이 프로토콜은 CAD 설계, 3D 프린팅 마스터 제작, 엘라스토머 역몰드 준비, 단일 필 주조를 다루어 맞춤형 배열의 재현 가능한 제조를 달성하기 위한 폴리머 마이크로니들 패치를 만듭니다.
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이 논문에서
요약
초록
이 프로토콜은 컴퓨터 지원 설계(CAD), 배트 광중합 마스터 제작(예: 스테레오리소그래피 또는 디지털 광 처리, SLA/DLP), 엘라스토머 역성형, 단일 필 주조를 사용하여 고분자 마이크로니들(MN) 패치를 제조하는 일반화되고 응용 중립적인 워크플로우를 제시합니다. 이 방법은 MN 기하학과 배열 배치의 파라메트릭 CAD에서 시작하며, 균일한 공동체 침투를 용이하게 하고 패치 주변의 두꺼운 림 형성을 제한하기 위해 얇은 패치 베이스와 통합 저장소를 포함합니다. 3D 프린팅 파라미터는 미세 특징의 무결성을 유지하기 위해 선택되며, 이어서 짧은 용매 세척과 제어된 경화 후 경화를 통해 잔여물을 제거하고 특징을 안정화합니다. 3D 프린팅된 마스터는 엘라스토머에 복제되어 반복 주조 사이클에 적합한 유연한 역몰드를 만듭니다. 주조는 원심분리 또는 진공을 통해 금형에 침투하는 폴리머 용액을 사용하여 다양한 형상에서 일관된 공동을 채울 수 있게 합니다. 대표적인 품질 평가에는 인쇄된 마스터 및 리버스 몰드의 공동 완전성 및 결함 검사, 여러 배열 위치에서의 바늘 높이, 바닥 너비, 팁 품질 치수 검사가 포함됩니다. 워크플로우는 여러 MN 배열 모델 설계를 수용하며, 용액 고형, 점도, 건조 조건을 조정하여 연구 및 프로토타이핑에 적합한 고분자 MN 패치를 빠르고 저비용하며 재현 가능한 제조로 대체 폴리머 조성에 쉽게 적용할 수 있습니다.
서론
마이크로니들(MN)은 피부, 눈 또는 모델 조직에 최소한의 불편함으로 접근하는 실용적인 수단을 제공하며, 기하학과 배열배치 1, 2, 3, 4를 정밀하게 제어할 수 있게 합니다. 실험실 제조의 경우, 고충실도 마스터에서 복제하는 것이 효율적입니다. 적합한 마스터가 확보되면 소프트 리소그래피 복사본을 반복적으로 제작하여 재료, 치수, 배열 구성을 일관된 품질 5,6으로 스크리닝할 수 있습니다. 실리콘 마이크로마시닝, 레이저 절제, 사출 성형과 같은 전통적인 마이크로니들 제작 방법은 높은 정밀도를 달성할 수 있지만, 종종 전문 시설, 복잡한 공구 또는 높은 초기 비용이 필요해 연구 환경에서 빠른 설계 반복을 위한 유연성이 제한됩니다.
데스크탑 배트-광중합 3D 프린터는 스테레오리소그래피(SLA)와 디지털 광 처리(DLP)를 포함하며, 짧은 설계 및 부품 주기와 마이크로미터 규모의 피상 제어 능력 덕분에 비교적저렴한 비용으로 몰드 마스터 생성에 적합합니다. 이 시스템들에서는 액체 광분자 수지를 통에 담아 주사 레이저 빔(SLA) 또는 투사광 패턴(DLP)으로 층별로 선택적으로 경화하여 미세 특징 기하학 8,9에 대한 정밀 제어가 가능합니다. 고분자 MN은 용해하거나 하이드로겔로 부풀도록 조제할 수 있어 특히 매력적입니다; 일반적인 용해 매트릭스로는 폴리비닐 알코올(PVA), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 히알루론산(HA), 그리고 카복시메틸 셀룰로오스나트륨(NaCMC)이 있으며, 하이드로겔 형성 예로는 교차결합 PVA, 폴리(에틸렌글리콜) 디아크릴레이트(PEGDA), 폴리(메틸 비닐 에테르-코말레 무수물)가 있습니다; PMVE/MA)10, 11.
