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ISSN : 1225-0112(Print)
ISSN : 2288-4505(Online)

Applied Chemistry for Engineering Vol.35 No.5 pp.423-428
DOI : https://doi.org/10.14478/ace.2024.1053

Comparison and Evaluation of Printing Angle Dependent Fabrication of Microneedles Using Polyjet and DLP-SLA 3D Printers

Seung Hui An, Heon-Ho Jeong†

Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Chonnam National University, Yeosu 59626, Republic of Korea

^† Corresponding Author: Chonnam National University Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Yeosu 59626, Republic of Korea Tel: +82-61-659-7298 e-mail: jeonghh29@jnu.ac.kr

Received August 12, 2024 ; Review September 20, 2024 ; Accepted September 21, 2024

Abstract

Microneedles with micron-sized needle arrays are an emerging technology for the transdermal administration of active pharmaceutical ingredients with minimally invasive pain. Over the past decade, although various additive manufacturing technologies have been employed for precise fabrication of microneedles, these methods are often limited by material compatibility and bioavailability, in addition to being time-consuming and costly. In here, we compare the resolution of Polyjet and DLP-SLA 3D printing methods for the precise fabrication of biodegradable PCLDA/PEGDA microneedles. To enhance the structural accuracy of the microneedles from both printing methods, we evaluate the 3D printing conditions, including 3D printing angle and needle height and diameter. Molds for microneedles are fabricated using optimized 3D printing methods, and subsequent replica molding processes are employed to fabricate the polymeric microneedles with sharp need tips. Finally, we use photocurable PCLDA and PEGDA for biodegradable and biocompatible microneedles, and their mechanical properties as PCLDA concentrations are analyzed to assess the strength required for skin insertion. This study has demonstrated the efficient and low-cost fabrication of high-resolution microneedles for transdermal drug delivery.

Key Words : Microneedles , 3D printing , Polyjet , DLP-SLA , Transdermal drug delivery

Polyjet과 DLP-SLA 3D 프린터를 이용한 인쇄 각도에 따른 마이크로니들 제작의 비교 및 평가

안승희, 정헌호†

전남대학교 화공생명공학과

초록

마이크론 크기의 미세바늘 배열로 구성된 마이크로니들은 최소 침습성 통증으로 활성 의약품 성분을 경피 투여하기 위한 새로운 기술이다. 지난 수년간 마이크로니들의 구조를 정확히 제조하기 위해 다양한 적층 제조 기술이 사용되었지만 기존의 기술은 시간과 비용이 많이 드는 것뿐만 아니라 제한적인 재료 호환성과 생체 이용률에 대한 한계성이 있었다. 본 연구에서는 생분해성 PCLDA/PEGDA 마이크로니들의 정확한 제조를 위해 Polyjet과 DLP-SLA 3D 프린팅 방법의 해상도를 비교하였다. 두 3D 프린팅 방식을 기반으로 마이크로니들의 구조적 정확성을 향상시키기 위해 3D 프린팅 각도, 바늘 높이 및 직경을 포함한 3D 프린팅 조건을 비교 및 평가하였다. 최적화된 3D 프린팅 조건을 적용하여 날카로운 바늘 끝을 가진 마이크로니들 몰드를 제작하였으며, 복제 성형 공정을 통해 고분자 마이크로니들을 제작 하였다. 최종적으로, 광경화성 PCLDA와 PEGDA를 이용한 생분해성/생체적합성 마이크로니들을 제작하였으며, PCLDA 농도에 따른 기계적 특성 제어를 통해 피부 삽입에 필요한 강도를 평가하였다. 본 연구에서는 3D 프린팅을 이용해 고해상도 마이크로니들을 저비용 및 효율적으로 제작하여 경피 약물 전달 분야에 응용할 수 있음을 증명하였다.

