Abstract
כתב יד זה מתאר את הייצור של מערכי microneedle פולימרים (MN) על ידי photolithography. זה כרוך בתהליך ללא עובש פשוט באמצעות photomask המורכב ממייקרו-עדשות מוטבעות. מיקרו-עדשות משובצות נמצאו להשפיע גיאומטריה MN (חדות). מערכי MN חזקים בקטרים הנעים בין קצה 41.5 מיקרומטר ± 8.4 מיקרומטר ו71.6 מיקרומטר ± 13.7 מיקרומטר, עם שני אורכים שונים (1,336 מיקרומטר ± 193 מיקרומטר ומיקרומטר 957 ± 171 מיקרומטר) היו מפוברקים. מערכי MN אלה עשויים לספק יישומים פוטנציאליים באספקה של תרופות מולקולריות וmacromolecular נמוכות דרך עור.
Introduction
העברת תרופות דרך העור מציעה גישה חלופית אטרקטיבית למתן תרופה, במיוחד למולקולות ביולוגיות, המנוהלים באופן כמעט בלעדי על ידי זריקות מזרק. עם זאת, העור, במיוחד את השכבה העליונה (השכבה הקרנית), הוא מחסום אדיר מניעת מולקולות אקסוגניים מלהיכנס לגוף האדם. לאחרונה, מכשירי MN צמחו כמאפשרים כלים כדי לספק תרופות דרך עור. מכשירי MN ליצור נקבוביות זמני בתוך השכבה הקרנית לאפשר המעבר של מולקולות תרופה כדי להשיג את הפעילות הפיזיולוגית הרצויה עם תאימות מטופל השתפרה ונוחות 1-3.
שיטות ייצור שונות אומצו לפברק MNS פולימריים 4. עם זאת, הם בדרך כלל כרוכים בתהליכים מסובכים ומרובים צעד דורשים פעמים רבות ו / או טמפרטורות גבוהות לפברק מערכי MNS. 4 כדי לפשט את תהליך הייצור, באמצעות תהליך ללא עובש צעד אחדphotomask פותח לאחרונה 5,6. עם זאת, בשיטה זו, מפוברק היה MNS טיפים מחט בוטים, כפי שאין מנגנון היה במקום לשנות את נתיב אור אולטרה סגול (UV) המעורב בphotolithography.
במחקר זה, microlenses המוטבע בphotomask הוצעו להגדיר את הגיאומטריה של MNS. הפרוטוקול לפברק photomasks בהיקף של microlenses המשובץ ולאחר מכן MN ייצור עם טיפים חדים באמצעות photomask מדווחים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. ייצור Photomask
- נקה רקיק זכוכית 4 "עם פתרון פיראניה (H 2 SO 4 / H 2 O 2 ב 2: 1 יחס) במשך 20 דקות ב 120 מעלות צלזיוס על ידי טבילה בטנק קוורץ.
- להפקיד רובד של כרום / זהב (30 ננומטר של Cr / 1 מיקרומטר של Au) שכבה על פרוסות סיליקון הזכוכית באמצעות מאייד 7 (איור 1 א) קורה אלקטרוני.
- מניחים את הפרוסות במאייד קורה אלקטרוני. ברגע שהאבק מגיע 5 x 10 -6 Torr, להפעיל את מקור מתח הגבוה (10 קילו וולט). לשלוט בעובי של לוח בקרת צג.
- טרום נקי כל חומר במשך 30 שניות באמצעות אקדח הקורה האלקטרוני, שמירה על התריס "OFF" (על מנת להימנע מהתצהיר על הוופלים).
- צור שכבת מיסוך photoresist Cr / Au לתחריט רטוב עמוק של הזכוכית.
- החל photoresist עבה 2 מיקרומטר ידי ספינינג 5 מיליליטר של הפתרון למשך 30 שניות בסל"ד 3000 באמצעות מערכת coater ספין-ספריי.Prebake photoresist על פלטה חמה ב 100 מעלות צלזיוס במשך 1.5 דקות.
- לחשוף וקשה לאפות photoresist ב 120 מעלות צלזיוס במשך 30 דקות על פלטה חשמלית. זה קריטי כדי ליצור משטח הידרופובי והדבקה חזקה של photoresist לשכבת המתכת. תבנית שכבת Cr / Au באמצעות etchants Cr וAu דרך photoresist להסוות 8,9.
- להגנה על משטח הזכוכית בדוגמת האו"ם, באופן זמני אג"ח רקיק הזכוכית לפרוסות סיליקון דמה. 9
- מניחים את פרוסות זכוכית על צלחת חמה ב 110 מעלות צלזיוס ולהמס את השעווה בצד השני של פרוסות סיליקון הזכוכית (באופן כזה שכל פני השטח של הרקיק מכוסה בשעווה).
