KR20130058012A

KR20130058012A - 사출 성형된 마이크로니들 어레이 및 마이크로니들 어레이의 형성 방법

Info

Publication number: KR20130058012A
Application number: KR1020127031014A
Authority: KR
Inventors: 러셀 프레데릭 로스
Original assignee: 킴벌리-클라크 월드와이드, 인크.
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2013-06-03
Also published as: US9545507B2; KR20130058703A; WO2011135532A3; AU2011288209A1; JP2013524986A; AU2011246882A1; EP2563452B1; EP2563452A2; WO2012020332A2; US20170143949A1; US20130144217A1; KR101790815B1; KR101794377B1; US10245421B2; CA2796196C; MX2012012317A; RU2570280C2; US9526883B2; ES2617284T3; WO2011135533A2

Abstract

기재 기부 상에 마이크로니들을 포함하는 사출 성형된 기구가 개시되어 있다. 마이크로니들은 가공된 복수 개의 나노 크기의 구조체를 포함할 수 있다. 마이크로니들을 형성하는데 사용되는 금형은 복수 개의 금형 세그먼트로부터 조립되고, 이들은 각각 마이크로니들의 일부를 한정한다. 다수의 금형 세그먼트를 조립하면, 마이크로니들 음각 공동이 형성된다. 금형은 마이크로니들 어레이를 형성하는 사출 성형 공정에서 사용될 수 있다. 기구는 피부 결합 조직 요소와의 상호작용을 위해 이용될 수 있다.

Description

사출 성형된 마이크로니들 어레이 및 마이크로니들 어레이의 형성 방법 {INJECTION MOLDED MICRONEEDLE ARRAY AND METHOD FOR FORMING THE MICRONEEDLE ARRAY}

관련 출원의 상호참조

본 출원은 출원일이 2010년 4월 28일인 미국 특허 가출원 제61/328,723호, 출원일이 2010년 11월 8일인 미국 특허 가출원 제61/411,071호, 및 출원일이 2011년 1월 25일인 미국 특허 가출원 제61/435,939호를 우선권 주장하며, 이들 가출원은 모두 그 전문이 본원에 참고로 포함된다.

주요 약물 전달 방법으로 경구 전달 및 주사가 있지만, 이들 두 방법은 어려움이 있다. 예를 들어, 주사는 통증이 있고 두 방법 모두 바람직한 정상 상태 전달보다는 제제의 버스트(burst)를 제공하는 경향이 있다. 또한, 경구 전달 및 주사 전달의 성공적인 장기 사용을 위해서는 환자가 전달 방법을 위한 시간 요건을 일관되게 충족시킬 것을 요한다.

환자의 일상을 거의 또는 전혀 방해하지 않으면서, 지속적인 기간에 걸쳐서 활성 제제를 전달하는 무통 경로를 제공하기 위한 시도로 경피 전달 물질이 개발되었다. 불행히도, 각질층의 중첩 각질세포, 과립층의 밀착 연접, 및 면역 반응 및/또는 이물질 반응을 도입하는 유극층의 랑게르한스(Langerhans) 세포와 같은 자연발생적인 피부의 특성들은 모두 활성 제제의 성공적인 경피 전달에 있어서 장애가 된다.

활성 제제의 경피 전달을 가능하게 하는 마이크로니들(microneedle)의 이용은 이러한 전달 경로를 향상시켰다. 마이크로니들 경피용 기구는 적어도 각질층을 침투하여 피부의 하부층까지 도달할 수 있는 니들의 어레이를 포함한다. 몇몇 기구에서, 마이크로니들은 신경 말단을 자극하지 않고 통증 반응을 도입하지 않는 깊이까지 침투하도록 디자인된다. 마이크로니들 기구의 예는 미국 특허 제6,334,856호 (Allen , et al .) 및 미국 특허 제7,226,439호 (Prausnitz , et al .)에 개시되어 있고, 이들 특허는 본원에 참고로 포함된다.

마이크로니들 기구를 충분히 이용하기 위해, 다수의 제제를 전달할 수 있는 기구의 효율적인 대량 제조 방법을 개발할 필요가 있다. 사출 성형 공정에 의해 마이크로니들 어레이를 형성하기 위한 연구가 수행되었다. 예를 들어, 미국 특허 출원 공보 제2007/0191761호 (Boone , et al .)에 성형가능한 물질을 마이크로니들의 음영상으로 특징화되는 음각 금형 삽입물로 사출하는 것을 포함하는 방법이 개시되어 있다. 미국 특허 출원 공보 제2008/0088066호 (Ferguson , et al .)에는 마이크로니들의 음영상을 갖는 금형 삽입물 및 압축 코어를 포함하는 금형 장치를 이용하는 방법이 개시되어 있다. 금형 하우징은 금형 삽입물과 압축 코어의 상호간의 운동을 허용하고, 하우징이 폐쇄 위치에 있으면 중합체 물질이 폐쇄된 장치로 사출된다.

불행히도, 사출 성형된 마이크로니들을 포함시키더라도, 현재의 경피용 기구는 비하전된 중간 정도의 친유성을 갖는 저분자량 제제의 전달로 제한된다. 자연발생적인 피부 경계를 성공적으로 넘는다 하더라도, 전달된 제제의 활성 수준을 유지하고 이물질 및 면역 반응을 피하는 것과 관련하여 여전히 문제가 있다.

고분자량 제제를 비롯한, 광범위한 제제의 전달을 위해 이용가능한 마이크로니들 기구가 당업계에 필요하다. 또한, 대량 제조 설비로 이해될 수 있는 기구의 효율적인 형성 방법, 예컨대 사출 성형 방법도 당업계에 필요하다.

한 실시양태에서 마이크로니들 어레이의 형성 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 성형가능한 물질을 마이크로니들 음각 공동으로 사출하는 것을 포함할 수 있고, 여기서 마이크로니들 음각 공동은 표면 상에 복수 개의 가공된 나노구조체를 한정하고, 나노구조체는 소정의 패턴으로 배열된다.

또한, 사출 성형된 마이크로니들 어레이가 개시되어 있다. 마이크로니들 어레이는 기재, 기재의 표면으로부터 연장하는 복수 개의 마이크로니들, 및 마이크로니들 중 적어도 하나의 표면 상에 복수 개의 나노구조체를 포함할 수 있다. 복수 개의 나노구조체는 예정된 패턴으로 배열될 수 있다. 사출 성형된 마이크로니들 어레이를 포함하는 경피용 패치 또한 개시되어 있다.

당업자를 위한, 최상의 양식을 포함하는 주제에 관한 충분하고 가능한 개시내용이 첨부된 도면을 참조로 하여, 본 명세서의 나머지 부분에서 보다 구체적으로 상술될 것이다.
도 1은 마이크로니들 기구의 한 실시양태를 개략적으로 도해한다.
도 2는 마이크로니들 기구의 또 다른 실시양태의 주사 전자 현미경 (SEM) 영상이다.
도 3은 2개의 마이크로니들 세그먼트(segment)를 포함하는, 하나의 금형 세그먼트를 개략적으로 도해한다.
도 4는 세포외 기질 (ECM)과 상호작용할 수 있는 나노토포그래피(nanotopography)를 한정하는 표면을 포함하는 마이크로니들의 한 실시양태를 개략적으로 도해한다.
도 5는 마이크로니들 표면 상에 형성될 수 있는 복합형 패턴의 한 실시양태를 도해한다.
도 6은 도 5의 복합형 패턴의 다중 반복을 포함하는 패턴을 도해한다.
도 7a 내지 7c는 정방형 패킹 디자인 (도 7a), 육각형 패킹 디자인 (도 7b), 및 원형 패킹 디자인 (도 7c)을 비롯한, 본원에 기재된 나노 크기의 구조체를 위해 이용가능한 예시적인 패킹 밀집도를 도해한다.
도 8a 내지 8d는 복합형 프랙탈(fractal) 및 프랙탈 유사 나노토포그래피를 도해한다.
도 9는 마이크로니들 표면 상에 형성될 수 있는 또 다른 복합형 패턴을 도해한다.
도 10은 금형의 캡핑(capping) 세그먼트에 맞춰 정렬된 사출 금형 세그먼트를 개략적으로 도해한다.
도 11은 조립 이후의 금형의 횡단면도를 개략적으로 도해한다.
도 12는 복수 개의 금형 세그먼트의 조립 이후의 마이크로니들 어레이의 상면도를 개략적으로 도해한다.
도 13은 단일 마이크로니들 어레이를 포함하는 금형을 개략적으로 도해한다.
도 14 및 15는 본 개시내용의 실시양태에 따라 형성될 수 있는 마이크로니들 어레이의 부분 횡단면도이다.
도 16은 시어핀스키(Sierpinski) 삼각형 프랙탈을 도해한다.
도 17a 및 17b는 기구의 한 실시양태를 분해조립도 (도 17a) 및 조립도 (도 17b)로서 개략적으로 도해한다.
도 18은 약물 화합물 전달 전의 경피용 패치의 한 실시양태의 투시도이다.
도 19는 도 18의 패치의 정면도이다.
도 20은 이형 부재가 패치로부터 부분적으로 인출된 도 18의 패치의 투시도이다.
도 21은 도 20의 패치의 정면도이다.
도 22는 이형 부재의 제거 후 및 사용 동안의 도 18의 경피용 패치의 투시도이다.
도 23은 도 22의 패치의 정면도이다.
도 24는 약물 화합물 전달 전의 경피용 패치의 또 다른 실시양태의 투시도이다.
도 25는 도 24의 패치의 정면도이다.
도 26은 이형 부재가 패치로부터 부분적으로 박리된 도 24의 패치의 투시도이다.
도 27은 도 26의 패치의 정면도이다.
도 28은 이형 부재가 패치로부터 완전히 박리된 도 24의 패치의 투시도이다.
도 29는 이형 부재의 제거 후 및 사용 동안의 도 24의 경피용 패치의 투시도이다.
도 30a 내지 30e는 본원에 기재된 다수의 나노토포그래피 패턴을 도해한다.
도 31은 나노패턴화된 표면을 포함하는 필름의 SEM이다.
도 32a 및 32b는 또 다른 나노패턴화된 표면을 포함하는 필름의 2개의 SEM이다.
도 33은 또 다른 나노패턴화된 표면을 포함하는 필름의 SEM이다.
도 34는 또 다른 나노패턴화된 표면을 포함하는 필름의 SEM이다.
도 35는 또 다른 나노패턴화된 표면을 포함하는 필름의 SEM이다.
도 36은 또 다른 나노패턴화된 표면을 포함하는 필름의 SEM이다.
도 37은 또 다른 나노패턴화된 표면을 포함하는 필름의 SEM이다.
도 38은 또 다른 나노패턴화된 표면을 포함하는 필름의 SEM이다.
도 39는 또 다른 나노패턴화된 표면을 포함하는 필름의 SEM이다.

개시된 주제의 다양한 실시양태를 이제 상세히 언급할 것이며, 이들의 하나 이상의 예가 하기에 상술되어 있다. 각각의 예는 제한하는 것이 아닌, 설명하는 방식으로 제공된다. 실제로, 주제의 범주 또는 취지로부터 이탈하지 않으면서, 본 개시내용에 대한 다양한 수정 및 변화가 있을 수 있음이 당업자에게 자명할 것이다. 예를 들면, 한 실시양태의 일부로서 예시되었거나 기재된 특징이 또 다른 실시양태에서 사용되어 추가의 또 다른 실시양태를 얻을 수 있다. 따라서, 본 개시내용은 첨부된 특허청구범위 및 그의 등가물의 범주 내에 있는 그러한 수정 및 변화를 포함시키고자 한다.

전반적으로, 마이크로니들 어레이를 형성하는 사출 성형 공정 및 그 공정에 따라 형성된 사출 성형 어레이가 본원에 개시되어 있다. 보다 구체적으로, 사출 성형된 마이크로니들 어레이는 니들의 표면 상에 가공된 소정의 패턴의 구조체를 포함할 수 있고, 상기 구조체의 적어도 일부는 나노 크기의 규모로 가공된 나노구조체이다. 본원에서 사용된 용어 '가공'은 일반적으로 마이크로니들의 표면에 존재하도록 특수 디자인, 공정처리 및/또는 구조화되었고 사출 성형 형성 공정의 단지 부수적인 산물인 표면 피쳐(feature)와 동일시되지 않는 구조체를 말한다. 따라서, 마이크로니들의 표면 상에 예정된 패턴의 나노구조체가 존재할 것이다.

사출 성형된 마이크로니들 어레이는 각각의 마이크로니들을 형성하는 다수의 금형 세그먼트를 이용하는 공정에 따라 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 각각의 금형 세그먼트는 하나 이상의 마이크로니들 세그먼트를 한정한다. 금형 세그먼트는 서로 정렬되어 완성된 금형을 형성할 수 있다. 금형 세그먼트는, 인접한 금형 세그먼트 상의 마이크로니들 세그먼트 또한 서로 정렬되도록 정렬된다. 2개 이상의 마이크로니들 세그먼트가 정렬되면, 완성된 마이크로니들 공동이 한정될 수 있고, 각각의 마이크로니들 세그먼트는 완성된 마이크로니들 공동의 일부를 한정한다. 또한, 마이크로니들 세그먼트는 표면 상에 예정된 패턴의 나노구조체를 한정할 수 있다.

도 1은 전형적인 마이크로니들 어레이 (10)를 도해한다. 확인할 수 있는 바와 같이, 어레이는 여러 개의 개개의 니들 (12)을 포함하고; 이들은 각각 개개의 마이크로니들의 파손 없이 생물학적 장벽을 침투하도록 하는 크기 및 형상으로 형성된다. 마이크로니들은, 충실성, 다공성일 수 있거나, 또는 중공부를 포함할 수 있다. 마이크로니들은 중공부, 예를 들어 필요에 따라 니들 축의 방향에 평행하게 연장하거나 또는 니들의 한 쪽에서 분지되거나 빠져나오는, 니들의 전체 또는 그의 일부를 통해 연장할 수 있는 환상 보어(bore)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2는 니들의 길이를 따라 채널 (16)을 각각 포함하는 마이크로니들 (14)의 어레이를 도해하며, 이는 예를 들어 제제를 피하 위치로 전달하기 위해 이용가능하다. 예를 들어, 채널 (16)은 개구와 채널 (16) 사이의 연접을 형성하도록 적어도 부분적으로 기부 (15)의 개구에 맞춰 정렬될 수 있어, 채널 (16)을 통한 물질의 통과를 허용한다.

사출 성형된 마이크로니들 어레이는 마이크로니들의 표면 상에 나노구조체를 포함하는 예정된 패턴을 한정하는 금형을 사용하여 형성할 수 있다. 한 실시양태에서, 금형은 복수 개의 정렬된 금형 세그먼트로부터 형성될 수 있다. 도 3은 2개의 인접한 마이크로니들 세그먼트 (31)를 포함하는 단일 금형 세그먼트 (30)의 한 실시양태를 개략적으로 도해한다. 각각의 마이크로니들 세그먼트 (31)는 단일 마이크로니들의 일부만을 한정한다. 마이크로니들을 위한 완성된 음각 공동은 인접한 금형 세그먼트 상에 있는 마이크로니들 세그먼트의 정렬에 의해 형성될 수 있다.

마이크로니들 음각 금형 공동은 임의의 목적하는 기하학적 구조의 마이크로니들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 마이크로니들 세그먼트 (31)로부터 형성된 마이크로니들은 일반적으로 일자형 (비테이퍼형) 부분 (32), 테이퍼형(tapered) 첨단 부분 (33), 및 테이퍼형 기저 부분 (34)을 포함하는 마이크로니들 세그먼트 (31)의 형상에 합치될 수 있다. 마이크로니들 세그먼트는 선택적으로 전체 길이를 따라 일자형인 샤프트(shaft) 또는 테이펴헝 샤프트를 가질 수 있다. 한 실시양태에서, 마이크로니들 세그먼트의 횡단면은 마이크로니들 세그먼트의 기저 단부에서 최대일 수 있고 기부로부터 원위에 있는 단부에서의 어느 지점까지 점점 가늘어질 수 있다.

마이크로니들 세그먼트는 횡단면이 원형 또는 비원형인 마이크로니들 샤프트의 일부를 한정할 수 있다. 예를 들어, 성형된 마이크로니들의 횡단면은 다각형 (예를 들어, 성상형, 정방형, 삼각형), 장방형, 또는 임의의 다른 형상일 수 있다.

개개의 마이크로니들 금형 세그먼트 (31)의 크기는 마이크로니들의 목적하는 크기에 따라, 예를 들어 특정한 조직 유형에서의 파손을 피하기 위한 니들의 강도 요건, 마이크로니들의 표적 깊이 등에 따라 최적화될 수 있다. 예를 들어, 금형 세그먼트 (31)의 횡단면 치수는 100 마이크로미터이지만, 사출 성형된 경피용 마이크로니들은 약 10 nm 내지 1 밀리미터, 또는 약 1 마이크로미터 내지 약 200 마이크로미터, 또는 약 10 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터의 횡단면 치수를 가질 수 있다.

