EA045047B1 - MICRONEEDLE, MICROCONE AND MANUFACTURING METHODS USING PHOTOLITHOGRAPHY - Google Patents

MICRONEEDLE, MICROCONE AND MANUFACTURING METHODS USING PHOTOLITHOGRAPHY Download PDF

Info

Publication number
EA045047B1
EA045047B1 EA202292129 EA045047B1 EA 045047 B1 EA045047 B1 EA 045047B1 EA 202292129 EA202292129 EA 202292129 EA 045047 B1 EA045047 B1 EA 045047B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
resin
substrate
structures
light
radiation
Prior art date
Application number
EA202292129
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Чункхвун Ким
Кын Хо ЛИ
Чун Тон Ким
Дохеон Чон
Original Assignee
Канзас Стейт Юниверсити Рисёрч Фаундейшн
Рафас Ко.
Лтд
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Канзас Стейт Юниверсити Рисёрч Фаундейшн, Рафас Ко., Лтд filed Critical Канзас Стейт Юниверсити Рисёрч Фаундейшн
Publication of EA045047B1 publication Critical patent/EA045047B1/en

Links

Description

Перекрестная ссылка на родственные заявкиCross reference to related applications

Изобретение заявляет приоритет предварительной заявки на патент США под номером 62/961,931, поданной 16 января 2020 года, озаглавленной Microneedle, microcone, and photolithography fabrication methods, включенной посредством ссылки во всей своей полноте в данный документ.The invention claims the benefit of U.S. Provisional Patent Application No. 62/961,931, filed January 16, 2020, entitled Microneedle, microcone, and photolithography fabrication methods, incorporated by reference in its entirety herein.

Предпосылки создания изобретенияPrerequisites for creating the invention

Область изобретенияField of invention

Настоящее изобретение относится новым методикам фотолитографии для изготовления микроструктур, в частности микроконусов и/или микроигл.The present invention relates to new photolithography techniques for the production of microstructures, in particular microcones and/or microneedles.

Описание предшествующего уровня техникиDescription of the Prior Art

Разработка микроигл была давно установлена с 1990, и множество исследований показали, что микроиглы обладают значительными преимуществами в доставке лекарственных средств по сравнению с пероральным приемом и введением через инъекционную иглу. Микроиглы обычно имеют более острый наконечник, чем инъекционные иглы, и высоту только 10-2000 мкм, обеспечивая наименее инвазивный способ доставки лекарственных средств. Пероральный прием удобен, но обладает недостатком, заключающимся в низкой эффективности доставки лекарственных средств по причине распада лекарственного средства и неэффективного поглощения в теле человека. Способ подкожной инъекции лекарственного средства также связан с проблемой, заключающейся в том, что множество лекарственных средств не могут пройти сквозь внешний слой кожи, что приводит к низкой эффективности доставки. Однако последние отчеты показали, что микроиглы способны безболезненно проникать в кожу и доставлять лекарственные средства в слой эпидермиса и/или дермы.The development of microneedles has been long established since 1990, and many studies have shown that microneedles have significant advantages in drug delivery compared to oral and injection needle administration. Microneedles typically have a sharper tip than injection needles and are only 10-2000 µm in height, providing the least invasive method of drug delivery. Oral administration is convenient but has the disadvantage of low drug delivery efficiency due to drug degradation and ineffective absorption in the human body. The subcutaneous drug injection method also faces the problem that many drugs cannot penetrate the outer layer of the skin, resulting in low delivery efficiency. However, recent reports have shown that microneedles can painlessly penetrate the skin and deliver drugs to the epidermis and/or dermis layer.

Геометрическая конфигурация микроигл играет важную роль в характере введения и механической стабильности микроигл. Острый наконечник микроиглы с небольшим углом заострения и диаметром уменьшает усилие введения, но увеличивает возможность образования трещины и потери устойчивости. В недавно проведенном исследовании были приведены некоторые общепринятые типы микроигл на основании угла заострения на наконечнике и основной части иглы, и их соответствующие усилия введения в куриную грудку. В исследовании был сделан вывод, что наконечник иглы с геометрической конфигурацией равнобедренного треугольника с углом заострения 30° является оптимальной формой наконечника иглы, так как он показал самую высокую устойчивость к критической силе среди четырех типов геометрических конфигураций, а также умеренное усилие введения без разрушения от трещины. Однако трехмерное формирование непрямых геометрических конфигураций, таких как изогнутая или коническая форма, требует процесса послойного формирования или несколько процессов совмещения фотошаблона, что потенциально может увеличить время изготовления, а также стоимость производства.The geometric configuration of the microneedles plays an important role in the insertion pattern and mechanical stability of the microneedles. A sharp microneedle tip with a small tip angle and diameter reduces the insertion force, but increases the possibility of crack formation and loss of stability. A recent study outlined some common types of microneedles based on the tip angle and body of the needle, and their corresponding insertion forces into chicken breast. The study concluded that a needle tip with a 30° isosceles triangle geometric configuration is the optimal needle tip shape as it showed the highest critical force resistance among the four types of geometric configurations, as well as moderate insertion force without crack failure. . However, the 3D formation of indirect geometric configurations, such as curved or conical shapes, requires a layer-by-layer forming process or multiple photomask registration processes, which can potentially increase fabrication time as well as production cost.

Краткое описание изобретенияBrief description of the invention

В настоящем изобретении применена дифракция света, связанная с перекрестным сшиванием жидкостей и твердых частиц, которая образует световой волновод ввиду разных показателей преломления несшитой и сшитой смолы, обеспечивая возможность образования различных типов микроконических структур в ходе быстрого и прямолинейного процесса в течение 30 минут, включающего процессы воздействия УФ и наращивания.The present invention utilizes light diffraction associated with cross-linking of liquids and solids, which forms a light waveguide due to the different refractive indices of uncrosslinked and crosslinked resin, allowing the formation of various types of microconical structures in a fast and straightforward process within 30 minutes, including impact processes UV and extensions.

Предлагаемый способ изготовления микроигл является исключительно преимущественным, так как разные шаблоны фотомаски генерируют различные формы микроигл, включая круглые, звездообразные, шестиугольные и треугольные основания, а также усовершенствованные функциональные микроиглы, такие как полые и наклоненные микроиглы. Так как традиционный подход УФ-литографии к изготовлению упомянутых микроигл требует нескольких процессов воздействия УФ и совмещения, гибкий и прямолинейный процесс изготовления следует точно рассматривать как низкозатратный продуманный продукт для доставки лекарственных средств.The proposed microneedle fabrication method is extremely advantageous as different photomask patterns generate different microneedle shapes, including round, star, hexagonal and triangular bases, as well as advanced functional microneedles such as hollow and inclined microneedles. Since the traditional UV lithography approach to fabricate the mentioned microneedles requires multiple UV exposure and alignment processes, the flexible and straightforward fabrication process should definitely be considered as a low-cost, well-designed drug delivery product.

Настоящее изобретение в широком смысле связано с новыми способами изготовления для создания микроигл и других микронных структур с острыми наконечниками. В процессе изготовления используют восходящее воздействие на жидкую светочувствительную смолу через шаблон фотомаски, содержащий множество отверстий, например отверстия с диаметром 200 мкм, или других форм. УФ светом воздействуют через шаблон фотомаски. Облученная светочувствительная смола полимеризируется и формирует микроскопические структуры с острыми наконечниками. Показатель преломления материала становится выше по сравнению с окружающей светочувствительной смолой в жидком состоянии. Образуемый позже контраст показателя преломления между твердой и жидкой смолой приводит к отражению УФ света на границе наподобие светового волновода и посылает свет на вершину конуса. То есть после того, как жидкая смола станет твердой, затвердевший участок действует как световой волновод с фокусировкой дополнительного пропущенного света и образования конической формы (первый гармонический микроконус). Дополнительное воздействие УФ приводит к излучению УФ света через вершину конуса с образованием небольшого острого наконечника. Свет снова дифрагируется через наконечник как второй гармонический луч с еще более интенсивным воздействием с образованием второй конической формы (вторая гармоническая форма). Третий конус создают по тому же принципу с меньшим размером по причине более низкой интенсивности света. Мы наблюдали вплоть до четвертого конуса при экспериментах.The present invention is broadly concerned with new fabrication methods for creating microneedles and other micron-sized structures with sharp tips. The fabrication process involves upward exposure of a liquid photosensitive resin through a photomask template containing a plurality of holes, such as 200 μm diameter holes, or other shapes. UV light is applied through a photomask template. The irradiated photosensitive resin polymerizes and forms microscopic structures with sharp tips. The refractive index of the material becomes higher compared to the surrounding photosensitive resin in the liquid state. The later refractive index contrast between the solid and liquid resin causes UV light to be reflected at the interface like a light waveguide and sends light to the top of the cone. That is, after the liquid resin becomes solid, the solidified portion acts as a light waveguide to focus the additional transmitted light and form a conical shape (first harmonic microcone). Additional UV exposure causes UV light to be emitted through the apex of the cone to form a small sharp tip. The light is again diffracted through the tip as a second harmonic beam with even more intense impact to form a second conical shape (second harmonic shape). The third cone is created using the same principle with a smaller size due to the lower light intensity. We observed up to the fourth cone during experiments.

- 1 045047- 1 045047

В отличие от предыдущей методики с использованием твердых смол, целью которой было образование вертикальных боковых стенок, настоящая методика с использованием жидких смол обеспечивает сходящиеся или сужающиеся боковые стенки, которые образуют структуры типа микроиглы или структуры с наклоненными углами боковых стенок. Изготовленные структуры ополаскивают растворителем для удаления непрореагировавшей композиции. Изготовленные структуры можно использовать как микроиглы и микрозонды.Unlike the previous solid resin technique, which aimed to form vertical sidewalls, the present liquid resin technique provides converging or tapering sidewalls that form microneedle-type structures or structures with inclined sidewall angles. The fabricated structures are rinsed with a solvent to remove unreacted composition. The fabricated structures can be used as microneedles and microprobes.

В одном аспекте предусмотрен способ изготовления множества микроскопических структур со сходящимися наконечниками, причем способ включает: обеспечение субстрата, имеющего верхнюю поверхность и заднюю поверхность, при этом указанный субстрат содержит шаблон, имеющий открытые области, выполненные с возможностью обеспечения прохождения излучения проходить сквозь субстрат, и сплошные области, выполненные с возможностью предотвращения прохождения излучения сквозь субстрат; образование слоя светочувствительной смолы в жидком состоянии на указанной верхней поверхности; воздействие на указанную светочувствительную смолу в жидком состоянии излучения через указанный субстрат от задней поверхности в течение первого периода времени для получения облученных светом частей указанной светочувствительной смолы в жидком состоянии, при этом указанные облученные светом части сшиваются и/или полимеризуются с образованием соответствующих структур из смолы в твердом состоянии на указанной верхней поверхности в выравнивании с указанными открытыми областями, причем указанные структуры из смолы в твердом состоянии имеют повышенный показатель преломления по сравнению с указанной светочувствительной смолой в жидком состоянии, в результате чего каждая структура из смолы в твердом состоянии действует как волновод, направляющий указанное излучение, проходящее через указанные открытые области указанного субстрата до точки схождения, тем самым образуя структуры из смолы в твердом состоянии с сужающимися боковыми стенками и сходящимися наконечниками; и обеспечение контакта слоя покрытия с сольвосистемой с удалением необлученных светом частей указанной светочувствительной смолы в жидком состоянии с образованием множества микроскопических структур из смолы в твердом состоянии со сходящимися наконечниками на указанной верхней поверхности указанного субстрата.In one aspect, there is provided a method of making a plurality of microscopic structures with converging tips, the method comprising: providing a substrate having a top surface and a back surface, said substrate comprising a template having open areas configured to allow radiation to pass through the substrate, and continuous areas configured to prevent radiation from passing through the substrate; forming a layer of photosensitive resin in a liquid state on said top surface; exposing said photosensitive resin in a liquid state to radiation through said substrate from a rear surface for a first period of time to produce light-irradiated portions of said photosensitive resin in a liquid state, wherein said light-irradiated portions are cross-linked and/or polymerized to form corresponding resin structures in solid state on said top surface in alignment with said open areas, wherein said solid state resin structures have an increased refractive index compared to said liquid state photosensitive resin structure, whereby each solid state resin structure acts as a waveguide guiding said radiation passing through said open regions of said substrate to a convergence point, thereby forming solid state resin structures with tapering side walls and converging tips; and contacting the coating layer with the solvo system to remove non-light irradiated portions of said photosensitive resin in a liquid state to form a plurality of microscopic solid state resin structures with converging tips on said top surface of said substrate.

Краткое описание графических материаловBrief description of graphic materials

Публикация патента или заявки содержит по меньшей мере один графический материал, выполненный в цвете. Копии данной публикации патента или заявки на патент с цветными графическими материалами будут предоставлены Ведомством по первому требованию и после оплаты необходимого сбора.The publication of a patent or application contains at least one graphic material in color. Copies of this patent publication or patent application with color graphics will be provided by the Office upon request and upon payment of the required fee.

На фиг. 1 представлена схематическая иллюстрация (без соблюдения масштаба) примерного процесса образования микроструктур;In fig. 1 is a schematic illustration (not to scale) of an exemplary microstructure formation process;

на фиг. 2 представлена дополнительная иллюстрация, на которой показан конический световой профиль распространения УФ света сквозь микроскопические отверстия для полимеризации жидкой светочувствительной смолы и нарастание дополнительных гармонических структур со временем по мере распространения все большего количества энергии через смолу;in fig. 2 is an additional illustration showing the conical light profile of UV light propagating through microscopic apertures for the polymerization of a liquid photosensitive resin and the growth of additional harmonic structures over time as more and more energy is propagated through the resin;

на фиг. 3 представлено изображение из экспериментальной проверки УФ дифракции, отображающее распространение света внутри жидкой светочувствительной смолы с использованием фотомаски с размером шаблона 200 мкм;in fig. 3 is an image from an experimental test of UV diffraction showing the propagation of light inside a liquid photosensitive resin using a photomask with a pattern size of 200 μm;

на фиг. 4 показаны несколько фотографий изготовления микроконуса с использованием условий из таблицы примера 1;in fig. 4 shows several photographs of the manufacture of a microcone using the conditions from the table of Example 1;

на фиг. 5 показаны изображения РЭМ второго гармонического микроконуса с использованием основания фотошаблона на 120 мкм, высотой 884 мкм, 50 мкм в обхвате (левый снимок) и вид крупным планом второго гармонического конуса (правый снимок);in fig. Figure 5 shows SEM images of the second harmonic microcone using a photomask base of 120 µm, 884 µm in height, 50 µm in girth (left image) and a close-up view of the second harmonic cone (right image);

на фиг. 6A проиллюстрировано распределение интенсивности света колимированного УФ света с Гауссовым профилем после прохождения сквозь фотомаску с круглым отверстием;in fig. 6A illustrates the light intensity distribution of collimated UV light with a Gaussian profile after passing through a circular hole photomask;

на фиг. 6B проиллюстрировано распределение интенсивности света с Гауссовым профилем после прохождения сквозь фотомаску с круглым отверстием с непрозрачной сердцевиной для образования полой формы;in fig. 6B illustrates the light intensity distribution with a Gaussian profile after passing through a circular hole photomask with an opaque core to form a hollow shape;

на фиг. 7 представлен график измеренной интенсивности УФ (375 нм) при 0,5 дюймах над источником света, не рассеянным стеклом (точки), рассеянным одним стеклом (треугольники) и ослабленным двумя стеклами (квадраты);in fig. 7 is a plot of the measured UV intensity (375 nm) at 0.5 inches above the light source, not diffused by glass (dots), diffused by one glass (triangles), and diffused by two glasses (squares);

на фиг. 8 показаны изображения РЭМ (a) одной единицы в виде микроиглы и (b) увеличенный вид наконечника;in fig. Figure 8 shows SEM images of (a) a single microneedle unit and (b) an enlarged view of the tip;

на фиг. 9 показаны изображения микроструктуры с несколькими гармоническими составляющими: (a) изготовленная микроигла, (b) распространение УФ света, массив микроструктур со (c) вторичной гармонической составляющей и (d) третичной гармонической составляющей;in fig. 9 shows images of a microstructure with several harmonic components: (a) fabricated microneedle, (b) UV light propagation, microstructure array with (c) secondary harmonic component and (d) tertiary harmonic component;

на фиг. 10 представлено изображение, показывающее массив микроструктур с различными геометрическими конфигурациями основания и высотами, изготовленным одним одновременным воздействием, и соответствующая структурированная фотомаска (вставка), которая была использована;in fig. 10 is an image showing an array of microstructures with different geometric base configurations and heights produced by one simultaneous impact, and the corresponding structured photomask (insert) that was used;

на фиг. 11 представлен график отношения между высотой изготовленных микроигл и примененной энергии, вторичная ось у относится к аспектному соотношению соответствующей высоты и времениin fig. 11 is a graph of the relationship between the height of the fabricated microneedles and the applied energy, the secondary y-axis refers to the aspect ratio of the corresponding height and time

