A Development of Tapered Metallic Microneedle Array for Bio-medical Application

생체의학에 적용 가능한 테이퍼형태의 금속성 마이코로니들 어레이의 개발

This paper presents a novel fabrication process for a tapered hollow metallic microneedle array using backside exposure of SU-8, and analytic solutions of critical buckling of a tapered hollow microneedle. An SU-8 meta was formed on a Pyrex glass substrate and another SU-8 layer, which was spun on top of the SU-8 mesa, was exposed through the backside of the glass substrate. An array of SU-8 tapered pillar structures. with angles in the range of $3.1^{\circ}{\sim}5^{\circ}$ was formed on top of the SU-8 mesa. Conformal electrodeposition of metal was carried out followed by a mechanical polishing using a pianarizing polymeric layer. All organic layers were then removed to create a metallic hollow microneedle array with a fluidic reservoir on the backside. Both $200{\mu}m\;and\;400{\mu}m$ tall, 10 by 10 arrays of metallic microneedles with inner diameters of the tip in the range of $33.6{\sim}101\;{\mu}m$ and wall thickness of $10{\mu}m\;-\;20{\mu}m$ were fabricated. Analytic solutions of the critical buckling of arbitrary-angled truncated cone-shaped columns are also presented. It was found that a single $400{\mu}m$ tall hollow cylindrical microneedle made of electroplated nickel with a wall thickness of $20{\mu}m$, a tapered angle of $3.08^{\circ}$ and a tip inner diameter of $33.6{\mu}m$ has a critical buckling force of 1.8 N. This analytic solution can be used for square or rectangular cross-sectioned column structures with proper modifications.

본 연구에서는 유리기판을 통한 SU-8의 이중층을 후면 노광을 통하여 테이퍼지고 속이 빈 형태의 마이크로니들 배열구조물을 만드는 새로운 방법을 제안하였으며 테이퍼지고 속이 빈 형태의 원형축의 Buckling현상에 관한 해석해를 구하였다. Pyrex 7740을 유리기판으로 사용하고 이중층 구조의 SU-8 막을 후면 노광으로 금형 구조물을 제작하는 공정을 개발하였다. $200\;{\mu}m$ 높이의 SU-8기둥들에서 $4.37{\sim}5^{\circ}$범위의 테이퍼 각도를 $400\;{\mu}m$ 높이의 SU-8기둥에서는 $3.08{\sim}4.48^{\circ}$범위 내의 테이퍼 각을 보여주고 있다. 후면 유체저장소와 가로세로 각각 10개의 테이퍼 형태로 전기도금된 니켈 마이크로니들 어레이를 유리 기판을 통해 이중층 구조의 SU-8막을 후면 노광하고. 니켈을 전기도금 함으로서 실현시켰다. $200\;{\mu}m$와 $400\;{\mu}m$ 높이의 벽두께 $10{\mu}m-20{\mu}m$ 및 내경 $33.6{\mu}m-101{\mu}m$인 마이크로니들 어레이를 제작하였다. 또한 $400\;{\mu}m$ 높이의 벽두께 $20\;{\mu}m$ 및 내경 $33.6\;{\mu}m$인 $3.08^{\circ}$의 테이퍼 각 마이크로니들의 임계 버클링힘은 1.8N이었다. 이 해는 차후의 테이퍼 형태의 마이크로니들의 설계시 많은 도움을 주리라 생각한다.