DE60019052T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines geformten Geräts - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Herstellen einer Vorrichtung, insbesondere einer Mikrovorrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Einrichtung zum Formen einer Mikrovorrichtung für medizinische Zwecke.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Es besteht ein wachsendes Interesse an Prozessen zum Herstellen kleiner Vorrichtungen für das Gebiet der biologischen und biochemischen Analyse. Bei der Herstellung von Vorrichtungen zum analytischen Testen werden Techniken angewandt, die denen aus der Elektronikindustrie im wesentlichen gleich sind. Beispiele für diese Herstelltechniken sind Fotolithografie und nasschemisches Ätzen. Die Vorrichtungen sind häufig aus festen Substraten, wie z.B. Silizium und Glas, gefertigt.
  • Mikroanalyse-Vorrichtungen werden zum Durchführen verschiedener analytischer Reaktionen verwendet. Beispielsweise ist in dem US-Patent Nr. 5,498 392 von Wilding et al. eine Meso-Scale-Vorrichtung mit durch Mikrofertigung hergestellten Kanälen und Kammern in einem festen Substrat für die Durchführung von Nukleinsäure-Verstärkungsreaktionen beschrieben. Im US-Patent Nr. 5,304,487 von Wilding et al. ist eine Meso-Scale-Vorrichtung mit einer Zellbearbeitungsregion zum Detektieren eines Analyts in einer Probe beschrieben. Die Mikrokanäle und Kammern haben eine Querschnittsabmessung im Bereich von 0,1 Mikrometer bis 500 Mikrometern. Im US-Patent Nr. 5,885, 470 von Parce et al. ist eine Mikrofluid-Transportvorrichtung aus einem Poly mersubstrat mit Fluid-Kanälen, die nur einige wenige Mikrometer breit ausgeführt sein können, beschrieben.
  • Die dem Stand der Technik entsprechenden Prozesse für die Mikrofertigung von Polymersubstraten umfassen typischerweise das Stanzformen und das Prägen. Diese Prozesse machen häufig die Verwendung eines Trennmittels oder einer Beschichtung auf der Formfläche erforderlich.
  • Es besteht ferner ein wachsendes Interesse an der Mikronadel-Injektion für die perkutane Verabreichung verschiedener Arzneimittel. Die Mikronadel-Vorrichtungen können mehrere Mikronadeln mit einer Länge von ein paar Hundert Mikrometern aufweisen. Diese Vorrichtungen werden normalerweise aus Silizium oder anderen Metallen unter Anwendung von Ätzverfahren gefertigt. Obwohl diese Vorrichtungen effektiv sind, sind die so entstehenden Mikronadel-Vorrichtungen teuer in der Herstellung und schwer in großen Zahl zu produzieren. Ein Beispiel für eine Mikronadel-Vorrichtung zum Zuführen eines Arzneimittels zu einem Patienten ist im US-Patent Nr. 5,879,326 von Godshall et al. beschrieben.
  • Mikronadel-Arzneimittel-Verabreichungsvorrichtungen sind in der Lage, in das Stratum Corneum der Haut einzudringen und können dabei eine geringere Reizung hervorrufen. Das Stratum Corneum ist eine komplexe Struktur kompaktierter keratotischer Zellreste mit einer Dicke von ungefähr 10–30 Mikrometern und bildet eine wasserfeste Membran zum Schutz des Körpers gegen das Eindringen verschiedener Substanzen und das Austreten verschiedener Substanzen. Das Verabreichen von Arzneimitteln durch die Haut wird entweder durch Erhöhen der Permeabilität der Haut oder Erhöhen der Kraft oder Energie zum Leiten der Arzneimittel durch die Haut verbessert.
  • Bei einem Verfahren zum Verabreichen von Arzneimitteln durch die Haut handelt es sich um das Herstellen von Mikroporen oder Schnitten in dem Stratum Corneum. Durch Eindringen in das Stratum Corneum und Zuführen des Arz neimittels in die Haut in oder unter dem Stratum Corneum können zahlreiche Arzneimittel auf effektive Weise verabreicht werden. Die Vorrichtungen zum Eindringen in das Stratum Corneum weisen generell mehrere Nadeln oder Klingen mit einer Größe im Mikrometerbereich und einer Länge auf, die in das Stratum Corneum eindringen kann, ohne die Epidermis vollständig zu durchdringen. Beispiele für diese Vorrichtungen sind in US-Patent Nr. 5,879,326 von Godshall et al.; US-Patent Nr. 5,250,023 von Lee et al; und WO 97/48440 beschrieben.
