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Die
vorliegende Erfindung betrifft Mikronadeln zur Platzierung in der
Haut zwecks transdermaler Applikation von Pharmazeutika.
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Stand der Technik
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Seit
langem werden Versuche unternommen, Pharmazeutika und andere Wirkstoffe
in suffizienten Dosen durch transdermale Applikation zu verabreichen.
Dies würde
in vielen Fällen
den Patienten eine oft lästige,
schmerzhafte und mit Infektionsrisiken verbundene Injektion ersparen,
andererseits könnte
die oftmals lästige,
schwer steuerbare und bei manchen Medikamenten fast unmögliche orale
Applikation umgangen werden.
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Insbesondere
bei Kindern, die sich vor Spritzen fürchten und Medikamente wegen
ihres schlechten Geschmacks ungern oral zu sich nehmen, bei chronisch
Kranken und bei geriatrischen Patienten bietet die transdermale
Applikation eine Reihe von Vorteilen.
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Ohne
zusätzliche
Maßnahmen
kann bei den meisten Stoffen nur eine sehr geringe Wirkstoffmenge
pro Zeiteinheit durch die Haut aufgenommen werden. Dies liegt daran,
dass die Haut von Natur aus eine sehr wirksame Permeationsbarriere
darstellt, um den Körper
vor Infektionen und Umweltgiften zu schützen.
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Aus
diesem Grunde müssen
Wirkstoffe, die durch die Haut verabreicht werden sollen, in hohen Dosen
auf die Haut aufgebracht werden. In der Regel eignen sich für die transdermale
Applikation vor allem solche Wirkstoffe, die ihre Wirkung in der
näheren Umgebung
der Applikationsstelle entfalten sollen, um z.B. Entzündungen
oder allergische Reaktionen zu behandeln.
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Nur
in wenigen Fällen
können
derart aufgebrachte Wirkstoffe in ausreichenden Mengen in den Blutkreislauf
gelangen und eine systemische Wirkung entfalten. Dieser Ansatz,
ist solchen Wirkstoffen vorbehalten, die aufgrund ihrer Größe und molekularen
Beschaffenheit vergleichsweise leicht in die Haut eindringen können oder
die in extrem geringen Dosen verabreicht werden müssen.
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Lipophile
Substanzen können
in der Regel leicht durch die oberste Hautschicht (Stratum Corneum)
eindringen. Sie können
anschließend
jedoch nur schwer in das Blut aufgenommen werden, da hierfür wiederum
hydrophile Eigenschaften erforderlich sind. Es ist daher bei der
unmittelbaren transdermalen Applikation erforderlich, die Substanzen
so zu formulieren, dass sie sowohl ausreichend lipophil als auch hydrophil
sind. Beispiele für über die
Haut erfolgreich applizierbare Substanzen sind Sexualhormone, Nikotin
und Scopolamin.
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Um
die transdermale Passage der Wirkstoffe zu verbessern, gibt es verschiedene
Ansätze,
die Barrierefunktion der Haut über
einen mehr oder weniger langen Zeitraum zu vermindern. Hierbei kann es
sich um Laserporation, Ultraschall, Iontophorese, Elektroporation,
Liquid Jets, Powder Jets oder um chemische Unterstutzer handeln.
Alle Ansätze
haben ihr individuellen Nachteile bzw. Begrenzungen. Die erstgenannten
sind nicht etabliert, so dass bisher lediglich die chemischen Unterstutzer
(z.B. Dimethylsulfoxid) in größerem Unfang
eingesetzt werden.
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Ein
weiterer, unter diese Kategorie fallender Ansatz ist die Verwendung
von Mikronadeln, mit deren Hilfe das Stratum corneum der Haut penetriert wird.
Die Mikronadeln sind häufig
in Form von Arrays angeordnet. Die Nadeln werden anschließend entfernt,
es wird von außen
ein Wirkstoffe enthaltendes Pflaster aufgebracht, und die daraus
freigesetzten Wirkstoffe können
die Haut dann erleichtert passieren.