마이크로니들의 어레이는 모두가 서로 동일한 마이크로니들을 포함할 필요는 없다. 어레이는 다양한 길이, 외경, 내경, 횡단면 형상, 나노구조화된 표면 및/또는 마이크로니들 사이의 간격을 갖는 마이크로니들의 혼합을 포함할 수 있다. 예를 들면, 마이크로니들은 균일한 방식으로, 예컨대 직사각형 또는 정방형 그리드(grid)로 또는 동심원형으로 이격될 수 있다. 간격은 마이크로니들의 높이 및 너비 뿐만 아니라, 마이크로니들을 통해 이동시키고자 하는 물질의 양 및 유형을 포함하는 다수의 인자에 따라 좌우될 수 있다. 마이크로니들의 다양한 배열이 유용하지만, 마이크로니들의 특히 유용한 배열은 마이크로니들 사이의 "첨단부간(tip-to-tip)" 간격이 약 50 마이크로미터 이상, 일부 실시양태에서는 약 100 내지 약 800 마이크로미터, 또한 일부 실시양태에서는 약 200 내지 약 600 마이크로미터인 것이다.

마이크로니들의 크기 및 형상은 또한 필요에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 도 3의 마이크로니들 세그먼트 (31)는 테이퍼형 연부를 갖는 첨단 부분 (33)이 위치하는 직사각형 부분 (32)을 포함한다. 그러나, 별법의 실시양태에서, 마이크로니들 세그먼트의 사용에 의해 형성된 마이크로니들은 원통형 샤프트 및 원뿔형 첨단 부분을 가질 수 있거나, 또는 전체적으로 피라미드 형상 또는 전체적으로 원뿔 형상을 가질 수 있다. 어느 경우이든지, 마이크로니들 금형 세그먼트 (31)는 전형적으로 기부 (40) 및 첨단부 (42)를 포함한다. 형성된 마이크로니들에 대하여 도 2에 도시된 바와 같이, 기부 (320)는 지지체 (15)의 표면에 근접해 있는 마이크로니들 (14)의 부분이다. 마이크로니들 (14)의 첨단부 (322)는 기부 (320)로부터 가장 원위에 있는 마이크로니들 위치이다. 첨단부 (322)는 다양하게 형성될 수 있지만, 전형적으로 약 1 마이크로미터 이하의 반경을 갖는다.

마이크로니들 세그먼트 (31)에 의해 형성된 마이크로니들은, 통증을 최소화하는 것이 바람직한 적용에서 전형적으로 각질층을 침투하여 표피까지 지나가지만, 표피를 관통하여 진피까지 침투하지는 않는 충분한 길이를 갖는다. 특정 실시양태에서, 마이크로니들 세그먼트 (31)는 약 1 마이크로미터 내지 약 1 밀리미터 (길이), 예를 들어 약 500 마이크로미터 이하, 일부 실시양태에서는 10 내지 약 500 마이크로미터, 또한 일부 실시양태에서는 약 30 내지 약 200 마이크로미터의 길이 (그의 첨단부 (42)에서부터 그의 기부 (36)까지)를 갖는다.

음각 금형 공동의 마이크로니들 세그먼트 (31)는 마이크로니들의 피쳐를 한정할 수 있다. 예를 들어, 사용하는 동안의 제제의 통과를 위한 보어 또는 채널을 한정하는 마이크로니들이 형성되는 실시양태에서, 마이크로니들 세그먼트 (31)는, 예를 들어 도 2에서 (16)으로 도해된 바와 같이, 마이크로니들의 길이를 따라 채널을 형성하도록 마이크로니들 채널 금형 (35)을 포함할 수 있다. 성형가능한 물질을 공동에 사출하면, 채널 금형은 초기 마이크로니들의 길이를 따라 채널을 형성할 수 있다.

존재할 경우에, 채널 (16)의 치수는 구체적으로 약물 화합물의 모세관 유동을 유도하도록 선택될 수 있다. 모세관 유동은 일반적으로 유체의 채널벽에 대한 부착력이 액체 분자 사이의 응집력보다 클 경우에 발생한다. 구체적으로, 모세관압은 채널 (16)의 횡단면 치수에 반비례하고 액체의 표면 장력에 정비례하며, 채널을 형성하는 물질과 접촉하는 유체의 접촉각의 코사인을 곱한 것이다. 따라서, 패치에서의 모세관 유동을 가능하게 하기 위해, 채널 (16)의 횡단면 치수 (예를 들어, 너비, 직경 등)는 선택적으로 조절될 수 있고, 치수가 작을수록 일반적으로 보다 높은 모세관압을 초래한다. 예를 들어, 채널의 횡단면 치수는 통상적으로, 일부 실시양태에서 약 1 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터의 범위에 있고, 또한 일부 실시양태에서는 약 5 마이크로미터 내지 약 50 마이크로미터의 범위에 있고, 또한 일부 실시양태에서는 약 10 마이크로미터 내지 약 30 마이크로미터의 범위에 있다. 상기 치수는 일정할 수 있거나 또는 채널 (16)의 길이에 대한 함수로서 달라질 수 있다. 채널의 길이 또한 약물 화합물의 상이한 용적, 유량 및 체류 시간을 수용하도록 달라질 수 있다. 예를 들면, 채널의 길이는 약 10 마이크로미터 내지 약 800 마이크로미터일 수 있고, 또한 일부 실시양태에서는 약 50 마이크로미터 내지 약 500 마이크로미터일 수 있고, 또한 일부 실시양태에서는 약 100 마이크로미터 내지 약 300 마이크로미터일 수 있다. 채널의 단면적 또한 달라질 수 있다. 예를 들면, 단면적은 약 50 제곱 마이크로미터 내지 약 1,000 제곱 마이크로미터일 수 있고, 또한 일부 실시양태에서는 약 100 제곱 마이크로미터 내지 약 500 제곱 마이크로미터일 수 있고, 또한 일부 실시양태에서는 약 150 제곱 마이크로미터 내지 약 350 제곱 마이크로미터일 수 있다. 추가로, 채널의 종횡비 (길이/횡단면 치수)는 약 1 내지 약 50의 범위에 있을 수 있고, 또한 일부 실시양태에서는 약 5 내지 약 40의 범위에 있을 수 있고, 또한 일부 실시양태에서는 약 10 내지 약 20의 범위에 있을 수 있다. 횡단면 치수 (예를 들어, 너비, 직경 등) 및/또는 길이가 길이에 대한 함수로서 달라질 경우에, 종횡비는 평균 치수로부터 결정할 수 있다.

마이크로니들 세그먼트 (31)는 이것이 금형 세그먼트의 기부 (36)에 대하여 임의의 적합한 각도로 배향되도록 형성될 수 있고, 상기 기부 (36)은 지지 기재의 표면을 형성한다. 한 실시양태에서, 마이크로니들 세그먼트 (31)는 기부 (36)에 대하여 수직으로 배향될 수 있고, 기재의 단위 면적 당 보다 큰 밀집도의 마이크로니들이 형성될 수 있다. 그러나, 이것이 필요요건은 아니고, 형성된 마이크로니들이 기재와 연결될 기부 (36)에 대한 마이크로니들 세그먼트 (31)의 각도는, 사출 성형된 마이크로니들이 지지 기재 상에 필요에 따라 배향되도록 달라질 수 있다.

채널 금형 (36) 이외에, 마이크로니들 세그먼트 (31)는 사출 성형된 마이크로니들의 표면 상에 나노구조체 (나노토포그래피)를 포함하는 예정된 패턴을 형성할 수 있는 복수 개의 가공된 나노 크기의 구조체 또는 음각형 나노 크기의 구조체를 표면 상에 한정할 수 있다. 도 4는 표면 상에 가공된 나노구조체를 포함하는 2개의 대표적인 마이크로니들 (22)의 단부를 개략적으로 도해한다. 이 특정 실시양태에서, 마이크로니들 (22)은 마이크로니들 (22)을 통한 제제의 전달을 위해 사용될 수 있는 중심부 보어 (24)를 한정한다. 마이크로니들 (22)의 표면 (25)은 나노토포그래피 (26)를 한정한다. 이 특정 실시양태에서, 나노토포그래피 (26)는 마이크로니들 (22)의 표면 (25) 상에 무작위 패턴을 한정한다.

가공된 나노토포그래피를 포함하는 마이크로니들을 형성할 경우에, 마이크로니들 세그먼트 (31)는 표면 상에 형성된 복수 개의 동일한 구조체의 패턴을 포함할 수 있거나, 또는 다양한 크기, 형상 및 이들의 조합으로 형성된 다수의 상이한 구조체의 패턴을 포함할 수 있다. 구조체의 예정된 패턴은 다양한 길이, 직경, 횡단면 형상 및/또는 구조체 사이의 간격을 갖는 구조체의 혼합을 포함할 수 있다. 예를 들면, 구조체는 균일한 방식으로, 예컨대 직사각형 또는 정방형 그리드로 또는 동심원형으로 이격될 수 있다. 한 실시양태에서, 패턴 요소는 크기 및/또는 형상의 측면에서 다를 수 있고 복합형 나노토포그래피를 형성할 수 있다. 한 실시양태에서, 복합형 나노토포그래피는 프랙탈 또는 프랙탈 유사 기하학적 구조를 한정할 수 있다.

본원에서 사용된 용어 "프랙탈"은 일반적으로 구조체의 특정한 수학적 또는 물리적 성질이 구조체의 치수가 공간 치수보다 큰 것처럼 거동하도록 최대 규모부터 최소 규모까지 모든 측정 규모에서 단편화된 형상을 갖는 기하학적 또는 물리적 구조체를 말한다. 해당되는 수학적 또는 물리적 성질에는, 예를 들어 다공성 매체에서의 유량 또는 만곡부의 둘레가 포함될 수 있다. 프랙탈의 기하학적 형상은 부분으로 분할될 수 있고, 이들은 각각 자기 유사성을 한정한다. 추가로, 프랙탈은 순환적 한정을 가지며 임의의 작은 규모의 미세 구조를 갖는다.

본원에서 사용된 용어 "프랙탈 유사"는 일반적으로 프랙탈의 특성을 모두는 아니지만 하나 이상 갖는 기하학적 또는 물리적 구조체를 말한다. 예를 들면, 프랙탈 유사 구조체는 자기 유사 부분을 포함하는 기하학적 형상을 포함할 수 있지만, 임의의 작은 규모의 미세 구조를 포함하지 않을 수 있다. 또 다른 예로서, 프랙탈 유사 기하학적 형상 또는 물리적 구조체는 프랙탈처럼 규모의 반복 사이에 균등하게 규모가 감소 (또는 증가)하지 않을 수 있지만, 패턴의 기하학적 형상의 순환적 반복 사이에는 증가 또는 감소할 것이다. 프랙탈 유사 패턴은 프랙탈보다 단순할 수 있다. 예를 들어, 프랙탈 유사 패턴은 규칙적일 수 있고, 전통적인 유클리드(Euclidean) 기하학 언어로 비교적 용이하게 설명될 수 있지만, 프랙탈은 그렇지 않을 수 있다.

성형된 마이크로니들 상의 구조체는 모두 대체적으로 동일한 형상 (예를 들어, 필러(pillar)) 및 동일하거나 상이한 측정 규모 (예를 들어, 나노 규모 필러 및 마이크로 규모 필러)로 형성될 수 있다. 그렇지 않으면, 구조체는 크기 및 형상이 둘다 다를 수 있거나 또는 형상만 다르고 동일한 나노 크기의 규모로 형성될 수 있다. 추가로, 구조체는 조직화된 어레이로 또는 무작위 분포로 형성될 수 있다. 구조체의 적어도 일부는 나노 크기의 규모로 형성된, 예를 들어 약 500 nm 미만, 예를 들어 약 400 nm 미만, 약 250 nm 미만, 또는 약 100 nm 미만의 횡단면 치수를 한정하는 나노구조체일 수 있다. 나노구조체의 횡단면 치수는 일반적으로 약 5 나노미터 초과, 예를 들어 약 10 나노미터 초과, 또는 약 20 나노미터 초과일 수 있다. 예를 들면, 나노구조체는 약 5 나노미터 내지 약 500 나노미터, 약 20 나노미터 내지 약 400 나노미터, 또는 약 100 나노미터 내지 약 300 나노미터의 횡단면 치수를 한정할 수 있다. 나노구조체의 횡단면 치수가 나노구조체의 높이에 대한 함수로서 달라질 경우에, 횡단면 치수는 나노구조체의 기부에서부터 첨단부까지의 평균으로서, 또는 구조체의 최대 횡단면 치수, 예를 들어 원뿔형 나노구조체의 기부에서의 횡단면 치수로서 결정될 수 있다.

도 5는 표면 상에 형성될 수 있는 복합형 나노토포그래피의 한 실시양태를 도해한다. 이 특정 패턴은 중심부의 큰 필러 (100) 및 규칙적인 패턴으로 제공된 보다 작은 치수의 주위 필러 (102), (104)를 포함한다. 확인할 수 있는 바와 같이, 이 패턴은 필러의 반복을 포함하며, 이들은 각각 대체적으로 동일한 형상으로 형성되지만, 수평 치수는 다르다. 이 특정 복합형 패턴은 연속적인 순환적 반복 사이에 규모에 있어서의 동일한 개조를 포함하지 않는 프랙탈 유사 패턴의 예이다. 예를 들면, 필러 (102)는 마이크로구조체인 보다 큰 필러 (100)의 약 1/3인 수평 치수를 한정하는 제1 나노구조체이고, 한편 필러 (104)는 필러 (102)의 약 1/2인 수평 치수를 한정하는 제2 나노구조체이다.

상이한 크기의 구조체를 포함하는 패턴은 보다 큰 규모로 형성된 횡단면 치수를 갖는 보다 큰 구조체, 예를 들어 약 500 나노미터 초과의 횡단면 치수를 갖는 마이크로구조체를, 보다 작은 나노구조체와 함께 포함할 수 있다. 한 실시양태에서, 복합형 나노토포그래피의 마이크로구조체는 약 500 나노미터 내지 약 10 마이크로미터, 약 600 나노미터 내지 약 1.5 마이크로미터, 또는 약 650 나노미터 내지 약 1.2 마이크로미터의 횡단면 치수를 가질 수 있다. 예를 들면, 도 5의 복합형 나노토포그래피는 약 1.2 마이크로미터의 횡단면 치수를 갖는 마이크로 크기의 필러 (100)를 포함한다.

패턴이, 예를 들어 약 500 나노미터 초과의 횡단면 치수를 갖는 하나 이상의 보다 큰 마이크로구조체를 포함할 경우에 (구조체의 평균 횡단면 치수로서 또는 구조체의 최대 횡단면 치수로서 결정됨), 복합형 나노토포그래피는 또한 나노구조체, 예를 들어 상이한 크기 및/또는 형상의 제1 나노구조체, 제2 나노구조체 등을 포함할 것이다. 예를 들어, 도 5의 복합형 나노토포그래피의 필러 (102)는 약 400 나노미터의 횡단면 치수를 갖고, 필러 (104)는 약 200 나노미터의 횡단면 치수를 갖는다.

나노토포그래피는 임의의 개수의 상이한 요소로 형성될 수 있다. 예를 들면, 소정의 패턴의 요소는 2개의 상이한 요소, 3개의 상이한 요소 (그 예는 도 5에 도해되어 있음), 4개의 상이한 요소, 또는 그 초과의 상이한 요소를 포함할 수 있다. 각각의 상이한 요소의 상대적인 반복 비율 또한 달라질 수 있다. 한 실시양태에서, 소정의 패턴의 가장 작은 요소는 보다 큰 요소보다 많은 개수로 존재할 것이다. 예를 들어 도 5의 패턴에서, 각각의 필러 (102)에 대하여 8개의 필러 (104)가 있고, 중심부의 큰 필러 (100)에 대하여 8개의 필러 (102)가 있다. 요소의 크기가 클수록, 일반적으로 나노토포그래피에서 요소가 덜 반복될 수 있다. 예를 들어, 횡단면 치수가 보다 큰 제2 요소의 약 0.5, 예를 들어 약 0.3 내지 약 0.7인 제1 요소는 토포그래피에서 제2 요소의 약 5배 이상으로 존재할 수 있다. 횡단면 치수가 보다 큰 제2 요소의 대략 0.25, 또는 약 0.15 내지 약 0.3인 제1 요소는 토포그래피에서 제2 요소의 약 10배 이상으로 존재할 수 있다.

