KR101221192B1 - 마이크로니들 어레이 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노입자가 코팅된 고분자성 마이크로니들 어레이를 제조하는 방법에 관한 것으로, 구체적으로 1) 마이크로니들 어레이 주형을 제작하는 단계; 2) 상기 마이크로니들 어레이 주형에 나노입자를 코팅하는 단계; 3) 상기 나노입자가 코팅된 마이크로니들 어레이 주형에 생분해성 고분자를 주입하는 단계; 4) 상기 나노입자와 생분해성 고분자가 주입된 마이크로니들 어레이 주형으로부터 마이크로니들 어레이를 분리하는 단계를 포함하는 마이크로니들 어레이의 제조방법을 제공한다.

Description

마이크로니들 어레이 및 그 제조방법{Microneedle array and manufacturing method thereof}

본 발명은 나노입자가 코팅된 고분자성 마이크로니들 어레이 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 약물을 전달하는 방법 중 하나인 피하에 직접 주입하는 방식의 바늘은, 통증을 수반하고 염증을 불러 올 수 있다는 단점이 있다. 또한 출혈이 생기며 나이나 특성에 따라 주입이 어려운 경우도 있다. 이러한 단점을 극복하고자 다양한 마이크로 니들이 제작되어 왔다.

마이크로니들은 통증을 최소화할 수 있다는 가장 큰 장점이 있으며 출혈이나 염증반응을 최소화시킬 수 있다. 또한, 약물의 국부적인 주입이 가능하게 되기 때문에 우리가 주입을 원하는 부위에만 효과적이고 지속적으로 투입할 수 있는 장점이 있어 활발하게 연구되고 있다.

종래의 마이크로니들은 마이크로단위로 이루어진 니들이 적당한 견고성을 가질수 있도록 금속 물질을 이용하거나 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)를 이용하여 제작되는 경우가 많았다. 그러나 마이크로니들의 크기 특성상 인체에 주입되었을 경우 일정 이상의 힘이 가하게 되면 부러지게 되며, 부러진 니들이 인체 내로 삽입되어 다른 기관에 영향을 미칠 수 있고 피부에 박힌 상태로 오래 머물게 되면 염증반응이나 기타 질환을 불러 올 수 있다. 이러한 이유로 일반인이 쉽게 사용하기에 제약이 생기는 문제점이 있으며, 만약 전문가가 시술을 수행하더라도 시술 후 확인 과정을 거쳐야 하는 번거로움이 생기게 된다.

상기의 문제점으로 인해 최근에는 인체에 해가 없는 생분해성 물질을 이용하여 마이크로니들을 제작하려는 시도가 많아졌다. 천연 당인 분말형태의 말토오스(Maltose)를 사용하여 마이크로니들이 제작되었으며, 제작과정의 특성상 주입하고자 하는 약물과 말토오스를 혼합 후 고온의 처리과정을 거치게 된다. 하지만, 사용할 수 있는 약물이 제한되고, 고온에 잘 견딜 수 있는 약물만 선택적으로 사용하여 마이크로니들 어레이를 제작해야 하는 문제점이 생기게 된다. 또한, 인체에 무해한 물질로 제작되었다는 장점은 있지만 다양한 약물을 폭넓게 사용할 수 없기 때문에 그 응용력이 크게 떨어지는 단점이 있다.

이에, 본 발명자는 마이크로니들 어레이의 제조방법을 연구한 결과, 나노입자가 코팅된 고분자성 마이크로니들 어레이를 제조함으로써 종래의 기술에 비해 저렴한 비용으로 친환경적이고 간단한 과정으로 제작할 수 있고, 폴리스티렌 및 산화철로 만들어진 나노입자를 피부를 통해 안전하고 효과적으로 전달할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

