KR20210042179A - 디지털 미세유체 전달 디바이스 - Google Patents

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KR20210042179A
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이 잉크 코포레이션
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Abstract

활성 분자 전달 시스템으로서, 이로써 활성 분자들이 요구시에 방출될 수 있고 및/또는 다양한 상이한 활성 분자들이 동일한 시스템으로부터 전달될 수 있고 및/또는 상이한 농도들의 활성 분자들이 동일한 시스템으로부터 전달될 수 있다. 본 발명은 경피적으로 환자에게 약물을 전달하기에 매우 적합하다. 일부 실시형태들에서, 시스템은 두 개의 별개의 저장소들 및 하나의 혼합 영역을 포함하며, 이에 의해 전구체가 경피 전달 직전에 혼합되도록 한다.

Description

디지털 미세유체 전달 디바이스
본 출원은 2018년 10월 15일에 출원된 공동 계류중인 미국 가특허 출원 제62/745,718호를 우선권 주장한다. 본원에 개시된 모든 특허, 공보 및 계류중인 출원은 그 전체가 본원에 참조로 통합된다.
디지털 미세유체 디바이스들은 독립적인 전극들을 사용하여 한정된 환경에서 액적들을 추진, 분리 및 결합함으로써, "랩-온-칩 (lab-on-a-chip)" 을 제공한다. 디지털 미세유체 디바이스들은 대안으로 전기영동 플로우 및/또는 마이크로펌프들에 의존하는 경쟁하는 미세유체 시스템들과 방법을 더 차별화하기 위해 유전체 상의 전기습윤 또는 "EWoD" 로서 지칭된다. 전기습윤 기술에 대한 2012 년 검토는 "Digital Microfluidics," Annu. Rev. Anal. Chem. 2012, 5:413-40 에서 Wheeler 에 의해 제공되었고, 이는 그 전부가 본원에 참조로 통합된다. 이 기법은 샘플 준비, 분석, 및 합성 화학이 아주 적은 양의 샘플들 및 시약들로 수행될 수 있도록 한다. 최근에, 전기습윤을 사용하는 미세유체 셀들에서 제어된 액적 조작은 상업적으로 실행가능하게 되었고; 이제 Oxford Nanopore 와 같은 큰 생명 과학 회사로부터 입수가능한 제품들이 있다.
EWoD 에 대한 대부분의 문헌 보고서들은 이른바 "패시브 매트릭스" 디바이스들 (일명 "세그먼트화된" 디바이스들) 을 수반하며, 이에 의해 10 내지 20 개의 전극들이 제어기로 직접 구동된다. 세그먼트화된 디바이스들은 제조가 용이하지만, 전극들의 수는 공간 및 구동 제약들에 의해 제한된다. 따라서, 패시브 매트릭스 디바이스들에서는, 대규모 병렬 분석들, 반응들 등을 수행하는 것이 가능하지 않다. 이에 비해, "액티브 매트릭스" 디바이스들 (일명 액티브 매트릭스 EWoD, 일명 AM-EWoD) 디바이스들은 수천, 수십만 또는 심지어 수백만 개의 어드레스가능 전극들을 가질 수 있다. 전극들은 통상적으로 박막 트랜지스터들 (TFT) 에 의해 스위칭되며 액적 모션은 프로그램가능하므로 AM-EWoD 어레이들이 다중 액적들을 제어하고 동시에 분석 프로세스들을 실행하기 위한 대자유를 허용하는 범용 디바이스들로서 사용될 수 있다.
전계 누설에 대한 제한적인 요건들 때문에, 최첨단 AM-EWoD 디바이스들은 다결정 실리콘 (일명 폴리 실리콘, 일명 폴리-Si) 으로 구성된다. 그러나, 폴리실리콘 제조는 비정질 실리콘 제조, 즉 LCD 디스플레이 산업을 위한 대량 생산된 액티브 매트릭스 TFT들에서 사용되는 타입보다 실질적으로 더 비싸다. 폴리실리콘 제조 공정들은 폴리실리콘으로 작업하기 위한 고유한 취급 및 제조 단계들이 있기 때문에 더 비싸다. 폴리실리콘으로 디바이스들을 제조하도록 구성된 설비들은 전세계적으로 더 적다. 그러나, 폴리실리콘의 개선된 기능 때문에, Sharp Corporation 은 단일 액티브 매트릭스 상에서 추진, 센싱 및 가열 능력들을 포함하는 AM-EWoD 디바이스들을 달성할 수 있었다. 예를 들어, 미국 특허 제 8,419,273, 8,547,111, 8,654,571, 8,828,336, 9,458,543 호를 참조하며, 이들 모두는 그 전부가 참조로 본 명세서에 통합된다. 복잡한 폴리-Si AM-EWoD 의 예가 도 1에 도시되어 있다.
생리활성 물질의 경피 전달은 잘 확립된 기술이다. 가장 간단한 실시형태들에서, 생물학적-활성 성분 (일반적으로 약 1000 미만의 분자량을 갖는 분자) 은 환자의 피부와 접촉하도록 배치되는 중합성 매트릭스 또는 겔에 포함된다. 분자의 침투는 수동적 확산에 의해 종종 수 시간의 기간에 걸쳐 일어난다. 약물 전달의 개시는 패치를 피부에 적용하는 것에 의한 것이다. 하지만, 현재의 기술 상태에서는, 활성 성분의 전달 속도를 하나의 특정 패치로부터 조절하는 것이 어렵다.
