(57)【要約】本発明は、破損を最小限に抑えるためにその高さに対して幅広いベースを備えたマイクロニードルを提供する。マイクロニードルは、流体チャンネルと、傾斜したノンコアリングチップとを更に有している。そのようなマイクロニードルのアレーは、従来の半導体誘導マイクロスケール製造技術を使用して形成されることが好ましい。
2005503194.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）先が尖っており且つ組織に刺入可能な傾斜したノンコアリングチップを有する略円錐形状の本体を備え、
（ｂ）前記円錐形状の本体は、前記チップの反対の端部で基板によって形成された幅広いベースを更に有し、
（ｃ）前記円錐形状の本体を貫通して延び、前記幅広いベースと前記チップとの間を流体連通させる流体チャンネルを備えている、中空マイクロニードル。
【請求項２】
前記幅広いベースから前記チップまでの距離として定義されるマイクロニードルの高さは、約５０μｍから約１００μｍまでの範囲内である、請求項１に記載の中空マイクロニードル。
【請求項３】
前記幅広いベースから前記チップまでの距離として定義される各マイクロニードルの高さは、前記幅広いベースの幅よりも実質的に小さい、請求項１に記載の中空マイクロニードル。
【請求項４】
シリコンからなる、請求項１に記載の中空マイクロニードル。
【請求項５】
経皮的に流体を供給する装置であって、
（ａ）少なくとも１つの入口と、前記少なくとも１つの入口と流体連通する複数の出口とを備えている基板と、
（ｂ）所定のアレーを成して配置されるとともに、前記基板から略外側に延びる複数のマイクロニードルとを備え、
前記各マイクロニードルは、
（ｉ）先が尖っており且つ組織に刺入可能な傾斜したノンコアリングチップを有する略円錐形状の本体を有し、
（ｉｉ）前記円錐形状の本体は、前記チップの反対の端部で基板によって形成された幅広いベースを更に有し、
（ｉｉｉ）前記円錐形状の本体を貫通して延び、基板によって形成された前記幅広いベースに設けられた出口のうちの１つと前記チップとの間を流体連通させる流体チャンネルを有している、装置。
【請求項６】
前記幅広いベースから前記チップまでの距離として定義される各マイクロニードルの高さは、約５０μｍから約１００μｍまでの範囲内である、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記幅広いベースから前記チップまでの距離として定義される各マイクロニードルの高さは、前記幅広いベースの幅よりも実質的に小さい、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記基板および前記マイクロニードルのうちの少なくとも一方がシリコンからなる、請求項５に記載の装置。
【請求項９】
マイクロニードルの前記アレーは、前記基板に一体形成されている、請求項５に記載の装置。
【請求項１０】
中空マイクロニードルを形成するための方法であって、
（ａ）基板を形成するステップと、
（ｂ）前記基板内に流体チャンネルを形成して、前記流体チャンネルが前記基板を貫通するようにするステップと、
（ｃ）前記基板のかなりの部分を除去することにより、所定の残存部分を残すステップであって、前記残存部分は、前記流体チャンネルを取り囲むとともに、略円錐形状を成し、これにより、前記流体チャンネルは、前記円錐形状の中心軸にほぼ沿って配置されるステップとを含んでいる、方法。
【請求項１１】
前記基板のかなりの部分を除去する前記ステップは、前記円錐形状の頂点に斜角を付けることを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記基板を形成する前記ステップは、シリコンおよびポリシリコンのうちの一方から成る基板を形成することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記流体チャンネルを形成する前記ステップは、
（ａ）第１のマスクを形成するステップと、
（ｂ）第１のマスクに形成された穴を通じて前記基板をエッチングして、前記流体チャンネルを形成するステップと、
（ｃ）前記第１のマスクを除去するステップとを含んでいる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記基板のかなりの部分を除去する前記ステップは、
（ａ）第２のマスクを形成するステップと、
（ｂ）窒化物層を堆積させるステップと、
（ｃ）前記第２のマスクを除去するステップと、
（ｄ）前記基板をエッチングして、前記基板のかなりの部分を除去するステップとを含んでいる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記基板をエッチングする前記ステップは、異方性エッチングを行なうことを含んでいる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記基板をエッチングする前記ステップは、前記窒化物層を除去して前記基板の等方性エッチングを行なうことを含んでいる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記基板をエッチングする前記ステップは、
（ａ）前記基板の異方性エッチングを行なうステップと、
（ｂ）前記窒化物層を除去するステップと、
（ｃ）前記基板の等方性エッチングを行なうステップとを含んでいる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
中空マイクロニードルのアレーを形成する方法であって、
（ａ）シリコン基板を形成するステップと、
（ｂ）前記シリコン基板の上面にドットマスクを準備し、前記ドットマスクの開口を前記アレーを成す前記中空マイクロニードルにおける所望の場所に対応させるステップと、
（ｃ）前記シリコン基板をエッチングして、前記シリコン基板をほぼ貫通して延びる複数の流体チャンネルを形成するステップと、
（ｄ）窒化物マスクを形成して、窒化物層が望まれていない領域を前記窒化物マスクが覆うようにするステップと、
（ｅ）窒化物層を形成して、前記窒化物マスクによって覆われていない領域で前記窒化物層が基板上に堆積されるようにするステップと、
（ｆ）前記窒化物マスクを除去するステップと、
（ｇ）前記基板上にベベルエッチングを行なうことにより、鈍的な角度を成すマイクロニードルのアレーを形成するステップと、
（ｈ）前記窒化物層を除去するステップと、
（ｉ）前記鈍的な角度を成すマイクロニードルを丸くして鋭くするラウンディングエッチングを行なうことにより、中空マイクロニードルの前記アレーを仕上げるステップとを含んでいる、方法。
【請求項１９】
前記シリコン基板は、前記アレーを構成する中空マイクロニードルの所望の高さと略同一の厚さを有している、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記シリコン基板を形成する前記ステップは、約５０μｍから約１００μｍの範囲の厚さを有するシリコン基板を形成するステップを含んでいる、請求項１１に記載の方法。
【請求項２１】
前記鈍的な角度を成すマイクロニードルのアレーにおいて、各マイクロニードルはベースと高さとを有し、前記ベースの幅は前記高さと少なくともほぼ等しい、請求項１１に記載の方法。
【請求項２２】
生物学的流体を患者から抽出して分析するための低侵襲的診断システムにおいて、
（ａ）ハウジングと、プロセッサと、前記プロセッサに電気的に接続されたディスプレイと、前記プロセッサに電気的に接続されたキーパッドと、前記プロセッサに電気的に接続されたメモリとを備えた手持ち式診断ユニットと、
（ｂ）ハウジングとマイクロニードルアレーとを備え、患者から前記生物学的流体のサンプルを得るための使い捨て可能なカートリッジと、
（ｃ）前記生物学的流体のサンプルと接触する時に、前記生物学的流体の特徴を示す信号を形成し、この信号を前記プロセッサに供給して診断処理を行なうために前記プロセッサに電気的に接続されるようになっているセンサとを備えている、低侵襲的診断システム。
【請求項２３】
前記アレーの各マイクロニードルは、
（ａ）先が尖っており且つ組織に刺入可能な傾斜したノンコアリングチップを有する略円錐形状の本体を備え、
（ｂ）前記円錐形状の本体は、前記チップの反対の端部で基板によって形成された幅広いベースを更に有し、
（ｃ）前記円錐形状の本体を貫通して延び、前記幅広いベースと前記チップとの間を流体連通させる流体チャンネルを備えている、請求項２２に記載の低侵襲的診断システム。
【請求項２４】
前記幅広いベースから前記チップまでの距離として定義されるマイクロニードルの高さは、約５０μｍから約１００μｍまでの範囲内である、請求項２３に記載の低侵襲的診断システム。
