distribución sistémica

MICROAGUJAS FABRICADAS PARA APLICACIONES
BIOMÉDICAS
E INYECCIÓN DE MEDICAMENTOS
José Enrique Guillén Jiménez
José Gustavo Jiménez Pérez
Francisca Segura Manzano
Sistemas Electrónicos Avanzados
FABRICACIÓN DE
MICROAGUJAS
INTRODUCCIÓN
DISTRIBUCIÓN CELULAR
DISTRIBUCIÓN LOCAL POR LOS TEJIDOS
DISTRIBUCIÓN SISTÉMICA
INTRODUCCIÓN
Microelectrónica: tecnología basada en microlitografía.
MICROFABRICACIÓN
Tecnología de alta producción y bajo coste.
Alta inversión:
1.996
2´8-4´7 billones $
2.003
12-20 billones $
Microestructuras para aplicaciones biomédicas
* misma escala que entidades biológicas
* análisis de ADN
* estudio de propiedades celulares
* regeneración nerviosa
DISTRIBUCIÓN CELULAR
Microsondas de silicio para inyección de
ADN.
Microcapilares de vidrio para inyección de
ADN.
Resumen
DISTRIBUCIÓN CELULAR
Métodos para reparto de moléculas en la célula:
* químico
* por transporte
* eléctrico
* mecánico ( microinyección )
- garantiza viabilidad y eficiencia
- > 100 células / inyección
- 105 agujas / cm 2
- microsondas de silicio para inyección de ADN
- microcapilares de vidrio para inyección de ADN
DISTRIBUCIÓN CELULAR
Microsondas de silicio para inyección de ADN
Figura 1. Micrografía electrónica escaneada de (a) un array de
microsondas de silicio y (b) una sola sonda de silicio usada para
distribución de genes a plantas, nematodos, y células de
mamíferos y a través del tejido vascular
DISTRIBUCIÓN CELULAR
Secuencia de fabricación de microagujas.
Figura 2. Secuencia de fabricación de una microsonda o de una microaguja. El
proceso consiste en (a) fotodefinición del fotoresist por exposición selectiva a
radiación UV a través de una fotomáscara, (b) resultado del fotoresist, (c) etching
de la máscara y eliminación del fotorresist, y (d) realizado de un grabado
anisotrópico para subcortar las máscaras, dejando aisladas el conjunto de
afiladas microsondas o de sólidas microagujas. Este proceso produce la
microagujas mostradas en las Figuras 1 y 14b y c.
DISTRIBUCIÓN CELULAR
Microcapilares de vidrio para inyección de ADN
Figura 3. Micrografía por barrido de electrones de (a) una
sección de arrays de microcapilares huecos y (b) microcapilares
cubiertos de restos de células. Estos microcapilares son usados
para la microinyección de ADN en muchas células
simultáneamente.
DISTRIBUCIÓN CELULAR
Secuencia de fabricación de microcapilares
Figura 4. Secuencia de fabricación de microcapilares huecos. (a) La oblea de silicio
es moldeada con huecos mediante etching reactivo iónico hasta conseguir huecos
cilíndricos en la oblea; (b) la máscara de dióxido de silicio se quita y se extiende
térmicamente una segunda capa; (c) un sustrato de Pyrex se añade anódicamente a
la capa de óxido; (d) el silicio en la cara opuesta del Pyrex es eliminado con
hidróxido de tetrametilamonio para revelar las puntas de los microcapilares; (e)
con ácido fluorhídrico se abren las puntas; y (f) el último etching con hidróxido de
tetrametilamonio define la altura de los microcapilares. Ver los microcapilares
DISTRIBUCIÓN LOCAL POR LOS TEJIDOS
En el tratamiento médico de pacientes, el aplicar
medicamentos puntualmente a la zona deseada
es lo que se persigue; pero es inevitable que
también se apliquen estos mismos a otras zonas
en los que puedan tener efectos perjudiciales.
Por otro lado, una aplicación local de los
medicamentos reduciría bastante los efectos
secundarios.
