MIT的研究人员展示了一种低成本的专用电子喷嘴设计，称为三轴电喷射发射器，可用于高效、大规模地制造定时释放药物传递颗粒或自愈材料。三轴电喷射发射器利用电力精确地从微型喷嘴中喷出三种液体，生成具有三层不同流体的稳定流动。这种液体形成多层液滴，可以固化成分层的微颗粒。例如，一个三轴电喷射发射器阵列可以用于制造三层药物传递纳米颗粒。外层可能在胃中缓慢侵蚀，暴露出第二种材料以控制核心材料的释放，从而将药物传递到肠道的特定区域。开发一个小型电喷射发射器阵列通常需要昂贵且耗时的微加工过程，这限制了它们的使用。为克服这些缺点，MIT的研究人员3D打印了一个约一平方厘米区域内有16个喷嘴的三轴电喷射发射器阵列。每个设备包含一个复杂的三维微通道网络，均匀地将液体输送到喷嘴。它们的一步制造过程仅需几小时即可生产复杂的发射器阵列。在测试中，3D打印的阵列在大规模上生成均匀的三层液滴。这种均匀性对于高通量制造分层微颗粒，如检测化学物质的生物传感器或辅助组织再生的人造细胞等应用至关重要。MIT微系统技术实验室的首席研究科学家Luis Fernando Velásquez-García表示：“我们无法在半导体洁净室制造这样的设备。这只有在3D打印的情况下才有可能。”他补充道：“这些设备生成的颗粒，无论是用于自愈复合材料还是药物传递，都可能在许多应用中产生重大影响。我们希望使这项技术大众化，以便让更多人受益。”
电喷射发射器在液体从设备喷嘴出口时施加高电压，产生稳定的极小液滴流。三轴设备包含三组同心喷嘴，能够同时喷出三种不可混合的液体，形成分层液滴，用于生成具有不同层的复合微颗粒。例如，可以使用三轴电喷射发射器创建包含三种不同化学标记的生物传感粒子，每一层一种。电喷射发射器可以比其他技术更快地制造更小的微液滴。微型化对于电喷射设备至关重要，因为喷嘴越小，产生液滴所需的电压就越低。单个电喷射发射器的产出有限，因此需要发射器阵列以提高液滴生产而不牺牲均匀性。多发射器电喷射设备通常在半导体洁净室中制造，但传统工艺限制了设备组件的形状和大小。研究人员在公开文献中未发现任何关于微型三轴电喷射阵列的先前报告，突显了这项工作的创新性。
“构建三轴阵列时，需要找到一种方法创建在最小占地面积内集成许多部件和极细结构的几何形状。并且需要确保设备能均匀工作，”Velásquez-García解释道。为此，他和他的合作者使用了一种称为浴光聚合的3D打印技术，该技术利用光固化极薄的液体树脂层，每次打印一层。这一极其精确的过程使研究人员能够打印出仅25微米高的层，远低于人类头发的宽度。通过这种方式，他们能够生成三轴电喷射发射器所需的复杂内部几何形状。
研究人员的阵列略大于一美分硬币，包含一个内部螺旋通道网络，将液体输送到16个喷嘴。这些螺旋微通道有助于在所有喷嘴之间保持均匀的微液滴喷雾，同时尽可能保持设备的紧凑性。Velásquez-García表示：“从某种意义上说，阵列中的发射器从未意识到有其他发射器的存在，否则会导致干扰。我们实现均匀性是由于我们设计中所投入的工作。”他们还需要在没有支撑结构的情况下制造极小的通道，以避免堵塞设备，并确保在使用阵列之前去除所有未固化的树脂。微通道将液体引导到同心喷嘴，喷嘴必须完美对齐，以便以一致的方式正确喷出微液滴。Velásquez-García表示：“我们能够积极优化设计，因为我们可以以更及时的方式进行迭代。这种精细化设计的能力是3D打印的一大优势。”研究人员测试了多种架构，以确定理想的液体流速组合，以最大化喷出的微液滴的稳定性和一致性。他们惊讶地发现，中间液体的粘度在实现微液滴的稳定性方面起着最重要的作用，因为它保持了每一层的厚度。此外，研究人员发现，通过调整流速和电压，能够精确设计每个微液滴层的厚度。这将使科学家能够设计出理想层的药物传递颗粒，以便药物在适当的时间释放。Velásquez-García表示：“通过使如此复杂的设备更实用，我们可以赋能他人追求创业和科学的进步。”未来，研究人员希望继续改进其制造过程和设计，以实现更小的尺寸，并将导电或介电材料集成到设备中，以制造更先进的电喷射发射器阵列。这项研究部分得到了Tecnológico de Monterrey – MIT纳米技术项目的资助。
博主点评： 这项研究展示了3D打印技术在药物传递领域的巨大潜力，尤其是在生产效率和成本方面的优势。通过创新的电喷射发射器设计，未来药物的精准释放将更加可控，极大地推动了生物医学应用的发展。期待后续的技术迭代与应用。