Методическая статья

Изготовление сверхострых полимерных микроигл с помощью числового программного управления (ЧПУ), микрообработки и микролитья

DOI:

10.3791/68660

⸱

8 июля 2025 г.

 ,  ,  , 
1School of Biomedical Engineering, International University, Ho Chi Minh City, Vietnam, 2Vietnam National University, Ho Chi Minh City, Vietnam

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В этой статье представлен простой, понятный и инновационный протокол производства полимерных микроигл с исключительно острыми кончиками путем микролитья из мастер-форм, созданных с помощью фрезерования с числовым программным управлением (ЧПУ). Разработанная система экономична, проста в изготовлении и способна производить микроиглы с исключительной остротой для улучшенного проникновения, тем самым улучшая производительность доставки.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Микроиглы в последнее время получили признание в качестве перспективного метода трансдермальной доставки лекарств благодаря их минимально инвазивной, безболезненной природе, а также их можно гибко конструировать путем геометрических модификаций в соответствии с конкретными терапевтическими требованиями. Следовательно, данное исследование направлено на разработку мастер-форм для микроигл с использованием технологии фрезерования с числовым программным управлением (ЧПУ) для создания полимерных микроигл с различной степенью остроты для повышения терапевтической эффективности. Ранее наша команда успешно оптимизировала два критических параметра обработки, скорость подачи и угол наклона, анализируя их влияние на полученные иглы. Таким образом, в данной статье представлен полный набор экспериментальных протоколов для изготовления и оценки характеристик модельных игл на полимерной основе. Кроме того, эта работа также предоставляет репрезентативные результаты, демонстрирующие воспроизводимость и терапевтическую эффективность образцовых игл. Наша исследовательская группа ожидает, что этот простой протокол позволит исследователям создавать экономически эффективные и высокоточные микроиглы, тем самым продвигая технологию микроигл для дальнейшего применения в биомедицине, особенно во время пандемии.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В последние годы микроиглы стали многообещающим кандидатом для доставки лекарств из-за их безболезненной, самовводимой природы в обход первого прохождения метаболизмапечени. Микроиглы привлекли большое внимание во многих биомедицинских приложениях (например, вакцинация, лечение рака, диагностика, косметика), которые требуют точной, минимально инвазивной доставки терапевтических агентов или других веществ в кожу или подлежащие ткани, повышая эффективность лечения с ограниченными побочнымиэффектами.

В зависимости от предполагаемого применения, микроиглы могут быть изготовлены во многих формах (т.е. твердые, с покрытием, полые, пористые, набухающие и растворимые), потенциально для диагностического и трансдермального применения в области доставки лекарств путем проникновения в слой рогового слоя3. С инженерной точки зрения, для производства микроигл существует множество технологий изготовления. Среди них микрообработка с ЧПУ является точным и универсальным методом, широко используемым для создания сложных трехмерных структур с высокой точностью и адаптируемостью, что делает его особенно подходящим для изготовления мастер-форм с микроиглами4. В ответ на это наша исследовательская группа ранее предложила оптимизированный, недорогой, простой и инновационный подход к производству микроигольчатых мастер-форм со сверхострыми наконечниками с использованием техники микрообработки с ЧПУ5. Кроме того, микроиглы также могут быть изготовлены из широкого спектра материалов (например, металлов, керамики, полимеров). Среди них полимерные микроиглы оказались многообещающими благодаря своей биосовместимости, биоразлагаемости и нетоксичности, что делает их потенциально полезными для биомедицинских применений6.

В этом исследовании представлен оптимизированный протокол изготовления мастер-форм для микроигл, которые предназначены для производства игл с высокой остротой с помощью микрообработки и микроформования с ЧПУ. Этот подход был вдохновлен нашим предыдущим исследованием, в котором изучалось изготовление мастер-форм с помощью фрезерования с ЧПУ. Для ознакомления с вспомогательными данными и рисунками, относящимися к оптимизации производственных параметров (например, скорости подачи, угла наклона), читателям рекомендуется обратиться к предыдущей публикации5. Кроме того, в данной работе также оценивается эффективность предлагаемого протокола путем демонстрации изготовления недавно разработанной модели микроиглы на основе полимера. Чтобы получить максимальную выгоду от этого протокола, читателям рекомендуется учитывать свои технические характеристики. Например, критически важными факторами являются выбор подходящих материалов, фрезерных инструментов и оптимизированных параметров (например, скорости подачи, скорости вращения шпинделя)7. Учитывая высокую точность и аккуратность, необходимые для изготовления микроигл, процесс фрезерования с ЧПУ должен быть способен производить структуры, отвечающие определенным критериям проектирования, таким как диаметр наконечника и разнообразная геометрия, обеспечивая при этом большую гибкость по сравнению с методами фотолитографии8. Кроме того, отрицательная копия пресс-формы PDMS в этом методе продемонстрировала высокий уровень воспроизводимости, которая может выдерживать несколько циклов литья без ухудшения качества, что делает ее потенциальным кандидатом на простое и экономически эффективное изготовление микроигл с различной степенью остроты9.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Реагенты, оборудование и программное обеспечение, использованные для этого исследования, перечислены в Таблице материалов.