본 발명은 활성 분자들이 디지털 미세유체 플랫폼에 의해 로딩되고 요구에 따라 방출될 수 있는 저전력 경피 전달 시스템을 제공함으로써 이러한 요구를 해결한다. 추가로, 아래에 기술된 바와 같이, 본 발명은 상이한 시간에 동일한 전달 시스템으로부터 다양한 농도의 활성 분자를 전달하고, 동일한 패치로부터 동일한 또는 상이한 시간에 다수의 약물을 전달하기 위한 시스템을 제공한다.
본 발명은 활성제 (즉, 약물) 를 저장소 (reservoir) 에 필요할 때까지 보유한 후, 피부와 접촉하는 다공성 확산층 (예를 들어, 약물 전달 겔) 으로 이동시키는 것에 의해 작동한다. 일 양태에서, 본 발명은 제 1 기판, 제 2 기판, 스페이서, 다공성 확산층 및 제어기를 포함하는 활성 분자 전달 시스템이다. 제 1 기판은 복수의 구동 전극들, 복수의 전극들을 덮는 유전체 층, 및 유전체 층을 덮는 제 1 소수성 층을 포함한다. 제 2 기판은 공통 전극 및 공통 전극을 덮는 제 2 소수성 층을 포함한다. 스페이서는 제 1 및 제 2 기판들을 분리하고 제 1 및 제 2 기판들 사이에 미세유체 영역을 생성한다. 다공성 확산층은 제 1 소수층에 대향하는 기판 측의 제 1 기판에 커플링되고, 제 1 기판은 소수성 층과 다공성 확산층 사이에 유체 연통을 제공하는 통로를 포함한다. 제어기는 구동 전극들에 동작적으로 커플링되고, 적어도 2개의 구동 전극들 사이에 전압 구배를 제공하도록 구성된다. 다공성 확산층은 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리비닐 알코올, 셀룰로오스, 폴리(N-이소프로필아크릴아미드) (poly(N-isopropylacrylamide), PNIPAAm), 폴리(락틱-코-글리콜산) (poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA), 폴리비닐리덴 클로라이드, 아크릴로니트릴, 비정질 나일론, 배향 폴리에스테르, 테레프탈레이트, 폴리 염화 비닐, 폴리에틸렌, 폴리부틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이소부틸렌, 또는 폴리스티렌과 같은 다양한 물질로 구성될 수도 있다. 전형적으로, 저장소는 100 nL 보다 큰 부피를 갖고, 다공성 확산층은 1 nm 내지 100 nm 의 평균 기공 크기를 갖는다. 일부 실시형태들에서, 디바이스는 복수의 통로들을 포함한다. 일부 실시형태들에서, 통로는 모세관 (capillary tube) 또는 섬유와 같은 위킹 물질 (wicking material) 을 포함한다. 일부 실시형태들에서, 다공성 확산층은 생체적합성 접착제에 의해 대상체에 커플링된다.
통상적으로, 활성 분자는 제약 화합물이지만, 본 발명의 시스템은 호르몬, 기능식품, 단백질, 핵산, 항체 또는 백신을 전달하는데 사용될 수 있다. 본 발명은 복수의 저장소들을 포함할 수 있고, 디바이스는 성분들을 투여하기 전에 성분들을 혼합하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상이한 혼합물들 또는 상이한 농도들을 갖는 유사한 혼합물들을 함유하는 동일한 디바이스 내에 상이한 저장소들을 갖는 것이 가능하다. 예를 들어, 시스템은 제 1 활성 분자들의 혼합물을 함유하는 제 1 저장소 및 제 2 활성 분자들의 혼합물을 함유하는 제 2 저장소를 포함할 수 있거나, 또는 시스템은 제 1 농도의 활성 분자들을 함유하는 제 1 저장소 및 제 2 농도의 동일한 활성 분자들을 함유하는 제 2 저장소를 포함할 수 있다. 다른 실시형태들에서, 시스템은 활성 분자들의 혼합물을 함유하는 제 1 저장소 및 보조제 및/또는 피부 침투액을 함유하는 제 2 저장소를 포함할 수도 있다. 활성 분자, 작용제 및 농도의 다른 조합은 당업자에게 명백할 것이다.
본 발명은 활성 분자 전달 시스템을 제어하기 위한 제어기를 추가로 포함한다. 이 제어기는 전술한 바와 같은 활성 분자 전달 시스템을 포함하며, 즉, 제 1 충전 위상 및 제 1 위상과 반대로 충전되거나 충전되지 않고 비혼합성인 제 2 위상에서 분산된 활성 분자의 혼합물, 또는 활성 분자 및 충전된 입자의 혼합물을 포함한다. 제어기는 또한 전압원으로부터 활성 분자 전달 시스템으로의 흐름을 차단하도록 구성된 스위치를 포함할 수도 있다. 스위치는 기계식 스위치 또는 디지털 스위치일 수도 있으며, 제어기는 스위치를 제어하기 위한 프로세서를 포함할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 제어기는 무선 수신기 및 무선 송신기를 포함하여, 제어기가 스마트 폰, 도킹 스테이션, 스마트 워치, 피트니스 추적기 등과 같은 디바이스와 인터페이싱되게 할 것이다.
