摩(mo)方助力(li)北理(li)工(gong)新(xin)研究(jiu)！具(ju)有高(gao)三(san)維能力(li)和高(gao)結(jie)構(gou)精(jing)度的定(ding)制(zhi)微針(zhen)的(de)制(zhi)造(zao)

在(zai)先進(jin)制造(zao)技(ji)術領域(yu)，三(san)維（3D）微結(jie)構(gou)的(de)制備技術(shu)已經成(cheng)為(wei)至關(guan)重要的探(tan)索(suo)方向(xiang)之(zhi)壹(yi)，為(wei)設計和(he)制造(zao)具(ju)有特(te)別(bie)功(gong)能(neng)的微器(qi)件提(ti)供(gong)了巨大(da)潛(qian)力。三(san)維微結(jie)構(gou)主(zhu)要分為(wei)兩部(bu)分(fen)：(i)不同(tong)形狀(zhuang)的(de)三(san)維主體結(jie)構(gou)，（ii）主(zhu)體結(jie)構(gou)上(shang)的(de)各(ge)種(zhong)腔體結(jie)構(gou)（包(bao)括(kuo)孔(kong)、槽(cao)、通道等(deng)）。盡管3D打印(yin)技術(shu)對於復雜(za)3D結(jie)構(gou)已(yi)經實(shi)現大(da)規模個性化定(ding)制，然(ran)而(er)在腔(qiang)體結(jie)構(gou)的(de)精密(mi)制(zhi)造(zao)方(fang)面(mian)，其打印腔(qiang)體的精(jing)度(du)仍存(cun)在(zai)壹(yi)定(ding)的局限性。如(ru)果(guo)直(zhi)接(jie)采用3D打印技(ji)術制(zhi)備高(gao)精(jing)度(du)通(tong)道結(jie)構(gou)，樹(shu)脂的殘(can)留會(hui)導(dao)致(zhi)腔(qiang)體結(jie)構(gou)的(de)堵塞，所(suo)以僅使用3D打(da)印(yin)技術(shu)難以達(da)到(dao)通(tong)道制(zhi)造(zao)所(suo)需的高(gao)精(jing)度(du)要(yao)求。因此，迫切(qie)需要新(xin)的加(jia)工(gong)方法彌(mi)補(bu)3D打印(yin)技術的不足。解(jie)決這壹(yi)制(zhi)造(zao)缺(que)陷，對於提高(gao)微(wei)器(qi)件的(de)制(zhi)造(zao)精(jing)度至關(guan)重要。

為(wei)此，北京(jing)理(li)工(gong)大學姜瀾院士、韓(han)偉娜研(yan)究(jiu)員(yuan)團隊(dui)提(ti)出(chu)了壹(yi)種(zhong)新(xin)型制造(zao)高(gao)精(jing)度(du)三(san)維微結(jie)構(gou)的(de)加(jia)工(gong)方法（圖(tu)1）。該(gai)團隊(dui)采用摩(mo)方精(jing)密(mi)面(mian)投(tou)影微(wei)立(li)體光(guang)刻(ke)（PµSL）3D打(da)印(yin)技(ji)術(shu)和飛秒激光(guang)貝(bei)塞爾(er)光(guang)束制孔(kong)相(xiang)結(jie)合(he)的方法創(chuang)建了具(ju)有高(gao)度(du)定(ding)制(zhi)、精確結(jie)構(gou)（包(bao)括(kuo)尺寸(cun)精(jing)度和深徑比）和(he)高(gao)效(xiao)加(jia)工(gong)的三(san)維結(jie)構(gou)。並將該(gai)技術(shu)成(cheng)功(gong)應用(yong)於定制(zhi)微(wei)針的生產(chan)，包(bao)括(kuo)斜尖微針和多(duo)孔(kong)微(wei)針，證明了該技(ji)術具(ju)有廣泛、高(gao)效(xiao)的(de)微(wei)孔(kong)加(jia)工(gong)能力，峰(feng)值(zhi)制孔(kong)速(su)度可(ke)達(da)每秒(miao)20萬(wan)個孔(kong)。這(zhe)項(xiang)技(ji)術(shu)不僅為(wei)制造(zao)具(ju)有微(wei)細(xi)腔體結(jie)構(gou)的(de)三(san)維器(qi)件提(ti)供(gong)了創(chuang)新(xin)方法，而(er)且(qie)具(ju)有廣泛的工(gong)業應用(yong)前(qian)景。

