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Bioengineering

포토 리소그래피에 의해 고분자 미세 바늘 어레이 제작

Published: November 17, 2015 doi: 10.3791/52914
Automatic Translation
1, 1, 1, 2, 3, 3,4,5, 1
1Department of Pharmacy, National University of Singapore, 2Singapore University of Technology and Design, 3Institute of Bioengineering and Nanotechnology, Agency for Science, Technology and Research (A*STAR), 4Department of Physiology, Yong Loo Lin School of Medicine, National University of Singapore, 5Mechanobiology Institute, National University of Singapore

Abstract

이 원고는 포토 리소그래피에 의해 고분자 미세 바늘 (MN) 어레이의 제조에 대해 설명합니다. 이는 임베디드 마이크로 렌즈로 이루어진 포토 마스크를 이용하여 간단한 몰드없는 공정을 포함한다. 임베디드 마이크로 렌즈 형상 MN (선명도)에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 제작 된 두 개의 서로 다른 길이 (1336 μm의 ± 193 μm의 μm의 ± 171 μm의 957)와, μm의 13.7 ± μm의 μm의 8.4 ± 41.5 μm의 사이에 71.6까지 팁 직경 강력한 미네소타 배열. 이 MN 배열은 피부를 통해 저분자 및 고분자 치료제의 전달에 잠재적 인 응용 프로그램을 제공 할 수있다.

Introduction

경피 약물 전달은 특히 거의 독점적으로 피하 주사에 의해 관리되는 생체 분자에 대한, 약물 투여에 대한 매력적인 대안 접근 방식을 제공합니다. 그러나, 피부, 특히 상부층 (각질층)는, 인체에 유입 외인성 분자 방지 강력한 장벽이다. 최근 미네소타 장치는 피부를 통해 약물을 전달하는 도구를 가능하게 등장했다. MN 장치는 약물 분자의 흐름이 개선 환자 순응도 및 편의 1-3와 원하는 생리 활성을 달성 할 수 있도록 각질층 내부에 임시 구멍을 만든다.

다양한 제조 방법은 중합체의 MN (4)를 제조하기 위해 채택되었다. 그러나, 그들은 일반적으로 MN의 어레이를 제조하기 위해 긴 시간 및 / 또는 고온을 필요로하는 복잡하고 여러 단계의 공정을 포함한다. (4)를, 단일 단계 성형 공정없이 사용 제조 공정을 단순화포토 마스크는 최근 5,6- 개발되었다. 그러나,이 방법으로, 메커니즘은 포토 리소그래피에 포함 된 자외선 (UV) 빛의 경로를 수정하는 위치에 없기 때문에 이동 노드가, 무딘 바늘 끝을했다 제작.

본 연구에서는, 포토 마스크에 내장 마이크로 렌즈가 이동 노드의 형상을 정의하는 것이 제안되어왔다. 프로토콜은 포토 마스크 임베디드 마이크로 렌즈로 구성되고이어서 포토 마스크를 이용 첨예가보고와 제조를 MN을 제조.

