ガス透過性金型による高溶解型無痛ナノマイクロニードルの開発
富山県立大学大学院工学研究科

竹井敏、山 岸里 緒、三 浦早耶香

This study aimed to expand the surface nano and micro-patterning techniques of highly dissolvable painless microneedlematerials such as hyaluronic acid, collagen, and other substances in imprint lithography techniques using the developed
inorganic gas-permeable porous molds for cosmetic applications. The microneedle materials have superior properties ofskin appearance and transdermal drug delivery systems. However, because hyaluronic acid and collagen are either solidor semisolid at room temperature, and because the use of water and volatile solvents in microneedle can be a cause ofpattern failure in surface nano and micro-patterning techniques, these materials have been of limited utility as microneedle
for high resolution cosmetic applications. Excellent resolution nano-microneedle patterning can be achieved by diluting
water or volatile solvents in imprint lithography techniques using the gas-permeable molds. Based on this study, acceptablechemistries for the imprinted materials have been expanded, which will be beneficial for future applications with various
cosmetic and pharmaceutical materials containing dilution water using the gas-permeable porous molds.

１．緒

皮膚への浸透は困難であるとされている。

言

化粧品や医薬品において、高分子量の有効成分を生きたヒアルロン酸を成分とするマイクロニードルは、痛みや細胞層に届ける方法としては、有効成分を封入したエマ恐怖を伴う注射に代わる新規薬剤投与手段として化粧品やルションやリポソームの微粒子キャリアを用いる方法 3）や、医薬品のライフサイエンス分野で注目されている 1 , 2）。ヒ

高電圧の負荷により薬剤を細胞内へ導入するエレクトロポ

アルロン酸はグリコサミノグルカンの一種で D- グルクローレーション法 4）、電気エネルギーを利用して薬物の皮膚ン酸と N- アセチル -D- グルコサミンの繰り返し構成単位透過性を促進するイオントフォレシス法 5）、超音波を利用二糖からなる直鎖状の高分子多糖である。生体内において、したソノフォレシス法 6）の物理的経皮吸収促進法が報告さ

皮膚、関節、眼球の硝子体に多く含まれ、保水性が非常にれている。

高く、1 g 当たり 2 〜 6 L の水を保持して高粘度のゲルを形

しかしながら、これらの方法では、投与時に特別な装置成できることから、皮膚の水分保持や関節の保護の重要なを必要とするという欠点があることや、電圧・超音波によ機能を果たしている。ヒアルロン酸は、紫外線や加齢による処理後の皮膚バリアの障害、角質層下の生きた細胞・組って減少することが報告されており、その減少が皮膚のシ織への影響が懸念されている。そこで、マイクロニードル

ワやたるみに大きく影響している。シワやたるみなどの肌を用いた経皮吸収促進法が期待されている。マイクロニー

老化を改善するためには、ヒアルロン酸を皮膚内に浸透さドルとは、マイクロメートルサイズの超微細針を皮膚に適せることが求められる。

用することにより角質層に微小孔を開け、有効成分を皮膚しかし、皮膚の最外層に位置する角質層は外部からの刺内で放出させる投与法である。マイクロニードルの素材と激や異物の侵入を防ぐバリア機能を有している。角質層はしてヒアルロン酸を使用したもの、または金属製の微細針

ケラチンや繊維状タンパク質、セラミドや中性脂質から成にヒアルロン酸をコーティングしたものを皮膚に適用する

り立っており、水溶性物質や分子量が 500 以上の物質の透ことにより、針の先端が角質層に穿刺され、ヒアルロン酸過を制限している。そのため、適度に脂溶性であり、分子を直接角質層に浸透させることができる。

量が 500 以下である物質でなければ、角質層を通過するこ

マイクロニードルを用いた経皮投与の特徴として、安全とができない。分子量 500 を超える水溶性化合物の皮膚透かつ簡便な投与形態により自己投与が可能であること、ニ過性は極めて低く、ヒアルロン酸のような水溶性高分子のードルの微小化により痛みを伴わず、出血がないこと、薬*物分子量・油水分配係数の物理化学的性質に依存せず、水Development of Highly Dissolvable
Painless Nano-microneedles Using Gas
Permeable Porous Molds*Satoshi Takei, Rio Yamagishi, Sayaka
Miura
G r a du at e S c ho o l of E ng i ne e r i ng ,Toyama Prefectural University

