福岡県工業技術センター
研究報告 No.29 (2019)

ホットエンボス加工による中空マイクロニードルアレイ成形技術の開発
在川 功一 *1

谷川 義博 *2

安部 年史 *1

Development of hollow microneedle array molding technology by hot embossing
Kouichi Zaikawa, Yoshihiro Tanigawa and Toshifumi Abe

近年の薬剤学・材料工学・加工工学のさらなる進歩に伴い，新たな薬剤投与技術や治療・診断技術が開発され，臨床の場で使用されつつある。「マイクロニードルアレイ」はそれら多くの新しい技術の1つであり，「痛み」や手技の煩雑性などの課題を解決しうる方法として注目されている。マイクロニードルアレイに関しては ，国内外において研究開発が進んでいるものの，製造コストや成形精度について課題が残っており，安価で高精度な製造技術が必要とされている。そこで，本研究では，ホットエンボス加工によって製作された樹脂鋳型とマスター型を使用して中空のマイクロニードルアレイを低コストかつ高精度に成形可能な技術を開発する。

1 研究の目的と背景ストで製造することは困難である。

近年の薬剤学・材料工学・加工技術のさらなる進歩

また，中実ニードルでは針表面に塗布またはコーテにともない，新たな投与技術や治療・診断技術が開発ィングされた薬剤のみが供給されるため，薬剤の供給され臨床の場で使用されつつある。「マイクロニード量不足が課題となっている。

ル技術」はそれら多くの新しい技術の1つであり，従そこで本研究ではホットエンボス技術に着目した。

来注射針を使用する治療や診断の際の「痛み」や「手ホットエンボスとは樹脂を軟化点温度以上に加熱し，技の煩雑性」などの課題を解決しうる方法として注目形状部を押し付けることによって，それを樹脂へと転されている。マイクロニードルの形状は先端直径が1写する技術であり，所望のMNAと同形状のマスター型～25 μm，底面直径と高さのアスペクト比が1以上のを放電加工にて製作し，樹脂鋳型(PEEK等)にその形状円錐形状であり，薬剤供給効率の関係から単独での使を熱転写することによって，MNAを成形する。さらに用が想定されることは少なく，その集合体である「マニードル成形後に再度ホットエンボスすることによっイクロニードルアレイ（以下，MNAという。）」としてて中空ニードルの成形を実施し，高精度かつ低コスト，

1)の使用が想定されている 。

そして薬剤の供給量も向上可能な中空タイプのMNAの従来のMNAの製造方法としては，主に次の3つが挙げ量産化技術を開発することを目的とした。

られる。
①フォトリソグラフィ法 2) （金属製中実ニードル）

2 実験方法②引き上げ・引き下げ法 3) （樹脂製中実ニードル）

図 1 は本研究で開発する中空 MNA 成形工程を示した③射出成形法（樹脂製中実ニードル）ものである。このように①マスター型の製作，②樹脂金属製中実ニードルを製造する①はエッチングによ鋳型の成形，③中空 MNA の成形という 3 工程を経て成る形状精度の低下やクリーンルーム等の設備コスト増形した。

大など，製造コストの高騰が課題となっているほか，

2-1 放電加工によるニードルマスター型製作折損による体内残存のリスクも挙げられる。一方，樹本研究では，放電加工でニードルのマスター型を製脂製中実ニードルを製造する②では形状精度のバラツ作するが，電極材としてグラファイトに銅を含浸させキ，③では針先端を鋭利に成形することが困難な問題た材料（以下，銅グラファイトという。）を使用する。などが挙げられ，従来技術ではMNAを高精度・低コ

銅グラファイトはグラファイトの快削性に加え，銅特有の高い電気伝導率を有する新しい放電加工用電極材*1 機械電子研究所*2 公益財団法人 飯塚研究開発機構

である。ニードルマスター型は円錐形状の集合体であ- 33 -

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研究報告 No.29 (2019)①マスター型の製作②樹脂鋳型の成形③中空マイクロニードルアレイの成形
2 回目

1 回目

図1

本研究で開発した中空マイクロニードルアレイ製造工程の概要

るため，電極形状はその対称である微細な円錐穴を加3-1 放電加工によるニードルマスター型製作工しなければならない。銅をはじめとする金属電極で

表1は本研究で実施した放電加工の条件である 。15×は，バリが原因となるマスター形状の精度低下が懸念

15 mmの面積に対し，1 mmピッチ，X,Y方向に10針ずつされるため，この銅グラファイト電極を用いることと計100針のニードルアレイを加工するため，同寸法でした。円錐穴の加工にはテーパエンドミルを使用し，円錐穴を加工した電極を作製して加工に用いた。ピー

