PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102006028914A1 27.12.2007
Titel Verfahren zur Herstellung von Mikronadeln aus porösem Material
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Reichenbach, Ralf, 73732 Esslingen, DE;
Maeurer, Christian, 52066 Aachen, DE
DE-Anmeldedatum 23.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006028914
Offenlegungstag 27.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse B81C 1/00(2006.01)A, F, I, 20060623, B, H, DE
Zusammenfassung Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Mikronadeln (5) aus porösem Material mit zumindest weitgehend vertikal verlaufenden Poren (25) vorgeschlagen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
a) Bereitstellen von Mikronadeln (5) mit einer Höhe h auf einem Silizium-Substrat (10)
b) Anordnen einer Lackschicht (20) auf das Si-Substrat (10) mit einer Lackschichtdicke d kleiner als die Höhe h der Mikronadeln (5), wodurch die Nadelspitze (11) der Mikronadeln (5) von der Lackschicht (20) unbedeckt sind und
c) Porosifizieren des Si-Substrates (10) durch ein elektrochemisches Ätzen in einem Elektrolyten mit Flusssäure, wobei der Porosifiziervorgang von der Nadelspitze (11) der Mikronadeln (5) beginnt.

Beschreibung[de]
Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik ist die Herstellung und der Gebrauch von Mikronadeln in unterschiedlichsten Ausführungen bekannt. So wird etwa in EP 0 652 600 B1 ein Verfahren zur Herstellung einer Ansammlung von Mikronadeln aus einem Halbleitermaterial beschrieben, wobei der Durchmesser der Mikronadeln so klein ist, dass erhebliche Quanteneffekte erzeugt werden. Aufgrund der Quanteneffekte der Abmessung ist es möglich, Lichtemissionen herbeizuführen. Daher ist es in der Schrift vorgesehen, die Ansammlung von Mikronadeln als eine optische Halbleitervorrichtung zu gebrauchen.

Andererseits werden Mikronadeln auch zum Transport von Fluiden in oder durch eine biologische Barriere vorgeschlagen. Insbesondere werden gegenwärtig verschiedene Ansätze unternommen, um poröse Silizium-Mikronadeln zur transdermalen Applikation von Medikamenten einzusetzen. Grundsätzlich gibt es, wie z. B. in US 6,334,856 B1 erläutert, hierfür zwei Vorgehensweisen: Entweder wird (a) ein Siliziumsubstrat erst porös gemacht und anschließend daraus Mikronadeln durch Ätzen strukturiert oder (b) das Substrat erst geätzt zur Bildung von Mikronadeln und danach porosifiziert. Aus prozesstechnischen Gründen ist die erste Vorgehensweise (a) sehr schwierig. Obwohl grundsätzlich geeignet zur Herstellung von porösen Mikronadeln, besteht in der zweiten Vorgehensweise (b) hingegen der Nachteil, dass die damit hergestellten Mikronadeln typischerweise Poren aufweisen, die insbesondere an den Flanken der Nadeln senkrecht zur Oberfläche ausgerichtet sind. Diese Eigenschaft ist eine Folge des Porosifiziervorgangs, bei dem die Siliziumnadeln in einem flusssäurehaltigen Elektrolyten elektrochemisch geätzt werden. Dabei bilden sich die Poren entlang der senkrecht auf der dem Elektrolyt ausgesetzten Oberfläche anliegenden Feldlinien aus.

Dadurch verlaufen die entstehenden Poren hauptsächlich horizontal, d. h. parallel zur Substratoberfläche, wodurch ein Fluss des flüssigen Medikamentes aus tief gelegenen Bereichen des Substrates nicht möglich und die verabreichbare Menge begrenzt wird auf den in der jeweiligen Nadel gespeicherten Anteil.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches Verfahren zur Herstellung von vertikal porosifizierten Mikronadeln bereitzustellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.

Offenbarung der Erfindung

Das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat gegenüber bisher bekannten Verfahren den Vorteil, dass auf eine einfache und kontrollierbare Weise hauptsächlich vertikal porosifizierte Mikronadeln hergestellt werden können. Damit besteht keine Begrenzung der verabreichbaren Menge durch den in der jeweiligen Nadel gespeicherten Anteil mehr.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht aus einfachen Teilprozessen, deren Steuerung kontrolliert und bequem eingestellt werden kann. So sind nach der Strukturierung der Mikronadeln keine weiteren Lithographieschritte und Masken erforderlich. Weiter sind die Teilprozesse weitgehend zeitunkritisch und sehen zudem preiswerte Prozessmedien vor, so dass letztendlich ein preiswertes Gesamtverfahren bereitgestellt wird.