- 2 045047 воздействия соответствующей примененной энергии;- 2 045047 impact of the corresponding applied energy;

на фиг. 12 показаны фотоснимки микроструктур при различной примененной энергии, которая соответствует (a) 2 секундам, (b) 3 секундам, (c) 5 секундам и (d) 20 секундам времени воздействия и получаемые в результате дозы воздействия;in fig. 12 shows photographs of microstructures at various applied energies corresponding to (a) 2 seconds, (b) 3 seconds, (c) 5 seconds and (d) 20 seconds of exposure time and the resulting exposure doses;

на фиг. 13 показаны фотоснимки (a) массива микроигл PLA, изготовленных с использованием микроформовки PDMS из микроструктурной матрицы для дифракционной литографии; и (b) свиная кожа с отметинами введения;in fig. 13 shows photographs of (a) a PLA microneedle array fabricated using PDMS micromolding from a micropattern matrix for diffraction lithography; and (b) pigskin with insertion marks;

на фиг. 14 показаны результаты испытания микроструктур на смещение усилием: наконечник иглы деформирован, в то время как основная часть осталась прочной;in fig. Figure 14 shows the results of testing microstructures for displacement by force: the tip of the needle is deformed, while the main part remains strong;

на фиг. 15 показаны изображения кругового массива микроструктур 3x3: (a) конический световой профиль распространения УФ света, (b) соответствующие микроиглы (РЭМ);in fig. 15 shows images of a circular array of 3x3 microstructures: (a) conical light profile of UV light propagation, (b) corresponding microneedles (SEM);

на фиг. 16 представлен график, на котором показано отношение высоты микроструктур при разной примененной энергии; (вторичная ось x) время воздействия; (вторичная ось y) аспектное соотношение;in fig. 16 is a graph showing the ratio of the height of microstructures at different applied energies; (secondary x-axis) exposure time; (secondary y-axis) aspect ratio;

на фиг. 17 показаны изображения РЭМ массива микроигл с различными геометрическими конфигурациями основания (вставка): (a) круглое, (b) шестиугольное, (c) треугольное и (d) звезда;in fig. Figure 17 shows SEM images of a microneedle array with different geometric base configurations (inset): (a) round, (b) hexagonal, (c) triangular, and (d) star;

на фиг. 18 показаны изображения РЭМ (a) массива полых микроигл и (b) массива наклоненных круглых микроигл;in fig. 18 shows SEM images of (a) a hollow microneedle array and (b) an inclined circular microneedle array;

на фиг. 19 показаны фотографии из результата испытания введением: массив круглых микроигл 3x3 PLA отметин введения на свиной коже, включая вставленные изображения микроигл до и после введения;in fig. 19 shows photographs from the result of the insertion test: a 3x3 PLA round microneedle array of insertion marks on porcine skin, including inserted images of the microneedles before and after insertion;

на фиг. 20A представлены изображения РЭМ из результата испытания на смещение усилием массива круглых микроигл 3x3 PLA: до введения (верхний снимок), сломанный наконечник (средний снимок) и сломанная основная часть (нижний снимок);in fig. 20A shows SEM images from a force displacement test result of a 3x3 PLA round microneedle array: before insertion (top view), broken tip (middle view), and broken body (bottom view);

на фиг. 20B представлен график данных из испытания на смещение усилием;in fig. 20B is a graph of data from a force displacement test;

на фиг. 21 представлен график минимальной энергии сшивания для смолы для хирургических направляющих при различной интенсивности света с УФ-светодиодом в 405 нм;in fig. 21 is a graph of the minimum cross-linking energy for surgical guide resin at various light intensities with a 405 nm UV LED;

на фиг. 22 представлен график измеренного пропускания УФ света в 405 нм сквозь различную толщину смолы для хирургических направляющих;in fig. 22 is a graph of the measured transmittance of 405 nm UV light through various thicknesses of surgical guide resin;

на фиг. 23 представлен график измеренной высоты сшитой смолы при различной энергии;in fig. 23 is a graph of the measured height of cross-linked resin at different energies;

на фиг. 24 представлена иллюстрация постановки эксперимента для изготовления твердой микроиглы согласно примеру 4;in fig. 24 is an illustration of an experimental setup for manufacturing a solid microneedle according to Example 4;

на фиг. 25 представлен график измеренной высоты микроигл при различной энергии воздействия и времени;in fig. 25 is a graph of the measured height of microneedles at different exposure energies and times;

на фиг. 26 показаны фотографии микроконусов и микроигл, причем первая, вторая и третья гармонические составляющие соответствуют обозначенной энергии воздействия на предыдущей фигуре;in fig. 26 shows photographs of microcones and microneedles, with the first, second and third harmonic components corresponding to the indicated impact energy in the previous figure;

на фиг. 27A представлено изображение РЭМ массива 20x20 твердых перпендикулярных микроигл;in fig. 27A is an SEM image of an array of 20x20 solid perpendicular microneedles;

на фиг. 27B представлено увеличенное изображение РЭМ отдельной микроиглы, показанной на фиг. 27A;in fig. 27B is an enlarged SEM image of a single microneedle shown in FIG. 27A;

на фиг. 27C представлено дополнительное увеличенное изображение РЭМ наконечника отдельной микроиглы, показанной на фиг. 27B;in fig. 27C is an additional enlarged SEM image of the tip of the individual microneedle shown in FIG. 27B;

на фиг. 28 представлена иллюстрация постановки эксперимента для изготовления полой микроиглы согласно примеру 4;in fig. 28 is an illustration of an experimental setup for manufacturing a hollow microneedle according to Example 4;

на фиг. 29 представлена фотография массива 271 единиц пустотелых микроигл с диаметром основания 280 мкм и высотой 550 мкм - вставленная как изображение использованного кольцевого шаблона фотомаски;in fig. 29 is a photograph of an array of 271 units of hollow microneedles with a base diameter of 280 µm and a height of 550 µm - inserted as an image of the photomask ring template used;

на фиг. 30 представлена фотография изображения крупным планом трех разных пустотелых микроигл, показанных на фиг. 29, показывающая высокое единообразие профилей формы во всем массиве;in fig. 30 is a photograph of a close-up image of three different hollow microneedles shown in FIG. 29, showing high uniformity of shape profiles throughout the array;

на фиг. 31 показан результат испытания введением и вставленное изображение РЭМ использованного массива микроигл;in fig. 31 shows the result of the injection test and the inserted SEM image of the used microneedle array;

на фиг. 32A показаны данные из испытания на смещение усилием перпендикулярных микроигл в примере 4;in fig. 32A shows data from the force displacement test of perpendicular microneedles in Example 4;

на фиг. 32B показаны изображения перпендикулярных микроигл, представленных на фиг. 32A, показывающих (a) до; (b) поломку наконечника иглы; и (c) поломку основной части;in fig. 32B shows images of perpendicular microneedles shown in FIG. 32A showing (a) to; (b) needle tip breakage; and (c) failure of a major part;

на фиг. 33A показаны данные из испытания на смещение усилием угольных микроигл в примере 4;in fig. 33A shows data from a force displacement test on carbon microneedles in Example 4;

на фиг. 33B показаны изображения угольных микроигл, представленных на фиг. 33A, показывающих (a) до; (b) поломку наконечника иглы; и (c) отсоединение от субстрата;in fig. 33B shows images of the carbon microneedles shown in FIG. 33A showing (a) to; (b) needle tip breakage; and (c) detachment from the substrate;

на фиг. 34A показаны данные из применения синфазной и несинфазной силы на угольные микроиглы в примере 4; и на фиг. 34B показаны изображения, отображающие направление применения силы для несинфазного испытания и синфазного испытания.in fig. 34A shows data from applying in-phase and out-of-phase force to carbon microneedles in Example 4; and in fig. 34B shows images showing the direction of application of force for the out-of-phase test and the in-phase test.

- 3 045047- 3 045047

Подробное описаниеDetailed description

Более подробно, ссылаясь на фиг. 1, процесс включает обеспечение в целом плоского субстрата 10, имеющего верхнюю поверхность 12 и заднюю поверхность 14. Субстрат 10 обычно является прозрачным по существу прозрачным для обеспечения возможности пропускания активирующего излучения через субстрат 10. Подходящие субстраты включают стекло, плавленый кварц, полимеры или пластмассы (акриловые соединения, органическое стекло и т.д.) и т.п. Субстрат 10 дополнительно содержит шаблон (например, фотомаску), имеющий открытые области 16, выполненные с возможностью обеспечения прохождения излучения, и сплошные (непрозрачные) области 18, выполненные с возможностью предотвращения или блокировки прохождения излучения. Шаблон может быть образован как единое целое в качестве части самого субстрата, как показано на фиг. 1, или шаблон может быть отдельным структурированным слоем, смежным с верхней поверхностью и/или задней поверхностью субстрата. В одном или более вариантах осуществления шаблон может содержать массив разнесенных отверстий (окошек), распределенных по поверхности. Следует понимать, что геометрическая форма и размер (например, ширина или диаметр) отверстий может быть выбрана по желанию для генерирования микроструктур, имеющих желаемую геометрическую форму, как будет показано более подробно ниже. Обычно, в контексте настоящего изобретения, отверстия имеют микроскопический размер, что означает, что они имеют максимальный размер вплоть до 1000 мкм, при этом размер относится к максимальному размеру от кромки до кромки (например, диаметр в случае круглых отверстий, максимальная ширина в случае прямоугольных отверстий, или от кончика до кончика в случае звезд).In more detail, referring to FIG. 1, the process involves providing a generally flat substrate 10 having a top surface 12 and a back surface 14. The substrate 10 is typically transparent, substantially transparent to allow activating radiation to pass through the substrate 10. Suitable substrates include glass, fused silica, polymers, or plastics ( acrylic compounds, organic glass, etc.) etc. The substrate 10 further includes a template (eg, a photomask) having open areas 16 configured to allow radiation to pass through and solid (opaque) areas 18 configured to prevent or block radiation from passing through. The template may be formed as a whole as part of the substrate itself, as shown in FIG. 1, or the template may be a separate structured layer adjacent to the top surface and/or back surface of the substrate. In one or more embodiments, the pattern may comprise an array of spaced holes (windows) distributed over the surface. It should be understood that the geometric shape and size (eg, width or diameter) of the holes can be selected as desired to generate microstructures having the desired geometric shape, as will be discussed in more detail below. Typically, in the context of the present invention, the holes have a microscopic size, which means that they have a maximum size of up to 1000 μm, where the size refers to the maximum dimension from edge to edge (for example, diameter in the case of round holes, maximum width in the case of rectangular holes, or tip to tip in the case of stars).

Как изображено на фиг. 1(B), светочувствительную смолу 20 в жидком состоянии затем наносят на верхнюю поверхность 12 субстрата 10 для создания на ней покрывающего слоя. Светочувствительную смолу 20 предпочтительно наносят с толщиной (измеренной от верхней поверхности 12 субстрата 10), которая больше, чем желаемая высота структур, подлежащих образованию. Как правило, толщина покрывающего слоя находится в диапазоне от приблизительно 50 мкм до приблизительно 9 мм. В контексте данного документа смола относится к различным мономерным, олигомерным и/или полимерным композициям, которые обычно содержат мономеры, олигомеры и/или полимеры, рассеянные в сольвосистеме вместе с необязательными фотоинициаторами. Такие светочувствительные смолы известны в данной области техники, включая композиции, традиционно используемые для фоторезистов с негативным тоном при изготовлении микроэлектроники, а также смолы для трехмерной печати. Примеры смол включают различные эпоксидные смолы, акрилаты, полиуретаны, метакрилатные олигомеры, мономеры, или полимеры, метакрилаты уретана, оксид дифенил (2,4,6-триметилбензоил)фосфина, глицидиловый эфир бисфенола A новолак (коммерческое наименование SU-8) и т.п. Вязкость композиции можно регулировать с использованием растворителей, таких как у-бутиролактон (GBL) или ацетат метилового эфира пропиленгликоля (PGMEA), изопропиловый спирт (IPA), и т.п. Например, вязкость смолы можно регулировать по желанию для изменения формы наконечника структуры. Например, менее вязкая жидкая смола имеет склонность образовывать меньший угол основания и больший угол вершины, в то время как те, что имеют более высокую вязкость, имеют склонность образовывать больший угол основания и меньший угол вершины. Однако могут быть использованы практически любые светлые жидкие смолы с фотореакционной способностью, включая те, в которые добавлены фотоинициаторы, такие как акриловые и/или метакриловые кислые эфиры с фотоинициатором (например, феноны, такие как бензофеноны, ацетофеноны, а также окиси фосфина, фосфинаты и т.д.). Фотоинициаторы коммерчески доступны, включая торговую марку Irgacure, а также соли триарилсульфония (например, Cyracure UVI, Union Carbide Corp.). Светочувствительные смолы растительного происхождения также коммерчески доступны. В некоторых вариантах осуществления используют прозрачную смолу. В некоторых вариантах осуществления можно использовать полупрозрачную смолу. В некоторых вариантах осуществления смола может быть непрозрачной и быть выполнена в любом количестве доступных цветов.As shown in FIG. 1(B), the photosensitive resin 20 in a liquid state is then applied to the top surface 12 of the substrate 10 to form a coating layer thereon. The photosensitive resin 20 is preferably applied at a thickness (measured from the top surface 12 of the substrate 10) that is greater than the desired height of the structures to be formed. Typically, the thickness of the coating layer is in the range from about 50 μm to about 9 mm. As used herein, resin refers to various monomer, oligomer and/or polymer compositions that typically contain monomers, oligomers and/or polymers dispersed in a solvo system along with optional photoinitiators. Such photosensitive resins are known in the art, including compositions traditionally used for negative tone photoresists in microelectronics fabrication, as well as resins for 3D printing. Examples of resins include various epoxy resins, acrylates, polyurethanes, methacrylate oligomers, monomers, or polymers, urethane methacrylates, diphenyl (2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphine oxide, bisphenol A glycidyl ether novolac (trade name SU-8), etc. P. The viscosity of the composition can be adjusted using solvents such as y-butyrolactone (GBL) or propylene glycol methyl ether acetate (PGMEA), isopropyl alcohol (IPA), and the like. For example, the viscosity of the resin can be adjusted at will to change the tip shape of the structure. For example, less viscous liquid resin tends to form a smaller base angle and a larger tip angle, while those with higher viscosity tend to form a larger base angle and a smaller tip angle. However, virtually any light-colored liquid photoreactive resins can be used, including those to which photoinitiators have been added, such as acrylic and/or methacrylic acid esters with photoinitiator (e.g., phenones such as benzophenones, acetophenones, as well as phosphine oxides, phosphinates, and etc.). Photoinitiators are commercially available, including the trade name Irgacure, as well as triarylsulfonium salts (eg, Cyracure UVI, Union Carbide Corp.). Photosensitive resins of plant origin are also commercially available. In some embodiments, a clear resin is used. In some embodiments, a translucent resin may be used. In some embodiments, the resin may be opaque and come in any number of available colors.

Затем на смолу воздействуют активирующим излучением подходящей длины волны и энергоинтенсивности. Как показано на фиг. 1(C), на субстрат 10 и смолу 20 воздействуют с задней стороны субстрата в направлении снизу вверх. То есть субстрат 10 со слоем 20 смолы помещают над источником излучения (света) так, что источник излучения воздействует на заднюю сторону субстрата и передается через субстрат с задней стороны на верхнюю поверхность и затем в светочувствительную смолу. Следует понимать, что вся структура может быть перевернута и все еще считаться снизу вверх, до тех пор, пока источник излучения воздействует на структуру с задней стороны субстрата, как описано.The resin is then exposed to activating radiation of a suitable wavelength and energy intensity. As shown in FIG. 1(C), the substrate 10 and the resin 20 are affected from the rear side of the substrate in a bottom-up direction. That is, the substrate 10 with the resin layer 20 is placed above the radiation source (light) so that the radiation source acts on the back side of the substrate and is transmitted through the substrate from the back side to the top surface and then into the photosensitive resin. It should be understood that the entire structure can be inverted and still be considered from the bottom up, as long as the radiation source is applied to the structure from the rear side of the substrate, as described.