その他の条件として，加工油には放電加工専用油“メク電流，パルス幅等の電気条件に関しては，繰り返しタルワーク EDF-K2”（JXTG エネルギー社製）を，被削加工実験にて得られた最適条件としている。円錐穴を材には金型材として用いられる“ELMAX”（ボーラー・加工した電極からニードル形状を加工するためには，ウッデホルム社；SUS440C 系）を用いて実験を行った。

円揺動しながら下降する「らせん揺動」の動作が必要

2-2 ホットエンボス加工による樹脂鋳型の成形である。そのため，揺動半径によってニードルの形状

図 2 に本研究で製作したホットエンボス装置の外観が変化す ること が考え られ る 。その ため揺 動半径 をを示す。押込み量や荷重の制御を容易にするため，ス0.05 mmから0.20 mmまで段階的に変化させて，形状のテッピングモータとエアシリンダを組み合わせて製作比較を行った。図3はそれぞれの揺動半径で加工したした。また，マスター型と樹脂鋳型は独立して温度制際の形状の一部を抜き出して測定したものである。測御が可能な仕様とするため，温度コントローラとヒー定には非接触3次元測定器であるNH-3SP（三鷹光器社

タを 2 セット用意し，真空中で成形可能な装置とした。

製）を用いた。結果を比較すると，揺動半径0.05 mm

樹脂鋳型の材料としては，耐熱性，耐薬品性に優れるおよび0.10 mmの条件においては，先端に平坦部が残PEEK および離型性の検証と比較を行う目的で滑り性存する結果となり，先端に鋭利な形状が必要なMNAのに優れるフッ素樹脂(PFA)を使用して成形を行った。

マスター型としては，不十分な結果となった 。0.125

2-3 中空 MNA の成形mm，0.15 mmでは先端が鋭利な形状となり，根元直径作製した樹脂鋳型に対し，ペレット状の生分解性樹がそ れ ぞれ232 μm，204 μm，高 さ が651 μm，535

脂であるポリ乳酸(PLA)を供給し，真空中または大気μmのニードルが確認された。0.20 mmではニードル部中で溶融させることによって，中実の MNA を成形した。の高さが247 μmとなっており，高さが不足する結果さらに成形後，マスター型を使用して再度ホットエンとなった。

ボス加工を行うことによって，中空部を成形し，樹脂

図4は横軸に揺動半径，縦軸にニードル根元直径お鋳型から離型させることにより，中空 MNA を得た。

よび高さを示したグラフである。揺動半径の増加につれ，直径は減少する傾向にあることが確認でき，高さ3 実験結果は0.125 mmまでは減少量は小さいものの，それを超えると減少量が大きくなることを確認した。これらの結表1

図2

ホットエンボス装置- 34 -放電条件

Workpiece

ELMAX(SUS440C;15×15×45 mm)

ElectrodeCuGr(TTK8C)

IP[A]1.0,1.5,2.0,2.5,8.0,11.0

On Time[μs]2.0,8.8,22.4

Off Time[μs]8.0,24.0,30.4

Condenser[pF]

0,1000,4300,9000,19000,52000

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a)b)

c)

100μm

図3

100μm

100μm

揺動半径別のマスター型のニードル形状 a)0.05 mm, b)0.125 mm, c)0.20 mm

果から，揺動半径の条件は0.125 mmとし，この条件にて得られた形状(図5)をマスター型として使用した。
3-2 ホットエンボス加工による樹脂鋳型の成形
表2は樹脂鋳型成形時のホットエンボスの条件である。エンボス時の温度条件はPEEKおよびPFAの荷重たわみ温度およびガラス転移点温度を考慮して，それらを約50 ℃上回る温度から段階的に定めた。離型時の温度に関しては，その温度を下回る温度で段階的に設

図4

揺動半径と直径，高さの関係定した。エンボス荷重はシリンダ空圧0.6 MPa=483 N
で 一 定 と し た 。 PEEK の 場 合 は 250 ℃ ， PFA の 場 合 は
230 ℃以上でマスター形状と近似した形状が得られたが，これらの温度よりも低い温度では転写深さが小さくなる結果となった。
これらの結果より，マスター形状に最も近い結果が得られたPEEK；270 ℃，PFA；250 ℃を最良の樹脂鋳型成形条件とし，それぞれの鋳型を用いた中空MNA成形実験を実施した。
3-3 中空MNAの成形表2にPLA(Nature3D社製)を用い てMNAを成形し た 際の条件を示す。なお，PLAはペレット状のものであり，成形の前処理として80 ℃にて2時間以上乾燥させて使用した。溶融温度は200 ℃とし，離型温度を変化させ

