3 d打印技术制造工艺的精细控制微针的形状

微针电极(我)是用于监测生物电子信号通过皮肤渗透,它弥补了一个限制表面电极。然而,现有制造我的有限控制显微针头的形状,这是直接相关的性能和耐用性微电极。在这项研究中,一种新的方法使用3 d印制技术开发控制针斜角度。通过控制印刷的角度方向,针斜角度都发生了变化。各种角度的印刷方向(0 - 90°)研究了制造模型,这些模型用于微针可以使聚酰亚胺(PI)的生物相容性捏造事实的人使用。高度实现率和长宽比也优化π微调查。捏造的渗透测试针头会是猪的皮肤。π的微针1000μm捏造的印刷40°角显示54.5°的坡口角度,可以穿透猪皮肤。结果表明,这个建议制造可以使用各种高分子材料应用于优化微针的形状。

生物电分析信号是重要的生理参数,允许身体的状态和信息。最常见的方法来监测生物电子信号如肌电图(EMG)附加表面电极(SE)在皮肤上。微针电极(我)是一种侵入性的干电极针穿透皮肤的角质层,所以录音质量提高而SE。在我当前的制造过程中,腐蚀等各种方法(1,2,3,4,5,6,188bet登入官网 ],光刻[188bet登入官网 ,188bet登入官网 ),成型9,10,11,12,188bet登入官网 ),磁流变画光刻(188bet登入官网 ,188bet登入官网 ),热(188bet登入官网 ),激光加工(17,18,19,20.,21,188bet登入官网 ),电火花加工(188bet登入官网 ,188bet登入官网 ),和各种其他方法已经开发出来。这些方法允许设计长度或微自由的长宽比,从而能够创造一个最佳的设计。然而,大多数制造过程需要昂贵的设备和多个构筑的步骤。

此外,微针的材料也很重要。目前,各种类型的材料是用于显微针头,诸如刚性材料(188bet登入官网 ,188bet登入官网 ),聚合物(188bet登入官网 ,188bet登入官网 ),和硅(188bet登入官网 ,188bet登入官网 ]。皮肤的渗透微针需要硬材料。然而,有一个风险内的微针植入后破损的皮肤,导致各种副作用。

因此,生物相容性和灵活的材料,如聚合物是喜欢制造微针。聚合物微主要由成型加工制造。有很多方法可以做微针模具。最近,它有可能开发出更复杂的和复杂的显微针头使用高分子材料在一个廉价的成本通过使用3 d印刷成型制造过程(188bet登入官网 ]。目前,各种机制为3 d打印技术已经开发出来,如FDM熔融沉积(建模),DLP(数字光处理),SLA(立体光刻装置),等等。在这项研究中,SLA印刷方法被用来制造3 d印刷微针模具。SLA印刷使用激光硬化固化树脂。激光发射在树脂槽变硬树脂形成一层,下一层是层堆叠。目前,SLA印刷方法被广泛使用,因为它是相对便宜和允许复杂的印刷。然而,是有限度的决议,因为这项决议的输出是由激光的大小决定的。自从SLA打印机操作使用相同的机制在无花果。188bet登入官网 ,它是无法表达层小于激光大小。由于这些机制,设计和输出结果是不同的,由于3 d打印机的分辨率限制,印刷精致显微针头等小物件。

在这项研究中,为了减少针头会对人体的影响后插入到皮肤,使用聚合物微针是捏造的,而不是一个刚性金属等物体。然而,高分子材料通常机械强度较低,在渗透造成破坏。因此,优化聚合物微针的形状、长度和坡口角度需要最大化渗透能力。特别是,微针的斜面提示减少了插拔力要求穿透皮肤的角质层,从而减少疼痛和破损的可能性微针的188bet登入官网 ,188bet登入官网 ,188bet登入官网 ]。

然而,有一些限制使用聚合物微针电极。第一个是微包括植入期间及之后的耐久性。第二个是,很难控制显微针头的形状包括针斜与渗透能力直接相关,安全植入后,和组织损伤。目前的3 d印刷制造需要一种新的方法,因为它很难满足这些需求由于分辨率的限制。尽管几次,一个有效的过程控制微针形状使用柔软和生物相容性材料还没有被开发出来。