Dispositivos que se proponen a tal fin:
Sondas microfabricadas para inyección en el
tejido nervioso
Microsondas de silicio para la inyección de
medicamentos intravascular
DISTRIBUCIÓN LOCAL POR LOS TEJIDOS
Sondas microfabricadas para inyección en el tejido nervioso
Grandes éxitos con microsondas como interfaces eléctricas a los
sistemas nerviosos, sin daño de tejidos
Además de las medidas eléctricas también hay otros fenómenos ➨
reacciones bioquímicas complejas en las neuronas
Sería bueno disponer de un dispositivo que puediera inyectar muy
pequeñas y precisas cantidades de compuestos bioactivos en áreas
altamente localizadas del tejido nervioso
Las sondas fabricadas eran de:
4 mm de longitud, con una anchura de tubo intermedio de 58 a 74
µm
Microcanales de 10 a 32 µm de anchos y de 15 µm de profundos
Presión a la que tengo que inyectar los compuestos bioquímicos ➨
con un pulso de 100 ms de nitrógeno a 10 lb/in2 fluyeron 87 pl de
agua destilada a través de las agujas similares a las mostradas en la
Figura 6
Las agujas multicanal fueron insertadas y capaces de inyectar tanto
el ácido kainico (un estimulante nervioso) como el ácido γaminobutírico (un depresor del sistema nervioso) en el cerebro de un
conejillo de Indias con mínima ruptura de tejidos
DISTRIBUCIÓN LOCAL POR LOS TEJIDOS
Figura 5. Secuencia de fabricación de una sonda nerviosa. En una oblea de
silicio (a) con una capa atacada por óxido se fija boro por difusión; (b) sobre la
capa de boro se ataca por medio de grabado anisotrópico por EDP, y se fija a
una segunda difusión de boro; (c) las aperturas en la parte superior de la capa
dopada con boro se sellan usando oxidación térmica y deposición química de
dieléctricos por vapor a baja presión; y (d) la oblea es entonces adelgazada por la
cara opuesta con un ataque isotrópico, y las agujas se sueltan con un ataque
EDP. Ver sondas Fig 6.
DISTRIBUCIÓN LOCAL POR LOS TEJIDOS
Figura 6. Micrografías por escaneo electrónico de (a) una sonda nerviosa
microfabricada con uno a cuatro microcanales, junto con las vistas de primer
plano de (b) la cima y (c) de la parte inferior de una sonda con tres microcanales.
Estas sondas se han usado para inyectar el ácido kainico y ácido γ-aminobutírico en
el tejido nervioso mientras a la vez se estimulaba y grababa la actividad de la
neurona.
DISTRIBUCIÓN LOCAL POR LOS TEJIDOS
Microsondas de silicio para la inyección de
medicamentos intravascular
Métodos actuales para tratar arterias coronarias estenóticas acarrean otro
tipo de problemas a pocos meses de tratamiento (restenosis)
La efectividad de medicamentos antirestenosis suministrados para prevenir
rebloqueo de las arterias se ha estado impidiendo por dificultades
asociadas al inyectar estos medicamentos a través del tejido arterial.
Para proporcionar una canalización por esta barrera, microsondas similares
a las descritas anteriormente en la Figura 1 han sido usadas con este fin.
Mediante éstas podría diseñarse un stent coronario con sondas
micromecánicas alrededor de su perímetro para que, comprimiéndolo
agujeree las arterias y puedan así inyectarse los medicamentos
antirestenosis.
Microsondas de 140 µm de longitud agujerearon la cubierta elástica interior
de la arteria de un conejillo de Indias a una presión de inserción de 100 mm
Hg
DISTRIBUCIÓN SISTÉMICA
En los últimos años ➨sofisticados y potentes
medicamentos (basados en proteínas, ADN y otros)
Introducir estos medicamentos eficazmente en el cuerpo
➨problemas en la ingestión oral de los mismos
La alternativa usual a la vía oral es vía inyección ➨
limitaciones (dolor y traumatismos en los tejidos);
fracaso para proporcionar conveniente control o entrega
continua de los mismos
Tres tipos de microagujas distintas se han diseñado para
llevar mejor a cabo esta labor
Agujas para inyección microhipodérmicas de silicio
y polisilicio
Agujas para Inyección microhipodérmicas de metal
Microagujas para la inyección transdérmica de
medicamentos
DISTRIBUCIÓN SISTÉMICA
Figura 7. Aguja de silicio microhipodérmica de fabricación en serie. (a) Una oblea de
silicio con una capa de óxido grabada sobre ella es expuesta a una difusión de boro
para definir una porción del tubo intermedio; (b) una capa sacrificada de óxido se
deposita en la oblea y se ataca para definir los microcanales; (c) una capa de óxido de
nitrógeno se deposita para hacer la parte superior y las paredes laterales de las agujas,
y el óxido de la capa sacrificada es retirado; y (d) las agujas se liberan de la oblea de
silicio con grabado EDP múltiple. Éstas microagujas pueden verse en la Figura 8
DISTRIBUCIÓN SISTÉMICA
Figura 8 Micrografías por escaneo electrónico de (a) dos
agujas microhipodérmicas de silicio de diferentes longitudes de
eje mostradas al lado de un cabello humano junto con las vistas
en primer plano de (b) frente y (c) desde arriba de una punta de
aguja microhipodérmica. Estas agujas se desarrollaron para la
inyección por la piel y se han acoplado con bombas-burbuja y
una región de interfaz de circuito integrado.
