《Additive Manufacturing》：2光子3Dプリントマイクロニードルのパラメータ最適化！

この投稿は Coco Bear によって 2022-6-14 09:13 に最後に編集されました。

はじめに: 2 光子重合に基づく 3 次元 (3D) マイクロプリンティング技術は、数百ナノメートルの解像度で複雑な微細構造を製造できます。近年、この技術は、マイクロ流体デバイス、フォトニクス、マイクロオプティクス、マイクロニードルアレイなど、さまざまなナノおよびマイクロメートルサイズの構造を製造するために使用されています。マイクロニードルは主に、治療薬を皮膚に経皮送達するため、およびポイントオブケア（POC）診断用の生物学的サンプルを抽出するために使用されます。製造技術の発達により、2光子直接レーザー書き込み技術による3Dプリントで複雑なマイクロニードル構造を得ることが可能になりました。しかし、2 光子 3D 印刷技術の最適なパラメータについては、まだ研究が必要です。

△従来のマイクロニードルパッチ

2022年6月、アンタークティックベアは、バーミンガム大学とサザンクイーンズランド大学の研究者がマイクロ3Dプリント技術を使用してマイクロニードルを製造することを検討していることを知りました。彼らは、サイドチャネルなどの複雑な機能を備えたポリマーマイクロニードルの開発に特化して、マイクロニードルを製造するための2光子3D印刷プロセスの最適な実験パラメータを調査しました。この研究は、「ポリマーマイクロニードルの製造のための 2 光子直接レーザー書き込みプロセスのパラメトリック最適化」というタイトルで Additive Manufacturing に掲載されました。彼らの研究を見てみましょう。

研究背景: マイクロニードルを使用してナノスケールのアプリケーションを実現する<br /> 従来の皮下注射針は、血液サンプルを採取したり、静脈内に化合物を投与したりするためによく使用されますが、マイクロニードルとその小型フォームファクタは、皮膚バリアを介した経皮薬物送達、診断用の小さな生物学的サンプルの採取、さらには美容整形手術など、独自の利点により、より幅広い用途に使用されています。マイクロニードルは、金属、シリコン、ガラス、さらにはセラミックなど、さまざまな材料から作ることができます。その中でも、ポリマーマイクロニードルは、生体適合性と機械的安定性に優れているため、特に人気があります。

2PP を使用してポリマーを 3D 印刷できるのは事実ですが、使用可能なマイクロニードルアレイを作成するために最適な印刷パラメータを選択するには、通常、広範囲にわたるテストが必要です。研究チームによると、印刷パラメータの最適化に関する研究も限られているという。
●2021年9月、スタンフォード大学とノースカロライナ大学チャペルヒル校（UNC）の科学者らがワクチンパッチを3Dプリントした。皮膚に直接貼付するこのマイクロニードルパッチは、腕の筋肉に注射したワクチンの10倍の免疫反応を生み出し、しかも痛みは一切ない。

●2021年1月、ケント大学とストラスクライド大学の研究者らは、微小電気機械システム（MEMS）を使用して経皮薬物送達を制御する新しい3Dプリントマイクロニードルデバイスを開発しました。 3DMNMEMSと名付けられたこの装置は、臨床治療を個別化し、医療専門家が患者のニーズに基づいて治療を施行できるようにすることを目標に開発されました。

△スタンフォード大学とノースカロライナ大学の科学者らは、3Dプリント技術を使ってマイクロニードルワクチンパッチを製造している。写真提供：UNC。

最適化された印刷プロセスパラメータの研究

△ 2光子レーザー直接描画技術を用いたマイクロニードルの製造工程の模式図

この研究を実施するために、研究チームは Nanoscribe Photonic Professional GT 3D プリンターを使用して、さまざまなプロセスパラメーターで多数のマイクロニードルテストサンプルを印刷し、プロセスパラメーターの最適な組み合わせを決定しました。最終的に、レーザー出力80mW、印刷速度50,000μm/s、スライス距離0.5μm～0.7μmを選択しました。

△Nanoscribe Photonic Professional GT2 3Dプリンター。画像はNanoscribeより。

△マイクロニードルの SEM は、パラメータが印刷品質に与える影響を示しています。 (a) フォトレジストの不完全な重合によりマイクロニードルが曲がっています。(b) マイクロニードルの表面の層状パターン。印刷された最小スライス距離は 0.5 μm、最大スライス距離は 1.2 μm です。(c) レーザー出力が高いため (100 mW)、マイクロニードルの先端が焼けています。

研究では、レーザーのスキャン速度と出力の両方が印刷結果に大きな影響を与えることがわかりました。スキャン速度が速いほど、材料の重合レベルは低くなります（悪くなります）。研究チームは、SEM電子顕微鏡を使用してマイクロニードル自体の形状を調べたところ、先端の高さが300μmのマイクロニードルは、負荷がかかったときに最も性能が悪くなることを発見しました。わずか 150 μm の長さのマイクロニードルは、破損する前に最大 50% の負荷に耐えることができます。印刷された部品には、表皮を通るマイクロ流体経路を形成するサイドチャネル設計も備わっています。これらのチャネルは皮下領域に到達して薬物送達やバイオマーカーのモニタリングを行うことができます。

△圧縮試験

概要<br /> この研究では、スキャンモード、スキャン速度、レーザー出力、スライス距離などの 2 光子直接レーザー印刷プロセスパラメータ間の関係を調査しました。これらのパラメータは重合プロセスに影響を及ぼし、印刷された部品の重合度を決定します。このプロセスにおける重合度は、スキャン速度とレーザー出力によって大きく影響されることが立証されています。結果は、スキャン速度が速いほど、重合の完全性が低下することを示しています。さらに、スキャン速度を低く保ちながらレーザー出力を 100 mW に上げると、露出オーバーになる可能性があります。印刷物の種類に応じて、システムで使用されるレーザー出力は 80 mW から 100 mW まで異なります。一連の最適化実験の後、研究者らは、スキャン速度50,000 μm/s 、レーザー出力80 mW、スライス距離0.5 μm （最小）および0.7 μm （最大）を選択しました。研究者らは、ポリマーマイクロニードルの開発に最適化された3Dプリントパラメータを提供することに成功し、この技術が他の高解像度の微細構造にも適用できると主張したと言えます。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102953

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