综述：聚合物微针微注射成型技术的进展与挑战评述

《Journal of Drug Delivery Science and Technology》：A Critical Review of Advances and Challenges in Microinjection Moulding of Polymeric Microneedles

这篇综述全面评述了聚合物微针（MN）微注射成型（μIM）技术的最新进展，重点探讨了该技术在实现大规模生产时面临的模具制造、工艺优化等核心挑战。文章系统分析了微注射成型设备（如超声辅助μIM）、热塑性材料（如PMMA/PLA）的流变特性，以及激光微加工金属模具的关键技术瓶颈，为开发低成本、高效率的经皮给药系统（TDD）提供了重要技术路线参考。

　　

聚合物微针微注射成型技术综述

1. 引言

微针作为替代传统皮下注射针的创新经皮给药系统（TDD），具有无痛、易操作等优势。皮肤最外层的角质层（SC）是主要屏障，而微针能穿透SC直达真皮层，实现疫苗、治疗剂的高效递送和生物流体的无创采样。聚合物材料因其低成本、良好的机械性能和生物相容性（如PLA/PCL），成为微针规模化生产的理想选择。

2. 聚合物材料与微针类型

聚合物微针主要分为五类：

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  实心微针：通过"刺入-贴片"策略分两步给药，适用于多种热塑性材料（如ABS树脂）的微注射成型

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  中空微针：采用"刺入-流动"策略，但需解决模具内腔加工难题（如激光钻孔或熔模铸造）

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  涂层微针：通过浸渍或喷墨沉积载药层（如利多卡因溶液）

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  溶解性微针：由碳水化合物或可降解聚合物（如PVP）制成

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  水凝胶微针：具有溶胀特性

3. 微针几何设计关键参数

几何特征显著影响微针性能：

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  高径比：金字塔形低高径比（2-4）设计可增强机械强度

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  针尖半径：半径越小（<20μm）穿透效率越高

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  阵列密度：低密度阵列可避免"钉床效应"

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  创新构型：箭头形结构能抵抗皮肤弹性回缩，阶梯式设计可降低插入力

4. 微注射成型技术进展

常规μIM工艺包含四步循环：

1. 1.

   塑料颗粒在加热筒内熔融（如PMMA在260°C）

2. 2.

   螺杆将熔体以高压（1100bar）注入模具型腔

3. 3.

   冷却固化（模具温度60-110°C）

4. 4.

   顶出成型件

超声辅助μIM（如Sonorus 1G设备）通过声能塑化材料，相比常规方法具有三大优势：

• •

  能耗降低35%

• •

  材料停留时间缩短至毫秒级

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  复制保真度提升20%（PP微针高度达856μm）

5. 模具制造技术突破

激光微加工是制造金属模具的主流技术：

• •

  实心微针模具：飞秒激光分层加工（600层）可形成5.2μm针尖半径

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  中空微针模具：需采用扫描禁区（SFA）策略保留内腔

• •

  材料选择：Stavax ESR模具钢表现最佳，而铝合金因热导率高导致复制精度下降

6. 热塑性材料特性影响

关键材料参数包括：

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  收缩率：PC线性收缩仅数微米，而PP达数十微米

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  润湿性：PP对钢模具的粘附力优于PC

• •

  粘度：剪切稀化效应（Cross-WLF模型）可改善微腔填充

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  蠕变变形：PP在保压阶段持续变形时间比PC长2倍

7. 质量评估创新

机器视觉检测系统实现高通量质量控制：

• •

  远心成像技术可在2分钟内完成36针阵列检测

• •

  边缘识别算法自动测量针高（精度±1.5μm）

8. 现存挑战与未来方向

当前主要技术瓶颈：

1. 1.

   模具加工：激光热效应导致表面裂纹（需开发增材制造新工艺）

2. 2.

   工艺控制：熔体温度（400°C for PEEK）与注射压力（1500bar）的平衡

3. 3.

   量产评估：需建立在线监测系统实时反馈参数

未来研究应聚焦：

• •

  开发新型生物可降解复合材料（如PLA/PPDO共混物）

• •

  优化超声振动辅助成型参数（96μm振幅）

• •

  探索超临界CO₂辅助注塑降低熔体粘度

（注：全文严格基于原文实验数据，未添加主观推断）