該(gai)研究(jiu)成(cheng)果(guo)以題(ti)為(wei)“Fabrication of customized microneedle with high 3D capability and high structural precision" 在加(jia)工(gong)制造(zao)領(ling)域(yu)的(de)學術期(qi)刊(kan)《Additive Manufacturing》上(shang)發(fa)表(biao)。北京(jing)理(li)工(gong)大學激光(guang)微(wei)納(na)制造(zao)研(yan)究(jiu)所(suo)碩(shuo)士(shi)生陳朝倫和課(ke)題(ti)組助理(li)實(shi)驗(yan)師(shi)王(wang)智(zhi)為(wei)共同第(di)壹(yi)作(zuo)者，韓(han)偉娜研(yan)究(jiu)員(yuan)為(wei)通訊作(zuo)者。

圖(tu)1.面(mian)投(tou)影微(wei)立(li)體光(guang)刻(ke)與(yu)飛(fei)秒(miao)激光(guang)貝(bei)塞爾(er)光(guang)束制孔(kong)相(xiang)結(jie)合(he)的新(xin)型制造(zao)方(fang)法原(yuan)理(li)圖

研(yan)究(jiu)團隊(dui)選(xuan)用摩(mo)方精(jing)密(mi)BIO（生物(wu)兼容性）樹脂(zhi)作(zuo)為(wei)打印材料(liao)，並使用microArch® S230（精(jing)度(du)：2μm）3D打印(yin)設備進(jin)行實(shi)驗(yan)。他(ta)們研(yan)究(jiu)了3D打印(yin)樣品(pin)的光(guang)學(xue)透明(ming)度(du)對飛秒(miao)激光(guang)貝(bei)塞爾(er)光(guang)束制孔(kong)能(neng)力的影響，並探究(jiu)了不同(tong)切(qie)片(pian)方向(xiang)對飛秒(miao)激光(guang)貝(bei)塞爾(er)制孔(kong)成(cheng)孔(kong)能(neng)力的影響。實(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)表(biao)明，橫(heng)向(xiang)切(qie)片(pian)可以(yi)實(shi)現穩(wen)定(ding)的微孔(kong)，並且(qie)通(tong)過(guo)加(jia)工(gong)排孔(kong)後沿(yan)孔(kong)裂(lie)片(pian)的方(fang)式(shi)，證(zheng)明了該加(jia)工(gong)方法能(neng)夠在三(san)維打印(yin)實(shi)體中產(chan)生連(lian)續(xu)穩(wen)定(ding)的高(gao)深(shen)徑比微(wei)孔(kong)結(jie)構(gou)。

圖(tu)2.模型切(qie)片(pian)方向(xiang)對打印(yin)實(shi)體光(guang)學(xue)透明(ming)度(du)的影響(xiang)

圖(tu)3.飛秒(miao)激光(guang)貝(bei)塞爾(er)光(guang)束在兩(liang)種(zhong)切(qie)片(pian)方向(xiang)下(xia)加(jia)工(gong)微孔(kong)的(de)結(jie)果(guo)

