Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Проектирование и 3D-печать в ванной фотополимеризации индивидуальных микроформ для полимерной микроигольной конструкции

134 просмотров

⸱

DOI:

10.3791/70538

⸱

22 июня 2026 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Этот протокол подробно описывает проектирование CAD, мастер-изготовление на 3D-принтере, обратную подготовку эластомерной формы и одноразовое литье для создания полимерных микроигольных пластырей для воспроизводимого производства настраиваемых массивов.

Аннотация

Этот протокол представляет собой обобщённый, независимый от применения рабочий процесс для производства полимерных микроигольных (MN) пластырей с использованием автоматизированного проектирования (CAD), мастер-изготовления с помощью ванно-фотополимеризации (например, стереолитография или цифровая обработка света, SLA/DLP), обратного формования эластомером и одноразового литья. Метод начинается с параметрического САПР геометрии и схемы массива Миннесоты, включая тонкое основание участка и интегрированный резервуар для обеспечения равномерной инфильтрации полости и ограничения образования толстых краёв на периметре участка. Параметры 3D-печати выбираются для сохранения целостности микроэлементов, затем проводится кратковременная промывка растворителем и контролируемое постотверждение для удаления остатков и стабилизации элементов. 3D-печатная мастер-модель затем воспроизводится в эластомере для получения гибкой обратной формы, подходящей для многократных циклов литья. Литье использует полимерные растворы, которые внедряются в форму через центрифугирование или вакуум, что обеспечивает равномерное заполнение полости в различных геометриях. Репрезентативные оценки качества включают осмотр печатной мастер-формы и обратной формы на полноту и дефекты полости, а также проверку размеров высоты иглы, ширины основания и качества наконечника на различных позициях массива. Рабочий процесс охватывает несколько моделей массива MN и легко адаптируется к альтернативным полимерным формулам за счёт корректировки твердых веществ раствора, вязкости и условий сушки, что позволяет быстро, недорого и воспроизводить полимерные пластыри MN, подходящие для исследований и прототипирования.

Введение

Микроиглы (МН) обеспечивают практический доступ к коже, глазу или тканям с минимальным дискомфортом, одновременно обеспечивая точный контроль геометрии и структуры массива 1,2,3,4. Для лабораторного производства эффективна репликация с высокоточного мастера: как только появляется подходящий мастер, можно многократно производить мягкие литографические копии для отбора материалов, размеров и конфигураций массива с неизменнымкачеством 5,6. Традиционные методы изготовления микроиголь, такие как микрообработка кремнием, лазерная абляция и литье под давлением, могут достигать высокой точности, но часто требуют специализированных оборудования, сложных инструментов или высоких начальных затрат, что ограничивает их гибкость для быстрой итерации проектирования висследовательских условиях 7.

Настольные 3D-принтеры с фотополимеризацией в ваннах, включая стереолитографию (SLA) и цифровую светообработку (DLP), хорошо подходят для создания мастеров формы благодаря коротким циклам проектирования в детали и микрометровому контролю по относительно небольшой стоимости8. В этих системах жидкая фотополимерная смола помещается в ванну и избирательно отверждается слой за слоем либо сканированным лазерным лучом (SLA), либо проецируемым световым рисунком (DLP), что позволяет точно контролировать микроэлементнуюгеометрию 8,9. Полимерные МН особенно привлекательны, поскольку их можно сформулировать для растворения или набухания в виде гидрогелей; Распространённые растворяющиеся матрицы включают поливинилспирт (PVA), поливинилпирролидон (PVP), гиалуроновую кислоту (HA) и карбоксиметилцеллюлозу натрия (NaCMC), а примеры гидрогеляобразующих — сшитые PVA, поли(этиленгликоль) диакрилат (PEGDA) и поли(метилвинилэфир-ко-малеиновый ангидрид); PMVE/MA) 10, 11.

Достижение точных микрофункций на высоте игл до миллиметра требует внимания к параметрам печати и постобработке. По сравнению с методами экструзии филамента, ванно-фотополимеризация использует фотополимеризацию, зависящую от размера лазерного пятна, формы вокселя, толщины слоя и времени экспозиции; Практические решения, включая умеренный наклон детали и размещение опоры на нефункциональной поверхности, могут улучшить эффективное разрешение на принтерахс ограниченным разрешением 5,12. После мастер-изготовления гибкая обратная форма, например, силикон-эластомер полидиметилсилоксан (PDMS), может использоваться для одноразового литья, когда водные полимерные растворы вводятся в полости центрифугированием (с использованием соответствующих носителей для вращающихся ковшовых роторов) иливакуумом 5,6,12.