개개 요소의 간격 또한 달라질 수 있다. 예를 들어, 개개의 구조체의 중심간(center-to-center) 간격은 약 50 나노미터 내지 약 1 마이크로미터, 예를 들어 약 100 나노미터 내지 약 500 나노미터일 수 있다. 예를 들면, 구조체 사이의 중심간 간격은 나노 크기의 규모일 수 있다. 예를 들어, 나노 크기의 구조체 간격을 고려할 때, 구조체의 중심간 간격은 약 500 나노미터 미만일 수 있다. 그러나 이것이 토포그래피의 필요요건은 아니며, 개개의 구조체는 더욱 멀리 이격될 수 있다. 구조체의 중심간 간격은 구조체의 크기에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 2개의 인접한 구조체의 평균 횡단면 치수 대 이들 두 구조체 사이의 중심간 간격의 비율은 약 1:1 (예를 들어, 접촉) 내지 약 1:4, 약 1:1.5 내지 약 1:3.5, 또는 약 1:2 내지 약 1:3일 수 있다. 예를 들면, 중심간 간격은 2개의 인접한 구조체의 평균 횡단면 치수의 대략 2배일 수 있다. 한 실시양태에서, 각각 약 200 나노미터의 횡단면 치수를 갖는 2개의 인접한 구조체는 약 400 나노미터의 중심간 간격을 가질 수 있다. 따라서, 이 경우에 평균 직경 대 중심간 간격의 비율은 1:2이다.

구조체 간격은 동일할 수 있거나, 즉 등거리일 수 있거나, 또는 패턴의 구조체마다 다를 수 있다. 예를 들면, 패턴의 가장 작은 구조체가 제1 거리에 의해 이격될 수 있고, 이들 가장 작은 구조체와 패턴의 보다 큰 구조체, 또는 패턴의 2개의 보다 큰 구조체 사이의 간격은 상기 제1 거리와 동일하거나 상이할 수 있다.

예를 들어 도 5의 패턴에서, 가장 작은 구조체 (104)는 약 200 나노미터의 중심간 간격을 갖는다. 보다 큰 필러 (102)와 각각의 주위의 필러 (104) 사이의 거리는 보다 짧은 약 100 나노미터이다. 가장 큰 필러 (100)와 각각의 주위의 필러 (104) 사이의 거리 또한 가장 작은 필러 (104) 사이의 중심간 간격보다 짧은 약 100 나노미터이다. 물론, 이것이 필요요건은 아니며, 모든 구조체는 서로로부터 등거리에 있을 수 있거나 또는 거리가 임의로 변화할 수 있다. 한 실시양태에서, 상이한 구조체는, 예를 들어 하기에 추가로 논의될 것처럼 서로의 위에서 서로와 접촉할 수 있거나, 또는 서로 인접하여 서로와 접촉할 수 있다.

토포그래피의 구조체는 모두 일반적으로 약 10 나노미터 내지 약 1 마이크로미터인 동일한 높이로 형성될 수 있지만, 이것이 필요요건은 아니고, 패턴의 개개의 구조체는 크기가 1, 2 또는 3개의 치수로 다를 수 있다. 한 실시양태에서, 토포그래피의 구조체의 일부 또는 모두가 약 20 마이크로미터 미만, 약 10 마이크로미터 미만, 또는 약 1 마이크로미터 미만, 예를 들어 약 750 나노미터 미만, 약 680 나노미터 미만, 또는 약 500 나노미터 미만의 높이를 가질 수 있다. 예를 들어 구조체는 약 50 나노미터 내지 약 20 마이크로미터 또는 약 100 나노미터 내지 약 700 나노미터의 높이를 가질 수 있다. 예를 들어, 나노구조체 또는 마이크로구조체는 약 20 nm 내지 약 500 nm, 약 30 nm 내지 약 300 nm, 또는 약 100 nm 내지 약 200 nm의 높이를 가질 수 있지만, 구조체는 횡단면 치수가 나노 크기일 수 있고 높이가 마이크로 크기의 규모로 측정, 예를 들어 약 500 nm를 초과할 수 있음을 알아야 한다. 마이크로 크기의 구조체는 동일한 패턴의 나노 크기의 구조체와 동일하거나 상이한 높이를 가질 수 있다. 예를 들어 또 다른 실시양태에서, 마이크로 크기의 구조체는 약 500 나노미터 내지 약 20 마이크로미터, 또는 약 1 마이크로미터 내지 약 10 마이크로미터의 높이를 가질 수 있다. 마이크로 크기의 구조체는 또한 약 500 nm 초과의 마이크로 규모의 횡단면 치수를 가질 수 있고, 약 500 nm 미만의 나노 크기 규모의 높이를 가질 수 있다.

구조체의 종횡비 (구조체의 높이 대 구조체의 횡단면 치수의 비율)는 약 0.15 내지 약 30, 약 0.2 내지 약 5, 약 0.5 내지 약 3.5, 또는 약 1 내지 약 2.5일 수 있다. 예를 들어, 나노구조체는 상기 범위 내에 있는 종횡비를 가질 수 있다.

마이크로니들 표면은 도 5에 도시된 바와 같이, 단일 패턴을 포함할 수 있거나, 또는 동일하거나 상이한 패턴의 다중 반복을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 6은 표면 상에서 다중 반복되는 도 5의 패턴을 포함하는 표면 패턴을 도해한다.

마이크로니들 세그먼트의 표면 상에 음각의 구조체를 형성할 경우에, 구조체의 패킹 밀집도는 최대화될 수 있다. 예를 들어, 정방형 패킹 (도 7a), 육각형 패킹 (도 7b), 또는 이들을 약간 변화시킨 것을 마이크로니들 세그먼트 상에서 요소를 패턴화하기 위해 이용할 수 있다. 마이크로니들 표면 상에 단면적 A, B 및 C의 다양한 크기의 요소가 서로에 인접해 있는 패턴을 디자인할 경우에는, 도 7c에 나타나 있는 원형 패킹을 이용할 수 있다. 물론, 패킹 밀집도의 변화 및 그와 관련하여 개조된 표면 특성의 측정은 충분히 당업자의 능력 범위 이내에 있다. 일반적으로, 개개의 구조체의 중심간 간격은 약 50 nm 내지 약 1 마이크로미터, 예를 들어 약 100 nm 내지 약 500 nm일 수 있다.

도 8a 및 8b는 복합형 나노토포그래피의 또 다른 예의 큰 배율의 영상을 도해한다. 도 8a 및 8b의 나노토포그래피는 기재 상에 위치하는 섬유상 유사 필러 (70)의 어레이를 포함한다. 개개의 필러 각각의 원위 단부에서, 필러는 여러 개의 보다 작은 섬유 (61)로 나누어진다. 이러한 보다 작은 섬유 (61) 각각의 원위 단부에서, 각각의 섬유는 다시 여러 개의 필라멘트 (도 8a 및 8b에서 확인되지 않음)로 나누어진다. 도 8a 및 8b에 도해된 구조체와 같이, 약 1 초과의 종횡비를 갖는 표면 상에 형성된 구조체는 가요성일 수 있거나, 또는 강성일 수 있다.

도 8c 및 8d는 복합형 나노토포그래피의 또 다른 예를 도해한다. 이 실시양태에서, 그를 관통하는 환상 중공 (71)을 각각 포함하는 복수 개의 필러 (72)가 기재 상에 형성된다. 각각의 중공 필러의 원위 단부에서, 복수 개의 보다 작은 필러 (62)가 형성된다. 확인할 수 있는 바와 같이, 도 8c 및 8d의 필러는 그의 강성도 및 직립 배향을 유지한다. 이전의 패턴에 추가적으로, 또한 이전의 패턴과 달리, 상기 실시양태의 보다 작은 필러 (62)는 형상이 보다 큰 필러 (72)와 상이하다. 구체적으로, 보다 작은 필러 (62)는 중공형이 아니라 충실형이다. 따라서, 상이한 규모로 형성된 구조체를 포함하는 나노토포그래피는 모두가 동일한 형상으로 형성된 구조체를 가질 필요는 없으며, 구조체는 크기 및 형상에 있어서 상이한 규모의 구조체와 다를 수 있다.

도 9는 어레이의 마이크로니들 표면 상에 형성될 수 있는 나노 크기의 구조체를 포함하는 또 다른 패턴을 도해한다. 확인할 수 있는 바와 같이, 이 실시양태에서, 개개의 패턴 구조체는 대체적으로 동일한 크기로 형성될 수 있지만, 배향 및 형상은 서로 상이하다.

다시 도 3을 참조하면, 금형 세그먼트 (30)는 마이크로니들 세그먼트 (31), 음각의 나노토포그래피 (도 3에서 확인되지 않음) 및 마이크로니들 금형의 임의의 다른 구조체, 예를 들어 채널 금형 (35)이 1단계로 형성되는 1단계 공정으로 제조될 수 있다. 별법으로, 기본적인 마이크로니들 세그먼트 (31)가 세그먼트에 의해 형성될 마이크로니들 부분의 대체적인 형상으로 예비형성될 수 있고, 이어서 부여된 피쳐, 예컨대 나노토포그래피 및 채널 금형 (35)이 금형 세그먼트 (31)에 부여될 수 있는 다단계 공정도 사용될 수 있다. 물론, 조합된 공정을 이용할 수도 있다. 예를 들어, 나노구조체를 포함하는 마이크로니들 세그먼트는 1단계로 형성될 수 있고 금형 세그먼트는 제2 단계에서 부여될 수 있다. 한 실시양태에 따라서, 형성된 마이크로니들의 목적하는 형상에 상응하는 양각 금형 마스터(master)를 먼저 형성한 후에, 금형 세그먼트 (31)를 양각 금형 마스터로부터 형성할 수 있고, 금형 세그먼트 (31)는 양각 금형 마스터에 대한 음각이다.

금속, 예컨대 구리, 강철, 니켈, 알루미늄, 황동 및 다른 금속 뿐만 아니라, 열가소성 또는 열경화성 중합체를 비제한적으로 포함하는, 임의의 적합한 물질 또는 이들의 조합이 금형 세그먼트의 형성에 이용될 수 있다.

양각 금형 마스터 및/또는 음각 금형 세그먼트는 리소그래피; 에칭(etching) 기술, 예컨대 습식 화학법, 건식법 및 감광액 제거법; 규소의 열산화; 전기도금 및 비전해 도금; 확산 공정, 예컨대 붕소, 인, 비소 및 안티몬 확산; 이온 주입; 필름 증착, 예컨대 증발 (필라멘트, 전자빔, 화염, 및 쉐도잉(shadowing) 및 단차 피복), 스퍼터링(sputtering), 화학 증기 증착 (CVD), 에피택시(epitaxy) (증기상, 액체상 및 분자빔), 전기도금, 스크린 인쇄, 라미네이션(lamination), 입체리소그래피, 레이저 가공, 엠보싱(embossing) 성형, 금속 스탬핑(metal stamping), 및 레이저 어블레이션(laser ablation) (프로젝션 어블레이션(projection ablation)을 포함함)을 비제한적으로 포함하는 임의의 표준 미세가공 기술 또는 이들의 조합법에 따라 형성될 수 있다.

고체 규소의 다공성 규소로의 전기화학 에칭을 사용하여 양각 금형 마스터 구조체로서 사용될 수 있는 매우 미세한 (대략 0.01 ㎛) 규소 네트워크를 형성하는 전기화학 에칭 공정이 이용될 수 있다. 이 방법은 규소로 채널을 에칭하기 위해, 수성 플루오린화수소산 중에서의 규소의 전해 양극산화를 사용할 수 있다 (광과의 조합도 가능함). 에칭되는 규소 웨이퍼의 도핑(doping) 농도, 에칭 동안의 전해 전위, 입사광 세기, 및 전해질 농도를 변화시킴으로써, 최종 세공 구조의 조절을 달성할 수 있다. 에칭되지 않은 물질 (즉, 잔류 규소)이 양각 금형 마스터 상에 마이크로니들을 형성한다.

규소의 심부 플라즈마 에칭을 수행하여 대략 0.1 ㎛ 이상의 직경을 갖는 양각 금형 마스터의 마이크로니들을 형성하는 플라즈마 에칭 또한 이용될 수 있다. 니들은 전압을 조절함으로써 (전기화학 에칭과 같이) 간접적으로 가공될 수 있다.

포토리소그래피, 전자빔 리소그래피, X선 리소그래피 등을 비롯한 리소그래피 기술이 1차 패턴 한정 및 금형 세그먼트의 형성을 위해 이용될 수 있다. 상 분리된 블록 공중합체, 중합체 탈혼합 및 콜로이드 리소그래피 기술을 비롯한 자가조립 기술 또한 금형 세그먼트의 형성에 이용될 수 있다.

양각 금형 마스터 및/또는 음각 금형 세그먼트의 형성에 이용가능한 다른 방법에는 초정밀 레이저 가공 기술을 이용하는 것이 포함되고, 그 예는 훈트(Hunt) 등 (미국 특허 제6,995,336호) 및 구오(Guo) 등 (미국 특허 제7,374,864호)에 의해 개시되었으며, 이들 특허는 본원에 참고로 포함된다.

음각 금형 세그먼트는 목적하는 마이크로니들 세그먼트의 형상으로 공동을 제공하는 기재의 레이저 어블레이션 (예를 들어, 엑시머 레이저를 사용함)에 의해 형성될 수 있다. 음각 금형 요소는 또한 전통적인 포토리소그래피, 화학 에칭, 이온빔 에칭 또는 당업계에 공지된 임의의 다른 전통적인 공정에 의해 형성될 수 있다.

임의의 적합한 공정에 따라 음각 나노토포그래피는 금형 세그먼트의 표면 상에 형성될 수 있거나 또는 양각 나노토포그래피는 양각 금형 마스터의 표면 상에 형성될 수 있다. 나노토포그래피는 전체 마이크로니들 세그먼트 표면 상에, 또는 그의 일부에서만 형성될 수 있다. 또한, 나노토포그래피는, 필요에 따라, 지지 기재의 표면으로 연장할 수 있거나, 또는 마이크로니들 어레이로 제한될 수 있다.

구조체 직경, 형상 및 피치(pitch)는 적절한 물질 및 방법의 선택을 통해 조절할 수 있다. 예를 들면, 금속을 콜로이드 패턴화된 기재 상으로 증발시킨 후에 콜로이드 리프트 오프(lift-off) 제거할 수 있고, 이는 일반적으로 프리즘형 필러를 생성한다. 이어서 에칭 공정을 이용하여 필요에 따라 구조체를 완성할 수 있다. 예를 들면, 콜로이드로 패턴화된 기재를 반응성 이온 에칭 (RIE, 건식 에칭이라고도 함)에 노출시켜, 나노필러 직경, 프로파일, 높이, 피치 등과 같은 가공된 나노구조체의 특성을 개량할 수 있다. 또한 습식 에칭을 이용하여, 상이한 공정, 예를 들어 중합체 탈혼합 기술에 따라 초기 형성된 가공 나노구조체의 대체 프로파일을 생성할 수 있다. 질서화된 비구형 중합체 나노구조체는 또한 중합체 나노입자의 선택적 용해 이후에 콜로이드 간극에서 다양한 질서화된 삼방정계의 나노미터 피쳐를 형성하는 온도 제어 소결 기술을 통해 가공될 수 있다. 상기 공정들 및 다른 적합한 형성 공정은 당업계에 전반적으로 공지되어 있다 (예를 들어, 본원에 참고로 포함되는 문헌 [Wood, J R Soc Interface, 2007 February 22; 4(12): 1-17] 참조).

구조체는 화학 부가 공정에 따라 형성될 수 있다. 예를 들면, 필름 증착, 스퍼터링, 화학 증기 증착 (CVD), 에피택시 (증기상, 액체상 및 분자빔), 전기도금 등이 양각 금형 마스터의 표면 상에 나노구조체를 형성하기 위해 이용될 수 있다.

당업계에 공지된 자가조립 단일층 공정을 이용하여 표면 상에 소정의 패턴의 나노구조체를 형성할 수 있다. 예를 들면, 블록 공중합체의 자가조직 능력이 표면 상에 단일층 패턴을 형성하는 데에 사용될 수 있다. 이어서 상기 패턴이 단일층의 패턴에 따라, 콜로이드와 같은 목적하는 구조체의 성장을 위한 템플릿(template)으로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 2차원의 가교결합된 중합체 네트워크가 2개 이상의 반응성 부위를 갖는 단량체로부터 생성될 수 있다. 이러한 가교결합된 단일층은 당업계에 공지된 자가조립 단일층 (SAM) (예를 들어, 금/알킬 티올 시스템) 또는 랭뮤어-블로드젯(Langmuir-Blodgett; LB) 단일층 기술 (문헌 [Ahmed et al., Thin Solid Films 187: 141-153 (1990)])을 사용하여 형성할 수 있다. 단일층은 가교결합될 수 있고, 이는 보다 구조적으로 튼튼한 단일층의 형성을 유도할 수 있다.

