Artykuł metodologiczny

Wytwarzanie polimerowych matryc mikroigłowych za pomocą fotolitografii

DOI:

10.3791/52914

⸱

17 listopada 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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Tutaj prezentujemy protokół opisujący proces wytwarzania mikroigieł polimerowych bez formy za pomocą fotolitografii.

Streszczenie

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

Ten manuskrypt opisuje wytwarzanie polimerowych matryc mikroigłowych (MN) za pomocą fotolitografii. Polega na prostym procesie bez pleśni przy użyciu fotomaski składającej się z osadzonych mikrosoczewek. Stwierdzono, że wbudowane mikrosoczewki wpływają na geometrię MN (ostrość). Wyprodukowano wytrzymałe matryce MN o średnicach końcówek w zakresie od 41,5 μm ± 8,4 μm do 71,6 μm ± 13,7 μm, o dwóch różnych długościach (1 336 μm ± 193 μm i 957 μm ± 171 μm). Te macierze MN mogą zapewnić potencjalne zastosowania w dostarczaniu niskocząsteczkowych i makromolekularnych środków terapeutycznych przez skórę.

Wprowadzenie

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

Transdermalne dostarczanie leków oferuje atrakcyjne alternatywne podejście do podawania leków, szczególnie dla biomolekuł, które są prawie wyłącznie podawane za pomocą iniekcji podskórnych. Jednak skóra, a zwłaszcza wierzchnia warstwa (warstwa rogowa naskórka), stanowi potężną barierę zapobiegającą przedostawaniu się cząsteczek egzogennych do organizmu człowieka. Ostatnio urządzenia MN pojawiły się jako narzędzia umożliwiające dostarczanie leków przez skórę. Urządzenia MN tworzą tymczasowe pory wewnątrz warstwy rogowej naskórka, aby umożliwić przejście cząsteczek leku w celu osiągnięcia pożądanej aktywności fizjologicznej przy lepszym przestrzeganiu zaleceń i wygodzie pacjenta1-3.

Do produkcji polimerowych MN4 zastosowano różne metody produkcji. Jednak zwykle obejmują one skomplikowane i wieloetapowe procesy wymagające długiego czasu i/lub wysokich temperatur do wytworzenia macierzy MN. 4 Aby uprościć proces produkcji, niedawno opracowano jednoetapowy, wolny od pleśni proces z wykorzystaniem fotomaski5,6. Jednak w przypadku tej metody, wytworzone MN miały końcówki igieł, ponieważ nie istniał żaden mechanizm modyfikujący ścieżkę światła ultrafioletowego (UV) zaangażowaną w fotolitografię.

W tym badaniu, zaproponowano wbudowane mikrosoczewki w fotomasce, aby zdefiniować geometrię MN. Podano protokół wytwarzania fotomasek składających się z wbudowanych mikrosoczewek, a następnie wytwarzania MN z ostrymi końcówkami przy użyciu fotomaski.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Produkcja fotomasek

