JP2017143963A - マイクロニードルアレイ - Google Patents
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Abstract
Description
医療行為の中で、外傷等の患部への外科的処置のほか、投薬治療では注射器による体内投薬が大きな比率を占める。この注射器による投薬は、通常、医師や看護師のような有資格者が病院で施行するものだが、糖尿病に対するインシュリン投与のように、中には患者自身が在宅で施行することを認められているものもある。
そこで、注射器の代わりに、先端が尖ったマイクロニードル(例えば、直径が0.3〜0.5mmの微小針)を平板上に複数(例えば、30〜300/cm2)有する樹脂製のマイクロニードルアレイを使用することが考えられている。このマイクロニードルアレイの使用にあっては、マイクロニードルが皮下の無痛点の深さに到達可能な長さを有するため無痛であり、また、パッチ式に表皮に貼り当てるだけでよいため患者自身が在宅で投薬できることから、患者への負担が大いに軽減される。
上記したマイクロニードルアレイは、例えば、特許文献1に開示の金型、具体的には、マイクロニードルの形状に対応した凹部が形成された金型を用いて、射出成形により製造できる。これにより、マイクロニードルアレイを、安価に大量生産することが可能となる。
このため、従来の方法で製造したマイクロニードルアレイは、注射器の代わりとして使用するための十分な性能を備えていなかった。
前記各マイクロニードルは先側に、先端に向けて段階的に断面積が減少する多段式尖形形状部を有している。
その結果、注射器の代わりに使用可能な性能を備えたマイクロニードルアレイを、安価に大量生産することが可能となる。
図1、図2(A)に示すように、本発明の一実施の形態に係るマイクロニードルアレイ10は、先側に向けて先細になった複数の樹脂製のマイクロニードル(針又は微小針ともいう)11が、例えば、マイクロニードル11と同一の樹脂を用いて形成された平板12上に分散配置(設定した配置パターンで立設)されたものであって、各マイクロニードル11は先側に、先端に向けて段階的に断面積が減少する多段式尖形形状部13を有している。以下、詳細に説明する。
また、マイクロニードル11は、平板12に立設する円錐台状の基段14と、基段14の上面に立設する、平面視して円形の多段式尖形形状部13とを備えている。なお、基段は、例えば、楕円錐台状や多角錐台状(三角錐台状や四角錐台状等)とすることができ、多段式尖形形状部も平面視して楕円状や多角形状(三角形状や四角形状等)とすることができる。
ここで、マイクロニードル11の先側の多段式尖形形状部13は、図2(A)に示すように、先側に向けて断面積が2〜8段階(図2では4段階)に減少する円柱が積み重なった構成となっており、多段式尖形形状部13の高さHEは、マイクロニードル11の高さHTの4/5〜1/5である。また、多段式尖形形状部13の最先端段15の上断面積SEは、マイクロニードル11の基段14の底断面積SBの0.1/500〜60/500である。
ここで、各段の上面半径riの減少率aiを、各段の高さhiに対する各段の減少量Δriの比Δri/hiで定義すると、多段式尖形形状部13における各段の減少率ai(i=1〜4)は、基段14の側面の傾斜勾配a0に対して一定範囲、例えば、0.9a0〜1.1a0に設定されている。なお、基段14の側面の傾斜勾配a0が基段14の高さ方向に変化する場合、傾斜勾配a1は、多段式尖形形状部の最下段16と連接する基段14の上端側の側面の傾斜勾配又は基段14の側面の平均傾斜勾配とする。
そして、多段式尖形形状部13の高さHEをマイクロニードル11の高さHTの4/5〜1/5、最先端段15の上断面積SEをマイクロニードル11の基段14の底断面積SBの0.1/500〜60/500、各段の上面半径ri(i=1〜4)の減少率aiを基段14の側面の傾斜勾配a0の0.9〜1.1にそれぞれ設定することにより、多段式尖形形状部13の折損を防止(折損し難く)して、穿孔時に痛みを感じさせずに(感じ難くさせて)皮膚を容易に穿孔できる細さと先端角を付与することができると共に、多段式尖形形状部13の各段に存在する平坦部により、多段式尖形形状部13に必要量の薬剤を確実に付着させることが容易にできる。
