Dispositivos microfabricados y métodos para almacenamiento y exposición selectiva de productos químicos.

Un dispositivo microchip (10, 30, 40, 50) para la exposición controlada de un dispositivo secundario que comprende:

un sustrato (12, 12a, 12b) teniendo una pluralidad de depósitos (14, 14a, 14b);

un dispositivo secundario en uno o más de los depósitos, en donde el dispositivo secundario es un biosensor (22) para detectar una molécula de interés y al menos un capa de barrera activa (18) impermeable a la molécula de interés y cubriendo uno o más depósitos (14, 14a, 14b) para aislar el dispositivo secundario (22) de uno o más componentes ambientales exteriores a los depósitos (14, 14a, 14b);

una capa de barrera semi permeable (20) que es permeable a la molécula de interés y que restringe el paso de otras moléculas o materiales que afectan la detección de la molécula de interés por el biosensor (22), en donde la capa de barrera semipermeable (20) está cubierta por la capa de barrera activa (18); y

medios para desintegrar selectivamente la capa de barrera activa (18) para exponer el biosensor a la molécula de interés por paso de la molécula de interés a través de la capa de barrera semipermeable (20), en donde la capa de barrera activa (18) se desintegra por reacción química, cambio de fase, o disolución.

Referencia cruzada a solicitudes relacionadas [0001] Se reivindica prioridad serie de la solicitud provisional número US 60/186, 545, presentada el 2 de marzo de 2000.

Antecedentes de la invención [0002] está invención está en el campo de dispositivos miniaturizados que tienen depósitos que contienen pequeños dispositivos o componentes de dispositivo y/o productos químicos.

Han sido desarrollados sistemas de microarrays para analizar numerosos compuestos, tales como para actividad de medicamento o analisis de hibridización de secuencias moleculares nucleótidas. Por ejemplo, la patente US 5, 843, 767 a Beattie revela un microfabricado, "genosensores" fluyentes para la detección discreta de reacciones de unión. El aparato incluye una oblea de vidrio nanoporoso que tiene pocillos cónicos en los cuales se inmobilizan elementos de reconocimiento de ácido nucleico. La patente US 6, 083, 763 a Balch revela un aparato para analizar estructuras moleculares dentro de una sustancia de muestra usando una matriz que tiene una pluralidad de sitios de prueba en los cuales se aplica la sustancia de muestra. Los sitios de ensayo están normalmente en baterías de microplacas, tal como placas de microtitulación. Estos aparatos, sin embargo, no proporcionan ningun medio para hermetizar uno o más de los pocillos o para exponer selectivamete uno o más de los pocillos, por ejemplo, bajo demanda o en exposición pasiva a ciertas situacones.

Las patentes US 5, 797, 898 y US 6, 123, 861 a Santini, et al. describen dispositivios microchip que liberan moléculas de medicamento desde depósitos que tienen tapas de dispositivo que se desintegran activamente o pasivamente. Sería ventajoso adaptar estos dispositivos para uso en aplicaciones de detección y para usar en iniciar

o medir reacciones químicas en un área o volumen de micro escala en momentos especificos.

La patente US 5, 252, 294 a Kroy revela estructuras micromecánicas teniendo cavidades cerradas para usar en almacenaje y manipulación de sustancias, por ejemplo, en investigación y ensayo de las sustancias. No hay revelación, sin embargo, de control selectivo de exposición de cavidades individuales sin microválvulas, ni hay ninguna revelación de aislamiento de medios individuales de detección.

DE 197 16 683 C describe una estructura fabricada micromecánicamente, que permite la mezcla automática de dos sustancias. Proporciona la recepción encapsulado por separado de una pluralidad de sustancias en una pluralidad de espacios huecos cerrados. Una membrana separa al menos dos de los espacios huecos. Un calentador eléctrico destruye la membrana y permite la mezcla y reacción de las sustancias.

US-A-3952741 revela un dispensador osmotico específico capaz de liberar a su ambiente externo concentraciones del agente activo.

DE 19610293 C1 describe un dispositivo que tiene una cavidad cubierta por un diafragma y que encapsula un material en la cavidad. El dispositivo además incluye un medio de calentamiento para causar una tensión térmica en el diafragma, lo cual causa que el diafragma se rompa en trozos individuales.

Es por tanto un objeto de la presente invención proporcionar dispositivos miniaturizados para usar en la iniciación y control de reacciones químicas, análisis, o mediciones en un área/volumen de micro escala, en momentos especificos.