【請求項２５】
前記幅広いベースから前記チップまでの距離として定義される各マイクロニードルの高さは、前記幅広いベースの幅よりも実質的に小さい、請求項２３に記載の低侵襲的診断システム。
【請求項２６】
前記マイクロニードルアレーは、シリコンからなる、請求項２３に記載の低侵襲的診断システム。
【請求項２７】
前記メモリは、前記信号を使用して前記プロセッサに診断処理を行なわせるとともに診断処理の結果を前記ディスプレイ上に表示させる機械命令を記憶する、請求項２２に記載の低侵襲的診断システム。
【請求項２８】
前記診断処理は、前記生物学的流体内のグルコースのレベルを測定する、請求項２７に記載の低侵襲的診断システム。
【請求項２９】
前記ハウジングは、前記使い捨て可能なカートリッジを受けることができるサイズおよび形状を有する容器を備え、前記カートリッジが前記容器内に挿入されると、前記センサが前記プロセッサに電気的に接続される、請求項２２に記載の低侵襲的診断システム。
【請求項３０】
前記センサが前記使い捨て可能なカートリッジ内に配置されている、請求項２２に記載の低侵襲的診断システム。
【請求項３１】
前記マイクロニードルアレーは、その上に前記マイクロニードルアレーが形成される第１の面と、その上に前記センサが形成される第２の面とを有するシリコン基板を備えている、請求項３０に記載の低侵襲的診断システム。
【請求項３２】
前記センサが前記ハウジング内に配置されている、請求項２２に記載の低侵襲的診断システム。
【請求項３３】
薬用流体を患者内に経皮的に供給するための低侵襲的薬物供給システムであって、
（ａ）ハウジングと、プロセッサと、前記プロセッサに電気的に接続されたディスプレイと、前記プロセッサに電気的に接続されたキーパッドと、前記プロセッサに電気的に接続されたメモリと、薬用流体リザーバと、前記薬用流体リザーバに流体連通する薬用流体出口と、薬用流体を前記薬用流体リザーバから薬用流体出口を介して患者内に注入するための圧力を形成するアクチュエータとを備えた手持ち式診断ユニットであって、前記アクチュエータが前記プロセッサに電気的に接続されて前記プロセッサによって制御される手持ち式診断ユニットと、
（ｂ）ハウジングとマイクロニードルアレーとを備え、前記マイクロニードルアレーを介して薬用流体が患者内に注入される使い捨て可能なカートリッジと、
（ｃ）先端と基端とを有し、前記薬用流体出口と前記使い捨て可能なカートリッジとを流体連通させるために、前記基端が前記薬用流体出口に接続され、前記先端が前記使い捨て可能なカートリッジに接続される流体ラインとを備えている、低侵襲的薬物供給システム。
【請求項３４】
前記アレーの各マイクロニードルは、
（ａ）先が尖っており且つ組織に刺入可能な傾斜したノンコアリングチップを有する略円錐形状の本体を備え、
（ｂ）前記円錐形状の本体は、前記チップの反対の端部で基板によって形成された幅広いベースを更に有し、
（ｃ）前記円錐形状の本体を貫通して延び、前記幅広いベースと前記チップとの間を流体連通させる流体チャンネルを備えている、請求項３３に記載の低侵襲的薬物供給システム。
【請求項３５】
前記幅広いベースから前記チップまでの距離として定義されるマイクロニードルの高さは、約５０μｍから約１００μｍまでの範囲内である、請求項３４に記載の低侵襲的薬物供給システム。
【請求項３６】
前記幅広いベースから前記チップまでの距離として定義される各マイクロニードルの高さは、前記幅広いベースの幅よりも実質的に小さい、請求項３４に記載の低侵襲的薬物供給システム。
【請求項３７】
前記幅広いベースの幅に対する、前記幅広いベースから前記チップまでの距離として規定される各マイクロニードルの高さの比は、約１：１から約１：２の範囲である、請求項３４に記載の低侵襲的薬物供給システム。
【請求項３８】
（ａ）基端と先端とを有し、前記基端が前記手持ち式制御ユニットに接続されることにより前記プロセッサに電気的に接続されるとともに、データケーブルの前記先端が前記使い捨て可能なカートリッジに電気的に接続されるデータケーブルを更に備え、
（ｂ）前記使い捨てカートリッジは、患者の体内の対象領域へと方向付けられる超音波信号を形成し且つ反射された超音波信号を患者の体内から受けることにより対象領域の状態を示す出力信号を形成する超音波変換器アレーを更に有し、前記超音波変換器アレーは、前記出力信号を送信する前記データケーブルに電気的に接続され、前記プロセッサは、前記出力信号に応答するとともに、前記使い捨て可能なカートリッジが患者の体内の所望の領域に隣接して配置されていることをディスプレイ上でユーザに示す、請求項３３に記載の低侵襲的薬物供給システム。
【請求項３９】
前記使い捨て可能なカートリッジは、前記マイクロニードルアレーに付勢力を加えてマイクロニードルを患者の皮層に刺入させる少なくとも１つのバネ部材を更に備えている、請求項３３に記載の低侵襲的薬物供給システム。
【請求項４０】
前記使い捨て可能なカートリッジは、前記薬用流体の流量を監視して流量を示す流量信号を形成する流量センサを更に備え、前記流量センサは、前記流量信号を前記データケーブルを介して前記プロセッサに供給する、請求項３８に記載の低侵襲的薬物供給システム。
【請求項４１】
前記マイクロニードルアレーは、その上に前記マイクロニードルアレーが形成される第１の面と、その上に前記流量センサが形成される第２の面とを有するシリコン基板を備えている、請求項４０に記載の低侵襲的薬物供給システム。
【請求項４２】
前記使い捨て可能なカートリッジは、患者内への前記薬用流体の流れを制御する弁を更に備えている、請求項３３に記載の低侵襲的薬物供給システム。
【請求項４３】
前記薬用流体リザーバは、ハウジングと、前記薬用流体リザーバの一部を形成する自己密封式のエラストマー膜と、前記アクチュエータが前記薬用流体に作用する圧力を形成するまで前記薬用流体が前記薬用流体リザーバから出ることを防止するサブミクロンフィルタとを備えている、請求項３３に記載の低侵襲的薬物供給システム。
【請求項４４】
前記薬用流体リザーバは、前記手持ち式制御ユニットから取り外し可能であるとともに、患者から生物学的流体のサンプルを得る際に使用される使い捨て可能な診断カートリッジと交換可能であり、前記使い捨て可能なカートリッジは、ハウジングとマイクロニードルアレーとを備え、前記生物学的流体のサンプルと接触する際に前記生物学的流体の特徴を示す信号を形成するセンサが設けられ、前記センサは、前記プロセッサに前記信号を供給して診断処理を行なうために、前記プロセッサに電気的に接続されるように構成されている、請求項３３に記載の低侵襲的薬物供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、患者に薬用流体を供給するために使用される装置、および、そのような装置を製造するための方法に関し、より具体的には、患者に対して低侵襲的に薬用流体を経皮的に供給するためのマイクロニードルアレーを有する装置、および、そのような装置を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
皮膚バリアを通じて患者に薬物を供給し、あるいは、皮膚バリアを通じて患者から血液や組織のサンプルを引き出すことが必要な多くの病状および処置が存在する。注射針のついた皮下注射器は、薬用流体を患者に対して経皮的に供給するために、最も一般的に使用されている。かなり多くの人々は、皮下注射針により注射を受けることが痛くて嫌な経験であると考えている。殆どの個人は、そのような注射を生涯にわたって数回受けるだけで済むが、糖尿病等の病状に苦しむ人達は、はるかに頻繁に注射を受ける必要がある。
【０００３】
一般的な皮下注射器と共に使用される針のサイズは、一般に、数ｍｍの長さである。マクロニードルと呼ばれるこれらのニードルは、生体細胞のサイズと比べて比較的大きな直径を有している。ニードルを皮層に刺入する際の痛みは、明らかに、ニードルの直径に関係している。注射を受ける際に個人が経験する痛みのレベルを低減する試みにおいては、マイクロニードルの使用が研究されてきた。薬物を供給できる十分な深さで且つ神経を刺激して痛みや不快感を起こさせるほど深くない程度で皮膚バリアに刺入できるように、マイクロニードルの長さを形成することができる。
【０００４】
