Methodenartikel

Polymere Microneedle Array Fabrication door Fotolithografie

DOI:

10.3791/52914

⸱

17 november 2015

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
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 dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hier presenteren we een protocol dat een schimmelvrije fabricageproces beschrijft van de polymere micronaalden door middel van fotolitografie.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit manuscript beschrijft de fabricage van polymere micronaald (MN) arrays door fotolithografie. Het gaat om een ​​eenvoudige schimmelvrij proces door middel van een fotomasker bestaande uit ingebedde microlenzen. Ingebedde microlenzen bleken MN geometrie (scherpte) beïnvloeden. Robuuste MN arrays met tip diameters tussen 41,5 ± 8,4 urn urn en 71,6 urn ± 13,7 urn, met twee verschillende lengtes (1336 um ± 193 pm en 957 um ± 171 pm) werden gefabriceerd. Deze MN arrays kunnen potentiële toepassingen in de levering van lage moleculaire en macromoleculaire therapeutische middelen te verstrekken via de huid.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Transdermale geneesmiddelafgifte biedt een aantrekkelijke alternatieve benadering voor geneesmiddeltoediening, vooral voor biomoleculen, die vrijwel uitsluitend worden toegediend door onderhuidse injectie. Echter, huid, vooral de bovenlaag (het stratum corneum), is een formidabele barrière voorkomen exogene moleculen die het menselijk lichaam. Onlangs hebben MN apparaten ontpopt als instrumenten om drugs te leveren via de huid. De MN inrichtingen maken tijdelijke poriën in het stratum corneum om de doorgang van geneesmiddelmoleculen de gewenste fysiologische activiteit verbeterde therapietrouw en gemak 03/01 bereiken.

Verschillende fabricage methoden zijn goedgekeurd om polymere MNs 4 te fabriceren. Echter, ze meestal om gecompliceerd en meerstaps processen vereisen lange tijden en / of hoge temperaturen MN arrays fabriceren. 4 Om het fabricageproces vereenvoudigen, een enkele stap schimmelvrij proces met behulpeen fotomasker werd onlangs 5,6 ontwikkeld. Echter, met deze methode, gefabriceerd MNs had stompe naald tips, omdat er geen mechanisme was op zijn plaats aan de ultraviolette (UV) licht pad betrokken bij fotolithografie wijzigen.

In deze studie hebben ingebedde microlenzen in het fotomasker voorgesteld om de geometrie van de MN's te definiëren. Het protocol om fotomaskers bestaande uit ingebedde microlenzen en vervolgens MN fabricage met scherpe punten met de fotomasker worden gerapporteerd fabriceren.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. fotomasker Fabrication

  1. Schoon een 4 "glazen wafer Piranha-oplossing (H 2 SO 4 / H 2 O 2 in 2: 1-verhouding) gedurende 20 min bij 120 ° C door onderdompeling in een kwarts tank.
  2. Stort een laag van chroom / Gold (30 nm van Cr / 1 micrometer van Au) laag op de glazen wafer met behulp van een e-beam verdamper 7 (Figuur 1A).
    1. Leg de plakken in een e-beam verdamper. Zodra het vacuüm bereikt 5 x 10 -6 Torr, zet de hoge spanningsbron (10 kV). De controle van de dikte van de monitor bedieningspaneel.
    2. Pre-clean elk materiaal gedurende 30 seconden via de e-beam gun, waarbij de sluiter "OFF" (om de depositie op de plakken te voorkomen).
  3. Genereer een Cr / Au fotobeschermingslaag maskeringslaag voor diepe nat etsen van het glas.
    1. Breng 2 pm dik fotolak door verspinnen 5 ml van de oplossing gedurende 30 sec bij 3000 rpm met behulp van een spin-coater sproei systeem.Prebake de fotoresist op een verwarmingsplaat bij 100 ° C gedurende 1,5 min.
    2. Expose en hard bakken de fotoresist bij 120 ° C gedurende 30 minuten op een hete plaat. Het is cruciaal om een ​​hydrofoob oppervlak en een sterke hechting van de fotoresist om de metaallaag te genereren. Patroon van de Cr / Au laag met behulp van Cr en Au etsmiddelen door de fotoresistmasker 8,9.
  4. Ter bescherming van de niet-gevormde glazen oppervlak, tijdelijk hechten de glazen wafer om een dummy siliciumwafer. 9
    1. Plaats de glazen wafer op een hete plaat bij 110 ° C en smelt de was aan de andere zijde van de glazen wafer (op zodanige wijze dat het gehele oppervlak van de wafel bedekt met was).
    2. Plaats een dummy silicium wafer in contact met het glas wafer en druk op om de overtollige wax te verwijderen. Om morsen van de was te voorkomen, plaatst u een schone kamer zijdepapier op de kookplaat.
  5. Voer isotroop etsen van de lens via geoptimaliseerde waterstoffluoride (49% v / v)en zoutzuur (37% v / v) oplossing (in een volumeverhouding van 10: 1). met een magnetische roerder gedurende 8,5 min 10 Aanwezigheid van de HCl kritisch bereiken van een goede oppervlaktekwaliteit van gegenereerde lenzen.
    1. Zorg ervoor dat de etssnelheid is 7 um / min; met een totaal volume van 200 ml etsoplossing. Het uitvoeren van het etsen in een plastic container en neem veiligheidsmaatregel voor deze verwerking stap.
    2. Reinig de wafer in gedeïoniseerd (DI) water door spoelen en verder drogen bij kamertemperatuur.
  6. Nadat het proces voltooid, scheid de glazen wafer van de dummy siliciumwafel en opwarmen de was met een hete plaat bij 100 ° C gedurende 15 sec. Zoals de wax smelt bij deze temperatuur, verwijder de glazen wafer uit de dummy silicium wafer.
  7. Verwijder overgebleven was, de fotoresist en de overhangende Cr / Au lagen aan de randen van de lenzen gebruikt ultrasone trillingen gedurende 1 uur met gebruikmaking van N-methyl-2-pyrrolidon als oplosmiddel bij 80 ° C in een ultrasoon tank.
  8. Maak een PDMS mal replica van de microlenzen gefabriceerd op de fotomaskers 11.
  9. Karakteriseren het fotomasker afmetingen (lengte en breedte) en de microlenzen PDMS mal (diepte en diameter) replica's met behulp van een scanning elektronenmicroscoop en stereomicroscoop resp. 12-14