ここで、複数のマイクロニードル11で構成されるマイクロニードル群17の平板12上の配置領域は、平面視して長方形(正方形でもよい)、円形や楕円形、また、多角形でもよく、長方形であれば長辺が、円形であれば直径が、楕円形であれば長径が、多角形(正多角形)であれば一辺が、例えば、5〜50mm程度となっている。
また、図1において、各マイクロニードル11は平板12上に、平面視して碁盤目状に分散配置されているが、各マイクロニードルを平板上に、例えば、千鳥状に又はランダムに分散配置することもできる。ここで、千鳥状に分散配置するとは、マイクロニードルが一定間隔で直線状に並んだ(立設した)複数の列でマイクロニードル群が構成される場合において、平面視して隣り合う列の間で、一方の列のマイクロニードルが、他方の列の隣り合うマイクロニードルの隙間の中央に対応する位置に配置(立設)することをいう。
なお、マイクロニードル11の形状、寸法、及び、本数、また、平板12へのマイクロニードル11の配置の仕方や配置範囲の各条件は、マイクロニードルアレイ10の使用用途(例えば、人体に必要な投薬量)を満足できれば、特に限定されるものでなく、種々変更できる。
生分解性プラスチックは、微生物により分解されるプラスチックであり、例えば、ポリ乳酸、ポリカプロラクトン、ポリヒドロキシアルカノエート、ポリグリコール酸、変性ポリビニルアルコール、カゼイン、変性澱粉等があるが、特にポリ乳酸が好ましい。このポリ乳酸は、トウモロコシを原料としており、人の体内や自然環境で二酸化炭素と酸素に分解されるという特徴を持っている。このため、マイクロニードルをポリ乳酸製とすることで、マイクロニードルがもし体内で折れてしまっても、体内で分解され吸収されてしまうので,人体に対し安全である。
マイクロニードルアレイ10は、図3に示す射出成形用金型(以下、単に金型ともいう)18を用いて、金型18内に射出成型機で溶融状態の樹脂(以下、溶融樹脂ともいう)を加圧充填することにより製造される。このため、先ず金型18について説明する。
ここで、小径部22の内径(内幅)は小さく、例えば、100μm(0.1mm)以下とすることが好ましい。この内径は、凹部19内に溶融樹脂を充填した(射出成形を行う)際に、この樹脂がガス逃がし孔21側へ流入することを抑制、更には防止しながら、形成されるマイクロニードル11の先端を尖らせることや、使用する樹脂の物性等を考慮することで、設定できる。
なお、ガス逃がし孔21を小径部22と大径部23で構成する場合、凹部19の底の損傷を防止するため、小径部22の軸心方向の長さ(深さ)を、小径部22の内径の1.5倍(更には2.5倍)以上とするのがよい。
金型24は、マイクロニードル11の表面の輪郭形状に対応した複数の凹部19と、凹部19内のガスを凹部19内から外部へ逃がすガス排気手段25とを有している。
これにより、エアー源(図示しない)からエジェクター部27に、常時エアーを供給することで、凹部19内のガスを、ガス逃がし孔26(小径部22、大径部28、及び、排気孔29)を介して、強制的に外部へ排気(ガス抜き)できる。
ここで、短冊型とは、薄板を厚み方向に複数枚積層した分割型であり、貼り合わせた薄板により、マイクロニードル11の形状に対応した凹部19とガス逃がし孔21、26が形成される金型である。また、彫込型とは、一枚の厚板に上記した凹部19とガス逃がし孔21、26を形成した金型である。
なお、凹部19やガス逃がし孔21、26の形成には、射出成形用金型を作製する際に使用する方法、例えば、1)金型部材に直接、凹部(マイクロニードルの形状に対応した針穴)を彫る方法や、2)一旦、マイクロニードルの形状を備えた凸型(マスター金型)を造り、これを電鋳で転写して本型(凹型)を造る方法、等を使用できる。
