高い3次元機能と高い構造精度を備えたカスタマイズされたマイクロニードルの製造

出典: PuSL High Precision

先進製造技術の分野では、3次元（3D）微細構造の作成技術が最も重要な探究方向の1つとなり、独自の機能を備えたマイクロデバイスの設計と製造に大きな可能性をもたらしています。 3次元微細構造は、主に（i）さまざまな形状の3次元主構造と、（ii）主構造上のさまざまな空洞構造（穴、溝、チャネルなどを含む）の2つの部分に分けられます。 3D 印刷技術は、複雑な 3D 構造の大規模な個別カスタマイズを実現しましたが、印刷された空洞の精度には、空洞構造の精密製造において依然として一定の限界があります。 3D プリント技術を直接使用して高精度のチャネル構造を作成すると、残留樹脂によってキャビティ構造が閉塞するため、3D プリント技術のみを使用してチャネル製造に求められる高精度要件を達成することは困難です。そのため、3D プリント技術の欠点を補うために、新しい処理方法が緊急に必要とされています。この製造上の欠陥を解決することは、マイクロデバイスの製造精度を向上させるために非常に重要です。

この目的のために、北京理工大学の江蘭院士と韓維娜研究員が率いるチームは、高精度の三次元微細構造を製造するための新しい加工方法を提案しました（図1）。チームは、Mofangの精密投影マイクロステレオリソグラフィー（PµSL）3Dプリント技術とフェムト秒レーザーベッセルビーム穴あけ加工を組み合わせて、高度なカスタマイズ、精密な構造（寸法精度とアスペクト比を含む）、効率的な処理を備えた3次元構造を作成しました。この技術は、ベベルチップマイクロニードルや多孔質マイクロニードルなどのカスタマイズされたマイクロニードルの製造にうまく適用され、ピーク時の孔形成速度が毎秒最大20万個の孔という、広範かつ効率的な微細孔処理能力を備えていることが実証されました。この技術は、マイクロキャビティ構造を持つ 3 次元デバイスを製造するための革新的な方法を提供するだけでなく、幅広い産業応用の見通しも持っています。

研究成果は、「高い3D機能と高い構造精度を備えたカスタマイズされたマイクロニードルの製造」というタイトルで、加工・製造分野の権威ある学術誌「Additive Manufacturing」に掲載されました。北京理工大学レーザーマイクロナノ製造研究所の修士課程学生である陳超倫氏と研究グループの実験助手である王志氏が共同筆頭著者であり、研究員の韓維娜氏が責任著者である。

図1. 表面投影型マイクロ光造形法とフェムト秒レーザーベッセルビームによる穴あけ加工を組み合わせた新製造方法の模式図

研究チームは、印刷材料としてBMF社のBIO（生体適合性）樹脂を選択し、実験にはmicroArch® S230（精度：2μm）3D印刷装置を使用しました。研究者らは、3D プリントされたサンプルの光学的透明性がフェムト秒レーザーベッセルビームの穴あけ能力に与える影響を研究し、異なるスライス方向がフェムト秒レーザーベッセルの穴あけ能力に与える影響を調査しました。実験結果によると、横方向のスライスにより安定した微細孔を実現できることが示されており、穴列の処理と穴分割方法により、この処理方法により 3D プリントされたエンティティに連続的で安定した高アスペクト比の微細孔構造を生成できることが証明されています。

