仿生仙人掌刺微针的力学性能与制备

《Biosensors》：Mechanical Properties and Fabrication of Bioinspired Cactus Spine Microneedles

　　

基于微针的经皮给药能够实现无痛且高效的药物递送，但受限于机械强度不足和插入力较高。受仙人掌刺高效穿透能力的启发，本研究探讨了天然仙人掌刺及仿生微针的微观结构与生物力学特性。有限元分析（FEA）表明，沟槽宽度为50 μm时产生最高的应力与应变。采用三维（3D）打印制备了实心仿生微针，同时利用飞秒激光加工的钛模具及复制成型技术制备了可溶性透明质酸、壳聚糖和明胶微针。优化后的激光参数可生成深度约500 μm的微孔。力学测试显示，实心微针的插入力为60–100 mN，其中50 μm沟槽设计表现出最高值。在可溶性微针中，明胶显示出最大的机械强度，而透明质酸在经皮给药方面展现出最佳的综合潜力。

微针经皮给药技术能够穿透角质层将药物递送至表皮或真皮层，具有递送效率高、操作便捷、无痛及感染风险低等优势，有效克服了传统口服给药生物利用度低和皮下注射疼痛等局限。然而，传统微针普遍面临机械强度与插入力之间的权衡：硅微针强度高但易脆性断裂，金属微针加工困难，可溶性微针生物相容性好但硬度不足、易弯折，水凝胶微针力学性能差，中空微针因中央孔道降低有效截面积并在内壁产生应力集中，插入时更易发生屈曲、扭转和脆断。因此，开发兼具高强度、低插入力和良好生物相容性的新型微针结构成为经皮给药领域的关键挑战。仙人掌刺作为天然高效、低损伤的穿透结构，近年来被广泛用作微针仿生原型，但已有研究多集中于液滴定向运输和雾水收集，对其穿透皮肤过程中的生物力学性能研究仍相对匮乏。基于此，本研究以仙人掌刺为仿生对象，系统开展结构设计、力学模拟、制备与性能表征，旨在为经皮给药、间质液提取及微传感等应用奠定理论与技术基础。

研究人员利用CT扫描和氦离子扫描电子显微镜（He-SEM）表征了天然仙人掌刺的表面微观结构，优化了沟槽宽度等关键结构参数；通过有限元分析（FEA）模拟不同沟槽宽度微针的穿透行为；采用3D打印技术制备实心仿生微针，并利用飞秒激光加工钛合金模具、结合复制成型技术制备可溶性微针；同时建立力学分析模型并搭建多功能力学测试系统，评价微针刺入聚二甲基硅氧烷（PDMS）皮肤模拟物时的力学性能。结果显示，50 μm沟槽宽度产生最高的应力与应变，固体微针插入力为60–100 mN，可溶性微针中明胶机械强度最高而透明质酸综合性能最佳。该研究为仿生微针的结构优化和实际应用提供了理论依据，相关成果发表于《Biosensors》。

关键方法方面，研究采用的主要技术包括：利用He-SEM表征天然仙人掌刺表面沟槽微结构；采用Workbench 19.0有限元分析软件模拟微针-皮肤力学响应；使用微立体光刻（DLP）3D打印技术（nanoArch S140）制备树脂实心微针；应用飞秒激光在医用钛合金表面加工微孔模具，并通过复制成型技术制备可溶性微针，材料包括透明质酸（Freda，晋江，中国）、壳聚糖和明胶（均为Aladdin，上海，中国）；使用自建多功能力学测试系统，以PDMS（Dow Corning SYLGARD 184，基料与固化剂质量比50:1）为皮肤模拟物，记录插入力与拔出力。

研究结果如下：

3.1 仙人掌刺的微观结构表征及仿生微针的结构设计
通过He-SEM观察，金琥（Echinocactus grusonii）刺表面具有有序、光滑的条状沟槽结构，刺尖并非理想圆锥形，而是具有一定曲率；尖端直径约2–10 μm，沟槽宽度从尖端约1–5 μm变化至远离尖端处5–20 μm。基于测量数据及加工可行性，确定仿生微针的结构参数为：尖端沟槽宽度2–6 μm，基部沟槽宽度20–60 μm，沟槽深度10 μm，脊弧半径2 μm。

3.2 仿生仙人掌刺微针的力学模拟
以传统锥形微针为对照，其插入皮肤时应力为4.68 MPa、应变为46.38 μm。对20、30、40、50、60 μm五种沟槽宽度的仿生微针进行有限元模拟，结果显示：随着沟槽宽度增加，微针与皮肤所受应力和应变先增大后减小，在50 μm处达到峰值，此时皮肤应力为14.14 MPa、应变为176.24 μm，穿透深度达180 μm；20 μm时皮肤应力5.36 MPa、应变59.68 μm，需要1.10 MPa应力才能穿透角质层；30 μm时可刺入表皮层；40 μm时穿透深度140 μm，足以穿过角质层到达真皮层；60 μm时应力降至6.06 MPa、应变114.31 μm。所有情况下微针自身应力均远大于皮肤应力，满足强度要求。进一步模拟不同间距（500、800、1000 μm）的3×3微针阵列，发现800 μm间距可最小化针间机械干扰，综合性能最优。

3.3 仿生仙人掌刺微针的制备
采用3D打印成功制备了沟槽宽度30、40、50、60 μm的实心树脂微针，其沟槽结构光滑有序，尺寸与CAD模型高度吻合。飞秒激光加工参数优化表明，较大孔径可获得更好成型质量；在功率、扫描次数、频率、扫描速度和扫描