微型3D打印有可能彻底改变医疗设备的发展。
梅奥诊所的Seth Hara和Renc Saracaydin
梅奥诊所工程部是一个嵌入式工程团队,为整个企业的研究人员和临床医生提供工程支持和服务。为了满足他们的需求,工程团队已经采用了微型3D打印技术。
微型3D打印在医疗设备的发展中仍然是相对较新的。随着这项技术的不断成熟,该领域将继续发现新的和令人兴奋的机会来推进医学实践。
顾名思义,微型3D打印是使用增材制造技术来生产具有小到几微米特征的结构。把所有的东西都放在尺度上,一根头发的直径大约是100微米;那是十分之一毫米或千分之四英寸。如此小规模的3D打印能力为生物医学领域的各种应用打开了大门。
该技术还可以制造3D微流控芯片,用于诊断血液测试、细胞分选、药物发现和类器官合成等应用。它可用于制造药物输送系统,如微针阵列,以允许药物或疫苗的自我管理无痛和有效。此外,它能够制造多孔结构或支架,可用于指导细胞的生长和增殖,用于再生医学应用,如脊髓损伤的治疗。除了这些尖端应用之外,微型3D打印还可以制造连接器、固定装置和其他对医疗设备至关重要的辅助组件。
微型3D打印成型
在过去的十年里,大量的3D打印技术已经商业化。一些最常见的是材料挤压,还原光聚合,粉末床融合和材料喷射。尽管这些技术能够制造具有很高重复性和可靠性的相对较大的组件,但它们往往难以将功能缩小到几百微米以下。
然而,随着光学、微机电系统(MEMS)和材料科学的进步,能够进行微型3D打印的新技术已经出现。其中一些技术的专有名称是微立体光刻(µSLA)、微数字光处理(µDLP)、投影微立体光刻(PuSL)和双光子聚合(2PP)。
这些技术的工作原理是相似的(除了2PP,后面会解释)。粘性光聚合树脂暴露在可见光或紫外线(UV)光下,根据所需部分的几何形状。当光与树脂相互作用时,它会固化树脂并将其变成刚性聚合物。具体地说,由紫外光提供的能量产生了被称为自由基的反应性物种,自由基共价地结合到单体和/或低聚物上,以启动光聚合反应。
随着越来越多的分子结合在一起,反应不断扩展,直到终止。这种反应会产生长的聚合物链,根据所使用的树脂类型,聚合物链可以相互连接。每一层都重复这个过程,直到实现最后一部分。使这些技术能够在微尺度上打印的是,它们能够通过使用定制的树脂化学和光聚合反应的高度定位和1至5微米的高光学分辨率。
另一方面,2PP在不同的状态下工作,并利用树脂化学,需要两个飞秒脉冲来光聚合一个极其局部的焦体积。这使得结构可以以亚微米分辨率自由打印,抵消了前一种技术可以完成的更大的建造量。
微型3D打印的挑战
与任何新兴技术一样,要实现微尺度3D打印的全部潜力,还必须解决许多挑战和障碍。必须开发新材料,以利用光学技术的进步,必须调整工艺,使光聚合控制在小体积内,同时充分形成安全键。
一旦零件打印出来,后处理就会面临另一轮挑战。与任何树脂印刷一样,未固化的树脂必须从空腔和管腔中去除。这通常是通过将零件浸泡在溶剂浴中并搅拌溶液来实现的。然而,由于微型印刷品的特征较小,因此搅拌必须小心进行,以防止损坏和破损。这是更加困难的复杂的图案和小体积设计成微型部件,这往往需要更多的搅拌,以适当地去除所有未固化的树脂。这些相互竞争的要求突出了工艺调整和微型打印设计策略的关键需求。
用于医疗设备开发的微型3D打印为处理考虑增加了额外的复杂性。用于微尺度打印的材料通常没有很长的生物相容性历史,必须对预期的应用进行彻底的测试。此外,必须对打印过程本身进行评估和控制,以验证最终部分的材料特性是可重复的和安全的。如果打印零件要用于需要灭菌的应用,则必须在设计阶段制定策略,以确保所选的灭菌工艺不会对零件的材料性能产生负面影响,并且所有表面都经过适当的灭菌。
这对于增材制造和医疗器械的发展都是一个激动人心的篇章。微型3D打印为研究人员和工程师开发下一代医疗设备打开了新的可能性,并为他们提供了工具。
随着这项新技术面临的挑战得到解决,微尺度3D打印将可能成为这一高度创新领域的常见和可行的制造工具。
Renc Saracaydin正在加州大学洛杉矶分校攻读材料科学与工程硕士学位,并作为梅奥诊所的研究生微制造实习生从事微尺度增材制造。
赛斯·哈拉是梅奥诊所工程部的高级工程师和微加工实验室的经理。他拥有生物ems的背景,并获得南加州大学生物医学工程博士学位。
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