2. MN Assen Fabrication

  1. Een holte van 2,5 cm x 0,9 cm met de glasplaatjes gemonteerd aan beide zijden van een glas. Het aantal glasplaatjes gestapeld op beide zijde van de hoogte van de holte zogenaamde spacer dikte (figuur 1B) te bepalen.
  2. Beveiligde elke laag van het glaasje door een dunne laag van de prepolymeer oplossing bevattende poly (ethyleen glycol) diacrylaat (PEGDA, MW = 258 Da) met 0,5% gew / gew 2-hydroxy-2-methyl-propiofenon (HMP) op het glaasje gevolgd door bestraling van de opstelling met de hoge intensiteit ultraviolette (UV) licht gedurende 2 sec.
  3. Plaats de Photomask (voorheen vervaardigd) met Cr / Au gecoate oppervlakken tegenover het inwendige van de holte. Dat de zijden van de spouwmuren niet verduistert de lenzen ingebed in het fotomasker.
  4. Vul de holte met het prepolymeer oplossing tot de Cr / Au beklede oppervlak in contact met de oplossing zonder zichtbare luchtbellen.
  5. Bestralen van de opstelling met hoge intensiteit UV-licht van een gewenste intensiteit gedurende 1 seconde op een afstand van 3,5 cm van de UV bron met de UV uitharding station met een UV filter bereik van 320-500 nm. Gebruik een collimerende adapter met het UV-licht sonde.
  6. Meet de intensiteit van het UV-licht wordt gebruikt met behulp van een radiometer.
  7. Na blootstelling aan UV, verwijder de fotomasker met de reeks van MN's. Giet het overtollige prepolymeer oplossing die niet gepolymeriseerd bij de werkwijze in de oorspronkelijke verpakking voor hergebruik.
  8. Kwantificeren lengte en de tip diameter van de MN's met behulp van een stereomicroscoop volgens de instructies van de fabrikant.
3. MN Steunlaag Fabrication

