水凝胶微针加工：飞秒激光PDMS亚微米级结构刻蚀方案

经皮给药系统（TDDS）凭借其独特优势，已成为医药研发领域的核心焦点，其中微针技术（Microneedles, MN）为突破皮肤角质层屏障、提升药物渗透效率提供了关键途径。水凝胶微针，基于PDMS模具制备而成，因其优异的生物相容性与应用潜力备受瞩目。然而，微针的功效与其微观结构的精密程度休戚相关，这对加工技术提出了极高要求。

微针是什么？

微针通常由附着在基座上的微米级针尖阵列构成。其典型尺寸为：长度150-1500µm（甚至10-2000µm），针体直径/宽度50-250µm。微针经皮给药和注射给药不同，微针长度够小足以将药物释放到表皮中，且不会到达层损伤神经，引起疼痛。微针技术从实心微针演进至水凝胶微针等多形态，后者可在药物递送后完整取出，避免体内残留风险，并兼具高载药量、优异生物相容性及简易制备（如PDMS微模塑法）等优势。

水凝胶微针给药方式（原图链接：https://doi.org/10.1016/j.mser.2016.03.001）

应用示例：超声辅助可替换式六角星形水凝胶微针贴片用于皮肤间隙液采集过程示意图。（DOI：10.1016/j.cej.2024.157293）

微针虽好，“针尖上的功夫”可不简单

PDMS（聚二甲基硅氧烷）是一种典型的聚合物，具体属于有机硅聚合物，因其优异的生物相容性、低毒性、良好的柔韧性和可塑性、化学稳定性、耐高温性以及作为水凝胶聚合物时表现出的优异机械强度，成为制备水凝胶微针模具的理想材料之一。然而，也因为些特点，在加工过程中易发生皱缩、变形，难以获得锐利的边缘和光滑的表面。

尽管3D打印在制造复杂三维主体结构方面展现了巨大潜力，并实现了大规模个性化定制。然而，在处理精细内部结构或要求极高表面光洁度和锐利度的应用中，有很大局限性，不仅影响药物穿透皮肤效果还有材料残留堵塞风险。那么，如何在柔软Q弹的PDMS材料上，做出只有几微米甚至纳米级的微针阵列呢？

飞秒激光工艺解析
飞秒激光技术作为一种前沿工艺以其独特的物理机制，为PDMS水凝胶微针的精密制造提供了突破性方案：

1、“冷加工”特性，克服材料变形： 生物医疗微器件制造需严格控制热影响，以避免材料或功能损伤，同时还需防范污染。飞秒激光与其他激光的更大区别就是非接触的“冷加工”原理，它与物质相互作用时间极短，能量在材料晶格发生热传递之前即完成气化。这使得加工区域的热影响区（HAZ）极小，有效避免了PDMS等高分子材料在加工中常见的熔融、热变形、碳化等问题，确保了加工边缘的整齐度和结构的性，尤其适合加工柔软、热敏的PDMS和其他聚合物材料。

2、亚微米级三维加工能力
针尖的锐利度及针体的机械强度是能否穿透角质层的重要条件，并且微针阵列中每个针的几何参数（如高度、锥度、深宽比）都需要高度一致，以确保均匀的药物分布和可预测的治疗效果。采用飞秒激光设备，通过计算机控制激光光束扫描路径，可直接在PDMS基底上刻蚀出设计的微针阵列，可以实现复杂三维微结构的直接刻蚀，包括微针的针体、可调锥度针尖结构，精度可达±1μm，阵列高度一致。

45°斜坡凸点微结构飞秒激光刻蚀，精度±2μm

飞秒激光在水凝胶微针加工中的应用路径

1、飞秒激光直接刻蚀成型 (适用于研发和小批量)

飞秒激光的直写能力具备极大的灵活性，软件设计好路径，飞秒激光可精准实现多种聚合物材料的微针阵列成型，并同步完成钻孔、切割等一体化超精密加工作业。其直接刻蚀成型工艺，简化了制作流程，适合研发阶段的快速原型制造和个性化微针设计。
 

pdms薄膜8μm孔径飞秒激光加工，精度±2微米

2、飞秒激光制备高精度模具 (适用于批量生产)

针对大规模生产需求，飞秒激光可制造亚微米级精度、超高表面光洁度的PDMS微针模具，避免聚合物材料残留问题，或结构精度不足等问题，保障药物的稳定装载与释放。随后通过复制成型工艺，即可实现高质量水凝胶微针的批量化、低成本制造。

近年来，微针经皮给药技术应用广泛，可用于传输药物、和疫苗等。在皮肤医美领域，微针也被广泛应用于皮肤年轻化；损容性皮肤病如痤疮、黄褐斑、脱发等疾病的治疗。随着飞秒激光技术的持续发展，其在高端生物医药微器件制造，特别是精密微针系统领域的应用将更加深入，推动经皮给药技术向更精准、高效、个性化的方向发展。