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Auf
diese Weise wird eine um mehrere Größenordnungen (103 – 109) erhöhte
Diffusionsrate der Wirkstoffe durch die Haut erreicht, und es können neue
Wirkstoffe für
die transdermale Applikation erschlossen werden.
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Mikronadelarrays
für diesen
Einsatzzweck sind z.B. aus der
US
6 334 856 bekannt.
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Allerdings
weist dieser Ansatz auch eine Reihe von Nachteilen auf. So ist die
Wirkstoffaufnahme durch die herbeigeführten Mikroverletzungen schlecht
definiert, da die Größe der erzeugten
Permeationen und die Ausheilungsrate und damit die Zeit bis zum
Wiederverschluss individuell unterschiedlich ist. Die verabreichte
Dosis ist damit schlecht zu bestimmen. Hinzu kommt, dass die erzeugten
Mikroverletzungen auch Infektionserregern den Durchtritt durch die
Haut ermöglichen.
Die Methode birgt somit ein erhebliches Infektionsrisiko.
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Im
Stand der Technik sind Mikronadelarrays bekannt, die während der
Medikamentenapplikation in der Haut verbleiben. Die Mikronadeln
weisen eine poröse
Struktur und/oder einen zentralen Kanal auf, um passierbar für die von
außen
aufgebrachten Pharmazeutika, Giften, oder Wirkstoffen zu sein. Solche
Arrays sind z.B. in der
US 6908453 ,
der
US 2006030812 oder
der
US 2005261632 beschrieben.
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Die
US6770480 beschreibt überdies,
dass die Mikronadeln aus mikroporösem Silizium hergestellt sein
können,
das einerseits die Passage der Wirkstoffe ermöglicht und andererseits biokompatible Eigenschaften
aufweist.
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Nachteilig
bei all diesen Arrays ist, dass sie nach der Therapie wieder entfernt
werden müssen, wobei
offen liegende Mikroverletzungen erzeugt werden, die auch Infektionserregern
den Durchtritt durch die Haut ermöglichen. Die Methode birgt
somit ein erhebliches Infektionsrisiko. Außerdem wird durch die Notwendigkeit,
das Array wieder zu entfernen, das Handling verkompliziert. Des
Weiteren besteht die Gefahr, dass Teile von Mikronadeln abbrechen
und im Körper
verbleiben und vom Immunsystem abgestoßen werden, wenn kein vom Körper einfach
abbaubares Material verwendet wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Mikronadelarray zur transdermalen
Applikation von Pharmazeutika bereit zu stellen, das eine geringere
Infektionsgefahr birgt und ein einfacheres Handling ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen der vorliegenden unabhängigen Ansprüche gelöst. Die Unteransprüche geben
bevorzugte Ausführungsformen
an.
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Demnach
ist ein Array zur Platzierung auf der Haut eines menschlichen oder
tierischen Patienten zwecks transdermaler Applikation von Pharmazeutika,
Giften oder Wirkstoffen vorgesehen. Das Array weist Mikronadeln
auf, die auf einem Trägersubstrat
angeordnet sind und im Bereich des Übergangs zu dem Trägersubstrat
eine Sollbruchstelle aufweisen.
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Diese
Sollbruchstelle kann z.B. in Form einer Materialverjüngung bzw.
einer Einschnürung
am Fuß der
Nadeln ausgebildet sein. In dieser Ausführungsform wird das Nadel-Array
mithilfe des Trägersubstrats
in der Haut platziert. Anschließend
wird dann z.B. durch eine seitliche Scherbewegung oder Vibrationsbewegung
des Trägersubstrats
dasselbe von den Mikronadeln gelöst,
wobei die abgebrockenen Nadeln in der Haut verbleiben. Der Wirkstoffeintrag kann
entweder durch bereits in dem porösen Nadelmaterial vorgehaltene
Wirkstoffe oder aber durch von außen über den Nadeln aufgebrachte
Wirkstoffpräparationen
gewährleistet
werden.