  1. Wyczyść 4-calową szklaną płytkę roztworem piranii (H2, SO, 4/H,2,O2 w stosunku 2:1) przez 20 minut w temperaturze 120 °C, zanurzając ją w zbiorniku kwarcowym.
  2. Osadź warstwę chromu/złota (30 nm Cr/1 μm Au) na płytce szklanej za pomocą parownika wiązki elektronicznej7 (rysunek 1A).
    1. Umieść wafle w parowniku z wiązką elektroniczną. Gdy próżnia osiągnie 5 x 10-6 Torr, włącz źródło wysokiego napięcia (10 kV). Kontroluj grubość za pomocą panelu sterowania monitora.
    2. Wstępnie wyczyść każdy materiał przez 30 sekund za pomocą pistoletu e-beam, trzymając migawkę w pozycji "OFF" (aby uniknąć osadzania się na płytkach).
  3. Wygeneruj warstwę maskującą fotorezystu Cr/Au do głębokiego trawienia szkła na mokro.
    1. Nałożyć fotorezystor o grubości 2 μm, obracając 5 ml roztworu przez 30 sekund z prędkością 3 000 obr./min za pomocą systemu powlekania wirowego. Piecz fotorezystor na płycie grzejnej w temperaturze 100 °C przez 1,5 minuty.
    2. Naświetlić i piec fotorezystor w temperaturze 120 °C przez 30 minut na gorącej płycie. Bardzo ważne jest wytworzenie hydrofobowej powierzchni i silnej przyczepności fotorezystu do warstwy metalu. Wykonać wzór warstwy Cr/Au za pomocą wytrawiaczy Cr i Au przez maskę fotorezystu8,9.
  4. W celu ochrony szklanej powierzchni bez wzoru, tymczasowo przymocuj szklaną płytkę do atrapy płytki krzemowej. 9
    1. Umieść szklaną płytkę na płycie grzejnej w temperaturze 110 °C i rozpuść wosk po przeciwnej stronie szklanej płytki (w taki sposób, aby cała powierzchnia płytki była pokryta woskiem).
    2. Umieść atrapę płytki krzemowej w kontakcie ze szklaną płytką i dociśnij, aby usunąć nadmiar wosku. Aby uniknąć rozlania wosku, połóż bibułkę do pomieszczeń czystych na płycie grzejnej.
  5. Wytrawianie izotropowe soczewki należy wykonać przy użyciu zoptymalizowanego roztworu kwasu fluorowodorowego (49% v/v) i kwasu solnego (37% v/v) (w stosunku objętościowym 10:1) za pomocą mieszadła magnetycznego przez 8,5 min.10 Obecność HCl ma kluczowe znaczenie dla uzyskania dobrej jakości powierzchni generowanych soczewek.
    1. Upewnij się, że szybkość trawienia wynosi 7 μm/min; używając całkowitej objętości 200 ml roztworu do wytrawiania. Wykonaj trawienie w plastikowym pojemniku i podejmij środki ostrożności na tym etapie przetwarzania.
    2. Oczyść wafel w wodzie dejonizowanej (DI), spłukując i dalej susząc w temperaturze pokojowej.
  6. Po zakończeniu procesu należy oddzielić szklaną płytkę od atrapy płytki krzemowej i podgrzać wosk za pomocą gorącej płyty w temperaturze 100 °C przez 15 sekund. Gdy wosk topi się w tej temperaturze, odłącz szklaną płytkę od atrapy wafla krzemowego.
  7. Usunąć pozostały wosk, fotorezystor i zwisające warstwy Cr/Au na krawędziach soczewek za pomocą ultradźwięków przez 1 godzinę przy użyciu N-metylo-2-pirolidonu jako rozpuszczalnika w temperaturze 80 °C w zbiorniku ultradźwiękowym.
  8. Stwórz replikę formy PDMS mikrosoczewek wykonanych na fotomaskach11.
  9. Scharakteryzuj wymiary (długość i szerokość) fotomaski oraz repliki form mikrosoczewek PDMS (głębokość i średnica) za pomocą odpowiednio skaningowego mikroskopu elektronowego i stereomikroskopu. 12-14

2. Produkcja szybów MN

  1. Utwórz wnękę o długości od 2,5 cm × 0,9 cm za pomocą szklanych szkiełek zamontowanych po obu stronach szklanki. Liczba szkiełek umieszczonych po obu stronach określi wysokość wnęki znaną jako grubość przekładki (rysunek 1B).
  2. Zabezpiecz każdą warstwę szkiełka podstawowego, nakładając cienką warstwę roztworu prepolimeru zawierającego diakrylan poli(glikolu etylenowego) (PEGDA, MW = 258 Da) o zawartości 0,5% m/w 2-hydroksy-2-metylopropiofenonu (HMP) na szkiełko podstawowe, a następnie naświetlając zestaw światłem ultrafioletowym o wysokim natężeniu (UV) przez 2 sekundy.
  3. Umieść fotomaskę (wcześniej wyprodukowaną) tak, aby powierzchnie pokryte Cr/Au były skierowane do wnętrza wnęki. Upewnij się, że boki ścianek wnęki nie zasłaniają soczewek osadzonych w fotomasce.
  4. Wypełnij wnękę roztworem prepolimeru, aż powierzchnia pokryta Cr/Au zetknie się z roztworem bez widocznych pęcherzyków.
  5. Naświetlić zestaw światłem UV o wysokiej intensywności o pożądanym natężeniu przez 1 sekundę w odległości 3,5 cm od źródła UV za pomocą stacji utwardzania UV o zakresie filtra UV 320-500 nm. Użyj adaptera kolimacyjnego z sondą światła UV.
  6. Zmierz intensywność używanego światła UV za pomocą radiometru.
  7. Po ekspozycji na promieniowanie UV zdejmij fotomaskę z szeregiem MN. Wlej nadmiar roztworu prepolimeru, który nie jest polimeryzowany w procesie, z powrotem do oryginalnego pojemnika w celu ponownego użycia.
  8. Określ ilościowo długość i średnicę końcówki MN za pomocą mikroskopu stereoskopowego zgodnie z instrukcjami producenta.

