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Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein medizinische Abgabesysteme,
die sich zur Herstellung eignen und die eine mikro-elektro-mechanische System-(MEMS)-Technologie
verwenden. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung ein medizinisches Abgabesystem,
das ausgebildet ist, um in einen Menschen oder ein Tier implantiert
zu werden, damit die Abgabe einer Medizin an den Menschen oder an
das Tier zu bestimmten Zeiten und bei bestimmten Raten gesteuert
wird, indem eine Membran eingerissen wird, ohne zu erlauben, dass
sich die eingerissene Membran vom Medizin-Abgabesystem trennt und
im Tier oder im Menschen freigesetzt wird.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
Medikamentenverabreichung ist ein wichtiger Aspekt der medizinischen
Behandlung. Die Wirksamkeit vieler Medikamente betrifft direkt die
Art und Weise, auf die sie verabreicht werden. Einige Therapien
erfordern, dass das Medikament dem Patienten über eine lange Zeitspanne wiederholt
verabreicht wird. Dies macht die Auswahl eines passenden medizinischen
Abgabeverfahrens problematisch. Patienten vergessen häufig die
Einnahme ihrer Medizin oder sind unwillens oder nicht in der Lage,
sie einzunehmen. Die medizinische Abgabe wird auch problematisch,
wenn die Medizin für
eine systematische Abgabe zu stark ist. Daher wurden Versuche unternommen,
ein Abgabesystem zu entwickeln und herzustellen, das zur gesteuerten,
periodischen oder anhaltenden Freisetzung einer großen Vielfalt
an Molekülen
in der Lage ist, die, ohne darauf eingeschränkt zu sein, Arnzeimittel und
andere Therapiemittel einschließen.
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Die
mikro-elektro-mechanische System-(MEMS)-Technologie integriert elektrische
Komponenten und medizinische Komponenten auf einem gewöhnlichen
Siliziumsubstrat mittels Verwendung der Mikrofabrikationstechnologie.
Herstellungsverfahren für
inte grierte Schaltkreise (IC) wie beispielsweise Photolithographie-Verfahren und andere
mikroelektronische Verfahren bilden die elektrischen Komponenten.
Die IC-Herstellungsverfahren verwenden für gewöhnlich Materialien wie beispielsweise
Silizium, Glas und Polymere. Mikro-Material-Bearbeitungsverfahren,
die mit den IC-Verfahren
kompatibel sind, ätzen
Bereiche des IC weg oder fügen neue
Strukturschichten an den IC dazu, um die mechanischen Komponenten
zu bilden. Die Integrierung der Silizium-zugrundeliegenden Mikroelektronik
mittels der Mikro-Material-Bearbeitungstechnologie erlaubt, dass
vollständige
elektro-mechanische Systeme auf einem einzelnen Chip hergestellt
werden. Diese Einzelchip-Systeme integrieren die Rechenfähigkeit
der Mikroelektronik mit den mechanischen Abtast- und Steuerfähigkeiten
der Mikro-Material-Bearbeitung, um intelligente Vorrichtungen bereitzustellen,
die klein genug sind, um in einem Menschen oder Tier implantiert
zu werden.
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Beispiele
für implantierbare
Medikamentenverabreichungssysteme, die für die Herstellung geeignet
sind, indem die mikroelektromechanische System-(MEMS)-Technologie
verwendet wird, werden in den US-Patenten 5.366.454 (Currie, et
al.) und 6.123.861 (Santini, Jr., et al.) beschrieben. Diese Patente
werden als Verbesserungen gegenüber
der Nicht-MEMS-Art an elektromechanischen Vorrichtungen, die größer und
weniger zuverlässig
sind, und gegenüber
gesteuerten Abgabe-Polymervorrichtungen beschrieben, die aufgebaut
sind, um mithilfe der Diffusion der Medizin mittels des Polymers
und/oder des Abbaus des Polymers über die gewünschte Zeitspanne im Anschluß an die
Verabreichung an den Patienten eine medizinische Abgabe über einen
Zeitraum bereitzustellen.
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US-Patent
5.366.454 (Currie, et al.) offenbart eine Ausgabevorrichtung für die medizinische
Behandlung zur Einsetzung in den Körper eines Menschen oder eines
Tiers, die ein Substrat einschließt, das mehrere Fächer, ein
Verschlußglied,
eine einreißbare
Membran und ein Membraneinreißsystem hat.
Jedes Fach verfügt über eine
Ladeöffnung,
um das Fach mit einer Dosis der Medizin zu füllen, und eine Verabreichungsöffnung,
die die Abgabe der Medizin erlaubt. Das Verschlußglied, das aus Silizium hergestellt
ist, wird anodisch an das ebenfalls aus Silizium hergestellte Substrat
gebondet, um die Ladeöffnungen
der Fächer
abzudichten. Die Membran hat eine vorbestimmte elastische Verformungsgrenze und
einen vorbestimmten Reißpunkt.
Eine "V-förmige" Vertiefung ist in
der Membran ausgebildet, um eine Schwachstellenlinie zu bestimmen,
die das Einreißen
der Membran unterstützt.
Das Membraneinreißsystem,
das mit jedem Fach verknüpft
ist, reißt die
Membran davon als Reaktion auf ein elektrisches Signal ein. Das
Membraneinreißsystem
umfasst ein Spannungsinduzierendes Glied, das die Membran im wesentlichen
an ihrer elastischen Verformungsgrenze gedehnt hält, und einen piezoelektrischen
Wandler, der auf das elektrische Signal reagiert, um an der Membran
eine zusätzliche
Spannung anzulegen, die ausreicht, um den Reißpunkt der Membran zu überschreiten,
wodurch das Reißen
der Membran bewirkt wird. Beim Reißen der Membran wird Körperfluiden erlaubt,
in das Fach zu dringen, um sich mit der darin enthaltenen Medizin
zu vermischen, so dass die Medizin in Beimengung mit den Körperfluiden
durch die Verabreichungsöffnung
im Körper
des Menschen oder des Tiers freigesetzt wird. Die Vorrichtung schließt weiterhin
eine mit einer Stromquelle verbundene Steuerschaltung ein, um das
elektrische Signal einem jeweiligen piezoelektrischen Wandler des
jeweiligen Membraneinreißsystems
zuzuführen,
damit der jeweilige piezoelektrische Wandler aktiviert wird. Eine
biologisch kompatible Polymerschicht deckt die Membran ab, um irgendwelche
gebrochenen Membranfragmente an die Vorrichtung zu binden und um zu
verhindern, dass die Fragmente in den Menschen oder das Tier abgegeben
werden.
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US-Patent
6.123.861 (Santini, Jr., et al.) offenbart eine Mikrochip-Arzneimittelabgabevorrichtung,
um die Rate und Zeit der Abgabe der Moleküle wie beispielsweise der Medizin
entweder auf periodische oder kontinuierliche Weise zu steuern.
Diese Vorrichtung schließt
für gewöhnlich Hunderte
oder Tausende aus einem Siliziumsubstrat gebildete Behälter bzw.
