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
2015年11月17日
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。
この手順の全体的な目標は、鋭利な高分子マイクロニードルアレイを製造することであり、これにより、皮膚を介した低分子および高分子の治療薬の痛みのない送達に潜在的なアプリケーションを提供できる可能性があります。これは、まず、パターン化された等方性エッチングによって埋め込まれたマイクロレンズからなるフォトマスクを作製することによって達成されます。第2のステップは、埋め込まれたフォトマスクをプレポリマー溶液の浴上に配置し、露光された溶液を重合するマイクロレンズを介してUV光を溶液に集束させることにより、マイクロニードルシャフトを製造することです。
最後のステップは、マイクロニードルシャフトを支えるためのバッキング層を作製することです。これは、マイクロニードルの尖った部位をプレートに載せ、次にプレポリマー溶液を添加し、その溶液をUV光で重合することによって達成されます。最終的には、長さ、直径、頂点角など、マイクロニードルの特徴的な特性を実体顕微鏡で観察することができます。
マイクロ成形などの既存の方法に対するこの技術の主な利点は、より高速であることです。カビのないプロセスであり、高温を使用する必要はありません。この方法は、マイクロレンズを使用してUV光の経路を変更することや重合プロセスなど、微細加工における重要な質問に答えるのに役立ちます。
この技術は、経口薬物送達に使用される高分子マクロ針の作製に使用できますが、ブランクマイクロニードルの作製方法を示しているだけです。この技術は、薬物をリードするマイクロニードルの製造にも使用できます。4インチのガラスウェーハを、摂氏120度で20分間Piha溶液で満たされた石英タンクに浸すことにより、クリーニングを開始します。
次に、ウェーハを蒸留水ですすぎ、圧縮空気を使用して乾燥させます。電子ビーム蒸着器で終了したら、ウェーハをスピンコーダーセットアップに置き、ウェーハの中央に5ミリリットルのフォトレジストを追加します。ウェーハを3000RPMで30秒間回転させ、厚さ2マイクロメートルのフォトレジスト層を生成します。
次に、フォトレジストを100°Cのホットプレートに1分半プリベークした後、マスターフォトマスクとウェーハをフォトマスクアライナーにセットし、硬く露光したウェーハを露光します。フォトレジストを120°Cでホットプレートで30分間焼きます。その後、クロムと金のエッチング液を用いてガラスウェーハにパターンをエッチングし、室温で1時間、エッチングしたガラスウェーハを110°Cのホットプレートに置き、ガラスウェーハの反対側にワックスを溶かしてウェーハの全面をワックスで覆うようにします。
ダミーのシリコンウェーハにシリコンウェーハを接触させて置き、しっかりと押して余分なワックスを取り除き、ガラスウェーハをダミーシリコンウェーハに一時的に接着します。次に、10部、49%フッ化水素酸、および1部37%塩酸の200ミリリットルの浴を、磁気攪拌を備えたプラスチック容器に調製します。サンプルを加え、攪拌しながらマイクロレンズを毎分7マイクロメートルの速度で8分半
エッチングします。終了したら、脱イオン水を使用してウェーハを洗浄し、室温で乾燥させます。乾いたら、ウェーハをホットプレートに置き、摂氏100度に予熱して15秒間加熱します。次に、ガラスウェーハをダミーのシリコンウェーハから分離します。
ガラスウェーハをNメチルをペロンに80°Cで入れる超音波タンクに入れ、1時間超日光を使用して、残りのワックス、フォトレジスト、およびレンズの端に張り出したクロムと金の層を取り除きます。長方形のキャビティの両側にスライドガラスを積み重ねて、マイクロニードルの最大高さを設定します。スライドガラスの各層を固定するには、各層の間のスライドガラスにプレポリマー溶液の薄層を塗布します。
