【目次】
- 1. 創傷治癒用マイクロニードルパッチ
- 2. 皮膚間質液採取用ハイドロゲルマイクロニードル
- 3. フレキシブル圧力センサーの逆設計
3Dプリンティング技術の急速な発展に伴い、超高精度3Dプリンティング技術は、精密構造、複雑な形状のサンプルとモールドを迅速に作製することができます。3DプリントモールドとPDMS転写技術を組み合わせることで、PDMSの優れた生体適合性、柔軟性、光学的透明性を十分に活用できるとともに、3Dプリントの柔軟性と高精度を利用して、複雑な微細構造を効率的に作製することができます。この2つの組み合わせによって製品開発と生産を加速させることが可能になります。特に、バイオメディスン、フレキシブルエレクトロニクス、バイオミメティックデバイスなど、材料と構造の精度に対する要求が極めて高い分野では、複雑なマイクロおよびナノ構造の製造に高効率で柔軟なソリューションを提供し、ハイエンド用途での3Dプリンティングの開発を促進しています。
BMFの3Dプリンティング装置は、超高精度と正確な公差制御を備えており、複雑な微細構造の成形に効率的で柔軟なソリューションを提供しています。また、PDMS転写技術も比較的成熟しており、バイオメディカル、マイクロ流体、光学などの分野で、需要に応じて機能的なデバイスを作製することができます。
図1 PDMS転写サンプル
ビデオ詳細
以下に、3DプリンターとPDMS転写技術を組み合わせた案件を紹介します。
1. 創傷治癒用マイクロニードルパッチ
創傷は治癒過程で細菌などの微生物に感染しやすく、一度感染すると創傷治癒は遅いか治癒しない状態になります。 しかし、創傷のデブリードマン、抗生物質の内服、抗菌性ドレッシング材などの従来の治療法には、細菌のバイオフィルムが薬剤の浸透を妨げたり、抗生物質の誤用が薬剤耐性のリスクを高めたり、ドレッシング材の頻繁な交換が痛みや傷害をもたらし、患者のコンプライアンスを低下させるなどの限界がしばしばあります。
この課題に対して、Wei Liの研究チームは、3DプリンティングとPDMS転写技術を用いて、感染した傷の治癒を促進する抗菌効果が長期間持続する、新規で生体適合性の高いプロバイオティクス・マイクロニードルパッチを開発しました。
関連研究成果は「Accelerated infected wound healing by probiotic-based living microneedles with long-acting antibacterial effect」と題し、『Bioactive Materials』誌に掲載されています。
図2 GL MNsパッチの創傷治癒への応用概念図及び作製・特性評価
マイクロニードルパッチ（5％GL MN）は、ポリビニルアルコール（PVA）、スクロース、5％グリセロール、ラクトバチルス・ロワイヤルを主成分として構成されています。 マイクロニードルパッチは、BMFの3Dプリンティング装置（microArch® S240）を用いてモールドを加工し、PDMSで転写することにより作製しました。 マイクロニードルパッチは、マイクロニードル基部半径200μm、高さ850μm、先端半径約10μmの10×10アレイになります。
PVA-スクロースマトリックスは、5％GL MNに十分な機械的強度を与え、皮膚に挿入後、5％GL MNの迅速な溶解を促進します。その結果、乳酸菌が迅速に送達され、グリセロールが代謝されて抗菌効果を有するロドプシンが産生され、慢性感染創傷における抗菌、炎症軽減、創傷治癒促進効果が得られます。 この新しいプロバイオティック・マイクロニードルパッチは、生体適合性に優れ、抗菌効果が長期間持続するため、慢性感染創傷の治療に大きな可能性を持っています。
原文リンク：https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.05.008
2. 皮膚間質液採取用ハイドロゲルマイクロニードル
皮膚間質液（Dermal interstitial fluid）は皮膚細胞と組織の間に存在する液で、バイオマーカーを豊富に含み、治療薬のモニタリングに広く用いられています。 間質液を抽出する従来の方法には、皮膚生検、水疱吸引、マイクロダイアリシス、開放マイクロパーフュージョンなどがあります。 しかし、これらの方法は面倒で時間がかかるだけでなく、侵襲性が高く、皮膚に局所的な損傷を与えやすいため、臨床現場での頻繁な使用が制限されています。
