KR20070102666A

KR20070102666A - Method and apparatus for forming microstructures

Info

Publication number: KR20070102666A
Application number: KR1020077012847A
Authority: KR
Inventors: 치 옌 림; 유안 슈; 흐바예브 카이스; 유안 링 크리스티나 탄
Original assignee: 에이전시 포 사이언스, 테크놀로지 앤드 리서치
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2004-11-26
Publication date: 2007-10-19

Abstract

A method of micro forming an array of microstructures comprising: advancing a punch having an array of protrusions (620) towards a sheet of material (640) disposed between the punch (620) and a die (630), each protrusion (625) shaped to deform the sheet of material (640) into a corresponding microstructure; providing a holder for holding the sheet of material (640) in place; and punching the sheet of material (640) with the protrusions on the punch (620) to form the array of microstructures on the sheet of material(640).

Description

미세구조체를 성형하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR FORMING MICROSTRUCTURES}METHOD AND APPARATUS FOR FORMING MICROSTRUCTURES}

본 발명은 미세구조체의 어레이를 미세성형(microforming)하는 방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method and apparatus for microforming an array of microstructures.

가령, 마이크로니들(microneedle) 같은 미세구조체는 다수의 상이한 기술분야에서 사용되고 있다. 예를 들면, 피하 주사 및 경구 투여는, 그들의 신속성, 유효성 및 직진성으로 인해서, 인간의 신체에 약제를 투여하기 위해 가장 일반적으로 실시된다. 이들 방법의 일부 단점은 초기 급상승 농도, 피하주사로 인한 외상, 소화관에서의 약제의 손상, 또는 약제가 경구적으로 투여될 때 목표 기관외 다른 신체의 일부에서 일어나는 합병증을 포함한다. 한편, 경피 약제 전달, 대안적인 피하 주사 또는 정맥내 주사는 인간의 신체에 약제를 투여하기 위한 무통 수단이다. 이 대안적인 약제 전달 수단은 약제가 소화관 내에서 부서지거나 간에 의해 즉시 흡수되는 것을 방지한다. 종래의 경피 약제 전달용 제품은 대개 환자의 이동성을 제한함이 없이, 장기간의 약제 전달을 위해서 인간의 신체에 부착할 수 있는 패치 형태로 만들어진다. 이들 제품은 대개 불침투성의 이형지와 약제 전달의 정상 상태 속도를 조절하는 박막의 표면 사이에 개재된 약제 저장소를 갖는다. 기존의 경피 약 제 전달에 대한 일부 용도로는 운동 멀미 방지용 스코폴라민, 금연을 돕는 니코틴 패치, 관상동맥 협심증 치료용 니트로글리세린 및 호르몬 보충용 에스트로겐이 있다. For example, microstructures such as microneedles are used in many different technical fields. For example, subcutaneous injection and oral administration are most commonly performed for administering a medicament to the human body because of their promptness, effectiveness and straightness. Some disadvantages of these methods include initial spike concentrations, trauma due to subcutaneous injection, damage to the drug in the digestive tract, or complications that occur in parts of the body other than the target organ when the drug is administered orally. On the other hand, transdermal drug delivery, alternative subcutaneous injections or intravenous injections are painless means for administering the drug to the human body. This alternative drug delivery means prevents the drug from breaking down in the digestive tract or immediately absorbed by the liver. Conventional transdermal drug delivery products are usually made in the form of patches that can be attached to the human body for long term drug delivery without restricting the mobility of the patient. These products usually have a drug reservoir interposed between the impermeable release paper and the surface of the membrane that controls the steady state rate of drug delivery. Some uses for conventional transdermal drug delivery include scopolamine to prevent motion sickness, nicotine patches to help quit smoking, nitroglycerin for the treatment of coronary angina and estrogen for hormone replacement.

경피 약제 전달계는 능동 운반계 및 수동 확산계로 대별할 수 있다. 능동 전달계는 피부 보호제를 가로질러 인간의 신체 내로의 약제의 전이 증가를 위한 전리요법, 전기 천공법, 초음파 같은 외적인 방법을 혼용한다. 이들 방법은 약제의 흡수를 향상시키기 위해, 전기적 수단이나 고주파 전기 펄스의 적용, 또는 피부로의 음파에 의한 약물의 확산을 증대시킨다. 상술한 방법을 실행하기 위한 통상적인 디바이스는 높은 장비 및 운전 코스트와 휴대형 전기장비를 제공하기 위해 수반되는 불편함으로 인해서 상업적으로 성공하지는 못하였다. Transdermal drug delivery systems can be broadly classified into active delivery systems and passive diffusion systems. The active delivery system combines external methods such as ionization, electroporation, and ultrasound to increase the transfer of the drug into the human body across the skin protectant. These methods increase the diffusion of the drug by the application of electrical means, high frequency electric pulses, or sound waves into the skin to improve absorption of the drug. Conventional devices for implementing the methods described above have not been commercially successful due to the high equipment and operating costs and the inconveniences involved in providing portable electrical equipment.

상술한 경피 부착포는 그의 기능이 피부 내로 및 피부를 통한 화학 약품의 확산을 토대로 하며 피부의 공극률, 약제 분자의 크기 및 극성, 각질층(사람 피부의 최외층)에 걸친 농도 구배 등과 같은 파라미터에 따라 달라진다. 일반적으로, 종래의 경피 패치는 피부를 통한 패치로부터의 약제 확산속도가 낮은 단점이 있다. The above-described transdermal adhesive cloth has its function based on the diffusion of chemicals into and through the skin and depends on parameters such as the porosity of the skin, the size and polarity of the drug molecules, the concentration gradient across the stratum corneum (outermost layer of human skin), Different. In general, conventional transdermal patches have a low rate of drug diffusion from the patch through the skin.

확산속도를 높이는 하나의 방법으로는 피부(각질층)의 파괴에 의해 확산벽을 무너뜨리는 것이 있다. 이것은 가령, 마이크로니들 어레이 같은 중실 또는 중공의 날카로운 돌기를 이용하여, 피부를 긁거나 직접 천공하여 실행할 수 있다. 이것은 경피 약제 전달에서 일반적으로 직면하는 낮은 확산 문제를 해결하거나 개선하기 위한 효과적이면서 저렴한 방법이다. One way to increase the diffusion rate is to break down the diffusion wall by breaking down the skin (stratum corneum). This can be done, for example, by scratching or direct puncturing the skin using solid or hollow sharp protrusions such as microneedle arrays. This is an effective and inexpensive way to solve or ameliorate the low diffusion problems commonly encountered in transdermal drug delivery.

마이크로니들 어레이를 생산하기 위한 종래의 방법은, 가령 금속 증착 및 사 출성형과 관련하여 실리콘 기판을 사용하는 단계를 포함한다. 그러한 방법은 높은 제조 코스트 및 시간을 수반하며 대량생산에는 부적합하다.Conventional methods for producing microneedle arrays include using silicon substrates in connection with, for example, metal deposition and injection molding. Such methods involve high manufacturing costs and time and are inadequate for mass production.

본 발명의 일 측면에 따르면, 미세구조체의 어레이를 미세성형하는 방법이 제공되며, 이 방법은 돌기의 어레이를 갖는 펀치를, 이 펀치와 다이 사이에 배치된 소재의 시트 쪽으로 전진시키는 단계; 소재의 시트를 적소에 유지하기 위한 홀더를 제공하는 단계; 및 펀치 상의 돌기로 소재의 시트를 천공하여 소재의 시트 상에 미세구조체의 어레이를 성형하는 단계를 포함하되, 각 돌기는 소재의 시트가 대응하는 미세구조체로 변형되도록 하는 형태로 되어 있다. According to one aspect of the invention, there is provided a method of microforming an array of microstructures, the method comprising: advancing a punch having an array of protrusions toward a sheet of material disposed between the punch and the die; Providing a holder for holding the sheet of material in place; And forming an array of microstructures on the sheet of material by perforating the sheet of material with a projection on the punch, wherein each projection is in a form such that the sheet of material is deformed into a corresponding microstructure.

상기 미세구조체는 마이크로니들일 수 있다. The microstructure may be a microneedle.

이 방법은 미세성형 동안에 각각의 미세구조체 영역에서 소재의 시트 상에 실질적으로 일정한 반작용 서포트를 제공하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. The method may further comprise providing a substantially constant reaction support on the sheet of material in each microstructure region during microforming.

상기 실질적으로 일정한 반작용 서포트는 다이에 의해 제공될 수 있다. The substantially constant reaction support may be provided by a die.

상기 다이는 변형가능한 다이일 수 있다. The die may be a deformable die.

상기 펀치의 종횡비는 소재 시트의 주어진 두께에 대해, 미세구조체의 성형 동안에 소재의 시트에서 평면 응력이 감소되거나 회피되도록 선택할 수 있다. The aspect ratio of the punch may be chosen such that for a given thickness of the sheet of material, the planar stress in the sheet of material is reduced or avoided during molding of the microstructures.

각 미세구조체는 중실 팁(solid tip)으로 성형될 수 있다. Each microstructure can be molded into a solid tip.

각 미세구조체는 그의 팁에 구멍이 성형될 수 있다. Each microstructure may be shaped with a hole in its tip.

상기 펀치의 각 돌기의 팁의 곡률은 소재 시트의 주어진 두께에 대해서, 미세성형의 초기 단계에서 구멍 또는 균열이 생성되도록 선택할 수 있으며, 상기 구멍 또는 균열은 이후 미세성형 동안에 팽창되어 각 미세구조체의 팁에 개구를 만든다. The curvature of the tip of each protrusion of the punch can be chosen such that holes or cracks are created in the initial stages of microforming, for a given thickness of the sheet of material, and the holes or cracks are then inflated during microforming to tip each microstructure. Make an opening in

상기 변형가능한 다이는 변형 후에 부분적으로 또는 실질적으로 복원되는 소재로 제조할 수 있다. The deformable die may be made of a material that is partially or substantially restored after deformation.

상기 소재는 반결정성 중합체 물질을 포함할 수 있다. The material may comprise a semicrystalline polymeric material.

상기 변형가능한 다이는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리프로필렌(PP), 테플론(폴리테트라 플루오로에틸렌, PTFE) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 이루어진 군으로부터 선택된 소재로 제조할 수 있다. The deformable die may be made of a material selected from the group consisting of high density polyethylene (HDPE), polypropylene (PP), Teflon (polytetra fluoroethylene, PTFE) and polyethylene terephthalate (PET).

상기 방법은 펀치에 고체 윤활제를 도포하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. The method may further comprise applying a solid lubricant to the punch.

고체 윤활제는 테라헤드럴-비정질 탄소(terahedral-amorphous carbon, Ta-C) 코팅을 포함할 수 있다. Solid lubricants may include terahedral-amorphous carbon (Ta-C) coatings.

상기 방법은 미세구조체의 경화를 위해서 각각의 미세구조체의 내부면을 코팅하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. The method may further comprise coating an inner surface of each microstructure for curing the microstructure.

상기 코팅 단계는 전기도금 공정을 포함할 수 있다. The coating step may include an electroplating process.

상기 전기도금공정은 니켈 도금을 포함할 수 있다. The electroplating process may include nickel plating.

상기 소재의 시트는 스틸, 알루미늄 1100 및 구리(99%)로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 소재일 수 있다. The sheet of material may be a metal material selected from the group consisting of steel, aluminum 1100 and copper (99%).