- מניחים פרוסות סיליקון דמה במגע עם רקיק הזכוכית ולחץ כדי להסיר את השעווה העודפת. על מנת להימנע משפיכת השעווה, למקם את נייר טישו חדר נקי על פלטה חשמלית.
- בצע תחריט איזוטרופיים של העדשה באמצעות חומצה הידרופלואורית מותאמת (49% V / V)פתרון וחומצה הידרוכלורית (37% V / V) (ביחס נפח של 10: 1). עם בוחש מגנטי עבור 8.5 דקות 10 נוכחות של HCl היא קריטית בהשגת איכות משטח טובה של עדשות שנוצרו.
- ודא כי שיעור התחריט הוא 7 מיקרומטר / min; באמצעות נפח כולל של 200 מיליליטר של תמיסת תחריט. בצע תחריט במכל פלסטיק ולקחת אמצעי בטיחות לצעד זה עיבוד.
- נקה את הרקיק במים ללא יונים (DI) על ידי שטיפה וייבוש נוסף ב RT.
- לאחר השלימה התהליך, להפריד את רקיק הזכוכית מפרוסות סיליקון דמה ולחמם את השעווה בעזרת צלחת חמה ב 100 מעלות צלזיוס במשך 15 שניות. כשעווה נמסה בטמפרטורה זו, לנתק את רקיק הזכוכית מפרוסות סיליקון דמה.
- הסר שעווה שנותרה, photoresist ושכבות Cr / Au התלויים בקצוות של העדשות באמצעות ultrasonication עבור שעה 1 באמצעות -methyl-2-pyrrolidone N כממס על 80 מעלות צלזיוס בטנק קולי.
- צור העתק עובש PDMS של microlenses המפוברק על photomasks 11.
- לאפיין את ממדי photomask (אורך ורוחב) ועובש PDMS microlenses (עומק וקוטר) העתקים באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק וסטראו בהתאמה. 12-14
ייצור 2. גלים MN
- צור חלל של 2.5 סנטימטר × 0.9 סנטימטר באמצעות שקופיות הזכוכית רכובה על שני צדדים של זכוכית. מספר שקופיות הזכוכית שנערמו על שני הצדדים יקבע את הגובה של החלל הידוע כעובי spacer (איור 1).
- Secure כל שכבה של שקופיות זכוכית על ידי יישום שכבה דקה של פתרון prepolymer המכיל פולי (אתילן גליקול) diacrylate (PEGDA, MW = 258 Da) עם 0.5% w / w 2-2-מתיל-propiophenone הידרוקסי (HMP) על גבי שקופיות זכוכית ואחרי הקרנה של האור להגדיר עם אולטרה סגול בעוצמה הגבוהה (UV) למשך 2 שניות.
- מקם את photoma SK (מפוברק בעבר) עם משטחי Cr / Au המצופה מול הפנים של החלל. ודא שהצדדים של קירות החלל לא מסתירים את העדשות משובצות בphotomask.
- למלא את החלל עם פתרון prepolymer עד המשטח המצופה כרום / Au הוא במגע עם הפתרון ללא כל בועות גלויות.
- מכשיר את ההתקנה עם אור UV בעוצמה גבוהה של אינטנסיביות רצויה עבור 1 שניות במרחק של 3.5 סנטימטרים ממקור UV באמצעות תחנת ריפוי UV עם מגוון מסנן UV של 320-500 ננומטר. השתמש במתאם collimating עם חללית אור UV.
- מדוד את עוצמת אור UV משמשת באמצעות מד קרינה.
- בעקבות חשיפה לקרינת UV, להסיר את photomask עם המערך של MNS. יוצקים את פתרון prepolymer העודף שאינו polymerized בתהליך חזרה למכל המקורי שלה לשימוש חוזר.
- לכמת את קוטר אורך וקצה MNS באמצעות סטראו לפי הוראות יצרן.
class = "jove_title"> 3. ייצור שכבת גיבוי MN
- עם מלקחיים, למקם את MNS (מפוברק בעבר) מצורף אל photomask בבאר של צלחת 24 גם כפי שמוצג באיור 1 ג.
- הוספת נפח שצוין (300-400 μl) של פתרון prepolymer לתוך הבאר עד המחטים שקועות עד לגובה רצוי. כרך זה קובע את עובי שכבת גיבוי התוצאה.
