ノースカロライナ大学における医療イノベーションにおけるマイクロナノ 3D プリントの応用

出典: MF Precision

1789 年に設立されたノースカロライナ大学 (UNC) は、米国の公立高等教育の先駆者であり、その科学研究能力は国内でも最高レベルにあります。 UNC は医療イノベーションの最前線に立っており、マイクロナノ 3D プリント技術を使用して革新的なバイオメディカルソリューションを開発しています。共同バイオメディカル工学部では、ロジャー・ナラヤン教授と彼のチームが、pH センシング、組織液抽出、5-HT センシングなど、さまざまな科学的研究課題への応用に、MBF の精密投影マイクロステレオリソグラフィー (PµSL) 3D 印刷技術 (nanoArch® S130、精度: 2 μm) を選択しました。これらの高度なアプリケーションでは、解像度、精度、精密度が重要な考慮事項となり、従来の製造プロセスでは達成するのが難しいレベルになります。

マイクロニードル技術に基づく比色 pH 検知パッチ<br /> pH は、生物学的プロセスの複雑なネットワークにおいて重要な役割を果たします。栄養素の代謝レベルに影響を与えるだけでなく、傷の治癒速度や物質の化学的挙動にも影響を与えます。これを踏まえて、食品業界や医療界は、肉の腐敗検出や創傷の健康モニタリングなどの重要な用途向けの低コストの光学 pH センサーの開発にますます注目しています。

この緊急のニーズに応えるため、ナラヤン氏のチームは機械学習技術に基づいたマイクロニードル比色 pH 検知パッチを慎重に開発しました。この革新的なパッチは、食品の品質を監視し、傷の健康状態を評価するという 2 つの目的を達成するように設計されています。一連の厳格なin vitro実験検証を経て、研究結果によりマイクロニードル比色pH検知パッチの高い効率が確認されました。実験データは、パッチが傷口の pH モニタリングと肉の腐敗検出において優れた性能を発揮することを明確に実証しました。

BMF の高精度 3D プリンターの助けを借りて、チームは最大 2 ～ 25 μm の解像度を持つ精密部品の製造に成功し、マイクロニードルの洗練された精密な製造を実現しました。この高精度な製造能力は、pH センシングデバイスの開発に不可欠です。

この多機能でコスト効率の高い pH 検知パッチの開発は、ヘルスケアおよび食品業界に広範囲にわたる影響を及ぼします。食品の安全性の確保や創傷ケア管理の改善のための実践的な技術サポートを提供するだけでなく、全体的な健康レベルの向上を促進することにも大きく貢献します。

図 1. マイクロニードル比色 pH 検知パッチの製造プロセスの概略図。 (a) pH 検知パッチの製造に使用されるさまざまなコンポーネントのビュー。 (b) マイクロニードルアレイベースのpHセンシングパッチの段階的な製造プロセス(i-vi)。 (c) 完全に組み立てられた pH 検知パッチの上面図と下面図。
オリジナルリンク: https://doi.org/10.1016/j.microc.2024.110350

組織液の抽出とモニタリングのためのマイクロニードルアレイ<br /> 最近の研究で、UNC の研究チームは、拡散、真空対流、毛細管現象、浸潤 (ハイドロゲルを使用)、中空マイクロニードル (MN) アレイなど、さまざまな間質液 (ISF) 収集メカニズムを調査しました。研究では、ISF の流量は対流力の影響に応じて変化し、技術的効率の順序は拡散 < 毛細管作用 < 浸透 < 加圧/吸引であることがわかりました。しかし、真空駆動システムは効果的ではあるものの、その複雑さ、かさばり、組織の水分含有量の変化に対する敏感さにより、その適用範囲が制限されます。

これらの課題に直面して、ナラヤン氏のチームは、ISF の効率的な抽出と分析物のモニタリングを目的に設計された、3D プリントされた MN アレイに基づくポイントオブケアマイクロスケールデバイスの開発を先導しました。この装置は圧力駆動対流を利用して ISF を効果的に抽出します。統合された MN デバイスは、その後の分析を確実に行うために十分な量の ISF (3.0 μL) を正常に収集しました。 MN の傾斜設計により、針先の表皮の伸張が大幅に増加し、針先付近の皮膚の折り畳みが効果的に回避され、皮膚への浸透効率が向上します。

UNCチームの目標は、高さ500μmから1.4mmのマイクロニードルを作成することであり、BMFの高精度3Dプリント技術はこの目標を達成するための鍵となります。これは、これらのマイクロニードルの精度と精密さの要件を満たすことができる唯一の高度な技術です。

3D プリントされた MN アレイをベースにしたこのデバイスは、ISF 抽出および監視技術の大きな進歩を示しています。その効率性とユーザーフレンドリーな設計により、ポイントオブケアアプリケーションの可能性が広がり、臨床現場における ISF の収集と分析の精度と利便性が大幅に向上します。

図2. MNアレイの光学画像。 a) 角皿と b) キャップ。走査型電子顕微鏡 (SEM) の顕微鏡画像: c) MN アレイ、d) MN チップ、e) MN 斜視図。 Keyence レーザー走査光学顕微鏡 3D 画像: f) MN、および針の高さ (y 軸) と針の幅 (x 軸) の関係を示す MN サイズのグラフ表現。 MN アレイ (トリパンブルー染色) で穿刺した豚皮膚の光学画像、MN の高さ: h) 750 μm、i) 800 μm、j) 900 μm、k) 950 μm。オリジナルリンク: https://doi.org/10.1002/smsc.202200087

5-HT センシング用カーボンファイバー統合マルチコンタクト電極<br /> これらの課題に対処するため、UNC の研究チームは、5-HT センシング専用の炭素繊維統合マルチコンタクト電極 (MCCFE) 構成の開発に成功しました。 MCCFE のユニークな点は、各電極が独立したままの柔軟で高密度なレイアウトにあり、従来の設計の限界を克服しています。 MCCFE は多数の電気活性部位、適切な引張強度、および優れた化学的安定性を備えており、これらはファイバープラットフォームに基づく電気化学センシングの効率にとって重要です。研究チームは、初期の超音波処理を通じて炭素繊維のキャビテーションを誘発し、滑らかな炭素層の剥離を促進しました。これにより、電解質の浸透性の向上など、電極インターフェースの性能が大幅に向上しました。

MCCFE の開発は、電気化学センシング技術における画期的な出来事です。設計の改善と機能強化により、より正確で信頼性の高い分析対象物の検出の新たな可能性が開かれ、科学と医学におけるさらなる応用のための強固な基盤が築かれました。

図 3. (A) 3D パターン配列の CAD モデル (ac) とデジタル画像 (df)。 (B) 3Dアレイの柔軟性と曲げ性の評価（ad）。 (C) パラジウムの充填と紡糸炭素繊維をバイオセンシング電極に変換するプロセス (ae)。
オリジナルリンク: https://doi.org/10.1021/acsabm.3c01089

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