ここで、上記1)の方法には、例えば、微小ドリルによる彫り込み加工、レーザー加工、放電加工、等を用いることができる。
また、上記2)の方法は、例えば、マイクロニードルの形状が複雑で、上記1)の方法を適用できない場合に使用できる。なお、凸型は、例えば、3Dプリンターを用いて焼結材料により製造できる。
ここで、金型18,24の製造に際し、金型部材に直接、凹部19を彫る場合は、金型部材を構成する金属に、例えば、炭素鋼、ステンレス鋼、耐熱鋼、超合金、合金工具鋼、工具鋼、合金鋼、高速度工具鋼、超硬合金、銅合金、アルミニウム合金、亜鉛合金、シリコン等、又は、例えば、フッ素やチタン等の被覆処理をした汎用金属を使用できるが、金型の耐久性(寿命)を考慮すれば、硬質の炭素鋼等を使用することが好ましい。
また、金型18、24の製造に際し、一旦、マイクロニードルの形状を備えた凸部(マスター金型)を造り、これを電鋳で転写して本型(凹型)を造る場合は、電鋳材料の金属に、Ni、Co、Cu等の電鋳可能な金属や、これら金属の合金等を使用できる。
金型18を図示しない射出成型機に取付け、金型18の各凹部19内に溶融樹脂を充填する。このとき、図3に示すように、溶融樹脂中のガスや凹部19内のガスは、凹部19の底に連通するガス逃がし孔21を介して、凹部19内から外部へ排気される。なお、図4に示す金型24を使用する場合は、凹部19内への溶融樹脂の充填時に、エジェクター部27へ常時エアーを供給することで、ガス逃がし孔26を介して、凹部19内のガスを強制的に外部へ排気できる。これにより、凹部19内の隅々まで、溶融樹脂を行き渡らせることができ、作製したマイクロニードル11では、先側に多段式尖形形状部13が正確に形成される。なお、射出成形を行うに際しては、マイクロニードル11の素材(樹脂の種類)や、本数、形状、及び、寸法等を考慮して、使用する金型の材質や、射出成形の条件(例えば、射出成形圧力や温度)を決定する。
射出成形を行った後、金型18から成形品であるマイクロニードルアレイ10を取り出す。このマイクロニードルアレイ10は、更にマイクロニードル11の表面に、目的に応じた薬剤を塗布することで、製品として使用できる。
例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明のマイクロニードルアレイを構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
例えば、マイクロニードルアレイ全体が樹脂で構成される必要はなく、少なくともマイクロニードルが樹脂で構成されていればよい。
また、マイクロニードルの表面が処理(例えば、粗度の調整、めっき層等のコーティング層の形成等)されていてもよい。
更に、本発明の一実施の形態に係るマイクロニードルアレイは、従来使用されている注射器の代わりに体内への投薬を行うもの(医療用デバイス)であるが、皮膚や頭皮への美容液の投与等に使用することも可能である。
医療行為の中で、外傷等の患部への外科的処置のほか、投薬治療では注射器による体内投薬が大きな比率を占める。この注射器による投薬は、通常、医師や看護師のような有資格者が病院で施行するものだが、糖尿病に対するインシュリン投与のように、中には患者自身が在宅で施行することを認められているものもある。
そこで、注射器の代わりに、先端が尖ったマイクロニードル(例えば、直径が0.3〜0.5mmの微小針)を平板上に複数(例えば、30〜300/cm2)有する樹脂製のマイクロニードルアレイを使用することが考えられている。このマイクロニードルアレイの使用にあっては、マイクロニードルが皮下の無痛点の深さに到達可能な長さを有するため無痛であり、また、パッチ式に表皮に貼り当てるだけでよいため患者自身が在宅で投薬できることから、患者への負担が大いに軽減される。
