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Hintergrund der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf miniaturisierte Arznei-Verabreichungsvorrichtungen
und insbesondere auf Multiwell-Arznei-Verabreichungsvorrichtungen
mit zeitlicher und mengenmäßiger Abgabesteuerung.
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Der
Wirkungsgrad vieler Arzneien bzw. Medikamente steht in direkter
Relation zu der Art und Weise, in der sie verabreicht werden. Eine
breite Vielfalt von Verfahren für
eine gesteuerte Verabreichung ist entwickelt worden, wie z.B. Pumpen,
Pflaster, Tabletten und Implantate. Alle diese Verfahren weisen
jedoch eindeutige Nachteile auf, wenn die Behandlung eines chronischen
Zustands in Betracht gezogen wird. Ein Hauptnachteil sowohl externer
als auch interner Mikropumpen besteht darin, dass sie von der zuverlässigen Funktion
sich bewegender Teile abhängen.
Ein Ausfall der Pumpe infolge eines Bruchs, einer Leckage oder eines
Zusetzens kann für
die betreffende Person katastrophal sein. Pflaster sind nur für bestimmte
Chemikalien von Nutzen, die über
die Haut absorbiert werden können.
Tabletten werden weit verbreitet benutzt, ihre Freisetzung erfolgt
jedoch nur für
eine begrenzte Zeit, bevor sie das Verdauungssystem durchlaufen.
Viele Polymermaterialien, die zur Verwendung bei einer stossartigen
Freisetzung einer Chemikalie vorgeschlagen wurden, sprechen auf Änderungen
des pH oder der Temperatur an (Lee et al., J. Appl. Polym. Sci.,
62: 301–11
(1996)), die Anwendung von Ultraschall (Kost et al., Proc. Nat.
Acad. Sci., USA, 86: 7663–66
(1989); Levy et al., J. Clin. Invest., 83: 2074–78 (1989)), Änderungen
bei Enzymen oder Änderungen
der Elektrizität
(Kwon et al., Nature, 354: 291–93
(1991)) oder Magnetfeldern (Kost et al., J. Biomed. Mater Res.,
21: 1367–73
(1987)). Diese Polymersysteme sind auf die Freisetzung nur einer
oder einiger Chemikalien beschränkt
und müssen
auf den spezifischen Zustand, den sie behandeln sollen, zugeschnitten
werden (glukoseempfindliche Insulinfreisetzungssysteme für die Behandlung
von Diabetes, beispielsweise (Kitano et al., J. Control. Release,
19: 162–70
(1992))). Außerdem
kann die Stimulusquelle groß,
teuer oder zu komplex für
eine häufige
Verwendung sein. Darüberhinaus
sind Herstellungsprozeduren für
Implantate, wie z.B. Mikrosphären,
für gewöhnlich komplex,
und die Lösemittel
oder die Wärme,
die bei der Herstellung eingesetzt werden, können die Stabilität der in
den Mikrosphären
enthaltenen Arzneien nachteilig beeinflussen.
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Die
US-Patente Nr. 5797898 und Nr. 6123861 im Namen von Santini et al.
beschreiben aktive und passive Mikrochips zur Arzneiverabreichung.
Die darin beschriebenen Herstellungsverfahren basieren jedoch hauptsächlich auf
Standard-Mikroelektronik-Verarbeitungstechniken. Es wäre von Vorteil,
zusätzliche
vorzugsweise einfache und kostengünstige Verfahren zur Herstellung
solcher Mikrochip-Vorrichtungen bereitzustellen. Es wäre auch
von Vorteil, neue Verfahren zum Triggern und Steuern einer Freisetzung
der Moleküle
zu entwickeln.
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PCT
WO 99/03684 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung
mit einer Oberflächen-Mikrostruktur
von Wells oder Kanälen,
die ein kostengünstiges
Verfahren des Siebdrucks eines aushärtbaren oder polymerisierbaren
Materials auf ein Kunststoffsubstrat und des anschließenden Aushärtens oder
Polymerisierens des Materials einsetzen. Die Vorrichtung kann hunderte
Wells enthalten und als Mikrotiter-Plattenanordnung benutzt werden, die
interessierende Reaktionsmittel enthalten, ist jedoch nicht dafür ausgestaltet, irgendeine
Art gesteuerter Freisetzungs- oder Förderfunktion zu bieten.
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WO-A-9800107
offenbart eine Mikrochip-Vorrichtung zur Lieferung von Molekülen, bei
der eine Anode als die Behälterabdeckung
bzw. -kappe verwendet wird.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, verschiedenartige
Techniken für
die Herstellung, insbesondere die kostengünstige Herstellung von Multiwell-Mikrochip-Vorrichtungen für die gesteuerte Verabreichung
von Arzneien und anderen Molekülen
bereitzustellen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung
bereitzustellen, die die Abgabe von Arzneien oder anderen Molekülen entweder
in einer puls- bzw. stossartigen oder kontinuierlichen Weise mittels
einer Vielfalt von Aufbaumaterialien und Verfahren zum Triggern
und Steuern der Freisetzung der Moleküle einsetzt.
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Abriss der Erfindung
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Es
werden Verfahren zum Herstellen von Mikrochip-Vorrichtungen für die Speicherung und die gesteuerte
Freisetzung von Molekülen,
wie z.B. Arzneien bereitgestellt. Die Verfahren umfassen Kompressionsformen,
Spritzgießformen,
Thermoformen, Gießen
und Kombinationen dieser Techniken allein oder in Kombination mit
Mikroherstellungstechniken. Die Verfahren sind geeignet, entweder
aktive oder passive Freisetzungsvorrichtungen von Materialien wie
Polymeren, Keramikstoffen und Metallen herzustellen. In einer bevorzugten Ausführungsform
werden Polymer-Vorrichtungen hergestellt durch
- (1)
Füllen
einer Form mit einem Polymerpulver;
- (2) Komprimieren des Pulvers, um eine teilweise oder vollständig dichte
Polymer-Vorform zu bilden;
- (3) Wärmekompressionsformen
der Vorform in einem Formteil zum Formen eines Substrats, wobei
das Formteil mehrere Vorsprünge
aufweist, die Reservoirs in dem Substrat bilden; und
- (4) Füllen
der Reservoirs mit einem Freisetzungssystem, das die freizusetzenden
Moleküle
umfasst. Alternativ werden Keramikvorrichtungen aus einem Keramikpulver
oder einer Schlämme
hiervon geformt, die in eine Form gegossen wird, um das Substrat
zu bilden, wobei die Form wieder mehrere Vorsprünge aufweist, welche Reservoirs
in dem Substrat bilden.
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Jedes
gefüllte
Reservoir kann optional Reservoirabdeckungen bzw. -kappen aufweisen,
welche die Freisetzung steuern. In Vorrichtungen aus irgendeinem
Substratmaterial können
Verfahren zum Formen von Reservoirabdeckungen in Abhängigkeit
von der Auswahl geeigneter Reservoirdimensionen die Kapillarwirkung
nutzen. Diese Herstellungsverfahren umfassen ferner das Freilegen
(d.h. Öffnen)
der Enden der Reservoirs nach dem Formen oder Gießen durch
Schneiden des Substrats, Nivellieren der Oberfläche des Substrats oder eine
Kombination dieser Techniken.
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Das
Freisetzungssystem kann lediglich aus den in reiner Form freizusetzenden
Molekülen
gebildet sein, oder die Moleküle
können
mit einer die Freisetzung steuernden Komponente, wie z.B. einer
Polymermatrix kombiniert werden, welche die Freigaberate und -zeit
während
eines Abbaus, einer Auflösung,
einem Anschwellen oder einer Zersetzung der Komponente beeinflusst.
Das Freisetzungssystem kann auch ein Material aufweisen, das keine
solche Prozesse vollzieht, sondern die Molekül-Freisetzungsrate über eine
Diffusion der Moleküle
durch das Material beeinflusst. Bei einer Ausführungsform eines aktiven Freisetzungssystems
sind die Reservoirs mit einer Kappe bzw. Abdeckung versehen, welche
das Reservoir abdeckt und direkt auf einen einwirkenden externen
Stimulus anspricht (z.B. eine angelegte Spannung oder ein Potential),
oder auf eine Änderung
der lokalen Umgebung der Vorrichtung oder des Reservoirs, die von
der Anwendung des externen des Stimulus bewirkt wird (z.B. eine
lokale pH-Änderung
oder eine Erzeugung eines elektrischen Feldes infolge des Anlegens
einer Spannung oder eines Potentials an Elektroden in oder nahe
dem Reservoir). In einer bevorzugten Ausführungsform sind aktive Freisetzungsvorrichtungen
mit Elektroden versehen, die in den oder nahe an den Reservoirs
positioniert sind oder diese teilweise bedecken, so dass bei Anlegen
eines elektrischen Potentials oder Stroms über den Elektroden das Freisetzungssystem
(1) sich infolge lokaler pH-Änderungen
abbaut oder (2) Ionen in Lösung
mit einer ionisch gebundenen aktiven Substanz austauscht, wodurch die
Moleküle
aus dem Freisetzungssystem freigesetzt werden. Beispielsweise kann
das Freisetzungssystem eine biologisch abbaubare Matrix sein. In
einer weiteren Ausführungsform
treiben die Elektroden geladene Moleküle von dem Freisetzungssystem
bei Anlegen eines elektrischen Stroms über den Elektroden an.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform einer passiven Verabreichungsvorrichtung
mit Reservoirkappen und Reservoirs, die mit einem Freisetzungssystem
gefüllt
sind,
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2 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform einer passiven Verabreichungsvorrichtung,
die keine Reservoirkappen und mit einem Freisetzungssystem gefüllte Reservoirs
aufweist,
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3 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform eines aktiven Verabreichungssystem
mit elektrisch ansprechenden Reservoirkappen und mit mit einem Freisetzungssystem
gefüllten
Reservoirs,
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4a–f Darstellungen
eines bevorzugten Verfahrens zum Formen einer teilweise dichten
(4d) und vollständig
dichten (4f) Polymer-Vorform,
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5 eine
Darstellung einer Ausführungsform
eines Formungsschritts zum Formen von Reservoirs in einer Polymer-Vorrichtung,
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6a–c Darstellungen
einer Ausführungsform
eines Polierschritts zum Freilegen der Reservoirenden eines Substrats
mit auf einer Seite ausgebildeten Reservoirs,
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7a–b Darstellungen
einer Ausführungsform
eines Verfahrens zum Formen von Reservoirkappen in dem Substrat
mittels Mikroinjektionen,
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8a–b Darstellungen
einer Ausführungsform
eines Verfahrens zum Formen eines Freisetzungssystems in dem Substrat
mittels Mikroinjektionen,
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9a–f Darstellungen
verschiedener Ausführungsformen
von Verfahren zum Abdichten der Reservoirs der Vorrichtung,
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10 eine
Darstellung einer Ausführungsform
eines Verfahrens zum Formen einer Reservoirkappe in dem Substrat
mittels Kapillardruck,
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11 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform einer aktiven Verabreichungsvorrichtung
mit Elektroden an Reservoir-Seitenwänden,
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12 eine Draufsicht (12a)
und eine Schnitt-Seitenansicht
(12b) einer Ausführungsform einer aktiven Vorrichtung
mit Elektroden an Reservoir-Seitenwänden,
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13a–c
Schnitt-Seitenansichten einer Ausführungsform einer aktiven Vorrichtung
mit Elektroden an Seitenwänden
eines Reservoirs, das eine Polymer-/Aktivstoffmatrix (13a) für
ein Polymer enthält,
welches sich bei Anlegen eines elektrischen Stroms durch die Elektroden 13b abbaut, und für ein Polymer, das einen Ionenaustausch
bei Anlegen des elektrischen Stroms (13c)
erfährt.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Es
werden Mikrochip-Vorrichtungen bereitgestellt, die genau präzise Mengen
von Molekülen
mit definierten Raten und Zeiten gemäß den Bedürfnissen des Patienten oder
des Testsystems liefern können.