본 발명의 제 2측면에 따르면, 미세구조체의 어레이를 미세성형하는 장치가 제공되며, 이 장치는 돌기의 어레이를 갖는 펀치; 다이; 및 미세성형 동안 적소에서 소재의 시트를 유지하기 위한 홀더를 포함하고, 각 돌기는 소재의 시트가 대응하는 미세구조체로 변형되도록 하는 형태로 되며, 상기 소재의 시트는 돌기의 어레이로 펀칭되어 미세구조체의 어레이를 성형한다. According to a second aspect of the invention, there is provided an apparatus for microforming an array of microstructures, the apparatus comprising: a punch having an array of protrusions; die; And a holder for holding the sheet of material in place during microforming, each projection being shaped such that the sheet of material is deformed into a corresponding microstructure, the sheet of material being punched into an array of projections Mold the array.

미세성형 동안에 각각의 미세구조체 영역에서 소재의 시트에 실질적으로 일정한 반작용 서포트가 제공될 수 있다. Substantially constant reaction support may be provided to the sheet of material in each microstructure region during microforming.

각 미세구조체는 중실 팁으로 성형될 수 있다. Each microstructure can be molded into a solid tip.

이 소재는 반결정성 중합체 물질을 포함할 수 있다. This material may comprise a semicrystalline polymeric material.

상기 펀치에는 고체 윤활제를 도포할 수 있다. The punch may be applied with a solid lubricant.

상기 고체 윤활제는 테라헤드럴-비정질 탄소(terahedral-amorphous carbon, Ta-C) 코팅을 포함할 수 있다. The solid lubricant may comprise a terahedral-amorphous carbon (Ta-C) coating.

상기 장치는 미세구조체의 경화를 위해서 각각의 미세구조체의 내부면을 코팅하는 수단을 추가로 포함할 수 있다. The apparatus may further comprise means for coating the inner surface of each microstructure for curing of the microstructure.

상기 코팅은 전기도금 공정을 포함할 수 있다. The coating may comprise an electroplating process.

도 1(a)는 일 실시예에 따른 마이크로니들을 성형하는 장치의 분해 사시도;1 (a) is an exploded perspective view of an apparatus for forming a microneedle according to one embodiment;

도 1(b)는 도 1(a)에 도시한 장치의 사시도;1 (b) is a perspective view of the device shown in FIG. 1 (a);

도 2(a)는 다른 실시예에 따라서 밀링에 의해 제조되는 펀치를 나타낸 도면;2 (a) shows a punch made by milling according to another embodiment;

도 2(b)는 도 2(a)에 있어서의 다수의 펀치를 나타낸 도면; FIG. 2 (b) shows a number of punches in FIG. 2 (a);

도 2(c)는 다른 실시예에 따라 EDM에 의해 제조되는 펀치를 나타낸 도면;2 (c) shows a punch made by an EDM according to another embodiment;

도 2(d)는 다른 실시예에 따라 정밀 와이어컷팅에 의해서 제조되는 6×6 펀치의 입체도;FIG. 2 (d) is a stereoscopic view of a 6 × 6 punch made by precision wire cutting according to another embodiment; FIG.

도 2(e)는 도 2(d)에 있어서의 펀치 어레이의 측면도; FIG. 2 (e) is a side view of the punch array in FIG. 2d;

도 (3a) 내지 도 3(e)는 다른 실시예에 따른 미세성형에 의해 마이크로니들 을 제조하는 공정 흐름의 개략도; 3A-3E are schematic views of a process flow for making microneedle by microforming according to another embodiment;

도 4는 다른 실시예에 따른 약 1.2의 종횡비를 갖는 마이크로니들의 주사형 전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 사진;4 is a Scanning Electron Microscope (SEM) micrograph of microneedle having an aspect ratio of about 1.2 according to another embodiment;

도 5는 다른 실시예에 따른 마이크로니들의 SEM 사진;5 is a SEM picture of the microneedle according to another embodiment;

도 6(a) 내지 도 6(e)는 다른 실시예에 따라서 미세성형에 의해 마이크로니들을 제조하는 공정 흐름의 개략도;6 (a) to 6 (e) are schematic diagrams of a process flow for manufacturing microneedle by microforming according to another embodiment;

도 7(a) 내지 도 7(e)는 다른 실시예에 따라서 미세성형에 의해 마이크로니들을 제조하는 공정 흐름의 개략도;7 (a) to 7 (e) are schematic diagrams of a process flow for manufacturing microneedle by microforming according to another embodiment;

도 8(a)는 다른 실시예에 따른 마이크로니들의 SEM 사진;8 (a) is a SEM picture of a microneedle according to another embodiment;

도 8(b)는 도 8(a)에 있어서의 마이크로니들의 확대 사진;Fig. 8B is an enlarged photograph of the microneedle in Fig. 8A;

도 9(a)는 다른 실시예에 따라서 성형한 마이크로니들의 어레이를 나타내는 사진;9 (a) is a photograph showing an array of microneedles formed according to another embodiment;

도 9(b)는 다른 실시예에 따라서 성형한 마이크로니들의 어레이를 나타내는 사진;9 (b) is a photograph showing an array of microneedles formed in accordance with another embodiment;

도 10(a) 및 도 10(b)는 각각 다른 실시예에 따른 마이크로니들의 사시도 및 단면도를 나타내는 사진;10 (a) and 10 (b) are photographs showing a perspective view and a cross-sectional view of the microneedle, respectively, according to another embodiment;

도 11(a) 및 도 11(b)는 각각 다른 실시예에 따른 마이크로니들의 사시도 및 단면도;11 (a) and 11 (b) are respectively a perspective view and a cross-sectional view of a microneedle according to another embodiment;

도 12(a) 및 도 12(b)는 각각 다른 실시예에 따른 마이크로니들의 사시도 및 단면도;12 (a) and 12 (b) are respectively a perspective view and a cross sectional view of a microneedle according to another embodiment;

도 13(a) 및 도 13(b)는 각각 다른 실시예에 따른 마이크로니들 어레이의 평면도 및 등각도의 사진;13 (a) and 13 (b) are photographs of a plan view and an isometric view, respectively, of a microneedle array according to another embodiment;

도 14(a) 및 도 14(b)는 1 내지 1.5 범위의 종횡비를 갖는 와이어컷팅 펀치 어레이에 의해서 성형된 마이크로니들 어레이의 예를 나타낸 도면;14 (a) and 14 (b) illustrate examples of microneedle arrays formed by wire cutting punch arrays having aspect ratios ranging from 1 to 1.5;

도 15(a) 내지 도 15(c)는 각각 다른 실시예에 따른 전체 마이크로니들, 마이크로니들의 바닥부 및 마이크로니들의 팁(정점)의 단면을 나타내는 SEM 사진;15 (a) to 15 (c) are SEM photographs showing cross sections of the entire microneedle, the bottom of the microneedle and the tip (peak) of the microneedle, respectively, according to another embodiment;

도 16(a)는 다른 실시예에 따른 마이크로니들의 단면에 대한 SEM 사진;Figure 16 (a) is a SEM picture of the cross section of the microneedle according to another embodiment;

도 16(b)는 다른 실시예에 따른 마이크로니들의 단면에 대한 SEM 사진;Figure 16 (b) is a SEM picture of the cross section of the microneedle according to another embodiment;

도 17(a) 내지 도 17(c)는 알루미늄 시트의 상이한 두께 및 펀치 기하학적 형상을 이용하여 제조한 중공 마이크로니들의 예를 나타내는 SEM 사진;17 (a) to 17 (c) are SEM photographs showing examples of hollow microneedles fabricated using different thicknesses and punch geometries of aluminum sheets;

도 17(d)는 다른 실시예에 따른 도 17(c)에 도시한 중공 마이크로니들의 등각도;17 (d) is an isometric view of the hollow microneedle shown in FIG. 17 (c) according to another embodiment;

도 18(a) 내지 도 18(d)는 다른 실시예에 따라서 마이크로니들을 제조하는 공정을 나타내는 개략도;18 (a) to 18 (d) are schematic diagrams illustrating a process of manufacturing microneedles according to another embodiment;

도 19(a)는 도 18(a) 내지 도 18(d)의 실시예에 따라서 성형한 마이크로니들 어레이를 나타낸 도면;FIG. 19A shows a microneedle array molded according to the embodiment of FIGS. 18A-18D;

도 20(a) 내지 도 20(c)는 각각 미세성형에 의해 제조한 3개의 실패(failure) 모드, 즉 캡 모드, 왕관 모드 및 분화구 모드를 나타낸 도면;20 (a) to 20 (c) show three failure modes, namely cap mode, crown mode and crater mode, each produced by microforming;

본 발명의 실시예는 첨부 도면을 참조하여 단지 예로서 주어지는 다음의 실 시예로부터 당업자라면 보다 쉽게 이해할 수 있을 것이며 용이하게 명백해질 것이다.Embodiments of the present invention will be more readily understood and readily apparent to those skilled in the art from the following examples given by way of example only with reference to the accompanying drawings.

일반적으로, 기술한 실시예는 미세성형을 이용하여, 가령 마이크로니들 같은 미세구조체를 제조하는 것에 관한 것이다. 마이크로니들은 어레이의 형태일 수 있으며, 약제를 살아 있는 유기체에 투여하거나 살아 있는 유기체로부터 체액을 추출하기 위해 경피 약제 전달계에서 사용할 수 있다. Generally, the described embodiments relate to the production of microstructures, such as microneedles, using micromolding. The microneedle may be in the form of an array and may be used in a transdermal drug delivery system to administer the drug to a living organism or to extract body fluids from a living organism.

미세성형은 1㎜ 이내의 범위 내에서 적어도 2차원으로, 금속 성형에 의해 부품이나 구조체를 제조하는 것으로 정의될 수 있다. 일반적으로, 미세성형은 통상적인 금속 성형공정의 규모축소로 볼 수 있으며, 둘다 4개의 주요 구성품, 즉 관련 소재, 사용 공구, 실행 공정 및 사용 기계로 특징지을 수 있다. 관련 소재는 중요한 인자이다. 통상적인 금속 성형의 규모축소와 관련한 관련 소재의 문제는 자체 소형화와 밀접하게 결부되어 있다: (a)미세구조체는 가령, 공정의 규모에 영향을 받지 않으며; (b)표면의 지형학은 변하지 않는다. 이들 인자는 입자 사이즈나, 소형화에 의한 표면의 변화 같이, 부품의 치수 대 미세구조체의 파라미터의 비인 소위 사이즈 효과를 가져온다. 이들 인자는 모두 미세성형 분야에서 통상적인 금속성형 공정에 대한 노하우의 적용을 막거나 방해한다. Microforming may be defined as manufacturing a part or structure by metal forming, in at least two dimensions, within a range of less than 1 mm. In general, microforming can be seen as a scale-down of conventional metal forming processes, both characterized by four major components: associated materials, tools used, implementation processes and machines used. Related material is an important factor. The problem of related materials related to the scaling down of conventional metal forming is closely related to the miniaturization itself: (a) the microstructures are not influenced by, for example, the scale of the process; (b) The topography of the surface does not change. These factors bring about the so-called size effect, which is the ratio of the dimensions of the part to the parameters of the microstructure, such as the change in particle size or the surface caused by miniaturization. All of these factors prevent or hinder the application of know-how to metal forming processes common in the field of microforming.

