Microneedles, which are effective to form micro perforations in the stratum corneum (the outer skin layer), are one of the promising minimally invasive drug delivery devices alternating pills, conventional needles, or transdermal patches. However, microneedles are not commercialized by this time because of weak needle structure, low mass-productivity or bio-incompatibility. To overcome the limitations of the previous microneedles, this paper presents novel fabrication processes of microneedles using inclined UV lithography and polymer molding process, and the analyses of the microneedles’ characteristics.
The novel process comprises four steps: (1) fabrication of in-plane type single row microneedles using inclined UV lithography and electroforming, (2) conversion of the single row microneedles to an out-of-plane type multi row microneedle array, (3) fabrication of a negative PDMS mold, and (4) fabrication of multi row microneedle sheets of biocompatible polymer by a hot embossing process. The single row microneedles are fabricated with a sharp tip for low insertion forces and are made long to ensure sufficient penetration depth. The single row microneedles are converted into an out-of-plane type multi row microneedle array to increase the needle density. The negative mold is fabricated for mass-production using a polymer molding technique. The final out-of-plane microneedle sheets are produced using polycarbonate for biocompatibility by employing the hot embossing process. In addition, a substrate-punched solid microneedle sheet which can deliver a backside-loaded drug into skin is also fabricated by arranging the single row microneedle arrays and trench-embedded spacers in the conversion step.
The force required to insert the microneedles into a skin model, Injection Trainer coved with a thin plastic film, was measured. The reaction force profile when a microneedle pierces the skin model is similar to that when a microneedle pierces living skin. Over the range of microneedle geometries investigated, measured insertion forces ranged from approximately 100-200 mN. The insertion force was found to increases with increasing tip angle and width of a microneedle.
To observe the drug delivery effect of the simple microneedle sheet and the substrate-punched microneedle sheet, the permeated amout of drugs into rat skin with/without the microneedle sheets were measured using chemical diffusion cell. The microneedle sheet is effective to a hydrophilic high molecular weight drug, calcein, but not to a hydrophobic low molecular weight drug, ketoprofen. The skin permeability of calcein is highest when calcein gel is coupled to the microneedle sheet. The longer and the denser the needle is, the higher the skin permeability of calcein is. In addition, the substrate-punched microneedle sheet increases approximately 14-fold in calcein permeation into rat skin.
피부 최외각층인 각질에 미세구멍을 형성하는데 효과적인 미세바늘은 먹는 약이나 주사, 패취제 등을 대체할 수 있는 새로운 약물전달시스템으로 각광받고 있다. 그러나 미세바늘은 구조적으로 약하고 대량생산이 어렵고 생체적합성이 낮아서 상품화가 이루어지지 않고 있다. 이러한 문제점들을 극복하기 위해서 본 논문에서는 자외선 경사노광과 고분자 성형공정을 이용한 새로운 미세바늘 제작 공정을 제시하고, 제작된 미세바늘의 특성을 분석하고자 한다. 미세바늘 제작공정은 (1) 자외선 경사노광과 전기도금 공정을 이용한 in-plane형 단열 미세바늘 제작 단계, (2) 단열 미세바늘을 out-of-plane형 복수열 미세바늘 어레이로 전환 단계, (3) PDMS 음각 몰드 제작 단계, (4) 핫엠보싱 공정을 이용한 생체적합성 고분자 재질의 복수열 미세바늘 시트 제작 단계로 총 4스텝으로 이루어진다. 단열 미세바늘 공정을 통해서 바늘 끝이 예리해서 삽입이 용이하고 바늘 길이가 길어서 바늘의 침투 깊이를 깊게할 수 있는 미세바늘을 제작할 수 있고, 단열 미세바늘을 복수열로 배열함으로써 바늘의 밀도를 증가시킬 수 있다. 음각 몰드는 대량생산이 가능한 고분자 성형 공정을 가능하게 하고, 생체적합성 수지인 폴리카보네이트(polycarbonate)를 이용한 핫엠보싱 공정을 수행하면 복수열 미세바늘 시트를 완성할 수 있다. 더욱이 단열 미세바늘 어레이를 배열할 때 홈이 있는 스페이서(spacer)를 사용하면 시트의 뒷면에 약물을 로딩할 수 있는 기판에 구멍이 있는 미세바늘 시트도 제작할 수 있다. 미세바늘의 삽입력은 ‘Injection Trainer’ 위에 얇은 필름을 얹은 피부 모델을 이용하여 측정하였는데, 미세바늘이 피부 모델을 찌를 때에 바늘이 받는 힘의 변화가 미세바늘로 실제 피부를 찌를 때와 거의 흡사하였다. 제작된 미세바늘의 삽입력은 100-200 mN 범위였으며, 바늘 끝이 예리하고 폭이 좁을수록 삽입력이 적게 소요되는 것을 확인하였다. 제작된 미세바늘 시트의 약물전달효과를 살펴보기 위해서는 미세바늘을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우에 쥐 피부를 투과하는 약물의 양을 확산장치를 이용하여 측정하였다. 미세바늘 시트는 친수성 고분자 약물인 칼세인의 투과량은 증대시켰지만 소수성 저분자 약물인 케토프로펜의 투과량은 증대시키지 못하였다. 미세바늘 적용 방법 중에서는 젤 형태의 약물을 바늘 시트에 미리 로딩한 후에 피부에 찌르는 방법이 가장 효과적이었으며, 바늘의 길이가 길고 밀도가 높을수록 약물의 투과량이 많았다. 또한 기판에 구멍이 있는 미세바늘 시트는 시트 뒷면에 로딩된 약물을 체내로 효과적으로 전달시키는 것도 확인하였다.
