DE60225859T2

DE60225859T2 - Mikronadelanordnungen

Info

Publication number: DE60225859T2
Application number: DE60225859T
Authority: DE
Inventors: Michael D. 55133-3427 Delmore; Patrick R. 55133-3427 Fleming; Douglas A. 55133-3427 Huntley; Jamieson C. 55133-3427 Keister; Cristina U. 55133-3427 Thomas; Richard H. 55133-3427 Ferber
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2001-09-05
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2022-07-16
Also published as: EP1652551B1; EP1652551A2; TW550101B; ES2304758T3; US20030045837A1; JP2005501615A; WO2003020359A3; US6881203B2; US20050143713A1; EP1652551A3; ATE390167T1; EP1425062A2; DE60225859D1; WO2003020359A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Mikronadelanordnungen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Anordnungen relativ kleiner Strukturen, gelegentlich als Mikronadeln oder Mikropins bezeichnet, wurden zur Verwendung in Verbindung mit der Bereitstellung und/oder Entfernung therapeutischer Wirkstoffe und anderer Substanzen durch die Haut und andere Flächen offenbart.
Zur überwiegenden Mehrheit bekannter Mikronadelanordnungen zählen Strukturen mit einer Kapillare oder Passage, die durch die Nadel ausgebildet ist. Die Kapillare oder Passage kann zur Achse der Nadel versetzt sein (siehe z. B. WO-A-00/35530 ). Weil die Nadeln selbst klein sind, müssen die in den Nadeln ausgebildeten Passagen in ihrer Größe begrenzt sein. Aufgrund dessen kann die Herstellung der Passagen durch ihre geringe Größe und den Bedarf an einer akkuraten Position der Passagen innerhalb der Nadeln schwierig sein.
Ein weiteres potentielles Problem von Passagen, die klein genug sind, um in die Mikronadeln zu passen, ist, dass die Passagen während der Verwendung leicht blockiert oder verstopft werden können.
Aufgrund dessen besteht ein Bedarf an Mikronadelanordnungen, welche Fluidpassagen aufweisen, die leichter herzustellen sind und die gegen Blockierung oder Verstopfung während der Verwendung resistent sind.
Unter den Verwendungen für Mikronadelanordnungen ist die Penetration der Haut eine häufig diskutierte Anwendung. Die Haut ist eine dreischichtige Schutzbarriere zwischen dem Körper und der Umwelt. Mit einer Dicke von etwa 200 μm ist die Epidermis die dünnste, äußerste Schicht der Haut, und sie enthält viele der Komponenten, welche der Haut ihre Barriere-ähnlichen Eigenschaften verleihen. Die äußerste Schicht der Epidermis, das Stratum corneum, ist eine dünne Schicht (10–50 μm) aus abgeflachten, toten Zellen, Wasser und Lipiden, die dem Körper hilft, Wasser zu speichern, und die das Eintreten von Mikroorganismen und toxischen Chemikalien verhindert. Das Stratum corneum, gelegentlich als die „Hornschicht" bezeichnet, ist sowohl widerstandsfähig als auch flexibel, mit einem erheblichen Maß an Elastizität. Diese Eigenschaften machen das Stratum corneum zu einer effektiven Barriere, die resistent gegen Penetration ist. Es herrscht eine signifikante Variabilität in der Dicke und Elastizität des Stratum corneum im Hinblick auf das Alter und die Position am Körper. Zum Beispiel ist das Stratum corneum an den Füßen mehr als zehn Mal dicker als das am Unterarm eines normalen Menschen.
Unter der Epidermis liegt die Dermis, in welcher sich Blutgefäße und Nervenenden, Haarschäfte und Schweißdrüsen befinden. Tausende kleine Kapillaren (Ringkapillaren) versorgen die oberen Ebenen der Dermis, unterhalb der Epidermis. Diese Kapillaren erstrecken sich gerade über den meisten der Nervenenden, die sich auch in der Dermis befinden. Die tiefste Schicht der Haut, die Hypodermis, isoliert den Körper von extremen Temperaturen und bietet ein mechanisches Polster gegen Angriffe von außen. Die Hypodermis enthält größere Blutgefäße und Arterien und mehr Nerven.
Die Bereitstellung von Substanzen in die Haut oder die Entfernung von Fluiden durch die Haut kann durch die Verwendung von Mikronadelanordnungen vereinfacht werden. Ein Problem im Hinblick auf die Penetration der Haut durch Mikronadelanordnungen sind jedoch die viskoelastischen Eigenschaften der Haut. Wenn die Haut statischen oder sich langsam bewegenden Lasten ausgesetzt wird, verlängert sie sich, bevor sie reißt.
Aufgrund dessen erforderten viele Situationen, in denen die Extraktion von Fluiden erforderlich ist, z. B. die Blutglukoseüberwachung, die Verwendung scharfer Instrumente wie Lanzetten, welche die Haut durchstechen. Solche Vorrichtungen sind jedoch relative schmerzhaft in ihrer Anwendung und können das Risiko des unbeabsichtigten Durchstechens der Haut bergen. Ferner kann es an der durchstochenen Stelle zu unnötigen Blutungen kommen.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Mikronadelanordnungsvorrichtung nach Anspruch 1 bereit. Die abhängigen Ansprüche betreffen einzelne Ausführungsformen der Erfindung. Die Mikronadeln in der Mikronadelanordnungsvorrichtung sind sich verjüngende Strukturen, die mindestens einen Kanal aufweisen, der in der äußeren Fläche jeder Mikronadel ausgebildet ist. Die Kanäle können die Bereitstellung oder Entfernung von Fluiden mit Hilfe der Mikronadelanordnungen unterstützen.
In einigen Ausführungsformen weisen die Mikronadeln Basen auf, die in einer Richtung verlängert sind. Eine solche Konfiguration kann Mikronadeln mit einer verbesserten Steifigkeit und Strukturintegrität im Vergleich zu Mikronadeln, die keine verlängerten Basen aufweisen, versehen. Ferner können sich die Kanäle in Mikronadeln mit verlängerten Basen von einem der Enden der verlängerten Basis aus in Richtung auf die Spitzen der Mikronadeln erstrecken. Diese Konfiguration kann auch mit Kanälen versehene Mikronadeln mit verbesserter Steifigkeit und Strukturintegrität im Vergleich zu Mikronadeln, die mit Kanälen versehen sind und die keine verlängerten Basen aufweisen, bereitstellen.
Gemäß der Erfindung enden die Kanäle, die entlang der Seiten der Mikronadeln ausgebildet sind, kurz vor den Spitzen der Mikronadeln, um die Strukturintegrität der Spitzen zu verbessern und ihrer Durchstechfähigkeit potentiell zu erhöhen.
Die Mikronadelanordnungen der vorliegenden Erfindung können auch Leitungsstrukturen aufweisen, die auf der Fläche des Substrates ausgebildet sind, auf welchem sich die Mikronadelanordnung befindet. Die Kanäle in den Mikronadeln können vorzugsweise in Flüssigkeitsverbindung mit den Leitungsstrukturen stehen, um die Bereitstellung oder Entfernung von Fluiden durch die Kanäle potentiell zu unterstützen. Die Leitungen können als Vertiefungen oder Rillen in der Substratfläche ausgebildet sein oder sie können durch Barrieren, ähnlich wie Dämme, gebildet sein, die aus der Substratfläche hervorstehen.
Die Mikronadelanordnungen der Erfindung können in einer Vielzahl unterschiedlicher Arten verwendet werden. Eine Art und Weise der Verwendung von Mikronadelanordnungen der vorliegenden Erfindung ist bei den Verfahren, welche die Penetration der Haut zur Bereitstellung von Medikamenten oder anderen Substanzen und/oder zur Entnahme von Blut oder Gewebe beinhalten. Wie zuvor diskutiert, kann es wünschenswert sein, dass die Höhe der Mikronadeln in den Mikronadelanordnungen ausreichend ist, um das Stratum corneum zu penetrieren.
Außer dass sie eine ausreichende Länge aufweisen, kann es bevorzugt sein, die Mikronadelanordnungen in Kombination mit Vorrichtungen bereitzustellen, die in der Lage sind, die Mikronadelanordnungen in einer Art und Weise an die Haut bereitzustellen, welche zum effektiven Durchstechen des Stratum corneum führt. Um dies zu bewirken, kann es bevorzugt sein, eine kurze Einwirckraft auf die Mikronadelanordnung derart auszuüben, dass die Mikronadeln an der Anordnung schnell in das Stratum corneum getrieben werden.