패턴화된 단일층을 형성하는 데에 사용되는 단량체는 바람직한 중합 기술 및/또는 단일층 형성 기술에 영향을 줄 뿐만 아니라, 총 용해도와 같은 성질, 해리 방법 및 리소그래피 방법에 영향을 주기 위해 필요한 모든 구조 잔기를 도입할 수 있다. 단량체는 1개 이상, 보다 흔히는 2개 이상의 반응성 관능기를 함유할 수 있다.

유기 단일층을 형성하는 데에 사용되는 분자는 메틸렌기 사슬이 그 사이에 배치된 다양한 유기 관능기를 포함할 수 있다. 예를 들면, 분자는 패킹을 가능하게 하는 메틸렌 사슬을 함유하는 장사슬 탄소 구조체일 수 있다. 메틸렌기 사이의 패킹은 약한 반데르발스(Van der Waals) 결합이 발생하도록 할 수 있고, 이는 생성되는 단일층의 안정성을 향상시키고 질서화된 상을 형성하는 것과 관련된 엔트로피의 불이익을 상쇄시킨다. 또한, 형성된 단일층 상에서의 구조체의 성장이 가능하도록 하기 위해, 수소 결합 잔기와 같은 상이한 말단 잔기가 분자의 한 말단에 존재할 수 있고, 이 경우에 중합성 화학 잔기는 사슬의 중간에 또는 반대 말단에 위치할 수 있다. 임의의 적합한 분자 인식 화학법이 조립체의 형성에 사용될 수 있다. 예를 들면, 구조체는 정전식 상호작용, 반데르발스 상호작용, 금속 킬레이트화, 배위 결합 (즉, 루이스산/염기 상호작용), 이온 결합, 공유 결합 또는 수소 결합을 기반으로 하여 단일층 상에서 조립될 수 있다.

SAM-기반 시스템을 이용할 경우에, 템플릿을 형성하기 위해 추가의 분자가 이용될 수 있다. 이러한 추가의 분자는 SAM을 형성하기 위해 그의 말단 중 하나에서 적절한 관능기를 가질 수 있다. 예를 들면, 금 표면 상에, 말단 티올이 포함될 수 있다. 복제를 실시하기 위해 사용될 수 있는 매우 다양한 유기 분자가 있다. 토포화학적 중합성 잔기, 예컨대 디엔 및 디아세틸렌이 중합 요소로서 특히 바람직하다. 이들 사이에는 다양한 길이의 메틸렌 링커가 배치될 수 있다.

LB 단일층의 경우에는, 분자 인식 잔기가 또한 LB 형성을 위한 극성 관능기로도 작용할 수 있기 때문에 단지 1개의 단량체 분자가 필요하다. 리소그래피는 기재로 전사된 LB 단일층 상에서, 또는 트로프(trough)에서 직접적으로 수행될 수 있다. 예를 들면, 디아세틸렌 단량체의 LB 단일층은 마스크를 통한 UV 노출에 의해 또는 전자빔 패턴화에 의해 패턴화될 수 있다.

단일층 형성은 단일층 상에서 토포화학적으로 중합되는 분자를 이용함으로써 가능해질 수 있다. 조립되는 필름을 중합 촉매에 노출시킴으로써, 필름이 원위치 성장할 수 있고, 동적 분자 조립체로부터 음각 금형 세그먼트 또는 양각 금형 마스터로서 사용하기 위한 보다 튼튼한 중합 조립체로 변화시킬 수 있다.

단일층의 패턴화에 유용한 기술에는 포토리소그래피, 전자빔 기술, 집속 이온빔 기술, 및 소프트 리소그래피(soft lithography)가 포함되나, 이들로 제한되지는 않는다. 감광액과 같은 다양한 보호 기법을 SAM-기반 시스템을 위해 사용할 수 있다. 또한, 블록 공중합체 패턴이 금 상에 형성되고 선택적으로 에칭되어 패턴을 형성할 수 있다. 2요소 시스템의 경우에도, 패턴화는 용이하게 이용가능한 기술에 의해 달성가능하다.

소프트 리소그래피 기술을 이용하여 단일층을 패턴화할 수 있고, 여기서 자외선 및 마스크가 패턴화를 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 비패턴화된 기저 단일층이 UV/입자빔 반응성 단량체 단일층의 조립을 위한 플랫폼(platform)으로서 사용될 수 있다. 이어서, 기저 SAM은 패턴화되지 않지만, 단량체 단일층은 UV 포토리소그래피, 전자빔 리소그래피, 또는 이온빔 리소그래피에 의해 패턴화될 수 있다.

패턴화된 단일층 상의 구조체의 성장은 다양한 성장 메카니즘에 의해, 예컨대 금속염의 적절한 환원 화학법 및 시드(seed) 또는 템플릿 매개 핵생성의 사용을 통해 달성할 수 있다. 단일층 상에 인식 요소를 사용함으로써, 무기물 성장이 이 계면에서 다양한 방법에 의해 촉매화될 수 있다. 예를 들면, 무기 화합물이 패턴화된 유기물 단일층의 형상을 갖는 콜로이드의 형태로 형성될 수 있다. 예를 들면, 탄산칼슘 또는 실리카 구조체가 다양한 카르보닐 관능기, 예컨대 카르복실산 및 아미드에 의해 템플릿이 될 수 있다. 결정 성장 조건을 조절함으로써, 무기물 성장의 두께 및 결정 형태를 조절할 수 있다. 이산화티타늄 또한 템플릿이 될 수 있다.

금속을 합성하기 위해 존재하는 유기 관능기를 사용하는 템플릿형 비전해 도금 기술을 사용할 수 있다. 특히, 금속 원자를 유기물 패턴의 카르보닐 잔기에 킬레이트화함으로써, 비전해 금속 증착이 패턴 상에서 촉매화되면서, 패턴화된 금속 콜로이드를 형성할 수 있다. 예를 들면, Cu, Au, Ni, Ag, Pd, Pt 및 비전해 도금 조건에 의해 도금가능한 수많은 다른 금속을 사용하여, 유기물 단일층의 형상으로 금속 구조체를 형성할 수 있다. 비전해 도금 조건을 조절함으로써, 도금된 금속 구조체의 두께를 조절할 수 있다.

당업계에 공지된 다른 '보텀-업(bottom-up)' 방식의 성장 방법이 가공된 나노구조체를 포함하는 양각 금형 마스터 및/또는 금형 세그먼트를 형성하는 데에 이용될 수 있으며, 예를 들어 본원에 참고로 포함되는 미국 특허 제7,189,435호 (Tuominen, et al.)에 개시된 방법이 이용될 수 있다. 이 방법에 따라서, 도전성 또는 반도전성 기재 (예를 들어, 금과 같은 금속)를 블록 공중합체 필름 (예를 들어, 메틸메타크릴레이트 및 스티렌의 블록 공중합체)으로 피복할 수 있고, 여기서 공중합체의 한 요소가 공중합체의 또 다른 요소의 매트릭스에서 나노스코픽 원통을 형성한다. 이어서 도전성 층을 공중합체의 상단에 위치시켜 복합 구조체를 형성할 수 있다. 복합 구조체의 수직 배향시에, 제1 요소 중의 일부가, 예를 들어 UV 조사선, 전자빔 또는 오존에의 노출, 분해 등에 의해 제거되어 그 영역에서 제2 요소의 나노스코픽 세공을 형성할 수 있다.

본원에 참고로 포함되는 미국 특허 제6,926,953호 (Nealey , et al .)에 개시된 또 다른 실시양태에서, 영상화 층, 예를 들어 알킬실록산 또는 옥타데실트리클로로실란 자가조립된 단일층을 갖는 기재를, 영상화 층에서 간섭 패턴을 형성하도록 선택된 파장의 2개 이상의 빔에 노출시켜, 간섭 패턴에 따라 영상화 층의 습윤성을 변화시킴으로써 공중합체 구조체를 형성할 수 있다. 이어서 선택된 블록 공중합체, 예를 들어 폴리스티렌 및 폴리(메틸 메타크릴레이트)의 공중합체의 층을 노출된 영상화 층으로 증착시키고 어닐링하여 습윤성의 패턴에 따라 공중합체의 요소를 분리하고 공중합체 층에서 영상화 층의 패턴을 복제할 수 있다. 그에 따라 100 nm 이하 범위의 주기적인 치수를 갖는 분리된 요소의 스트라이프(stripe) 또는 단리 구역이 형성될 수 있다.

양각 금형 마스터를 먼저 형성하는 실시양태에서, 이 마스터를 이용하여 사출 성형 공정 동안에 사용되는 음각 금형 세그먼트를 형성할 수 있다. 예를 들어, 음각 금형 세그먼트는 전주(electroforming) 공정에 의해 양각 금형 마스터 주위에서 제조될 수 있다. 전주 공정은 마스터의 피쳐 주위로 금속이 증착되는 전주 탱크에 양각 금형 마스터를 넣는 것을 포함한다. 이는 임의의 적합한 금속일 수 있다. 금속은 목적하는 두께로 증착되고, 이때 양각 금형 마스터를 음각 금형 요소를 형성하는 전주 금속으로부터 분리한다. 통상적으로 이러한 형태의 금형을 전주물이라 한다. 형성한 이후에, 전주물을 사출 성형 장치에 맞춰지도록 절단할 수 있다.

도 10에 도해된 바와 같이, 완성된 금형은, 복수 개의 금형 세그먼트 (30) 이외에, 캡핑 부분 (42)을 포함할 수 있다. 사용하는 동안에, 캡핑 부분 (42)은 금형 세그먼트 (30)와 회합된 상태로 위치함으로써, 이들 둘 사이에 기재 공동 (38)을 한정할 것이다. 사출 성형 동안에, 기재 공동 (38)은 다수의 마이크로니들이 그로부터 연장할 기재를 형성하도록 충전될 것이다. 기재 공동은 기구의 요건을 충족시키기 위해 두께가 달라질 수 있고, 예컨대 약 1000 마이크로미터 이하, 또한 일부 실시양태에서는 약 1 내지 약 500 마이크로미터, 또한 일부 실시양태에서는 약 10 내지 약 200 마이크로미터일 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 캡핑 부분 (42)은 삽입물 (37)을 포함한다. 완성된 금형이 조립되면, 삽입물 (37)은 마이크로니들 세그먼트 (31)에서 채널 금형 (35)의 단부와 접촉할 수 있다. 도 10의 실시양태에서, 캡핑 부분 (42)은 별법으로 구조화되지 않지만, 이것이 필요요건은 아니다. 또 다른 실시양태에서, 캡핑 부분 (42)은, 예를 들어 기재와 기구의 또 다른 부분, 예컨대 마이크로니들 기구를 통해 전달하기 위한 제제를 함유하는 저장소의 부착을 위해 다른 형상, 예를 들어 양각 및/또는 음각 구조 피쳐, 예컨대 홈(groove), 슬롯(slot), 핀(pin) 등을 한정할 수 있다.

한 실시양태에서, 캡핑 부분은 채널 금형을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도해된 실시양태에서 확인할 수 있는 바와 같이 마이크로니들 세그먼트 (31) 내에서 채널 금형 (35)이 형성되기 보다는, 채널 금형은 캡핑 부분 (42)의 삽입물 (37)로부터 연장할 수 있다. 금형 요소가 정렬 및 조립되면, 캡핑 부분의 채널 금형은 사출 성형된 마이크로니들에서 중심부 보어 또는 채널을 형성하도록, 마이크로니들 금형 공동의 중심부로 하향 연장할 수 있다.

니들을 관통하는 보어를 한정하는 중공형 니들을 고려할 때, 니들의 외경은 약 10 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터일 수 있고 중공형 니들의 내경은 약 3 마이크로미터 내지 약 80 마이크로미터일 수 있다.

도 11은 캡핑 부분 (42)에 맞춰 정렬된 금형 세그먼트 (30)의 측면도를 도해한다. 확인할 수 있는 바와 같이, 각각의 마이크로니들 세그먼트 (31)는 삽입물 (37)에 맞춰 정렬된다. 조립하는 동안에 캡핑 부분 (42)은 각각의 삽입물 (37)이 각각의 채널 세그먼트 (35)와 접촉할 때까지 하강할 수 있다. 금형 세그먼트 (30)와 캡핑 부분 (42) 사이에 있는 기재 공동 (38)을 이용하여, 복수 개의 마이크로니들이 그로부터 연장할 수 있는 기재를 성형할 수 있다.

도 12는 완성된 10x10 마이크로니들 어레이 금형 (50)을 형성하기 위해 정렬 및 조립한 이후의, 복수 개의 음각 금형 세그먼트 (30a), (30b), (30c), (30d), (30e)를 도해한다. 각각의 음각 금형 세그먼트 (30a) 등은 다수의 마이크로니들 세그먼트 (31)를 한정한다. 완성된 마이크로니들 음각 금형 공동 (45a), (45b), (45c)은 2개의 마이크로니들 세그먼트 (31)에 의해 형성되고, 이들은 각각 마이크로니들 표면의 일부를 한정한다. 그러나, 단일 마이크로니들의 음각 금형 공동이 3개, 4개 또는 그 초과의 개개의 요소로 형성될 수 있음을 알아야 한다.

각각의 마이크로니들 음각 금형 공동 (45a), (45b), (45c), (55a), (55b), (55c)의 표면은 마이크로니들 표면 상의 나노토포그래피 및 마이크로니들의 표면 상에 형성된 임의의 다른 구조체, 예를 들어 채널 뿐만 아니라, 적절한 마이크로니들을 한정할 것이다. 예를 들어, 모든 마이크로니들 세그먼트 (31)가 채널 금형 (35)을 한정할 때, 각각의 음각 금형 공동 (45)은 금형 공동 (45)의 양쪽에 하나씩 2개의 채널 금형 (35)을 포함할 수 있다.

도면에 도시된 마이크로니들의 개수는 단지 예시하기 위한 것임을 알아야 한다. 사출 성형된 어레이에 형성된 마이크로니들의 실제 개수는, 예를 들어 약 500 내지 약 10,000개의 범위에 있을 수 있고, 일부 실시양태에서는 약 2,000 내지 약 8,000개의 범위에 있을 수 있고, 또한 일부 실시양태에서는 약 4,000 내지 약 6,000개의 범위에 있을 수 있다.

도 13은 중심부에 단일 마이크로어레이 금형 (50)을 포함하는 조립된 금형 (60)을 도해한다. 단일 금형이 하나 이상의 마이크로어레이 금형을 포함할 수 있음을 알아야 한다. 단일 금형 (60) 상의 마이크로니들 어레이 금형의 개수는, 예를 들어 하나 내지 수백개의 범위에 있을 수 있고, 예를 들어 10 내지 약 500개, 또는 약 100 내지 약 300개의 범위에 있을 수 있다.

완성된 금형의 모듈(module) 양상은 단일 어레이에 형성될 수 있는 개개의 마이크로니들의 다양성을 향상시킨다. 예를 들어, 도 12를 참조하면, 금형 세그먼트 (30a), (30b)는 이들 사이에서, 제1 크기 및/또는 형상의 음각 금형 공동 (45a), (45b), (45c)을 형성할 수 있다. 완성된 마이크로어레이 금형 (50)의 조립에서, 금형 세그먼트 (30a), (30b), (30c), (30d), (30e) 등은 서로 정렬될 수 있다. 금형 세그먼트 (30c), (30d)는 이들 사이에서, 크기, 형상, 피쳐 등이 금형 공동 (45a), (45b), (45c)과 다를 수 있는 음각 금형 공동 (55a), (55b), (55c)을 형성할 수 있다. 따라서, 완성된 금형을 형성하기 위해 사용되는 모듈식 금형 세그먼트를 단순히 배합하여 맞춤으로써 단일 어레이에서 매우 다양한 마이크로니들을 형성할 수 있다.

완성된 금형을 형성하기 위해 조립되는 다양한 요소들은 임의의 적합한 물질 또는 물질의 혼합물로 형성될 수 있다. 바람직한 물질은 양각 금형 마스터 (이용될 경우)의 재료 및 사출 성형 공정 동안에 어레이를 형성하는 데에 사용될 성형가능한 물질에 따라 좌우될 수 있다. 예를 들어, 음각 금형 세그먼트 (30a), (30b) 등 및 캡핑 부분 (42)은 양각 금형 마스터로부터 형성되고 분리될 수 있는 니켈 물질을 포함할 수 있다.

