CN116507322A - 用于递送亲水活性分子的微单元系统 - Google Patents

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Abstract

一种亲水活性分子递送系统，由此可以按需释放活性分子和/或可以从同一系统递送多种不同的活性分子和/或可以从同一系统递送不同浓度的活性分子。所述系统可用于递送/释放彼此不相容的亲水活性分子。

Description

用于递送亲水活性分子的微单元系统
相关申请
本申请要求于2020年10月29日提交的第63/107,150号美国临时专利申请的优先权。本文引用的任何专利、已公布的申请或其他已公布作品的全部内容均通过引用并入。
背景
亲水活性分子，诸如维生素、抗生素(例如青霉素)和某些化合物的盐，经常稳定在用于使用经皮系统递送的基体或凝胶中。基体和凝胶需要大量的非活性材料(例如，纤维素、环糊精、聚环氧乙烷)，并且可以被捕获到基体中和从基体中释放的亲水活性分子的量可能是有限的。另外，活性分子可能在储存期间在基体内结晶，限制递送系统的保质期。由于这些限制，可以用“标准”量的基体或凝胶递送的亲水活性分子的量可能不足以用于所有患者。因此，如果需要“高”剂量，医生将指导患者放置多个含基体的经皮贴剂，或指导患者在一天内多次施加凝胶。期望一种允许这些活性分子的浓度的更多可变性以及对释放曲线的更精确控制的系统。此外，在递送活性分子组合的情况下，不同的活性分子可能彼此不相容，并且如果它们在另一种存在下超过一定时间段，它们中的一种或两种可能降解。期望一种可以递送这种不相容的活性分子的系统。
概述
本发明通过提供活性分子递送系统解决这些需求，由此可以制备在简单的水性制剂中的亲水活性分子，然后递送到期望位置。此外，本发明的系统允许从同一递送系统递送不同类型和/或浓度和/或体积的亲水活性分子。
一方面，本发明是一种活性分子递送系统，其包括微单元层，该微单元层包括：多个第一类型的微单元，其填充有包含第一亲水活性分子的第一水性制剂；多个第二类型的微单元，其填充有包含第二亲水活性分子的第二水性制剂，其中第一活性分子和第二活性分子是不同的；多个第三类型的微单元，其不含任何包含亲水活性分子的制剂。多个第三类型的微单元可以不包含水性制剂。在一个实施方案中，第一、第二和第三类型的微单元中的每个微单元包括壁和开口。微单元可以是方形的、圆形的或多边形的，诸如蜂窝结构。第一和第二类型的微单元中的每个微单元包括跨越开口的疏水密封层。第一类型的微单元中的至少一个微单元在微单元层中不具有任何相邻的第二类型的微单元的微单元。疏水密封层可由多种材料诸如聚异丁烯、聚乙烯、聚氨酯、聚己内酯或聚硅氧烷构成。在一些实施方案中，疏水密封层被多孔扩散层跨越。多孔扩散层可由多种材料诸如丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚乙烯醇、纤维素、聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAAm)、聚(乳酸-共-乙醇酸)(PLGA)、聚偏二氯乙烯、丙烯腈、无定形尼龙、取向聚酯、对苯二甲酸酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚异丁烯或聚苯乙烯构成。一般，每个微单元具有大于100nL的体积。在一些实施方案中，多孔扩散层具有0.1nm至100nm的平均孔尺寸。亲水活性分子可以是任何可溶于或部分溶于水的活性分子，包括药物化合物、芳香化合物(例如香料)、核酸(例如DNA、RNA)或氨基酸(例如蛋白质，例如，疫苗、抗体或酶)。活性分子递送系统可包括第一类型的微单元的微单元，其填充有第一浓度的第一亲水活性分子的第一水性制剂，和第一类型的微单元的其他微单元，其填充有第二浓度的第一亲水活性分子的第一水性制剂，其中第一浓度和第二浓度不同。在另一个实施方案中，该系统可包括第一类型的微单元的微单元，其包含第一体积的第一亲水活性分子的第一水性制剂，和第一类型的微单元的其他微单元，其包含第二体积的第一亲水活性分子的第一水性制剂，其中第一体积和第二体积是不同的。
在一个实施方案中，每个第一类型微单元在微单元层中不具有任何相邻的第二类型的微单元。在另一个实施方案中，多个第三类型的微单元不包括跨越开口的密封层。第一和第二类型的微单元中的每一个还可以包括与亲水密封层相邻的粘合剂层。粘合剂层可以是生物相容的。在另一个实施方案中，多个第一类型的微单元还包括位于疏水密封层和粘合剂层之间的第一多孔扩散层，并且多个第二类型的微单元还包括位于疏水密封层和粘合剂层之间的第二多孔扩散层。第一多孔扩散层的平均孔尺寸可大于第二多孔扩散层的平均孔尺寸。