3. Wytwarzanie warstwy nośnej MN

  1. Za pomocą kleszczy umieść MN (wcześniej wyprodukowane) przymocowane do fotomaski w studzience 24-dołkowej płytki, jak pokazano na rysunku 1C.
  2. Dodać określoną objętość (300 - 400 μl) roztworu prepolimeru do studzienki, aż igły zostaną zanurzone na żądaną wysokość. Objętość ta określa grubość powstałej warstwy nośnej.
  3. Naświetlić zestaw światłem UV o wysokim natężeniu (15,1 W/cm2), w odległości 10,5 cm od źródła UV przez 1 sek.
  4. Oddziel warstwę spodnią na tablicy MN od fotomaski za pomocą ostrego ostrza.
  5. Określ ilościowo długość, średnicę końcówki i średnicę podstawy MN z warstwą nośną za pomocą mikroskopu stereoskopowego zgodnie z instrukcjami producenta.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Na geometrię MN mogą znacząco wpływać cechy fotomaski i wbudowana mikrosoczewka. Stopień załamania wpływa na drogę transmisji promieni UV, co z kolei wpłynęło na geometrię MN (rysunek 2A). Stwierdzono, że każda mikrosoczewka ma średnicę 350 μm, spłaszczoną wypukłą powierzchnię 130 μm i głębokość 62,3 μm (rysunek 2B-D). Korzystając z twierdzenia Pitagorasa, ustalono, że promień krzywizny pierwszej powierzchni wynosi 272,89 μm. Ogniskowa została obliczona na 509,28 μm (biorąc pod uwagę n

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Opisany powyżej protokół wytwarzania tablicy MN został przedstawiony w celu wytworzenia tablicy MN o długości ~1 cm2. Tablice można skalować w górę, tworząc wnękę o dużym rozmiarze i używając większej fotomaski. Zwiększony rozmiar wnęki można uzyskać, zwiększając szerokość między przekładkami po obu stronach. Chociaż każdy krok w celu wytworzenia matryc MN w protokole był ważny, najważniejszymi krokami były: ustawienie fotomaski, napełnienie roztworem prepolimeru i napromieniowanie układu. Ustawienie fotomaski...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy deklarują brak konfliktu interesów.

Podziękowania

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

To badanie było wspierane przez Singapore National Research Foundation (NRF) Grant NRF2012NRF-POC001-043.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Diakrylan poli(glikolu etylenowego) (PEGDA Mn=258)SIGMA 475629-500ML
2-hydroksy-2-metylo-propiofenon (HMP)SIGMA 405655-50ML
Kolagen bydlęcy typu 1, koniugat FITC SIGMA C4361
     EXFO Photonic Solutions Inc., KanadaOmniCure S2000-XL
 EXFO Photonic Solutions Inc., KanadaEXFO 810-00042
24-dołkowa płytkaThermo Fisher Scientific, USA
Mikroskop stereoskopowy Nikon SMZ 1500 Nikon, Japonia
Cyfrowy miernik siły Dillon GL-500 Dillon, Stany Zjednoczone
Mikroskop konfokalny A-1R Nikon, Japonia
Stacja utwardzania UV Adapter kolimacyjny

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Wytwarzanie fotolitograficznewbudowane mikrosoczewkipolimeryzacja UVgeometria mikroigiestereomikroskopiaroztw r prepolimeruekspozytor masektrawienie kwasem fluorowodorowymtworzenie warstwy podk adowej

Powiązane artykuły