(57)【要約】本発明に従うマイクロ針は支持部材から延在する。針は、針本体部と、閉じた尖端部と、前記支持部材から前記突出針へと延在する内腔と、を含む。針本体部は、前記内腔と連通する少なくとも１つの側方開口部を有する。針を製造する方法は、エッチング可能なウェハの前側にマスクを、前記マスクの垂直投影が裏側に形成された穴の範囲を少なくとも部分的に覆うように設けることを含む。前記マスクの下を等方的にアンダーエッチングしてウェハ材料を除去する。異方性エッチングにより突出構造物を形成する。第２の等方性エッチングを前記突出構造物に選択的に施して止り穴を形成する。選択的に行われる最終異方性エッチングが、側方開口部を形成せずに針を延長する。穴の位置および寸法に対するマスクの位置および範囲は、前記側方開口部が前記異方性エッチングまたは前記第２の等方性エッチング中に形成されるための位置および範囲である。
2004538106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体から突出するマイクロ針の製造方法であって、前記針が、本体部と、閉じた尖端部と、前記支持体を通って前記突出針に延在する内腔と、を含み、前記本体部が、前記内腔と連通する側方開口部を有し、前記方法が、
エッチング可能な材料から構成され、かつ前側および後側を有するウェハを設けるステップと、
前記ウェハに止り穴をウェハの後側からつくるステップと、
ウェハの前側にマスクを、前記マスクの垂直投影が少なくとも部分的に前記穴の範囲を覆うように設けるステップと、
第１の等方性エッチングを前記マスク下に施してウェハ材料を除去するステップと、
異方性エッチングをウェハに施して突出構造物を形成するステップと、
第２の等方性エッチングを前記突出構造物に選択的に施して止り穴を露出させるステップと、を含み、
穴の位置および寸法に対するマスクの位置および範囲が、前記異方性エッチングまたは前記第２等方性エッチング中に前記側方開口部が形成される位置および範囲である方法。
【請求項２】
側方開口部は形成せずに針を延長するために最終的な異方性エッチングを行うことを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記マスクと前記穴がほぼ同じ幾何学的形状を有し、前記マスクが穴の断面よりも大きく、穴の中央点とマスクの中央点は互いに対して位置がずれている請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記マスクが穴の断面よりも大きく、マスクの形状と穴の形状が互いに異なる請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
前記マスクが穴よりも大きく、穴の中央点とマスクの中央点とが一致する請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記マスクが少なくとも１つの領域において穴に重なる請求項１または２に記載の方法。
【請求項７】
前記止り穴がエッチングにより形成される請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記止り穴が高いアスペクト比を有する請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
マスクの形状および穴の断面が、それぞれ、円形、矩形、三角形または多角形のいずれかである請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
支持部材から突出するマイクロ針であって、前記針が、針本体部と、閉じた尖端部と、前記支持部材を通って前記突出針へと延在する内腔と、を含み、前記針本体部が、前記内腔と連通する少なくとも１つの側方開口部を有するマイクロ針。
【請求項１１】
前記側方開口部が、前記尖端部より下の或る点から前記支持部材に向って延在する請求項１０に記載のマイクロ針。
【請求項１２】
前記側方開口部が、前記尖端部より下の或る点から前記支持部材より上の或る点まで延在する請求項１０に記載のマイクロ針。
【請求項１３】
前記側方開口部が、前記尖端部より下の或る点から前記支持部材に至るまで延在する請求項１０に記載のマイクロ針。
【請求項１４】
前記マイクロ針の断面が、複数のウィングを有するほぼ十字形状を有し、前記側方開口部が、前記ウィングが互いに連結されている十字形の角部に配置された請求項１０に記載のマイクロ針。
【請求項１５】
前記内腔が前記針本体部に対して偏心している請求項１０に記載のマイクロ針。
【請求項１６】
前記本体部と前記内腔が互いにほぼ同じ幾何学的形状を有するが、前記内腔の断面が本体部の断面よりも小さい請求項１５に記載のマイクロ針。
【請求項１７】
