方法文章

通过光刻法制备聚合物微针阵列

DOI：

10.3791/52914

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2015年11月17日

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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

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本文介绍了一种通过光刻技术实现的无模具聚合物微针制备方案。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本论文描述了通过光刻技术制备聚合物微针（MN）阵列的方法。该方法采用包含嵌入式微透镜的光掩模，实现了简单且无需模具的加工过程。研究发现，嵌入式微透镜会影响微针的几何形状（锐利程度）。成功制备出结构稳定的微针阵列，其针尖直径介于41.5 µm ± 8.4 µm与71.6 µm ± 13.7 µm之间，具有两种不同长度（1,336 µm ± 193 µm和957 µm ± 171 µm）。此类微针阵列有望用于通过皮肤递送小分子和大分子治疗剂。

引言

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透皮给药为药物递送提供了一种具有吸引力的替代途径，尤其适用于几乎只能通过皮下注射给药的生物大分子。然而，皮肤特别是其最外层（角质层）构成了强大的屏障，可阻止外源性分子进入人体。近年来，微针（MN）装置作为一种有效的工具应运而生，可用于将药物递送透过皮肤。微针装置可在角质层中形成暂时性微孔，使药物分子得以通过，从而实现预期的生理活性，同时提高患者的依从性和使用便利性1-3。

已采用多种制备方法来制造聚合物微针（MNs）4。然而，这些方法通常涉及复杂且多步骤的工艺，需要较长时间和/或高温才能制备出微针阵列4。为了简化制备过程，近年来开发了一种使用光掩模的单步无模工艺5,6。然而，该方法制备的微针针尖较钝，因为在光刻过程中缺乏调控紫外光（UV）光路的机制。

本研究提出在光掩模中嵌入微透镜以定义微针的几何形状。本文报道了制备包含嵌入式微透镜的光掩模以及利用该光掩模制备具有尖锐针尖的微针的实验方案。

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方案

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1. 光掩模制备

  1. 用piranha溶液（H₂SO₄:H₂O₂ = 3:1）清洗一片4英寸的玻璃晶圆2SO4/2O2 在120 °C条件下，将样品浸入石英罐中，以2:1的比例反应20分钟。
  2. 使用电子束蒸发仪在玻璃晶圆上沉积一层铬/金（30 nm Cr/1 µm Au）7 (图1A).
    1. 将晶圆放入电子束蒸发仪中。待真空度达到 5 x 10-6 开启高压源（10 kV），通过监控控制面板调节厚度。
    2. 使用电子束枪对每种材料进行 30 秒的预清洁，保持快门“关闭”（以避免在晶圆上发生沉积）。
  3. 在玻璃上生成Cr/Au光刻胶掩模层，用于深湿法刻蚀。
    1. 使用旋涂喷雾系统，将5 ml溶液以3,000 rpm转速旋转30秒，涂覆一层2 µm厚的光刻胶。随后在热板上于100 °C预烘1.5分钟。
    2. 在热板上于 120 °C 对光刻胶进行曝光后坚膜处理 30 分钟。生成疏水表面并确保光刻胶与金属层之间形成牢固粘附至关重要。通过光刻胶掩模，使用铬和金蚀刻液对 Cr/Au 层进行图形化刻蚀。8,9.
  4. 为保护未图案化的玻璃表面，将玻璃晶圆临时键合至一个假性硅晶圆上。9
    1. 将玻璃晶圆置于110 °C的加热板上，熔化晶圆另一侧的石蜡（确保石蜡完全覆盖晶圆整个表面）。
    2. 将一片假硅片与玻璃片接触并按压，以去除多余的石蜡。为避免石蜡溢出，应在加热板上放置一张洁净室用纸巾。
  5. 使用优化的氢氟酸（49% v/v）和盐酸（37% v/v）混合溶液（体积比为10:1），在磁力搅拌条件下对透镜进行各向同性刻蚀，持续8.5分钟。10 盐酸的存在对于获得高质量的生成透镜表面至关重要。
    1. 确保蚀刻速率为 7 µm/min，使用总量为 200 ml 的蚀刻液。在塑料容器中进行蚀刻，并对该操作步骤采取适当的安全防护措施。
    2. 用去离子水（DI水）冲洗晶圆，并在室温下进一步干燥。
  6. 工艺完成后，将玻璃晶圆与假性硅晶圆分离，并使用加热板在 100 °C 下加热蜡约 15 秒。当蜡在此温度下熔化后，将玻璃晶圆从假性硅晶圆上取下。
  7. 使用超声处理1小时，去除透镜边缘残留的石蜡、光刻胶以及悬垂的Cr/Au层 N以N-甲基-2-吡咯烷酮为溶剂，在80 °C的超声水浴中。
  8. 制作光刻掩模上制备的微透镜的PDMS模具复制品11.
  9. 使用扫描电子显微镜和体视显微镜分别表征光刻掩模的尺寸（长度和宽度）以及微透镜PDMS模具的复制件（深度和直径）。12-14

