JP2008511382A - 成形微小針 - Google Patents

Abstract

この方法は一般に、側壁と、側壁内の少なくとも１つの開口部とを有する中空の微小突起を成形技術によって製作することに関する。中空の微小突起は、前記微小突起の外側形状を画定する第１の雌型によって、また前記微小突起の内側形状を画定する第２の雄型によって画定される。この方法は、２つの型を接近させた状態で、成形可能な材料をそれらの型の間に注入することを含んでいる。雄型および雌型はそれぞれ、基本的に円柱状の幾何学的形状を有している。型同士を接近させる工程において、型半部同士は横方向に互いに対してオフセットされ、その結果、雌型の内壁と前記領域における雄型との間の距離は、ゼロからある有限の距離の範囲となる。微小突起および微小突起の配列がまた、本発明によって提供される。

Description

本発明は、中空の微小突起を製作する方法に関するものであり、この微小突起は、鋭利な先端部、及び突起の側面にある少なくとも１つの開口部を備える。本発明はまた、医療分野における物質の微量注射などの多数の用途に適した、特に微小針の形式の突起物に関する。

本出願人自身の国際特許出願ＷＯ０３／０１５８６０Ａ１（「Ｍｉｃｒｏ Ｎｅｅｄｌｅｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ Ｔｈｅｒｅｏｆ」）には、側方開口部を有する中空の微小突起を製造する方法が開示されている。そのような突起は、皮膚を通じた薬剤の注射などのための微小針としての使用に適している。

前記ＷＯ公開公報において開示された方法は、シリコン基板などの微細加工に基づいている。

Ａ．Ｅ． Ｇｕｂｅｒらによる記事（「Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｍｉｃｒｏ Ｎｅｅｄｌｅｓ Ｗｉｔｈ Ｔｈｒｏｕｇｈ−ｇｏｉｎｇ Ｃａｐｉｌｌａｒｉｅｓ」、Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２００１、Ｒａｍｓｅｙ ａｎｄ ｖａｎ ｄｅｎ Ｂｅｒｇ編、ｐｐ １５５−１５６）には、微小針を微細複製によって製作する方法が開示されている。深さ１ｍｍの円錐孔部を有する第１の型（モールド）インサートと、その型に嵌まるスズ製の針を収容する第２の型インサートが使用される。第１の型インサートは、微細加工（マイクロ・マシニング）と電鋳とを組み合わせて製作される。第２の型インサートの針は、炭化タングステンを研削し、針を真ちゅう製の本体に挿入することによって製作される。開示した工程の製作物は、内部ルーメン（内空）と円錐先端の開口部とを有する円錐状の突起（針）であり、その開口部はレーザー穴あけで作られる。

これらの従来技術の装置および方法は、技術の発展に寄与したが、依然としていくつかの欠点を有している。ＷＯ０３／０１５８６０Ａ１による装置では、材料の大部分をエッチングする必要があり、すなわち製造のコストが過剰な材料の使用に影響され、言い換えれば、ずらりと並んだ微小針を生産するために大量のバルク材を除去しなければならない。この結果として、製造および加工の時間が長くなり、したがってコストが増大することがある。

Ｇｒｕｂｅｒらが開示した装置は、ある成形技術を用いることによって過剰な材料の使用を不要にしているが、その代わりに相当に複雑な型製作技術を必要とし、開口するには付加的なステップ（レーザー穴あけ）が必要となり、特に、側部を開口した針を製造することが不可能である。

米国特許出願第１０／４１７５４１号（ＵＳ２００３／０２０８１３８Ａ１、２００３年１１月６日発行）に、微小針を実現するための微細複製の方法が開示されている。しかしながら、得られる針は円錐状であり、かつ円錐の頂点に開口部を有し、したがって特定の用途には適さない。