Es sollte verstanden werden, dass die Einwirkungsbereitstellung der Mikronadelanordnungen wie hierin diskutiert nicht notwendigerweise auf Mikronadelanordnungen beschränkt ist, welche Mikronadeln mit Kanälen, wie in Verbindung mit 1–4 beschrieben, aufweisen. Die hierin beschriebenen Einwirkungsbereitstellungsvorrichtungen und -verfahren können mit vielen unterschiedlichen Mikronadelanordnungen verwendet werden.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung können unten in Verbindung mit verschiedenen veranschaulichenden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben sein.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Mikronadelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine teilweise Querschnittsansicht von zwei Mikronadeln in einer Mikronadelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
2A–2C sind Querschnittsansichten von Mikronadeln mit unterschiedlich geformten Basen gemäß der vorliegenden Erfindung.
2D und 2E sind Querschnittsansichten alternativer Mikronadeln.
3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Mikronadel von 2 entlang der Linie 3-3 in 2.
4 ist eine Querschnittsansicht einer Mikronadel, welche einen Kanal aufweist, der kurz vor der Spitze der Mikronadel endet.
5 ist ein Diagramm eines Prozesses zur Herstellung von Mikronadelanordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 veranschaulicht eine Maske, die bei der Herstellung einer Mikronadelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann.
7 zeigt die Verwendung einer Mikronadelanordnung in einer Art und Weise gemäß der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt den Kontakt zwischen der Mikronadelanordnung und der Haut wie in 7 gezeigt.
9 ist eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zum Bereitstellen von Mikronadelanordnungen.
10 zeigt die Anwendung eines Vakuums.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Mikronadelanordnung bereit, die für eine Vielzahl von Zwecken eingesetzt werden kann. Zum Beispiel können die Mikronadeln verwendet werden, um Fluide an den Punkt, an dem sie eingeführt werden, bereitzustellen oder von dort zu entfernen. Um dieses Ziel zu erreichen, weisen die Mikronadeln einen Kanal auf, der in der äußeren Fläche einer sich verjüngenden Struktur ausgebildet ist. Der Kanal erstreckt sich von einer Basis oder nahe einer Basis der Mikronadel in Richtung auf die Spitze der Mikronadel. Der Kanal ist normalerweise als ein Hohlraum ausgebildet, der entlang der Seite der Mikronadel verläuft. In einigen Ausführungsformen kann sich der Kanal bis zur Spitze der Mikronadel erstrecken, und in anderen Ausführungsformen kann der Kanal enden, bevor er die Spitze erreicht.
Die in den Mikronadeln der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Kanäle können von Bohrungen oder Durchgängen, die in bekannten Mikronadeln ausgebildet sind, unterschieden werden, weil sie im Wesentlichen entlang ihrer gesamten Länge offen sind, z. B. von der Basis der Mikronadel bis zum Ende des Kanals. Im Gegensatz dazu sind Bohrungen oder Durchgänge, die in bekannten Mikronadeln ausgebildet sind, normalerweise geschlossene Fluidbahnen, die eine Öffnung an der Spitze der Nadelstruktur aufweisen.
In einigen Ausführungsformen können die Basen der Mikronadeln verlängert sein, um die Steifigkeit und Strukturintegrität der Mikronadeln zu verbessern. Bei den Mikronadeln mit Basen, die entlang einer Verlängerungsachse verlängert sind, kann es bevorzugt sein, dass sich die Kanäle von einem der gegenüberliegenden Enden, die sich entlang der Verlängerungsachse befinden, aus erstrecken.
Weitere Merkmale, welche die Mikronadelanordnungen der vorliegenden Erfindung aufweisen können, sind Leitungsstrukturen in Flüssigkeitsverbindung mit den Kanälen, die in den Mikronadeln ausgebildet sind. Die Leitungsstruktur kann verwendet werden, um Fluide an die Kanäle in den Mikronadeln bereitzustellen oder sie können verwendet werden, um Fluide aus den Kanälen der Mikronadeln zu entfernen. In einigen Situationen können die Leitungen und Kanäle Fluide sowohl an die Mikronadeleinführungsstellen bereitstellen als auch von dort entfernen.
Die Mikronadelanordnungen der vorliegenden Erfindung können für eine Vielzahl von Zwecken verwendet werden. Zum Beispiel können die Mikronadeln verwendet werden, um Arzneimittel oder andere pharmakologische Wirkstoffe durch die Haut in einer Variation zur transdermalen Bereitstellung bereitzustellen. Wo die Mikronadeln zur transdermalen Arzneimittelbereitstellung verwendet werden sollen, ist die Höhe der Mikronadeln vorzugsweise ausreichend, das Stratum corneum zu durchdringen und in die Epidermis einzudringen. Es ist jedoch auch bevorzugt, dass die Höhe der Mikronadeln nicht ausreichend groß ist, um die Dermis zu erreichen, wodurch ein Kontakt mit Nerven und dem entsprechenden Potential zur Verursachung von Schmerzen vermieden wird.
Zusätzlich zur transdermalen Arzneimittelbereitstellung können die Mikronadelanordnungen der vorliegenden Erfindung auch als ein mechanischer Aufsatzmechanismus zur Verwendung zum Anbringen der Mikronadelanordnungen an einer Vielzahl von Flächen verwendet werden. Zum Beispiel können die Mikronadelanordnungen verwendet werden, um ein Band oder eine andere medizinische Vorrichtung z. B. an der Haut eines Patienten zu befestigen.
Wie in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet, betrifft der Begriff „Mikronadel" (und Variationen davon) Strukturen mit einer Höhe über der Fläche, aus der sie hervorstehen, von etwa 500 Mikrometern oder weniger. In einigen Fällen können Mikronadeln der vorliegenden Erfindung eine Höhe von etwa 250 Mikrometern oder weniger aufweisen.
Nun wird Bezug nehmend auf 1 ein Abschnitt einer Anordnung von Mikronadeln 20 veranschaulicht, die in Reihen angeordnet sind, welche sich in der y-Richtung auf der Fläche 12 eines Substrates 10 erstrecken. Die Mikronadeln 20 können vorzugsweise in aufeinander folgenden Reihen angeordnet sein, die in der gezeigten Ausführungsform in der x-Richtung gleichmäßig voneinander entfernt sind. Die Mikronadeln 20 weisen jeweils einen Kanal 22 auf, der in der äußeren Fläche der sich verjüngenden Mikronadel ausgebildet ist.
Jeder der Kanäle 22 kann in Flüssigkeitsverbindung mit einer optionalen Leitungsstruktur stehen, welche auf der Substratfläche 12 entlang jeder Reihe von Mikronadeln 20 ausgebildet ist. Die Leitungsstrukturen weisen Verzweigungen 32 in direkter Verbindung mit den Kanälen 22 auf, und die Verzweigungen 32 stehen durch mindestens eine Hauptleitung 34 der Leitungsstrukturen in Flüssigkeitsverbindung miteinander, wie in 1 gezeigt.
Die Leitungsstruktur kann in jeder geeigneten Art und Weise ausgebildet sein, welche Fluidbahnen auf der Substratfläche 12 definiert. Die Leitungsstruktur kann zum Beispiel unter Verwendung von Barrieren 36 ausgebildet sein, welche aus der Substratfläche 12 hervorstehen. Eine Alternative zur Ausbildung der Leitungsstruktur ist das Ausbilden von Vertiefungen oder Rillen in der Substratfläche 12. In einigen Fällen kann die Leitungsstruktur durch jede geeignete Kombination von hervorstehenden Barrieren und Vertiefungen ausgebildet sein. In anderen Fällen kann die Leitungsstruktur keine tatsächliche Struktur aufweisen, sondern sie kann vielmehr in Form eines Musters geringer Flächenenergie auf der Substratfläche 12 bereitgestellt sein. Die geringe Flächenenergie kann z. B. durch Beschichtungen, Flächenbehandlungen usw. bereitgestellt sein.