Es otro objeto de la invención proporcionar métodos para crear y usar tales dispositivos miniaturizados.

Resumen de la invención

La invención proporciona un dispositivo como se establece en la Reivindicación 1. Realizaciones adicionales son definidas en las Reivindicaciones 2 a 23. La invención también proporciona métodos según las Reivindicaciones 25, 26 y 28 a 32. La invención también proporciona usos según las Reivindicaciones 33 y 34.

Breve descripción de los dibujos [0012] Las figuras 1A-C son diagramas en sección mostrando varias realizaciones comparativas de un depósito individual del dispositivo, que tiene una capa de barrera sobre el depósito y enzima del sustrato (Fig 1A) , una capa de barrera dentro de la abertura del depósito (Fig. 1B) , y una combinación de ellas en un dispositivo que tiene dos porciones de sustrato unidas entre sí (Fig. 1C) .

Las Figuras 2A-C son diagramas en sección mostrando un dispositivo que tiene un depósito cubierto po una capa de barrera semipermeable que permite el paso de molécula A dentro o fuera del depósito (Fig. 2A) , en donde el depósito inicialmente está cubierto por otra capa de barrera impermeable (Fig. 2B) hasta que la capa de barrera es retirada selectivamente (Fig. 2C) .

La Figura 3 es un diagrama de flujo de proceso que ilustra una realización para controlar y comunicar con sensores localizados en depósitos de un dispositivo de microchip.

Las Figuras 4A-D son diagramas en sección mostrando depósitos que tienen formas complejas de depósito, las cuales pueden ser hechas, por ejemplo, utilizando métodos de unión de oblea u otros sustratos o adaptando métodos de fabricación con aislante de silicio (SOI) .

Descripción detallada de la invención [0013] Se proporcionan dispositivos microchip para almacenar y proteger un dispositivo secundario que es un biosensor del ambiente durante un periodo de tiempo hasta que se desea exposición al ambiente. Los dispositivos microchip, que proporcionan exposición selectiva y controlada de estos contenidos, incluye una pluralidad de depósitos, el contenido de los cuales son aislados completa o parcialmente hasta que se desea exponer el dispositivo secundario en el depósito al ambiente, o una porción del mismo, fuera del depósito. Los dispositivos son diseñados para restringir, mejorar, o controlar de otra forma el paso de moléculas a los depósitos. Estas funciones son logradas cubriendo al menos una abertura de cada depóstio del dispositivo microchip por al menos un capa de barrera activa y un capa de barrera semipermeable.

Como se usa aquí, un "microchip" es un dispositivo miniaturizado fabricado usando métodos comúnmente aplicados a la fabricación de circuitos integrados y MEMS (Micro-ElectroMechanical Systems) tal como fotolitografia ultravioleta (UV) , grabado reactivo de iones, y evaporación de haz de electrones, como se describe, por ejemplo, por Wolf & Tauber, Silicon Processing for the VLSI Era, Volume 1 - Process Technology (Lattice Press, Sunset Beach, CA, 1986) ; y Jaeger, Introduction to Microelectronic Fabrication, Volume V in The Modular Series on Solid State Devices (Addison-Wesley, Reading, MA, 1988) , asi como métodos MEMS que no son normalizados en la creación de microchips para ordenadores, incluyendo aquellos descritos, por ejemplo, en Madou, Fundamentals of Microfabrication (CRC Press, 1997) y técnicas de micromoldeado y micromecanizado conocidos en la técnica. El procedimiento de fabricación de microchips permite la fabricación de dispositivos con dimensiones principales (longitud de un lado si cuadrado o rectangular, o diámetro si circular) que van desde menos de un milimetro a varios centímetros. Un grosor tipico de dispositivo es 500 μm. Sin embargo, el grosor del dispositivo puede variar desde aproximadamente 10 μm a varios milímetros, dependiendo de la aplicación del dispositivo. El grosor total del dispositivo y volumen del depósito puede ser también incrementado uniendo o adjuntando obleas de silicio adicionales u otros materiales de sustrato al dispositivo microchip fabricado. En general, cambiar el espesor del dispositivo afecta al volumen de cada depósito y puede afectar al número máximo de depósitos que pueden ser incorporados sobre un microchip. Aplicaciones in vivo del dispositivo requieren normalmente dispositivos con una dimension principal de 3 cm o menores para implantación subcutánea, pero puede ser de hasta varios centímetros para implantación peritoneal y craneal. Los dispositivos para aplicaciones in vivo son preferiblemente lo suficientemente pequeños para ser tragados o implantados usando procedimientos minimamente invasivos. Dispositivos in vivo más pequeños (del orden de un milimetro) pueden ser implantados usando un catéter u otros medios de inyección. Dispositivos de microchips que permanecen fuera del cuerpo, pero que son usados en un sistema para aplicaciones in vivo (por ejemplo detección de extracción de una muestra de fluido biológico) , tienen mucho menores restricciones de tamaño. Dispositivos para aplicaciones in vitro también tienen menores restricciones de tamaño y, si es necesario, pueden ser hechos más grandes que los rangos de dimension para dispositivos in vivo.