前記幾何学的形状が、円形、矩形、三角形または多角形である請求項１６に記載のマイクロ針。
【請求項１８】
前記内腔が前記針本体部に対して同心である請求項１０に記載のマイクロ針。
【請求項１９】
前記内腔と前記針本体部とが異なる幾何学的形状を有する請求項１８に記載のマイクロ針。
【請求項２０】
支持部材上に設けられた請求項１０に記載のマイクロ針アレイと、前記マイクロ針アレイに連結可能な液体貯蔵容器と、液体を、針を通して患者の皮膚を横切って輸送するためのポンプと、を含む経皮的液体輸送装置。
【請求項２１】
ポンプが、前記液体を前記液体貯蔵容器から前記マイクロ針アレイに供給するように適合されている請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
ポンプが、皮膚を横切ってサンプル液を吸引するように適合されている請求項２０に記載の装置。
【請求項２３】
本体を含むマイクロ針であって、本体が外囲面および内腔を有し、内腔が内腔の内側包囲面を有し、本体に、前記内腔を先端領域にて閉鎖する尖端が設けられ、前記外囲面が少なくとも１つの領域において前記内腔の内側包囲面と交差し、それにより、前記本体に少なくとも１つの側方開口部を形成しているマイクロ針。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シャフトに側方開口部を有する中空のウェハ面外シリコンマイクロ針に関する。これらの針は、経皮的なマイクロ流体投与、例えば、薬剤またはワクチンデリバリに非常に適している。
【背景技術】
【０００２】
皮膚の最外層、すなわち、角質層（ＳＣ）は、人間の身体において最も融通性のある生体バリアであろう。角質層は優れた電気絶縁体であり、水分損失を抑制しつつ感染性物質の取込みを防止する。少量の液体を人体の角質層を通して角質層下の組織に配送すること、または、角質層下の組織から流体をサンプリングすることは、生体医学的用途において益々重要になっている。マイクロシステム技術により、マイクロスケールの液体移送針、すなわちマイクロ針（マイクロニードル）を作製するための手段が提供されている。近年、マイクロ針の分野での開発が確実に伸びている。マイクロ針は寸法が小さいため、痛みを生じずに、また、慣用の皮下注射針よりも組織を損傷せずに皮膚に挿入できる。マイクロ針は、経皮的局面が重要な用途における好ましいドラッグデリバリデバイスとなり得る。例えば、バイオテクノロジーにより、概ねプロテインなどの活性高分子から構成される、治療に非常に有用な新規の化合物が生み出されている。これらの経口投与は難しく、これらの化合物の、皮膚を通しての受動拡散は現実的な選択肢ではない。
【０００３】
経皮的投与のための中空の面外マイクロ針が以前に幾つか提示されている。これらは、デバイスを通る流体の抵抗を低減するための二次元アレイ型に配置されている。アレイはウェハレベルでの加工により達成されることができる。開口部は針の頂部にあり、これが閉塞（目詰まり）の危険性を高めている。このような針の例は、米国特許第６，１３２，７５５号および第６，３３４，８５６号に開示されている。
【０００４】
より早い時期に面内マイクロ針が開発されており、これらの針は、開口部が針のシャフトに存在することにより特徴づけられ、より閉塞しにくい。このような針は、例えば、米国特許第５，９２８，２０７号および第６，３７５，１４８号に開示されている。これらの針は、概して面外針よりも長い。二次元アレイの形成はウェハレベルで行うことができないため、より困難である。
【０００５】
我々のグループは、インストルメンタリウム（Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｒｉｕｍ）社の一部門であるデーテックス・オーメダ（Ｄａｔｅｘ−Ｏｈｍｅｄａ）と提携して、生体電位（バイオポテンシャル）測定のために好都合に用いられる中実のシリコンマイクロ針アレイについて報告した。２００１年３月１日発行のジャーナル・オブ・マイクロエレクトロメカニカルシステムズ（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）の第１０巻に記載されたグリス（Ｇｒｉｓｓ）らの記事を参照されたい。
【０００６】
これらのマイクロ針アレイの機械的強度が非常に高いことが、特に、アレイをテスト対象物の前頭部に用いた場合の脳の活動の測定中に観察された。また、有刺マイクロ針の機械的強度も、異なるタイプの材料に押し付けられた針アレイの取付け力を測定したときに観察された。商業的に用いられるマイクロマシニング（マイクロ機械加工）されたマイクロ針デバイスは破損率が非常に低いことが必要条件である。経皮的液体移送用に設計された中空のマイクロ針の場合、針は、生物組織に貫入して過酷な処置に耐えるように十分に頑丈でなければならない。単結晶シリコン製の面内マイクロ針をパリレンでコーティングすることにより破局故障が防止される。これにより、マイクロ針は、たとえシリコンコアが破損しても、貫入したゼラチン膜から引き抜かれることができる。二次元針アレイは、同一材料および同一寸法の単一針よりも、貫入中に剪断力が加えられたときに破壊しにくい。なぜなら、生物組織により生成される剪断応力が大量のマイクロ針の全体に分配されるからである。