図2. モデルのスライス方向が印刷物の光学的透明性に与える影響

図3. フェムト秒レーザーベッセルビームを用いた2方向スライスによる微細穴加工結果

アキシコンの製造誤差はベッセルビームの歪みにつながるため、ベッセルビームの軸方向の上半分を使用して微細穴を加工するとサイドローブが発生します（図4）。ベッセルビームの軸方向セクションの下半分を加工に使用すると、加工されたマイクロホールにサイドローブが現れることを回避できますが、ベッセルビームのエネルギーが大きく失われ、加工されたマイクロホールの深さが制限されます。単一パルスで処理されるリーフレス微小開口の長さは 550 μm 未満に制限されており、明らかにベッセルビームの潜在能力を十分に活用できていません。この目的のために、研究チームはデュアルパルスベッセルビーム技術を使用し、局所的な電子状態を一時的に制御することでサイドローブを排除しました（図5）。最初のパルスが材料に照射されると、多数の自由電子が生成され、反射率や透過率などの材料の瞬間的な局所特性が変化し、それによって材料による 2 番目のパルスエネルギーの吸収が抑制され、深さが減少します。サイドローブの影響範囲はメインローブの影響範囲に比べて比較的短いため、加工深さが浅くなるにつれてサイドローブは徐々に減衰します。この方法で加工したサイドローブフリーのマイクロホールの長さは、シングルパルス条件下でのサイドローブフリーのマイクロホールの最大加工深さよりも長く、800μmを超えており、これは現在のレーザー条件下での加工深さの限界に近い。

図4. フェムト秒レーザーのサイドローブ現象による穴形成ベッセルビーム

図5. ダブルパルス最適化ベッセルビーム穴形成

マイクロニードルはサイズが小さく構造が複雑なため、大面積の平坦なサンプルの加工と比較して、マイクロニードル表面の微細穴の加工には大きな違いがあります。まず、マイクロニードルの印刷層の厚さの違いが、形成される微細孔のサイズに直接的な変化をもたらします。（図6）。層厚が異なるマイクロニードルの硬化度が異なるため、層厚が異なるマイクロニードル材料の弾性率は異なり、同じレーザー条件下では、印刷層が厚いマイクロニードルの方が直径の大きい空洞を形成できます。しかし、印刷層が厚いマイクロニードルは印刷プロセス中に変形しやすく、マイクロニードルの光透過率に影響を与え、微細孔の深さが減少します。第二に、同じマイクロニードル上の異なる位置に加工されたマイクロホールの深さは、マイクロニードルの辺の長さによって変化します（図7）。これは、印刷プロセス中に場所によって収縮率が異なるため、材料に内部応力が生じるためです。これらの内部応力は、主に印刷部品のエッジに集中し、エッジからの距離が長くなるにつれて減少します。マイクロニードルのサイズが小さく、端と中心の間の距離が短いため、柱全体が内部応力の影響を大きく受け、マイクロポア、特に端に近いマイクロポアの深さが制限されます。マイクロニードルの先端径が小さくなると、加工位置と先端部の距離が短くなり、内部応力が増大し、微細孔の深さがさらに浅くなり、微細孔を形成できなくなる可能性があります。この問題を克服するために、研究チームは2段階の穴あけ技術を提案しました（図8）。この方法は、さまざまな特殊形状のマイクロニードルの微細穴加工に適用できることが実証されています。

図6. 印刷層の厚さがベッセルビームの穴形成に与える影響

図7. マイクロニードルの辺の長さと加工位置を変えた場合のベッセルビームの穴形成

図8. 特殊形状のマイクロニードルに微細孔を形成する2段階の穴あけ技術

マイクロニードル 1 本のサイズは小さいため、薬剤の充填および抽出能力は当然制限されます。したがって、マイクロニードルの効能を十分に発揮させるためには、効率を最大化するために、通常はマイクロニードルアレイの形で使用されます。研究チームは画像認識技術を使用して各マイクロニードルを正確に配置し、ベッセルビームが各マイクロニードルの先端中心と正確に位置合わせされ、均一で規則的な形状のマイクロホールが形成されることを保証しました。ベッセルビームのシングルパルス穿孔機構は、微細穴加工の品質を確保するとともに、効率的な加工速度も提供し、最大毎秒 200,000 穴のピーク穴あけ速度を実現します。

図9. 中空マイクロニードルアレイの作成と大規模マイクロホール加工能力の実証

要約すると、PμSL 技術とフェムト秒レーザーベッセルビームを組み合わせた方法により、マイクロニードル上に高アスペクト比のマイクロホールを作製することが可能になります。この方法は、直径約 1 μm の微細孔を実現する可能性を実証しており、特に細胞外小胞の抽出や小分子薬物送達において、非常に高い細孔形成効率を備えています。この技術は、内部にマイクロチャネルを備えた複雑な 3 次元デバイスを作成できる汎用性により、病気の診断と治療を強化することが期待されています。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104509

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