Articolo metodologico

Polimerici Microneedle Array Fabrication per Fotolitografia

DOI:

10.3791/52914

⸱

17 novembre 2015

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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

In questo articolo

Sommario

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Qui, presentiamo un protocollo che descrive un processo di fabbricazione senza stampi dei microaghi polimerici mediante fotolitografia.

Abstract

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Questo manoscritto descrive la fabbricazione di microago polimerico (MN) array per fotolitografia. Si tratta di un semplice processo senza stampo utilizzando una fotomaschera costituito da incorporati microlenti. Embedded microlenti sono stati trovati per influenzare MN geometria (nitidezza). Array MN Robusti con diametri compresi tra 41,5 punta micron ± 8.4 micron e 71,6 micron ± 13,7 micron, con due diverse lunghezze (1336 micron ± 193 micron e 957 micron ± 171 micron) sono stati fabbricati. Questi array MN possono fornire potenziali applicazioni nella fornitura di agenti terapeutici a basso molecolare e macromolecolare attraverso la pelle.

Introduzione

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Somministrazione di farmaci transdermica offre un approccio alternativo attraente per la somministrazione del farmaco, soprattutto per le biomolecole, che sono gestiti quasi esclusivamente da iniezioni ipodermiche. Tuttavia, la pelle, in particolare lo strato superiore (strato corneo), è una formidabile barriera impedendo molecole esogene di entrare nel corpo umano. Di recente, i dispositivi MN sono emersi come consentire strumenti per fornire farmaci attraverso la pelle. I dispositivi MN creano pori temporanei all'interno dello strato corneo per consentire il passaggio di molecole di farmaco per ottenere l'attività fisiologica desiderata con migliorata compliance del paziente e convenienza 1-3.

Vari metodi di fabbricazione sono stati adottati per fabbricare MNs polimerici 4. Tuttavia, di solito coinvolgono processi step complicati e più che richiedono tempi lunghi e / o alte temperature per fabbricare array MNS. 4 Per semplificare il processo di fabbricazione, un unico processo senza muffa passo conun photomask stato sviluppato recentemente 5,6. Tuttavia, con questo metodo, fabbricato MNs avevano punte smussate aghi, come era alcun meccanismo in atto per modificare il percorso ultravioletta (UV) coinvolti nella fotolitografia.

In questo studio, microlenti incorporati nella fotomaschera sono stati proposti per definire la geometria delle MNs. Il protocollo per fabbricare fotomaschere costituiti da microlenti integrate e successivamente Mn fabbricazione con punte affilate utilizzando fotomaschera sono segnalati.

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Protocollo

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1. Photomask Fabrication

  1. Pulire un wafer 4 "vetro con soluzione Piranha (H 2 SO 4 / H 2 O 2 in rapporto 2: 1) per 20 minuti a 120 ° C per immersione in una vasca di quarzo.
  2. Depositare uno strato di cromo / oro (30 nm di Cr / 1 micron di Au) strato sul wafer di vetro usando un e-beam evaporatore 7 (Figura 1A).
    1. Posizionare i wafer in un evaporatore e-beam. Una volta che il vuoto raggiunge 5 x 10 -6 Torr, accendere la sorgente ad alta tensione (10 kV). Controllare lo spessore dalla centrale del monitor.
    2. Pre-pulita ogni materiale per 30 secondi utilizzando la pistola e-beam, mantenendo l'otturatore "OFF" (per evitare la deposizione sui wafer).
  3. Generare un Cr / Au strato di resina fotosensibile di mascheratura per una profonda incisione umido del vetro.
    1. Applicare un photoresist spessore 2 micron filando 5 ml di soluzione per 30 secondi a 3000 rpm utilizzando un sistema di rivestimento spin-spruzzo.Precottura fotoresist su una piastra riscaldante a 100 ° C per 1,5 min.
    2. Esporre e duro cuocere il fotoresist a 120 ° C per 30 minuti su una piastra calda. È fondamentale per generare una superficie idrofobica e una forte adesione del fotoresist allo strato metallico. Motivo dello strato di Cr / Au utilizzando Cr e Au soluzioni di attacco attraverso il photoresist maschera 8,9.
  4. Per la protezione della superficie del vetro non-modellato, legare temporaneamente il wafer vetro per un wafer di silicio manichino. 9
    1. Posizionare il wafer di vetro su una piastra riscaldante a 110 ° C e sciogliere la cera sul lato opposto del wafer di vetro (in modo tale che l'intera superficie del wafer è coperto di cera).
    2. Collocare un wafer di silicio manichino in contatto con il wafer di vetro e premere per rimuovere l'eccesso di cera. Per evitare fuoriuscite di cera, posizionare una carta velina camera pulita sulla piastra.
  5. Eseguire attacco isotropo della lente utilizzando acido fluoridrico ottimizzato (49% v / v)soluzione di acido cloridrico (37% v / v) (in un rapporto volumetrico di 10: 1). con un agitatore magnetico per 10 min 8.5 Presenza di HCl è critico per il raggiungimento di una buona qualità superficiale di lenti generati.
    1. Assicurarsi che la velocità di attacco è di 7 micron / min; utilizzando un volume totale di 200 ml di soluzione di attacco. Eseguire incisione in un contenitore di plastica e prendere precauzioni di sicurezza per questa fase di lavorazione.
    2. Pulire il wafer in (DI) acqua deionizzata da risciacquo e asciugatura ulteriormente a temperatura ambiente.
  6. Dopo il completamento della procedura, separare il wafer di vetro dal wafer di silicio manichino e riscaldare la cera con una piastra calda a 100 ° C per 15 sec. Come la cera si scioglie a questa temperatura, staccare il wafer di vetro dal wafer di silicio manichino.
  7. Rimuovere rimanente cera, il photoresist e gli strati sovrastanti Cr / Au ai bordi delle lenti con ultrasuoni per 1 ora usando N-metil-2-pirrolidone come solvente a 80 ° C in un bagno di ultrasuoni.
  8. Creare uno stampo replica PDMS delle microlenti fabbricati sui fotomaschere 11.
  9. Caratterizzare le dimensioni fotomaschere (lunghezza e larghezza) e lo stampo microlenti PDMS (profondità e diametro) repliche utilizzando rispettivamente un microscopio elettronico a scansione e stereomicroscopio. 12-14

