Polymere Microneedle Array Fabrication door Fotolithografie
17 november 2015
Hier presenteren we een protocol dat een schimmelvrije fabricageproces beschrijft van de polymere micronaalden door middel van fotolitografie.
Het algemene doel van deze procedure is om een scherpe polymeer micronaaldarray te fabriceren, die potentiële toepassingen kan bieden bij de pijnloze toediening van lage moleculaire en macromoleculaire therapeutische middelen door de huid. Dit wordt bereikt door eerst een fotomasker te fabriceren dat bestaat uit ingebedde microlenzen via gepatternde isotrope etsing. De tweede stap is het fabriceren van micronaaldschachten door het ingebedde fotomasker over een bad van voorpolymeeroplossing te plaatsen en UV-licht door de microlenzen te focussen in de oplossing, waardoor de blootgestelde oplossing polymeriseert.
De laatste stap is het fabriceren van de dragerlaag om de micronaaldschachten te ondersteunen. Dit wordt bereikt door de micronaalden punt omhoog in een plaat te plaatsen, vervolgens een voorpolymeeroplossing toe te voegen en de oplossing te polymeriseren met UV-licht. Uiteindelijk kunnen de karakteristieke eigenschappen van de micronaalden, inclusief lengte, diameter en de tophoek, worden waargenomen met behulp van een stereomicroscoop.
Het belangrijkste voordeel van deze techniek boven bestaande methoden zoals microvormen, is dat het sneller is. Het is een malvrije proces en vereist geen gebruik van hoge temperaturen. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen in microfabricage, zoals het gebruik van microlenzen om de baan van UV-licht en het polymerisatieproces te wijzigen.
Deze techniek kan worden gebruikt om polymeer macronaalden te fabriceren, die worden gebruikt voor transorale geneesmiddeltoediening, hoewel we alleen demonstreren hoe blanco micronaalden kunnen worden gefabriceerd. Deze techniek kan ook worden gebruikt om geneesmiddelleidende micronaalden te fabriceren. Begin met het reinigen van een glazen wafer van vier inch door deze 20 minuten onder te dompelen in een kwartstank gevuld met Piha-oplossing bij 120 graden Celsius.
Spoel vervolgens de wafer af in gedestilleerd water en droog hem af met perslucht. Wanneer u klaar bent in de e-beam evaporator, plaats de wafer in een spin coder-opstelling en voeg vijf milliliter fotoweerstand toe aan het midden van de wafer. Draai de wafer 30 seconden op 3000 tpm om een fotoweerstandslaag van twee micrometer dik te produceren.
Vervolgens voorbakken de fotoweerstand op een hotplate bij 100 graden Celsius gedurende anderhalve minuut en plaats vervolgens de masterfotomasker en de wafer in de fotomasker aligner en belicht de wafer eenmaal hard belicht. Bak de fotoweerstand bij 120 graden Celsius gedurende 30 minuten op een hotplate. Vervolgens wordt het patroon in de glazen wafer geëtst met behulp van een oplossing van chroom- en goudetsen bij kamertemperatuur gedurende een uur, plaats de geëtste glazen wafer op een hotplate bij 110 graden Celsius en smelt was aan de andere kant van de glazen wafer zodat het hele oppervlak van de wafer bedekt is met was.
Lijm tijdelijk de glazen wafer aan een dummy siliciumwafer door een siliciumwafer in contact te brengen met de glazen wafer en stevig aan te drukken om de overtollige was te verwijderen. Bereid vervolgens een bad van 200 milliliter met 10 delen 49% fluorwaterstofzuur en een deel 37% zoutzuur in een plastic container met een magnetische roerder. Voeg het monster toe en etch de microlenzen met een snelheid van zeven micrometer per minuut gedurende acht en een half minuut onder roeren.
Wanneer u klaar bent, reinigt u de wafer met gedeïoniseerd water en droogt u deze op kamertemperatuur. Eenmaal droog, plaats de wafer op een hotplate, voorverwarmd tot 100 graden Celsius gedurende 15 seconden. Scheid vervolgens de glazen wafer van de dummy siliciumwafer.
