隨著長時間的進(jìn)化自然界的許多動植物的生物材料展現(xiàn)了優(yōu)異的力學(xué)性能。這些令人贊嘆的力學(xué)性能得益于特殊的微觀結(jié)構(gòu)特性，并引起了人們廣泛的研究興趣。比如說龍蝦鰲特殊的螺旋結(jié)構(gòu)具有很高的強度和剛度。魚鱗的重疊和互鎖結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了超輕的靈活性和高抗沖壓性。其中，一種外形類似蝸牛的水生生物帽貝的牙齒打敗蜘蛛絲被譽為世界上最堅韌的生物物質(zhì)。帽貝牙齒之所以能成為最強韌的生物材料是因為該牙齒是排列的針鐵礦組織纖維和基于蛋白質(zhì)的聚合物組成。該針鐵礦的纖維有規(guī)律的排列在帽貝牙齒里使得該材料的強度不會隨著物體規(guī)模的變化而減弱。

微針由于其使用方便和較小的感染風(fēng)險，在藥物輸送應(yīng)用中展現(xiàn)出許多優(yōu)勢。微針已經(jīng)應(yīng)用在美容，醫(yī)療，疫苗接種等領(lǐng)域。與其他微尺度制造方法相比，3D打印技術(shù)可以很容易地克服復(fù)雜幾何形狀和多種藥物可控釋放的微針制造難題。然而，由于材料力學(xué)特性和制造工藝的限制，現(xiàn)階段的微針因為體型較大很難實現(xiàn)無痛注射，使得患者不得不忍受疼痛和不舒適感。受到微米級帽貝牙齒材料結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，南加州大學(xué)Yong Chen 教授課題組和亞利桑那州立大學(xué)Xiangjia Li課題組設(shè)計出一種具有力學(xué)增強的可實現(xiàn)藥物有效釋放的無痛微針。本方法采用特殊磁場輔助3D打印技術(shù)，可以在打印過程中通過磁場排列四氧化三鐵納米粒子使得排列的納米粒子簇被固化的樹脂包裹，從而形成類似于帽貝牙齒的特殊排列結(jié)構(gòu)。論文以Limpet Tooth‐Inspired Painless Microneedles Fabricated by Magnetic Field‐Assisted 3D Printing為題，發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》期刊，并被選為Inside Back Cover （圖一）, 亞利桑那州立大學(xué)航空機械工程系助理教授Xiangjia Li為第一作者。作者還包括南加州大學(xué)奧斯萊特羅亞科學(xué)院教授Yang Chai, 圣地亞哥州立大學(xué)機械工程系助理教授 Yang Yang，和亞利桑那州立大學(xué)航空機械工程系助理教授Qiong Nian.

在這項工作中，為了加工出傳統(tǒng)制造技術(shù)很難實現(xiàn)的帽貝牙齒材料的微觀排列結(jié)構(gòu)，該課題組采用‘磁場輔助光固化3D打印技術(shù)’（Magnetic Field‐Assisted 3D Printing），成功地仿造出了帽貝牙齒內(nèi)部有規(guī)律排列的微觀結(jié)構(gòu)（圖二b）。在加工過程中，光固化樹脂被選擇性的曝光從而形成特定的微針結(jié)構(gòu)。同時通過控制磁場強度，納米粒子比例，和納米粒子大小可以獲得不同幾何尺寸排列的納米粒子簇，進(jìn)而優(yōu)化3D打印微針的力學(xué)性能(圖二c)。得益于該3D打印的制造能力，在兼顧力學(xué)性能的情況下?lián)碛胁煌舛说慕嵌鹊奈⑨橁嚵斜怀晒Φ脑O(shè)計和研究(圖二d)。結(jié)果表明減少微針尖端的角度可以有效的減小穿透皮膚所需的力。通過動物實驗，該方法生產(chǎn)的微針在實現(xiàn)無痛注射的同時還可以有效的控制藥物釋放。

圖1. （a）自然界中帽貝（b）受帽貝牙齒超強材料啟發(fā)設(shè)計的微針陣列（c）磁場輔助光固化三維打印仿生微針結(jié)構(gòu)示意圖 (d) 三維打印仿生微針和微針內(nèi)部結(jié)構(gòu)的掃描式電子顯微鏡照片 （e）三維打印仿生微針?biāo)幬锞忈尩恼掌?/span>

該研究有助于進(jìn)一步開發(fā)可定制的微針以用于未來生物醫(yī)學(xué)和臨床應(yīng)用。同時該加工方法提供了一種基于帽貝牙齒微觀結(jié)構(gòu)新的制造思路進(jìn)一步開發(fā)和設(shè)計超強材料并應(yīng)用到高性能工程領(lǐng)域。

論文信息與鏈接：

Xiangjia Li*, Weitong Shan, Yang Yang, Dylan Joralmon, Yizhen Zhu, Yiyu Chen, Yuan Yuan, Han Xu, Jiahui Rong, Rui Dai, Qiong Nian, Yang Chai, Yong Chen, "Limpet Tooth‐Inspired Painless Microneedles Fabricated by Magnetic Field‐Assisted 3D Printing". Advanced Functional Materials, p.2003725.

全文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003725