본 발명의 디바이스들은 활성 분자들을 대상체의 피부에 전달하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 디바이스를 사용하여, 다공성 확산층은 대상체의 피부에 커플링될 수 있고, 활성 분자를 포함하는 용액은 구동 전극으로부터 소수성 층과 다공성 확산층 사이에 유체 연통을 제공하는 제 1 통로로 이동될 수 있으며, 활성 분자는 다공성 확산층으로부터 대상체의 피부로 통과하도록 허용된다. 일부 실시형태들에서, 활성제는 복수의 구동 전극들과 유체 연통하는 제 1 저장소 내에 보유되고, 활성 분자를 포함하는 용액은, 활성 분자를 포함하는 용액이 전달을 위해 요구될 때까지 저장소 내에 보유된다. 일부 실시형태들에서, 디바이스는 두 개의 분리된 저장소들 및 하나의 혼합 영역을 가지며, 활성 분자는 환자에게 전달된다. 제 1 저장소는 제 1 전구체 용액을 포함하고, 제 2 저장소는 제 2 전구체 용액을 포함하며, 전달 기능은 제 1 전구체 분자와 제 2 전구체 분자를 혼합하여 혼합물을 생성하고, 그 혼합물을 소수성 층과 다공성 확산 층 사이에 유체 연통을 제공하는 통로로 이동시키는 것을 포함한다.
도 1 은 동일한 액티브 매트릭스 상에 추진 (propulsion) 및 센싱을 모두 포함하는 종래 기술의 EWoD 디바이스를 나타낸다.
도 2 는 인접 전극들 상에 상이한 전하 상태들을 제공하는 것에 의해 인접 전극들 사이의 수성상 (aqueous-phase) 액적의 이동을 도시한다.
도 3 은 디바이스가 오프 상태에 있는 경우, 즉 활성물이 로딩되지 않은 경우의 본 발명의 단면을 도시한다.
도 4 는 디바이스가 온 상태에 있는 경우, 즉 활성물이 로딩된 경우의 본 발명의 단면을 도시한다.
도 5 는 활성 물질의 저장소, 구동 전극들, 통로 및 다공성 확산층을 포함하는 본 발명의 디바이스의 평면도이다. 도 5 는 활성 분자를 포함하는 용액을 분배하고, 액적들을 통로들을 향해 이동시키고, 통로들을 향해 이동시키며, 액적들을 다공성 확산층 내로 분배하는 것을 단계적으로 (step-by-step) (바닥에서 상부로) 도시한다.
도 6 은 본 발명의 디바이스를 예시하며, 여기서 각각의 통로는 단지 단일 저장소에 커플링된다. 일부 실시형태들에서, 각각의 저장소는 상이한 농도의 활성 분자들을 함유하여, 이로써 투여량이 동적으로 제어될 수 있게 한다.
도 7 은 두 개의 상이한 저장소들이 혼합 영역에 커플링되어 두 성분 "A" 및 "B"가 다공성 확산층으로 전달되기 전에 혼합될 수 있게 하는 본 발명의 디바이스를 예시한다.
도 8 은 구동 전극들이 가요성이어서 전달 디바이스가 사지 (limb), 예를 들어, 팔 또는 다리 주위에 감길 수 있게 하는 본 발명의 전달 디바이스를 예시한다.
본 발명은, 활성 분자가 요구시에 방출될 수 있고 및/또는 다양한 상이한 활성 분자가 동일한 시스템으로부터 전달될 수 있고 및/또는 상이한 농도의 활성 분자가 동일한 시스템으로부터 전달될 수 있는, 활성 분자 전달 시스템을 제공한다. 본 발명은 약제를 환자에게 경피로 전달하는데 적합하지만, 본 발명은 일반적으로 활성 성분을 동물에게 전달하는데 사용될 수도 있다. 활성 전달 시스템은 복수의 저장소(들)를 포함하고, 여기서 저장소(들)는 활성 분자들을 전달하기 위한 매질로 충진된다. 일부 실시형태에서 매질은 제 1 충전 위상 및 상기 제 1 위상과 반대로 충전되거나 충전되지 않고 비혼합성인 제 2 위상에서 분산된 활성 분자를 포함한다.
경피 전달을 위한 관심 대상인 하나의 분자는 오피오이드 마약의 과다투여의 효과를 방지하거나 감소시키는데 사용되는 경쟁적 오피오이드 수용체 길항제인 날록손 (naloxone) 이다. 날록손은 입에 의해 취해질 때 불량하게 흡수되고, 전형적으로 주사에 의해 또는 비강 스프레이에 의해 투여된다. 불행하게도, 약물의 효과는 약 1시간 미만 후에 감소하며, 긴 기간에 걸쳐 치료 수준을 유지하기 위해 여러 용량의 투여를 필요로 한다. 그러나, 종래 기술에서는, 약 40 cm2 면적의 경피성 패치를 사용하는 것이 약 4-48 시간의 기간에 걸쳐 날록손의 유용한 혈장 농도를 유지할 수 있다는 것이 제안되었다. 예를 들어, Panchagula, R., Boalial, R., Sharma, P. 및 Khandavilli, S., International Journal of Pharmaceutics, 293 (2005), 213-223을 참조한다. 따라서, 초기 주사 용량과 장기간 작용하는 경피 주입의 조합은 환자가 다중 주사를 받는 것을 피하면서 날록손의 치료 농도를 유지하기 위한 실용적인 수단을 제공할 수 있다.