Предпочтительно источник излучения содержит коллимирующую линзу, которая направляет излучение так, что направление распространения потока энергии (света) является параллельным и входит в субстрат под углом падения, перпендикулярным задней поверхности субстрата, и, соответственно, в светочувствительную смолу. По мере прохождения излучения через открытые области шаблона оно затем проникает и распространяется через слой светочувствительной смолы в направлении в целом от верхней поверхности 12 субстрата 10, создавая облучаемые светом части и необлучаемые части слоя смолы. В частности, дифракция возникает с разбросом интенсивности излучения так, что центральный участок излучения в каждом отверстии имеет более высокую интенсивность, которая постепенно уменьшается возле кромки отверстия. Следует понимать, что большая часть смолы может получать некоторую дозуPreferably, the radiation source includes a collimating lens that directs the radiation such that the direction of propagation of the energy (light) flow is parallel and enters the substrate at an angle of incidence perpendicular to the back surface of the substrate, and accordingly, the photosensitive resin. As radiation passes through the open areas of the template, it then penetrates and propagates through the photosensitive resin layer generally away from the top surface 12 of the substrate 10, creating light-irradiated portions and non-irradiable portions of the resin layer. In particular, diffraction occurs with a spread of radiation intensity such that the central region of radiation in each hole has a higher intensity, which gradually decreases near the edge of the hole. It should be understood that most resin may receive some dose

- 4 045047 воздействия излучения, поэтому необлучаемые части просто относится к тем частям слоя смолы, которая получила недостаточную дозу для индуцирования сшивания и/или фотополимеризации. Дифрагированное излучение полимеризирует жидкую светочувствительную смолу после того, как энергия распространенного излучения в облучаемых светом частях накапливается выше пороговой энергии полимеризации светочувствительной смолы к моменту воздействия с постоянной интенсивностью излучения. Облучаемые светом части сшиваются и/или полимеризуются так, что смола в жидком состоянии преобразуется в структуру 22 из смолы в твердом состоянии в этих частях. Этот переход сопровождается изменением в показателе преломления смолы по мере ее сшивания и/или фотополимеризации. Это изменение в показателе преломления аналогично меняет путь распространения излучения (т. е. управляет профилем луча) по мере его перемещения глубже в слой смолы. В частности, разница в показателе преломления между структурами 22 из смолы в твердом состоянии и окружающей смолой в жидком состоянии создает барьер для дифракции на границе раздела, тем самым ограничивая и направляя траекторию распространения излучения. Ввиду этого получаемые структуры 22 из смолы в твердом состоянии имеют в целом сужающуюся структуру, в которой основание сшитой и/или фотополимеризованной структуры больше, чем верхняя часть структуры (также называемой наконечником структуры). Такие структуры изначально определяются первой высотой (h1), измеренной от верхней поверхности субстрата до наконечника.- 4 045047 exposure to radiation, so the non-irradiated parts simply refers to those parts of the resin layer that have received an insufficient dose to induce cross-linking and/or photopolymerization. Diffracted radiation polymerizes the liquid photosensitive resin after the energy of the propagated radiation in the light-irradiated parts accumulates above the threshold polymerization energy of the photosensitive resin at the time of exposure to a constant radiation intensity. The light-irradiated parts are cross-linked and/or polymerized so that the liquid state resin is converted into a solid state resin structure 22 in these parts. This transition is accompanied by a change in the refractive index of the resin as it crosslinks and/or photopolymerizes. This change in refractive index similarly changes the propagation path of the radiation (i.e., controls the beam profile) as it travels deeper into the resin layer. In particular, the difference in refractive index between the solid-state resin structures 22 and the surrounding liquid-state resin creates a barrier to interfacial diffraction, thereby limiting and directing the radiation propagation path. In view of this, the resulting solid state resin structures 22 have a generally tapered structure in which the base of the cross-linked and/or photopolymerized structure is larger than the top of the structure (also called the tip of the structure). Such structures are initially defined by a first height (h1), measured from the top surface of the substrate to the tip.

По мере индуцирования излучением дальнейшего сшивания и/или фотополимеризации в смежных участках слоя смолы эти сшитые и/или фотополимеризованные участки затем действуют как волновод или линза с ограничением и дополнительной фокусировкой излучения, при этом поперечное сечение пути излучения уменьшается с расстоянием распространения от источника света, сходясь в точке (например, луч излучения становится самофокусирующимся). Излучение демонстрирует центрическую интенсивность излучения, при которой интенсивность выше через центр отверстия, чем по краям, что позволяет ему распространяться дальше в слой смолы. Как проиллюстрировано на фиг. 1(D), самофокусировка излучения и последующее сшивание и/или фотополимеризация в смежных участках приводит к дальнейшему удлинению наконечника структуры. С дополнительным временем воздействия, получаемые структуры 22' могут быть определены второй высотой (h2), которая больше, чем первая высота (h1).As radiation induces further cross-linking and/or photopolymerization in adjacent areas of the resin layer, these cross-linked and/or photopolymerized areas then act as a waveguide or lens to limit and further focus the radiation, with the cross-section of the radiation path decreasing with propagation distance from the light source, converging at a point (for example, the radiation beam becomes self-focusing). The radiation exhibits centric radiation intensity, where the intensity is higher through the center of the hole than at the edges, allowing it to propagate further into the resin layer. As illustrated in FIG. 1(D), self-focusing of radiation and subsequent cross-linking and/or photopolymerization in adjacent areas leads to further elongation of the tip of the structure. With additional exposure time, the resulting structures 22' can be defined by a second height (h 2 ) that is greater than the first height (h1).

Как проиллюстрировано в рабочих примерах, высота и форма конуса могут быть изменены применяемой энергией с точки зрения интенсивности излучения и времени воздействия. Большее воздействие создает вторичные и третичные гармонические структуры, так как первая затвердевшая коническая форма действует как световые каналы или линзы метасостояния с созданием вторичной элипсоидной формы на вершине изначально образованного конуса, как проиллюстрировано на фиг. 2. Как дополнительно проиллюстрировано в рабочих примерах, микроструктуры могут иметь боковые стенки с различными углами заострения. То есть дифракция излучения по мере его распространения через смолу может привести к образованию боковых стенок с переменными наклоняющимися и отклоняющимися углами, что приведет к образованию большего количества ромбовидных наконечников вместо стабильного заострения. Термин заострение в контексте данного документа охватывает все структуры, имеющие относительное заострение от основания до острого наконечника (высшая точка или вершина), и предпочтительно острый наконечник, причем основание шире, чем наконечник, и не ограничено только коническими или пирамидальными формами, имеющими стабильное заострение боковой стенки. Преимущественно эти сложные формы и микроиглы могут быть образованы всего лишь продлением времени воздействия и соответствующей дозой энергии, примененной к смоле, используя одно воздействие, что означает, что этап воздействия не нужно начинать и останавливать для смены положения субстрата или фотомаски или применения излучения с другого угла и т.д. Вместо этого этап воздействия в предлагаемом способе непрерывно применяют до образования желаемой формы.As illustrated in the worked examples, the height and shape of the cone can be changed by the applied energy in terms of radiation intensity and exposure time. Greater impact creates secondary and tertiary harmonic structures as the first solidified cone shape acts as light channels or metastate lenses to create a secondary ellipsoidal shape at the apex of the initially formed cone, as illustrated in FIG. 2. As further illustrated in the worked examples, the microstructures may have side walls with different taper angles. That is, diffraction of radiation as it propagates through the resin can result in sidewalls with variable tilting and deflecting angles, resulting in more diamond-shaped tips instead of a stable point. The term taper as used herein covers all structures that are relatively tapered from base to tip (highest point or apex), and preferably a tip where the base is wider than the tip, and is not limited to conical or pyramidal shapes having a stable lateral taper. walls. Advantageously, these complex shapes and microneedles can be formed by simply extending the exposure time and an appropriate dose of energy applied to the resin using a single exposure, meaning that the exposure step does not need to be started and stopped to change the position of the substrate or photomask or apply radiation from a different angle etc. Instead, the exposure step in the proposed method is continuously applied until the desired shape is formed.

Следует понимать, что различные светочувствительные смолы имеют разные требования относительно энергии сшивания. Кроме того, инструменты для воздействия излучением имеют разные возможности, относящиеся к интенсивности света. Как правило примененная энергия или доза (мДж/см2) представляет наиболее важный параметр для расчета сшивания. Доза = интенсивность (мВт/см2)хвремя (секунды). Таким образом, при более высокой интенсивности света время воздействия можно уменьшить для достижения такой же примененной энергии (дозы). Аналогично, при более низкой интенсивности можно использовать большее время воздействия для достижения необходимой дозы энергии. Как правило длина волны воздействия может находиться в диапазоне от 300 до приблизительно 450 нм для периода времени от приблизительно 1 с до приблизительно 1 ч, предпочтительно от приблизительно 10 с до приблизительно 30 мин. Как правило примененная доза энергии будет находиться в диапазоне от 5 до приблизительно 100 000 мДж/см2. Следует также понимать, что информация о дозе может быть в открытом доступе или может быть определена экспериментально для калибровки процесса изготовления для определенной выбранной смолы без отклонения от сущности изобретения.It should be understood that different photosensitive resins have different crosslinking energy requirements. In addition, radiation exposure instruments have different capabilities related to light intensity. Typically, the applied energy or dose (mJ/cm 2 ) represents the most important parameter for crosslinking calculations. Dose = intensity (mW/cm 2 ) x time (seconds). Thus, at higher light intensities, the exposure time can be reduced to achieve the same applied energy (dose). Likewise, at lower intensities, longer exposure times can be used to achieve the required energy dose. Typically, the exposure wavelength may be in the range of 300 to about 450 nm for a period of time from about 1 second to about 1 hour, preferably from about 10 seconds to about 30 minutes. Typically, the energy dose applied will be in the range of 5 to approximately 100,000 mJ/cm 2 . It should also be understood that dose information may be publicly available or may be determined experimentally to calibrate the manufacturing process for a particular selected resin without departing from the spirit of the invention.

После того как желаемая структура 22' была образована, структуры могут быть получены посредством промывания субстрата подходящей сольвосистемой для удаления несшитой или неполимеризованной смолы, оставшейся на субстрате. Подходящие растворители включают изопропанол (IPA), ацетон и водные композиции (например, деионизированная вода и т.д.) и т.п. Механическое перемешивание (на- 5 045047 пример, планетарное встряхивание) можно использовать для содействия растворению непрореагировавшей смолы. Затем субстрат можно высушить с получением субстрата с множеством микроструктур 22', образованных на нем (фиг. 1(E)).Once the desired structure 22' has been formed, the structures can be obtained by washing the substrate with a suitable solvo system to remove uncrosslinked or unpolymerized resin remaining on the substrate. Suitable solvents include isopropanol (IPA), acetone and aqueous compositions (eg, deionized water, etc.), and the like. Mechanical agitation (for example, planetary shaking) can be used to help dissolve unreacted resin. The substrate can then be dried to obtain a substrate with a plurality of microstructures 22' formed thereon (FIG. 1(E)).

Следует понимать, что этот процесс содействует образованию точных микроструктур при помощи одного этапа воздействия и/или одной фотомаски. Более того, заостренную форму микроструктуры можно получить без сложного оборудования. Например, в процессе субстрат предпочтительно представляет собой плоский субстрат. Предпочтительно субстрат остается ровным или находится под фиксированным углом во время литографии. Более того, субстрат предпочтительно остается неподвижным во время литографии микроструктуры. То есть в предпочтительных вариантах осуществления не является необходимым наклонять, вращать или как-либо иначе перемещать субстрат во время этапа воздействия для образования заостренных микроструктур.It should be understood that this process promotes the formation of precise microstructures using a single exposure step and/or a single photomask. Moreover, the sharpened shape of the microstructure can be obtained without complex equipment. For example, in the process the substrate is preferably a flat substrate. Preferably, the substrate remains flat or at a fixed angle during lithography. Moreover, the substrate preferably remains stationary during microstructure lithography. That is, in preferred embodiments, it is not necessary to tilt, rotate, or otherwise move the substrate during the exposure step to form pointed microstructures.

Получаемые микроструктуры обычно характеризуются заостренным стержнем. Более предпочтительно ширина или диаметр микроструктур являются наибольшими на конце у основания микроструктуры, смежном с субстратом, и сужается до точки на конце, отдаленном от основания. В зависимости от формы шаблона, используемого для образования структур, микроструктуры могут быть образованы со стержнями, имеющими круглые геометрические конфигурации поперечного сечения (в форме конуса), или любую другую желаемую форму, включая квадратное основание (пирамидальное), в форме звезды, треугольное, продолговатое и т.д. Угол заострения также может различаться. Как упомянуто в испытании на сжатие ниже, чем круче угол, тем острее наконечник. В зависимости от целевого назначения, острота наконечника может быть сбалансирована прочностью структуры. Обычно, если угол высшей точки слишком мал (например, <30°), то микроструктура может легко поломаться при применении силы. Однако следует также понимать, что предел прочности также предопределяется конкретным материалом, используемым для изготовления микроструктур, а также общим размером/шириной наконечника. В одном или более вариантах осуществления процесс можно использовать для изготовления структур с таким размером (размер от кромки до кромки, т.е. диаметр), который измерен у основания, от приблизительно 5 мкм до приблизительно 1000 мкм, более предпочтительно от приблизительно 50 мкм до приблизительно 300 мкм. Высота микроструктур, при измерении от поверхности субстрата до наконечника, может находиться в диапазоне от приблизительно 30 мкм до приблизительно 9 мм, более предпочтительно от приблизительно 300 мкм до приблизительно 1000 мкм. Время воздействия обычно составляет менее 1 часа, еще более предпочтительно менее 45 мин, и еще более предпочтительно менее 30 минут.The resulting microstructures are typically characterized by a pointed shaft. More preferably, the width or diameter of the microstructures is greatest at the end at the base of the microstructure adjacent to the substrate and tapers to a point at the end distal from the base. Depending on the shape of the template used to form the structures, microstructures can be formed with rods having circular geometric cross-sectional configurations (cone-shaped), or any other desired shape, including square base (pyramidal), star-shaped, triangular, oblong etc. The angle of the taper may also vary. As mentioned in the compression test below, the steeper the angle, the sharper the tip. Depending on the intended purpose, the sharpness of the tip can be balanced by the strength of the structure. Typically, if the apex angle is too small (eg <30°), the microstructure can easily break when force is applied. However, it should also be understood that the tensile strength is also determined by the specific material used to make the microstructures, as well as the overall size/width of the tip. In one or more embodiments, the process can be used to produce structures with a size (edge-to-edge size, i.e., diameter), as measured at the base, from about 5 μm to about 1000 μm, more preferably from about 50 μm to approximately 300 µm. The height of the microstructures, measured from the surface of the substrate to the tip, can range from about 30 μm to about 9 mm, more preferably from about 300 μm to about 1000 μm. The exposure time is typically less than 1 hour, even more preferably less than 45 minutes, and even more preferably less than 30 minutes.

Более того, что также представлено в рабочих примерах, этот процесс может быть дополнительно изменен для получения желаемой формы микроструктуры. Например, полые микроструктуры могут быть образованы с использованием шаблона, в котором отверстия имеют сплошную сердцевину для предотвращения пропускания света, и, соответственно, предотвращения сшивания и/или фотополимеризации в этом центральном участке. Ввиду этого излучение пропускается через кольцевой зазор в маске и отверждает соответствующую часть смолы, смежной с шаблоном маски. При удалении несшитой или неполимеризованной смолы получаемые структуры являются полыми с по существу кольцевым отверстием или каналом, проходящим от основания структуры до наконечника. Микроструктуры могут быть изготовлены с возможностью прохождения в сторону от верхней поверхности 12 субстрата в по существу перпендикулярном направлении. Альтернативно, как также продемонстрировано в примерах, они могут быть изготовлены под углом к поверхности 12 субстрата. В зависимости от использованного шаблона массив микроструктур может быть изготовлен на всем субстрате одним процессом воздействия, имеющем смесь разных геометрических конфигураций и/или размеров и/или углов с использованием шаблона, имеющего отверстия с разными размерами и/или формами.Moreover, as also presented in the working examples, this process can be further modified to obtain the desired microstructure shape. For example, hollow microstructures can be formed using a template in which the holes have a solid core to prevent the transmission of light, and therefore prevent cross-linking and/or photopolymerization in this central region. In view of this, radiation is passed through the annular gap in the mask and cures the corresponding part of the resin adjacent to the mask template. When the uncrosslinked or unpolymerized resin is removed, the resulting structures are hollow with a substantially annular hole or channel extending from the base of the structure to the tip. The microstructures may be fabricated to extend away from the top surface 12 of the substrate in a substantially perpendicular direction. Alternatively, as also demonstrated in the examples, they can be manufactured at an angle to the surface 12 of the substrate. Depending on the template used, an array of microstructures can be produced on the entire substrate with a single exposure process having a mixture of different geometric configurations and/or sizes and/or angles using a template having holes with different sizes and/or shapes.