So wie der Begriff "Mikrochip" hier verwendet wird,
ist er als miniaturisierte Vorrichtung definiert, die mittels Formverfahren,
wie z.B. Pressformen, Einspritzformen, Thermoformen oder anderen
Verfahren hergestellt wird, wie sie beispielsweise in Tadmor & Gogos, Principles
of Polymer Processing, (John Wiley & Sons, New York 1979), Mikroeinspritzung,
Mikrokontaktdruck, mikroelektronische Standard-Verarbeitungsverfahren
wie Photolithographie, Ätzen,
Aufdampfen und Sputtern, wie sie beispielsweise in Wolf & Tauber, Silicon
Processing für
the VLSI Era, Volumen I – Process
Technology (Lattice Press, Sunset Beach, Cal. 1986); Jaeger, Introduction
to Microelectronic Fabrication, Volume V in The Modular Series on
Solid State Devices, (Addison-Wesley, Reading, Mass. 1988); und
Campbell, The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication
(Oxford University Press, New York 1996); Mikro-Herstellungsverfahren,
die beispielsweise bei Madou, Fundamentals of Microfabrication (CRC
Press, 1997) beschrieben sind, sowie mittels Kombinationen dieser
Verfahren. Die Mikrochips stellen eine Kontrolle über die
Geschwindigkeit bereit, mit der die Moleküle freigesetzt werden, sowie über die
Zeit, zu der die Freisetzung beginnt.
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Die
hier beschriebenen Herstellungsverfahren können zur Herstellung von Vorrichtungen
mit Primärdimensionen
verwendet werden (Länge
einer Seite für
quadratische oder rechteckige Vorrichtungen, oder Durchmesser für runde
Vorrichtungen), die typischerweise einige Zentimeter und vorzugsweise
einige Millimeter oder weniger betragen. Die Dimensionen der Vorrichtung
können
je nach der Anwendung variieren. Die Anzahl und das Volumen der
Reservoirs variiert mit den Vorrichtungsdimensionen. Vorrichtungen
für in-vivo-Anwendungen sind
klein genug, um implantiert, eingespritzt, oral verabreicht oder
an verschiedenen mukösen Membranen
angebracht zu werden.
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Die
Freisetzung von Molekülen
kann aktiv, passiv oder durch eine Kombination hiervon gesteuert
werden. Passive Vorrichtungen erfordern keine Anwendung einer Stimulus-Quelle, um diese Änderungen
zu bewerkstelligen. Repräsentative
Verfahren der Freisetzung (Triggermechanismen) für passive Vorrichtungen umfassen
eine Zersetzung einer Reservoirabdeckung oder eine Diffusion von
einem Freisetzungssystem, welches die reinen freizusetzenden Moleküle oder
ein Gemisch aus Molekülen
und einem Auszugsmaterial enthält,
welches die Freisetzungsrate und/oder die Zeit beeinflusst.
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Die
Begriffe "Zersetzen" oder "Zersetzung", so wie sie hier
mit Bezug auf die Reservoirabdeckungen oder eine Freisetzungssystem-Matrix
verwendet werden, beziehen sich, sofern nicht explizit anders angegeben
ist, auf den Verlust der strukturellen Integrität durch irgendeinen Mechanismus,
der beispielsweise physikalisches Zerbrechen, Aufbrechen oder Verformung,
chemischen oder enzymatischen Abbau und Auflösung umfasst, jedoch nicht
darauf beschränkt
ist. Dies beinhaltet das Aufbrechen bzw. Zerreißen der Reservoirabdeckung,
das sich aus einem Anschwellen der Reservoirabdeckung, des Freisetzungssystems
oder beider ergibt.
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Der
Begriff "Freisetzungssystem", wie er hier verwendet
wird, umfasst die Moleküle
in ihrer reinen Form (fest, flüssig
oder gelartig) sowie die Moleküle
in Kombination mit anderen Stoffen, welche die Rate und/oder Zeit
der Freisetzung der Moleküle
beeinflussen. Diese anderen Materialien können beispielsweise eine Matrix
sein, die aus biologisch abbaubarem Material oder einem Material,
welches die aufgenommenen Moleküle
durch Diffusion oder Zersetzung der Matrix freisetzt, gebildet ist.
Das "Freisetzungssystem" umfasst Gemische
verschiedener Formen (z.B. fest, flüssig und/oder gelförmig) der
Moleküle
sowie Gemische der Moleküle
mit verschiedenen Auszugs- oder Freisetzungs-Steuermaterialien, die sich zersetzen.
Ein Freisetzungssystem kann auch ein Material umfassen, das keinen
der obigen Prozesse durchläuft,
sondern die Freisetzungsrate der Moleküle beeinflusst, wenn sie durch
es diffundieren.
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Aktive
Vorrichtungen können
durch Mikroprozessoren, Fernsteuerung oder Biosensoren gesteuert werden.
Typische Steuerverfahren umfassen Steuerverfahren des elektrischen
Potentials und des pH. In einer Ausführungsform bewirkt das Anlegen
eines elektrischen Stroms oder Potentials das Ablaufen elektrochemischer
Reaktionen, welche eine Zersetzung oder eine andere Änderung
in der Reservoirabdeckung oder dem Freisetzungssystem triggern,
die sowohl die Freisetzungsrate als auch die Zeit beeinflussen können. Alternativ kann
ein angelegtes elektrisches Potential oder ein Strom den pH in der
lokalen Umgebung um eine Reservoirabdeckung oder ein Freisetzungssystem
herum beeinflussen, was eine Änderung
in den Materialien der Reservoirabdeckung oder des Freisetzungssystem
bewirkt, die auch die Freisetzungsrate und/oder Zeit beeinflussen
kann. Beispiele von Freisetzungsverfahren umfassen eine einfache
Auflösung
einer Reservoirabdeckung infolge einer elektrochemischen Reaktion, eine
elektrophoretische Abgabe von Molekülen aus einem Freisetzungssystem
in einem Reservoir, eine Freisetzung von Molekülen aus einem Reservoir infolge
von Ionenaustausch oder ein Anschwellen eines Freisetzungssystems,
das ein Aufbrechen der Reservoirabdeckung verursacht, wodurch die
Moleküle
aus dem Reservoir freigesetzt werden.
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I. Vorrichtungskomponenten
und Materialien
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Die
Mikrochip-Vorrichtungen können
als "passive Vorrichtungen" oder "aktive Vorrichtungen" beschrieben werden.
Beide Arten steuern die Rate und die Zeit der Freisetzung der Moleküle.
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Jede
Mikrochip-Vorrichtung, ob sie nun passiv oder aktiv ist, umfasst
ein Substrat, mehrere Reservoirs und ein Freisetzungssystem ähnlich dem
in den US-Patenten Nr. 5787898 und Nr. 6123861 im Namen von Santini
et al. beschriebenen. Die Reservoirs umfassen optional Reservoirabdeckungen,
Elektroden oder beides.
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Substrat
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Das
Substrat der passiven und aktiven Mikrochip- Vorrichtungen kann aus irgendeinem
geeigneten Material zusammengesetzt sein, welches durch die hier
beschriebenen Verfahren hergestellt sein kann. Repräsentative
Materialien umfassen Polymere, wie z.B. Poly(ethylen), Poly(tetrafluorethylen)
sowie andere fluorisierte Polymere, Silikone (Poly(Siloxane)) sowie
Copolymere hiervon. Bevorzugte, biologisch abbaubare Polymere umfassen
beispielsweise Poly(anhydride), Polyphosphazene, Pseudo-Poly(aminosäuren) sowie
Poly(ester), wie z.B. Poly(laktide), Poly(glykolide) und Poly(laktone)
sowie Copolymere hiervon. Weitere repräsentative Aufbaumaterialien
umfassen Metalle, Halbleiter wie Silizium, und Keramikmaterialien
wie Tonerde (Aluminiumoxid), Aluminiumnitrid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid
und verschiedene andere Nitride und Oxide.
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Für in-vivo-Anwendungen
kann das Substrat mit einem biokompatiblen Material gebildet oder
beschichtet sein. Für in-vitro-Anwendungen,
wie z.B. auf dem Gebiet der medizinischen Diagnostik, kann das Substrat
aus biokompatiblen oder nicht-biokompatiblen Materialien aufgebaut
sein.
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Reservoirabdeckungen und
Freisetzungssysteme
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Die
Reservoire umfassen optional Reservoirabdeckungen. Reservoirabdeckungen
steuern die Freisetzungszeit (und in einigen Fällen die Freisetzungsrate)
der Moleküle
durch Zersetzen oder durch Beeinflussen einer Diffusion der Moleküle durch
das Reservoirabdeckungsmaterial. Kombinationen aus den Reservoirabdeckungen
und Freisetzungssystemen können
verwendet werden, um die gewünschte
Freisetzungszeit und -rate für
die Moleküle
zu erreichen. Die 1 und 2 veranschaulichen
Beispiele von passiven Freisetzungsvorrichtungen mit Reservoirabdeckungen
(1) und ohne Reservoirabdeckungen (2).
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Ein
zusätzlicher
Freisetzungsmechanismus für
aktive Vorrichtungen umfasst eine Reservoirabdeckung, die das betreffende
Reservoir abdeckt und auf einen direkt einwirkenden Stimulus oder
Stimuli (z.B. eine angelegte Spannung oder ein Potential) anspricht,
oder auf eine Änderung
in der lokalen Umgebung der Vorrichtung oder des Reservoirs, die
durch die Anwendung eines Stimulus (z.B. eine lokale pH-Änderung
oder eine Erzeugung eines elektrischen Feldes infolge des Anlegens
einer Spannung oder eines Potentials an Elektroden in oder nahe
dem Reservoir) herbeigeführt
wird. Andere repräsentative
Beispiele von Stimuli, die angewendet werden können, um die Reaktion zu induzieren,
umfassen Wärme,
Licht (z.B. Laser) und ein Magnetfeld. 3 stellt
eine Ausführungsform
einer aktiven Mikrochip-Vorrichtung dar mit Reservoirs, die durch
elektrisch ansprechende Abdeckungen bedeckt sind. Andere Freisetzungssysteme
für aktive
Vorrichtungen umfassen Kombinationen dieser auf Stimuli ansprechenden
Abdeckungen (d.h., aktive Abdeckungen) mit einer oder mehreren zusätzlichen
Reservoirabdeckungen, die entweder aktiv oder passiv sind, und die
unterhalb der auf Stimuli ansprechenden Abdeckung gelegen sind (z.B.
innerhalb des Reservoirs) und sich zersetzen, nachdem die aktive
Abdeckung entfernt oder durchlässig
gemacht wurde.
