基于微注塑成型技术的PLA微针最佳成型工艺研究及其使用性能分析

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.11.013

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (11): 76-80.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.11.013

基于微注塑成型技术的PLA微针最佳成型工艺研究及其使用性能分析

徐嘉伟¹, 朱敬先², 霍则军², 高强³(), 康婷婷³, 康晓雅³, 庄俭³

^1.宁波海天塑机集团，浙江宁波 315821
^2.北京大学第三医院，北京 100191
^3.北京化工大学机电工程学院，北京 100029

收稿日期:2024-02-29 出版日期:2024-11-26 发布日期:2024-11-21
通讯作者: 高强（1998—），男，硕士研究生，从事高分子材料成型装备数字孪生研究，flmdtd@163.com
E-mail:flmdtd@163.com

Analysis of optimal molding process for PLA microneedle based on micro injection molding technology

XU Jiawei¹, ZHU Jingxian², HUO Zejun², GAO Qiang³(), KANG Tingting³, KANG Xiaoya³, ZHUANG Jian³

^1.Haitian Plastic Machinery Co，Ltd，Ningbo 315821，China
^2.Peking University Third Hospital，Beijing 100191，China
^3.College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China

Received:2024-02-29 Online:2024-11-26 Published:2024-11-21
Contact: GAO Qiang E-mail:flmdtd@163.com

摘要/Abstract

摘要：

为了提高聚合物微针的生产效率，提高成型质量，降低生产成本及适应大批量生产的要求，利用微注塑成型技术制备聚乳酸材料（PLA）的医美用微针贴片。通过正交实验法探究了注塑成型过程中的熔体温度、模具温度、注射速度、保压压力以及保压时间五项工艺参数对PLA微针顶端直径的影响。利用电子显微镜及测力计对PLA最佳工艺微针进行形貌尺寸表征及力学强度测试，并进行了体外皮肤穿刺测试及透皮渗透实验验证了其对皮肤的穿刺及渗透作用。结果表明，当工艺参数为熔体温度200 ℃、模具温度45 ℃、注射速度360 mm/s、保压压力50 MPa、保压时间4 s时，达到注塑成型PLA微针的最小顶端直径及成型效果，高度达到0.524 mm，顶端直径达到0.027 mm，针尖成型明显最优，且微针达到性能要求。

关键词: 微注塑成型, 聚合物微针, 注塑工艺, 正交实验, 透皮渗透

Abstract:

In order to improve the production efficiency of polymer microneedles and molding quality， reduce the production cost， and meet the requirement of mass production， a micro injection molding technology was used to prepare the poly（lactic acid）（PLA）⁃based medical and aesthetic microneedle patches. The effects of melt temperature， mold temperature， injection speed， holding pressure， and holding time on the tip diameter of the resultant PLA⁃based microneedles were investigated by an orthogonal experiment， and their morphology， size and mechanical strength were characterized by electron microscopy and dynamometry. Moreover， the skin penetration and penetration experiments in vitro were carried out to verify the penetration and penetration effects of the PLA microneedles. The results indicated that the injection⁃molded PLA microneedles obtained a good molding effect with a minimum tip diameter when the process parameters were set to a melt temperature of 200 ℃， a mold temperature of 45 ℃， an injection speed of 360 mm/s， a holding pressure of 50 MPa， and a holding time of 4 s. Under such a condition， the PLA microneedles achieved a height of 0.524 mm and a tip diameter of 0.027 mm. The needle tip molding was obviously optimal， and the developed microneedles could meet a requirement of performance.

Key words: micro injection molding, polymer microneedle, injection molding process, orthogonal experiment, transdermal penetration

中图分类号:

TQ320.6

徐嘉伟, 朱敬先, 霍则军, 高强, 康婷婷, 康晓雅, 庄俭. 基于微注塑成型技术的PLA微针最佳成型工艺研究及其使用性能分析[J]. 中国塑料, 2024, 38(11): 76-80.

XU Jiawei, ZHU Jingxian, HUO Zejun, GAO Qiang, KANG Tingting, KANG Xiaoya, ZHUANG Jian. Analysis of optimal molding process for PLA microneedle based on micro injection molding technology[J]. China Plastics, 2024, 38(11): 76-80.