終了したら、セットアップに高強度の紫外線を2秒間照射して、スライドを所定の位置に固定します。次に、クロム金でコーティングされた表面がキャビティの内部に面するようにフォトマスクを配置します。キャビティ壁の側面が隠れていないことを確認します。
フォトマスクに埋め込まれたレンズ。クロム金でコーティングされた表面が目に見える気泡なしに溶液と接触するまで、キャビティをプレポリマー溶液で満たします。次に、セットアップをUV硬化ステーションに置き、セットアップの隣に放射計を配置してUV光の強度を測定します。
UV光源から3.5cmの距離で、320〜500ナノメートルの高強度UV光を1秒間照射します。UV露光後、マイクロニードルの配列でフォトマスクを取り外し、余分なプレポリマー溶液を元の容器に戻して再利用します。マイクロニードルの長さと先端の直径を、鉗子を使用した標準的な技術を使用して、実体顕微鏡で定量化します。
フォトマスクに取り付けたマイクロニードルを、24ウェルプレートの針側を上にしてウェルに入れます。針が所望のバッキング層の高さまで沈められるまで、300〜400マイクロリットルのプレポリマー溶液をウェルに加えます。次に、10.5センチメートル離れた場所から1平方センチメートルあたり15.1ワットの高強度UV光をセットアップに1秒間照射します。
バッキング層が重合したら、鋭利なブレードを使用して、マイクロニードルアレイ上のバッキング層をフォトマスクから分離します。次に、実体顕微鏡を使用して、バッキングレイヤーを持つマイクロニードルの先端の長さ、直径、および基部直径を定量化します。マイクロニードルの長さと先端の直径に対する有効なUV強度は、一定の焦点距離と光源距離で1平方センチメートルあたり3.14〜15.1ワットのUV光の強度を変化させることによって調べました。
マイクロニードルの平均長さと先端径は、強度が増すにつれて増加することがわかりました。ここに示されているのは、300マイクロリットルと400マイクロリットルのバッキング材料がマイクロニードルの全長に及ぼす影響、およびより多くのバッキング材料で予想される針の破壊力であり、針は全体的に短くなりますが、追加のサポートにより追加の破壊力も得られます。このビデオを見た後、高分子マクロ針の製造方法についてよく理解していただければ幸いです 一度習得すると、この技術は5〜10分で実行できます。
手順を慎重に行い、フォトマスクの準備ができている場合は、フッ化水素酸やUVリーフなどのこの材料の使用方法を覚えておいてくださいので、個人用保護具は常に着用する必要があります。
完全なトランスクリプトを表示し、数千本の科学動画にアクセス
概要
本記事では、フォトリソグラフィーを用いたポリマーマイクロニードルの金型を用いない作製プロトコルを紹介します。このプロセスは、皮膚を介した治療薬の無痛投与に適したマイクロニードルを作製することを目的としています。
研究の主要構成要素
科学分野
- 生体医用工学
- ドラッグデリバリーシステム
- 材料科学
背景
- ポリマーマイクロニードルは、経皮薬物輸送の一つの手法として注目されています。
- 従来のマイクロニードル作製法では、多くの場合に金型が使用されますが、これは制約となることがあります。
- フォトリソグラフィーは、マイクロニードル製造における精密で金型を必要としない代替手法を提供します。
- この技術により、薬物輸送システムの効率を高めることが可能です。
研究目的
- 鋭利なポリマー製マイクロニードルを作製するためのプロトコルを開発すること。
- 無痛薬物輸送におけるマイクロニードルの応用の可能性を検討すること。
- この分野の研究者に向けた詳細な手法を提供すること。
使用した手法
- パターン形成等方性エッチングによるマイクロレンズ埋め込みフォトマスクの作製。
- UV光を用いたプレポリマー溶液の重合によるマイクロニードルシャフトの作成。
- マイクロニードルシャフトを支持するためのバッキング層の開発。
- 実体顕微鏡を用いたマイクロニードルの特性観察。
主な結果
- 本プロトコルにより、鋭利なポリマー製マイクロニードルを安定して作製できる。
- マイクロニードルは、長さ、直径、頂角などの好ましい特性を示す。
