Abstract
Эта рукопись описывает изготовление полимерных микроиглы (MN) массивов с помощью фотолитографии. Она включает в себя простой формы без процесса с помощью фотошаблона, состоящую из встроенных микролинз. Были найдены Встроенные микро-линзы влиять MN геометрию (Резкость). Надежные массивы MN диаметром кончика диапазоне от 41,5 мкм ± 8,4 мкм и 71,6 мкм ± 13,7 мкм, с двумя различными длинами (1,336 мкм ± 193 мкм и 957 мкм ± 171 мкм) были изготовлены. Эти массивы могут MN предоставить потенциальным приложения в поставке низкомолекулярных и высокомолекулярных терапевтических агентов через кожу.
Introduction
Трансдермальной доставки наркотиков предлагает привлекательный альтернативный подход для введения наркотиков, особенно для биомолекул, которые почти исключительно в ведении подкожных инъекций. Тем не менее, кожа, особенно верхний слой (роговой слой), является грозным барьером, который мешает экзогенных молекул въезд на человеческий организм. Недавно, устройства MN появились как позволяет инструменты, чтобы доставлять лекарства через кожу. Величина Mn устройства создают временные поры внутри рогового слоя, чтобы позволить прохождение молекул лекарства для достижения желаемого физиологической активностью с улучшенным соблюдение пациентом и удобства 1-3.
Различные методы изготовления были приняты для изготовления полимерных МНс 4. Тем не менее, они, как правило, связаны сложные и многочисленные процессы, требующие шаг длительного времени и / или высоких температур для изготовления массивов МНБ. 4 Чтобы упростить процесс изготовления, один шаг процесс пресс-формы для свободного использованияфотошаблон был разработан недавно 5,6. Тем не менее, с помощью этого метода, изготовлены MNS тупые советы иглы, а нет механизма было на месте, чтобы изменить путь ультрафиолетового (УФ) света, участвующих в фотолитографии.
В этом исследовании, внедренные в микролинзы фотошаблона были предложены для определения геометрии МНБ. Протокол изготовления фотошаблонов для состоящие из встроенных микролинз и впоследствии MN изготовление с остроконечные помощью фотошаблона сообщается.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Изготовление Photomask
- Очистите 4 "стеклянный пластины с пираньи решение (H 2 SO 4 / H 2 O 2 в соотношении 2: 1) в течение 20 мин при 120 ° С путем погружения в кварцевой бака.
- Депозит слой хрома / золота (30 нм Cr / 1 мкм Au) слой на стеклянной подложке с использованием электронно-лучевой испаритель 7 (Рис. 1А)
- Поместите пластины в электронно-лучевой испаритель. После того, как вакуум достигает 5 х 10 -6 Торр, включите источник высокого напряжения (10 кВ). Контролировать толщину по панели управления монитора.
- Предварительная очистка каждый материал в течение 30 сек с помощью электронной лучевой пушки, сохраняя затвор "OFF" (во избежание отложения на пластинах).
- Создание маскирующего слоя фоторезиста Cr / Au для глубокого влажного травления стекла.
- Нанесите толстый фоторезиста 2 мкм, вращая 5 мл раствора в течение 30 сек при 3000 оборотах в минуту с использованием системы напылительной машины спин-распылитель.С предварительным обжигом фоторезиста на плите при 100 ° С в течение 1,5 мин.
- Expose и трудно испечь фоторезиста при 120 ° С в течение 30 мин на горячей плите. Очень важно, чтобы генерировать гидрофобную поверхность и прочное сцепление фоторезиста металлический слой. Шаблон слой Cr / Au с помощью Cr и Au травильных через фоторезиста замаскировать 8,9.
- Для защиты поверхности стекла не-рисунком, временно скрепить стеклянную пластину к фиктивной кремниевой пластины. 9
- Поместите стеклянную пластину на горячей плите при 110 ° С и расплавить воск на противоположной стороне стекла пластины (таким образом, что вся поверхность пластины покрыта воском).
- Поместите фиктивный кремниевой пластины в контакте с стеклянной пластины и нажмите, чтобы удалить лишнюю воск. Для того, чтобы избежать разлива воска, разместить чистую бумагу номере ткани на плите.
- Выполнение изотропного травления с использованием объектива оптимизированный фтористоводородной кислоты (49% об / об)и соляной кислоты (37% об / об) раствор (в объемном соотношении 10: 1). магнитной мешалкой в течение 8,5 мин 10 Наличие HCl имеет решающее значение в достижении хорошего качества поверхности, генерируемых линз.