上記したマイクロニードルアレイは、例えば、特許文献1に開示の金型、具体的には、マイクロニードルの形状に対応した凹部が形成された金型を用いて、射出成形により製造できる。これにより、マイクロニードルアレイを、安価に大量生産することが可能となる。
このため、従来の方法で製造したマイクロニードルアレイは、注射器の代わりとして使用するための十分な性能を備えていなかった。
前記各マイクロニードルは、円錐台状の基段と、前記マイクロニードルの先側に設けられ、前記基段上に該基段から先端に向けて段階的に断面積が減少する2〜8段の円柱が立設された多段式尖形形状部を備え、
しかも、
下からi番目の前記円柱の上面半径r i の、その下側のi−1番目の前記円柱の上面半径r i−1 に対する減少量をΔr i とし、
前記i番目の円柱の上面半径r i の減少率a i を、該i番目の円柱の高さh i に対する前記減少量Δr i の比Δr i /h i とし、
前記基段の上端側の側面の傾斜勾配又は前記基段の側面の平均傾斜勾配からなる前記基段の側面の傾斜勾配をa 0 とした際に、
前記i番目の円柱の上面半径r i の減少率a i が、0.9a 0 〜1.1a 0 に設定されている。
その結果、注射器の代わりに使用可能な性能を備えたマイクロニードルアレイを、安価に大量生産することが可能となる。
図1、図2(A)に示すように、本発明の一実施の形態に係るマイクロニードルアレイ10は、先側に向けて先細になった複数の樹脂製のマイクロニードル(針又は微小針ともいう)11が、例えば、マイクロニードル11と同一の樹脂を用いて形成された平板12上に分散配置(設定した配置パターンで立設)されたものであって、各マイクロニードル11は先側に、先端に向けて段階的に断面積が減少する多段式尖形形状部13を有している。以下、詳細に説明する。
また、マイクロニードル11は、平板12に立設する円錐台状の基段14と、基段14の上面に立設する、平面視して円形の多段式尖形形状部13とを備えている。なお、基段は、例えば、楕円錐台状や多角錐台状(三角錐台状や四角錐台状等)とすることができ、多段式尖形形状部も平面視して楕円状や多角形状(三角形状や四角形状等)とすることができる。
ここで、マイクロニードル11の先側の多段式尖形形状部13は、図2(A)に示すように、先側に向けて断面積が2〜8段階(図2では4段階)に減少する円柱が積み重なった構成となっており、多段式尖形形状部13の高さHEは、マイクロニードル11の高さHTの4/5〜1/5である。また、多段式尖形形状部13の最先端段15の上断面積SEは、マイクロニードル11の基段14の底断面積SBの0.1/500〜60/500である。
ここで、各段の上面半径riの減少率aiを、各段の高さhiに対する各段の減少量Δriの比Δri/hiで定義すると、多段式尖形形状部13における各段の減少率ai(i=1〜4)は、基段14の側面の傾斜勾配a0に対して一定範囲、例えば、0.9a0〜1.1a0に設定されている。なお、基段14の側面の傾斜勾配a0が基段14の高さ方向に変化する場合、傾斜勾配a 0 は、多段式尖形形状部の最下段16と連接する基段14の上端側の側面の傾斜勾配又は基段14の側面の平均傾斜勾配とする。
そして、多段式尖形形状部13の高さHEをマイクロニードル11の高さHTの4/5〜1/5、最先端段15の上断面積SEをマイクロニードル11の基段14の底断面積SBの0.1/500〜60/500、各段の上面半径ri(i=1〜4)の減少率aiを基段14の側面の傾斜勾配a0の0.9〜1.1にそれぞれ設定することにより、多段式尖形形状部13の折損を防止(折損し難く)して、穿孔時に痛みを感じさせずに(感じ難くさせて)皮膚を容易に穿孔できる細さと先端角を付与することができると共に、多段式尖形形状部13の各段に存在する平坦部により、多段式尖形形状部13に必要量の薬剤を確実に付着させることが容易にできる。
ここで、複数のマイクロニードル11で構成されるマイクロニードル群17の平板12上の配置領域は、平面視して長方形(正方形でもよい)、円形や楕円形、また、多角形でもよく、長方形であれば長辺が、円形であれば直径が、楕円形であれば長径が、多角形(正多角形)であれば一辺が、例えば、5〜50mm程度となっている。