서브밀리미터 바늘 높이에서 정확한 미세 특징을 달성하려면 인쇄 매개변수와 후처리에 대한 주의가 필요합니다. 필라멘트 압출 방식과 비교할 때, 배트 광중합은 레이저 스팟 크기, 복셀 형태, 층 두께, 노출 시간에 의해 결정되는 광중합을 활용합니다; 부품 기울기와 비기능형 면면의 지지대 배치 등 실용적인 선택은 제한된 해상도 프린터에서 효과적인 해상도를 향상시킬 수 있습니다 5,12. 마스터 제작 후, 예를 들어 실리콘 엘라스토머 폴리디메틸실록산(PDMS)과 같은 유연한 역몰형을 단일 충전 주조에 사용할 수 있으며, 이는 수용성 고분자 용액을 원심분리(스윙 버킷 로터용 적절한 캐리어 사용) 또는 진공5, 6, 12를 통해 공동에 주입하는 방식입니다.
이 설계부터 제조까지의 파이프라인은 생산과 맞춤화를 가속화할 수 있습니다. 파라메트릭 CAD는 재도구 없이 높이, 베이스, 피치, 배열 수를 빠르게 편집할 수 있게 해줍니다; 마스터는 벤치탑 시스템에서 빠르게 인쇄할 수 있습니다; 단일 마스터가 여러 복제본을 지원하여변경 시간을 단축하여 5, 13, 14. 설계 전환은 매개변수를 업데이트하고 마스터를 재인쇄하는 문제이며, 동일한 작업 흐름과 주조 조건은 유지됩니다. 그 결과, 실험실은 설계를 반복하고, 변형을 비교하며, 다운타임을 최소화하면서 배치를 더 빠르게 확장할 수 있어, 연구별 요구에 맞는 기하학적 조작을 신속히 할 수 있습니다5, 14, 15.
바늘 높이, 바닥 너비, 피치, 배열 수 등 기하학적 및 배치 매개변수는 삽입 신뢰성, 환자 편안함, 재료 사용에 직접적인 영향을 미칩니다. 적절한 높이, 베이스, 간격을 선택하면 일관된 성능과 제조 가능성을 촉진합니다 3,5,16,17. 이러한 절충을 명확하고 재현 가능하게 만들기 위해, 이 프로토콜은 원뿔형 MN 모델을 예시로 사용하면서도 피라미드형 또는 하이브리드 같은 대체 형태, 크기, 피치, 바늘 수와도 완전히 호환됩니다. 그 결과, CAD, 데스크탑 배트-광중합 마스터 3D 프린팅, 역성형, 단일 충전 주조 등 다양한 제조 워크플로우가 구축되었으며, 실험실에서는 이를 통해 고분자 MN 패치를 빠르고 일관되게 생산할 수 있습니다.
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프로토콜
참고: CAD에서 제조까지의 전체 워크플로우 개요는 그림 1에 나와 있습니다.
1. CAD 설계
- CAD 소프트웨어를 사용해 MN 마스터를 설계하세요. MN 단위 셀(예: 원뿔형 또는 피라미드형)을 정의하고, 정의된 목표에 맞춰 치수를 설정하세요(예: 높이 1,000 μm; 기본 500 μm).
- 배열을 패턴화하세요(예: 6 x 6). 원하는 바늘 간 간격을 맞추기 위해 피치를 선택하세요(예: 바늘 간 ≥0.5 mm)을 유지하기 위해 1.1–1.2 mm 피치).
- 파라메트릭 패치 베이스(예: 10 x 10 mm)를 만들고 베이스 두께(예: 0.25 mm)를 설정합니다.
- 바닥 아래에 원형 또는 타원형 저장소(~3mm 깊이)를 추가하여 과잉 용액을 유지하고 균일한 단일 주조 충전을 촉진합니다.
- 주조 시 유량을 개선하기 위해 저류지 둘레에 가장자리 필렛(예: 1.0-1.5mm)을 추가하세요(그림 2).
- 디자인을 내보내기 시작하세요. STL.
참고: 마스터 지오메트리가 최종 패치 지오메트리와 일치하는지 확인하세요.
2. 슬라이스 앤 프린트
- 수입하세요. 슬라이서 소프트웨어에 STL을 넣는 것입니다. 층 두께를 (예: 25-50 μm), 방향, 비기능/뒷면에 지지대를 설정하세요.
- 절단된 층을 검토하여 연속적인 벽, 미네소타 면에 지지되지 않은 돌출부가 없음, 충분한 지지력을 확인하세요.
- 3D 프린터로 보내고, 레진을 넣고, 출력하세요. 가장 작은 신뢰할 수 있는 층 두께를 사용하세요; 얇은 층은 디테일을 개선하지만 인쇄 시간이 늘어납니다.