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Für Ausführungsformen
dieser Vorrichtung (sowohl passive als auch aktive), bei denen es
erwünscht ist,
Moleküle über eine
kurze Zeitspanne hinweg freizusetzen, können Reservoirabdeckungen oder
Freisetzungssysteme, wie z.B. Matrizen, aus einer schnellen Zersetzung
von Materialien hergestellt werden, wie z.B. Poly(laktid-Co-Glycolid)-Copolymere mit einem
hohen Glycolidgehalt, Copolymere von Poly(laktonen) mit schnellen
Zersetzungszeiten, bestimmte Poly(anhydride), Hydrogele, Oligosaccharide,
Polysaccharide und gerollte Metallfolien oder aufgedampfte, gesputterte
oder durch chemische Dampfablagerung (CVD = Chemical Vapor Deposition)
erzeugte dünne
Schichten (beispielsweise Kupferschichten). Für Anwendungen, bei denen eine
längere
Nutzungszeit erwünscht
ist, können
Reservoirabdeckungen und Freisetzungssysteme aus Materialien hergestellt
sein, die zur Zersetzung länger
brauchen. Beispiele umfassen resorbierbare biologische Materialien,
wie Cholesterin, andere Lipide und Fette sowie Lipid-Doppelschichten,
Polymere, wie z.B. Poly(caprolacton) oder bestimmte Poly(anhydride)
sowie PLGA-Copolymere mit hohem Milchsäuregehalt. Für Strukturen,
bei denen die freizusetzenden Moleküle durch eine Freisetzungssystem-Matrix
diffundieren müssen,
können
die Materialien der Reservoirabdeckung und/oder des Freisetzungssystems
intakt bleiben oder sich zersetzen.
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Für eine aktive
Vorrichtung können
Reservoirabdeckungen aus nicht-leitenden Materialien wie den oben
beschriebenen Polymeren oder aus leitenden Polymeren hergestellt
sein, wie z.B. Polyanilin oder Polypyrrol. Elektrisch abtragbare
Polymere wie Komplexe von Poly(ethyloxazolin) und Poly(methacrylsäure) können als
Komponenten eines Freisetzungssystems eingesetzt werden (Kwon et
al., Nature, 354: 291–93 (1991))
oder als Reservoirabdeckung verwendet werden. Leitende Polymere,
wie z.B. Polypyrrol, können
mit einer Chemikalie gemischt werden und dazu verwendet werden,
die Chemikalie über
Elektrophorese freizusetzen (Miller, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 160:
297–301
(1988)). Elektroden, Schaltungen und leitende Reservoirabdeckungen,
die die Reservoirs abdecken, können
aus Materialien hergestellt sein, wie z.B. leitenden Polymeren wie
Polyanilin oder Polypyrrol, sowie Metallen wie Kupfer, Gold, Platin
und Silber. Nicht-leitende, ansprechende Reservoirabdeckungen können aus
Materialien wie Polymeren, hergestellt sein, die pH-empfindlich
sind, durch ein elektrisches Feld oder andere Umweltbedingungen.
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Bei
solchen Ausführungsformen
spricht das Freisetzungssystem auf das Anlegen eines elektrischen Stroms
entweder durch Zersetzung oder durch Ionenaustausch aus einer Lösung mit
einem aktiven Wirkstoff an, der eine Ionenbindung zu dem Polymer
aufweist. Beispiele von Materialien für solche Freisetzungssysteme umfassen
Copolymere von Poly(ethyloxalin) und Poly(methacrylsäure), die
sich erwiesenermaßen
bei einem angelegten Strom zersetzen. Weitere Beispiele umfassen
die Freisetzung von Edrophonium-Chlorid (einem positiv geladenen
Molekül)
durch einen Ionenaustausch-Mechanismus mittels eines Copolymers
von 2-Acrylamido-2-Methyl-1-Propan-schweflige Säure und n-Butylmethacrylat
oder die Freisetzung eines Dopamins aus einer Polymerverbindung
von Poly(N-methylpyrrol)-Poly(styrolsulfonat) bei Anwendung eines
angelegten Stroms.
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Elektroden
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen
umfasst die Mikrochip-Vorrichtung
eine oder mehrere Elektroden, die die Reservoirs nicht abdichten
(wie es eine Reservoirabdichtung täte). Stattdessen befinden sich
die Elektroden innerhalb eines Reservoirs oder bedecken teilweise
das Reservoir (und die Reservoirabdeckung, falls vorhanden), oder
eine Kombination hiervon.
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Die
Elektroden sind typischerweise dünne
Schichten eines leitenden Metalls oder eines dotierten Halbleiters.
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Freizusetzende Moleküle
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Eine
breite Vielfalt von Molekülen
kann in den Mikrochip-Vorrichtungen enthalten sein und von diesen freigesetzt
werden. Beispiele der Moleküle
umfassen Arzneien, Diagnose-Reaktionsmittel, Duftstoffe, Farbstoffe
oder Färbemittel,
Süßungsmittel
und andere Geschmacksstoffe sowie Verbindungen, die bei einer Gewebekultur
verwendet werden, wie z.B. zelluläre Wachstumsfaktoren.
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Die
aus der Mikrochip-Vorrichtung freizusetzenden Moleküle können in
fester, flüssiger
oder Gelform sein und können
in reiner Form oder gemischt mit anderen Materialien, welche die
Freisetzungsrate und/oder -zeit beeinflussen, vorhanden sein, indem
eine Phase gebildet wird, oder beispielsweise durch Bereitstellen einer
Diffusionssperre. Moleküle
können
in der Form von Feststoffgemischen, wie z.B. amorphen und kristallinen
Gemischpulvern, monolithischen Feststoffgemischen und einander durchdringenden
Feststoffnetzen vorkommen, in der Form von Flüssigkeitsgemischen, wie z.B.
Lösungen,
Emulsionen, kolloiden Suspensionen und Schlämmen, sowie in der Form von
Gelgemischen wie Hydrogelen.
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Für in in-vivo-Anwendungen
sind die Moleküle
vorzugsweise ein therapeutisches, prophylaktisches oder diagnostisches
Mittel. Beispiele umfassen chemotherapeutische Mittel, Hormone und
Schmerzmittel. Von besonderem Vorteil ist es, bioaktive Moleküle zu liefern
bzw. freizusetzen, die in sehr geringen Mengen wirksam sind, wie
z.B. Hormone und Steroide. Die Materialmenge, die in einen Mikrochip
eingebracht werden kann, ist stark abhängig von dem Volumen der Mikrochip-Vorrichtung
und seiner Geometrie. Typische Volumen für jedes quadratische, pyramidenförmige Reservoir
in einem Substrat können
von einigen Nanolitern (nl oder nL) bis zu einigen Mikrolitern (μl oder μL) reichen.
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Demgemäß können größere Vorrichtungen
(z.B. 6 cm × 6
cm × 2,5
cm) mehrere Gramm Material (z.B. einer Arznei) speichern und freisetzen,
während kleinere
Vorrichtungen (2 mm × 2
mm × 0,3
mm) so wenig Material wie gewünscht
(z.B. Sub-Nanogramm-Mengen) speichern und freisetzen können. Ähnliche
Berechnungen können
beliebig bei Substratmaterial, Vorrichtungsgeometrie, Reservoirform
und -größe sowie
freizusetzenden Molekülen
angewendet werden. Beispielsweise hätte ein quadratisches, pyramidenförmiges Reservoir
mit einer Öffnung
von 50 μm × 50 μm und einer
weiteren Öffnung
von 500 μm × 500 μm in einem
300 μm dicken
Substrat ein Volumen von etwa 20 nl. Falls eine Dichte von 1 g/cm3 für
das in das Reservoir eingebrachte Freisetzungssystem angenommen
wird, würde
dieses Reservoir etwa 26 μg
des Freisetzungssystems enthalten.
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Bei
einer Ausführungsform
mit einem Polymersubstrat ist das Substrat kreisförmig von
etwa 0,5 Inch (1,3 cm) Durchmesser. Die Dicke kann variieren (z.B.
je nach dem Ausmaß des
Poliervorgangs), und das Volumen jedes Reservoirs variiert typischerweise
mit der Substratdicke. Bei dieser Ausführungsform sind die Reservoirs
jeweils konisch mit einem Innenwinkel von etwa 70° geformt.
Die Basis des Konus beträgt
etwa 728 μm
im Durchmesser, und die Höhe
des Konus beträgt
etwa 1000 μm.
Diese Ausführungsform
hat 36 Reservoirs, die etwa 500 μm
voneinander beabstandet sind (d.h., etwa 500 μm zwischen den Basen der konischen Öffnungen),
und zwar in einer 6 × 6-Quadratanordnung
(etwa 6,8 mm × 6,8
mm). Für
eine Reservoiröffnung (kleines
Ende des Konus) von 300 μm
Durchmesser ist das Substrat 588 μm
dick und das Reservoirvolumen beträgt 129 nL. Für eine Reservoiröffnung von
50 μm Durchmesser
ist das Substrat 931 μm
dick und das Reservoirvolumen beträgt 138 nL. Es ist offensichtlich,
dass die Anzahl, die Anordnung und die Geometrie (Größe und Form)
der Reservoirs nach Bedarf einfach geändert werden kann, beispielsweise
um für
eine spezielle Anwendung geeignet zu sein, oder auf der Basis von
Herstellungserwägungen.
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II. Verfahren zur Herstellung
der Vorrichtungen
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Die
Mikrochip-Vorrichtungen können
mittels der nachstehend beschriebenen Verfahren allein oder in Kombination
mit den in den US-Patenten Nr. 5797898 und Nr. 6123861 im Namen
von Santini et al. beschriebenen Verfahren hergestellt werden.
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Herstellung des Substrats
und der Reservoirs
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Bei
einem bevorzugten Herstellungsverfahren wird ein Polymerpulver bei
niedriger Temperatur (unter dem Tg des Polymers)
zu einer teilweise dichten Vorform geformt (siehe 4).
Die Vorform wird anschließend bei
einer Temperatur zwischen dem Tg des Polymers ±10°C und seiner
Zersetzungstemperatur pressgeformt. Dieser Kompressionsschritt umfasst
das Formen der Vorform auf einer mit Einbuchtungen versehenen Platte, die
aus einem Metall, einem Keramikstoff oder einem anderen geeigneten
starren Material hergestellt ist, um Reservoirs in dem Substrat
zu schaffen (siehe 5). Ein Zwischen-Kompressionsformungschritt
kann mit aufgenommen werden, um die Vorform zu verdichten, bevor
sie auf der Einbuchtungsplatte geformt wird. Alternativ kann die
Vorform direkt auf der Einbuchtungsplatte geformt werden, wobei
die Einbuchtungs- und Verdichtungsschritte kombiniert werden. Eine
vollständige
Verdichtung des Substrats ist für
die meisten Anwendungen erwünscht,
eine Rest-Porosität
kann jedoch für
bestimmte Anwendungen nützlich
sein, bei denen eine Diffusion von Molekülen in die oder aus der Vorrichtung
erwünscht
ist.
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Weitere
Formverfahren, wie z.B. Spritzgießen, Thermoformen, Gießen und
andere Verfahren, die dem Fachmann bekannt sind, können zur
Bildung eines Substrats aus einem Polymer, anderen Materialien (z.B. Metallen)
oder einer Kombination hieraus benutzt werden.
