方法論記事

フォトリソグラフィ法により高分子マイクロニードルアレイの作製

DOI：

10.3791/52914

⸱

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

この記事について

サマリー

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ここでは、フォトリソグラフィーによる高分子マイクロニードルの金型フリー製造プロセスを説明するプロトコルを提示します。

要約

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本稿では、フォトリソグラフィ法により、高分子マイクロニードル（MN）アレイの製造を説明しています。これは、埋め込まれたマイクロレンズからなるフォトマスクを用いて、単純な鋳型を含まないプロセスを含みます。埋め込まれたマイクロレンズは​​、MNジオメトリ（鋭さ）に影響することが見出されました。二つの異なる長さ（193ミクロンと171ミクロン±957ミクロン±1336ミクロン）を作製したと41.5ミクロン±8.4ミクロンと71.6ミクロン±13.7ミクロンの間の範囲の先端径の堅牢MNアレイ、。これらMNアレイは、皮膚を介して、低分子および高分子の治療薬の送達の潜在的なアプリケーションを提供してもよいです。

概要

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経皮薬物送達は、特にほぼ独占的に皮下注射によって投与された生体分子のために、薬剤投与のための魅力的な代替的なアプローチを提供しています。しかし、皮膚、特に最上層（角質層）は、人体に侵入する外来性分子を防止手ごわい障壁です。最近では、MNのデバイスは、皮膚を介して薬物を送達するためのツールを有効にするとして浮上しています。 MNデバイスは、薬物分子の通過が改善された患者のコンプライアンスと利便1-3で所望の生理学的活性を達成できるように、角質層内部に一時的な空孔を作成します。

様々な製造方法は、ポリマーのMN 4を製造するために採用されています。しかし、それらは通常のMNのアレイを製造するために長い時間および/ ​​または高い温度を必要とする、複雑で多段階のプロセスを伴う。4製造工程を簡略化するために、単一工程モールドフリープロセスを使用してフォトマスクは5,6、最近開発されました。しかし、この方法では、メカニズムは、フォトリソグラフィに関係する紫外線（UV）光路を変更するための場所ではなかったとしてのMNは、鈍針のヒントを持っていた製作。

本研究では、フォトマスクに埋め込まれたマイクロレンズのMNのジオメトリを定義するために提案されています。埋め込まれたマイクロレンズからなり、その後、フォトマスクを用いて、鋭い先端が報告されていると製作をMNのフォトマスクを製造するためのプロトコル。

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プロトコル

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1.フォトマスク製造

  1. 石英槽に浸漬し、120℃で20分間：ピラニア溶液（1比2でH 2 SO 4 / H 2 O 2）を用いて4 "のガラスウェハをきれい。
  2. 電子ビーム蒸発器7（ 図1A）を使用して、ガラスウェハ上にクロム/金（AuのCR /1μmの30 nm）の層の層を堆積させます。
    1. 電子ビーム蒸発器でウェーハを配置します。真空が5×10 -6トルに達すると、高電圧源（10キロボルト）をオンにしてください。モニターコントロールパネルにより厚さを制御します。
    2. 電子ビーム銃を用いて30秒（ウエハ上への堆積を回避するために）シャッター「OFF」に維持するため、各材料プリクリーン。
  3. ガラスの深いウェットエッチング用のCr / Auのフォトレジストマスキング層を生成します。
    1. スピンスプレーコーターシステムを用いて3000rpmで30秒間溶液5mlを回転させることにより厚さ2μmのフォトレジストを適用します。1.5分間、100℃のホットプレート上にフォトレジストをベーキング。
    2. 公開とハードホットプレート上で30分間120℃でフォトレジストを焼きます。これは、疎水性表面と金属層にフォトレジストの強い接着力を発生させることが重要です。パターンフォトレジストマスク8,9を介してCr及びAuのエッチング液を使用してのCr / Au層。
  4. 非パターン化ガラス表面の保護のため、一時的にダミーシリコンウエハ、ガラスウエハを接合。9
    1. 110℃のホットプレート上でガラスウエハを配置し、（ウェハの全表面をワックスで被覆されているように）ガラスウエハの反対側に、ワックスを溶融します。
    2. ガラスウェハに接触してダミーのシリコンウェハを置き、余分なワックスを除去するために押します。ワックスのこぼれを回避するために、ホットプレート上でクリーンルームティッシュペーパーを置きます。
  5. 最適化されたフッ酸を用いたレンズの等方性エッチングを行う（49％v / v）の8.5磁気スターラー分のHCl 10プレゼンス生成レンズの良好な表面品質を達成するために重要である：（1〜10の体積比で）と塩酸（37％v / v）の溶液。
    1. エッチングレートが7ミクロン/分であることを確認してください。エッチング液を200mlの全容量を使用します。プラスチック容器にエッチングを行い、この処理ステップのための安全対策を取ります。
    2. RTですすぎ、さらに乾燥することにより、脱イオン（DI）水でウェハを清掃してください。
  6. 処理完了後、ダミーのシリコンウェハからガラスウェハを分離し、15秒間100℃のホットプレートを用いてワックスを温めます。ワックスはこの温度で​​溶融するように、ダミーのシリコンウェハからガラスウェハを取り外します。
  7. 超音波タンク内の80℃の溶媒としてのNメチル-2-ピロリドンを用いて、1時間超音波を使用して、レンズの端に残っているワックス、フォトレジストオーバーハングのCr / Au層を削除します。
  8. フォトマスク11上に製造されたマイクロレンズのPDMS型レプリカを作成します。
  9. フォトマスクの寸法（長さおよび幅）を特徴づけるとマイクロレンズPDMS型（深さと直径）は、それぞれ、走査型電子顕微鏡および実体顕微鏡を用いてレプリカ。12-14