  • Die dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren und Einrichtungen zum Herstellen von Mikrovorrichtungen für medizinische Zwecke sind in gewisser Weise erfolgreich, sind jedoch generell zeitaufwendig und teuer. Entsprechend besteht in der Industrie weiterhin Bedarf an einem verbesserten Verfahren zur Herstellung von Mikrovorrichtungen.
  • Ein Verfahren zum Herstellen einer geformten Vorrichtung mit einer Mikrostruktur ist in DE 43 07 869 A1 beschrieben. Die Mikrostruktur wird durch Formen in einem Formeneinsatz aus Silizium erhalten. Der Formeneinsatz weist eine Struktur auf, die die Umkehrung der gewünschten Mikrostruktur ist.
  • In IBM Technical Disclosure Bulletin Vol. 30, Nr. 5, Seite 306–311 ist ein Verfahren zum Mikroformen von Strukturen beschrieben. Bei diesem Verfahren wird eine Form oder ein Formwerkzeug aus Siliziummaterial verwendet. Somit werden Silizium-Formwerkzeuge als primäre Arbeitswerkzeuge oder Master-Formwerkzeuge verwendet. Es werden Kopien oder Nachbildungen aus anderen Materialien hergestellt, die als sekundäre Dauer-Werkzeuge zum Herstellen von spiegelbildlichen Nachbildungen oder als Einweg-Formen, Formwerkzeuge und Dorne verwendet werden.
  • Zusammenfassender Überblick über die Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Herstellen von Vorrichtungen, wie z.B. Mikrovorrichtungen für medizinische und andere Zwecke. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Einrichtung sind zum Formen von Kunststoff-Vorrichtungen mit Merkmalen im Mikrometer- und Submikrometerbereich geeignet. Die medizinischen Mikrovorrichtungen weisen Nadeln mit Abmessungen im Bereich von weniger als 1 Mikrometer bis mehreren Hundert Mikrometern in Länge und Breite auf.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird die Mikrovorrichtung zum Eindringen in das oder Abradieren des Stratum Corneum der Haut und für die perkutane Verabreichung einer Substanz, wie z.B. eines Arzneimittels oder eines pharmazeutischen Mittels, durch den abradierten Bereich verwendet. Die Vorrichtung weist mehrere Mikronadeln zum Abradieren und Vorbereiten einer Verabreichungsstelle auf der Haut zwecks Verbesserung der Verabreichung einer Substanz durch das Stratum Corneum der Haut in eine ausreichende Tiefe auf, wo die Substanz von dem Körper absorbiert und verwertet werden kann.
  • Entsprechend liegt der Erfindung primär die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum effizienten Herstellen einer Mikrovorrichtung aus Kunststoff oder anderen Materialien zu schaffen.
  • Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Formen einer Mikrovorrichtung aus einem Polymermaterial unter Verwendung einer Form zu schaffen, die in der Lage ist, Nadeln mit einer Größer im Submikrometerbereich zu formen, welche leicht von der Formfläche entnommen werden können.
  • Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein kosteneffizientes Verfahren zum Formen einer Mikrovorrichtung aus einem Polymermaterial zu schaffen.
  • Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein kosteneffizientes Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung mit Mikronadeln mit einer Länge von mehreren Mikrometern zu schaffen.
  • Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Formen einer Vorrichtung mit mehreren Mikronadeln mit einer Länge von ungefähr 5 bis 250 Mikrometern zu schaffen.
  • Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung mit mehreren Mikronadeln mit einer Nadeldichte von ungefähr 4 bis ungefähr 100 Nadeln pro mm2 durch Spritzgießen zu schaffen.
  • Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Formen einer Mikrovorrichtung mit im Mikrometer- oder Submikrometerbereich geformten Nadeln ohne Verwendung eines Trennmittels auf der Formfläche zu schaffen.
  • Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Formanordnung mit einer Silizium-Formfläche für das Spritzgießen einer Vorrichtung mit mehreren im Mikrometer- oder Submikrometerbereich liegenden geformten Merkmalen bereitzustellen, welche leicht ohne Verwendung eines Trennmittels aus der Form entnommen werden können.
  • Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Formen einer Mikrovorrichtung unter Verwendung einer Formanordnung mit einem Formhohlraum und einem Silizium-Formelement zu schaffen, das in dem Formhohlraum mit der Formanordnung verbunden ist
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Anspruch 1 definiert.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zum Formen einer Vorrichtung mit Nadeln mit einer Größe im Mikrometer- oder Submikrometerbereich ohne Verwendung eines Trennmittels geeignet. Die Form weist ein Formelement aus Silizium und eine konturierte Fläche auf, in der Vertiefungen entsprechend der gewünschten Vorrichtung zum Formen der Nadeln mit einer Größe im Mikrometer- oder Submikrometerbereich aus einem Polymermaterial ausgebildet sind. Das Silizium-Formelement ist ein umgekehrtes Bild, das zum Formen der Nadeln vorgesehen ist, wobei die Formfläche Ausnehmungen oder Spitzen mit einer Länge von ungefähr 0,5 Mikrometer bis mehreren Hundert Mikrometern aufweist.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in Anspruch 8 definiert.