1. Изготовление микроигольчатых мастер-форм на основе полиметилметакрилата (ПММА)

  1. Дизайн мастер-формы для микроигл
    ПРИМЕЧАНИЕ: Проектирование мастер-формы для микроигл проводилось с использованием Fusion 360 (Autodesk, США, лицензия для образовательных учреждений) (см. Таблицу материалов).
    1. Откройте программу в среде Дизайн и создайте новый эскиз.
    2. Нарисуйте рамку с помощью функции Выдавить .
    3. Создание ступенчатых полостей с помощью инструмента «Выдавливание ».
    4. Создайте одно тело микроиглы в виде цилиндра.
    5. С помощью фаски фрезеруйте цилиндр для формирования микроиглы конической формы.
    6. Создайте мастер-форму для микроигл размером 10 x 10 с помощью команды «Массив ».
      ПРИМЕЧАНИЕ: В зависимости от предполагаемого применения, размеры микроигл могут варьироваться. В данном протоколе демонстрируемые иглы имеют следующие размеры: коническая форма, высота иглы: 600 мкм, диаметр основания: 400 мкм, расстояние между иглами: 1400 мкм.
    7. Проверьте и доработайте конструкцию на предмет точности и согласованности.
    8. Сохраните окончательные проекты в совместимом формате (например, .f3d) для дальнейшей обработки.
  2. Настройка системы автоматизированного производства (CAM)
    1. Откройте конструкцию пресс-формы в среде CAM.
    2. Установите заготовку из ПММА с запасом на верхнюю часть формы.
    3. Выполните торцевое фрезерование для удаления верхней поверхности с помощью фрезы с плоским концом10.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Настройте параметры для фрезы с плоским концом, включая диаметр инструмента (3 мм), скорость подачи (300 мм/мин), скорость вращения шпинделя (3000 об/мин), глубину резания (1 мм) и шаг (1 мм).
    4. Используйте фрезерование карманов для обработки ступенчатых полостей с помощью фрезерного станка с плоским концом5.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Настройте параметры для фрезы с плоским концом, включая диаметр инструмента (1 мм), скорость подачи (300 мм/мин), скорость вращения шпинделя (4000 об/мин), глубину резания (0,5 мм) и шаг (0,3 мм).
    5. Снова примените фрезерование карманов для формирования цилиндрических конструкций.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Настройте параметры для фрезы с плоским концом, включая диаметр инструмента (0,8 мм), скорость подачи (200 мм/мин), скорость вращения шпинделя (4000 об/мин), глубину резания (0,2 мм) и шаг (0,2 мм).
    6. Создание структуры микроигл конической формы из ПММА с помощью фрезерования отверстий5.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Настройте параметры для фрезерования отверстий, включая диаметр инструмента (0,4 мм), скорость подачи (100 мм/мин), скорость вращения шпинделя (4500 об/мин) и угол наклона (1,5°).
    7. Чтобы сгенерировать G-код для дальнейшей обработки, щелкните правой кнопкой мыши по программе Настройка > Создание ЧПУ. На вкладке «Станок и пост» выберите Tormach PathPilot в качестве нужного постпроцессора. Наконец, нажмите кнопку «Опубликовать » в диалоговом окне, чтобы сгенерировать G-код.
  3. Настройка микрообработки с числовым программным управлением (ЧПУ)
    1. Подготовка заготовки на основе полиметилметакрилата (ПММА)
      1. Получите блок заготовки из ПММА с размерами: ширина: 30 мм, длина: 30 мм, высота: 5 мм.
      2. Закрепите блок из ПММА на обрабатывающем столе с помощью зажимов, чтобы предотвратить любое движение во время фрезерования.
    2. Настройка обработки с ЧПУ
      1. Используйте 3-осевой обрабатывающий центр с максимальной скоростью вращения шпинделя 5140 об/мин.
      2. Выберите подходящий фрезерный инструмент и вставьте его в цангу ER20, убедившись, что он правильно закреплен на шпинделе.
    3. Процесс резки
      1. Зажмите заготовку из ПММА на тисках станка с ЧПУ.
      2. Установите нулевую точку для точного позиционирования между концевой фрезой и заготовкой по осям x, y и z.
      3. Начните обработку с заданной траекторией движения инструмента с помощью программы G-кода и параметров резания.
      4. Запустите автоматическую резку для изготовления мастер-формы из ПММА.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендуется непрерывно наносить масляную смазку на заготовку на протяжении всего процесса резки. Сбросьте нулевую точку (ось z) после смены фрезерного инструмента.
      5. Регулярно контролируйте процесс на предмет точности и стабильности инструмента.
        ПРИМЕЧАНИЕ: После завершения фрезерования осторожно снимите полученную форму для микроигл со станка с ЧПУ.
      6. Очистите обработанную поверхность с помощью ультразвука, чтобы удалить излишки смазки и мусора.
  4. Реплика негативной формы
    1. Приготовление литейного раствора на основе полидиметилсилоксана (PDMS)
      1. Смешайте эластомерную основу и отвердитель в соотношении 10:1 (масса/масса).
      2. Пропылесосьте смесь в течение 5 минут, чтобы удалить пузырьки воздуха.
    2. Процесс изготовления негативной пресс-формы на основе PDMS
      1. Залейте дегазированную смесь PDMS по мастер-форме из ПММА толщиной примерно 1 мм.
      2. Пропылесосьте смесь, содержащую форму, еще 5 минут, чтобы удалить пузырьки воздуха.
    3. Процесс отверждения
      1. Отверждите форму PDMS в духовке при температуре 90 °C в течение 45 минут, чтобы структура затвердела.
    4. Удаление и тиражирование плесени
      1. Осторожно извлеките отвержденную PDMS форму из мастер-формы из ПММА с помощью пинцета.
      2. Повторите процесс репликации для изготовления нескольких негативных пресс-форм PDMS из одной мастер-формы из ПММА.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Негативные формы PDMS могут быть повторно использованы для изготовления микроигольчатых пластырей, демонстрируя высокую производительность и эффективный подход к изготовлению.

