリンターでは実質的な解像度が向上します5,12。マスターファブリケーション後、例えばシリコーンエラストマーポリジメチルシロキサン(PDMS)のような柔軟な逆型鋳型が、単一充填鋳造に使用されます。これは、水性ポリマー溶液を遠心分離(スイングバケットローター用の適切なキャリアを使用)または真空5,6,12で空洞内に注入する方法です。

この設計から製造までのパイプラインは生産とカスタマイズを加速させることができます。パラメトリックCADは、再設計なしで高さ、ベース、ピッチ、配列数の迅速な編集を可能にします。マスターはベンチトップシステム上で高速で印刷できます。また、単一のマスターで多数のレプリカをサポートし、切り替え時間5、13、14を短縮します。設計間の切り替えはパラメータを更新しマスターを再印刷するだけで済み、同じワークフローと鋳造条件は維持されます。その結果、研究所は設計の反復、バリアントの比較、バッチのスケールアップが最小限のダウンタイムで可能となり、研究特有のニーズに応じた形状の迅速な操作が可能となります。

針の高さ、基幅、ピッチ、配列数などのジオメトリやレイアウトパラメータは、挿入の信頼性、患者の快適さ、材料の使用に直接影響します。適切な高さ、ベース、間隔の選択は一貫した性能と製造の可行性を促進します 3,5,16,17。これらのトレードオフを明確かつ再現可能にするために、このプロトコルは円錐形のMNモデルを例として用い、ピラミッド型やハイブリッド型などの代替形状、サイズ、ピッチ、針数と完全に互換性を保っています。その結果、CAD、マスターのデスクトップバット光高合3Dプリント、逆成形、単一充填鋳造を網羅した一般的な製造ワークフローが実現し、研究所はこれを適応して迅速かつ一貫したポリマリックMNパッチを生産できます。

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プロトコル

注:CADから製造までの全ワークフローの概要は 図1に示されています。

1. CAD設計

  1. CADソフトを使ってミネソタ州マスターを設計してください。MN単位格子(例:円錐形またはピラミッド型)を定義し、定義された目標(例:高さ1,000μm、底面500μm)を満たす寸法を設定します。
  2. 配列をパターン化します(例:6×6)。針間間隔を1.1〜1.2mmに保つためにピッチを選びます(例:針間≥0.5mm)を保つために1.1〜1.2mmのピッチ)。
  3. パラメトリックパッチベース(例:10×10mm)を作成し、ベース厚(例:0.25mm)を設定します。
  4. 底の下に丸いまたは楕円形のリザーバー(深さ~3mm)を加えて余分な溶液を保持し、均一な単一鋳造充填を促進します。
  5. 鋳造時の流れを改善するために、貯留層の周囲にエッジフィレット(例:1.0〜1.5mm)を追加してください(図2)。
  6. エクスポートデザイン。STL。
    注意:マスタージオメトリが最終パッチジオメトリと一致していることを確認しましょう。

2. スライスして印刷する

  1. インポートする。スライサーソフトウェアにSTLを接続します。非機能面/背面面の層厚(例:25〜50μm)、向き、支持点を設定します。
  2. スライス層を確認し、連続した壁、ミネソタ側の面に支えのない張り出しがないこと、十分な支持があることを確認しましょう。
  3. 3Dプリンターに送り、レジンを装填して印刷します。信頼できる層の厚さを最小限に選び、薄い層はディテールを増やしますが、印刷時間は長くなります。
    注意:階段状の効果を最小限に抑えるために、プリンターと樹脂システムがサポートする最も信頼できる最小の層厚さを使用してください。

3. 洗浄と硬化後

  1. 適切な洗浄溶剤(例:イソプロピルアルコール)でやさしく撹拌してプリントをすすぐ。水を抜いて自然乾燥させます。小さなソフトブラシを使って、針の間の残留樹脂を取り除く。
  2. 樹脂メーカーの指示に従い、硬化装置内でのUVポストキュラー;過熱や過硬化を避けましょう。
  3. 光顕微鏡(例:4倍)で観察する;配列全体で特徴が完全かつクリーンな場合のみ進めてください。

4. 逆型

  1. メーカーの指示に従ってPDMSベースと硬化剤を混ぜてください。
  2. 3DプリントされたマスターMNを上向きに鋳造皿に入れます(ベースは少量の接着剤または両面テープで固定します);表面にエラストマーを≥〜5mm注ぎます。
  3. 必要に応じてデガス;室温で24時間または指定の軽い加熱でエラストマーになるまで硬化させます。
  4. 優しくエラストマー型をマスターから剥がします。トリムエッジ;ほこりなしで保管しましょう。
    注:一部の光高合性樹脂はプラチナ触媒によるシリコーンの硬化を阻害します。硬化を良くするには、完全に硬化したマスターを一晩~40〜50°C(粉塵なし)で保ってからエラストマーを注ぎます。表面が清潔で乾燥し、未硬化の樹脂がないことを確認してください。

5. ポリマー溶液の調製

  1. ポリマーを希望の濃度(例:5%)まで計量します。攪拌時に溶媒(例:脱イオン水)を加えます。必要に応じて加熱し、完全に溶けるまで加熱します。
  2. 室温まで冷やします。空気を除去するために真空または休止ガスを行って除去します。
    注意:他のポリマーシステム(例:PVA、PVP、HA)も使用できます。固形物、粘度、乾燥条件を適切に調整します。

