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Mikrofluidische Systeme für die Medikamentendosierung
Sven Spieth
Institut für Mikro- und Informationstechnik derHahn-Schickard-Gesellschaft e.V.
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Überblick
HSG-IMITInstitut für Mikro- und InformationstechnikBereich Microfluidics
Mikrofluidische Systeme für die Medikamentendosierung:1. Intraorale Medikamentenabgabe2. Cerebrale Medikamentenabgabe3. Transdermale Medikamentenabgabe4. Medikamentenabgabe mit aktivierbaren Polymeren
Diskussion
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Institute derHahn-Schickard-Gesellschaft e.V.
Stuttgart
FreiburgVillingen-Schwenningen
Baden-Württemberg
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HSG-IMAT und HSG-IMIT
Gründung: 1955Mitarbeiter 2007: 32Haushalt 2007: 2.1 M€Sitz: Stuttgart
Geschäftsbereiche:TechnologieBauelemente
Gründung: 1988Mitarbeiter 2007: 80Haushalt 2007: 7.1 M€Standorte: Villingen-Schwenningen,
Freiburg
Geschäftsbereiche:Sensors & SystemsMicrofluidicsPrototyping & Production
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Kundenstruktur & Innovationsallianz
• Kundenstruktur HSG-IMIT:
• HSG-IMIT ist Mitglied der Innovationsallianz Baden-Württemberg, einem Zusammenschluss von 15 wirtschaftsnahen, außeruniversitären Forschungseinrichtungen
National/International
Schwarzwald-Baar-Heuberg
Baden-Württemberg
39%
25%
36%
N
S
B
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Institutsleitung des HSG-IMIT
Prof. Dr. ZengerleProf. Dr. Reinecke Prof. Dr. Manoli
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MicrotechnologiesProf. Dr. Reinecke
Sensors & SystemsProf. Dr. Manoli
MicrofluidicsProf. Dr. Zengerle
Bereich Microfluidics
IMTEK- Lab for MEMS Applications(Prof. Zengerle, Dr. Koltay)
Tools for Cells (J. Steigert)
nL & pL Dosage (Dr. Koltay)
Biofuel Cell (S. Kerzenmacher)
Microfluidics Simulation (Dr. Ziegler)
HSG-IMIT: MicrofluidicsDr. Messner
Lab-on-a-Chip (Dr. von Stetten)
MicroMedicine (Dr. Hradetzky)
Microdosage Systems (Dr. Häberle)
Thermal Sensors (M. Ashauer)
HSG-IMIT Bereich Microfluidics(Dr. Messner)
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Medizintechnik am HSG-IMIT
Thermal Sensors Lab-on-a-chip
MicroMedicine Microdosage Systems
© www.scf-online.com
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Medikamentendosierung
„Ein Medikament ist ein Arzneimittel, das in bestimmter Dosierungzur Heilung, Vorbeugung oder Linderung einer Krankheit dient“
wikipedia
Wovon hängt die „bestimmte Dosierung“ ab?