マクロニードルに代わる手段として、直径がμｍ程度のマイクロニードルが開発されてきた。サイズの減少により、患者に対する不快感および痛みが軽減される。数十μｍ程度の断面を有するシリコンマイクロプローブであれば、大きな傷を付けることなく、生体組織に刺入できることが研究により証明された（Ｋ．  Ｎａｊａｆｉ，  Ｋ．  Ｄ．  Ｗｉｓｅ、およびＴ．  Ｍｏｃｈｉｚｕｋｉによる「Ａ  Ｈｉｇｈ−Ｙｉｅｌｄ  ＩＣ−Ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ  Ｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌ  Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ  Ａｒｒａｙ（高収率ＩＣ−互換マルチチャンネル録音アレー）」  ＩＥＥＥ  Ｍｉｃｒｏ  Ｔｒａｎｓ．  ｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅｓ（電子装置におけるＩＥＥＥ  マイクロ報告書）、ｖｏｌ．  ＥＤ−３２，１２０６頁から１２１１頁、１９８５年７月）。
【０００５】
幾つかの異なるタイプのマイクロニードルが開発されてきた。約２０μｍの直径を有するマイクロニードルを形成するために、ガラスピペットが使用されてきた。これらのマイクロニードルは、比較的大きな直径のガラスピペットを加熱して、直径が約２０μｍに減少するまでピペットを引き伸ばすことにより形成することができる。このサイズのガラスマイクロニードルを使用して、１つの細胞に流体を注射し、また、１つの細胞から流体を引き出すことができる。しかしながら、マイクロニードルを形成するために使用される引き伸ばし技術は、かなり質が低く、この方法で形成されたマイクロニードルのサイズを正確且つ再現可能に制御することは難しい。また、そのようなマイクロニードルは、極めて脆い。
【０００６】
米国特許第５，４５７，０４１号明細書は、支持している基板から外側に延びるとともに、生物学的に活性な物質を支持して組織内の対象細胞に刺入できる形状および寸法に設定された先端部を有し、これにより、生物学的な物質を先端部から送って対象細胞内に導入するマイクロニードルアレーを開示している。このマイクロニードルアレーは、シリコンウエハおよびフォトリソグラフィを基本とするエッチング技術を使用して形成される。これにより、中実なマイクロニードルアレーが形成される。これらのニードルによって供給される任意の生物学的活性物質は、マイクロニードルの先端に保持されて供給される。そのような先端保持は、正確に測定された投与量の生物学的活性物質を供給するのに有効ではない。一般に、患者内への薬物の経皮的な注射を含む医療処置方法では、正確に制御された量の薬物を供給することが必要である。薬物の供給量が少なすぎると、所望の効果を得ることができず、また、薬物の供給量が多すぎると、重大な結果を招き、あるいは、致命的な結果を招くことさえある。したがって、マイクロニードルによって供給される薬物の投与量を、この従来技術よりもうまく制御することができる、マイクロニードルに基づく薬物供給システムを提供することが望ましい。
【０００７】
米国特許第５，５９１，１３９号明細書は、異なるタイプのシリコン系マイクロニードルを開示している。この特許は、基板から外側に延びるニードルアレーを形成するのではなく、シリコン基板の面と平行に延びるマイクロニードルを形成することを開示している。マスキング技術およびエッチング技術を組み合わせて使用することにより、界面領域およびシャフトを有する中空のマイクロニードルが形成される。閉鎖チャンネルを形成するシェルは、流体の移動を許容するためのポートを有するシャフトを形成する。この界面領域は、マイクロニードル上のマイクロヒータ、マイクロ検出器、あるいは、他のマイクロデバイスを形成するために使用できるマイクロ回路素子を有している。流体経路を組み込んだマイクロニードルは極めて有用であるが、この特許に開示されたマイクロニードルのシャフトは、比較的薄くて狭く、破損が考えられる。また、界面領域への電子回路の組み込みにより、これらのマイクロニードルのコストおよび複雑度が高まる。また、そのような回路は、全てのマイクロニードルの用途において必要とは限らない。最後に、マイクロニードルアレーではなく、個々のマイクロニードルを使用して操作すると、他の問題が生じる。
【０００８】
マイクロニードルアレーに関連するごく最近の特許は、米国特許第６，０３３，９２８号明細書である。この特許は、量子効果を呈することができる十分小さい直径を各マイクロニードルが有する半導体マイクロニードルアレーを開示している。これらの半導体マイクロニードルアレーは、半導体装置に高い情報処理機能を与えるために使用することができるとともに、二酸化珪素膜をシリコン基板上に形成することにより製造される。その後、極めて直径が小さいシリコンから成る半球状の粒子が蒸着によって膜上に堆積される。半球状の粒子をアニールした後、半球状の粒子を第１のドットマスクとして使用することにより、二酸化珪素膜がエッチングされることにより、二酸化珪素膜から成る第２のドットマスクが形成される。結果として形成された第２のドットマスクは、シリコン基板を特定の深さまでエッチングするために使用される。これにより、半導体マイクロニードルの集合体が形成される。なお、薬物供給用途では、一般に、半導体のマイクロニードルは不要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述した従来技術を考慮すると、各マイクロニードルが流体チャンネルを組み込み、これらの流体チャンネルを通じて制御された量の流体を供給できるマイクロニードルアレーを提供することが望ましい。そのようなマイクロニードルアレーは、従来のマイクロニードルに共通する問題である、アレー中の各ニードルの破損を最小限に抑えるように形成されることが好ましい。また、従来のマイクロスケール製造技術を使用して、マイクロニードルのサイズを正確且つ再現可能に制御できるようにする、そのようなマイクロニードルアレーを形成するための方法を提供することが望ましい。更に、マイクロニードルによって供給される薬物の投与量を十分に制御することができるマイクロニードルに基づく薬物供給システムを提供することが望ましい。従来技術は、そのような装置または方法を開示も示唆もしていない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明においては、経皮的に流体を運ぶための中空マイクロニードルが定義されている。マイクロニードルは、組織に刺入可能な傾斜したノンコアリングチップと幅広いベースとを有する略円錐形状の本体を有している。流体チャンネルは、本体を貫通して延び、この幅広いベースをチップに流体連通させる。
【００１１】
幅広いベースからチップまでの距離として定義されるマイクロニードルの高さは、幅広いベースの幅とほぼ同じ又はベースの幅よりも実質的に小さいことが好ましい。マイクロニードルは、半導体製造技術を使用して、シリコン系の基板から形成される。
【００１２】
一実施形態においては、中空マイクロニードルのアレーが形成される。アレーは、少なくとも１つの入口と、少なくとも１つの入口と流体連通する複数の出口とが設けられた基板を有している。マイクロニードルは、基板から外側に延びている。各マイクロニードルは、基板を通じて１つの出口に近接している。アレーの各マイクロニードルは、一般に、前述したように形成されている。
【００１３】
本発明の他の態様は、中空マイクロニードルの形成方法に関するものである。この方法は、基板を形成するステップと、基板内に穴を形成して、穴が基板を完全に貫通するようにするステップと、基板のかなりの部分を除去することにより、所定の残存部分を残すステップとを含んでいる。残存部分は、穴を取り囲んで配置されるとともに、略円錐形状を成し、これにより、穴は、円錐形状の中心軸にほぼ沿って配置される。基板のかなりの部分を除去するステップは、円錐形状の頂点に斜角を付けることが好ましい。
【００１４】
好ましい方法において、基板は、シリコンまたはポリシリコンであり、製造プロセスにおいては、従来の半導体製造方法が使用される。例えば、穴を形成するため、穴の所望の場所に対応する基板の部位だけが露出するように第１のマスクが形成される。その後、穴がエッチングされ、第１のマスクが除去される。第２のマスクが形成され、マスクがされていない領域に窒化物層が堆積される。その後、第２のマスクが除去され、基板がエッチングされて、かなりの部分が除去される。基板をエッチングするステップは、異方性エッチングを行ない、その後、等方性エッチングを行なうステップを含んでいることが好ましい。
【００１５】
本発明の他の態様は、前述した方法とほぼ一致する中空マイクロニードルアレーの製造方法に関するものである。
【００１６】