Bezug nehmend auf 1, 2 und 3 weist jede der Mikronadeln 20 eine Basis 26 auf der Substratfläche 12 auf, wobei die Mikronadel über der Substratfläche in einer Spitze 24 endet. Die Basis 26 kann in jeder geeigneten Form ausgebildet sein, obwohl die Basis 26 in einigen Ausführungsformen eine Form aufweisen kann, die entlang einer Verlängerungsachse 11 auf der Substratfläche 12 verlängert ist, wie z. B. in 2 zu sehen ist. Die verlängerte Basis 26 weist zwei gegenüberliegende Enden auf, die sich gegenüber voneinander entlang der Verlängerungsachse 11 befinden. Durch das Versehen der Mikronadeln 20 mit einer verlängerten Basis 26, können die Mikronadeln 20 eine verbesserte Steifigkeit und/oder Strukturintegrität während der Verwendung zeigen, insbesondere wenn sie Kräften ausgesetzt werden, die entlang der Verlängerungsachse 11 wirken.
In der gezeigten Ausführungsform befindet sich der Kanal 22 in einem der gegenüberliegenden Enden der Mikronadel 20, wobei sich die gegenüberliegenden Enden auf gegenüberliegenden Seiten der Basis 26 entlang der Verlängerungsachse 11 befinden. Eine solche Konstruktion kann die Fähigkeit der Mikronadel 20 verbessern, Scherkräften entlang der Substratfläche 12 in der verlängerten Richtung der Basis 26 zu widerstehen.
Obwohl die in 3 veranschaulichte verlängerte Mikronadelbasis 26 eine ovale Form aufweist, wird verstanden werden, dass die Form der Mikronadeln 20 und ihrer entsprechenden Basen 26 bei einigen Basen variieren kann, z. B. indem sie entlang einer oder mehrerer Richtungen verlängert sind und andere in alle Richtungen symmetrisch sind.
Zum Beispiel zeigt 2A eine alternative Mikronadel 120 mit einer eiförmigen Basis 126, welche eine Verlängerungsachse 111 definiert, die zwischen den gegenüberliegenden Enden der verlängerten Basis 126 verläuft. Ein Kanal 122 erstreckt sich von der Basis 126 in Richtung auf die Spitze 124 der Mikronadel 120. Es sollte verstanden werden, dass die Spitze 124 nur eine Veranschaulichung der Position der Spitze ist, die auf die Basis der Mikronadel 120 projiziert ist.
2B zeigt eine weitere Mikronadel 220 mit einer Spitze 224 (wieder eine Projektion der Spitze) und einer eiförmigen Basis 226, bei welcher sich der Kanal 222 an einer Zwischenposition zwischen den gegenüberliegenden Enden der Basis 226 befindet (wie durch die Verlängerungsachse 211 definiert). Diese Ausführungsform zeigt eine Mikronadel, bei welcher sich der Kanal 222 nicht in einem der gegenüberliegenden Enden der Mikronadel 220 befindet, sondern der Kanal 222 befindet sich vielmehr in der Mitte, d. h. zwischen den gegenüberliegenden Enden der Basis 226.
2C zeigt eine weitere Mikronadel 320 gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welcher die Mikronadel 320 eine Spitze 324 (wieder eine Projektion der Spitze) und eine runde Basis 326 aufweist, mit zwei Kanälen 322a und 322b, die in der Mikronadel 320 ausgebildet sind. Die Mikronadeln der vorliegenden Erfindung können nur einen Kanal aufweisen (wie z. B. in 1, 2, 2A und 3B gezeigt), oder sie können mehr als einen Kanal aufweisen, wie in 2C gezeigt.
Die allgemeine Form der Mikronadeln der vorliegenden Erfindung ist sich verjüngend. Zum Beispiel weisen die Mikronadeln 20 eine größere Basis 26 an der Substratfläche 12 auf und erstrecken sich von der Substratfläche 12 weg, wobei sie sich an einer Spitze 24 verjüngen. Es kann z. B. bevorzugt sein, dass die Form der Mikronadeln im Allgemeinen konisch ist.
Obwohl die in 2 gezeigten Mikronadeln einen gleichmäßigen Neigungs- oder Wandwinkel aufweisen (z. B. in Bezug auf eine z-Achse senkrecht zur Substratfläche 12), können die Mikronadeln der vorliegenden Erfindung unterschiedliche Wandwinkel aufweisen. Zum Beispiel ist 2D eine Querschnittsansicht einer Mikronadel 420, welche einen unteren Abschnitt 425 mit steileren Wandwinkeln in Bezug auf die Substratfläche 412 und einen oberen Abschnitt 426 mit flacheren Wandwinkeln nahe der Spitze 424 der Mikronadel 420 aufweist.
Eine weitere Variation, gezeigt in 2E, ist, dass die Fläche der Mikronadeln der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise glatt sein muss. Die Seitenwände 527 der Mikronadeln 520 können stattdessen im Übergang der Seitenwände von der Substratfläche 512 zur Spitze 524 der Mikronadel 520 stufig sein, wie in 2E zu sehen ist.
Eine Art, in der die Mikronadeln der vorliegenden Erfindung gekennzeichnet sein können, ist durch die Höhe. Die Höhe der Mikronadeln 20 kann von der Substratfläche 12 oder von der oberen Fläche der Barrieren 32, welche die Leitungen 30 ausbilden, gemessen werden. Es kann zum Beispiel bevorzugt sein, dass die Basis-Spitze-Höhe der Mikronadeln 20 gemessen ab der Substratfläche 12 etwa 500 Mikrometer oder weniger beträgt. Alternativ dazu kann es bevorzugt sein, dass die Höhe der Mikronadeln 20 etwa 250 Mikrometers oder weniger beträgt, wie von der Basis 26 in die Spitze 24 gemessen.
Weitere potentiell bevorzugte Abmessungen für die Mikronadeln 20 können in Bezug auf 3 diskutiert werden. Es kann bevorzugt sein, dass die größte Abmessung der Basis 26 der Mikronadeln 20 mit einer verlängerten ovalen Basis etwa 100 Mikrometer oder weniger ist, während die kürzere Abmessung der Basis 26 der Mikronadel 20 etwa 65 Mikrometer oder weniger ist. Diese Abmessungen gelten für Mikronadeln mit einer Basis-Spitze-Höhe von etwa 220 Mikrometern.
Einige exemplarische Abmessungen für den Kanal 22 der Mikronadeln 20 können auch in Bezug auf 2 und 3 beschrieben werden. Diese Abmessungen sind nur als Beispiele bereitgestellt und sollen nicht der Einschränkung des Umfangs der Erfindung dienen, es sei denn, es ist in den Ansprüchen explizit so angeben. Die Breite des Kanals 22 (gemessen entlang der kürzeren Abmessung der Basis 26) kann zum Beispiel etwa 3 bis etwa 40 Mikrometer betragen.
Ferner können, obwohl die Kanäle in Verbindung mit den Mikronadeln der vorliegenden Erfindung mit relativ glatten Flächen gezeigt sind (siehe z. B. 2, 3, 2A– 2C), die Kanäle vorzugsweise eine Fläche aufweisen, die nicht glatt ist, z. B. können die Flächen der Kanäle aufgeraut, strukturiert usw. sein, um den Fluidfluss zu verbessern.
Eine weitere Art, in der Mikronadeln mit einer verlängerten Basis gekennzeichnet sein können, ist in der Beziehung zwischen den Abmessungen der Basis und des Kanals. Bezug nehmend auf 3 kann es bevorzugt sein, dass der Kanal 22 eine Kanaltiefe gemessen entlang der Verlängerungsachse 11 an der Basis der Mikronadel 20 aufweist, die geringer ist als die Hälfte der Abmessung der Basis 26 der Mikronadel 20 gemessen entlang der Verlängerungsachse 11.
Die Länge des Kanals 22 entlang der Mikronadeln 20 kann auch variieren. Es kann zum Beispiel bevorzugt sein, dass die Höhe des Kanals 22, d. h. seine Länge von der Basis 26 bis zu dem Punkt, an dem der Kanal 22 endet, bevorzugt geringer ist als die Basis-Spitze-Höhe der Mikronadel 20. Durch das Enden des Kanals 22 kurz vor der Mikronadelspitze 24 kann die Integrität der Spitze 24 besser aufrechterhalten werden. Außerdem kann die Spitze 24 der Mikronadel 20 schärfer sein, wodurch potentiell die Fähigkeit der Mikronadel 20 verbessert wird, eine Fläche oder ein Material zu durchstechen, gegen die/das sie gedrückt wird.