  • Die Aufgaben, Vorteile und anderen hervorstechenden Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich, welche in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung offenbart.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Es folgt eine Kurzbeschreibung der Zeichnungen. Es zeigen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht einer Mikroabradierfläche gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 einen Teil-Querschnitt der Mikroabradiervorrichtung;
  • 3 eine Draufsicht der Mikroabradiervorrichtung gemäß der Ausführungsform aus 1 mit Darstellung der Spitzen der Mikronadeln;
  • 4 eine schematische Ansicht einer Spritzgießeinrichtung, die bei einer Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
  • 5 eine perspektivische Explosionsansicht einer Form und eines Silizium-Formelements zum Formen einer Mikronadel-Vorrichtung; und
  • 6 eine Draufsicht des Silizium-Formelements zum Formen einer Mikronadel-Vorrichtung.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Mikrovorrichtung, wie z.B. einer medizinischen Vorrichtung, mit mehreren Nadeln mit einer Größe im Mikrometer- oder Submikrometerbereich. Bei einer Ausführungsform ist die Mikrovorrichtung eine Mikroabradiervorrichtung zum Vorbereiten der Haut auf das perkutane Zuführen einer Substanz zu einem Patienten oder Entnehmen einer Substanz aus dem Körper eines Patienten. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Vorrichtung mit mehreren Nadeln mit einer Größe im Mikrometerbereich, wie z.B. eine Mikroabradiervorrichtung, aus einem Polymermaterial geformt werden. Mit dem Formverfahren, wie z.B. Spritzgießen, kann eine große Menge an Vorrichtungen mit Nadeln mit einer Größe im Mikrometer- oder Submikrometerbereich kostengünstig und mit einem hohen Maß an Konsistenz produziert werden.
  • Die durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Vorrichtungen sind vorzugsweise Vorrichtungen mit Nadeln mit einer Größe im Mikrometer- oder Submikrometerbereich, die einstückig darin ausgebildet sind. Beispiele für Mikrovorrichtungen, die durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Einrichtung geformt werden können, umfassen medizinische Vorrichtungen und Analysevorrichtungen mit Nadeln mit einer Größe im Mikrometerbereich. Das Verfahren und die Formeinrichtung sind insbesondere für die geformten medizinischen Vorrichtungen mit Nadeln mit mindestens einer Abmessung im Bereich von ungefähr 0,5 Mikrometer bis ungefähr 500 Mikrometern geeignet. Die dargestellte Ausführungsform betrifft eine Mikronadel-Vorrichtung zum Abradieren der Haut.
  • Die durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Mikroabradiervorrichtungen sind insbesondere zum Vorbereiten der Haut auf das Zuführen eines pharmazeutischen Mittel zu einem Patienten oder das perkutane Entnehmen einer Substanz aus dem Körper eines Patienten geeignet. Wie hier verwendet, umfasst ein pharmazeutisches Mittel eine eine biologische Aktivität aufweisende Substanz, wie z.B. Antibiotika, antivirale Wirkstoffe, Analgetika, Anästhetika, Anorexika, Antiarthritika, Antidepressiva, Antihistamine, entzündungshemmende Mittel, antineoplastische Mittel, Impfstoffe (einschließlich DNA-Impfstoffe) u.dgl.. Weitere Substanzen, die einem Patienten intradermal verabreicht werden können, umfassen natürlich vorkommende, synthetische oder rekombinant produzierte Proteine, Peptide und Teile davon. Dem Körper entnommene Substanzen und Mittel umfassen Analyte, Drogen, Glucose, Körperelektrolyte, Alkohol, Blutgase u.dgl..
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung betrifft das Verfahren die Herstellung einer Mikroabradiervorrichtung zum Vorbereiten der Haut und insbesondere des Stratum Corneum zwecks Verbesserung der perkutanen Zuführung einer Substanz zu einem Patienten oder Entnehmen verschiedener Substanzen aus dem Körper des Patienten. Die Mikroabradiervorrichtung wird auf der Haut bewegt oder über die Haut gerieben, um mindestens einen Teil des Stratum Corneum zu abradieren oder zu entfernen. Eine auf dem Sachgebiet bekannte Vorrichtung zur aktiven oder passiven Arzneimittelverabreichung oder eine Entnahmevorrichtung wird auf den abradierten Bereich aufgebracht. Wie hier verwendet, bezieht sich der Ausdruck Mikroabradiervorrichtung auf eine Vorrichtung, mit der die Haut abradiert werden kann, um die Permeabilität der Haut ohne inakzeptable Hautreizung oder Gefährdung der durch die Haut gebildeten Sperre gegen Infektionserreger zu erhöhen.
  • Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform weist die unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Mikroabradiervorrichtung 10 einen im wesentlichen planaren Körper oder Halter 12 mit mehreren Mikronadeln 14 auf, die von der Bodenfläche des Halters vorstehen. Die Abmessungen des Halters 12 können je nach Länge der Mikronadeln, Anzahl von Mikronadeln in einem spezifischen Bereich und der Menge an einem Patienten zu verabreichender Substanz variieren. Typischerweise weist der Halter 12 einen Flächenbereich von ungefähr 1–4 Quadratzentimetern (cm2) auf. Bei bevorzugten Ausführungsformen weist die Halterfläche 12 einen Flächenbereich von ungefähr 1 cm2 auf.
  • Gemäß 1 und 2 sind die Mikronadeln 14 einstückig mit der Fläche des Halters 12 ausgebildet und mit dieser verbunden und verlaufen im wesentlichen orthogonal zu der Ebene des Halters 12. Die Mikronadeln 14 sind bei der dargestellten Ausführungsform in mehreren Reihen und Spalten angeordnet und im wesentlichen gleichmäßig voneinander beabstandet. Die Mikronadeln 14 sind bei dieser Ausführungsform generell pyramidenförmig mit zu einer Spitze 18 verlaufenden Seiten 16 ausgebildet. Die dargestellten Seiten 16 weisen im Querschnitt betrachtet eine generell konkave Fläche auf und bilden eine gekrümmte Fläche, die von dem Halter 12 zu der Spitze 18 verläuft. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Mikronadeln von vier Seiten 16 mit im wesentlichen gleicher Form und Abmessung gebildet. Gemäß 2 und 3 weist jede Seite 16 der Mikronadeln 14 einander gegenüberliegende Seitenränder auf, die an eine benachbarte Seite angrenzen und einen Kratzrand 22 bilden, der von dem Halter 12 nach außen vorsteht. Die Kratzränder 22 bilden eine im wesentlichen dreieckige oder trapezförmige Kratzfläche entsprechend der Form der Seite 16. Bei anderen Ausführungsformen können die Mikronadeln 14 mit weniger oder mehr Seiten ausgebildet sein. Alternativ können die Mikronadeln konisch oder zylindrisch mit konischen oder spitz zulaufenden Spitzen ausgebildet sein.
  • Die dargestellten Mikronadeln 14 enden in stumpfen Spitzen 18. Generell sind die Spitzen 18 im wesentlichen eben und verlaufen parallel zu dem Halter 12. Jede Spitze 18 bildet vorzugsweise einen klar abgegrenzten scharten Rand 20, an dem sie auf die Seiten 16 trifft. Der Rand 20 verläuft im wesentlichen parallel zu dem Halter 12 und bildet einen Kratzrand. Bei anderen Ausführungsformen kann der Rand 20 leicht abgerundet sein, um einen sanften Übergang von den Seiten 16 zu der Spitze 18 zu bilden.
  • Die Mikrovorrichtungen, wie z.B. die Mikroabradiervorrichtung 10 und die Mikronadeln 14, sind aus einem Kunststoffmaterial gefertigt, das nicht mit der zu verabreichenden Substanz reagiert und das in verschiedenen Formprozessen verwendet werden kann, insbesondere beim Spritzgießen. Geeignete Kunststoffmaterialien umfassen beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polyamide, Polystyrole, Polyester und Polycarbonate, wie auf dem Sachgebiet bekannt ist. Ein bevorzugtes Polymer ist ein bei GE Plastics unter dem Handelsnamen HF 1110 erhältliches Polycarbonat mit hohem Fließvermögen.
  • Die Längen und Dicken der Mikronadeln werden anhand der speziellen zu verabreichenden Substanz und der Dicke des Stratum Corneum an der Stelle, an der die Vorrichtung aufgebracht wird, ausgewählt. Die Mikronadeln können eine Länge von ungefähr 5 Mikrometern bis ungefähr 250 Mikrometern aufweisen. Die Mikronadeln der dargestellten Ausführungsform sind im wesentlichen pyramidenförmig ausgebildet und verlaufen orthogonal zu der Ebene der Vorrichtung. Die Mikronadeln können massive oder hohle Elemente sein.