（発明の開示）
したがって、本発明の目的は、過剰な材料を使用する問題を克服する針を製造し、かつ側部に開口部を有する針を実現する方法を提供することである。

この目的は、本発明によれば、請求項１で定義する方法によって達成される。

図面を参照して以下に本発明について説明することにする。

以下の記載によって本発明による方法を説明するが、この記載は、添付の特許請求の範囲によって与えられる保護の範囲を限定するものとはみなされないものとする。

本発明は、ポリマー材料または他の成形可能な材料を使用して、側方開口部を有する微小針を複製する方法に関する。この方法は、微小針の配列全体の複製に使用できる、すなわち説明する方法によって多数の微小針を同時に製造できるという意味で、全体的なものである。

この方法は概して、側壁と、側壁内の少なくとも１つの開口部とを有する中空の微小突起を成形技術によって製作することに関する。中空微小突起は、前記微小突起の外側形状を画定する第１の雌型によって、また前記微小突起の内側形状を画定する第２の雄型によって画定される。

第１の実施形態において、側壁と、側壁内の少なくとも１つの開口部とを有する中空の微小突起を製作する方法は、したがって、前記微小突起の外側形状を画定する基本的に円柱状の雌型を用意するステップを含んでいる。前記微小突起の中空の内側形状を画定する基本的に円柱状の雄型もまた用意される。その雄型は、前記雄型の側壁の少なくとも一部分が、前記雌型の少なくとも一部分に十分に接近しかつ好ましくは接触して所望の側方開口部に対応する領域を画定するように、前記雌型に近づけられる。所望の構造物は、成形可能な材料を前記雄型と雌型との間の空間に満たすことによって成形される。最後に、所望の構造が型から取り出される。前記開口部を形成するために、側方開口部を画定する領域内に存在する可能性のある（成形された）材料が除去される。

言い換えれば、型同士を互いに近づけるステップは、型半部同士を接近させた後に、針の内部を画定する部分が雌型の１つの内面に接近または接触するように、雄型を横方向に雌型に対して移動させることを含んでいる。

材料が自己支持するのに十分に凝固すると、所望の構造物が型から取り出される。

第２の実施形態において、この方法は、２つの型同士が近づけられた状態で、それらの型の間の空間に成形可能な材料を注入することを含んでいる。雄型および雌型はそれぞれ、本質的に円柱状の幾何学的形状を有している。型同士を接近させる工程において、型半部同士は、前記領域における雌型の内壁と雄型との間の距離がゼロからある有限の距離の範囲となるように、互いに対して横方向にオフセットされ（ずらされ）る。開口部を設けるか、または少なくとも前記雌型の側壁のある領域における材料の厚さを残りの側壁と比較して薄くするために、前記距離は型の壁の間の最大距離よりも短くなっており、それによって前記側壁領域に側方開口部を画定している。

必要に応じて、側方開口部を画定する前記領域から、残存した材料を開口部が開かれるまで除去するステップが実施される。

好適には、その構造物は、このようにして製作された成形構造物を型から取り出す前に硬化処理を受ける。

焼結などの硬化処理を型の外側で実施しなければならない場合、この方法は、このようにして製作された成形構造物を硬化処理にさらす前に、その構造物を型から取り出すことをさらに含む。

成形可能な材料は、好適には、好ましくは、熱可塑性材料、熱硬化性ポリマー、ＵＶ硬化性ポリマー、架橋性多成分ポリマーからなる群から選択されたポリマー材料である。

他の実施形態において、成形可能な材料は、結合材と適切に混合されたセラミックスまたは金属粉末である。

好ましくは、側方開口部を開くために材料を除去するステップは、プラズマエッチングなどのエッチング処理を含むが、当業者には不必要な実験を行うことなく他の選択肢が利用可能である。

この処理によって得られる製品は、針などの微小突起要素であり、その微小突起物要素は、開口していない尖った先端部を有する概ね円柱状の中空の本体と、前記円柱状の本体の側壁に沿って延びている少なくとも１つの側方開口部とを備え、好ましくは、ポリマー、セラミックスまたは焼結金属から選択された成形可能な材料でできている。