Wells ein, die die Moleküle
und ein Freisetzungselement enthalten, das die Rate der Molekülabgabe
steuert. Die Behälter
können
mehrere Medikamente oder weitere Moleküle in veränderlichen Dosierungen enthalten.
Die gefüllten
Behälter
können
mit Materialien abgedeckt sein, die auf eine passive Weise Materialien
zerlegen, die den Molekülen erlauben,
sich mit der Zeit passiv außerhalb
vom Behälter
zu verteilen, oder mit Materialien abgedeckt sein, die sich bei
der Anlegung einer elektrischen Spannung zersetzen. Die Freisetzung
aus einer aktiven Vorrichtung kann von einem vorprogrammierten Mikroprozessor,
einer Fernsteuerung oder von Biosensoren gesteuert werden.
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Mehrere
Verfahren werden verwendet, um Siliziumscheiben zusammen zu verbinden
oder an andere Substrate wie beispielsweise Glassubstrate zu verbinden,
um größere oder
komplexere mikro-maschinell-bearbeitete Systeme wie beispielsweise
Medikamentenverabreichungssysteme zu bilden, die folgendes einschließen: Adhäsionsbonden,
anodisches Bonden, eutektisches Bonden, Glasurmassenbonden, Schmelzbonden,
Niedrigtemperatur-Schmelzbonden
und Mikrowellenbonden. Zwischen diesen verschiedenen Bond-Verfahren
existieren bezüglich
der angelegten Temperatur, der angelegten Spannung, des angelegten
Drucks, der angelegten Energie, der Bindezeit, der Bindestärke, der Materialkosten,
usw. verfahrenstechnische Kompromisse.
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Das
Adhäsionsbonden
verwendet einen Kleber, um die Substrate aneinander zu kleben. Dies wird
für gewöhnlich getan,
indem eine dünne
Klebschicht auf ein oder beide Substrate spinaufgetragen wird, bevor
sie in Kontakt gebracht werden. Die Substrate werden für gewöhnlich bei
einer vorgeschriebenen Temperatur gebrannt, um den Kleber zu härten.
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Das
anodische Bonden, das anders als elektrostatisches Bonden bekannt
ist, vereinigt für
gewöhnlich
hermetisch und dauerhaft Glas mit Siliziumsubstraten, ohne Kleber
verwenden zu müssen.
Das Glassubstrat enthält
für gewöhnlich einen
hohen Prozentanteil von Alkalimetallen wie beispielsweise Natriumoxid.
Die Silizium- und Glassubstrate werden miteinander in Kontakt gebracht.
Die Silizium- und Glassubstrate werden auf eine Temperatur (für gewöhnlich abhängig vom
Glastyp im Bereich von 300–500°C) über dem
Schmelzpunkt des Glassubstrats erhitzt, was dazu führt, dass
sich das Natriumoxid in Natrium und Sauerstoffione aufspaltet. Eine hohe
Gleichspannung (z. B. bis zu 1kV) wird an den Substraten angelegt,
ein elektrisches Feld erzeugend, das die Substrate durchdringt.
Das elektrische Feld bewirkt, dass die Natriumionen aus der Grenzfläche zwischen
den Substraten in Richtung Kathode wandern, wo sie neutralisiert
werden, was eine Verarmungsschicht mit hoher elektrischer Feldstärke bereitstellt.
Die entstehende elektrostatische Anziehung an der Verarmungsschicht
bringt das Silizium und das Glas in einen engen Kontakt. Das elektrische Feld
bewirkt auch, dass die Sauerstoffionen aus dem Glassubstrat an das
Siliziumsubstrat strömen,
was zu einer anodischen Reaktion an der Grenzfläche führt, wobei die Siliziumionen
im Siliziumsubstrat nicht rückgängig zu
machende Silizium-Sauerstoff-Silizium-Bindungen bilden. Das Ergebnis
ist, dass das Glassubstrat mit einer dauerhaften chemischen Bindung
an das Siliziumsubstrat gebunden wird. Die Nachteile des anodischen
Bondens schließen
die erforderliche ziemlich hohe Temperatur, die Temperatur-Nichteinheitlichkeit
während
der Vakuumabdichtung und ziemlich lange Binde-Zeiten (z. B. 10 Minuten)
ein.
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Das
eutektische Bonden und das Glasurmassenbonden verwenden jeweils
eine Schicht des Metalls und des Glaskeramikklebers, um die Substrate
unter hoher Temperatur hermetisch zusammen abzudichten.
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Das
Schmelzbonden verwendet zwei Siliziumsubstrate, die wasserabweisende
oder wasseranziehende auf Hochglanz polierte flache und saubere Oberflächen haben.
Die beiden Oberflächen
der Substrate kommen unter Hochdruck miteinander in Kontakt und
erzeugen Atomanziehungskräfte,
die die beiden Substrate aneinanderbinden. Die Atomanziehungskräfte sind
stark genug, um zu erlauben, dass die aneinanderhaftenden Substrate
an einen Brennofen bewegt werden. Die aneinanderhaftenden Substrate
werden im Brennofen bei einer hohen Temperatur (z. B. 900°C–1100°C) geschmolzen,
um zwischen den beiden Substraten eine feste hermetische Dichtung
zu bilden.
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Das
Schmelzbonden bei tiefer Temperatur entwickelt das Glasurmassenbondverfahren
weiter. Im Gegensatz zum Glasurmassenbondverfahren verwendet das
Schmelzbonden bei tiefer Temperatur keinen Glaskeramikkleber, um
die Substrate aneinander zu kleben. Das Schmelzbondverfahren bei niedriger
Temperatur verwendet eine geringe Wärme, um die Substrate weicher
zu machen, und einen Druck, um die Substrate zusammenzuquetschen
und -zuhalten, bis sie über
eine vorgeschriebene Zeitspanne binden.
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Das
Mikrowellenbonden verwendet elektromagnetische Energie, um zwei
metallisierte nichtleitende Substrate bzw. Siliziumsubstrate aneinander zu
bonden. Die elektromagnetische Energie in Form eines Pulses erwärmt die
Metallgrenzfläche
zwischen den beiden Substraten, um die Grenzfläche zusammenzuschmelzen, während erlaubt
wird, dass die Substrate kühl
bleiben.
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Es
wäre wünschenswert,
ein Medikamentenverabreichungssystem zu haben, das ausgebildet ist, um
in einem Menschen oder Tier implantiert zu werden und das aktiv
ein Arnzeimittel oder ein anderes Molekül im Tier oder im Menschen
freisetzt, indem eine Membran eingerissen wird, ohne zu erlauben, dass
sich die eingerissene Membran vom Medikamentenverabreichungssystem
löst und
im Tier oder Menschen freigegeben wird. Ein solches System würde nicht
erlauben, dass sich das zerlegte Membranmaterial von der Arzneimittelabgabevorrichtung löst, um im
Tier oder Menschen freigesetzt zu werden, wie im US-Patent 6.123.861
(Santini, Jr., et al.) offenbart. Weiterhin würde ein solches System keine biologisch
kompatible Polymerschicht, wie sie im US-Patent 5.366.454 (Currie,
et al.) als erforderlich gezeigt wird, benötigen, um irgendwelche abgebrochenen
Membranfragmente an die Vorrichtung zu binden und um zu verhindern,
dass die Fragmente im Tier oder Menschen freigesetzt werden.