  • Gemäß 2 und 3 sind die Mikronadeln 14 für die Mikroabradiervorrichtung typischerweise gleichmäßig voneinander beabstandet in Reihen und Spalten angeordnet, um ein Array zu bilden. Typischerweise sind die Reihen von Mikronadeln in Reihen voneinander beabstandet, um eine Dichte von ungefähr 2 bis ungefähr 10 pro Millimeter (mm) und eine Nadeldichte von ungefähr 4 bis ungefähr 100 Nadeln pro mm2 zu bilden, obwohl es bei dem erfindungsgemäßen Formverfahren möglich ist, die Beabstandung wie erforderlich zu variieren.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die erfindungsgemäßen Mikrovorrichtungen durch Spritzgießen hergestellt. Grundsätzlich weist die Spritzgießmaschine einen Extruder 30 und eine Formanordnung 32 auf, wie in 4 dargestellt. Der Extruder 30 ist ein handelsüblicher Extruder, wie er auf dem Sachgebiet zum Spritzgießen kleiner Teile bekannt ist. Der Extruder weist einen Einlass 34 zum Aufnehmen des Ausgangsmaterials auf, bei dem es sich generell um Pellets oder Flocken des Polymermaterials handelt. Die Pellets oder Flocken werden durch einen Zylinder 36 transportiert, in dem die Pellets oder Flocken auf eine Extrudiertemperatur erwärmt werden. Der Zylinder 36 kann durch elektrisches Widerstandheizen oder andere auf dem Gebiet der Extrusion bekannte Verfahren erwärmt werden. Eine geeignete Spritzgießmaschine kann beispielsweise eine Arburg All Rounder 27OS Universal sein.
  • Das geschmolzene Polymermaterial wird über einen Auslass 38 aus dem Extruderzylinder ausgetragen und unter Druck der Formanordnung 32 zugeführt. Die Formanordnung 32 ist generell eine zweiteilige Form mit einem oberen Formteil 40 und einem unteren Formteil 42. Das obere Formteil 40 und das untere Formteil 42 werden während des Formens von Steuervorrichtungen 44 bzw. 46 aufeinander zu bewegt und voneinander fort bewegt, damit die geformte Vorrichtung ausgebildet und entnommen werden kann. Die Steuervorrichtungen 44 und 46 werden generell von auf dem Sachgebiet bekannten hydraulischen oder pneumatischen Kolben/Zylinderanordnungen betätigt. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Formteile vertikal ausgerichtet dargestellt. Für den Fachmann ist jedoch offensichtlich, dass die Formteile auch horizontal oder in einer anderen gewünschte Ausrichtung an geordnet sein können, ohne dass dadurch der Formprozess beeinträchtigt wird.
  • Die Formanordnung 32 weist eine in 5 dargestellte Form 48 zum Formen der Mikrovorrichtung auf. Die Form 48 kann aus einem geeigneten Material gefertigt sein, bei dem es sich typischerweise um ein Metall handelt, wie z.B. Stahl, Aluminium oder ein anderes Basismetall. Die Form 48 weist ein erstes Teil 50 und ein zweites Teil 52 mit zueinanderpassenden Flächen 54 bzw. 56 auf. Bei der dargestellten Ausführungsform sind das erste Teil 50 und das zweite Teil 52 jeweils im wesentlichen zylindrisch mit einer Außenseitenwand 58 und 60 ausgebildet. Die Formteile sind in komplementären Ausnehmungen in den Formteilen 40 und 42 angeordnet, wie auf dem Sachgebiet bekannt ist. Jedes Formteil 50 und 52 weist einen Vorsprung 62 bzw. 64 an der Außenseitenwand 58 und 60 zum Ausrichten der oberen und der unteren Formhälfte während des Formprozesses auf. Die Vorsprünge 62 und 64 gleiten in komplementäre Nuten in den Formteilen 40 und 42.
  • Das Formteil 52 weist eine Ausnehmung 66 auf, die ein Formelement 68 aufnimmt und einen Formhohlraum bildet. Die Ausnehmung 66 ist im wesentlichen quadratisch dargestellt, um der Außenabmessung der entstehenden Mikronadel-Vorrichtung zu entsprechen. Bei anderen Ausführungsformen kann die Ausnehmung rechteckig oder kreisförmig ausgebildet sein oder eine andere gewünschte Form ausweisen. Die Ausnehmung 66 hat eine Tiefe, die der Dicke des Formelements 68 und der Dicke der geformten Mikrovorrichtung entspricht. Eine halbkreisförmige Zuführ-Ausnehmung 70 verläuft radial entlang der Passfläche zu der Ausnehmung.