미세성형의 기술적인 의미는 유동 응력, 수직 평균 이방성 및 연성이 감소되어, 성형성의 한계를 점차 감소시키는 데 있다. 또한 연구를 통해서 오일을 갖는 윤활제의 경우에 소형화로 인해 마찰이 증가되는 것을 보였으며, 마찰은 건조 성형의 경우, 사이즈에 영향을 받지 않는다. The technical meaning of microforming is to reduce flow stress, vertical average anisotropy and ductility, thereby gradually reducing the limit of formability. In addition, studies have shown that the friction increases due to miniaturization in the case of lubricants with oil, and the friction is not affected by the size in the case of dry molding.

미세성형을 위해 사용한 장치(10)의 실시예가 도 1(a) 및 도 1(b)에 도시되어 있다. 도 1(a)는 장치(10)의 분해 사시도를 나타낸다. 장치(10)는 펀치(20), 홀더(30) 및 다이(40)를 포함한다. 이 실시예에 있어서, 펀치(20), 홀더(30) 및 다이(40)는 원통형이다. 그러나, 이들은 임의의 다른 형상을 가질 수 있음을 이해해야 한다. 도 1(b)는 펀치(20), 홀더(30) 및 다이(40)가 함께 조립되었을 때의 장치(10)의 사시도의 단면을 나타낸다. 장치(10)는 가령, 압인기나 심지어 손과 같은 다양한 수단에 의해서 작동될 수 있다. 또한, 보다 정밀한 방식으로 제조 절차를 실행하기 위해서 장치(10)의 작동에 서보 프레스기를 이용할 수 있다. 서보 프레스기의 작동 범위의 예로는 펀치 하중에 대해 5N 내지 500N 및 펀치 속도에 대해 0.1㎜/s 내지 35㎜/s 일 수 있다. 펀치 하중 및 펀치 속도는 원하는 마이크로니들의 사이즈와 관련해서 증가될 수 있다. An embodiment of the apparatus 10 used for microforming is shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b). 1 (a) shows an exploded perspective view of the device 10. The apparatus 10 includes a punch 20, a holder 30 and a die 40. In this embodiment, the punch 20, holder 30 and die 40 are cylindrical. However, it should be understood that they may have any other shape. FIG. 1B shows a cross-sectional view of a perspective view of the apparatus 10 when the punch 20, the holder 30, and the die 40 are assembled together. The device 10 can be operated by various means such as, for example, a stamper or even a hand. In addition, a servo press can be used to operate the apparatus 10 to execute the manufacturing procedure in a more precise manner. Examples of the operating range of the servo press can be from 5N to 500N for punch load and 0.1mm / s to 35mm / s for punch speed. Punch load and punch speed can be increased in relation to the size of the desired microneedle.

펀치(20)와 다이(30)는 가령, 밀링, 방전 가공(electro-discharge machining, EDM), 또는 정밀 와이어컷팅 같은 다양한 방법으로 제조할 수 있다. 다이(30)는 가령, 와이어컷팅에 의해서 다이 내에 관통 구멍을 형성할 수 있다. 한편, 다이 내에 관통 구멍이 없어도 되는 경우는, EDM으로 다이를 제조할 수 있다. Punch 20 and die 30 may be manufactured by a variety of methods such as, for example, milling, electro-discharge machining (EDM), or precision wirecutting. The die 30 may form through holes in the die, for example by wire cutting. On the other hand, when there is no need for a through hole in the die, the die can be manufactured by EDM.

도 2(a)는 다른 실시예에 따라 밀링에 의해 제조된 원추형상 돌기(225)를 갖는 펀치(220)를 나타낸다. 펀치(200)의 표면 다듬질은 일관된 결과를 얻는데 충분한 것을 알 수 있었으며, 이는 전형적으로 마이크로니들(또는 미세구조체)의 성형 후에 펀치의 수축에 크게 영향을 받는다. 예를 들면, 통상적인 CNC 밀링 다듬질로 얻어진 표면 거칠기(표면 다듬질)는 가령, 약 500 마이크론 이상의 보다 큰 치수를 갖는 최상의 용도를 만족시킨다. 가령, 약 100 마이크론 이하인 구조체를 성형하기 위해서, 요구되는 평균 표면 거칠기는 약 0.1 마이크론 이하임을 알 수 있다. 또한, 고체 윤활제가 사용되면, 표면 거칠기의 요건은 약 0.5 내지 0.1까지 완화될 수 있다. 펀치(220)의 어레이는 도 2(b)에 도시한 바와 같이, 펀치 홀더(230)에 펀치(220)를 장착하기 전에 따로따로, 각각의 펀치(220)를 밀링 및 트리밍 가공하여 얻을 수 있다. 이 실시예에 있어서, 펀치 홀더(230)에는 4개의 펀치(220)가 장착되어 2×2 펀치 어레이(220)를 형성한다. 도 2(c)는 다른 실시예에 따라서, EDM에 의해 제조한 펀치(250)를 나타낸다. EDM으로 제조한 펀치(250)의 표면 다듬질은 밀링이나 정밀 와이어컷팅과 비교하여 적절하였음을 알 수 있었다. 2 (a) shows a punch 220 having a conical protrusion 225 produced by milling according to another embodiment. It has been found that the surface finish of the punch 200 is sufficient to achieve consistent results, which is typically greatly affected by the shrinkage of the punch after the formation of the microneedle (or microstructure). For example, the surface roughness (surface finish) obtained with conventional CNC milling finishes satisfies best applications with larger dimensions, eg, greater than about 500 microns. For example, to form a structure that is about 100 microns or less, it can be seen that the average surface roughness required is about 0.1 microns or less. In addition, if a solid lubricant is used, the requirement of surface roughness may be relaxed by about 0.5 to 0.1. An array of punches 220 can be obtained by milling and trimming each punch 220 separately before mounting the punch 220 to the punch holder 230, as shown in FIG. 2 (b). . In this embodiment, the punch holder 230 is equipped with four punches 220 to form a 2 × 2 punch array 220. 2C shows a punch 250 manufactured by EDM, according to another embodiment. It was found that the surface finish of the punch 250 made of EDM was appropriate compared to milling or precision wire cutting.

도 2(d) 및 도 2(e)는 각각 다른 실시예에 따라서, 정밀 와이어컷팅에 의해 제조한 6×6 펀치 어레이(260)의 입체도 및 측면도를 나타낸다. 펀치(265)는 3번의 컷팅 통과로 제조되며, 각 펀치(265)의 바닥 및 높이의 대략적인 크기는 각각 0.25㎜ 및 0.75㎜이다. 와이어컷팅 공정은 펀치(265)의 바닥 및, 따라서 사용한 와이어의 반경으로 인한 마이크로니들의 바닥(도 2(a) 내지 도 2(e)에는 도시하지 않음)에 대해서 고유의 유한 곡률을 제공한다. 그럼에도 불구하고, 니들의 외측 바닥에서 이들 반경은, 도 2(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 날카로운 모서리를 없앰으로써 펀치의 구조를 보강한다. 본 실시예에 있어서, 펀치(및 따라서 다이)는 테이퍼진 벽을 지녀, 미세성형 동안 펀치의 후퇴를 허용한다. 또한, 성형에 따라서 블랭킹이나 천공 공정이 수행됨에 따라서, 소재를 펀치의 형상으로 소성 변형시켜 일치되도록 하기 위해서 펀치 벽을 어느 정도의 테이퍼로 만들 필요가 있다. 2 (d) and 2 (e) show stereo and side views, respectively, of a 6 × 6 punch array 260 manufactured by precision wire cutting, according to another embodiment. Punch 265 is made in three cutting passes, and the approximate size of the bottom and height of each punch 265 is 0.25 mm and 0.75 mm, respectively. The wirecutting process provides inherent finite curvature for the bottom of the punch 265 and thus the bottom of the microneedle due to the radius of the used wire (not shown in FIGS. 2 (a) to 2 (e)). Nevertheless, these radii at the outer bottom of the needle reinforce the structure of the punch by eliminating sharp edges, as can be seen in Figure 2 (b). In this embodiment, the punch (and thus the die) has a tapered wall, allowing the punch to retract during microforming. In addition, as the blanking or the drilling process is performed in accordance with the molding, it is necessary to taper the punch wall to some extent in order to plastically deform the material into the shape of the punch so as to match.

상술한 실시예에 있어서, 펀치는 실질적으로 원형 단면을 갖는다. 그러나, 용도에 따라서는 가령, 삼각형, 직사각형 또는 팔각형 등의 다양한 형상도 가능하다. In the embodiment described above, the punch has a substantially circular cross section. However, depending on the application, various shapes such as triangles, rectangles, or octagons are possible.

도 3(a) 내지 도 3(e)는 다른 실시예에 따라서, 미세성형에 의해 마이크로니들을 제조하는 공정 흐름의 개략도이다. 금속시트(340)는 펀치 어레이(320)와 고정 다이(330) 사이에 배치된다. 홀더(310)는 금속 시트(340)의 상부에 놓여져서 미세성형 공정 동안에 금속시트(340)의 이동을 막고 금속시트(340)의 주름을 방지한다. 금속 시트(340)를 추가적으로 구속하여 감김 및 주름을 방지하기 위해서, 고정 다이(330)에 대한 금속시트(340)의 추가적인 클랭핑(도시 생략)이 필요할 수도 있다. 금속시트(340)는 스틸 304, 알루미늄 1100 및 구리(99%)와 같은 금속 소재로 제조할 수 있다. 금속 시트(340)는, 이 금속 시트(340)의 최단 길이가 다이(330) 직경의 대략 5배를 초과하는 방식으로 작용 영역(다이(330)의 직경)을 충분히 덮거나 감싸야 한다. 3 (a) to 3 (e) are schematic diagrams of a process flow for manufacturing microneedle by microforming, according to another embodiment. The metal sheet 340 is disposed between the punch array 320 and the fixed die 330. The holder 310 is placed on top of the metal sheet 340 to prevent movement of the metal sheet 340 and prevent wrinkles of the metal sheet 340 during the microforming process. Additional clamping (not shown) of the metal sheet 340 relative to the stationary die 330 may be required to further constrain the metal sheet 340 to prevent winding and wrinkling. The metal sheet 340 may be made of a metal material such as steel 304, aluminum 1100, and copper (99%). The metal sheet 340 should sufficiently cover or wrap the working area (diameter of the die 330) in such a way that the shortest length of the metal sheet 340 exceeds approximately five times the diameter of the die 330.