【０００７】
（発明の開示）
先行技術の針の欠点を考慮して、本発明の目的は、経皮的流体投与に用いられ得る、マイクロマシニングされた構造物およびその作製方法を開発することである。針は、流体抵抗が低く高度の構造強さを有し、組織への薬剤露出の領域が大きく、また、閉塞の危険性が低いことが必要である。これらの事項を考慮し、針の頂部にではなく側方に開口部を有する新しいタイプの面外マイクロ針アレイを提供する。したがって、鋭利なマイクロ針尖端は組織に押し込まれるとき、組織片を打ち抜くのではなく組織を切開する。側方開口部の寸法はプロセスパラメータにより制御されることができる。側方開放型針の薬剤露出の面積は、針の液体チャネルの直径が同じである尖端開放型針と比較して、より大きい。
【０００８】
したがって、本発明は、頂部に穴を有するのではなくシャフトに側方開口部を有する新規の中空のウェハ面外マイクロ針を提供する。本発明に従うこのような針は請求項１０に定義されている。このタイプの針構造物は、経皮的マイクロ流体投与、例えばドラッグまたはワクチンデリバリに十分に適している。本発明に従うディープ反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）（ｄｅｅｐ  ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｉｏｎ  ｅｔｃｈｉｎｇ）プロセスは、二次元の、機械的に高耐久性の針アレイであって、液体流に対する抵抗が低く、かつ、流体と組織の間の露出領域が大きい針アレイの作製を可能にする。請求項１に記載されているように、本発明に従うプロセスは多くのウェハ処理を必要とせず、２つのフォトリソグラフィのステップが必要なだけである。３ｘ３ｍｍ２のチップを、典型的な用途、例えばワクチンデリバリに用いた場合、１００μｌ容量の水溶液が２秒間注入されて生じる圧力降下は２キロパスカル未満である。提示されている針の長さは約２１０μｍである。
【０００９】
本発明のさらなる適用範囲が、以下に示された詳細な説明から明らかになろう。しかし、本発明の精神および範囲における変更および修正が、この詳細な説明により当業者に明らかになるであろう。したがって、詳細な説明および特定の例が本発明の好ましい実施形態を示しても、それらが例として与えられているに過ぎないことが理解されよう。
【００１０】
本発明は、以下の詳細な説明および添付図面から十分に理解されるであろう。添付図面は例として示されているに過ぎず、したがって本発明を限定するものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、２つの異なるタイプの側方開放型マイクロ針アレイのウェハレベルでの形成プロセスと、流体流測定および人体皮膚への適用を可能にするパッケージへの組立とを示して論じる。次に、針アレイの機械的安定性について考察し、また、流体圧力特性を測定して論じる。
【００１２】
（実験例）
針の設計および作成
側方開放型マイクロ針は、以前に我々のグループが提示した３部分構成のＤＲＩＥ（ディープ反応性イオンエッチング）（Ｄｅｅｐ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）プロセス（上記のグリス（Ｇｒｉｓｓ）らによる記事を参照されたい）に基づいている。このプロセスにおいて、ＤＲＩＥを施された高アスペクト比のシリコン構造物の垂直な壁部が、等方性プラズマエッチング中に、図２ａ）に示されているように垂直に維持されることが観察された。さらに、二酸化シリコンマスクの下のアンダーエッチングを行い、次いで異方性エッチングを行うと、得られる構造物の断面がマスクに対応することが観察された（図２ｂ）参照）。これらの観察を、裏側からの高アスペクト比の垂直穴と組合せて、側方開放型面外マイクロ針の作製のための、ＤＲＩＥをベースとしたプロセスを確立した。プロセスの原理を示す簡略図が図２ｃ）に示されている。
【００１３】