さらなる態様においては、概ね平坦な基板表面から突出する複数の微小突起要素または針の微小配列（マイクロ・アレイ）が提供される。

本発明による方法は、２つの型すなわち、１）針の外側形状を画定する孔またはくぼみをその表面に含む、図１ａに示す雌型と、２）針の内部ルーメンおよび側方開口部を画定する、図２ａに示す雄型と、を必要とする。

雌型は、金属の電気めっき処理を用いることによって成長させることができ、この電気めっき処理はそれ自体、例えばシリコンマスターを使用する、当業者に周知の技法である。好適な材料はニッケルであるが、他の材料も可能である。シリコンマスターは同様にそれ自体既知のシリコンエッチング法によって製作されるが、当業者であれば、それを製作する好適な方法を見出すことは困難ではないであろう。マスターを製作するためのある手順が、本発明者らの係属中の特許出願ＷＯ０３／０１５８６０に開示されており、この開示内容はそのすべてが本明細書に含まれるものとする。

しかしながら、マスターは、シリコン以外の他の材料で、またはエッチング以外の処理を用いて製作することができる。例えば、シリコンマスターをシリコンなどの弾性材料でコーティングするエラストマー鋳造処理を用いることが可能である。

マスター上に型を成長させるまたは鋳造する代わりに、成形構造物を形成するための支持材料において、型を直接、例えば、フライス削り処理によって、または電食（放電加工）によって加工することもできる。後者の種類の処理に好適な材料は、鋼または他の金属である。使用可能な他の材料には、ポリマー（ＰＭＭＡなどであるが、他のポリマー材料も可能である）およびセラミックスが含まれる。

一実施形態における雌型は、図１ａに示す形体を示す。具体的には、この型は、鋭利な先端部を特徴とし、かつ、少なくとも１つの明確な直径を、好ましくは２つの明確な直径Ｄ１およびＤ２を特徴とする円柱状のマスターから製作される。

マスターの断面はいかなる形状のものであってもよいが、具体的には、円形、矩形、楕円形、三角形、または十字形の形状である。非限定的な例を図１ｂに示すが、実際には任意の形状を用いて特定の要件を満たすことができる。Ｄ１における断面は、Ｄ２における断面と必ずしも同じ幾何学的形状を有する必要がないことに留意されたい。

現在では、雄型は概ね円形の形状であることが大部分の用途に好ましいと考えられている。しかしながら、特定の用途では最適な性能のために他の幾何学的形状が必要となることもあるため、これは限定とみなされないものとする。

円柱状のマスターから製作され、マスターの凸部が逆となった複数のくぼみを含んだ表面側の型を、以下では雌型と呼ぶことにする。この型半部は、形成される微小突起（針）の外側形状を画定する。

複数の突起要素またはピンを備える裏面側の型は、以下では雄型と呼ぶことにする。この型半部は、形成される微小突起物（針）の内側形状を画定する。これは、例えば、上述したものと類似のまたは同一の技術を用いてシリコンマスターから製作され、あるいは、上述したものと同じ方法を用いて成形材料から直接加工することができる。雄型は図２ａに示す外形を示す。この型は円柱（角柱状）状の構造物からなり、この構造物を以下ではピンと呼ぶ。ピンは少なくとも１つの直径Ｄ３を有する。ピンの断面は任意の幾何学的形状を有し得るが、具体的には、円形、楕円形、三角形、矩形、または円の一部分（すなわち、弦とその弦に連結する円の部分とによって画定される領域）であってもよい（図２ｂ参照）。雄型のピンは、複数の特定の幾何学的断面形状を有することができ、すなわち、その幾何学的形状はピンに沿って変化してもよい。しかしながら、その幾何学的形状は、成形によって製作された構造物を型から取り出すことができないように変化することはできない。

好ましい実施形態においては、複製工程は２つのステップで実施される。すなわち、第１に、図３に示すように、２つの型が位置合わせされ、次いで接合される。この段階では、ピンは雌型の壁に接触しない。その後に、第２のステップにおいて、表面および裏面側の型を横方向に互いに対して移動させることによって、ピンは雌型の１つの壁に接触するようになる。この様子を図４に示す。