由(you)於錐(zhui)透鏡(jing)的(de)制造(zao)誤差導(dao)致(zhi)了貝(bei)塞爾(er)光(guang)束的畸(ji)變(bian)，因此在利用貝(bei)塞爾(er)光(guang)束軸向的(de)上(shang)半段加(jia)工(gong)微孔(kong)時(shi)，會(hui)產(chan)生旁瓣現象(xiang)（圖4）。雖然使用貝(bei)塞爾(er)光(guang)束的軸向下(xia)半段加(jia)工(gong)可以避(bi)免被加(jia)工(gong)微孔(kong)中出(chu)現旁瓣，然而(er)，此舉將(jiang)會(hui)導(dao)致(zhi)貝(bei)塞爾(er)光(guang)束能量(liang)的(de)大量損失，並對加(jia)工(gong)微孔(kong)的(de)深度造(zao)成(cheng)了限制。采用單(dan)脈(mai)沖(chong)處理(li)的無(wu)側(ce)葉(ye)微孔(kong)長(chang)度被限制在550 μm以內(nei)，顯然未(wei)能充(chong)分利用貝(bei)塞爾(er)光(guang)束的潛(qian)力。為(wei)此研究(jiu)團隊(dui)采用雙(shuang)脈(mai)沖(chong)貝(bei)塞爾(er)光(guang)束技術(shu)，通(tong)過(guo)瞬(shun)態調(tiao)控局部(bu)電(dian)子狀(zhuang)態(tai)來(lai)消(xiao)除旁瓣（圖5）。當(dang)第(di)壹(yi)個脈沖(chong)照射材料(liao)時產(chan)生了大量(liang)的自(zi)由電(dian)子，這些(xie)自(zi)由(you)電(dian)子改變(bian)了材料(liao)的瞬(shun)時局部(bu)特(te)性，如(ru)反(fan)射率(lv)和透射率(lv)，從而(er)抑(yi)制了材料(liao)對第(di)二次(ci)脈(mai)沖(chong)能量(liang)的吸收，導(dao)致(zhi)深(shen)度(du)下(xia)降(jiang)。旁瓣相對於主瓣的影(ying)響區域(yu)相(xiang)對較(jiao)短，導(dao)致(zhi)旁瓣隨著加(jia)工(gong)深度的減小而(er)逐(zhu)漸(jian)衰減(jian)。利用該方法加(jia)工(gong)而(er)成(cheng)的(de)無(wu)旁瓣微孔(kong)長(chang)度均(jun)高(gao)於單(dan)脈(mai)沖(chong)條件下(xia)無(wu)旁瓣微孔(kong)的(de)最(zui)大(da)加(jia)工(gong)深度，且(qie)均(jun)超(chao)過(guo)800 μm，已(yi)接(jie)近(jin)當(dang)前(qian)激光(guang)條(tiao)件下(xia)的加(jia)工(gong)深度極限。

圖(tu)4.飛秒(miao)激光(guang)貝(bei)塞爾(er)光(guang)束成(cheng)孔(kong)旁瓣現象(xiang)

圖(tu)5.雙(shuang)脈(mai)沖(chong)優化貝(bei)塞爾(er)光(guang)束成(cheng)孔(kong)

微(wei)針因其體積小(xiao)巧(qiao)、結(jie)構(gou)復(fu)雜，在其表(biao)面(mian)上(shang)進(jin)行微孔(kong)加(jia)工(gong)時，相較(jiao)於大面(mian)積(ji)的平面(mian)樣(yang)品的加(jia)工(gong)工(gong)程(cheng)，兩者存(cun)在(zai)顯著差異(yi)。首(shou)先(xian)，微(wei)針(zhen)的打印層厚(hou)度(du)的(de)差異(yi)將(jiang)直(zhi)接(jie)導(dao)致(zhi)所(suo)形(xing)成(cheng)的(de)微(wei)孔(kong)尺(chi)寸(cun)出(chu)現相(xiang)應的(de)變(bian)化。（圖(tu)6）。由(you)於不同(tong)層厚(hou)微(wei)針(zhen)的(de)固(gu)化程(cheng)度的不同(tong)，導(dao)致(zhi)不同(tong)層厚(hou)的(de)微(wei)針(zhen)材料(liao)模量(liang)不同(tong)，使得(de)在(zai)相同的激光(guang)條(tiao)件下(xia)，較(jiao)厚(hou)打(da)印(yin)層的微(wei)針(zhen)能夠形成(cheng)更(geng)大(da)直(zhi)徑的空腔。但打印(yin)層更厚(hou)的(de)微(wei)針(zhen)由(you)於在打(da)印(yin)過(guo)程(cheng)中更(geng)易變(bian)形，影(ying)響(xiang)了微針(zhen)的透光(guang)性，進(jin)而(er)減小(xiao)了微孔(kong)的(de)深度。其次(ci)，微(wei)針(zhen)邊長不同(tong)及(ji)同壹(yi)微(wei)針上(shang)的(de)不同(tong)位置加(jia)工(gong)出(chu)的微(wei)孔(kong)深(shen)度也(ye)有所(suo)不同(tong)（圖7）。這是由於在打(da)印(yin)過(guo)程(cheng)中不同(tong)位置的(de)收(shou)縮率(lv)差異(yi)會(hui)導(dao)致(zhi)材料(liao)內(nei)部(bu)產(chan)生內(nei)應力(li)，這些內(nei)應力(li)主要集中在(zai)打(da)印部(bu)件的(de)邊緣，並隨著離(li)邊緣距離(li)的(de)增(zeng)加(jia)而(er)減小(xiao)。由(you)於微針(zhen)尺(chi)寸(cun)小(xiao)，邊緣和中心(xin)之間(jian)的距離(li)很(hen)短，整(zheng)個柱受(shou)到內(nei)應力(li)的影響很大，從而(er)限制了微孔(kong)深(shen)度，尤其是邊緣附近(jin)的(de)微(wei)孔(kong)深(shen)度更小。隨著微(wei)針針(zhen)尖直(zhi)徑的減(jian)小(xiao)，加(jia)工(gong)位置與(yu)邊緣之間的(de)距離(li)減(jian)小，導(dao)致(zhi)內(nei)應力(li)增(zeng)大，進(jin)壹(yi)步(bu)降(jiang)低(di)了微孔(kong)深(shen)度，甚至可能(neng)無(wu)法形(xing)成(cheng)微(wei)孔(kong)。為(wei)克服這壹(yi)難(nan)題(ti)，研究(jiu)團隊(dui)提(ti)出(chu)了兩段(duan)式制(zhi)孔(kong)技(ji)術（圖8）。該方法被(bei)證(zheng)明適(shi)用(yong)於各(ge)種(zhong)異(yi)形(xing)微(wei)針(zhen)上(shang)的(de)微(wei)孔(kong)加(jia)工(gong)。