2. MNのシャフト製作

  1. ガラスの両側に取り付けられたガラススライドを使用して0.9センチメートル×2.5センチメートルの空洞を作成します。いずれかの側に積層ガラススライドの数は、スペーサの厚さ（ 図1B）と呼ばれるキャビティの高さを決定します。
  2. 0.5％w / wの2-ヒドロキシ-2-メチル - プロピオフェノン（HMP）を有するポリ含有プレポリマー溶液（エチレングリコール）ジアクリレート（PEGDA、MW = 258 Da）での薄層を適用することにより、スライドガラスの各層を確保します2秒間高強度の紫外線を設定（UV）光を照射することにより、その後、スライドガラス。
  3. photomaを配置SK空洞の内部に面するのCr / Auをコーティングした表面に（以前に製造されました）。空洞壁の側面は、フォトマスクに埋め込まれたレンズを曖昧にされていないことを確認してください。
  4. Cr / Auをコーティングした表面は、目に見える気泡ない溶液と接触するまでプレポリマー溶液を用いて空洞を満たします。
  5. 320から500 nmでのUVフィルターの範囲を有するUV硬化ステーションを使用して、UV光源から3.5センチ間隔で1秒間、所望の強度の高強度のUV光を照射してセットアップ。 UV光プローブでコリメートアダプターを使用してください。
  6. 放射計を用いて使用されるUV光の強度を測定します。
  7. 紫外線露光後、MNのの配列を使用してフォトマスクを削除します。再利用のために、その元の容器に戻し工程で重合されていない過剰プレポリマー溶液を注ぎます。
  8. 製造業者の指示に従って実体顕微鏡を用いてのMNの長さおよび先端の直径を定量化します。
3。 MNバッキング層の作製

  1. 図1Cに示すように鉗子のMNを配置して（以前に製造された）24ウェルプレートのウェルに、フォトマスク上に取り付けられています。
  2. 針が所望の高さに水没するまで十分にプレポリマー溶液の - （400μL300）指定されたボリュームを追加します。この量は、得られたバッキング層の厚さを決定します。
  3. 10.5センチメートル離れて1秒の持続時間のための紫外線源から、高強度のUV光（15.1 W / cm 2）としてセットアップを照射。
  4. 鋭い刃を使用してフォトマスクからMNアレイ上にバッキング層を分離します。
  5. 製造業者の指示に従って実体顕微鏡を用いて、バッキング層とのMNの長さ、先端の直径とベース直径を定量化します。

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結果

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MNの形状は大きくフォトマスクの特性及び埋め込みマイクロレンズによって影響を受けることができます。屈折度は、MNの幾何形状（ 図2A）の影響紫外線の伝送路に影響を与えます。各マイクロレンズは350μmの直径を有することが見出された、130ミクロンの凸面を平坦化し、62.3μmの深さ（ 図2B-D）。ピタゴラスの定理を用いて、第1の表面の曲率半径は、272.89マイクロメートルであることが見出されました。焦点距離は509.28μmであると計算された（; nは空気 = 1.000; n個のガラス = 1.53627を考慮しλ= 365 nm）のレンズメーカー方程式12を介して以下に述べたように：

1 / F =（N 1 / N M -1）*（1 / R 1 -1 / R 2）

n 1は...

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ディスカッション

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MNのアレイの製造について上記したプロトコルは、約1 cm 2のMNのアレイを製造するために提示されています。アレイは、大きなサイズの空洞を作成することによって、より大きなフォトマスクを用いてスケールアップすることができます。増加した空洞の大きさは、両側のスペーサの幅を増加させることによって作成することができます。プロトコルでMNアレイを作製するために、各ステップが重要であったが、最も重要なステップは以下の通りであった：フォトマスクの位置、プレポリマー溶液の充填、およびセットアップの照射。フォトマスクの位置決めはCR / Auをコーティングした表面は、フォトマスクに埋め込まれたレンズを不明瞭空洞の内部とキャビティ壁の側面に直面しているようにすべきです。プレポリマー溶液と、金型を充填すると、そうでない場合は変形して低強度MN配列につながることができ、気泡が捕捉されない空気を確保します。気泡が徐々にprepolymeを加えることによって制御さ吸上作用によって防止することができますR液とプレポリマー溶液中に存在する気泡がないことを保証します。照射のためのセットアップの位置付けは、均一なUV露光を確保するために導かれるよ...

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開示事項

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著者は利益相反を宣言しません。

謝辞

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この研究は、シンガポール国立研究財団(NRF)の助成金NRF2012NRF-POC001-043の支援を受けました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
ポリ(エチレングリコール)ジアクリレート(PEGDA Mn=258)SIGMA 475629-500ML
2-ヒドロキシ-2-メチル-プロピオフェノン(HMP)シグマ 405655-50ML
ウシコラーゲン1型、FITCコンジュゲート シグマ C4361
UV硬化ステーション   EXFO Photonic Solutions Inc.、カナダ、OmniCure S2000-XL
コリメーティングアダプタ EXFO Photonic Solutions Inc., CanadaEXFO 810-00042
24-well plateThermo Fisher Scientific, USA
Nikon SMZ 1500 stereomicroscope ニコン ディ
ロン GL-500 デジタルフォースゲージ 米国
A-1R 共焦点顕微鏡 Nikon, 日本
ディロン

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).
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  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).

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