  • Das Formelement 68 ist aus Silizium gefertigt, das derart gestaltet ist, dass es die geformte Vorrichtung bildet.
  • Bei der dargestellten Ausführungsform weist das Formteil 50 eine im wesentlichen ebene Fläche 54 und eine halbkreisförmige Ausnehmung 74 auf, die von der Seitenwand radial nach innen vorsteht. Die halbkreisförmige Ausnehmung 74 ist derart positioniert, dass sie mit der halbkreisförmigen Ausnehmung 70 des Formeinsatzteils 52 zusammenpasst, um eine Zuführleitung 71 zum Zuführen des Polymermaterials in die Ausnehmung 66 zu bilden. Bei anderen Ausführungsformen kann die Fläche eine geeignete Ausnehmung in der gewünschten Form der geformten Vorrichtung aufweisen.
  • Das Silizium-Formelement 68 wird in der Ausnehmung 66 mittels einer geeigneten Kopplungsvorrichtung oder eines wärmebeständigen Haftvermittlers, wie z.B. eines Epoxidharz-Haftvermittlers, mit dem Formteil 52 verbunden. Typischerweise ist das Silizium-Element 68 durch Haftvermittler mit der Bodenfläche 67 der Ausnehmung 66 verbunden. Bei anderen Ausführungsformen kann das Silizium-Formelement 68 mit der Seitenwand 69 der Ausnehmung verbunden sein. Das Silizium-Formelement 68 weist eine im wesentlichen quadratische Form auf, die zu der Form der Ausnehmung 66 komplementär ist, und verläuft bei der dargestellten Ausführungsform im wesentlichen zwischen den Seitenwänden 69 der Ausnehmung 66. Bei anderen Ausführungsformen kann das Silizium-Formelement 68 eine Abmessung aufweisen, die kleiner ist als die Abmessung der Bodenfläche 67. Eine obere Fläche des Silizium-Formelements 68 bildet eine Formfläche zum Ausbilden und Gestalten der Mikrovorrichtung. Die Formfläche weist eine Fläche auf, die in Form einer Vertiefung entsprechend dem fertigten geformten Artikel konturiert ist. Die Formfläche kann mindestens eine Ausnehmung, Rippe oder Spitze mit einer Breite und/oder Höhe aufweisen, die je nach zu formender Vorrichtung im Bereich von ungefähr 0,5 Mikrometer bis ungefähr 500 Mikrometern liegen. Bei der dargestellten Ausführungsform weist die Formfläche 76 des Silizium-Formelements mehrere Ausnehmungen 78 auf, wie in 6 gezeigt, die der gewünschten Form und den gewünschten Abmessungen der Mikronadeln für eine Mikroabradiervorrichtung entsprechen. Beim Formen einer Mikronadel-Vorrichtung können die Ausnehmungen eine Tiefe von ungefähr 5 bis 250 Mikrometern aufweisen und derart voneinander beabstandet sein, dass eine Dichte von ungefähr 4 bis 100 Ausnehmungen pro mm2 erreicht wird. Ent sprechend ist die Formfläche 76 des Silizium-Formelements 68 die Umkehrung der geformten Mikrovorrichtung oder weist die Vertiefung entsprechend der geformten Mikrovorrichtung auf. Bei einer Ausführungsform weist das Silizium-Formelement 68 eine Dicke von ungefähr 0,020 Inch auf.
  • Bei der dargestellten Ausführungsform kann die Formfläche 76 des Silizium-Formelements 68 unter Anwendung bekannter Techniken zum Herstellen einer Silizium-Fläche gestaltet und ausgebildet werden. Geeignete Verfahren umfassen die Fotolithografie oder das Nassätzen, wie auf dem Sachgebiet bekannt ist. Vorzugsweise werden die Ausnehmungen 78 in der Silizium-Formfläche unter Anwendung der Fotolithografie zum Herstellen von Ausnehmungen 78 entsprechend der gewünschten Form der Mikronadeln ausgebildet. Andere Gestaltungs- und Ausbildungstechniken können in Abhängigkeit von dem Material der Formfläche zum Ausbilden der Formfläche angewendet werden.
  • Die Fotolithografie- und Nassätzverfahren sind im wesentlichen denen gleich, die Fachleuten von der Herstellung elektronischer Komponenten bekannt sind. Generell ist das Silizium-Formelement aus einem Silizium-Wafer gebildet, das auch in der Elektronikindustrie verwendet wird. Bei anderen Ausführungsformen kann das Silizium-Formelement unter Anwendung verschiedener Mikrobearbeitungsprozesse gefertigt werden, bei denen typischerweise eine Diamantfräsmaschine mit einer Größe im Mikrometerbereich verwendet wird. Mit Hilfe der Mikrobearbeitungsprozesse können Silizium-Formelemente in verschiedenen Formen und Größen, die mittels der Fotolithografie nicht leicht herzustellen sind, konsistent reproduziert werden.
