Metodo semplice e personalizzabile per la fabbricazione di stampi per microneedle con rapporto di aspetto elevato utilizzando la stampa 3D a basso costo

University College di Dublino: Stampi per test e stampa 3D per array di microneedle
Gli array di microneedle, o MNA, sono dispositivi costituiti da aghi di dimensioni micron che consentono di trasferire un segnale o un composto attraverso uno strato esterno di tessuto, come la pelle. A causa di quanto siano piccoli, gli MNA sono un dispositivo abbastanza indolore e minimamente invasivo e, tra gli altri, hanno applicazioni nel biosensing chimico, nella somministrazione di farmaci e nella stimolazione elettrica. Molti materiali possono essere utilizzati per fabbricare microneedles e, in base alla quantità di applicazioni per cui possono essere utilizzati, è importante trovare un modo più economico per realizzarli, che è ciò che i ricercatori Kevin J. Krieger, Nicky Bertollo, Manita Dangol , John T. Sheridan, Madeleine M. Lowery e Eoin D. O’Cearbhaill dell’University College di Dublino hanno iniziato a fare nel loro articolo, “Metodo semplice e personalizzabile per la fabbricazione di stampi per microneedle con rapporto di aspetto elevato utilizzando la stampa 3D a basso costo . “

L’astratto afferma: “Presentiamo una tecnica di fabbricazione di stampi microneedle semplice e personalizzabile utilizzando una stampante 3D SLA desktop a basso costo. A differenza dei tradizionali metodi di fabbricazione dei microneedle, questa tecnica non richiede né complessi e costosi impianti di produzione né esperienza nella microfabbricazione. Mentre la maggior parte dei microneedle stampati in 3D a basso costo fino ad oggi mostrano bassi rapporti di aspetto e scarsa nitidezza della punta, mostriamo che introducendo un metodo di fabbricazione dello stampo in due fasi “Print & Fill”, è possibile ottenere aghi affilati ad alto rapporto che sono in grado di penetrare nei tessuti. Studiando prima l’effetto dei vari parametri di input del disegno e le impostazioni di stampa, viene mostrato che gli aghi stampati sono sempre più corti di quanto specificato. Con altezza di ingresso decrescente, gli aghi iniziano anche a mostrare un diametro della base dell’ago sempre maggiore di quello specificato. Entrambi i fattori contribuiscono agli aghi a basso formato quando si tenta di stampare aghi di altezza inferiore al millimetro. Impostando l’altezza di input abbastanza alta, è possibile stampare aghi con rapporti di aspetto elevati e raggi di punta di 20–40 µm. Questa nitidezza della punta è inferiore alla risoluzione della stampante specificata. Di conseguenza, le matrici di aghi taglienti ad alto rapporto di aspetto sono stampate in bacini che vengono riempiti nuovamente e polimerizzati in una seconda fase, lasciando esposti i micronedri sub-millimetrici risultanti matrici di microneedle che possono essere utilizzate come maestri maschili. Gli stampi master femminili in silicone vengono quindi formati dagli array di microneedle fabbricati. Usando gli stampi, vengono prodotti array di carbossimetil cellulosa caricati con rodamina B e microneedle di acido polilattico e la loro qualità viene esaminata. Viene eseguito uno studio di inserzione cutanea per dimostrare le capacità funzionali delle matrici realizzate con stampi fabbricati. “

Importanti criteri di progettazione durante la realizzazione di microneedles includono la limitazione dell’altezza dell’ago alla gamma inferiore al millimetro e l’ottenimento delle proporzioni e del raggio della punta corretti per l’ago. Mentre gli MNA possono essere creati per un’applicazione diretta, i ricercatori hanno scelto di usarli come master per la fabbricazione di stampi per microneedle, che possono essere realizzati con una più ampia varietà di materiali.

Esistono molti modi per fabbricare microneedles per i maestri di stampi MNA, come litografia UV, incisione chimica a umido, litografia centrifuga, lavorazione a scarica elettrica e micromilling, ma poiché la maggior parte dei laboratori probabilmente non dispone dell’attrezzatura necessaria per eseguire questi metodi, il i ricercatori hanno scelto di utilizzare la stampa 3D SLA, in particolare la stampante 3D Form 2 di Formlabs, utilizzando Clear Resin.