图/表 10

因素/水平	A	B	C	D	E
1	180	25	300	45	4
2	190	35	330	50	6
3	200	45	360	55	8
4	210	55	390	60	10

表1 正交实验各因素及水平

Tab.1 Factors and levels of the orthogonal experiments

实验序号	A	B	C	D	E	顶端直径 /μm
1	A₁ （180）	B₁ （25）	C₁ （300）	D₁ （45）	E₁ （4）	34.52
2	A₁ （180）	B₂ （35）	C₂ （330）	D₂ （50）	E₂ （6）	36.40
3	A₁ （180）	B₃ （45）	C₃ （360）	D₃ （55）	E₃ （8）	32.12
4	A₁（180）	B₄ （55）	C₄ （390）	D₄ （60）	E₄ （10）	32.52
5	A₂ （190）	B₁ （25）	C₂ （330）	D₃ （55）	E₄ （10）	34.12
6	A₂ （190）	B₂ （35）	C₁ （300）	D₄ （60）	E₃ （8）	39.40
7	A₂ （190）	B₃ （45）	C₄ （390）	D₁ （45）	E₂ （6）	33.64
8	A₂ （190）	B₄ （55）	C₃ （360）	D₂ （50）	E₁ （4）	29.96
9	A₃ （200）	B₁ （25）	C₃ （360）	D₄ （60）	E₂ （6）	27.44
10	A₃ （200）	B₂ （35）	C₄ （390）	D₃ （55）	E₁ （4）	33.40
11	A₃ （200）	B₃ （45）	C₁ （300）	D₂ （50）	E₄ （10）	28.00
12	A₃ （200）	B₄ （55）	C₂ （330）	D₁ （45）	E₃ （8）	28.04
13	A₄ （210）	B₁ （25）	C₄ （390）	D₂ （50）	E₃ （8）	31.40
14	A₄ （210）	B₂ （35）	C₃ （360）	D₁ （45）	E₄ （10）	32.96
15	A₄ （210）	B₃ （45）	C₂ （330）	D₄ （60）	E₁ （4）	28.08
16	A₄ （210）	B₄ （55）	C₁ （300）	D₃ （55）	E₂ （6）	32.08

表2 正交实验设计及数据

Tab.2 Design and datas of the orthogonal experiments

均值	熔体温度/℃	模具温度/℃	注射速度/mm·s^-1	保压压力/MPa	保压时间/s
主次顺序	模具温度>熔体温度>注射速度>保压时间>保压压力
K₁	135.56	127.48	134.00	129.16	125.96
K₂	137.12	142.16	126.64	125.76	129.56
K₃	116.88	121.84	122.48	131.72	130.96
K₄	124.52	122.60	130.96	127.44	127.60
$K 1 ¯$	33.89	31.87	34.85	32.29	31.49
$K 2 ¯$	34.28	35.54	31.66	31.44	32.39
$K 3 ¯$	29.22	30.46	30.62	32.93	32.74
$K 4 ¯$	31.13	30.65	31.39	31.86	31.90
最优水平	A₃	B₃	C₃	D₂	E₁
R_j	5.06	5.08	4.23	0.85	1.25

均值	熔体温度/℃	模具温度/℃	注射速度/mm·s^-1	保压压力/MPa	保压时间/s
主次顺序	模具温度>熔体温度>注射速度>保压时间>保压压力
K₁	135.56	127.48	134.00	129.16	125.96
K₂	137.12	142.16	126.64	125.76	129.56
K₃	116.88	121.84	122.48	131.72	130.96
K₄	124.52	122.60	130.96	127.44	127.60
$K 1 ¯$	33.89	31.87	34.85	32.29	31.49
$K 2 ¯$	34.28	35.54	31.66	31.44	32.39
$K 3 ¯$	29.22	30.46	30.62	32.93	32.74
$K 4 ¯$	31.13	30.65	31.39	31.86	31.90
最优水平	A₃	B₃	C₃	D₂	E₁
R_j	5.06	5.08	4.23	0.85	1.25