在另一个方面，本发明是一种活性分子递送系统，其包括微单元层，该微单元层包括：多个第一类型的微单元，其填充有包含第一亲水活性分子的第一水性制剂；多个第三类型的微单元，其填充有不含任何活性分子的第三水性制剂。第一和第三类型的每个微单元包括壁和开口，并且第一和第三类型的每个微单元包括跨越开口的疏水密封层。活性分子递送系统包括一个或多个第一类型的微单元的段，其中第一类型的微单元的每个段只包括仅第一类型的微单元的微单元，并且其中与第一类型的微单元的段的任何其它微单元相邻的第一类型的微单元的所有微单元是同一段的成员，并且其中第一类型的微单元的至少一个段的外围被第三类型的微单元的微单元包围。活性分子递送系统可进一步包括多个第二类型的微单元，其填充有包含第二亲水活性分子的第二水性制剂，其中第一亲水活性分子和第二亲水活性分子是不同的。第二类型的微单元中的每个微单元包括壁和开口。第二类型的每个微单元包括跨越开口的疏水密封层。所述活性分子递送系统可以包括一个或多个第二类型的微单元的段，其中第二类型的微单元的每个段只包括仅第二类型的微单元的微单元，并且与第二类型的微单元的段的任何其它微单元相邻的第二类型的微单元的所有微单元是同一段的成员，并且其中第二类型的微单元的至少一个段的外围被第三类型的微单元的微单元包围。每个第一类型的微单元在微单元层中不具有任何相邻的第二类型的微单元。多个第一、第二和第三类型的微单元还可包括与疏水密封层相邻的多孔扩散层。在一些实施方案中，第一和第二水性制剂将包含另外的组分，诸如增稠剂、着色剂、佐剂、维生素、盐或缓冲剂。水性制剂还可包含电荷控制剂、表面活性剂和防腐剂。
活性分子递送系统可用于活性分子的经皮递送或用于在任何其他位置递送活性分子。
附图简述
图1示出包括多个第一、第二和第三类型的微单元的亲水活性分子递送系统的实例。第一和第二类型的微单元包含含有亲水活性分子的水性制剂。第一和第二类型的微单元的微单元用疏水密封层密封，并且系统还包括粘合剂层。
图2A示出包括第一、第二和第三类型的微单元的活性分子递送系统的实例。第一和第二类型的微单元包括疏水密封层。第一类型的微单元包含第一活性分子，第二类型的微单元包含第二活性分子。
图2B示出从顶部看具有第一、第二和第三类型的微单元的活性分子递送系统的实例。
图2C示出活性分子递送系统的实例，其包括被多个第三类型的微单元隔开的多个第一类型的微单元和多个第二类型的微单元；第一和第二类型的微单元包括疏水密封层和多孔扩散层。在图2C的实例中，第一类型的微单元和第二类型的微单元在多孔扩散层中包括不同的孔隙率，因此具有不同的递送曲线。不同的递送曲线可以通过(a)具有不同的平均孔径和/或(b)不同类型的微单元中不同的多孔扩散层厚度实现。此外，不同的聚合物可以用于制造不同类型的微单元的多孔扩散层。
图3示出从顶部看具有多个第一和第三类型的微单元的活性分子递送系统的实例。
图4显示用于使用辊对辊方法制造用于本发明的微单元的方法。
图5A和5B详述通过涂有热固性前体的导体膜的光掩模使用光刻曝光来制造用于活性分子递送系统的微单元。
图5C和5D详述供选择的实施方案，其中使用光刻法制造用于活性分子递送系统的微单元。在图5C和5D中，使用顶部和底部曝光的组合，允许通过顶部光掩模曝光固化一个横向方向的壁，并且通过不透明的基底导体膜底部曝光固化另一横向方向的壁。
图6A-6D示出填充和密封微单元阵列以用于活性分子递送系统的步骤。
图7是填充有用蓝色食用色素染色的水性制剂的微单元层的显微图像。孔用包含聚异丁烯的疏水密封层密封。
图8显示聚异丁烯密封层和由丙烯酸/甲基丙烯酸共聚物(Evonik，Essen，DE)形成的多孔扩散层的显微图像。
图9示出用于使用Frenz池测定本发明的活性分子递送系统的经皮递送曲线的实验装置。
图10显示本发明的活性分子递送系统的实例的活性分子递送曲线。
描述
本发明提供一种亲水活性分子递送系统，由此可以按需释放活性分子和/或可以从同一系统递送多种不同的活性分子和/或可以从同一系统递送不同浓度的活性分子。本发明非常适合将亲水药物经皮递送给患者。然而，本发明通常可用于在表面或空间内递送亲水活性分子。例如，本发明可用于递送需要保存在水性缓冲环境中的较大分子，诸如酶或抗体。活性分子递送系统包括多个微单元，其中微单元填充有包含亲水活性分子的介质。微单元包括开口，疏水密封层跨越该开口。密封层可以用多孔扩散层包覆。
除了诸如药物化合物的经皮递送更常规的施加之外，活性分子递送系统可能是递送农业养分的基础。例如，微单元阵列可以制成大片，该片可以与水培生长系统结合使用，或者微单元阵列可以集成到水凝胶膜农业中。参见，例如，Mebiol，Inc.(Kanagawa，Japan)。活性分子递送系统也可以结合到智能包装的结构壁中。这种递送系统可以将抗氧化剂长期释放到包含新鲜蔬菜的包装中。该“智能”包装将显著改善某些食品的保质期，并且在打开包装前只需要保持新鲜所需的抗氧化剂量。因此，相同的包装可用于在当地、全国或全球销售的食品。活性分子递送系统还可以经由膜在许多其他用途中递送活性分子，诸如芳香材料(空气护理)、表面抗微生物化合物等。
术语“活性分子”包括药物、化妆品、芳香剂、抗微生物剂、抗氧化剂和其它有益剂。它还包括增强或激活有益剂的益处的分子。
术语“第一类型的微单元的段”是指仅包含第一类型的微单元的微单元的一组微单元；并且与第一类型的微单元的段的任何其他微单元相邻的第一类型的微单元的所有微单元是同一段的成员。类似地，定义了术语“第二类型的微单元的段”、“第三类型的微单元的段”等。即，段是占据一个区域的第A类型的微单元的微单元的一组，其中该区域内的所有微单元都是同一(A)类型的微单元，并且不存在与该段的任一微单元相邻、属于A类、不是该段的一部分的微单元。
术语“相邻的微单元”是指共享壁的活性分子递送系统的微单元。即，相邻的微单元是彼此紧邻的微单元。
术语“多孔扩散层”包括平均孔隙为0.1nm至100μm的任何膜。
