Methodenartikel

Polymeren Mikronadelanordnung Fabrication durch Photolithographie

DOI:

10.3791/52914

⸱

17. November 2015

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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

Hier präsentieren wir ein Protokoll, das einen schimmelfreien Herstellungsprozess der polymeren Mikronadeln durch Photolithographie beschreibt.

Zusammenfassung

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

Diese Handschrift beschreibt die Herstellung von polymeren Mikronadel (MN) Arrays durch Photolithographie. Es geht um eine einfache schimmelfrei Prozesses durch Verwendung einer Photomaske, bestehend aus eingebetteten Mikrolinsen. Eingebettete Mikrolinsen wurden gefunden, um MN-Geometrie (Schärfe) zu beeinflussen. Robusten MN Arrays mit Spitzendurchmessern im Bereich zwischen 41,5 & mgr; m ± 8,4 & mgr; m und 71,6 ± 13,7 & mgr; m & mgr; m, mit zwei verschiedenen Längen (1,336 & mgr; m ± 193 & mgr; m und 957 & mgr; m ± 171 & mgr; m) wurden hergestellt. Diese MN Arrays können potenzielle Anwendungen in der Lieferung von niedermolekularen und makromolekularen therapeutischen Wirkstoffen durch die Haut zu schaffen.

Einleitung

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

Transdermalen Verabreichung von Arzneimitteln bietet eine attraktive Alternative Ansatz für die Arzneimittelverabreichung, insbesondere für Biomoleküle, die fast ausschließlich von subkutanen Injektionen verabreicht werden. Jedoch Haut, insbesondere die Deckschicht (das Stratum corneum) ist eine hervorragende Barriere verhindert exogenen Molekülen von in den menschlichen Körper. Vor kurzem haben MN Geräte ermöglichen Tools, um Arzneimittel durch die Haut zu liefern entstanden. Die MN-Geräte zu erstellen temporäre Poren im Inneren der Hornschicht, damit der Durchgang von Wirkstoffmolekülen, um die gewünschte physiologische Aktivität mit verbesserte Patienten-Compliance und Convenience 1-3 zu erreichen.

Es wurden verschiedene Herstellungsverfahren erlassen, um polymere MNs 4 herzustellen. Aber sie beinhalten in der Regel kompliziert und Mehrschrittverfahren für die langZeiten und / oder hohe Temperaturen, um MNs Arrays herzustellen. 4 Zur Vereinfachung des Herstellungsprozesses, einen einzigen Schritt schimmelfrei Prozess miteine Fotomaske wurde kürzlich 5,6 entwickelt. Doch mit diesem Verfahren hergestellt MNs hatten stumpfe Nadelspitzen, da kein Mechanismus vorhanden, um die ultravioletten (UV) Lichtpfad in der Photolithographie beteiligt zu ändern.

In dieser Studie eingebetteten Mikrolinsen in der Fotomaske vorgeschlagen worden, um die Geometrie der MNs definieren. Das Protokoll zum Photomasken, bestehend aus eingebetteten Mikrolinsen und anschließend MN Fertigung mit scharfen Spitzen Verwendung der Fotomaske wird berichtet, zu fertigen.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Protokoll