참고: 계단 같은 현상을 최소화하기 위해 프린터와 레진 시스템이 지지하는 가장 작은 신뢰할 수 있는 층 두께를 사용하세요.
3. 세척 및 경화 후
- 적절한 세척 용제(예: 이소프로필 알코올)에 부드럽게 저어주며 인쇄물을 헹군; 물을 빼고 자연 건조시키세요. 작은 부드러운 솔을 사용해 바늘 사이 공간에 남아 있는 수지를 제거하세요.
- 수지 제조사의 지침에 따라 경화 장치에서 UV 후경화; 과열이나 과경화를 피하세요.
- 광학 현미경(예: 4배)으로 검사; 배열 전체에 특징이 완전하고 깨끗할 때만 진행하세요.
4. 역몰드
- 제조사 지침에 따라 PDMS 베이스와 경화제를 혼합하세요.
- 3D 프린팅된 마스터 MN을 위로 위로 캐스팅 접시에 넣으세요(바닥은 소량의 접착제나 양면 테이프로 고정하세요); 엘라스토머를 덮개에 ≥3–5mm 부어.
- 필요 시 디가스; 상온에서 24시간 또는 지정된 약한 열로 탄성체가 될 때까지 경화하세요.
- 엘라스토머 몰드를 부드럽게 마스터에서 떼어내세요; 가장자리를 다듬었고; 먼지 없이 보관하세요.
참고: 일부 광중합성 수지는 백금 촉매 실리콘의 경화를 억제합니다. 완전히 경화된 마스터를 ~40-50°C(먼지 없이) 하룻밤 동안 유지한 후 엘라스토머를 부어 경화를 개선하세요. 표면이 깨끗하고 건조하며 경화되지 않은 수지가 없는지 확인하세요.
5. 고분자 용액 제제
- 고분자를 원하는 농도(예: 5%)로 계량합니다. 저어주면서 용매(예: 탈이온수)를 첨가합니다; 필요하면 완전히 녹을 때까지 가열합니다.
- 식혀서 실온으로 가리고; 공기 흐름을 제거하기 위해 진공 또는 휴식기(degas)를 사용합니다.
참고: 다른 고분자 시스템(예: PVA, PVP, HA)도 사용할 수 있습니다; 고형물, 점도, 건조 조건을 적절히 조절하세요.
6. 몰드 채우기
- 배열과 저장소를 덮을 고분자 용액을 분사하세요. 다음 중 하나를 선택하여 용액을 공동에 주입하세요.
- 진공 경로: 몰드를 건조기나 진공 오븐(열 없이 넣기)에 넣습니다. 진공청소기를 2–5분 정도 적용하세요. 천천히 환기시켜 용액을 빈 공간으로 빨아들이세요. 필요하면 반복하세요.
- 원심분리기 경로: 몰드를 스윙 버킷(수평 또는 90°) 로터에 넣습니다. 1,500–3,000 x g 에서 5–10분 동안 원심분리기를 사용하여 공동의 완전한 채움을 촉진합니다. 충전이 불완전하면 이 범위 내에서 시간이나 g-포스를 조정하세요.
참고: 작은 패치의 경우, 몰드가 50mL 원뿔형 튜브(경량 경화 실리콘 지지대에 장착됨)에 맞게 설계되거나, 플레이트 스타일 캐리어를 사용해 금형이 수평을 유지하고 가속 시 이동하지 않도록 하세요.
7. 건조, 방출 및 기본 품질 관리
- 채워진 몰드를 주변 조건(또는 조절된 RH/온도)에서 고분자 용액이 완전히 굳을 때까지 건조하세요.
- 엘라스토머 몰드를 부드럽게 구부려 방출을 시작한 후 MN 패치를 벗겨내세요. 가장자리의 과도한 폴리머를 제거하기 위해 다듬으세요.
- 디지털 현미경으로 바늘 수율(% 온전함)을 검사하세요. 배열 여러 위치에서 높이와 밑면을 측정하고 평균 ± SD(및 해당 시 CAD와의 % 편차)를 보고합니다.
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결과
이 워크플로우는 MN 배열의 파라메트릭 CAD 설계, PDMS로 복제하여 유연한 역몰드를 형성하는 3D 프린팅 마스터, 그리고 단일 충전으로 생성된 디몰드 폴리머 MN 패치를 생성합니다(그림 1). 모든 기하학적 변수가 매개변수적으로 정의되기 때문에, 동일한 프로토콜을 유연하게 조정하여 MN 치수(높이, 밑면), 바늘 모양(예: 피라미드형, 원뿔형, 하이브리드), 피치, 배열당 바늘 총 수를 변경할 수 있으며, 이는 하위 단계를 변경하지 않습니다.