타격기(ram)(350)는 도 3(b)에 도시한 바와 같이, 적절한 속도로 펀치 어레이를 하강시키고, 이어서 금속 시트(340) 상에 마이크로니들(345)의 어레이를 성형하도록 설정된다. 이 실시예에 있어서, 펀치(320)는 원추형 돌기(325)의 어레이를 가지며, 다이(330)는 펀치(320) 상의 원추형상 돌기(325)와 대응하는 음각(negative) 패턴을 갖는다. 성형된 마이크로니들(345)의 기하학적 형상은 펀치(320)와 다이(330)의 기하학적 형상과 대응한다. 금속 시트(340) 상에 마이크로니들(345)을 성형한 후에, 펀치(320)는 타격기(350)에 의해 후퇴한다. 성형된 마 이크로니들(345)의 어레이를 갖는 금속 시트(340)가 다이 상에 남아 있도록, 펀치(320)는 도 3(c)에 도시한 바와 같이 후퇴할 수 있다. 도 3(d)에 도시한 바와 같이, 홀더(310) 및 마이크로니들(345)의 성형된 어레이를 갖는 금속 시트(340)가 펀치(320) 상에 유지되도록 해서 펀치(320)를 후퇴시킬 수도 있다. 결국, 성형된 마이크로니들(345)은 장치의 설계 및 변동요인에 따라서 펀치 어레이(320) 또는 고정 다이(330)로부터 분리할 수 있다(도 3(e)). 보다 큰 마이크로니들 어레이에 대해서는 보다 큰 펀치 하중이 필요할 수 있음을 주목해야 한다. 펀치 하중의 증가는, 성형되는 마이크로니들 어레이 내의 마이크로니들의 수에 거의 비례한다. A ram 350 is set to lower the punch array at an appropriate speed, as shown in FIG. 3 (b), and then to mold the array of microneedles 345 on the metal sheet 340. In this embodiment, the punch 320 has an array of conical projections 325 and the die 330 has a negative pattern corresponding to the conical projections 325 on the punch 320. The geometry of the molded microneedle 345 corresponds to the geometry of the punch 320 and the die 330. After forming the microneedle 345 on the metal sheet 340, the punch 320 is retracted by the striking machine 350. The punch 320 can be retracted as shown in FIG. 3C so that the metal sheet 340 with the array of shaped microneedles 345 remains on the die. As shown in FIG. 3 (d), the metal sheet 340 having a shaped array of holders 310 and microneedles 345 may be held on the punch 320 to retract the punch 320. have. As a result, the molded microneedles 345 may be separated from the punch array 320 or the stationary die 330, depending on the design and variation of the device (FIG. 3 (e)). Note that larger punch loads may be required for larger microneedle arrays. The increase in punch load is almost proportional to the number of microneedles in the microneedle array being formed.

후퇴 행정 동안에 성형된 마이크로니들(345)이 손상될 수 있으므로 펀치의 후퇴에 있어서 마찰은 중요한 역할을 한다. 펀치의 후퇴에 의해서 마이크로 니들이 손상되는 것을 방지하기 위해서, 펀치에 윤활제 코팅을 도포할 수 있다(도시 생략). Friction plays an important role in the retraction of the punch as the molded microneedles 345 may be damaged during the retraction stroke. In order to prevent the microneedles from being damaged by the retraction of the punch, a lubricant coating may be applied to the punch (not shown).

다른 실시예에 있어서, 약 2 마이크론의 두께를 갖는 몬드형 탄소 코팅인 Ta-C와 같은 고체 윤활제가 펀치에 도포된다. 도 4는 다이(도시 생략)로서 약 6㎜ 두께의 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 패드를 이용하여, 약 0.15㎜ 두께의 알루미늄 시트(순도 99%) 상에 형성되는 약 1.2의 종횡비를 갖는 마이크로니들(410)의 주사형 현미경(SEM) 사진을 나타낸다. 펀치(도시 생략)의 높이는 약 1.5㎜인 한편, 바닥 직경은 1㎜ 였으므로, 약 1.5의 종횡비(펀치 팁의 라운드 가공 후에, 실제 높이는 대략 1.45㎜이다)를 제공한다. 펀치 팁의 라운드 가공으로 개구 또는 균열로 인한 지연 및 구멍 확장 공정 없이도 중실 마이크로니들이 얻어진다. In another embodiment, a solid lubricant, such as Ta-C, is a mondoidal carbon coating having a thickness of about 2 microns. 4 shows a microneedle 410 having an aspect ratio of about 1.2 formed on an aluminum sheet (99% purity) of about 0.15 mm thickness using a high density polyethylene (HDPE) pad of about 6 mm thickness as a die (not shown). A scanning microscope (SEM) photograph of) is shown. The height of the punch (not shown) was about 1.5 mm while the bottom diameter was 1 mm, thus providing an aspect ratio of about 1.5 (after round processing of the punch tip, the actual height is approximately 1.45 mm). Round machining of the punch tip results in solid microneedles without delay and hole expansion processes due to openings or cracks.

도 5는 다른 실시예에 따라서 성형된 마이크로니들(510)의 SEM 사진으로, 마이크로니들(510)의 푸트(foot) 반경 상의 역(retro) 펀칭효과를 나타내며, 이것은 강제로 긁힘으로써 "과에칭 효과(over-etched effect)를 남긴다. 마이크로니들(510)은 바닥직경이 약 0.15㎜이고, 높이가 약 1㎜의 치수를 갖는 펀치(도시 생략)가 가압되는 약 0.15㎜ 두께의 알루미늄 시트(순도 99%)를 이용하여 성형되었다. 마이크로니들(510)의 내부면 바닥에 모이는 스트립은 연마 공정 동안에 발생되어 집적된 절삭칩형 부산물이다. 다음에 성형된 마이크로니들(510)은 암 펀치(도시 생략)에 의해서 역으로 펀칭되며, 이것은 본질적으로 테이퍼진 중공이 되었다. 역 펀칭단계는 마이크로니들(510)의 푸트 반경을 크게 감소시키며, 따라서 약 1.4의 종횡비를 갖는 마이크로니들(510)이 만들어진다. 이러한 치수의 상당한 감소에도 불구하고, 마이크로니들(510)의 두께는 치료 및 피부 침투 동안에 기계적인 하중을 견디기에 충분히 크다. 또한, 이것은 피부 침투를 용이하게 하기 위해 미세성형된 마이크로니들이 어떻게 그들의 후방면 상에 추가로 패터닝될 수 있는지도 보여준다. 예를 들면, 피부 침투를 용이하게 하기 위해서 각 마이크로니들의 외부면 상에, 마이크로니들을 날카롭게 만드는 파형 미세라인 또는 다른 패턴을 형성하거나 새겨넣을 수 있다. FIG. 5 is an SEM image of a microneedle 510 molded according to another embodiment, showing a retro punching effect on the foot radius of the microneedle 510, which is forcibly scratched to " overetching effect. &Quot; (over-etched effect) The microneedles 510 are approximately 0.15 mm thick aluminum sheets (purity 99) with a bottom diameter of about 0.15 mm and a punch (not shown) having a dimension of about 1 mm is pressed. %) The strip that collects at the bottom of the inner surface of the microneedle 510 is an integrated cutting chip-like by-product generated during the polishing process, and then the formed microneedle 510 is subjected to an arm punch (not shown). Reverse punched, which essentially becomes a tapered hollow The reverse punching step greatly reduces the foot radius of the microneedle 510, thus creating a microneedle 510 having an aspect ratio of about 1.4. Despite the significant reduction in dimensions, the thickness of the microneedle 510 is large enough to withstand mechanical loads during treatment and skin penetration, and this also shows how the microformed microneedles on their rear face to facilitate skin penetration. It is also shown if it can be further patterned in. For example, on the outer surface of each microneedle to facilitate skin penetration, it is possible to form or engrave wavy fine lines or other patterns that sharpen the microneedles.

도 6(a) 내지 도 6(e)는 다른 실시예에 따라서, 미세성형에 의해 마이크로니들을 제조하는 공정 흐름의 개략도이다. 이 실시예에 있어서, 도 3(a) 내지 도 3(e)의 고정 다이(330)는 변형가능한 다이(630)로 대체되었다. 변형가능한 다이(630)는 예를 들면, 통상적으로 분해에 대해 보다 강하고 보다 내성이 크며, 다 공성 고분자에 비해서 열에 의해 연화되는, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리프로필렌(PP), 테플론(폴리테트라 플루오로에틸렌, PTFE) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등과 같이 변형가능한 반결정성 중합체인 유연한 소재로 만들어진 시트의 형태로 제조할 수 있다. 변형가능한 다이(630)에 사용한 소재는 변형가능한 다이(630)의 재사용을 가능케 하기 위해 펀치(620)에 의해서 천공된 후에 부분적으로 또는 실질적으로 회복되어야 함을 이해해야 한다. 변형가능한 다이(630)는 펀치(620)가 전진함에 따라서 소재의 연속적인 흐름을 허용하며, 따라서 미세성형 공정 동안에 연신에 의해 마이크로니들(645)의 목이 좁아지는 넥킹(necking)을 막을 수 있다. 도 3(a) 내지 도 3(e)에 도시한 고정 다이(330)와 비교해서, 펀치(620) 상의 돌기(625) 형상의 음각을 미세성형 전에 변형가능한 다이(630) 상에 형성할 필요는 없다. 6 (a) -6 (e) are schematic diagrams of a process flow for manufacturing microneedle by microforming, according to another embodiment. In this embodiment, the stationary die 330 of FIGS. 3A-3E has been replaced with a deformable die 630. The deformable die 630 is typically, for example, high density polyethylene (HDPE), polypropylene (PP), teflon (polytetrafluoro), which is typically stronger and more resistant to degradation and softens by heat compared to porous polymers. In the form of a sheet made of a flexible material which is a deformable semicrystalline polymer such as low ethylene, PTFE) and polyethylene terephthalate (PET). It should be understood that the material used for the deformable die 630 should be partially or substantially recovered after being punched by the punch 620 to enable reuse of the deformable die 630. The deformable die 630 allows for continuous flow of material as the punch 620 advances, thus preventing necking of the microneedle 645 from narrowing by stretching during the microforming process. Compared to the fixed die 330 shown in FIGS. 3A-3E, the indentations of the projection 625 shape on the punch 620 need to be formed on the deformable die 630 before microforming. There is no.

펀치(620)는 가령, Ta-C 같은 고체 윤활제로 도포할 수 있다. 펀치(620)가 하강하여 도 6(b)에 도시한 바와 같이, 변형가능한 다이(630) 상에 안착되는 금속 시트(640)에 대해서 가압된다. 이와 동시에, 변형가능한 다이(630)는 펀치(620)에 의해서 천공되어 펀치(620) 상의 돌기(625) 형상의 음각에 대응하여 공동(635)을 형성한다. 마이크로니들(645)의 전체 길이가 얻어지면, 펀치(620)의 운동은 정지된다. 마찬가지로, 성형된 마이크로니들(645)은 공정의 설계 및 변동요인에 따라서 펀치(620)나 변형가능한 다이(630)로부터 분리할 수 있다. 성형된 마이크로니들(645)의 제거에 대한 용이성은 성형 압력 및 변형가능한 다이(630)와 금속 시트(640)에 사용한 중합성 물질의 특성에 따라서 달라진다. 비록 변형가능한 다 이(630) 내에 공동(635)이 영구적으로 형성되더라도, 공동(635)은 변형가능한 다이(630)의 재사용을 가능케하기에 충분히 수축 및 회복된다. 이것은 변형가능한 다이(630)에 사용한 소재의 본성으로 인한 것이다. Punch 620 may be applied with a solid lubricant such as, for example, Ta-C. The punch 620 is lowered and pressed against the metal sheet 640 seated on the deformable die 630, as shown in FIG. 6 (b). At the same time, the deformable die 630 is punched by the punch 620 to form a cavity 635 corresponding to the intaglio of the protrusion 625 shape on the punch 620. Once the full length of the microneedle 645 is obtained, the movement of the punch 620 is stopped. Likewise, the molded microneedles 645 may be separated from the punch 620 or the deformable die 630 depending on the design and variation of the process. Ease of removal of the molded microneedle 645 depends on the molding pressure and the properties of the polymerizable material used for the deformable die 630 and the metal sheet 640. Although the cavity 635 is permanently formed in the deformable die 630, the cavity 635 is retracted and recovered sufficiently to enable reuse of the deformable die 630. This is due to the nature of the material used for the deformable die 630.

