江苏激光联盟导读：

据悉，南加州大学Yong Chen 教授课题组和亚利桑那州立大学Xiangjia Li课题组受到帽贝牙齿结构启发利用磁场辅助3D打印技术设计出一种具有力学增强的可实现药物有效释放的无痛微针。

图1.?Advanced?Functional Materials Inside Back Cover

皮下注射针由于其低成本和注射大量液体的能力已在医学中广泛使用了一百五十多年。但是，插入皮下注射针头通常会伴有剧烈疼痛。这些针头会产生大量医疗废物，只能在经过正规的医学培训后才能使用。为了克服这些缺点，一种称为微针(microneedle, MN)贴片的新型医疗器械被开发出来，这种技术最终有望在医疗环境中广泛取代皮下注射针头。MN阵列具有许多显著的优势，例如，操作方便、减轻疼痛、与多种药物兼容、感染率低以及多种药物携带能力等。

在微加工技术中，3D打印技术可以很容易地克服复杂几何形状和多种药物可控释放的微针制造难题。然而，使用3D打印技术（如熔融沉积建模(fused deposition modeling, FDM)、喷墨打印和选择性激光烧结）来制造具微型MN仍然是一个挑战。因此，当前的3D打印MN在很大程度上依赖于附加的处理程序，通常是化学蚀刻，以进一步减小特征尺寸并锐化或细化特征。尽管如此，MN的微特征仍然很难通过后处理来精确控制。在此之前的研究已经采取了几种方法来设计和制造使用微加工3D打印工艺的MN，例如微型立体平版印刷术和双光子聚合。尽管使用这些技术已经成功生产出了更复杂形状的MN， 但每个针头的不良机械性能仍然是一个主要问题。每个针头的总体尺寸必须相对较大才能提供足够的强度，但是增大尺寸也会增加插入过程中的疼痛。因此，3D打印MN的机械性能较弱是阻碍其在临床中应用的瓶颈。

在自然界中，某些生物的组织具有独特的微观结构和生物材料，因而具有出色的机械性能。例如，龙虾鳌的bouligand型结构均显示出出色的机械性能。最近，科学家发现帽贝（是带壳的水生蜗牛）的牙齿(如图2a)，它们粘附在岩石上，可能是自然界中发现的最坚固的材料。微小的帽贝齿(如图2b)具有极强的机械强度，其独特的层次结构使大量针铁矿纳米纤维与表面平行排列(图1c)。3D打印为几何形状的形成提供了出色的控制，从而为操纵和制造这种多尺度、多种材料和多功能结构创造了新的机遇。3D打印创建仿生结构的独特能力机械性能得到改善，为制造和加工MN提供了新的可能性。

图1.仿生3D 打印技术的分类：（1）受鱼鳞，龙虾鳌，贝壳的启发而3D 打印制备仿生力学增强结构；（2）受到花朵，松果等的启发而3D打印制备仿生可变形结构；（3）受到鲨鱼皮，血管，章鱼等的启发而3D打印制备超疏水和微流体结构；（4）受到鹰眼，苍蝇眼，蝴蝶翅膀，萤火虫的启发而3D打印制备光学器件；（5）受到蝙蝠和人体皮肤的启发而3D打印制备压电，压阻电子器件。

图2. 帽贝牙齿启发的3D打印MN阵列。▲图解：(a)帽壳; (b)微型门牙; (c)具有对齐的矿物纤维的齿的横截面图; (d)使用MF-3DP工艺制造帽形牙齿启发的MN阵列的示意图; (e)MF-3D打印的MN阵列的扫描电子显微镜(SEM)图像; (f)用aIOs放大一幅MF-3D打印的MN

在这项研究中，MN的设计灵感来自帽贝的牙齿，并使用基于增强的氧化铁颗粒(iron oxide, IO)的纳米填料进行了无痛注射。南加州大学Yong Chen 教授课题组和亚利桑那州立大学Xiangjia Li课题组开发了磁场辅助3D打印(magnetic field assisted 3D printing, MF-3DP)工艺，以使用排列的氧化铁纳米颗粒(aligned iron oxide nanoparticles, aIOs)和聚合物基质材料来构建这些MN。帽贝牙齿的层次结构通过MF-3DP工艺成功复制，从而获得了非常坚固的MN(如图2d)。该制造程序通过磁控制实现了精确的微填充物对准。通过光固化聚合物的选择性交联，使用MF-3DP工艺将排列的纳米颗粒束封装在印刷的MN内部(如图2e,f)。与具有随机氧化铁纳米粒子(random iron oxide nanoparticles, rIOs)的3D打印的分层结构相比，具有aIOs的机械结构具有增强的机械性能。帽贝齿启发的体系结构通过在每层中对齐IO来最大化其性能，从而提高了机械强度。

▲随机氧化铁纳米粒子(rIOs)与排列的氧化铁纳米颗粒(AIOs)的差异

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