本発明の更に他の態様は、生物学的流体を患者からを抽出して分析するための低侵襲的診断システムに関するものである。そのようなシステムは、手持ち式診断ユニットと、生物学的流体のサンプルを得るための使い捨て可能なカートリッジと、サンプルと接触する時に生物学的流体の特徴を示す信号を形成するセンサとを有している。手持ち式診断ユニットは、ハウジングと、プロセッサと、プロセッサに電気的に接続されたディスプレイと、プロセッサに電気的に接続されたキーパッドと、プロセッサに電気的に接続されたメモリとを有している。使い捨て可能なカートリッジは、ハウジングとマイクロニードルアレーとを有しており、サンプルをセンサと接触させるようになっている。
【００１７】
メモリは、プロセッサによって実行される時に、プロセッサに診断処理を行なわせるとともに診断処理の結果をユーザに対してディスプレイ上で表示させる機械命令を記憶する。一実施形態において、診断処理は、生物学的流体内のグルコースのレベルを測定する。好ましくは、ハウジングは、使い捨て可能なカートリッジを受けるようになっているサイズおよび形状を有する容器を備え、カートリッジが容器内に挿入されると、生物学的流体のサンプルがセンサと接触され、センサがプロセッサに電気的に接続されるようになっている。一実施形態においては、センサが使い捨て可能なカートリッジ内に配置される。一方、他の実施形態においては、センサが手持ち式診断ユニットのハウジング内に配置される。
【００１８】
本発明の更なる態様は、薬用流体を患者内に注入するための低侵襲的薬物供給システムに関するものである。このシステムは、手持ち式制御ユニットと、薬用流体を患者に供給するための使い捨て可能なカートリッジと、手持ち式ユニットを使い捨て可能なカートリッジに接続する流体ラインとを有している。手持ち式診断ユニットは、ハウジングと、プロセッサと、プロセッサに電気的に接続されたディスプレイと、プロセッサに電気的に接続されたキーパッドと、プロセッサに電気的に接続されたメモリと、プロセッサに制御可能に接続された薬用流体リザーバと、薬用流体リザーバに流体連通する薬用流体出口と、薬用流体が患者内に注入されるように薬用流体を薬用流体出口から押出すための圧力を形成するアクチュエータと有している。使い捨て可能なカートリッジは、ハウジングとマイクロニードルアレーとを備え、マイクロニードルアレーを介して薬用流体が患者内に注入される。
【００１９】
この発明の前述した態様および付随する多くの利点は、添付図面と共に以下の詳細な説明を参照することにより、容易且つ十分に理解できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（従来のマイクロニードル）
本発明を説明する前に、一般に図１Ａおよび図１Ｂを参照して、従来技術のマイクロニードルの幾つかの例を考慮することが有用である。図１Ａは、略円錐状のマイクロニードル１０を示している。このマイクロニードルは、そのベースに沿って測定した幅がＷであり、マイクロニードルのベースから頂点まで測定した高さがＨである。なお、幅Ｗは、マイクロニードル１０の高さＨよりも実質的に短く、また、ベースの幅Ｗは、マイクロニードル１０のベースでの直径に相当している。
【００２１】
そのベースの幅が約３０μｍで且つその高さが約１５０μｍである従来のマイクロニードル（マイクロニードル１０と同様）は、アドレスｈｔｔｐ：／／ｍｅｍｓ．ｍｉｒｃ．ｇａｔｅｃｈ．ｅｄｕ／ｒｅｓｅａｒｃｈ／ｂｉｏｍｅｄ．ｈｔｍｌにあるワールドワイドウェブに開示されている。同様に、ベースの幅が０．５μｍから１０μｍの範囲で且つ高さが約１００μｍであるマイクロニードルは、米国特許第４，９６９，４６８号明細書に記載されている。この特許は、具体的に、比較的細長いマイクロニードルとなるべく、マイクロニードルのベースの幅に対するマイクロニードルの高さの比が１０：１程度でなければならないことを教示している。米国特許第５，４５７，０４１号明細書は、ベースの幅が０．５μｍから３．０μｍで変化し且つ高さが１０μｍから２５μｍであるマイクロニードルを開示している。すなわち、これらの３つの各情報源は、その高さがそのベースの幅を少なくとも８：１の比よりも超える従来のマイクロニードルを開示している。
【００２２】
図１Ｂは、略円柱状の従来のマイクロニードル１２を示している。このマイクロニードルも、その高さＨがそのベースで測定された幅Ｗを実質的に超える。米国特許第６，０３３，９２８号明細書は、そのベースの幅が０．００２μｍから０．０５μｍの範囲で且つその高さが０．５μｍから２μｍの範囲であるマイクロニードル１２と同様の形状のマイクロニードルを開示している。すなわち、従来の略円柱状のマイクロニードル１２は、幅に対する高さの比が少なくとも４：１である。
【００２３】
一般に、従来のマイクロニードルは、従来の半導体製造技術を使用して、シリコン系材料によって形成されている。図２に示される従来のマイクロニードルアレー１８は、図１Ａの複数の従来のマイクロニードル１０を組み入れている。従来においては、他のマイクロニードルおよびアレーが開示されているが、それらの形状（高さ：ベース）特性は、図１Ａおよび図１Ｂに示される形状特性および図２に示される形状特性とほぼ同様である。一般に、従来のマイクロニードルは、その高さがそのベースの幅よりも実質的に大きい細長い「スパイク」状あるいは円柱形状の構造体になる傾向がある。
【００２４】
（本発明のマイクロニードル）
図３Ａは、本発明に係るマイクロニードル２０を示している。前述した従来のマイクロニードルとは異なり、マイクロニードル２０は、そのベースの幅Ｗがその高さＨとほぼ等しい。一実施形態において、幅および高さは約１００μｍである。しかしながら、この実施例は、単なる典型的な例であり、本発明の範囲を制限しようとするものではない。また、マイクロニードル２０は、流体チャンネル２４と、傾斜ノンコアリング（ｎｏｎ−ｃｏｒｉｎｇ）チップ２５とを有している。図３Ｂは、流体チャンネル２４がマイクロニードルを完全に貫通していることを明確に示している。なお、マイクロニードル２０の幅Ｗに対する高さＨの比は、ほぼ１：１である。それに対し、従来のマイクロニードルの幅に対する高さの比は、４：１から１０：１の範囲である。本発明のマイクロニードルがその高さに対して広い幅を有するベースを有することで、破損し難い強固なマイクロニードルが形成される。
【００２５】
図４は、本発明に係るマイクロニードルの第２の実施形態を示している。マイクロニードル２２は、ベースの幅Ｗがその高さＨを超えている、すなわちその高さの約２倍である、ベースを有する。一実施形態において、幅Ｗは約１００μｍであり、一方、高さＨは約５０μｍであり、これにより、幅に対する高さの比は、約１：２となる。しかしながら、この場合も、１００μｍおよび５０μｍの寸法は、単なる典型例であり、本発明の範囲を制限しようとするものではない。マイクロニードル２２の重要な特徴は、その幅に対する高さの比が１：１よりも小さいという点、すなわち、マイクロニードル２２がその高さよりも広いベースを有しているという点である。また、マイクロニードル２２は、流体チャンネル２４’と、ノンコアリングチップ２５’とを有している。
【００２６】
図５は、複数のマイクロニードル２０から成るマイクロニードルアレー２６を示している。アレー中の各マイクロニードル２０は、複数の流体チャンネル２４と、ノンコアリングチップ２５とを有しており、各マイクロニードル２０は、幅に対する高さの比が約１：１である。
【００２７】
（マイクロニードルアレーの形成）
図６のフローチャート２８は、本発明に係るマイクロニードルのニードルアレーを形成するために使用されるロジックステップの順序を示している。図７Ａから図７Ｉは、フローチャート２８の対応する処理ステップ中における基板材料の断面図を示している。一方、図７Ｊは、完成したマイクロニードルを示している。
【００２８】
半導体製造産業での使用のために開発されたフォトリソグラフィおよび他の技術を有利に利用して、本発明に係る個々のマイクロニードルおよびマイクロニードルアレーを形成できると考えられる。したがって、シリコンが好ましい基板であると考えられるが、関連技術を使用して扱うことができるゲルマニウム等の他の基板を使用しても良い。一般に、広いベースを有する複数のマイクロニードルを含むアレーは、バッチ処理、半導体製造プロセスで使用されるステップに若干似た以下のステップで製造されることが好ましい。したがって、シリコン基板は、一般に、その上に複数の様々なマイクロニードルアレーが同時に形成される４インチ、６インチ、８インチウエハから成る。しかしながら、図７Ａから図７Ｊには、簡易化のため、１つのマイクロニードルの形成のみが示されている。また、マイクロニードルを構成する様々な層は非常に薄いものであるが、明確にするため、図に示されるこれらの層の寸法がかなり誇張されていることは言うまでもない。
【００２９】
