《Journal of Applied Polymer Science》：Fabrication-Aware Mechanical Design of SLA-Printed Polymeric Microneedles: Integrating Geometry, Dimensional Fidelity, and Structural Instability
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立体光刻（SLA）可实现具有可调几何形状的聚合物微针的快速制造，但其力学响应取决于标称CAD参数和制造引起的尺寸偏差。本研究探讨了微针结构、尺寸保真度和细长比对SLA打印聚合物微针压缩响应和插入性能的影响。研究人员系统改变基底尺寸和高度，制备了圆锥形和金字塔形
立体光刻（SLA）可实现具有可调几何形状的聚合物微针的快速制造，但其力学响应取决于标称CAD参数和制造引起的尺寸偏差。本研究探讨了微针结构、尺寸保真度和细长比对SLA打印聚合物微针压缩响应和插入性能的影响。研究人员系统改变基底尺寸和高度，制备了圆锥形和金字塔形微针阵列，并对高度、基底尺寸、尖端区域尺寸及基尖比进行了表征。轴向压缩测试表明，增大基底尺寸通常增强抗变形能力，而增大高度则促进更顺应且对失稳更敏感的响应。实验失稳载荷由力–位移曲线确定，并与基于Euler–Johnson理论的预测值进行比较，分别采用标称CAD几何、打印态等效截面几何以及基于实测尖端区域尺寸的局部临界截面近似三种结构表征方式。全局打印态等效截面模型显著高估了实验失稳载荷，而局部临界截面表征对两种几何构型均提供了最接近的一致性。多层Parafilm M的光学相干断层扫描（OCT）为插入类条件下的微通道形成提供了补充评估。上述发现建立了一个考虑制造偏差的SLA打印聚合物微针力学评价框架。
**研究背景与问题**
微针作为微创生物医学平台，在经皮给药、疫苗接种、组织液采样和生物传感等领域具有广阔应用前景。微针能够穿透角质层而尽量减少与深部神经丰富区域的相互作用，从而在改善分子传输的同时降低疼痛和组织损伤。然而，微针的实际应用不仅取决于生物相容性或功能性能，还取决于力学可靠性——微针阵列必须承受操作、施加和插入相关的作用力而不发生断裂、过度变形或过早力学失稳。微针的力学响应强烈依赖于几何参数，包括高度、基底直径、纵横比、针间距、尖端半径和截面形状等。一般而言，较高的微针可增加潜在穿透深度，但也表现出更高的细长比，更易发生弯曲或屈曲；较大的基底直径增强了抵抗截面和承载能力，但可能降低阵列密度并影响插入力。尖端形貌同样关键：较尖锐的尖端有利于皮肤穿透，而尖端钝化则增加插入所需力并可能改变加载过程中的局部应力分布。这些竞争效应表明微针设计涉及功能长度、插入效率和力学稳定性之间的结构折衷。
在可用制造策略中，立体光刻（SLA）3D打印因能实现快速原型制作、高设计灵活性和复杂三维结构的制造而对聚合物微针生产尤其具有吸引力。然而，SLA在微尺度的一个核心局限在于打印几何可能与标称CAD模型存在显著差异。光散射、体素膨胀、过固化、树脂扩散和横向聚合物生长可产生尺寸偏差，尤其在XY平面和顶端区域。这些效应可能导致基底增大、边缘圆化、尖端钝化和基尖比偏差。此前研究虽然对微针制造、尺寸精度、力学强度和插入性能有重要贡献，但这些方面往往被独立处理：尺寸保真度被视为打印结果，压缩测试被视为力学验证，而插入Parafilm M或皮肤则被视为功能评估。这种分离限制了对制造引起的偏差如何改变结构稳定性以及这种失稳如何影响插入性能的理解。因此，打印态几何、屈曲主导的失稳和OCT衍生微通道形成之间的直接关联，在SLA打印聚合物微针中仍未被充分探索。
