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具有高三維能力和高結(jié)構(gòu)精度的定制微針的制造

供稿人:陳衍龍、連芩 供稿單位:西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室  發(fā)布日期:2024-12-31

三維(3D)微結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)已經(jīng)成為至關(guān)重要的探索方向之一,為設(shè)計(jì)和制造具有獨(dú)特功能的微器件提供了巨大潛力。三維微結(jié)構(gòu)主要包括不同形狀的三維主體結(jié)構(gòu)及各種腔體結(jié)構(gòu)(包括孔、槽、通道等)。如果直接采用3D打印技術(shù)制備高精度通道結(jié)構(gòu),樹(shù)脂的殘留會(huì)導(dǎo)致腔體結(jié)構(gòu)的堵塞,所以?xún)H使用3D打印技術(shù)難以達(dá)到通道制造所需的高精度要求。

因此,北京理工大學(xué)的Chen等[1]將投影微立體光固化成型技術(shù)(PμSL)與飛秒(fs)激光貝塞爾光束鉆孔相結(jié)合,如圖1所示,創(chuàng)建了具有高度定制、精確結(jié)構(gòu)(包括尺寸精度和深徑比)和高效加工的三維結(jié)構(gòu),并將此應(yīng)用于生產(chǎn)定制微針。

圖1 面投影微立體光刻與飛秒激光貝塞爾光束制孔相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

該團(tuán)隊(duì)研究了飛秒激光貝塞爾光束在PμSL成型樣品上的微孔加工過(guò)程,并探究了不同切片方向?qū)︼w秒激光貝塞爾制孔成孔能力的影響,如圖2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,橫向切片可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的微孔,并且通過(guò)加工排孔后沿孔裂片的方式,證明了該加工方法能夠在三維打印實(shí)體中產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的高深徑比微孔結(jié)構(gòu)。

圖2 飛秒激光貝塞爾光束在兩個(gè)切片表面下處理的結(jié)果

微針因其體積小巧、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)微孔鉆孔具有極大影響,研究團(tuán)隊(duì)提出了空心微針的解決方案以解決深度限制,并成功應(yīng)用于各種定制微針的制造。此外,還引入了一種兩階段鉆孔方法,可在微針上高效地加工微孔,展示精確的定位和圓度。鑒于單個(gè)微針體積小,其載藥和提取能力自然受限。因此,為充分發(fā)揮微針功效,通常以微針陣列的形式使用,以實(shí)現(xiàn)效率最大化。研究團(tuán)隊(duì)利用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)每個(gè)微針進(jìn)行精確定位,確保貝塞爾光束能夠精確地對(duì)準(zhǔn)每個(gè)微針的尖端中心,從而形成均勻且形狀規(guī)則的微孔。在確保微孔加工質(zhì)量的同時(shí),貝塞爾光束的單脈沖穿孔機(jī)制還提供了高效的加工速度,實(shí)現(xiàn)了每秒高達(dá)20萬(wàn)個(gè)孔的峰值制孔速度,如圖3所示。

圖3 空心微針陣列的制備及大幅面微孔加工能力展示

綜上所述,利用PμSL技術(shù)和飛秒激光貝塞爾光束相結(jié)合的方法,能夠?qū)崿F(xiàn)在微針上高深徑比微孔的制備。該方法證明了實(shí)現(xiàn)直徑約1μm的微孔的可行性,并且具有極高的制孔效率,尤其對(duì)于提取細(xì)胞外囊泡和小分子藥物遞送等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。這項(xiàng)技術(shù)有望通過(guò)其多功能性來(lái)創(chuàng)建具有內(nèi)部微通道的復(fù)雜三維器件,從而增強(qiáng)疾病的診斷和治療。

參考文獻(xiàn):

  1. Chen Z ,Wang Z ,Jiang L , et al. Fabrication of customized microneedle with high 3D capability and high structural precision[J].Additive Manufacturing,2024,95104509-104509.
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