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Bei
einem weiteren nützlichen
Herstellungsverfahren wird ein Keramikpulver in eine Form gegossen, die
Einbuchtungen aufweist, wodurch ein vorläufiges, Reservoirs enthaltendes
Substrat durch Trocknen der Schlämme
in der Form gebildet wird. Das vorläufige Substrat (Rohlingsteil)
wird dann gebrannt, um das Teil zu verdichten.
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Reservoirs,
wie sie anfänglich
hergestellt werden, können
das Substrat vollständig
durchsetzen oder nicht, je nach dem Typ der Einbuchtungsplatte,
die zum Pressformen verwendet wird, oder der Konfiguration von Formen,
die für
andere Formverfahren eingesetzt werden. Für Herstellungsverfahren, bei
denen die Reservoirs, so wie sie hergestellt sind, anfänglich nicht
vollständig
das Substrat durchdringen, können
die Reservoirenden durch eines von mehreren Verfahren freigelegt
werden, wie z.B. Schneiden des Substrats mit einem Laser, einem
Wasserstrahl oder einer Säge,
einem Abflachen bzw. Planarisieren der Oberfläche durch Verfahren wie Polieren
(siehe 6) oder chemisches oder Plasma-Ätzen, oder
ein physikalisches Entfernen von Material wie beim Sputtern.
-
Herstellung von Reservoirabdeckungen
für passive
oder aktive Vorrichtungen
-
Bei
einem bevorzugten Herstellungsverfahren werden Reservoirabdeckungen
(entweder leitend oder nicht-leitend) über Mikroinjektion einer Lösung gebildet,
die das Abdeckmaterial in einem Lösemittel enthält (siehe 7), oder in einer Suspension oder einer
Schlämme,
die das Abdeckmaterial in einem Nicht-Lösemittel enthält. Ein
noch anderes Verfahren zur Herstellung der Reservoirabdeckungen
oder Sperrschichten besteht in der Mikroinjektion in rein flüssiger Form
des Abdeckmaterials. Dieses Verfahren ist auf Materialien mit niedrigen
Schmelzpunkten anwendbar, die einfach verflüssigt werden können, und/oder
auf Materialien, die in flüssiger
oder Gelform verbleiben, wenn sie in die Reservoirs eingespritzt
worden sind (z.B., wenn erwünscht ist,
eine Hydrogel-Abdeckung auf einem Reservoir zu haben).
-
Die
Bildung der Reservoirabdeckungen kann auch durch Tintenstrahldrucken
einer Lösung
oder einer Schlämme
des Abdeckmaterials, oder des Abdeckmaterials in reiner flüssiger Form
in die Reservoirs bewerkstelligt werden. Reservoirabdeckungen können auch
durch Spin-Beschichten des Abdeckmaterials auf das Substrat oder
durch Eintauchen des Substrats (Jackman et al., Anal. Chem., 70(11):
2280–87 (1998))
in ein flüssiges
Volumen des Abdeckmaterials in seiner reinen Form oder in eine Lösung oder
Aufschwemmung geformt werden.
-
Bei
einer Abdeckungsbildung mittels Mikroeinspritzung oder Tintenstrahldruck
zieht der Kapillardruck die Flüssigkeit
zu dem schmalen Ende des Reservoirs. Die Young-Laplace'sche Gleichung bietet
eine physikalische Erklärung
dafür,
was mit der Flüssigkeit
geschieht, sobald sie in ein Reservoir eingespritzt ist. Für die in
10 gezeigte
Konfiguration ist die Young-Laplace'sche Gleichung:
wobei ΔP = der Druckunterschied (proportional
zu der Belastung) zwischen den beiden Seiten der Grenzfläche ist, γ = die Oberflächenspannung
der Flüssigkeit
ist, und R
1 und R
2 die
Krümmungsradien
des Tröpfchens
in dem Reservoir sind (siehe
10). Da
der Krümmungsradius
der Flüssigkeit
auf einer Seite, welche die Schmalseite des Reservoirs bildet, kleiner
ist, besteht ein entsprechender Druck oder eine Belastung, welche(r)
die Flüssigkeit
in dieser Richtung zieht. Somit zieht die Kapillarwirkung die Flüssigkeit
zu dem schmalen Ende des Reservoirs hin und bewirkt, dass dort die
Abdeckung gebildet wird.
-
Für passive
Vorrichtungen mit metallischen Abdeckungen, die sich in bestimmten
Umgebungen auflösen
würden,
kann eine dünne
Folie des gewünschten
Metalls auf das Substrat durch Anwenden von Druck und/oder durch
ein Klebemittel aufgebracht werden. Eine dünne Schicht aus Metall kann
auch auf der Oberfläche über eine
e-Strahl-Aufdampfung, einen Sputtervorgang, einen chemischen Aufdampfvorgang
oder andere Ablagerungsverfahren gebildet werden, die zur Herstellung
von dünnen
Filmen oder Schichten eingesetzt werden.
-
Bei
einigen aktiven Vorrichtungen können
Reservoirabdeckungen, die mittels Mikroeinspritzung oder Tintenstrahldruck
geformt wurden, als Trägerstruktur
dienen, auf der äußere, gegenüber Stimuli
ansprechende Abdeckungen geformt werden. Diese inneren Trägerabdeckungen
werden anschließend
entfernt, nachdem die äußeren, ansprechen
den Abdeckungen geformt worden sind. Alternativ kann bei einer Ausführungsform, bei
der es erwünscht
ist, mehr als eine Abdeckung pro Reservoir zu haben (beispielsweise
eine äußere, elektrisch
ansprechende Abdeckung und eine innere Abdeckung, die passiv eine
Diffusion steuert), die mittels Mikroeinspritzung gebildete Abdeckung
an Ort und Stelle verbleiben, nachdem die äußere Abdeckung geformt worden
ist. Wenn dann die äußere Abdeckung
entfernt worden ist, steuert die innere Abdeckung die Freisetzungsrate
der Moleküle
aus dem Reservoir durch Steuern der Diffusion aus dem Reservoir.
Weitere Ausführungsformen
der mehrschichtigen oder Mehrkomponenten-Abdeckungen können durch
Kombinieren einer beliebigen Anzahl von zersetzbaren und nicht-zersetzbaren
Materialien hergestellt werden.
-
Herstellung von Freisetzungssystemen
für passive
oder aktive Vorrichtungen
-
Freisetzungssysteme
können
mittels der gleichen, vorstehend für die Reservoirabdeckungen
beschriebenen Verfahren gebildet und in Reservoirs untergebracht
werden. D.h., Mikroeinspritzung oder Tintenstrahldruck der Freisetzungssystem-Materialien
in rein flüssiger
Form, in Gelform, in Lösungen,
Aufschwemmungen, Emulsionen oder Schlämmen. Dies umfasst Kombinationen,
wie z.B. flüssige
Trägersubstanz
+ feste Freisetzungsmoleküle
= Matrixschlämme;
feste Trägersubstanzen
+ flüssige
Freisetzungsmoleküle
= Matrixschlämme;
feste Trägersubstanz
+ feste Freisetzungsmoleküle
+ Lösemittel
= Lösung
von Matrix-Materialien; feste
Trägersubstanz
+ feste Freisetzungsmoleküle
+ Nicht-Lösemittel
= Matrixschlämme;
flüssige
Trägersubstanz
+ flüssige
Freisetzungsmoleküle
= rein flüssige
Matrix.
-
Freisetzungssysteme
können
auch in Reservoirs mittels Spin-Beschichtung des Substrats mit den Freisetzungs materialien
in reiner Form gebildet und untergebracht werden, wie z.B. einem
Gemisch oder einer Lösung,
Emulsion, Schlämme
oder Suspension oder durch Eintauchen des Substrats in ein flüssiges Volumen der
Freisetzungsmaterialien in reiner, gelöster oder suspendierter Form
(diskontinuierliches Entnetzen, beschrieben in Jackman et al., Anal.
Chem., 70(11): 2280–87
(1998)).
-
Herstellung von Reservoirabdeckungen
und von Schaltkreisen für
aktive Vorrichtungen
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird standardmäßig Photolithographie
eingesetzt, um das leitende Material (wie z.B. Polymer oder Metall)
auf der Oberfläche
der Vorrichtung zu den gewünschten
Konfigurationen zu strukturieren, um leitende Abdeckungen über den
Reservoirs sowie Schaltkreis auf der Oberfläche der Vorrichtung zu formen.
Eine e-Strahl-Aufdampfung,
ein Sputtervorgang, chemische Aufdampfung, Metall-Lithographie (Chou
et al., Science, 272: 85–87
(1996)) oder andere Ablagerungsverfahren können verwendet werden, um Metall-Reservoirabdeckungen
sowie Schaltkreise auf der Oberfläche der Vorrichtung zu formen.
-
Reservoirabdeckungen
und leitende Schaltungen auf der Oberfläche der Vorrichtung können auch mittels
Mikrokontaktdruck und weichen Lithographieverfahren hergestellt
werden, wie sie beispielsweise bei Yan et al., J. Amer. Chem. Soc.,
120: 6179–80
(1998); Xia et al., Adv. Mater., 8(12): 1015–17 (1996); Gorman et al.,
Chem. Mater., 7: 52–59
(1995); Xia et al., Annu. Rev. Mater. Soc., 28: 153–84 (1998);
und Xia et al., Angew. Chem. Int. Ed., 37: 550–75 (1998) beschrieben werden.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden aktive Freisetzungsvorrichtungen mit Elektroden bereitgestellt,
die in oder nahe den Reservoirs positioniert sind, so dass bei Anlegen
eines elektrischen Potentials oder Stroms über oder zwischen den Elektroden
das Freisetzungssystem, beispielsweise eines, das eine biologisch
abbaubare Polymermatrix umfasst, (1) infolge von lokalen pH-Änderungen sich
zersetzt, oder (2) Ionen in Lösung
mit einer aktiven Substanz mit Ionenbindung austauscht, wodurch
die Moleküle
aus dem Freisetzungssystem freigesetzt werden. Die Elektroden werden
durch Ablagerung eines leitenden Materials (wie z.B. Metall) auf
dem Substrat mittels Standard-Mikroherstellungsverfahren gebildet,
wie z.B. Sputtern, gefolgt von photolithographischen Strukturieren
von Photoresist auf dem Metall in der Form der Elektrode und anschließendes Wegätzen des
nicht-abgedeckten Metalls durch Nassätzen. Diese Mikroherstellungstechniken
sind beispielsweise im US-Patent Nr. 5797898 und Nr. 6123861 im
Namen von Santini et al. beschrieben.
-
Die 11 und 12 veranschaulichen eine Konfiguration,
bei der die Elektroden auf einer oder mehreren Oberflächen des
Reservoirs hergestellt werden. Die 13a–c veranschaulichen,
wie eine solche Vorrichtung aktiviert werden kann, um die Moleküle von dem
Freisetzungssystem bei Anlegen eines elektrischen Potentials zwischen
den Elektroden oder von elektrischem Strom durch die Elektroden
zu aktivieren. 13b zeigt eine Polymer/Aktivstoff-Matrix,
bei der sich das Polymer bei Anlegen des elektrischen Stroms an
die Elektroden zersetzt. 13c zeigt
eine Polymer/Aktivstoff-Matrix, bei der das Polymer einen Ionenaustausch
bei Anlegen des elektrischen Stroms vollzieht.