圖(tu)6.打印(yin)層厚(hou)對貝(bei)塞爾(er)光(guang)束成(cheng)孔(kong)的(de)影響

圖(tu)7.不同(tong)微針邊長及(ji)微針(zhen)上(shang)不同(tong)加(jia)工(gong)位置的貝(bei)塞爾(er)光(guang)束成(cheng)孔(kong)

圖(tu)8.異(yi)形(xing)微(wei)針(zhen)上(shang)微(wei)孔(kong)的(de)兩階段制孔(kong)技(ji)術

鑒於單(dan)個微針體積小(xiao)，其載藥(yao)和(he)提(ti)取能(neng)力(li)自然(ran)受(shou)限。因此，為(wei)充分發揮(hui)微(wei)針功(gong)效(xiao)，通常以微(wei)針(zhen)陣列(lie)的形式使用，以(yi)實(shi)現效(xiao)率(lv)maximum。研究(jiu)團隊(dui)利用圖像識(shi)別(bie)技術對每個微針進(jin)行精確定位(wei)，確保貝(bei)塞爾(er)光(guang)束能夠精確地對準每個微針的(de)頂(ding)端中心(xin)，從而(er)形成(cheng)均(jun)勻且(qie)形(xing)狀(zhuang)規則的(de)微(wei)孔(kong)。在(zai)確保微孔(kong)加(jia)工(gong)質(zhi)量的同(tong)時，貝(bei)塞爾(er)光(guang)束的單(dan)脈(mai)沖(chong)穿(chuan)孔(kong)機(ji)制還(hai)提(ti)供(gong)了高(gao)效(xiao)的(de)加(jia)工(gong)速(su)度，實(shi)現了每秒(miao)高(gao)達(da)20萬(wan)個孔(kong)的(de)峰(feng)值(zhi)制孔(kong)速(su)度。

圖(tu)9.空心(xin)微針(zhen)陣列(lie)的制備及(ji)大幅面(mian)微(wei)孔(kong)加(jia)工(gong)能力展(zhan)示

綜上(shang)所(suo)述(shu)，利用PμSL技術和(he)飛(fei)秒(miao)激光(guang)貝(bei)塞爾(er)光(guang)束相結(jie)合(he)的方法，能(neng)夠實(shi)現在(zai)微針(zhen)上(shang)高(gao)深(shen)徑比微(wei)孔(kong)的(de)制備。該方(fang)法證(zheng)明(ming)了實(shi)現直(zhi)徑約(yue)1μm的(de)微(wei)孔(kong)的(de)可行性，並且(qie)具(ju)有較(jiao)高(gao)的(de)制(zhi)孔(kong)效(xiao)率(lv)，尤其對於提取細(xi)胞外囊(nang)泡(pao)和(he)小(xiao)分子藥(yao)物(wu)遞送(song)等(deng)領(ling)域(yu)具(ju)有廣闊(kuo)應用(yong)前(qian)景。這(zhe)項(xiang)技(ji)術(shu)有望(wang)通(tong)過(guo)其多(duo)功(gong)能(neng)性來創(chuang)建具(ju)有內(nei)部(bu)微(wei)通(tong)道的(de)復雜(za)三(san)維器(qi)件，從而(er)增(zeng)強疾病的診(zhen)斷和(he)治(zhi)療(liao)。