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Überdies
können
die Sollbruchstellen dazu beitragen, dass die Nadeln sicher in der
Haut platziert werden, da die Haut elastisch ist und dazu sendiert, sich
im Bereich der Verjüngungen
stärker
um die Nadel herum zusammenzuziehen.
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Es
wird so verhindert, dass nach Beendigung der Therapie das Array
als Ganzes entfernt werden muss und dabei großflächig Mikroverletzungen offen gelegt
werden. Stattdessen verbleiben nur die Mikronadeln während der
Therapie in der Haut. Dabei kann vorgesehen sein, dass diese sich
nach einer vorbestimmten Zeit auflösen, so dass sie nicht aktiv (d.h.
durch den Arzt oder den Patienten) entfernt werden müssen. Hierauf
wird weiter unten noch eingegangen.
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Die
Mikronadeln sind bevorzugt in Form von Kanülen ausgebildet. Die Mikronadeln
können
bevorzugt eine Länge
von 20 – 800 μm, einen
Durchmesser von 5 – 150 μm und einen
Spitzendurchmesser von 0,5 – 20 μm aufweisen.
Die Mikronadeln können bevorzugt
in rechtwinkliger oder hexagonaler Ausrichtung angeordnet sein.
Ebenso kann auch eine rein zufällige
Anordnung der Mikronadeln vorgesehen sein.
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Das
erfindungsgemäße Array
kann bevorzugt eine Größe von 1 × 1 mm bis
30 × 30
mm aufweisen. Es muss sich allerdings nicht um ein quadratisches
oder rechteckiges Array handeln; vielmehr kann das Array auch eine
kreisförmige,
ovale oder anders gestaltete Fläche
einnehmen. Geradlinig begrenzte Arrays weisen zudem den Nachteil
auf, dass sich die Kanten in die Haut einschneiden können. Das
Trägersubstrat
ist bevorzugt planar.
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Die
Mikronadeln und/oder das Trägersubstrat
bestehen in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung aus einem
Silizium enthaltenden Material.
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Ebenso
bevorzugt weisen Mikronadeln eine teilweise oder vollständig poröse Struktur
auf. Die poröse
Struktur dient einerseits dazu, die Mikronadeln permeabel für die zu
applizierenden Pharmazeutika zu machen bzw. diese zu speichern.
Außerdem
lösen sich
Mikronadeln aus einem porösen
Siliziummaterial im Laufe der Zeit in Körperflüssigkeiten zu Kieselsäure auf
(Bioabbaubarkeit, „BioSilicon"), so dass die einmal
platzierten Nadeln nicht wieder entfernt werden müssen. Durch
geeignete Auswahl der die Porosität bestimmenden Parameter lassen
sich die Funktionsdauer und die Verweildauer der Mikronadeln in der
Haut bestimmen.
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Dadurch,
dass die Mikronadeln in der Haut verbleiben, wird einerseits das
Infektionsrisiko vermindert, und andererseits wird ein definierter
Zugang für
den Wirkstoffdurchtritt geschaffen, so dass eine genauere Dosierung
möglich
wird.
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Das
erfindungsgemäße Array
eignet sich insbesondere für
die Applikation von Hormonen einschließlich Insulin und Kontrazeptiva,
Antikoagulantien, Antiemetika, Analgetika, Antidepressiva, Antipsychotika,
Anxiolytika, Antiparkinsonmitteln, Antidiabetika, Antiosteoporotika,
Antibiotika, Vakzinen, Antiarrhyhtmika und Impfstoffen.