• Person (z.B. Schmerzmittel) „personalisierte Medizin“
• Tageszeit (z.B. Asthma) „Chronotherapie“
• Physiologischen Parameter (z.B. Blutzucker) „Closed-Loop“
Optimum: die richtige Menge der richtigen Substanz gelangtzum richtigen Zeitpunkt zum Zielorgan“
Bedarf an intelligenten Medikamentendosiersystemenfür den mobilen Gebrauch
Bedarf an intelligenten Medikamentendosiersystemenfür den mobilen Gebrauch
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Contract. No. IST-002243
Elektronisch gesteuertes intraorales Medikamentendosiersystem zur Behandlung von Sucht- und chronischen Erkrankungen
Dosierung von Naltrexonlösung
Einsatzort: Mundraum
Dosierrate: 8-20 µl/h
Betriebsdauer: 7-14 Tage
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Systemkonzept
Prinzip der Medikamentendosierung
• Osmotische Pumpe (kein Energieverbrauch)
• Normally-Closed Ventil
• Flow-Sensor
Fernbedienung
Sch
leim
haut
Ventil Flow-Sensor
Medikamenten-Pille
Fluss
Medikamentenlösung(unter Druck)
Speichel
Osmosemembran
Medikamenten-abgabe
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Integriertes Dosiersystem IntelliDrug
Edelstahlgehäuse
Ventil
Osmosemembran
Medikamenten-Pille
Batterien
FlussAbgabe-Öffnung
Elektronik (PCB)
Flow-Sensor
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IntelliDrug-Ergebnisse
Prototyp
• Getestet in klinischer Studie
• Bis zu 25-fach höhere Bioverfügbarkeit im Vergleich zur Tablette
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200.0
0.1
0.2
0.3
0.4 oral drug delivery periods (2 times 0.4mg over 70 minutes) mean of 4 test persons blood samples
Con
cent
ratio
n [n
g/m
L]
Time [h]
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Contract. No. IST-027017
Multifunktionales Mikronadelarray für cerebrale Anwendungen
Dosierung von Neurotransmittern
Einsatzort: Gehirn
Dosierrate: 1-2 µl/min
Dosiervolumen: 0,1-0,5 µl
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Mikronadelarrays
Source:Nature, Vol. 442, July 2006
Source: "Brain Tech is Here“ Scienceprogress, Oct 2007
1 Billion US-$ jährlich
Medikamentenabgabe im Gehirn,z.B. zur Behandlung von
• Epilepsie• Parkinson• Alzheimer
Detektion
Wirkstoffabgabe
Bewertung
Reaktion
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Multifunktionales Silizium Mikronadelarray
Modularer Ansatz:
Detektion: Elektroden
Biosensoren
Reaktion: Fluidik
250 µm
silicon probe-shaft
green liquid
Fluid. Auslässe
Nadel mit zwei fluid. Kanälen
Grüner Farbstoff
Roter Farbstoff
Farblose Flüssigkeit250 µm
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Dosiersystem
Was bedeutet Wirkstoff "zu dosieren" technologisch ?
• Wirkstoffabgabe auf Nachfrage Elektronik
• Wirkstoff bewegen Aktorik
• Wirkstoff bemessen Sensorik
Kombination zu einer Einheit möglich ?• Dosierkartusche
• Funktionsprinzip ähnlich Tablettenschachtel
• Multiple Abgaben < 0.5 µl
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Dosierkartusche – 1. Prototyp
Funktionsprinzip
• Verbundenes Array von Reservoiren
• Reservoirinhalt = Dosiermenge
• Irreversible Expansion
Glaschip mitMikroheizern
Aktorik(Silikon + Expancels)
Fluidisch Kanäleund Reservoirs
Volumen vergrößert sichum Faktor 64 !
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Transdermales Medikamentenabgabesystem
Dosierung von Rheuma-Therapeutika
Einsatzort: Haut
Dosierrate: 100 µl/h
Dosierdauer: 6-8 h
ChronoPatch
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Heissprägen von Mikronadeln
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Transdermales Dosiersystem
Mikronadeln
Superabsorbing Polymers(Osmose)
100µl/h
~ 17min.
Versuche mit SchweineohrenSystem "Pflaster"
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Wirkstoff-Abgabe unter Verwendung von steuerbarenMembranen auf Basis von elektroaktivierbaren Polymeren
Dosierung von Molekülen (Morphin)
Einsatzort: Subkutan
Dosierrate: mmol / d
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MolPump – Molekültransport ohne Fluid
Zeit/Diffusion3.
WECE Reservoir
1.Reduktion: + 2 e- + 2
2.
Oxidation: - 2 e- - 2
WECE Reservoir
: Dotierstoff, z.B. DBS-
: Wirkstoff, z.B. Morphin(sulfat)
WECE Reservoir
Abg
abes
eite
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !
Kontakt:
Sven SpiethHSG-IMITWilhelm-Schickard-Str. 1078052 Villingen-SchwenningenTel: +49 7721 943 241Email: [email protected]