법 집행 요원을 비롯한 군·민간인 초동 대응자들은 기존 의료에 대한 접근이 불가능할 수 있는 위험한 상황들에서 고농도의 오피오이드 마약제에 노출될 가능성에 직면한다. 이상적으로, 이들은 날록손 (또는 유사한 약물) 의 초기 볼루스 (initial bolus) 를 자가-투여할 수 있고, 동시에 유지 용량의 장기간 방출을 트리거할 수 있다. 심지어 일부 상황들에서는, 특히 영향을 받은 개인의 독자적인 기능 능력이 손상되었을 때, 약물 방출이 원격으로 트리거되어야 할 수도 있다. 이러한 상황들에서, 전달되어야 하는 약물이 어떤 방식으로든 이용가능하지 않은 상태에서는 사전-적용된 경피 패치를 사용하는 것이 바람직할 것이다. 트리거링 이벤트 (triggering event) 는 약물을 방출하여, 그것이 피부를 통해 확산되기 시작할 수 있게 한다. 물론, 전달 디바이스는 이들 실시예들에 한정되지 않고, 예를 들어 호르몬, 약효식품 (nutraceuticals), 단백질, 핵산, 항체, 또는 백신을 전달하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 디바이스는 전기습윤 온 유전체 (electrowetting on dielectric; EWoD) 를 사용하여 활성제의 수성 액적을 이동시킴으로써 기능한다. EWoD 디바이스의 기본적인 동작은 도 2 의 단면 이미지에 예시된다. EWoD (200) 는 오일 (202) 및 적어도 하나의 수성 액적 (204) 으로 채워진 셀을 포함한다. 셀 갭은 통상적으로 50 내지 200 μm의 범위이지만, 갭은 더 클 수 있다. 도 2 에 도시된 바와 같은 기본 구성에서는, 복수의 구동 전극들 (205) 이 일 기판 상에 배치되고 단일 상부 전극 (206) 이 대향 표면 상에 배치된다. 셀은 부가적으로 오일층과 접촉하는 표면들 상에 소수성 코팅들 (207) 뿐만 아니라, 구동 전극 (205) 과 소수성 코팅 (207) 사이의 유전체 층 (208) 을 포함한다. (상부 기판은 또한 유전체 층을 포함할 수도 있지만, 도 2 에는 도시되어 있지 않다). 소수성 층은 액적이 표면을 습윤시키는 것을 방지한다. 인접 전극들 사이에 차동 전압이 인가되지 않을 때, 액적은 구면형 형상을 유지하여 소수성 표면들 (오일 및 소수성 층) 과의 접촉을 최소화할 것이다. 액적들이 표면을 습윤시키지 않기 때문에, 이들은 그 거동이 요망될 때를 제외하고 표면을 오염시키거나 다른 액적들과 상호작용할 가능성이 적다.
유전체 및 소수성 기능들 양자 모두를 위한 단일층을 갖는 것이 가능하지만, 이러한 층들은 통상적으로 저 유전 상수를 야기하면서 두꺼운 무기층들을 필요로 함으로써, 액적 이동을 위해 100V 보다 큰 것을 요구한다. 저 전압 액츄에이션을 달성하기 위해, 높은 커패시턴스에 대해 얇은 무기층을 갖고 핀홀이 없으며, 얇은 유기 소수성 층으로 토핑되는 것이 더 양호하다. 이러한 조합으로 +/-10 ~ +/-50V 범위의 전압에 의한 전기습윤 동작을 갖는 것이 가능하며, 이는 종래 TFT 제어기들에 의해 공급될 수 있는 범위에 있다.
인접 전극들 사이에 차동 전압이 인가될 때, 일 전극 상의 전압은 유전체-대-액적 계면에서의 액적에서 반대 전하들을 끌어당기고, 도 2 에 도시된 바와 같이, 액적은 이 전극을 향해 이동한다. 허용가능한 액적 추진을 위해 필요한 전압은 유전체 및 소수성 층들의 특성들에 의존한다. AC 구동은 다양한 전기화학들에 의한 액적들, 유전체들 및 전극들의 열화를 감소시키는데 사용된다. EWoD 에 대한 동작 주파수는 100 Hz 내지 1 MHz 범위일 수 있지만, 동작 속도가 제한된 TFT들과의 사용을 위해 1 kHz 이하의 낮은 주파수가 바람직하다.
도 3 은 피부 (380) 상에 배치될 때 단면 형태 (축적 배율이 아님) 로 본 발명의 활성 분자 전달 디바이스 (300) 의 작동 원리를 보여준다. 디바이스 (300) 는 가요성 기판일 수 있는 하나 이상의 기판 (310/315) 상에 구성된다. 공통 전극 (340) 은 스페이서 (330) 에 의해 구동 전극 (345) 과 이격된다. 전달될 활성 분자 (약물) 는 비상용성 용매 (325) (예를 들어, 탄화수소, 실리콘, 또는 플루오르화된 유기 오일) 에 현탁된 수적 (water drop) (320) 에 용해된다. 전술한 바와 같이, 공통 전극 (340) 및 구동 전극 (345) 에 대한 적절한 전압의 인가는 다공성 확산층 (370) 에 커플링되는 통로 (360) 를 향해 수적 (320) 을 측방향으로 (좌측에서 우측으로) 이동시키기 위해 사용될 수 있다. 수적 (320) 의 이동을 용이하게 하기 위하여, 공통전극 (340) 의 하부 및 구동 전극 (345) 의 상부에는 소수성 층 (335) 이 제공된다. 유전체 층 (350) 은 소수성 층 (335) 과 구동 전극 (345) 사이의 중간에 있다.