与微单元(或多个微单元)相关的术语“填充的”是指制剂存在于微单元(或多个微单元)中。这并不一定意指微单元的整个体积都被制剂占据。换言之，关于微单元(或多个微单元)的术语“填充的”包括部分填充的微单元(或多个微单元)以及完全“填充的”微单元(或多个微单元)的概念。类似地，填充微单元(或多个微单元)意指将制剂添加到微单元(或多个微单元)中。这并不一定意指将足够量的制剂添加到微单元中以占据其整个体积。
本发明还提供一种用于在一段时间内简单且低成本地递送活性分子组合的系统。这种递送系统可以用作，例如，用于经历过敏反应的人的紧急递送系统。该系统可能包括肾上腺素以及抗组胺药。可以施加该装置然后触发以使活性分子快速穿过皮肤。该系统作为在野外旅行等时可能暴露于威胁生命的过敏原的小孩的备用系统可能特别有效。父母可以将该递送系统附在儿童身上，并在例如蜜蜂蜇伤的情况下指示激活该装置。因为该装置相对简单，所以与适当的递送协议的顺应性将大于例如肾上腺素笔。
在一个实施方案中，活性分子递送系统包括第一、第二和第三类型的微单元，其中多个第一类型的微单元填充有包含第一亲水活性分子的第一水性制剂，多个第二类型的微单元填充有包含第二亲水活性分子的第二水性制剂，多个第三类型的微单元不包含任何包含活性分子的制剂，并且其中每个第一类型的微单元在微单元层中不具有任何相邻的第二类型的微单元。
图1显示亲水活性分子递送系统的概况。该系统包括多个第一类型的微单元11A、多个第二类型的微单元11B和多个第三类型的微单元11C。第一和第二类型的每个微单元包含水性介质(也称为内相)，该水性介质包含亲水活性分子。第一和第二类型的每个微单元包括壁14和开口，该开口用疏水密封层15密封。疏水密封层可以由例如聚异丁烯、聚乙烯、聚氨酯、聚己内酯或聚硅氧烷构成。递送系统另外包括粘合剂层16，其可包括例如聚异丁烯、丙烯酸、聚(乙)二醇或硅酮。第一类型的微单元11A和第二类型的微单元11B被第三类型的微单元11C隔开，第三类型的微单元不含任何活性分子制剂。如图1所示，第三类型的微单元11C的开口不包括密封层。密封组合物的材料已经沉积在微单元的与微单元11C的开口相对的一侧上。在第一和第二类型的微单元的情况下，将密封组合物施加到填充有包含亲水活性分子的水性制剂的微单元上。因此，如图1所示，密封组合物形成在每个单独的微单元的开口上(或在其上方作为公共密封膜)。在第三类型的微单元的空微单元的情况下，所施加的密封组合物沉积在微单元的与开口侧相对的一侧上。微单元11A和11B的活性分子通过密封层15和粘合剂层16从活性分子递送系统递送。活性分子的释放方向17在图1中由箭头示出。
如图2A所示，第一微单元11a可包含含有第一亲水活性分子的第一水性制剂12a，而第二微单元11b包含含有第二亲水活性分子的第二水性制剂12b，而第三微单元11c位于微单元11a和11b之间，并且它不包含任何活性分子制剂。每个微单元都是由聚合物基体形成的阵列的一部分，这在下面有更详细的描述。活性分子递送系统将一般包括背衬屏障13以提供结构支撑和防止分子进入和物理相互作用的保护。微单元由至少1μm高的壁14限定，尽管它们可以高得多，这取决于微单元的期望深度。微单元可以排列成方形、蜂窝状、圆形等。微单元11a和11b包括多孔密封层15。微单元经常另外包括对活性分子也是多孔的粘合剂层16。粘合剂层16有助于保持活性分子递送系统与表面相邻。如上所述，第三类型的微单元11c的密封组合物沉积在与开口侧相对的表面上。
图2B示出从上方观察的与图2A类似的微单元系统。多个第一类型的微单元与多个第二类型的微单元被多个第三类型的微单元隔开，第三类型的微单元不含任何活性分子制剂。
递送系统还可包括多孔扩散层，其可由多种天然或非天然聚合物诸如丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚乙烯醇、纤维素、聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAAm)、聚(乳酸-共-乙醇酸)(PLGA)、聚偏二氯乙烯、丙烯腈、无定形尼龙、取向聚酯、对苯二甲酸酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚异丁烯或聚苯乙烯构成。使用具有喷墨或其他流体系统的皮升注射，可以填充单个微单元，以使多种不同的活性分子能够被包含在活性分子递送系统中。
图2C显示亲水活性分子递送系统的另一个实施方案，其中扩散层的孔隙率对于不同的微单元是不同的。这可以通过使用不同的聚合物材料和显微注射，例如，在密封过程中使用喷墨(如下所述)来实现。这种系统允许单一递送系统在一段时间内给予不同浓度的相同或不同活性分子。例如，本发明的系统可包括三种微单元37、38、39。微单元38不含任何活性分子制剂，而微单元37和39包含两种不同浓度的叶酸。然而，剂量时间将由扩散层的孔隙率控制。例如，在施加后不久，最高浓度的剂量可经由最多孔的扩散层34经由微单元37递送，随后经由第二扩散层35从微单元39递送较低浓度的剂量。如上所述，密封组合物和形成多孔扩散层34a的组合物沉积在微单元34a中的开口侧的相对侧，微单元34a是第三类型的微单元的微单元。图2C显示活性分子递送系统的实例，其中第一和第二类型的微单元37和39的密封层15位于微单元开口表面的下方，即微单元内部。与密封层相邻的多孔扩散层34和35也可以位于微单元开口表面的下方，即位于微单元内部。然而，在本发明的不同的活性分子递送系统中，密封层和多孔扩散层可以作为公共的膜在微单元的开口表面上方，即在微单元的外部。在另一个实例中，活性分子递送系统可以包括第一和第二类型的微单元，其中密封层在微单元内部并且多孔扩散层在微单元外部。此外，任选地存在粘合剂层16。