Die Mikronadeln 20 sind jeweils mit einem Kanal 22 gezeigt, der entlang einer Seite davon ausgebildet ist. Es sollte jedoch verstanden werden, dass Mikronadeln der vorliegenden Erfindung mit mehr als einem Kanal ausgebildet sein können, wie oben diskutiert. Es wird auch verstanden werden, dass unter solchen Umständen die Größe der Kanäle relativ zur Gesamtgröße der Mikronadeln verringert sein können, um die Struktureigenschaften der Mikronadel zu verbessern.
Zusätzlich zur (oder anstelle der) Verlängerung der Basis der Mikronadeln zur Verbesserung ihrer Struktureigenschaften, können der Kanal oder die Kanäle, die in den Mikronadeln bereitgestellt sind, kurz vor der Spitze der Mikronadel enden. Dies kann die Struktureigenschaften der Mikronadeln verbessern und/oder auch die Schärfe- oder Penetrationseigenschaften der Mikronadeln verbessern. Bezug nehmend auf 4 ist ein Beispiel einer Mikronadel 620 im Querschnitt gezeigt. Die Mikronadel 620 weist einen Kanal 622 auf, der kurz vor der Spitze 624 der Mikronadel 620 endet. Obwohl in der Mikronadel 620 von 4 nur ein Kanal gezeigt ist, wird verstanden werden, dass mehr als ein Kanal bereitgestellt sein könnte.
Wieder Bezug nehmend auf 2 sind zwei der Barrieren 36, die zum Ausbilden der Leitungsstruktur verwendet werden, wie in 1 zu sehen ist, im Querschnitt gezeigt. Die Barrieren 36 sind in Form von Überständen von der Substratfläche 12 ähnlich der Mikronadeln 20 bereitgestellt. Die Barrieren 36, welche die gegenüberliegenden Seiten der Verzweigungen 32 der Leitungsstruktur bilden, sind in 2 nicht gezeigt, weil sie sich entweder außerhalb der gezeigten Ansicht befinden (auf der linken Seite) oder hinter der am weitesten links befindlichen Mikronadel verborgen sind.
Wie bei den Mikronadeln 20 können die Abmessungen in Verbindung mit den Barrieren und der Leitungsstruktur, die durch die Barrieren 36 gebildet wird, in Abhängigkeit von den Anwendungen, für welche die Mikronadelanordnungen gedacht sind, variieren. Zum Beispiel kann es bevorzugt sein, dass der Abstand zwischen den Barrieren 36, welche eine der Verzweigungen 32 in direkter Flüssigkeitsverbindung mit den Kanälen 22 in den Mikronadeln bilden, um eine Distanz voneinander entfernt sind, die gleich der oder geringer als die kleinste/n Abmessung des Kanals 22 an der Basis 26 der Mikronadel 20 ist, wie z. B. in 3 zu sehen ist. Bei Kanal 22 von 3 ist die kleinste Abmessung des Kanals 22 quer zur Achse 11.
Durch die Bereitstellung der Barrieren 36 mit diesem Abstand kann die Kapillarwirkung zwischen den Kanälen 22 und den Verzweigungen 32 verbessert werden. Eine solche Beziehung ist z. B. in 3 gezeigt, wo der Abstand zwischen den Barrieren 36 entlang der Achse 11, welche die Verzweigung 32 bilden, geringer ist als die Tiefe des Kanals 22 entlang der Achse 11.
In einer weiteren Art der Kennzeichnung der Barrieren 36 kann es bevorzugt sein, dass die Höhe der Barrieren 36 über der Substratfläche 12 so ausgewählt ist, dass die Barrieren 36 die Penetration einer Fläche durch die Mikronadeln 20 nicht stören. Mit anderen Worten, die Barrierenhöhe sollte die Mikronadeln nicht daran hindern, eine gewünschte Tiefe zu erreichen.
Ein potentieller Vorteil der Barrieren 36, welche die Leitungsstrukturen bilden, ist, dass die Barrieren 36 eine Abdichtfunktion bereitstellen können, wenn die Anordnung z. B. gegen die Haut eines Patienten positioniert ist. Durch das Abdichten der Fluidbahnen in die Kanäle der Mikronadeln 20 hinein und/oder aus ihnen heraus, kann eine zusätzliche Kontrolle über den Fluidfluss innerhalb der Anordnung erreicht werden.
Die Mikronadeln 20 und die Leitungsstruktur können vorzugsweise in das Substrat 10 integriert hergestellt werden. Mit anderen Worten, die Mikronadeln 20, die Leitungsstruktur 30 und das Substrat 10 sind vorzugsweise als eine einteilige, komplett integrierte Einheit ausgebildet. Alternativ dazu können die Mikronadeln und/oder Leitungsstrukturen separat vom Substrat 10 bereitgestellt sein.
Die Mikronadelanordnungen können aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt sein. Die Materialauswahl kann auf einer Vielzahl von Faktoren basieren, einschließlich der Fähigkeit des Materials, das gewünschte Muster exakt zu reproduzieren; der Festigkeit und Belastbarkeit des Materials, wenn es in Mikronadeln geformt wird; der Kompatibilität des Materials zum Beispiel mit menschlicher oder tierischer Haut; der Kompatibilität des Materials mit jeglichen Fluiden, die durch die Kanäle, die in den Mikronadeln ausgebildet sind, bereitzustellen oder zu entfernen usw. Zum Beispiel kann es bevorzugt sein, dass die Mikronadelanordnungen der vorliegenden Erfindung aus einem oder mehreren Metallen hergestellt sind.
Ungeachtet des für die Mikronadelanordnungen der vorliegenden Erfindung verwendeten Materials kann es bevorzugt sein, dass die Flächen der Mikronadelanordnung, die während der Verwendung wahrscheinlich in Kontakt mit Fluiden gelangen, bestimmte Benetzungseigenschaften aufweisen. Es kann bevorzugt sein, dass diese Flächen hydrophil sind, z. B. einen statischen Kontaktwinkel für Wasser von weniger als 90 Grad (möglichst weniger als etwa 40 Grad) aufweisen, derart dass das Fluid spontan durch Kapillardruck angesaugt werden kann. Die hydrophile Natur der Flächen kann durch die Auswahl der Materialien, die zur Herstellung der gesamten Mikronadelanordnung verwendet werden, Flächenbehandlungen der gesamten Anordnung oder nur der Abschnitte, die wahrscheinlich in Kontakt mit Fluiden gelangen, Beschichtungen auf der gesamten Anordnung oder nur auf den Abschnitten, die wahrscheinlich in Kontakt mit Fluiden gelangen, usw. bereitgestellt werden.
Die Mikronadeln in den Mikronadelanordnungen der vorliegenden Erfindung können massiv oder porös sein. Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff „porös" (und Variationen davon), dass die Mikronadeln Poren oder Hohlräume durch mindestens einen Abschnitt der Struktur aufweisen, wobei diese Poren oder Hohlräume ausreichend groß und miteinander verbunden sind, um mindestens Fluiddurchgang zuzulassen.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Ausbildung von Mikronadelanordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 5 veranschaulicht. Kurz, das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen eines Substrates 40, das Ausbilden einer strukturierten Fläche in dem Substrat 42, wobei die strukturierte Fläche Hohlräume mit der Form der gewünschten Mikronadeln und sämtliche anderen Merkmale aufweist (z. B. Barrieren für die Leitungen). Eine metallische Mikronadelanordnung kann dann galvanoplastisch auf der strukturierten Fläche 44 hergestellt werden, gefolgt von der Trennung der strukturierten Fläche von der metallischen Mikronadelanordnung 46.
5 veranschaulicht die Ausbildung einer strukturierten Fläche in einem Substrat als die Anfangsaktivität. Obwohl das bevorzugte Verfahren der Herstellung von Mikronadelanordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung die Laserablation eines geformten Substrates (z. B. unter Verwendung eines Excimerlasers) zur Bereitstellung von Hohlräumen in der Form der gewünschten Mikronadel beinhaltet, sollte verstanden werden, dass jedes geeignete Verfahren der Ausbildung von Hohlräumen in der gewünschten Form das hierin beschriebene Verfahren ersetzen kann. Zum Beispiel können die Hohlräume durch konventionelle Photolithographie, chemisches Ätzen, Ionenstrahlätzen usw. ausgebildet werden. Die bevorzugten Laserablation-Lithographietechniken stellen nur ein Verfahren der Ausbildung der gewünschten Mikronadelanordnungen dar.