사출 성형 공정 중에, 완성된 금형 (60)은, 예를 들어 성형가능한 물질의 연화 온도보다 약 10℃ 넘게 높은 온도로 가열된다. 한 실시양태에서, 금형 (60)은 물질의 사출 전에, 성형될 물질의 연화 온도보다 약 20℃ 넘게 높은 온도로 가열된다. 또 다른 실시양태에서, 금형 (60)은 물질의 사출 전에, 물질의 연화 온도보다 약 30℃ 넘게 높은 온도로 가열된다.

본원에서 사용된 연화 온도란, 물질이 성형된 부품을 금형 세그먼트로부터 탈리시키는 동안에 직면하게 되는 것과 같은 보통의 힘에 적용되었을 때 연화 및 변형될 온도를 말한다. 연화 온도는 편평한 단부를 갖는 니들이 시험 샘플을 침투하는 온도를 측정하는 (예를 들어, ASTM D1525-00에 개시된 바와 같이 니들 상에 50 N을 부하하고 및 120℃/h의 온도 상승 속도를 갖는 조건하에), 비캣(Vicat) 연화 온도에 의해 편리하게 측정할 수 있다. 무정형 물질의 경우에, 연화 온도는 물질의 유리 전이에 의해 통제될 것이고, 또한 일부 경우에는 유리 전이 온도가 본질적으로 비캣 연화 온도와 같을 것이다. 유리 전이 온도는 당업자에게 공지된 방법, 예컨대 10℃/분의 통상의 주사율을 사용하는 시차 주사 열량법에 의해 측정할 수 있다. 결정질 및 무정형 물질을 둘다 포함하고, 조성물의 벌크 성질이 결정질 물질에 의해 통제되는 조성물의 경우에, 연화 온도는 물질의 용융에 의해 통제되고 비캣 연화 온도에 의해 특징화될 수 있다. 이러한 물질의 예로는 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리에테르이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 이들의 블렌드가 있다.

성형가능한 물질은 또한 금형 (60)과 분리된 챔버에서 성형 온도로 가열된다. 성형될 물질이 가열되어야 하는 바람직한 온도는 일반적으로 특정 물질에 따라 좌우될 것이다. 예를 들어, 중합체 물질은 표준 관행에 따라 용용되도록 용융 온도보다 높은 온도로 가열될 수 있다.

상기 방법에 따라 성형되는 물질에는 금속, 세라믹, 중합체 등 뿐만 아니라, 이들의 복합재를 포함하는, 사출 성형될 수 있는 다양한 물질이 포함될 수 있다. 예를 들어, 규소 (예를 들어, 액상 규소 고무), 중합체 및 복합재, 예컨대 분말형 금속과 조합된 중합체 결합제가 사용될 수 있다. 전형적으로, 마이크로니들 어레이는 생체적합성 물질로 형성된다. 용어 "생체적합성"은 일반적으로 기구가 전달될 부위에서 세포 또는 조직에 실질적으로 불리한 영향을 주지 않는 물질을 말한다. 또한 상기 물질은 살아 있는 대상체의 임의의 다른 부위에서도 의학상 바람직하지 않은 영향을 실질적으로 초래하지 않는 것을 말한다. 생체적합성 물질은 합성 또는 천연 물질일 수 있다. 또한 생분해성이기도 한, 적합한 생체적합성 물질의 몇몇 예에는 히드록시산의 중합체, 예컨대 락트산 및 글리콜산 폴리락티드, 폴리글리콜리드, 폴리락티드-글리콜리드-공중합체, PEG와의 공중합체, 폴리무수물, 폴리(오르토)에스테르, 폴리우레탄, 폴리(부티르산), 폴리(발레르산), 및 폴리(락티드-카프로락톤-공중합체)가 포함된다. 다른 적합한 물질에는 폴리카르보네이트, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 폴리메타크릴산, 에틸렌비닐 아세테이트, 폴리테트라플루오르에틸렌, 및 폴리에스테르가 비제한적으로 포함될 수 있다.

가열 후에, 물질은 가열된 금형 (60)으로 사출된다. 금형 (60)은 임의의 공지된 방법에 따라, 예를 들어 공동을 형성하는 요소의 온도를 조절하는 데에 사용될 수 있는 오일 가열 시스템을 사용함으로써 가열될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 전자기 유도 (EMI) 가열법을 사용하여 국소화된 급속 가열을 금형 (60)에 적용할 수 있다. EMI 히터(heater)는 공지되어 있고, 일반적으로 전자기 유도 코일을 함유하는 유도 코일 하우징을 포함할 수 있다. 유도 히터는 금형 공동 표면의 국소화된 급속 가열을 제공하기 위해 금형에 근접하게 위치할 수 있는데, 예를 들어 유도 코일이 금형 공동 표면의 약 2 mm 이내에 있다. 사출 성형 동안에, 중합체 용융물이 노출되는 표면의 온도가 성형품의 품질에 영향을 줄 수 있고, EMI 가열법이 각각의 금형 사이클을 위한 금형의 표면 온도를 급속 상승시키기 위해 이용될 수 있다.

성형될, 가열 물질은 금형 (60) 용적의 약 90% 이상, 예를 들어 약 95% 이상을 충전할 수 있다. 한 실시양태에서, 가열 물질은 금형 (60)의 실질적으로 전체 용적을 충전할 수 있다.

성형 공정 동안에, 가열 물질은 각각의 연속적인 마이크로니들 음각 금형 공동을 충전하도록 유동하여, 결국에는 전체 금형을 충전할 수 있다. 성형되어 마이크로니들을 형성하는 물질은 금형의 금형 공동 전체를 충전하기 전에는 실질적으로 냉각되지 않아야 하는데, 이는 충전을 완료하기 전에 채널에서 "스킨 오버(skin over)"되거나 고화될 수 있고 물질의 추가 유동을 차단할 수 있기 때문이다.

금형의 충전 후에, 음각 금형 공동이 성형된 마이크로니들 어레이의 제거 전에 냉각될 수 있다. 예를 들어, 음각 금형 공동은 요소를 서로로부터 분리하고 성형된 마이크로니들 어레이를 제거하기 전에, 성형된 물질의 연화 온도보다 약 5℃ 미만으로 낮은 온도로 냉각될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 음각 금형 공동은 탈형 전에 물질의 연화 온도보다 약 10℃ 미만으로 낮은 온도로 냉각된다.

한 실시양태에서, 성형될 물질의 사출은 물질의 음각 금형 공동 충전을 보조하기 위해 사용되는 패킹 또는 사출 압력과 함께 수행될 수 있다. 한 실시양태에서, 사출 압력은 약 6,000 psi보다 클 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 사출 압력은 약 10,000 psi보다 클 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 사출 압력은 약 20,000 psi보다 클 수 있다.

금형의 마이크로니들 공동 충전을 보조하기 위해, 금형 내의 물질에 압축력을 부가하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 이용가능한 압축력 방법에는 미국 특허 제4,489,033호 (Uda , et al .), 미국 특허 제4,515,543호 (Hamner) 및 미국 특허 제6,248,281호 (Abe , et al .)에 개시된 것들이 포함되고, 이들 특허는 모두 본원에 참고로 포함된다.

한 실시양태에 따라서, 초음파 에너지를 금형의 충전 동안에 이용할 수 있고, 이는 마이크로니들 공동의 완전한 충전을 보조할 수 있다. 예를 들어, 초음파 에너지는 금형과 함께 배치된 초음파 혼(horn) 및 압전발전기에 의해 금형 공동에 적용될 수 있다. 초음파 혼은 압전변환기로부터 발생된 진동을 증폭시켜, 예를 들어 공동 압력을 감소시키고 물질의 공동으로의 유량을 증가시킬 수 있다. 한 실시양태에서, 초음파 진동의 가진 주파수는 일반적으로약 10 kHz보다 크거나, 또는 약 20 kHz보다 클 수 있다.

성형 장치는 당업계에 전반적으로 공지된 바와 같이, 금형에 연결된 오버플로우(overflow) 통기구를 포함할 수 있다. 유입 라인을 통해 공급되는, 용융된 중합체 물질은 주입 게이트(gate)를 통해 금형 공동까지 통과한다. 중합체 물질이 금형 공동을 충전할 때, 공동에 있었던 공기가 대체되고 대체된 공기는 오버플로우 통기구를 통해 빠져나갈 수 있다. 그러므로, 대체된 공기는 거의 또는 전혀 금형 공동 내의 포켓(pocket)에 포획되지 않는다. 오버플로우 통기구는 배출 게이트로서 사용되어, 대체된 공기가 공동에서 빠져나가도록 하고, 그에 따라 금형 공동의 중합체 물질에 의한 보다 균일한 충전이 가능해진다. 오버플로우 통기구는 금형의 외부 표면 어느 곳이든 배치될 수 있다.

성형 공정의 사이클 시간, 즉 물질을 금형으로 사출하는 시간과 성형된 마이크로니들 어레이를 탈리시키는 시간 사이의 간격은 일반적으로 금형이 물질로 실질적으로 충전된 후에 물질이 그의 연화점 미만의 온도로 냉각되기에 충분하다. 한 실시양태에서, 사이클 시간은 약 5분 미만, 약 3분 미만, 또는 약 90초 미만일 수 있다.

복수 개의 마이크로니들 및 마이크로니들이 연결된 기부를 포함하는, 성형된 어레이는 본래 비다공성이거나 다공성일 수 있고, 물질, 견고성 등의 측면에서 기구 전체에서 균질하거나 불균질할 수 있고, 또한 강성의 고정된 또는 반고정된 형상을 가질 수 있다. 유익하게, 기재 기부, 마이크로니들 및 어레이 상에 형성된 임의의 피쳐를 포함하는 전체 어레이는 일원형 구조의 마이크로니들 어레이를 형성하는 단일 샷(shot) 사출 성형 단계로 형성될 수 있다.

도 14는 금형으로부터 제거한 후의 사출 성형된 마이크로니들 어레이의 횡단면도이다. 이 특정 실시양태에서, 개구 (328)는 접합부 (332)를 통해 단일 채널 (330)에 맞춰 정렬된다. 그렇지 않으면 다른 도면에 도시된 바와 같이, 단일 개구가 2개 이상의 분리된 채널 (330)을 제공할 수 있다.

채널 (330)은 마이크로니들의 기부 (320)에 있는 접합부 (332)로부터 첨단부 (322)까지 연장할 수 있다. 다른 실시양태에서, 채널 (330)은 첨단부 (322)까지의 마이크로니들 (318)의 전장을 연장하지 않을 수 있다. 각각의 마이크로니들 (318)은 도 14 및 15의 실시양태에서 도시된 바와 같이, 1개 초과의 채널 (330)을 포함할 수 있다. 별법의 실시양태는 필요에 따라 보다 많은 채널을 포함할 수 있다. 채널 (330)은 외부 표면 상에서 다양한 위치에 있을 수 있어, 기부 (320)로부터 첨단부 (322)를 향하는 실질적으로 선형인 경로를 형성하거나, 또는 외부 표면을 따라 굴곡형 또는 순환형 경로를 형성한다. 2개 이상의 채널이 존재하는 마이크로니들에서, 채널 (330)은 대칭형 또는 비대칭형으로 마이크로니들 (318) 주변에서 다양하게 이격될 수 있다.

도 14는 개구 (328) 및 채널 (330)이 서로와 동일한 공간을 차지할 뿐만 아니라, 또한 경로의 길이를 따라 적어도 일부 거리에 대해서 평면일 수 있는 면 (326)을 갖는 마이크로니들 (318)의 실시양태를 도해한다. 도 14는 단일 개구 (328)가 특정한 마이크로니들 (318) 상에서 1개 초과의 채널 (330)에 맞춰 정렬되는 실시양태를 도해한다. 당업자에게 공지된, 기하학적 구조의 다른 변화도 본원에 포함된다.

표면 상에 나노토포그래피를 부여하는 것은 용적의 상응하는 증가 없이 표면적을 증가시킬 수 있다. 표면적 대 용적 비율의 증가는 표면의 주위 생물학적 물질과의 상호작용을 향상시키는 것으로 생각된다. 예를 들면, 표면적 대 용적 비율의 증가는 나노토포그래피와 주위 단백질, 예를 들어 세포외 기질 (ECM) 단백질 및/또는 원형질막 단백질 사이의 기계적 상호작용을 용이하게 하는 것으로 생각된다. 본원에서 사용된 용어 "단백질"은 일반적으로 다른 단백질, 폴리펩티드 또는 임의의 다른 유기 또는 무기 분자와 구조적으로, 효소에 의해 또는 다른 방식으로 상호작용할 수 있는 아미노산의 분자 사슬을 말한다.

일반적으로, 마이크로니들 어레이의 표면적 대 용적 비율은 약 10,000 cm^-1보다 크거나, 또는 약 150,000 cm^-1보다 크거나, 또는 약 750,000 cm^-1보다 클 수 있다. 표면적 대 용적 비율의 결정은 당업계에 공지된 임의의 표준 방법론에 따라 수행할 수 있다. 예를 들면, 표면의 비표면적은 당업계에 전반적으로 공지되어 있고 또한 본원에 참고로 포함되는 문헌 [Brunauer, Emmet , and Teller , J. Amer. Chem. Soc., vol. 60, Feb., 1938, pp. 309-319]에 개시된 바와 같이, 흡착 기체로서 질소를 사용하는 물리적 기체 흡착법 (B.E.T. 방법)에 의해 얻을 수 있다. BET 표면적은 한 실시양태에서 약 5 m²/g 미만, 예를 들어 약 0.1 m²/g 내지 약 4.5 m²/g, 또는 약 0.5 m²/g 내지 약 3.5 m²/g일 수 있다. 표면적 및 용적 값은 또한 표준 기하학적 계산법에 따라, 표면을 형성하는 데에 사용된 금형의 기하학적 구조로부터 추정할 수 있다. 예를 들면, 용적은 각각의 패턴 요소에 대하여 계산된 용적 및 주어진 영역, 예를 들어 단일 마이크로니들 표면 상의 패턴 요소의 총 개수에 따라 추정할 수 있다.

마이크로니들 표면의 나노토포그래피는 마이크로니들 상의 패턴의 프랙탈 차원의 측정을 통해 특징화될 수 있다. 프랙탈 차원은 순환적 반복이 점점 작아지는 규모로 계속됨에 따라 프랙탈이 공간을 얼마나 완전하게 채우는 것으로 보이는지를 나타내는 통계량이다. 2차원 구조체의 프랙탈 차원은 하기와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, N(e)는 물체가 각각의 공간 방향으로 1/e 만큼 줄어들었을 때 전체 물체를 채우기 위해 필요한 자기 유사 구조체의 개수이다.

예를 들어, 등변 삼각형의 3변의 중간점을 연결하고 만들어진 안쪽 삼각형을 제거한 도 16에 도해된 시어핀스키 삼각형으로서 공지된 2차원 프랙탈을 고려할 때, 프랙탈 차원은 하기와 같이 계산된다.

따라서, 시어핀스키 삼각형 프랙탈은 최초 2차원 등변 삼각형보다 선 길이의 증가를 나타낸다. 또한, 선 길이의 이러한 증가는 면적의 상응하는 증가를 수반하지 않는다.

도 5에 도해된 패턴의 프랙탈 차원은 대략 1.84이다. 한 실시양태에서, 기구 표면의 나노토포그래피는 약 1 초과, 예를 들어 약 1.2 내지 약 5, 약 1.5 내지 약 3, 또는 약 1.5 내지 약 2.5의 프랙탈 차원을 나타낼 수 있다.

표면적 대 용적 비율 및/또는 프랙탈 차원의 조사에 대하여 추가적으로 또는 선택적으로, 가공된 나노토포그래피를 포함하는 마이크로니들 표면은 표면 조도, 탄성률, 표면 에너지 등을 비제한적으로 포함하는 다른 방법으로도 특징화될 수 있다.

표면 조도를 측정하는 방법은 당업계에 전반적으로 공지되어 있다. 예를 들면, 원자력 현미경법을 접촉식 또는 비접촉식으로 표준 관행에 따라 이용하여 물질의 표면 조도를 측정할 수 있다. 마이크로니들을 특징화하기 위해 이용가능한 표면 조도는 평균 조도 (R_A), 평균 제곱근 조도, 비대칭도 및/또는 첨도를 포함할 수 있다. 일반적으로, 가공된 나노토포그래피를 한정하는 표면의 평균 표면 조도 (즉, 표면의 산술 평균 높이는 ISO 25178 시리즈에서 정의된 조도 파라미터임)는 약 200 나노미터 미만, 약 190 나노미터 미만, 약 100 나노미터 미만, 또는 약 50 나노미터 미만일 수 있다. 예를 들어, 평균 표면 조도는 약 10 나노미터 내지 약 200 나노미터, 또는 약 50 나노미터 내지 약 190 나노미터일 수 있다.