第一类型的微单元可以作为第一类型的微单元的一个段存在于系统中。第二类型的微单元也可以作为第二类型的微单元的一个段存在于系统中。第一类型的微单元的段可以通过第三类型的微单元的段与第二类型的微单元的段隔开。在本发明的其他实施方案中，第一类型的微单元在系统中作为两个、三个或更多个段出现，第二类型的微单元在系统中也作为两个、三个或更多个段出现，并且每个第一类型的微单元不具有任何相邻的第二类型的微单元的微单元。每个第一类型的微单元可以通过第三类型的微单元中的至少一个微单元与第二类型的微单元的任何微单元隔开。供选择地，每个第一类型的微单元可以通过第三类型的微单元中的至少两个、三个、四个、五个或更多个微单元与第二类型的微单元的任何微单元隔开。
活性分子的多种组合是可能的，并且不同的微单元可能包含亲水药物、亲水保健品、亲水佐剂、亲水维生素或疫苗。此外，微单元的排列可能不是分布式的。相反，微单元可以簇状填充，这使得填充和密封更加直接。在其他实施方案中，较小的微单元阵列可以填充有相同的介质，即具有相同浓度的相同活性分子，然后较小的阵列组装成较大的阵列以制造本发明的递送系统。在其他实施方案中，不同的孔隙率可以与微单元的不同内容物一起使用。例如，一个微单元可能包含酶溶液，并需要孔隙大到足以让酶通过的多孔扩散层，而相邻的微单元可能包含底物以激活酶，但需要具有小得多的孔的多孔扩散层以调节底物的递送。
在另一个实施方案中，活性分子递送系统包括第一类型的微单元和第三类型的微单元。第一类型的微单元填充有包含第一亲水活性分子的第一水性制剂。第三类型的微单元填充有不含任何活性分子的第三水性制剂。活性分子递送系统可以包含两个、三个或更多个第一类型的微单元的段和两个、三个或更多个第三类型的微单元的段。第一类型的微单元的至少一个段被第三类型的微单元的微单元包围。这种系统的示例在图3中示出，其显示具有两段第一类型的微单元的活性分子递送系统，两段都被第三类型的微单元的微单元包围。图3显示具有一段第三类型的微单元的系统。该活性分子递送系统可用于提供受控剂量的活性分子用于经皮递送。例如，如果存在于第一类型的微单元中的活性分子是刺激物，则将第一类型的微单元与不含活性分子的第三类型的微单元的微单元分离减轻刺激。
该实施方案的活性分子递送系统，其中第三类型的微单元包含不具有活性分子的制剂，除第一和第三类型的微单元外，还可以包括填充有包含第二亲水活性分子的第二水性制剂的第二类型的微单元。活性分子递送系统可以包括第二类型的微单元的两个、三个或更多个段和第三类型的微单元的一个、两个、三个或更多个段。第一类型的微单元的至少一个段被第三类型的微单元的微单元包围。活性分子递送系统的微单元层中，每个第一类型的微单元都不具有任何相邻的第二类型的微单元。
在该实施方案中，第一、第二和第三类型的微单元包括开口和跨越开口的疏水密封层。第一、第二和第三类型的微单元还可以分别包括与密封层相邻的第一、第二和第三多孔扩散层。第一、第二和第三类型的微单元还可以包括与密封层相邻或与第一、第二和第三多孔扩散层相邻的粘合剂层。密封层可以形成在每个微单元内部或者它可以形成在与每个微单元开口相邻的微单元外部。在这两种情况下，密封层可以设计为对于每种微单元类型都不同。对于多孔扩散层也是如此。换言之，密封层和/或多孔扩散层的孔隙率对于每种类型的微单元可以不同。这提供了对从系统递送的每种活性分子的量的另外的控制。控制孔隙率的一种方法是通过平均孔隙尺寸。控制孔隙率的另一种方法是通过每一层(密封层、多孔扩散层和粘合剂层)的厚度。也可以使用不同的材料来构建同一系统中不同类型的微单元的这些层。
本发明的活性分子递送系统使得递送彼此不相容的活性分子的组合成为可能。例如，如果第一活性分子与第二活性分子不相容，并且它们两者中的一个在另一个存在的情况下降解，并且第一类型的微单元与第二类型的微单元相邻，那么该两种活性分子在它们离开微单元之后，当它们通过多孔粘合剂层和/或多孔扩散层扩散时，并且在它们被递送到活性分子递送系统之外之前，可能会相互接触。通过一个或多个第三类型的微单元将第一类型的微单元与第二类型的微单元适当分离减轻潜在的降解问题。
每个微单元包括壁和开口。微单元可以是方形的、圆形的或多边形的，诸如蜂窝结构。对于每个第一和第二类型的微单元，开口跨越疏水密封层。疏水密封层可由多种材料诸如聚异丁烯、聚乙烯、聚氨酯、聚己内酯或聚硅氧烷构成。
第一和第二制剂是水性的。第一和第二水性制剂可包含亲水活性分子。它们还可以包含含有水的水性载体。它们还可包含水混溶性助溶剂和/或表面活性剂。水混溶性溶剂的非限制性实例是二丙二醇、三丙二醇、二甘醇、乙二醇、丙二醇、甘油、1,3-丙二醇、2,2-丙二醇、1,2-丁二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、2,3-丁二醇、2-甲基-2,4-戊二醇及其混合物。