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Protocol

1. 포토 마스크 제작

  1. 석영 탱크에 침수 120 ℃에서 20 분 동안 : 피라냐 솔루션 4 "유리 웨이퍼 (1 비율 H 2 2 SO 4 / H 2 O 2)를 청소합니다.
  2. 크롬 / 금 층 (CR 30 nm의 Au로 / 1 ㎛)의 전자 빔 증발기 (7) (도 1a)를 사용하여 유리 웨이퍼 상에 층을 증착.
    1. 전자 빔 증발기에 웨이퍼를 놓습니다. 진공은 5 × 10-6 토르에 도달하면, 고전압 소스 (10 kV로)를 켜. 모니터 제어 패널의 두께를 제어한다.
    2. 전자빔 총을 사용하여 30 초, (웨이퍼상의 증착을 방지하기 위하여), 셔터 "OFF"를 유지하기위한 각 물질 사전 세정.
  3. 유리의 깊은 습식 식각을위한 CR / 금 포토 레지스트 마스크 층을 생성합니다.
    1. 스핀 코터 분무 시스템을 사용하여 3,000 rpm에서 30 초 동안 용액을 5 ml의 회전에 의해 2 ㎛의 두께의 포토 레지스트를 적용한다.1.5 분 동안 100 ℃에서 핫 플레이트상에서 프리 베이크 포토 레지스트.
    2. 노출 및 경질 핫 플레이트상에서 30 분 동안 120 ℃에서 레지스트를 굽는다. 또한, 소수성 표면과 금속층 포토 레지스트의 강한 접착력을 생성하는 것이 중요하다. 패턴은 포토 레지스트를 통해 CR 또는 Au 에칭을 이용하여 CR / 금 층은 8,9 마스크.
  4. 비 - 패턴 화 유리 표면의 보호를 위해 일시적으로 더미 실리콘 웨이퍼에 유리 웨이퍼를 접합. 9
    1. 110 ℃에서 핫 플레이트 상에 유리 웨이퍼를 배치하고 (웨이퍼의 전체 표면을 왁스로 피복되는 방식으로) 유리 웨이퍼의 반대측을 용융 왁스.
    2. 글래스 웨이퍼와 접촉 더미 실리콘 웨이퍼를 놓고 과잉 왁스를 제거하기 위해 누른다. 왁스의 유출을 방지하기 위하여, 핫 플레이트상에서 청정실 티슈 페이퍼를 배치했다.
  5. 최적화 된 불화 수소산을 이용하여 렌즈의 등방성 에칭을 수행한다 (49 %의 v / v)의. 8.5 분간 마그네틱 교반기 (10)의 HCl의 존재는 생성 된 렌즈의 양호한 표면 품질을 달성하는데 중요하다 : (1 (10)의 체적 비율)와 염산 (37 % v / v)의 용액.
    1. 에칭 속도가 7 μm의 / 분인지 확인; 에칭 용액 200 ml의 총 부피를 사용. 플라스틱 용기에 에칭을 수행하고,이 처리 단계에 대한 안전 조치를 취할.
    2. 세척 및 실온에서 추가로 건조 탈 (DI) 물에 웨이퍼를 청소합니다.
  6. 처리 종료 후, 더미 실리콘 웨이퍼로부터 유리 웨이퍼를 분리하여 15 초 동안 100 ℃에서 핫 플레이트를 사용하여 왁스를 워밍업. 왁스가이 온도에서 용융 된 바와 같이, 더미 실리콘 웨이퍼로부터 유리 웨이퍼를 분리.
  7. 초음파 탱크에서 80 ℃에서의 용매로서 N 메틸 -2- 피 롤리 돈을 사용하여 1 시간 동안 초음파를 사용하여 렌즈의 가장자리에 남아있는 왁스, 포토 레지스트 및 돌출 CR / 금 층을 제거한다.
  8. 포토 마스크 (11)에 제작 된 마이크로 렌즈의 PDMS 몰드 복제본을 생성합니다.
  9. 각각 주 사형 전자 현미경을 이용하여 실체 현미경 레플리카 포토 마스크 치수 (길이 및 폭)과 마이크로 렌즈 PDMS 몰드 (깊이 및 직경)를 특성화. 12-14