Дополнительные изменения включают применение одного или более промежуточных слоев, смежных с верхней поверхностью 12 субстрата, перед нанесением светочувствительной смолы. Такие промежуточные слои могут содействовать отрыву микроструктур. Промежуточные слои также можно использовать для дополнительной доработки направления распространения активирующего излучения в слой смолы или шаблон, используемый для предотвращения пропускания. Промежуточные слои могут быть жесткими или гибкими. Теневая маска представлена в примерах исключительно как один пример таких промежуточных слоев. Например, промежуточный слой может быть нанесен на субстрат, при этом промежуточный слой имеет (например, заранее образованное, или может быть структурирован in situ так, чтобы иметь) соответствующее отверстие, которое располагается вровень с массивом отверстий на субстрате. В случае полых микроструктур промежуточный слой может обеспечивать или стабилизировать образование внутренней боковой стенки и полого просверленного отверстия через микроструктуру во время дифракционной литографии и гарантировать, что полое просверленное отверстие проходит от основания структуры через наконечник. Промежуточный слой в этом варианте осуществления также содействует отрыву структурированного массива микроструктур после литографии и нарастания, так как он стабилизирует образованные структуры. В дополнительном варианте осуществления промежуточный слой может быть нанесен на субстрат как планаризирующий слой. То есть, несмотря на то, что плоские субстраты представлены в данном документе в качестве примера, поверхность субстрата может быть неплоской, с одним или более изменением высоты на поверхности субстрата. Более того, фотомаска мо- 6 045047 жет сама быть промежуточным слоем с неплоской поверхностью (например, открытыми отверстиями и сплошными частями). Следует понимать, что определенные изменения структур или маски поверхности субстрата можно использовать для изменения характеристик микроструктур, подлежащих образованию, посредством изменения пути света во время процесса воздействия. Таким образом, промежуточный слой может быть нанесен на поверхность субстрата (или фотомаску) для предварительной планаризации слоя перед нанесением светочувствительной смолы.Additional modifications include the use of one or more intermediate layers adjacent to the top surface 12 of the substrate prior to application of the photosensitive resin. Such intermediate layers can promote the detachment of microstructures. Intermediate layers can also be used to further refine the direction of propagation of the activating radiation into the resin layer or template used to prevent transmission. Intermediate layers can be rigid or flexible. The shadow mask is presented in the examples solely as one example of such intermediate layers. For example, the intermediate layer may be applied to a substrate, wherein the intermediate layer has (eg, preformed, or may be structured in situ to have) a corresponding aperture that is flush with the array of apertures on the substrate. In the case of hollow microstructures, the intermediate layer can provide or stabilize the formation of an inner sidewall and hollow drill hole through the microstructure during diffraction lithography and ensure that the hollow drill hole extends from the base of the structure through the tip. The intermediate layer in this embodiment also facilitates the lifting of the structured array of microstructures after lithography and overgrowth, since it stabilizes the formed structures. In a further embodiment, the intermediate layer can be applied to the substrate as a planarization layer. That is, although planar substrates are presented herein by way of example, the surface of the substrate may be non-planar, with one or more height changes on the surface of the substrate. Moreover, the photomask may itself be an intermediate layer with a non-flat surface (eg open holes and solid parts). It should be understood that certain changes in the structures or masks of the substrate surface can be used to change the characteristics of the microstructures to be formed by changing the path of light during the exposure process. Thus, an intermediate layer can be applied to the surface of the substrate (or photomask) to pre-planarize the layer before applying the photosensitive resin.

Следует также понимать, что получаемые в результате микроструктуры можно использовать как матрицу для традиционной микроформовки для дальнейшего изготовления дополнительных структур микромассивов с использованием методик, не связанных с литографией. Например, субстрат и микроструктуры можно использовать для создания полидиметилсилоксановых (PDMS) форм (негативов), которые затем можно использовать для изготовления микроструктур с использованием разнообразных нечувствительных к свету полимерных композиций с использованием штамповки. В этом варианте осуществления PDMS наносят на образованные дифракционной литографией микроструктуры и отверждают с образованием негативной формы. Затем эту негативную форму можно использовать для образования соответствующих массивов микроструктур с использованием различных полимеров (например, нечувствительных к свету смол) посредством нанесения жидкой смолы на негативную форму, отвердения смолы и отслаивания формы из PDMS. Следует понимать, что вариант последующего процесса микроформовки расширяет возможные системы смол, из которых могут быть изготовлены микроструктуры, так что получаемые в результате структуры не ограничены светочувствительными смолами. Например, затем микроиглы можно изготовить с использованием микроформовки из разнообразных биоразлагаемых материалов (например, для микроигл с покрытием и/или растворяющихся микроигл), а также из различных гидрогелей.It should also be understood that the resulting microstructures can be used as a template for conventional micromolding to further fabricate additional microarray structures using techniques other than lithography. For example, the substrate and microstructures can be used to create polydimethylsiloxane (PDMS) molds (negatives), which can then be used to fabricate microstructures using a variety of light-insensitive polymer compositions using stamping. In this embodiment, PDMS is applied to microstructures formed by diffraction lithography and cured to form a negative shape. This negative mold can then be used to form corresponding arrays of microstructures using various polymers (e.g., light-insensitive resins) by applying liquid resin to the negative mold, curing the resin, and peeling off the PDMS mold. It should be understood that the subsequent micromolding process option expands the possible resin systems from which microstructures can be made so that the resulting structures are not limited to photosensitive resins. For example, microneedles can then be manufactured using micromolding from a variety of biodegradable materials (eg, coated microneedles and/or dissolving microneedles) as well as various hydrogels.

Получаемые в результате микроструктуры, образованные посредством дифракционной литографии (или последующей микроформовки), имеют разнообразие потенциальных применений, в том числе в качестве микроигл как для медицинских/клинических, так и для косметических применений, микрозондов для стимуляции или обнаружения электрических сигналов, а также для стимуляции или обнаружения света. Используя те же принципы, что и для их изготовления, микроструктуры можно использовать как световые волноводы, и свет, пропущенный через микроконус, будет попадать на наконечник микроконуса.The resulting microstructures formed through diffraction lithography (or subsequent micromolding) have a variety of potential applications, including as microneedles for both medical/clinical and cosmetic applications, microprobes for stimulation or detection of electrical signals, and or light detection. Using the same principles used to make them, the microstructures can be used as light waveguides, and light passed through the microcone will hit the tip of the microcone.

Дополнительные преимущества различных вариантов осуществления настоящего изобретения станут понятны специалистам в данной области техники после рассмотрения приведенного в данном документе описания и рабочих примеров ниже. Следует понимать, что различные варианты осуществления, описанные в данном документе, необязательно взаимоисключающие, если иное не указано в данном документе. Например, свойство, описанное или отображенное в одном варианте осуществления, может также быть включено в другие варианты осуществления, но включение не является обязательным. Таким образом, настоящее изобретение охватывает разнообразные сочетания и/или интеграции конкретных вариантов осуществления, описанных в данном документе.Additional advantages of various embodiments of the present invention will become apparent to those skilled in the art upon consideration of the description provided herein and the working examples below. It should be understood that the various embodiments described herein are not necessarily mutually exclusive unless otherwise indicated herein. For example, a feature described or displayed in one embodiment may also be included in other embodiments, but inclusion is not required. Thus, the present invention covers various combinations and/or integrations of the specific embodiments described herein.

В контексте данного документа фраза и/или, при использовании в списке из двух или более пунктов, означает, что любой из перечисленных пунктов может быть применен сам по себе, или что может быть применено любое сочетание из двух или более из перечисленных пунктов. Например, если композиция описана как такая, которая содержит или исключает компоненты A, B, и/или C, композиция может содержать или исключать только A; только B; только C; A и B в сочетании; A и C в сочетании; B и C в сочетании; или A, B, и C в сочетании.As used herein, the phrase and/or, when used in a list of two or more items, means that any of the items listed may be applied by itself, or that any combination of two or more of the items listed may be applied. For example, if a composition is described as including or excluding components A, B, and/or C, the composition may contain or exclude only A; B only; C only; A and B combined; A and C combined; B and C combined; or A, B, and C in combination.

В настоящем описании также использованы диапазоны числовых значений для количественной оценки определенных параметров, относящихся к различным вариантам осуществления настоящего изобретения. Следует понимать, что если предоставлены диапазоны числовых значений, то такие диапазоны следует подразумевать как обеспечивающие дословное обоснование для ограничений пункта формулы изобретения, в которых изложено только самое низкое значение диапазона, а также ограничений пункта формулы изобретения, в которых изложено только самое высокое значение диапазона. Например, раскрытый диапазон числовых значений от приблизительно 10 до приблизительно 100 обеспечивает дословное обоснования для пункта формулы изобретения, в котором изложено больше чем приблизительно 10 (без верхних пределов) и пункта формулы изобретения, в котором изложено меньше чем приблизительно 100 (без нижних пределов).The present description also uses ranges of numerical values to quantify certain parameters related to various embodiments of the present invention. It should be understood that where ranges of numerical values are provided, such ranges should be understood to provide verbatim support for claim limitations that set forth only the lowest value of the range, as well as claims limitations that set forth only the highest value of the range. For example, the disclosed numerical range from about 10 to about 100 provides verbatim support for claims that claim more than about 10 (no upper limits) and claims that claim less than about 100 (no lower limits).

ПримерыExamples

В приведенных ниже примерах представлены способы в соответствии с настоящим изобретением. Однако следует понимать, что эти примеры предоставлены в качестве иллюстрации и ничто в них не следует понимать как ограничение общего объема настоящего изобретения.The following examples present methods in accordance with the present invention. However, it should be understood that these examples are provided by way of illustration and nothing therein should be construed as limiting the general scope of the present invention.

Введение.Introduction.

В этой методике описан способ литографии с использованием самофокусирующегося дифракционного ультрафиолета (УФ) для изготовления различных структур в виде микроигл конической формы. Общий процесс проиллюстрирован на фиг. 1. Прямое воздействие УФ светочувствительной смолы в жидком состоянии через фотомаску генерирует уникальную дифракционную картину света, в которойThis technique describes a lithography method using self-focusing diffractive ultraviolet (UV) to fabricate various conical-shaped microneedle structures. The general process is illustrated in FIG. 1. Direct exposure of the UV photosensitive resin in liquid state through a photomask generates a unique diffraction pattern of light in which

- 7 045047 открытая область светочувствительной смолы становится структурами в виде игл. Изменение состояния смолы из жидкого в твердое фотополимеризацией и/или сшиванием меняет показатель преломления светочувствительной смолы так, что фотополимеризованная смола действует как световой волновод для направления и фокусировки света по мере его распространения через смолу для создания нового острого наконечника на вершине конуса. Удаление неотвердевшей смолы оставляет после себя формы микроконуса. Более подробно, используют колимированный свет, который распространяется как плоская волна и дифрагируется при достижении отверстий в фотомаске. Распределение интенсивности дифрагированного света на противоположной стороне отверстий функционирует как Гауссовый профиль, также известный как дифракционный кружок, который имеет высокую интенсивность в центре отверстия и низкую на периферии. Светочувствительная смола в жидком состоянии сшивается/отверждается дифрагированным светом, образуя небольшой конус с Гауссовым профилем на отверстии. Отвержденная смола имеет более высокий показатель преломления, чем окружающая несшитая жидкая смола, в результате чего свет, который распространяется через твердую смолу, преломляется под углом, который шире угла падения по мере его прохождения через границу раздела твердое вещество-жидкость (которая образует боковую стенку микроконической структуры), и может даже отразиться обратно на границу раздела в конический световой профиль. Эта боковая стенка микроконической структуры действует как волновод и фокусирует весь свет в одной точке, что приводит к центрической интенсивности света, что повышает крутизну угла конуса и в итоге образует наконечник конуса в форме иглы (первая гармоническая составляющая).- 7 045047 the exposed area of the photosensitive resin becomes needle-like structures. Changing the state of the resin from liquid to solid by photopolymerization and/or cross-linking changes the refractive index of the light-sensitive resin such that the photopolymerized resin acts as a light waveguide to guide and focus the light as it propagates through the resin to create a new sharp tip at the top of the cone. Removing uncured resin leaves behind micro-cone shapes. In more detail, collimated light is used, which travels as a plane wave and is diffracted when it reaches holes in the photomask. The intensity distribution of diffracted light on the opposite side of the holes functions as a Gaussian profile, also known as a diffraction circle, which has high intensity at the center of the hole and low intensity at the periphery. The light-sensitive resin in its liquid state is cross-linked/cured by diffracted light to form a small cone with a Gaussian profile at the hole. The cured resin has a higher refractive index than the surrounding uncrosslinked liquid resin, causing light that travels through the solid resin to refract at an angle that is wider than the angle of incidence as it passes through the solid-liquid interface (which forms the side wall of the microconical structure), and may even be reflected back to the interface in a conical light profile. This sidewall of the microconical structure acts as a waveguide and focuses all the light at one point, resulting in centric light intensity, which increases the steepness of the cone angle and ultimately forms a needle-shaped tip of the cone (first harmonic component).

Как проиллюстрировано на фиг. 2, дополнительное воздействие УФ энергией может привести к удлинению конического наконечника и образованию вторичных и третичных форм гармонического конуса с разными геометрическими профилями. В частности, после образования первой гармонической составляющей острый наконечник первой гармонической составляющей действует как вторичное фокусирующее свет отверстие, в результате чего вторичная коническая структура может быть образована посредством более высокой интенсивности света в центре/на наконечнике образующей структуры. Форма микроиглы на этот момент является по существу оптимальной формой, которая имеет немного заостренную основную часть и равнобедренный треугольный наконечник с углом заострения приблизительно 30°. При дальнейшем применения энергии воздействия будет образована вторичная гармоническая структура, после которой следует образование третьей сердцевины и третичной гармонической составляющей.As illustrated in FIG. 2, additional exposure to UV energy can lead to elongation of the conical tip and the formation of secondary and tertiary harmonic cone shapes with different geometric profiles. Specifically, after the first harmonic component is formed, the sharp tip of the first harmonic component acts as a secondary light-focusing hole, whereby a secondary conical structure can be formed by a higher light intensity at the center/tip of the generating structure. The microneedle shape at this point is essentially the optimal shape, which has a slightly pointed main body and an isosceles triangular tip with a pointed angle of approximately 30°. With further application of the impact energy, a secondary harmonic structure will be formed, followed by the formation of a third core and a tertiary harmonic component.

Предложенный способ является уникальным и гибким, так как он обеспечивает возможность образования различных микроструктур в форме конуса с прямыми, угловатыми или изогнутыми боковыми стенками, такими как встроенный в наконечник конус и несколько гармонических конусов, имеющих разные высоты и формы основания, а также микроиглы с оптимальной формой, стандартные заостренные структуры в виде игл, или даже микроконические структуры с закругленными наконечниками посредством одного воздействия контровым светом на одной фотомаске. Высота и форма микроиглы могут быть модулирующими благодаря использованию разной энергии воздействия и материалов смолы. Фотография получаемой экспериментальной проверки УФ дифракции с использованием шаблона фотомаски 4x4 на 200 мкм показана на фиг. 3, где четко различимо образование микроконусов на поверхности субстрата.The proposed method is unique and flexible, as it allows the formation of various cone-shaped microstructures with straight, angular or curved side walls, such as a built-in tip cone and several harmonic cones having different heights and base shapes, as well as microneedles with optimal shape, standard pointed needle-like structures, or even microconical structures with rounded tips through a single backlight exposure on a single photomask. The height and shape of the microneedle can be modulated by using different impact energies and resin materials. A photograph of the resulting experimental UV diffraction test using a 4x4 200 µm photomask pattern is shown in FIG. 3, where the formation of microcones on the surface of the substrate is clearly visible.

Пример 1.Example 1.

При начальной постановке эксперимента предметное стекло с фотомаской, имеющей фотошаблон из нескольких отверстий, покрыли светочувствительной смолой. УФ-светодиод, накрытый колимированной линзой разместили под фотомаской. Жидкую светочувствительную смолу отливали на верхнюю часть фотомаски до тех пор, пока она не покрыла поверхность фотомаски, но удерживалась на месте посредством поверхностного натяжения. Выбираемая длина волны УФ-светодиода в диапазоне от 300 до 450 нм применима для этого изготовления. Светодиоды с пиковой длиной волн 365, 375, 385, 395 и 405 нм были испытаны и верифицированы как такие, которые образуют микроконусы. Каждая длина волны имеет разные оптические характеристики относительно светочувствительной смолы, включая характер прозрачности и рассеивания.During the initial setup of the experiment, a glass slide with a photomask containing a photomask of several holes was coated with a photosensitive resin. A UV LED covered with a collimated lens was placed under a photomask. Liquid photosensitive resin was cast onto the top of the photomask until it covered the surface of the photomask but was held in place by surface tension. Selectable UV LED wavelengths ranging from 300 to 450 nm are applicable for this fabrication. LEDs with peak wavelengths of 365, 375, 385, 395 and 405 nm have been tested and verified to form microcones. Each wavelength has different optical characteristics relative to the photosensitive resin, including transparency and scattering patterns.