用于构建微单元的技术。微单元可以以分批方法或以连续的辊对辊方法形成，如第6,933,098号美国专利所公开的。后者提供连续、低成本、高产量的制造技术，用于制造在包括活性分子递送和电泳显示器的各种应用中使用的隔室。如图4所示，适合与本发明一起使用的微单元阵列可以用微压印来产生。阳模20可以放置在腹板24上方，如图4所示，或在腹板24的下方(未显示)；然而，供选择的布置是可能的。参见第7,715,088号美国专利，其全部内容通过引用并入本文。可以通过在成为装置背衬的聚合物基材上形成导体膜21来构建导电基材。然后将包含热塑性物质、热固性物质或其前体22的组合物涂覆在导体膜上。热塑性或热固性前体层在高于热塑性或热固性前体层的玻璃化转变温度的温度下通过辊、板或带形式的阳模压花。
用于制备微单元的热塑性或热固性前体可以是多官能丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯、乙烯基醚、环氧化物及其低聚物或聚合物等。多官能环氧化物和多官能丙烯酸酯的组合对于实现期望的物理机械性能也是非常有用的。可以添加赋予柔韧性的可交联低聚物，诸如氨基甲酸乙酯丙烯酸酯或聚酯丙烯酸酯，以改善压印的微单元的抗挠曲性。该组合物可包含聚合物、低聚物、单体和添加剂或仅包含低聚物、单体和添加剂。这类材料的玻璃化转变温度(或Tg)通常在约-70℃至约150℃，优选约-20℃至约50℃的范围。微压印方法一般在高于Tg的温度下进行。加热的阳模或模具压靠的加热的外壳基材可用于控制微压印温度和压力。
如图4所示，在前体层硬化期间或之后脱模以显露微单元23的阵列。前体层的硬化可通过冷却、溶剂蒸发、辐射交联、热交联或湿交联来完成。如果热固性前体的固化是通过紫外线辐射完成的，则紫外线可以从腹板的底部或顶部辐射到透明导体膜上，如两图所示。供选择地，可以将紫外线灯放置在模具内。在该情况下，模具必须是透明的，以允许紫外线光通过预先图案化的阳模辐射到热固性前体层上。可以通过任何合适的方法诸如金刚石车削方法或光刻胶方法，然后进行蚀刻或电镀制备阳模。用于阳模的主模板可以通过任何合适的方法诸如电镀制造。使用电镀，用籽晶金属诸如铬铬镍铁合金(chrome inconel)的薄层(一般为)溅射玻璃基底。然后用光刻胶层涂覆模具并暴露于紫外线。在紫外线和光刻胶层之间放置掩模。光刻胶的曝光区域变硬。然后通过用合适的溶剂洗涤未曝光的区域来将其移除。将剩余的硬化光刻胶干燥并再次溅射籽晶金属的薄层。然后母版准备好进行电铸。用于电铸的一般材料是镍钴。供选择地，母版可以通过电铸或化学镀镍沉积由镍制成。模具底部一般在约50至400微米。母版也可以使用其他微工程技术制造，该其他微工程技术包括电子束写入、干法蚀刻、化学蚀刻、激光写入或激光干涉，如“用于微光学的复制技术(Replication techniques for micro-optics)”，SPIE Proc.第3099卷，第76-82页(1997年)中所述。供选择地，可以使用塑料、陶瓷或金属通过光机械加工制造模具。
在施加可紫外线固化树脂组合物之前，可以用脱模剂处理模具以帮助脱模过程。可紫外线固化树脂可以在分配之前脱气并且可以任选地包含溶剂。溶剂(如果存在)容易蒸发。可紫外线固化树脂通过任何合适的方式诸如涂覆、浸渍、浇注等分配到阳模上。分配器可为移动式或固定式。导体膜覆盖在可紫外线固化树脂上。如有必要，则可施加压力以确保树脂和塑料之间的适当结合并控制微单元底部的厚度。可以使用层压辊、真空模塑、压力装置或任何其他类似手段来施加压力。如果阳模是金属的且不透明的，则塑料基材一般对用于固化树脂的光化辐射是透明的。相反，阳模可以是透明的而塑料基材可以对光化辐射不透明。为了将模制特征良好地转印到转印片上，导体膜需要对可紫外线固化树脂具有良好的粘附性，该可紫外线固化树脂应该对模具表面具有良好的释放性质。
光刻。也可以使用光刻法制造微单元。用于制造微单元阵列的光刻方法在图5A和5B中示出。如图5A和5B所示，微单元阵列40可以通过将用已知方法涂覆到导体电极膜42上的可辐射固化材料41a通过掩模46暴露于紫外线光(或者供选择地其他形式的辐射、电子束等)以形成对应于通过掩模46投射的图像的壁41b来制备。基底导体膜42优选地被安装在支撑基材基底腹板43上，其可以包括塑料材料。
在图5A的光掩模46中，深色方块44代表掩模46的不透明区域，深色方块之间的空间代表掩模46的透明区域45。紫外线通过透明区域45辐射到可辐射固化材料41a上。曝光优选直接实施到可辐射固化材料41a上，即，紫外线不穿过基材43或基底导体42(顶部曝光)。为此，无论是基材43还是导体42都不需要对所采用的紫外线或其他辐射波长透明。
如图5B所示，曝光区域41b变得硬化，然后未曝光区域(由掩模46的不透明区域44保护的)通过适当的溶剂或显影剂去除以形成微单元47。溶剂或显影剂选自通常用于溶解或降低可辐射固化材料诸如甲基乙基酮(MEK)、甲苯、丙酮、异丙醇等的粘度的那些。微单元的制备可以类似地通过将光掩模放置在导体膜/基材支撑腹板下面来完成，在该情况下，紫外线光从底部通过光掩模辐射，并且基材需要对辐射透明。
成像式曝光。通过成像式曝光制备本发明的微单元阵列的另一种供选择的方法示于图5C和5D中。当使用不透明的导体线时，导体线可以用作从底部曝光的光掩模。通过具有垂直于导体线的不透明线的第二光掩模从顶部另外曝光形成耐用的微单元壁。图5C示出使用顶部和底部曝光原理以制造本发明的微单元阵列50。基底导体膜52是不透明的并且是线图案的。涂覆在基底导体52和基材53上的可辐射固化材料51a通过用作第一光掩模的导体线图案52从底部曝光。通过具有垂直于导体线52的线图案的第二光掩模56从“顶部”侧进行第二次曝光。线54之间的空间55对紫外线光基本上是透明的。在该过程中，壁材料51b在一个横向方向上从底部向上固化，并在垂直方向上从顶部向下固化，连接以形成整体微单元57。如图5D所示，未曝光的区域然后通过如上所述的溶剂或显影剂去除以显露微单元57。因此，图5C和5D描述的技术允许不同的壁被构造成具有不同的孔隙率，这是图2C所示的实施方案所需要的。