Zweckmäßige Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Die 1 bis 6 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung von vertikal porosifizierten Mikronadeln, sowie

die 7 bis 9 weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von Mikronadeln aus porösem Material mit zumindest weitgehend vertikal verlaufenden Poren vorgeschlagen, wobei grundsätzlich folgende Schritte vorgesehen sind:

  • a) Bereitstellen von Mikronadeln mit einer Höhe h auf einem Silizium-Substrat
  • b) Anordnen einer Lackschicht auf das Si-Substrat mit einer Lackschichtdicke d kleiner als die Höhe h der Mikronadeln, wodurch die Nadelspitze der Mikronadeln von der Lackschicht unbedeckt sind und
  • c) Porosifizieren des Si-Substrates durch ein elektrochemisches Ätzen in einem Elektrolyten mit Flusssäure, wobei der Porosifiziervorgang von der Nadelspitze der Mikronadeln beginnt.

Die einzelnen Schritte werden nachfolgend in einem ersten Ausführungsbeispiel mit Hilfe der 1 bis 7 erläutert. Wie in 1 dargestellt, wird im Schritt a) des Verfahrens Mikronadeln 5 mit einer Höhe h auf einem Silizium-Substrat 10 bereitgestellt. Das Bereitstellen eines solchen Silizium-Substrates 10 kann einerseits dadurch erfolgen, dass ein bereits mit Mikronadeln 5 versehenes Substrat 10 zur Weiterbehandlung zur Verfügung gestellt wird. Andererseits ist es auch möglich, auf einem zunächst unbehandelten Substrat 10 die Mikronadeln 5 herzustellen. Die Herstellung von Mikronadeln 5 aus einem Silizium-Substrat 10 mittels isotropen oder anisotropen Ätzprozessen ist aus dem Stand der Technik bekannt und wird hier daher nicht eingehender behandelt. In 1 sind die für die Strukturierung erforderlichen Ätzmasken bereits vollständig entfernt worden. Typischerweise weisen die Mikronadeln 5 an ihrer Nadelspitze 11 einen kleineren Durchmesser auf als an ihrer Nadelbasis 12 an der Substratoberfläche. Die Seitenwände 13 verlaufen also nicht senkrecht, sondern geneigt gegenüber der Substratoberfläche.

Im Ausführungsbeispiel weist das Si-Substrat 10 zusätzlich eine darauf aufgebrachte Si-Oxidschicht 15 auf (2). Diese Oxidschicht 15, entweder in natürlicher Weise gebildet oder in einem separaten Oxidierprozess herbeigeführt, kann in einem späteren Porosifizierschritt als Haftschicht und Leitstruktur dienen. Zwingend erforderlich ist die Oxidschicht 15 für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens jedoch nicht.

Im Schritt b) des Verfahrens ist das Anordnen einer Lackschicht 20 auf das Si-Substrat 10 mit einer Lackschichtdicke d kleiner als die Höhe h der Mikronadeln 5, wodurch die Nadelspitze 11 der Mikronadeln 5 von der Lackschicht 20 unbedeckt sind, vorgesehen. Die Lackschicht 20 kann aus Photolack bestehen. Der Schritt b) wird in zwei Teilschritten b1) und b2) erreicht, wobei im Teilschritt b1) zunächst eine Lackschichtdicke aufgebracht wird, die über die Nadelspitzen 11 hinausreicht (d > h), wie in 3 gezeigt. Anschließend wird – wie in 4 dargestellt – die Lackschicht 20 in einem Teilschritt b2) teilweise wieder entfernt, so dass die Nadelspitzen 11 freigelegt werden (d < h). Das teilweise Entfernen der Lackschicht 20 kann durch einen Ätzvorgang erreicht werden. Die Lackschicht 20 wird rückgedünnt oder rückgeschliffen. Ein separater Vorgang für das Rückdünnen der Lackschicht 20 kann entfallen, wenn im nächsten Schritt c) ein Elektrolyt eingesetzt wird, der Substanzen enthält, die die Lackschicht 20 angreift. Je nach Material der Lackschicht 20 können auch alternative oder zusätzliche Lösungsmittel zum Ätzen der Lackschicht 20 erforderlich sein, z. B. Ketone wie Aceton oder organische Acetate wie z. B. Ethylacetat.