溶性の高分子や粒子状の物質を皮膚内に送達できること、固形製剤により保管・輸送に便利であること、生分解性・自己溶解性の成分を使用したマイクロニードルにおいては注射針の産業廃棄物のコスト削減が可能であることが挙げられる。国内外で現在市販されているマイクロニードルの針先の形状は、三角錐、富士山型、四角錐、円錐と多種多− 26 −

ガス透過性金型による高溶解型無痛ナノマイクロニードルの開発様である。皮膚への穿刺の際に先端半径が小さいほどよく刺さり、皮膚刺激性や痛みは少ないとされている。
しかし、既存品は針が神経に到達するサイズであり適用時の痛みや違和感を伴う課題になる場合がある。既存のマイクロニードルの針の大きさは、底面直径が約 150 µm 〜900 µm、高さが約 200 µm 〜 350 µm である。これは、注射針と比較してはるかに微細であるが、神経の通る真皮層

図 1 皮膚の断面図と既存の自己溶解型マイクロニードルのサイズに到達するサイズであるため、適用時の痛みや違和感を生じるという欠点がある（図 1）。
マイクロニードルの製造法としては、主に Droplet-born
Air Blowing（DAB）方式と Molding 方式の 2 つの微細加工技術に大別される。Droplet-born Air Blowing（DAB）方式では、インクジェット技術を用いてヒアルロン酸などの生分解性ポリマー溶液の液滴を基板上に等間隔に付着させ、その上に別の基板を重ねゆっくり引き離す 7）。粘度の高いポリマー液滴は引き延ばされ、送風機により空気を吹きかけ乾燥させることでマイクロニードルを作製する。DAB方式では、液滴の引き上げにより作製するため、ニードルの長さや形状に制限があり、解像度が低く微細加工が困難であることや、ニードルの高さにばらつきがあること、機械的な強度が弱いことの欠点がある。
一方、Molding 方式は、ヒアルロン酸の生分解性ポリマー溶液を、微細加工が施された金型に流し込む、または金型を押し当て、加熱し硬化することによりマイクロニードルを作製する 8）。Molding 方式は微細加工ができるためマイクロニードルの更なる微細化が可能となる。しかし、石英や金属製の金型を使用する従来の Molding 方式の過程では、加熱時の水や溶剤によるガスの発生、成形不良、金型の破損の課題があった。特に、ヒアルロン酸やコラーゲンの高分子量の美容成分は高粘度であることや溶剤や水を用いて調製をすることから、自己溶解型マイクロニードルの微細化が困難であるという課題があった。
そこで、我々は、成形時に金型と美容成分溶液の間に巻き込まれるガスを除去することが可能な「ガス透過性多孔図 2 目的：ガス透過性多孔質金型によるマイクロニードルの微細化・成形不良改善質金型」を用い 9 , 10）、Molding 法の一種であるインプリントリソグラフィを用いた自己溶解型マイクロニードルパッ

多孔質無機系金型を用いると、発生したガスは金型の多孔チの製造技術を見出した。

質構造を通過し金型外へと除去されるため、成形不良を改本研究では、無機系 TiO 2 -SiO 2 系ガス透過性多孔質金善できた（図 2）。

型によりヒアルロン酸素材の自己溶解型マイクロニードル2．方を既存の約 20 分の 1 以下のサイズに超微細化する技術を報告する。具体的には、微細加工技術の一種であるインプ法

2 . 1. TiO 2 -SiO 2 系ガス透過性多孔質無機系金型

リントリソグラフィを用いて超微細マイクロニードルの作

酸化チタンカップリング剤と酸化ケイ素カップリング剤製を試みた。インプリント加工において、従来の非ガス透を混合後ゾル - ゲル重合を行い、TiO 2 -SiO 2 系ガス透過性過性金型では、金型と被転写材間のガスの巻き込みにより多孔質無機系ポリマーを合成した 11 , 12）。ガス透過性多孔成形不良を生じるが、新たに試作した TiO 2 -SiO 2 系ガス質金型の多孔質度と機械的強度とマイクロニードル成分の透過性多孔質無機系ポリマーと 3 次元光造形法で積層したヒアルロン酸との離型性はそれぞれトレードオフの関係とガス透過性金属を組み合わせた TiO 2 -SiO 2 系ガス透過性なるため、超微細マイクロニードルの製造用に新たな分子− 27 −