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Es
wäre auch
wünschenswert,
ein Bonding-Verfahren zu haben, um die beiden Substrate bei einer
Temperatur hermetisch abzudichten, die tiefer als die für das anodischen
Bonden verwendeten 300–500°C ist. Ein
solches Bonding-Verfahren würde thermisch
abbauende Materialien wie beispielsweise die Medizin in der medikamentösen Abgabevorrichtung,
wie sie im US-Patent 5.366.454 (Currie, et al.) offenbart ist, nicht
verschlechtern. Ein solches Bonding-Verfahren wäre auch schnell, um einen hohen Herstellungsdurchsatz
bereitzustellen. Weiterhin würde
ein solches Verfahren auch einen ziemlich niedrigen Druck an die
Substrate anlegen.
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WO-02/099457
offenbart eine MEMS-Medizinverordnungs-Abgabevorrichtung, die den
Zustand des Standes der Technik gemäß Artikel 54(3)EPC bildet.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung nach Anspruch 1 wird ein Medikamentenverabreichungssystem
bereitgestellt, das gleichzeitig Arzneimittel oder andere Moleküle über Wochen
oder Jahre abgibt.
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Das
Medikamentenverabreichungssystem erlaubt die Abgabe der Medikamente
entweder auf periodische oder kontinuierliche Art und Weise und kann
viele unterschiedliche Medikamente veränderlicher Dosierungen enthalten.
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Das
Medikamentenverabreichungssystem ist klein genug, um, wenn erwünscht, implantiert,
eingespritzt oder geschluckt zu werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung gibt das Medikamentenverabreichungssystem die Medizin ab,
indem eine Membran eingerissen wird, ohne zu erlauben, dass sich
die eingerissene Membran vom Medikamentenverabreichungssystem löst.
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Das
Medikamentenverabreichungssystem schließt eine Steuereinheit und eine
Medikamentenverabreichungseinheit ein. Die Medikamentenverabreichungseinheit
schließt
mehrere Fächer,
eine Membran und mehrere Freisetzungselemente ein. Die Steuereinheit
ist ausgebildet, um ein Steuersignal zu erzeugen. Jedes Fach ist
ausgebildet, um eine vorbestimmte Menge einer Medizin zu enthalten,
und verfügt über eine
Verabreichungsöffnung,
die die Abgabe der Medizin erlaubt. Die Membran ist ausgebildet,
um die Verabreichungsöffnung
eines jeden Fachs abzudichten. Jedes Freisetzungselement ist mit
einem entsprechenden Fach verknüpft.
Das Freisetzungselement ist ausgebildet, um die Membran als Reaktion
auf ein Steuersignal an einem vorbestimmten Reißmuster einzureißen. Ein
Teil des ersten Membranabschnitts löst sich am vorbestimmten Reißmuster
von einem zweiten Membranabschnitt, während er an einem Verbindungsbereich
am zweiten Membranabschnitt angebracht bleibt. Das Einreißen der
Membran erlaubt, dass sich Körperfluide
eines Menschen oder Tiers mit dem Medikament vermischen, so dass
die Medizin in Beimengung mit den Körperfluiden durch die Verabreichungsöffnung in den
Körper
des Menschen oder des Tiers ausgegeben wird.
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Diese
und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden weiterhin
mit Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen
beschrieben, worin denselben Merkmalen oder Elementen, die in den
verschiedenen Figuren dargestellt werden, dieselben Bezugsziffern erteilt
werden. Man beachte, dass die Figuren nicht maßstabsgerecht sind.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 veranschaulicht
eine perspektivische Ansicht eines Medikamentenverabreichungssystems in Übereinstimmung
mit einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, das eine Steuereinheit und mehrere Medikamentenverabreichungseinheiten
einschließt.
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2 veranschaulicht
eine vergrößerte Teil-Draufsicht
des Medikamentenverabreichungssystems aus 1.
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3 veranschaulicht
eine vergrößerte Draufsicht
einer Medikamentenverabreichungseinheit, wie in den 1 und 2 gezeigt,
die ein an einer Membran angeordnetes Freisetzungselement aufweist.
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4 veranschaulicht
eine vergrößerte seitliche
Querschnittsansicht der Medikamentenverabreichungseinheit an der
Linie 4–4 in 3.
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5 veranschaulicht
eine Längsquerschnittsansicht
der Medikamentenverabreichungseinheit an der Linie 5–5 in 3,
bevor die Membran eingerissen wird.
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6 ist
eine Längsquerschnittsansicht,
die 5 ähnelt,
jedoch die Medikamentenverabreichungseinheit zeigt, nachdem die
Membran eingerissen ist.
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Die 7a–7k veranschaulichen
in einer Schrittabfolge ein MEMS-Herstellungsverfahren in Übereinstimmung
mit der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zum Herstellen der Medikamentenverabreichungseinheit,
wie in den 1–6 gezeigt.
Um der Deutlichkeit willen wurde die Kreuzschraffierung weggelassen.
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8 veranschaulicht
ein Flußdiagramm, das
in Übereinstimmung
mit der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Abdichten der Medikamentenverabreichungseinheit,
wie in den 1–6 gezeigt,
beschreibt.
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9 veranschaulicht
ein Blockdiagramm der wie in den 1 und 2 gezeigten
Steuereinheit und Medikamentenverabreichungseinheiten in Übereinstimmung
mit der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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1 veranschaulicht
eine perspektivische Ansicht eines Medikamentenverabreichungssystems 10,
das eine Steuereinheit 12 und mehrere voneinander beabstandete
Abgabeeinheiten 14 in Übereinstimmung
mit einer bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung einschließt. Das Medikamentenverabreichungssystem 10 wird
mittels der wie oben beschriebenen MEMS-Technologie hergestellt, indem Verfahren
verwendet werden, die allgemein für die Herstellung integrierter
Schaltungen angewandt werden, wie beispielsweise die Ultraviolett-(UV)-Photolithographie,
das reaktive Ionenätzen und
die Elektronenstrahlverdampfung, die im Stand der Technik gut bekannt
sind. Die MEMS-Technologie-Herstellungsverfahrensweise
erlaubt die Herstellung der Medikamentenverabreichungssysteme 10 mit
primären
Abmessungen (die Länge
einer Seite, falls quadratisch oder rechteckig, oder der Durchmesser,
falls kreisförmig),
die im Bereich von weniger als einem Millimeter bis zu mehreren
Zentimetern liegen. Die Dicke eines gewöhnlichen Medikamentenverabreichungssystems 10 ist
300 Mikrometer, kann aber abhängig
von der Anwendung des Systems von annähernd 10 Mikrometern bis zu
mehreren Millimetern variieren. Das Ändern der Dicke des Systems beeinflußt die Höchstzahl
an Medikamentenverabreichungseinheiten 14, die im System
eingeschlossen sein können,
und das Volumen einer jeden Medikamentenverabreichungseinheit 14. "Im Körper"-Anwendungen der
Vorrichtung würden
für gewöhnlich Systeme
erfordern, die eine primäre
Abmessung von 2 cm oder kleiner haben. Systeme für Anwendungen im Körper sind
klein genug, um mittels der Verwendung von minimal invasiven Abläufen geschluckt oder
implantiert zu werden. Kleinere Im-Körper-Systeme (in der Größenordnung
von Millimetern) können mittels
Verwendung eines Katheters oder anderen Injektionsmittels implantiert
werden.