본 발명은 나노입자가 코팅된 고분자성 마이크로니들 어레이 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 저렴한 비용으로 친환경적이고 간단한 과정으로 제작할 수 있고, 나노입자에 의약품이나, DNA, RNA, 단백질 같은 생물의약품 등 다양한 물질을 결합하여 생체 내에 원하는 부위에 안전하고 효과적으로 전달할 수 있는 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 하나의 양태로서, 마이크로니들 어레이 제조방법에 있어서, 1) 마이크로니들 어레이 주형을 제작하는 단계; 2) 상기 마이크로니들 어레이 주형에 나노입자를 코팅하는 단계; 3) 상기 나노입자가 코팅된 마이크로니들 어레이 주형에 생분해성 고분자를 주입하는 단계; 4) 상기 나노입자와 생분해성 고분자가 주입된 마이크로니들 어레이 주형으로부터 마이크로니들 어레이를 분리하는 단계를 포함하는 마이크로니들 어레이의 제조방법을 제공한다.

본 발명에서 사용되는 용어 "마이크로니들"이란, 피부를 통한 치료제의 경피 전달 또는 유체의 샘플링을 용이하게 하도록 각질층을 뚫을 수 있는 어레이와 관련된 특수한 미세 구조체를 의미한다. 예로서, 미세구조체는 바늘 또는 바늘 유사 구조체와 각질층을 뚫을 수 있는 다른 구조체를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에서 사용되는 용어 "어레이"란, 피부를 통한 또는 피부로의 치료제의 경피 전달 또는 유체의 샘플링을 용이하게 하도록 각질층을 뚫을 수 있는 하나 이상의 구조체를 포함하는 의료 장치를 의미한다.

본 발명에서 상기 나노입자는 폴리스티렌(polystyrene) 또는 산화철(iron oxide)인 것이 바람직하며, 폴리스티렌과 산화철의 나노입자의 크기는 50 ㎜이며, 붉은 색 형광을 가지는 로다민(rhodamine)이 염색되어 있는 것을 사용한다.

본 발명에서 상기 생분해성 고분자는 카르복시 메틸 셀룰로즈(Carboxy methyl cellulose; CMC) 또는 아가로즈(agarose) 혼합물인 것을 사용한다. 상기 CMC는 고분자 물질로 잘 알려져 있으며 물과 혼합되었을 때 팽창하면서 점성을 가지는 성질을 갖고 있다. CMC는 생분해성 물질로 식품, 의료, 화장품류 등에서 다양하게 활용되고 있고, 고분자성 이면서 인체에 안전하다는 특징 때문에 마이크로니들 어레이의 원료 물질로 사용되기에 적합하며, 아가로즈에 비해 녹는점이 높기 때문에 단시간에 제작할 수 있는 장점이 있다. 또한, 상기 아가로즈는 한천의 구성성분으로 잘 알려져 있고, 물을 흡수하여 팽창하는 성질을 갖고 있으며, 자당(D(+)-sucrose)과 같은 당류를 혼합할 경우 그 경도가 증가하는 특징이 있어 이러한 원리에 근거하여 마이크로니들 어레이의 경도를 증가시키고자 자당과 혼합한 아가로즈 혼합물을 사용한다.

본 발명에서 상기 단계 1)은 마이크로니들 어레이 주형을 제작하는 단계를 의미한다.

구체적으로, 상기 단계 1)은 마이크로니들 어레이의 주형은 레이저 라이터기(Laser writer)를 이용하여 PDMS 재질의 주형판을 에칭하는 형태로 제작한다.

상기 공정을 수행함으로써, 주형판에 일정한 배열과 길이를 가지는 홈이 생기고 이 홈에 원료물질을 삽입하여 찍어내는 형식으로 제작할 수 있다. 상기 에칭은 사전에 미리 제작된 도면을 사용하며, 이 도면은 다양하게 디자인될 수 있다. 또한, 도면 디자인은 프로그램을 통해 니들의 개수, 배열간격을 조절할 수 있고 레이저의 파워를 조절함으로써 그 길이를 조절할 수 있다.

본 발명에서 상기 단계 2)는 마이크로니들 어레이 주형에 나노입자를 코팅하는 단계를 의미한다.

구체적으로, 상기 단계 2)는 마이크로니들 어레이 주형에 폴리스티렌(polystyrene) 또는 산화철(iron oxide) 나노입자를 주입한 후, 원심분리기로 코팅하여 수행한다.