키워드 :

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Funding:

1. 서 론

마이크로니들(microneedle, MN)은 마이크로미터 크기의 미세바늘이 어레이 형태로 구성된 패치로 피부 조직의 바깥층을 통한 물질전달 또는 생체정보 수집을 가능하게 하는 의료 디바이스이다. 마이크로니들의 미세바늘은 약물 전달의 가장 큰 장벽인 피부의 각질층을 효과적으로 투과할 수 있으며 미세바늘의 길이를 최소화하여 피부 투과 시 수반되는 고통을 줄이고 약물이 전달되는 위치를 미세하게 조절하여 약물 전달 효율을 높이는 최소 침습 장치로 이용된다. 이러한 마이크로니들 패치는 화장품, 경피 패치형 약물 전달, 화학적 바이오 센서, DNA 바이오마커, 전기 생체 신호 기록, 전기 자극 및 신경 인터페이스 등 다양한 분야에 응용되고 있다[1-9].

마이크로니들은 금속, 이산화규소, 세라믹, 고분자 등 다양한 소재로 제작되어 약물전달, 바이오센서, 화장품 등 폭 넒은 분야에 응용되 고 있다. 금속, 실리콘 및 세라믹의 경우 물리적 강성이 상대적으로 높아 안정적인 피부 투과가 가능하여 약물 투과를 촉진하기 위해 피부의 모공을 열고 비교적 빠른 약물 전달에 유리하지만 마이크로니들 제작 과정이 복잡하여 대량 생산이 어렵고 비용이 많이 드는 단점이 있다. 반면, 고분자 마이크로니들은 사용하는 고분자의 농도, 분자량, 가교 밀도 및 전하 특성 조절을 통한 다양한 약물 방출 특성을 갖는 마이크로니들 제작이 가능하며, 고분자의 기능성에 따라 pH, 온도, 효소반응과 같은 외부 자극에 의한 고분자 변형 특성을 이용해 소분자, 거대분자, 나노 입자, 핵산을 담지한 마이크로니들을 제작하여 약물 치료 효능을 극대화할 수 있다. 또한, 생분해성 고분자 기반의 마이크로니들은 고분자의 분해 속도에 따라 약물의 지속적인 방출 속도 제어가 가능하여 서방형 약물 전달 시스템에 응용이 가능하며, 미세바늘이 피부 내에서 완전 분해되므로 추가적인 회수 과정이 없어 편리함을 제공한다. 대표적인 예로, PCLDA (polycaprolactone diacrylate)와 PEGDA (poly(ethylene glycol) diacrylate)는 생체 적합성 고분자 재료로서 특정 파장의 UV 조사에 의한 라디칼 반응으로 고형화된 마이크로니들을 손쉽게 형성할 수 있으며, 고분자 분자량, 농도, 및 UV조사 시간 제어를 통해 다양한 특성을 갖는 마이크로니들을 제작하여 다양한 연구에서 응용되고 있다[10-15].

고분자 기반의 마이크로니들 제작 방법으로는 정교하게 설계된 몰드를 제작하여 복제 성형 공정을 통해 마이크로니들을 연속적으로 제작하는 방식이 많이 이용되며, 이 몰드를 제작하는 기술은 화학적 습식 에칭, 포토리소그래피(photolithography), 이온 에칭, 직접 레이저 미세 가공, 마이크로 밀링(micro-milling) 등이 있다. 그러나 이러한 방법들은 고가의 특수 장비 또는 클린룸과 같은 고급 제조 시설을 필요로 하고, 초기 마이크로니들 개발 시 프로토타입 디자인의 수정 및 보완에 발생하는 비용이 크며, 훈련된 전문 인력이 요구되는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 적층 또는 프로토타이핑 방식인 3D 프린팅 기술을 사용해 마이크로니들을 빠르고 저렴하며 높은 정확도로 제작하는 연구가 이루어지고 있다. 3D 프린팅은 디자인 소프트웨어를 사용하여 설계된 3D 모델을 기반으로 레진을 한 층씩 증착하여 맞춤형 제품을 제작하는 방법으로 FDM (fused deposition modeling), Polyjet, DLP-SLA (digital light process-stereolithography) 방식이 대표적이다. FDM은 열가소성 재료 기반 용융 필라멘트를 사용해 한 층씩 적층하며 프린팅하는 방식으로 제작비용이 낮지만 마이크로니들과 같은 날카로운 팁을 구현하기 어렵다. 반면, Polyjet 방식은 광경화 레진을 매우 작은 액적 형태로 특정 부분에 분사하여 UV 경화를 통해 적층하는 방식이며, DLP-SLA 방식은 광경화 레진이 담겨있는 트레이 에 UV를 특정 부분에만 디지털 방식으로 조사하여 선택적 경화를 통해 적층하는 3D 프린팅 기술이다. Polyjet과 DLP-SLA 방식은 FDM 기술보다 비교적 표면 마감이 매끄럽고, 공차와 치수가 정확하여 해상도가 더 우수하지만 마이크로니들 제작의 해상도를 높이는 방법과 관련한 두 가지 방식의 비교를 통한 고해상도 마이크로니들 제작 연구가 필요하다[16-21].