この課題に対して、Hao Changの研究チームは、図9に示すように、無痛、低侵襲、高効率で皮膚から間質液を採取するための、超音波支援交換可能な六角星形ハイドロゲルマイクロニードルパッチを開発しました。
関連研究成果は「Efficient extraction of interstitial fluid using an ultrasonic-powered replaceable hexagram-shaped hydrogel microneedle patch for monitoring of dermal pharmacokinetics and psoriatic biomarkers」と題し、『Chemical Engineering Journal』誌に掲載されています。
図3 皮膚間質液採取プロセス用超音波支援交換可能六角星型ハイドロゲルマイクロニードルパッチの概略図
マイクロニードルパッチは光架橋性メタクリル酸ヒアルロン酸（MeHA）で作られており、BMFの高精度3Dプリンティング装置（microArch® S130）で作製した後、PDMSモールドで転写することができ、図4に示すように、様々な形状や構造のハイドロゲルマイクロニードルパッチを作製することができます。 この中の六角星型ハイドロゲルマイクロニードルは、機械的強度に優れ、皮膚間質液を豊富に含む真皮層に正確に到達できるだけでなく、市販の携帯型超音波機器の局所超音波の助けを借りて、十分な量の皮膚間質液を素早く吸引することができます。
図4 各種形状のハイドロゲルマイクロニードルパッチ作製と画像
この超音波支援交換可能六角星型ハイドロゲルマイクロニードルは、皮膚間質液採取のための簡便で効率的、かつ患者に優しい新規ソリューションを提供します。既存の採血や皮膚生検などの侵襲的方法に代わり、様々な生体医学的検査・診断分野への幅広い応用が期待されています。
原文リンク：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157293
3. フレキシブル圧力センサーの逆設計
人間の皮膚触覚受容体を模倣し、触覚刺激を電気信号に変換することで、柔軟な圧力センサーは、インテリジェントロボット、健康モニタリング、ヒューマンマシンインターフェースの分野で有望な応用を示す。 従来のセンサーの前方構造-性能設計は、実験とシミュレーションの繰り返しに依存しており、非効率的で、構造の最適化には限界があり、広範囲の線形応答を達成することが困難でした。
このため、Chuanfei Guoらは、設計範囲を限定するために低次モデルを導入することで効率的な逆設計法を開発し、データスクリーニングの効率を向上させる「ジャンプ選択」法を提案し、線形応答を持つさまざまな柔軟な圧力センサ微細構造の予測と実験的実証に成功しました。
この研究成果は「Data-driven inverse design of flexible pressure sensors」と題し、米国科学アカデミー紀要（PNAS）に掲載されています。
図5 フレキシブル圧力センサーの設計概念図
このフレキシブル圧力センサーのゲル層微細構造は、BMF 3Dプリンティング装置（microArch® S130）を用いて、HTLモールドの複雑な隆起構造の高精度印刷（最小構造特徴：10μm）を実現し、更に2つの転写印刷技術を組み合わせることで、イオン化機能層の柔軟なPVA/H3PO4微細構造の作製に成功しました。簡単な製造工程を図6に示しています。
図6 フレキシブル圧力センサー用ゲル層の簡単な調製プロセスと、3DプリントしたHTLモールド、PDMS、イオンゲル構造の画像
上記の微細構造設計に基づき、フレキシブル圧力センサーは、動的および周期的な負荷条件下で優れた直線性特性と感度を示し、データ処理の複雑さを劇的に簡素化し、インテリジェントロボット、高度医療、ヒューマンマシンインターフェースなどの幅広い応用シナリオのためのデバイス設計に新たな技術的アプローチを提供します。
原文リンク：https://doi.org/10.1073/pnas.2320222121