以下のエッチング技術は、本発明に係るマイクロニードルを形成する際に有用であると考えられる。シリコン酸化物、シリコン窒化物、または、シリコン基板を優先的にエッチングするため、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）プロセスが使用される。この目的のため、一般的なシステムは、５インチの石英電極と１ＫＷ、１５ＭＨｚの高周波（ＲＦ）発生器とを有する平行平板反応性イオンエッチング構成を有している。そのようなシステムは、複数のマスフローコントローラと、スロットルバルブ・コントローラ（一定の圧力を維持するため）と、高速ターボ分子真空ポンプとを有していても良い。ＲＩＥは、ポリイミド、シリコン窒化物、または、シリコン酸化物等の層を、ウエハ、ウエハ片、または、個々のチップ等のシリコン基板から除去するために使用することができる。シリコン酸化物およびシリコン窒化物をエッチングするために（例えば、カーボンテトラフルオライド、ＣＦ４を使用して）、シリコン窒化物に優先してシリコン酸化物をエッチングするために（ＣＦ４およびフロオロホルムＣＨＦ３を使用して）、シリコン酸化物に優先してシリコンをエッチングするために（シリコンヘキサフルオライドＳＦ６を使用して）、良く知られたプロセスを利用することができる。
【００３０】
前述したシステム等の市販されているシステムは、クックバキューム社（Ｃｏｏｋｅ  Ｖａｃｕｍｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）のモデルＣ７１／３プラズマシステムである。殆どの材料におけるエッチング速度は、４００から６００オングストローム／分である。シリコン酸化物におけるエッチング速度は、約±３％まで制御することができる。クックシステムのＲＦ周波数は１４．５６ＭＨｚであり、ＲＦ電力は最大１０００ワットまで変えることができる。プロセス圧力は、５０ｍｔｏｒｒ未満から１０００ｍｔｏｒｒを超える範囲で可能である。石英から成る上側電極および下側電極は、閉回路液冷である。マニホールドで複合ガスミキシングを利用することができる。
【００３１】
また、ＲＩＥの他、ウェットエッチングを有利に使用して、本発明に係るマイクロニードルを形成するために必要なエッチングを行なうこともできる。ウェットエッチングは、液体化学物質を使用してデバイスの周囲の材料を除去し或いは基板表面から薄膜を除去する技術である。この技術は、デバイスまたは基板を純粋な化学物質または化学物質の混合物中に所定時間だけ浸漬することを伴う。必要とされる時間は、除去される層の組成および厚さ、エッチング液、温度によって決まる。デバイスまたは基板上の交互の層を除去するために、一連の化学物質が必要とされても良い。
【００３２】
ウェットエッチングを使用して、有機材料、シリコン、ポリイミド、メタライゼーション、ポリシリコン、または、シリコン酸化物およびシリコン窒化物の層を除去することができる。エッチングに利用できる多くの化学物質のうちの幾つかには、フッ化水素酸、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、酢酸、過酸化水素、三酸化クロム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化アンモニウム、フッ化アンモニウムが含まれる。エッチング時間は、３０秒から２４時間の範囲であり、エッチング温度、エッチングされる材料の組成および厚さによって決まる。
【００３３】
図６を参照すると、ロジックは、ブロック３０から開始される。このブロック３０では、適当な基板上にドットパターンマスクが形成される。前述したように、シリコンが好ましい基板材料である。図７Ａは、シリコン基板５０の上面に堆積されるマスク５２を示している。マスク５２は、円形穴５６を有している。穴５６は、形成されるマイクロニードルの流体チャンネルのための所望の場所に対応する位置に設けられている。なお、マイクロニードルのアレーを形成するため、基板５０の大部分に複数の穴５６が形成される。各穴は、基板材料上に形成されるマイクロニードルの場所に対応している。形成される穴５６の数に関係無く、ドットパターンマスク中の穴のサイズ（直径）は、完成したマイクロニードルアレーにおける流体チャンネルのサイズと略同一である。
【００３４】
標準的なフォトリソグラフィ技術を使用して、あるいは、半導体産業で一般的に使用される他のマスキング技術を使用して、マスク５２を形成することができる。シリコン二酸化物の層をシリコン基板上５０に堆積させた後、そのシリコン二酸化物の層の所望の場所に穴５６を形成することにより、マスク５２が構成されると期待される。
【００３５】
ドットパターンマスクが形成されたら、ロジックは、ブロック３２へと移り、図７Ｂに示されるように、穴５６によって画定される場所で基板をエッチングすることにより、流体チャンネル５８が形成される。穴５６によって画定される領域以外の全ての領域では、基板がドットパターンマスクによって覆われているため、エッチングされる基板の部分は、穴５６の場所に対応する部分だけである。水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液を使用するウェットエッチング等の従来のバルクマシニングエッチングプロセスを有利に使用できると考えられる。そのようなエッチングプロセスにおいて、マスク層は、エッチングに使用される化学物質に対して基板よりも十分に耐性がある。すなわち、基板は、マスクが除去される前に完全にエッチングされる。エッチングプロセスは、基板が完全にエッチングされてマイクロニードルおよび支持基板を完全に貫通する流体チャンネル５８が形成されるまで続けられることが好ましい。しかしながら、流体チャンネルが基板材料を完全に貫通しないことが望ましい場合には、特定の深さまでにエッチングプロセスを制御することもできる。流体チャンネルの目的は、マイクロニードルの頂点と流体供給源または流体受けリザーバ（ここには図示されていない。図９および図１１を参照）との間に流路を形成することであるため、エッチングプロセスが基板を完全にエッチングしない場合、所望の流路を完成するために別個のステップが必要になる。なお、前述したＲＩＥエッチングプロセスを使用して、シリコン酸化物層を傷付けることなく、シリコン基板をエッチングすることもできる。当業者であれば分かるように、このステップでは、複数の他のエッチング技術を有利に使用することができ、また、前述した技術は、好ましい手法の単なる典型例であり、本発明の範囲を制限しようとするものではない。
【００３６】
流体チャンネル５８が基板にエッチングされたら、ロジックはブロック３４に進み、ドットパターンマスクが除去される。ドットパターンマスクの除去は、エッチングプロセスの逆である。これは、基板を溶解するよりも早くマスクを溶解する化学物質が使用されるからである。そのようなマスク除去技術は、技術的に良く知られている。図７Ｃは、このステップの結果を示している。図７Ｃでは、図７Ａおよび図７Ｂに見えるドットパターンマスク５２がシリコン基板５０から完全に除去されている。
【００３７】
ここで、ロジックは、図６のブロック３６である４番目のステップへと進む。このステップでは、窒化物パターンマスクが形成される。図７Ｄは、このステップを示している。図７Ｄにおいては、窒化物パターンマスク６０がシリコン基板５０上に形成されている。なお、窒化物パターンマスクが無いシリコン基板５０の領域も形成されている。具体的には、窒化物パターンマスクは、穴５８の内面、シリコン基板５０の下面、流体チャンネル５８に通じる開口の周囲の肩部領域６２、６４に形成されない。特に、流体チャンネルの一方側の肩部領域６２は、反対側の肩部領域６４よりも十分小さい。肩部領域６２と肩部領域６４との間のサイズの違いの重要性については、以下の形成プロセスにおけるその後のステップの説明で明らかになる。なお、肩部領域におけるこの違いにより、本発明における傾斜ノンコアリングチップを形成することができる。シリコン二酸化物の層を有利に使用して窒化物パターンマスク６０を形成できると考えられる。
【００３８】
窒化物パターンマスクが形成されたら、ロジックはブロック３８に進む。このブロックにおいては、窒化物パターンマスク６０によって覆われていなかった全ての領域で窒化物層が成長される。図７Ｅは、窒化物層６６が成長した窒化物層成長ステップの結果を示している。なお、窒化物層６６は、シリコン基板５０の下面、流体チャンネル５８の肩部６２、６４および壁を覆っている。窒化物層６６を成長させる１つの方法では、アンモニア（ＮＨ３）の存在下でジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）の低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）を使用して、約１／２Ｔｏｒｒの圧力および約８２０℃の温度で、３００から７００オングストロームの厚い窒化物層が形成される。当業者であれば分かるように、窒化物層６６を形成する他の方法を使用することができ、また、前述した技術は、好ましい手法の単なる典型例であるが、本発明の範囲を制限しようとするものではない。