본 연구에서는 마이크로니들 제조를 위한 마스터 몰드를 제작하기 위해 Polyjet과 DLP-SLA 3D 프린팅 방식의 해상도를 비교하였으며, 제작된 몰드를 이용해 생분해성 PCLDA/PEGDA 마이크로니들을 제조하였다. 두 3D 프린팅 방식의 제한된 해상도에서 마이크로니들의 구조 정확도를 높이기 위해 프린팅 각도에 따른 미세바늘 해상도를 평가하였다. 최적화된 3D 프린팅 방식을 이용하여 몰드를 제작하고 후속 복제 성형 공정을 통해 고해상도의 미세바늘로 구성된 PCLDA/ PEGDA 마이크로니들을 제작하였다. 또한, PCLDA 농도에 따른 마이크로니들의 인공 피부 투과 테스트를 통해 기계적 특성을 평가하여 경피 약물 전달에 응용 가능함을 증명하였다.

2. 실 험

2.1. 재료

Polyjet (Objet30, Stratasys) 방식의 3D 프린팅 레진인 Veroclear와 SUP706는 Stratasys에서 DLP-SLP (MAX X27, Asiga) 방식의 레진인 Plasclear v.2는 Asiga에서 구입하였다. Sodium hydroxide beads와 Sodium metasilicate anhydrous는 대정화금㈜에서 구입하였다. Poly (ethylene glycol)diacrylate (PEGDA, Mn = 700), 2-Hydroxy-2-methylpropiophenone, 2-Mercaptoethanol, Hexadecane, Sorbitan monolaurate (span80), Polycaprolactone diol (PCL-diol, Mn = 2000), Acryloyl chloride (97.0%, contains < 210 ppm MEHQ as a stabilizer), Triethylamine (TEA, 99%), Hexane, Toluene, Dimethyl sulfoxide (DMSO), 1H,1H,2H,2HPerfluorooctyltriethoxysilane (PFOTES)는 Sigma-aldrich에서 구매하였다.

2.2. 3D 프린팅을 이용한 마이크로니들 마스터 몰드 제작

Polyjet과 DLP-SLP 방식의 3D 프린팅 해상도 비교를 위해 디자인 소프트웨어(Autodesk Inventor Professional)를 사용하여 마이크로니들의 팁 직경 100~500 μm, 높이 1000 μm인 10 × 10 미세바늘 어레이를 0°, 30°, 60°, 90° 각도로 프린팅하기 위해 디자인하였다(Figure 1A). Polyjet 프린팅은 작업이 끝난 후, 빌드 플레이트에서 마이크로니들 몰드를 분리한 후, 증류수 1 L에 소듐 하이드록사이드와 메타 규산 나트륨 무수물을 2:1비율로 혼합된 용액 내에서 1 시간 동안 sonication하여 서포터 레진를 제거하였다. 서포터 레진이 제거된 마이크로니들 몰드는 2-isopropanol (IPA)와 증류수를 이용하여 남아있는 서포터 레진과 모델링 레진을 제거한 후 상온에서 하루 동안 건조하였다. DLP-SLA 3D 프린터는 인쇄가 끝난 후 금속기판에서 마이크로니들 몰드를 분리하여 IPA와 증류수로 3회 세척 후 상온에서 하루 동안 건조하였다.