- 本手法により、マイクロニードルの寸法を精密に制御することが可能である。
- 治療薬の無痛投与における潜在的な応用可能性を提示する。
結論
- 金型を用いない作製プロセスは、ポリマー製マイクロニードルの作成に有効である。
- 本手法は、経皮薬物伝達の分野を前進させることができる。
- 今後の研究により、さらなる応用例や改善策が探索される可能性がある。
よくある質問
産業界における重要性
この金型を用いないフォトリソグラフィー法により、低分子および高分子治療薬の経皮投与に用いるポリマー製マイクロニードルアレイを迅速に作製することが可能になります。金型による制約や高温工程を排除することで、薬物輸送プラットフォームの評価における初期段階のアッセイ開発およびメカニズムのリスク低減を支援します。本手法はニードルの形状を定量的に制御できるため、皮膚への浸透および薬物放出プロファイルの予測信頼性を向上させます。
バイオファーマ研究開発における戦略的応用
初期探索およびターゲットバリデーション
- 科学的価値： マイクロニードルの形状を制御して変化させることで、皮膚透過に関する仮説の検証が可能になります。
- 実用的価値： ニードルアレイの迅速なプロトタイピングにより、標的バリデーションに向けたデリバリーシステムの反復的な設計が可能です。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- 科学的価値： 標準化された浸透アッセイ向けに、先端径と長さを定量化した再現性のあるマイクロニードルシャフトを作製できる。
- 運用的価値： 金型を用いないプロセスにより、ハイスループットな作製とフォトマスクの再利用が可能となり、アッセイの標準化を実現する。
翻訳・前臨床研究
- 科学的価値： 前臨床モデルにおける、皮膚を介した高分子および低分子薬物輸送の評価を支援します。
- 運用の価値： 裏打ち層を組み込むことで、経皮吸収パッチ統合のための機械的安定性試験が可能になります。
パイプラインおよびワークフローの統合
この手法は、仮説検証および配送システムの最適化に向けた調整可能なマイクロニードルプラットフォームを提供することで、初期探索から前臨床までのワークフローに適合します。
- 探索生物学：幾何学的に定義されたマイクロニードルを用い、皮膚バリア透過性に関する仮説検証を促進します。
- スクリーニング：チップの鋭利さが一定であるアッセイ可能なマイクロニードルアレイを実現し、化合物や製剤のスクリーニングを可能にします。
- 分析：UV強度の変調により、プロセス制御のための長さおよびチップ径に関する測定可能な出力を提供します。
- トランスレーショナルリサーチ：モデルシステムにおける治療薬の送達試験を可能にすることで、探索から前臨床への継続性をサポートします。
- 企業内での再利用：フォトマスク作製は、プロジェクト全体で複数のマイクロニードル設計を生成するための再利用可能な機能となります。
運用および企業への影響
- 科学的価値：マイクロニードルの頂角と先端径を精密に制御することで、皮膚への送達性能における予測信頼性を向上させる。
- 運用的価値：金型を使用しない低温プロセスにより、作製時間と装置の複雑さを軽減する。
- 戦略的価値：ニードル形状の生物学的ばらつきを低減し、送達プラットフォームにおけるGo/No-go判断の迅速化を可能にする。
- ポートフォリオへの影響：標準化されたマイクロニードル製造を通じて、経皮送達候補物質のリスク調整済み優先順位付けを支援する。
実施上の考慮事項
- フォトリソグラフィー、UV重合、および生体適合性ポリマーの取り扱いに関する専門知識が必要です。
- マイクロレンズ作製のためには、UV硬化装置、実体顕微鏡、および化学エッチング設備が必要です。
- チーム間での標準化には、一貫したフォトマスクの品質とUV強度の校正が必要です。
- 異なるポリマーへの適応には、プレポリマー溶液の粘度およびUV露光パラメータの最適化が必要です。
- 実用上の制限として、フッ化水素酸などの有害化学物質の取り扱いや、クリーンルーム対応の手順が必要となります。