In einem weiteren Schritt c) erfolgt das Porosifizieren des Si-Substrates 10 durch ein elektrochemisches Ätzen in einem Elektrolyten mit Flusssäure, wobei der Porosifiziervorgang von der Nadelspitze 11 der Mikronadeln 5 beginnt. Als Elektrolyten wird bevorzugt eine Mischung aus Flusssäure und Wasser und bei Bedarf Alkohol verwendet. Das Si-Substrat 10 wird als Anode mit der Mikronadelseite, d. h. voran mit den Nadelspitzen 11, in ein Ätzbecken mit dem Elektrolyten eingetaucht. Dabei wird die nicht von der Lackschicht 20 abgedeckte Si-Oxidschicht 15 sofort durch die Flusssäure entfernt (5). Mit der örtlichen Entfernung der Si-Oxidschicht 15 startet die eingeprägte Stromdichte den Porosifiziervorgang an den Nadelspitzen 11. Bevorzugt werden beim Porosifiziervorgang Prozessparameter wie die Stromdichte gezielt so eingestellt, dass ein vertikales Porenwachstum gefördert wird. Entlang der so erzeugten Feldlinien erfolgt der Porosifiziervorgang vertikal in das Si-Substrat 10 hinein. Die so gebildeten Poren 25 in den Mikronadeln 5 verlaufen daher im wesentlichen vertikal zur Substratoberfläche. Geeignete Porengrößen liegen im Bereich von 5 bis 50 nm. Durch die seitliche Bedeckung der Mikronadeln 5 findet an deren Seitenwänden 13 nur ein gering ausgeprägtes Porenwachstum senkrecht zur Oberfläche der Seitenwände 13 statt.

Wie aus 6 erkennbar, wird während des Porosifiziervorgangs die Lackschicht 20 nach und nach durch ein Lösungsmittel im Elektrolyten entfernt. Ebenso wird durch die Unterkriechfähigkeit der Flusssäure mit Alkohol als Benetzungsmittel die Si-Oxidschicht 15 weiter entfernt, wodurch Kanäle 30 zwischen der Lackschicht 20 und den Seitenwänden 13 der Mikronadeln 5 gebildet werden. Durch diese Kanäle 30 gelangt der Elektrolyt nach und nach auch unter die Lackschicht 20. Somit schreitet das unerwünschte Porenwachstum an den Seitenwänden 13 der Mikronadeln 5 zwar immer weiter voran, aber der wesentliche Porenverlauf – also die Hauptporenrichtung – bleibt immer vertikal zur Oberfläche des Si-Substrates 10: Das vertikale Porenwachstum bzw. die Hauptporenrichtung hat einen zeitlichen Vorsprung gegenüber dem seitlich beginnenden Porenwachstum, welches immer an den schon vorhandenen vertikal verlaufenden Poren 25 wieder zum Erliegen kommt, da an diesen Stellen bereits keine Ladungsträgermobilität mehr vorhanden ist und somit auch kein weiteres Material herausgelöst werden kann.

Zusammenfassend wird festgestellt, dass das beschriebene Verfahren auf eine sehr kontrollierte Weise die Herstellung von Mikronadeln 5 mit hauptsächlich vertikalen Poren 25 gewährleistet.

Alternative oder ergänzende Maßnahmen für einzelne Teilschritte des Verfahrens, die aber ebenso auf das oben beschriebene Prinzip beruhen, werden nun vorgestellt.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann, abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel, im Schritt b) eine Lackschicht 20 auf dem Si-Substrat 10 aufgebracht werden, die von Beginn an eine kleinere Dicke d als die Höhe h der Mikronadeln 5 aufweist. Vorteilhaft braucht dann die Lackschicht 20 nicht in einem separaten Schritt teilweise entfernt werden. Alle anderen Teilschritte des Verfahrens verlaufen wie im ersten Ausführungsbeispiel.