2. MN针头的制备

  1. 使用固定在玻璃两侧的载玻片创建一个尺寸为 2.5 cm × 0.9 cm 的空腔。两侧堆叠的载玻片数量将决定空腔的高度，即间隔层厚度（图 1B）。
  2. 在载玻片上涂布一层含有聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA，分子量 = 258 Da）和 0.5% w/w 的 2-羟基-2-甲基苯丙酮（HMP）的预聚物溶液，覆盖每一层载玻片，然后用高强度紫外（UV）光照射装置 2 秒，以固定各层。
  3. 将预先制备的光掩模放置到位，使镀有铬/金（Cr/Au）的表面朝向空腔内部。确保空腔壁的边缘不会遮挡光掩模中嵌入的微透镜。
  4. 向空腔中注入预聚物溶液，直至溶液与镀有 Cr/Au 的表面接触，并确保无可见气泡。
  5. 使用波长范围为 320–500 nm 的 UV 固化仪，在距 UV 光源 3.5 cm 处，以所需强度的高强度 UV 光照射装置 1 秒。UV 光探头需配备准直适配器。
  6. 使用辐射计测量所用 UV 光的强度。
  7. UV 曝光后，取下带有微针阵列的光掩模。将未参与聚合反应的多余预聚物溶液倒回原容器中，以备重复使用。
  8. 根据制造商说明，使用体视显微镜测量微针的长度和针尖直径。

3. MN 背衬层的制备

  1. 用镊子将先前制备的微针（MN）连同其附着的光掩模一起放入24孔板的孔中，如图1C所示。
  2. 向孔中加入指定体积（300 - 400 µl）的预聚物溶液，直至微针浸没至所需高度。该体积决定了所得背衬层的厚度。
  3. 将装置置于距离紫外光源10.5 cm处，用高强度紫外光（15.1 W/cm2）照射1秒。
  4. 使用锋利刀片将微针阵列上的背衬层从光掩模上分离。
  5. 根据制造商说明书，使用体视显微镜对带背衬层的微针长度、针尖直径和基底直径进行量化。

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结果

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微针（MNs）的几何形状可能受到光掩模特性和嵌入式微透镜的显著影响。折射程度会影响紫外光（UV）的传播路径，从而影响微针的几何结构（图2A）。每个微透镜的直径为350 µm，具有130 µm的平坦凸面，深度为62.3 µm（图2B-D）。利用勾股定理，计算出第一表面的曲率半径为272.89 µm。根据透镜制造方程12，在考虑玻璃折射率nglass=1.53627、空气折射率nair=1.000、波长λ=365 nm的条件下，计算出焦距为509.28 µm，具体如下所示：

1/f = (n1/nm-1) × (1/r1-1/r2)

其中，n1 为透镜材料的折射率，nm 为周围介质的折射率，r1 为第一表面的曲率半径，r2 为...

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讨论

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上述用于制备微针阵列的方案已用于制备约1 cm2的微针阵列。通过创建更大尺寸的腔体并使用更大的光掩模，可实现阵列的放大生产。增大腔体尺寸可通过增加两侧间隔物之间的宽度来实现。尽管该方案中制备微针阵列的每一步骤均至关重要，但最关键的步骤包括：光掩模的定位、预聚物溶液的填充以及装置的辐照。光掩模的放置应确保其表面镀有铬/金（Cr/Au）的一侧朝向腔体内部，且腔体壁的边缘能够遮挡光掩模中嵌入的透镜。在将预聚物溶液注入模具时，应确保不夹带气泡，否则可能导致微针阵列变形且机械强度降低。可通过缓慢加入预聚物溶液并确保溶液本身不含气泡，以实现对毛细作用的可控，从而避免气泡产生。进行辐照时，装置的放置应遵循引导方式，以确保紫外光照射均匀。在暴露于紫外光之前，需将装置对准并置于基座平台上的标示区域内。

采用光刻技术制备的微针（MNs）受微透镜存在的显著影响，因为透镜使聚合反应沿会聚路径进行，从而形成比使用平面光掩模制备的圆柱形微针更尖锐的微针。在平面光掩模中，紫外光几乎无偏转地（近乎直线）穿过，导致形成的微针尖端较钝。而在嵌入微透镜的光掩模中，紫外光穿过透镜时发生折射并会聚，从...

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披露

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作者声明无利益冲突。

致谢

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本研究由新加坡国家研究基金会（NRF）资助，项目编号为 NRF2012NRF-POC001-043。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA Mn=258）SIGMA 475629-500ML
2-羟基-2-甲基苯丙酮（HMP）SIGMA 405655-50ML
牛I型胶原蛋白，FITC偶联物 SIGMA C4361
紫外光固化仪   EXFO Photonic Solutions Inc., CanadaOmniCure S2000-XL
准直适配器 EXFO Photonic Solutions Inc., CanadaEXFO 810-00042
24孔板Thermo Fisher Scientific, USA
Nikon SMZ 1500 体视显微镜 Nikon, Japan
Dillon GL-500 数字式测力计 Dillon, USA
A-1R 共聚焦显微镜 Nikon, Japan

参考文献

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  1. 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).
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  3. Raphael, A. P., et al. needle-free vaccinations in skin using multi layered, densely-packed dissolving microprojection arrays. Small. 6, 1785-1793 (2010).
  4. Lee, J. W., Han, M. R., Park, J. H. Polymer microneedles for transdermal drug delivery. Journal of drug targeting. 21, 211-223 (2012).
  5. 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).
  6. 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).
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  8. Iliescu, C., Chen, B., Miao, J. On the wet etching of Pyrex glass. Sensors and Actuators, A: Physical. 143, 154-161 (2008).
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