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Vorzugsweise
hat das Medikamentenverabreichungssystem 10 ein kleines
Wafer-ähnliches Substrat 16,
das mehrere voneinander beabstandete Medikamentenverabreichungseinheiten 14 bereitstellt.
Das Substrat 16 dient als ein Träger für die Medikamentenverabreichungsvorrichtung 10.
Das Substrat 16 kann irgendein Material sein, dass für ein Ätzen oder
eine maschinelle Bearbeitung geeignet ist, damit ein Träger bereitgestellt
wird, und ist für
Medizin und umgebende Körperfluide
wie Wasser, Blut, Elektrolyten oder andere Lösungen undurchlässig. Beispiele
für Materialien,
die für
das Substrat 16 geeignet sind, umfassen, ohne Einschränkung, Keramiken,
Halbleiter, Glas und abbaubare und nicht abbaubare Polymere.
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Die
Biokompatibilität
des Substratmaterials wird bevorzugt, aber nicht benötigt. Für Im-Körper-Anwendungen
können
nicht-biokompatible Materialien vor dem Gebrauch in einem biokompatiblen Material
wie beispielsweise poly(ethylen-glycol)- oder poly-tetrafluoroethylen-artigen
Materialien eingekapselt werden. Silizium ist ein Beispiel für ein Material,
das ein starkes, nicht-abbaubares, leicht zu ätzendes Substrat bildet, das
für die
eingeschlossene Medizin und die umgebenden Körperfluide undurchlässig ist.
Poly(anhydrid-co-imid) ist ein Beispiel für ein Material, das ein starkes
Substrat bildet, das sich in einem Zeitraum in den biokompatiblen
Komponenten abbaut oder auflöst.
Dieses Material wird für Im-Körper-Anwendungen
bevorzugt, wo das System implantiert wird und die physische Entfernung
der Vorrichtung zu einem späteren
Zeitpunkt nicht machbar oder empfohlen ist.
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Jede
Medikamentenverabreichungseinheit 14 hat ein Fach 18,
das ausgebildet ist, um eine Medizin 34 (in den 4–7 gezeigt) zu enthalten oder zu umschließen, und
das durch einen Hohlraum, einen Einschnitt oder einen Behälter bestimmt
wird, die mittels Ätzen,
maschineller Bearbeitung oder eines anderen bekannten Verfahrens
im Substrat 16 ausgebildet werden. Die Fächer 18 werden
jeweils mit einer Ladeöffnung 20,
die den Empfang der Medizin 34 im Fach 18 erlaubt,
und mit einer Verabreichungsöffnung 22 bereitgestellt,
die die Abgabe der darin enthaltenden Medizin erlaubt. Ein Deckel 24 dichtet
die Ladeöffnungen 20 vorzugsweise
mittels Verwendung eines in 8 beschriebenen
Bond-Verfahrens oder eines wasserdichten Epoxids bzw. eines anderen passenden
Materials ab, das für
die umgebenden Fluide undurchlässig
ist. Eine Membran 26 dichtet die Verabreichungsöffnungen 22 ab.
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Wie
in 4 am besten zu sehen, wird die Medizin 34 mittels
irgendeines Verfahrens, das, ohne Einschränkung, das Injizieren, Farbstrahldrucken, Spin-Beschichten,
eine Kapillartätigkeit,
das Ziehen oder Stoßen
der Medizin mittels Verwendung eines Vakuums bzw. eines anderen
Druckmechanismus, das Schmelzen des Materials im Fach 18,
das Schleudern und betreffende Abläufe, das Packen von Feststoffen
in das Fach 18 oder irgendeine Kombination aus diesen oder
anderen ähnlichen
Fülltechniken
in die Ladeöffnung 20 des
Fachs gefügt.
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Die
Medizin 34 kann ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gel in den
Fächern 18 sein.
Vorzugsweise wird die Medizin 34 als ein Feststoff gebildet, da
die feste Medizin eine hohe Konzentration pro Volumeneinheit hat,
beispielsweise im Picogrammbereich. Die Medizin 34 kann
irgendeine natürliche, synthetische
oder halb-synthetische Verbindung oder Mischung davon sein, die
abgegeben werden kann. In einer Ausführungsform wird das Medikamentenverabreichungssystem 10 verwendet,
um die Medizin systematisch an einen Patienten abzugeben, der dieser
bedarf. In einer anderen Ausführungsform
ermöglicht
der Aufbau und das Einsetzen des Medikamentenverabreichungssystems 10 in
einen Patienten die örtliche
Freisetzung der Medizin 34, die für eine systematische Abgabe
zu stark sein kann. Wie hierin verwendet, ist die Medizin eine Verbindung
oder ein Salz, eine Arzneimittelvorstufe, ein Solvat, ein Salz und/oder
Solvat ihrer Arzneimittelvorstufe, einschließlich, ohne Einschränkung, Proteinen,
Nukleinsäuren,
Polysacchariden und synthetischen organischen Molekülen, die
eine bioaktive Wirkung haben, z. B. Anästhetika, Impfstoffe, Chemotherapiemittel, Hormone,
Stoffwechselprodukte, Zucker, Immunmodulatoren, Oxydationsinhibi toren,
Ionenkanalregler und Antibiotika. Die Medizin 34 kann inform
einer einzigen Medizin oder inform eines Medizingemischs sein und
kann pharmazeutisch aufnehmbare Träger einschließen. In
einer anderen Ausführungsform
werden Moleküle
in jedem System im Körper
freigesetzt, wo die gesteuerte Abgabe einer kleinen (Milligramm bis
Nanogramm) Menge von einem oder mehreren Molekülen erforderlich ist, z. B.
auf dem Gebiet der analytischen Chemie oder der medizinischen Diagnose.
Moleküle
können
als pH-Puffermittel,
Diagnosemittel und Reagenzien in komplexen Reaktionen wie beispielsweise
einer Polymerase-Kettenreaktion oder anderen Nukleinsäure-Verstärkungsverfahren wirksam
sein.