  • Das Silizium-Formelement 68 dient als Formfläche zum Formen der Vorrichtung und bietet wesentliche Vorteile gegenüber Flächen aus anderen Materialien zum Formen von Kunststoffvorrichtungen und insbesondere Vorrichtungen mit Details mit einer Größe im Mikrometer- oder Submikrometerbereich in einer geformten Fläche. Das Silizium-Formelement 68 gibt die Mikrovorrich tung vollständig von der Formfläche frei. Mit der Silizium-Formfläche werden auf effiziente Weise die meisten Polymermaterialien mit hoher Auflösung der Details, die eine Größe im Mikrometerbereich aufweisen, geformt, und sie ermöglicht die Freigabe der geformten Vorrichtung aus der Form ohne Verformung oder Beeinträchtigung der geformten Fläche und ohne Bedarf an einem Trennmittel, das normalerweise bei zahlreichen Formprozessen verwendet wird. Auf die Formfläche aufgebrachte Trennmittel können zu einem Verlust von Details in der Formfläche und der entstehenden geformten Vorrichtung führen. Ferner werden Form-Trennmittel, die an der geformten Vorrichtung haften, als medizinische Vorrichtungen verschmutzend betrachtet, welche sauber und steril sein müssen. Ferner kann das Silizium-Formelement mit Details mit einer Größe im Mikrometerbereich ausgebildet sein, welche klar abgegrenzt und ausgeprägt sind und diese Details auf die geformte Vorrichtung übertragen können.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch Verbinden des Silizium-Formelements 68 mit der in der Ausnehmung 66 in dem unteren Formteil 52 in der gewünschten Form ausgebildeten Fläche und Zusammensetzen des oberen und des unteren Formteils 50, 52 in der Formanordnung 32 durchgeführt. Ein Polymermaterial wird dem Extruder 30 zugeführt und auf eine Extrudiertemperatur erwärmt. Die Formhälften 42, 44 werden geschlossen, und das Polymermaterial wird durch die Zuführleitung 71 der Formteile in die Ausnehmung 66 und auf die Silizium-Formfläche 76 gespritzt. Das Polymermaterial und die Form werden dann gekühlt, um das Material zu härten. Danach werden die Formteile 40, 42 geöffnet, und die Formvorrichtung wird entnommen. Das Polymermaterial wird generell gemäß den von dem Hersteller empfohlenen Spezifikationen erwärmt und bearbeitet. Da die Silizium-Formfläche 76 ein Spritzgießen von Details mit einer Größe im Mikrometer- und Submikrometerbereich ohne Bedarf an einem Trennmittel ermöglicht, das die geformte Mikrovorrichtung verschmutzen kann, ist die entstehende geformte Vorrichtung im wesentlichen sauber, wenn sie aus der Form ausgegeben wird.
  • Die geformte Vorrichtung kann ferner durch Anwendung anderer Kunststoff-Formprozesse hergestellt werden. Beispielsweise kann eine Mikrovorrichtung durch Prägen eines thermoplastischen Substrats mit einer Silizium-Form oder -Platte hergestellt werden. Die Silizium-Form ist mit der Vertiefung entsprechend der gewünschten geformten Mikrovorrichtung versehen. Die Vorrichtung wird durch Drücken der Silizium-Form unter Druck gegen das Kunststoffsubstrat, das auf seine Erweichungstemperatur erwärmt ist, hergestellt. Alternativ wird die Silizium-Form erwärmt und gegen das thermoplastische Substrat gedrückt, um die Vorrichtung zu formen.
  • Bei anderen Ausführungsformen wird die Vorrichtung unter Anwendung eines Pressformverfahrens hergestellt. Bei dem Pressformverfahren wird ein thermoplastisches Material, wie z.B. ein Pulvermaterial, in eine Hohlform mit einer Silizium-Formfläche platziert. Die Form wird geschlossen, und das thermoplastische Pulver wird unter hohem Druck verdichtet und erwärmt, um die Pulverpartikel zu schmelzen und zu verfestigen. Die geformte Vorrichtung wird dann aus der Form entnommen.
  • Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Formfläche 76 des Silizium-Formelements 68 im wesentlichen eben. Bei anderen Ausführungsformen kann die Formfläche 76 über Teile der Fläche oder über die gesamte Fläche gekrümmt, konvex oder konkav sein. Die Formfläche kann zum Erzielen der gewünschten Form der geformten Vorrichtung 10 nicht-planar sein.