2.3. 광가교성 PCLDA 합성

광가교성 PCLDA는 acryloyl chloride와 PCL-diol 사이의 반응을 통해 합성되었다. 10 g의 PCL-diol과 1.52 g의 TEA를 100 mL의 톨루엔에 첨가 후 균질한 용액을 얻기 위해 20분 동안 혼합한 후 1.221 mL 의 acryloyl chloride를 혼합물에 첨가하고 생성된 혼합물을 80 °C에서 20시간 동안 120 RPM으로 교반하였다. 그 다음 혼합물은 여과를 통해 부산물을 제거하고 고분자를 헥산 용매에서 침전시킨 후 진공 상태에서 24시간 동안 건조시켜 분말 형태의 PCLDA를 얻었다[22].

2.4. PCLDA/PEGDA 마이크로니들 제조

먼저, 복제성형 공정을 적용하여 마이크로니들 제조를 위해 PDMS 기반 마이크로니들 마스터 몰드를 제조하였다(Figure 1B). PDMS를 몰드로부터 손쉬운 탈착을 위해 3D 프린팅 몰드에 산소 플라즈마를 3분간 처리하고 PFOTES 실란화 용액을 진공 하에서 4시간 동안 반응하였다. PDMS와 crosslinker를 10:1 비율로 섞은 용액을 표면 처리 된 3D 프린팅 몰드에 붓고 진공에서 30분 동안 기포를 제거하였다. 70 °C 오븐에서 12시간 동안 경화된 PDMS는 3D 프린팅 몰드와 분리하여 최종적으로 PDMS 기반 마이크로니들 마스터 몰드를 제조하였다.

PCLDA/PEGDA 마이크로니들을 제조하기 위해 PCLDA/PEGDA 용액은 10 mL DMSO에 1 mg PEGDA와 1 mg, 3 mg, 6 mg, 9 mg PCLDA를 3분 동안 교반 후 5 wt% 2-Hydroxy-2-methylpropiophenone 광개시제를 혼합하여 광가교성 PCLDA/PEGDA 용액을 제조하였다. 100 μL 고분자 혼합용액을 PDMS 마스터 몰드에 분사하고 30분 동안 진공 상태에서 고분자 용액을 채운 후 UV (λ = 330~380 nm)를 3분 동안 조사하여 PCLDA/PEGDA 마이크로니들을 제조하였다. 마지막으로 경화된 마이크로니들을 에탄올과 증류수로 세척 후 상온에서 건조하였다.

2.5. 3D 프린팅 몰드 및 마이크로니들 형태학 분석

DLP-SLA와 Polyjet으로 제조된 마이크로니들 몰드의 형태학은 전 계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM sigma 500, ZEISS) 분석을 통해 촬영하였다. 3D 프린팅 마이크로니들의 형태학은 3 kV의 가속 전압에서 백금 코팅 후 FE-SEM을 사용하여 분석하였다. 마이크로니들 팁의 직경과 높이는 ImageJ 소프트웨어를 사용하여 분석하였다.

2.6. PCLDA/PEGDA 마이크로니들의 투과 성능 평가

PCLDA/PEGDA 마이크로니들의 투과 성능을 분석하기 위해 8개의 층(두께 = 1 mm)을 겹친 파라핀 필름을 피부 모사체로 사용하였다. 인장강도 분석 기계를 대신하여 인간의 수동 힘을 사용하여 마이크로니들의 투과 성능을 분석할 수 있는 장치를 Autodesk INVENTOR 소프트웨어를 사용하여 디자인 후 DLP-SLA를 이용하여 투과 분석 장치를 제작하였다. 장치 하단 부에 8개의 층을 겹친 파라핀 필름과 마이크로니들을 통합 후 장치 상단부의 손잡이를 엄지손가락으로 눌러 마이크로니들의 투과 성능을 분석하였다[23].