図４に開示する相対的位置に型同士が固定されると、位置合わせされた型同士の中にポリマー材料が注入される。軸型とピンとが接触する位置において、また接触圧力に応じて、ポリマーが薄膜を形成するか（ポリマー材料が２つの型の間に浸透するため）、または、ポリマーが２つの型の間に浸透することができないために、針内の側方開口部が直接形成される。この様子を図５に示す。

雄型の壁にピンを接触させるための種々異なる変形が利用可能となろう。

双方の型が円柱状に形成されている場合を考える。ここでは、接点は基本的に、２つの異なる直径が接触している線によって定義することにする。それによって、成形材料は注入されると型の内部の空間を満たし、その結果、極めて狭いスリットが、または少なくとも非常に薄い材料厚さを有する非常に狭い部分が設けられる（後者は、先に示したように、材料が型半部同士の間に浸透する場合に発生する）。

型抜きされた構造物を指向されたプラズマエッチングにさらすと、突起（針）に側方開口部が開かれる。

他の選択肢は、雌型の内壁に厳密に適合する表面部分をピンに設けることである。そのような場合、雌型が円形であるときには、雌型の壁と全く同じ曲率を有する表面部分がピンに設けられる。これによって、接触線ではなく接触面が型半部同士の間に形成される。これによって、成形工程の間に側方開口部が直接形成される可能性が増加し、また、仮に必要となっても、プラズマエッチングを非常に迅速に実行して、形成された側方開口部の縁部から過剰材料の「マスキング」を除去することができる。

雌型が平坦な壁を有する場合、すなわち湾曲部を有さない場合、ピンにも平坦な部分を設け、上記の状況と同様に、接触面を形成することができる。

当業者であれば、側方開口部の形状またはデザインに対する要件を満たすように、接触線および／または接触面の取りうる他の組み合わせを思いつくであろう。

たとえば、上部には小さな曲率半径を、さらに下方には雌型の曲率半径に一致する曲率半径を有するピンを備えることが考えられる。これによって、狭い上部とより広い底部とを有する側方開口部が形成される。

完成した成形構造物（微小針）は次いで、図６で分かるように、２つの型同士を引き離すことによって型抜きされる。

側方開口部を形成するために必要な接触を引き起こすために、図３から６に示すように、すなわち型同士を横方向に互いに対してオフセットさせることによってこの方法を実施することが、現在では好ましい実施形態とみなされているが、同じ結果を第２の方式で達成することも可能である。

すなわち、型同士の接触が、図８に概略的に示すように、位置合わせ動作において発生するように、型同士を直接位置合わせすることが可能である。それによって、矢印で示すように型同士が近づけられるときには、突出するピンの場所がピンと雌型との接触に必要な横方向の位置に既にあるように、雄型は雄型に対して簡単に位置合わせされる。

ポリマー材料の薄膜が、なるべき側方開口部の位置に残る場合（たとえば、ピンと軸型との間の接触圧が小さすぎ、その結果、ポリマー材料が、雄型と雌型との間にその接触の時点で浸透することができたため）、針をプラズマエッチャーに配置して、残存するポリマー膜を除去することができる。図７は、プラズマエッチングにさらして膜を除去する様子を示している。

複製工程は多数の異なる材料で実施することができるが、ポリマーが好ましい材料の種類である。ポリマー材料として、例えば熱硬化性ポリマー、熱可塑性樹脂、ＵＶ硬化性ポリマー、架橋性多成分ポリマーを使用することができる。微小針はまた、適切な結合材と適切に混合されたセラミックスまたは金属粉末で複製されてもよい。

本発明による微小突起は多数の用途を有することができ、それらの用途のいくつかは医療分野に見出される。したがって、皮膚を介した薬剤の注射における不快な経験を軽減するために、微小突起は非常に適している。すなわち、１本の粗大な針の代わりに数百または数千の針の配列を使用すると、患者が体験する苦痛は相当に軽減される。