Das Verfahren der Ausbildung der strukturierten Fläche beginnt mit einem Substrat, welches eine ausreichende Dicke aufweist, um die Ausbildung einer strukturierten Fläche mit Nadelhohlräumen der gewünschten Tiefe zuzulassen. Die Tiefe der Nadelhohlräume steuert die Höhe der Mikronadeln. Aufgrund dessen muss das Substrat, das zum Ausbilden der strukturierten Fläche verwendet wird, eine Dicke aufweisen, die mindestens gleich der oder größer als die gewünschte/n Höhe der Mikronadeln ist. Vorzugsweise weist das zur Ausbildung der strukturierten Fläche verwendete Substrat eine Dicke auf, die größer ist als die gewünschte Höhe der Mikronadeln.
Zu Beispielen geeigneter Materialen für geformte Substrate, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, zählen, jedoch nicht darauf beschränkt, Polyimid, Polyester, Polyurethan, Epoxid, Polystyrol, Polymethylmethacrylat und Polycarbonat. Ungeachtet des exakten Materials oder der exakten Materialien, kann es bevorzugt sein, dass das geformte Substrat frei von jeglichen anorganischen Füllstoffen, z. B. Kieselsäure, Eisenfasern, Calciumcarbonat usw. ist. Ein bevorzugtes geformtes Substratmaterial ist ein Polyimid, z. B. KAPTON H oder KAPTON E von DuPont (Wilmington, Delaware), aufgrund seiner Ablationseigenschaften, wenn es Energie aus Excimerlasern ausgesetzt wird.
Im Falle von Filmen, die nicht dick genug sind, um als ein geformtes Substrat zu dienen, können zwei oder mehr der Filme zusammenlaminiert werden, um ein geformtes Substrat ausreichender Dicke bereitzustellen. Wenn ein Bindemittel (z. B. ein Klebstoff) zum Zusammenlaminieren zweier Filme verwendet wird, kann es bevorzugt sein, dass das Bindemittel optische und/oder Ablationseigenschaften besitzt, welche den Filmen ähnlich sind. Zu diesen Materialeigenschaften können zum Beispiel ein Energieabsorptionskoeffizient mit einer ausgewählten Wellenlänge; ein gleichmäßiger Refraktionsindex; ein niedriges Kristallinitätslevel usw. zählen. Außerdem kann es bevorzugt sein, dass das Bindemittel frei von anorganischen Komponenten, z. B. Kieselsäure, Eisenfasern, Calciumcarbonat usw. ist.
Das laminierte Substrat enthält vorzugsweise keine Hohlräume zwischen den Filmen und besitzt eine gute Zwischenschichtadhäsion. Aufgrund dessen kann es bevorzugt sein, die Filme bei erhöhten Temperaturen, unter etwas Druck und/oder in einem Vakuum zu laminieren. Ferner kann es wünschenswert sein, die Fläche von einem oder mehreren der Filme zu behandeln, um die Adhäsion zu unterstützen und die Hohlraumbildung zu begrenzen. Ein Beispiel einer potentiell wünschenswerten Behandlung ist Plasmaätzen, obwohl viele andere Flächenbehandlungen anstelle des oder zusätzlich zum Plasmaätzen/s verwendet werden können.
Ein potentiell bevorzugtes Verfahren der Vorbereitung eines laminierten Polyimidsubstrates weist das Laminieren zweier Polyimidfilme unter Verwendung eines Epoxids (z. B. PR-500 erhältlich von 3M Company, St. Paul, MN) auf. Vor der Anwendung des Epoxids werden die Flächen der Filme plasmageätzt. Das Epoxid kann vorzugsweise in einer Lösemittellösung beschichtet werden, um z. B. die Gleichmäßigkeit der Epoxidschicht nach der Verdunstung des Lösemittels zu verbessern. Nach dem Trocknen der Epoxid/Lösemittel-Lösung werden die Filme unter Wärme und Druck zusammenlaminiert, vorzugsweise in einer subatmosphärischen Druckumgebung. Die Temperatur, bei der die Laminierung stattfindet, ist vorzugsweise hoch genug, um das Epoxid zu schmelzen (d. h. bei oder über der T_m des Epoxids), wodurch die Bläschenentfernung und gleichmäßige Dicke der Epoxidschicht verbessert werden.
Nachdem ein Substrat ausreichender Dicke erhalten wurde (durch Laminierung oder anderweitig), kann es wünschenswert sein, das Substrat auf eine Grundschicht zu laminieren, um das Substrat während der Laserablation oder anderer Techniken, die zum Ausbilden der strukturierten Fläche verwendet werden zu unterstützen. Die Grundschicht hält das Substrat während der Verarbeitung vorzugsweise in einer im Wesentlichen ebenen Konfiguration, um das Substrat während der Ablation z. B. inner halb der Objektebene des Laserablationssystems zu halten. Die Grundschicht kann zum Beispiel Glas oder jegliches andere geeignete Material sein. Es kann ferner bevorzugt sein, dass die Fläche der Grundschicht, auf die das Substrat laminiert ist, eine Flachheit im Bereich von 10 Mikrometern aufweist. Das Substrat kann mittels jeder geeigneten Technik auf die Grundschicht laminiert sein, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Klebstoffe, Gießharze usw.
Nachdem das Substrat auf der Grundschicht befestigt wurde, wird es verarbeitet, um eine strukturierte Fläche zu formen, einschließlich Nadelhohlräume in der Form der gewünschten Mikronadeln. Wie bereits oben diskutiert, ist ein bevorzugtes Verfahren der Ausbildung der Hohlräume die Laserablation unter Verwendung einer Maske. Ein Verfahren der Verwendung einer solchen Maske in Verbindung mit Laserenergie wird unten beschrieben, obwohl verstanden werden sollte, dass, falls nicht anders angegeben, die Vorbereitung der strukturierten Fläche nicht auf die Verwendung von Laserenergie beschränkt ist.
Ein Beispiel eines Maskenmusters für den Einsatz bei der Ausbildung einer strukturierten Fläche für die letztendliche Herstellung einer Anordnung von Mikronadeln mit Kanälen und Leitungen in Flüssigkeitsverbindung mit den Kanälen ist in 6 gezeigt. Das Maskenmuster weist eine Reihe von Nadelöffnungen 350 ausgerichtet in der x-Richtung auf, wie in 6 zu sehen ist. Die Reihe der Nadelöffnungen 350 ist durch einen Satz von Barrierenöffnungen 354, welche den Barrieren in den Leitungsstrukturen entsprechen, miteinander verbunden. Die Barrierenöffnungen 354 erstrecken sich sowohl in der x- als auch in der y-Richtung, d. h. entlang der Reihe von Nadelöffnungen 350 und in der y-Richtung an den Enden der Barrierenöffnungen. Die Abschnitte der Barrierenöffnungen 354, welche sich in der y-Richtung erstrecken, werden zum Ausbilden der Barrieren der Hauptdurchgänge verwendet (siehe z. B. 1).
Außerdem weist jede der Nadelöffnungen 350 ein Kanalmerkmal 352 auf, welches der gewünschten Position des Kanals an der Mikronadel entspricht, welche der Nadelöffnung entspricht.
Die Maske selbst kann z. B. unter Verwendung von Standardhalbleiter-Lithographiemaskentechniken hergestellt werden. Die gemusterten Abschnitte der Maske sind opak für die Laserenergie, die verwendet wird, um das Substrat mit einem Muster zu versehen, z. B. ultraviolettes Licht im Falle von Excimerlaser-Energie. Die Maske kann ein Stützsubstrat aufweisen, welches für die Laserenergie transparent ist. Zum Beispiel können die gemusterten Abschnitte aus Aluminium gebildet sein, während das Stützsubstrat aus Kieselglas ist. Eine Alternative für das Aluminium kann ein dielektrischer Stapel sein, welcher opak für Licht der gewünschten Wellenlängen ist.