3. 결과 및 고찰

3.1. 마이크로니들 몰드 프린팅 각도에 따른 3D 프린팅 해상도 비교

Polyjet과 DLP-SLA 프린팅은 광경화성 레진을 사용하여 UV 조사에 의해 레진이 경화되는 방식이므로 조사되는 UV 빛의 픽셀크기 또는 해상도에 따라 제작되는 미세바늘 팁의 직경이 제한되어 날카로운 팁 제작이 어렵다. Polyjet과 DLP-SLA 프린터의 제한된 해상도에서 날카로운 팁을 구현하기 위해 다양한 프린팅 각도로 마이크로니들 몰드를 제작하여 해상도를 분석하였다(Figure 2). 프린팅 각도는 0°, 30°, 60°, 90°, 미세바늘 팁의 직경은 500 μm, 높이는 1000 μm인 마이크로 니들 몰드를 디자인 후 Polyjet과 DLP-SLA를 사용하여 제작하였다. Polyjet 방식으로 제작된 마이크로니들은 서포터 레진과 롤링의 영향으로 거친 표면의 미세바늘 팁이 관찰되었다(Figure 2A, 2B). DLPSLA으로 제작된 마이크로니들 몰드는 프린팅 각도에 따라 제작된 미세바늘 팁의 형상이 Polyjet과 다른 경향을 보였다. 0°에서는 한 층씩 적층되는 프린팅 방식으로 인해 미세바늘 팁의 표면이 매끄럽지 않고 층상구조의 미세바늘 팁이 제작되었다. 30°에서 제작된 미세바늘 팁은 0°에서 제작된 미세바늘 팁보다 매끄러운 표면을 나타냈지만 휘어지거나 부러진 팁이 제조되었다. 이와 동일하게 60°와 90°에서 제작된 미세바늘 팁은 매끄러운 표면으로 제작되었고 60°에서 제작된 미세바늘 팁은 날카롭지만 휘어지는 현상이 발생했으며, 90°에서 제작된 미세바늘 팁은 휘어지지 않고 날카롭게 제작되었다. 그 결과, 모든 프린팅 각도에서 Polyjet 방식보다 DLP-SLA 방식에서 제작된 미세바늘 팁 형상의 해상도가 더 우수하였으며, 90° 각도에서는 휘어짐 없는 매끄러운 미세바늘 팁이 제조되었다. 미세바늘 팁의 해상도를 평가하기 위해 디자인된 미세바늘과 제작된 미세바늘의 높이와 폭의 수치를 비교하였다(Figure 2C, 2D). 다양한 프린팅 각도(0~90°)에서 제조된 미세바늘 팁의 높이는 각각 728.2 μm, 721.6 μm, 704.3 μm, 609.2 μm으로 모두 디자인된 미세바늘 팁의 높이인 1000 μm보다 낮았다(Figure 2C). 또한 Polyjet 방식으로 제조된 0°, 30°, 60°, 90° 각도에서 미세바늘 폭은 각각 534.8 μm, 595.0 μm, 563.6 μm, 635.2 μm으로 모두 디자인된 미세바늘 폭인 500 μm보다 넓었다(Figure 2D). 이 결과는 Polyjet의 롤링 과정으로 인해 모든 프린팅 각도에서 높이는 낮고 폭이 넓은 미세 바늘이 제작되었다. 반면, DLP-SLA으로 제작된 미세바늘 팁의 높이는 0°, 30°, 60°, 90°의 프린팅 각도에서 각각 823.2 μm, 790.2 μm, 813.0 μm, 786.5 μm으로 디자인된 미세바늘 팁의 높이인 1000 μm보다 낮았지만 Polyjet 방식보다 더 높은 높이로 제작되었다 (Figure 2C). 이와 비슷하게 제작된 미세바늘 팁의 폭은 0°, 30°, 60°, 90°에서 각각 499.8 μm, 485.2 μm, 491.3 μm, 490.0 μm으로 디자인된 미세바늘 팁의 폭인 500 μm와 큰 차이가 없음을 확인하였다(Figure 2D). 이는 DLP-SLA 방식은 롤링과정이 없기 때문에 미세바늘 팁의 해상도에 큰 영향을 미치지 않아 디자인된 크기와 매우 유사한 크기로 제작되었다.