本発明について特定の実施形態に関連して説明したが、当業者には他の多数の変更および修正が見出され、それらの全ては添付の特許請求の範囲内にある。

図１ａは、本発明において使用可能な雌型を断面にした概略側面図である。 図１ｂは、雌型の取りうる様々な断面形状を示す。 図２ａは、本発明において使用可能な雄型を断面にした概略側面図である。 図２ｂは、雄型の取りうる様々な断面形状を示す。 図３は、本発明による方法における型の位置合わせを示す。 図４は、型同士を互いに対してオフセットすることを含む本発明の一実施形態を示す。 図５は、成形可能な材料を型に満たす様子を示す。 図６は、側方開口部を有する中空の微小突起の形の成形構造物を型抜きする様子を示す。 図７は、側方開口部を画定する領域に材料が残存する場合にプラズマエッチングする任意選択によるステップを表す。 図８は、本発明による方法の第２の実施形態を表す。

Claims (14)

1. 側壁と、側壁内の少なくとも１つの開口部と、を有する中空の微小突起を製作する方法において、
   前記微小突起の外側形状を画定する本質的に円柱状の雌型を用意するステップと、
   前記微小突起の中空の内側形状を画定する本質的に円柱状の雄型を用意するステップと、
   前記雄型の側壁の少なくとも一部分が、前記雌型の少なくとも一部分に十分に接近しかつ好ましくは接触して所望の側方開口部に対応する領域を画定するように、前記雄型を前記雌型に接近させ、前記雌型の内壁と前記領域における前記雄型との間の距離がゼロからある有限の距離の範囲となるように、型半部同士を横方向に互いに対してオフセットさせ、開口部を設けるかまたは少なくとも前記側壁領域における材料の厚さを残りの側壁と比較して薄くするために、前記距離が前記型の壁の間の最大距離よりも短くなっており、それによって前記雌型の側壁のある領域に側方開口部が形成されるステップと、
   成形可能な材料を前記雄型と雌型との間の空間に満たすことによって所望の構造物を成形するステップと、
   前記所望の構造物を前記型から取り出すステップと、
   前記開口部を形成するために、前記側方開口部を画定する領域内に存在しうる成形された材料を除去するステップと、
   を含む方法。
2. 請求項１に記載の方法において、このようにして形成された前記成形構造物を前記型から取り出す前に、前記構造物を硬化処理にさらすことを含む方法。
3. 請求項２に記載の方法において、前記成形可能な材料がポリマー材料である方法。
4. 請求項３に記載の方法において、前記ポリマーが、熱可塑性材料、熱硬化性ポリマー、ＵＶ硬化性ポリマー、架橋性多成分ポリマーからなる群から選択される方法。
5. 請求項１に記載の方法において、このようにして形成された前記成形構造物を、前記構造物を硬化処理にさらす前に、前記型から取り出すことを含む方法。
6. 請求項５に記載の方法において、前記成形可能な材料がセラミックスまたは金属粉末である方法。
7. 請求項６に記載の方法において、前記成形可能な材料が適切な結合材と混合される方法。
8. 請求項７に記載の方法において、前記成形構造物が、型からの取り出し後に、かつ前記側方開口部を画定する前記領域内の材料を除去するステップの前に焼結される方法。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法において、材料を除去するステップがエッチング処理を含む方法。
10. 請求項９に記載の方法において、前記エッチング処理がプラズマエッチングを含む方法。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法において、前記型同士を互いに接近させるステップが、前記針の内部を画定する部分が前記雌型の１つの内面に接近するかまたは接触するように、前記型半部同士を接近させた後に、前記雄型を横方向に前記雌型に対して移動させることを含む方法。
12. 開口していない先端部を有する概ね円柱状の中空の本体と、前記円柱状の本体の側壁に沿って延びている少なくとも１つの側方開口部と、を備え、成形可能な材料でできた微小突起。
13. 請求項１３に記載の微小突起において、前記成形可能な材料が、ポリマー、セラミックスまたは焼結金属から選択される微小突起。
14. 請求項１２または１３に記載の複数の微小突起要素の微小配列において、前記要素が概ね平面状の基板表面から突出する微小配列。

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