側方開放型マイクロ針を製造するための詳細なプロセスの流れを図３に示す。管状（または、他の任意の適切な円柱状）の高アスペクト比の穴をウェハの裏側に、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）マスクを用いて、誘導結合プラズマエッチャー（ＩＣＰ）にてエッチングする（図３ａおよび３ｂ）。アスペクト比は、異方性エッチングはボッシュプロセス（Ｂｏｓｈ  ｐｒｏｃｅｓｓ）に基づいている。穴はチップの裏側と前側を連結する液体チャネルとして働く。二酸化シリコン薄膜で表面を覆うために湿式酸化を行った後、湿式（ウェット）リソグラフィを用いて二酸化シリコンの十字形状のマスクを、ウェハの前側に穴と位置合わせして設ける。穴の直径は十字の対角線よりも小さくてよいが、そうである必要はない（図３ｂ）。第１の等方性ＩＣＰステップにより二酸化シリコンフロントマスクの下がアンダーエッチングされ（図３ｃ）、次いで、異方性ＩＣＰステップが行われ、これにより、側方開口部を有さない十字形の面外構造物が形成される（図３ｄ）。次の等方性エッチングにより、構造物の断面積が側壁の角度を変えずに減少し、これにより、二酸化シリコン薄膜によりまだ閉じられている壁部に側方開口部が形成される（図３ｅ）。このエッチングは、また、十字形構造物の４つのピラー（柱）を鋭くし、各ピラーは頂部にナイフ状のエッジを有する。このステップはマスクの中央が完全にアンダーエッチングされる前に停止される。マスクを完全にアンダーエッチングするとマスクが落ちて側壁に付着するであろうから、構造物を破壊するであろう。側方開口部が針のベースから開始することが望ましければ、追加のプラズマエッチングは必要ない。マイクロ針が側方スリットを有さない部分を有することが望ましいならば、別の異方性プラズマエッチングを行うことができ、これにより、針ベースより上に側方穴が形成される。頂部のマスクは、最終湿式酸化およびその後の二酸化シリコンＨＦストリップにより除去されることができる（図３ｇまたは３ｈ）。酸化成長および除去もまた針の尖端を鋭くする。プロセスステップｃ〜ｅまたはｆのそれぞれがＩＣＰマシンの１回の作業で実行され、したがって、プロセス全体が複雑でなく、多くのウェハハンドリングを必要としない。比較的複雑な３次元マイクロ構造物の作製に必要なのは２つのフォトリソグラフィステップのみである。
【００１４】
本発明に従うプロセスの概括的定義は、支持体から突出するマイクロ針の製造方法である。前記針は、本体部と、閉じた尖端部と、前記支持体から前記突出針へと延在する内腔と、を含み、前記本体部は前記内腔と連通する側方開口部を有する。前記方法は以下のステップを含む。すなわち、エッチング可能な材料から構成された、前側（正面）および後側（裏面）を有するウェハを設け；前記ウェハにウェハの後側から止り穴を形成し；ウェハの前側にマスクを、前記マスクの垂直投影が前記穴の延長部分を少なくとも部分的に覆うように設け；第１の等方性エッチングを前記マスク下に行ってウェハ材料を除去し；ウェハに異方性エッチングを行って突出構造物を形成し；第２の等方性エッチングを前記突出構造物に行って止まり穴を露出させ；そして、最終的な異方性エッチングを選択的に行って、側方開口部を形成せずに針を伸張させる。これらのステップにおいて、穴の位置および寸法に対するマスクの位置および範囲は、前記側方開口部が前記第２等方性エッチング中に形成されるための位置および範囲である。
【００１５】
好ましくは、前記マスクと前記穴はほぼ同一の幾何学的形状を有するが、前記マスクは穴の断面積よりも大きく、穴の中央点とマスクの中央点は相対的に位置がずれている。
【００１６】
一実施形態において、前記マスクは穴の断面積よりも大きく、マスクの形状と穴の形状は互いに異なる。
【００１７】
別の実施形態において、マスクは穴よりも大きく、穴の中央点とマスクの中央点は一致する。あるいは、前記マスクは穴を少なくとも１つの領域にて覆う。好ましくは、前記止まり穴はエッチングにより形成される。
【００１８】
パッケージング／組立
流体抵抗の測定は、図４に示されているように、側方開放型マイクロ針アレイを含むチップを、流体チューブへの連結を可能にするキャリア上に組み付けることを必要とする。キャリアは黄銅（真鍮）でできており、慣用のマシニング方法を用いて製造される。３ｘ３ｍｍ２のチップをキャリアに紫外線硬化性エポキシ（Ｅｐｏｔｅｋ  ＯＧ１９８）により固定する。チップの正方形の形状およびキャリアの通し穴の円形の形状により、チップコーナーにある幾つかのマイクロ針が閉塞される。２１個のマイクロ針は閉塞されずにデバイスを通る流れをもたらす。
【００１９】
図５および６は、２つのタイプの側方開放型シリコンマイクロ針の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。図５では、側方開口部が針のベースのベース／支持面付近から延在し、図６では、マイクロ針はベース／支持体周囲面より上から延在する側方開口部を有し、すなわち、開口部が針ベースより上方から開始する。この特徴は、マイクロ針が皮膚に挿入されるときに液体の漏れを防止するために重要であろう。これらの両タイプの針を、同じマスクを用いて得ることができる。図７に示されているように、所与のマスクに関し、側方開口部の幅ｔおよび側方開口部の位置（すなわち、針先端からの距離ｓおよびベースより上の距離ｒ）はプロセスパラメータにより画定される。これが設計の自由度を増大し、また、特定の用途のために最適化されたマイクロ針の作製を可能にする。図８は、マスクを除去して頂部Ａを鋭利にする前の側方開放型マイクロ針を示す。二酸化シリコンから成る膜が、まだ側方開口部を覆っている。