Die Nadelöffnungen 350 in der Maske sind vorzugsweise in aufeinander folgenden Reihen angeordnet, welche gleichmäßig weit voneinander entfernt sind (entlang der x-Achse). Es ist ferner bevorzugt, dass der Abstand zwischen den Nadelöffnungen entlang der Reihen auch gleichmäßig ist (entlang der y-Achse). Mit gleichmäßigen Abständen zwischen den Nadelöffnungen und den damit verbundenen Leitungsöffnungen können Laserablationsverfahren, die in vielerlei Hinsicht den in WO-A-96/33839 und seinen US-Prioritätsanwendungen beschriebenen ähnlich sind, zum Ausbilden von Hohlräumen in dem Substrat verwendet werden.
Eine der Arten, in welcher sich das bevorzugte Laserablationsverfahren von dem in WO-A-96/33839 offenbarten unterscheidet, ist, dass ein telezentrisches Bildgebungssystem verwendet wird, um Laserenergie an die Maske bereitzustellen. Das telezentrische Bildgebungssystem stellt grundsätzlich Strahlen bereit, die parallel zur optischen Achse sind. Aufgrund dessen verändert das Bild seine Größe nicht, wenn es unscharf ist. Außerdem haben die projizierten Merkmale in der Mitte der Maske die gleiche Größe wie die an den Rändern der Maske.
Durch das Bereitstellen sowohl der Nadelöffnungen als auch der Barrierenöffnungen in der gleichen Maske, bietet die vorliegende Erfindung eine Reihe von Vorteilen. Zu diesen Vorteilen zählt die Fähigkeit, Mikronadeln und die dazugehörigen Leitungsstrukturen in Übereinstimmung miteinander bereitzustellen, weil die Merkmale zur gleichen Zeit abgebildet werden können. Dies kann bei der Herstellung von Vorrichtungen wie Mikronadelanordnungen von besonderer Bedeutung sein, bei denen die Merkmale in Abständen voneinander entfernt sind, die in Mikrometern gemessen werden.
Die Kontrolle über die Tiefe der unterschiedlichen in dem Substrat ausgebildeten Hohlräume (entsprechend der unterschiedlichen Höhen der Mikronadeln und Barrieren auf den Mikronadelanordnungen) kann z. B. durch selektives Bedecken oder Maskieren der unterschiedlichen Merkmale auf der Maske, während das darunter liegende Substrat durch die Öffnungen, die nicht bedeckt oder maskiert sind, abgetragen wird, erhalten werden. Dieses Verfahren kann z. B. verwendet werden, um Barrierenhohlräume zu erhalten, die flacher sind als die Mikronadelhohlräume.
Die Verwendung des in 6 gezeigten Maskenmusters kann zum Beispiel mit einer ersten Aussetzung des Substrates, welches sich unter Abschnitt A des Maskenmusters befindet, d. h. die Reihe der Nadelöffnungen 350, die durch die Barriereöffnungen 354 verbunden sind, fortgesetzt werden. Aufgrund dessen wird das Substrat während der ersten Aussetzung in einem Muster ausgesetzt, welches Abschnitt A des Maskenmusters entspricht.
Eine Bewegung des Maskenmusters und des ausgesetzten Substrates relativ zueinander in der y-Richtung kann dann verwendet werden, um die Maskenöffnungen 350 in der obersten Reihe des Abschnittes B an den Teilen des Substrates, welches während der ersten Aussetzung durch die Nadelöffnungen 350 im Abschnitt A ausgesetzt wurde, auszurichten. Eine zweite Aussetzung resultiert dann in einer weiteren Aussetzung durch die Nadelöffnungen zum Abtragen von mehr des Substrates, wodurch die Tiefe der Nadelhohlräume in dem Substrat erhöht wird, ohne auch die Tiefe der Barrierenhohlräume zu erhöhen. Die schrittweise Bewegung und Aussetzung kann dann wiederholt werden, bis die Nadelhohlräume und die Barrierenhohlräume in dem Substrat auf die gewünschte Tiefe ausgebildet sind.
Die Kontrolle über die Wandwinkel der Nadelhohlräume kann durch jede geeignete Technik oder Kombination von Techniken erreicht werden. Beispiel geeigneter Techniken können z. B. in T. Hodapp et al., „Modeling Topology Formation During Laser Ablation", J. Appl. Physics, Vol. 84, Nr. 1, S. 577–583 (1. Juli 1998) beschrieben sein.
Bei der Bearbeitung eines geformten Polyimidsubstrates durch Laserablation kann es bevorzugt sein, dass sich das geformte Substrat in einer Sauerstoffatmosphäre befindet, um das anschließende Plattieren der so geformten Hohlräume zu verbessern.
Nach Fertigstellung der strukturierten Fläche stellt das Substrat ein Negativ der gewünschten Mikronadelanordnungsstruktur dar, mit Nadelhohlräumen, welche der Form der Mikronadeln entsprechen, und Leitungshohlräumen, welche der gewünschten Form der Leitungsstrukturen entsprechen. Was die Nadelhohlräume betrifft, so weisen sie vorzugsweise im Allgemeinen eine sich verjüngende Form auf, mit einer Kanalstruktur, welche sich in die sich verjüngende Form des Nadelhohlraumes erstreckt.
Das so entstehende geformte Substrat wird dann vorzugsweise elektroplattiert, um ein metallisches Positiv der Mikronadelanordnung zu formen. Vor der Elektroplattierung kann das Substrat jedoch vorzugsweise gereinigt werden, um jegliche Rückstände zu entfernen, die z. B. mit der Laserablationsverarbeitung in Verbindung stehen, die zum Formen des negativen Abbildes in dem Substrat verwendet wurde. Ein geeignetes Reinigungsverfahren kann das Positionieren des Substrates in einem Ultraschallbad aus Reinigungsmittel und Wasser, gefolgt von Trocknung aufweisen.
Nach dem Reinigen des geformten Substrates wird vorzugsweise zuerst eine Keimschicht aus einem oder mehreren leitfähigen Metallen aufgebracht, um eine leitfähige Fläche bereitzustellen, gefolgt von schwerer Elektroplattierung, z. B. ein Nickelbad. Die Keimschicht kann durch Bedampfung, chemische Aufdampfung, ein Silberbad oder jedes andere geeignete Verfahren aufgebracht werden. Zur Verbesserung der ordnungsgemäßen Füllung der Hohlräume und Treue der resultierenden Mikronadeln zu der Form der Hohlräume kann es bevorzugt sein, dass Aufbringen fortzusetzen, bis eine dickere Keimschicht aufgebracht wurde ist. Zum Beispiel kann es bevorzugt sein, dass die Keimschicht mit einer Dicke von etwa 0,5 Mikrometern oder mehr aufgebracht wird, möglicherweise sogar etwa 1 Mikrometer.
Im Anschluss an die Ausbildung der Keimschicht kann das mit der Keimschicht versehene geformte Substrat dann galvanoplastisch mit einer dickeren Schicht z. B. aus Nickel versehen werden, um eine metallische Mikronadelanordnung auszubilden. Nach dem Füllen der Hohlräume in dem geformten Substrat wird das Plattierungsverfahren vorzugsweise fortgesetzt, bis eine Rückplatte auf dem geformten Substrat mit einer Dicke gebildet wurde, welche ausreichend ist, um die Mikronadelanordnung zu tragen. Zum Beispiel kann eine Rückplatte mit einer Dicke von etwa 0,5 Millimetern bis etwa 3 Millimetern oder mehr ausgebildet werden. Falls gewünscht, kann die Fläche der Rückplatte gegenüber der Mikronadelstrukturen poliert werden. Diese Polierung kann vorzugsweise erfolgen, während das Substrat noch an einer Grundschicht wie oben beschrieben befestigt ist.
Nachdem die metallische Mikronadelanordnung ausgebildet wurde, kann das geformte Substrat durch jede geeignete Technik oder Kombination von Techniken von der Mikronadelanordnung entfernt werden. Zu einigen geeigneten Techniken zählen, jedoch nicht darauf beschränkt, chemisches Ätzen, Schockgefrieren, Laserablation usw. Zum Beispiel kann ein Polyimidsubstrat mittels eines Ätzmittels, z. B. Kaliumhydroxid (KOH) von einer Mikronadelanordnung entfernt werden.
Weil die Nadelhohlräume in der strukturierten Fläche ein relativ hohes Aspektverhältnis aufweisen können, kann es wünschenswert sei, ein Elektroplattierungsverfahren anzuwenden, welches in der Lage ist, die Hohlräume mit hohem Aspektverhältnis exakt zu füllen. Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, das Elektroplattierungsverfahren für mindestens einen Abschnitt der Elektroplattierung in Gegenwart von Ultraschallenergie durchzuführen. Beispiele einiger geeigneter Systeme für die und Verfahren der Elektroplattierung in Gegenwart von Ultraschallenergie können z. B. in US-B-6,746,590 beschrieben sein.