-
Entfernen der Reservoirabdeckung
von aktiven Vorrichtungen
-
Für einige
Konfigurationen von aktiven Vorrichtungen können mittels Mikroeinspritzung
oder Tintenstrahldruck gebildete (innere) Reservoirabdeckungen als
Träger-
bzw. Halterungsstrukturen dienen, auf denen (äußere) gegenüber Stimuli ansprechende Reservoirabdeckungen
geformt werden. Die inneren Reservoirabdeckungen können optional
im Anschluss an die Formung der äußeren Reservoirabdeckungen
entfernt werden. Alternativ können
die inneren Abdeckungen sowohl als Halterung als auch als Freisetzungs-Steuerungsstrukturen
dienen, die in den Reservoirs verbleiben, nachdem die äußeren Reservoirabdeckungen
geformt sind. Die inneren Reservoirabdeckungen können das Freisetzungsprofil
der Moleküle
durch Zersetzung oder Diffusion steuern, nachdem die äußeren Reservoirabdeckungen
entfernt oder durchlässig
gemacht worden sind.
-
Für Anwendungen,
bei denen es erwünscht
ist, die Reservoirabdeckung unter den leitenden Abdeckungen zu entfernen,
muss dieser Schritt allgemein abgeschlossen werden, bevor das Reservoir
mit den freizusetzenden Molekülen
befällt
wird. Ein Entfernen der Abdeckung oder der Sperrschicht kann beispielsweise entweder
durch einen Ionenstrahl oder reaktives Ionenplasma oder durch chemisches Ätzen bewerkstelligt werden.
-
Reservoirbefüllung
-
Das
die Moleküle
zur Freisetzung enthaltende Freisetzungssystem wird in eine der Öffnungen
des Reservoirs durch Einspritzen (Mikroeinspritzung) oder Tintenstrahldruck
eingeführt.
Jedes Reservoir kann verschiedene Moleküle und/oder eine unterschiedliche
Dosierung enthalten. Auf ähnliche
Weise kann die Freisetzungskinetik der Moleküle bei jedem Reservoir durch
die Wahl der Reservoirabdeckungs-Konfiguration
und der Materialien und der Zusammensetzung des Freisetzungssystems
variiert werden. Außerdem
kann das Mischen oder die Schichtbildung von Freisetzungssystem-
und Abdeckungsmaterialien bei jedem Reservoir dazu verwendet werden,
die Freisetzungskinetik auf die Bedürfnisse einer speziellen Anwendung
maßzuschneidern.
-
Die
Verteilung der mit dem die zu liefernden Moleküle enthaltenden Freisetzungssystem
befüllten
Reservoirs kann je nach den medizinischen Bedürfnissen des Patienten oder
anderen Anforderungen des System variieren. Für Anwendungen bei der Verabreichung
von Arzneien können
sich beispielsweise die Arzneien in jeder der Reihen voneinander
unterscheiden. Auch das Freisetzungssystem oder Materialien, welche
das Freisetzungssystem aufweisen, können sich innerhalb jeder Reihe
unterschieden, um die Arznei mit unterschiedlichen Raten und Zeiten
von verschiedenen Reservoirs freizusetzen. Die Dosierungen können ebenfalls innerhalb
jeder Reihe variieren. Unterschiede in der Reservoirladung können durch
Einspritzen oder Tintenstrahldruck verschiedener Materialmengen
direkt in jedes Reservoir erreicht werden. Einspritzung und Tintenstrahldruck
sind zwar die bevorzugten Befüllungsverfahren
der Reservoirs, es versteht sich jedoch, dass jedes Reservoir auch
einzeln durch Kapillarwirkung, durch Ziehen oder Drücken der
Materialien in das Reservoir mittels eines Vakuums oder eines anderen
Druckgefälles,
durch Schmelzen des Materials in das Reservoir, durch Zentrifugieren
und verwandte Prozesse, durch manuelles Packen von Feststoffen in
das Reservoir, durch Spin-Beschichten oder durch irgendeine Kombination
dieser oder ähnlicher
Reservoir-Befüllungstechniken
befüllt
werden kann. 8 veranschaulicht die
Befüllung
von Reservoirs mit einem Freisetzungssystem durch Mikroeinspritzung.
-
Verpackung der Vorrichtung,
Steuerschaltungskreise und Energiequelle
-
Nachdem
die freizusetzenden Moleküle
in die Reservoirs eingebracht worden sind, wird die Rückseite der
Vorrichtung (Seite mit offenen Ende von Reservoirs, in die die Freisetzungssysteme
und Moleküle
eingebracht worden sind) mit einem Material oder einer Kombination
aus Materialien abgedichtet, die gegenüber dem umgebenden Medium undurchlässig sind.
Beispiele dieser Materialien umfassen wasserbeständige, durch Wärme oder
UV-Strahlung aushärtbare
Epoxyharze, Sprüh-Klebemittel,
Objektträgergläser und
Abdeckgläser,
Silizium, Keramikstoffe, Gummis und Polymermaterialien, wie z.B.
Poly(tetrafluorethylen) oder Poly-(caprolakton). 9 stellt
die Abdichtung eines Mikrochips mittels einer Objektträger-Glasabdeckung
dar, die mit einem Klebemittel-Spray für in-vitro-Anwendungen befestigt
wird. Andere Beispiele von Abdichtverfahren sind in 9 ebenfalls
dargestellt. Für
Ausführungsformen,
bei denen die gesamte Vorrichtung biologisch abbaubar sein soll,
muss das Dichtungsmaterial eine Zersetzungszeit aufweisen, die länger ist
als die längste Freisetzungszeit
der Moleküle
in der Vorrichtung, um ein Dumping der Dosis oder eine Leckage der
Moleküle durch
das zersetzte Abdichtungsmaterial zu vermeiden.
-
Eine
Steuerung der Freisetzrate und -zeit von Molekülen aus den passiven Vorrichtungen
basiert auf der Gestaltung und der Herstellung der Vorrichtung,
beispielsweise der Reservoirabdeckungsmaterialien und -dicken, den
Zusammensetzungen des Freisetzungssystems oder der Größe der Reservoiröffnungen.
Somit ist keine Steuerschaltung oder Energiequelle für die passiven
Vorrichtungen notwendig.
-
Weitere
Details zu der Packung, der Steuerschaltung und den Energiequellen
für die
aktiven Vorrichtungen sind in den US-Patenten Nr. 5797898 und 6123861
im Namen von Santini et al. beschrieben.
-
In
einer Ausführungsform
ist die Mikrochip-Vorrichtung an der Oberfläche modifiziert (z.B. beschichtet),
um eine gewünschte
Funktionalität
bereitzustellen, wie z.B. die Verbesserung der Biokompatibilität oder der
Bioadhäsion
mittels im Stand der Technik bekannten Techniken. Allgemein wird
bevorzugt, dass der Freisetzungsmechanismus (d.h., die Freisetzung
aus den Reservoirs) der Mikrochip-Vorrichtung nicht durch die Oberflächenmodifikation
verändert
wird.
-
III. Anwendungen für den Einsatz
der Mikrochip-Vorrichtungen
-
Passive
und aktive Vorrichtungen haben zahlreiche in-vivo-, in-vitro- und
kommerzielle diagnostische Anwendungen. Die Mikrochips sind in der
Lage, präzise
bemessene Molekülmengen
zu liefern und sind somit für
in-vitro-Anwendungenen von Nutzen, wie z.B. bei der analytischen
Chemie und der medizinischen Diagnostik sowie bei biologischen Anwendungen,
wie z.B. der Bereitstellung von Faktoren (z.B. Wachstumsfaktoren
und Regelungsfaktoren) bei Zellkulturen. In anderen Anwendungen
werden die Vorrichtungen verwendet, um die Freisetzung von Düften, Farbstoffen,
Reaktionsmitteln oder anderen nützlichen
Chemikalien zu steuern.
-
In
einer Ausführungsform
können
die Mikrochip-Vorrichtungen
in-vivo für
die Verabreichung von Arzneien an Menschen und Tiere benutzt werden.
Die Mikrochips sind von besonderem Nutzen für Arznei-Therapien, bei denen
es erwünscht
ist, die genaue Menge, Rate und/oder Zeit der Verabreichung der
Arznei zu steuern. Infolge der geringen Größe dieser Vorrichtungen umfassen
bevorzugte Arznei-Verabreichungsanwendungen
die Verabreichung stark wirkender Verbindungen wie Hormonen, Steroiden,
chemotherapeutischen Medikamenten, gentherapeutischen Verbindungen
und Vektoren und einigen starken Schmerzmitteln, da die Menge an
Molekülen,
die in den Vorrichtungen gelagert werden können, relativ gering ist. Die
Mikrochips können über chirurgische
Prozeduren oder über
Einspritzung implantiert werden oder geschluckt werden und können viele
Arzneien mit variierenden Raten und zu unterschiedlichen Zeiten
liefern. Die vorliegende Erfindung ist aus der Bezugnahme auf die
folgenden, nicht-einschränkenden
Beispiele besser verständlich.
-
Beispiel 1: Herstellung
einer Polymer-Mikrochip-Vorrichtung
mit Cholesterin-Reservoirabdeckungen
-
Die
folgende Prozedur wurde angewendet, um eine Polymer-Mikrochip-Vorrichtung
mit Cholesterin-Reservoirabdeckungen für eine passive Freisetzung
zu erzeugen.
- (1) gewogene 0,4 g von Poly(Milchsäure-Co-Glykolsäure)-Pulver, Molekulargewicht
~25.000 Pulver (siehe 4a).
- (2) Einsetzen eines unteren Kolbens in eine konische Stahlform,
1,27 cm (1/2 Zoll) Durchmesser, gefüllt mit Polymerpulver aus Schritt
(1) und Einsetzen eines oberen Kolbens in die Form (siehe 4b).
- (3) Einbringen der Form mit Pulver in eine Presse von Carver
Laboratory, Modell C. Pressung bei Raumtemperatur eine Minute und
30 Sekunden lang bei etwa 69 × 106 Pa (10.000 psi), eine zylindrische Polymer-Vorform
ergebend (siehe 4c).
- (4) Entfernen der zylindrischen Polymer-Vorform aus der Pressform
(siehe 4d).
- (5) Aufbringen der zylindrischen Polymer-Vorform auf eine Aluminium-Formplatte
(Aluminiumlage etwa 3 mm (oder 1/8'')
dick, mit einem Loch von etwa dem gleichen Durchmesser wie die Polymer-Vorform).
Formplatte wird auf Teflonlage von etwa 1,6 mm Dicke (1/16'') aufgebracht und die Oberseite mit
einer weiteren Aluminium von 3 mm (oder 1/8'')
Dicke bedeckt (siehe 4e).
- (6) Einbringen des Aufbaus aus (5) in eine Presse von Carver
Laboratory, Modell C, bei 104°C
(220°F).
Einstellen der Temperatur der erwärmten Platten auf etwa 54°C (130°F). Wenn
die Polymer-Vorform geschmolzen war, wurden die Platten langsam
zusammengebracht. Der Ladedruck blieb zwischen 0 und 4448 N (1000
pounds-force). Die Anordnung wurde in der Laborpresse belassen,
bis sich die Platten annähernd nach
eineinhalb Stunden auf 54°C
(130°F)
abgekühlt
hatten.