表3 正交实验结果

Tab.3 Results of the orthogonal experiments

表3 正交实验结果

Tab.3 Results of the orthogonal experiments

图1 工艺参数对顶端直径的影响

Fig.1 Effect of process parameters on the top diameter

图2 微针形貌

Fig.2 Morphology of the microneedle

图3 单个PLA最佳工艺微针的力学性能

Fig.3 Mechanical properties of a single PLA microneedle at optimum process

图4 微针的穿刺效果

Fig.4 Puncture effect of the microneedles

图5 克林霉素的标准曲线

Fig.5 Standard curve of the clindamycin

图6 克林霉素的累计释放曲线

Fig.6 Cumulative release curves of the clindamycin

图7 针孔不同时间点的愈合情况

Fig.7 Healing of the pinholes at different time

参考文献 20

1	张振波，房德敏. 微针技术在经皮给药系统的研究进展［J］. 天津药学， 2018， 30（06）： 40⁃43.
2	刘春晶，林福玉，刘金毅. 微针技术在透皮给药方向的研究进展［J］. 生物技术通讯， 2018， 29（01）： 148⁃154.
	LIU C J， LIN F Y， LIU J Y. Microneedles for transdermal drug delivery［J］. Letters in Biotechnology， 2018， 29（01）： 148⁃154.
3	Hong X， Wei L， Wu F. Dissolving and biodegradable microneedle technologies for transdermal sustained delivery of drug and vaccine［J］. Drug design， development and therapy， 2013， 7： 945.
4	Liu X， Kruger P， Maibach H. Using skin for drug delivery and diagnosis in the critically ill［J］. Advanced Drug Delivery Reviews， 2014， 77： 40⁃49.
5	Matteucci M， Casella M， Bedoni M. A compact and disposable transdermal drug delivery system［J］. Microelectronic Engineering， 2008， 85（5/6）： 1 066⁃1 073.
6	Haq M， Smith E， John D N. Clinical administration of microneedles： skin puncture， pain and sensation［J］. Biomedical Microdevices， 2009， 11（1）： 35⁃47.
7	Chong R H， Gonzalez⁃Gonzalez E， Lara M F. Gene silencing following siRNA delivery to skin via coated steel microneedles： In vitro and in vivo proof⁃of⁃concept［J］. Journal of Controlled Release， 2013， 166（3）： 211⁃219.
8	Zhang X， Chen G， Yu Y. Bioinspired adhesive and antibacterial microneedles for versatile transdermal drug delivery［J］. Research， 2020，2020： 3672120.
9	Wang Y， Cheng S， Hu W. Polymer⁃grafted hollow mesoporous silica nanoparticles integrated with microneedle patches for glucose⁃responsive drug delivery［J］. Frontiers of Materials Science， 2021， 15（1）： 98⁃112.
10	Zhu D D， Wang Q L， Liu X B. Rapidly separating microneedles for transdermal drug delivery［J］. Acta Biomaterialia， 2016， 41： 312⁃319.
11	Ling M⁃H， Chen M⁃C. Dissolving polymer microneedle patches for rapid and efficient transdermal delivery of insulin to diabetic rats［J］. Acta Biomaterialia， 2013， 9（11）： 8 952⁃8 961.
12	Lee I C， Lin W M， Shu J C. Formulation of two‐layer dissolving polymeric microneedle patches for insulin transdermal delivery in diabetic mice［J］. Journal of Biomedical Materials Research Part A， 2017， 105（1）： 84⁃93.
13	Chen Y， Chen B Z， Wang Q L. Fabrication of coated polymer microneedles for transdermal drug delivery［J］. Journal of Controlled Release， 2017， 265： 14⁃21.
14	李文俊，张勇. 塑料薄膜表面微结构热压印成型的研究进展［J］. 上海塑料， 2016（01）： 6⁃11.
	LI W J， ZHANG Y. Research progress on micro⁃structures fabrication for plastics thin films by hot embossing process［J］. Shanghai Plastics， 2016（01）： 6⁃11.
15	赵笑，李欣芳，张鹏. 聚合物微针介导经皮给药的研究［J］. 化学进展， 2017， 29（12）： 1 518⁃1 525.
	ZHAO X， LI X F， ZHANG P. Research of polymeric microneedles for transdermal drug delivery［J］. Progress in Chemistry， 2017， 29（12）： 1 518⁃1 525.
16	杨铎，韩飞，吴蒙华. 微注塑成型充模理论模型与3D填充模拟研究［J］. 塑料助剂， 2018（03）： 31⁃34.
	YANG D， HAN F， WU M H. Micro⁃injection mold gilling theoretical model and 3D filling simulation［J］. Plastics Additives， 2018（03）： 31⁃34.
17	Annicchiarico D， Alcock J R. Review of factors that affect shrinkage of molded part in injection molding［J］. Materials and Manufacturing Processes， 2014， 29（6）： 662⁃682.
18	Liparoti S， Sorrentino A， Titomanlio G. Temperature and pressure evolution in fast heat cycle injection molding［J］. Materials and Manufacturing Processes， 2019， 34（4）： 422⁃430.
19	李爽. 等规聚丙烯微注塑制品可成型性及形态结构的研究［D］. 郑州：郑州大学， 2013.
20	Weng C， Yang J， Yang D. Molecular dynamics study on the deformation behaviors of nanostructures in the demolding process of micro⁃injection molding［J］. Polymers， 2019， 11（3）： 470.