마이크로니들은 나노패턴화된 표면의 탄성률에 의해, 예를 들어 나노토포그래피를 표면에 부여하였을 때의 탄성률의 변화에 의해 특징화될 수 있다. 일반적으로, 표면 상에 나노토포그래피를 형성하는 복수 개의 구조체를 부여하는 것은 물질의 탄성률을 감소시킬 수 있는데, 그 이유는 표면 상에 나노 크기의 구조체를 부여하는 것은 표면 연속성의 감소 및 표면적의 관련된 변화를 유도할 것이기 때문이다. 표면 상의 나노토포그래피의 패턴을 제외하고는, 동일한 사출 성형 공정에 따라 동일한 물질로 형성된 유사한 표면과 비교하여, 나노토포그래피를 포함하는 기구는 약 35% 내지 약 99%, 예를 들어 약 50% 내지 약 99%, 또는 약 75% 내지 약 80%의 탄성률의 감소를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 나노패턴화된 표면의 유효 압축 탄성률은 약 50 MPa 미만, 또는 약 20 MPa 미만일 수 있다. 한 실시양태에서 유효 압축 탄성률은 약 0.2 MPa 내지 약 50 MPa, 약 5 MPa 내지 약 35 MPa, 또는 약 10 MPa 내지 약 20 MPa일 수 있다. 유효 전단 탄성률은 약 320 MPa 미만, 또는 약 220 MPa 미만일 수 있다. 예를 들어, 유효 전단 탄성률은 한 실시양태에서 약 4 MPa 내지 약 320 MPa, 또는 약 50 MPa 내지 약 250 MPa일 수 있다.

나노토포그래피를 포함하는 마이크로니들은 또한 소정의 패턴의 나노토포그래피를 한정하는 표면을 갖지 않는 유사한 마이크로니들과 비교하여 표면 에너지의 증가를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 마이크로니들 상에 형성된 나노토포그래피를 포함하는 마이크로니들은 표면 상의 나노토포그래피 패턴의 포함을 제외하고는, 동일한 사출 성형 방법에 따라 동일한 물질로 형성된 유사한 마이크로니들과 비교하여 표면 에너지의 증가를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 나노토포그래피를 포함하는 표면의 물접촉각은 약 80°보다 크거나, 또는 약 90°보다 크거나, 또는 약 100°보다 크거나, 또는 약 110°보다 클 수 있다. 예를 들어, 표면의 물접촉각은 한 실시양태에서 약 80° 내지 약 150°, 약 90° 내지 약 130° 또는 약 100° 내지 약 120°일 수 있다.

마이크로니들 어레이는 조직과의 상호작용을 위해, 예컨대 생활성 제제의 세포로의 전달에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 마이크로니들 어레이는 제제를 조직에 또는 조직의 하나 이상의 세포 유형에 전달하기 위해, 조직의 구조적 지지를 위해, 조직의 일부 또는 요소의 제거 등을 위해 사용되는 경피용 패치의 요소일 수 있다. 마이크로니들 어레이는 한 실시양태에서 물질을 피부의 하나 이상의 층을 지나 이동시키기 위해 사용될 수 있다.

사용하는 동안에, 어레이의 마이크로니들은 주위의 생물학적 요소와 상호작용하여 세포/세포 상호작용, 엔도시토시스, 염증성 반응 등과 관련된 세포내 및/또는 세포간 신호 전달을 조절 또는 조정 (즉, 변화)할 수 있다. 예를 들면, 마이크로니들 표면 상의 나노토포그래피와 주위의 생물학적 물질 또는 구조 사이의 상호작용을 통해, 기구는 막전위, 막단백질, 및/또는 세포간 연접 (예를 들어, 밀착 연접, 간극 연접 및/또는 데스모좀)을 조절 및/또는 조정할 수 있다. 마이크로니들 어레이는 이물질 또는 면역 반응의 촉발 없이 생물학적 장벽, 예컨대 피부, 혈액뇌 관문, 점막 조직, 혈관 및 림프관 등을 지나가는 제제의 경피 전달 또는 물질의 회수를 위해 이용될 수 있다.

나노토포그래피의 구조체는 하나 이상의 ECM 단백질, 예컨대 콜라겐, 라미닌, 피브로넥틴 등을 모방하고/거나 이들과 상호작용할 수 있다. 마이크로니들 표면이, 예를 들어 표면에서의 단백질 흡착 때문에 직접적으로 또는 간접적으로 국소 환경을 더욱 잘 모방할 수 있기 때문에, 마이크로니들 주위의 국소 영역에 있는 세포는 항염증성 미시환경을 유지할 수 있다. 따라서, 물질을 이물질 또는 면역 반응의 발현 없이 기구의 사용을 통해 전달할 수 있다.

한 실시양태에서, 어레이의 마이크로니들은 접촉 상피 조직의 하나 이상의 요소와 상호작용하여, 세포간극 및/또는 세포횡단 이동 메카니즘을 통해 조직의 투과도를 증가시킬 수 있다. 마이크로니들 어레이의 사용에 의해 더욱 투과성이 될 수 있는 상피 조직에는 단층 상피 및 중층 상피, 예를 들어 각화성 상피 및 이행 상피가 포함될 수 있다. 본원에 포함되는 상피 조직에는 케라틴세포, 편평상피 세포, 원주 세포, 입방상피 세포 및 가성중층 세포를 비제한적으로 포함하는, 상피층의 임의의 세포 유형이 포함될 수 있다.

마이크로니들과 표피의 세포 네트워크 또는 층 요소의 상호작용은 세포간 연접의 구조를 조정 (즉, 변화)할 수 있다. 세포내 연접은 밀착 연접, 간극 연접 및 데스모좀으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 연접일 수 있다. 예를 들어, 생물학적 요소와 나노토포그래피의 구조체 사이의 상호작용은 과립층의 밀착 연접의 개방을 유도하도록 세포 네트워크의 단백질을 조정할 수 있고, 그에 의해 표피를 지나가는 활성 제제, 또한 한 특정 실시양태에서는 고분자량 활성 제제의 향상된 전달이 제공된다. 밀착 연접은 과립층에서 발견되고 밀착 연접의 개방은 활성 제제, 특히 고분자량 활성 제제 및/또는 이전에는 경피 전달할 수 없었던 낮은 친유성을 나타내는 제제의 향상된 전달을 위한 세포간극 경로를 제공할 수 있다.

주위의 생물학적 요소와의 향상된 상호작용 때문에, 기구는 전달된 제제의 향상된 흡수를 가능하게 할 수 있다. 예를 들면, 단백질 치료제의 약물동력학 (PK) 프로파일 (즉, 상피막을 통한 흡수 프로파일)은 소정의 패턴의 나노토포그래피를 포함하는 기구의 이용을 통해 향상될 수 있다. 예를 들어, 100 kDa 이상, 예를 들어 약 100 kDa 내지 약 200 kDa, 또는 약 150 kDa의 분자량을 갖는 단백질 치료제가 사출 성형된 마이크로니들 어레이를 포함하는 패치를 통해 경피 전달될 수 있다. 한 실시양태에서, 패치를 이용하여 단일 투여량, 예를 들어 약 200 내지 약 500 μL, 또는 약 250 μL의 단백질 치료제를 전달할 수 있다. 경피용 패치를 피부에 부착한 후에, 수용자는 투여한 이후 약 1 내지 약 4시간 이내에, 패치 면적 1 제곱 센티미터 당 1 밀리리터 당 치료제 약 500 내지 약 1000 나노그램까지, 예를 들어 패치 면적 1 제곱 센티미터 당 1 밀리리터 당 치료제 약 750 내지 약 850 나노그램까지 혈청 농도의 급속한 상승을 반영하는 PK 프로파일을 나타낼 수 있다. 피부 장벽을 지나가는 치료제의 신속한 흡수를 반영하는, 혈청 수준의 이러한 초기의 급속한 상승 이후에 약 20 내지 약 30시간에 걸쳐서, 예를 들어 약 24시간에 걸쳐서 치료제의 무시할 정도의 혈청 농도까지 혈청 농도의 덜 급속한 감소가 이어질 수 있다. 게다가, 전달된 치료제의 신속한 흡수는 염증을 거의 또는 전혀 수반하지 않을 수 있다. 구체적으로, 경피 장벽을 지나가는 제제의 향상된 전달을 촉진하는 것 이외에, 기구는 또한 이물질 반응 및 다른 바람직하지 않은 반응, 예컨대 염증을 제한할 수 있다. 이전에 공지되었던 기구, 예컨대 피부 접촉 표면에 나노토포그래피가 한정되지 않은 경피용 패치의 사용은 종종 국소의 염증 및 과민증 부위를 유도한다.

가공된 나노토포그래피를 포함하는 마이크로니들의 표면은 사용하는 동안에 조직 또는 개개의 세포와의 향상된 상호작용을 위해 관능화될 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 생체분자, 예컨대 폴리뉴클레오티드, 폴리펩티드, 전단백질, 다당류 등이 사용 전에 구조화된 표면에 결합될 수 있다.

일부 실시양태에서, 표면 상에 형성된 구조체를 포함하는 표면은 표면의 전처리를 필요로 하지 않으면서 추가의 목적하는 관능기가 표면에 자발적으로 부착될 수 있도록 하는 적합한 반응성을 이미 함유할 수 있다. 그러나, 다른 실시양태에서, 목적하는 화합물의 부착 전에 구조화된 표면의 전처리가 수행될 수도 있다. 예를 들면, 구조체 표면의 반응성은 표면 상에서의 아민, 카르복실산, 히드록시, 알데히드, 티올 또는 에스테르 기의 첨가 또는 형성을 통해 증가할 수 있다. 한 대표적인 실시양태에서, 표면 상에 형성된 소정의 패턴의 나노구조체를 포함하는 마이크로니들 표면은 표면의 아민 관능기를 증가시키고 추가된 아민 관능기를 통해 하나 이상의 생체분자를 표면에 결합시키기 위해, 아민 함유 화합물, 예컨대 3-아미노프로필트리에톡시 실란과의 접촉을 통해 아민화될 수 있다.

마이크로니들 어레이의 표면에 바람직하게 결합될 수 있는 물질에는 ECM 단백질, 예컨대 라미닌, 트로포엘라스틴 및/또는 엘라스틴, 트로포콜라겐 및/또는 콜라겐, 피브로넥틴 등이 포함될 수 있다. 다수의 ECM 단백질에 결합하는 인테그린의 인식 서열의 일부인, RGD 서열과 같은 짧은 폴리펩티드 단편이 패턴화된 기구의 표면에 결합될 수 있다. 따라서, 마이크로니들 표면의 RGD에 의한 관능화는 기구와 ECM 단백질의 상호작용을 용이하게 하고, 또한 추가로 사용하는 동안에 기구에 대한 이물질 반응을 제한할 수 있다.

사출 성형된 마이크로니들 어레이는 마이크로니들 어레이를 통해 전달하기 위한 제제와 회합될 수 있다. 예를 들면, 경피용 마이크로니들 패치는 각질층의 아래에서 유극층 또는 기저배층까지, 또는 보다 심부의 진피까지 물질을 전달하기 위해 이용될 수 있다. 일반적으로, 제제는 마이크로니들과 결합되어, 예를 들어 마이크로니들 내에서 또는 마이크로니들의 표면에서 각질층을 지나 이동할 수 있다.

기구는 제제를 저장하고 전달을 위해 제제를 제공할 수 있는 저장소, 예를 들어 용기, 다공성 매트릭스 등을 포함할 수 있다. 기구는 기구 자체 내에 저장소를 포함할 수 있다. 예를 들면, 기구는 전달을 위해 하나 이상의 제제를 운반할 수 있는 중공 또는 다수의 세공을 포함할 수 있다. 제제는 기구의 일부 또는 기구 전체의 분해를 통해 또는 제제의 기구로부터의 확산을 통해 기구로부터 방출될 수 있다.

도 17a 및 17b는 저장소를 포함하는 기구의 투시도이다. 기구 (110)는 불투과성 백킹층 (backing layer; 114) 및 마이크로니들 어레이 (116)에 의해 한정된 저장소 (112)를 포함한다. 백킹층 및 마이크로니들 어레이 (116)는 (118)로 표시된, 기구의 바깥쪽 경계 주변에서 함께 연결된다. 불투과성 백킹층 (114)은 접착제, 가열 밀봉 등에 의해 연결될 수 있다. 기구 (110)는 또한 복수 개의 마이크로니들 (120)을 포함한다. 이형 라이너 (release liner; 122)는 기구를 사용하기 전에 마이크로니들 (120)을 노출시키기 위해 제거될 수 있다.

하나 이상의 제제를 포함하는 제형물이 저장소 (112) 내에 보유될 수 있다. 불투과성 백킹층 (114)으로서 사용하기에 적합한 물질에는 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 다른 합성 중합체와 같은 물질이 포함될 수 있다. 상기 물질은 일반적으로 백킹층으로 가열에 의해 또는 다른 방법으로 밀봉가능하여, 저장소 내용물의 횡단 유동에 대한 장벽을 제공한다.

불투과성 백킹층 (114)과 마이크로니들 어레이 (116)의 기부 사이의 공간 또는 간극에 의해 한정된 저장소 (112)는 투여되는 제제의 현탁물을 보유하는 저장 구조체를 제공한다. 저장소는 그 안에 함유되는 제제와 상용성인 다양한 물질로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 천연 및 합성 중합체, 금속, 세라믹, 반도체 물질 및 이들의 복합재가 저장소를 형성할 수 있다.

한 실시양태에서, 저장소는 마이크로니들이 위치하는 기부에 부착될 수 있다. 또 다른 실시양태에 따라서, 저장소는 분리되어 있을 수 있고, 또한 예를 들어 적절한 배관, 루어락(luer lock) 등을 통해 마이크로니들 어레이와 유체 연통되거나 또는 마이크로니들 어레이에 탈착가능하게 연결될 수 있다.

기구는 전달할 제제를 저장하기 위한 하나의 또는 복수 개의 저장소를 포함할 수 있다. 예를 들면, 기구는 하나의 또는 다수의 제제 함유 제형물을 저장하는 단일 저장소를 포함할 수 있거나, 또는 기구는 여러 개의 저장소를 포함할 수 있고, 이들은 각각 마이크로니들 어레이 모두에 또는 그의 일부에 전달하기 위한 하나 이상의 제제를 저장한다. 여러 개의 저장소는 각각 전달을 위해 조합될 수 있는 상이한 물질을 저장할 수 있다. 예를 들면, 제1 저장소는 제제, 예를 들어 약물을 함유할 수 있고, 제2 저장소는 비히클, 예를 들어 식염수를 함유할 수 있다. 상이한 제제는 전달 전에 혼합될 수 있다. 혼합은, 예를 들어 기계적 붕괴 (즉, 천공, 분해 또는 파열), 다공성의 변화, 또는 챔버를 분리하는 벽 또는 막의 전기화학적 분해를 포함하는 임의의 수단에 의해 촉발될 수 있다. 여러 개의 저장소는 서로와 함께 또는 순차적으로 전달될 수 있는 상이한 전달 활성 제제를 함유할 수 있다.

한 실시양태에서, 저장소는 경피용 기구의 하나 이상의 마이크로니들과 유체 연통될 수 있고, 마이크로니들은 전달된 제제를 장벽층 아래로 이동시키도록 구조 (예를 들어, 중심부 또는 측면부 보어)를 한정할 수 있다.

별법의 실시양태에서, 기구는 마이크로니들 조립체 및 저장소 조립체를 포함할 수 있고, 사용 전에는 이들 둘 사이의 유동이 차단된다. 예를 들면, 기구는 저장소 및 마이크로니들 어레이에 인접하여 위치하는 이형 부재를 포함할 수 있다. 저장소 및 마이크로니들 어레이가 사용하는 동안에 서로와 유체 연통되도록, 이형 부재는 사용 전에 기구로부터 분리될 수 있다. 분리는 이형 부재의 부분적인 또는 완전한 탈리를 통해 수행될 수 있다. 예를 들어 도 18 내지 23에서, 약물 화합물의 유동을 개시하기 위해 경피용 패치로부터 탈리되도록 구성된 이형 부재의 한 실시양태가 도시되어 있다. 보다 구체적으로, 도 18 및 19는 약물 전달 조립체 (370) 및 마이크로니들 조립체 (380)를 함유하는 경피용 패치 (300)를 도시한다. 약물 전달 조립체 (370)는 유량 조절막 (308)에 인접하여 위치하는 저장소 (306)를 포함한다.