- Убедитесь, что скорость травления 7 мкм / мин; используя общий объем 200 мл травильного раствора. Выполните травление в пластиковый контейнер и принять меры предосторожности для этого шага обработки.
- Очистите пластины в деионизированной (DI) воды ополаскивания и сушки дополнительно при комнатной температуре.
- После завершения процесса, разделить стеклянный пластины из фиктивной кремниевой пластины и разогреть воск, используя горячую плиту при 100 ° С в течение 15 сек. Как тает воск при этой температуре, отсоединить от пластины стекла фиктивной кремниевой пластины.
- Удалить остатки воска, фоторезист и нависающей слоев Cr / Au на краях линз с помощью ультразвука в течение 1 часа с использованием N-метил-2-пирролидон в качестве растворителя при 80 ° С в ультразвуковую ванну.
- Создать PDMS формы реплику микролинз, изготовленных на фотошаблонов 11.
- Характеристики размеров фотошаблона (длины и ширины) и пресс-формы микролинз PDMS (глубина и диаметр) реплик с помощью сканирующего электронного микроскопа и стереомикроскопа соответственно. 12-14
2. Валы MN Изготовление
- Создать полость 2,5 см × 0,9 см с помощью стеклянных слайдов установлены на обеих сторонах стекла. Число стеклах уложенных по обе стороны будет определять высоту полости, известной как толщины прослойки (Фиг.1В).
- Безопасный каждый слой стекло с применением тонкий слой форполимера раствором, содержащим поли (этиленгликоль) диакрилат (PEGDA, ММ = 258 Да) с 0,5% вес / вес 2-гидрокси-2-метил-пропиофенона (HMP) на предметное стекло с последующим облучением создан с ультрафиолетовой высокой интенсивности (УФ) светом на 2 сек.
- Расположите photomaSK (ранее сфабрикованы) с Cr / Au, покрытых поверхностей, обращенных внутрь полости. Убедитесь, что стороны стенки полости не затеняя линзы, встроенные в фотошаблона.
- Заполнить полость с раствором форполимера, пока поверхность Cr / Au покрытием не находится в контакте с раствором без видимых пузырьков.
- Облучать установку с высокой интенсивностью УФ свете желаемой интенсивности в течение 1 сек на расстоянии 3,5 см от источника УФ помощью УФ-отверждения станцию с УФ-фильтром диапазоне 320-500 нм. Использование коллимирующей адаптер ультрафиолетовым светом зонда.
- Измерьте интенсивность УФ света, используемого с помощью радиометра.
- После УФ облучения, удалить фотошаблона с массивом МН. Вылейте лишний раствор форполимера, который не полимеризуется в процессе обратно в оригинальной упаковке для повторного использования.
- Количественно длины и диаметра наконечника МНБ с использованием стереомикроскопа в соответствии с инструкциями изготовителя.
- С пинцетом, положите МНБ (ранее сфабрикованы), прикрепленные на фотошаблон в лунку 24-луночного планшета, как показано на рисунке 1С.
- Добавить указанный том (300 - 400 мкл) форполимера раствором в скважину до тех пор, пока иглы погружают в нужную высоту. Этот объем определяет толщину получаемого защитным слоем.
- Облучать установку с высокой интенсивностью УФ-излучения (15,1 Вт / см 2), 10.5 см от УФ-источника для длительностью 1 сек.
- Отделите защитный слой на массиве MN от фотошаблона с использованием острое лезвие.
- Количественно диаметр длина, диаметр наконечника и базовый МНБ с защитным слоем, используя стереомикроскопа в соответствии с инструкциями изготовителя.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Геометрия МНБ может быть значительно пострадавших от фотошаблона характеристик и встроенных микролинз. Степень преломления влияет на путь передачи ультрафиолетовых лучей, которые повлияли на геометрию MN (фиг.2А). Каждый микролинз было установлено, что диаметр 350 мкм, 130 мкм через плоские выпуклую поверхность, и 62,3 мкм Глубина (2В-D). Использование теорема Пифагора, радиус кривизны первой поверхности Было обнаружено, что 272.89 мкм. Фокусное расстояние было рассчитано, чтобы быть 509,28 мкм (с учетом п стекла = 1,53627; N = 1,000 воздуха; λ = 365 нм) с помощью уравнения производителю объектива 12, как указано ниже:
1 / F = (N 1 / N м -1) * (1 / R 1 -1 / R 2)
Где п 1 показатель преломления материала линзы, п М показатель преломления окружающей средой, R 1 является радВМС кривизны первой поверхности, и R 2 является радиусом кривизны второй поверхности.