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Jedes
Fach 18 kann abhängig
von den medizinischen Bedürfnissen
des Patienten oder anderen Erfordernissen des Medikamentenverabreichungssystems 10 unterschiedliche
Medikamente enthalten. Für
Anwendungen in der Medikamentenverabreichung kann z. B. die Medizin 34 in
jeder Reihe eine andere sein. Weiterhin kann die Abgaberate der
Medizin 34 innerhalb einer jeden Reihe anders sein, um eine
Medizin bei einer schnellen Rate aus einem Fach 18 und
bei einer langsamen Rate aus einem anderen Fach 18 freizusetzen.
Jedes Fach 18 kann auch verschiedene Dosierungen der Medizin 34 enthalten.
Die Dosierungen können
ebenfalls innerhalb einer jeden Reihe der Medikamentenverabreichungseinheiten 14 anders
sein.
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Für Im-Körper-Anwendungen
wird das gesamte Medikamentenverabreichungssystem 10, mit Ausnahme
der Seite des Medikamentenverabreichungssystems 10, die
die Verabreichungsöffnungen 22 an
den Medikamentenverabreichungseinheiten 14 bereitstellt,
in einem Material eingeschlossen, das für das System 10 geeignet
ist. Für
Im-Körper-Anwendungen
wird das Medikamentenverabreichungssystem 10 vorzugsweise
in einem biokompatiblen Material wie beispielsweise Poly(ethylen-glycol)
oder Polytetrafluorethylen eingekapselt.
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Die
Verwendung der MEMS-Technologie-Herstellungstechniken erlaubt die
Aufnahme von Hunderten oder Tausenden an Fächern 18 in einem einzelnen
Medikamentenverabreichungssystem 10. Der Abstand zwischen
jedem Fach 18 hängt
von seiner speziellen Anwendung und davon ab, ob die Abgabe der
Medizin aktiv oder passiv ist. In Zusammenhang mit der aktiven Abgabe
kann der Abstand zwischen den Behältern etwas größer (zwischen
etwa 1 und 10 Mikrometer) sein als in Zusammenhang mit einer passiven
Abgabe, und zwar infolge des von einem Abgabeelement (in 1 nicht
gezeigt) besetzten Raums an oder nahe bei jedem Fach 18.
Die Fächer 18 können in
nahezu jeder Form und Tiefe hergestellt sein und brauchen nicht
ganz durch das Substrat 16 zu gehen. In einer bevorzugten
Ausführungsform
werden die Fächer 18 durch
Kaliumhydroxid in ein Siliziumsubstrat geätzt, und zwar inform einer quadratrischen
Pyramide, die über
Seitenwände
verfügt,
die etwa 45° geneigt
sind, die vollständig
durch das Substrat (etwa 300 Mikrometer) an die Membran 26 auf
der anderen Seite des Substrats 16 dringen, wie in 7 gezeigt. Die Pyramidenform erlaubt das einfache
Füllen
der Fächer 18 durch
die Ladeöffnung 20 (etwa
500 Mikrometer mal 500 Mikrometer) auf einer gemusterten Seite des
Substrats 16, das Freisetzen durch die Verabreichungsöffnung 22 (etwa
50 Mikrometer mal 50 Mikrometer) auf der anderen Seite des Substrats 16,
und sorgt für
einen großen
Hohlraum innerhalb der Medikamentenverabreichungsvorrichtung 14,
um die Medizin zu lagern.
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Nimmt
man als nächstes
auf die 2-6 Bezug,
veranschaulicht 2 eine vergrößerte Teil-Draufsicht des Medikamentenverabreichungssystems
aus 1. 3 veranschaulicht eine vergrößerte Draufsicht
einer Medikamentenverabreichungseinheit 14, wie in den 1 und 2 gezeigt,
die ein an der Membran 26 angeordnetes Freisetzungselement 28 aufweist. 4 veranschaulicht eine
vergrößerte Querschnitts-Seitenansicht
der Medikamentenverabreichungseinheit 14, wie in 3 gezeigt,
die das an der Membran 26 angeordnete Freisetzungselement 28 hat. 5 veranschaulicht einen
Längsaufriß der Medikamentenverabreichungseinheit 14,
wie in 3 gezeigt, bevor die Membran 26 in Übereinstimmung
mit der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eingerissen wird. 6 veranschaulicht
den Längsaufriß der Medikamentenverabreichungseinheit 14,
wie in 3 gezeigt, nachdem die Membran 26 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung eingerissen wird.
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Das
Freisetzungselement 28 wird mit jeder Medikamentenverabreichungseinheit 14 verknüpft, um
die Membran 26 als Reaktion auf ein Steuersignal 78 (in 9 gezeigt)
von der Steuereinheit 12 einzureißen. Die Größe, Form und das Einsetzen
des Freisetzungselements 28 können abhängig von verschiedenen technischen
Erwägungen
für die
spezielle Anwendung variieren. Das Freisetzungselement 28 wird
vorzugsweise auf der Membran 26, entweder innerhalb und/oder
außerhalb
vom Fach 18, angeordnet, indem Abscheidungstechniken wie
beispielsweise die chemische Dampfablagerung, die Elektronen- oder
Ionenstrahlverdampfung, Kathodenzerstäubung, das Spin-Beschichten
und andere im Stand der Technik bekannte Techniken verwendet werden.
Verschiedene Freisetzungselemente können verwendet werden, um die
Membran 26 einzureißen,
einschließlich,
ohne Einschränkung,
elektrostatischer, magnetischer, piezoelektrischer, bimorpher, Gedächtnislegierungs-,
Temperatur-, chemischer und anderer Mechanismen, die die Membran 26 spannen
oder beanspruchen.
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Wenn
ein Temperaturelement wie beispielsweise ein Polysilizium-Piezoresistor
als Freisetzungselement 28 verwendet wird, kann ein Wärmeisolator
wie beispielsweise Siliziumdioxid als Membran 26 verwendet
werden, um, falls erwünscht,
das Temperaturelement von der Medizin 34 zu isolieren. Das
Substrat 16 wird vorzugsweise aus Silizium gebildet und
wirkt als Kühlkörper. Die
Wärmeleitfähigkeit
für Silizium
ist 1,57 W/cm-Grad
C, für
Siliziumdioxid 0,014 W/cm-Grad C und für Polysilizium 0,17 W/cm-Grad
C. Wenn das Temperaturelement 28 erhitzt wird, reißt die Membran 26 infolge
des hohen Wärmegradienten,
der an der Membran 26 induziert wird, was bewirkt, dass
sich die Medikamentenverabreichungseinheit 14 öffnet. Eine
dünne Schicht
aus dehnbarem Siliziumnitrid kann auf die Membran 26 aufgetragen
werden, um das Öffnen
der Medikamentenverabreichungseinheit 14 zu unterstützen, wenn das
Temperaturelement erwärmt
wird. Nachdem die Membran 26 gerissen ist, zieht das dehnbare
Siliziumnitrid die Membran 26 zurück, um die Bildung der Verabreichungsöffnung 22 zu
unterstützen.
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Das
Freisetzungselement 28 wird mithilfe der Elektroden 30 und 32 elektrisch
mit der Steuereinheit 12 verbunden.