- (7) Entfernen der Anordnung aus der Laborpresse. Die Anordnung
wurde durch Laufenlassen kalten Wassers weiter abgekühlt (siehe 4f).
- (8) Anbringen der Aluminium-Formplatte (mit verdichteter Polymer-Vorform
darin) auf der Oberseite einer Aluminium-Einbuchtungsplatte, die
eine Anordnung von Einbuchtungen zur Bildung der Reservoirs in dem Polymersubstrat
enthielt. Abdecken der Oberseite der Aluminium-Formplatte mit einer
weiteren, 3 mm dicken Aluminiumplatte (siehe 5).
- (9) Einbringen der Anordnung in die Presse von Carver Lab, Modell
C, bei 54°C
(130°F).
Wenn die Polymer-Vorform wieder geschmolzen war, wurden die Platten
zusammengebracht und der Druck langsam aufgebracht, bis der Druckfühler zwischen
11120 und 12344 N (2500 und 3000 pounds-force) ablas. Die Vorform
wurde auf diese Weise 20 Minuten lang heiß gepresst, was Reservoirs
in dem Polymersubstrat ausbildete. Ein in die Seite der Einbuchtungsplatte
eingebrachtes Loch ermöglichte
die Überwachung
der Temperatur nahe der Polymer-Vorform.
Ein T-Thermoelement, das mit einem Omega HH21-Mikro prozessor-Thermometer
verbunden war, wurde benutzt.
- (10) Entfernen der Anordnung aus der Laborpresse und Abkühlenlassen
bei einer Umgebungstemperatur bis zu etwa 32°C (90°F).
- (11) Entfernen der eingebuchteten Polymer-Vorform, d.h. des
Substrats, aus den Aluminium-Einbuchtungs- und Formungsplatten.
- (12) Anbringen der Polymer-Vorform mit Einbuchtungen an einer
geeigneten Auflage mittels eines Klebemittels. Es wurde Doppel-Klebeband
benutzt, um die Polymer-Vorform mit Einbuchtungen an einen zylindrischen
Messingblock von etwa 3,81 cm (1½'')
Durchmesser und etwa 1,27 bis 3,81 cm (½'' bis
1½'') Größe zu befestigen
(siehe 6a). Es wurde sichergestellt,
dass die Einbuchtungsseite der Vorform der Auflage zugewandt war.
Alternativ kann ein Mehrfachauflagen-Poliergestell ähnlich den im Handel erhältlichen
benutzt werden, um die Proben während
des Poliervorgangs zu halten.
- (13) Polieren des Substrats mittels einer Buehler Ecomet IV
Rotations-Poliervorrichtung, bis die Enden der Reservoirs freilagen
(siehe 6b und 6c). Das
Substrat wurde häufig überprüft, um den
Fortschritt des Poliervorgangs zu überwachen. Eine typische Polierprozedur
mit Bereichen von Polierzeiten ist in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle
1: Poliermaterialien und -prozeduren
- (14) Entfernen des Substrats von der Ablage. Ein Lösemittel
kann verwendet werden, um das Klebemittel loszulösen und beim Entfernen des
Substrats von der Ablage zu helfen. Für Substrate, die mit Doppel-Klebeband
an Messingblöcken
angebracht sind, hat sich herausgestellt, dass ein Eintauchen des
Substrats in Ethanol für
5 bis 20 Minuten das Klebemittel löst.
- (15) Gewünschte
Lösungsgemische
zur Bildung von Reservoirabdeckungen (z.B. Lösung von 5, 10, 15, 20 Gewichtsprozent
Cholesterin in Chloroform wurden benutzt). Sanftes Mischen der Lösung mit
einer magnetischen Rührplatte
und einem magnetischen Rührstab
für mindestens
fünf Minuten.
Cholesterin wurde benutzt, da es bekanntlich biokompatibel, auflösbar und
in-vivo resorbierbar ist.
- (16) Befüllen
einer 1 mL-Kunststoffspritze von Becton-Dickinson (Posten #309602) mit der gewünschten Abdeckungslösung.
- (17) Befestigen einer flexiblen MicroFillTM von
World Precision Instruments (Posten #MF34G-5) an der Spritze.
- (18) Einsetzen der MicroFillTM-Nadel
an einem Ende einer Unimetrics-10 μL-Luer-Lock-Glasspritze (World Precision
Instruments, Posten #14392) gegenüber einem Stößel bzw.
Kolben.
- (19) Niederdrücken
des Stößels auf
die 1 mL-Kunststoffspritze, Befüllen
der 10 μL-Glasspritze
mit Abdeckungslösung.
- (20) Entfernen der MicroFillTM-Nadel
aus der Glasspritze.
- (21) Anbringen des Endes der MicroFillTM-Nadel
am Reservoirende einer Hamilton Instruments-32-Gauge-Nadel (Posten
#91032). Niederdrücken
des Stößels an
der 1 mL-Kunststoffspritze, um das Nadelreservoir mit Abdeckungslösung zu
befüllen,
was eine Bildung von Luftblasen minimierte, wenn die Nadel an der Glasspritze
angebracht wurde.
- (22) Anbringen der 32-Gauge-Nadel an der 10 μL-Glasspritze.
- (23) Anordnen der 10 μL-Glasspritzen-Anordnung
in einer Spritzenkammer am Mikroinjektor von World Precision Instruments
(Posten #UNP-G).
- (24) Anbringen des einzuspritzenden Substrats an der Objektträger-Anordnung,
wobei ein Ende des Reservoirs nach oben gewandt ist und die Ränder der
Vorrichtung auf den Objektträgern
ruhen. Sicherstellen, dass die Enden der Reservoirs auf der gegenüberliegenden
Seite nicht auf einer Oberfläche
ruhen. Es wurde Klebeband verwendet, um das Substrat auf den Objektträgern zu
halten.
- (25) Eingabe des gewünschten
Gesamt-Injektionsvolumens und der Volumen-Strömungsrate an einem Pumpen-Controller
der Micro 1TM-Mikrospritze von World Precision
Instruments (typische Volumen betrugen zwischen etwa 20 und 200
nL mit einer Strömungsrate
von 20 nL/Sek).
- (26) Kippen bzw. Schrägstellen
der Mikroinjektor-Anordnung
und Ausrichten der Nadelspitze mit Reihen von Reservoirs (siehe 7a).
- (27) Bedienen von Feinsteuerknöpfen, Anordnen der Nadelspitze
in einem Reservoir, in die Abdeckungslösung einzuspritzen war.
- (28) Niederdrücken
des "Run"-Knopfs, um das gewünschte Volumen
in das Reservoir zu injizieren.
- (29) Bedienen von Feinsteuerknöpfen am Mikroinjektor, Entfernen
der Nadel aus dem Reservoir und Bewegen zu dem nächsten zu befüllenden
Reservoir.
- (30) Wiederholen der Schritte (26) bis (29), bis alle gewünschten
Reservoirs mit Abdeckungslösung
befüllt waren
(siehe 7b).
- (31) Entfernen der 10 μL-Glasspritze
aus Mikroinjektor.
- (32)–(47)
Wiederholen der Schritte (15) bis (30) für Freisetzungssysteme (reine
Flüssigkeitsmoleküle oder Gemisch
aus Molekülen
und Trägersubstanz)
(siehe 8a und 8b). Hierbei
war das benutzte Freisetzungssystem deionisiertes Wasser, das etwa
10 nM-Konzentration von Natrium-Fluoreszin enthielt, und etwa 20
Volumenprozent Poly(ethylenglykol) mit einem Molekulargewicht von
200. Etwa 20 nL dieser Lösung
wurde mit einer Einspritzrate von 20 nL/s in jedes Reservoir eingespritzt,
von dem das Fluoreszin freigesetzt werden sollte. Separate Spritzen
wurden für
Abdecklösungen
und Freisetzungs-Systemlösungen benutzt,
um eine Kontaminierung zu vermeiden.
- (48) Besprühen
von Mikro-Abdeckungsglas (VWR Brand Micro Cover Glas, quadratisch,
Nr. 1, 22 mm im Quadrat × 0,13–0,17 mm
Dicke, VWR-Posten #48366-067) mit 3 M Super 77-Sprüh-Klebstoff.
Warten, bis der Klebstoff zähklebrig
wurde (siehe 9).
- (49) Verwenden von Pinzetten und Anbringen der Polymer-Vorrichtung auf Mikro-Abdeckungsglas
(oder einem anderen geeigneten Abdeckmaterial). Die Einspritzseite
des Substrats kontaktierte die Abdeckung und beließ die Reservoirabdeckungen
zugänglich,
und dadurch wurde die Mikrochip-Vorrichtung
abgedichtet.
- (50) Trocknenlassen des Klebemittels. Die Mikrochip-Vorrichtung war dann
einsatzbereit (siehe 9).
-
Beispiel 2: Herstellung
einer Polymer-Mikrochip-Vorrichtung
mit Cholesterin-/Lecithin-Reservoirabdeckungen
-
Die
folgende alternative Prozedur wurde angewendet, um eine Polymer-Mikrochip-Vorrichtung
mit Cholesterin-/Lecithin-Reservoirabdeckungen
für eine
passive Freisetzung zu erzeugen.
- (1)–(4) Befolgen
der Schritte (1) bis (4), die im Beispiel 1 beschrieben wurden,
um eine Polymer-Vorform zu bilden.
- (5) Anbringen der zylindrischen Polymer-Vorform in einer Aluminium-Formplatte
(Aluminiumlage etwa 3 mm (oder 1/8'')
dick, mit einem Loch von in etwa dem gleichen Durchmesser wie die
Polymer-Vorform). Ruhenlassen der Formplatte auf der Aluminiumplatte
mit konischen Einbuchtungen und Abdecken der Oberseite mit einer
weiteren Aluminiumplatte von 3 mm (oder 1/8'')
Dicke.
- (6) Anbringen der Anordnung von (5) in einer Carver Laboratory
Press, Modell C, bei 54°C
(130°F).
Einstellen der Temperatur der Heizplatten auf 54°C (130°F). Der Belastungsdruck blieb
bei etwa 8896 N (2000 pounds-force). Die Anordnung wurde in der
Laborpresse für
etwa zehn Minuten belassen. Ein in die Seite der Einbuchtungsplatte
eingebrachtes Loch gestattete die Überwachung der Temperatur nahe
der Polymer-Vorform. Ein T-Thermoelement, das mit einem Omega HH21-Mikroprozessor-Thermometer
verbunden war, wurde verwendet.
- (7) Entfernen der Anordnung aus der Laborpresse und Abkühlenlassen
in Umgebungsluft auf etwa 32°C (90°F).
- (8) Entfernen der eingebuchteten Polymer-Vorform, d.h. des Substrats,
aus den Aluminium-Einbuchtungs- und Formgebungsplatten.
- (9) Anbringen der eingebuchteten Polymer-Vorformen an geeigneten
Trägern
mittels eines Klebstoffs. Es wurde Doppel-Klebeband benutzt, um die eingebuchteten
Polymer-Vorformen an zylindrischen Polymerblöcken von etwa 2,54 cm (1'') Durchmesser und etwa 2,54 cm (1'') Höhe
zu befestigen. Sicherstellen, dass die eingebuchteten Seiten der
Vorformen dem Träger
zugewandt waren.