**研究内容与结论**
研究人员设计了圆锥形和金字塔形微针阵列，系统改变基底尺寸（300、500、900 μm）和高度（500–2000 μm），定量表征打印结构的尺寸偏差，并在轴向压缩和插入类条件下评估其力学行为。实验失稳载荷与基于Euler–Johnson理论的分析预测进行比较，分别采用标称CAD几何、打印态等效截面几何和基于实测尖端尺寸的局部临界截面近似三种结构表征方式。研究得出结论：SLA打印聚合物微针的力学响应受结构构型、尺寸保真度、结构细长比以及所采用的几何表征方式的共同影响；增大基底尺寸通常增强抗轴向变形能力，增大高度则促进更顺应和失稳敏感的响应；使用实验实测尺寸并不必然改善力学预测，除非结构表征本身恰当；基于实测尖端区域尺寸的局部临界截面表征对两种几何构型均提供了与实验最接近的一致性。该研究建立了一个考虑制造偏差的框架用于力学评价SLA打印聚合物微针，为开发力学可靠的微创器件提供了更稳健的基础。
**关键技术方法**
研究人员采用Form 3+ SLA打印机（Formlabs Inc.）和Clear V4光固化树脂制备微针阵列，层厚25 μm，以60°倾斜角度打印。采用Zeiss Axio Scope A1光学显微镜进行形貌表征和尺寸保真度评估，使用ImageJ软件进行测量校准和分析。力学测试使用Anton Paar MCR 502流变仪配备25 mm平行板几何进行轴向压缩，以0.035 mm/s速率加载至50 N总力限。插入评估采用八层Parafilm M作为可变形替代基底，并通过Callisto谱域OCT系统（Thorlabs，930 nm，B扫描模式）进行微通道形貌分析。结构失稳分析采用Boltzmann sigmoidal函数拟合力–位移曲线确定实验失稳载荷，并与Euler–Johnson理论预测进行比较，材料参数采用E = 2.03 GPa和σy = 72.28 MPa。
**研究结果**
**3.1 设计原理与SLA打印微针的尺寸保真度**
通过光学显微镜表征和定量尺寸分析，研究人员发现SLA打印结构整体保持了设计的几何特征，但在基底和顶端区域存在系统性偏差。基底尺寸始终大于标称CAD值，且较小结构的偏差比例更大——300 μm设计的偏差达约38%–42%，而900 μm设计降至约5%。微针高度再现较为一致，表明Z轴尺寸保真度高于横向尺寸。尖端区域尺寸受限于SLA工艺的空间分辨率，在基底尺寸大幅变化时仍保持在较窄范围内（圆锥形约153–164 μm，金字塔形约146–166 μm）。在高度梯度系列中，尽管标称基底尺寸固定为500 μm，实际打印的基底尺寸随高度增加而变化，金字塔形微针的基底宽度从502 ± 12.7增至669 ± 7.77 μm。这些发现表明SLA在保持整体结构的同时引入了系统性的微尺度偏差，改变了截面尺寸、锥度轮廓和计算细长比参数。
**3.2 轴向压缩下结构、基底尺寸和高度依赖的力学响应**
轴向压缩测试表明，金字塔形微针在较小位移下表现出更陡的力增长，表明较高的表观轴向刚度，而圆锥形微针则显示更渐进的加载响应。增大基底尺寸普遍产生更陡的力–位移响应，表明抗轴向变形能力增强。高度系列测试显示，较短结构通常表现出更陡的加载曲线，而较高微针显示更宽的过渡区域、力拐点和更顺应的响应，表明随高度增加对结构失稳的敏感性增强。在Parafilm M存在下的压缩测试产生更平滑的力–位移曲线，反映了微针与基底在穿透过程中的耦合变形。因此，压缩实验表明SLA打印微针的力学响应受基底尺寸、高度、截面结构和制造引起的尺寸偏差的共同影响。