2. Изготовление полимерных микроигольчатых пластырей

Примечание: Чтобы оценить эффективность предложенной системы, мы продемонстрировали процесс изготовления образца для производства модельных микроигл на основе полимеров, состоящих из поливинилового спирта (ПВА), поливинилпирролидона (ПВП) и водорастворимого хитозана (WCS), который ранее был разработан в нашей лаборатории.

  1. Приготовление полимерного раствора
    1. Приготовление решения WCS
      1. Приготовьте 3%-ный раствор WCS путем непосредственного растворения порошка WCS в дистиллированной воде.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте магнитную мешалку для ускорения скорости растворения.
    2. Приготовление раствора ПВА/ПВП
      ПРИМЕЧАНИЕ: Решение PVA/PVP повышает структурную целостность микроигольчатого пластыря, выступая в качестве его поддерживающего основного материала.
      1. Приготовьте раствор ПВА/ПВП в концентрации 7,5% (по массе) для каждого вещества.
      2. Добавьте в порошковую смесь рассчитанное количество дистиллированной воды.
      3. Непрерывно перемешивайте раствор с помощью магнитной мешалки, нагревая при температуре 70 °C в течение 4 часов, пока он не станет однородным.
      4. Накройте стакан, содержащий раствор, пленкой, чтобы предотвратить испарение.
  2. Изготовление микроигольчатых пластырей
    ПРИМЕЧАНИЕ: Изготовление микроигольчатых пластырей PVA/PVP/WCS из полученной формы PDMS с использованием технологии литья растворителями.
    1. Дозируйте 400 мкл полученного раствора WCS на отрицательную форму PDMS с помощью микропипетки.
    2. Поместите форму в вакуумную камеру и пропылесосьте в течение 15 минут, чтобы удалить пузырьки воздуха и убедиться, что раствор правильно заполняет полости формы.
    3. Нанесите еще один слой раствора ПВА/ПВП в качестве основного материала на поверхность формы.
    4. Перенесите форму в духовку и высушите при температуре 65 °C в течение 4 часов для полного застывания микроигольчатого пластыря.
    5. После высыхания аккуратно отделите полученный участок от PDMS с помощью пинцета.