【００２０】
ここで、図７ａ）およびｂ）の実施形態をより詳細に記載する。
【００２１】
既に記載したように、マイクロ針は、支持面から垂直に延在する突出構造物を含み、前記突出構造物はエッチング作業により形成される。図７ａ）に示されている実施形態はほぼ十字形であり、すなわち、異なる方向に直角に延在する４つのウィングを有する。十字形構造物の支持面すなわちベース面（図７ａには示されず）付近は等方性プラズマなどに暴露されていないため、比較的厚い。十字形構造物の上部ではウィングの各々がこのような等方性プラズマエッジに暴露されており、ウィングがより薄く楔状にされ、ウィングの各々は上向きの鋭利なエッジを有する。前記ウィングのエッジは尖端へと集束されている。尖端と鋭利なエッジが協働して、優れた貫通能力を有する構造物をもたらす。これは、図１０に示されているように、アルミニウムフォイルによる実験で証明されている。
【００２２】
側方開口部は、針の内部キャビティ（中央穴または内腔）に等方性エッチングの最前部が、他の点に到達する前に所定の点に到達することにより形成される。
【００２３】
すなわち、ウィングにより形成された角部にてエッチング最前部が内部キャビティに接触するが、これは、エッチング最前部がウィング自体に接触するよりもかなり前である。このように、開口部は、ウィング同士が交差するまさに「隅部」にて形成され始める。当業者に明らかであるように、開口部の寸法および位置は、エッチングパラメータ、例えば、速度、時間などにより完全に制御されることができる。図７ａ）の実施形態におけるより厚い底部は、構造物を開口部の形成後に異方性エッチングに暴露させることにより形成される。
【００２４】
図７ｂ）に、マイクロ針の別の実施形態を示す。この実施形態は図７ａ）の実施形態と同一のマスク形状に基づいているが開口部の寸法が異なる。すなわち、開口部の長手方向の範囲がより大きい。これは、開口部を生じるための、構造物の等方性エッチングへの暴露時間をより長くし、かつ、図７ａ）に見られるようなより厚い底部を形成するための最終異方性エッチングは行わないことにより達成された。
【００２５】
図７ａ）およびｂ）の実施形態のために必要なマスクワークは、十字形の針マスクと、穴を形成するための円形マスクである。
【００２６】
しかし、面外側方開放型マイクロ針のための他の設計を幾つか考えることができる。円形の針マスクと十字形の穴マスクを用いると、図１１ｂ）に示されているような、４つの側方穴を有する管状針がつくられる。また、２つの偏心円形マスクを用いると、図１１ａ）に例示されているように、単一の側方開口部を特徴とする管状針がつくられる。図１２および１３は、マスクと穴の形状のその他の組合せを示すが、これらの例が全てではない。図１２および１３において、点線で示されているのが穴の形状であり、その上に記されているのがマスクの幾何学的形状である。多数の他の幾何学的形状が可能であり、それらは全て特許請求の範囲内にある。このような変型例は、この開示が読まれて理解されたならば、さらなる発明的行為をせずに実行されることができる。
【００２７】
概略的に述べると、本発明に従うマイクロ針は支持部材から突出する。針は、針本体部と、閉じた尖端部と、前記支持部材から前記突出針に延在する内腔と、を含む。針本体部は、前記内腔と連通する少なくとも１つの側方開口部を有する。好ましくは、前記側方開口部は前記尖端部より下の或る点から前記支持体に向って延在する。あるいは、側方開口部は、前記尖端部より下の或る点から前記支持部材より上の或る点まで延在する。さらなる実施形態において、前記側方開口部は、前記尖端部より下の或る点から前記支持部材に至るまで延在する。
【００２８】
本発明の現在好ましい実施形態において、マイクロ針は複数のウィングを有するほぼ十字形状を有し、前記側方開口部は、前記ウィングが互いに連結している十字の角部に配置されている。
【００２９】
変型例において、内腔は前記針本体部に対して偏心している。本体部と前記内腔はほぼ同じ幾何学的形状を有することができるが、このような場合、内腔の断面は本体部の断面よりも小さい。前記幾何学的形状は、円形、矩形、三角形、もしくは多角形、または、本発明の目的を満たす他の任意の好適な形状のいずれでもよい。
【００３０】
