Mechanical design of polymer-based healthcare patch for enhanced adaptability to human body surface

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Wearable patch devices with high adaptability to human body surfaces have emerged as a versatile platform for next-generation healthcare applications. The physical adaptability of these systems—governed by flexibility, stretchability, and intrinsic self-adhesion—directly determines drug‐delivery efficiency and the duration of secure attachment. Nevertheless, achieving intimate and robust skin conformity remains challenging due to mechanical modulus mismatches among device components as well as between the device and the skin. Furthermore, sustaining reliable adhesion without auxiliary medical adhesives is crucial for practical deployment. Here, we introduce wearable patch architectures and fabrication strategies that employ functional microscale structures to enhance skin conformability and intrinsic self-adhesion for advanced drug‐delivery applications.
The first part of this study presents a transmucosal patch platform featuring root‐inspired microneedles that mechanically interlock rigid microneedle lattices with a compliant substrate. The lattice struts, once engaged with the soft substrate, generate orthogonal self‐tightening effects under applied deformation, thereby ensuring durable interfacial binding across varied mechanical loading conditions. The fabrication strategy integrates ultra‐high‐resolution 3D printing for constructing geometrically complex lattice architectures with solution‐based casting, enabling seamless integration with diverse soft substrate materials.
The second part describes a UV‐blocking drug‐delivery skin patch incorporating bioinspired microscale suction‐cup structures. By engineering a microscale suction‐cup array linked through a continuous bridge architecture, the system simultaneously supports strong adhesion and efficient drug loading. Additionally, the incorporation of an avobenzone–PDMS composite endows the patch with UV‐shielding capability, facilitating safe and routine administration of phototoxic therapeutics under daily light exposure.
Altogether, these bioinspired patch platforms demonstrate how structurally engineered interfacial mechanics can overcome long-standing limitations of soft–tissue adhesion, enabling stable and irritation-free drug administration on dynamic and compliant biological surfaces.

국문 초록 (Abstract)