상기 원심분리기는 2000rpm 이상의 속도로 수행한다. 또한, 원심분리기는 5분 동안 교반하여 수행한다. 이때 나노입자는 수용성 상태로 존재하여 마이크로니들 어레이 주형의 끝부분까지 들어가기 어려우므로 원심분리기에 의하여 나노입자가 주형의 구멍 끝부분까지 잘 들어갈 수 있게 한다(도 2, 5, 7).

본 발명에서 상기 단계 3)은 상기 나노입자가 코팅된 마이크로니들 어레이 주형에 생분해성 고분자를 주입하는 단계를 의미한다.

구체적으로, 상기 단계 3)은 나노입자가 코팅된 마이크로니들 주형에 CMC 또는 agarose 혼합물을 주입한 후 원심분리기로 삽입하여 수행한다.

상기 원심분리기는 2000rpm 이상의 속도로 수행한다. 또한, 원심분리기는 5분 동안 교반하여 수행한다. 이때 CMC 또는 agarose 혼합물은 반고체 상태이므로 마이크로니들 어레이 주형의 끝부분까지 들어가기 어려우므로 원심분리기에 의하여 CMC 또는 agarose 혼합물이 주형의 구멍 끝부분까지 잘 들어갈 수 있게 한다.

또한, 주형에 들어가 있는 마이크로니들 어레이는 아직 반고체 상태이므로 견고성이 떨어져 니들로서 역할을 하기 어렵다. 상기 agarose의 녹는점은 60℃이며, agarose 혼합액을 60℃ 이상에서 가열하면 마이크로니들 어레이가 다시 녹게되므로 60℃ 미만의 열을 지속적으로 가하여 딱딱한 고체 상태로 만들어 주어야 한다. 상기 CMC는 원료가 채워진 주형을 82℃ 이상의 온도에서 1시간 이상 가열하여 CMC가 건조되어 딱딱한 형태로 남게 한다. 이러한 공정을 수행함으로써 반고체 상태에서 고체 상태로 완전히 형태를 잡은 마이크로니들 어레이를 주형으로부터 쉽게 분리시킬 수 있고 분리 시 니들의 손상도 적게 된다.

본 발명에서 상기 단계 4)는 나노입자와 생분해성 고분자가 주입된 마이크로니들 어레이 주형으로부터 마이크로니들 어레이를 분리하는 단계를 의미한다.

구체적으로, 상기 단계 4)는 나노입자와 생분해성 고분자가 주입된 마이크로니들 어레이 주형을 건조하여 마이크로니들 어레이를 분리하여 나노입자가 코팅된 마이크로니들 어레이를 수득할 수 있다.

또한, 제작된 마이크로니들 어레이를 피부에 삽입시킬 경우 일정한 압력을 지속적으로 가해주어야 피부의 미세구멍에 압력이 가해져 나노입자의 전달이 용이해질 수 있다.

본 발명에 따른 마이크로니들 어레이는 저렴한 비용으로 친환경적이고 간단한 과정으로 제작할 수 있고, 생분해성 고분자를 이용하여 안정성이 높은 니들을 생산할 수 있다. 또한, 본 발명의 마이크로니들 어레이는 나노입자에 의약품이나, DNA, RNA, 단백질 같은 생물의약품 등 다양한 물질을 결합하여 생체 내에 원하는 부위에 안전하고 효과적으로 전달할 수 있다. 나아가, 본 발명의 마이크로니들 어레이는 나노입자를 코팅함으로써 기존의 나노입자 전달방식에 단점을 해결해 주고 국부적인 주입이 가능하기 때문에 의학이나 미용의 목적으로 넓게 이용될 수 있고, 피부에 투입될 경우 안정적으로 약물전달이 가능하기 때문에 화장품이나 의학 치료용 패치로도 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일제조예에 따른 완성된 주형의 측면도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 나노입자를 주형에 주입하는 방법을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 원료를 주형에 주입하는 방법을 나타낸 것이다.
도 4는 주형에 나노입자가 삽입된 평면도 광학 사진 및 형광 사진을 나타낸 것이다.
도 5(a), (b)는 형광염료가 결합된 나노입자의 주형 내면으로의 도입된 단면도 광학 사진 및 형광 사진을 나타낸 것이다.
도 6(a), (b)는 형광염료가 결합된 나노입자가 코팅된 마이크로니들 광학 사진 및 형광 사진을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 아가로즈 및 CMC에 당류를 첨가하여 만든 마이크로니들의 광학 사진을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 주형에 마이크로니들 어레이를 제거한 모습을 나타낸 것이다.
도 9(a), (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로니들 어레이의 SEM(Scanning Electon Microscope) 사진을 나타낸 것이다.
도 10(a), (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 돼지 피부에 적용하여 나노입자가 도입된 광학 사진 및 형광 사진을 나타낸 것이다.