- (10) Laden der angebrachten Substrate in einen Mehrproben-Halter
(Buehler Posten #605160, Controlled Material Removal Accessory),
und Einstellen von Diamant-Anschlägen auf
gewünschte,
zu entfernende Materialdicke (typischerweise 1,32 mm oder 0,052'').
- (11) Laden des Probehalters in Buehler Ecomet IV Rotations-Polier-Gerät und Polieren
der Substrate, bis die Enden der Reservoirs freilagen (die Oberfläche von
Proben mit Diamantanschlägen
fluchteten). Substrate wurden häufig überprüft, um den
Fortschritt des Poliervorgangs zu überwachen. Typischerweise sind in
Tabelle 2 Polierprozeduren mit Bereichen von Polierzeiten gezeigt. Tabelle
2: Poliermaterialien und -prozeduren
- (12) Befolgen des in Beispiel 1 beschriebenen Schritts (14)
zum Entfernen des Substrats von dem Träger bzw. der Auflage.
- (13) Gewünschte
Lösungsgemische
zur Bildung von Reservoirabdeckungen (z.B. Lösungen von 2 Gewichtsprozent
Cholesterin und 3 Gewichtsprozent Lecithin (das ein Kristallisierungshemmer
für Cholesterin ist)
in einem Gemisch aus Chloroform und Äthanol). Sanftes Vermischen
der Lösung
mit einer magnetischen Rührplatte
und einem magnetischen Rührstab
für mindestens
fünf Minuten.
- (14)–(29)
Befolgen der in Beispiel 1 beschriebenen Schritte (16) bis (31)
zur Bildung von Reservoirabdeckungen.
- (30)–(45)
Wiederholen der Schritte (14) bis (29) für Freisetzungssysteme (reine
Flüssigkeitsmoleküle oder Gemische
von Flüssigkeiten
und Trägersubstanz).
In diesem Fall war das Freisetzungssystem deionisiertes Wasser mit
einer annähernden
13 nM-Konzentration von Natrium-Fluoreszin. Annähernd 20 nL des Freisetzungssystems
wurde mit einer Einspritzrate von 205 nL/s in jedes Reservoir eingespritzt,
von dem Fluoreszin freizusetzen war. Es wurden separate Spritzen
für Abdecklösungen und
Freisetzungs-Systemlösungen
benutzt, um eine Kontaminierung zu vermeiden.
- (46) Mischen von Master Bond EP30HTF Epoxyharz entsprechend
den Anweisungen.
- (47) Mittels eines Zahnstochers Beschichten einer Seite eines
Gummi-O-Rings (Greene Rubber Company, Posten #2-001 N0674-70 BUNR-N
O-RING) mit Epoxyharz und Anbringen des O-Rings auf einer Oberfläche des
Substrats (Seite der Mikrochip-Vorrichtung gegenüber den Reservoirabdeckungen).
Wiederholen des Schritts des Befüllens
jedes Reservoirs mit Freisetzungssystemen.
- (48) Trocknenlassen des Epoxyharzes für mindestens vier Stunden.
- (49) Mischen eines anderen Loses von Master Bond EP30HTF Epoxyharz
entsprechend den Anweisungen und anschließendes Beschichten auf der
Rückseite
der Mikrochip-Vorrichtung mit einer dünnen Schicht von Epoxyharz über allen
Bereichen außerhalb
des O-Rings.
- (50) Trocknenlassen des Epoxyharzes für mindestens vier Stunden.
- (51) Mischen eines weiteren Loses von Master Bond EP30HTF Epoxyharz
entsprechend den Anweisungen. Beschichten der oberen Oberfläche der
O-Ringe mit einer dünnen
Schicht von Epoxyharz und Befestigen der Glas-Objektträger an der
Oberseite der O-Ringe, wodurch die Mikrochip-Vorrichtung abgedichtet wurde.
- (52) Trocknenlassen des Epoxyharzes für mindestens 24 (vorzugsweise
48) Stunden. Die Mikrochip-Vorrichtung war dann einsatzbereit.
-
Beispiel 3: Herstellung
einer Polymer-Mikrochip-Vorrichtung
mit Polymer-Reservoirabdeckungen
-
Die
folgende Prozedur wurde eingesetzt, um eine Polymer-Mikrochip-Vorrichtung
mit Polyester-Reservoirabdeckungen für eine passive Freisetzung
zu erzeugen.
- (1) Abwiegen der gewünschten
Menge an Polymer-Pulver, (siehe 4a). Hierbei
wurden 0,4 g Poly(Milchsäure)
(Molekulargewicht ~100.000) benutzt.
- (2) Einsetzen eines unteren Kolbens in eine konische Stahlform
von 1,27 cm (1/2'') Durchmesser, Befüllen der
Form mit Polymerpulver aus Schritt (1) und Einsetzen des oberen
Kolbens in die Form (siehe 4b).
- (3) Anbringen der Form mit Pulver in einer Carver Laboratory
Press, Modell C. Pressen bei Raumtemperatur für eine Minute und 30 Sekunden
bei etwa 69 × 106 Pa (10.000 psi), was eine zylindrische
Polymer-Vorform ergab (siehe 4c).
- (4) Entfernen der zylindrischen Polymer-Vorform aus dem Formwerkzeug
(siehe 4d).
- (5) Anbringen der Polymer-Vorform auf einer Aluminium-Formplatte mit einer
Anordnung von Einbuchtungen zum Formen der Reservoirs in dem Polymersubstrat.
Eine 3 mm dicke Aluminiumplatte mit einem Loch von 1,27 cm (½'') Durchmesser darin wurde oben auf die
Einbuchtungsplatte gegeben, so dass die Polymer-Vorform in dem Loch
der Platte saß.
Die Oberseite dieser Aluminiumplatte wurde mit einer weiteren Aluminiumplatte
von 3 mm Dicke abgedeckt (siehe 5).
- (6) Anbringen der Anordnung in einer Carver Lab Press, Modell
C, bei 182°C
(360°F).
Die Platten wurden zusammengebracht und langsam Druck aufgebracht,
bis der Druckmesser zwischen 4448 und 8896 N (1000 und 2000 Pfund-Kraft) maß. Heißpressen
der Vorform auf diese Weise für
fünfzehn
Minuten, was Reservoirs in dem Polymersubstrat ausbildete. Ein in
die Seite der Einbuchtungsplatte eingebrachtes Loch gestattete die Überwachung
der Temperatur nahe der Polymer-Vorform. Ein T-Thermoelement, das
mit einem Omega HH21-Mikroprozessor-Thermometer verbunden war, wurde
eingesetzt.
- (7) Entfernen der Anordnung aus der Laborpresse und Abkühlenlassen
bei Umgebungstemperatur auf etwa 32°C (90°F).
- (8) Entfernen der eingebuchteten Polymer-Vorform, d.h. des Substrats,
aus den Aluminium-Einbuchtungs- und Formgebungsplatten.
- (9) Anbringen der eingebuchteten Polymer-Vorformen an geeigneten
Trägern
bzw. Auflagen mittels eines Klebstoffs. Es wurde Doppel-Klebeband
benutzt, um die eingebuchteten Polymer-Vorformen an zylindrischen
Polymerblöcken
von etwa 2,54 cm (1'') Durchmesser und
etwa 2,54 cm (1'') Höhe zu befestigen.
Sicherstellen, dass die eingebuchteten Seiten der Vorformen der
Auflage bzw. dem Träger
zugewandt waren.
- (10) Laden der angebrachten Substrate in einen Mehrproben-Halter
(Buehler Posten #605160, Controlled Material Removal Accessory),
und Einstellen von Diamant-Anschlägen auf
die gewünschte,
zu entfernende Materialdicke (typischerweise 1,32 mm oder 0,052'').
- (11) Laden des Probehalters in eine Buehler Ecomet IV Rotations-Polier-Maschine
und Polieren der Substrate, bis die Enden der Reservoirs freilagen/die
Oberfläche
der Proben mit den Diamantanschlägen
fluchtete. Die Substrate wurden häufig überprüft, um den Fortschritt des
Poliervorgangs zu überwachen.
Eine typische Polierprozedur mit Bereichen der Polierzeiten ist
in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle
3: Poliermaterialien und -prozeduren
- (12) Entfernen des Substrats von der Auflage. Ein Lösemittel
kann verwendet werden, um den Klebstoff zu lösen und bei der Beseitigung
des Substrats von der Auflage zu helfen. Für Substrate, die mit Doppel-Klebeband
an Messingblöcken
angebracht waren, löste
ein Eintauchen des Substrats in Ethanol für fünf bis 20 Minuten den Klebstoff.
- (13) Gewünschte
Lösungsgemische
zur Bildung von Reservoirabdeckungen (z.B. Lösungen von 5 bis 10 Volumenprozent
von Poly(L-Milchsäure-Co-Glykolsäure), Molekulargewicht
von etwa 25.000 in Dichlormethan). Sanftes Vermischen der Lösung mit
einer magnetischen Rührplatte
und einem magnetischen Rührstab
für mindestens
fünf Minuten.
- (14) Befüllen
einer Becton-Dickinson 1 mL-Kunststoffspritze (Posten #309602) mit
der gewünschten
Abdeckungslösung.
- (15) Anbringung einer flexiblen MicroFillTM-Nadel
von World Precision Instruments (Posten #MF34G-5) an der Spritze.
- (16) Einsetzen der MicroFillTM-Nadel
in ein Ende einer Unimetrics-50 μL-Luer-Lock-Glasspritze
(Posten #15895 von World Precision Instruments) gegenüber dem
Stößel bzw. Kolben.
- (17) Niederdrücken
des Stößels an
der 1 mL-Kunststoffspritze, Befüllen
der 50 μL-Glasspritze
mit Abdecklösung.
- (18) Entfernen der MicroFillTM-Nadel
aus Glasspritze.
- (19) Anordnen des Endes der MicroFillTM-Nadel
am Reservoirende einer 32-Gauge-Nadel von Hamilton Instruments (Posten
#91032). Niederdrücken
des Stößels an
der Kunststoff-1
mL-Spritze, um das Nadelreservoir mit Abdecklösung zu befüllen, was die Bildung von Luftblasen
minimierte, wenn die Nadel an der Glasspritze angebracht wurde.
- (20) Anbringen der 32-Gauge-Nadel an 50 μL-Glasspritze.
- (21) Anbringen der 50 μL-Glasspritzen-Anordnung
in Spritzenkammer an Mikroinjektor von World Precision Instruments
(Posten #UMP-G).
- (22) Anbringen des einzuspritzenden Substrats auf Objekträger-Anordnung,
wobei ein Ende des Reservoirs nach oben zeigt, und die Ränder der
Vorrichtung auf den Glas-Objektträgern ruhen.
Sicherstellen, dass die Enden des Reservoirs auf der entgegengesetzten
Seite nicht auf einer Oberfläche
ruhen. Es wurde Klebeband verwendet, um das Substrat auf den Objektträgern festzuhalten.
- (23) Eingabe des gewünschten
Gesamt-Injektionsvolumens und der Volumen-Strömungsrate an dem Pumpen-Controller
der Micro 1TM-Mikrospritze von World Precision
Instruments (typischerweise werden mehrere Einspritzungen von 100
bis 200 nL bei einer Strömungsrate
von 205 nL/Sek vorgenommen).