[1]	赵川涛, 贾志欣, 刘立君, 李继强, 张臣臣, 荣迪, 高利珍, 王少峰. 环氧树脂/碳纤维复合材料模压制品力学性能影响因素分析[J]. 中国塑料, 2024, 38(2): 26-32.
[2]	吴俊超. 基于Moldflow的汽车仪表板大型塑件注塑模工艺优化[J]. 中国塑料, 2021, 35(12): 121-128.
[3]	薛茂远, 梅益, 罗宁康, 唐芳艳, 肖展开. 基于模糊集的车用升降器开关面板注射成型保压曲线优化研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(10): 76-82.
[4]	肖清武柳和生黄益宾余忠. 外部气体辅助注射成型制品加强筋表面凹痕实验分析[J]. 中国塑料, 2019, 33(2): 69-74.
[5]	贺圣彦, 楚纯朋, 邓娇, 曹中清. 基于CAE的厚壁塑件注塑工艺参数优化[J]. 中国塑料, 2016, 30(12): 58-62 .
[6]	郭辰光, 彭成, 李源, 李威力. 马达螺纹水壶后盖注塑模具设计[J]. 中国塑料, 2016, 30(03): 109-112 .
[7]	李霞, 连晓磊, 张三川, 张响. 超声微注塑机超声单元的设计与分析[J]. 中国塑料, 2016, 30(03): 99-104 .
[8]	王克俭, 曹国荣. 注塑工艺对聚碳酸酯曲面透光件光学角偏差的影响[J]. 中国塑料, 2015, 29(11): 87-91 .
[9]	李萍, 孙玲, 辛勇. 汽车前保险杠支架断裂缺陷分析及残余应力优化[J]. 中国塑料, 2015, 29(05): 80-84 .
[10]	黄志刚, 刘凯, 付晓宇, 苏新. 单螺杆挤出机固体输送段的优化设计[J]. 中国塑料, 2014, 28(11): 104-107 .
[11]	王鑫, 武燕, 杜林芳. 结构尺寸对精密塑件成型精度影响规律的数值模拟[J]. 中国塑料, 2014, 28(04): 78-86 .
[12]	岳钦杨谢春稳. 注射成型参数对透明制品双折射影响仿真研究[J]. 中国塑料, 2012, 26(11): 74-78 .
[13]	庄俭张亚军王晓娜赵中里吴大鸣. 基于微注射成型的微连接器工艺实验研究[J]. 中国塑料, 2009, 23(09): 67-70 .
[14]	白杨柳和生. 注射成型工艺参数对丙烯制品翘曲的影响及机理研究[J]. 中国塑料, 2009, 23(05): 76-79.
[15]	刘东雷, 辛勇. 基于综合平衡法的RHCM成型LCD电视机前面壳工艺优化研究 [J]. 中国塑料, 2008, 22(11): 70-74 .

基于微注塑成型技术的PLA微针最佳成型工艺研究及其使用性能分析

Analysis of optimal molding process for PLA microneedle based on micro injection molding technology

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 10

参考文献 20

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价