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Beispielhafte
leitende Materialien für
die Elektroden schließen
Metalle wie beispielsweise Kupfer, Gold, Silber und Zink und einige
Polymere ein. Die normale Schichtdicke der Elektroden 30 und 32 kann
von 0,05 bis zu mehreren Mikron reichen. Wenn eine elektrische Spannung
an die Elektroden 30 und 32 angelegt wird, reißt die Membran 26 an
einem vorbestimmten Muster, um das die Medizin 34 enthaltende
Fach 18 an die umgebenden Fluide auszusetzen.
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Das
vorbestimmte Reißmuster
nähert
sich vorzugsweise der Größe und der
Form des Freisetzungselements 28 an. Vorzugsweise hat das
vorbestimmte Reißmuster
eine Breite im Bereich von 2 bis 20 Mikrometer, eine Länge einer
Seite der Verabreichungsöffnung
22 im Bereich von 40 bis 500 Mikrometer und einen Abstand zwischen
dem vorbestimmten Reißmuster
und der Kante der Verabreichungsöffnung 22 im
Bereich von 2 bis 20 Mikrometer.
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Ein
isolierendes oder nichtleitendes Material 40 wie beispielsweise
Siliziumoxid (SiO2) oder Siliziumnitrid
(SiN2) wird mittels Verfahren wie beispielsweise
der chemischen Dampfabscheidung, der Elektronen- oder Ionenstrahlverdampfung,
der Kathodenzerstäubung
oder der Spin-Beschichtung und anderer im Stand der Technik bekannte
Techniken auf der gesamten Fläche
des Medikamentenverabreichungssystems 10 abgelagert. Ein
Photoresist (nicht gezeigt) wird oben auf das nichtleitende Material 40 gemustert,
um es vor dem Ätzen
zu schützen,
nur nicht auf das Freisetzungselement 28 direkt über jedem
Fach 18. Das nichtleitende Material 40 kann durch
Plasma, einen Ionenstrahl oder chemische Ätztechniken geätzt werden.
Der Zweck dieses nichtleitenden Materials 40 und des Photoresistüberzugs liegt
darin, die Elektroden 30 und 32 vor Korrosion, Degradation
oder Auflösung
zu schützen,
und zwar in allen Bereichen, wo die Elektrodenschichtentfernung für die Freisetzung
der Medizin 34 unnötig
ist.
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Die
Membran 26 hat einen vorbestimmten elastischen Verformungsgrenzwert
und einen vorbestimmten Reißpunkt.
Die Membran 26 kann aus einer Vielfalt an Materialien gebildet
sein, die, ohne Einschränkung,
Nichtleiter, Polysilizium oder Silizium einschließen. Die
Membran 26 kann eine Schwachstellenlinie haben, die am
vorbestimmten Reißmuster darin
ausgebildet ist, um das Reißen
der Membran 26 zu unterstützen. Vorzugsweise ist die
Membran 26 an der Schwachstellenlinie dünner als an anderen Bereichen
der Membran 26. Dieses Verdünnen kann mittels einer V-förmigen Eindrückung in
der Membran 26 ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Membran 26 integral
mit dem Substrat 16 ausgebildet. Alternativ kann die Membran 26 unabhängig vom
Substrat 16 gebildet und daran angeheftet werden, wie z. B.
mit einer aus Silizium gebildeten Membran, die anodisch an ein Substrat 16 geheftet
wird, das ebenfalls aus Silizium gebildet ist.
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Vorzugsweise
wird die Membran 26 hermetisch über der Verabreichungsöffnung 22 abgedichtet,
um ein Vakuum in den Fächern 18 zu
bilden. Verschiedene Mechanismen zum Bilden der Vakuumdichtung umfassen,
ohne Einschränkung,
Großbereich-Wärmemechanismen
wie beispielsweise das elektrostatische Bonden und Lokalbereich-Wärmequellen
wie beispielsweise Laser, Mikrowellen- und Infrarotenergie. Die Lokalbereich-Wärmemechanismen
werden gegenüber
den Großbereich-Wärmemechanismen.
bevorzugt, da die Lokalbereich-Wärmemechanismen,
lieber als bei einer hohen Temperatur (z. B. 300–400°C), bei einer tiefen Temperatur (z.
B. 100–150°C) arbeiten.
Die Verwendung der tiefen Temperatur über dem Lokalbereich verhindert das
Beschädigen
der Medikamentenverabreichungseinheit 10 und der Medizin 34 und
erzeugt infolge des hohen Temperaturgradienten entlang der Membran 26,
vom lokalen Bereich zur Mitte der Membran 26, eine größere Dehnung.
In diesem Fall wird jedes Fach 18 unter ein Vakuum gezogen,
was bewirkt, dass die Membran 26 nach innen in das Fach 18 gezogen
wird und eine konkave Form bildet. Unter Vakuum wird die Membran 26 bis
zu einem Punkt gedehnt, der nahe am vorbestimmten elastischen Verformungsgrenzwert
und am vorbestimmten Reißpunkt
der Membran 26, aber etwas darunter liegt. Da das Fach 28 unter
Vakuum ist, befindet sich die Membran 26 in einer vorab
gespannten Bedingung. Das Freisetzungselement 28 bewirkt,
dass sich die Membran 26 über ihre Elastizitätsgrenze
hinaus krümmt, was
dazu führt,
dass die Membran 26 am vorbestimmten Muster reißt. Da sich
die Membran 26 bereits in einem vorab gespannten Zustand
befindet, benötigt
das Freisetzungselement 28, vergli chen mit einer Membran 26,
die sich nicht in einem vorab gespannten Zustand befindet, nicht
viel Energie, um die Membran 26 einzureißen.
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Die
Membran 26 hat einen ersten Abschnitt 35, der
sich innerhalb des vorbestimmten Musters befindet, und einen zweiten
Abschnitt 37, der sich außerhalb vom vorbestimmten Muster
befindet. Der erste Abschnitt 35 der Membran 26 wird
an einem Verbindungsbereich 39 am zweiten Abschnitt 37 der Membran 26 befestigt.
In der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bildet der erste Abschnitt 35 der
Membran 26 einen Deckel und der Verbindungsbereich 39 ein
Scharnier 36. Wenn die Membran 26 reißt, trennt
sich der Deckel vom zweiten Abschnitt 37 der Membran, nur
nicht am Scharnier 36, um zu erlauben, dass die Medizin 34, wie
in 6 gezeigt; durch die Verabreichungsöffnung abgegeben
wird. Das Scharnier erlaubt, dass der Deckel am Medikamentenverabreichungssystem 10 befestigt
bleibt, so dass es nicht im Tier oder Menschen freigesetzt wird.
Der erste Abschnitt 35 der Membran 26 und der
Verbindungsbereich 39 können abhängig von
den verschiedenen technischen Erwägungen für eine spezielle Anwendung
unterschiedlich geformt, groß und
positioniert sein.