2. 미네소타 샤프트 제작

  1. 유리의 어느 측면에 장착 된 유리 슬라이드를 사용하여 0.9 cm × 2.5 cm의 구멍을 만듭니다. 양측에 적층 된 유리 슬라이드의 개수는 스페이서의 두께 (도 1b)로 알려진 공동의 높이를 결정한다.
  2. 상 / 2- 하이드 록시 -2- 메틸 프로피 오페 w (HMP) w, 0.5 %의 폴리 (에틸렌 글리콜) 디 아크릴 레이트 (PEGDA, MW = 258 다)를 함유하는 예비 중합체 용액의 얇은 층을 도포하여 유리 슬라이드의 각 층을 확보 2 초 고강도 자외선 설정 (UV) 광의 조사 하였다 유리 슬라이드.
  3. photoma의 위치를SK 공동의 내부 대향 CR / Au로 코팅 된 표면이 (이전에 제조 된). 공동 벽의 측면이 포토 마스크에 포함 된 렌즈를 모호하지 있는지 확인하십시오.
  4. CR / Au로 코팅 된 표면이 보이는 기포없이 용액에 접촉 할 때까지 예비 중합체 용액 공동을 채운다.
  5. 3백20부터 5백까지 nm의 UV 필터 범위의 UV 경화 스테이션을 사용하여 UV 소스로부터 3.5 cm의 거리를 1 초 동안 원하는 강도의 높은 강도의 자외선을 조사 설정. 자외선 프로브 시준 어댑터를 사용하십시오.
  6. 복사계를 사용하여 UV 광의 세기를 측정.
  7. 자외선 노출에 따라, 이동 노드의 배열과 포토 마스크를 제거합니다. 재사용을 위해 원래의 용기에 다시 그 과정에서 중합되지 않은 초과 프레 폴리머 용액을 붓고.
  8. 제조업체의 지시에 따라 실체 현미경을 이용하여 이동 노드의 길이와 직경을 정량화 팁.
  1. 도 1c에 도시 된 바와 같이, 핀셋으로, 24- 웰 플레이트의 웰에 부착 포토 마스크를 MN들 (이전에 제조 된) 놓는다.
  2. 바늘이 원하는 높이로 빠져들 때까지 우물에 프레 폴리머 용액의 - (400 μL 300) 지정된 볼륨을 추가합니다. 이 볼륨 생성 백킹 층의 두께를 결정한다.
  3. 10.5 cm 떨어진 1 초의 시간 동안 UV 소스로부터 고강도 UV 광 (15.1 W / ㎝ 2)과 설정을 조사한다.
  4. 날카로운 칼날을 사용하여 포토 마스크에서 MN 배열의 받침 층을 분리합니다.
  5. 제조업체의 지시에 따라 실체 현미경을 사용하여 백킹 층의 MN 길이, 팁 직경과베이스 직경을 정량화.

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Representative Results

이동 노드의 구조는 크게 포토 마스크 및 임베디드 마이크로 렌즈의 특성에 의해 영향을받을 수있다. 굴절 정도 MN 형상 (도 2A)에 영향을 UV 광선의 전달 경로에 영향을 미친다. 각각의 마이크로 렌즈는 350 μm의 지름을 갖는 것으로하여, 130 ㎛의 볼록 표면을 평탄화하고, 62.3 μm의 깊이 (도 2B-D). 피타고라스 정리를 사용하여, 제 1면의 곡률 반경은 272.89 ㎛,이었다. 초점 길이는 509.28 μm의로 계산되었다 (고려 N 유리 = 1.53627 n은 공기 = 1.000; λ = 365 ㎚) 렌즈 메이커 식 (12)을 통해 아래에 명시된 바와 같이 :

1 / F (N = 1 / N의 m-1) * (1 / R 1 -1 / R 2)

N 1은 렌즈 재료의 굴절률이고, n은 m이 주위 매질의 굴절률이고, R1은이다 RAD제 1면의 곡률, 및 R2의 IUS는 제 2면의 곡률 반경이다.

MN 길이, 선명도 및 구조적 변형에 UV 강도의 영향은 일정한 초점 거리 및 광원 거리에서 15.1 W / cm 2로 3.14로부터 UV 광의 강도를 변화시킴으로써 조사 하였다. 그것은 평균 MN의 길이가 상당히 3.14에서 9.58 W / ㎠ (그림 3A)로 증가 강도 (P <0.05) 증가 된 것으로 나타났습니다. 15.1 W / ㎠까지 강도 또한 증가 길이에 큰 변화가 발생하지 않았다. 팁 직경 (선명도의 측정 값)과 MN 팁 구조는 강도의 증가 (도 3b)에 따라 변화하는 것으로 확인되었다. 구조적 변형 규칙적인 모양과없이 이동 노드는 6.4 W / ㎠에서 관찰되었다.