3.2. DLP-SLA 방식의 3D 프린터를 이용한 마이크로니들 몰드 제조 최적화

앞서 DLP-SLA 방식의 해상도가 더 우수하다는 결과를 바탕으로 DLP-SLA 방식으로 제작 가능한 최소 미세바늘 팁 직경을 확인하였다. 미세바늘 팁의 높이는 1000 μm으로 고정하고 직경은 100 μm에서 500 μm으로 디자인하여 제작하였다(Figure 3). 직경이 500 μm인 미세바늘 팁의 형상은 매끄러운 표면을 가졌고 팁의 끝부분이 휘어지지 않았다. 그러나 직경이 100~400 μm 범위로 제작된 미세바늘 팁의 형상은 직경이 감소할수록 매끄럽지 않고 거친 표면을 나타냈으며 끝부분이 점점 휘어지는 현상이 발생하였다(Figure 3A, B). 이는 적층 두께의 한계로 물리적 강도가 약해진 상태에서 한 층씩 적층되며 발생하는 바닥면과의 물리적 접촉으로 인해 미세바늘 팁의 직경이 감소할수록 휘어짐 현상이 증가하고 날카로운 부분의 정확한 구현이 어려웠다. 제작된 미세바늘 팁의 높이는 직경이 100~500 μm 범위일 때 각각 218.5 μm, 711.0 μm, 653.7 μm, 811.5 μm, 807.7 μm으로 직경이 감소할수록 디자인된 미세바늘 팁의 높이인 1000 μm보다 감소되었고, 100~500 μm 직경으로 제작된 미세바늘은 각각 137.8 μm, 290.7 μm, 316.8 μm, 434.0 μm, 503.3 μm으로 제작된 미세바늘의 직경이 감소할수록 디자인된 직경보다 더 큰 크기로 제작되었다(Figure 3C, D). 결과적으로, 직경이 감소할수록 디자인된 미세바늘 팁의 직경보다 더 큰 크기로 제작되었으며, 팁의 높이는 감소되었다. 디자인된 크기와 가장 유사한 형상으로 제작된 미세바늘의 크기는 직경 500 μm, 높이가 1000 μm을 확인하였다.