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

1. Fotomasken Fabrication

  1. Reinigen einer 4 "Glaswafer mit Piranha-Lösung (H 2 SO 4 / H 2 O 2 in Verhältnis 2: 1) für 20 min bei 120 ° C durch Eintauchen in einen Quarzbehälter.
  2. Hinterlegung einer Schicht aus Chrom / Gold (30 nm Cr / 1 & mgr; m Au) -Schicht auf der Glasscheibe unter Verwendung eines E-Strahl-Verdampfer 7 (1A).
    1. Platzieren der Scheiben in einer e-Strahl-Verdampfer. Sobald das Vakuum erreicht 5 x 10 -6 Torr, schalten Sie die Hochspannungsquelle (10 kV). Steuern Sie die Dicke von dem Monitor Bedienfeld.
    2. Vorreinigen jedes Material für 30 Sekunden mit der E-Strahlkanone, wobei die Verschluss "OFF" (in der Reihenfolge, um die Ablagerung auf den Wafern zu vermeiden).
  3. Generieren Sie eine Cr / Au Photoresist Maskierungsschicht für tiefen Nassätzen des Glases.
    1. Anwenden einer 2 um dicken Photoresist durch Schleudern 5 ml der Lösung für 30 sec bei 3.000 UpM unter Verwendung eines Spin-Sprühbeschichtungsvorrichtung Systems.Vorbacken des Photoresists auf einer Heizplatte bei 100 ° C für 1,5 min.
    2. Expose und harte Backen des Photoresist bei 120 ° C für 30 min auf einer Heizplatte. Es ist kritisch, um eine hydrophobe Oberfläche und eine starke Haftung des Photoresists auf die Metallschicht zu erzeugen. Muster der Cr / Au-Schicht unter Verwendung von Cr und Au Ätzmittel durch die Fotolackmaske 8,9.
  4. Zum Schutz der un-gemusterten Glasoberfläche vorübergehend verbinden die Glasscheibe auf eine Dummy-Silizium-Wafer. 9
    1. Platzieren der Glaswafer auf einer heißen Platte bei 110 ° C schmilzt das Wachs auf der gegenüberliegenden Seite der Glasscheibe (in der Weise, dass die gesamte Oberfläche des Wafers mit Wachs).
    2. Legen Sie eine Dummy-Silizium-Wafer in Kontakt mit der Glasscheibe und drücken Sie, um das überschüssige Wachs zu entfernen. Um Auslaufen des Wachses zu vermeiden, legen Sie ein sauberes Zimmer Tissue-Papier auf der Heizplatte.
  5. Zuführen isotropes Ätzen der Linse mit optimierten Flusssäure (49% v / v)und Salzsäure (37% v / v) Lösung (in einem Volumenverhältnis von 10: 1). mit einem magnetischen Rührer für 8,5 min 10 Anwesenheit des HCl ist kritisch bei der Erzielung einer guten Oberflächenqualität der erzeugten Linsen.
    1. Stellen Sie sicher, dass die Ätzrate 7 & mgr; m / min; mit einem Gesamtvolumen von 200 ml Ätzlösung. Führen Ätzen in einem Kunststoffbehälter und nehmen Sie Sicherheitsmaßnahme für diesen Verarbeitungsschritt.
    2. Reinigen des Wafers in dem deionisiertem Wasser (DI) gespült und eine weitere Trocknung bei RT.
  6. Nachdem der Prozess abgeschlossen, trennen Sie die Glasscheibe von der Dummy-Silizium-Wafer und erwärmen Sie das Wachs unter Verwendung einer Heizplatte bei 100 ° C für 15 Sekunden. Wie das Wachs bei dieser Temperatur schmilzt, nehmen Sie den Glaswafer von dem Dummy-Silizium-Wafer.
  7. Entfernen restlichen Wachs, das Photoresist und die überhängenden Cr / Au-Schichten an den Rändern der Linsen mit Ultraschall für 1 Stunde unter Verwendung von N-Methyl-2-pyrrolidon als Lösungsmittel bei 80 ° C in einem Ultraschalltank.
  8. Erstellen Sie eine PDMS-Form Replik der Mikrolinsen auf den Photomasken 11 hergestellt.
  9. Charakterisierung der Photomaske Abmessungen (Länge und Breite) und der Mikrolinsen PDMS-Form (Tiefe und Durchmesser) Nachbildungen mit einem Rasterelektronenmikroskop und Stereo jeweils 12-14.

2. MN Wellen Fabrication

  1. Erzeugen einen Hohlraum von 2,5 cm × 0,9 cm mit den Glasobjektträger auf beiden Seiten eines Glas montiert. Die Anzahl von Objektträgern auf jeder Seite gestapelt wird die Höhe des Hohlraums, wie Abstandshalterdicke (1B) bekannt bestimmen.
  2. Sicherung jede Schicht des Glasobjektträgers durch Aufbringen einer dünnen Schicht der Präpolymerlösung, die Poly (ethylenglycol) diacrylat (PEGDA, Mw = 258 Da) mit 0,5% w / w 2-Hydroxy-2-methyl-propiophenon (HMP) auf die Glasobjektträger, gefolgt von Bestrahlung des mit dem hochintensiven UV-Set (UV) Licht für 2 sec.
  3. Positionieren Sie den Photomask (zuvor hergestellt) mit dem Cr / Au beschichteten Oberflächen des Inneren des Hohlraums gegenüber. Sicherzustellen, dass die Seiten der Hohlwände sind nicht verdecken die Linsen in der Fotomaske eingebettet.
  4. Füllen des Hohlraums mit der Präpolymerlösung bis die Cr / Au-beschichtete Oberfläche in Kontakt mit der Lösung ohne sichtbare Blasen.
  5. Bestrahlen die Einrichtung mit hoher Intensität, UV-Licht einer gewünschten Intensität für 1 sec in einem Abstand von 3,5 cm von der UV-Quelle mit der Vernetzungsstation mit einem UV-Filter-Bereich von 320-500 nm. Verwenden Sie einen Kollimator-Adapter mit dem UV-Licht-Sonde.
  6. Messen Sie die Intensität der UV-Licht unter Verwendung eines Radiometer verwendet.
  7. Nach der UV-Bestrahlung, entfernen Sie die Fotomaske mit dem Array von MNs. Gießen Sie das überschüssige Präpolymerlösung, die nicht in den Prozess wieder in der Originalverpackung zur Wiederverwendung polymerisiert wird.
  8. Quantifizierung der Länge und Durchmesser der Spitze von MnS mit einem Stereomikroskop nach den Anweisungen des Herstellers.
3. MN Rückschicht Fabrication