- מכשיר את ההתקנה עם אור בעוצמה גבוהה UV (15.1 W / 2 סנטימטר), 10.5 סנטימטרים ממקור UV למשך תקופה של 1 שניות.
- הפרד את שכבת הגיבוי על מערך MN מphotomask באמצעות סכין חד.
- לכמת את קוטר אורך, קוטר קצה ובסיס של MNS עם שכבת הגיבוי באמצעות סטראו לפי הוראות יצרן.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
הגיאומטריה של MNS יכולה להיות מושפעת באופן משמעותי על ידי מאפייני photomask וmicrolens המוטבעים. התואר של שבירה משפיע על נתיב העברת קרני UV, שהשפיעה על הגיאומטריה MN (איור 2 א). כל microlens נמצא כי קוטר 350 מיקרומטר, 130 מיקרומטר שיטח משטח קמור, ו62.3 מיקרומטר עומק (איור 2-D). השימוש במשפט פיתגורס, רדיוס עקמומיות של המשטח הראשון נמצא 272.89 מיקרומטר. אורך המוקד היה מחושב להיות 509.28 מיקרומטר (זכוכית n = 1.53627 שוקל; n = אוויר 1.000; λ = 365 ננומטר) באמצעות משוואת יצרנית עדשות 12 כאמור להלן:
1 / f = (n 1 / -1 מ 'n) * (1 / r 1 -1 / r 2)
כאשר n 1 הוא מקדמת השבירה של חומר עדשה, n מ 'היא מקדמת השבירה של מדיום הסביבה, r 1 הוא radius עקמומיות של המשטח הראשון, וr 2 הוא רדיוס עקמומיות של המשטח השני.
ההשפעה של עוצמת קרינת UV באורך MN, החדות ועיוות מבנית נחקרה על ידי שינוי עוצמת אור UV 3.14-15.1 W / 2 סנטימטר באורך מוקד קבוע ומרחק מקור אור. נמצא כי אורך MN הממוצע גדל באופן משמעותי (p <0.05) בעוצמה גוברת 3.14-9.58 W / 2 סנטימטר (איור 3 א). עליות נוספות בעוצמה של עד 15.1 W / 2 סנטימטר לא לייצר שינויים משמעותיים באורך. קוטר הקצה (המידה של חדות) ומבנה קצה MN נמצאו להשתנות עם עלייה בעוצמת (איור 3). MNS עם צורה רגילה וללא כל עיוות מבנית נצפה ב6.4 W / 2 סנטימטר.
שכבת הגיבוי הייתה מפוברקת כדי לאפשר את הסרת MN בצורה של תיקוןוכדי להפוך את השימוש חוזר photomask. זה גם סיפק כוח לפירי MN. לכן, ההשפעה של שכבת גיבוי הנפח (הנפח של פתרונות prepolymer כדי ליצור השכבה האחורית) הייתה גם למדה. בקטרים קצה מושפעים, MNS עם מגוון רחב של האורך (1,336 ± 193 מיקרומטר עבור 300 μl ו± 957 171 מיקרומטר תמורת 400 μl) נצפה לאחר החשיפה לקרינת UV (איור 4).
איור 1. (א) ייצוג סכמטי של תהליך הייצור של עדשות המוטבעות photomask. (1) 4 "רקיק זכוכית. (2) שכבת Cr / Au שהופקדה באמצעות מאייד קורה אלקטרוני. (3) חשיפה של שכבת מיסוך / Au / photoresist Cr לאור UV עם photomask. (4) גיבוש התבנית על שכבה באמצעות etchant Cr / Au. (5) מליטה זמנית של זכוכית על פרוסות סיליקון דמה. (6) - (7) תהליך תחריט רטוב (איזוטרופי) באמצעות HF / etchants HCl ואחריו ultrasonication. (8) Debonding של פרוסות סיליקון דמה והסרת שכבת photoresist. ייצוג סכמטי של תהליך הייצור של מחטים (B). photomask הכרום מצופה (9 x 9 מערכים), ממוקם מעל חלל המכיל פתרון מראש פולימר ונחשף לקרינת UV. ייצוג סכמטי של תהליך הייצור של שכבת הגיבוי (C). Photomask, עם microneedles המצורפת, ממוקם במלא היטב עם מראש פולימר ונחשף לקרינת UV. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
אפיון 2. איור של photomask. (א) חשיפה לקרינה UV מתמקד אור לconica נתיב l, הפקת MNS המחודד. (ב) ותמונת SEM של microlens (C). (ד) חלק ממערך של העתקים עובש PDMS הועתקו מmicrolenses, המראה את המשטח הקמור השטוח, תחת סטראו. (ה) photomask מראה את הדפוס. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
אפקט איור 3. פרמטרי UV על הגיאומטריה microneedle. השפעת עוצמת () ועובי spacer (ב ') באורך microneedle. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 4. השפעת שונה מראש פולימר המשמש לייצור שכבת גיבוי נפח. (- B) תמונות בנפח שונים, עם אורך MN ממוצע ל( 1,336 מיקרומטר) MNS קצר (957 מיקרומטר) ועוד. תמונות - (D C) המתאימות ל( AB) לאחר בדיקת כוח שבר. (ה) ירידה באורך MN עם גידול בהיקף המשמש לייצור שכבת גיבוי. כוח שבר (F) MN פני שני הכרכים מראש הפולימר המשמשים לפברק שכבת גיבוי (BL). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