Светлую смолу из Anycubic POT016 LCD UV 405 nm Rapid Resin использовали для одного изготовления с массивом фотомаски с отверстиями в 200 мкм. Толщина светочувствительной смолы на фотомаске составляла от приблизительно 2 мм, что толще целевой высоты микроконуса. Время воздействия светом различалось от 10 с до 30 мин при интенсивности УФ в 10 мВт/см2, в зависимости от целевого профиля конуса. После воздействия образец был выдержан в изопропиловом спирте (IPA) в течение 10 мин в планетарном встряхивателе при 20 об/мин для удаления неотвержденной смолы. После процесса наращивания IPA образец высушили для завершения процесса.A light resin from Anycubic POT016 LCD UV 405 nm Rapid Resin was used for one fabrication with a photomask array with 200 µm holes. The thickness of the photosensitive resin on the photomask ranged from approximately 2 mm, which is thicker than the target height of the microcone. Light exposure time varied from 10 s to 30 min at a UV intensity of 10 mW/ cm2 , depending on the target cone profile. After exposure, the sample was soaked in isopropyl alcohol (IPA) for 10 min in a planetary shaker at 20 rpm to remove uncured resin. After the IPA build-up process, the sample was dried to complete the process.

- 8 045047- 8 045047

Оптическая доза * для разных профилей микроконусаOptical dose * for different microcone profiles

Время в с Time in s Высота (мм) Height (mm) Наконечник Tip Длина наконечника Tip length Ширина наконечника Tip Width 5 5 0,407 0.407 отсутствует absent 10 10 0,594 0.594 отсутствует absent 30 thirty 0,739 0.739 отсутствует absent отсутствует absent отсутствует absent 65 65 0,808 0.808 почти образован almost educated отсутствует absent отсутствует absent 120 120 0,736 0.736 присутствует present 0,135 0.135 150 150 0,87 0.87 присутствует present 0,212 0.212 0,067 0.067 180 180 0,9 0.9 присутствует present 0,286 0.286 210 210 0,893 0.893 присутствует present 0,259 0.259 0,076 0.076 240 240 0,852 0.852 присутствует present 0,264 0.264 300 300 1,047 1.047 присутствует present 0,346 0.346 0,072 0.072 360 360 0,98 0.98 присутствует present 0,327 0.327 0,091 0.091 450 450 0,989 0.989 присутствует present 0,322 0.322 0,092 0.092

*Каждая доза при длине волны 365 нм через круглую маску в 200 мкм, интенсивность 10 мВт/см2.*Each dose at a wavelength of 365 nm through a 200 µm circular mask, intensity 10 mW/ cm2 .

Фотографии различных микроструктур, образованных при разном времени воздействия, показаны на фиг. 4. Как показано на изображениях на фиг. 5(A)-(B), в ходе начальных экспериментов удалось также изготовить вторичные гармонические конусы при дополнительном времени воздействия. Эти эксперименты проводили с использованием фотомаски в 120 мкм.Photographs of various microstructures formed at different exposure times are shown in FIG. 4. As shown in the images in FIGS. 5(A)-(B), initial experiments were also able to produce secondary harmonic cones with additional exposure time. These experiments were performed using a 120 μm photomask.

Пример 2.Example 2.

Дифракционная литография для трехмерного изготовления микроиглыDiffraction lithography for 3D microneedle fabrication

Стратегии образования твердых и полых микроструктур и последующее построение разных геометрических конфигураций проиллюстрированы на фиг. 6A и 6B и обусловлены принципами дифракции света и распределения интенсивности, а также изменчивости показателя преломления светочувствительной смолы по мере ее преобразования из жидкого состояния в фотополимеризованное и/или сшитое/отвержденное твердое состояние. Как проиллюстрировано на фиг. 6A, процесс воздействия снизу вверх используют с колимированным светом, при этом (1) начальная микроконическая структура образована как структура в виде основания смежно с субстратом при воздействии источником света через отверстие фотомаски. На (2) боковая стенка микроконуса, которая была образована по мере перехода жидкой смолы в твердое состояние, теперь действует как волновод для направления света для образования первой гармонической составляющей. На (3) первый конический наконечник образован по мере самофокусировки света, который распространяется через смолу, в конический световой профиль так, что интенсивность света сходится на наконечнике. На (4), по мере применения большего количества энергии и фокусировки ее на наконечнике для фотополимеризации и/или сшивания/отверждения смолы в этой области, таким образом, образуется вторичная гармоническая структура. И вновь, вторичная гармоническая структура также фокусирует интенсивность света для образования второго острого наконечника (5), и третичная гармоническая составляющая может также быть образована по мере применения еще большего количества энергии (6).Strategies for the formation of solid and hollow microstructures and the subsequent construction of different geometric configurations are illustrated in Fig. 6A and 6B and are governed by the principles of light diffraction and intensity distribution, as well as the variability of the refractive index of the photosensitive resin as it is converted from a liquid state to a photopolymerized and/or cross-linked/cured solid state. As illustrated in FIG. 6A, a bottom-up exposure process is used with collimated light, wherein (1) an initial micro-conical structure is formed as a base-like structure adjacent to the substrate when exposed to a light source through the hole of the photomask. In (2), the sidewall of the microcone, which was formed as the liquid resin transitioned to a solid state, now acts as a waveguide to guide light to produce the first harmonic component. In (3), the first conical tip is formed as the light that propagates through the resin self-focuses into a conical light profile such that the light intensity converges at the tip. In (4), as more energy is applied and focused on the tip to photopolymerize and/or cross-link/cure the resin in that area, a secondary harmonic structure is thus formed. Again, a secondary harmonic structure also focuses the light intensity to form a second sharp tip (5), and a tertiary harmonic component can also be formed as even more energy is applied (6).

Как проиллюстрировано на фиг. 6B, можно использовать схожую методику для образования полой микроструктуры, однако фотомаска дополнительно структурирована так, что центральный участок отверстия блокируется для предотвращения прохождения света через эту часть отверстия, тем самым создавая затененную зону в центральном участке образующих структур, где смола остается неотвержденной. Ввиду этого центральная сердцевина структуры может быть сделана полой путем удаления неотвержденной смолы после структурирования.As illustrated in FIG. 6B, a similar technique can be used to form the hollow microstructure, however the photomask is further structured such that the central portion of the hole is blocked to prevent light from passing through that portion of the hole, thereby creating a shadowed area in the central portion of the forming structures where the resin remains uncured. In view of this, the central core of the structure can be made hollow by removing the uncured resin after structuring.

С использованием этих принципов были образованы несколько разных микроструктур. В одном эксперименте предметное стекло было использовано как прозрачный субстрат, на который была помещена структурированная фотомаска. Фотомаску покрыли светочувствительной смолой. В этих экспериментах УФ-светодиоды, имеющие различные длины волн (365, 375 и 405 нм), выполненные за одно це- 9 045047 лое с коллимирующим волноводом, были установлены как источники света. Разные длин волн будут иметь разный коэффициент рассеивания/поглощения внутри жидкой светочувствительной смолы. Большие длины волн будут иметь меньше рассеивания и это, следовательно, может привести к более высоким структурам. Как правило, толщина жидкой светочувствительной смолы должна быть больше, чем желаемая высота структур, подлежащих изготовлению.Several different microstructures have been formed using these principles. In one experiment, a glass slide was used as a transparent substrate on which a structured photomask was placed. The photomask was coated with a photosensitive resin. In these experiments, UV LEDs having different wavelengths (365, 375 and 405 nm), integral with a collimating waveguide, were installed as light sources. Different wavelengths will have different scattering/absorption coefficients within the liquid photosensitive resin. Longer wavelengths will have less scattering and this can therefore lead to taller structures. Generally, the thickness of the liquid photosensitive resin should be greater than the desired height of the structures to be manufactured.

Фотомаску с массивом круглых отверстий покрыли светлой светочувствительной смолой (Clear Resin, Formlabs Inc.) и поместили на предметное стекло микроскопа, расположенное на высоте 13 мм над источником света. Учитывая, что при такой постановке свет должен проходить через два предметных стекла (предметное стекло микроскопа и стекло фотомаски) перед тем как достичь смолы, оптическую энергию измерили спектрометром (BLUE-Wave Miniature Spectrometer, StellarNet Inc.) при постоянном расстоянии 13 мм над источником света. Результаты на фиг. 7 показывают, что измеренная пиковая оптическая энергия составляла 1,7271 мВт/см2 при отсутствии стекла на оптическом пути, 1,7149 мВт/см2 при наличии одного стекла и 1,6932 мВт/см2 при наличии двух стекол на оптическом пути. Оптическая энергия была рассеяна на 0,0339 мВт/см2 при прохождении через два предметных стекла, что также было эквивалентно 2% рассеивания, что является незначительным для данного эксперимента.A photomask with an array of circular holes was coated with a light-colored photosensitive resin (Clear Resin, Formlabs Inc.) and placed on a microscope slide positioned 13 mm above the light source. Considering that in this setup the light must pass through two slides (the microscope slide and the photomask glass) before reaching the resin, the optical energy was measured with a spectrometer (BLUE-Wave Miniature Spectrometer, StellarNet Inc.) at a constant distance of 13 mm above the light source . The results in Fig. 7 show that the measured peak optical energy was 1.7271 mW/cm 2 with no glass in the optical path, 1.7149 mW/cm 2 with one glass and 1.6932 mW/cm 2 with two glasses in the optical path. Optical energy was dissipated by 0.0339 mW/cm 2 when passing through two glass slides, which was also equivalent to 2% dissipation, which is negligible for this experiment.

Микроструктуры были структурированы посредством воздействия на светочувствительную смолу прямым контровым светом от источника УФ света в 375 нм. Затем предметное стекло перенесли в изопропанол (IPA) для удаления несшитой смолы при помощи легкого планетарного встряхивания (20 об/мин). После завершения наращивания образец осторожно высушили сжатым воздухом и микроиглы с заостренной основной частью были завершены. Изображения РЭМ (фиг. 8(A)-(B)) показывают, что массив микроигл был успешно изготовлен на фотомаске, структурированной с круглыми отверстиями, одним воздействием УФ контровым светом. Была получена оптимальная форма наконечников микроигл с углом заострения приблизительно 30°. Микроиглы имели измеренный диаметр основания 180 мкм и высоту 550 мкм, с аспектным соотношением 3,06. Диаметр наконечника составлял 3 мкм с углом заострения 25,7°, что достаточно остро для проникновения в кожу без разрушения от трещины.The microstructures were patterned by exposing the photosensitive resin to direct backlight from a 375 nm UV light source. The slide was then transferred to isopropanol (IPA) to remove uncrosslinked resin using gentle planetary shaking (20 rpm). Once the growth was completed, the sample was carefully dried with compressed air and the microneedles with a pointed core were completed. SEM images (Fig. 8(A)-(B)) show that the microneedle array was successfully fabricated on a photomask structured with circular holes by a single exposure to UV backlight. The optimal shape of microneedle tips with a sharpening angle of approximately 30° was obtained. The microneedles had a measured base diameter of 180 μm and a height of 550 μm, with an aspect ratio of 3.06. The tip diameter was 3 μm with a tip angle of 25.7°, which is sharp enough to penetrate the skin without breaking from a crack.

В другом эксперименте было применено больше энергии воздействия на другой фотомаске с меньшим круглым отверстием, и были успешно изготовлены микроиглы в 800 мкм со второй гармонической структурой, как показано на фиг. 9A. Диаметр основания и высота микроигл составляли 160 мкм и 800 мкм, соответственно, с аспектным соотношением 5. На фиг. 9B оптическое изображение УФ света, снятое во время процесса изготовления, показывает распространение света внутри жидкой светочувствительной смолы и экспериментально подтверждает, что вторую гармоническую составляющую можно было получить посредством применения достаточного количества энергии. Массив микроигл со вторичной и третичной гармоническими структурами показан на фиг. 9(c) и 9(d), демонстрируя производственные возможности предложенного способа, а также его уникальность в изготовлении сложной структуры в виде микроиглы при помощи только одного воздействия УФ.In another experiment, more impact energy was applied on a different photomask with a smaller circular hole, and 800 μm microneedles with a second harmonic structure were successfully fabricated, as shown in FIG. 9A. The base diameter and height of the microneedles were 160 μm and 800 μm, respectively, with an aspect ratio of 5. In FIG. 9B, an optical image of UV light taken during the fabrication process shows the propagation of light within the liquid photosensitive resin and experimentally confirms that the second harmonic component could be obtained by applying a sufficient amount of energy. An array of microneedles with secondary and tertiary harmonic structures is shown in FIG. 9(c) and 9(d), demonstrating the manufacturing capability of the proposed method as well as its uniqueness in fabricating a complex microneedle structure using only UV exposure.

Для дополнительной демонстрации этого гибкого способа изготовления были использованы различные геометрические конфигурации отверстий фотомаски (круглые, треугольные, звездообразные и треугольные с изогнутым основанием) с различными размерами отверстий для изготовления микроигл. На фиг. 10 показаны разные геометрические конфигурации отверстий (вставка), используемые для генерирования разных оптических дифракций, которые образуют различные формы микроигл на таком же субстрате при помощи одного воздействия УФ.To further demonstrate this flexible fabrication method, different geometric photomask hole configurations (circular, triangular, star-shaped, and triangular with curved base) were used with different hole sizes to fabricate microneedles. In fig. Figure 10 shows different hole geometries (inset) used to generate different optical diffractions that produce different microneedle shapes on the same substrate using a single UV exposure.

Для изучения минимального количества энергии, необходимой для инициирования сшивания жидкой светочувствительной смолы, фотомаска с круглым отверстием размером 150 мкм (вставка) и оптической энергией 1,6932 мВт/см2 при источнике УФ света на 375 нм были установлены как постоянные, в то время как время воздействия было установлено как переменное (от 1 до 90 с). Данные (фиг. 11) показывают отношения между высотой изготовленной микроиглы и энергией, примененной для сшивания смолы. Вторичная ось у показывает аспектное соотношение соответствующей высоты и вторичная ось x показывает время воздействия соответствующей примененной энергии. Минимальное количество энергии для сшивания светочувствительной смолы составляло 3,39 мДж/см2 и измеренная высота составляла 8,4 мкм. Микроконическая структура нарастает сравнительно быстро в течение первых 20 секунд и после наблюдался постоянный коэффициент нарастания в 2,44 мкм на каждый 1 мДж/см2 применения дополнительной энергии.To study the minimum amount of energy required to initiate cross-linking of a liquid photosensitive resin, a photomask with a 150 µm circular aperture (inset) and an optical energy of 1.6932 mW/ cm2 under a 375 nm UV light source was set to constant while exposure time was set to variable (from 1 to 90 s). The data (Fig. 11) shows the relationship between the height of the fabricated microneedle and the energy applied to cross-link the resin. The secondary y-axis shows the aspect ratio of the corresponding height and the secondary x-axis shows the exposure time of the corresponding applied energy. The minimum amount of energy to crosslink the photosensitive resin was 3.39 mJ/cm 2 and the measured height was 8.4 μm. The microconical structure grows relatively quickly during the first 20 seconds and thereafter a constant growth rate of 2.44 μm was observed for every 1 mJ/cm 2 of additional energy applied.

Оптические изображения микроконических структур при 2, 3, 5 и 20 секундах времени воздействия показаны на фиг. 12, где характеристика микроиглы в виде острого наконечника начинает проявляться на 20 секунде времени воздействия.Optical images of microconical structures at 2, 3, 5 and 20 seconds of exposure time are shown in FIG. 12, where the sharp tip characteristic of the microneedle begins to appear at 20 seconds of exposure time.

Испытания введением и испытания на смещение усилием были проведены для демонстрации функциональности изготовленной микроиглы, и результаты показали, что наконечник каждой испытанной микроиглы мог выдержать до 0,15 Н до поломки. Изготовленная микроигла в форме конуса с острым наконечником имеет хороший потенциал для применения в качестве микроиглы для подкожной доставки лекарственного средства. Для доказательства функциональности изготовленных микроигл из полимолочной кислоты (PLA) посредством микроформовки был подготовлен массив микроигл 4x4 с преимущественно такой же геометрической конфигурацией, которая показана на фиг. 8. Эта геометрическая кон- 10 045047 фигурация была выбрана для механического испытания, так как она похожа на другие геометрические конфигурации микроигл, которые, согласно отчетам, способны проникать в кожу без поломки. Массив микроигл из PLA, показанный на фиг. 13(a), ввели в кожу трупа свиньи при помощи давления большого пальца, и область введения была окрашена синей маркировочной краской для тканей для визуализации.Insertion tests and force displacement tests were conducted to demonstrate the functionality of the fabricated microneedle, and the results showed that the tip of each tested microneedle could withstand up to 0.15 N before failure. The fabricated cone-shaped microneedle with a sharp tip has good potential to be used as a microneedle for subcutaneous drug delivery. To prove the functionality of the fabricated polylactic acid (PLA) microneedles, a 4x4 microneedle array with essentially the same geometric configuration as shown in FIG. 8. This geometric configuration was chosen for mechanical testing because it is similar to other microneedle geometries that have been reported to be able to penetrate the skin without breaking. The PLA microneedle array shown in FIG. 13(a) was injected into the skin of a pig cadaver using thumb pressure, and the injection area was painted with blue tissue marking paint for visualization.