본 발명의 디바이스는 구동 전극 (345) 을 통하거나 그에 인접한 하나 이상의 통로 (360) (즉, z-방향의 채널) 를 포함한다. 수적 (320) 이 도 4 에 도시된 바와 같이 이러한 통로 (360) 위에 위치될 때, 활성 분자는 통로 (360) 를 통해 전달 표면, 예를 들어 환자의 피부 (380) 와 접촉하는 다공성 확산층 (370) 으로 이동할 수 있다. 이 위치에서, 확산 접촉은 피부 (380) 와 접촉하는 다공성 확산층 (370) 과 수적 (320) 사이에 확립된다. 전형적으로, 통로 (360) 는 소수성 표면 (335) 으로부터 다공성 확산층 (370) 으로의 용매 및 활성 혼합물의 이동을 용이하게 하는 구조를 포함할 것이다. 예를 들어, 통로는 위킹 섬유 (wicking fiber), 셀룰로오스 또는 면 (cotton) 과 같은 모세관 작용을 통해 친수성 물질을 이동시키는 물질을 포함할 수 있다. 이러한 물질들은 전기 습윤 표면으로부터 다공성 확산층 (370) 으로 수용액의 이동을 용이하게 하기 위해 추가적인 소수성 코팅으로 코팅될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 생체적합성 접착제 (도시되지 않음) 가 다공성 확산층에 적층될 수 있다. 생체적합성 접착제는 디바이스가 사용자에게 이동 불가능한 것을 유지하면서 활성 분자가 통과하게 할 것이다. 적합한 생체적합성 접착제는 3M (Minneapolis, MN) 으로부터 입수가능하다.
도 5 는 상부 전극 및 상부 기판이 제거된 것처럼 보이는 본 발명의 활성 분자 전달 디바이스 (active molecule delivery device) (500) 의 실시형태의 상면도를 도시한다. 디바이스 (500) 는 기판 (515), 구동 전극들 (545), 통로들 (560), 및 다공성 확산층 (570) 을 포함한다. 디바이스는 추가로 트레이스 (547) 를 갖는 구동 전극 (545) 에 커플링된 제어기 (543) 를 포함한다. 도 5 에 도시된 바와 같이, 전달될 표적 분자 (약물) 를 함유하는 친수성 액체는 저장소 (590), 즉 피부와 접촉하는 다공성 확산층으로부터 떨어진 디바이스의 영역 내에 위치된다.
활성 분자를 포함하는 용액의 전달 순서는 하부 구동 전극에서 상부 구동 전극까지 이어지는 도 5 에 도시되어 있다. 초기에, 액적들 (520) 은 저장소 (590) 로부터 스냅 오프되어, 전달될 투여량 (액적들의 농도 x 부피 x 수) 을 결정한다. 액적들 (520) 은 액적들이 하나 이상의 통로들 (560) 에 인접할 때까지 전진되고, 그 결과 통로 (560) 를 둘러싸는 보조 구동 전극 (548) 이 직교 전기습윤을 사용하여 액적들 (520) 을 통로들 (560) 위로 이동시키는데 사용된다. 통로 (560) 의 위킹 작용 (wicking action) 으로 인해, 액적들 (520) 은 통로 (560) 내로 그리고 통로 (560) 를 통해 이동할 것이며, 그 결과 액적은 아래의 다공성 확산층 (570) 으로 전달된다. 따라서, 저장소(들) (590) 내의 활성 성분들은 다공성 확산층 내로 이동될 수 있다.
통로 (560) 에 대한 구동 전극들 (545) 의 다양한 배치들을 상상할 수 있다. 도 6 에 도시된 제 2 실시형태에서, 전기습윤력은 저장소 (690) 로부터 유체 (620) 를 빼내고 그것을 통로 (660) 로 직접 이송하는데 사용된다. 디바이스 (600) 는 기판 (615), 구동 전극들 (645), 통로들 (660), 및 다공성 확산층 (670) 을 포함한다. 디바이스는 추가로 트레이스 (647) 를 갖는 구동 전극 (645) 에 커플링된 제어기 (643) 를 포함한다. 하지만, 도 6에서는 직교 모션이 필요하지 않다. 구동 전극들 (645) 과 다공성 확산층 (670) 사이의 적합한 물질에 의해 제공되는 모세관력은 저장소 (690) 로부터 유체 (620) 를 회수한다. 유체 (620) 가 연속적인 것으로 도시되지만, 유체는 도 5에서와 같이 액적들로 전달될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 도 6 에 도시된 바와 같이, 각각의 통로 (660) 는 독특한 저장소 (690) 에 커플링된다. 이는 각각의 저장소가 단일 용량으로서 작용하게 하여, 시스템의 복잡성을 감소시키고, 예를 들어, 특정 투여량의 특정 부피의 특정 수의 액적들이 스냅 오프되어 전달되어야 한다. 예를 들어, 디바이스 (600) 는 7개의 동일한 저장소를 포함할 수 있고, 제어기 (643) 는 7일 연속 동안 매일 아침 하나의 저장소의 내용물을 투여하도록 구성된다. 대안적으로, 상이한 저장소들 (690) 은 각각 상이한 농도의 동일한 활성제를 함유할 수 있어서, 예를 들어, 대상체는 활성제의 제 1 의 더 강한 용량을 수용하고, 그후 하루 동안 하나 이상의 더 낮은 농도 유지 용량들을 수용할 수 있다. 이러한 디바이스는 호르몬을 전달하기에 특히 적합할 수 있다.
