可持续降解毛细血管采血装置的创新设计与性能评估

本文报道了一种近乎完全可降解的毛细血管采血装置，采用定制化聚(ε-己内酯-co-D,L-丙交酯)通过数字光处理(DLP)3D打印技术制备装置主体，并集成可降解镁(Mg)微针阵列。该装置在负压生成(-64±3 kPa)和粘附强度(40±5 kPa)方面与硅胶原型相当，能在体外采集≈670 μL猪全血。降解研究表明聚(CL-LA)在堆肥条件下60天内完全崩解，镁微针在缓冲液中40天近完全降解。经聚己内酯(PCL)涂层的镁微针可维持血液样本稳定性达3小时，为资源有限地区提供了可持续的微采样解决方案。

　　

2.1 原型设计

该血液微采样装置通过材料的弹性自恢复产生负压实现采血功能。受吸血水蛭解剖结构启发，装置包含三个核心组件：隐藏式微针贴片用于最小侵入性皮肤穿刺、确保皮肤密封的吸力杯、以及液态血液储存舱。工作原理是通过手动压缩装置部署微针，应用至目标部位后弹性恢复产生负压辅助采血。

为适应中低收入国家(LMICs)需求，团队开发了近乎完全可降解版本。采用数字光处理(DLP)技术制造可降解装置主体，实现了材料快速筛选和系统尺寸精确调控。微针贴片选用镁金属材料，通过氮激光切割制备高分辨率特征结构。同时使用熔融沉积建模(FDM)技术以可堆肥聚乳酸(PLA)长丝制造微针支架和适配器，确保除心电图(ECG)胶带外所有组件的可降解性。

2.2 DLP 3D打印的树脂选择

采用高低分子量(MW)混合的聚(CL-LA)双聚合物墨水，可打印出机械性能类似硅胶的生物可吸收弹性体。通过调整共聚物的分子量和混合比例，可精确调控机械性能和降解速率。

研究合成了低分子量线性(数均分子量M_{n NMR}≈560 g mol^-1)和高分子量星形(M_{n NMR}≈15,000 g mol^-1)的CL与LA无规共聚物，并通过甲基丙烯酸化使其具备光固化特性。三种树脂配方(R1、R2、R3)通过不同比例的高低分子量聚(CL-LA)-MA与1-乙烯基-2-吡咯烷酮(NVP)混合制备，各添加1%(w/w)光引发剂(BAPO)、0.5%(w/w)维生素E和0.1%(w/w)Sudan I染料。

在75°C打印温度下，R2树脂表现出最优机械性能：平均杨氏模量2.2±0.2 MPa，断裂伸长率≈199%，与 Shore A 50硅胶性能相当(杨氏模量1.7±0.03 MPa；伸长率≈180%)。进一步分析显示3D打印R2样本呈无定形态(玻璃化转变温度T_g≈-36°C)，且打印后无反应双键残留。

2.3 3D打印装置的机械表征与堆肥条件下的崩解

为适应3D打印，装置设计从硅胶原型进行了修改：在吸力杯基部添加薄层牺牲膜用于打印期间密封，打印后手动切除；同时增加吸力杯和储存舱壁厚以达到与原始装置相当的负压值。

力学测试显示，增加壁厚使装置刚度增加(包括3D打印和硅胶版本)，需要更大压缩力(30N产生2.8mm位移，原硅胶装置10mm位移)。变形曲线表明通过施加50N力仍可实现10mm位移，这种力水平在双手操作中可达。虽然不适合上臂自我应用，但可用于腿部或由他人在儿童身上操作。

3D打印装置产生的负压为-64±3 kPa，略低于原始硅胶装置(-74±8 kPa)。体外猪颊皮肤实验显示平均皮肤拉伸≈4.5mm，略低于硅胶原型的5.8mm。通过皮肤变形与负压关系方程计算，仅约8%的总压力用于组织位移(硅胶装置为19%)，表明约59kPa压力仍可用于采血。

粘附测试显示，可降解装置的垂直粘附力为40±5 kPa，与原始硅胶原型(49.7±2.3 kPa)相近。体外采样实验使用定制Franz细胞型设置，装置可采集668±291 μL血液，表明负压足以驱动血流进入储存舱。

降解性评估显示，在50°C磷酸盐缓冲盐水(PBS)中，3D打印样品第一周无显著变化，从第二周开始出现逐渐降解：溶胀增加、质量损失和pH下降。第36天时样品开始坍塌，平均质量损失≈20%。按照ISO 20200:2015标准模拟堆肥条件测试显示，一周后样品平均重量损失≈11%，随后软化呈粘性半固态，第16天时堆肥材料中无可见黄橙色残留，第60天完全崩解。

2.4 镁微针贴片的表征与降解

镁及其合金作为可降解植入物材料表现出良好生物相容性和高机械强度。采用氮激光切割制备定制镁微针叶片(长度2mm，宽度0.35mm，尖端角度≈13°)。四种厚度评估中，200μm厚度被选中，因更厚叶片(500μm)需要过大穿透力，更薄叶片(100和150μm)在插入时易弯曲。

镁微针在PBS室温下降解研究显示，40天后近完全降解。为组装微针阵列，将6个叶片粘到3D打印PLA基底上，形成包含30个微针的圆形贴片。体外猪皮肤测试显示平均穿透深度≈1.5mm，确认阵列有效到达真皮层毛细血管所在位置。

2.5 材料血液相容性的体外评估

血液相容性是限制血液接触生物材料临床应用的关键因素。3D打印储血舱(无叶片)的血浆血红蛋白(Hb)浓度随时间略有增加，但与对照组无显著差异。24小时后(足够样品运至附近实验室的时间)，血浆Hb水平仍低于100 mg dL^-1，血液pH保持稳定。聚(CL-LA)与血液接触24小时的溶胀行为评估显示材料外观和溶胀无显著变化。

相比之下，镁叶片在模拟体液(SBF)和全血中快速降解，24小时出现显著材料降解，伴随溶血增加和血液pH升高。采用6层PCL涂层(厚度≈100-135μm)后有效减缓镁降解，降低溶血，延长储存血液的pH稳定性。涂层镁叶片接触的血液样本在3小时内保持可接受质量，但3小时稳定性窗口可能与LMICs物流现实不匹配。

2.6 原型组装与体外测试

最终原型组装将PCL涂层的镁微针贴片(30个微针)粘到装置内部顶部中心，PLA底板用氰基丙烯酸酯胶粘合。储存舱添加1.5mg乙二胺四乙酸二钾(K₂-EDTA)防凝血，并使用医用级ECG胶带确保皮肤密封。体外测试证实成功皮肤穿透，平均微针插入深度≈1.4mm，足以到达真皮毛细血管床。扫描电镜(SEM)成像显示PCL涂层在应用后大部分保留，仅少数微针尖端出现最小弯曲。

3 结论

本研究成功开发了几乎完全可降解的血液微采样原型，通过优化树脂配方和装置几何结构，实现了与硅胶系统相当的粘附强度和负压值。打印材料在模拟堆肥条件下快速崩解，在水性缓冲液中逐渐降解，证实其作为毛细血管微采样环境可持续替代品的潜力。镁微针有效穿透猪皮肤到达真皮层，PCL涂层改善了全血中的稳定性。虽然3小时稳定窗口可能需要进一步优化，但该装置的小尺寸、低重量和坚固外壳使其可能兼容创新输送方法(如无人机运输)。尽管3D打印实现了快速原型制作，但可通过注塑成型替代，使用可降解注塑聚合物或热交联替代品，使可降解设备的生产在低资源环境中也可行。