I. Materiales y componentes del dispositivo [0015] Cada dispositivo microchip incluye un sustrato con depósitos que contienen el dispositivo secundario,... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo microchip (10, 30, 40, 50) para la exposición controlada de un dispositivo secundario que comprende:

un sustrato (12, 12a, 12b) teniendo una pluralidad de depósitos (14, 14a, 14b) ;

un dispositivo secundario en uno o más de los depósitos, en donde el dispositivo secundario es un biosensor (22) para detectar una molécula de interés y al menos un capa de barrera activa (18) impermeable a la molécula de interés y cubriendo uno o más depósitos (14, 14a, 14b) para aislar el dispositivo secundario (22) de uno o más componentes ambientales exteriores a los depósitos (14, 14a, 14b) ;

una capa de barrera semi permeable (20) que es permeable a la molécula de interés y que restringe el paso de otras moléculas o materiales que afectan la detección de la molécula de interés por el biosensor (22) , en donde la capa de barrera semipermeable (20) está cubierta por la capa de barrera activa (18) ; y

medios para desintegrar selectivamente la capa de barrera activa (18) para exponer el biosensor a la molécula de interés por paso de la molécula de interés a través de la capa de barrera semipermeable (20) , en donde la capa de barrera activa (18) se desintegra por reacción química, cambio de fase, o disolución.

2. El dispositivo microchip (10, 30, 32, 40, 50) de la Reivindicación 1, en donde cada depósito (14a, 14b) comprende un biosensor (28) y un sensor de referencia (26) .

3. El dispositivo microchip (10, 30, 32, 40, 50) de la Reivindicación 1 o 2, en donde el biosensor (22, 28) es un biosensor formado por un enzima o anticuerpo.

4. El dispositivo microchip (10, 30, 32, 40, 50) de la Reivindicación 1, en donde el biosensor (22, 28) comprende uno

o más electrodos.

5. El dispositivo microchip (10, 30, 32, 40, 50) de cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 4, en donde el biosensor (22, 28) es para uso en supervisión de glucosa.

6. El dispositivo microchip (10, 30, 40, 50) de la Reivindicación 1, que además comprende un componente reactivo en uno o más depósitos (14, 14a, 14b) .

7. El dispositivo microchip (10, 30, 40, 50) de la Reivindicación 6, en donde el componente reactivo es seleccionado del grupo formado por microorganismos, células, proteínas, enzimas, ácidos nucleicos, y polisacáridos.

8. El dispositivo microchip (10, 30, 40, 50) de la Reivindicación 6, en donde el componente reactivo comprende un reactivo o catalizador de ensayo.

9. El dispositivo microchip (10, 30, 40, 50) de la Reivindicación 8, donde el componente reactivo comprende glucosa oxidasa.

10. El dispositivo microchip (10, 30, 32, 40, 50) de cualquiera de las Reivindicacións 1 a 9, donde la capa de barrera activa (18) comprende una membrana de metal.

11. El dispositivo microchip (10, 30, 40, 50) de la Reivindicación 1, que además comprende un cátodo, en donde la capa de barrera activa (18) comprende un ánodo, por lo que a la aplicación de un potencial eléctrico entre el cátodo y el ánodo la capa de barrera activa (18) se desintegra.

12. El dispositivo microchip (10, 30, 40, 50) de la Reivindicación 11, que además comprende un microprocesador

(36) que puede estar dirigido a controlar la aplicación del potencial eléctrico.

13. El dispositivo microchip (10, 30, 40, 50) de la Reivindicación 1, además comprendiendo circuitos de control para controlar dichos medios para desintegrar la capa de barrera activa (18) .

14. El dispositivo microchip (10, 30, 40, 50) de la Reivindicación 13, además comprendiendo una fuente de energía (38) .

15. El dispositivo microchip (10, 30, 40, 50) de la Reivindicación 1, en donde la molécula de interés es glucosa que es supervisada por el biosensor (22) .