**3.3 结构失稳分析与OCT插入性能补充评估**
通过Boltzmann拟合确定实验失稳载荷，并与三种结构表征的Euler–Johnson预测进行比较。对于圆锥形微针，CAD模型的MAE为0.824 N、RMSE为1.005 N；打印态等效截面模型显著高估实验值（MAE = 3.141 N；RMSE = 3.174 N）；局部临界截面近似的MAE为0.223 N、RMSE为0.323 N。金字塔形微针呈现类似模式：CAD模型MAE = 1.127 N、RMSE = 1.281 N；打印态等效截面模型MAE = 5.189 N、RMSE = 5.231 N；局部临界截面表征MAE = 0.271 N、RMSE = 0.303 N。敏感性分析表明，有效长度因子和材料属性假设的变化影响预测载荷及Johnson–Euler区域分类，但在研究范围内未改变局部临界截面表征优于全局等效截面模型的主要结论。OCT成像确认两种结构均能在多层Parafilm M中产生微通道，定量形态分析显示不同条件下微通道面积和周长衍生特征尺寸存在差异。由于可变形基底改变了加载路径，OCT结果被解释为功能性插入评估而非失稳机制的直接验证。
**讨论与结论**
讨论部分指出，将实验实测尺寸纳入过于简化的全局等效截面模型并不必然改善力学预测。将整个打印微针视为均匀等效柱体高估了制造引起横向增大所带来的稳定效应。相反，使用局部尖端区域尺寸获得的改善一致性表明，失稳对锥形结构中力学较弱的局部截面比对全局平均截面更为敏感。圆锥形与金字塔形结构之间的比较需谨慎：相同标称基底尺寸对应不同的截面积和惯性矩，因此结果支持结构依赖的力学响应而非某一几何构型的普遍力学优势。OCT结果应独立于失稳载荷分析进行解释，除非建立配对的定量相关性。制造引起的几何偏差也影响插入行为——尖端区域增宽可能影响初始基底穿孔所需力，而基底增大和结构依赖的截面轮廓可能影响所产生微通道的最终尺寸。
结论部分翻译如下：本研究表明SLA打印聚合物微针的力学响应受结构、尺寸保真度、结构细长比以及所采用的力学分析几何表征方式的共同影响。圆锥形和金字塔形微针表现出不同的压缩响应，增大基底尺寸通常增强抗轴向变形能力，增大高度则促进更顺应和失稳敏感的响应。尺寸表征表明SLA制造保持了整体微针结构但引入了基底和尖端区域尺寸的系统性偏差，这些偏差在较小特征尺寸下尤为显著并改变了打印结构的锥度轮廓和截面分布。重要的是，结果表明将实验实测尺寸纳入过于简化的全局等效截面模型时并不必然改善力学预测。与Euler–Johnson分析预测的比较揭示了强烈的结构表征依赖性。基于标称CAD几何的预测捕捉了细长比增加的总体效应，而直接使用打印态全局等效截面则显著高估了实验失稳载荷。相反，基于实测尖端区域尺寸的局部临界截面表征对圆锥形和金字塔形微针均提供了与实验最接近的一致性。这一发现表明局部几何约束比全局平均截面更与这些锥形SLA打印结构中失稳的起始相关。圆锥形与金字塔形结构的比较还表明其力学行为不能仅解释为固有形状效应，因为等效标称基底尺寸对应不同的截面积和惯性矩。OCT成像确认两种结构均能在多层Parafilm M中产生微通道并提供了插入性能的补充信息。由于可变形基底改变了加载路径，OCT结果被解释为功能性插入评估而非自由压缩下失稳机制的直接验证。上述结果建立了一个考虑制造偏差的框架用于力学评价SLA打印聚合物微针。可靠设计不仅需要考虑标称CAD尺寸，还需要对制造几何进行定量表征并仔细选择用于解释力学失稳的结构表征方式。该方法为将微针结构、制造保真度和力学性能相关联以开发力学可靠的微创器件提供了更稳健的基础。