Die Mikronadelanordnungen der Erfindung können in einer Vielzahl unterschiedlicher Arten verwendet werden. Eine Art der Verwendung der Mikronadelanordnungen der vorliegenden Erfindung ist bei Verfahren, welche die Penetration der Haut zum Bereitstellen von Medikamenten oder anderen Substanzen und/oder zur Entnahme von Blut oder Gewebe umfassen. Wie bereits oben diskutiert, kann es wünschenswert sein, dass die Höhe der Mikronadeln in den Mikronadelanordnungen ausreichend ist, um das Stratum corneum zu penetrieren.
Bereitstellung der Mikronadelanordnung
Zusätzlich dazu, dass sie eine ausreichende Länge aufweisen, kann es bevorzugt sein, die Mikronadelanordnungen in Kombination mit Vorrichtungen bereitzustellen, welche in der Lage sind, die Mikronadelanordnungen in einer Art und Weise an eine Hauteinwirkungsstelle bereitzustellen, welche im effektiven Durchstechen des Stratum corneum durch die Mikronadeln auf der Anordnung resultiert. Die Bereitstellung einer Mikronadelanordnung gemäß der Verfahren der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Anwendung einer Einwirkkraft auf die Mikronadelanordnung über einen kurzen Zeitraum (normalerweise weniger als etwa 1 Sekunde), derart dass die Mikronadeln der Anordnung an der Hauteinwirkungsstelle durch das Stratum corneum getrieben werden. Die Anwendung der Einwirkkraft kann die Mikronadelanordnungen der vorliegenden Erfindung schnell beschleunigen, derart dass die Einwirkungsbereitstellung der Mikronadelanordnung an der Haut erreicht wird.
Es sollte verstanden werden, dass die Einwirkungsbereitstellung der Mikronadelanordnungen wie hierin diskutiert nicht notwendigerweise auf Mikronadelanordnungen beschränkt ist, welche Mikronadeln mit Kanälen, wie oben in Verbindung mit 1–6 beschrieben, aufweisen. Die hierin beschriebenen Einwirkungsbereitstellungsvorrichtungen und -verfahren können mit vielen unterschiedlichen Mikronadelanordnungen verwendet werden.
Bezug nehmend auf 7 ist ein Verfahren des Antriebs einer Mikronadelanordnung 60, welche die Mikronadeln 62 aufweist, gezeigt, wobei die Mikronadelanordnung 60 durch eine Einwirkkraft 64 gegen die Haut 70 (mit dem Stratum corneum 72) gedrückt wird. 8 zeigt die Mikronadelanordnung 60 im Kontakt mit der Haut 70, derart dass die Mikronadeln 62 das Stratum corneum 72 penetrieren.
Die Größenordnung der Einwirkkraft und die Einwirkdauer werden so ausgewählt, um eine effektive Penetration des Stratum corneum durch die Mikronadeln bereitzustellen. Es kann bevorzugt sein, dass der Zeitraum, über den die Einwirkkraft aufgebracht wird, kürzer ist als etwa 500 Millisekunden, in einigen Fällen kann der Zeitraum vorzugsweise etwa 300 Millisekunden oder weniger sein.
Die Einwirkkraft kann in einer Vielzahl von Arten angewandt werden. Zum Beispiel kann die Mikronadelanordnung 60 mit einem Abstand von der Hauteinwirkungsstelle positioniert werden, derart dass die Anwendung der Einwirkkraft 64 in der Beschleunigung der Mikronadelanordnung 60 in Richtung auf die Hauteinwirkungsstelle resultiert, bis die Mikronadelanordnung in Kontakt mit der Hauteinwirkungsstelle kommt. In einem weiteren Beispiel kann die Mikronadelanordnung in Kontakt mit der Hauteinwirkungsstelle positioniert werden, bevor die Einwirkkraft auf die Mikronadelanordnung angewandt wird, derart dass die Anwendung der Kraft nicht in einer Beschleunigung resultiert, wie dies erreicht werden würde, wenn die Mikronadelanordnung von der Haut entfernt positioniert wird.
Nach der Anwendung der Einwirkkraft und dem anschließenden Antrieb der Mikronadeln durch das Stratum corneum kann es wünschenswert sein, die Mikronadelanordnung innerhalb etwa 1 Sekunde oder weniger aus dem Kontakt mit der Hauteinwirkungsstelle zu entfernen. In anderen Fällen kann es wünschenswert sein, die Mikronadelanordnung für einen längeren Zeitraum in Kontakt mit der Hauteinwirkungsstelle zu halten, z. B. etwa 2 Sekunden oder länger.
Die maximale Größenordnung der Einwirkkraft kann vorzugsweise beschränkt sein, um z. B. den Schmerz in Verbindung der Einwirkungsbereitstellung der Mikronadelanordnungen in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung zu kontrollieren. Zum Beispiel kann es bevorzugt sein, eine Einwirkungsbereitstellung der Mikronadelanordnungen der vorliegenden Erfindung mit einer maximalen Einwirkkraft von etwa 40 N/cm² oder weniger, bevorzugter von etwa 20 N/cm² bereitzustellen.
Am anderen Ende des Kraftspektrums kann die Mindesteinwirkkraft abhängig von einer Vielzahl von Faktoren variieren, wie der Größe der Mikronadelanordnung, der Größe und/oder Form der Mikronadeln usw.
Eine große Vielzahl von Vorrichtungen kann verwendet werden, um die gewünschte Einwirkungsbereitstellung der Mikronadelanordnungen an der Haut einer Testperson bereitzustellen. Eine solche Vorrichtung 68 ist in 9 schematisch als eine Mikronadelanordnung 60 und einen Antrieb 66 aufweisend veranschaulicht. Die Vorrichtung 68 kann ein Einmalgebrauchsdesign aufweisen, sie kann für die Verwendung einer einzelnen Mikronadelanordnung 60 ausgelegt sein oder sie kann für die Verwendung mehrerer unterschiedlicher Mikronadelanordnungen 60 ausgelegt sein.
Der Antrieb 66 kann durch einen Mechanismus bereitgestellt werden, welcher in der Lage ist, die gewünschte Einwirkkraft anzuwenden, die benötigt wird, um die Mikronadeln wie oben beschrieben in das Stratum corneum zu treiben. Der Antrieb 66 kann die Form einer beliebigen Vorrichtung aufweisen, welche in der Lage ist, gespeicherte Energie in Form von Einwirkkraft über die oben diskutierte Dauer freizusetzen, d. h. über einen Zeitraum von weniger als etwa 1 Sekunde. Zum Beispiel kann der Antrieb 66 eine mechanische Feder aufweisen (z. B. eine Spiralfeder, eine Blattfeder usw.), ein komprimiertes federndes Element (z. B. Gummi usw.), komprimierte Fluide (z. B. Luft, Flüssigkeiten usw.), eine piezoelektrische Struktur, eine elektromagnetische Struktur, eine Hammervorrichtung usw.
Ein Beispiel einer potentiell geeigneten Vorrichtung 68 kann einen Lanzettenantrieb aufweisen, welcher eine mechanische Feder beinhaltet, die, falls nötig, modifiziert sein kann, um die gewünschte Kraft an die Mikronadelanordnung bereitzustellen. Normalerweise kann ein Lanzettenantrieb auch einige Modifikationen erfordern, um sicherzustellen, dass die Mikronadelanordnung in einer Art und Weise gegen die Haut gedrückt wird, derart dass im Wesentlichen alle der Mikronadeln im Kontakt mit der Haut stehen.
Im Anschluss an die Einwirkungsbereitstellun^g einer Mikronadelanordnung kann es wünschenswert sein, ein Vakuum über der Fläche der Haut bereitzustellen, auf welche durch die Mikronadelanordnung eingewirkt wurde. Die Anwendung von Vakuum auf die Einwirkungsstelle kann verwendet werden, um Blut oder Fluid aus der Haut zu extrahieren, welche durch die Mikronadeln penetriert wurde.
