《Journal of Applied Polymer Science》：Geometry Analysis of Two Photon Polymerized Microneedles—An Experimental and Simulated Approach
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双光子聚合（Two-photon polymerization, 2PP）三维打印是一种增材制造工艺，用于制造微纳米结构，如微针。这些微针可作为非侵入性药物递送工具，其中机械稳定性对于有效且安全的药物递送至关重要。该研究通过实验性单轴压缩测试装置，研究了不同内
双光子聚合（Two-photon polymerization, 2PP）三维打印是一种增材制造工艺，用于制造微纳米结构，如微针。这些微针可作为非侵入性药物递送工具，其中机械稳定性对于有效且安全的药物递送至关重要。该研究通过实验性单轴压缩测试装置，研究了不同内部结构（实心、隧道和中空）的1 mm高微针的制造过程与稳定性。施加于单根微针的力逐渐増加至3 N。结果表明，具有占其总高度50%平台的实心微针设计具有优异的机械稳定性，与其他几何结构相比，在高载荷下屈曲程度更低。隧道和中空设计显示出可比拟的力学行为。通过有限元分析（Finite element analysis, FEM），在非线性屈曲分析中模拟了针尖失稳并可能崩溃的临界载荷。为此，研究人员在先前的Stor?kers材料模型参数估计中对黏弹性针体聚合物进行了表征。模拟表明，所提出的微针设计在针尖崩溃前可承受0.6–1.0 N的载荷。最后，研究人员对优化后微针的屈曲行为进行了模拟，以提高药物递送效率。
该研究聚焦于双光子聚合（2PP）3D打印微针的机械稳定性问题，旨在为药物递送应用中的微针原型设计与概念验证提供高效方法。微针作为非侵入性给药工具，自20世纪50年代获专利以来，近年来逐渐受到关注。微针可将药物以涂层形式附着、自身溶解、作为预处理工具或作为中空通道实现药物输送，其优势在于能够提高给药效率、减少患者疼痛与压力，并实现更快的皮内给药速度。中空微针相较其他设计更具优势，可通过泵调节压力和流速，实现快速注射、缓慢输注或时间变化递送率，也可用于体液提取。然而，微针的广泛应用的障碍在于高标准的制造要求：需具备机械强度、高重复性及锐利针尖，且材料不得引起皮肤刺激。增材制造技术可缩短原型开发周期，而2PP技术凭借其纳米级精度，能够制造锐利针尖并自由设计微针几何结构及其内部中空结构。
由于微尺度结构的质量控制困难，微针的整体完整性和屈曲行为成为功能评估的关键指标，尤其对于中空微针：针尖一旦弯曲，流速可能改变， worst情况下隧道开口可能堵塞或碎裂。纯实验测试难以全面检测这些问题，而仿真可在制造前优化设计和材料选择，从而大幅简化开发流程。尽管已有研究涉及针尖几何、屈曲力和von Mises应力的线性/非线性屈曲分析，但将材料表征与基于实验数据的完全非线性屈曲分析相结合的仿真较为罕见。为此，研究人员开展了实验与模拟相结合的研究，首先通过平板钢压头对微针施加单轴压缩力，记录其变形过程；进而采用有限元分析（FEA/FEM）预测临界屈曲载荷，计算压缩微针中的von Mises应力分布，并通过Stor?kers材料模型参数估计实现不同黏弹性材料的单独比较；最终通过优化微针设计的模拟，对初始设计的不足进行修正与验证。该论文发表于《Journal of Applied Polymer Science》。
研究人员开展研究所用的主要关键技术方法包括：使用Nanoscribe公司Quantum X Shape型2PP纳米3D打印机及IP-S光敏树脂制造微针样品；采用自建的测试站A（含5N力传感器、激光位移传感器及外部摄像记录系统）进行单轴压缩测试，并与商用测试站B（TMA/SDTA 2+ LN/600，Mettler-Toledo）进行校准比较；在COMSOL Multiphysics 6.3软件中结合"结构力学模块"和"非线性结构材料模块"进行有限元模拟；采用Stor?kers超弹性材料模型进行参数估计以表征IP-S树脂的非线性材料行为；通过线性屈曲分析确定屈曲模态，继而进行非线性屈曲分析计算临界载荷和应力分布。
**实验结果（实验结果与讨论）**
研究人员通过显微镜观察和力-变形曲线分析，系统比较了N1（无平台）、N2（25%平台）和N3（50%平台）三种微针设计在实心、隧道和中空结构下的力学响应。所有微针在3.0 N载荷下均未断裂，表现出黏弹性材料的典型黏滞变形特征。N1变形最为严重（377–457 μm），且标准差最大、结果最不可预测；N3变形最小（115–208 μm），尤其实心N3针变形最小且标准差仅为数微米。隧道和中空设计因材料去除和对称性破坏而弱于实心设计，但两者力学行为相近。空心针型在4.0–5.0 N开始完全崩溃。针尖屈曲方向多朝向隧道开口，这可能显著限制皮内药物递送。
研究人员引用Euler公式解释了几何效应：平台增大了横截面惯性矩、降低了有效长度，从而提高了临界屈曲载荷。但需注意，黏弹性材料不能仅用杨氏模数定义，该公式仅用于几何解释。
**模拟结果（模拟结果与讨论）**
**N1-N3微针设计模拟**
非线性临界载荷分析显示，所有针尖失稳临界力为0.61–1.00 N，至少超出文献要求的30–60 mN达10倍以上。各设计中稳定性排序均为：实心>隧道>中空，相邻变体间平均降幅5%（±1.5%标准差）。N3最稳定（实心1.00 N、隧道0.93 N、中空0.89 N）。von Mises应力分布呈对数尺度显示：N1应力分布较均匀；N2和N3因平台引入刚度突变，应力集中于金字塔结构顶部。实心设计需更大压头位移才能达到临界变形，与实验结果一致。
**优化微针设计**
基于N3隧道设计，研究人员提出非对称优化方案：保持50%平台，将隧道开口置于最不易屈曲的一侧，并在背面引入半径R以引导屈曲方向。当R=4 mm时，针尖不再向开口侧屈曲，临界屈曲载荷为0.33 N——虽显著低于N1-N3，但仍足以穿透皮肤（>60 mN）。该设计实现了可预测、可控且机械稳定的屈曲行为，确保药物自由流动。
**结论与展望（结论与展望）**
从力学角度看，所有3D打印微针均足够可靠稳定，可承受至少3.0 N的力。FEM模拟更详细地分析了聚合物微针的临界屈曲行为，表明临界屈曲力至少超出60 mN文献值10倍。模拟证实实验结果：内部结构显著影响稳定性，平台的引入有助于稳定和控制屈曲位置；N3的隧道和中空变体是最可靠的方案，具有更局域化的屈曲行为。优化设计的临界屈曲载荷为60 mN文献值的5.5倍。
研究人员指出，该研究集中于相对较慢的压缩速度，而黏弹性材料IP-S在高压缩速率下表现更稳定，这一发现可能对微压印光刻等复制工艺有用，但在最终消费者应用中需重新评估更高、更宽范围的速度影响。未来研究方向包括：测试复制过程后的结构完整性、以皮肤类似组织替代钢压头进行穿透测试、引入剪切力/双轴加载/扭转/温度和时间相关变形等新调控参数，并将方法扩展至聚焦黏弹性的双轴材料参数估计。