【００３９】
窒化物層６６が成長されたら、ロジックは図６のブロック４０へと移る。このブロックにおいては、窒化物パターン６０が除去されて、窒化物層６６で覆われていないシリコン基板５０の部位が露出される。図７Ｆは、シリコン基板５０、窒化物層６６、穴５８、肩部６２、６４を示している。マスクすなわち窒化物層は、シリコン基板５０の上面の領域６３を覆っていない。窒化物層６６によって覆われた基板５０の部位を除去することなく、エッチングによって領域６３を優先的に除去することができる。なお、肩部６２、６４の窒化物層６６は、図７Ｄの窒化物マスク６０で画定されたオフセットパターンを模倣している。
【００４０】
窒化物パターン６０が除去されたら、ロジックは、図６のブロック４２に移る。このブロックでは、領域６３上で異方性ベベルエッチングが行なわれる。図７Ｇは、プロセスにおけるこの７番目のステップ後に得られる結果を示している。当業者であれば分かるように、シリコン基板と共に使用するために、幾つかの様々なエッチングプロセスを利用することができる。特に、異方性エッチングは、鋭い角度の境界部の形成によって特徴付けられる。等方性エッチングプロセスで見られる非常に丸みのある（ｒｏｕｎｄｅｄ）エッチングとは異なり、異方性エッチングを使用して、斜め形状の溝または側壁を形成することができる。異方性エッチングにおいて、側壁は、表面よりもかなりゆっくりとエッチングされる。その結果、鋭い境界部が形成され、アスペクト比が高い構造体を形成することができる。テトラメチルアンモニア水酸化物（Ｎ，Ｎ，Ｎ−トリメチル−メタナミニウム水酸化物、すなわち、ＴＭＡＨ）は、異方性エッチングを行なうために使用される幾つかのエッチング液のうちの１つである。なお、鋭く形成される角度のある或いは傾斜した表面６８が図７Ｇのシリコン基板５０に形成された。また、異方性エッチングは「ベベル」エッチングとも呼ばれ、一方、等方性エッチングは、「ラウンディング」エッチングとも呼ばれる。
【００４１】
その後、ロジックは、図６のブロック４２に移る。このブロックにおいては、窒化物層６６が除去される。前述したように、ＲＩＥまたは湿式化学処理を使用して、窒化物層６６を優先的に除去することができる。また、当業者であれば分かるように、窒化物層６６を除去する他の方法を代わりに使用することができる。図７Ｈは、窒化物層を除去した後に得られる結果を示している。
【００４２】
最後に、ロジックは、等方性ラウンディングエッチングが行なわれることを示すブロック４４に進む。なお、窒化物層６６が除去されたため、肩部６２、６４はもはや保護されない。したがって、等方性エッチングプロセスにおいては、肩部６２、６４にあるシリコン基板５０の部分が除去され、これにより、本発明に係るマイクロニードルのノンコアリングチップが形成される。前述したように、等方性エッチングは、異方性エッチングで形成される非常に角度がある面とは異なり、曲面７０等の丸みのある面を形成することによって特徴付けられる。
【００４３】
図７Ｊは、図６および図７Ａから図７Ｉに示されたステップを使用して形成されたマイクロニードル２２ａを示している。マイクロニードル２２ａの幅Ｗに対する高さＨの比は、１：２よりも小さい。なお、図７Ｊの完成したマイクロニードル２２ａにおける幅Ｗに対する高さＨの比を変えるため、図７Ａの当初のシリコン基板５０のサイズおよび形状を操作することができる。図７Ａの基板がより厚いと、図７Ｊの高さＨがより高いマイクロニードルが形成される。また、図７Ｇの異方性エッチングステップにより、完成されたマイクロニードル２２ａにおける高さＨが得られる。エッチング時間が短いと、高さＨが低くなり、一方、エッチング時間が長いと、高さＨが高くなる。
【００４４】
（マイクロニードルアレーの用途）
本発明の他の態様は、前述したように構成されたマイクロニードルアレーの診断装置での使用に関するものである。図８は、例えば手持ち式の診断装置８０を示している。手持ち式の診断装置８０は、ハウジング８１と、ディスプレイ８２と、キーボード８４と、診断カートリッジ８６とを有している。なお、診断カートリッジ８６は、手持ち式診断装置８０から取り外すことができる。使用中、診断カートリッジ８６は、手持ち式診断装置８０から取り外されて、ユーザの皮膚の一部、例えばユーザの腕８８と接触するように配置される。後述するように、診断カートリッジにより患者またはユーザの体から血液が引き出され、これにより、患者の血液を保持する診断カートリッジを診断装置８０に戻した際に、診断装置で分析を行なうことができる。
【００４５】
なお、用語「ユーザ」および「患者」は、この明細書および以下の請求の範囲の全体にわたって、置き換え可能に使用される。本発明は、患者である他の人を治療する医者であるユーザによって使用可能であり、あるいは、患者であるユーザが本発明を直接に使用できることは言うまでもない。
【００４６】
図９は、図８の概略図には図示されていない手持ち式の診断装置８０の別の機能的要素を示している。プロセッサ８５は、メモリ８７およびキーパッド８４に双方向接続されている。ディスプレイ８２は、プロセッサ８５に制御可能に接続されている。取り外し可能な診断カートリッジ８６は、ハウジング８１内に適切に挿入されると、プロセッサ８５に電気的に接続され、これにより、診断カートリッジ８６によって収集された任意のデータがプロセッサ８５に通信される。プロセッサ８５は、診断カートリッジによって与えられる信号に基づいて診断ルーチンを実行するとともに、その結果をディスプレイ８２上に表示するようにプログラムされている。メモリ８７は、プロセッサに診断ルーチンを実行させ且つ結果を表示させる機械命令が記憶されている読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）と、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）（いずれのメモリのタイプも別個に示されていない）とを有していることが好ましい。メモリ８７は、プロセッサ８５に双方向接続されている。
【００４７】
図１０は、診断カートリッジ８６の更なる詳細を示している。図１０には、マイクロニードルアレー９６の詳細を見ることができるように、診断マイクロニードルアレー９６が診断カートリッジ８６から分解された状態で示されているが、診断マイクロニードルアレー９６は、その完全に組み立てられた状態において、診断カートリッジ８６のキャビティ９２内に挿入されることは言うまでもない。診断カートリッジ８６は、ハウジング９０と、複数の導電体９４と、キャビティ９２とを有している。
【００４８】
診断マイクロニードルアレー９６はシリコン基板１００を有している。シリコン基板１００上には、複数のマイクロニードル９８が形成されている。なお、各マイクロニードル９８は、基板１００およびマイクロニードルを完全に貫通する対応する流体チャンネル１０６を有している。図１０に示されるように、マイクロニードル９８は、基板１００の下側に配置されている。基板１００の上側には、センサ１０４および複数の電気接点１０２が配置されている。センサ１０４および電気接点１０２は、基板１００に付加される別個の構成部品であっても良い。しかしながら、センサ１０４および電気接点１０２は、半導体製造技術を使用して、マイクロニードル９８とは反対側のシリコン基板１００上に形成されることが好ましい。電気接点１０２は、ハウジング９０内の導電体９４と接触するように位置決めされている。センサ１０４のために使用される構成は、診断カートリッジ８６が行なうと期待される診断処置のタイプによって決まり、意図される用途に基づいて変更することができる。例えば、グルコースに反応するセンサの１つのタイプは、糖尿病患者の血糖値を測定するために使用される。したがって、糖尿病を持つ人は、手持ち式診断装置８０と、血糖値レベル（血液の１００ミリリットル毎にグルコースをミリグラム単位で測定する）を監視するように形成された診断カートリッジ８６とを使用することができる。
【００４９】
図１０は、診断マイクロニードルアレー９６に関連付けられた流体リザーバ１０８を更に示している。一実施形態において、流体リザーバ１０８は、ハウジング９０内のキャビティ９２の壁によって形成される。他の実施形態において、流体リザーバ１０８は、シリコン基板１００上に装着され且つキャビティ９２内に嵌まり込むサイズに設定された別個のプラスチックハウジングによって形成される。