DISTRIBUCIÓN SISTÉMICA
Figura 9. Aguja de polisilicio microhipodérmica de fabricación en serie. (a)
El fondo la oblea es atacado y grabado mediante un proceso de ion
reactivo profundo para definir la geometría de la aguja; (b) un capa de
óxido subyacente se deposita en el fondo y por partes de la superficie del
molde de silicio, y las dos porciones son entonces unidas por presión; (c)
el polisilicio se deposita para cubrir internamente las paredes del molde de
silicio; y (d) las agujas se liberan del molde grabando la capa de descargo
de óxido. Ver agujas de la Figura 10
DISTRIBUCIÓN SISTÉMICA
Figura 10 Micrografías por
escaneo de electrones de (a) una
sola aguja microhipodérmica de
polisilicio y (b) una aguja
microhipodérmica dual
desarrollada para la inyección de
medicamentos por la piel.
DISTRIBUCIÓN SISTÉMICA
Agujas de silicio
Longitud desde 1 a 6 mm
Tubos intermedios de 140 µm de ancho estrechándose a 80 µm
hacia la punta acabando en punta afilada
Los canales para el fluido superficiales de 50 µm de ancho y de 9
µm de profundo, y corren a lo largo de la longitud de la aguja
El puerto para la inyección fluida se localizó a 150 µm de la punta
de la aguja en un lado de la misma de 30 por 30 µm cuadrados
Las agujas microhipodérmicas de silicio se han insertado dentro de
pedazos de carne sin llegar a doblarse o romperse
Agujas de polisilicio
Longitud de 1–6 mm de longitud
De 100–200 µm de diámetro
Con paredes de 18 µm de grosor (ya que con 12 µm ➨demasiado
débiles para cogerlas)
Si se refuerzan con una vaina delgada de níquel ➨pueden resistir
momentos laterales de torsión <0.71 miliNewton·metro (mNm)
También se han investigado otras topologías de agujas de
polisilicio (microagujas con ejes duales, con refuerzos interiores ...)
LIBERACIÓN SISTÉMICA
Agujas Microhipodérmicas de Metal para Inyección
Fabricada por micromecanizado superficial.
Material de fabricación ➠Paladio, oro y níquel.
Se han investigado dos diseños:
- Múltiples agujas con acoplo de fluidos.
- Agujas con múltiples puestos de salida.
LIBERACIÓN SISTÉMICA
Agujas Microhipodérmicas de Metal para Inyección
Múltiples agujas:
Apoyos estructurales
huecos.
Desvío del fluido en
caso de obstrucción.
200 µm
250 µm
40 µm
20 µm
20 µm
LIBERACIÓN SISTÉMICA
Agujas Microhipodérmicas de Metal para Inyección
Múltiples puertos:
Puertos de salida
del fluido.
30 µm ·30 µm
300 µm
15 µm
20 µm
140 µm
Canal.
LIBERACIÓN SISTÉMICA
Agujas Microhipodérmicas de Metal para Inyección
Sucesión de pasos de fabricación de las agujas microhipodérmicas de metal:
(a) Parte inferior ➠Electroplateado selectivo sobre la oblea
(b) Deposición de capa de sacrificio ➠Creación de microcanales.
(c) Capa semilla y electroplateado ➠Creación de puntas y paredes laterales.
(d) Eliminación de la capa de sacrificio ➠Libración de agujas del sustrato.
LIBERACIÓN SISTÉMICA
Agujas para Inyección transdérmica.
Dos posibilidades:
-Agujas de silicio sólidas.
-Microagujas de silicio y metal
huecas y microtubos.
LIBERACIÓN SISTÉMICA
Agujas para Inyección transdérmica.
Fabricación de arrays de micragujas de silicio sólidas.
-Proceso de máscaras simple.
-Mascaras de cromo para definir un conjunto de circulos.
-Grabado anisotrópico con ión grabador reactivo.
-Corrosión de las mascaras de cromo.
LIBERACIÓN SISTÉMICA
Agujas para Inyección transdérmica.
Fabricación de arrays de agujas huecas de silicio.
Igual que las sólidas pero además incorpora:
-Grabado profundo con ión reactivo para los agujeros.
-Grabado profundo alrededor de los agujeros para las paredes.
LIBERACIÓN SISTÉMICA
Agujas para Inyección transdérmica.
Fabricación de microagujas y microtubos huecos de metal.
(a) Deposición de epoxy SU-8 sobre sustrato.
(b) Fotodefinición de agujeros.
(c) Deposición de capa semilla y electroplateado.
(d) Liberación de los moldes de epoxy.
CONCLUSIONES
-Aplicación de las técnicas de fabricación microelectrónica a la Biotecnología.
-Posibilidad de monitorización y administración simultanea.
-Posibilidad de elementos electromecánicos de ayuda a la inyección.
-Disminución y eliminación del dolor en la administración de medicamentos.