도 7(a) 내지 도 7(e)는 다른 실시예에 따라서, 미세성형에 의해 마이크로니들을 제조하는 공정 흐름의 개략도이다. 이 실시예에 있어서, 고체 윤활막이 형성된 펀치(720)는 중합성의 변형가능한 다이(730) 상에 배치되는 금속 시트(740)에 대해 가압된다. 마이크로니들(745)의 전체 길이가 얻어진 후에, 도 7(c) 및 도 7(d)에 도시한 바와 같이, 금속 시트(740)의 나머지로부터 성형된 마이크로니들 어레이(748)를 타출하기 위해 추가적으로 가하는 압력에 의해서, 펀치(720)는 더 전진한다. 성형된 마이크로니들 어레이(748)은 공정 설계 및 변동요인에 따라서, 후퇴한 펀치(720)(도 7(c))에 부착되어 있거나, 변형가능한 다이(730)(도 7(d)) 상에 남아 있으며, 이어서 제거되어 도 7(e)에 도시한 바와 같은 마이크로니들 어레이(748)가 얻어지게 된다. 7A-7E are schematic diagrams of a process flow for manufacturing microneedle by microforming, according to another embodiment. In this embodiment, the solid lubrication formed punch 720 is pressed against the metal sheet 740 disposed on the polymerizable deformable die 730. After the full length of the microneedle 745 has been obtained, it is additionally used to fire the shaped microneedle array 748 from the rest of the metal sheet 740, as shown in FIGS. 7 (c) and 7 (d). By applying pressure, the punch 720 is further advanced. The molded microneedle array 748 is attached to the retracted punch 720 (FIG. 7 (c)) or on the deformable die 730 (FIG. 7D), depending on process design and variations. Remaining, and then removed to obtain a microneedle array 748 as shown in Figure 7 (e).

통상적인 금속 성형에서 주로 행해지는 다이의 2가지 역할로는, 특히 다이 쇼울더에서 블랭크를 3차원 구조체로 변형하는 것 및/또는 아이언 효과에 의해 소재의 정확한 박막화를 보증하기 위해 성형 공정 동안에 구조체의 측면몸체에서 "아이언 보드(iron board)"로서 작용하는 것이 있으며, 일반적으로 미세성형에는 가해지지 않는다는 것을 알 수 있다. 펀치의 설계, 특히 펀치의 종횡비 및 마이크로니들의 성형에 사용한 소재 시트의 두께에 따라서 마이크로니들의 성형이 달라지는 것을 알 수 있다. 또한, 소재 시트 상의 반작용 서포트는 성형 공정 동안에 마이크 로니들의 영구 고장을 지연시키는 것을 알 수 있다. 일반적으로, 비록 얇은 소재 및 두꺼운 소재 시트 모두 미세성형 동안에 펀치와 소재 시트 간의 접촉면에서 펀치의 기하학적 형상에 충실히 따르지만, 두꺼운 소재의 시트에 비해서 얇은 소재의 시트 쪽이 마이크로니들의 외부면에서 펀치 기하학적의 형상과 일치하는 개선된 형상을 가져오는 것을 알 수 있다. 일반적으로, 소재 시트의 두께가 펀치 높이보다 약 5 내지 10배 작으면, 소재 시트는 얇은 것으로 생각된다. The two roles of the die, which are usually performed in conventional metal forming, are the sides of the structure during the forming process, in particular to ensure accurate thinning of the material by deformation of the blank into a three-dimensional structure and / or by the iron effect in the die shoulder. It can be seen that there is one that acts as an "iron board" in the body and is generally not applied to microforming. It can be seen that the forming of the microneedles varies depending on the design of the punch, in particular the aspect ratio of the punch and the thickness of the material sheet used for forming the microneedles. It can also be seen that the reaction support on the material sheet delays the permanent failure of the microneedle during the molding process. In general, although both thin and thick material sheets faithfully conform to the punch geometry at the contact surface between the punch and the material sheet during microforming, the sheet side of the thin material compared to the punch geometry at the outer surface of the microneedle It can be seen that the improved shape is consistent with the shape. In general, if the thickness of the material sheet is about 5 to 10 times smaller than the punch height, the material sheet is considered thin.

미세성형 동안에 소재 시트 상의 일정한 반작용 서포트는 가령, 도 6(a) 내지 6(e) 및 도 (a) 내지 도 7(e)의 실시예에서 상술한 바와 같이, 변형가능한 다이(630, 730)에 의해 제공될 수 있다. 도 8(a)는 약 3과 동일한 종횡비(펀치의 후퇴 없이)를 갖는 펀치(도시 생략)를 사용하여 약 0.2㎜ 두께의 알루미늄 시트(1100)를 이용하여 성형한 마이크로니들(850)의 실시예에 대한 SEM 사진을 나타낸다. 도 8(b)는 대략적으로 표시한 치수를 갖는 마이크로니들(850)의 확대한 사진이다. 펀치의 후퇴 동안에 마이크로니들(850)에 손상을 야기할 수 있는 마찰의 감소를 위해서, 펀치 상에 가령, 테라헤드럴-비정질 탄소 코팅 같은 다이아몬드형 탄소 등의 고체 윤활제를 도포할 수 있다. 또한, 펀치의 표면 거칠기를 개선하여 펀치와 소재 시트 간의 마찰 및 접촉을 줄임으로써 소재와 펀치 간의 경계면 부착을 최소화할 수 있다. 이 실시예에 있어서, 펀치는 경화 공구 스틸로 제조되며, 마이크로니들(850)을 성형하기 위한 시트재는 알루미늄으로 제조되었다. 펀치의 후퇴시에 마이크로니들(850)의 실패에 대한 하나의 가능한 원인으로 미세성형 동안에 소재 시트가 받게 되는 높은 변형을 들 수 있다. Constant reaction support on the sheet of material during microforming may be achieved by deformable dies 630, 730, as described above, for example, in the embodiments of FIGS. 6 (a) to 6 (e) and (a) to 7 (e). May be provided by 8A illustrates an embodiment of a microneedle 850 molded using an aluminum sheet 1100 about 0.2 mm thick using a punch (not shown) having an aspect ratio (without retraction of the punch) equal to about 3. SEM photographs for. FIG. 8B is an enlarged photograph of the microneedle 850 having the approximately indicated dimensions. In order to reduce the friction that can cause damage to the microneedle 850 during the retraction of the punch, a solid lubricant such as, for example, diamond-like carbon, such as a terra headral-amorphous carbon coating, may be applied on the punch. In addition, the surface roughness of the punch can be improved to reduce friction and contact between the punch and the sheet of work, thereby minimizing the interface attachment between the work and the punch. In this embodiment, the punch is made of hardened tool steel, and the sheet material for forming the microneedle 850 is made of aluminum. One possible cause for the failure of the microneedle 850 upon retraction of the punch is the high deformation that the material sheet receives during microforming.

또한, 변형가능한 다이의 사용에 대한 이점으로는, 가령, 성형 압력의 약 10% 내지 50%인 압력과 같이, 약간 상승한 압력에서의 스탬핑 목적을 위해서 만능 다이로서 사용할 수 있다는 점이다. 도 9(a) 및 도 9(b)는 중합성의 변형가능한 다이(도시 생략)을 이용하여 약 0.15㎜ 두께의 알루미늄 시트를 성형 및 스탬핑한 마이크로니들(920, 930)의 어레이 예의 사진이다. 마이크로니들(920, 930) 어레이는 단단한 다이와 비교하여 변형가능한 다이로서 우수한 능력을 나타내 보이며, 이것은 특히 복잡한 기하학적 형상을 갖는 그러한 유닛 다이의 대형 어레이가 필요할 경우, 높은 제조 코스트를 필요로 하는 것을 알 수 있다. In addition, an advantage to the use of deformable dies is that they can be used as universal dies for stamping purposes at slightly elevated pressures, such as pressures of about 10% to 50% of molding pressure. 9 (a) and 9 (b) are photographs of an example array of microneedles 920, 930 formed and stamped about 0.15 mm thick aluminum sheet using a polymerizable deformable die (not shown). The array of microneedles 920 and 930 shows excellent capability as a deformable die compared to a rigid die, which can be seen to require high manufacturing costs, especially when large arrays of such unit die with complex geometries are required. have.

사이즈 효과는 소재의 미세구조가 소재의 치수감소시에 변하지 않는다는 사실로부터 기인한다. 마이크로니들의 미세성형을 위해 사용한 시트재의 미세구조는 시편의 상이한 위치, 즉 광범위한 연신이 가해졌던 마이크로니들의 가슴부(중간 높이)에서, 그리고 아무런 변형도 가해지지 않은 마이크로니들로부터 멀리 떨어진 바닥 영역에서 검사하였다. 변형 및 변형되지 않은 영역의 입자 사이즈의 관찰은, 그러한 변형이 소재의 미세구조에 중대한 변화를 일으킴이 없이 실행될 수 있다는 것을 의미하며, 이것은 나노미터의 몇 십배 영역에서 대표적인 평균 입자 사이즈를 갖는다. 마이크로니들의 성형을 위해서 사용한 소재의 두께는 높은 종횡비를 갖는 마이크로니들을 얻는데 중요한 역할을 한다. 예를 들면, 가령 소재의 두께에 대한 펀치 높이의 비가 약 4 이하와 같이 매우 두꺼운 소재의 시트를 사용하면, 잘 규정된 니들을 성형할 수 없거나, 가령 소재의 두께에 대한 펀치 높이의 비가 약 20 이상과 같이 펀치 사이즈에 비해서 너무 얇은 시트를 사용하면, 천공 또는 블랭크 공 정이 행해지는 곳에 평면 응력현상을 가져와서 마이크로니들 대신에 구멍만을 형성하게 된다. 펀치 사이즈의 감소에 따라서, 소재 시트의 두께 역시 감소될 필요가 있으나, 이 규모축소는 선형적임을 알 수 있다. 특정 기하학적 형상을 갖는 펀치가 변형가능한 다이의 서포트와 함께, 마이크로니들을 충분히 성형할 수 있는 소재 두께에 대한 최적의 범위가 있음을 알 수 있다. The size effect results from the fact that the microstructure of the material does not change upon dimension reduction of the material. The microstructure of the sheet material used for the microneedle's microforming is at different locations on the specimen, i.e. at the chest (medium height) of the microneedle to which extensive stretching was applied, and at the bottom area away from the microneedle to which no deformation was applied. Inspected. Observation of the particle size of the deformed and undeformed areas means that such deformation can be carried out without causing significant changes in the microstructure of the material, which has a representative average particle size in the region of several tens of nanometers. The thickness of the material used for forming the microneedle plays an important role in obtaining the microneedle having a high aspect ratio. For example, using a sheet of very thick material such as the ratio of punch height to material thickness of about 4 or less, it is not possible to form well defined needles, or the ratio of punch height to material thickness of about 20, for example. Using a sheet that is too thin for the punch size as described above brings a planar stress phenomenon where perforation or a blank process is performed to form only holes instead of microneedles. As the punch size decreases, the thickness of the material sheet also needs to be reduced, but it can be seen that this scaling is linear. It can be seen that there is an optimal range for the material thickness to sufficiently mold the microneedle, with the support of a die having a particular geometric shape deformable.