  1. Met een pincet, plaatst de MN (voorheen vervaardigd) bevestigd op het fotomasker in een putje van een 24-putjes plaat zoals getoond in de figuur 1C.
  2. Voeg een gespecificeerd volume (300 - 400 pl) van de prepolymeer oplossing in de put tot de naalden wordt ondergedompeld tot een gewenste hoogte. Dit volume bepaalt de dikte van de verkregen steunlaag.
  3. Bestralen van de opstelling met hoge intensiteit UV-licht (15,1 W / cm 2), 10,5 cm van de UV bron voor een duur van 1 seconde.
  4. Scheid de steunlaag op de MN serie van het fotomasker met een scherp mes.
  5. Kwantificeren lengte, tip diameter en basis diameter van de MN's met de steunlaag met behulp van een stereomicroscoop volgens de instructies van de fabrikant.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De geometrie van de MN's kan aanzienlijk worden beïnvloed door het fotomasker kenmerken en ingebedde microlens. De mate van breking beïnvloedt het transmissiepad van de UV-stralen, waarbij de geometrie MN (Figuur 2A) beïnvloed. Iedere microlens bleek een 350 urn diameter, een 130 um afgeplatte convex oppervlak, en een 62,3 urn diepte (Figuur 2B-D). Met behulp van de stelling van Pythagoras, de kromtestraal van het eerste oppervlak bleek 272,89 urn. De brandpuntsafstand werd berekend...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De hierboven beschreven vervaardiging van de MN matrix protocol is voorgelegd aan de MN reeks van ~ 1 cm2 fabriceren. De arrays kunnen worden opgeschaald door een groot formaat holte en door een grotere fotomasker. De toegenomen grootte van de holte kan worden gemaakt door het vergroten van de breedte tussen de afstandhouders aan weerszijden. Hoewel elke stap naar de MN arrays in het protocol te fabriceren was belangrijk, de meest cruciale stappen waren: de fotomasker positionering, het vullen van prepolymeer...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs verklaren geen belangenconflict.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Deze studie werd ondersteund door een Singapore National Research Foundation (NRF) Grant NRF2012NRF-POC001-043.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA Mn=258)SIGMA 475629-500ML
2-hydroxy-2-methyl-propiofenone (HMP)SIGMA 405655-50ML
Bovine collageen type 1, FITC-conjugaat SIGMA C4361
UV-uithardingsstation   EXFO Photonic Solutions Inc., CanadaOmniCure S2000-XL
Collimeringsadapter EXFO Photonic Solutions Inc., CanadaEXFO 810-00042
24-well plateThermo Fisher Scientific, USA
Nikon SMZ 1500 stereomicroscoop Nikon, Japan
Dillon GL-500 digitale krachtmeter Dillon, USA
A-1R confocale microscoop Nikon, Japan

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).
  2. Lee, J. W., Choi, S. O., Felner, E. I., Prausnitz, M. R. Dissolving microneedle patch for transdermal delivery of human growth hormone. Small. 7, 531-539 (2011).
  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).
  5. Kochhar, J. S., Goh, W. J., Chan, S. Y., Kang, L. A simple method of microneedle array fabrication for transdermal drug delivery. Drug development and industrial pharmacy. 39, 299-309 (2013).
  6. Kochhar, J. S., Zou, S., Chan, S. Y., Kang, L. Protein encapsulation in polymeric microneedles by photolithography. International journal of nanomedicine. 7, 3143-3154 (2012).
  7. Tay, F. E. H., Iliescu, C., Jing, J., Miao, J. Defect-free wet etching through pyrex glass using Cr/Au mask. Microsystem Technologies. 12, 935-939 (2006).
  8. Iliescu, C., Chen, B., Miao, J. On the wet etching of Pyrex glass. Sensors and Actuators, A: Physical. 143, 154-161 (2008).
  9. Iliescu, C., Taylor, H., Avram, M., Miao, J., Franssila, S. A practical guide for the fabrication of microfluidic devices using glass and silicon. Biomicrofluidics. 6, 16505-16516 (2012).
  10. Iliescu, C., Jing, J., Tay, F. E. H., Miao, J., Sun, T. Characterization of masking layers for deep wet etching of glass in an improved HF/HCl solution. Surface and Coatings Technology. 198, 314-318 (2005).
  11. Pan, J., et al. Fabrication of a 3D hair follicle-like hydrogel by soft lithography. Journal of biomedical materials research. Part A. 101, 3159-3169 (2013).
  12. Jay, T. R., Stern, M. B. Preshaping photoresist for refractive microlens fabrication. P Soc Photo-Opt Ins. 1992, 275-282 (1993).
  13. Friedman, G. B., Sandhu, H. S. Longitudinal Spherical Aberration of a Thin Lens. Am J Phys. 35, 628(1967).
  14. Xu, Q. A., Li, J., Zhang, W. Collimated the laser diode beam by the focus lens. Semiconductor Lasers and Applications IV. 7844, (2010).
  15. Lin, T. W., Chen, C. F., Yang, J. J., Liao, Y. S. A dual-directional light-control film with a high-sag and high-asymmetrical-shape microlens array fabricated by a UV imprinting process. J Micromech Microeng. 18, (2008).
  16. Dunne, S. M., Millar, B. J. Effect of distance from curing light tip to restoration surface on depth of cure of composite resin. Prim Dent Care. 15, 147-152 (2008).
  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Fotolithografische fabricageingebedde microlenzenUV polymerisatiemicronaalgeometriestereomicroscopieprepolymeeroplossingfotomask aligneretsen met fluorwaterstofzuurvorming van de ondersteuningslaag

Gerelateerde artikelen