Basierend auf Material von Saskia Sichermann, Samuel Cruz Vanegas und Rubén Ramos García, Abteilung Optik, Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE)
Einführung
Forscher des Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) entwickeln einen nadelfreien Injektor, der Medikamente mithilfe von Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahlen durch die Haut verabreichen kann. Um die menschliche Haut erfolgreich zu durchdringen, müssen diese Strahlen Geschwindigkeiten von etwa 150 m/s erreichen. Die vorhandenen additiven Fertigungseinrichtungen konnten jedoch nicht die glatten, hochpräzisen inneren Merkmale erzeugen, die stabile Hochgeschwindigkeitsstrahlen ermöglichen.
Der Prototyp basiert auf einer zylindrischen Austrittsdüse mit einem Durchmesser von 500 µm, durch die die Flüssigkeit beschleunigt wird. Die Glätte der Innenwände ist entscheidend: Selbst mikrometergroße Abweichungen in der Oberflächenrauheit können den Strahl destabilisieren, die Geschwindigkeit mindern und eine gleichmäßige Durchdringung verhindern. Die internen 3D-Druckkapazitäten von INAOE erreichen nicht die hohe Auflösung, um diese Mikrogeometrien mit der für Funktionstests erforderlichen Oberflächenqualität herzustellen .
Das Ziel war die Herstellung eines Auslasses im Mikrometerbereich, der stabile Hochgeschwindigkeitsstrahlen erzeugen kann, die für die transdermale Verabreichung von Medikamenten geeignet sind. Die größte Hürde für die Leistungsfähigkeit stellte die Herstellung wiederholbarer, glatter Innenflächen in einem so kleinen Kanal dar.
Leistungssteigerung durch Mikropräzision
Das Team entschied sich für die mikropräzise 3D-Druckplattform von Boston Micro Fabrication und nutzte deren Tchnologie derProjektionsmikro-Stereolithografie (PµSL). Dank der Fähigkeit von BMF, mit sehr hoher Auflösung, außergewöhnlicher Oberflächenglätte und Materialklarheit zu drucken, gelang die erfolgreiche Herstellung der wichtigsten Komponente des Injektors. Damit war es dem Team erstmals möglich, eine Düse mit ausreichender Maßgenauigkeit und glatten Innenwänden herzustellen, die den Leistungsanforderungen der Studie entsprach.
Prozess
Die Forscher reichten Entwürfe zur Produktion bei BMF ein, wobei sie sich auf folgende Ziele konzentrierten:
- Zylindrische Ausgänge mit einem Durchmesser von 500 µm und gleichmäßiger, wiederholbarer Geometrie
- Ultraglatte Innenflächen zur Förderung der Strahlstabilität
- Materialklarheit zur Unterstützung der Bewertung und Visualisierung
BMF druckte mehrere Prototypen, sodass ein direkter Vergleich mit den Teilen möglich war, die mit den vorhandenen Geräten von INAOE hergestellt worden waren.
Ergebnisse
Die Auswirkungen der verbesserten Druckauflösung und Oberflächenqualität waren unmittelbar und dramatisch:
• Jets aus INAOE-gedruckten Teilen erreichten Höchstgeschwindigkeiten von etwa 30 m/s
• Jets aus BMF-gedruckten Teilen erreichten bei gleicher Energiezufuhr Geschwindigkeiten von bis zu 200 m/s.
Mit BMF-gedruckten Komponenten überschritt der Prototyp die für das Durchdringen menschlicher Haut erforderliche Schwelle von 150 m/s – ein Ergebnis, das mit den bisher verfügbaren Fertigungsmethoden als unerreichbar galt. Die verbesserte Leistung ebnet den Weg für Folgeuntersuchungen, in denen die Eindringtiefe, die Dosierungsabgabe und die Strahlstabilität in verschiedenen Hautschichten untersucht werden.