유량 조절막은 이형시에 약물 화합물의 유량 지연을 도울 수 있다. 구체적으로, 약물 저장소로부터 마이크로유체 채널을 통해 마이크로니들 조립체로 지나가는 유체 약물 화합물은 압력 강하에 직면할 수 있고, 이는 유량의 감소를 초래한다. 이러한 차이가 너무 크면, 화합물의 유동을 방해하고 마이크로유체 채널을 통과하는 유체의 모세관압을 잠재적으로 극복할 수 있는 약간의 배압이 형성될 수 있다. 따라서, 유량 조절막의 사용은 이러한 압력차를 완화시키고 약물 화합물이 보다 잘 조절된 유량으로 마이크로니들로 도입되도록 할 수 있다. 유량 조절막의 특정 물질, 두께 등은 약물 화합물의 점도, 목적하는 전달 시간 등과 같은 다수의 인자에 따라 달라질 수 있다.

유량 조절막은 당업계에서 약물 화합물의 유량을 조절하는 것으로 공지되어 있고 약물 저장소보다 낮은 투과 증진제에 대한 투과성을 갖는 투과성, 반투과성 또는 미소공성 물질로부터 가공될 수 있다. 예를 들면, 유량 조절막을 형성하는 데에 사용되는 물질은 약 50 nm 내지 약 5 마이크로미터, 일부 실시양태에서는 약 100 nm 내지 약 2 마이크로미터, 또한 일부 실시양태에서는 약 300 nm 내지 약 1 마이크로미터 (예를 들어, 약 600 nm)의 평균 세공 크기를 가질 수 있다. 적합한 막 물질에는, 예를 들어 섬유상 웹 (예를 들어, 직망 또는 부직망), 개구형 필름, 발포체, 스펀지 등이 포함되며, 이들은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐 아세테이트, 에틸렌 n-부틸 아세테이트 및 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체와 같은 중합체로부터 형성된다. 이러한 막 물질은 또한 미국 특허 제3,797,494호, 제4,031,894호, 제4,201,211호, 제4,379,454호, 제4,436,741호, 제4,588,580호, 제4,615,699호, 제4,661,105호, 제4,681,584호, 제4,698,062호, 제4,725,272호, 제4,832,953호, 제4,908,027호, 제5,004,610호, 제5,310,559호, 제5,342,623호, 제5,344,656호, 제5,364,630호 및 제6,375,978호에 더욱 상세히 개시되어 있으며, 이들 특허는 모두 참조용으로 그 전문이 본원에 참고로 포함된다. 특히 적합한 막 물질은 로만 테라피-시스템(Lohmann Therapie-Systeme)으로부터 입수가능하다.

도 18 및 19에서, 임의적이긴 하지만, 조립체 (370)는 또한 저장소 (306)에 인접하여 위치하는 접착층 (304)을 함유한다. 마이크로니들 조립체 (380)는 또한 상기 기재된 바와 같이, 채널 (331)을 갖는 복수 개의 마이크로니들 (330)이 그로부터 연장하는 지지체 (312)를 포함한다. 약물 전달 조립체 (370) 및/또는 마이크로니들 조립체 (380)의 층은 임의의 공지된 결합 기술을 사용하여, 예컨대 접착제 결합, 열 결합, 초음파 결합 등을 통해 필요에 따라 함께 부착될 수 있다.

사용되는 특별한 구성과 상관없이, 패치 (300)는 또한 약물 전달 조립체 (370)와 마이크로니들 조립체 (380) 사이에 위치하는 이형 부재 (310)를 함유한다. 이형 부재 (310)는 임의로 인접한 지지체 (312) 및/또는 유량 조절막 (308)에 결합될 수 있지만, 전형적으로, 결합된다고 하더라도, 이형 부재 (310)가 패치 (300)로부터 용이하게 인출될 수 있도록 단지 약하게 결합되는 것이 바람직하다. 필요에 따라, 이형 부재 (310)는 또한 사용자가 부재를 붙잡아서 그것을 목적하는 방향으로 당길 수 있도록 패치 (300)의 경계 너머로 적어도 부분적으로 연장하는 탭(tab) 부분 (371) (도 18-19)을 함유할 수 있다. 도 18 및 19에 도시된 "휴지상태"의 구성에서, 패치 (300)의 약물 전달 조립체 (370)는 약물 화합물 (307)이 마이크로니들 (330)로 유의한 정도로 유동하지 않도록 약물 화합물 (307)을 안전하게 보유한다. 패치는 이형 부재가 패치로부터 탈리되도록, 단순히 이형 부재에 힘을 인가함으로써 "작동"될 수 있다.

도 20 및 21에서, 이형 부재 (310)가 종방향으로 당겨지는 패치 (300)를 작동시키는 한 실시양태가 도시되어 있다. 도 22 및 23에 도시된 바와 같이 전체 이형 부재 (310)가 제거될 수 있거나, 또는 도 20 및 21에 도시된 바와 같이 단순히 부분적으로 탈리될 수 있다. 그러나, 어느 경우이든지, 이형 부재 (310)와 지지체 (312)의 개구 (도시되지 않음) 사이에 이전에 형성되었던 밀봉부는 파열되지 않는다. 이러한 방식으로, 약물 화합물 (307)은 약물 전달 조립체 (370)로부터 지지체 (312)를 통해 마이크로니들 (330)의 채널 (331)로 유동하기 시작할 수 있다. 약물 화합물 (307)이 저장소 (306)로부터 채널 (331)로 어떻게 유동하는지를 예시하는 도해는 도 22 및 23에 도시되어 있다. 특히, 약물 화합물 (307)의 유동은 수동 개시되고 임의의 능동형 변위 메카니즘 (예를 들어, 펌프)을 필요로 하지 않는다.

도 18 내지 23에 도시된 실시양태에서, 약물 전달 조립체가 이미 마이크로니들 조립체와 유체 연통되도록 배치되었기 때문에, 이형 부재의 탈리는 약물 화합물의 마이크로니들로의 유동을 즉각적으로 개시한다. 그러나, 특정 실시양태에서, 사용자가 약물 화합물의 방출 시점을 더욱 영향력있게 조절하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 마이크로니들 조립체가 초기에는 약물 전달 조립체와 유체 연통되지 않는 패치 구성을 사용함으로써 달성가능하다. 패치를 사용하기를 원할 때에, 사용자가 2개의 분리된 조립체를 유체 연통하도록 물리적으로 조작할 수 있다. 이형 부재는 이러한 물리적 조작을 실시하기 전에 또는 그 후에 분리될 수 있다.

예를 들어 도 24 내지 29에서, 패치 (200)의 한 특정 실시양태가 도시되어 있다. 도 24 및 25는 사용 전의 패치 (200)를 도해하고, 마이크로니들 조립체 (280)에 의해 형성된 제1 섹션 (250) 및 약물 전달 조립체 (270)에 의해 형성된 제2 섹션 (260)을 도시한다. 약물 전달 조립체 (270)는 상기 기재된 바와 같이 유량 조절막 (208)에 인접하여 위치하는 저장소 (206)를 포함한다. 임의적이긴 하지만, 조립체 (270)는 또한 저장소 (206)에 인접하여 위치하는 접착층 (204)을 함유한다. 마이크로니들 조립체 (280)는 또한 상기 기재된 바와 같이, 채널 (231)을 갖는 복수 개의 마이크로니들 (230)이 그로부터 연장하는 지지체 (212)를 포함한다.

이 실시양태에서, 지지체 (212) 및 유량 조절막 (208)은 초기에 서로에 대하여 수평으로 인접하여 위치하고, 이형 부재 (210)는 지지체 (212) 및 유량 조절 부재 (208) 상에서 연장한다. 이러한 특정 실시양태에서, 일반적으로 이형 부재 (210)는 접착제 (예를 들어, 압력 감수성 접착제)에 의해 지지체 (212) 및 유량 조절막 (208)에 이형가능하게 부착되는 것이 바람직하다. 도 24 및 25에 도시된 "휴지상태"의 구성에서, 패치 (200)의 약물 전달 조립체 (270)는 약물 화합물 (207)이 마이크로니들 (230)로 유의한 정도로 유동하지 않도록 약물 화합물 (207)을 안전하게 보유한다. 패치를 "작동"시키기를 원할 때, 이형 부재 (210)를 도 26 및 27에 도해된 바와 같이, 박리 제거하여 이형 부재 (210)와 지지체 (212)의 개구 (도시되지 않음) 사이에 이전에 형성되었던 밀봉부를 파열시킬 수 있다. 이 후에, 유량 조절 부재 (208)가 지지체 (212)에 대하여 수직으로 인접하여 위치하고 그와 유체 연통하도록, 제2 섹션 (260)을 도 28에서 방향성 화살표로 표시된 접선 "F" 주변에서 접을 수 있다. 별법으로, 제1 섹션 (250)을 접을 수도 있다. 어느 경우이든지, 섹션 (250) 및/또는 섹션 (260)을 접는 것은 약물 화합물 (207)이 약물 전달 조립체 (270)로부터 지지체 (212)를 통해 마이크로니들 (230)의 채널 (231)로 유동하는 것을 개시한다 (도 29 참조).

다른 전달 조절 메카니즘이 기구에 이용될 수 있다. 한 실시양태에 따라서, 경피용 기구는 예비프로그램된 계획에 따라 또는 능동형 인터페이스를 통해 환자, 의료 전문가 또는 바이오센서에 의해 전달 속도를 조절하도록 마이크로전자 및 다른 미세가공 구조체를 갖는 하우징을 포함할 수 있다. 기구는 기구 내에 함유된 제제의 방출을 조절하도록, 예정된 분해 속도를 갖는 물질을 표면에서 포함할 수 있다. 전달 속도는 전달할 제형물의 특성 (예를 들어, 점도, 전하 및/또는 화학 조성); 각각의 기구의 치수 (예를 들어, 임의의 개구부의 외경 및 용적); 경피용 패치 상의 마이크로니들의 개수; 담지 매트릭스에서의 개개의 기구의 개수; 추진력의 적용 (예를 들어, 농도 구배, 전압 구배, 압력 구배); 밸브의 사용 등을 포함하는 다양한 인자를 조작함으로써 조절될 수 있다.

기구를 통한 제제의 이동은, 예를 들어 밸브, 펌프, 센서, 액추에이터(actuator) 및 마이크로프로세서(microprocessor)의 다양한 조합을 사용하여 조절 또는 모니터링될 수 있다. 이들 요소들은 표준 제조 또는 미세가공 기술을 사용하여 제작할 수 있다. 기구에 유용할 수 있는 액추에이터는 마이크로펌프, 마이크로밸브 및 포지셔너(positioner)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 마이크로프로세서는 펌프 또는 밸브를 조절하도록 프로그램될 수 있고, 그에 의해 전달 속도가 조절된다.

기구를 통한 제제의 유동은 확산 또는 모세관 작용을 기반으로 하는 것일 수 있거나, 또는 전통적인 기계 펌프 또는 비기계적 추진력, 예컨대 전기삼투 또는 전기영동, 또는 대류를 사용하여 유도될 수 있다. 예를 들어 전기삼투에서는, 전극을 생물학적 표면 (예를 들어, 피부 표면), 마이크로니들 및/또는 마이크로니들에 인접한 기재 상에 위치시켜, 반대로 하전된 이온 화학종 및/또는 중성 분자를 전달 부위를 향하여 또는 전달 부위로 운반하는 대류 유동을 형성한다.

제제의 유동은 마이크로니들 표면을 형성하는 물질의 선택에 의해 조작될 수 있다. 예를 들면, 기구의 마이크로니들 표면에 인접해 있는 하나 이상의 대형 홈을 사용하여, 특히 액체 상태의 약물의 통과를 인도할 수 있다. 별법으로, 기구의 물리적 표면 성질은, 예컨대 친수성 또는 소수성을 조절함으로써 표면을 따라 물질이 이동하는 것을 촉진 또는 억제하도록 조작될 수 있다.

제제의 유동은 당업계에 공지된 바와 같이 밸브 또는 게이트를 사용하여 조절될 수 있다. 밸브는 반복적으로 개방 및 폐쇄될 수 있거나, 또는 밸브는 1회용 밸브일 수 있다. 예를 들면, 파열성 장벽 또는 1방향 게이트가 저장소와 패턴화된 표면 사이에서 기구에 설치될 수 있다. 사용할 준비가 되면, 장벽이 파열되거나 게이트가 개방되어 마이크로니들 표면으로의 유동을 허용할 수 있다. 기구에 사용되는 다른 밸브 또는 게이트는 기구를 통한 분자의 유동을 선택적으로 개시, 조정 또는 중단하도록 열적으로, 전기화학적으로, 기계적으로 또는 자기적으로 작동될 수 있다. 한 실시양태에서, 유동은 "밸브"로서 유량 제한 막을 사용함으로써 조절된다.

일반적으로, 당업계에 공지된, 저장소, 유동 조절 시스템, 감지 시스템 등을 비롯한 임의의 제제 전달 조절 시스템이 기구에 도입될 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 제7,250,037호, 제7,315,758호, 제7,429,258호, 제7,582,069호 및 제7,611,481호에 기구에 도입될 수 있는 저장소 및 조절 시스템이 개시되어 있다.

기구에 의해 전달될 수 있는 제제는 기구 주변의 국소 영역을 위한 것일 수 있거나 또는 보다 광범위한 분포를 위한 것일 수 있다. 예를 들어 한 실시양태에서, 기구는, 예를 들어 골관절염 또는 류마티스 관절염의 치료에서 관절 주변의 국소 영역에 대한 통증 관리 또는 염증 관리를 위해 제제를 전달할 수 있다.

기구의 나노토포그래피는 이물질 및 면역 반응을 최소화하면서 제제의 전달을 향상시킬 수 있다. 이는 올리고뉴클레오티드 및 다른 치료제의 핵막으로의 전달을 고려할 때 특히 유익한 것으로 입증될 수 있다. 과거에는, 물질 (예를 들어, 플라스미드, siRNA, RNAi 등)의 핵막으로의 전달이, 엔도시토시스가 이루어지더라도, 핵막으로의 적절한 엔도좀 전달이, 가장 가능성 있게는 이물질 및 면역 반응 때문에 어려운 것으로 입증되었기 때문에 문제가 되는 것으로 확인되었다. 세포질에서, 전달된 물질은 종종 후기 엔도좀을 통해 재순환되거나 또는 리소좀에서 분해된다. 개시된 기구를 사용함으로써, 마이크로니들의 ECM과의 상호작용이 엔도시토시스 이후에 세포 내에서의 이물질 반응을 차단하고 물질의 핵으로의 전달을 용이하게 할 수 있다.

과거에는 단백질 치료제의 전달 또한 문제가 되는 것으로 확인되었다. 예를 들면, 단백질 치료제와 같은 고분자량 제제의 전달은 피부의 자연발생적인 장벽 때문에 경피 전달 경로로는 어려운 것으로 입증되었다. 마이크로니들의 나노토포그래피의 존재는 ECM의 열역학에 유익하게 영향을 주고 전달 효율 및 단백질 치료제의 흡수를 향상시킬 수 있다. 본원에서 사용된 용어 '단백질 치료제'는 일반적으로 천연, 합성 및 재조합 화합물, 융합 단백질, 키메라 등을 비제한적으로 포함하는 생물학적 활성 단백질성 화합물 뿐만 아니라, 20개의 표준 아미노산 및/또는 합성 아미노산을 포함하는 화합물을 말한다. 예를 들면, 과립층에 또는 그 주변에 기구의 존재는 밀착 연접을 개방시켜 고분자량 제제의 세포간극 이동을 허용할 수 있다. 한 실시양태에서, 기구는 고분자량 제제 (예를 들어, 약 400 Da 초과, 약 10 kDa 초과, 약 20 kDa 초과, 또는 약 100 kDa 초과의 분자량, 예를 들어 약 150 kDa의 분자량을 한정하는 제제)의 경피 전달에 이용될 수 있다. 추가적으로, 기구의 표면적 대 용적 비율의 변화를 이용하여 기구의 표면에서의 단백질 흡착을 개조할 수 있고, 이는 결국 물질의 전달 및 세포성 흡수를 개조할 수 있다. 따라서, 특정 물질의 전달은 기구의 표면적/용적 비율의 최적화를 통해 최적화될 수 있다.

저분자량 제제의 전달을 고려할 때도, 기구는 기구의 피부 결합 조직 요소와의 상호작용 및 수반되는 이물질 반응의 감소 및 그 영역의 국소화된 화학 포텐셜의 향상 때문에 증가한 효율 및 향상된 흡수를 제공할 수 있다.

물론, 기구는 제제의 표적화된 전달로 제한되지 않는다. 제제의 전신성 전달 및 기구를 통한 대상체로부터의 제제의 회수도 본원에 포함된다.