微单元可以由热塑性弹性体构成，其与微单元具有良好的相容性并且不与电泳介质相互作用。有用的热塑性弹性体的实例包括ABA和(AB)n型二嵌段、三嵌段和多嵌段共聚物，其中A是苯乙烯、α-甲基苯乙烯、乙烯、丙烯或降冰片烯；B为丁二烯、异戊二烯、乙烯、丙烯、丁烯、二甲基硅氧烷或硫化丙烯；式中A和B不能相同。数目n≥1，优选1-10。特别有用的是苯乙烯或氧代甲基苯乙烯的二嵌段或三嵌段共聚物，诸如SB(聚(苯乙烯-b-丁二烯))、SBS(聚(苯乙烯-b-丁二烯-b-苯乙烯))、SIS(聚(苯乙烯-b-异戊二烯-b-苯乙烯))、SEBS(聚(苯乙烯-b-乙烯/丁烯-b-苯乙烯))聚(苯乙烯-b-二甲基硅氧烷-b-苯乙烯)、聚((α-甲基苯乙烯-b-异戊二烯)、聚(α-甲基苯乙烯-b-异戊二烯-b-α-甲基苯乙烯)、聚(α-甲基苯乙烯-b-硫化丙烯-b-α-甲基苯乙烯)、聚(α-甲基苯乙烯-b-二甲基硅氧烷-b-α-甲基苯乙烯)。市售的苯乙烯嵌段共聚物诸如Kraton D和G系列(来自Kraton Polymer，Houston，Tex.)特别有用。结晶橡胶诸如聚(乙烯-共聚-丙烯-共聚-5-亚甲基-2-降冰片烯)或EPDM(乙烯-丙烯-二烯三元共聚物)橡胶诸如Vistalon 6505(来自Exxon Mobil，Houston，Tex.)及其接枝共聚物也已经被发现非常有用。
热塑性弹性体可以溶解在与微单元中的显示流体不混溶并且表现出比重小于显示流体的比重的溶剂或溶剂混合物中。低表面张力溶剂由于它们比微单元壁和电泳流体更好的润湿性质而优选用于外涂覆组合物。优选表面张力低于35达因/厘米的溶剂或溶剂混合物。更优选低于30达因/厘米的表面张力。合适的溶剂包括烷烃(优选C6-12烷烃诸如庚烷、辛烷或来自Exxon Chemical Company的Isopar溶剂、壬烷、癸烷及它们的异构体)、环烷烃(优选C6-12环烷烃诸如环己烷和萘烷等)、烷基苯(优选单-或二-C1-6烷基苯诸如甲苯、二甲苯等)、烷基酯(优选C2-5烷基酯诸如乙酸乙酯、乙酸异丁酯等)和C3-5烷基醇(诸如异丙醇等及它们的异构体)。烷基苯和烷烃的混合物特别有用。
除了聚合物添加剂之外，聚合物混合物还可以包括润湿剂(表面活性剂)。润湿剂(诸如来自3M公司的FC表面活性剂、来自杜邦的Zonyl氟表面活性剂、氟代丙烯酸酯、氟代甲基丙烯酸酯、氟代长链醇、全氟代长链羧酸及它们的衍生物，以及来自OSi，Greenwich，Conn的Silwet硅酮表面活性剂。)也可以包含在组合物中以改善密封剂对微单元的粘附力并提供更灵活的涂覆方法。其他成分包括交联剂(例如，双叠氮化物，诸如4,4'-二叠氮基二苯基甲烷和2,6-二-(4'-叠氮基苯亚甲基)-4-甲基环己酮)、硫化剂(例如，二硫化2-苯并噻唑基和二硫化四甲基秋兰姆)、多官能单体或低聚物(例如，己二醇、二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷、三丙烯酸酯、二乙烯基苯、苯二甲酸二烯丙酯)、热引发剂(例如，过氧化二月桂酰、过氧化苯甲酰)和光引发剂(例如，异丙基噻吨酮(ITX)、来自Ciba-Geigy的Irgacure 651和Irgacure369)对于在外涂覆过程中或之后通过交联或聚合反应来增强密封层的物理-机械性质也非常有用。
在制备微单元后，给它们填充适当的活性分子混合物。可以通过上述任何方法制备微单元阵列60。如图6A-6D的截面图所示，微单元壁61从基材63向上延伸以形成开放的单元。微单元可包括底漆层62以钝化混合物并防止微单元材料与包含活性分子65的混合物相互作用。在填充之前，微单元阵列60可被清洁和灭菌以确保活性分子在使用之前不受到损害。
接下来用包含活性分子65的混合物64填充微单元。如图6B所示，不同的微单元可以包含不同的活性分子。微单元60优选地被部分填充以防止溢出和活性分子的无意混合。在用于递送疏水活性分子的系统中，混合物可以基于生物相容性油或一些其他生物相容性疏水载体。例如，混合物可包含植物油、水果油或坚果油。在其他实施方案中，可使用硅酮油。在用于递送亲水活性分子的系统中，混合物可以基于水或另一种水性介质诸如磷酸盐缓冲液。然而，混合物不必是液体，因为水凝胶和其他基体可能适合于递送活性分子65。
可以使用各种技术填充微单元。在一些实施方案中，大量相邻的微单元将被填充相同的混合物，刮涂可用于将微单元填充至微单元壁61的深度。在其他实施方案中，不同的混合物将被填充在各种邻近的微单元中，可用喷墨式显微注射填充微单元。在其他实施方案中，微针阵列可用于用正确的混合物填充微单元阵列。填充可以在一步或多步过程中完成。例如，所有单元可部分地填充有一定量的溶剂。部分填充的微单元随后填充有包含待递送的一种或多种活性分子的第二混合物。