3. Оценка микроигольчатых пластырей

  1. Оценка механической прочности
    1. Экспериментальная установка для измерения структурной целостности микроигл
      ПРИМЕЧАНИЕ: Этот эксперимент проводился с использованием самостоятельно разработанной системы. Вкратце, аппарат включает в себя (1) станцию силового испытания, (2) программный интерфейс, (3) USB-микроскоп и (4) тензодатчик на 10 Н.
    2. Установка измерительного программного обеспечения
      1. Загрузите три файла операций из программного пакета «Конфигурация автоматического ввода иглы», доступного в различных типах <.exe>, , , в Дополнительном файле 1, Дополнительном файле 2 и Дополнительном файле 3. Эти файлы соответствуют установке данного программного обеспечения для механических измерений.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Для работы с системой пользователи открывают только файл <.exe>, в то время как остальные файлы являются конфигурационными файлами и не требуют прямого взаимодействия.
    3. Методика измерения
      1. Поместите одну микроиглу на поверхность микростолика, которая крепится двусторонним скотчем.
      2. Отрегулируйте скорость движения до 40 мм/ч.
      3. Отрегулируйте расстояние между датчиком и наконечником микроиглы до тех пор, пока датчик не соприкоснется непосредственно с кончиком иглы.
      4. Запишите полученный график силы и перемещения, сгенерированный измерительным программным обеспечением.
      5. Повторите эксперимент три раза для каждого образца.
  2. Оценка проникновения
    1. Экспериментальная установка для измерения проникновения микроигл
      1. Подготовьте восьмислойную стопку листов парафиновой пленки (ПФ) толщиной 125 мкм каждая.
      2. Поместите и закрепите блок PF на поверхности микропредметного столика для обеспечения устойчивости во время эксперимента.
    2. Насадка для микроигл
      1. Прикрепите одну микроиглу к механическому тензодатчику для правильного вертикального введения.
    3. Процедура введения
      1. Установите тензодатчик, прикрепленный с помощью микроиглы, для перемещения вниз с постоянной скоростью 40 мм/ч в стопку PF.
    4. Сбор и анализ данных
      1. Извлеките микроиглу из стопки PF.
      2. Осторожно разверните слои PF, чтобы обнажить каждый лист.
      3. Понаблюдайте за развернутым стеком PF под микроскопом, чтобы подсчитать количество отверстий для проникновения в каждом слое.
      4. Повторите эксперимент три раза для каждого образца.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В этом исследовании представлен протокол изготовления мастер-форм с микроиглами, которые спроектированы для получения исключительно острых микроигл с помощью микрофрезерования с ЧПУ. Для изучения данных об остроте наконечника читателям рекомендуется обратиться к предыдущей публикации5. На рисунке 1 представлен схематический вид конструкции мастер-формы для микроигл с ее размерами. На рисунке 2 показано преобразование эскизного проекта в и...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В рамках этого исследования был разработан уникальный экспериментальный протокол для изготовления мастер-форм для производства полимерных микроигл с превосходной остротой с помощью микрообработки с ЧПУ и микроформования. В первую очередь, этот подход включает в себя интеграцию эскизного проекта с изготовлением мастер-формы с помощью фрезерования с ЧПУ, за которым следует серия процессов микролитья для создания микроигольчатых патчей. В течение долгого времени микроформование шир...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторам декларировать нечего.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Это исследование финансируется Вьетнамским национальным университетом Хошимина (VNU-HCM) в рамках гранта DN2023-28-01.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
3-осевой обрабатывающий центрTormach PCNC 1100Фрезерный станок с ЧПУ для резки материалов
Автоматическая конфигурация впрыска иглыобеспечение для механических измеренийразработки
Дистиллированная водаCole-Parmer WS-200 Series Stuart Water Stills
Программное обеспечение Fusion 360, Образовательная версияAutodesk, СШАПрограммное обеспечение для проектирования (https://www.autodesk.com/asean/products/fusion-360/overview?term=1-YEAR&tab=subscription)
Программное обеспечение ImageJНациональный институт здравоохранения, СШААнализ изображений
ПолидиметилсилоксанSYLGARD 184 Набор силиконовых эластомеров1330-20-7Используется для отрицательных форм
ПолиметилметакрилатИспользуется для мастер-форм
Поливиниловый спирт Сигма Олдрич, США9003-39-8 Материал микроигл
ПоливинилпирролидонSigma Aldrich, США9002-89-5Материал микроигл
Родамин BSigma Aldrich, США83689-1G Модельныйпрепарат
Водорастворимый хитозан Материал микроигл
Программное собственной