在这项研究中,我们提出一个新的3 d印刷制造工艺,使控制微针斜角度的聚酰亚胺(PI)显微针头。聚酰亚胺(PI)具有良好的生物相容性188bet登入官网 ),与金属底材的附着力极佳。这允许提供微创渗透皮肤由于相对较软材料时最大化其渗透能力。最大化π显微针头的渗透,微针斜角度改变通过改变印刷SLA打印机从0到90°角如无花果所示。188bet登入官网 b。由于3 d打印分辨率的局限性,精致的微针提示无法使用正常的方法制造(α= 0°),而印刷角度变化提供不同的坡口角度(无花果。188bet登入官网 c, d)。此外,长宽比和可实现的π微针的高度进行了各种长度(100年至1000年μm)。最后,渗透测试的组合π微针通过猪的皮肤是找到优化的条件下进行的。

3 d印刷微电极制造

玉米形状微设计使用AutoCAD 2020,然后被使用3 d形式打印3打印机(FormLabs,萨默维尔市,马萨诸塞州)与不同的印刷角度(α)从0到90°(10°步骤)。微的高度也改变了从100年到1000年µm调查高度实现从设计到制作输出速度以及捏造微的长宽比。第一成型过程中,3 d印刷模具设计形成PDMS模具。PDMS涌入印刷模具,并形成最终的PDMS模具。之后,π涌入PDMS模具,然后放在一个真空室1 atm 10分钟去除泡沫以及填补π到狭窄的空缺在模针模式。固化是由暴露紫外线(405海里)到π,和硬烘烤(1 h 200°C)。最后,微针从PDMS模具(图中删除。188bet登入官网 一)。188bet登入官网 b显示了装配式π微针的照片。

微针的特点

捏造微针是调查使用SEM分析形状、长度和捏造微针的斜面角度。此外,捏造π微针的插入测试是在猪皮肤也有类似的特点进行人体皮肤(188bet登入官网 ]。所需的力量穿透猪皮肤的速度0.1毫米/秒。插入测试是由MultiTest 2.5 - i(英国Slinfold Mecmesin)(图。188bet登入官网 c)。

3 d打印聚酰亚胺微针

图188bet登入官网 一个显示的形状设计使用AutoCAD 2020微。3 d打印针头会取决于印刷角度是图所示。188bet登入官网 b。SLA印刷由激光固化固化树脂的方法,所以堆叠层的宽度取决于印刷角度(无花果。188bet登入官网 c)。因此,锋利的小尺寸建议不到激光不能印刷的大小。正如所料,平头电极形成在0°角(α)这是一个正常的印刷角度。,稍微倾斜的斜面角度增加时形成的。如无花果所示。188bet登入官网 b,针角的斜角度形成10到60°,虽然角度略倒塌后,高角度超过70°由于重力。上面印刷角度70°,针弯曲向地面。这一结果表明,一定程度的印刷角度允许控制微针斜角度。

成型工艺,π针头会使用打印针头会是捏造的。如无花果所示。188bet登入官网 c,捏造π微针的针头斜面角度改变根据不同的条件。相似的结果从印刷的印刷微针在角(α)20 - 50°形成针斜角度的π微针的技巧。印刷10°角显示了一个非常小的角度,和角度高于50°出现失控。

分析印刷使用该制造方法可控性,3 d印刷微针的斜面角度定义为β,和捏造π微针的斜面角度定义为γ如无花果所示。188bet登入官网 一个。188bet登入官网 b显示了斜角度的结果打印3 d微针和捏造π微针根据印刷角度。理论上,β也有类似的值计算为90°-α’,但高于一定的角度,它因为它是重力的影响不同。斜角度(β)的总体结果相当匹配的预期值范围内的角度从0到40°,和打印π微针斜角度(γ)略大于3 d打印微针斜角度(β)。最斜的角度为54.5°捏造的角(α)40°。然而,在40°的角度(α),又斜角度往往会增加,无法控制高于60°的角度。α是90°时,坡口角度再次减少,这似乎是一个现象引起的扭曲形状印刷微针尖端如无花果所示。188bet登入官网 b。总结了表的详细数据188bet登入官网 。

结果表明,印刷的变化角度(α)允许控制斜角度(β)在一定范围内(50.8 - -89.5°)以及随后成型工艺使用这个angle-controlled微针可以控制斜角度(γ)捏造的π微在一定范围(54.5 - -88.6°)。最锋利的角(γ)50°是通过使用这个过程。