이하，본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐，실시예에 의하여 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

제조예 : 마이크로니들 어레이 주형( mold ) 제조

주형은 Sylgard 184A와 DC 184A를 일정한 비율로 혼합하여 기포를 완전히 제거시킨 후 70℃ 오븐에 건조시켜 경화시켰다. 상기 경화된 주형을 레이저 라이터(PL-40K, Korea stamp, Korea)를 이용하여 표면에 에칭을 한 후 세척하여 마이크로니들 어레이 주형을 제작하였고, 완성된 주형의 측면도를 도 1에 나타내었다.

실시예 1 : 마이크로니들 어레이 주형에 폴리스티렌 또는 산화철 나노입자를 코팅하는 단계

상기 제조예에서 제조된 마이크로니들 어레이 주형에 붉은 색 형광을 가지는 rhodamine이 염색된 폴리스티렌 또는 산화철 나노입자를 원심분리기로 2000rpm 이상의 속도로 5분 동안 교반하여 코팅하였고, 상기 나노입자를 주형에 코팅하는 방법을 도 2에 나타내었다.

실시예 2 : 나노입자가 코팅된 마이크로니들 어레이 주형에 생분해성 고분자인 agarose 혼합물을 주입하는 단계

상기 실시예 1에서 제조된 폴리스티렌 또는 산화철 나노입자가 코팅된 마이크로니들 어레이에 자당(D(+)-sucrose)과 증류수의 비율을 70:100로 혼합하여 20~30℃에서 가열한 후 아가로즈를 넣고 다시 가열하여 제조된 아가로즈 혼합물을 원심분리기로 2000rpm 이상의 속도로 5분 동안 교반하여 주입하였고, 상기 아가로즈 혼합물을 주형에 코팅하는 방법을 도 3에 나타내었다.

실시예 3 : 나노입자가 코팅된 마이크로니들 어레이 주형에 생분해성 고분자인 CMC 를 주입하는 단계

상기 실시예 1에서 제조된 폴리스티렌 또는 산화철 나노입자가 코팅된 마이크로니들 어레이에 증류수와 혼합비율을 5%로 혼합한 CMC를 원심분리기로 2000rpm 이상의 속도로 5분 동안 교반하여 주입하였고, 상기 CMC를 주형에 코팅하는 방법을 도 3에 나타내었다.

실시예 4 : 나노입자와 생분해성 고분자인 agarose 혼합물이 주입된 마이크로니들 어레이 주형으로부터 마이크로니들 어레이를 분리하는 단계

상기 실시예 2에서 제조된 나노입자와 아가로즈 혼합물이 주입된 마이크로니들 어레이 주형을 60℃ 미만으로 가열하여 건조시킨 후 마이크로니들 어레이를 분리하여 나노입자가 코팅된 마이크로니들 어레이를 제조하였고, 얻어진 결과를 도 8에 나타내었다.

실시예 5 : 나노입자와 생분해성 고분자인 CMC 가 주입된 마이크로니들 어레이 주형으로부터 마이크로니들 어레이를 분리하는 단계

상기 실시예 3에서 제조된 나노입자와 CMC가 주입된 마이크로니들 어레이 주형을 82℃ 이상의 온도에서 1시간 이상 가열하여 건조시킨 후 마이크로니들 어레이를 분리하여 나노입자가 코팅된 마이크로니들 어레이를 제조하였고, 얻어진 결과를 도 8에 나타내었다.