도 10(a), 도 10(b), 도 11(a), 도 11(b), 도 12(a) 및 도 12(b)는 약 50 마이크론 두께의 알루미늄 시트로부터 얻어진 마이크로니들의 실시예를 나타낸다. 도 10(a) 및 도 10(b)는 각각 1㎜의 바닥 직경 및 1.5㎜의 높이(즉, 1.5의 종횡비)를 갖는 펀치(도시 생략)를 이용하여 성형한 마이크로니들(1020)의 사시도 및 단면도를 나타낸 사진이다. 마이크로니들(1020)의 벽 두께(1022)가 원래 시트의 두께(1024) 보다 약 절반 이상이 감소되었음을 알 수 있다. 도 11(a) 및 도 11(b)는 각각 약 2의 종횡비와 약 1㎜의 바닥을 갖는 펀치(도시 생략)로 성형한 마이크로니들(1120)의 사시도 및 단면도를 나타낸다. 단면의 바닥에 있는 절삭칩형 핀(1125)은 연삭으로 인한 것이다. 도 12(a) 및 도 12(b)는 각각 약 0.5㎜의 바닥 직경과 약 1㎜의 높이(즉, 약 2의 종횡비)를 갖는 펀치(도시 생략)로 형성한 마이크로니들(1220)의 사시도 및 단면도를 나타낸다. 마이크로니들(1220)의 팁(정점) 및 평균 벽 두께는 각각 대략 20 내지 30 및 15 내지 30 마이크론의 범위를 갖는다. 10 (a), 10 (b), 11 (a), 11 (b), 12 (a) and 12 (b) are examples of microneedles obtained from an aluminum sheet about 50 microns thick. Indicates. 10A and 10B are perspective views of a microneedle 1020 molded using a punch (not shown) having a bottom diameter of 1 mm and a height of 1.5 mm (ie, an aspect ratio of 1.5), respectively; and A photograph showing a cross-sectional view. It can be seen that the wall thickness 1022 of the microneedle 1020 is reduced by about half or more than the thickness 1024 of the original sheet. 11A and 11B show, respectively, a perspective view and a cross-sectional view of a microneedle 1120 molded into a punch (not shown) having an aspect ratio of about 2 and a bottom of about 1 mm. The chipped pin 1125 at the bottom of the cross section is due to grinding. 12A and 12B are perspective views of a microneedle 1220 formed from a punch (not shown) having a bottom diameter of about 0.5 mm and a height of about 1 mm (ie, an aspect ratio of about 2), respectively. And cross-sectional views. The tip (peak) and average wall thickness of the microneedle 1220 range from approximately 20 to 30 and 15 to 30 microns, respectively.

성형된 니들의 벽 두께가 원래 블랭크 두께의 2분의 1 내지 5분의 1로 감소될 수 있음에 따라서, 보다 작은 마이크로니들을 만들기 위한 얇은 소재 시트의 요구조건으로 인해 성형된 마이크로니들의 벽 두께에 보다 낮은 한계가 주어져서, 실 용의 목적을 위해서는 부적합한 니들이 만들어진다. 가령, 바닥 치수가 약 150마이크론 이하 같이, 필요한 마이크로니들의 사이즈가 매우 작으면, 필요한 최적의 소재 두께는 매우 얇다. 이것은 굽힘 및 변형을 받을 수 있는 마이크로니들 어레이의 유연한 플랫폼을 만들게 된다. 이러한 사이즈 및 두께의 감소는 신뢰할 수 없는 약한 마이크로니들을 만드는 결과를 가져온다. 이 문제는 마이크로니들의 전체 두께를 증가시키기 위해 니켈 같은 소재의 층으로 마이크로니들을 전기성형함으로써, 마이크로니들을 보강시키는 것에 의해 극복할 수 있다. 또한, 마이크로니들을 양극처리하여 단단하고 취성이 있는 알루미나 층을 형성할 수 있다. As the wall thickness of the molded needle can be reduced to one half to one fifth of the original blank thickness, the wall thickness of the molded microneedle due to the requirement of a thin material sheet to make smaller microneedles Given lower limits, the needles that are not suitable for practical purposes are made. If the size of the required microneedles is very small, for example, the bottom dimension is about 150 microns or less, the optimal material thickness required is very thin. This creates a flexible platform of microneedle arrays that can bend and deform. This reduction in size and thickness results in unreliable weak microneedles. This problem can be overcome by reinforcing the microneedle by electroforming the microneedle with a layer of a material such as nickel to increase the overall thickness of the microneedle. In addition, the microneedle may be anodized to form a hard and brittle alumina layer.

마이크로니들의 어레이를 제조하는 한가지 방법으로서, 소재 시트 상의 분리된 어레이에 각 니들을 반복적으로 성형하기 위해 단일 펀치(도시 생략)를 사용할 수 있다. 도 13(a) 및 도 13(b)는 각각 단일 펀치(도시 생략)를 이용하여 형성한 마이크로니들 어레이(1320)의 실시예를 보이는 평면도 및 등각도의 사진이다. 마이크로니들 둘레에는 아무런 중대한 변형도 생기지 않음으로써, 인접한 마이크로니들(1325)은 서로에 대해 보다 근접하게 형성될 수 있음을 알 수 있다. As one method of making an array of microneedles, a single punch (not shown) may be used to repeatedly mold each needle into a separate array on a sheet of material. 13A and 13B are plan and isometric views, respectively, of an embodiment of the microneedle array 1320 formed using a single punch (not shown). It can be seen that no significant deformation occurs around the microneedle, so that adjacent microneedles 1325 can be formed closer to each other.

도 14(a) 및 도 14(b)는 1 내지 1.5 범위의 종횡비를 갖는 펀치 어레이(도시 생략)의 와이어컷팅에 의해서 형성된 마이크로니들 어레이(1420, 1430)의 예를 나타낸다. 이들 펀치 어레이는 3번의 통과로 와이어컷팅되어 충분한 표면 다듬질을 보증하며, 약 2 마이크론 두께의 고체 윤활제로 코팅된다. 각각의 마이크로니들(1420, 1430)은 약 0.5㎜의 바닥 직경을 가지며, 마이크로니들의 높이는 각각 2×2 마이크로니들 어레이(1420)(도 16(a))에 대해 약 0.5㎜ 및 3×3 마이크로니들 어레이(1420)에 대해 약 0.75㎜이다. 마이크로니들 어레이(1420, 1430)의 성형을 위해 사용한 알루미늄 시트(1100)의 두께는 약 50 마이크론이었다. 마이크로니들(1425, 1435)의 최종 벽 두께는 약 8 내지 20 마이크론이었다. 최종 벽 두께는 가령, 니켈 또는 중합성 물질을 포함하는 다른 금속/비금속 물질로 마이크로니들(1425, 1435)의 외부면을 양극처리, 또는 전기도금/증착에 의해서 추가로 증가시킬 수 있다. 또한, 마이크로니들 어레이(1420, 1430)의 양면은 마이크로니들 어레이(1420, 1430)의 경화를 위해서 산화 알루미늄의 층으로 양극처리할 수 있다. 45V(약 10×10㎟의 유효 영역)의 일정한 전압으로 3분 동안 5% 수산에서 마이크로니들 어레이(1420, 1430)를 양극처리한 후에, 마이크로니들(1425, 1435)의 벽 두께는 약 20 마이크론 내지 약 30마이크론 증가하였다. 도 15(a) 내지 도 15(c)는 각각 다른 실시예에 따라서, 전체 마이크로니들(1550), 마이크로니들(1550)의 바닥부 및 마이크로니들(1550)의 팁(정상)의 단면을 나타내는 SEM 사진이다. 이 예의 마이크로니들(1550)은 3×3 마이크로니들 어레이(도시 생략)의 일부이다. 마이크로니들의 바닥에 최대 변형이 가해졌으며, 마이크로니들(1550)의 팁은 미세성형 후에 가장 많이 치환되었음을 알 수 있다. 14A and 14B show examples of microneedle arrays 1420 and 1430 formed by wire cutting of a punch array (not shown) having an aspect ratio in the range of 1 to 1.5. These punch arrays are wirecut in three passes to ensure sufficient surface finish and are coated with a solid lubricant approximately 2 microns thick. Each microneedle 1420, 1430 has a bottom diameter of about 0.5 mm, and the height of the microneedle is about 0.5 mm and 3 × 3 microns for the 2 × 2 microneedle array 1420 (FIG. 16 (a)), respectively. It is about 0.75 mm for the needle array 1420. The thickness of the aluminum sheet 1100 used for forming the microneedle arrays 1420 and 1430 was about 50 microns. The final wall thickness of the microneedle 1425, 1435 was about 8-20 microns. The final wall thickness can be further increased by anodizing or electroplating / depositing the outer surface of the microneedle 1425, 1435 with, for example, nickel or another metal / nonmetallic material including polymerizable material. In addition, both surfaces of the microneedle arrays 1420 and 1430 may be anodized with a layer of aluminum oxide for curing the microneedle arrays 1420 and 1430. After anodizing the microneedle arrays 1420, 1430 in 5% fishery for 3 minutes at a constant voltage of 45 V (effective area of about 10 x 10 mm 2), the wall thickness of the microneedle 1425, 1435 is about 20 microns. To about 30 microns. 15 (a) to 15 (c) are SEMs showing cross sections of the entire microneedle 1550, the bottom of the microneedle 1550 and the tip (normal) of the microneedle 1550, respectively, according to another embodiment. It is a photograph. The microneedle 1550 of this example is part of a 3x3 microneedle array (not shown). Maximum deformation was applied to the bottom of the microneedle, and the tip of the microneedle 1550 was found to be most displaced after microforming.

다른 실시예에 있어서, 약 0.2㎜의 알루미늄 시트는 1:4의 비율로 과염소산(30%)과 메탄올(순수)의 혼합물 내에서 전해연마하였다. 12.5V의 일정한 전압이 장시간 가해져서 원하는 두께의 알루미늄 시트를 얻었다. 각각, 9분 및 14분 동안 전해도금한 후에 85마이크론 두께 및 130마이크론 두께가 얻어졌으며, 알루미늄 시트의 펀칭 및 양극처리 후에, 도 16(a) 및 도 16(b)에 도시한 바와 같이, 각각 1.0 및 0.6의 종횡비를 가져왔다. 양 실시예에 있어서, 마이크로니들 어레이(도시 생략)의 플랫폼뿐만 아니라, 예시한 마이크로니들(1620, 1630)은 피부 침투 동안에 치료 및 변형력에 견딜 정도로 충분히 강했음을 알 수 있다. 도 16(b)의 마이크로니들(1630)은 도 16(a)의 마이크로니들(1620)보다 더욱 큰 외부 푸트 반경을 가짐을 주목해야 한다. 이것은 도 16(b)에 도시한 마이크로니들(1630)의 성형에 사용한 알루미늄 시트의 보다 큰 두께(즉, 130마이크론)로 인한 것이며, 마이크로니들(1630)의 종횡비로 약 40%의 감소를 가져왔다. In another example, an aluminum sheet of about 0.2 mm was electropolished in a mixture of perchloric acid (30%) and methanol (pure) at a ratio of 1: 4. A constant voltage of 12.5 V was applied for a long time to obtain an aluminum sheet of a desired thickness. After electroplating for 9 and 14 minutes respectively, 85 micron thickness and 130 micron thickness were obtained, and after punching and anodizing the aluminum sheet, as shown in Figs. 16 (a) and 16 (b), respectively, An aspect ratio of 1.0 and 0.6 was obtained. In both embodiments, as well as the platform of the microneedle array (not shown), it can be seen that the illustrated microneedles 1620 and 1630 were strong enough to withstand treatment and deformation during skin penetration. It should be noted that the microneedle 1630 of FIG. 16B has a larger outer foot radius than the microneedle 1620 of FIG. 16A. This is due to the larger thickness (ie 130 microns) of the aluminum sheet used to form the microneedle 1630 shown in FIG. 16 (b), resulting in a reduction of about 40% due to the aspect ratio of the microneedle 1630. .

