Este protocolo detalha o design CAD, a fabricação mestre impressa em 3D, a preparação do molde reverso de elastomero e a fundição de preenchimento único para criar patches poliméricos de microagulha e alcançar a fabricação reprodutível de matrizes personalizáveis.
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Artigo de método
Design e Impressão 3D por Fotopolimerização em Vase de Micromoldes Personalizados para Fabricação de Microagulhas Poliméricas
Neste artigo
Resumo
Resumo
Este protocolo apresenta um fluxo de trabalho generalizado e independente da aplicação para fabricação de patches de microagulha polimérica (MN) usando design assistido por computador (CAD), fabricação de mestres por fotopolimerização em vase (por exemplo, estereolitografia ou processamento digital de luz, SLA/DLP), moldagem reversa de elastomer e fundição com preenchimento único. O método começa com CAD paramétrico da geometria MN e do layout do array, incluindo uma base fina de patch e um reservatório integrado para facilitar a infiltração uniforme da cavidade e limitar a formação de bordas espessas no perímetro do patch. Os parâmetros de impressão 3D são selecionados para preservar a integridade das microcaracterísticas, seguidos por uma breve lavagem com solvente e pós-cura controlada para remover resíduos e estabilizar as características. O mestre impresso em 3D é então replicado em um elastomero para obter um molde reverso flexível adequado para ciclos repetidos de fundição. A fundição utiliza soluções poliméricas que são infiltradas no molde por centrifugação ou vácuo, permitindo o preenchimento consistente das cavidades em uma variedade de geometrias. Avaliações representativas de qualidade incluem inspeção do mestre impresso e do molde reverso para verificar a completude e os defeitos da cavidade, além de verificações dimensionais da altura da agulha, largura da base e qualidade da ponta em múltiplas posições do array. O fluxo de trabalho acomoda múltiplos designs de modelos de matriz MN e é facilmente adaptado a formulações alternativas de polímeros, ajustando sólidos em solução, viscosidade e condições de secagem, permitindo a fabricação rápida, de baixo custo e reprodutível de patches de MN poliméricos adequados para pesquisa e prototipagem.
Introdução
As microagulhas (MNs) fornecem um meio prático de acessar a pele, olhos ou tecidos do modelo com desconforto mínimo, permitindo controle preciso sobre a geometria e o layoutda matriz 1,2,3,4. Para fabricação em laboratório, a replicação a partir de um mestre de alta fidelidade é eficiente: uma vez que um mestre adequado esteja disponível, cópias soft-litograph podem ser produzidas repetidamente para rastrear materiais, dimensões e configurações de matriz com qualidadeconsistente 5,6. Métodos tradicionais de fabricação com microagulhas, como microusinagem de silício, ablação a laser e moldagem por injeção, podem alcançar alta precisão, mas frequentemente exigem instalações especializadas, ferramentas complexas ou altos custos iniciais, limitando sua flexibilidade para iteração rápida de projetos em ambientesde pesquisa 7.
Impressoras 3D de fotopolimerização em vaso para desktop, incluindo estereolitografia (SLA) e processamento digital de luz (DLP), são bem adequadas para gerar mestres de molde devido aos ciclos curtos de projeto para peça e controle de recursos em escala micrométrica a custorelativamente baixo 8. Nesses sistemas, uma resina de fotopolímero líquido é contida em um tanque e curada seletivamente camada por camada por um feixe de laser varrido (SLA) ou um padrão de luz projetada (DLP), permitindo controle fino sobre a geometria das microcaracterísticas 8,9. As MNs poliméricas são particularmente atraentes porque podem ser formuladas para dissolver ou inchar como hidrogéis; matrizes de dissolução comuns incluem álcool polivinílico (PVA), polivinilpirrolidona (PVP), ácido hialurônico (HA) e carboximetil celulose de sódio (NaCMC), enquanto exemplos formadores de hidrogel incluem PVA reticulado, poli(etilenoglicol) diacrilato (PEGDA) e poli(metil-vinil éter-co-maleito anidreto); PMVE/MA)10,11.
Alcançar micro-características precisas em alturas submilimétricas de agulha requer atenção aos parâmetros de impressão e pós-processamento. Comparado às abordagens de extrusão de filamento, a fotopolimerização em cuba aproveita a fotopolimerização governada pelo tamanho do ponto do laser, formato voxel, espessura da camada e tempo de exposição; Escolhas práticas, incluindo inclinação modesta da peça e posicionamento de suporte na face não funcional, podem melhorar a resolução efetiva em impressoras de resoluçãolimitada 5,12. Após a fabricação principal, um molde reverso flexível, por exemplo, o elastomero de silicone polidimetilsiloxano (PDMS), pode ser usado para fundição de enchimento único, onde soluções poliméricas aquosas são conduzidas para dentro das cavidades por centrifugação (usando suportes apropriados para rotores de balde oscilantes) ou porvácuo 5,6,12.