실험예 1 : 형광현미경 분석

상기 실시예 2, 3, 4, 5에서 제조된 마이크로니들 어레이의 표면 형상 및 미세 구조를 알아보기 위해 형광현미경(fluorescence microscope)으로 분석하였고, 얻어진 결과를 도 4 내지 도 7 및 도 10에 나타내었다.

도 4는 주형에 나노입자가 삽입된 평면도 광학 사진 및 형광 사진이며, 도 5(a), (b)는 형광염료가 결합된 나노입자의 주형 내면으로의 도입된 단면도 광학 사진 및 형광 사진이며, 도 6(a), (b)는 형광염료가 결합된 나노입자가 코팅된 마이크로니들 광학 사진 및 형광 사진이다. 도 4 내지 도 6을 통하여, 나노입자가 마이크로니들의 끝부분과 표면에 잘 코팅된 것을 확인할 수 있었다. 도 7은 아가로즈 및 CMC에 당류를 첨가하여 만든 마이크로니들의 광학 사진으로, 원심분리기를 이용하여 아가로즈 및 CMC가 마이크로니들의 끝부분에 잘 삽입된 것을 확인할 수 있었고, 도 10(a), (b)는 돼지 피부에 적용하여 나노입자가 도입된 광학 사진 및 형광 사진으로, 나노입자가 돼지피부에 잘 전달된 것을 확인할 수 있었다.

실험예 2 : 주사전자현미경 분석

상기 실시예 4, 5에서 제조된 마이크로니들 어레이의 표면 형상 및 미세 구조를 알아보기 위해 주사전자현미경(Scanning electron microscopy; SEM)으로 분석하였고, 얻어진 결과를 도 9에 나타내었다.

도 9(a), (b)는 마이크로니들 어레이의 SEM 사진으로 마이크로니들 어레이 주형으로부터 마이크로니들 어레이가 잘 분리된 것을 확인할 수 있었다.

Claims (10)

1) PDMS 재질의 마이크로니들 어레이 주형을 제작하는 단계;
2) 상기 마이크로니들 어레이 주형에 나노입자를 주입한 후, 원심분리기로 마이크로니들 어레이 주형에 나노입자를 코팅하는 단계;
3) 상기 나노입자가 코팅된 마이크로니들 어레이 주형에 생분해성 고분자를 원심분리기로 주입하는 단계;
4) 상기 나노입자와 생분해성 고분자가 주입된 마이크로니들 어레이 주형으로부터 마이크로니들 어레이를 분리하는 단계를 포함하는 마이크로니들에 나노입자가 코팅된 마이크로니들 어레이의 제조방법.

제1항에 있어서, 상기 나노입자는 폴리스티렌(polystyrene) 또는 산화철(iron oxide)인 것을 특징으로 하는 마이크로니들 어레이의 제조방법.

제1항에 있어서, 상기 생분해성 고분자는 카르복시 메틸 셀룰로즈(Carboxy methyl cellulose) 또는 아가로즈(agarose) 혼합물인 것을 특징으로 하는 마이크로니들 어레이의 제조방법.

삭제

제1항에 있어서, 상기 단계 2)의 원심분리기는 2000rpm 이상의 속도인 것을 특징으로 하는 마이크로니들 어레이의 제조방법.

제1항에 있어서, 상기 단계 2)의 원심분리기는 5분 동안 교반하는 것을 특징으로 하는 마이크로니들 어레이의 제조방법.

삭제

제1항에 있어서, 상기 단계 3)의 원심분리기는 2000rpm 이상의 속도인 것을 특징으로 하는 마이크로니들 어레이의 제조방법.

제1항에 있어서, 상기 단계 3)의 원심분리기는 5분 동안 교반하는 것을 특징으로 하는 마이크로니들 어레이의 제조방법.

제1항에 있어서, 상기 단계 4)는 나노입자와 생분해성 고분자가 주입된 마이크로니들 어레이 주형을 건조하여 마이크로니들 어레이를 분리하는 것을 특징으로 하는 마이크로니들 어레이의 제조방법.

Images