중실 및 중공 마이크로니들 모두는 상기의 실시예에서 설명한 바와 거의 유사한 실험 장비와 소재를 이용하여 제조할 수 있다. 펀치의 팁을 통해 날카로움을 조절함으로써, 마이크로니들은 중실(펀칭 행정 동안에 구멍 생성이 없음) 또는 중공(펀칭 행정 동안에 펀치의 팁에 구멍을 생성 및 확장함)으로 제조할 수 있다. 생산되는 중실 및 중공 마이크로니들에서의 유일한 변동요인은 펀치 팁의 날카로움뿐이다. 펀치 팁의 날카로움은 순전히 금속 시트의 상대 두께에 따라 달라진다. 그러므로, 특정 펀치의 팁은 상대적으로 두꺼운 금속 시트에 대해 충분히 날카로울 수 있으나, 작은 두께를 갖는 동일한 소재에 대해 너무 무딜 수도 있다. 라운드형 팁이 성형 행정 동안에 균열을 형성하지 않거나 소재 시트 상에서 실패를 초래하지 않음으로써, 중실 마이크로니들을 성형할 수 있음을 손쉽게 가정할 수 있다. 역으로, 중공 마이크로니들은 성형 행정의 초기 단계에서 구멍이나 균열을 생성하기 위해 날카로운 팁을 필요로 하며, 이것은 펀치의 행정을 따라서 적절히 팽창되어, 팁에 균일한 개구를 만들게 된다. 이 구멍-생성 및 확장 메카니즘은 제 3실패 모드, 또는 분화구 모드에 따른 것이다. 도 17(a) 내지 도 17(c)는 상이한 두께의 알루미늄 시트와 펀치 기하학을 이용하여 제조한 중공 마이크로니들의 예를 보이는 SEM 사진이다. 도 17(a)는 1.5의 종횡비 및 0.2㎜ 두께의 알루미늄 시트를 갖는 펀치(도시 생략)를 이용하여 형성한 중공 마이크로니들 어레이(1750)를 나타낸다. 도 17(b)는 50마이크론 중공 팁(1765)을 갖는 마이크로니들(1760)의 평면도이다. 도 17(c) 및 도 17(d)는 각각 2의 종횡비를 갖는 펀치(도시 생략)로 형성된 중공 마이크로니들(1770)의 평면도 및 등각도이다. Both solid and hollow microneedles can be manufactured using experimental equipment and materials that are nearly similar to those described in the above examples. By adjusting the sharpness through the tip of the punch, the microneedles can be made solid (no hole formation during punching stroke) or hollow (creating and expanding holes in the tip of punch during punching stroke). The only variable in the solid and hollow microneedle produced is the sharpness of the punch tip. The sharpness of the punch tip depends purely on the relative thickness of the metal sheet. Therefore, the tip of a particular punch may be sharp enough for relatively thick metal sheets, but may be too blunt for the same material with a small thickness. It can be easily assumed that the rounded tip can form solid microneedles by not cracking or causing failure on the sheet of material during the molding stroke. Conversely, the hollow microneedles require sharp tips to create holes or cracks in the early stages of the molding stroke, which will expand properly along the stroke of the punch, creating a uniform opening in the tip. This hole-generating and expanding mechanism is in accordance with the third failure mode, or crater mode. 17 (a) to 17 (c) are SEM images showing examples of hollow microneedles fabricated using aluminum sheets and punch geometries of different thicknesses. 17 (a) shows a hollow microneedle array 1750 formed using a punch (not shown) having an aspect ratio of 1.5 and an aluminum sheet of 0.2 mm thickness. 17 (b) is a top view of the microneedle 1760 with a 50 micron hollow tip 1765. 17C and 17D are plan and isometric views of hollow microneedle 1770 formed of punches (not shown) each having an aspect ratio of two.

도 18(a) 내지 도 18(d)는 다른 실시예에 따라서, 마이크로니들(1850)을 제조하는 공정의 개략도를 나타낸다. 마이크로니들(1850)은 4×4 펀치 어레이(1820)로 50마이크론 두께의 알루미늄 시트를 펀칭하여 얻는다. 각 마이크로니들(1850)의 내부면은 니켈 도금 같은 전기도금 공정에 의해서 코팅된다. 돌출면(1860)은 에폭시(1855)로 코팅하여, 마이크로니들(1850)의 외부면 상의 니켈 도금을 방지한다. 펀칭한 마이크로니들 어레이(1840)는 다음에, 0.08Å의 일정한 전류로 12시간 동안 염화니켈 용액(산업 등급)내에서 전기도금하여, 도 18(c) 및 도 18(d)에 도시한 바와 같이, 마이크로니들(1850)의 내부면 상에 니켈 도금(1858) 층을 형성하였다. 도 19(a)는 도 18(a) 내지 도 18(d)에 도시한 실시예에 따라서 형성한 잘 규정된 마이크로니들 어레이(1920)를 나타낸다. 마이크로니들 어레이(1920)는 피부 긁힘을 용이하게 하기 위해서 약간 외측으로 만곡되어 있다. 도 19(b)는 상이한 두께를 보이는, 양극처리한 마이크로니들 어레이(가령, 1922)의 다양한 예를 보이는 것으로, 어두운 회색부분은 증가된 두께를 나타낸다. 18A-18D show schematic diagrams of a process for manufacturing microneedle 1850, according to another embodiment. The microneedle 1850 is obtained by punching a 50 micron thick aluminum sheet with a 4 × 4 punch array 1820. The inner surface of each microneedle 1850 is coated by an electroplating process such as nickel plating. The protruding surface 1860 is coated with epoxy 1855 to prevent nickel plating on the outer surface of the microneedle 1850. The punched microneedle array 1840 is then electroplated in a nickel chloride solution (industrial grade) for 12 hours at a constant current of 0.08 mA, as shown in FIGS. 18 (c) and 18 (d). A nickel plating 1858 layer was formed on the inner surface of the microneedle 1850. FIG. 19A shows a well defined microneedle array 1920 formed in accordance with the embodiment shown in FIGS. 18A-18D. Microneedle array 1920 is slightly outwardly curved to facilitate skin scratching. 19 (b) shows various examples of anodized microneedle arrays (eg, 1922), showing different thicknesses, with the dark gray portion showing increased thickness.

도 20(a) 내지 도 20(c)는 각각 미세성형에 의해서 제조된 마이크로니들에 대한 3개의 실패 모드, 즉 캡 모드, 왕관 모드 및 분화구 모드를 나타낸다. 실패 모드의 형태는 소재 내에서 넥킹(과처리)이 일어나는 위치에 따라 달라진다. 캡 모드 실패는 넥킹이 성형된 마이크로니들의 측벽에서 발생될 때에 생성되며, 이어서 균열이 진행되어, 도 20(a)에 도시한 바와 같이, 원추형 마이크로니들에 부착된 반구형 덮개(2010)를 둥글게 형성한다. 한편, 왕관형태의 실패는 펀치(도시 생략)의 팁이 가압되는 영역에서 생성된 균열의 반경방향 진행에 의한 것으로, 관련 소재의 시트는 대개 펀치 사이즈(바닥 직경)에 비해서 충분히 얇다. 왕관 형태의 실패가 일어나는 펀치 사이즈에 대해 소재의 시트 두께의 대표적인 반경은 약 10이상이다. 마이크로니들의 파쇄면은 종종 균열의 진행에 따라 말려올라가, 긁힘 목적을 위해서는 양호한 날카로운 모서리(2020)(도 20(b))를 형성한다. 마지막으로, 분화구 형태의 실패는 펀치에 의해서 구멍이 초기에 생성되고 이어서 펀치의 전진에 따라 확장되는 구멍-확장 공정에서 생긴다. 이 모드는 도 20(c)에 도시한 바와 같이, 마이크로니들의 팁에 비교적 날카롭고 부드러운 원주(2030)를 만든다. 분화구 모드 실패는 상술한 바와 같이, 중공 마이크로니들의 성형에 사용된다. 20 (a) to 20 (c) show three failure modes, namely cap mode, crown mode and crater mode, for the microneedle produced by microforming, respectively. The type of failure mode depends on where necking occurs in the material. Cap mode failure occurs when the necking occurs on the sidewall of the molded microneedle, and then the crack progresses, rounding the hemispherical lid 2010 attached to the conical microneedle, as shown in FIG. 20 (a). do. On the other hand, crown failure is due to radial propagation of the cracks created in the area where the tip of the punch (not shown) is pressed, and the sheet of associated material is usually sufficiently thin compared to the punch size (bottom diameter). The representative radius of the sheet thickness of the material is about 10 or more for the punch size where crown failure occurs. The fracture surface of the microneedle often rolls up as the crack progresses, forming a good sharp edge 2020 (Fig. 20 (b)) for scratching purposes. Finally, crater-shaped failures occur in a hole-expansion process in which holes are initially created by the punch and then expand as the punch advances. This mode creates a relatively sharp and smooth circumference 2030 at the tip of the microneedle, as shown in Fig. 20 (c). Crater mode failure is used for shaping hollow microneedle, as described above.

실시예에 있어서, 마이크로니들의 성형을 위해 미세성형이 이용된다. 다른 형상의 미세구조체 역시 상이한 실시예에서 만들 수 있음을 이해해야 한다. In an embodiment, micromolding is used for shaping the microneedle. It should be understood that other shaped microstructures can also be made in different embodiments.

마이크로니들을 만들기 위해 미세성형을 이용하는 것은 그러한 마이크로니들 어레이의 생산 시간 및 코스트를 실질적으로 감소시켜, 상업화를 위해 실행가능한 기술을 만든다. Using microforming to make microneedles substantially reduces the production time and cost of such microneedle arrays, making the technology viable for commercialization.

또한, 상술한 실시예는 가령, 실리콘 기술 같은 특정 기술에 대해서 현재는 제한 인자인 미세성형될 종횡비 및 폭넓은 범위의 길이를 갖는 중공 또는 중실 미세구조체를 가능케 한다. 예를 들면, 다양한 종횡비를 갖는 마이크로니들은 금속 시트의 적절한 두께를 이용하여 펀치의 테이퍼를 증가시킴으로써 얻을 수 있다. In addition, the embodiments described above allow for hollow or solid microstructures having a wide range of lengths and aspect ratios to be microformed, which are currently limiting factors for certain technologies such as, for example, silicon technology. For example, microneedles with various aspect ratios can be obtained by increasing the taper of the punch using the appropriate thickness of the metal sheet.

미세성형은 또한, 성형, 트리밍, 분할, 연마, 구멍 드릴링, 전기성형 등과 같은 후 제조공정에 의해서 복잡한 기하학적 형상을 갖는 마이크로니들 어레이의 제조를 가능케 한다. Microforming also enables the production of microneedle arrays with complex geometries by post fabrication processes such as molding, trimming, splitting, polishing, hole drilling, electroforming, and the like.

성형된 마이크로니들의 기계적인 특성을 조정/최적화하거나, 마이크로니들의 기하학적 형상을 추가로 개선하기 위해서 추가적인 공정을 혼용할 수 있다. Additional processes may be used to adjust / optimize the mechanical properties of the molded microneedle or to further refine the microneedle's geometry.