백킹 층은 패치의 형태로 MN를 제거 할 수 있도록 제작 하였다및 포토 마스크 재사용을 확인합니다. 또한 MN 축에 힘을 제공했다. 따라서, 백킹 층의 체적 (이면 층을 형성하는 예비 중합체 용액의 부피)의 효과도 조사했다. 영향을받지 팁 직경, 길이 (1,336 300 μL에 대한 ± 193 μm의 400 μL에 대한 957 ± 171 μm의)의 범위와 이동 노드는 자외선 노출 (그림 4) 후 관찰되었다.

그림 1
포토 마스크를 내장 렌즈 제조 공정도 1 (A) 도식 표현. (1) 4 '글래스 웨이퍼. (2) CR / 금 층은 전자 - 빔 증발을 사용하여 증착. 포토 마스크와 UV 광에 CR / 금 / 포토 레지스트 마스크 층 (3) 노출. CR / 금 에칭액 층에 패턴 (4)의 형성. 더미 실리콘 웨이퍼 상에 유리 (5) 임시 접합. (6) - (7-) 초음파 처리 하였다 HF / 염산 에칭을 이용하여 습식 에칭 (등방성) 방법. 더미 실리콘 웨이퍼 및 포토 레지스트 층의 제거 (8) 탈. (B) 바늘의 제조 공정을 나타낸 그림. 크롬 코팅 된 포토 마스크 (9 X 9 어레이), 예비 중합체 용액을 포함하는 공동을 통해 배치하고 UV에 노출된다. (C) 배킹 층의 제조 공정을 나타낸 그림. 포토 마스크가 부착 된 미세 바늘로에 배치됩니다 잘 사전 폴리머 충전 및 자외선에 노출. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2
포토 마스크의 그림 2. 특성화. (A)는 자외선 노출은 CONICA에 빛을 초점을 맞추고 테이퍼의 MN을 생산하는 L 경로. (B) 및 (C)의 마이크로 렌즈의 SEM 이미지. (D) 실체 현미경 평평한 볼록면을 보여주는 마이크로 렌즈에서 복사 PDMS 몰드 복제본의 배열의 일부. (E) 패턴을 보여주는 포토 마스크. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3
미세 형상에 자외선 매개 변수의 그림 3. 효과. (A) 강도와 미세 바늘 길이 (B) 스페이서의 두께에 미치는 영향. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

항상 "> :"유지 - together.within 페이지를 = FO "십t 그림 4
지지층의 제조에 사용되는 다양한 사전 폴리머 볼륨의 그림 4. 효과. (A - B) 짧은 (957 μm의) 긴 (1336 μm의) 이동 노드의 평균 MN 길이 여러 볼륨에서 이미지. 골절 력 테스트 후 (AB)에 해당하는 - (C D) 이미지. (E)은 백킹 층 제조에 사용되는 양의 증가와 함께 MN 길이의 감소. 받침 층 (BL)을 제조하는 데 사용되는 두 개의 사전 폴리머 볼륨에 (F) 미네소타 골절 힘. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