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Die
Applikation der Pharmazeutika etc. kann dabei auf zwei verschiedenen
Wegen erfolgen. In einer ersten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass
die Pharmazeutika bereits in dem porösen Nadelmaterial vorgehalten
werden und zeitverzögert durch
die Haut verabreicht werden. Diese Ausgestaltung eignet sich besonders
für hochwirksame, äußerst niedrig
zu dosierende Wirkstoffe, wie z.B. Impfstoffe oder Allergene zur
Desensibilisierung von Allergikern.
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In
einer zweiten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Mikronadeln
lediglich einen Passageweg für
von außen
aufgebrachte Wirkstoffpräparationen
darstellen. Hierbei kann es sich z.B. um ein von außen aufgebrachtes
Gel, eine Salbe, ein Wirkstoffe enthaltendes Pflaster, ein Reservoir
oder ähnliches
handeln. Es kann dabei insbesondere ausreichen, dass die Mikronadeln
eine poröse
Struktur aufweisen, welche von den von außen aufgebrachten Wirkstoffen
erleichtert passiert werden kann.
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In
einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die
Mikronadeln in Form von Kanülen
ausgebildet sind. Dies bedeutet, dass sie einen zentralen Kanal
aufweisen. Der Durchmesser dieses Kanals liegt dabei bevorzugt im
Bereich von 2 – 20 μm. Diese
Art der Ausgestaltung ist insbesondere für solche Wirkstoffe geeignet,
die in relativ hoher Dosierung verabreicht werden müssen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das planare
Trägersubstrat
so ausgebildet ist, dass es nach Platzierung des Arrays auf der
Haut an Ort und Stelle verbleibbar ist.
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Hierfür kann insbesondere
vorgesehen sein, dass es sich bei dem Trägersubstrat um ein flexibles Trägersubstrat
handelt. In dieser Ausgestaltung kann das Array auf der Haut platziert
werden und das Trägersubstrat
an Ort und Stelle verbleiben. Im Laufe der Behandlung oder nach
Abschluss der Behandlung kann dann das Trägersubstrat wieder von der Haut
entfernt werden, wobei ggf. noch nicht resorbierte bzw. aufgelöste Mikronadeln
ebenfalls entfernt werden.
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Bei
einem solchen Trägersubstrat
kann es sich insbesondere um ein pflasterähnliches Substrat handeln,
das einerseits eine Klebeschicht aufweist, mit deren Hilfe das Substrat
auf der Haut immobilisiert wird und ein Eindringen von Keimen und
Krankheitserregern verhindert wird. Das pflasterähnliche Substrat kann überdies
als Wirkstoffspeicher fungieren.
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Das
Trägersubstrat
kann jedoch auch lediglich eine reine physikalische Trägerfunktion übernehmen,
d.h. die oben beschriebenen weiteren Aufgaben wie Schutz vor Infektionen
und/oder Speicherung und Abgabe von Wirkstoffen können auch
von eigens dafür
vorgesehenen zusätzlichen
Materialien übernommen werden,
die anschließend
von außen auf
das Trägersubstrat
aufgebracht werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die
Nadeln auf ihrer Oberfläche
eine als Widerhaken fungierende Struktur aufweisen. Diese Ausgestaltung
trägt ebenfalls
dazu bei, dass die Mikronadeln sicher in der Haut platziert werden.
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Überdies
ist erfindungsgemäß ein Kit
of Parts vorgesehen, bestehend aus einem Array gemäß einem
der vorherigen Ansprüche
sowie einem Abdeckmaterial, das nach Platzierung des Array in der
Haut von außen über dem
Array platzierbar ist.
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Bei
einem solchen Abdeckmaterial kann es sich z.B. um ein pflasterähnliches
Substrat handeln. Dieses kann einerseits eine Klebeschicht aufweisen, mit
deren Hilfe das Array auf der Haut immobilisiert wird. Überdies
kann das Abdeckmaterial dazu beitragen, ein Eindringen von Keimen
und Krankheitserregern zu verhindern und/oder als Wirkstoffspeicher fungieren.
