高精密3D打印技術解決透皮給藥微針的加工難題

行業背景

一直以來，我們常用的臨床醫療給藥方式有口服藥劑、注射針劑、外用涂抹等。不同的給藥方式會各有優劣。口服藥劑服用方便，需要首先通過腸胃吸收，這樣藥效會有所降低，并且對肝臟等器官產生較強的副作用；注射針劑存在使用不便、產生疼痛、制備成本高、過程復雜等特點。外用涂抹膏藥因為皮膚的隔離，藥物的吸收效率低，并且給日常生活行動帶來不便。臨床上一般不同的藥物有效成分會根據自身的理化性質、藥理學等因素而采用不同的給藥醫療方式。

隨著科技的發展，研究人員逐步開發了一種新型的醫療給藥方式——微針透皮給藥，它既能實現有效給藥，又操作簡單并且讓患者獲得良好體驗。上世紀90年代，世界上早的微針是用硅材料制備而成的。由于硅材料具有脆性，且不適合作為模具來大批量復制，因此近年來微針的制備材料研究的重點逐步轉移到金屬、陶瓷以及聚合物材料。

目前微針透皮給藥已經在藥物治療、美容祛斑、整形植發等消費市場領域獲得應用推廣，并且市場上已經出現一批規模化量產的公司，中國的微針市場給藥系統產品主要是國外品牌，醫療方面的以歐美國家居多，美容方面以日韓品牌為主。上有3M、Zosano Pharma、Corium、Becton-Dickinson（BD）等；國內有中科微針（北京）、攬微醫療、納通生物、和心諾泰等。

加工方法

由于表皮厚度高達1500μm，因此針長度達1500μm足以將藥物釋放到表皮中。長度較大且直徑較粗的針可深入真皮層，容易損傷神經并引起疼痛。微針長度大多數150-1500μm，直徑50~250μm，寬度為1~25μm。微針常見的形狀是圓錐形、圓柱形、三棱錐、四棱錐等。微針根據種類不同（固體型，包被型，中空型、溶解型等）以及材料的需求，制作的工藝也不一樣，硅材料常見加工方法有硅蝕刻；金屬材料常見的加工方法激光切割；陶瓷材料加工方法陶瓷燒結光刻。

而聚合物材料常用的加工方法是微立體光刻3D打印技術。近些年來3D打印技術獲得快速發展，相對于傳統加工工藝，3D打印技術能夠靈活、自由的設計各種復雜三維的結構。目前市場上普通3D打印技術（SLA、FDM等）加工的精度低，表面粗糙，遠遠滿足不了微針加工技術要求。而雙光子激光直寫（TPP）3D打印技術，雖然加工的精度高，但是加工幅面小、速度極慢，對于大幅面、規模化生產顯然不太適宜。

面投影微立體光刻（PμsL）3D打印工藝能夠加工并兼顧快速、高精度、大幅面的特點，可以滿足上述微針尺寸要求，并且加工出來的微針表面光滑程度高，為微創、無痛的微針治療效果提供技術支持，也為快速、高效產業化生產提供可行性方案。目前，已經和國內多所科研高校、相關企業進行合作。

面投影微立體光刻（PμsL）工藝助力微針的制備

面投影微立體光刻（PμsL）基于數字DMD（Digital Micromirror Device）芯片作為動態掩模，通過精密的光路投影系統，在樹脂液面進行整面曝光打印。因此，與普通的微立體光固化工藝相比，除了成型精度高以外，打印的速度得到大大提升。

由于微針需要具有良好的力學性能和生物相容性才能滿足其應用的安全性要求，所以微針的選材、結構設計及其相應的制備技術直接關系到微針的效能。一般而言，微針的表面越光滑，微針才能更好的發揮安全、無痛以及定量釋放的優勢。

下圖是深圳摩方材料科技有限公司基于面投影微立體光刻（PμsL）工藝的3D打印系統nanoArch^®S130設備加工的陣列微針結構，該微針底部直徑0.198mm，高度0.572mm，針尖的小寬度僅0.006mm！加工的微針表面光滑，針尖細節更加明晰。該微針打印材料屬于丙烯酸聚合物類固體型微針，通常研究人員使用該聚合物打印出針尖形態陽模，通過二次倒模形成實際需要的醫用聚合物材料針尖結構，比如形成溶解型微針。

近，國外研究機構美國羅格斯大學Howon Lee和意大利比薩大學Giuseppe Barillaro合作團隊從寄生蟲的微鉤，蜜蜂的尾刺針，豪豬的針毛研究發現一種具有高組織粘附力的微觀倒刺結構。這些復雜的微觀結構對于傳統加工工藝而言是一種巨大的挑戰。

研究人員通過4D打印技術制造具有后向曲面倒鉤以增強組織附著力的仿生微針。通過系列實驗測試發現該種倒刺結構的仿生微針的組織附著力是普通微針的18倍！在組織中具有持續、定量釋放藥物的行為。

文章鏈接地址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.201909197

結論

盡管目前微針在藥物治療、美容祛斑、整形植發等獲得廣泛應用，并且衍生一批產業化公司。但是微針治療市場競爭較為混亂、競爭格局并不明晰、技術水平良莠不齊。我們經常會在一些公共場所見到微針治療的相關廣告。

未來隨著微加工技術的發展和相關的藥理學研究的進展，微針治療會獲得廣泛的認可，市場規模擴大、市場競爭更加規范。而高精密3D打印作為一種具有復雜三維、靈活自由、快速設計的微細加工技術，目前已經被眾多前沿的科研機構以及規模化企業所采用，進一步深化課題研究程度，提高了企業的創新性及生產效益。