На фиг. 13(b) показаны 4x4 синие отметины введения на коже свиньи. Испытание на смещение усилием также было выполнено с использованием массива микроигл 4x4. Микроиглы были выполнены на основании фиг. 11 с диаметром 150 мкм и высотой 500 мкм, при этом наконечник имел длину 80 мкм с углом заострения 27,6°. Динамометр (FC200, Torbal Inc.) был установлен на шаговый двигатель, выполненный за одно целое с резьбовым стержнем вдоль оси z и управляемый Arduino (Arduino UNO Rev 3, Arduino). Массив микроигл 4x4 разместили непосредственно под динамометром и динамометр направили вниз со скоростью 1,2 мм/мин, одновременно фиксируя силу через каждую 1 миллисекунду. Общее время испытания было конвертировано в смещение в микрометрах и результат был нанесен на график (фиг. 14). По мере сжатия микроиглы первый наконечник начал деформироваться при 2,38 Н, указывая на то, что каждый наконечник иглы может выдержать по меньшей мере 0,15 Н без каких-либо механических поломок. После этого наконечники согнули, что привело к внезапному падению силы. После того как все наконечники были полностью деформированы, выявленная сила повышалась линейно, указывая на то, что основные части микроигл все еще оставались прикрепленными к субстрату без деформации, что также показано на соответствующем изображении. Эта характеристика показывает хорошую доступность для способа транспортировки лекарственного средства, такого как покрытие и прокалывание и прокалывание и высвобождение. Другими словами, наконечники микроигл могут быть заранее покрыты лекарственным средством или быть сделаны из самого лекарственного средства и могут быть выполнены с возможностью ломаться во время введения, в то время как основные части игл служат опорой при доставке, которую можно утилизировать после использования.In fig. 13(b) shows 4x4 blue injection marks on pig skin. Force displacement testing was also performed using a 4x4 microneedle array. Microneedles were made based on Fig. 11 with a diameter of 150 μm and a height of 500 μm, while the tip had a length of 80 μm with a sharpening angle of 27.6°. A dynamometer (FC200, Torbal Inc.) was mounted on a stepper motor integral with a threaded rod along the z-axis and controlled by an Arduino (Arduino UNO Rev 3, Arduino). A 4x4 microneedle array was placed directly below the dynamometer and the dynamometer was directed downward at a speed of 1.2 mm/min while recording the force every 1 millisecond. The total test time was converted into displacement in micrometers and the result was plotted (Fig. 14). As the microneedle was compressed, the first tip began to deform at 2.38 N, indicating that each needle tip could withstand at least 0.15 N without any mechanical failure. The tips were then bent, causing a sudden drop in force. After all the tips were completely deformed, the detected force increased linearly, indicating that the main parts of the microneedles still remained attached to the substrate without deformation, which is also shown in the corresponding image. This characteristic shows good accessibility for drug transport method such as coating and piercing and piercing and releasing. In other words, the tips of the microneedles can be pre-coated with the drug or made from the drug itself and can be designed to break during administration, while the core parts of the needles serve as delivery supports that can be disposed of after use.

Способ изготовление продемонстрировал свою уникальность в образовании структур в виде микроигл в форме микроконусов при помощи дифракции света и соответствующему распределению интенсивности. С простой установкой системы светодиодов с коллимацией света массивы микроигл со сложными геометрическими конфигурациями могут быть изготовлены всего одним воздействием в течение 30 минут. Были проведены испытание введением и испытание на смещение усилием и результаты продемонстрировали, что изготовленный наконечник микроиглы может выдержать до 0,15 Н до возникновения деформации, делая его достаточно прочным для проникновения в кожу. Изготовленная микроигла в форме конуса с острым наконечником имеет хороший потенциал для применения в качестве микроиглы для подкожной доставки лекарственного средства.The manufacturing method demonstrated its uniqueness in the formation of structures in the form of microneedles in the form of microcones using light diffraction and the corresponding intensity distribution. With a simple setup of a light-collimating LED system, microneedle arrays with complex geometric configurations can be fabricated with just one exposure within 30 minutes. An insertion test and a force displacement test were conducted and the results demonstrated that the fabricated microneedle tip could withstand up to 0.15 N before deformation occurred, making it strong enough to penetrate the skin. The fabricated cone-shaped microneedle with a sharp tip has good potential to be used as a microneedle for subcutaneous drug delivery.

Пример 3.Example 3.

Изготовление и характеризация наконечника ниппеля, полой и наклоненной микроигл литографией УФ-светодиодом.Fabrication and characterization of nipple tip, hollow and tilted microneedles by UV LED lithography.

Предложенный способ изготовления был усовершенствован по сравнению с предыдущей методикой, так как он вводит функциональные микроиглы, такие как полые и наклоненные микроиглы, с одной схемой воздействия УФ. Полые иглы полезны для доставки лекарственного средства в жидком состоянии, а наклоненную микроиглу можно применять в отношении неплоской поверхности кожи в виде крюка. И эти процессы изготовления микроигл могут быть выполнены в течение 30 минут, включая подготовку образца, воздействие УФ, наращивание и очистку, что значительно уменьшит стоимость производства. Испытания выполняли с различными длинами волн УФ-светодиодов (365, 375, 385, 395 и 405 нм) для генерирования разных форм микроигл.The proposed fabrication method is improved over the previous technique as it introduces functional microneedles such as hollow and inclined microneedles with a single UV exposure pattern. Hollow needles are useful for delivering drug in a liquid state, and an inclined microneedle can be applied to a non-flat skin surface in a hook-like manner. And these microneedle manufacturing processes can be completed within 30 minutes, including sample preparation, UV exposure, extension and cleaning, which will greatly reduce the production cost. Tests were performed with different UV LED wavelengths (365, 375, 385, 395, and 405 nm) to generate different microneedle shapes.

Так как меньшая длина волны рассеивается сильнее, чем большие, прогнозирование формы микроигл может быть выполнено из постановки эксперимента. На фиг. 15 показано испытание распространения УФ света внутри светочувствительной смолы. На фиг. 15(a) показана форма распространения света, а на фиг. 15 (b) показано изображение РЭМ соответствующего круглого массива микроигл 3x3. Данные на фиг. 16 показывают отношение между высотами микроигл при разной применяемой энергии с фотомаской в 150 мкм и на рисунке показана общая форма иглы при соответствующей примененной энергии. Используя эти данные и различные геометрические конфигурации фотомасок могут быть образованы разные микроиглы, как показано на фиг. 17. Способ изготовления также использовали для создания полых микроигл и наклоненных круглых микроигл, как показано на фиг. 18.Since smaller wavelengths scatter more than larger ones, prediction of the shape of microneedles can be made from the experimental setup. In fig. 15 shows a test of UV light propagation within a photosensitive resin. In fig. 15(a) shows the light propagation shape, and FIG. 15(b) shows the SEM image of the corresponding 3x3 circular microneedle array. Data in Fig. 16 shows the relationship between the heights of microneedles at different applied energies with a photomask of 150 μm, and the figure shows the overall shape of the needle at the corresponding applied energy. Using this data and different photomask geometries, different microneedles can be formed, as shown in FIG. 17. The fabrication method has also been used to create hollow microneedles and inclined circular microneedles, as shown in FIG. 18.

Эксперименты по введению и смещению усилием также проводили с использованием круглого массива микроигл из PLA 3x3. Испытание введением на свиной коже с маркировкой синей краской визуализирует точки введения игл на свиной коже (фиг. 19). Данные по смещению усилием показаны на фиг. 20. Изображения РЭМ показаны на фиг. 20A для круглого массива микроигл из PLA 3x3 с высотой 750 мкм, изготовленного на основании данных из фиг. 16. Микроиглы разместили под датчиком силы и скорость сжатия датчика силы установили на 1,2 мм/мин. Верхний снимок показывает микроиглы до какого-либо смещения. Средний снимок показывает форму микроигл после 168 мкм смещения. Только наконечник иглы начал деформироваться, в то время как основная часть иглы оставалась неизменной после сжатия. На нижнем снимке показана форма микроиглы после 624 мкм смещения, где основнаяInsertion and force displacement experiments were also performed using a circular 3x3 PLA microneedle array. The porcine skin insertion test with blue markings visualizes the needle insertion points on the porcine skin (FIG. 19). Force displacement data is shown in FIG. 20. SEM images are shown in FIG. 20A for a circular 3x3 PLA microneedle array with a height of 750 μm fabricated based on the data from FIG. 16. Microneedles were placed under the force transducer and the compression rate of the force transducer was set to 1.2 mm/min. The top image shows the microneedles before any displacement. The middle image shows the shape of the microneedles after 168 μm of displacement. Only the tip of the needle began to deform, while the main part of the needle remained unchanged after compression. The bottom image shows the shape of the microneedle after 624 µm of displacement, where the main

- 11 045047 часть иглы преимущественно деформирована или согнута, в то время как основание остается относительно на месте. Как показано на фиг. 20B, крутизна кривой смещения усилием также значительно увеличилась к этому моменту, что подразумевает, что прочность основной части микроиглы подходит для использования при применении микроиглы.- 11 045047 part of the needle is predominantly deformed or bent, while the base remains relatively in place. As shown in FIG. 20B, the slope of the force displacement curve also increased significantly at this point, implying that the strength of the microneedle body is suitable for use in microneedle application.

Пример 4.Example 4.

Усовершенствованное изготовление микроигл.Improved fabrication of microneedles.

В этой методике микроиглы были изготовлены с использованием смолы для хирургических направляющих от Formlabs (Сомервилл, Массачусетс). Эта смола представляет собой коммерчески доступную, автоклавируемую, биосовместимую смолу, которую обычно используют для трехмерной печати стоматологических хирургических направляющих для размещения имплантов. Смола представляет собой формулу, составляющую коммерческую тайну компании, состоящую из мономера метакрилата (2545 вес.%), уретандиметракрилата (55-75 вес.%) и фотоинициатора (1-2 вес.%) согласно ПБВ.In this technique, microneedles were fabricated using surgical guide resin from Formlabs (Somerville, MA). This resin is a commercially available, autoclavable, biocompatible resin that is commonly used for 3D printing of dental surgical guides for implant placement. The resin is a proprietary formula consisting of methacrylate monomer (2545 wt.%), urethane dimethacrylate (55-75 wt.%) and photoinitiator (1-2 wt.%) according to PBB.

I. Минимальная энергия сшивания.I. Minimum cross-linking energy.

При начальном испытании рассматривали минимальное количество энергии, необходимое для сшивания смолы для хирургических направляющих. Понимание энергии сшивания позволяет предсказывать высоту сшивания более точно. В качестве источника УФ использовали УФ-светодиод в 405 нм (UV 405nm LED, Shenzhen Chanzon Technology Co., Ltd.). Для коллимации света с УФ-светодиодом использовали изготовленный методом трехмерной печати волновод. Бесцветное предметное стекло разместили над волноводом с постоянным расстоянием 1 мм для сведения к минимуму потери интенсивности УФ в пространстве. Тонкий слой смолы для хирургических направляющих был нанесен методом центрифугирования на бесцветное стекло при толщине 50 мкм. В заключение, датчик интенсивности УФ был установлен на 1 мм над поверхностью смолы для мониторинга интенсивности источника УФ. Очень низкую интенсивность УФ света применяли с постепенным повышением (0,1, 0,22, 0,3, 0,4, 0,49, и 0,6 мВт/см2) для точного измерения временных интервалов сшивания. Результаты представлены на фиг. 21 и показывают получаемую высоту сшитой смолы при различных интенсивностях света и различной энергии воздействия с постепенным повышением. Независимо от интенсивности света, для этой смолы, когда энергия воздействия достигает 6,8 мДж/см2, высота сшитой смолы увеличивается, указывая на то, что минимальная энергия сшивания для этой смолы для хирургических направляющих составляет 6,8 мДж/см2.Initial testing looked at the minimum amount of energy required to crosslink the surgical guide resin. Understanding crosslinking energy allows crosslinking height to be predicted more accurately. A 405 nm UV LED (UV 405 nm LED, Shenzhen Chanzon Technology Co., Ltd.) was used as the UV source. A 3D printed waveguide was used to collimate light with a UV LED. A clear glass slide was placed over the waveguide at a constant distance of 1 mm to minimize the loss of UV intensity in space. A thin layer of surgical guide resin was spin-coated onto clear glass at a thickness of 50 µm. Finally, a UV intensity sensor was installed 1 mm above the resin surface to monitor the intensity of the UV source. Very low UV light intensities were used with gradual increases (0.1, 0.22, 0.3, 0.4, 0.49, and 0.6 mW/cm 2 ) to accurately measure cross-linking time intervals. The results are presented in Fig. 21 and show the resulting height of the cross-linked resin at different light intensities and different exposure energies with a gradual increase. Regardless of the light intensity, for this resin, when the exposure energy reaches 6.8 mJ/cm 2 , the height of the cross-linked resin increases, indicating that the minimum cross-linking energy for this surgical guide resin is 6.8 mJ/cm 2 .

II. Коэффициент пропускания УФ света в 405 нм сквозь различную толщину смолы для хирургических направляющих.II. UV light transmittance of 405 nm through various resin thicknesses for surgical guides.

Был рассмотрен коэффициент пропускания УФ света в 405 нм сквозь различную толщину смолы для хирургических направляющих. Понимание коэффициента пропускания УФ света в 405 нм также помогает лучше предсказывать характер сшивания смолы для хирургических направляющих. В качестве источника УФ использовали УФ-светодиод в 405 нм (UV 405nm LED, Shenzhen Chanzon Technology Co., Ltd.). Для коллимации света с УФ-светодиодом использовали изготовленный методом трехмерной печати волновод. Бесцветное предметное стекло разместили над волноводом с постоянным расстоянием 1 мм для сведения к минимуму потери интенсивности УФ в пространстве. В отличие от предыдущего раздела различные толщины смолы для хирургических направляющих были нанесены на бесцветное стекло, диапазон которых составляет от 0 до 3000 мкм. В заключение, датчик интенсивности УФ был установлен на постоянное расстояние в 11 мм над бесцветным стеклом для мониторинга интенсивности источника УФ для различных толщин смолы для хирургических направляющих. Перед нанесением смолы для хирургических направляющих интенсивность УФ света измерили и записали как начальную интенсивность УФ, I0. Интенсивность УФ света вновь измерили после нанесения смолы и назвали параметром I. Используя две зафиксированные интенсивности, коэффициент пропускания был рассчитан при помощи приведенного ниже уравнения:The transmittance of 405 nm UV light through different thicknesses of surgical guide resin was examined. Understanding the transmittance of UV light at 405 nm also helps to better predict the cross-linking behavior of resin for surgical guides. A 405 nm UV LED (UV 405 nm LED, Shenzhen Chanzon Technology Co., Ltd.) was used as the UV source. A 3D printed waveguide was used to collimate light with a UV LED. A clear glass slide was placed over the waveguide at a constant distance of 1 mm to minimize the loss of UV intensity in space. Unlike the previous section, different thicknesses of surgical guide resin were applied to clear glass, ranging from 0 to 3000 µm. Finally, a UV intensity sensor was installed at a constant distance of 11 mm above the clear glass to monitor the intensity of the UV source for different surgical guide resin thicknesses. Before applying the surgical guide resin, the UV light intensity was measured and recorded as the initial UV intensity, I0. The UV light intensity was again measured after the resin was applied and called parameter I. Using the two recorded intensities, the transmittance was calculated using the equation below:

II

Пропускание = Т = —Transmission = T = —

Результаты представлены на фиг. 22. Была сгенерирована кривая по экспериментальным точкам, как показано в уравнении ниже, что дало R2 0,99565824. Коэффициент рассеивания, a3, для смолы для хирургических направляющих составляет 0,00287837.The results are presented in Fig. 22. A curve was generated from the experimental points as shown in the equation below, giving R 2 0.99565824. The dispersion coefficient, a 3 , for surgical guide resin is 0.00287837.

Пропускание — Т — — =1 — (а0+ axz — a2e-a3Z) (1)Transmission - T - - =1 - (a 0 + a x z - a 2 e -a3Z ) (1)

Ιο где a0 = 0,96265990, a1 = 0,00000366, a2 = 0,96265990, a3 = 0,00287837 (коэффициент рассеивания).Ιο where a0 = 0.96265990, a1 = 0.00000366, a2 = 0.96265990, a 3 = 0.00287837 (dispersion coefficient).