Эффект интенсивности УФ на длине М.Н., резкость и структурной деформации изучали различной интенсивности УФ света от 3.14 до 15,1 Вт / см 2 при постоянным фокусным расстоянием и расстоянием источника света. Было установлено, что средняя длина МН значительно увеличилось (р <0,05) с увеличением интенсивности от 3,14 до 9,58 Вт / см 2 (3А). Дальнейшее увеличение интенсивности до 15,1 Вт / см 2 не производят значительные изменения в длине. Диаметр наконечника (мера резкости) и структура МН наконечник были найдены меняться с увеличением интенсивности (Фиг.3В). МНБ с правильной формы и без какой-либо структурной деформации наблюдались в 6,4 Вт / см 2.
Защитный слой был изготовлен для того, чтобы удаление MN в виде пластыряи сделать Photomask повторного использования. Она также представила силы Миннесоты валов. Таким образом, эффект от объема защитный слой (объем форполимера решений для формирования задний слой) также изучены. С непораженных диаметров наконечников, МНБ с диапазоном длины (1,336 ± 193 мкм на 300 мкл и 957 ± 171 мкм на 400 мкл) наблюдались после воздействия УФ (рисунок 4).
Рисунок 1. (А) Схематическое представление процесса изготовления линз встроенных фотошаблона. (1) 4 "стекла пластины. (2) Cr / Au слой, нанесенный с помощью электронно-лучевой испаритель. (3) Воздействие Cr / Au / фоторезиста маскирующего слоя УФ-светом с фотошаблона. (4) Формирование рисунка на слое с использованием Cr / Au травителя. (5) Временное склеивание стекла на фиктивной кремниевой пластины. (6) - (7) Мокрая травления (изотропной) способ с использованием HF / HCl с последующим травильных ультразвуком. (8) разрыхл фиктивной кремниевой пластины и удаления слоя фоторезиста. (Б) Схематическое представление процесса изготовления игл. Фотошаблонов покрытием хрома (9 х 9 массивы), находится над полостью, содержащей предварительно полимерного раствора и подвергается УФ. (С) Схематическое представление процесса изготовления опорного защитного слоя. Photomask, с прикрепленными микроиглы, находится в хорошо заполнены с предварительной полимера и подвергается УФ. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2. Характеристика фотошаблона. (А) ультрафиолетовое облучение фокусирует свет в CONICA л путь, производя конические МНс. (В) и (С) СЭМ изображение микролинз. (D) часть массива PDMS плесень реплик, скопированных из микролинз, показывающий уплощенную выпуклую поверхность, при помощи стереомикроскопа. (Е) фотошаблон, показывая образец. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3. Влияние параметров УФ по геометрии микроиглы. Влияние (A) интенсивности и (B) толщины прослойки по длине микроиглы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4. Влияние различной объема предварительно полимера, используемого для изготовления защитный слой. (A - B) изображения на различного объема, со средней длиной MN для коротких (957 мкм) и длинные (1,336 мкм) МН. (C - D) Изображения, соответствующие (АВ) после тестирования силы разрушения. (Е) Уменьшение длины MN с увеличением объема, используемого для изготовления защитный слой. (F), М.Н. сила разрушения через два тома предварительно полимерных, используемых для изготовления защитного слоя (BL). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Протокол описано выше для изготовления массива MnS были представлены для изготовления массив МНС ~ 1 см 2. Массивы могут быть расширены путем создания большой размер полости и с помощью большего фотошаблона. Увеличенный размер полости могут быть созданы за счет увеличения ширины между распорками по обе стороны. Хотя каждый шаг, чтобы изготовить MN массивы в протоколе было важно, наиболее важные шаги были: фотошаблон позиционирования, наполнение форполимерного решения, и облучение установки. Позиционирование фотошаблона должно быть таким образом, что поверхности ЧР / Au, покрытые сталкиваются интерьер полости и боковые полости стен скрывать линзы, встроенные в фотошаблона. При заполнении форму с форполимерной решения, убедитесь, что пузырьки воздуха не захваченный, которые в противном случае могут привести к деформированной и низкой прочности массива МН. Пузырьки воздуха можно предотвратить с помощью контролируемого впитывающего действия медленным добавлением prepolymeR решение и гарантируя, что нет никаких воздушных пузырьков, присутствующих в раствор форполимера. Позиционирование установки для облучения должно быть сделано в управляемой образом, чтобы обеспечить равномерное воздействие УФ-излучения. Перед воздействием УФ-света, установка была выровнена, и в пределах разграничения на подставку.