“In questo studio, presentiamo un nuovo metodo personalizzabile per la fabbricazione di maestri di microneedle nell’ambito della ricerca, che può essere utilizzato per produrre stampi femminili che mira a superare i limiti dei precedenti microneedle prodotti utilizzando stampanti 3D desktop a basso costo che spesso soffrono di bassi raggio di punta e / o rapporti d’aspetto bassi “, hanno scritto i ricercatori. “Per migliorare la risoluzione delle caratteristiche, abbiamo sviluppato una tecnica in due fasi” Print & Fill “che consente la fabbricazione indiretta di master microneedle personalizzabili per la realizzazione di stampi mediante la stampa 3D SLA. Successivamente, i master microneedle e gli array di microneedle stampati sono caratterizzati dimensionalmente e valutati funzionalmente per la riproducibilità. “

I ricercatori hanno condotto uno studio parametrico in modo da poter trovare le impostazioni ottimali per fabbricare la migliore geometria dell’ago. Nello studio, hanno “quantificato il successo di stampa” misurando l’altezza, l’angolo, il raggio della punta e la rettilineità dell’ago. Gli aghi sono stati stampati in 3D con un rapporto di formato 4: 1 e il team ha scoperto che minore è l’altezza dello strato, più liscia la superficie dell’ago; le qualità accettabili dell’ago potevano essere raggiunte con 25, 50 e 100 µm, ma 25 era il migliore.

“Il primo parametro di progettazione misurato era l’altezza dell’ago di uscita, che era considerata inferiore al valore di altezza di ingresso impostato. Mentre gli aghi stampati erano più corti di quanto specificato nel modello virtuale, questo sembrava essere un fattore prevedibile “, hanno spiegato i ricercatori.

“Un secondo parametro di progetto misurato era l’angolo θ . È proporzionale alle proporzioni di un ago con nitidezza della punta infinita. Questo valore quantifica l’angolo tra i lati dell’ago indipendentemente dal raggio della punta. Le proporzioni effettive di un ago reale saranno inferiori rispetto a quelle di un ago perfetto (cioè un ago con una nitidezza infinita della punta) a causa della sua altezza intrinsecamente ridotta risultante dall’arrotondamento della punta. Questo parametro era relativamente proporzionato al valore di input per aghi di altezza di input maggiore. “

Il raggio di punta degli aghi stampati in 3D era compreso tra 20 e 40 µm, che è abbastanza nitido da perforare la pelle.

“La rettilineità dell’ago è stata anche quantificata estraendo il contorno dell’ago dalle immagini, convertendolo in un set di punti dati e il successivo calcolo del coefficiente di determinazione (R 2 ) per i punti dati per ciascun lato dell’ago. Un ago più dritto avrà un valore di R 2 più vicino a 1. I calcoli hanno riscontrato che questo valore è compreso nell’intervallo 0,95-0,99 per tutti gli aghi che indicano una buona linearità della stampa. “

I ricercatori hanno utilizzato queste impostazioni ottimizzate – altezza dello strato di 25 µm, altezza di ingresso di 2,5 mm e proporzioni 4: 1 – come input per la progettazione dei loro bacini di schiere di aghi, costituiti da una schiera di aghi 5 × 5. I bacini sono stati riempiti con una resina fotocurabile al fine di creare quattro tipi di matrici con aghi nell’intervallo sub-millimetrico desiderato. Gli MNA fabbricati sono stati usati per creare stampi in silicone microneedle, che sono stati testati sulla qualità producendo MNA da due tipi di polimeri.

I ricercatori hanno utilizzato gli stampi per creare microneedle in PLA e hanno anche condotto con successo uno studio sull’inserimento della pelle suina con gli MNA PLA.

Il metodo Print and Fill in due parti, economico e personalizzabile del team può essere sicuramente utilizzato da altri ricercatori di microneedle per completare la fabbricazione interna di stampi master e l’ottimizzazione parametrica degli MNA.