Для прогнозирования высоты сшитой смолы мы начинаем с основной формулы для расчета энергии на основании интенсивности УФ света и времени воздействия:To predict cross-linked resin height, we start with a basic formula for calculating energy based on UV light intensity and exposure time:

Энергия = Е = I t (2) где I представляет собой интенсивность УФ света в 405 нм в мВт/см2 и t представляет собой время воздействия в секундах. На основании уравнения (1) мы знаем, что I представляет собой функцию z, гдеEnergy = E = I t (2) where I is the intensity of the 405 nm UV light in mW/cm 2 and t is the exposure time in seconds. Based on equation (1), we know that I is a function of z, where

- 12 045047 z представляет собой толщину смолы для хирургических направляющих, следовательно, мы можем переписать уравнение (1) как:- 12 045047 z represents the thickness of the resin for surgical guides, therefore we can rewrite equation (1) as:

I = Io -I0(a0 На^-аге^2)I = I o -I 0 (a 0 Na^-age^ 2 )

Затем заменить на уравнение (2):Then replace with equation (2):

E = I0t-I0t(a0 + a1z-a2ea3z) (3) где I0 представляет собой интенсивность УФ света, когда z = 0. На основании уравнения (3), если мы зададим I0 и t, мы можем видеть, что E обратно пропорционально z, чем выше толщина смолы, z, тем ниже получаемая энергия, E. Зная это отношение мы можем сказать, что при каждом постоянном значении I0 и t должна быть вертикальная толщина смолы z, которая соответствует минимальной энергии сшивания смолы для хирургических направляющих, которая составляет 6,8 мДж/см2, как мы измерили и описали выше.E = I 0 tI 0 t(a 0 + a 1 za 2 e a 3 z ) (3) where I 0 represents the intensity of UV light when z = 0. Based on equation (3), if we set I 0 and t, we can see that E is inversely proportional to z, the higher the resin thickness, z, the lower the energy received, E. Knowing this relationship we can say that for every constant value of I 0 and t there must be a vertical resin thickness z, which corresponds to the minimum resin cross-linking energy for surgical guides, which is 6.8 mJ/ cm2 , as we measured and described above.

Для проверки уравнения был сгенерирован массив реальных данных с использованием условий, которые показаны ниже:To test the equation, a real data set was generated using the conditions shown below:

Параметры Options Значения Values Единицы Units Напряжение Voltage V V 2,88 2.88 V V Сила тока Current strength I I 14 14 мА mA Питание Nutrition Р R 40,32 40.32 мВт mW Длина волны УФ UV wavelength λ λ 405 405 нм nm излучения radiation Интенсивность Intensity Ιο Ιο 5,75 5.75 мВт/см2 mW/cm 2 оптического излучения optical radiation при z = 0 at z = 0 Время воздействия Exposure time t t 0-900 0-900 Секунды Seconds Энергия Energy Е E 0-5175 0-5175 мДж/см2 mJ/cm 2

Используя такую же постановку экспериментальной системы и условия эксперимента, приведенные выше, высоты сшитых смол при различных количествах энергии были измерены и зафиксированы, как показано на фиг. 23.Using the same experimental system setup and experimental conditions given above, the heights of the cross-linked resins at various amounts of energy were measured and recorded as shown in FIG. 23.

III. Характеристики высоты микроиглы.III. Microneedle height characteristics.

Затем были изучены характеристики микроиглы и ее высоты при различной энергии воздействия. Условия этого эксперимента перечислены в таблице ниже:The characteristics of the microneedle and its height were then studied at different impact energies. The conditions of this experiment are listed in the table below:

Параметры Options Значения Values Единицы Units Напряжение Voltage V V 3 3 V V Сила тока Current strength I I 60 60 мА mA Питание Nutrition Р R 180 180 мВт mW Длина волны УФ UV wavelength λ λ 405 405 нм nm излучения radiation Интенсивность Intensity Ιο Ιο 19,65 19.65 мВт/см2 mW/cm 2 оптического излучения optical radiation при z = 0 at z = 0 Время воздействия Exposure time t t 0-120 0-120 Секунды Seconds Энергия Energy Е E 0-2358 0-2358 мДж/см2 mJ/cm 2

- 13 045047- 13 045047

На фиг. 24 проиллюстрирована установка системы для изготовления микроиглы для этих экспериментов. Начиная снизу, выполненный за одно целое с волноводом УФ-светодиод в 405 нм был использован как источник УФ света, при этом коллимированная линза преобразует свет светодиода в параллельный свет. Структурированная фотомаска с шаблоном отверстий в 150 мкм была установлена на расстоянии 25,4 мм от источника УФ света, которая выполняет роль субстрата для смолы для хирургических направляющих. Слой смолы для хирургических направляющих был нанесен на фотомаску и затем облучен УФ светом в 405 нм. Процесс воздействия был остановлен, когда была достигнута определенная энергия воздействия, и соответствующие высоты микроигл были зафиксированы на этих обозначенных точках энергии воздействия. После завершения процесса воздействия образец промыли изопропанолом и изготовление микроигл было завершено. На фиг. 25 показаны измеренные высоты микроигл при различной энергии воздействия. В этом конкретном примере график разделен на четыре секции на основании формы структуры микроигл, включая микроконическую структуру, первую гармоническую микроиглу, вторую гармоническую микроиглу и третью гармоническую микроиглу (фиг. 25). На фиг. 26 показаны фотографии микроконических структур и микроигл, которые представляют форму на каждом этапе энергии воздействия. Это открытие показывает, что микроиглы с различными размерами и формами могут быть изготовлены на основании использования одной фотомаски и простом изменении энергии воздействия.In fig. 24 illustrates the setup of the microneedle fabrication system for these experiments. Starting from the bottom, a 405 nm UV LED integral with the waveguide was used as the UV light source, with a collimated lens converting the LED light into parallel light. A structured photomask with a 150 μm hole pattern was installed at a distance of 25.4 mm from the UV light source, which acts as a substrate for the surgical guide resin. A layer of surgical guide resin was applied to the photomask and then irradiated with 405 nm UV light. The exposure process was stopped when a certain exposure energy was reached, and the corresponding microneedle heights were fixed at these designated exposure energy points. After completion of the exposure process, the sample was washed with isopropanol and the fabrication of microneedles was completed. In fig. Figure 25 shows the measured heights of microneedles at different impact energies. In this particular example, the graph is divided into four sections based on the shape of the microneedle structure, including the microconical structure, the first harmonic microneedle, the second harmonic microneedle, and the third harmonic microneedle (FIG. 25). In fig. 26 shows photographs of microconical structures and microneedles that represent the shape at each stage of the impact energy. This discovery shows that microneedles with different sizes and shapes can be produced by using a single photomask and simply varying the irradiation energy.

IV. Изготовление массива микроигл.IV. Fabrication of microneedle array.

Используя приведенную выше установку (фиг. 24) были изготовлены различные массивы микроигл с использованием смолы для хирургических направляющих. Фотомаску с массивом отверстий 20x20, имеющую отверстия диаметром 150 мкм, использовали для изготовления твердых прямых микроигл. На фиг. 27A показано изображение РЭМ полученного массива после нарастания субстрата и удаления неотвержденной смолы. Как можно видеть, результатом процесса является массив микроигл 20x20 с неизменными размером и формой, каждая из которых имеет диаметр основания 133 мкм со средней высотой 385 мкм. Также предоставлены увеличенные изображения РЭМ отдельных микроигл (фиг. 27B) и отдельных наконечников (фиг. 27C). Наконечник микроиглы имел приблизительную ширину 2,5 мкм и заостренный угол 28,5°.Using the above setup (FIG. 24), various microneedle arrays were fabricated using surgical guide resin. A 20x20 hole array photomask having 150 μm diameter holes was used to fabricate solid, straight microneedles. In fig. 27A shows an SEM image of the resulting array after substrate growth and removal of uncured resin. As can be seen, the result of the process is a 20x20 array of microneedles with constant size and shape, each having a base diameter of 133 µm with an average height of 385 µm. Also provided are enlarged SEM images of individual microneedles (Fig. 27B) and individual tips (Fig. 27C). The microneedle tip had an approximate width of 2.5 μm and a pointed angle of 28.5°.

Используя измененную установку, показанную на фиг. 28, были изготовлены пустотелые микроиглы.Using the modified setup shown in FIG. 28, hollow microneedles were produced.

Как и при других экспериментах в качестве источника УФ света был использован выполненный за одно целое с волноводом УФ-светодиод в 405 нм. Структурированная фотомаска была установлена на расстоянии 25,4 мм от источника УФ света. Массив фотомаски содержал 271 отверстий, каждое из которых имеет сплошную сердцевину для предотвращения пропускания света в центре отверстий (см. вставленное изображение на фиг. 29). Отверстия имели наружный диаметр 300 мкм, при этом сплошная сердцевина имела диаметр 200 мкм, тем самым оставляя открытым кольцевой зазор шириной 100 мкм для пропускания света. Для дополнительного усиления эффекта теневая маска (сделанная с помощью смолы) с полностью сквозными отверстиями была подготовлена с использованием трехмерной печати и выставлена вровень с отверстиями фотомаски с использованием выравнивателя маски. Теневая маска, которая была помещена над фотомаской, содержит 271 единицы полностью сквозных отверстий с диаметром 300 мкм (открытая сердцевина), соответствующие отверстиям фотомаски. После завершения процесса воздействия УФ образец промыли изопропанолом и теневую маску отсоединили от фотомаски вместе с пустотелыми микроиглами. Фотография полученных 271 единиц представлена на фиг. 29. Так как материал, который образует пустотелые микроиглы, такой же, что и в теневой маске, теневую маску можно легко отсоединить от фотомаски вместе с пустотелыми микроиглами, так как связь с теневой маской сильнее, чем фотомаска. Измерение пустотелых микроигл показало, что они имеют диаметр основания 280 мкм и высоту 550 мкм (фиг. 30, увеличенный вид). Как можно увидеть на фиг. 30, формы и размеры отдельных игл одинаковы у нескольких игл.As in other experiments, a 405 nm UV LED, integral with the waveguide, was used as a source of UV light. The structured photomask was installed at a distance of 25.4 mm from the UV light source. The photomask array contained 271 holes, each of which had a solid core to prevent light from passing through the center of the holes (see inserted image in Fig. 29). The holes had an outer diameter of 300 μm, with a solid core having a diameter of 200 μm, thereby leaving a 100 μm wide annular gap open for light transmission. To further enhance the effect, a shadow mask (made with resin) with full through holes was prepared using 3D printing and aligned with the photomask holes using a mask leveler. The shadow mask, which was placed above the photomask, contains 271 units of fully through holes with a diameter of 300 μm (open core), corresponding to the holes of the photomask. After completion of the UV exposure process, the sample was washed with isopropanol and the shadow mask was detached from the photomask along with the hollow microneedles. A photograph of the 271 units obtained is shown in Fig. 29. Since the material that forms the hollow microneedles is the same as that in the shadow mask, the shadow mask can be easily detached from the photomask along with the hollow microneedles, since the connection with the shadow mask is stronger than the photomask. Measurement of the hollow microneedles showed that they have a base diameter of 280 μm and a height of 550 μm (Fig. 30, enlarged view). As can be seen in FIG. 30, the shapes and sizes of individual needles are the same for several needles.

V. Испытание введением.V. Introduction test.

Сперва свиную кожу очистили изопропиловым спиртом для удаления возможного загрязнения. Массив твердых прямых микроигл 20x20 был изготовлен с использованием дифракционной литографии и затем использован как матрица для создания массива из PLA с использованием процесса микроформовки PDMS. Вскоре после изготовления массива микроигл на основе дифракционной литографии на стеклянном субстрате происходит процесс PDMS. Силиконовый эластомер SYLGARD™ 184 смешали с отверждающим средством в соотношении 10:1. Образованные во время смешивания пузыри были дегазированы вакуумной печью. Светлый прозрачный раствор эластомера осторожно вылили на массив микроигл на основе дифракционной литографии и отверждали при 80°C в течение часа. После охлаждения до комнатной температуры массив микроигл на основе дифракционной литографии отсоединили от отвержденного PDMS для получения формы из PDMS как негативной матрицы для массива микроигл (массив канавок/отверстий, соответствующих микроиглам). Процесс формовки PLA, включающий покрытие формы из PDMS гранулами из PLA (1-2 мм). Образец нагрели до 180°C в печи для расплавления гранул из PLA с целью наполнения канавок формы из PDMS. После охлаждения до комнатной темпера- 14 045047 туры массив микроигл из PLA отсоединили от формы из PDMS для завершения процесса создания микроиглы из PLA.The pig skin was first cleaned with isopropyl alcohol to remove any possible contamination. A 20x20 solid straight microneedle array was fabricated using diffraction lithography and then used as a template to create a PLA array using a PDMS micromolding process. Shortly after the microneedle array is fabricated using diffraction lithography on a glass substrate, the PDMS process occurs. SYLGARD™ 184 silicone elastomer was mixed with curing agent in a 10:1 ratio. The bubbles formed during mixing were degassed in a vacuum oven. A light, clear elastomer solution was carefully poured onto the diffraction lithography-based microneedle array and cured at 80°C for an hour. After cooling to room temperature, the diffraction lithography-based microneedle array was detached from the cured PDMS to obtain a PDMS mold as a negative matrix for the microneedle array (an array of grooves/holes corresponding to the microneedles). PLA molding process involving coating a PDMS mold with PLA beads (1-2mm). The sample was heated to 180°C in an oven to melt the PLA pellets to fill the grooves of the PDMS mold. After cooling to room temperature, the PLA microneedle array was detached from the PDMS mold to complete the PLA microneedle creation process.

Массив микроигл из PLA вставили в свиную кожу нажатием на заднюю часть субстрата из PLA большим пальцем. Область введения была окрашена синим красителем синей маркировочной краской для тканей (CDI's Tissue Marking Dye, Cancer Diagnostics, Inc.) для визуализации. На фиг. 31 показан результат испытания введением на свиной коже.The PLA microneedle array was inserted into the pig skin by pressing the back of the PLA substrate with the thumb. The injection area was stained with blue tissue marking dye (CDI's Tissue Marking Dye, Cancer Diagnostics, Inc.) for visualization. In fig. 31 shows the result of an injection test on porcine skin.

VI. Испытание на смещение усилием.VI. Force displacement test.

Для дополнительного понимания механической прочности микроигл было проведено испытание на смещение усилием. Массив микроигл 3x3 был изготовлен и использован как матрица для микроформовки с целью создания массива микроигл из PLA с использованием двухэтапного процесса формовки, включая формовку PDMS и формовку PLA. Характеристики массива твердых прямых микроигл приведены ниже:To further understand the mechanical strength of the microneedles, a force displacement test was performed. A 3x3 microneedle array was fabricated and used as a micromolding template to create a PLA microneedle array using a two-step molding process including PDMS molding and PLA molding. The characteristics of the solid straight microneedle array are shown below:

диаметр = 133 мкм, высота = 526 мкм, диаметр наконечника = 40 мкм, высота наконечника = 134 мкм, материал = PLA, количество игл = 9 (массив 3x3).diameter = 133 µm, height = 526 µm, tip diameter = 40 µm, tip height = 134 µm, material = PLA, number of needles = 9 (3x3 array).

Массив микроигл 3x3 был размещен ровно вверх, в то время как динамометр медленно перемещали вниз со скоростью 1,2 мм/мин. Наконечник микроиглы сперва сжали динамометром и полностью согнули при измеренной силе 0,552 Н и 0,0613 Н на иглу. Динамометр продолжал сжимать основную часть микроигл до тех пор, пока он не достигал максимальных запрограммированных временных рамок. Максимальная сила сжатия, измеренная динамометром на основных частях микроигл, составляла 9,284 Н и 1,0316 Н на иглу, измеренное общее смещение при сжатии составило 436 мкм, что также соответствует сжатой высоте, измеренной после с использованием микроскопа. Данные показаны на фиг. 32A с соответствующими изображениями микроигл на каждом этапе на фиг. 32B._____________________A 3x3 microneedle array was positioned straight up while the dynamometer was slowly moved downward at a speed of 1.2 mm/min. The tip of the microneedle was first compressed with a dynamometer and fully bent with a measured force of 0.552 N and 0.0613 N on the needle. The dynamometer continued to compress the bulk of the microneedles until it reached the maximum programmed time frame. The maximum compressive force measured by the dynamometer on the main parts of the microneedles was 9.284 N and 1.0316 N per needle, the measured total compression displacement was 436 μm, which also corresponds to the compressed height measured after using a microscope. The data is shown in Fig. 32A with corresponding images of the microneedles at each stage in FIG. 32B._____________________

Давление сброса динамометра Dynamometer Reset Pressure Наконечник иглы сломан The needle tip is broken Смещение = 436 мкм Offset = 436 µm Смещение = 52,5 мкм Offset = 52.5 µm Усилие = 9,284 Н Force = 9.284 N Усилие = 0,552 Н Force = 0.552 N Усилие на иглу = 1,0316 Н Needle force = 1.0316 N Усилие на иглу = 0,0613 Н Needle force = 0.0613 N

Твердая наклоненная микроигла 2x2 была изготовлена с использованием способа дифракционной литографии. Процесс изготовления был очень похож на процесс изготовления твердых прямых микроигл, за исключением введения дополнительного наклоненного угла во время процесса воздействия УФ. Измеренный наклоненный угол для микроигл составил 14°. В этом испытании микроиглы не были конвертированы в PLA. Условия твердых наклоненных микроигл приведены ниже:A 2x2 solid tilted microneedle was fabricated using a diffraction lithography method. The fabrication process was very similar to that of solid straight microneedles, except for the introduction of an additional inclined angle during the UV exposure process. The measured tilt angle for the microneedles was 14°. In this test, microneedles were not converted to PLA. The conditions of solid tilted microneedles are given below:

диаметр = 300 мкм, высота = 900 мкм, диаметр наконечника = 90 мкм, высота наконечника = 266 мкм, материал = смола для хирургических направляющих, количество игл = 4 (массив 2x2).diameter = 300 µm, height = 900 µm, tip diameter = 90 µm, tip height = 266 µm, material = surgical guide resin, number of needles = 4 (2x2 array).