МНБ, образованные с помощью фотолитографии были под сильным влиянием наличии микро-линз, привело объектив в полимеризации в конвергентной пути, который привел к образованию острее МН по сравнению с цилиндрическими МН, образованных с помощью плоской фотошаблона. В плоском фотошаблона, ультрафиолетовый свет проходит через него с небольшим отклонением (почти прямо), что приводит к образованию цилиндрических МН менее острыми наконечниками. В то время как в микролинз встраиваемый фотошаблон УФ свет, проходящий через линзы прошли преломление и конвергентных, что приводит к образованию острых наконечником МН. Уравнение объектива мейкера, который был использован в качестве predictiве модели, чтобы приблизить длину MN путем сопоставления с фокусным расстоянием микролинз дал прогноз длины в три раза меньше, чем реальный. Расхождение может быть связано с уплощенной выпуклой поверхности микролинз, которые не давали преломление света, как обычной выпуклой линзы. 13
Другим фактором для геометрии MN была интенсивность УФ-излучения. Интенсивность 6,44 Вт / см 2 была выбрана потому, что иглы, произведенные на этой интенсивности обладал достаточной механической прочностью для применения на коже. Еще один вывод связан с интенсивностью, что с каждым приращением интенсивности УФ, длина MN повышает. Это может быть связано с плоской вершиной микролинз, что позволило некоторые из световых лучей, чтобы путешествовать за пределы очага. 14,15 Кроме того, степень полимеризации имеет свой предел, в зависимости от закона обратных квадратов света, т.е., свет теряет энергию как расстояниииз исходных увеличивается. 16
Протоколы, описанные здесь, имеют то преимущество, изготовление пресс-форм свободной в течение короткого периода времени. Но мы не можем предсказать, как далеко оно может быть принято в дальнейшем для сыпучих производства. МНБ массивы были сделаны из недорогого биосовместимого полимера. Это потенциально может быть использован в качестве чрескожной доставки лекарственного средства устройства для фармацевтических и косметических применений. Более интересно, он может быть использован в виде комбинации системы подачи и устройства, а терапевтические соединения могут быть инкапсулированы (путем смешивания или солюбилизации в растворе форполимера) в процессе изготовления МН. 5,6,17 растворимости добавл ли соединение внутри форполимер раствор следует принимать во внимание, как MN характеристик, например, прочности МН, может измениться. 17
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA Mn=258) | SIGMA | 475629-500ML | |
| 2-hydroxy-2-methyl-propiophenone (HMP) | SIGMA | 405655-50ML | |
| Bovine collagen type 1, FITC conjugate | SIGMA | C4361 | |
| UV curing station | EXFO Photonic Solutions Inc., Canada | OmniCure S2000-XL | |
| Collimating Adaptor | EXFO Photonic Solutions Inc., Canada | EXFO 810-00042 | |
| 24-well plate | Thermo Fisher Scientific, USA | ||
| Nikon SMZ 1500 stereomicroscope | Nikon, Japan | ||
| Dillon GL-500 digital force gauge | Dillon, USA | ||
| A-1R confocal microscope | Nikon, Japan |
References
- 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).
- 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).
- Raphael, A. P., et al. needle-free vaccinations in skin using multi layered, densely-packed dissolving microprojection arrays. Small. 6, 1785-1793 (2010).
- Lee, J. W., Han, M. R., Park, J. H. Polymer microneedles for transdermal drug delivery. Journal of drug targeting. 21, 211-223 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- Iliescu, C., Chen, B., Miao, J. On the wet etching of Pyrex glass. Sensors and Actuators, A: Physical. 143, 154-161 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- Jay, T. R., Stern, M. B. Preshaping photoresist for refractive microlens fabrication. P Soc Photo-Opt Ins. 1992, 275-282 (1993).
- Friedman, G. B., Sandhu, H. S. Longitudinal Spherical Aberration of a Thin Lens. Am J Phys. 35, 628 (1967).
- Xu, Q. A., Li, J., Zhang, W. Collimated the laser diode beam by the focus lens. Semiconductor Lasers and Applications IV. 7844, (2010).
- 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).
- 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).
- Kochhar, J. S., et al. Microneedle integrated transdermal patch for fast onset and sustained delivery of lidocaine. Molecular pharmaceutics. 10, 4272-4280 (2013).
- Kochhar, J. S., et al. Direct microneedle array fabrication off a photomask to deliver collagen through skin. Pharmaceutical research. 31, 1724-1734 (2014).