Für letzteres
kann das Abdeckmaterial einen Speicher in Form eines Kissens enthaltend
eine Kieselgelmatrix aufweisen.
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Dabei
kann das Abdeckmaterial in beiden vorgenannten Ausführungsformen
verwendet werden, d.h. sowohl in der Ausführungsform, in welcher das
Trägersubstrat
nach Platzierung des Arrays in der Haut von den Nadeln gelöst und entfernt
wird, als auch in der Ausführungsform,
in welcher das Trägersubstrat
flexibel ausgebildet ist und nach Platzierung des Arrays auf der
Haut verbleiben kann.
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Überdies
ist ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Arrays
vorgesehen. Das Verfahren weist die Bereitstellung eines Substrat
aus einem Silizium enthaltenden Material; das Aufbringen einer Ätzmaske
auf das Substrat mittels photolithographischer Verfahren; sowie
das Ätzen
der gewünschten
Strukturen mittels isotroper und aniostroper Ätzverfahren auf Hierbei kann
es sich beispielsweise um ein dreidimensionales Ätzverfahren, wie es z.B. von Laermer
et al (1999) „Bosch
Deep Silicon Etching: Improving Uniformity and Etch rate for Advanced
MEMS Applications",
Micro Electro Mechanical Systems, Orlando, USA, vorgeschlagen wurde,
handeln.
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Weiterhin
ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur
Anwendung eines Mikronadelarrays gemäß einem der vorherigen Ansprüche vorgesehen.
Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- a)
Aufbringen eines Mikronadelarrays mindestens gemäß einem der vorherigen Ansprüche auf
die Haut bzw. die Körperoberfläche)
- b) Einführen
der Nadeln des Mikronadelarrays in die äußeren Hautschichten durch Ausübung von Druck
- c) Trennung der Mikronadeln vom Träger und Entfernen des Trägers
- d) Verabreichung von Pharmazeutika, Giften oder Wirkstoffen über die
mittels der Mikronadeln geschaffenen Öffnungen.
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Diese Öffnungen
können
für einen
Zeitraum zwischen 1 – 2
Stunden und einigen Wochen bestehen bleiben. Da sich die Mikronadeln
mit der Zeit auflösen,
ist eine Entfernung der Mikronadel nach Beendigung der Therapie
nicht erforderlich.
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Die
Trennung der Mikronadeln vom Träger erfolgt
bevorzugt durch eine Scherbewegung. Ebenso kann die Trennung der
Mikronadeln vom Träger durch
eine Vibrationsbewegung erfolgen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Mikronadeln von einem dünnen Film
oder einer Folie umgeben, der beim Einführen der Mikronadeln in die Haut
durchstochen wird und sich auf die Haut legt. Bei diesem Film handelt
es sich bevorzugt um einen dünnen
Polyurethan-Film.
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Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird durch die im Folgenden gezeigten und
diskutierten Figuren genauer erläutert.
Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter
haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner
Form einzuschränken.
Insbesondere müssen
die Mikronadeln nicht rund sein, sondern können auch eine eckige Form
mit geraden, konkaven oder konvexen Seitenwänden einnehmen.
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1 zeigt
in perspektivischer Ansicht ein erfindungsgemäßes Array 10 aus Mikronadeln 11 in rechtwinkliger
Anordnung zueinander. Das Array eignet sich zur Platzierung auf
der Haut eines menschlichen oder tierischen Patienten zwecks transdermaler Applikation
von Pharmazeutika, Giften, Wirkstoffen. Die Mikronadeln 11 bestehen
aus einem Silizium enthaltenden Material, und weisen eine in 1 nicht gezeigte
poröse
Struktur auf. Der Wirkstoffeintrag kann entweder durch bereits in
dem porösen
Nadelmaterial vorgehaltene Wirkstoffe oder aber durch von außen aufgebrachte
Wirkstoffpräparationen
gewährleistet
werden.