Массив наклоненных микроигл 2x2 был размещен ровно вверх, в то время как динамометр медленно перемещали вниз со скоростью 1,2 мм/мин. Наконечник микроиглы сперва сжали динамометром и полностью согнули при измеренной силе 0,106 Н и 0,0265 Н на иглу. Затем динамометр продолжал сжимать основную часть микроигл до тех пор, пока микроиглы не отсоединились от субстрата. Так как микроиглы не были конвертированы в PLA, адгезионная сила между иглами и субстратом слабее, чем при вышеописанном испытании твердых прямых игл. Измеренная сила отсоединения от субстрата составляла 4,06 Н и 1,015 Н на иглу. Динамометр продолжал сжатие в сторону от основных частей микроигл до тех пор, пока не были достигнуты максимальные запрограммированные временные рамки, причем измеренная сила к этому моменту составляла 5,276 Н и 1,319 Н на иглу. Данные показаны на фиг. 33A с соответствующими изображениями микроигл на каждом этапе на фиг. 33B.A 2x2 tilted microneedle array was placed straight up while the dynamometer was slowly moved downward at a speed of 1.2 mm/min. The tip of the microneedle was first compressed with a dynamometer and fully bent with a measured force of 0.106 N and 0.0265 N on the needle. The dynamometer then continued to compress the bulk of the microneedles until the microneedles were released from the substrate. Since the microneedles were not converted to PLA, the adhesive force between the needles and the substrate is weaker than the solid straight needle test described above. The measured detachment force from the substrate was 4.06 N and 1.015 N per needle. The dynamometer continued compression away from the main parts of the microneedles until the maximum programmed time frame was reached, with the measured force at this point being 5.276 N and 1.319 N per needle. The data is shown in Fig. 33A with corresponding images of the microneedles at each stage in FIG. 33B.

--

Claims (21)

Давление сброса динамометра Игла отсоединилась субстрата от Наконечник иглы сломанRelief pressure dynamometer The needle has become detached from the substrate from The needle tip is broken Смещение = 642 мкм Смещение = 577 мкм Смещение =147 мкмOffset = 642 µm Offset = 577 µm Offset =147 µm Усилие = 5,276 Н Усилие = 4,06 Н Усилие = 0,106 НForce = 5.276 N Force = 4.06 N Force = 0.106 N Усилие на иглу = 1,319 Н Усилие на иглу = 1,015 Н Усилие на иглу = 0,0265 НNeedle force = 1.319 N Needle force = 1.015 N Needle force = 0.0265 N В заключение была исследована сила отсоединения, необходимая для отсоединения наклоненных микроигл с двух направлений. В данном случае, если динамометр перемещается против наклоненного направления микроиглы, это называется несинфазным сжатием, в то время как если динамометр перемещается к наклоненному направлению микроиглы, то это называется синфазным сжатием. Условия твердых наклоненных микроигл приведены ниже:Finally, the detachment force required to detach tilted microneedles from two directions was investigated. In this case, if the dynamometer is moved against the inclined direction of the microneedle, it is called out-of-phase compression, while if the dynamometer is moved towards the inclined direction of the microneedle, then it is called in-phase compression. The conditions of solid tilted microneedles are given below: диаметр = 300 мкм, высота = 900 мкм, диаметр наконечника = 90 мкм, высота наконечника = 266 мкм, материал = смола для хирургических направляющих, количество игл = 1.diameter = 300 µm, height = 900 µm, tip diameter = 90 µm, tip height = 266 µm, material = surgical guide resin, number of needles = 1. Хотя динамометр продолжал перемещаться вниз со скоростью 1,2 мм/мин, микроигла была размещена так, как проиллюстрировано на фиг. 34B, в зависимости от того, испытывалось ли синфазное или несинфазное сжатие. Измерение несинфазной силы отсоединения показало 0,224 Н, в то время как измерение синфазной силы отсоединения показало 0,574 Н. Данные показаны на фиг. 34A, причем соответствующие изображения микроигл показывают направление сжатия на фиг. 34B.____________Although the dynamometer continued to move downward at a speed of 1.2 mm/min, the microneedle was positioned as illustrated in FIG. 34B, depending on whether in-phase or out-of-phase compression was experienced. The out-of-phase detachment force measurement showed 0.224 N, while the in-phase detachment force measurement showed 0.574 N. The data is shown in FIG. 34A, with corresponding images of the microneedles showing the compression direction in FIG. 34B.____________ Несинфазное отсоединение Синфазное отсоединениеOut of phase disconnection Common Mode Disconnect Смещение = 34 мкм Смещение = 45 мкмOffset = 34 µm Offset = 45 µm Усилие = 0,224 Н Усилие = 0,574 НForce = 0.224 N Force = 0.574 N ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Способ литографии для изготовления множества микроскопических структур со сходящимися наконечниками, причем способ включает:1. A lithography method for producing a plurality of microscopic structures with converging tips, the method comprising: предоставление субстрата, имеющего первую поверхность и вторую поверхность, при этом указанный субстрат содержит шаблон, имеющий открытые области, выполненные с возможностью пропускания излучения, и сплошные области, выполненные с возможностью предотвращения прохождения излучения;providing a substrate having a first surface and a second surface, said substrate comprising a pattern having open regions configured to transmit radiation and solid regions configured to prevent transmission of radiation; образование слоя светочувствительной смолы в жидком состоянии на указанной первой поверхности;forming a layer of photosensitive resin in a liquid state on said first surface; воздействие на указанную светочувствительную смолу в жидком состоянии излучением через указанный субстрат от второй поверхности в течение первого периода времени с получением облученных светом частей указанной светочувствительной смолы в жидком состоянии, при этом указанные облученные светом части сшиваются и/или полимеризуются с образованием соответствующих начальных структур из смолы в твердом состоянии на указанной первой поверхности в выравнивании с указанными открытыми областями, причем указанные начальные структуры из смолы в твердом состоянии имеют повышенный показатель преломления по сравнению с указанной светочувствительной смолой в жидком состоянии, таким образом, каждая начальная структура из смолы в твердом состоянии действует как волновод, направляющий указанное излучение, проходящее через указанные открытые области указанного шаблона, в точку схождения, с образованием тем самым структур из смолы в твердом состоянии с сужающимися боковыми стенками и сходящимися наконечниками; и приведение слоя покрытия в контакт с сольвосистемой с удалением необлученных светом частей указанной светочувствительной смолы в жидком состоянии с получением множества указанных микроскопических структур из смолы в твердом состоянии с сужающимися боковыми стенками и сходящимися наконечниками на указанной первой поверхности указанного субстрата,exposing said photosensitive resin in a liquid state to radiation through said substrate from a second surface for a first period of time to produce light-irradiated portions of said photosensitive resin in a liquid state, wherein said light-irradiated portions are cross-linked and/or polymerized to form corresponding initial resin structures in a solid state on said first surface in alignment with said exposed regions, wherein said initial solid state resin structures have an increased refractive index compared to said photosensitive resin in a liquid state, such that each initial solid state resin structure acts as a waveguide directing said radiation passing through said open regions of said template to a convergence point, thereby forming solid state resin structures with tapering side walls and converging tips; and bringing the coating layer into contact with the solvo system to remove non-light-irradiated portions of said photosensitive resin in a liquid state to produce a plurality of said microscopic resin structures in a solid state with tapering side walls and converging tips on said first surface of said substrate, - 16 045047 при этом высоту указанных микроскопических структур из смолы в твердом состоянии регулируют посредством изменения по меньшей мере одного из времени воздействия, интенсивности света или длины волны указанного излучения.- 16 045047 wherein the height of said microscopic resin structures in the solid state is controlled by changing at least one of the exposure time, the light intensity or the wavelength of said radiation. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанные открытые области представляют собой отверстия, имеющие геометрическую форму, выбранную из группы, состоящей из круга, прямоугольника, многоугольника и звезды.2. The method according to claim 1, characterized in that said open areas are holes having a geometric shape selected from the group consisting of a circle, a rectangle, a polygon and a star. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что указанные отверстия имеют размер от приблизительно 1 до приблизительно 1000 мкм.3. The method of claim 2, wherein said holes have a size of from about 1 to about 1000 microns. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что указанные открытые области имеют центральные части, которые являются непрозрачными, для предотвращения прохождения излучения через центральную часть каждого отверстия.4. The method of claim 2, wherein said open areas have central portions that are opaque to prevent radiation from passing through the central portion of each opening. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что указанные микроскопические структуры со сходящимися наконечниками имеют полый стержень.5. The method according to claim 4, characterized in that said microscopic structures with converging tips have a hollow rod. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный шаблон представляет собой фотомаску, расположенную смежно с указанной первой поверхностью и/или указанной второй поверхностью указанного субстрата.6. The method according to claim 1, characterized in that said template is a photomask located adjacent to said first surface and/or said second surface of said substrate. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный шаблон образован как единое целое с указанным субстратом.7. The method according to claim 1, characterized in that said template is formed as a single unit with said substrate. 8. Способ по п.6 или 7, отличающийся тем, что шаблон содержит массив множества разнесенных отверстий, распределенных по субстрату.8. The method according to claim 6 or 7, characterized in that the template contains an array of multiple spaced holes distributed over the substrate. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный слой светочувствительной смолы в жидком состоянии имеет толщину, которая больше, чем высота указанных микроскопических структур из смолы в твердом состоянии.9. The method according to claim 1, characterized in that said layer of photosensitive resin in the liquid state has a thickness that is greater than the height of said microscopic resin structures in the solid state. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный слой светочувствительной смолы в жидком состоянии имеет толщину в диапазоне от приблизительно 50 мкм до приблизительно 9 мм.10. The method of claim 1, wherein said layer of photosensitive resin in the liquid state has a thickness ranging from about 50 μm to about 9 mm. 11. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанное излучение представляет собой свет с длиной волны от приблизительно 300 до приблизительно 450 нм.11. The method of claim 1, wherein said radiation is light with a wavelength of from about 300 nm to about 450 nm. 12. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанное излучение проходит через коллимирующую линзу, таким образом, направление распространения потока энергии от источника излучения параллельно и входит в субстрат под углом падения, перпендикулярным второй поверхности субстрата.12. The method according to claim 1, characterized in that said radiation passes through a collimating lens, thus the direction of propagation of the energy flow from the radiation source is parallel and enters the substrate at an angle of incidence perpendicular to the second surface of the substrate. 13. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный этап воздействия выполняют в течение периода времени от приблизительно 1 с до приблизительно 1 ч.13. The method of claim 1, wherein said exposure step is performed for a period of time from about 1 second to about 1 hour. 14. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанные микроструктуры образованы за один этап воздействия, при этом указанный способ не включает более одного этапа воздействия.14. The method according to claim 1, characterized in that said microstructures are formed in one stage of exposure, and this method does not include more than one stage of exposure. 15. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный этап воздействия включает указанный первый период времени и дополнительно включает по меньшей мере второй период времени, продолжающий указанный первый период времени, при этом указанные микроскопические структуры из смолы в твердом состоянии с сужающимися боковыми стенками и сходящимися наконечниками имеют первую высоту после указанного первого периода времени, и при этом указанные микроскопические структуры из смолы в твердом состоянии с сужающимися боковыми стенками и сходящимися наконечниками имеют вторую высоту после указанного второго периода времени, которая больше, чем указанная первая высота.15. The method of claim 1, wherein said exposure step includes said first period of time and further includes at least a second period of time extending said first period of time, said microscopic resin structures in a solid state with tapering side walls and converging tips have a first height after said first period of time, and wherein said microscopic solid state resin structures with tapered side walls and converging tips have a second height after said second period of time that is greater than said first height. 16. Способ по п.15, отличающийся тем, что воздействие излучением во время указанного второго периода времени индуцирует дополнительное сшивание и/или фотополимеризацию в участках слоя смолы, смежных со сходящимися наконечниками указанных начальных микроскопических структур из смолы в твердом состоянии первой высоты, тем самым образуя одну или более дополнительных гармонических структур на указанных начальных микроскопических структурах из смолы в твердом состоянии.16. The method according to claim 15, characterized in that exposure to radiation during said second period of time induces additional cross-linking and/or photopolymerization in areas of the resin layer adjacent to the converging tips of said initial microscopic solid state resin structures of the first height, thereby forming one or more additional harmonic structures on said initial microscopic resin structures in the solid state. 17. Способ по п.16, отличающийся тем, что указанные одна или более дополнительные гармонические структуры имеют боковые стенки с чередующимися наклоняющимися и отклоняющимися углами, в конечном итоге сходящимися на соответствующих наконечниках.17. The method of claim 16, wherein said one or more additional harmonic structures have side walls with alternating inclined and deflecting angles, ultimately converging at respective tips. 18. Способ по п.1, отличающийся тем, что микроскопические структуры из смолы в твердом состоянии содержат соответствующие стержни, имеющие геометрические конфигурации поперечного сечения, выбранные из группы, состоящей из круглой, прямоугольной, многоугольной и продолговатой, и при этом комбинация любых из вышеуказанных геометрических конфигураций может быть обеспечена в одном массиве микроструктур по всему указанному субстрату.18. The method of claim 1, wherein the microscopic solid state resin structures comprise respective rods having geometric cross-sectional configurations selected from the group consisting of round, rectangular, polygonal and oblong, and a combination of any of the above geometric configurations can be provided in one array of microstructures throughout the specified substrate. 19. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждая из микроскопических структур из смолы в твердом состоянии имеет размер основания в диапазоне от приблизительно 5 мкм до приблизительно 1000 мкм, и высоту в диапазоне от приблизительно 30 мкм до приблизительно 9 мм.19. The method of claim 1, wherein each of the microscopic solid state resin structures has a base size ranging from about 5 µm to about 1000 µm, and a height ranging from about 30 µm to about 9 mm. 20. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный субстрат является по существу плоским, и при этом указанный субстрат остается неподвижным во время указанного воздействия.20. The method of claim 1, wherein said substrate is substantially flat and wherein said substrate remains stationary during said exposure. 21. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает нанесение одного или более промежуточных слоев на указанный субстрат до нанесения указанного слоя светочувствительной смолы.21. The method of claim 1, further comprising applying one or more intermediate layers to said substrate prior to applying said photosensitive resin layer. --
EA202292129 2020-01-16 2021-01-15 MICRONEEDLE, MICROCONE AND MANUFACTURING METHODS USING PHOTOLITHOGRAPHY EA045047B1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US62/961,931 2020-01-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EA045047B1 true EA045047B1 (en) 2023-10-26

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20220347450A1 (en) Microneedle, microcone, and photolithography fabrication methods
US10859748B2 (en) Diverging light from fiber optics illumination delivery system
CN112703100A (en) Hybrid 3D printing with photocurable materials
EP3359993B1 (en) Method for producing microstructures on optical fibres
CN101505953A (en) Diffusers and methods of manufacture
JP2004505816A (en) Solid buried lens structure and method of manufacturing solid buried lens structure
JPH01163027A (en) Method and device for molding optical element
US11751970B2 (en) Method of making diverging-light fiber optics illumination delivery system
JP2003001599A (en) Manufacture method of three-dimensional minute structure and apparatus thereof
JP2011085614A (en) Tooth model and method for manufacturing the same
US7029607B2 (en) Process for producing polymer optical waveguide
Mckee et al. Microfabrication of polymer microneedle arrays using two-photon polymerization
Rad et al. Parametric optimization of two-photon direct laser writing process for manufacturing polymeric microneedles
EA045047B1 (en) MICRONEEDLE, MICROCONE AND MANUFACTURING METHODS USING PHOTOLITHOGRAPHY
EP2544030A1 (en) Optical element and method of manufacturing optical elements
Choi Development of projection-based microstereolithography apparatus adapted to large surface and microstructure fabrication for human body application
WO2021054903A2 (en) Method of producing microneedles
CN114344699B (en) Preparation method of hollow microneedle patch, hollow microneedle patch and injection device
Kathuria et al. Fabrication of photomasks consisting microlenses for the production of polymeric microneedle array
WO2023018757A1 (en) Systems and methods for three-dimensional printing
CN113226432B (en) Hollow microneedle for transdermal delivery of active molecules and/or for sampling biological fluids and method for manufacturing such hollow microneedle
JP2005043652A (en) Method for manufacturing polymer optical waveguide and apparatus for manufacturing the same
TWI287504B (en) Manufacturing method of a 3-D micro lens array with predetermined surface curvature controlled by centrifugal force surface
JP2004151160A (en) Manufacturing method of optical waveguide
JP7407654B2 (en) Manufacturing method of light control filter