3.3. 복제 성형 공정을 통한 PCLDA/PEGDA 마이크로니들 제조

DLP-SLA 방식으로 제작된 직경이 500 μm이고 높이가 1000 μm인 마이크로니들 몰드를 이용하여 PDMS 마이크로니들 마스터 몰드를 제작하였다. PDMS 마스터 몰드에 PCLDA/PEGDA 용액을 채운 후 UV 조사를 통해 마이크로니들을 제조하였다. 본 연구에서는 PCL-diol을 이용하여 광가교성 PCLDA를 합성하고 생체적합성 고분자 중 하나인 PEGDA와 혼합하여 마이크로니들의 주 재료로 사용하였다 (Figure 4). PEGDA는 생체적합성이 우수하지만 낮은 생분해 속도로 인해 마이크로니들을 위한 소재로의 한계가 있다. 따라서 생분해성 특성이 우수하며 UV 조사를 통해 손쉽게 경화가 가능한 PCLDA를 적용하여 마이크로니들의 생체적합성과 생분해성을 높이고자 하였다. 고분자 용액은 1 mg/mL의 PEGDA와 PCLDA의 농도를 1~9 mg/mL 의 다양한 농도로 준비하여 마이크로니들을 제조하였다. PCLDA의 농도가 1 mg/mL인 PCLDA/PEGDA 마이크로니들은 팁 부분이 날카롭게 제조되지 않았으며 제조된 마이크로니들의 높이는 571.2 μm, 직경은 401 μm으로 몰드의 미세바늘 직경과 높이보다 낮게 제조되었다 (Figure 4B). 반면에 PCLDA의 농도가 증가할수록 미세바늘의 팁 부분이 날카롭게 제조되었으며 3~9 mg/mL PCLDA/ PEGDA 농도로 제작된 미세바늘 팁의 평균 높이는 각각 891.9 μm, 871.0 μm, 835.7 μm 이고 직경은 488.2 μm, 481.4 μm, 479.9 μm이다(Figure 4C). 제조된 마이크로니들의 형태학을 분석하기 위해 FE-SEM 이미지를 통해 분석한 결과, PCLDA의 농도가 1 mg/mL인 마이크로니들은 물리적 특성이 매우 약해 팁이 쉽게 변형이 생겼다. 반면, PCLDA의 농도가 3~9 mg/mL인 마이크로니들은 팁 부분은 비교적 날카롭게 제조되었다.

3.4. 피부 투과를 위한 PCLDA/PEGDA마이크로니들의 기계적 특성 분석

제작된 마이크로니들의 피부 투과를 위한 충분한 기계적 강도를 확인하기 위해 파라핀 필름을 인공피부로 사용하여 테스트하였다. 피부의 물리적 특성을 모사하기 위해 8층의 파라핀 필름(1 mm 두께)을 겹친 후 마이크로니들 투과 테스트를 수행하였다[24]. 파라핀 필름에 마이크로니들을 투과하기 위한 힘은 패치 위에서 가해지는 질량과 비례하여 F = ma을 통해 제어하였다. m은 패치에 가해지는 물체의 질량이 며, a는 중력 가속도이다. 위 식을 통해 PCLDA/PEGDA 마이크로니들에 가해지는 계산된 힘은 146.1 N이고 30초 동안 유지하였다(Figure 5A). PCLDA 농도가 1 mg/mL인 마이크로니들은 힘을 가하는 순간 니들 팁이 부러지면서 파라핀 필름을 통과하지 못하였다(Figure 5B). 반면에 PCLDA 농도가 3, 6, 9 mg/mL인 마이크로니들은 힘을 30초 동안 가한 후 파라핀 필름의 표면을 확인해 본 결과, 미세바늘 팁이 부러지지 않고 파라핀 필름에 성공적으로 투과되었다. PCLDA 농도가 3 mg/mL인 마이크로니들은 모든 팁 부분이 성공적으로 투과 후 분리되었지만 PCLDA 농도가 증가할수록 투과 후 분리된 마이크로니 들을 확인하였을 때 파라핀 필름에서 부러진 미세바늘 팁이 박혀 있는 것을 확인되었다. 그 결과, PCLDA 농도가 높은 PCLDA/PEGDA 마이크로니들을 투과한 경우 팁의 부러짐 현상이 나타났으며 PCLDA 농도가 3 mg/mL인 PCLDA/PEGDA 마이크로니들은 성공적으로 파라핀 필름에 투과 후 분리되었다.