コスメトロジー研究報告 Vol. 32, 2024

設計を施した TiO 2 -SiO 2 系ガス透過性多孔質無機系金型

浸透性向上を目指した。

を開発した。TiO 2 -SiO 2 系ガス透過性多孔質無機系金型の多孔質度を増加させるために、螺旋構造を有する新たな分子系を、微細マイクロニードルのナノ突起構造を形成する

2 . 2 . ガス透過性多孔質金型による高溶解型無痛ナノマイクロニードルの製造法

TiO 2 -SiO 2 系ガス透過性多孔質無機系金型上層膜に使用しTiO 2 -SiO 2 系ガス透過性多孔質金型、並びにヒアルロンた。TiO 2 -SiO 2 系ガス透過性多孔質無機系金型上層膜の設酸系高溶解型無痛ナノマイクロニードルへの製造法を示す計要素（分子構造・分子量・分散値・架橋反応基濃度・水（図 4）。本研究で行うナノインプリントリソグラフィプロ

酸基濃度・反応抑制基の濃度・機械的強度・ガス透過率・セスは、①凸型石英マスター金型を、3 次元光造形法で積陽電子寿命法による自由体積分布・ガス透過性下地基板と層したガス透過性金属下層基板上に TiO 2 -SiO 2 系ガス透の密着性・表面エネルギー）について最適化条件を確立し過性多孔質無機系金型上層膜材料に転写し、TiO 2 -SiO 2 系た。合成した TiO 2 -SiO 2 系ガス透過性多孔質無機系金型

ガス透過性多孔質無機系金型上層膜を作製する工程と、②と架橋剤と触媒からなる TiO 2 -SiO 2 系ガス透過性多孔質

TiO 2 -SiO 2 系ガス透過性多孔質無機系金型を高純度加水無機系金型形成組成物を調製した（図 3）。TiO 2 -SiO 2 系ガ

分解ヒアルロン酸の溶液に転写する工程の 2 段階で構成さス透過性多孔質金型を用い、従来の約 20 分の 1 のサイズれる。①の工程では、凸型石英マスター金型を TiO 2 -SiO 2のマイクロニードルの設計及び製造により、皮膚に適応す系ガス透過性多孔質無機系金型上層膜材料に乗せて加圧し、る際の痛みや違和感の低減、表面積増大による美容成分の加熱または UV 照射により硬化することで TiO 2 -SiO 2 系ガ

図 3 TiO2-SiO2 系ガス透過性多孔質無機系金型と被転写材ヒアルロン酸

図 4 ガス透過性多孔質金型とヒアルロン酸系ナノマイクロニードルの製造法− 28 −

ガス透過性金型による高溶解型無痛ナノマイクロニードルの開発

ス透過性多孔質無機系金型上層膜を得た。②の工程では、生じている。一方で、TiO 2 -SiO 2 系ガス透過性多孔質無機ヒアルロン酸溶液の被転写材を塗布した基板上に、①で作系金型を使用した場合、先端まで加水分解ヒアルロン酸が製した TiO 2 -SiO 2 系ガス透過性多孔質無機系金型を乗せ充填されており、成形不良が改善されていることが分かる。て加圧し、低温乾燥によりニードルパターンを得た。同じ

また、TiO 2 -SiO 2 系ガス透過性多孔質無機系金型を使用し一つのガス透過性金型により②の工程を繰り返すことによた加水分解ヒアルロン酸への転写を 14 回繰り返したとこって、超微細マイクロニードルパッチの大量生産が可能とろ、1 回目と 14 回目の転写結果に大きな差は見られなかなる製造法を適用した。

った。同じ一つの金型で繰り返し転写が可能であることか

3．結ら、TiO 2 -SiO 2 系ガス透過性多孔質無機系金型は有機系材

果料である加水分解ヒアルロン酸との離型性に優れ、金型の3 . 1. 加水分解ヒアルロン酸マイクロニードル形状のインプリント回数依存性汚れ・剥離を防止できることが実証された。本実験では、

TiO 2 -SiO 2 系ガス透過性多孔質無機系金型を用いて製造プリント装置を使用した場合、さらなる転写回数の向上がした、底面直径 13 µm、高さ 24 µm（従来の約 20 分の 1 の実現できる可能性があり、生産技術の確立を今後進める。