如图6C所示，在填充之后，通过施加成为多孔扩散层的聚合物66来密封微单元。在一些实施方案中，密封过程可涉及暴露于热、干燥热空气或紫外线辐射。在大多数实施方案中，聚合物66将与混合物64相容，但不被混合物64的溶剂溶解。聚合物66也将是生物相容的并且被选择为粘附到微单元壁61的侧面或顶部。合适的用于多孔扩散层的生物相容性粘合剂是苯乙胺混合物，诸如在2016年10月30日提交的并且标题为“用于用苯乙胺混合物密封微单元容器的方法(Method for Sealing Microcell Containers with PhenethylamineMixtures)”的第15/336,841号美国专利申请中所描述的，其通过引用整体并入本文。因此，最终的微单元结构几乎全部不受渗漏影响，并且能够承受挠曲而不会使多孔扩散层分层。
在供选择的实施方案中，可以通过使用反复光刻法将各种单独的微单元填充有期望的混合物。该方法一般包括用正性光刻胶层涂覆空的微单元阵列，通过对正性光刻胶进行成像式曝光来选择性地打开一定数量的微单元，随后显影光刻胶，用期望的混合物填充开口的微单元，并通过密封过程密封填充的微单元。可以重复这些步骤以产生填充有其他混合物的密封的微单元。该过程允许形成具有期望混合物比例或浓度的大片微单元。
在微单元60被填充之后，密封的阵列可以层压有对活性分子也是多孔的修整层68，优选地通过用粘合剂层预涂覆修整层68，该粘合剂层可以是压敏粘合剂、热熔粘合剂或热、湿或可辐射固化粘合剂。如果顶部导体膜对辐射是透明的，则层压粘合剂可以通过诸如紫外线的辐射通过顶部导体膜进行后固化。在一些实施方案中，然后将生物相容性粘合剂67层压至组件。生物相容性粘合剂67将允许活性分子通过，同时保持装置在用户身上可移动。合适的生物相容性粘合剂可从3M(Minneapolis，MN)获得。
一旦构建了递送系统，就可以用封装覆盖物覆盖它以提供防止物理冲击的保护。封装覆盖物还可以包括粘合剂以确保活性分子递送系统保持固定，例如，固定在患者的背部。封装覆盖物还可以包括用于儿童的美观色彩或有趣的设计。
实施例—填充有水性溶液的微单元组件
构建了包括微单元、疏水密封层和多孔扩散层的亲水分子递送系统。如上所述通过微压印聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制备微单元层。接下来，制备水性溶液，其包含按水溶液的重量计5.0重量％的在去离子水中的尼古丁和5重量％的在去离子水中的乙烯-乙烯醇共聚物(来自Kuraray的RS1717)。为了改善可视性，在溶液中添加了蓝色食用色素。使用移液管将有色溶液填充到微单元中，并且用橡胶刮刀除去残留的溶液。填充的微单元用按溶液重量计10重量％的在二甲苯中的聚异丁烯(PIB)溶液外涂覆。密封层中的PIB的平均分子量为850000道尔顿。施加8密耳(0.21032毫米)溶液的湿涂层厚度，随后干燥以产生疏水密封层。填充和密封的微单元层的显微镜视图如图7所示。
密封层固化后，在密封层的顶部形成多孔扩散层。多孔扩散层由按溶液的重量计30重量％的Eudragit E100(在MEK中)制成。Eudragit E100是可从Evonic GmbH(Essen，Germany)获得的商业共聚物，其包含甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯、甲基丙烯酸丁酯和甲基丙烯酸甲酯。施加10密耳(0.254毫米)溶液的湿涂层厚度并干燥以产生多孔扩散层。如图8所示，Eudragit与PIB一起在微单元内产生具有明确限定的水性体积的均匀屏障。虽然此处未显示，但可以将粘合剂层直接施加至多孔扩散层，以促进活性分子递送系统的长期放置。
实施例2
重复实施例1的程序，不同之处如下。多孔扩散层由按溶液重量计20重量％的Eudragit E100(在MEK中)形成。施加8密耳溶液的湿涂层厚度并干燥以产生多孔扩散层。实施例1的活性分子递送系统的多孔扩散层的厚度大于实施例2的活性分子递送系统的多孔扩散层的厚度。另外，实施例1的活性分子递送系统的孔尺寸的平均孔尺寸小于实施例2的活性分子递送系统的多孔扩散层的平均孔尺寸。
实施例3
重复实施例1的程序，不同之处如下。疏水密封层使用按溶液重量计5重量％的在二甲苯中的聚异丁烯(PIB)溶液形成。实施例3的密封层中的PIB具有4200000道尔顿的平均分子量。施加8mil溶液的湿涂层厚度并干燥以产生疏水密封层。实施例1的活性分子递送系统的密封层比实施例3的活性分子递送系统的密封层具有更长的释放路径。
实施例4
将裸鼠皮肤样品置于实施例2的活性分子递送系统的多孔扩散层上。然后，将活性分子递送系统放置成与Franz池的受体隔室的顶部开口接触。即，将裸鼠皮肤样品置于实施例2的活性分子递送系统的多孔扩散层与Franz池的受体顶部开口之间。该实验装置如图9所示。实施例2的活性分子递送系统(90)包括背衬屏障93、包含实施例1的水性活性分子制剂的微单元94、密封层95、多孔扩散层96和裸鼠皮肤样品97。Franz池900包括空的供体室901和装有冷凝器903的受体室902。受体室902包含比例为60:40的磷酸盐缓冲盐水(PBS)：乙醇。来自活性分子递送系统90的微单元94的活性分子通过密封层95、多孔扩散层96和裸鼠皮肤样品97扩散到受体室902中。在1、2、4、6、8、10、12和24小时之后取出受体溶液的样品，并分析测定尼古丁的量。图10的图表提供以μg/cm2为单位到达受体室902的尼古丁累积量的结果。如图10所示，有来自本发明的活性分子递送系统的活性分子的控制经皮递送。