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2a zeigt
eine erste Ausgestaltung einer Mikronadel 21 eines erfindungsgemäßen Arrays.
Gut erkennbar ist die mikroporöse
Struktur 22, die einerseits dafür dient, die Mikronadeln permeabel
für die von
außen
zu applizierenden Pharmazeutika zu machen bzw. diese zu speichern.
Außerdem
lösen sich Mikronadeln
aus einem porösen
Siliziummaterial im Laufe der Zeit in Körperflüssigkeiten zu Kieselsäure auf
(Bioabbaubarkeit, „BioSilicon"), so dass die einmal
platzierten Nadeln nicht wieder entfernt werden müssen. Durch
geeignete Auswahl der die Porosität bestimmenden Parameter lässt sich
so die Verweildauer der Mikronadeln in der Haut bestimmen.
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2b zeigt
eine weitere Ausgestaltung einer Mikronadel 23 eines erfindungsgemäßen Arrays, die
neben der mikroporösen
Struktur 22 einen mittigen Kanal 24 aufweist und
daher eine Kanüle
ausbildet. In dieser Ausgestaltung erfolgt der Wirkstoffeintrag
bevorzugt über
den Kanal 24, während
die mikroporöse
Struktur überwiegend
der Abbaubarkeit dient.
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2c zeigt,
eine weitere Ausgestaltung einer Mikronadel 25 eines erfindungsgemäßen Arrays, die
neben der mikroporösen
Struktur 22 in der Seitenwand einen Kanal 26 aufweist.
Auch in dieser Ausgestaltung erfolgt der Wirkstoffeintrag bevorzugt über den
Kanal 26, während
die mikroporöse
Struktur überwiegend
der Abbaubarkeit dient.
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3a zeigt
ein erfindungsgemäßes Array 30 mit
einem Trägersubstrat 31 und
den Mikronadeln 32 nach Platzierung auf bzw. in der Haut 33 eines
Patienten. Die Mikronadeln 32 weisen im Bereich des Übergangs
zu dem planaren Trägersubstrat 31 Sollbruchstellen 34 auf.
Das planare Trägersubstrat 31 weist
eine obere Schicht 35 aus porösem Silizium auf.
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3b zeigt
dasselbe Array 30, nachdem das planare Trägersubstrat 31 nach
Platzierung des Arrays in der Haut 33 durch eine mittels
des Pfeils angedeutete seitliche Scherbewegung von den Mikronadeln 32 gelöst wird,
indem diese durch die Scherbewegung im Bereich der Sollbruchstellen 34 brechen,
wobei die Mikronadeln 32 in der Haut 33 verbleiben.
Der Wirkstoffeintrag kann entweder durch bereits in dem porösen Nadelmaterial
vorgehaltene Wirkstoffe oder aber durch von außen aufgebrachte Wirkstoffpräparationen
gewährleistet
werden.
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4 zeigt
die auf die beschriebene Art in der Haut 42 eines Patienten
angeordneten Mikronadeln 41. Die Mikronadeln werden insbesondere
im Bereich der Sollbruchstellen 43 fixiert, da die Haut elastisch
ist und dazu tendiert, sich um die Verjüngungen der Sollbruchstellen 43 herum
stärker
um die Mikronadeln 41 zusammenzuziehen.
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Nach
Platzierung der Mikronadeln wurde, wie in 4 dargestellt,
ein Wirkstoffpflaster auf der Haut platziert, das aus einem Wirkstoffspeicher 44 sowie
dem Abdeckpflaster 45 besteht. Das Abdeckpflaster verhindert
ein Eindringen von Keimen und Krankheitserregern. Die Wirkstoffe
aus dem Wirkstoffspeicher diffundieren entweder durch die mikropörose Struktur
der Mikronadeln 41 oder, falls vorgesehen, durch in 4 nicht
dargestellte mittige Bohrungen der kanülenartigen Mikronadeln, durch
die Haut 42 und gelangen so in den Blutkreislauf.