手動のナノインプリント加工であったが、自動のナノインサイズ）の高純度加水分解ヒアルロン酸の超微細マイクロ多孔質無機系金型を用いた微細加工結果及び回数依存性測

3 . 2 . 加水分解ヒアルロン酸へのインプリント加工前後の熱分解・化学変性定結果を示す（図 5）。従来の凹型石英マスター金型を使用加水分解ヒアルロン酸系超微細マイクロニードル成形時して成形した場合の超微細マイクロニードルは、水や揮発の熱分解・化学変性を確認するため、80 ℃、90 分間の加性溶剤の影響により針の先端が尖っておらず、成形不良を熱前後における加水分解ヒアルロン酸のフーリエ変換赤外ニードルに対する評価を行った。TiO 2 -SiO 2 系ガス透過性

図 5 TiO2-SiO2 系ガス透過性多孔質無機系金型を用いた加水分解ヒアルロン酸マイ
クロニードル形状のインプリント回数依存性− 29 −

コスメトロジー研究報告 Vol. 32, 2024

分光器（FT-IR）スペクトルを測定した結果を図 6 に示す。
-1及び（b）は、底面の一辺の長さが 364 µm、高さが 346 µm-1の市販マイクロニードル、（d）は、直径が約 13 µm、高さ11（C-H 結 合 ）、1740 cm-（エステル）、1649 cm-（アミド Iが 24 µm の超微細マイクロニードルの走査電子顕微鏡の画

加熱前のスペクトルでは 3400 cm （O-H 結合）、2880 cm-1-1型）、1554 cm （アミド II 型）、1045 cm （C-O 結合）にピ像である。市販のマイクロニードルの先端は尖っておらず、ークが検出された。加熱後のスペクトルにおいても同様に加水分解ヒアルロン酸超微細マイクロニードルの先端と比1113375 cm-（O-H結合）、2885 cm-（C-H結合）、1735 cm-（エ較して平坦である。

-1-1

また、31 ℃、湿度 90 ～ 95 ％の環境下で静置した際のステル）、1640 cm （アミド I 型）
、1551 cm （アミド II 型）、-11033 cm （C-O 結合）にピークが検出され、加熱による加各マイクロニードルの溶解挙動について、（e）加水分解

水分解ヒアルロン酸の成分変化、化学変性はほとんど見ら

ヒアルロン酸素材の超微細マイクロニードル（無添加）は、れないことが分かった。

（c）ヒアルロン酸ナトリウムのほかに、高湿度下で溶解しやすい吸湿性を持つグリセリンやブチレングリコールな

3 . 3 . 加水分解ヒアルロン酸の超微細マイクロニード
ルの溶解挙動どの各種添加物を配合した市販のマイクロニードルと同様

加水分解ヒアルロン酸の超微細マイクロニードル溶解挙て、加水分解ヒアルロン酸素材の超微細マイクロニードル

動を環境試験装置により測定した結果を図７に示す。
（a）は、溶解を促進する添加剤不使用であるにも関わらず、よに、35 分間で体積の 60 ％以上が溶解していた。したがっ

図 6 インプリントによる成形加熱前後での高純度加水分解ヒアルロン酸の化学変性分析

図 7 恒温高湿度環境下でのマイクロニードルの溶解挙動の比較− 30 −

ガス透過性金型による高溶解型無痛ナノマイクロニードルの開発

図 8 TiO2-SiO2 系ガス透過性多孔質無機系金型で切り開くナノ加工による素材表面の機能発現り短時間で皮膚に作用する点で有利であることが分かった。

化チタンと酸化ケイ素のハイブリッド化によるフレキシブ

試作した加水分解ヒアルロン酸系超微細マイクロニード

ル性の制御に優れる利点があり、金型表層の多孔質化によ

ルは、真皮に届かず痛みを伴わず、② 1 時間以内で溶解し、る優れた水・ガスを除去できるガス透過性を有することか③皮膚にまんべんなく浸透させる高溶解型無痛ナノマイク