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Ahmad, N. F. N., Ghazali, N. N. N., Wong, Y. H. Concept design of transdermal microneedles for diagnosis and drug delivery: A review. Adv Eng Mater. 23 (12), (2021).
  2. Nguyen, T. D., Nguyen, T. H., Vo, V. T., Nguyen, T. Q. Panoramic review on polymeric microneedle arrays for clinical applications. Biomed Microdevices. 26 (4), 41(2024).
  3. Kim, J., Jeong, J., Jo, J. K., So, H. Hollow microneedles as a flexible dosing control solution for transdermal drug delivery. Mater Today Bio. 32, 101754(2025).
  4. Malek-Khatabi, A., Faraji Rad, Z., Rad-Malekshahi, M., Akbarijavar, H. Development of dissolvable microneedle patches by CNC machining and micromolding for drug delivery. Mater Lett. 330, 133328(2023).
  5. Pham, H. P., Vo, V. T., Nguyen, T. Q. Optimizing CNC milling parameters for manufacturing of ultra-sharp tip microneedle with various tip angles. Drug Deliv Transl Res. 15 (7), 2431-2447 (2024).
  6. Kulkarni, D., et al. Polymeric microneedles: An emerging paradigm for advanced biomedical applications. Sci Pharm. 91 (2), 27(2023).
  7. Krimpenis, A. A., Fountas, N. A., Ntalianis, I., Vaxevanidis, N. M. CNC micromilling properties and optimization using genetic algorithms. Int J Adv Manuf Technol. 70 (1-4), 157-171 (2014).
  8. Sonetha, V., Majumdar, S., Shah, S. Step-wise micro-fabrication techniques of microneedle arrays with applications in transdermal drug delivery - A review. J Drug Deliv Sci Technol. 68, 103119(2022).
  9. Lima, R. A. The impact of polydimethylsiloxane (PDMS) in engineering: Recent advances and applications. Fluids. 10 (2), 41(2025).
  10. Selvam, M. D., Karuppusami, G., Dawood, A. K. S. Optimization of machining parameters for face milling operation in a vertical CNC milling machine using genetic algorithm. ESTIJ. 2 (4), 544-548 (2012).
  11. Smith, E., et al. Vac-and-fill: A micromoulding technique for fabricating microneedle arrays with vacuum-activated, hands-free mould-filling. Int J Pharm. 650, 123706(2024).
  12. Makvandi, P., et al. Engineering microneedle patches for improved penetration: Analysis, skin models and factors affecting needle insertion. Nano-Micro Lett. 13, 1-41 (2021).
  13. Larrañeta, E., et al. A proposed model membrane and test method for microneedle insertion studies. Int J Pharm. 472 (1-2), 65-73 (2014).
  14. Pham, H. P., Le, M. P., Tran, L. G., Nguyen, T. Q. Fabrication and evaluation of silk microneedle using replica molding from milled master mold. IFMBE Proc. 95, 573-582 (2024).
  15. Hassanin, H., Jiang, K. Net shape manufacture of freestanding ceramic micro-components through soft lithography. Micromanuf Eng Technol. 2, 239-256 (2015).
  16. Tang, T. N., et al. Fabrication of silver nanoparticle-containing electrospun polycaprolactone membrane coated with chitosan oligosaccharides for skin wound care. J Sci Adv Mater Devices. 8 (3), 100582(2023).
  17. Wong, S. Y., Chuah, J. H., Yap, H. J. Technical data-driven tool condition monitoring challenges for CNC milling: A review. Int J Adv Manuf Technol. 107 (11-12), 4837-4857 (2020).
  18. Mandal, S. Applicability of tool condition monitoring methods used for conventional milling in micromilling: A comparative review. J Ind Eng. 2014, 1-8 (2014).
  19. Oliveira, C., et al. Microneedles' device: Design, fabrication, and applications. Macromol. 4 (2), 320-355 (2024).
  20. Li, Y., Huang, H., Qu, X. Viscosity and melt rheology of metal injection moulding feedstocks. Powder Metall. 42 (1), 86-90 (1999).
  21. Tan, L. T., Teo, Y. Y., Lee, C. H., Lim, B. H. Perfect molding challenges and the limitations. Proc IEEE Electron Packag Technol Conf. 2017, 1-6 (2017).
  22. Tamez-Tamez, J. I., et al. Assessment of geometrical dimensions and puncture feasibility of microneedles manufactured by micromilling. Int J Adv Manuf Technol. 126 (11-12), 4983-4996 (2023).
  23. Ahn, B. Optimal microneedle design for drug delivery based on insertion force experiments with variable geometry. Int J Control Autom Syst. 18 (1), 143-149 (2020).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Видео скоро будет доступно

Похожие статьи