- (24) Kippen bzw. Schrägstellen
der Mikroinjektor-Anordnung
und Ausrichten der Nadelspitze auf Reihen von Reservoirs (siehe 7a).
- (25) Mittels Feinsteuerknöpfen
Anordnen der Nadelspitze im Reservoir, in das die Abdeckungslösung einzuspritzen
war.
- (26) Niederdrücken
des "Run"-Knopfs, um das gewünschte Volumen
in das Reservoir einzuspritzen.
- (27) Mittels Feinsteuerknöpfen
am Mikroinjektor Entfernen der Nadel aus dem Reservoir und Bewegen
zu dem nächsten
Reservoir, in das einzuspritzen ist.
- (28) Wiederholung der Schritte (25) bis (27), bis alle gewünschten
Reservoirs mit Abdecklösung
befüllt
waren (siehe 7b).
- (29) Entfernen der 50 μL-Glasspritze
vom Mikroinjektor.
- (30)–(45)
Wiederholung der Schritte (13) bis (28) für Freisetzungssysteme (reine
Flüssigkeitsmoleküle oder Gemisch
von Molekülen
und Trägersubstanz)
(siehe 8a und 8b). Das
benutzte Freisetzungssystem war deionisiertes Wasser, das etwa 13
nM-Konzentration von Natrium-Fluoreszin enthielt, und 20 nL dieser
Lösung
wurde mit einer Einspritzrate von 205 nL/s in jedes Reservoir eingespritzt,
aus dem Fluoreszin freizusetzen war. Es wurden separate Spritzen
für Abdecklösungen und
Freisetzungs-Systemlösungen benutzt,
um eine Kontaminierung zu vermeiden.
- (46) Mischen von Master Bond EP30HTF Epoxyharz gemäß den Anweisungen.
- (47) Mittels eines Zahnstochers Beschichten einer Seite eines
Gummi-O-Rings (Greene Rubber Company, Posten #2-001 N0674-70 BUNA-N
O-RING) mit Epoxyharz und Anbringen des O-Rings auf Oberfläche des Substrats
(Seite der Mikrochip-Vorrichtung gegenüber den Reservoirabdeckungen).
Wiederholen des Schritts für
jedes mit dem Freisetzungssystem befüllte Reservoir.
- (48) Trocknenlassen von Epoxyharz für mindestens vier Stunden.
- (49) Mischen eines weiteren Loses von Master Bond EP30HTF Epoxyharz
gemäß den Anweisungen
und dann Beschichten der Rückseite
der Mikrochip-Vorrichtung mit einer dünnen Schicht von Epoxyharz über allen
Bereichen außerhalb
der O-Ringe.
- (50) Trocknenlassen des Epoxyharzes für mindestens vier Stunden.
- (51) Mischen eines weiteren Loses von Master Bond EP30HTF Epoxyharz
gemäß den Anweisungen
und Beschichten einer oberen Oberfläche der O-Ringe mit einer dünnen Schicht
von Epoxyharz sowie Befestigen eines Glas-Objektträgers an
der Oberseite der O-Ringe, wodurch die Mikrochip-Vorrichtung abgedichtet
wurde.
- (52) Trocknenlassen des Epoxyharzes für mindestens 24 (vorzugsweise
48) Stunden. Die Mikrochip-Vorrichtung war dann einsatzbereit.
-
Beispiel 4: Herstellung
einer Keramik-Mikrochip-Vorrichtung
mit Cholesterin-Reservoirabdeckungen
-
Die
folgende Prozedur kann bei der Herstellung von Keramik-Mikrochip-Vorrichtungen
verwendet werden, die Cholesterin-Reservoirabdeckungen für eine passive
Freisetzung aufweisen.
- (1) Abwiegen der gewünschten
Menge an Keramik-Pulver oder Messen einer gewünschten Menge von Schlämme, die
den Keramikstoff enthält.
- (2) Druckformen des Keramikpulvers oder Gießen der Schlämme bei
Raumtemperatur mit einer Einbuchtungsplatte, um ein teilweise dichtes,
das Reservoir enthaltendes Substrat zu bilden.
- (3) Verdichten des Substrats von Schritt (2) durch Sintern bei
hoher Temperatur.
- (4)–(6)
Polieren des Substrats, wie in den Schritten (12) bis (14) von Beispiel
1 beschrieben ist. Polierkörnungen,
Geschwindigkeiten und Zeiten variieren gegenüber den für Polymer-Vorrichtungen verwendeten.
- (7)–(23)
Formen von Reservoirabdeckungen durch Mikroinjektion von Abdeckungslösung, wie
in den Schritten (15) bis (31) von Beispiel 1 beschrieben ist.
- (24)–(39)
Befüllen
der Reservoirs mit einem Freisetzungssystem durch Mikroinjektion,
wie in den Schritten (32) bis (47) von Beispiel 1 beschrieben ist.
- (40)–(46)
Abdichten des Mikrochips, wie in den Schritten (46) bis (52) von
Beispiel 2 beschrieben ist.
-
Beispiel 5: Herstellung
einer Polymer-Mikrochip-Vorrichtung
für aktive
Freisetzung mittels Mikroinjektion und Photolithographie
-
Die
folgende Prozedur kann verwendet werden, um Polymer-Mikrochip-Vorrichtungen
für eine
aktive Freisetzung zu erzeugen.
- (1)–(31) Befolgen
der Schritte (1) bis (31) von Beispiel 1, um ein Polymersubstrat
mit Reservoirs und Reservoirabdeckungen zu formen.
- (32) Unter Anwendung von Standard-Mikroherstellungs-Techniken Strukturierung
eines elektrisch abtragbaren Polymers, wie z.B. eines Komplexes
von Poly(ethyloxazoline) und Poly(methacrylsäure), Reservoirabdeckungsmaterial über den
gewünschten
Bereichen des Substrats, welches den Bereich über den Reservoiröffnungen
umfasst. Dies würde
typischerweise beinhalten:
- (a) Spin-Beschichten des Polymers und eines Photo-Resists;
- (b) Photolithographie, um das Photoresist freizulegen und zu
entwickeln;
- (c) Entfernen des Polymers aus spezifischen Bereichen der Substratoberfläche (ausschließlich von
dem Photoresist geschützten
Bereichen) mittels Verfahren, wie z.B. chemisches, Plasma- oder
Ionenstrahl-Ätzen;
- (d) Entfernen des Photo-Resists von den verbleibenden Bereichen
bzw. Flächen
des Substrats, und
- (e) optionales Entfernen der inneren Reservoirabdeckung (unterhalb
der leitenden Polymer-Abdeckung) durch Ätzen der Rückseite des Substrats mittels
chemischem, Plasma- oder Ionen-Ätzen;
- (33)–(48)
Befüllen
der Reservoirs mit den freizusetzenden Molekülen, wie in den Schritten (15)
bis (30) von Beispiel 1 beschrieben ist.
- (49)–(55)
Abdichten der Mikrochip-Vorrichtung, wie in den Schritten (46) bis
(52) von Beispiel 2 beschrieben ist.
-
Beispiel 6: Herstellung
einer Keramik-Mikrochip-Vorrichtung
für aktive
Freisetzung mittels Mikroinjektion und Photolithographie
-
Die
folgende Prozedur kann verwendet werden, um Keramik-Mikrochip-Vorrichtungen
für eine
aktive Freisetzung zu erzeugen.
- (1)–(6) Befolgen
der Schritte (1) bis (6) von Beispiel 4, um das Keramiksubstrat
zu formen und zu polieren.
- (7)–(22)
Herstellen von Reservoirabdeckungen mittels Mikroinjektion, wie
in den Schritten (15) bis (30) von Beispiel 1 beschrieben ist.
- (23) Strukturieren elektrisch leitenden Materials, um elektrische
Schaltkreise und leitende Abdeckungen über den Reservoirs zu formen,
wie in Schritt (32) von Beispiel 5 beschrieben ist.
- (24)–(39)
Befüllen
der Reservoirs mit Freisetzungssystemen durch Mikroinjektion, wie
in den Schritten (32) bis (47) von Beispiel 1 beschrieben ist.
- (40)–(46)
Abdichten der Mikrochip-Vorrichtung, wie in den Schritten (46) bis
(52) von Beispiel 2 beschrieben ist.
-
Beispiel 7: Herstellung
einer Polymer-Mikrochip-Vorrichtung
für aktive
Freisetzung mittels Mikroinjektion und Mikrokontaktdruck
-
Es
folgt eine weitere Prozedur, die zur Herstellung von Polymer-Mikrochip-Vorrichtungen
für aktive Freisetzung
eingesetzt werden kann.
- (1)–(30) Befolgen der Schritte
(1) bis (30) von Beispiel 1, um ein Polymersubstrat mit Reservoirs
und inneren Reservoirabdeckungen zu formen.
- (31) Strukturieren leitender Schaltkreise und äußerer Reservoirabdeckungen
an inneren Reservoirabdeckungen mittels Standard-Mikrokontaktdruck-Verfahren
(siehe beispielsweise Gorman et al., Chem. Mater., 7: 526–529 (1995);
Xia et al., Adv. Mater., 8: 1015: 1017 (1996); Yan et al., J. Am.
Chem. Soc., 120: 6179–6180
(1998); Marzolin et al., Thin Solid Films, 315: 9–12 (1998).
- (32) Falls gewünscht,
werden die inneren Reservoirabdeckungen unter den äußeren Reservoirabdeckungen
mittels Ätzverfahren
entfernt, wie sie in Schritt (32e) von Beispiel 5 beschrieben sind.
- (33)–(48)
Befüllen
der Reservoirs mit freizusetzenden Molekülen, wie in den Schritten (32)
bis (47) von Beispiel 1 beschrieben ist.
- (49)–(55)
Abdichten der Mikrochip-Vorrichtung, wie in den Schritten (46) bis
(52) von Beispiel 2 beschrieben ist.
-
Beispiel 8: Herstellung
einer Keramik-Mikrochip-Vorrichtung
für aktive
Freisetzung mittels Mikroinjektion und Mikrokontakt-Druck
-
Es
folgt eine weitere Prozedur, die bei der Herstellung von Keramik-Mikrochip-Vorrichtungen
für aktive Freisetzung
zu eingesetzt werden kann.
- (1)–(6) Befolgen
der Schritte (1) bis (6) von Beispiel 4, um das Keramiksubstrat
zu formen und zu polieren.
- (7)–(23)
Herstellen von Reservoirabdeckungen durch Mikroinjektion, wie in
den Schritten (15) bis (31) von Beispiel 1 beschrieben ist.
- (24) Strukturieren von leitenden Schaltkreisen und äußeren Reservoirabdeckungen
an inneren Reservoirabdeckungen mittels Standard-Mikrokontaktdruckverfahren.
- (25) Falls gewünscht,
werden die inneren Reservoirabdeckungen unter den äußeren Reservoirabdeckungen
mittels Ätzverfahren
entfernt, wie sie in Schritt (32e) von Beispiel 5 beschrieben sind.
- (26)–(41)
Befüllen
mit den freizusetzenden Molekülen,
wie in den Schritten (32) bis (47) von Beispiel 1 beschrieben ist.
- (42)–(48)
Abdichten der Mikrochip-Vorrichtung, wie in den Schritten (46) bis
(52) von Beispiel 2 beschrieben ist.