CAD와 슬라이싱
그림 2 는 배열 레이아웃, 베이스 두께, 엣지 필렛, 패치 베이스 아래 저장소를 검증하는 데 사용된 CAD 모델과 슬라이서 미리보기를 보여줍니다. 이 뷰는 제작 전에 목표 치수를 정의하며, 빠른 재매개변수화를 통해...
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토론
이 프로토콜은 특정 약물이나 조직 모델에 묶이지 않는 일반 플랫폼으로서 CAD에서 배트-배트-광중합, PDMS 제작 워크플로우를 구축합니다. 이 워크플로우 내에서 여러 공정 단계가 치수 충실도, 금형 품질, 최종 패치 무결성 결정에 불균형적인 역할을 합니다. 가장 중요한 단계는 치수적으로 신뢰할 수 있는 3D 프린팅 마스터를 제작하고, 완전히 경화된 유연한 역몰드 제작, 건조 전 완전한 단일 충전 침투 확보입니다.
3D 프린팅 마스터의 실용적인 제어에는 적당한 부품 기울기, 비기능면에 지지대 배치, 깨끗한 용매에 짧은 IPA 세척, 그리고 제어된 UV 경화 등이 포함됩니다. 층 두께는 프린터와 수지가 목표 형상 크기를 신뢰성 있게 지지할 수 있는 만큼 작게 선택해야 합니다; 얇은 층은 수직 해상도와 팁 선명도를 개선하지만 인쇄 시간이 늘어납니다. SLA와 DLP 기능 한계는 광학 또는 복셀 크기, 층 높이, 노출에 따라...
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공개 사항
저자들은 공개할 것이 없습니다.
감사의 글
저자들은 사우디아라비아 리야드에 위치한 킹사우드 대학교의 지속 연구 자금 지원 프로그램(ORF-2026-1435)에 감사드립니다.
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재료
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 분석 저울 (±0.1 mg) | Mettler Toledo | 고분자를 정확하게 계량하기 위해 사용합니다. | |
| 클리어 포토폴리머 수지 | Formlabs | 마이크로니들 마스터를 인쇄하는 데 사용되는 수지; 사용한 실제 수지를 선택하십시오. | |
| 바탕화면 입체 광조형(SLA) 3D 프린터 Form 4 | Formlabs | 마이크로니들 마스터를 인쇄하는 데 사용됩니다; 사용한 정확한 모델을 지정하십시오. | |
| 이소프로필 알코올(IPA), ≥99% | Merck Sigma Aldrich | SLA 인쇄물 세척에 사용됩니다. 가연성; 흄 후드에서 사용하십시오. | |
| 자기 교반기 / 핫 플레이트 | IKA | 고분자 용액을 준비하기 위해 사용합니다. | |
| 현미경/이미지 분석 소프트웨어 | ImageJ | 마이크로그래프에서 바늘 높이, 밑면 너비 및 수율을 측정하는 데 사용됩니다. | |
| 광학 현미경 또는 입체 현미경 | Leica | 바늘 높이, 밑면 너비 및 팁 품질을 검사하는 데 사용됩니다. | |
| 파라메트릭 CAD 소프트웨어 | Autodesk Fusion 360 | 마이크로니들 마스터 설계 및 파라메트릭 배열 레이아웃에 사용됩니다. | |
| PDMS 엘라스토머 키트(베이스 + 경화제), Sylgard 184 | Dow | 유연한 역 금형을 제작하는 데 사용됩니다. | |
| 폴리비닐 알코올(PVA) | Merck Sigma Aldrich | MN 패치를 용해하기 위한 고분자 예(프로토콜에서 10% w/v). | |
| SLA 슬라이서 소프트웨어 PreForm | Formlabs | STL 파일을 인쇄용으로 방향, 지원 및 슬라이싱하는 데 사용됩니다. | |
| 나트륨 카르복시메틸 셀룰로오스(NaCMC), 제약/분석 등급 | Merck Sigma Aldrich | MN 패치를 용해하기 위한 고분자 예(프로토콜에서 10% w/v). | |
| SLA 인쇄물용 UV 경화 챔버 Form Cure | Formlabs | 레진 지침에 따라 인쇄된 마스터를 후경화하는 데 사용됩니다. | |
| 진공 오븐 | 한양 | 진공 보조 충전에 사용됩니다. | |
| SLA 부품용 세척 스테이션 또는 세척 용기 | 맞춤형 용기 | IPA와 함께 사용하여 마스터에서 경화되지 않은 수지를 제거합니다. |
참고문헌
- Fitaihi, R., Abukhamees, S., Orlu, M., Craig, D. Q. M. Transscleral Delivery of Dexamethasone-Loaded Microparticles Using a Dissolving Microneedle Array. , Pharmaceutics. (2023).