  1. Mit einer Pinzette, legen die MNs (vorher hergestellt) auf die Photomaske in eine Vertiefung einer Platte mit 24 Vertiefungen angebracht, wie in der 1C gezeigt.
  2. Hinzufügen eines festgelegten Volumens (300 bis 400 & mgr; l) der Prepolymer-Lösung in das Bohrloch, bis die Nadeln bis zu einer gewünschten Höhe eingetaucht ist. Dieses Volumen bestimmt die Dicke der resultierenden Trägerschicht.
  3. Bestrahlen die Einrichtung mit hoher Intensität, UV-Licht (15,1 W / cm 2), 10,5 cm von der UV-Quelle für eine Zeitdauer von 1 sec.
  4. Trennen Sie die Rückschicht auf der MN-Array von der Photomaske mit einer scharfen Klinge.
  5. Quantifizierung der Durchmesser der MNs Länge, Durchmesser und die Basis mit der Rückschicht mit einem Stereomikroskop nach den Anweisungen des Herstellers.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Ergebnisse

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

Die Geometrie der MNs können durch die Photomaske Eigenschaften und eingebettete Mikrolinsen erheblich beeinflusst werden. Der Brechungsgrad beeinflusst den Übertragungsweg der UV-Strahlen, die den MN-Geometrie (2A) beeinflusst. Jede Mikrolinse hatte einen Durchmesser von 350 um, 130 um eine abgeflachte konvexe Oberfläche und eine 62,3 & mgr; m Tiefe (2B-D). Verwendung des Satz des Pythagoras, wurde der Krümmungsradius der ersten Fläche festgestellt, 272.89 um sein. Die Brennweite w...

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Diskussion

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

Die oben für die Herstellung des MNs Array beschriebenen Protokoll wurde vorgestellt, um die MNs Array von ~ 1 cm 2 herzustellen. Die Arrays können durch die Schaffung eines großen Hohlraums und durch die Verwendung eines größeren Photomaske skaliert werden. Die erhöhte Hohlraumgröße kann durch Erhöhung der Breite zwischen den Abstandshaltern auf beiden Seiten erzeugt werden. Wenn jeder Schritt die MN-Arrays im Protokoll herstellen wichtig war, waren die wichtigsten Schritte: die Fotomaske Positionierung, das...

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Offenlegungen

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

Die Autoren erklären, dass kein Interessenkonflikt vorliegt.

Danksagungen

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

Diese Studie wurde durch einen Zuschuss der Singapore National Research Foundation (NRF) unterstützt NRF2012NRF-POC001-043.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Poly(ethylenglykol)diacrylat (PEGDA Mn=258)SIGMA 475629-500ML
2-Hydroxy-2-methyl-propiophenon (HMP)SIGMA 405655-50ML
Rinderkollagen Typ 1, FITC-Konjugat SIGMA C4361
UV-Härtungsstation     EXFO Photonic Solutions Inc., KanadaOmniCure S2000-XL
Kollimationsadapter EXFO Photonic Solutions Inc., KanadaEXFO 810-00042
24-Well-PlatteThermo Fisher Scientific, USA
Nikon SMZ 1500 Stereomikroskop Nikon, Japan
Dillon GL-500 digitales Kraftmessgerät Dillon, USA
A-1R Konfokalmikroskop Nikon, Japan

Referenzen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).
  2. 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).
  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).
  7. 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).
  8. Iliescu, C., Chen, B., Miao, J. On the wet etching of Pyrex glass. Sensors and Actuators, A: Physical. 143, 154-161 (2008).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Jay, T. R., Stern, M. B. Preshaping photoresist for refractive microlens fabrication. P Soc Photo-Opt Ins. 1992, 275-282 (1993).
  13. Friedman, G. B., Sandhu, H. S. Longitudinal Spherical Aberration of a Thin Lens. Am J Phys. 35, 628(1967).
  14. Xu, Q. A., Li, J., Zhang, W. Collimated the laser diode beam by the focus lens. Semiconductor Lasers and Applications IV. 7844, (2010).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Kochhar, J. S., et al. Microneedle integrated transdermal patch for fast onset and sustained delivery of lidocaine. Molecular pharmaceutics. 10, 4272-4280 (2013).
  18. Kochhar, J. S., et al. Direct microneedle array fabrication off a photomask to deliver collagen through skin. Pharmaceutical research. 31, 1724-1734 (2014).

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Nachdrucke und Genehmigungen

Genehmigung beantragen, um den Text oder die Abbildungen dieses JoVE-Artikels zu verwenden

Genehmigung beantragen

Schlagwörter

Herstellung mittels Photolithografieeingebettete MikrolinsenUV PolymerisationMikronadelgeometrieStereomikroskopiePrepolymer L sungFotomaskenausrichtger tFlusss ure tzenBildung der Tr gerschicht

Verwandte Artikel