16. El dispositivo microchip (10, 30, 32, 40, 50) de cualquiera de las Reivindicacións 1 a 15, que además comprende depósitos (14, 14a, 14b) que contienen un medicamento para liberar.

17. El dispositivo microchip (10, 30, 32, 40, 50) de la Reivindicación 16, en donde la información del biosensor (22, 28) controla activamente la liberación del medicamento desde los depósitos (14, 14a, 14b) .

18. El dispositivo microchip (10, 30, 32, 40, 50) de la Reivindicación 16 o 17, en donde el medicamento comprende insulina.

19. El dispositivo microchip (10, 30, 40, 50) de la Reivindicación 1, en donde el biosensor (22) es usado en medir una actividad biológica.

20. El dispositivo microchip (10, 30, 32, 40, 50) de la Reivindicación 6, en donde el componente reactivo (62) es inmovilizado en el depósito (14, 14a, 14b) .

21. El dispositivo microchip (10, 30, 40, 50) de la Reivindicación 20, que además comprende un componente de control de reacción (54) montado dentro de los depósitos (14, 14a, 14b) .

22. El dispositivo microchip (10, 30, 32, 40, 50) de cualquier de las Reivindicacións 1 a 21, que está adaptado para la implantación en un paciente.

23. Un dispositivo microchip según cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 22, para uso en medicina.

24. Un método para controlar la exposición de un dispositivo secundario dentro de depósitos (14, 14a, 14b, 71, 72, 84) de un dispositivo microchip (10, 30, 32, 40, 50, 60, 70, 80) a uno o más componentes ambientales fuera de los depósitos (14, 14a, 14b, 71, 72, 84) , el método comprendiendo:

proporcionar el dispositivo microchip (10, 30, 32, 40, 50, 60, 70, 80) de una cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 15 o las 1. a 22 en un sitio que comprende uno o más componentes ambientales; y

desintegrar dicha capa de barrera activa (18, 18a, 18b, 75, 88) para exponer el dispositivo secundario dentro de un depósito selccionado (14, 14a, 14b, 71, 72, 84) a dichos uno o más componentes ambientales, en donde la desintegración de la capa de barrera activa (18, 18a, 18b, 75, 88) es por reacción química, cambio de fase, o disolución, en donde el método es no terapéutico in vivo.

25. El método de la Reivindicación 24, en donde la desintegración de la capa de barrera activa (18, 18a, 18b, 75, 88) es iniciada por aplicación de un estímulo seleccionado del grupo formado por un campo o corriente eléctrico, campo magnético, calor, productos químicos, presión osmótica, gradientes iónicos, fuerzas capilares, y tensión superficial.

26. El método de la Reivindicación 24, en donde la desintegración es controlada por un microprocesador preprogramado (31) , control remoto, una señal desde un biosensor, o una combinación de las mismas.

27. Un método para detectar o medir una propiedad en un sitio, el método comprendiendto:

proporcionar el dispositivo microchip (10, 30, 32, 40, 50, 60) de una cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 15 o 19 a 22, en el sitio; y

utilizar el biosensor (22, 28) para detectar o medir una propiedad en el sitio o una propiedad en o adyacente a al menos uno de los depósitos (14, 14a, 14b) que corresponde a una propiedad en el sitio, en donde el método es no terapéutico in vivo.

28. El método según la Reivindicación 24 o la Reivindicación 27, en donde cada dispositivo microchip comprende dos depósitos (14a, 14b) , cada uno conteniedo dos sensores, sensor de referencia (26) y biosensor (28) .

29. El método según la Reivindicación 28, en donde el sensor de referencia (26) es usado para comprobar la operación del biosensor (28) en cada depósito.

30. El método según la Reivindicación 29, en donde un microprocesador (36) , alimentado por una fuente de energía

(38) es programado para comparar continuamente, usando unidades de comparación (34a o 34b) la operación del biosensor (28) respecto al sensor de referencia (26) .

31. El método según la Reivindicación 30, donde cuando el biosensor (28) en un depósito (14a) no está funcionando apropiadamente se envía una señal al microprocesador y el microprocesador activa otro depósito (14b) para exponer los sensores dentro del mismo.

32. El método según la Reivindicación 28, en donde los biosensores (26, 28) comprenden electrodos.

33. Uso de un dispositivo microchip según cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 22 en la fabricación de un producto para detectar o medir una propiedad en un sitio.

34. Un dispositivo microchip según cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 22 para detectar o medir una propiedad en un sitio in vivo.