【００５０】
図１１は、診断マイクロニードルアレー９６の側面図を示している。流体チャンネル１０６は、基板１００およびマイクロニードル９８の両方を完全に貫通している。図８に示されるように診断カートリッジがユーザの皮膚に貼り付けられると、これらの穴を通じて流体（例えば、ユーザの血液）が流体リザーバ１０８内に引き上げられる。流体がセンサ１０４に接触し、診断カートリッジが診断カートリッジ８６のキャビティ９２内に挿入されると、センサ１０４からの電気信号は、診断カートリッジ８６の導電体９４に接続された導線１０２に沿って送信される。
【００５１】
操作時、ユーザは、診断カートリッジ８６を握るとともに、診断マイクロニードルアレー９６のマイクロニードル９８がユーザの皮膚に隣接して配置されるように診断カートリッジを設置する。ユーザは、ユーザの皮層にマイクロニードル９８を刺入できるように、弱い圧力を診断カートリッジ８６に加える。ユーザの少量の血液は、流体チャンネル１０６を通じて、流体リザーバ１０８内へと引き出される。ユーザの血液がセンサ１０４と接触すると、センサ１０４によって測定されたパラメータを示す電気信号が、電気接点１０２から導電体９４へと送られる。その後、ユーザが診断カートリッジ８６を手持ち式診断装置８０に戻し、導電体９４が手持ち式診断装置の対応する電気接点に接続する。これにより、センサ信号およびセンサ信号が運ぶデータが、プロセッサ８５に送られる。プロセッサ８５に供給された信号は、メモリ８７内に記憶された機械命令にしたがって処理される。結果は、ディスプレイ８２を介してユーザに表示される。ユーザは、キーパッド８４を使用して、プロセッサ８５がセンサ信号データを適切に処理するために必要な患者の固有のデータを入力することができる。
【００５２】
図１２は、図８に示された診断ユニット８０と同じ構成部品の多くを含む手持ち式薬物供給ユニット１１０を示している。診断ユニットおよび薬物供給ユニットの両方において、同じ手持ち式ユニットが使用されると期待される。手持ち式薬物供給ユニット１１０は、ハウジング１１１と、ディスプレイ１１４と、キーパッド１１２と、薬用流体供給源１１６（手持ち式薬物供給ユニット１１０を形成するために、診断ユニット８０の診断カートリッジ８６を交換する）とを有している。流体ライン１１８は、薬用流体供給源１１６を供給カートリッジ１２４に接続している。また、電気ライン１２０は、手持ち式薬物供給ユニット１１０を供給カートリッジに接続している。ユーザは、薬用流体を供給すべき場所の皮層上に供給カートリッジ１２４が配置される（図では、供給カートリッジ１２４がユーザまたは患者の腕１２２上に配置されている）ように、供給カートリッジ１２４を位置決めする。
【００５３】
図１３は、図１２の概略図に図示されていない手持ち式薬物供給ユニット１１０および供給カートリッジ１２４の別の機能的要素を示している。プロセッサ１１５は、メモリ１１７およびキーパッド１１２に双方向接続されている。また、ディスプレイ１１４は、流体供給源１１６と同様に、プロセッサ１１５に接続されている。メモリ１１７は、機械命令が記憶されるＲＯＭおよびＲＡＭを有している。供給カートリッジ１２４は、ハウジング１２６と、流体供給源１１６と流体連通する流体リザーバ１３６と、プロセッサ１１５に電気的に接続された変換器（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）アレー１３０とを有している。また、供給カートリッジ１２４は、流体リザーバ１３６と流体連通するマイクロニードルアレー１４０を有している。
【００５４】
図１４は、供給カートリッジ１２４ａの部分分解図を示している。供給カートリッジ１２４ａは、供給カートリッジ１２４に存在しない別個の要素を有している。この別個の要素は、マイクロニードル１４４を患者の皮層またはユーザの皮層に刺入させることができる十分な力でマイクロニードルアレー１４０を皮層内へと付勢する付勢力を形成するスプリングアセンブリ１３２である。また、図１４は、変換器アレー１３０を手持ち式薬物供給システム１１０に電気的に接続する方法および流体リザーバ１３６を手持ち式薬物供給システム１１０に流体連通状態で接続する方法の詳細を示している。供給カートリッジ１２４ａは、超音波変換器１３０を電気ライン１２０に接続する電気接点１２８を有している。電気ラインは、手持ち式薬物供給システム１１０のプロセッサ１１５に接続されている。流体通路１３８は、流体リザーバ１３６に流体連通するとともに、手持ち式薬物供給システム１１０の流体供給源１１６に接続する流体ライン１１８にも流体連通している。
【００５５】
スプリングアセンブリ１３２は、流体チャンバ１３６の真上で、ハウジング１２６の上部に装着されている。マイクロニードルアレー１４０は、流体チャンバ１３６内に嵌まり込むように形成されている。図１２は、マイクロニードルアレー１４０に関する詳細をより明確に見ることができるように、供給カートリッジ１２４ａから分解されたマイクロニードルアレー１４０を示している。しかしながら、マイクロニードルアレーは、通常の状況下で、ハウジング１２６内に装着されるように形成される。マイクロニードルアレー１４０は、その上に複数のマイクロニードル１４４が形成されるシリコン基板１４６を有している。複数の穴１４２が基板１４６およびマイクロニードル１４４を完全に貫通している。前述したように、基板においては、ゲルマニウム等の他の材料を使用することができる。
【００５６】
図１５は、マイクロニードルアレー１４０の更なる詳細を示している。この図においては、基板１４６およびマイクロニードル１４４を完全に貫通する穴１４２を明確に見ることができる。複数のバネ１４８は、基板１４６をスプリングアセンブリ１３２に接続するとともに、バネが圧縮された後に急に解放されて伸張すると、マイクロニードルを皮層に刺入させることができる付勢力を作用させるようになっている。これにより、マイクロニードルアレーがユーザの皮膚に接触された状態で、マイクロニードルアレーに対して付勢力が作用する。流体チャンバ１３６、流体通路１３８、穴１４２は、協働して、薬用流体をユーザに供給する。なお、図１５は、マイクロニードルアレー１４０およびバネ１４８を伸張位置で示している。
【００５７】
スプリングアセンブリ１３２およびバネ１４８を有さない他の実施形態においては、代わりに、マイクロニードルアレー１４０が供給カートリッジ内に固定され、供給カートリッジは、マイクロニードルがユーザの皮層に対向して配置されるように位置決めされる。その後、供給カートリッジ１２４に対して単に手で十分な圧力を加えることにより、ユーザの皮層に貫通させることができる。
【００５８】
図１６は、流量センサ１５６および流量制御弁１５８を有するマイクロニードル部材１５０を示している。マイクロニードル部材１５０は、供給カートリッジ１２４、１２４ａのマイクロニードルアレー１４０の代わりに使用することができる。マイクロニードル部材１５０は、基板１４１と、流体チャンネル１４３と、マイクロニードル１４５とを有している。簡易化のため、１つのマイクロニードルおよび穴だけが図示されているが、複数のマイクロニードルおよび流体チャンネルをマイクロニードル部材１５０に有利に組み込むことができることは言うまでもない。複数のマイクロニードルおよび流体チャンネルが含まれる場合には、複数のセンサおよび流体制御弁（各マイクロニードル毎に１つ）が含まれなければならず、あるいは、複数のマイクロニードルに必要な範囲で流体を流すことができる十分な大きさにセンサ１５６および流量制御弁１５８を寸法付けなければならない。例えば、マイクロニードル部材１５０がマイクロニードルのアレー内に組み込まれる場合、少なくともアレーの幅と同じ幅を有する１つのセンサおよび１つの流量制御弁が必要とされるかもしれない。
【００５９】
流量センサ１５６は、別個に形成されて基板１４１に取り付けることができ、あるいは、従来の半導体製造技術を使用して、流量センサ１５６を基板１４１上に形成することができる。また、従来の半導体製造技術を使用して流量制御弁１５８を形成できるように、ハウジング１５２はシリコンから形成されることが好ましい。しかしながら、他の製造技術を使用しても良い。薬用流体をマイクロニードル部材１５０内に流入させることができるように、穴１５４は、ハウジング１５２の上部に配置される。
【００６０】