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Die 7a–7k veranschaulichen
in einer Schrittsequenz ein MEMS-Herstellungsverfahren, um, wie
in den 1–6 gezeigt,
in Übereinstimmung
mit der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die Medikamentenverabreichungseinheit 14 herzustellen. 7a veranschaulicht
den Schritt zum Bereitstellen des Substrats 16. 7b veranschaulicht
das Substrat 1, das die Membran 26 an jeder abgewandten
Seite des Substrats 16 angelegt hat. In 7c wird
an einer Seite des Substrats 16 das Material 38 für das Freisetzungselement
auf die Membran 26 aufgetragen. In 7d wird
das Material 38 für
das Freisetzungselement 28 wahlweise entfernt, um das Freisetzungselement 28 zu
bilden. In 7e wird wahlweise der Isolator 40 auf
die Membran 26 aufgetragen und wahlweise das Membranmaterial
auf der unteren Seite des Substrats 16 entfernt. In 7f wird
die Medikamentenverabreichungseinheit 14, entweder physisch
oder um der Darstellung willen um 180 Grad, gedreht. In 7g wird
das Substrat 16 zwischen den übrigen Abschnitte des Membranmaterials
geätzt
oder gespant, um das Fach 18 und die Ladeöffnung 20 zu
bilden. In 7h werden die übriggebliebenen
Abschnitte des Membranmaterials entfernt. Alternativ bleiben die übriggebliebenen
Abschnitten des Membranmaterials abhängig von der Art des Materials
zurück.
In 7I wird das Fach 18 mit dem Medikament 34 gefüllt. In 7J wird
der Deckel 24 über
dem Fach 18 angeordnet, um die Ladeöffnung 20 gemäß dem in 8 beschriebenen Verfahren
unter Vakuum abzudichten. In 7k wird die
Medikamentenverabreichungseinheit 14, entweder physisch
oder um der Veranschaulichung willen erneut um 180 Grad, gedreht.
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8 veranschaulicht
ein Flußdiagramm, das,
wie in den 1–7k gezeigt,
ein Verfahren zum Abdichten der Medikamentenverabreichungseinheit 10 beschreibt.
Das Verfahren beginnt im Schritt 61. Im Schritt 62 stellt
das Verfahren das Substrat 16, das über Fächer 18 verfügt, und
den Deckel 24 auf eine für die Herstellung großer Mengen
passende Weise bereit. Im Schritt 63 füllt das Verfahren die Fächer 18 mit
dem Medikament 34, wie oben beschrieben. Im Schritt 64 deckt
das Verfahren die Fächer 18,
wie oben beschrieben, mit dem Deckel 24 ab. Im Schritt 65 legt
das Verfahren Wärme 58 an
das Medikamentenverabreichungssystem 10 an. In der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Wärme kleiner als 100°C und somit viel
kleiner als der Temperaturbereich von 300–500°C, der für das traditionelle anodische
Bonden verwendet wird. Im Schritt 66 legt das Verfahren im
Substrat 16 und im Deckel 24 eine Vorspannung an.
Vorzugsweise wird am Deckel 24 eine Plusspannung und am
Substrat 16 eine Minusspannung angelegt. Alternativ können die
Plus- und die Minusspannung abhängig
von den Materialien des Deckels 24 und des Substrats 16 umgekehrt
werden. In der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Vorspannung 56 größer als
100V und kleiner als 1kV, die für
das traditionelle anodische Bonden verwendet wird. Im Schritt 67 legt
das Verfahren gebündelte
Energie 54 an den Deckel 24 an, um den Deckel 24 mit
dem Substrat 16 dicht zu machen und um ein Vakuum in den
Fächern 18 zu
erzeugen. Die gebündelte
Energie 54 umfasst, ohne Einschränkung, Mikrowellen, Laser,
Infrarot, Lampen, usw. Die gebündelte
Energie 54 koppelt im Deckel 24 (z. B. bei einer
Wellenlänge,
die kleiner als 600nm ist) an, um die Temperatur für die Dauer
eines Energiepulses, der eine Mikrosekunde bis Millisekunde wehrt,
in einem Lokalbereich über
einem oder mehreren Fächern 18 zu
erhöhen.
Eine solche schnelle Wärmeankopplung
unterstützt
das Bonden der Grenzfläche
zwischen dem Deckel 24 und dem Substrat 16, ohne
den Deckel 24, das Substrat 16 oder die Medizin 34 zu
beschädigen.
Das Siliziummaterial leitet schnell Wärme, und ein Glasmaterial und
ein Vakuum leiten langsam Wärme.
Wenn der Deckel 24 aus Silizium hergestellt und das Substrat 16 aus
Glas hergestellt werden, leitet die gebündelte Energie 54 daher
langsam zur Medizin 34. Man beachte, dass die gebündelte Energie 54,
abhängig
von der Größe der Merkmale,
vom Leistungsniveau und von der Dauer der gebündelten Energie nicht notwendigerweise
mit besonderen Merkmalen des Medikamentenverabreichungssystems 10 ausgerichtet werden
muß. Im
Schritt 68 endet das Verfahren. Obwohl das Verfahren ein
Bond-Verfahren für
den Aufbau des Medikamentenverabreichungssystems 10 beschreibt,
kann das Verfahren für
jede Art eines/r Mikro-Material-bearbeiteten Systems bzw. Vorrichtung
verwendet werden.
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Die
Vorteile des im Verfahren beschriebenen Bond-Verfahren schließen folgendes
ein: einen schnellen Herstellungsdurchsatz, einheitliche Dichtungen,
keine Beschädigung
der Medizin 34, eine tiefe Bond-Temperatur, die eine größere Entwurfflexibilität und dauerhafte
mechanische Abmessungen in Zusammenhang mit der Temperatur erlaubt,
einen Flachbauprozeß,
keinen meßbaren
Fluß des
Gasmaterials, was das Abdichten um zuvor maschinell bearbeitete
Vertiefungen, Hohlräume,
usw., herum ohne irgendeinen Verlust der Abmessungsspielräume erlaubt;
parasitäre
Kapazitanzen werden äußerst klein gehalten,
da das Glasmaterial ein Isolator ist; das Bond-Verfahren kann im
Vakuum durchgeführt
werden, was erlaubt, dass hermetisch abgedichtete Bezugshohlräume gebildet
werden; die Durchsichtigkeit des Glases erlaubt bei optischen Wellenlängen die einfache,
aber sehr genaue Ausrichtung vorab gemusterter Glas- und Siliziumscheibchen
als auch die Beobachtung des Inneren der mikro-strömungsmechanischen
Vorrichtungen; ein ertragreiches Verfahren, das gegenüber einer
Partikelkontaminierung und Waferverformung einen Spielraum hat,
da das elektrostatische Feld eine hohe Klemmkraft erzeugt, die Oberflächenunebenheiten überwindet;
ein kostengünstiges
Wafermaßstabverfahren
für ein
Verpacken erster Ordnung kann, falls erforderlich, auf einem Chipniveau
vorgenommen werden; Mehrschichtenstapel erlauben die einfache Fertigungsplanung
für komplexe
3-D-Strukturen; und eine hochfeste Haftung, die höher ist
als der Brechwiderstand des Glasmaterials.
