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
November 17th, 2015
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。
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概要
この記事では、フォトリソグラフィを用いたポリマー製マイクロニードルのモールドフリー製造プロトコルを紹介します。このプロセスは、皮膚を通じた治療薬の痛みのない送達に適したマイクロニードルを作成することを目的としています。
主要な研究要素
科学分野
- バイオメディカル工学
- 薬物送達システム
- 材料科学
背景
- ポリマー製マイクロニードルは経皮的薬物送達の方法として台頭しています。
- 従来のマイクロニードル製造方法は、モールドを使用することが多く、制限がある場合があります。
- フォトリソグラフィは、マイクロニードル製造のための正確でモールドフリーの代替手段を提供します。
- この技術は、薬物送達システムの効率を高めることができます。
研究目的
- 鋭いポリマー製マイクロニードルを製造するためのプロトコルを確立すること。
- 痛みのない薬物送達におけるマイクロニードルの潜在的応用を探ること。
- 分野の研究者向けに詳細な方法論を提供すること。
使用方法
- パターン化された等方性エッチングを用いたマイクロレンズ埋め込みフォトマスクを製造すること。
- UV光を用いてプレポリマー溶液を重合させ、マイクロニードルシャフトを作成すること。
- マイクロニードルシャフトを支える裏打ち層の開発。
- 立体顕微鏡を用いてマイクロニードルの特性を観察すること。
主な結果
- このプロトコルは鋭いポリマー製マイクロニードルを成功裏に製造します。
- マイクロニードルは長さ、直径、頂角など望ましい特性を示します。
- この方法により、マイクロニードルの寸法を正確に制御できます。
- 治療薬の痛みのない送達における潜在的応用が強調されています。
結論
- モールドフリー製造プロセスはポリマー製マイクロニードルの作成に効果的です。
- この技術は経皮的薬物送達の分野を進歩させることができます。
- さらなる研究により、追加の応用や改善が探索される可能性があります。
よくある質問
Executive Industry Relevance
This mold-free photolithography method enables rapid fabrication of polymeric microneedle arrays for transdermal delivery of low molecular and macromolecular therapeutics. By eliminating mold constraints and high-temperature steps, it supports early-stage assay development and mechanistic de-risking in drug delivery platform evaluation. The technique provides quantitative control over needle geometry, enhancing predictive confidence in skin penetration and drug release profiles.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of skin permeation hypotheses through controlled microneedle geometry variation.
- Operational Value: Rapid prototyping of needle arrays supports iterative design of delivery systems for target validation.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Produces reproducible microneedle shafts with quantifiable tip diameters and lengths for standardized penetration assays.
- Operational Value: Mold-free process allows high-throughput fabrication and reuse of photo masks for assay standardization.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports evaluation of macromolecular and low molecular drug delivery through skin in preclinical models.
- Operational Value: Backing layer integration enables mechanical stability testing for transdermal patch integration.
Pipeline & Workflow Integration
This method fits within early discovery to preclinical workflows by providing a tunable microneedle platform for hypothesis testing and delivery system optimization.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing on skin barrier penetration using geometrically defined microneedles.
- Screening: Enables assay-ready microneedle arrays with consistent tip sharpness for compound or formulation screening.
- Analytics: UV intensity modulation provides measurable outputs on length and tip diameter for process control.
- Translational Research: Supports continuity from discovery to preclinical by enabling delivery testing of therapeutic agents across model systems.
- Enterprise Reuse: Photo mask fabrication is a reusable capability for generating multiple microneedle designs across projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in skin delivery performance through precise control of microneedle apex angle and tip diameter.
- Operational Value: Mold-free, low-temperature process reduces fabrication time and equipment complexity.
- Strategic Value: Enables faster go/no-go decisions on delivery platforms by reducing biological variability in needle geometry.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of transdermal delivery candidates through standardized microneedle production.
Implementation Considerations
- Requires expertise in photolithography, UV polymerization, and biocompatible polymer handling.
- Needs UV curing stations, stereo microscopes, and chemical etching infrastructure for micro lens fabrication.
- Standardization across teams requires consistent photo mask quality and UV intensity calibration.
- Adaptation to different polymers necessitates optimization of pre-polymer solution viscosity and UV exposure parameters.
- Practical limitations include handling of hazardous chemicals like hydrofluoric acid and need for cleanroom-compatible procedures.