Entsprechend der 7 wird in einem weiteren Ausführungsbeispiel im Schritt c) nach der vollständigen Entfernung der Lackschicht 20 der Porosifiziervorgang an der Oberfläche des Si-Substrates 10 zwischen den Mikronadeln 5 fortgeführt. Je nach konkreten Bedarf kann beliebig ins Substrat 10 weiterporosifiziert werden (8). Vorzugsweise wird jedoch der Anodisiervorgang rechtzeitig abgebrochen, bevor alles porös wird. Damit bleibt die Stabilität des Si-Substrates 10 erhalten und die hauptsächlich vertikalen Poren 25 können von der Rückseite des Si-Substrates 10 angebohrt bzw. angetrencht werden. Andererseits bietet das Weiterporosifizieren gemäß 8 die Möglichkeit an, besonders dünne, flexible und poröse Mikronadeln 5 herzustellen. Zum Ablösen der gesamten porösen Oberflächenschicht mit den Mikronadeln 5, die dem oberen Bereich des Si-Substrates 10 entspricht, vom restlichen Si-Substrat 10 wird beim Erreichen der Zielsubstratdicke ein Elektropoliturvorgang durch ein starkes Erhöhen der Stromdichte eingeleitet. Dadurch löst sich das Array der Mikronadeln 5 („Mikronadel-Pad") vom Si-Substrat 10 ab und schwimmt im Elektrolyt auf.

Im übrigen kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel besonders vorteilhaft an der Rückseite des Si-Substrates 10 ein Zugang 35 zu den Poren 25 hergestellt werden (9), welcher beispielsweise eine Verbindung zu einem Reservoir für Medikamentenwirkstoffe ermöglicht.

Zusammenfassend wird festgestellt, dass ein sehr geeignetes Verfahren zur Herstellung von Mikronadeln aus porösem Material mit zumindest weitgehend vertikal verlaufenden Poren bereitgestellt wird. Die so hergestellten Mikronadeln können aufgrund der weitgehend vertikal verlaufenden Poren inbesondere zur Anwendung im medizinischen Bereich, wie beispielsweise zur transdermalen Applikation von Medikamenten, eingesetzt werden. Eine Verabreichung von Wirkstoffen durch Gewebe hindurch wird ermöglicht.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung von Mikronadeln (5) aus porösem Material mit zumindest weitgehend vertikal verlaufenden Poren (25), mit den Schritten:

a) Bereitstellen von Mikronadeln (5) mit einer Höhe h auf einem Silizium-Substrat (10)

b) Anordnen einer Lackschicht (20) auf das Si-Substrat (10) mit einer Lackschichtdicke d kleiner als die Höhe h der Mikronadeln (5), wodurch die Nadelspitze (11) der Mikronadeln (5) von der Lackschicht (20) unbedeckt sind und

c) Porosifizieren des Si-Substrates (10) durch ein elektrochemisches Ätzen in einem Elektrolyten mit Flusssäure, wobei der Porosifiziervorgang von der Nadelspitze (11) der Mikronadeln (5) beginnt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt a) ein Si-Substrat (10) mit einer darauf aufgebrachten Si-Oxidschicht (15) bereitgestellt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) die Anordnung in zwei Teilschritten b1) und b2) erreicht wird, wobei

b1) zunächst eine Lackschichtdicke aufgebracht wird, die über die Nadelspitzen (11) hinausreicht (d > h), und

b2) anschließend die Lackschicht (20) teilweise entfernt wird, so dass die Nadelspitzen (11) freigelegt werden (d < h).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) eine Lackschicht (20) auf dem Substrat (10) aufgebracht wird, die von Beginn an eine kleinere Dicke d als die Höhe h der Mikronadeln (5) aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) als Elektrolyten eine Mischung aus Flusssäure und Wasser und bei Bedarf Alkohol verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) das Substrat (10) mit der Mikronadelseite in ein Ätzbecken mit dem Elektrolyten eingetaucht wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) zur Unterstützung für ein vertikales Porenwachstum beim Porosifiziervorgang Prozessparameter wie die Stromdichte gezielt eingestellt werden. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) während des Porosifiziervorgangs die Si-Oxidschicht (15) durch die Flusssäure im Elektrolyt entfernt wird und dadurch Kanäle (30) zwischen der Lackschicht (20) und den Seitenwänden (13) der Mikronadeln (5) gebildet werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) die Lackschicht (20) nach und nach durch ein Lösungsmittel im Elektrolyten entfernt wird. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) nach der vollständigen Entfernung der Lackschicht (20) der Porosifiziervorgang an der Oberfläche des Si-Substrates (10) zwischen den Mikronadeln (5) fortgeführt wird.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com