また、図1において、各マイクロニードル11は平板12上に、平面視して碁盤目状に分散配置されているが、各マイクロニードルを平板上に、例えば、千鳥状に又はランダムに分散配置することもできる。ここで、千鳥状に分散配置するとは、マイクロニードルが一定間隔で直線状に並んだ(立設した)複数の列でマイクロニードル群が構成される場合において、平面視して隣り合う列の間で、一方の列のマイクロニードルが、他方の列の隣り合うマイクロニードルの隙間の中央に対応する位置に配置(立設)することをいう。
なお、マイクロニードル11の形状、寸法、及び、本数、また、平板12へのマイクロニードル11の配置の仕方や配置範囲の各条件は、マイクロニードルアレイ10の使用用途(例えば、人体に必要な投薬量)を満足できれば、特に限定されるものでなく、種々変更できる。
生分解性プラスチックは、微生物により分解されるプラスチックであり、例えば、ポリ乳酸、ポリカプロラクトン、ポリヒドロキシアルカノエート、ポリグリコール酸、変性ポリビニルアルコール、カゼイン、変性澱粉等があるが、特にポリ乳酸が好ましい。このポリ乳酸は、トウモロコシを原料としており、人の体内や自然環境で二酸化炭素と酸素に分解されるという特徴を持っている。このため、マイクロニードルをポリ乳酸製とすることで、マイクロニードルがもし体内で折れてしまっても、体内で分解され吸収されてしまうので,人体に対し安全である。
マイクロニードルアレイ10は、図3に示す射出成形用金型(以下、単に金型ともいう)18を用いて、金型18内に射出成型機で溶融状態の樹脂(以下、溶融樹脂ともいう)を加圧充填することにより製造される。このため、先ず金型18について説明する。
ここで、小径部22の内径(内幅)は小さく、例えば、100μm(0.1mm)以下とすることが好ましい。この内径は、凹部19内に溶融樹脂を充填した(射出成形を行う)際に、この樹脂がガス逃がし孔21側へ流入することを抑制、更には防止しながら、形成されるマイクロニードル11の先端を尖らせることや、使用する樹脂の物性等を考慮することで、設定できる。
なお、ガス逃がし孔21を小径部22と大径部23で構成する場合、凹部19の底の損傷を防止するため、小径部22の軸心方向の長さ(深さ)を、小径部22の内径の1.5倍(更には2.5倍)以上とするのがよい。
金型24は、マイクロニードル11の表面の輪郭形状に対応した複数の凹部19と、凹部19内のガスを凹部19内から外部へ逃がすガス排気手段25とを有している。
これにより、エアー源(図示しない)からエジェクター部27に、常時エアーを供給することで、凹部19内のガスを、ガス逃がし孔26(小径部22、大径部28、及び、排気孔29)を介して、強制的に外部へ排気(ガス抜き)できる。
ここで、短冊型とは、薄板を厚み方向に複数枚積層した分割型であり、貼り合わせた薄板により、マイクロニードル11の形状に対応した凹部19とガス逃がし孔21、26が形成される金型である。また、彫込型とは、一枚の厚板に上記した凹部19とガス逃がし孔21、26を形成した金型である。
なお、凹部19やガス逃がし孔21、26の形成には、射出成形用金型を作製する際に使用する方法、例えば、1)金型部材に直接、凹部(マイクロニードルの形状に対応した針穴)を彫る方法や、2)一旦、マイクロニードルの形状を備えた凸型(マスター金型)を造り、これを電鋳で転写して本型(凹型)を造る方法、等を使用できる。
ここで、上記1)の方法には、例えば、微小ドリルによる彫り込み加工、レーザー加工、放電加工、等を用いることができる。
また、上記2)の方法は、例えば、マイクロニードルの形状が複雑で、上記1)の方法を適用できない場合に使用できる。なお、凸型は、例えば、3Dプリンターを用いて焼結材料により製造できる。