도 7 에는, 디바이스 (700) 가 기판 (715), 구동 전극 (745), 통로 (760) 및 다공성 확산층 (770) 을 포함하는, 본 발명의 또 다른 실시형태가 도시되어 있다. 제어기가 도시되지 않았지만, 구동 전극들 (745) 의 기능을 조정하기 위한 제어기가 필요한 것으로 이해된다. 도 7 은 활성 분자를 전달하기 전에 "온 칩 (on chip)" 반응을 할 수 있음을 보여준다. 도 7 에 도시된 바와 같이, 제 1 저장소 "A" (791) 및 제 2 저장소 "B" (792) 는 모두 혼합 영역 (793) 과 유체 연통한다. 제 1 전구체 분자는 제 1 저장소 (791) 내의 제 1 용액에 포함될 수 있는 반면, 제 2 전구체 분자는 제 2 저장소 (792) 내의 제 2 용액에 포함될 수 있다. 활성제를 투여하기 전에, 제 1 용액 및 제 2 용액이 혼합 영역 (793) 으로 도입되고, 여기서 이들은 혼합되어 표적 활성제를 생성하며, 이는 그후 전술한 방법으로 다공성 확산층 (770) 으로 전달된다.
다공성 확산층 (770) 에 표적 활성제를 전달하기 전에 전구체들을 혼합할 수 있는 능력을 갖는 디바이스 (700) 에 많은 이점이 있다. 예를 들어, 제 1 전구체는, 다공성 확산층을 통한 전달에 적합하지 않은 용액들에서의 저장을 위해 안정화되어야 하는 항체 또는 올리고뉴클레오티드와 같은 민감성 생물학적 제제일 수 있다. 따라서, 생물학적 제제를 전달하는 것이 적절할 때, 제 1 저장소 (791) 로부터 생물학적 제제가 활성화, 세척 또는 전달을 위해 표적화될 수 있는 혼합 영역 (793) 으로 (예를 들어, 프로모터, 마커, 또는 다른 표적 특이적 분자와의 컨쥬게이션을 통해) 양이 전달된다. 이러한 구성들은 생물학적 제제의 저장 수명을 크게 증가시킬 수 있고, 환자가 정맥 주사를 통해 생물학적 전달을 하기 위해 클리닉에 가야 하는 것을 회피할 수 있다. 다른 대안들에서, 제 1 전구체 및 제 2 전구체는 오피오이드 (opioid) 를 생성하기 위해 조합되는 프로드러그 (prodrug) 들일 수 있다. 본 발명의 디바이스를 이용하면, 디바이스 및 적절한 보안 인가 (security authorization) 를 갖는 사용자들 만이 오피오이드를 생성하기 위해 전구체들을 조합할 수 있기 때문에, 불법 오피오이드 투여 (illegal opioid administration) 를 방지하는 것이 가능할 수 있다.
도 7 의 시스템은 또한 시간이 지남에 따라 서로를 비활성화시키는 활성 분자를 포함하는 소위 "약물 칵테일 (drug cocktail)"을 전달하는데 적합할 수 있고, 전형적으로 클리닉, 예를 들어 화학요법 클리닉에서 투여되어야 한다. 도 7 의 시스템은 또한 예를 들어 환자 자신의 세포들을, 항체들 등을 전달하는데 사용될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 환자 자신의 생물학적 물질은 제 1 저장소에 유지될 수 있고, 치료제를 전달하는 것이 적절할 때, 환자 자신의 생물학적 물질은 다공성 확산층으로 전달되기 전에 다른 활성 성분과 조합되는 혼합 영역으로 이동된다.
제어기 (543, 643, 743) 는 전기습윤 이동을 개시하는데 필요한 배터리 및 전자기기, 및 적절한 전자기기/안테나 등과 같은 외부 세계와 통신하는 수단을 포함할 수 있다. 바람직한 배열들에서는, 전기 신호를 인가하지 않고 약물을 포함하는 수적들을 통로로 전달하는 것이 가능하지 않을 것이다. 이는 활성화되지 않은 패치가 활성 성분을 방출하지 않고 다양한 스트레스 (기계적, 열적 등) 를 받을 수 있도록 보장한다.
일 실시형태에서, 본 발명의 디바이스는 날록손 (NARCAN™) 을 전달하기 위해 사용될 수 있다. 디바이스는 약 20 내지 100 mg의 약물을 저장소로부터 다공성 확산 영역으로 전달할 것이다. 50 mg/㎖의 저장소의 물 중의 활성제 (예를 들면, 날록손) 의 거의 포화된 농도를 가정하면, 전달되는데 필요한 액적의 부피는 디바이스의 능력 내에 있는 약 400 - 2000 ㎕일 것이다. 다른 실시형태들에서, 본 발명의 디바이스들은 오피오이드, 예를 들어, 히드로모르폰, 히드로코돈, 펜타닐, 메타돈, 또는 옥시코돈을 전달하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 디바이스는 자극제, 예를 들어 니코틴, 스테로이드 (예를 들어, 프레드니손) 및 호르몬 (예를 들어, 에피네프린) 을 전달하는데 사용될 수 있다.