Такой конвейер от проектирования до производства может ускорить производство и индивидуализацию. Параметрический CAD позволяет быстро редактировать высоту, основание, высоту и количество массив без переоборудования; мастер-версии можно быстро печатать на настольной системе; а один мастер поддерживает множество реплик, сокращая время сменына 5, 13 и 14. Переключение между проектами сводится к обновлению параметров и повторной печати мастер-файла, при этом сохраняются те же рабочие процессы и условия кастинга. В результате лаборатории могут быстрее дорабатывать проекты, сравнивать варианты и масштабировать партии с минимальными простоями, что позволяет быстро манипулировать геометрией для специфических потребностей 5,14,15.

Геометрия и параметры компоновки, включая высоту иглы, ширину основания, шаг и количество массивов, напрямую влияют на надёжность введения, комфорт пациента и использование материалов. Выбор подходящей высоты, баз и расстояния способствует стабильной производительностии производительности 3,5,16,17. Чтобы сделать эти компромиссы явными и воспроизводимыми, этот протокол использует коническую модель MN в качестве иллюстративного случая, оставаясь при этом полностью совместимым с альтернативными формами (например, пирамидальной или гибридной), размерами, высотами высоты и числом стрелок. В результате получается общий производственный рабочий процесс, охватывающий CAD, настольную фотополимеризацию в ваннах, 3D-печать мастера, обратное формование и одноразовое литье, которые лаборатории могут адаптировать для быстрого и стабильного производства полимерных пластырей MN.

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

Протокол

ПРИМЕЧАНИЕ: Обзор полного рабочего процесса от CAD до производства показан на рисунке 1.

1. CAD-проектирование

  1. Используйте CAD-программное обеспечение для проектирования мастер-модуля Миннесоты. Определите MN элементарную ячейку (например, коническую или пирамидальную) и установите размеры для достижения заданных целей (например, высота 1000 мкм; основание 500 мкм).
  2. Выкройте массив (например, 6 x 6). Выберите высоту шага, чтобы добиться желаемого расстояния между спицами (например, 1,1–1,2 мм, чтобы между спицами оставалось ≥0,5 мм).
  3. Создайте параметрическое основание (например, 10 x 10 мм) и установите толщину основания (например, 0,25 мм).
  4. Добавьте круглый или овальный резервуар под основанием (~3 мм глубина), чтобы удерживать избыточный раствор и обеспечивать равномерное единообразное заполнение.
  5. Добавьте филе по краям (например, 1,0–1,5 мм) по периметру резервуара для улучшения потока во время литья (см. рисунок 2).
  6. Экспортный дизайн как. STL.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что основная геометрия соответствует предполагаемой финальной геометрии патча.

2. Нарезать и печатать

  1. Импортируйте. STL в программу слайсера. Установить толщину слоя (например, 25-50 мкм), ориентацию и опоры на нефункциональной/обратной поверхности.
  2. Проверьте разрезанные слои, чтобы убедиться, что стены непрерывны, нет неопорных выступов на поверхности MN и достаточную поддержку.
  3. Отправьте на 3D-принтер, загрузите смолу и распечатайте. Используйте минимальную надёжную толщину слоя; Тонкие слои улучшают детализацию, но увеличивают время печати.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте минимальную надёжную толщину слоя, поддерживаемую принтером и системой смолы, чтобы минимизировать эффект лестничной ступени.

3. Промывка и постзасолка

  1. Промыть печать в подходящем растворителе для стирки (например, изопропиловом спирте) с аккуратным перемешиванием; Дайте стекать воду и высохнуть на воздухе. Используйте маленькую кисточку с мягкой щетинкой, чтобы очистить остатки смолы из межигольных промежутков.
  2. УФ-отверждение после отверждения в устройстве для отверждения согласно рекомендациям производителя смолы; Избегайте перегрева или чрезмерного отверждения.
  3. Осматривать под световым микроскопом (например, 4 раза); Продолжайте только если функции полны и чисты по всему массиву.

4. Обратная форма

  1. Смешайте основу PDMS и отверждающий агент согласно инструкциям производителя.
  2. Поместите 3D-печатный мастер MN-стороной вверх в чашу для отливки (закрепите основание небольшим количеством клея или двусторонней лентой); Залить эластомер на ≥3–5 мм.
  3. При необходимости дега; Отверждать при комнатной температуре 24 часа или при мягкой температуре, как указано, до эластомерного нагрева.
  4. Аккуратно снимите эластомерную форму с мастера; края отделки; Храните без пыли.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Некоторые фотополимеризируемые смолы подавляют отверждение силикона с помощью платины. Улучшите отверждение, удерживая полностью пост-высохший мастер при ~40-50 °C ночью (без пыли) перед заливкой эластомера. Убедитесь, что поверхность чистая, сухая и без незатвердевшей смолы.

5. Приготовление полимерного раствора

  1. Взвесьте полимер до нужной концентрации (например, 5%). Добавьте растворитель (например, деионизированную воду) с перемешиванием; нагревать при необходимости до полного растворения.
  2. Охлаждайте до комнатной температуры; дегаз (вакуум или отдых) для удаления зажатого воздуха.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Могут использоваться и другие полимерные системы (например, PVA, PVP, HA); Регулируйте твердые вещества, вязкость и условия сушки соответственно.

