DE60027458T2

DE60027458T2 - Mikrochip-arzneistoffverabreichungssysteme und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60027458T2
Application number: DE60027458T
Authority: DE
Inventors: Amy C. Cambridge RICHARDS; T. John Belmont SANTINI; J. Michael Winchester CIMA; S. Robert Newton LANGER
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1999-12-10
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2020-12-02
Also published as: US7070592B2; US6808522B2; WO2001041736A2; DE60027458D1; US20060189963A1; EP1235560A2; US20020107470A1; AU2005234663A1; CA2393603A1; CA2393603C; WO2001041736A3; ATE323470T1; AU2005234663B2; AU782639B2; US20040248320A1; JP2003516343A; EP1235560B1; AU4513101A

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf miniaturisierte Arznei-Verabreichungsvorrichtungen und insbesondere auf Multiwell-Arznei-Verabreichungsvorrichtungen mit zeitlicher und mengenmäßiger Abgabesteuerung.
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.
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.
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.
WO-A-9800107 offenbart eine Mikrochip-Vorrichtung zur Lieferung von Molekülen, bei der eine Anode als die Behälterabdeckung bzw. -kappe verwendet wird.
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.
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.
Abriss der Erfindung
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.

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.
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.
Kurzbeschreibung der Figuren
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer passiven Verabreichungsvorrichtung mit Reservoirkappen und Reservoirs, die mit einem Freisetzungssystem gefüllt sind,
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer passiven Verabreichungsvorrichtung, die keine Reservoirkappen und mit einem Freisetzungssystem gefüllte Reservoirs aufweist,
3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines aktiven Verabreichungssystem mit elektrisch ansprechenden Reservoirkappen und mit mit einem Freisetzungssystem gefüllten Reservoirs,
4a–f Darstellungen eines bevorzugten Verfahrens zum Formen einer teilweise dichten (4d) und vollständig dichten (4f) Polymer-Vorform,
5 eine Darstellung einer Ausführungsform eines Formungsschritts zum Formen von Reservoirs in einer Polymer-Vorrichtung,
6a–c Darstellungen einer Ausführungsform eines Polierschritts zum Freilegen der Reservoirenden eines Substrats mit auf einer Seite ausgebildeten Reservoirs,
7a–b Darstellungen einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Formen von Reservoirkappen in dem Substrat mittels Mikroinjektionen,
8a–b Darstellungen einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Formen eines Freisetzungssystems in dem Substrat mittels Mikroinjektionen,
9a–f Darstellungen verschiedener Ausführungsformen von Verfahren zum Abdichten der Reservoirs der Vorrichtung,
10 eine Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Formen einer Reservoirkappe in dem Substrat mittels Kapillardruck,
11 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer aktiven Verabreichungsvorrichtung mit Elektroden an Reservoir-Seitenwänden,
12 eine Draufsicht (12a) und eine Schnitt-Seitenansicht (12b) einer Ausführungsform einer aktiven Vorrichtung mit Elektroden an Reservoir-Seitenwänden,
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.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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.
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.
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.
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.
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.
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.
I. Vorrichtungskomponenten und Materialien
Die Mikrochip-Vorrichtungen können als "passive Vorrichtungen" oder "aktive Vorrichtungen" beschrieben werden. Beide Arten steuern die Rate und die Zeit der Freisetzung der Moleküle.
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.
Substrat
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.
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.
Reservoirabdeckungen und Freisetzungssysteme
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).
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.
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.
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.
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.
Elektroden
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.
Die Elektroden sind typischerweise dünne Schichten eines leitenden Metalls oder eines dotierten Halbleiters.
Freizusetzende Moleküle
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.
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.
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.
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.
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.
II. Verfahren zur Herstellung der Vorrichtungen
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.
Herstellung des Substrats und der Reservoirs
Bei einem bevorzugten Herstellungsverfahren wird ein Polymerpulver bei niedriger Temperatur (unter dem T_g des Polymers) zu einer teilweise dichten Vorform geformt (siehe 4). Die Vorform wird anschließend bei einer Temperatur zwischen dem T_g 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.
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.
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.
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 R₁ und R₂ 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 MicroFill^TM von World Precision Instruments (Posten #MF34G-5) an der Spritze.
(18) Einsetzen der MicroFill^TM-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 MicroFill^TM-Nadel aus der Glasspritze.
(21) Anbringen des Endes der MicroFill^TM-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 1^TM-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 MicroFill^TM-Nadel von World Precision Instruments (Posten #MF34G-5) an der Spritze.
