《先進功能材料》4D打印帶倒刺的仿生微針陣列！增強組織附著力健康頭條網

近一個世紀以來，皮下注射針已被廣泛用於藥物注射和體液收集。然而，由於其侵入性，在注射期間會給患者造成明顯的疼痛；並且不可避免地導致組織損傷，存在潛在感染的風險。微針（MN）是一種長度為數百微米的微型針，由於其微創，無痛且易於使用的特性而受到了廣泛的關注。然而，由於微針較低的組織粘附性使得其無法在控制長期藥物輸送或生物傳感方面得到應用。儘管目前人們已經從自然界的生物中發現了具有高組織粘附力的微觀結構（例如，寄生蟲的微鉤，蜜蜂的尾刺針，豪豬的針毛），但是使用傳統的製造方法來製造具有如此複雜微觀結構特徵的微針仍然是一項挑戰。

圖1 蜜蜂和豪豬的倒刺

基於此，美國羅格斯大學Howon Lee和意大利比薩大學Giuseppe Barillaro合作團隊提出一種採用4D處理打印技術製造具有後向曲面倒鉤以增強組織附著力的仿生微針。作者以聚乙二醇雙丙烯酸酯（PEGDA Mw=250）為單體，苯基雙(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦為光引發劑（PI）和蘇丹I為光吸收劑（PA），利用光固化聚合反應過程中的交聯密度梯度，通過脫溶劑誘導變形而製備具有後向倒刺的仿生微針。通過調控曝光固化參數和前驅體溶液組成來控制倒刺的厚度和彎曲曲率。實驗結果表明，含有倒刺結構的仿生微針的組織附著力是普通微針的18倍；仿生微針在組織中具有持續的藥物釋放行為（雞胸肉中羅丹明B在6 h時的持續釋放量達到2.5µg）；仿生微針陣列在軟組織應用中具有的強大潛力，在經皮下給藥，組織傷口癒合、長期體內藥物傳遞和生物傳感方面具有豐富的應用前景。

製備具有倒刺結構的仿生微針

為了增強組織的附著力，微針上的倒鉤需要面向與微針尖端相反的方向。但是3D打印具有逐層特性，任何不被上一層支持的結構部分都是不可實現的，所以即使使用3D打印也無法制備如此複雜的微針。因此課題組成員利用4D打印技術，將水平打印的倒鉤變形為面向後的形狀（圖2B）。由於固化光集中在前驅體溶液的表面，光聚合從表面逐漸向溶液中擴散（圖2Bii），因此形成具有梯度交聯的網絡。因此，當仿生微針陣列乾燥時，倒鉤的底部收縮，導致倒鉤向下彎曲（圖2Biv）。

圖2 利用4D打印製備仿生微針

控制倒鉤的厚度和曲率

仿生微針的組織粘附主要是由面向後的彎曲倒鉤決定。因此，通過控制倒鉤的幾何形狀，如厚度和彎曲曲率，將有效地控制仿生微針的組織粘附能力。作者通過控制光暴露時間和前驅體溶液的材料組成來控制倒刺的厚度和彎曲曲率（圖3）。在前驅體溶液（PI 72 × 10⁻³m/PA 2.0 × 10⁻³m）固化1.1 s來得到最大的厚度（100 µm）和彎曲曲率（R = 300 µm）。

圖3根據光暴露時間(固化時間)和前驅體溶液的材料組成控制倒刺的厚度和彎曲曲率

仿生微針的粘附性能作者設計了一種機械測試系統技術（圖4A），首先將組織模型（瓊脂糖凝膠或雞的肌肉組織）的表面用微針的尖端首先進行穿刺。隨著微針深入到組織模型中，微針開始承受壓力；將微針插入停止時，由於組織模型的粘彈性鬆弛，壓力開始減小直至降為0；然後開始拉出階段，由於微針和組織之間的靜摩擦力，當微針從組織模型中拉出時，拉力首先增長，然後在最大臨界點開始下降（圖4B），通過研究最大拉力（Fm）來評估粘附能力。作者分別研究了不同的單排倒刺數目0-6和不同排數倒刺0-5的粘附能力，發現五行帶刺仿生微針的最大拔出力可以得到0.054 N(±0.007 N)約為無刺微針最大拔出力的18倍。