《AFM》封面论文：磁场辅助3D 打印制备仿生帽贝牙齿结构的无痛微针

随着长时间的进化自然界的许多动植物的生物材料展现了优异的力学性能。这些令人赞叹的力学性能得益于特殊的微观结构特性，并引起了人们广泛的研究兴趣。比如说龙虾鳌特殊的螺旋结构具有很高的强度和刚度。鱼鳞的重叠和互锁结构体现了超轻的灵活性和高抗冲压性。其中，一种外形类似蜗牛的水生生物帽贝的牙齿打败蜘蛛丝被誉为世界上最坚韧的生物物质。帽贝牙齿之所以能成为最强韧的生物材料是因为该牙齿是排列的针铁矿组织纤维和基于蛋白质的聚合物组成。该针铁矿的纤维有规律的排列在帽贝牙齿里使得该材料的强度不会随着物体规模的变化而减弱。

图1. Advanced Functional Materials Inside Back Cover

微针由于其使用方便和较小的感染风险，在药物输送应用中展现出许多优势。微针已经应用在美容，医疗，疫苗接种等领域。与其他微尺度制造方法相比，3D打印技术可以很容易地克服复杂几何形状和多种药物可控释放的微针制造难题。然而，由于材料力学特性和制造工艺的限制，现阶段的微针因为体型较大很难实现无痛注射，使得患者不得不忍受疼痛和不舒适感。受到微米级帽贝牙齿材料结构的启发，南加州大学Yong Chen 教授课题组和亚利桑那州立大学Xiangjia Li课题组设计出一种具有力学增强的可实现药物有效释放的无痛微针。本方法采用特殊磁场辅助3D打印技术，可以在打印过程中通过磁场排列四氧化三铁纳米粒子使得排列的纳米粒子簇被固化的树脂包裹，从而形成类似于帽贝牙齿的特殊排列结构。论文以Limpet Tooth‐Inspired Painless Microneedles Fabricated by Magnetic Field‐Assisted 3D Printing为题，发表在《先进功能材料》期刊，并被选为Inside Back Cover（图一）, 亚利桑那州立大学航空机械工程系助理教授Xiangjia Li为第一作者。作者还包括南加州大学奥斯莱特罗亚科学院教授Yang Chai, 圣地亚哥州立大学机械工程系助理教授Yang Yang，和亚利桑那州立大学航空机械工程系助理教授Qiong Nian.

在这项工作中，为了加工出传统制造技术很难实现的帽贝牙齿材料的微观排列结构，该课题组采用‘磁场辅助光固化3D打印技术’（Magnetic Field‐Assisted 3D Printing），成功地仿造出了帽贝牙齿内部有规律排列的微观结构（图二b）。在加工过程中，光固化树脂被选择性的曝光从而形成特定的微针结构。同时通过控制磁场强度，纳米粒子比例，和纳米粒子大小可以获得不同几何尺寸排列的纳米粒子簇，进而优化3D打印微针的力学性能(图二c)。得益于该3D打印的制造能力，在兼顾力学性能的情况下拥有不同尖端的角度的微针阵列被成功的设计和研究(图二d)。结果表明减少微针尖端的角度可以有效的减小穿透皮肤所需的力。通过动物实验，该方法生产的微针在实现无痛注射的同时还可以有效的控制药物释放。

图2. （a）自然界中帽贝（b）受帽贝牙齿超强材料启发设计的微针阵列（c）磁场辅助光固化三维打印仿生微针结构示意图 (d) 三维打印仿生微针和微针内部结构的扫描式电子显微镜照片 （e）三维打印仿生微针药物缓释的照片。

该研究有助于进一步开发可定制的微针以用于未来生物医学和临床应用。同时该加工方法提供了一种基于帽贝牙齿微观结构新的制造思路进一步开发和设计超强材料并应用到高性能工程领域。

论文信息与链接：

Xiangjia Li*, Weitong Shan, Yang Yang, Dylan Joralmon, Yizhen Zhu, Yiyu Chen, Yuan Yuan, Han Xu, Jiahui Rong, Rui Dai, Qiong Nian, Yang Chai, Yong Chen, "Limpet Tooth‐Inspired Painless Microneedles Fabricated by Magnetic Field‐Assisted 3D Printing".Advanced Functional Materials, p.2003725.

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003725

来源：高分子科学前沿

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