本発明の使用において、液体を患者の皮膚を通して経皮的に配送するための装置が設けられ、この装置は支持部材上に設けられた本発明に従うマイクロ針アレイを含む。液体貯蔵容器が前記マイクロ針アレイに連結可能であり、前記液体を前記貯蔵容器から前記マイクロ針アレイに供給するために、例えばワクチンの投与のためにポンプが設けられる。装置は、また、皮膚からの液体の採取（サンプリング）に適している。このような場合、ポンプは、液体のサンプル、例えば血液を患者の皮膚を通して吸引するように適合されている。
【００３１】
本発明のマイクロ針をさらに定義すると、針構造物の外囲面（外側面）は針構造物内の内腔の外囲面と、少なくとも１つの画定された領域において交差する。
【００３２】
本出願において、用語「外囲面」は、開口部などの例外を除いた構造物を包囲する面を意味するものとする。したがって、図７ａ）の実施形態の最終的針構造物の外囲面は十字形状物を完全に包囲する面であり、開口を有さない。同様に、図７ａ）の実施形態の最終的針構造物の内腔の外囲面は、針のもとの円柱状キャビティに対応し、かつこれを画成する面である。
【００３３】
重量流量測定により、図９に示されている圧力流量特性が示された。示された特性はマイクロ針アレイ（２１針）の特性であり、単一の針の特性ではない。流動特性の理論計算値が同じ図に示されており、円管内のポアズイユ流の粘性剪断力および慣性効果を考慮に入れている［１７，３］。チャネルを横切る全圧力降下Δｐは、層流摩擦（ポアズイユ）による圧力降下ΔｐＲと、液体を加速するのに必要な圧力降下ΔｐＢの合計である。管状液体チャネルに関し、これは［１７］に従って計算される。
【数１】
2004538106.tif 000003
【００３４】
式中、ηは液体の粘性、Φは圧力降下Δｐを発生する流れ（流量）、ρは液体の濃度、Ｒはチャネルの半径、Ｌはチャネルの長さである。ＣＢは係数であり、この場合、１．２である。
【００３５】
典型的な経皮投与、例えばワクチンデリバリにおいて、１００μｌ容量の水溶液を２１個の側方開放型マイクロ針を含むチップを通して２秒間注入すると２ｋＰａ（キロパスカル）未満の圧力降下が生じる。マイクロ針の数（すなわち、単位面積あたりのマイクロ針の数）を増すことにより流体抵抗をさらに減少させることができる。主に異方性エッチングがマイクロ針の長さを画定するため、マスクは、得られるマイクロ針よりもわずかに大きいだけであるから非常に高い密度が得られる。したがって、皮膚の固有の透過能力により許容される最大針密度を、技術により制限されることなく得ることができる。
【００３６】
水溶液がチップの裏側に、前側と後側の圧力差を加えずに配置されると、液体はチップベース内のチャネルに毛管力により吸引される。液体メニスカスが側方開口部に、前側を濡らさずに停止する。このバリアを破るための圧力は約１キロパスカルと測定された。
【００３７】
図１０は、得られたマイクロ針の機械的安定性を具体的に示す。１０μｍの厚さのアルミニウムフォイルが、側方開口部を有するマイクロ針により、破損を生じずに貫通されている。この図において、側方開口部はマイクロ針のベースにて開始している。このタイプの針は、理論上、側方開口部が針ベースよりも上から開始するタイプよりも壊れやすい。示された構造物が図５に示した構造物と異なり、鋭い頂部をもたらすための十分に長い時間酸化されていないことに留意されたい。組み立てられた側方開放型マイクロ針は、壊れずに繰り返し人体の皮膚に押し込まれ、また、引き出されることができる。
【００３８】
このように、本発明は、開口部を頂部尖端にではなくシャフトに有する中空の面外マイクロ針のアレイを作製するための新しい技術を提供する。所与の特定のマスク設計に関し、側方開口部の寸法および位置はプロセスパラメータにより画定され、したがって、特定のマスク設計自体によっては画定されない。
【００３９】
このような針により、新しい経皮的液体輸送の機械が与えられる。パッケージング（一括）された側方開放型針アレイの測定された流体抵抗は低い（また、必要であれば、針密度を増すことによりさらに減少することができる）。針アレイの機械的強度は高い。後の皮膚への貫入および皮膚からの除去により針が破壊することはない。機械的強度は、アルミニウムを貫通する能力によっても示されている。潜在的に、示された構造物は、先端開放型針よりも閉塞し難く、側方開口部の寸法がより大きいことにより、液体を皮膚に露出させる面積をより大きくすることができる。
【００４０】
本発明について記載してきたが、本発明を様々に変更し得ることは明らかであろう。このような変更は、本発明の精神および範囲から逸脱しないものとみなされ、また、このような変更の全てが特許請求の範囲内に含まれることが当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、側方開放型面外マイクロ針の概念を、先端開放型のマイクロ針と比較して示す。