Esse pipeline do projeto para a fabricação pode acelerar a produção e a personalização. O CAD paramétrico permite edições rápidas em altura, base, pitch e contagem de arrays sem necessidade de reestruturação; Mestres podem ser impressos rapidamente em um sistema de bancada; e um único mestre suporta muitas réplicas, reduzindo o tempo de troca 5,13,14. Alternar entre projetos passa a ser uma questão de atualização de parâmetros e reimpressão do master, mantendo o mesmo fluxo de trabalho e condições de fundição. Como resultado, os laboratórios podem iterar projetos, comparar variantes e escalar lotes mais rapidamente com tempo de inatividade mínimo, permitindo manipulação rápida da geometria para necessidades específicas doestudo 5,14,15.
Geometria e parâmetros de layout, incluindo altura da agulha, largura da base, passo e número de matrizes, influenciam diretamente a confiabilidade da inserção, o conforto do paciente e o uso do material. Escolher alturas, bases e espaçamentos apropriados promove desempenho consistente e fabricabilidade 3,5,16,17. Para tornar essas compensações explícitas e reproduzíveis, esse protocolo utiliza um modelo MN cônico como caso ilustrativo, mantendo totalmente a compatibilidade com formas alternativas (por exemplo, piramidal ou híbrida), tamanhos, alturas e contagem de agulhas. O resultado é um fluxo de trabalho geral de fabricação que abrange CAD, impressão 3D por fotopolimerização em vaso de mesa do mestre, moldagem reversa e fundição de preenchimento único, que os laboratórios podem adaptar para produzir rápida e consistentemente patches poliméricos de MN.
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Protocolo
NOTA: Uma visão geral do fluxo de trabalho completo do CAD para a fabricação é mostrada na Figura 1.
1. Design CAD
- Use software CAD para projetar o mestrado de MN. Defina a célula unidade MN (por exemplo, cônica ou piramidal) e defina dimensões para atender a metas definidas (por exemplo, altura 1.000 μm; base 500 μm).
- Padrão no array (por exemplo, 6 x 6). Escolha o passo para alcançar o espaçamento entre agulhas desejado (por exemplo, passo de 1,1–1,2 mm para manter ≥0,5 mm entre as agulhas).
- Crie uma base de patch paramétrica (por exemplo, 10 x 10 mm) e defina a espessura da base (por exemplo, 0,25 mm).
- Adicione um reservatório redondo ou oval sob a base (~3 mm de profundidade) para reter o excesso de solução e promover um enchimento uniforme em uma única fundição.
- Adicione filetes de borda (por exemplo, 1,0-1,5 mm) ao perímetro do reservatório para melhorar o fluxo durante a fundição (Figura 2).
- Exportar design como. STL.
NOTA: Certifique-se de que a geometria mestra corresponda à geometria final do patch pretendida.
2. Cortar e imprimir
- Importe. Faça STL no software de fatiação. Ajuste a espessura da camada para (por exemplo, 25-50 μm), orientação e suportes na face não funcional/traseira.
- Revise as camadas fatiadas para confirmar paredes contínuas, sem saliências sem suporte na face MN e suporte adequado.
- Envie para a impressora 3D, carregue a resina e imprima. Use a menor espessura de camada confiável; Camadas mais finas melhoram os detalhes, mas aumentam o tempo de impressão.
NOTA: Use a menor espessura confiável da camada suportada pela impressora e pelo sistema de resina para minimizar o efeito de degraus de escada.
3. Lavagem e pós-cura
- Enxágue a impressão em um solvente adequado (por exemplo, álcool isopropílico) com agitação suave; Deixe escorrer e secar ao ar. Use uma escova pequena de cerdas macias para limpar a resina residual dos espaços entre agulhas.
- Pós-cura UV em um dispositivo de cura conforme orientação do fabricante da resina; Evite superaquecimento ou supercura.
- Inspecionar sob um microscópio óptico (por exemplo, 4x); Prossiga apenas se as características estiverem completas e limpas em toda a matriz.
4. Molde reverso
- Misture a base do PDMS e o agente de cura conforme as instruções do fabricante.
- Coloque o master impresso em 3D com o lado MN para cima em uma placa de fundição (fixe a base com uma pequena quantidade de cola ou fita dupla); Despeje elastomero até cobrir por ≥3–5 mm.
- Desgasificar, se necessário; Cure em temperatura ambiente por 24 horas ou em calor suave conforme especificado até elastomerica.
- Descasque suavemente o molde elastomérico do mestre; aparar as bordas; Guarde livre de poeira.
NOTA: Algumas resinas fotopolimerizáveis inibem a cura do silicone catalisado por platina. Melhore a cura mantendo o mestre totalmente pós-curado a ~40-50 °C durante a noite (sem poeira) antes de despejar o elastomômero. Certifique-se de que a superfície esteja limpa, seca e livre de resina não curada.
5. Preparação da solução polimérica
- Pese o polímero até a concentração desejada (por exemplo, 5%). Adicione solvente (por exemplo, água desionizada) com mexido; Aqueça se necessário até estar totalmente dissolvido.
- De temperatura fria até ambiente; desgasificar (vácuo ou descanso) para remover o ar travado.