  • Die Formprozesse können in einem Reinraum, der durch Reinraum-Normen hinsichtlich Verschmutzung durch Teilchen und Krankheitserreger definiert ist, durchgeführt werden. Beispielsweise kann das Formen an einem Arbeitsplatz auf einem Level durchgeführt werden, der der Klasse 100 entspricht oder diese übersteigt, welche durch Federal Standard No. 209E "Airborne Particulate Cleanliness Classes in Clean Rooms and Clean Zones" definiert und von General Services Administration (11. September 1992) genehmigt worden ist. Bei anderen Ausführungsformen kann die geformte medizinische Mikrovorrichtung in einem Reinraum zurückgehalten oder unverzüglich unter Einhaltung der Reinraum-Normen verpackt werden. Danach kann die geformte Mikrovorrichtung unter Anwendung standardmäßiger Sterilisiertechniken, wie z.B. Gamma-Bestrahlung oder mittels Ethylenoxidgas, sterilisiert werden, wenn die Verpackung für Sterilisiergas durchlässig ist.
  • Obwohl zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung mehrere Ausführungsformen dargestellt worden sind, ist es für Fachleute offensichtlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne dass dadurch vom Umfang der Erfindung, wie er in den beiliegenden Patentansprüchen definiert ist, abgewichen wird.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Herstellen einer geformten Vorrichtung (10) mit mehreren Nadeln mit einer Größe im Mikrometer- und/oder Submikrometerbereich, wobei die Nadeln scharte Kratzränder (20, 22) mit einer Größe im Submikrometerbereich aufweisen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen einer Formanordnung (32) mit einer Form (48), die ein erstes und ein zweites Formteil (50, 52) aufweist, wobei das erste und/oder das zweite Formteil eine Ausnehmung (66) aufweisen, die zusammen mit dem anderen Formteil einen Formhohlraum bildet; Bereitstellen eines Silizium-Formelements (68), das in der Ausnehmung (66) angeordnet und mit dieser verbunden ist, wobei das Formelement eine konturierte Formfläche (76) mit Vertiefungen (78) aufweist, die der gewünschten Nadelform entsprechen und dem Formhohlraum zugewandt sind; Einbringen von Kunststoffmaterial in den Formhohlraum und auf die konturierte Fläche zum Bilden der geformten Vorrichtung (10) mit einem Körper (12) und einer geformten Fläche entsprechend der konturierten Fläche; und Entfernen der geformten Vorrichtung (10) aus dem Formhohlraum.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Silizium-Formelement (68) die geformte Vorrichtung (10) von der Formfläche (76) freigibt und das Formen der geformten Vorrichtung in Abwesenheit eines Trennmittels erfolgt, wodurch die geformte Vorrichtung (10) im wesentlichen sauber und steril ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Formhohlraum mehrere Seitenwände (69) und eine Bodenfläche (67) aufweist und das Silizium-Formelement mit der Bodenfläche verbondet ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die konturierte Fläche des Silizium-Formelements (68) mindestes eine Ausnehmung, Spitze oder Rippe mit mindestens einer Dimension im Bereich von ungefähr 0,5 Mikrometer bis ungefähr 500 Mikrometer aufweist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Einbring-Schritt das Einspritzen von heißem thermoplastischen Material in den Formhohlraum umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Einbring-Schritt das Einbringen eines thermoplastischen Materials in den Hohlraum und Erwärmen und Verdichten des thermoplastischen Materials zum Formen der Vorrichtung umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Einbring-Schritt das Positionieren eines thermoplastischen Substrats auf den Formhohlraum und Pressen der Formanordnung gegen das Substrat zum Formen der geformten Vorrichtung (10) umfasst.
  8. Formanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–7, mit: einem ersten Formteil (52) mit einem Hohlraum (66), der zusammen mit einem zweiten Formteil einen Formhohlraum zum Aufnehmen eines Formelements (68) und eines Formmaterials und zum Bilden einer geformten Vorrichtung (10) bildet; und einem Silizium-Formelement (68), das in dem Formhohlraum angeordnet und mit diesem verbunden ist, wobei das Silizium-Formelement mit einer Formfläche dem Formhohlraum zugewandt ist und die Formfläche eine konturierte Fläche mit einer Vertiefung zum Formen der Vorrichtung aufweist.
  9. Anordnung nach Anspruch 8, bei der das Formelement (68) mehrere Ausnehmungen aufweist, die ungefähr 5 bis 250 Mikrometer tief sind.
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