図5

マイクロニードルマスター型

表2

樹脂鋳型ホットエンボス条件
Plastic

PEEK,PFA

size[mm]

φ30×5

m.p.[℃]

340

ることにより，ニードル形状を比較・評価した。成形

Tg[℃]

180

方法は図6に示すように(a)ペレットを溶融し，(b)そMolding

PEEKの 状 態 で PLAを 治 具 ( 平 板 ア タ ッ チ メ ン ト ) で 押 込 み

Temperature[℃]
Release230,250,270
140

70 ℃まで 冷却 ・押 込み 開 放， (c)治具を 取り 外し ，

Temperature[℃]

180 ℃まで加熱後再度マスター型にてホットエンボス

m.p.[℃]

310

加工，という流れである。これらのプロセスを経て，

Tg[℃]

150

中空MNAの成形を試みた。

PFA

まずは，中空部を成形する前に中実のMNAを成形す

Moldingtemperature[℃]
Releaseることによって離型温度の最適化を図った。図7はPFA

temperature[℃]

210,230,250
140の樹脂鋳型において，離型温度を変化させて樹脂鋳型

Embossed load[N]483

からMNAを離型した際の顕微鏡写真である。PEEK樹脂(Cylinder air pressure[MPa])(0.6)

Z-axis feed amount[mm]1.5- 35 -福岡県工業技術センター
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鋳型においても同様の実験を実施したが，離型性が悪くいずれの条件においても成形不良となった。したが

表3

MNA 成形条件って，以降の実験はPFAの樹脂鋳型を用いて実施した。
PLAの軟化点温度は70～80 ℃であるが，その近傍の条件で離型したものは良好な離型性を示した。一方，
90 ℃以上の条件で離型したものに関しては，鋳型側Mold Material

PEEK,PFA

Molding Resin

PLA(Nature 3D)

Molding Temperature[℃]200

Release temperature[℃]

70,80,90,100にPLAが残存，もしくは針先端が引っ張られるようなEmbossed load[N]402形となるなど，成形不良が発生する結果となった。

(Cylinder air pressure[MPa])(0.5)

Relief amount[mm]0.3,0.4,0.5

この 結果 を踏 まえ ，中 空部 分の 成形 を実 施し た 。
180 ℃まで加熱し，再度マスター型をホットエンボスすることによって中空部分を成形した。図8は中空部を成形する際に離型温度を変化させ，形状を比較した

(a)

(b)

(c)

顕微鏡写 真を示 す 。中 実ニ ードルの 離型時 と同様 ，70 ℃ならびに80 ℃においては良好な形状であるが，90 ℃以上ではマスターに付着して樹脂が連れ上がり，中空部が成形されないという現象が確認された。
次に，中空部の体積を最大限に確保するため，鋳型

図6

中空 MNA の成形工程の成形時のZ深さから上方に“逃げ量”を設定し，中空成形時のホットエンボス深さを0.1 mm毎にずらしながら実験 を行っ たとこ ろ ， 図9のよう に，逃 げ量0.5mmにおいて，良好なニードルが成形可能なことを確認した。
(a)70 ℃(b)90 ℃
図 7 離型温度別の中実 MNA

4 まとめ①円錐穴を有する電極を用いて“らせん揺動”を行いながら放電加工を行うことにより，円錐形状であるマイクロニードルマスターを加工する技術を開発した。
②PEEK，PFAを用いてマスター型をホットエンボス加工することにより，マイクロニードル成形用の樹脂鋳型を得た。

(a)70 ℃(b)90 ℃
図 8 離型温度別の中空部形状比較③PEEK樹脂鋳型を用いたMNAの成形では離型性が悪く成形不可能であったが，PFA樹脂鋳型を用いたMNAの成形では，中空部を有する成形を確認した。

5 参考文献1)情報機構：マイクロニードル技術動向および応用展
開 (2011)2)S.Henry, D.McAllister, et. al.:J.Pharm. Sci.
,87, pp.922-925(1998)
3)高間 信行，羅 凱峰，丸岡 豊，金 範埈：2018 年
度精密工学会春季大会，pp.519-520(2018)4) 小 粥

教 幸 ： Fragrance journal 43(1), pp.49-55( 2015)
図9- 36 -中空 MNA 形状