일부 실시형태들에서, 본 발명의 디바이스는 가요성이 되도록 만들어져, 디바이스가 곡면 (880) 상에 전개될 수 있고/있거나 사용자의 안락함 및 순응성을 개선하기 위해 가요성 패키지로 통합될 수 있다. 이러한 디바이스 (800) 의 실시형태는 도 8 에 도시되어 있으며, 이로써 가요성 구동 전극들 (845) 은 다공성 확산층 (870) 에 커플링되고 통로 (860) 는 구동 전극들 (845) 과 다공성 확산층 (870) 사이에서 유체 연통을 제공한다. 도 8 에 도시된 바와 같이, 제어기 (843) 와 저장소 (890) 는 동일한 하우징 내에서 조합될 수 있다. 일 실시형태에서, 디바이스 (800) 는 손목 밴드의 형상을 취할 수 있고, 이에 의해 디바이스 (800) 는 디바이스 (800) 가 사실상 약물을 경피적으로 전달하기 위한 것임을 숨기기 위해 장식적인 디자인으로 추가로 증대될 수 있다.
활성 분자 전달 시스템의 고급 실시형태들은 활성 분자 전달 시스템이 스마트 폰 또는 스마트 워치와 같은 2차 디바이스와 무선으로 제어되도록 하기 위한 회로부를 포함할 것이다. 이러한 개선들로, 사용자는 예를 들어 전달되는 활성 분자의 유형 및 전달되는 양을 제어할 수 있다. 예를 들어, 스마트 폰 또는 워치 상의 애플리케이션을 사용하여 하루 중 시간에 기초하여 전달되는 활성 분자의 양을 변경하도록 디바이스를 프로그래밍하는 것이 가능할 수도 있다. 다른 실시형태들에서, 디바이스는 생체인식 센서들, 예를 들어, 피트니스 추적기 또는 심박수 측정기 (heart rate monitor) 에 동작가능하게 커플링될 수도 있고, 이에 따라 애플리케이션은 예를 들면, 사용자의 맥박이 미리 설정된 임계치를 초과하는 경우에 투여가 턴 오프되게 한다. 다른 실시형태들은, 예를 들어, 환자가 원하는 혈당 수준을 벗어날 때 인슐린의 자동 전달을 허용하기 위해 글루코오스 모니터로부터의 판독값 (readout) 을 디바이스에 커플링할 수 있다.
원하는 경우, 본 발명의 디바이스들은 원격으로 활성화 및/또는 제어될 수 있다. 예를 들어, NFC, 블루투스, WIFI, 또는 다른 무선 통신 기능이 디바이스를 활성화시키고 에이전트가 관리되게 하는데 사용될 수 있다. 더욱이, 디바이스의 성능을 모니터링하는데 동일한 무선 통신 사용될 수 있으며, 예를 들어 상이한 구동 상태에서 모든 저장소(들)에 대한 퍼센티지와 면적이 알려져 있으며, 이는 패치가 언제 활성화되는지와 어떤 양의 활성제가 투여되는지를 포함하여 모든 사용 데이터가 제공자 또는 치료사에게 사용가능할 것임을 의미한다. "프로그래밍가능" 특징에 대해, 각각의 저장소가 독립적으로 회전될 수 있기 때문에, 디바이스의 전체 방출 프로파일 (overall release profile) 은 상이한 시간들에 상이한 저장소들로부터 상이한 농도들의 활성제들 또는 상이한 활성제를 구동시킴으로써 프로그래밍될 수 있다. 또한, 패치를 활성화하는데 사용되는 스마트 디바이스가 데이터 공유를 위해 원격으로 의사와 통신할 수 있기 때문에 환자 순응 상태가 또한 양호하다.
다수의 변경들 및 수정들이 본 발명의 범위로부터 일탈함 없이 상기 설명된 본 발명의 특정 실시형태들에서 이루어질 수 있음이 당업자에게 자명할 것이다. 이에 따라, 전술한 설명의 전부는 한정적인 의미가 아닌 예시적인 의미로 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 활성 분자 전달 시스템으로서,
    제 1 기판으로서,
    복수의 구동 전극들,
    상기 복수의 구동 전극들을 덮는 유전체 층, 및
    상기 유전체 층을 덮는 제 1 소수성 층을 포함하는, 상기 제 1 기판;
    제 2 기판으로서,
    공통 전극,
    상기 공통 전극을 덮는 제 2 소수성 층을 포함하는, 상기 제 2 기판;
    상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판을 분리하고 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 미세유체 영역을 생성하는 스페이서;
    상기 제 1 소수성 층에 대향하는 기판 측의 상기 제 1 기판에 커플링되는 다공성 확산층으로서, 상기 제 1 기판은 소수성 층과 다공성 확산층 사이에 유체 연통을 제공하는 통로를 포함하는, 상기 다공성 확산층; 및
    상기 구동 전극들에 동작가능하게 커플링되고, 적어도 2개의 구동 전극들 사이에서 전압 구배를 제공하도록 구성되는 제어기를 포함하는, 활성 분자 전달 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 구동 전극은 박막 트랜지스터에 커플링되는, 활성 분자 전달 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 확산층과 상기 소수성 층 사이에 유체 연통을 제공하는 복수의 통로들을 더 포함하는, 활성 분자 전달 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 전극들은 가요성인, 활성 분자 전달 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 통로는 모세관들 및 위킹 섬유들을 포함하는, 활성 분자 전달 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 모세관들 및 위킹 섬유들은 소수성 코팅으로 코팅되는, 활성 분자 전달 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 구동 전극들과 유체 연통하는 저장소를 더 포함하는, 활성 분자 전달 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 복수의 구동 전극들과 유체 연통하는 복수의 저장소들, 및 상기 소수성 층과 상기 다공성 확산층 사이에 유체 연통을 제공하는 복수의 통로들을 더 포함하고, 각 저장소는 단 하나의 통로와 유체 연통하는, 활성 분자 전달 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    복수의 저장소들, 및 상기 소수성 층과 상기 다공성 확산층 사이에 유체 연통을 제공하는 통로들 및 복수의 저장소들의 각각과 유체 연통하는 혼합 영역을 더 포함하는, 활성 분자 전달 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 확산층은 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리비닐 알코올, 셀룰로오스, 폴리(N-이소프로필아크릴아미드) (PNIPAAm), 폴리(락틱-코-글리콜산) (PLGA), 폴리비닐리덴 클로라이드, 아크릴로니트릴, 비정질 나일론, 배향 폴리에스테르, 테레프탈레이트, 폴리 염화 비닐, 폴리에틸렌, 폴리부틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이소부틸렌, 또는 폴리스티렌을 포함하는, 활성 분자 전달 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 확산층과 접촉하는 생체적합성 접착제를 더 포함하는, 활성 분자 전달 시스템.