6. 型の充填

  1. アレイとリザーバーを覆うためにポリマー溶液を分散します。以下のいずれかを選んで、溶液を空洞に差し込んでください。
  2. 真空処理方法:型を乾燥器または真空オーブン(加熱なし)に入れます。2〜5分間真空をかけます。ゆっくりと排気して溶液を空洞に引き込みます。必要なら繰り返します。
  3. 遠心分離機ルート:型を水平または90度のスイングバケットに入れます。1,500〜3,000 x g で5〜10分間遠心分離機で、空洞の完全な充填を促進します。充填が不完全の場合は、この範囲内で時間またはGフォースを調整します。
    注意:小さなパッチの場合は、50mL円錐形チューブ(軽量硬化シリコーン支持体に装着)を装着する設計、またはプレート型のキャリアを使用して、金型が水平に保たれ、加速時にずれないようにしてください。

7. 乾燥、リリース、基本的な品質管理

  1. 充填済みの型は、常温条件(または湿度/温度管理)で乾燥させ、ポリマー溶液が完全に固まるまで続けます。
  2. エラストマーモールドを優しく曲げて離し始め、その後MNパッチを剥がします。端の余分なポリマーを取り除くためにトリムをします。
  3. デジタル顕微鏡で針の収率(%が残っているか)を観察してください。配列の複数の位置で高さと底を測定し、平均標準差(SD)±(該当する場合はCADからの%偏差)を報告します。

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結果

このワークフローは、MNアレイのパラメトリックCAD設計、PDMSで再現して柔軟な逆型を形成する3Dプリントマスター、そして単一の充填で生成される脱型ポリマーMNパッチ(図1)を生み出します。すべての幾何学的変数がパラメータ的に定義されているため、同じプロトコルは柔軟に調整して、MNの寸法(高さ、底面)、針の形状(例:ピラミッド型、円錐形、ハイブリッド型)、ピッチ、配列あたりの針の総数を下流のステップを変えずに調整できます。

CADとスライシング
図2 は、配列レイアウト、基底厚、エッジフィレット、パッチベース下のリザーバーを確認するために使われたCADモデルとスライサープレビューを示しています。これらのビューは製造前にターゲット寸法を定義し、迅速にパラメータを再設定して新しい形状、サイズ、配列数を生成しつつ、同じ下流の成形および鋳造条件を維持します。

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ディスカッション

このプロトコルは、特定の薬剤や組織モデルに縛られない一般的なプラットフォームとして、CADからバット、光重合、PDMSへの高分子MNパッチの製造ワークフローを確立します。このワークフローの中で、寸法の忠実度、金型の品質、最終パッチの完全性を決定する上で、いくつかの工程ステップが不釣り合いな役割を果たします。最も重要なステップは、寸法的に信頼性の高い3Dプリントマスターの製作、完全に硬化した柔軟な逆型の作成、そして乾燥前に完全な単一充填の浸透を保証することです。

3Dプリントマスターの場合、実用的な操作には、適度な部品傾斜、機能しない面への支持配置、清浄溶剤での短いIPA洗浄、硬化後の制御されたUV処理が含まれます。層厚はプリンターと樹脂が目標の特徴サイズを確実に支えられる最小サイズを選び、薄い層は垂直解像度とチップの細さを向上させますが、印刷時間は長くなります。SLAおよびDLPの特徴制限は、光学系またはボクセルサイズ、層高、露光によって決まります。極めて小さな特徴、深くまたは密接な空洞、非常に高いアスペクト比は、...

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開示事項

著者たちは何も明かすことはありません。

謝辞

著者らは、サウジアラビア・リヤドのキングサウード大学にある継続的研究資金プログラム(ORF-2026-1435)に感謝の意を表します。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
分析用バランス（±0.1 mg）Mettler Toledoポリマーの正確な重量測定用。
透明なフォトポリマー樹脂 Formlabsマイクロニードルマスターを印刷するために使用する樹脂。使用した実際の樹脂を選択してください。
デスクトップステレオリソグラフィー（SLA）3DプリンターForm 4Formlabsマイクロニードルマスターの印刷に使用。使用した正確なモデルを指定してください。
イソプロピルアルコール（IPA）、≥99%Merck Sigma AldrichSLAプリントの洗浄に使用。引火性。フードの中で使用。
磁気攪拌器/ホットプレートIKA ポリマー溶液の調製用。
顕微鏡/画像解析ソフトウェアImageJ マイクログラフから針の高さ、ベースの幅、および収率を測定するために使用。
光学顕微鏡または立体顕微鏡Leica針の高さ、ベースの幅、および先端の品質を検査するために。
パラメトリックCADソフトウェアAutodesk Fusion 360マイクロニードルマスターの設計とパラメトリックアレイレイアウトに使用。
PDMSエラストマーキット（ベース+硬化剤）、Sylgard 184Dow柔軟なリバースモールドの製造に使用。
ポリビニルアルコール（PVA）Merck Sigma Aldrichマイクロニードルパッチを溶解する例示的なポリマー（プロトコルで10% w/v）。
SLAスライサーソフトウェアPreFormFormlabsSTLファイルを印刷用に配向、サポート、およびスライスするために使用。
ナトリウムカルボキシメチルセルロース（NaCMC）、製薬/分析グレードMerck Sigma Aldrichマイクロニードルパッチを溶解する例示的なポリマー（プロトコルで10% w/v）。
SLAプリント用のUV硬化チャンバーForm Cure Formlabs 樹脂の指示に従って印刷されたマスターの後硬化用。
真空オーブンHanyang真空アシスト充填に使用。
SLAパーツの洗浄ステーションまたは洗浄容器カスタムコンテナIPAと併せて使用し、マスターから未硬化の樹脂を除去します。

参考文献

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