一、研究背景

微针（MNs）是一种微创经皮药物递送技术，可无痛穿透皮肤外层，实现精准局部给药与可控释放，相比口服、皮下注射更安全、患者依从性更高，广泛用于疫苗递送、胰岛素给药及慢性病管理。其中可溶解微针（常用透明质酸HA、聚乳酸-羟基乙酸共聚物PLGA制备）因可生物降解、无需处理锐器废料，成为研究主流。

但现有可溶解微针存在三大核心痛点：

1. 内部空隙缺陷：微针制备（离心微模塑、注塑）时易混入空气，形成内部空隙，导致针尖成型不完整、机械强度不足，插入皮肤时易弯曲失效；空隙源于溶剂蒸发时的马兰戈尼效应，且隐蔽难检测。
2. 基底刚性过大：微针模塑时会形成刚性基底，难以贴合皮肤、器官的凹凸表面，大面积或长期使用时易提前脱落。
3. 多药递送受限：单根微针混合多种药物易发生相互作用，且难以精准控制给药剂量与释放速率，无法满足癌症治疗、伤口愈合等需“快速+长效”双相给药的临床需求。

为解决上述问题，研究提出真空辅助直接墨水书写（DIW）3D打印技术，制备无空隙、柔性、异相微针网（hetero-MN），实现HA微针（快速释放）与PLGA微针（长效释放）一体化制备，为双相药物递送提供新方案。

二、研究内容（含实验配方+实验步骤）

2.1 实验材料

低分子量透明质酸钠（LHA，50 kDa，韩国现代生物）、高分子量透明质酸钠（HHA，中国华熙生物）、PLGA（50:50，韩国KD 3D Materials）、PDMS（道康宁Sylgard 184）、罗丹明B（RB）、异硫氰酸荧光素-葡聚糖（FD）、PBS缓冲液、猪皮（韩国本地屠宰场）、27号锥形喷嘴、注射器等。

2.2 核心实验配方（DIW墨水制备）

2.3 实验步骤

2.3.1 PDMS微针模具制备

1. 3D CAD设计铝制母模：21×21阵列锥形微针，尺寸600μm（高）×400μm（宽），针间距1400μm；
2. PDMS浇筑于铝制母模，固化后剥离，得到PDMS阴模（厚度＜1mm，保证透气性）。

2.3.2 真空辅助DIW打印装置搭建

1. 3D打印真空夹具：晶格支撑（厚0.2mm，间距1mm）+真空腔，连接真空泵，提供-0.09MPa负压；
2. PDMS模具固定于真空夹具，DIW打印机（Nordson EFD Pro 4L）校准，喷嘴距模具150μm。

2.3.3 异相微针网分步制备

图1 异相微针网DIW制备流程示意图：(i)真空夹具；(ii)PLGA墨水挤出；(iii)HHA墨水制备HA微针；(iv)LHA墨水打印柔性网，材料差异实现微针顺序溶解

1. PLGA微针制备：挤出压力30-50kPa，单次挤出0.2s；130℃加热30min固化，脱模备用。
2. HA微针制备（控湿+控间隔）：
   • 环境湿度＞90%（加湿器维持，防止马兰戈尼效应）；
   • PDMS模具氧等离子体处理（15W，≤2s，增强墨水粘附）；
   • 挤出压力380-400kPa，单次1s，分6次挤出，控制间隔时间避免空隙/残留。
3. LHA柔性网打印：挤出压力70-100kPa，预延迟0.3s，重复4次挤出，覆盖微针阵列形成柔性基底。

图2 PDMS模具、真空夹具及墨水制备：(A-B)铝制母模；(C)真空夹具上的PDMS模具；(D)三种墨水制备；(E)墨水表观粘度-剪切速率曲线（均具剪切变稀特性，适配DIW打印）

2.3.4 性能测试

1. 墨水流变测试：旋转流变仪测试0.1-100s⁻¹剪切速率下的粘度，验证剪切变稀特性；
2. 体外药物释放：微针固定于PET膜，浸入PBS（36.5℃）；HA微针20分钟内取样，PLGA微针40天内取样，荧光分光光度计定量药物释放量；
3. 离体猪皮插入实验：万能试验机（UTM）测试插入力、深度；冷冻切片+荧光显微镜观察药物分布；
4. 微观形貌表征：扫描电镜（SEM）观察微针结构，验证无空隙、形态完整。

2.4 关键优化参数

• 真空负压：-0.09MPa，消除微针内部空气空隙；
• HA微针制备：湿度＞90%，避免溶剂蒸发不均导致形变；
• 氧等离子体处理：≤2s，平衡墨水粘附与脱模难度；
• 挤出间隔：精准控制，防止空隙或墨水残留。

图3 HA微针制备关键参数优化：(A)干湿环境下溶剂蒸发差异；(B)不同湿度下挤出间隔时间；(C)不同间隔/湿度下微针截面（90%湿度+最优间隔实现无空隙）

图4 异相微针微观形貌与图案化：(A)微针成型过程截面；(B)SEM图（PLGA/HA微针形态完整）；(C-D)微针网制备过程及阵列；(E)图案化微针网（校徽、实验室缩写）

三、研究结论

1. 技术突破：无空隙异相微针网成功制备：真空辅助DIW技术结合高湿控、精准挤出间隔，彻底消除微针内部空隙，制备的PLGA/HA异相微针形态完整、机械强度高，解决传统微针核心缺陷；柔性LHA基底可贴合凹凸皮肤，避免脱落。
2. 双相药物递送效果优异：
   • HA微针（快速释放）：20分钟内释放89% FD，1小时内完成给药，适配急性炎症、急救等快速给药场景；
   • PLGA微针（长效释放）：40天内缓慢释放89% RB，适配慢性病、术后护理等长期治疗场景；
   • 药物分别负载于不同微针，避免相互作用，精准控制释放速率与剂量。
3. 皮肤插入性能优越：无空隙HA微针插入力24.9g、PLGA微针16.6g，可稳定穿透猪皮角质层，插入深度约550μm（微针高度600μm，穿透率超90%，远高于传统微针＜83%）；有空隙微针无法穿透皮肤，验证空隙消除的关键价值。
4. 可定制化强，应用前景广：DIW技术支持微针阵列图案化设计，可按需调整HA/PLGA微针比例、药物种类，适配癌症治疗、伤口愈合、疫苗递送、慢性病管理等多场景，为先进多药递送提供通用平台。

图5 药物释放与猪皮插入实验结果：(A)HA微针快速释放曲线；(B)PLGA微针长效释放曲线；(C-D)插入力-位移曲线；(E-F)猪皮冷冻切片（荧光显示药物成功递送至真皮层）

总结：真空辅助DIW技术成功解决传统微针空隙、刚性、多药递送难题，制备的无空隙异相微针网实现“快速+长效”双相药物递送，机械性能、递送效率显著优于现有技术，为临床精准给药提供创新、可定制化的微针递送方案。

四、论文信息