기구의 사용으로 전달될 수 있는 제제는 특별히 제한되지 않는다. 제제에는 단백질성 제제, 예컨대 인슐린, 면역글로불린 (예를 들어, IgG, IgM, IgA, IgE), TNF-α, 항바이러스성 의약 등; 플라스미드, siRNA, RNAi, 뉴클레오시드 항암 약물, 백신 등을 비롯한 폴리뉴클레오티드 제제; 및 소분자 제제, 예컨대 알칼로이드, 글리코시드, 페놀 등이 포함될 수 있다. 제제에는 항감염제, 호르몬제, 심근 활동 또는 혈류를 조절하는 약물, 통증 조절제 등이 포함될 수 있다. 본 개시내용에 따라 전달될 수 있는 다른 물질은 질환의 예방, 진단, 완화, 치료 또는 치유에 유용한 제제이다. 제제의 비제한적 목록에는 신생혈관형성 억제제, 항울제, 항당뇨병제, 항히스타민제, 항염증제, 부토르파놀, 칼시토닌 및 유사체, COX-II 억제제, 피부과용 제제, 도파민 효능제 및 길항제, 엔케팔린 및 다른 오피오이드 펩티드, 표피 성장 인자, 에리트로포이에틴 및 유사체, 여포 자극 호르몬, 글루카곤, 성장 호르몬 및 유사체 (성장 호르몬 방출 호르몬을 포함함), 성장 호르몬 길항제, 헤파린, 히루딘 및 히루딘 유사체, 예컨대 히루로그, IgE 억제인자 및 다른 단백질 억제제, 면역억제제, 인슐린, 인슐리노트로핀 및 유사체, 인터페론, 인터류킨, 황체형성 호르몬, 황체형성 호르몬 방출 호르몬 및 유사체, 단일클론 또는 다중클론 항체, 멀미제, 근이완제, 마약성 진통제, 니코틴, 비스테로이드성 항염증제, 올리고당류, 부갑상선 호르몬 및 유사체, 부갑상선 호르몬 길항제, 프로스타글란딘 길항제, 프로스타글란딘, 스코폴라민, 진정제, 세로토닌 효능제 및 길항제, 성기능저하, 조직 플라스미노겐 활성인자, 정신안정제, 담지체/아주반트가 포함되었거나 포함되지 않은 백신, 혈관확장제, 주요 진단제, 예컨대 투베르쿨린 및 다른 과민증 제제가 포함되고, 이들은 "물질의 피내 주입 방법(Method of Intradermally Injecting Substances)"이라는 발명의 명칭을 갖는 미국 특허 제6,569,143호에 개시되어 있으며, 상기 특허의 전체 개시내용은 본원에 참고로 포함된다. 백신 제형물은 인간 병원체 또는 다른 바이러스성 병원체에 대하여 면역 반응을 도출할 수 있는 항원 또는 항원성 조성물을 포함할 수 있다.

한 바람직한 실시양태에서, 기구는 만성 상태, 예컨대 류마티스 관절염의 치료에서, 치료를 필요로 하는 대상체에 제제의 정상 유동을 전달하기 위해 이용될 수 있다. 개시된 기구를 통해 전달될 수 있는 RA 약물에는 증상 억제 화합물, 예컨대 진통제 및 스테로이드성 및 비스테로이드성 항염증성 약물 (NSAID)을 비롯한 항염증성 약물 뿐만 아니라, 질환 조정 항류마티스성 약물 (DMARD)이 포함될 수 있다.

기구는 증상 억제 화합물, 예컨대 진통제 및 항염증성 약물 뿐만 아니라, DMARD 화합물, 예컨대 생물학적 DMARD를 포함하고 이들을 전달할 수 있다. 특정 이론에 구애됨이 없이, 기구의 표면 상에 가공된 나노미터 규모의 구조체는 피부 장벽을 지나가는 화합물의 전달을 향상시키는 것으로 생각된다. 기구를 이용함으로써, RA 약물은 지속적인 기간에 걸쳐서 정상 농도로 전달될 수 있다. 기구는 경구 전달 및 주사를 비롯한, RA 약물의 이미 공지되어 있었던 전달 방법을 이용할 경우에 일반적인, 농도의 초기 버스트를 방지할 수 있다.

본 개시내용은 하기 제공된 실시예를 참조로 하여 더욱 잘 이해될 수 있다.

실시예 1

다수의 상이한 금형을 전기 회로의 디자인 및 제작에 이용되는 것과 유사한 포토리소그래피 기술을 사용하여 제조하였다. 각각의 공정 단계는 당업계에 전반적으로 공지되어 있고 개시되었다. 형성된 금형은 본원에 기재된 바와 같이 음각 금형 세그먼트를 형성하기 위한 양각 금형 마스터로서 사용될 수 있다.

처음에, 규소 기재를 아세톤, 메탄올 및 이소프로필 알콜로 세정한 후에, 화학 증기 증착 공정에 따라 이산화규소의 258 나노미터 (nm) 층으로 피복시킴으로써 제조하였다.

이어서 패턴을 JEOL JBX-9300FS EBL 시스템을 사용하여 당업계에 공지된 전자빔 리소그래피 패턴화 공정을 통해 각각의 기재 상에 형성하였다. 공정 조건은 하기와 같다.

빔 전류 = 11 nA

가속 전압 = 100 kV

샷 피치(shot pitch) = 14 nm

선량 = 260 μC/cm²

레지스트 = ZEP520A, 약 330 nm의 두께

현상액 = n-아밀 아세테이트

현상 = 2분간의 침지 후에 30초간의 이소프로필 알콜 세정

이어서 이산화규소 에칭을 STS 고급 산화막 에칭 (AOE)에 의해 수행하였다. 4 mTorr, 400 W 코일, 200 W RIE 및 404 내지 411 V의 DC 바이어스에서 55 sccm (standard cubic centimeters per minute) He, 22 sccm CF₄, 20 sccm C₄F₈를 사용하였고 에칭 시간은 50초였다.

이어서, 규소 에칭을 STS 산화규소 에칭 (SOE)에 의해 수행하였다. 5 mTorr, 600 W 코일, 50 W RIE 및 96 내지 102 V의 DC 바이어스에서 20 sccm Cl₂ 및 5 sccm Ar을 사용하였고 에칭 시간은 2분이었다. 규소 에칭 깊이는 500 nm였다.

잔류 산화물의 제거를 위해 완충 산화물 에칭 시약 (BOE)을 사용하였고, 이는 3분간의 BOE 침지에 이어서 탈이온수 세정을 포함하였다.

옵듀캣(Obducat) NIL-아이터(Eitre)®6 나노임프린터를 사용하여 다양한 중합체 기재 상에 나노패턴을 형성하였다. 외부로부터의 물을 냉각수로서 사용하였다. UV 모듈은 1.8 W/cm²에서 200 내지 1000 nm 파장의 단일 펄스 램프를 이용하였다. 250 내지 400 nm의 UV 필터를 사용하였다. 200℃의 최고 온도 및 80 Bar에서 노출 영역은 6 인치였다. 나노임프린터는 반자동 분리 유닛 및 자동 제어 탈형을 포함하였다.

나노임프린팅된 필름의 금형으로부터의 이형을 가능하게 하기 위해, 금형을 트리데카-(1,1,2,2-테트라히드로)-옥틸트리클로로실란 (F₁₃-TCS)으로 처리하였다. 금형을 처리하기 위해, 규소 금형을 아세톤, 메탄올 및 이소프로필 알콜의 세척액으로 우선 세정한 다음, 질소 기체를 사용하여 건조시켰다. 페트리 디쉬를 질소 분위기에서 가열 플레이트에 놓고, 1 내지 5 ml의 F₁₃-TCS을 페트리 디쉬에 첨가하였다. 규소 금형을 페트리 디쉬에 넣고 10 내지 15분 동안 피복시켜 F₁₃-TCS 증기가 규소 금형을 습윤화하도록 한 후에 금형을 제거하였다.

하기 표 1에 주어진 5종의 상이한 중합체를 이용하여 다양한 나노토포그래피 디자인을 형성하였다.

다수의 상이한 나노토포그래피 패턴을 형성하였고, 이들의 개략도는 도 30a 내지 30d에 도해되어 있다. 도 30e에 도해된 나노토포그래피 패턴은 일본 도쿄에 소재하는 NTT 어드밴스드 테크놀러지(Advanced Technology)로부터 구입한 편평한 기재의 표면이었다. 패턴을 DN1 (도 30a), DN2 (도 30b), DN3 (도 30c), DN4 (도 30d) 및 NTTAT2 (도 30e)로 지정하였다. 금형의 SEM 영상은 도 30a, 30b 및 30c에 도시되어 있고, 필름의 영상은 도 30d 및 30e에 도시되어 있다. 도 15는 도 30a (DN1)의 금형을 사용하여 형성된 나노패턴화 필름을 도해한다. 이 특정 필름에서, 중합체 피쳐는 앞서 논의된 바와 같이 온도 변화에 의해 유도되었다. 도 30e의 패턴의 표면 조도는 34 나노미터인 것으로 밝혀졌다.

도 14C 및 14D에 도해된 패턴 또한 상기 나노임프린팅 공정에 따라 형성하였다. 이 패턴은 도해된 바와 같이, 필러 (72) 및 필러 (62)를 포함하였다. 보다 큰 필러 (72)는 3.5 마이크로미터 (㎛)의 직경 및 30 ㎛의 높이로 형성되었고, 중심간 간격은 6.8 ㎛였다. 필러 (62)는 높이가 500 nm이고 직경이 200 nm이며, 중심간 간격은 250 nm였다.

폴리프로필렌 필름에 사용된 나노임프린팅 공정 조건은 하기 표 2에 제시되었다.

실시예 2

다수의 상이한 패턴을 포함하고 폴리스티렌 (PS) 또는 폴리프로필렌 (PP)으로 형성된 필름을 실시예 1에서 상기 기재된 바와 같이 형성하였다. 패턴은 본원에 기재된 바와 같이 금형 세그먼트의 마이크로니들 세그먼트 상에 도입될 수 있는 패턴의 대표예이다.

이용된 패턴은 실시예 1에 기재된 형성 공정을 이용한 DN2, DN3 또는 DN4였다. 기저가 되는 기재는 두께가 다양하였다. 패턴 금형은 지정된 패턴을 갖는 다수의 상이한 크기의 피쳐를 형성하도록 정공 깊이 및 피쳐 간격에 있어서 다양하였다. 8번 샘플 (BB1이라 지정됨)은 금형으로서 0.6 ㎛ 밀리포어(millipore) 폴리카르보네이트 필터를 사용하여 형성하였다. 25 ㎛ 폴리프로필렌 필름을 필터의 상단에 놓은 후에, 폴리프로필렌이 필터의 세공으로 유동할 수 있도록 가열 용융시켰다. 이어서 금형을 냉각시키고 폴리카르보네이트 금형은 메틸렌 클로라이드 용매를 사용하여 용해시켰다.

형성된 필름의 SEM은 도 31 내지 39에 도시되어 있고 형성된 필름의 특성은 하기 표 3에 요약하였다.

각각의 샘플에 대하여, AFM을 이용하여 필름을 특징화하였다. 특징화는 주사 전자 현미경 사진 (SEM)의 제작, 표면 조도의 측정, 최대 피쳐 높이 측정치의 결정, 및 프랙탈 차원의 측정을 포함하였다.

이용되는 원자력 현미경 (AFM) 프로브는 마슈(μMasch)로부터 입수가능한 시리즈 16 규소 프로브 및 캔틸레버(cantilever)였다. 캔틸레버는 170 kHz의 공진 주파수, 40 N/m의 용수철 상수, 230 ± 5 ㎛의 길이, 40 ± 3 ㎛의 너비, 및 7.0 ± 0.5 ㎛의 두께를 가졌다. 프로브 첨단부는 n형 인 도핑된 규소 프로브이며, 전형적인 프로브 첨단부 반경은 10 nm이고, 첨단부 원뿔 전각도는 40°이고, 첨단부 전체 높이는 20 내지 25 ㎛이고, 벌크 저항률은 0.01 내지 0.05 옴-cm였다.

표 3에 주어진 표면 조도 값은 ISO 25178 시리즈에서 정의된 표면 (Sa) 영역 조도 파라미터의 산술 평균 높이이다.

프랙탈 차원은 푸리에(Fourier) 진폭 스펙트럼을 분석함으로써 상이한 각도에 대하여 계산하였고; 상이한 각도에 대하여 진폭 푸리에 프로파일을 얻고 주파수 및 진폭의 대수 좌표를 계산하였다. 이어서 각각의 방향에 대하여 프랙탈 차원 (D)을 하기와 같이 계산하였다.

D = (6+s)/2

여기서, s는 로그-로그 곡선의 (음의) 기울기이다. 기록된 프랙탈 차원은 모든 방향의 평균이다.

프랙탈 차원은 또한 로그-로그 함수의 적용에 의해 2D 푸리에 스펙트럼으로부터 평가할 수 있다. 표면이 프랙탈이라면 로그-로그 그래프는 음의 기울기를 갖는 거의 직선형이어야 한다 (예를 들어, 문헌 [Fractal Surfaces, John C. Russ, Springer-Verlag New York, LLC, July, 2008] 참조).

주제를 특정 실시양태와 관련하여 상세히 설명하였지만, 당업자라면 상기 내용을 이해할 때, 이들 실시양태의 개조, 변화 및 등가물을 용이하게 인지할 수 있음을 알 것이다. 따라서, 본 개시내용의 범주는 첨부된 특허청구범위 및 그의 등가물의 범주로서 정해져야 한다.

Claims

성형가능한 물질을 마이크로니들(microneedle) 음각 공동으로 사출하는 것을 포함하고, 마이크로니들 음각 공동은 표면 상에 복수 개의 가공된 나노구조체를 한정하고, 나노구조체는 소정의 패턴으로 배열된 것인, 마이크로니들 어레이의 형성 방법.
제1항에 있어서, 제1 마이크로니들 세그먼트(segment)를 포함하는 제1 금형 세그먼트가, 제2 마이크로니들 세그먼트를 포함하는 제2 금형 세그먼트에 맞춰 정렬되는 것을 추가로 포함하고, 제1 및 제2 금형 세그먼트가 정렬되면 이들 사이에 마이크로니들 음각 공동이 형성되고, 제1 및 제2 마이크로니들 세그먼트는 각각 마이크로니들 음각 공동의 일부를 형성하는 것인 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 마이크로니들 음각 공동이 마이크로니들 채널 금형을 한정하는 것인 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 기부가 마이크로니들 음각 공동에 맞춰 정렬되어 마이크로니들 음각 공동에 인접한 기재 공동을 형성하는 것을 추가로 포함하는 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 양각 금형 마스터(master)를 형성하는 것을 추가로 포함하는 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 성형가능한 물질을 마이크로니들 음각 공동으로 사출하기 전에 마이크로니들 음각 공동을 가열하는 것을 추가로 포함하는 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 성형가능한 물질이 중합체 물질인 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 성형가능한 물질이 약 6,000 psi (pound per square inch) 초과의 압력하에 마이크로니들 음각 공동으로 사출되는 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 초음파 에너지를 마이크로니들 음각 공동에 적용하는 것을 추가로 포함하는 방법.
기재;
기재의 표면으로부터 연장하는 복수 개의 마이크로니들;
마이크로니들 중 적어도 하나의 표면 상에 사전설정된 패턴으로 배열된 복수 개의 나노구조체
를 포함하고,
기재, 복수 개의 마이크로니들 및 복수 개의 나노 크기의 구조체는 모두 사출 성형된 구조물의 일부인, 사출 성형된 마이크로니들 어레이.
제10항에 있어서, 마이크로니들 중 적어도 하나가 마이크로니들의 길이를 따라 채널을 한정하는 것인, 사출 성형된 마이크로니들 어레이.
제10항 또는 제11항에 있어서, 나노구조체의 적어도 일부가 약 500 나노미터 미만 및 약 5 나노미터 초과의 횡단면 치수를 갖는 것인, 사출 성형된 마이크로니들 어레이.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 패턴이 마이크로구조체를 추가로 포함하고, 나노구조체는 마이크로구조체보다 작은 횡단면 치수를 갖는 것인, 사출 성형된 마이크로니들 어레이.
제13항에 있어서, 마이크로구조체의 횡단면 치수보다 작고 제1 나노구조체의 횡단면 치수보다 큰 횡단면 치수를 갖는 제2 나노구조체를 추가로 포함하는, 사출 성형된 마이크로니들 어레이.
제10항 내지 제14항 중 어느 한 항의 사출 성형된 마이크로니들 어레이를 포함하는 경피용 패치.
제15항에 있어서, 약물 화합물을 보유하기 위한 저장소를 추가로 포함하는 경피용 패치.
제16항에 있어서, 저장소와 유체 연통되는 유량 조절막을 추가로 포함하는 경피용 패치.
제17항에 있어서, 일반적으로 약물 화합물에 대하여 불투과성이고 유량 조절막에 인접하여 위치하는 이형 부재를 추가로 포함하는 경피용 패치.
제15항에 있어서, 약물 화합물이 약 20 kDa 내지 약 250 kDa의 분자량을 갖는 것인 경피용 패치.