웨어러블 패치 디바이스는 인체 표면에 대한 높은 적응성을 바탕으로 차세대 헬스케어 응용을 위한 다기능 플랫폼으로 부상하고 있다. 이러한 시스템의 물리적 적응성은 유연성, 신축성, 그리고 부착 성능에 의해 결정되며, 이러한 적응성은 약물 전달 효율 등의 디바이스의 성능과 직결된다. 그러나 디바이스 구성요소 간, 그리고 디바이스와 피부 사이의 소재적 물성 차이로 인해 피부에 견고하게 밀착 가능한 디바이스의 수준이 부족한 실정이다. 동시에, 의료용 접착제의 보조 없이도 인체 표면에 안정적으로, 자극 없이 부착할 수 있는 기술이 필수적이다. 이에 본 연구는 고기능성 미세 구조를 활용하여 피부 적합성과 자가 부착력을 향상시키는 웨어러블 패치 설계 및 제작 전략을 제시한다.
본 연구의 2장에서는 경질-연질 소재 결합을 위해 나무 뿌리의 구조에서 기인한 격자 마이크로니들을 적용하여, 경질 마이크로니들 격자와 연성 기판을 기계적 맞물림(interlocking) 방식으로 결합한 경구 점막 패치 플랫폼을 제시한다. 해당 구조는 외부 변형이 가해질 때 수직·수평 방향의 자가 조임 효과를 유도하며 기존의 이종소재 결합 마이크로니들 대비 3배 이상의 기계적 내구성을 입증하였다. 뿐만 아니라, 초고해상도 3D 프린팅을 통해 복잡한 기하학적 격자 구조를 구현하고, 이를 용액 기반 주조 공정과 결합하는 새로운 제조공정을 제안함으로써 다양한 연성 소재와의 통합을 가능하게 하였다.
3장에서는 생체모사 흡착 구조를 적용한 자외선 차단 및 약물전달 기능 통합 피부 패치를 다룬다. 브릿지 구조로 연결된 미세 흡착컵 어레이를 설계함으로써, 강한 점착성뿐 아니라 효율적 약물 담지 및 전달 기능을 동시에 확보하였다. 여기에 아보벤존–PDMS 복합 소재를 도입함으로써 패치에 자외선 차단 성능을 부여하여, 일상 환경에서 발생할 수 있는 광독성 약물의 안전한 피부 적용을 가능하게 하였다. 결과적으로 48시간 이상 지속되는 95% 이상의 자외선 차단 성능을 구현하였으며, 확산을 기반으로 1시간 이내에 약물 담지량의 80%을 전달하는 효율을 보였다.
종합적으로, 본 연구에서 제시한 생체 모사 기반 패치 플랫폼들은 미세구조의 기계학적 설계를 통해 소프트 웨어러블 디바이스 개발의 오랜 한계를 극복할 수 있음을 입증하며, 동적이고 복잡한 생체 표면 환경에서도 안정적이고 비자극적인 사용을 가능하게 헬스케어 패치 솔루션으로 기능할 수 있음을 보인다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. INTRODUCTION 1
• 1.1 Transdermal/Transmucosal drug delivery system 1
• 1.2 Transdermal/Transmucosal healthcare patch devices 2
• 1.3 Stretchable microneedle patch platforms for human body-surface adaptiveness 4
• 1.4 Mechanical suction-based adhesive drug delivery patches preventing UV exposure 6
• Chapter 2. Root-inspired microneedle patch with interlocked rigid-soft architecture for High Tissue Adaptiveness 8
• 2.1 Introduction 8
• 2.2 Materials and Methods 10
• 2.2.1 Design and projection micro stereolithography (PμSL) 3D printing of Root-inspired microneedles (R-MN) 10
• 2.2.2 Fabrication of R-MAP via 3D Printing and Solution-Based Molding 13
• 2.2.3 Fabrication and coating process of hydrogel-based mucoadhesive layer 13
• 2.2.4 Qualifying Interlocking Strength of Lattice-Substrate Integrated Structure 15
• 2.2.5 Compressive strength characterization of Microneedle Arrays 17
• 2.2.7 Ex-vivo Adhesion Durability Test with 1-axis Friction Testing Machine 20
• 2.2.8 In-vivo Adhesion Assessment 21
• 2.3 Results and Discussions 22
• 2.3.1 Structural comparison with previous root-like structures for microneedle patches and flexible MAP platforms 23
• 2.3.2 Mechanical design Optimization of R-MAP 24
• 2.3.3 Compressive Strength Evaluation of R-MAP 29
• 2.3.4 Ultra-thin R-MAP for conformal contact on curved anatomical surfaces 30
• 2.3.5 Functionalization of R-MAP with Mucoadhesive Layer for Sustained Tissue Adhesion 32
• 2.3.6 Swelling control of ML for non-traumatic detachment 35
• 2.3.7 Adhesion Durability Test of R-MAP-ML with ex vivo Friction Testing Machine 36
• 2.3.8 In-vivo Assessment of R-MAP Adhesion 38
• 2.4 Conclusion 41
• Chapter 3. UV-blocking skin adhesive patch with drug-loadable octopus-inspired structures for preventing phototoxic synergy of active ingredients 42
• 3.1 Introduction 42
• 3.2 Materials and Methods 45
• 3.2.1 Material optimization avobenzone- PDMS composite(AB-PDMS) 45
• 3.2.2 Tensile modulus testing of PDMS–avobenzone composites 46
• 3.2.3 Manufacturing process of extruded OIP arrays 47
• 3.2.4 Fabrication of bridged octopus-inspired extruded suction cup array patches (BOIP) 49
• 3.2.5 UV absorbance and transparency evaluation of AB-PDMS 52
• 3.2.6 UV imaging–based evaluation of UV blocking under moisturizer application and washing conditions 52
• 3.2.7 Adhesion test 54
• 3.2.8 Time-dependent drug delivery efficiency test 55
• 3.3 Results and Discussions 57
• 3.3.1 Validation of ultraviolet absorption efficiency of AB-PDMS 57
• 3.3.2 UV-preventing performances of AB-BOIP under moisturizer application and washing conditions 59
• 3.3.3 Transparency characteristics of AB-BOIP 61
• 3.3.4 FEM analysis and adhesion mechanism of BOIP 63
• 3.3.5 Theoretical modeling of adhesion forces and experimental adhesion performances 65
• 3.3.6 Adhesion strengths comparison with various microscale adhesive structures 68
• 3.3.7 Drug delivery efficiency of BOIP 71
• 3.4 Conclusion 71
• References 73
• Appendix 80
• 논문요약 82