ら、複雑な微細構造の離型を可能とし、成形できる構造のロニードルとなる初期的な学術成果が得られた。

多様化が期待できると考えられる 14）。具体的には、TiO 2 SiO 2 系ガス透過性多孔質無機系金型を用いたエレクトロ

４．考察・まとめニクスからライフサイエンス用途への微細加工技術の具体

次世代の化粧品・美容製品の差別化・高付加価値化を鍵的な期待される用途を図 8 に示す。超微細マイクロニードとなる「浸透性」を画期的に改善できる１cm 2 当たり 100ルの製造の他にも、モスアイ構造を付与した抗菌性ナノ突万本以上の高溶解型無痛ナノマイクロニードルを目指し起フィルムや細胞の成長を促進する 3 次元培養培地、食品て、新たに分子設計を施した TiO 2 -SiO 2 系ガス透過性多腐敗を検知し食品ロスの低減に貢献できる食品腐敗センサ

孔質無機系金型による、化粧品用の超微細マイクロニードへの応用が期待され、幅広い分野への用途展開を加速してルパッチの初期的な生産技術を提案できた 13）。具体的には、いくことにより新たな社会基盤の構築が進むことが予想さ

TiO 2 -SiO 2 系ガス透過性多孔質無機系金型の活用により、れる。

従来の約 20 分の１のサイズの超微細マイクロニードルの成形が実現できることを確認し、評価にて優れた溶解性及び熱安定性を評価した。マウスやブタ等を用いた皮膚への（引用文献）
1） I. Saha, V. K. Rai, Carbohydrate Polymers 2 6 7,118168（2021）．

浸透性・有効性の評価など、より高精度な生体適合性評価を今後行う。本研究成果は、化粧品分野にとどまらず、高2） S. Miura, R. Yamagishi, R. Miyazaki, K. Yasuda, Y.

純度加水分解ヒアルロン酸を基材・マトリクスとして、イKawano, Y. Yokoyama, N. Sugino, T. Kameda, S. Takei,ンスリン等の高分子量バイオ医薬品・薬剤を塗布またはヒGels, 8, 785（2022）．

アルロン酸溶液に含有させ微細加工をすることにより、自3） H. Zhou, D. Luo, D. Chen, X. Tan, X. Bai, Z. Liu, X.

己投与可能かつ痛みを伴わない経皮投与製剤への展開が期

Yang, W. Liu, Clinical, Cosmetic and Investigational

待できると思われる。

Dermatology, 14, 867（2021）．

また、TiO 2 -SiO 2 系ガス透過性多孔質無機系金型は、酸4） X. Chen, L. Zhu, R. Li, L. Pang, S. Zhu, J. Ma, L. Du,− 31 −

コスメトロジー研究報告 Vol. 32, 2024

Y. Jin, European Journal of Pharmaceutical Sciences,11）S. Miura, R. Yamagishi, N. Sugino, Y. Yokoyama,R. Miyazaki, K. Yasuda, M. Ando, Y. Hachikubo, T.

151, 105410（2020）．
5） A. Liatsopoulou, A. Varvaresou, F. Mellou, E.

Murashita, T. Kameda, Y. Kawano, S. Takei, Journal

Protopapa, International Journal of Cosmetic Science,of Photopolymer Science and Technology, 3 6 , 3 1 8 3（2023）．

45(2), 117（2023）．
6） D. Park, H. Park, J. Seo, S. Lee, Ultrasonics, 54（1），12）R. Yamagishi, S. Miura, K. Yasuda, N. Sugino, T.
Kameda, Y. Kawano, Y. Yokoyama, S. Takei, Appl.

56（2014）．

Phys. Express, 15 , 046502（2022）．

7） J. D. Kim, M. Kim, H. Yang, K. Lee, H. Jung, Journal13）R. Yamagishi, S. Miura, S. Takei, COSMETICof controlled release, 170（3）, 430（2013）．

STAGE Vol. 18 , No. 1（2023）．

8） H. R. Nejad, A. Sadeqi, G. Kiaee, S. Sonkusale,
Microsystems & nanoengineering, 4（1）, 1（2018）．

14）R. Yamagishi, S. Miura, M. Ando, Y. Hachikubo, T.

9） S. Takei, Kaori Yasuda, Appl. Phys. Express,

Murashita, N. Sugino, T. Kameda, Y. Yokoyama, Y.
Kawano, K. Yasuda, S. Takei, Journal of Photopolymer

13106506（2020）．
10）S. Takei, Applied Physics Express, 1 2（4）, 0 4 6 5 0 1（2019）．

− 32 −

Science and Technology, 36（2）, 83（2023）．