הפרוטוקול שתואר לעיל עבור ייצור של מערך MNS הוצג לפברק מערך MNS של ~ 1 סנטימטר 2. ניתן לשנותם על ידי יצירת מערכי חלל גודל גדול ובאמצעות photomask גדול יותר. גודל החלל המוגבר ניתן ליצור על ידי הגדלת הרוחב בין מפרידי שני צדדים. למרות שכל צעד לפברק מערכי MN בפרוטוקול היה חשוב, הצעדים החשובים ביותר היו: מיצוב photomask, המילוי של פתרון prepolymer, וההקרנה של ההתקנה. מיקום של photomask צריך להיות באופן כזה שמשטחי Cr / Au המצופה להתמודד הפנים של החלל והצדדים של קירות החלל לטשטש את העדשות משובצות בphotomask. כאשר ממלא את התבנית עם פתרון prepolymer, להבטיח אוויר שבועות אינן ממולכדות שאחרת יכול להוביל למגוון MN הכוח מעוות ונמוך. ניתן למנוע בועות האוויר דרך פעולת הפתילה נשלטת על ידי הוספת prepolyme לאטפתרון r ולהבטיח שאין בועות אוויר הנוכחיות בפתרון prepolymer. מיקום של ההתקנה לקרינה צריך להיעשות באופן מודרך כדי להבטיח חשיפה לקרינת UV אחידה. לפני החשיפה לאור UV, ההתקנה הייתה מיושרת והניחה בתוך התיחום בבסיס המעמד.
MNS נוצר באמצעות photolithography הושפע במידה רבה על ידי הנוכחות של מיקרו-העדשות כעדשה הביאה פילמור בדרך משולבת, שהובילה להיווצרות של MNS החדה יותר בהשוואה לMNS הגלילי נוצר באמצעות photomask מישוריים. בphotomask מישוריים, אור UV עובר דרכו עם סטייה קטנה (כמעט ישר) וכתוצאה מכך ההיווצרות של MNS הגלילי עם טיפים פחות חדים. בעוד בphotomask-משובץ microlens, אור UV עובר דרך העדשות עבר שבירה והתכנס, וכתוצאה מכך ההיווצרות של MNS היטה החד. המשוואה של יצרנית העדשות אשר שימשה כpredictiיש מודל משוער האורך של MN באמצעות התאמה עם אורך המוקד של microlens נתן תחזית של האורך שלוש פעמים פחות מאמיתית. הפער יכול להיות בגלל המשטח הקמור שיטח של microlens, שלא אפשרו שבירת אור כמו העדשה הקמורה הקונבנציונלית. 13
גורם נוסף לגיאומטרית MN היה עוצמת אור UV. עוצמת 6.44 W / 2 סנטימטר נבחרה בגלל המחטים מיוצרות בעוצמה זו ברשות חוזק מכאני מספיק עבור יישומי עור. ממצא נוסף הקשורים לעצמה היה שעם כל תוספת בעוצמת קרינת UV, האורך של MN מגדיל. זה יכול להיות מיוחס לראש השטוח של microlens, שאיפשר חלק מקרן האור לנסוע מעבר לנקודת המוקד. יתר על כן, במידה של פילמור יש 14,15 גבולה, בהתאם לחוק ההפוך מרובע של האור, כלומר, האור מאבד אנרגיה כמרחקמעליות המקור. 16
יש הפרוטוקולים שתוארו כאן יש את היתרון של ייצור ללא עובש בתוך פרק זמן קצר. אבל אנחנו לא יכולים לחזות כמה רחוקים זה יכול לקחת עוד לייצור בכמות גדולה. MNS המערכים נעשו מפולימר ביולוגית בעלות נמוכה. זה עלול לשמש כמכשיר להעברת תרופות דרך העור יישומי תרופות וקוסמטיקה. עוד מעניין, הוא יכול לשמש כשילוב של מערכת המסירה ומכשיר, כמו התרכובות הטיפוליות עשויות להיות במארז (על ידי ערבוב או solubilizing בפתרון prepolymer) במהלך הייצור של MNS. 5,6,17 המסיסות של המתחם הוסיף בתוך פתרון prepolymer צריך להילקח בחשבון כמאפייני MN, למשל, כוח MN, עשוי להשתנות. 17
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA Mn=258) | SIGMA | 475629-500ML | |
| 2-hydroxy-2-methyl-propiophenone (HMP) | SIGMA | 405655-50ML | |
| Bovine collagen type 1, FITC conjugate | SIGMA | C4361 | |
| UV curing station | EXFO Photonic Solutions Inc., Canada | OmniCure S2000-XL | |
| Collimating Adaptor | EXFO Photonic Solutions Inc., Canada | EXFO 810-00042 | |