因此，本发明提供包括多个微单元的亲水活性分子递送系统。微单元可包括不同的亲水活性分子，或不同浓度的亲水活性分子。该公开内容不是限制性的，并且未描述但对本领域技术人员来说不言而喻的对本发明的其他修改将被包括在本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种活性分子递送系统，其包括微单元层，所述微单元层包括：
多个第一类型的微单元，其填充有包含第一亲水活性分子的第一水性制剂；
多个第二类型的微单元，其填充有包含第二亲水活性分子的第二水性制剂，其中所述第一活性分子和第二活性分子是不同的；
多个第三类型的微单元，其不包含任何包含活性分子的水性制剂；
其中多个第一、第二和第三类型的微单元中的每个微单元包括壁和开口；
其中多个第一和第二类型的微单元中的每个微单元包括跨越开口的疏水密封层；和
其中第一类型的微单元中的至少一个微单元在微单元层中不具有任何相邻的第二类型的微单元的微单元。
2.权利要求1所述的活性分子递送系统，其中每个所述第一类型的微单元在微单元层中不具有任何相邻的第二类型的微单元。
3.权利要求1所述的活性分子递送系统，其中所述多个第三类型的微单元不包括跨越所述开口的密封层。
4.权利要求1所述的活性分子递送系统，其中所述多个第一和第二类型的微单元中的每一个还包括与疏水密封层相邻的粘合剂层。
5.权利要求1所述的活性分子递送系统，其中至少一个第一类型的微单元与第二类型的微单元被三个或更多个第三类型的微单元隔开。
6.权利要求4所述的活性分子递送系统，其中所述多个第一类型的微单元还包括位于疏水密封层和粘合剂层之间的第一多孔扩散层，并且所述多个第二类型的微单元还包括位于所述疏水密封层和所述粘合剂层之间的第二多孔扩散层。
7.权利要求6所述的活性分子递送系统，其中所述多孔扩散层包含丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚乙烯醇、纤维素、聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAAm)、聚(乳酸-共-乙醇酸)(PLGA)、聚偏二氯乙烯、丙烯腈、无定形尼龙、取向聚酯、对苯二甲酸酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚异丁烯或聚苯乙烯。
8.权利要求6所述的活性分子递送系统，其中所述多孔扩散层的平均孔尺寸为10nm至100μm。
9.权利要求1所述的活性分子递送系统，其中所述第一亲水活性分子是药物化合物或芳香化合物。
10.权利要求1所述的活性分子递送系统，其中所述第一亲水活性分子包括核酸或氨基酸。
11.权利要求1所述的活性分子递送系统，其中所述多个第一、第二和第三微单元中的每一个具有大于100nL的体积。
12.权利要求1所述的活性分子递送系统，其还包括封装所述活性分子递送系统的封装覆盖物。
13.权利要求4所述的活性分子递送系统，其还包括与所述粘合剂层接触的背衬层。
14.权利要求1所述的活性分子递送系统，其中所述第一水性制剂另外包含增稠剂。
15.权利要求6所述的活性分子递送系统，其中所述第一多孔扩散层的平均孔尺寸大于所述第二多孔扩散层的平均孔尺寸。
16.权利要求1所述的活性分子递送系统，其中所述第一亲水活性分子是酶，并且其中所述第二活性分子是能够激活所述酶的底物。
17.一种活性分子递送系统，其包括微单元层，所述微单元层包括：
多个第一类型的微单元，其填充有包含第一亲水活性分子的第一水性制剂；
多个第三类型的微单元，其填充有不包含任何活性分子的第三水性制剂；
其中第一和第三类型的每个微单元包括壁和开口；
其中第一和第三类型的每个微单元包括跨越所述开口的疏水密封层；
其中所述活性分子递送系统包括第一类型的微单元的一个或多个段，其中第一类型的微单元的每个段只包括仅第一类型的微单元的微单元，并且其中与第一类型的微单元的段的任何其它微单元相邻的第一类型的微单元的所有微单元是同一段的成员；和
其中所述第一类型的微单元的至少一个段的外围被第三类型的微单元的微单元包围。
18.权利要求17所述的活性分子递送系统，其还包括多个第二类型的微单元，该第二类型的微单元填充有包含第二亲水活性分子的第二水性制剂，
其中每个第二类型的微单元包括壁和开口；
其中每个第二类型的微单元包括跨越所述开口的疏水密封层；
其中所述活性分子递送系统包括一个或多个第二类型的微单元的段，其中所述第二类型的微单元的每个段只包括仅第二类型的微单元的微单元，并且与所述第二类型的微单元的段的任何其它微单元相邻的第二类型的微单元的所有微单元是同一段的成员；
其中所述第二类型的微单元的至少一个段的外围被第三类型的微单元的微单元包围；和
其中每个第一类型的微单元在微单元层中不具有任何相邻的第二类型的微单元。
19.权利要求18所述的活性分子递送系统，其中所述多个第一、第二和第三类型的微单元中的每一个还包括与亲水密封层相邻的多孔扩散层。
20.权利要求19所述的活性分子递送系统，其中所述多个第一、第二和第三类型的微单元中的每一个还包括粘合剂层，其中所述多孔扩散层设置在所述密封层和粘合剂层之间。
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