4. 결 론

본 연구에서는 Polyjet과 DLP-SLA 방식의 3D 프린터를 이용하여 프린팅 각도 변화에 따른 마이크로니들의 미세바늘 팁의 형상을 비교하여 고분자 마이크로니들 제작을 최적화하였다. Polyjet 방식과 DLP-SLA 방식을 이용하여 제작된 미세바늘 팁의 형상 정확도를 분석한 결과, 모든 각도에서 서포터 레진의 사용과 롤링 과정이 없는 DLP-SLA 방식이 날카로운 미세바늘 팁 형상의 제작이 더 우수하였고 90°에서 제작된 미세바늘 팁의 형상이 가장 날카롭게 제작되었다. 또한, DLP-SLA 방식을 통해 제작 가능한 미세바늘 팁의 최소 직경과 높이를 분석한 결과 디자인된 팁의 직경이 500 μm 높이가 1000 μm 인 경우 제작된 미세바늘 팁과 가장 동일한 수치로 제작되었다. 이를 바탕으로 DLP-SLA 방식을 통해 마이크로니들 몰드를 제작하고 PDMS를 이용한 후속 복제 성형 공정을 통해 생체적합성 PCLDA/ PEGDA 마이크로니들을 제작하였다. 제조된 마이크로니들은 PCLDA의 농도가 1 mg/mL인 경우를 제외하고 모두 날카로운 미세바늘 팁을 가지는 마이크로니들이 성공적으로 제조되었다. 제작된 마이크로니들의 피부 투과 테스트 결과 PCLDA 농도가 3 mg/mL인 마이크로니들이 성공적으로 투과 후 분리가 됨을 확인하였다. 따라서, 본 연구를 통해 평가한 3D 프린터를 이용한 생분해성 마이크로니들 제작 방법을 바탕으로 경피 약물 전달뿐만 아니라 화장품, 웨어러블 센서 등에서 널리 응용될 것으로 기대된다.

Authors

Seung Hui An; M.Sc., Ph.D. candidate, Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Chonnam National University, Yeosu 59626, Republic of Korea; dkstmdgml43@naver.com

Heon-Ho Jeong; Ph.D., Associate Professor, Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Chonnam National University, Yeosu 59626, Republic of Korea; jeonghh29@jnu.ac.kr

Figures

Figure 1.Overview of 3D print based subsequent replica molding processes fabrication method. (A) The schematic diagram of 3D design models of the microneedles for adjusting the printing angle. (B) The schematic diagram of replica molding processes for microneedle fabrication.

Figure 2.Effect of the printing angle of the microneedle mold on the Polyjet and DLP-SLA 3D printing. (A) Optical images of Polyjet and DLP-SLA 3D printed microneedle array at the different printing angles from 0 to 90º. (B) SEM images of Polyjet and DLP-SLA 3D printed microneedles array. (C and D) Measurement of the needle tip diameter and height of the microneedle as the printing angle (n = 5).

Figure 3.Effect of the microneedle mold height and diameter on the DLP-SLA 3D printing. (A) 3D designs and optical images of 3D printed microneedle molds with different tip diameter. Microneedles are printed using DLP-SLA at 90° angle. (B) SEM images of 90° angle DLP-SLA 3D printed microneedle array as different size of tip diameter. (C-D) Measurements of height and diameter of microneedles (n = 5) and compare to 3D designed microneedles.

Figure 4.Fabrication of PCLDA/PEGDA microneedles using 3D printed molds. (A) Schematic for design of microneedle mold tip diameter and height. (B) Optical images of fabricated PCLDA/PEGDA microneedles using 1 mg/ml, 3 mg/ml, 6 mg/ml, and 9 mg/ml concentration. (C) SEM images of fabricated PCLDA/PEGDA microneedles for 3 mg/ml, 6 mg/ml, and 9 mg/ml PCLDA/PEGDA concentration.

Figure 5.Penetration test of PCLDA/PEGDA microneedles on the parafilm. (A) Procedure of PCLDA/PEGDA microneedle penetration test. The microneedle penetration test device is prepared using DLP-SLA 3D printer. First, 8 layers parafilm (thickness=1 mm) place in the device and then PCLDA/PEGDA microneedles put onto the parafilm. The upper handle is placed on the PCLDA/PEGDA microneedle and parafilm penetration is analyzed using thumb force. (B) The photo images of dye stained parafilm after microneedle penetration.

Tables

References

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