| 24-well plate | Thermo Fisher Scientific, USA | ||
| Nikon SMZ 1500 stereomicroscope | Nikon, Japan | ||
| Dillon GL-500 digital force gauge | Dillon, USA | ||
| A-1R confocal microscope | Nikon, Japan |
References
- Zhou, C. P., Liu, Y. L., Wang, H. L., Zhang, P. X., Zhang, J. L. Transdermal delivery of insulin using microneedle rollers in vivo. International journal of pharmaceutics. 392, 127-133 (2010).
- Lee, J. W., Choi, S. O., Felner, E. I., Prausnitz, M. R. Dissolving microneedle patch for transdermal delivery of human growth hormone. Small. 7, 531-539 (2011).
- Raphael, A. P., et al. needle-free vaccinations in skin using multi layered, densely-packed dissolving microprojection arrays. Small. 6, 1785-1793 (2010).
- Lee, J. W., Han, M. R., Park, J. H. Polymer microneedles for transdermal drug delivery. Journal of drug targeting. 21, 211-223 (2012).
- Kochhar, J. S., Goh, W. J., Chan, S. Y., Kang, L. A simple method of microneedle array fabrication for transdermal drug delivery. Drug development and industrial pharmacy. 39, 299-309 (2013).
- Kochhar, J. S., Zou, S., Chan, S. Y., Kang, L. Protein encapsulation in polymeric microneedles by photolithography. International journal of nanomedicine. 7, 3143-3154 (2012).
- Tay, F. E. H., Iliescu, C., Jing, J., Miao, J. Defect-free wet etching through pyrex glass using Cr/Au mask. Microsystem Technologies. 12, 935-939 (2006).
- Iliescu, C., Chen, B., Miao, J. On the wet etching of Pyrex glass. Sensors and Actuators, A: Physical. 143, 154-161 (2008).
- Iliescu, C., Taylor, H., Avram, M., Miao, J., Franssila, S. A practical guide for the fabrication of microfluidic devices using glass and silicon. Biomicrofluidics. 6, 16505-16516 (2012).
- Iliescu, C., Jing, J., Tay, F. E. H., Miao, J., Sun, T. Characterization of masking layers for deep wet etching of glass in an improved HF/HCl solution. Surface and Coatings Technology. 198, 314-318 (2005).
- Pan, J., et al. Fabrication of a 3D hair follicle-like hydrogel by soft lithography. Journal of biomedical materials research. Part A. 101, 3159-3169 (2013).
- Jay, T. R., Stern, M. B. Preshaping photoresist for refractive microlens fabrication. P Soc Photo-Opt Ins. 1992, 275-282 (1993).
- Friedman, G. B., Sandhu, H. S. Longitudinal Spherical Aberration of a Thin Lens. Am J Phys. 35, 628 (1967).
- Xu, Q. A., Li, J., Zhang, W. Collimated the laser diode beam by the focus lens. Semiconductor Lasers and Applications IV. 7844, (2010).
- Lin, T. W., Chen, C. F., Yang, J. J., Liao, Y. S. A dual-directional light-control film with a high-sag and high-asymmetrical-shape microlens array fabricated by a UV imprinting process. J Micromech Microeng. 18, (2008).
- Dunne, S. M., Millar, B. J. Effect of distance from curing light tip to restoration surface on depth of cure of composite resin. Prim Dent Care. 15, 147-152 (2008).
- Kochhar, J. S., et al. Microneedle integrated transdermal patch for fast onset and sustained delivery of lidocaine. Molecular pharmaceutics. 10, 4272-4280 (2013).
- Kochhar, J. S., et al. Direct microneedle array fabrication off a photomask to deliver collagen through skin. Pharmaceutical research. 31, 1724-1734 (2014).