Plaats de glazen wafer in een ultrasone tank met n-methyl tot Perone op 80 graden Celsius en gebruik ultrasonatie gedurende een uur om de resterende was, de fotoweerstand en de overhangende chroom- en goudlagen aan de randen van de lenzen te verwijderen. Stapel glazen platen aan beide zijden van een rechthoekige holte om de maximale hoogte van de micronaalden in te stellen. Bevestig elke laag van de glazen plaat door een dunne laag voorpolymeeroplossing aan te brengen op de glazen platen tussen elke laag.
Belicht de opstelling vervolgens met een hoogintensiteit ultraviolet licht gedurende twee seconden om de platen op hun plaats te fixeren. Positioneer vervolgens het fotomasker zodat het met chroom goud bedekte oppervlak naar de binnenkant van de holte is gericht. Zorg ervoor dat de zijkanten van de holtewanden niet worden verduisterd.
De lenzen ingebed in het fotomasker. Vul de holte met de voorpolymeeroplossing totdat het met chroom goud bedekte oppervlak in contact komt met de oplossing zonder zichtbare bubbels. Plaats vervolgens de opstelling in een UV-cureerstation en plaats een radiometer naast de opstelling om de intensiteit van het UV-licht te meten.
Belicht de opstelling met hoog intensiteit UV-licht tussen 320 en 500 nanometer gedurende een seconde op een afstand van 3,5 centimeter van de UV-bron. Na UV-blootstelling verwijdert u het fotomasker met de array van micronaalden en giet u de overtollige voorpolymeeroplossing terug in de oorspronkelijke container voor hergebruik. Kwantificeer de lengte en het tipdiameter van de micronaalden met behulp van een stereomicroscoop met standaardtechnieken met pincetten.
Plaats de micronaalden bevestigd aan het fotomasker in een put van een 24-puttenplaat met de naaldkant omhoog. Voeg 300 tot 400 microliter van de voorpolymeeroplossing toe aan de put totdat de naalden ondergedompeld zijn tot de gewenste hoogte van de dragerlaag. Belicht vervolgens de opstelling met hoog intensiteit UV-licht met een intensiteit van 15,1 watt per vierkante centimeter vanaf 10,5 centimeter afstand gedurende een seconde.
Zodra de dragerlaag is gepolymeriseerd, scheidt u de dragerlaag op de micronaaldarray van het fotomasker met behulp van een scherp mes. Kwantificeer vervolgens de lengte, tip, diameter en basisdiameter van de micronaalden met de dragerlaag met behulp van een stereomicroscoop. De effectieve UV-intensiteit op de lengte en het tipdiameter van de micronaalden werd bestudeerd door de intensiteit van het UV-licht te variëren van 3,14 tot 15,1 watt per vierkante centimeter bij een constante brandpuntsafstand en afstand tot de lichtbron.
Het
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel presenteert een protocol voor de malvrije fabricage van polymere micronaalden met behulp van fotolithografie. Het proces is gericht op het creëren van micronaalden die geschikt zijn voor de pijnloze toediening van therapeutische middelen via de huid.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk gebied
- Biomedische Techniek
- Drug Delivery-systemen
- Materiaalkunde
Achtergrond
- Polymeere micronaalden komen op als een methode voor transdermale geneesmiddelentoediening.
- Conventionele methoden voor de fabricage van micronaalden maken vaak gebruik van mallen, wat beperkend kan zijn.
- Fotolithografie biedt een nauwkeurig en mal-vrij alternatief voor de productie van micronaalden.
- Deze techniek kan de efficiëntie van systemen voor geneesmiddelentoediening verbeteren.
Doel van het onderzoek
- Het ontwikkelen van een protocol voor de fabricage van scherpe polymere micronaalden.
- Het verkennen van de potentiële toepassingen van micronaalden voor pijnloze toediening van geneesmiddelen.
- Het bieden van een gedetailleerde methodologie voor onderzoekers in dit vakgebied.
Gebruikte methoden
- Fabricage van een fotomasker met ingebedde microlenzen via gepatroneerde isotrope etsing.
- Creatie van micronaaldschachten door polymerisatie van een prepolymeeroplossing met behulp van UV-licht.
- Ontwikkeling van een steunlaag ter ondersteuning van de micronaaldschachten.
- Observatie van de eigenschappen van de micronaaldschachten met behulp van een stereomicroscoop.
Belangrijkste resultaten
- Het protocol produceert met succes scherpe polymere micronaaljes.
- De micronaaljes vertonen gewenste kenmerken zoals lengte, diameter en apexhoek.
- De methode maakt een precieze controle over de afmetingen van de micronaaljes mogelijk.