Bezug nehmend auf 10 ist ein Saugnapf 90 über der Hauteinwirkungsstelle, wie z. B. in 8 gezeigt, gezeigt. Der Saugnapf 90 kann vorzugsweise einen Anschluss 94 aufweisen, welcher das Entleeren des Volumens 92, welches durch den Saugnapf 90 definiert ist, zulässt. Wie in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet, ist „Vakuum" als ein Druck unter dem Umgebungsatmosphärendruck, welcher den Saugnapf umgibt, definiert. Das Vakuum kann durch jede geeignete Quelle, wie z. B. eine Pumpe, eine Spritze usw., bereitgestellt werden.
Die an der Hauteinwirkungsstelle in das Stratum corneum getriebenen Mikronadeln können Fluidbahnen durch das Stratum corneum bereitstellen. Ein Vakuum, welches über der Hauteinwirkungsstelle angelegt wird, nachdem die Mikronadeln in das Stratum corneum getrieben wurden, kann den Durchgang von Fluiden durch das Stratum corneum innerhalb der Hauteinwirkungsstelle verbessern.
Die Fähigkeit des innerhalb des Volumens 92 gezogenen Vakuums, Fluide an der Hauteinwirkungsstelle durch die Haut zu ziehen, kann für eine Vielzahl von Zwecken verwendet werden. Zum Beispiel kann sich ein Indikator 80 an der Hauteinwirkungsstelle befinden, der in der Lage ist, die Gegenwart oder Abwesenheit von Substanzen oder Materialien in Fluiden zu erkennen, welche aus der Hauteinwirkungsstelle herausgezogen wurden. Der Indikator 80 kann mit der Hauteinwirkungsstelle in Kontakt gebracht werden, bevor das Vakuum über dieser Stelle gezogen wird oder nachdem das Vakuum über der Hauteinwirkungsstelle gezogen wurde.
Zum Beispiel kann ein Blutglukoseteststreifen 80 über der Hauteinwirkungsstelle positioniert werden, wobei das Fluid, welches durch die Einwirkungsstelle gezogen wird, den Streifen aktiviert, um eine Glukosemessung bereitzustellen. Bei einem solchen Verfahren kann ausreichend Fluid z. B. unter Bedingungen von 0,5 atm Vakuum für weniger als 1 Minute gezogen werden.
Zusätzlich zu Indikatoren für die Bestimmung der Blutglukoselevel können die Vorrichtung und Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um Fluid für weitere Indikatoren zu extrahieren, wie die, welche in der Lage sind, die Gegenwart, Abwesenheit oder Mengen einer Vielzahl von Materialien in Fluiden (z. B. Blut) zu bestimmen, wie gelöster Sauerstoff, Kohlendioxid, Milchsäure, illegale Drogen usw.
Außerdem kann die Demonstration der effektiven Penetration des Stratum corneum einen nützlichen Pfad für die lokalisierte, schmerzfreie Verabreichung von Pharmazeu tika bereitstellen. Topisch angewandte Pharmazeutika können nach der Penetration des Stratum corneum durch die Mikronadelanordnungen der vorliegenden Erfindung effektiver über die Haut bereitgestellt werden. In weiteren Variationen kann die Penetration der Mikronadelanordnung mit einer elektrischen oder Ultraschall-Vorrichtung gekoppelt werden, um größere Arzneimittel schneller über die Haut bereitzustellen, was durch unbeschädigtes Gewebe möglich ist.
Beim Einsatz für die Bereitstellung von Medikamenten oder anderen Substanzen (oder die Entfernung von Fluiden), kann es wünschenswert sein, ein oder mehrere Behälter in Flüssigkeitsverbindung mit den Leitungsstrukturen, die in den Mikronadelanordnungen ausgebildet sind, einzufügen. Beispiele solcher Behälter können z. B. in US-A-3,964,482 beschrieben sein. Die Behälter können in Flüssigkeitsverbindung mit den Leitungsstrukturen an der Vorderseite der Mikronadelanordnungen stehen (d. h. die Seite, von der die Mikronadeln hervorstehen) oder sie können von der Rückseite aus in Flüssigkeitsverbindung mit der Leitungsstruktur stehen (d. h. die Seite gegenüber der Vorderseite), und zwar über Passagen oder andere Fluidbahnen.
Verschiedene Modifikationen und Veränderungen dieser Erfindung werden dem Fachmann auf dem Gebiet einleuchten, ohne sich vom Umfang dieser Erfindung zu entfernen, und es sollte verstanden werden, dass diese Erfindung nicht übermäßig auf die hierin dargelegten veranschaulichenden Ausführungsformen beschränkt sein soll.

Claims

Mikronadelanordnungsvorrichtung, aufweisend – mehrere Mikronadeln (20, 120, 220, 320, 420, 520, 620), die von einer Substratfläche (12, 412) abstehen, wobei jede der Mikronadeln (20, 120, 220, 320, 420, 520, 620) eine sich verjüngende Form aufweist, welche eine äußere Fläche, eine Basis (26, 126, 226, 326) nahe der Substratfläche (12, 412) und eine distal zur Basis (26, 126, 226, 326) angeordnete Spitze (24, 124, 224, 324, 424, 524, 624) aufweist, – wobei jede Mikronadel (20, 120, 220, 320, 420, 520, 620) der mehreren Mikronadeln (20, 120, 220, 320, 420, 520, 620) mit einem Kanal (22, 122, 222, 322, 622) versehen ist, welcher sich von der Basis (26, 126, 226, 326) der Mikronadel (20, 120, 220, 320, 420, 520, 620) in Richtung auf ihre Spitze (24, 124, 224, 324, 424, 524, 624) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass – jeder Kanal (22, 122, 222, 322, 622) in der äußeren Fläche der Mikronadel (20, 120, 220, 320, 420, 520, 620) ausgebildet ist, sich entlang der äußeren Fläche von der Basis (26, 126, 226, 326) in Richtung auf die Spitze (24, 124, 224, 324, 424, 524, 624) der Mikronadel (20, 120, 220, 320, 420, 520, 620) erstreckt und kurz vor der Spitze (24, 124, 224, 324, 424, 524, 624) der Mikronadel (20, 120, 220, 320, 420, 520, 620) endet.
Mikronadelanordnungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ferner die Basis (26, 126, 226, 326) entlang einer Verlängerungsachse (11, 111, 211) auf der Substratfläche (12, 412) verlängert ist, derart, dass die Basis (26, 126, 226, 326) gegenüberliegende Enden entlang der Verlängerungsachse (11, 111, 211) aufweist, und wobei sich jeder Kanal (22, 122, 222, 322, 622) von einem der gegenüberliegenden Enden der verlängerten Basis (26, 126, 226, 326) aus in Richtung auf die Spitze (24, 124, 224, 324, 424, 524, 624) der Mikronadel (20, 120, 220, 320, 420, 520, 620) erstreckt.
Mikronadelanordnungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei sich der Kanal (22, 122, 222, 322, 622) von einer Zwischenposition zwischen den gegenüberliegenden Enden der verlängerten Basis (26, 126, 226, 326) aus in Richtung auf die Spitze (24, 124, 224, 324, 424, 524, 624) der Mikronadel (20, 120, 220, 320, 420, 520, 620) erstreckt.
Mikronadelanordnungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Kanal (22, 122, 222, 322, 622) eine Kanaltiefe aufweist, und wobei die Kanaltiefe an der Basis (26, 126, 226, 326) der Mikronadel (20, 120, 220, 320, 420, 520, 620) weniger als die Hälfte der Abmessung der Basis (26, 126, 226, 326) gemessen zwischen deren gegenüberliegenden Enden beträgt.
Mikronadelanordnungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Basis (26, 126, 226, 326) ein Oval aufweist.
Mikronadelanordnungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner aufweisend eine Leitungsstruktur (32, 34), die auf der Substratfläche (12, 412) gebildet ist, wobei der Kanal (22, 122, 222, 322, 622) in jeder Mikronadel (20, 120, 220, 320, 420, 520, 620) der mehreren Mikronadeln (20, 120, 220, 320, 420, 520, 620) in Flüssigkeitsverbindung mit der Leitungsstruktur (32, 34) auf der Substratfläche (12, 412) steht.
Mikronadelanordnungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Leitungsstruktur (32, 34) eine Reihe von Barrieren (36) aufweist, welche von der Substratfläche (12, 412) abstehen, wobei Fluidbahnen der Leitungsstruktur (32, 34) durch die Barrieren (36) definiert sind.