【図２】図２ａは、ＤＲＩＥを施された高アスペクト比のシリコン構造物の垂直壁部が等方性プラズマエッチング中にどのように垂直状態を保つかを示し、図２ｂは、二酸化シリコンマスクの下にアンダーエッチングを施し、次いで異方性エッチングを施した場合に得られる構造物の、マスクに対応する部分を示し、図２ｃは、高アスペクト比の構造物に（ＤＲＩＥ技術を用いて）側方開口部を生じる基本的な加工原理を示す。
【図３】図３ａ〜ｈは、プロセスの流れを示す、針の上面図、および、線Ａ−Ａに沿った断面図である（詳細は本文を参照）。
【図４】図４は、流体圧力測定に用いられる組立体の写真である。
【図５】図５ａ〜ｂは、側方開放型マイクロ針の走査電子顕微鏡画像であり、穴が針のベースから開始し、構造物の長さは２１０μｍである。
【図６】図６ａ〜ｂは、側方開放型マイクロ針の走査電子顕微鏡画像であり、穴が針のベースより約５０μｍ上から開始し、構造物の長さは２１０μｍである。
【図７】図７は、本発明により提供されるマイクロ針の図であり、側方開口部の位置がプロセスパラメータにより画定され、ａ）所与の穴および針マスクに関して側方開口部の幅ｔおよび側方開口部の位置（すなわち、針先端からの距離ｓおよびベースから上方への距離ｒ）はプロセスパラメータにより画定され、ｂ）側方開口部が針のベースから開始するのが望ましい場合、ｒの値をゼロにすることができる。
【図８】図８は、側方開放型マイクロ針の、二酸化シリコンを前側マスクから除去する前の走査電子顕微鏡画像であり、側方開口部が配置される位置に二酸化シリコンが見えており、まだ除去されていない。
【図９】図９は、水流により生じるチップの圧力降下の測定値および計算値を示すグラフである。
【図１０】図１０は、側方開放型マイクロ針を１０μｍ厚さのアルミニウムフォイルに貫入した状態を示す図であり、針が損傷されていないことに留意されたい。
【図１１】図１１は、示されたプロセスを用いて製造されることができる２つの側方開放型マイクロ針の図であり、ａ）は単一の側方開口部を有し、ｂ）は４つの側方開口部を有し、これらの２つのマイクロ針の主な違いはマイクロ針内にチャネルを画成する穴マスクである。
【図１２】図１２は、異なるマスク／穴の形状の概略図である。
【図１３】図１３は、さらなる別のマスク／穴の形状の概略図である。
【図１】
2004538106.tif 000004
【図２】
2004538106.tif 000005
【図４】
2004538106.tif 000006
【図７】
2004538106.tif 000007
【図８】
2004538106.tif 000008
【図９】
2004538106.tif 000009
【図１１】
2004538106.tif 000010
【国際公開パンフレット】
2004538106.tif 000011
2004538106.tif 000012
2004538106.tif 000013
2004538106.tif 000014
2004538106.tif 000015
2004538106.tif 000016
2004538106.tif 000017
2004538106.tif 000018
2004538106.tif 000019
2004538106.tif 000020
2004538106.tif 000021
2004538106.tif 000022
2004538106.tif 000023
2004538106.tif 000024
2004538106.tif 000025
2004538106.tif 000026
2004538106.tif 000027
2004538106.tif 000028
2004538106.tif 000029
2004538106.tif 000030
2004538106.tif 000031
2004538106.tif 000032
2004538106.tif 000033
2004538106.tif 000034
2004538106.tif 000035
2004538106.tif 000036
2004538106.tif 000037
2004538106.tif 000038
2004538106.tif 000039
2004538106.tif 000040
2004538106.tif 000041
2004538106.tif 000042
2004538106.tif 000043
【手続補正書】
【提出日】平成15年8月4日(2003.8.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体から突出するマイクロ針の製造方法であって、前記針が、本体部と、閉じた尖端部と、前記支持体を通って前記突出針に延在する内腔と、を含み、前記本体部が、前記内腔と連通する側方開口部を有し、前記方法が、