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9 veranschaulicht
ein Blockdiagramm der wie in den 1 und 2 gezeigten
Steuereinheit 12 und Medikamentenverabreichungseinheiten 14 in Übereinstimmung
mit der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Medikamentenverabreichungssystem 10 gibt
gemäß den Erfordernissen
eines Mensch- oder Tierpatienten bzw. eines experimentellen Systems
auf genaue Weise bei bestimmten Raten und zu bestimmten Zeiten Medizin 34 ab.
Die Steuereinheit 12 schließt einen Controller 70,
einen Speicher 72, einen Sensor 15, eine Stromzufuhr 74 und
einen Demultiplexer 76 ein. Vorzugsweise ist die Steuereinheit 12 als
eine integrierte Schaltung aufgebaut, kann aber als diskrete Schaltungen
aufgebaut sein. Die Steuereinheit 12 kann über einen
internen oder externen Speicher wie beispielsweise RAM und/oder
ROM verfügen.
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Die
Stromzufuhr 74 stellt den passenden Funktionen in der Steuereinheit 12 wie
beispielsweise dem Controller 70 Energie beriet. Vorzugsweise ist
die Stromzufuhr 74 eine Batterie, um tragbare oder Im-Körper-Anwendungen
zu erlauben, und ist vorzugsweise ein dünnschichtiges, elektrochemisches
Element, das auf dem Substrat 16 abgeschieden wird. Die
Kriterien für
die Auswahl der Stromzufuhr sind eine kleine Größe, genügend Leistungsfähigkeiten,
die Fähigkeit,
in der Steuereinheit 12 integriert zu werden, und, in einigen
Anwendungen, die Fähigkeit,
neu geladen zu werden, und eine lange Zeitspanne, bevor das Neuladen
nötig ist.
Andere Batterien dieser Art umfassen wiederaufladbare, Lithium zugrundeliegende
Mikrobatterien, die für
gewöhnlich
nur 10 Mikron dick sind und eine Fläche von 1 cm2 besetzen.
Eine oder mehrere dieser Batterien können direkt in der Steuereinheit 12 eingeschlossen sein.
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Der
Controller 70 erzeugt das Steuersignal 78, um
die Medikamentenverabreichungseinheiten 14 zu steuern.
Das Steuersignal 78 kann auf einer einzelnen Leitung, die
mehrere Signale trägt,
getragen werden, worin jedes der mehreren Signale mit einer entsprechenden
Medikamentenverabreichungseinheit 14 verknüpft ist.
Alternativ kann das Steuersignal auf mehreren Leitungen geführt werden,
worin jede der mehreren Leitungen mit jeder Medikamentenverabreichungseinheit 14 verknüpft wird.
Daher steuert der Controller 70 in Verbindung mit dem Steuersignal 78 aktiv
das Reißen
der Membran 26 für
die jeweilige Medikamentenverabreichungseinheit 14.
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Die
Steuereinheit 12 ist auf der Grundlage des Zeitraums aufgebaut,
in dem die Medikamentenverabreichung erwünscht wird, im allgemeinen
im Bereich von mindestens drei bis zwölf Monaten für einige
Anwendungen. In einigen Fällen
kann die kontinuierliche (konstante) Abgabe aus dem Fach 18 am vorteilhaftesten
sein. In anderen Fällen
kann eine pulsförmige
Pulver-Abgabe aus dem Fach 18 wirkungsvollere Ergebnisse
bereitstellen. Man beachte, dass eine Ein-Puls-Medikamentenverabreichung
aus einem Fach 18 in eine Mehr-Puls-Medikamentenverabreichung
umgewandelt werden kann, indem mehrere Fächer 18 verwendet
werden. Zusätzlich
kann die Abgabe mehrerer Pulse einer Medizin in schneller Aufeinanderfolge
die kontinuierliche Medikamentenverabreichung nachahmen.
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Der
Controller 70 steuert die Zeit und die Abgaberate der Medizin 34 aus
jedem Fach 18 als Reaktion auf ein/e Softwareprogramm oder
-schaltung, eine Fernsteuerung, ein Signal von einem Sensor oder
mittels irgendeiner Kombination dieser Verfahren. Vorzugsweise wird
der Controller 70 in Verbindung mit dem Sensor 15,
dem Speicher 72, der Stromzufuhr 74 und dem Demultiplexer 76 verwendet.
Das im Speicher 72 gespeicherte Softwareprogramm bestimmt
Zeit und Rate der Medikamentenverabreichungs. Der Speicher 72 sendet
dem Controller 70 Befehle zu. Wenn die Zeit für die Freisetzung erreicht
wurde, wie vom Softwareprogramm angezeigt, sendet der Controller 70 dem Demultiplexer 76 das
Steuersignal 78 zu, das der Adresse (Standort) eines speziellen
Fachs 18 entspricht. Der Demultiplexer 76 erzeugt
ein elektrisches Signal an das vom Controller 70 adressierte
spezielle Fach 18.
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Der
Sensor 15 stellt auf vorteilhafte Weise ein geschlossenes
Regelkreis-Rückkopplungssystem
bereit, um zu erlauben, dass das Medikamentenverabreichungssystem 10 die
Zeit, die Rate und/oder die Dosierungn der Medizin als Reaktion
auf überwachte
Bedingungen in der Umgebung wie beispielsweise im Körper des
Menschen oder des Tiers ändert.
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Das
Medikamentenverabreichungssystem 10 hat zahlreiche Anwendungen.
Das Medikamentenverabreichungssystem 10 kann verwendet
werden, um kleine gesteuerte Mengen an chemischen Reagenzien oder
anderen Molekülen
zu genau gesteuerten Zeitpunkten und Raten an Lösungen oder Reaktionsgemische
abzugeben. Die analytische Chemie und medizinischen Fehlerdiagnosen
sind Beispiele für
Gebiete, in denen das Medikamentenverabreichungssystem 10 verwendet
werden kann. Die Medikamentenverabreichungssysteme 10 können entweder
mittels chirurgische Techniken oder mittels Injektion in einen Patienten
eingesetzt oder von diesem geschluckt werden. Die Medikamentenverabreichungssysteme 10 sorgen
für die
Abgabe von Medizin an Tiere oder Personen, die sich nicht daran
erinnern oder genügend
gehunfähig
sind, um die Medizin einzunehmen. Die Medikamentenverabreichungssysteme 10 stellen
weiterhin die Abgabe vieler unterschiedlicher Medikamente bei veränderlichen
Ausgaberaten und zu veränderlichen
Ausgabezeiten bereit.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezug auf ihre darstellenden Ausführungsformen
beschrieben wurde, ist es nicht beabsichtigt, die vorliegende Erfindung
auf diese spezifischen Ausführungsformen einzuschränken. Die
Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass Änderungen, Modifikationen und Kombinationen
des offenbarten Gegenstands vorgenommen werden können, ohne sich vom Schutzumfang
der Erfindung, wie in den anliegenden Ansprüchen geschildert, zu lösen.