ここで、金型18,24の製造に際し、金型部材に直接、凹部19を彫る場合は、金型部材を構成する金属に、例えば、炭素鋼、ステンレス鋼、耐熱鋼、超合金、合金工具鋼、工具鋼、合金鋼、高速度工具鋼、超硬合金、銅合金、アルミニウム合金、亜鉛合金、シリコン等、又は、例えば、フッ素やチタン等の被覆処理をした汎用金属を使用できるが、金型の耐久性(寿命)を考慮すれば、硬質の炭素鋼等を使用することが好ましい。
また、金型18、24の製造に際し、一旦、マイクロニードルの形状を備えた凸部(マスター金型)を造り、これを電鋳で転写して本型(凹型)を造る場合は、電鋳材料の金属に、Ni、Co、Cu等の電鋳可能な金属や、これら金属の合金等を使用できる。
金型18を図示しない射出成型機に取付け、金型18の各凹部19内に溶融樹脂を充填する。このとき、図3に示すように、溶融樹脂中のガスや凹部19内のガスは、凹部19の底に連通するガス逃がし孔21を介して、凹部19内から外部へ排気される。なお、図4に示す金型24を使用する場合は、凹部19内への溶融樹脂の充填時に、エジェクター部27へ常時エアーを供給することで、ガス逃がし孔26を介して、凹部19内のガスを強制的に外部へ排気できる。これにより、凹部19内の隅々まで、溶融樹脂を行き渡らせることができ、作製したマイクロニードル11では、先側に多段式尖形形状部13が正確に形成される。なお、射出成形を行うに際しては、マイクロニードル11の素材(樹脂の種類)や、本数、形状、及び、寸法等を考慮して、使用する金型の材質や、射出成形の条件(例えば、射出成形圧力や温度)を決定する。
射出成形を行った後、金型18から成形品であるマイクロニードルアレイ10を取り出す。このマイクロニードルアレイ10は、更にマイクロニードル11の表面に、目的に応じた薬剤を塗布することで、製品として使用できる。
例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明のマイクロニードルアレイを構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
例えば、マイクロニードルアレイ全体が樹脂で構成される必要はなく、少なくともマイクロニードルが樹脂で構成されていればよい。
また、マイクロニードルの表面が処理(例えば、粗度の調整、めっき層等のコーティング層の形成等)されていてもよい。
更に、本発明の一実施の形態に係るマイクロニードルアレイは、従来使用されている注射器の代わりに体内への投薬を行うもの(医療用デバイス)であるが、皮膚や頭皮への美容液の投与等に使用することも可能である。
Claims (4)
- 先側に向けて先細になった複数の樹脂製のマイクロニードルが平板上に分散配置されたマイクロニードルアレイにおいて、
前記各マイクロニードルは先側に、先端に向けて段階的に断面積が減少する多段式尖形形状部を有していることを特徴とするマイクロニードルアレイ。 - 請求項1記載のマイクロニードルアレイにおいて、前記多段式尖形形状部は2〜8段階で断面積が減少していることを特徴とするマイクロニードルアレイ。
- 請求項1又は2記載のマイクロニードルアレイにおいて、前記多段式尖形形状部の高さは、前記マイクロニードルの高さの4/5〜1/5であることを特徴とするマイクロニードルアレイ。
- 請求項3記載のマイクロニードルアレイにおいて、前記多段式尖形形状部の最先端段の上断面積は、前記マイクロニードルの基段の底断面積の0.1/500〜60/500であることを特徴とするマイクロニードルアレイ。
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JP2016026894A JP6581010B2 (ja) | 2016-02-16 | 2016-02-16 | マイクロニードルアレイ |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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