  12. 활성 분자를 대상체의 피부에 전달하는 방법으로서,
    활성 분자 전달 시스템을 제공하는 단계로서, 상기 활성 분자 전달 시스템이:
    복수의 구동 전극들, 상기 복수의 구동 전극들을 덮는 유전체 층, 및 상기 유전체 층을 덮는 제 1 소수성 층을 포함하는 제 1 기판,
    공통 전극 및 상기 공통 전극을 덮는 제 2 소수성 층을 포함하는 제 2 기판,
    상기 제 1 기판과 제 2 기판을 분리하고 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 미세유체 영역을 생성하는 스페이서,
    상기 제 1 소수성 층에 대향하는 기판 측의 상기 제 1 기판에 커플링되는 다공성 확산층으로서, 상기 제 1 기판이 소수성 층과 다공성 확산층 사이에 유체 연통을 제공하는 제 1 통로를 포함하는, 상기 다공성 확산층, 및
    상기 구동 전극들에 동작가능하게 커플링되고, 적어도 2개의 구동 전극들 사이에서 전압 구배를 제공하도록 구성되는 제어기를 포함하는, 상기 활성 분자 전달 시스템을 제공하는 단계;
    상기 다공성 확산층을 대상체의 피부에 커플링시키는 단계;
    활성 분자를 포함하는 용액을 구동 전극으로부터 소수성 층과 다공성 확산 층 사이에 유체 연통을 제공하는 상기 제 1 통로로 이동시키는 단계; 및
    상기 활성 분자가 상기 다공성 확산층으로부터 상기 대상체의 피부로 통과하도록 허용하는 단계를 포함하는, 활성 분자를 대상체의 피부에 전달하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 활성 분자 전달 시스템은 상기 복수의 구동 전극들과 유체 연통하는 제 1 저장소를 더 포함하고, 활성 분자를 포함하는 용액이 전달을 위해 요구될 때까지 상기 활성 분자를 포함하는 용액이 상기 저장소에 보유되는, 활성 분자를 대상체의 피부에 전달하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 활성 분자 전달 시스템은 제 2 저장소 및 소수성 층과 다공성 확산 층 사이에 유체 연통을 제공하는 제 2 통로를 더 포함하고, 상기 제 1 저장소는 상기 제 1 통로에만 유체 연통되고, 상기 제 2 저장소는 상기 제 2 통로에만 유체 연통되는, 활성 분자를 대상체의 피부에 전달하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 저장소는 제 1 농도의 활성 분자를 포함하는 제 1 용액을 함유하고, 상기 제 2 저장소는 제 2 농도의 활성 분자를 포함하는 제 2 용액을 함유하는, 활성 분자를 대상체의 피부에 전달하는 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 활성 분자 전달 시스템은 제 2 저장소, 및 상기 제 1 저장소와 상기 제 2 저장소 모두와 유체 연통되는 혼합 영역을 더 포함하는, 활성 분자를 대상체의 피부에 전달하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 저장소는 제 1 전구체 분자를 포함하는 제 1 용액을 함유하고, 상기 제 2 저장소는 제 2 전구체 분자를 포함하는 제 2 용액을 함유하고,
    상기 대상체의 피부에 활성 분자를 전달하는 단계는:
    상기 제 1 전구체 분자와 상기 제 2 전구체 분자를 혼합하여 혼합물을 생성하는 단계; 및
    소수성 층과 다공성 확산 층 사이에 유체 연통을 제공하는 제 1 통로로 상기 혼합물을 이동시키는 단계를 더 포함하는, 활성 분자를 대상체의 피부에 전달하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 전구체 분자는 항체인, 활성 분자를 대상체의 피부에 전달하는 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 전구체는 올리고뉴클레오티드인, 활성 분자를 대상체의 피부에 전달하는 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 혼합물은 오피오이드를 포함하는, 활성 분자를 대상체의 피부에 전달하는 방법.
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