高度依赖的长宽比

微,长宽比和高度参数也很重要。调查显示长宽比印刷高度,微针与长宽比为4的设计高度变化从100年到1000年μm。设计微针是编造的。微身高100μm正确不是捏造的,由于非常短的高度。图188bet登入官网 的显示了长宽比的结果组合π微针(所有α值)根据印刷高度。长宽比为0.78时(n = 10)身高200μm显示很可怜的长宽比。随着高度增加,长宽比也略有增加,显示最高的值为2.58 (n = 10) 1000μm高度时。常用的微的长宽比是2:1或更高版本(188bet登入官网 ,188bet登入官网 ),因此,捏造π显微针头可以使用超过600年的高度μm(无花果。188bet登入官网 )。

高度实现设计和制造高度测量和计算。如无花果所示。188bet登入官网 b,印刷高度影响的高度实现率π微针。当输入打印高度是200μm,捏造π微针的高度实现率仅为71.6%,但这个速度增加印刷高度增加。高度实现率显示,90.9%当输入打印高度是800μm,并达到最大值92.6%当输入打印高度是900μm。当印刷高度是1000μm,略降至91.6%,但减少可以忽略不计。此外,结果表明,误差棒(均值的标准误差)在无花果。188bet登入官网 b减少随着印刷高度的增加,这表明了π微针可以统一制作的。总结了表的详细数据188bet登入官网 。

图188bet登入官网 c显示了装配式π微针的高度实现率(所有高度)根据打印角(α)。总的来说,随着印刷角度的增加,高度实现率降低了。当α是0°,高度实现率为93.2%,最大值,当α是90°,下降到76.5%。α40°时,显示的最大斜角角度π微针,高度实现率为87.0%。

图188bet登入官网 d显示的高度实现率组合π微针(打印1000μm)根据打印角(α)。α20°时,伪造π微针的高度实现率为96.8%,这是最大的价值。α70°时,86.4%的最小值。α40°时,高度实现率为92.1%。这个值很好,表明π微针用打印制作40°角(α)和打印1000μm高度推荐。图188bet登入官网 c, d,图的误差棒稍微下降随着打印角(α)增加直到α30°,但它增加之后,表明随着印刷角度的增加超过30°,微针的斜面部分的实现变得不均匀。

猪皮肤的渗透

渗透测试通过猪的皮肤进行了使用伪造的π的微针1000μm高度取决于印刷角度(α)的0°,40°、90°。如图6所示,π微针制作印刷角度(α)0°是正常印刷条件稳定的推进性能,但无法穿透皮肤。π微针制作印刷角(α)的90°显示表现不佳,迅速打破由于不稳定的形状。π的渗透只是观察到微针制作印刷角度(α)的40°。这一结果表明,π的微针1000μm高度(纵横比:2.58)捏造的印刷40°的角度(α)最大化渗透能力。

我们提出了一个新的制造工艺来控制微针斜角度使用高分子材料。来验证这个过程,可以使聚酰亚胺(PI)的生物相容性是用作微针的材料,和π微针组合和优化最大化其渗透能力。通过改变印刷角度(α)目前的3 d打印机的分辨率限制,微针斜角度可以改变为渗透微功能是至关重要的。微针斜角度、长宽比和高度实现3 d打印针头会比和π针头会捏造的成型工艺比较优化π微针。最后,说明了猪皮肤的渗透试验评价渗透能力。π的微针1000μm(纵横比:2.58)制作印刷角度(α)的40°(γ:54.52)最大化渗透能力。我们希望这个制作过程也适用于其他高分子材料允许的控制微针形状和坡口角度。

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本研究中所有生成的数据或分析包括在发表的这篇文章。

这项研究受到了韩国医疗设备发展基金拨款资助的韩国政府(科学与信息通讯技术、贸易、工业和能源、卫生和福利部,食品和药品安全)(项目编号:1711135031,KMDF_PR_20200901_0158-05)。

作者和联系

1. 机器人技术和机电一体化工程、大邱韩国庆北理工科技(DGIST), 333年,电子Jungang-Daero, Hyeonpung-Eup, Dalseong-Gun,大邱,42988年,韩国

   Jinwoong桢,Jaeu公园& Sanghoon李

贡献

瞬整体设计并进行了实验。他还分析了数据。PJW协助π微针制备过程。激光冲徊化监督这项研究,评估和编辑的手稿。所有作者阅读和批准最终的手稿。

相应的作者

对应到Sanghoon李。

伦理批准和同意参与

作者宣称没有利益冲突。

同意出版

作者同意SpringerOpen许可协议发布文章。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

出版商的注意

施普林格自然保持中立在发表关于司法主权地图和所属机构。

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