MN들 어레이의 제조를 위해 상술 프로토콜 ~ 1cm 2의 MN 어레이를 제작하기 위해 제시되었다. 어레이는 대형 캐비티를 만들어 더 큰 포토 마스크를 이용하여 확장 할 수있다. 증가 된 공동 크기는 양측에 스페이서 사이의 폭을 증가시킴으로써 생성 될 수있다. 프로토콜 MN 어레이를 제조하는 단계는 각각 중요하지만, 가장 중요한 단계는 다음과 같다 : 포토 마스크의 설치 위치, 프레 폴리머 용액의 충전 및 사출. 포토 마스크의 위치는 CR / Au로 코팅 된 표면이 포토 마스크에 포함 된 렌즈를 모호 캐비티의 내부 공동 및 벽의 측면을 향하도록하는 방식으로되어야한다. 프레 폴리머 용액으로 금형을 채울 때, 그렇지 않으면 변형과 낮은 강도 MN 배열로 이어질 수 기포가 포획되지 않은 공기를 보장합니다. 기포 서서히 prepolyme를 추가하여 제어 위킹 작용을 방지 할 수있다R 용액 및 예비 중합체 용액에 존재하는 기포가 없음을 보장한다. 조사에 대한 설정의 위치는 균일 한 자외선 노출을 보장하기 위해 가이드 방식으로 수행되어야한다. UV 광에 노출 전에 설치 정렬하고, 상기베이스 스탠드의 경계 내에 위치.

렌즈는 평면형 포토 마스크를 사용하여 형성된 원통형 MN들에 비해 선명한의 MN 형성되었다 수렴 경로, 중합의 결과로서, 포토 리소그래피를 이용하여 형성하는 MN 크게 마이크로 렌즈의 존재에 의해 영향을 받았다. 평면형 포토 마스크에서, UV 광은 덜 날카로운 팁 원통형의 MN의 형성의 결과로 (거의 직선) 작은 편차로 통과한다. 마이크로 렌즈가 내장 된 포토 마스크 동안 렌즈를 통과하는 UV 광은 굴절을 시행하고 날카로운 흘린 이동 노드의 형성의 결과로 수렴. predicti로서 사용 된 렌즈 메이커의 방정식마이크로 렌즈의 초점 길이와 상관시킴으로써 MN의 길이를 근사하는 모델이 실제보다 3 배 미만의 길이를 예측했다했습니다. 차이는 종래의 볼록 렌즈처럼 빛의 굴절을 허용하지 않았다 마이크로 렌즈의 평평한 볼록면에 기인 할 수있다. (13)

MN 지오메트리에 대한 또 다른 요소는 UV 광 강도였다. 이 강도에서 생성 니들이 피부 애플리케이션에 충분한 기계적 강도를 갖고 있기 때문에 6.44 W / ㎝ (2)의 강도를 선택 하였다. 강도와 관련된 또 다른 발견은 UV 강도의 각각의 증분으로, MN의 길이를 증가시키는 것으로 하였다. 이는 광선의 일부가 초점을 넘어 이동할 수 마이크로 렌즈의 평면 상부에 기인 할 수있다. (14, 15)은 또한, 중합의 정도는 광 역 제곱 법칙에 따라 그 제한이, 즉, 빛이 떨어져 거리로 에너지 손실소스 증가에서. (16)

여기에 설명 된 프로토콜은 단시간에 금형 제작이없는 장점이있다. 그러나 우리는이 대량 생산을위한 더 수행 할 수있는 방법까지 예측할 수 없습니다. MN들 어레이는 저비용 생체 적합성 고분자로 제조 하였다. 그것은 잠재적 제약 및 화장품 애플리케이션 경피 약물 전달 장치로서 사용될 수있다. 치료 화합물의 MN 제조하는 동안 (혼합 또는 예비 중합체 용액 중에 용해하여) 캡슐화 될 수 있으므로 더욱 흥미롭게는, 전달 시스템 및 장치의 조합으로서 사용될 수있다. 5,6,17을 첨가 화합물의 용해도 프레 폴리머 용액은 예를 들면 MN 특성으로 고려되어야 내부 MN 강도는 변할 수있다. (17)

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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

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References

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Kathuria, H., Kochhar, J. S., Fong, M. H. M., Hashimoto, M., Iliescu, C., Yu, H., Kang, L. Polymeric Microneedle Array Fabrication by Photolithography. J. Vis. Exp. (105), e52914, doi:10.3791/52914 (2015).

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