エッチング可能な材料から構成され、かつ前側および後側を有するウェハを設けるステップと、
前記ウェハに止り穴をウェハの後側からつくるステップと、
ウェハの前側にマスクを、前記マスクの垂直投影が少なくとも部分的に前記穴の範囲を覆うように設けるステップと、
第１の等方性エッチングを前記マスク下に施してウェハ材料を除去するステップと、
異方性エッチングをウェハに施して突出構造物を形成するステップと、
第２の等方性エッチングを前記突出構造物に選択的に施して止り穴を露出させるステップと、を含み、
穴の位置および寸法に対するマスクの位置および範囲が、前記異方性エッチングまたは前記第２等方性エッチング中に前記側方開口部が形成される位置および範囲である方法。
【請求項２】
側方開口部は形成せずに針を延長するために最終的な異方性エッチングを行うことを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記マスクと前記穴がほぼ同じ幾何学的形状を有し、前記マスクが穴の断面よりも大きく、穴の中央点とマスクの中央点は互いに対して位置がずれている請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記マスクが穴の断面よりも大きく、マスクの形状と穴の形状が互いに異なる請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
前記マスクが穴よりも大きく、穴の中央点とマスクの中央点とが一致する請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記マスクが少なくとも１つの領域において穴に重なる請求項１または２に記載の方法。
【請求項７】
前記止り穴がエッチングにより形成される請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記止り穴が高いアスペクト比を有する請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
マスクの形状および穴の断面が、それぞれ、円形、矩形、三角形または多角形のいずれかである請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
支持部材から突出するマイクロ針であって、前記針が、針本体部と、先端部の前記内空を閉鎖する閉じた尖端部と、前記支持部材を通って前記突出針へと延在する円柱状の内腔と、を含み、前記針本体部が、前記内腔と連通する少なくとも１つの側方開口部を有し、前記本体に少なくとも１つの側方開口部を作るように、針構造物の外側の外囲面が少なくとも一つの決められた領域における針構造物の範囲内で円柱状の内腔の外囲面と交差するマイクロ針。
【請求項１１】
前記側方開口部が、前記尖端部より下の或る点から前記支持部材に向って延在する請求項１０に記載のマイクロ針。
【請求項１２】
前記側方開口部が、前記尖端部より下の或る点から前記支持部材より上の或る点まで延在する請求項１０に記載のマイクロ針。
【請求項１３】
前記側方開口部が、前記尖端部より下の或る点から前記支持部材に至るまで延在する請求項１０に記載のマイクロ針。
【請求項１４】
前記マイクロ針の断面が、複数のウィングを有するほぼ十字形状を有し、前記側方開口部が、前記ウィングが互いに連結されている十字形の角部に配置された請求項１０に記載のマイクロ針。
【請求項１５】
前記内腔が前記針本体部に対して偏心している請求項１０に記載のマイクロ針。
【請求項１６】
前記本体部と前記内腔が互いにほぼ同じ幾何学的形状を有するが、前記内腔の断面が本体部の断面よりも小さい請求項１５に記載のマイクロ針。
【請求項１７】
前記幾何学的形状が、円形、矩形、三角形または多角形である請求項１６に記載のマイクロ針。
【請求項１８】
前記内腔が前記針本体部に対して同心である請求項１０に記載のマイクロ針。
【請求項１９】
前記内腔と前記針本体部とが異なる幾何学的形状を有する請求項１８に記載のマイクロ針。
【請求項２０】
支持部材上に設けられた請求項１０に記載のマイクロ針アレイと、前記マイクロ針アレイに連結可能な液体貯蔵容器と、液体を、針を通して患者の皮膚を横切って輸送するためのポンプと、を含む経皮的液体輸送装置。
【請求項２１】
ポンプが、前記液体を前記液体貯蔵容器から前記マイクロ針アレイに供給するように適合されている請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
ポンプが、皮膚を横切ってサンプル液を吸引するように適合されている請求項２０に記載の装置。
【国際調査報告】
2004538106.tif 000044
2004538106.tif 000045
2004538106.tif 000046