또한, 본 발명은 가령, 마이크로 시스템즈 테크놀러지(MST) 및 IC 캐리어, 마이크로 스크류, 파스너, 프레임, 스프링, 패드와 핀 등의 접촉 요소를 포함하는 전자기 모듈에서 사용되는 마이크로 콤포넌트를 포함하는 다른 미세구조체에도 적용할 수 있다. The invention also applies to other microstructures, including, for example, microcomponents used in electromagnetic modules including contact elements such as Micro Systems Technologies (MST) and IC carriers, micro screws, fasteners, frames, springs, pads and pins. Applicable

당업자라면 광범위하게 한정하는 바로서 본 발명의 정신이나 범위를 벗어남이 없이 특정 실시예에서 도시한 바와 같이 다양한 변형 및/또는 수정이 본 발명에 의해서 만들어질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 실시예는 모두에 대해서 예시적인 것일 뿐, 한정하는 것이 아님을 알아야 한다. Those skilled in the art will appreciate that various modifications and / or modifications can be made by the present invention as shown in the specific embodiments without departing from the spirit or scope of the invention as broadly defined. Accordingly, it should be understood that the present embodiments are illustrative only and not limitative in all.

Claims

미세구조체의 어레이를 미세성형하는 방법에 있어서,In a method of microforming an array of microstructures,

돌기의 어레이를 갖는 펀치를, 이 펀치와 다이 사이에 배치된 소재의 시트 쪽으로 전진시키는 단계; Advancing a punch having an array of protrusions toward a sheet of material disposed between the punch and the die;

소재의 시트를 적소에 유지하기 위한 홀더를 제공하는 단계; 및Providing a holder for holding the sheet of material in place; And

펀치 상의 돌기로 소재의 시트를 천공하여 소재의 시트 상에 미세구조체의 어레이를 성형하는 단계를 포함하되,Perforating the sheet of material with a projection on the punch to form an array of microstructures on the sheet of material,

각 돌기는 소재의 시트가 대응하는 미세구조체로 변형되도록 하는 형태로 되어 있는 것인 방법.Wherein each projection is shaped such that the sheet of material is deformed into a corresponding microstructure.

제 1항에 있어서, 상기 미세구조체는 마이크로니들을 포함하는 것인 방법.The method of claim 1, wherein the microstructures comprise microneedles.

제 1항 또는 제 2항에 있어서, 미세성형 동안에 각각의 미세구조체 영역에서 소재의 시트 상에 실질적으로 일정한 반작용 서포트를 제공하는 단계를 추가로 포함하는 방법. 3. The method of claim 1, further comprising providing substantially constant reaction support on the sheet of material in each microstructure region during microforming. 4.

제 3항에 있어서, 상기 실질적으로 일정한 반작용 서포트는 상기 다이에 의해 제공되는 것인 방법.4. The method of claim 3, wherein the substantially constant reaction support is provided by the die.

제 4항에 있어서, 상기 다이는 변형가능한 다이인 방법.The method of claim 4, wherein the die is a deformable die.

제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 펀치의 종횡비는 소재 시트의 주어진 두께에 대해, 미세구조체의 성형 동안에 소재의 시트에서 평면 응력이 감소되거나 회피되도록 선택되는 것인 방법.6. The method of claim 1, wherein the aspect ratio of the punch is selected such that for a given thickness of the material sheet, planar stresses are reduced or avoided in the sheet of material during molding of the microstructures.

제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 각 미세구조체는 중실 팁(solid tip)으로 성형되는 것인 방법.The method of claim 1, wherein each microstructure is molded into a solid tip.

제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 각 미세구조체는 그의 팁에 구멍이 성형되는 것인 방법.6. The method of any one of claims 1 to 5, wherein each microstructure is shaped with a hole in its tip.

제 8항에 있어서, 상기 펀치의 각 돌기의 팁의 곡률은 소재 시트의 주어진 두께에 대해서, 미세성형의 초기 단계에서 구멍 또는 균열이 생성되도록 선택되고, 상기 구멍 또는 균열은 이후 미세성형 동안에 팽창되어 각 미세구조체의 팁에 개구를 만드는 것인 방법.9. The method of claim 8, wherein the curvature of the tip of each protrusion of the punch is selected such that a hole or crack is created at an early stage of microforming, for a given thickness of the sheet of material, and the hole or crack is then expanded during microforming. Creating an opening in the tip of each microstructure.

제 5항에 있어서, 상기 변형가능한 다이는 변형 후에 부분적으로 또는 실질적으로 복원되는 소재로 제조되는 것인 방법.6. The method of claim 5, wherein the deformable die is made of a material that is partially or substantially restored after deformation.

제 10항에 있어서, 상기 소재는 반결정성 중합체 물질을 포함하는 것인 방법.The method of claim 10, wherein the material comprises a semicrystalline polymeric material.

제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 변형가능한 다이는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리프로필렌(PP), 테플론(폴리테트라 플루오로에틸렌, PTFE) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 이루어진 군으로부터 선택된 소재로 제조되는 것인 방법.12. The material of claim 10 or 11 wherein the deformable die is a material selected from the group consisting of high density polyethylene (HDPE), polypropylene (PP), Teflon (polytetrafluoroethylene, PTFE) and polyethylene terephthalate (PET). To be prepared.

제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펀치에 고체 윤활제를 도포하는 단계를 추가로 포함하는 방법.13. The method of any one of claims 1 to 12, further comprising applying a solid lubricant to the punch.

제 13항에 있어서, 상기 고체 윤활제는 Ta-C(테라헤드럴-비정질 탄소) 코팅을 포함하는 것인 방법.The method of claim 13, wherein the solid lubricant comprises a Ta-C (terraheadral-amorphous carbon) coating.

제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미세구조체의 경화를 위해서 각각의 미세구조체의 내부면을 코팅하는 단계를 추가로 포함하는 방법.The method of claim 1, further comprising coating an inner surface of each microstructure for curing the microstructure.

제 15항에 있어서, 상기 코팅하는 단계는 전기도금 공정을 포함하는 것인 방법.The method of claim 15, wherein the coating comprises an electroplating process.

제 16항에 있어서, 상기 전기도금공정은 니켈 도금을 포함하는 것인 방법.The method of claim 16, wherein the electroplating process comprises nickel plating.

제 1항 내지 제 17항의 어느 한 항에 있어서, 상기 소재의 시트는 스틸, 알루미늄 1100 및 구리(99%)로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 소재인 방법.18. The method of any one of the preceding claims, wherein the sheet of material is a metal material selected from the group consisting of steel, aluminum 1100 and copper (99%).

미세구조체의 어레이를 미세성형하는 장치에 있어서, In an apparatus for microforming an array of microstructures,

돌기의 어레이를 갖는 펀치; A punch having an array of protrusions;

다이; 및die; And

미세성형 동안 적소에서 소재의 시트를 유지하기 위한 홀더를 포함하되,A holder for holding the sheet of material in place during microforming,

각 돌기는 소재의 시트가 대응하는 미세구조체로 변형되도록 하는 형태로 되며; 상기 소재의 시트는 돌기의 어레이로 펀칭되어 미세구조체의 어레이를 성형하는 장치.Each protrusion is shaped such that the sheet of material is deformed into a corresponding microstructure; And the sheet of material is punched into an array of protrusions to form an array of microstructures.

제 19항에 있어서, 상기 미세구조체는 마이크로니들을 포함하는 것인 장치.20. The device of claim 19, wherein the microstructures comprise microneedle.

제 19항 또는 제 20항에 있어서, 실질적으로 일정한 반작용 서포트가 미세성형 동안에 각각의 미세구조체 영역에서 소재의 시트 상에 제공되는 것인 장치. 21. The apparatus of claim 19 or 20, wherein a substantially constant reaction support is provided on the sheet of material in each microstructure region during microforming.

제 16항에 있어서, 상기 실질적으로 일정한 반작용 서포트가 상기 다이에 의해 제공되는 것인 장치.The apparatus of claim 16, wherein the substantially constant reaction support is provided by the die.

제 22항에 있어서, 상기 다이는 변형가능한 다이인 장치.23. The apparatus of claim 22, wherein the die is a deformable die.

제 19항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펀치의 종횡비는 소재 시트의 주어진 두께에 대해, 미세구조체의 성형 동안에 소재의 시트에서 평면 응력이 감소되거나 회피되도록 선택되는 것인 장치.24. The apparatus of any of claims 19-23, wherein the aspect ratio of the punch is selected such that for a given thickness of the workpiece sheet, planar stresses are reduced or avoided in the sheet of workpiece during molding of the microstructures.

제 19항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서, 각 미세구조체는 중실 팁(solid tip)으로 성형되는 것인 장치.24. The device of any of claims 19-23, wherein each microstructure is molded into a solid tip.

제 19항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서, 각 미세구조체는 그의 팁에 구멍이 성형되는 것인 장치.24. The device of any of claims 19-23, wherein each microstructure is shaped with a hole in its tip.

제 26항에 있어서, 상기 펀치의 각 돌기의 팁의 곡률은 소재 시트의 주어진 두께에 대해서, 미세성형의 초기 단계에서 구멍 또는 균열이 생성되도록 선택되고, 상기 구멍 또는 균열은 이후 미세성형 동안에 팽창되어 각 미세구조체의 팁에 개구를 만드는 것인 장치.27. The method of claim 26, wherein the curvature of the tip of each protrusion of the punch is selected such that a hole or crack is created at an early stage of microforming, for a given thickness of the sheet of material, and the hole or crack is then expanded during microforming. And making an opening in the tip of each microstructure.

제 23항에 있어서, 상기 변형가능한 다이는 변형 후에 부분적으로 또는 실질적으로 복원되는 소재로 제조되는 것인 장치.24. The apparatus of claim 23, wherein the deformable die is made of a material that is partially or substantially restored after deformation.

제 28항에 있어서, 상기 소재는 반결정성 중합체 물질을 포함하는 것인 장치.29. The device of claim 28, wherein the material comprises a semicrystalline polymeric material.

제 28항 또는 제 29항에 있어서, 상기 변형가능한 다이는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리프로필렌(PP), 테플론(폴리테트라 플루오로에틸렌, PTFE) 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 이루어진 군으로부터 선택된 소재로 제조되는 것인 장치.30. The material of claim 28 or 29 wherein the deformable die is a material selected from the group consisting of high density polyethylene (HDPE), polypropylene (PP), Teflon (polytetrafluoroethylene, PTFE) and polyethylene terephthalate (PET). To be manufactured with.

제 19항 내지 제 30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고체 윤활제는 상기 펀치에 도포되는 것인 장치.31. The apparatus of any of claims 19-30, wherein the solid lubricant is applied to the punch.

제 31항에 있어서, 상기 고체 윤활제는 Ta-C(테라헤드럴-비정질 탄소) 코팅을 포함하는 것인 장치.32. The device of claim 31, wherein the solid lubricant comprises a Ta-C (terraheadral-amorphous carbon) coating.

제 19항 내지 제 32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미세구조체의 경화를 위해서 각각의 미세구조체의 내부면 상에 코팅을 도포하는 수단을 추가로 포함하는 장치.33. The device of any of claims 19-32, further comprising means for applying a coating on the inner surface of each microstructure for curing the microstructure.

제 33항에 있어서, 상기 코팅은 전기도금 공정을 포함하는 것인 장치.34. The apparatus of claim 33, wherein the coating comprises an electroplating process.

제 34항에 있어서, 상기 전기도금공정은 니켈 도금을 포함하는 것인 장치.35. The apparatus of claim 34, wherein the electroplating process comprises nickel plating.

제 19항 내지 제 35항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소재의 시트는 스틸, 알루미늄 1100 및 구리(99%)로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 소재인 장치. 36. The apparatus of any of claims 19 to 35, wherein the sheet of material is a metal material selected from the group consisting of steel, aluminum 1100 and copper (99%).