(16) Einsetzen der MicroFill^TM-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 MicroFill^TM-Nadel aus Glasspritze.
(19) Anordnen des Endes der MicroFill^TM-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 1^TM-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.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Mikrochipvorrichtung für die Freisetzung von Molekülen, wobei das Verfahren umfasst: Formen oder Gießen eines Materials in eine(r) Form, um ein Substrat zur Verwendung in einer Mikrochipvorrichtung zu bilden, wobei eine Oberfläche der Form mehrere Vorsprünge aufweist, die Reservoirs in dem Substrat bilden, und Befüllen der Reservoirs mit einem Freisetzungssystem, das die freizusetzenden Moleküle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material ein Metall oder eine Polymer-Vorform ist und der Formvorgang ein Pressformvorgang ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material ein Keramikpulver ist, das in die Form gegossen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend das Brennen des Substrats, um dieses zu verdichten.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Freilegen der Enden der Reservoirs zur Oberfläche des Substrats durch Schneiden des Substrats, Planarisieren einer Oberfläche des Substrats oder eine Kombination hiervon.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Planarisieren durch ein Verfahren erfolgt, das aus der aus Polieren, chemischem Ätzen und Plasma-Ätzen bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schneidvorgang mittels einem Laser, einem Wasserstrahl oder einer Säge erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend das Abdecken der Reservoirs mit einem Reservoir-Abdeckmaterial, das gegenüber den Molekülen selektiv durchlässig ist oder gemacht werden kann, das sich zersetzt, um die Moleküle freizusetzen, oder das eine Kombination hiervon ist.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend das Abdecken der Reservoirs mit einem Reservoir-Abdeckmaterial, um Reservoir-Abdeckungen an einem Ende der Reservoirs zu bilden und das andere Ende der Reservoirs abzudichten.
Verfahren zur Herstellung einer Mikrochipvorrichtung für die Freisetzung von Molekülen, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Substrats zur Verwendung in einer Mikrochipvorrichtung, Ausbilden mehrerer Reservoirs in dem Substrat, Aufbringen einer dünnen Schicht leitenden Materials auf eine oder mehrere Oberfläche(n) des Substrats, um Elektroden innerhalb der Reservoirs oder diese teilweise abdeckend zu bilden, und Befüllen der Reservoirs mit einem Freisetzungssystem, das die freizusetzenden Moleküle umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Freisetzungssystem beim Anlegen eines elektrischen Potentials oder eines Stroms an die Elektroden (a) sich zersetzt oder gegenüber den Molekülen infolge einer lokalen pH-Änderung durchlässig wird, oder (b) Ionen in einer Lösung mit einer ionengebundenen aktiven Substanz austauscht, wodurch die Moleküle freigesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Freisetzungssystem eine Polymermatrix umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, ferner umfassend das Formen von Reservoir-Abdeckungen, die über den Freisetzungssystemen in den Reservoirs positioniert sind.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Reservoir-Abdeckungen bei Anlegen eines elektrischen Potentials oder Stroms an die Elektroden (a) sich zersetzen oder gegenüber den Molekülen infolge einer lokalen pH-Änderung durchlässig werden, oder (b) Ionen in einer Lösung mit einer ionengebundenen aktiven Substanz austauschen, wodurch die Moleküle freigesetzt werden.
Mikrochipvorrichtung für die Freisetzung von Molekülen mit: einem Substrat mit mehreren Reservoirs, die Freisetzungssystem enthalten, das die Moleküle zur Freisetzung umfasst, und einer oder mehreren Elektroden, die (i) sich innerhalb eines oder mehrerer der Reservoirs befinden, oder (ii) eines oder mehrere der Reservoirs teilweise bedecken, aber nicht verschließen, wobei die Elektroden so betätigbar sind, dass sie einen kontrolliert einwirkenden Stimulus erzeugen, wobei das Freisetzungssystem die Moleküle in Reaktion auf (a) direkte Stimulierung des Freisetzungssystems durch den Stimulus, oder (b) eine Änderung in der lokalen Umgebung der Vorrichtung oder des Reservoirs, wobei die Änderung durch den Stimulus induziert wird, freisetzt.
Mikrochipvorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Stimulus ein angelegtes Potential oder ein angelegter Strom ist.
Mikrochipvorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Freisetzungssystem bei Anlegen des Potentials oder Stroms an die Elektroden sich infolge von durch das Potential oder den Strom induzierten lokalen pH-Änderungen zersetzt.
Mikrochipvorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Freisetzungssystem bei Anlegen des elektrischen Potentials oder Stroms an die Elektroden in Lösung befindlichen Ionen mit einer ionengebundenen aktiven Substanz in dem Freisetzungssystem austauscht, wodurch die Moleküle freigesetzt werden.
Eine Mikrochipvorrichtung für die Freisetzung von Molekülen, mit: einem Substrat mit mehreren Reservoirs, die ein die Moleküle zur Freisetzung umfassendes Freisetzungssystem enthalten, Reservoir-Abdeckungen, die aus einem nicht-leitenden Material gebildet sind und über dem Freisetzungssystem positioniert sind, einer oder mehreren Elektroden, die sich (i) innerhalb eines oder mehrerer der Reservoirs befinden, oder (ii) teilweise eines oder mehrere der Reservoirs bedecken, aber nicht verschließen, wobei die Elektroden so betätigbar sind, dass sie einen kontrolliert wirkenden Stimulus erzeugen, wobei die Reservoir-Abdeckungen reagieren auf (a) eine direkte Stimulierung durch den Stimulus, oder (b) eine Änderung in der lokalen Umgebung der Vorrichtung oder des Reservoirs, wobei die Änderung durch den Stimulus induziert wird, um die Freisetzung der Moleküle zu ermöglichen.
Mikrochipvorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Reservoir-Abdeckungen äußere Reservoir-Abdeckungen sind, und die Vorrichtung ferner innere Reservoir-Abdeckungen umfasst, die in den Reservoirs unterhalb der äußeren Reservoir-Abdichtungen positioniert sind.
Mikrochipvorrichtung nach Anspruch 19, wobei der Stimulus ein angelegtes Potential oder ein angelegter Strom ist.
Mikrochipvorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Reservoir-Abdeckung bei Anlegen des Potentials oder Stroms an die Elektroden sich infolge von durch das Potential oder den Strom induzierten lokalen pH-Änderungen zersetzt.
Mikrochipvorrichtung nach Anspruch 15 oder 19, wobei die Änderung in der lokalen Umgebung die Erzeugung eines elektrischen Felds oder Magnetfelds ist, das durch das Anlegen eines elektrischen Potentials oder Stroms an die Elektroden erzeugt wird.
Mikrochipvorrichtung nach Anspruch 15 oder 19, wobei das Freisetzungssystem eine Polymermatrix umfasst.
Mikrochipvorrichtung nach Anspruch 15 oder 19, wobei der Stimulus aus der aus Licht und einem Magnetfeld bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 oder Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 25, wobei die Moleküle eine Medikamentn oder ein diagnostisches Reagenzmittel umfassen.
Vorrichtung nach einem Ansprüche 15 bis 26 zur Verwendung in der Medizin.
Vorrichtung zur Verwendung bei medizinischen Diagnosen, mit: einem Substrat, einer Anordnung von Reservoirs in dem Substrat, wobei das Innere der Reservoirs Seitenwände aufweist, mehreren Elektroden, die sich zumindest teilweise innerhalb der Reservoirs befinden, mehreren separaten Reservoir-Abdeckungen, welche Öffnungen in der Reservoir-Anordnung abdecken, und Steuermitteln zum selektiven Zersetzen oder Durchlässigmachen der Reservoir-Abdeckung über der Öffnung mindestens eines der Reservoirs.
Vorrichtung nach Anspruch 28, ferner mit einem diagnostischen Reaktionsmittel im Innern der Reservoirs.
Vorrichtung nach Anspruch 28 oder 29, wobei die Elektroden sich an Seitenwänden der Reservoirs befinden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 30, wobei die Elektroden eine dünne Schicht aus leitendem Metall oder einem dotierten Halbleiter umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 31, wobei die Reservoir-Abdeckungen ein Metall umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 32, wobei dasr Substrat Silizium umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 33, wobei das Steuermittel einen elektrischen Strom oder ein Potential an die Reservoir-Abdeckung liefert, der/das ein Zersetzen der Reservoir-Abdeckung bewirkt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 34, ferner mit einer inneren Abdeckung unterhalb der Reservoir-Abdeckung und in der Öffnung zum passiven Steuern des Transports von Molekülen durch die Reservoir-Öffnung mittels Diffusion der Moleküle durch die innere Abdeckung.
Vorrichtung nach Anspruch 35, wobei die innere Abdeckung ein Polymermaterial umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 36, wobei die Vorrichtung für die Implantation in einen Menschen oder ein Tier geeignet ist.