6. Заполнение формы

  1. Наносите полимерный раствор, чтобы покрыть массив и резервуар. Выберите один из следующих способов, чтобы ввести раствор в кариесы.
  2. Вакуумный способ: Поместите форму в сушитель или вакуумную духовку (без нагрева). Подайте вакуум в течение 2–5 минут. Медленно вентилируй, чтобы раствор втянулся в полости. Повторяйте, если нужно.
  3. Маршрут центрифуга: Поместите форму в поворотный ротор с поворотом (горизонтальный или 90°). Центрифуга при температуре 1 500–3 000 г в течение 5–10 минут для полного заполнения полости. Если наблюдается неполное заполнение, корректируйте время или перегрузку в этом диапазоне.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для небольших заплаток спроектируйте форму так, чтобы она помещалась в конические трубки объемом 50 мл (установленные на лёгкой отверженной силиконовой опоре) или используйте пластинчатый носитель, чтобы форма оставалась ровной и не могла смещаться при ускорении.

7. Сушка, выпуск и базовый контроль качества

  1. Сушите заполненную форму в условиях окружающей среды (или контролируемой влажности/температуре), пока полимерный раствор полностью не затвердеет.
  2. Начните отпускание, аккуратно сгибая эластомерную форму, затем снимайте пластырь MN. Обрежайте, чтобы удалить излишки полимера по краям.
  3. Проверьте под цифровым микроскопом выход иглы (% сохранён). Измеряйте высоту и основание в нескольких точках массива и сообщайте среднее ± SD (и % отклонения от CAD, если применимо).

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

Результаты

Рабочий процесс даёт параметрическую CAD-схему для массива MN, мастер-принтера, воспроизводимого в PDMS для формирования гибкой обратной формы, а также деформированные полимерные MN-пласты, полученные одним заполнением (рисунок 1). Поскольку все геометрические переменные определены параметрически, один и тот же протокол можно гибко корректировать для изменения размеров MN (высота, основание), форму стрелки (например, пирамидальная, коническая, гибридная), та...

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

Обсуждение

Этот протокол устанавливает рабочий процесс CAD-to-vat-фотополимеризация-PDMS для изготовления полимерных MN-пластырей как общую платформу, не привязанную к конкретной модели лекарства или ткани. В рамках этого рабочего процесса несколько этапов процесса играют непропорционально важную роль в определении точности размеров, качества формы и целостности финального патча. Самые важные шаги — это создание размерно надёжного 3D-печатного мастера, полностью отвергнутая гибкая обратной формы и ...

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

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Авторы выражают благодарность Текущей программе финансирования исследований (ORF-2026-1435), Университет короля Сауда, Эр-Рияд, Саудовская Аравия.

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

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Аналитическая весы (±0,1 мг)Mettler ToledoДля точного взвешивания полимеров.
Прозрачная фотополимерная смола FormlabsСмола, используемая для печати мастера микроигл; выберите фактическую смолу, которую вы использовали.
Настольный стереолитографический (SLA) 3D-принтер Form 4FormlabsИспользуется для печати мастера микроигл; укажите точную модель, которую вы использовали.
Изопропиловый спирт (IPA), ≥99%Merck Sigma AldrichИспользуется для промывания печатей SLA. Легковоспламеняющийся; используйте в вытяжной шахте.
Магнитный миксер / горячая плитаIKA Для приготовления полимерных растворов.
Программное обеспечение для микроскопии/анализа изображенийImageJ Используется для измерения высоты иглы, ширины основания и выхода по микрофотографиям.
Оптический микроскоп или стереомикроскопLeicaДля проверки высоты иглы, ширины основания и качества наконечника.
Параметрическое ПО для САПРAutodesk Fusion 360Используется для проектирования мастера микроигл и расположения параметрического массива.
Набор эластомеров PDMS (основа + отвердитель), Sylgard 184DowИспользуется для изготовления гибкой обратной формы.
Поливинилспиртовый спирт (ПВС)Merck Sigma AldrichПример полимера для растворения патчей МН (10% масс. в протоколе).
Программное обеспечение для нарезки SLA PreFormFormlabsИспользуется для ориентации, поддержки и нарезки файлов STL для печати.
Карбоксиметилцеллюлоза натрия (NaCMC), фармацевтическая/аналитическая степеньMerck Sigma AldrichПример полимера для растворения патчей МН (10% масс. в протоколе).
УФ-камера для отверждения печатей SLA Form Cure Formlabs Для последующего отверждения напечатанного мастера в соответствии с инструкциями по смоле.
Вакуумная печьHanyangИспользуется для наполнения с помощью вакуума.
Мойка или контейнер для мойки деталей SLAсозданный контейнерИспользуется с IPA для удаления неотвержденной смолы с мастера.

Ссылки

  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).

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

Перепечатки и разрешения

Теги

3DCAD
Видео скоро будет доступно
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.