NOTA: Outros sistemas poliméricos (por exemplo, PVA, PVP, HA) podem ser usados; ajuste sólidos, viscosidade e condições de secagem conforme necessário.
6. Preenchendo o molde
- Dispense a solução polimérica para cobrir o conjunto e o reservatório. Escolha um dos seguintes para conduzir a solução até as cáries.
- Caminho a vácuo: Coloque o molde em um dessecador ou forno a vácuo (sem aquecimento). Aplique vácuo por 2 a 5 minutos. Ventile lentamente para puxar a solução para dentro das cavidades. Repita se necessário.
- Rota da centrífuga: Coloque o molde em um balde oscilante (horizontal ou 90°). Centrifuge a 1.500–3.000 x g por 5–10 minutos para promover o preenchimento completo das cavidades. Se for observado preenchimento incompleto, ajuste o tempo ou a força g dentro dessa faixa.
NOTA: Para pequenos remendos, projete o molde para se encaixar em tubos cônicos de 50 mL (assentados sobre um suporte leve de silicone curado) ou use um suporte tipo placa para que o molde permaneça nivelado e não possa se deslocar durante a aceleração.
7. Secagem, liberação e controle básico de qualidade
- Seque o molde preenchido em condições ambientes (ou umidade/temperatura controlada) até que a solução polimérica solidifice completamente.
- Inicie a liberação flexionando suavemente o molde elastomérico, depois descasque o patch MN. Aparar para remover o excesso de polímero nas bordas.
- Inspecionar sob um microscópio digital para ver se o rendimento da agulha está (% intacto). Meça altura e base em múltiplas posições do array e reporte a média ± DS (e % de desvio em relação ao CAD, se aplicável).
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Resultados
O fluxo de trabalho gera um projeto CAD paramétrico para um array MN, um master impresso em 3D replicado em PDMS para formar um molde reverso flexível, e patches poliméricos MN desmoldados produzidos por um único preenchimento (Figura 1). Como todas as variáveis geométricas são definidas de forma paramétrica, o mesmo protocolo pode ser ajustado de forma flexível para alterar as dimensões MN (altura, base), formato da agulha (por exemplo, piramidal, cônica, h...
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Discussão
Esse protocolo estabelece um fluxo de trabalho CAD-para-fotopolimerização em VAT-PDMS para fabricar patches de MN poliméricos como uma plataforma geral que não está vinculada a um medicamento ou modelo de tecido específico. Dentro desse fluxo de trabalho, várias etapas do processo desempenham um papel desproporcional na determinação da fidelidade dimensional, qualidade do molde e integridade do patch final. Os passos mais críticos são produzir um master impresso em 3D dimensionalmente co...
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Divulgações
Os autores não têm nada a revelar.
Agradecimentos
Os autores gostariam de agradecer ao Programa de Financiamento para Pesquisa em Curso (ORF-2026-1435), Universidade King Saud, Riad, Arábia Saudita.
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Materiais
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Analytical balance (±0,1 mg) | Mettler Toledo | Para pesagem precisa de polímeros. | |
| Resina de fotopolímero transparente | Formlabs | Resina utilizada para imprimir o mestre de microagulhas; escolha a resina real que você usou. | |
| Impressora 3D de estereolitografia (SLA) de mesa Form 4 | Formlabs | Utilizada para imprimir o mestre de microagulhas; especifique o modelo exato que você usou. | |
| Álcool isopropílico (IPA), ≥99% | Merck Sigma Aldrich | Utilizado para lavar impressões SLA. Inflamável; use em coifa. | |
| Agitador magnético / placa quente | IKA | Para preparar soluções poliméricas. | |
| Software de microscopia/análise de imagem | ImageJ | Usado para medir a altura da agulha, largura da base e rendimento a partir de micrografias. | |
| Microscópio óptico ou estereomicroscópio | Leica | Para inspecionar a altura da agulha, largura da base e qualidade da ponta. | |
| Software CAD paramétrico | Autodesk Fusion 360 | Utilizado para o design do mestre de microagulhas e layout de matriz paramétrica. | |
| Kit de elastômero PDMS (base + agente de cura), Sylgard 184 | Dow | Usado para fabricar o molde reversível flexível. | |
| Álcool polivinílico (PVA) | Merck Sigma Aldrich | Exemplo de polímero para dissolver patches de microagulhas (10% p/v no protocolo). | |
| Software de fatiamento SLA PreForm | Formlabs | Utilizado para orientar, suportar e fatiar os arquivos STL para impressão. | |
| Carboximetilcelulose de sódio (NaCMC), grau farmacêutico/analítico | Merck Sigma Aldrich | Exemplo de polímero para dissolver patches de microagulhas (10% p/v no protocolo). | |
| Câmara de cura UV para impressões SLA Form Cure | Formlabs | Para pós-cura do mestre impresso de acordo com as instruções da resina. | |
| Forno de vácuo | Hanyang | Utilizado para enchimento assistido por vácuo. | |
| Estação de lavagem ou recipiente de lavagem para peças SLA | recipiente personalizado | Usado com IPA para remover resina não curada do mestre. |
Referências
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