図１７は、流体供給源１１６の実施形態の別の詳細を提供している。図１２に示される場合と同様に、流体供給源１１６は、手持ち式供給システム１１０内に配置される。流体供給源１１６は、内部に収容された薬用流体が完全に分配されると交換される使い捨てユニットにできることを想定している。流体供給源１１６は、上側ハウジング１６６と、複数の電気機械アクチュエータ１６４と、自己密封式のエラストマー膜１６２と、サブミクロンフィルタ１６８とを有していることが好ましい。
【００６１】
電気機械アクチュエータは、技術的に知られている。そのようなアクチュエータは、シールされたチャンバ内の流体に電圧を印加する。この電圧によって、流体がガスを形成する。このガスは、チャンバ内の圧力を高め、これにより、所望の機械的な動作力が形成される。電圧が除去されると、ガスは、流体によって再吸収された後、要求通りにプロセスを繰り返すべく電気的に活性化され得る。幾つかの電気化学的なアクチュエータは、電圧の印加に応じて可逆的に酸化される流体を使用する。そして、電圧が除去されると、対応する還元反応により、流体がその元の状態に戻る。
【００６２】
流体供給源１１６を満たすため、注射器（図示せず）が自己密封式のエラストマー膜１６２に穿刺される、これにより、薬用流体を注射器から流体供給源１１６の内部へと注入することができる。アクチュエータ１６４が流体供給源１１６の内部の流体に対して駆動圧を与えていない場合、流体は、サブミクロンフィルタ１６８を貫通しない。しかしながら、適切な作動圧がアクチュエータ１６４によって与えられると、流体は、サブミクロンフィルタ１６８を貫通して、チャンバ１７０内に流入し、流体ライン１１８へと流れる。
【００６３】
一般に、ユーザが薬物供給システム１１０を使用できる状態になると、最初のステップは、所望の薬用流体供給源１１６がユニット１１０内に挿入されるようにすることである。一人のユーザが薬物供給システム１１０を使用して複数のタイプの薬用流体を投与でき、また、そのようなユーザが様々なタイプの薬用流体を収容する複数の薬用流体供給源１１６を有することが期待される。その後、ユーザは、キーパッド１１２を使用して、所望の供給速度等のユーザデータを入力する。そのような情報を使用して、プロセッサ１１５は、流体供給源１１６からの流体の流量を制御することにより、供給速度を制御することができる。好ましい実施形態において、プロセッサ１１５は、アクチュエータ１６４によって供給される圧力を制御して、所望の流体供給速度を与える。ユーザは、ユーザの皮層の所望部位に供給カートリッジ１２４を位置決めする。一般に、この部位は、ユーザまたは患者の腕にあるが、患者の皮層の他の部位を使用して、経皮的に薬用流体を注入することができる。
【００６４】
図１５を参照すると、特に望ましい対象部位を選択できるように、超音波変換器アレー１３０が含まれている。超音波変換器１３０は、超音波信号を患者の体に伝達するとともに、反射した信号を受けて、内部構造を示す対応する信号を形成し、その信号を電気ライン１２０を介して手持ち式供給システム１１０に送る。プロセッサ１１５は、変換器アレー１３０からの信号を監視し、ユーザが自分の皮膚にわたって供給カートリッジ１２４を移動させることにより所望の場所が見つかると、プロセッサ１１５により、ディスプレイ１１４は、供給カートリッジ１２４が所望の位置にあることをユーザに警告する。この時点で、光圧を使用してマイクロニードル１４４を皮層に挿通させることにより、あるいは、バネ１４８を使用してマイクロニードルを皮層に挿通させることにより、供給カートリッジ１２４は、皮層を通じて、制御された量の薬用流体を患者に供給し始める。患者の皮膚の特徴に基づいて、あるいは、患者の体の内部の状態に基づいて、適した位置を決定することができる。例えば、超音波変換器を使用して、傷付いた内部の柔らかい組織に隣接する皮層上の位置を決定し、これにより、その場所で供給カートリッジ１２４を使用して鎮痛剤及び／又は抗炎症薬を患者に注入できるようにすることが適している場合もある。
【００６５】
本発明を実行する好ましい形式に関して本発明を説明してきたが、当業者であれば分かるように、これらに対しては、添付の特許請求の範囲内で、多くの変更を成すことができる。したがって、本発明の範囲は、どんな形であれ、前述した説明によって制限されるものではなく、専ら、添付の特許請求の範囲を参照することにより決定されるものである。
【００６６】
独占的な権利が要求されている本発明は、添付の特許請求の範囲によって規定される。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１Ａ】幾つかの従来のマイクロニードルの側面図である。
【図１Ｂ】幾つかの従来のマイクロニードルの側面図である。
【図２】半導体製造に共通する技術を使用して製造可能な従来のマイクロニードルのアレーの斜視図である。
【図３Ａ】本発明に係る中空マイクロニードルの側面図である。
【図３Ｂ】図３Ａの中空マイクロニードルの平面図である。
【図４】本発明に係る中空マイクロニードルの他の実施形態であって、マイクロニードルのベースの幅がマイクロニードルの高さよりも実質的に大きい実施形態の側面図である。
【図５】アレーとして形成された複数のマイクロニードルの概略図であって、アレーにおける各マイクロニードルが図３Ａおよび図３Ｂのそれと同様な概略図である。
【図６】本発明に係る中空マイクロニードルを形成するために使用される一連の論理的なステップを示すフローチャートである。
【図７Ａ】図６のフローチャートにしたがって中空マイクロニードルを形成するために使用される一連の論理的なステップの概略図である。
【図７Ｂ】図６のフローチャートにしたがって中空マイクロニードルを形成するために使用される一連の論理的なステップの概略図である。
【図７Ｃ】図６のフローチャートにしたがって中空マイクロニードルを形成するために使用される一連の論理的なステップの概略図である。
【図７Ｄ】図６のフローチャートにしたがって中空マイクロニードルを形成するために使用される一連の論理的なステップの概略図である。
【図７Ｅ】図６のフローチャートにしたがって中空マイクロニードルを形成するために使用される一連の論理的なステップの概略図である。
【図７Ｆ】図６のフローチャートにしたがって中空マイクロニードルを形成するために使用される一連の論理的なステップの概略図である。
【図７Ｇ】図６のフローチャートにしたがって中空マイクロニードルを形成するために使用される一連の論理的なステップの概略図である。
【図７Ｈ】図６のフローチャートにしたがって中空マイクロニードルを形成するために使用される一連の論理的なステップの概略図である。
【図７Ｉ】図６のフローチャートにしたがって中空マイクロニードルを形成するために使用される一連の論理的なステップの概略図である。
【図７Ｊ】図６のフローチャートにしたがって中空マイクロニードルを形成するために使用される一連の論理的なステップの概略図である。
【図８】本発明に係るマイクロニードルのアレーを使用する手持ち式診断システムの概略図である。
【図９】図８の手持ち式診断システムの機能的要素を示すブロック図である。
【図１０】図８の手持ち式診断システムに使用できるマイクロニードルアレーを有する使い捨て可能なカートリッジを示す部分分解図である。
【図１１】図９の使い捨て可能なカートリッジで使用されるマイクロニードルアレーの側面図である。
【図１２】本発明に係るマイクロニードルのアレーを使用する手持ち式薬物供給システムの概略図である。
【図１３】図１２の手持ち式薬物供給システムの機能的要素を示すブロック図である。
【図１４】図１２の手持ち式薬物供給システムに使用できるマイクロニードルアレーを組み込んだ使い捨て可能なカートリッジを示す部分分解図である。
【図１５】図１４の使い捨て可能なカートリッジで使用されるマイクロニードルアレーの側面図である。
【図１６】図１２の手持ち式薬物供給システムで使用できるマイクロニードル部材の一部の概略図であり、マイクロニードル部材内の流体経路を示している。
【図１７】図１２の手持ち式薬物供給システムで使用できる薬物リザーバの概略図であり、自己密封式膜、２つのアクチュエータ、サブミクロンフィルタを示している。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
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【図７Ｈ】
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【図７Ｉ】
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【図７Ｊ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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