- Aldawood FK, F. K., Andar, A., Desai, S. A Comprehensive Review of Microneedles: Types, Materials, Processes, Characterizations and Applications. Polymers (Basel). , (2021).
- Kim, Y. C., Park, J. H., Prausnitz, M. R. Microneedles for drug and vaccine delivery. Adv Drug Deliv Rev. , (2012).
- Leone, M., Mönkäre, J., Bouwstra, J. A., Kersten, G. Dissolving Microneedle Patches for Dermal Vaccination. Pharm Res. , (2017).
- Fitaihi, R., Abukhamees, S., Chung, S. H., Craig, D. Q. M. Optimization of stereolithography 3D printing of microneedle micro-molds for ocular drug delivery. Int J Pharm. , (2024).
- Xia, Y., Whitesides, G. M. Soft Lithography. Angewandte Chemie International Edition. , (1998).
- Indermun, S., et al. Current advances in the fabrication of microneedles for transdermal delivery. J Controlled Release. , (2014).
- Xu, X., et al. Vat photopolymerization 3D printing for advanced drug delivery and medical device applications. J Controlled Release. , (2021).
- Deshmane, S., Kendre, P., Mahajan, H., Jain, S. Stereolithography 3D printing technology in pharmaceuticals: a review. Drug Dev Ind Pharm. , (2021).
- Pan, J., et al. A Multifunctional Hydrogel Microneedle Patch for Treatment of Atopic Dermatitis. ACS Appl Mater Interfaces. , (2025).
- Fitaihi, R., et al. Safety and Efficacy of Dissolvable Microneedles Embedded with Dexamethasone-Loaded Nanoparticles for Treating Ocular Inflammation. Int J Pharm. , (2025).
- ElShebiny, T., et al. Effect of printing technology, layer height, and orientation on assessment of 3D-printed models. J World Fed Orthod. , (2024).
- Dempsey, D., McDonald, S., Masato, D., Barry, C. Characterization of Stereolithography Printed Soft Tooling for Micro Injection Molding. Micromachines (Basel). , (2020).
- Choo, S., Jin, S., Jung, J. Fabricating High-Resolution and High-Dimensional Microneedle Mold through the Resolution Improvement of Stereolithography 3D Printing. Pharmaceutics. , (2022).
- Jeong, J., Park, J., Lee, S. 3D printing fabrication process for fine control of microneedle shape. Micro Nano Sys Lett. , (2023).
- Li, Y., et al. Dissolving Microneedle Arrays with Optimized Needle Geometry for Transcutaneous Immunization. Eur J Pharma Sci. , (2020).
- Gittard, S. D., et al. The Effects of Geometry on Skin Penetration and Failure of Polymer Microneedles. J Adhes Sci Technol. , (2013).
- Venzac, B., et al. PDMS Curing Inhibition on 3D-Printed Molds: Why? Also, How to Avoid It. Anal Chem. , (2021).
- Guide to Post-Processing and Finishing SLA Resin 3D Prints. , Formlabs. https://formlabs.com/global/blog/post-processing-and-finishing-sla-prints (2026).
- Smith, E., et al. Vac-and-fill: A micromoulding technique for fabricating microneedle arrays with vacuum-activated, hands-free mould-filling. Int J Pharm. , (2024).
- Balmert, S. C., et al. Dissolving undercut microneedle arrays for multicomponent cutaneous vaccination. J Controlled Release. , (2020).
- Babapour, F., Faraji, R. Z., Ganji, F. Mechanics of dissolving microneedles insertion into the skin: Finite element and experimental analyses. J Appl Polym Sci. , (2024).
- Amano, N., et al. Fabrication and mechanical/biological evaluations of dissolving bird-bill microneedle arrays. Drug Deliv Transl Res. , (2025).
- Chen, H., et al. A novel scalable fabrication process for the production of dissolving microneedle arrays. Drug Deliv Transl Res. , (2019).
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재인쇄 및 허가