2. Alberi MN Fabrication

  1. Creare una cavità di 2,5 cm × 0,9 cm utilizzando i vetrini montate su entrambi i lati di un vetro. Il numero dei vetrini impilati su ciascun lato determinerà l'altezza della cavità noto come lo spessore del distanziale (Figura 1B).
  2. Fissare ogni strato del vetrino applicando uno strato sottile della soluzione prepolimero contenente poli (glicole etilenico) diacrilato (PEGDA, MW = 258 Da) con 0,5% w / w 2-idrossi-2-metil-propiofenone (HMP) sulla vetrino seguito da irradiazione della luce impostato con l'ultravioletta ad alta intensità (UV) per 2 sec.
  3. Posizionare il photomask (precedentemente fabbricato) con le superfici Cr / Au rivestite rivolta verso l'interno della cavità. Assicurarsi che i lati delle pareti della cavità non sono oscurando le lenti incorporate nel fotomaschere.
  4. Riempire la cavità con la soluzione di prepolimero finché la superficie rivestita Cr / Au è in contatto con la soluzione senza bolle visibili.
  5. Irradiare la configurazione con luce UV ad alta intensità di intensità desiderata per 1 sec ad una distanza di 3,5 cm dalla sorgente UV tramite la stazione di trattamento UV con una gamma filtro UV di 320-500 nm. Utilizzare un adattatore di collimazione con la sonda luce UV.
  6. Misurare l'intensità della luce UV utilizzata con un radiometro.
  7. A seguito di esposizione ai raggi UV, rimuovere il fotomaschera con l'array di MNs. Versare la soluzione di prepolimero eccesso che non polimerizzate nel processo nel suo recipiente originale per il riutilizzo.
  8. Quantificare la lunghezza e punta il diametro delle MNs utilizzando uno stereomicroscopio secondo le istruzioni del produttore.
3. MN Backing strato Fabrication

  1. Con pinze, collocare i MNs (precedentemente fabbricato) attaccati sopra fotomaschera in un pozzetto di una piastra da 24 pozzetti, come mostrato nella Figura 1C.
  2. Aggiungere un volume specificato (300 - 400 ml) della soluzione di prepolimero nel pozzo fino gli aghi sono sommersi all'altezza desiderata. Questo volume determina lo spessore dello strato di supporto risultante.
  3. Irradiare la configurazione con luce ad alta intensità UV (15,1 W / cm 2), 10,5 cm di distanza dalla sorgente UV per una durata di 1 sec.
  4. Separare lo strato di supporto sulla matrice MN dalla fotomaschera utilizzando una lama affilata.
  5. Quantificare la lunghezza, diametro punta e base diametro delle MNs con lo strato di supporto utilizzando uno stereomicroscopio secondo le istruzioni del produttore.

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Risultati

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La geometria delle MNs può essere significativamente influenzata dalle caratteristiche fotomaschere e microlenti integrate. Il grado di rifrazione influenza il percorso di trasmissione dei raggi UV, che hanno influenzato la geometria MN (Figura 2A). Ogni microlenti è stato trovato ad avere un diametro di 350 micron, a 130 micron appiattite superficie convessa, e un 62,3 micron di profondità (Figura 2B-D). Utilizzando il teorema di Pitagora, il raggio di curvatura della prima superficie ...

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Discussione

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Il protocollo descritto sopra per la fabbricazione della matrice MNs è stata presentata per fabbricare la matrice MNs di ~ 1 cm 2. Gli array possono essere scalati da creare una grande cavità dimensioni e utilizzando un fotomaschere grande. La maggiore dimensione della cavità può essere creata aumentando la larghezza tra i distanziatori su entrambi i lati. Anche se ogni passo per fabbricare gli array MN nel protocollo era importante, i passi più importanti sono stati: il posizionamento fotomaschera, il riempi...

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Dichiarazioni

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Gli autori dichiarano di non avere alcun conflitto di interessi.

Ringraziamenti

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Questo studio è stato supportato da una sovvenzione della Singapore National Research Foundation (NRF) NRF2012NRF-POC001-043.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Poli(glicole etilenico) diacrilato (PEGDA Mn=258)SIGMA 475629-500ML
2-idrossi-2-metil-propiofenone (HMP)SIGMA 405655-50ML
Collagene bovino di tipo 1, coniugato FITC SIGMA C4361
Stazione di polimerizzazione UV     EXFO Photonic Solutions Inc., CanadaOmniCure S2000-XL
EXFO Photonic Solutions Inc., CanadaEXFO 810-00042
piastra a 24 pozzettiThermo Fisher Scientific, USA
Stereomicroscopio Nikon SMZ 1500Nikon, Giappone
Dillon GL-500 misuratore di forza digitale Dillon, USA
Microscopio confocale A-1R Nikon, Giappone
Adattatore per collimazione

Riferimenti

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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).
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