- Potentiële toepassingen voor de pijnloze toediening van therapeutische middelen worden belicht.
Conclusies
- Het malvrije fabricageproces is effectief voor het maken van polymere micronaaldjes.
- Deze techniek kan het vakgebied van transdermale geneesmiddelentoediening verder ontwikkelen.
- Verder onderzoek kan aanvullende toepassingen en verbeteringen verkennen.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie
Deze malvrije fotolithografiemethode maakt de snelle fabricage van polymere micronaaldarrays mogelijk voor de transdermale toediening van therapeutica met een laag molecuulgewicht en macromoleculaire therapeutica. Door malbeperkingen en stappen met hoge temperaturen te elimineren, ondersteunt het de vroege fase van assay-ontwikkeling en het mechanistisch verminderen van risico's bij de evaluatie van platforms voor geneesmiddelentoediening. De techniek biedt kwantitatieve controle over de geometrie van de naalden, waardoor het voorspellende vertrouwen in de huidpenetratie en de afgifteprofielen van geneesmiddelen wordt vergroot.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het toetsen van hypothesen over huidpermeatie mogelijk door gecontroleerde variatie in de geometrie van micronaaldjes.
- Operationele waarde: Rapid prototyping van naaldarrays ondersteunt het iteratieve ontwerp van afgiftesystemen voor doelvalidatie.
Screening & assay-ontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Produceert reproduceerbare micronaaldschachten met kwantificeerbare tipdiameters en lengtes voor gestandaardiseerde penetratie-assays.
- Operationele waarde: Een malvrij proces maakt high-throughput fabricage en hergebruik van fotomaskers mogelijk voor de standaardisatie van assays.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Ondersteunt de evaluatie van de toediening van macromoleculaire en laagmoleculaire geneesmiddelen via de huid in preklinische modellen.
- Operationele waarde: Integratie van een steunlaag maakt mechanische stabiliteitstesten mogelijk voor de integratie van transdermale pleisters.
Pipeline- & workflowintegratie
Deze methode past binnen de workflows van vroege ontdekking tot preklinisch onderzoek door een instelbaar micronaaldplatform te bieden voor hypothesetoetsing en optimalisatie van het afgiftesysteem.
- Discovery Biology: Faciliteert hypothesetesten voor penetratie van de huidbarrière met behulp van geometrisch gedefinieerde micronaalden.
- Screening: Maakt assay-klare micronaaldenarrays mogelijk met een consistente punt-scherpte voor screening van verbindingen of formuleringen.
- Analytics: Modulatie van de UV-intensiteit levert meetbare output over de lengte en puntdiameter voor procescontrole.
- Translationeel onderzoek: Ondersteunt de continuïteit van discovery tot preklinisch onderzoek door het mogelijk maken van toedieningstesten van therapeutische agentia over modelsystemen heen.
- Bedrijfsbrede herbruikbaarheid: De fabricage van fotomaskers is een herbruikbare capaciteit voor het genereren van meerdere micronaaldenontwerpen over verschillende projecten heen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Voorspellend vertrouwen in de prestaties van toediening via de huid door nauwkeurige controle over de apexhoek en tipdiameter van de micronaal.
- Operationele waarde: Een matrijsvrij proces bij lage temperatuur vermindert de fabricagetijd en de complexiteit van de apparatuur.
- Strategische waarde: Maakt snellere go/no-go-beslissingen over toedieningsplatforms mogelijk door de biologische variabiliteit in de geometrie van de naalden te verminderen.
- Impact op de portfolio: Ondersteunt de risico-gecorrigeerde prioritering van kandidaten voor transdermale toediening via gestandaardiseerde productie van micronaalden.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in fotolithografie, UV-polymerisatie en het hanteren van biocompatibele polymeren.
- UV-uithardingsstations, stereomicroscopen en infrastructuur voor chemisch etsen zijn nodig voor de fabricage van microlenzen.
- Standaardisatie tussen teams vereist een consistente kwaliteit van fotomaskers en kalibratie van de UV-intensiteit.
- Aanpassing aan verschillende polymeren vereist optimalisatie van de viscositeit van de pre-polymeeroplossing en de UV-belichtingsparameters.
- Praktische beperkingen omvatten het hanteren van gevaarlijke chemicaliën zoals fluorwaterstofzuur en de noodzaak van cleanroom-compatibele procedures.
