CN102958556A - 细胞相互作用增强的纳米图案化医疗装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是一种基于纳米形貌的方法和装置，其用于与皮肤结缔组织的成分交互作用。装置包括在表面上加工以形成纳米形貌的结构。可以加工随机或非随机图案结构，诸如包括不同尺寸和/或形状结构的复合图案。微针可以有益地用于药剂输送至细胞或组织。可以利用装置通过所加工纳米形貌与细胞的质膜和/或与细胞外基质成分的交互作用直接或间接地改变细胞行为。

Description

细胞相互作用增强的纳米图案化医疗装置

相关申请的交叉引用

本申请要求申请日期为2010年4月28日的美国临时专利申请序列号61/328,723、申请日期为2010年11月8日的美国临时专利申请序列号61/411,071以及申请日期为2011年1月25日的美国临时专利申请系列号61/435,939的优先权，它们的全部内容都通过引用并入本文。

背景技术

将药剂（例如，药物或治疗剂）在有效浓度上以活性状态提供给特定细胞或组织类型的靶向给药是长期追求的目标。要实现该目标需要克服许多困难。例如，首先需要将药剂成功地输送到期望靶标。当前所使用的主要输送方法包括口服和注射。然而，注射会带来疼痛，并且这两种方法都容易提供药剂的脉冲而不是优选的稳态给药。另外，人体已经发育了许多阻止胃肠道中诸如酶催降解的外来物质的流入的系统，阻止越过上皮细胞的吸收、肝清除、以及免疫和排异反应的结构组件。

已经开发了经皮给药材料以试图提供无痛路线用于在持续时间上输送活性药剂。为了成功，经皮方案需要输送药剂越过已经进化成具有防止外来物质侵入的基本功能的表皮。表皮的最外层，即角质层，具有通过将由角化粒保持在一起并嵌入脂类基质中的角质细胞和交联角蛋白纤维重叠而提供的结构稳定性，所有的这些提供了极好的屏障功能。在角质层之下是颗粒层，其中角质化细胞之间形成紧密连接。紧密连接是屏障结构，其包括嵌入相邻质膜中的跨膜蛋白质（例如，紧密连接蛋白（caludins）、密封蛋白（occludin）和接合粘连分子）网络和多个斑蛋白（例如，ZO-1、ZO-2、ZO-3、扣带蛋白、偶对蛋白）。紧密连接存在于内部上皮（例如，肠上皮、血脑屏障）以及皮肤的颗粒层中。在角质层和颗粒层以下的是棘层。棘层包括郎格罕氏细胞，其为树突细胞，可以变为全功能抗原呈递细胞，并可以引起对侵入药剂的免疫反应和/或排异反应。

虽然越过自然屏障有困难，但实现活性药剂的输送已经取得了进步，例如，经皮输送。不幸的是，经皮法目前仅限定于输送具有中等的亲油性且没有电荷的低分子量药剂。即使在成功的穿过天然屏障后，关于维持所输送药剂的活性水平以及避免身体排异反应和免疫反应的问题依然存在。

利用辅助方法以促进活性药剂的经皮输送已经改善了这种输送途径。例如，已经发现微针装置有利于材料输送进入或穿过皮肤。通常，微针装置包括针阵列，它们可以穿透皮肤的角质层并到达底层。微针装置的实例已经在Allen等人的美国专利No.6,334,856和Prausnitz等人的美国专利No.7,226,439中有所描述，它们均通过引用并入本文。然而，如上所述的，经皮输送在越过角质层的屏障后呈现其他的困难。特别地，一旦药剂已经输送至目标区域，仍需合适地利用而不破坏药剂或刺激免疫反应。例如，难以激励定位至细胞内部的活性药剂的内吞作用。

研究者已经对输送行为所处的分子环境有了一定的理解，以试图克服这些问题。例如，已经发现壳聚糖能够有效地打开肠上皮中的紧密连接（例如参见Sapra等人的AAPS Pharm.Sci.Tech.，10(1)，2009年3月；Kaushal等人的Sci.Pharm.，2009年第77卷第877-897页），还公开了通过标记的纳米粒子的内吞作用的活性药剂输送（例如参见Lin等人的美国专利No.7,563,451和Havnie等人的美国专利No.7,544,770）。另外，已经发现邻接细胞的表面的纳米形貌影响这两者之间的粘附特征并影响包括形态学、运动性、细胞骨架结构、增殖和分化的细胞行为（例如参见Hart等人的European Cells and Materials，2005年增刊2第10卷；Lim等人的J R SocInterface，2005年3月22日，2(2),97-108；Yim等人的Biomaterials，2005年9月，26(26),5405-5413）。作为该初始研究的延伸，已经检验了支承衬底的纳米形貌在组织工程学中的使用（例如参见Borenstein等人的美国专利申请公开No.2008/0026464和Schapira等人的美国专利申请公开No.2008/0311172）。

虽然上面描述了本领域中的改进，但还存在改进空间。例如，提供活性剂有效输送同时降低对输送装置和所输送药剂的潜在免疫反应和身体排异反应的装置和方法将是有益的。

发明内容

根据本发明的一个实施例，公开了一种医疗装置，其包括从支承件向外延伸的微针阵列。至少一个微针包含其表面上形成的多个纳米结构，所述纳米结构以预定图案布置。

根据本发明的另一实施例，公开了一种用于将药物化合物输送至皮下位置的方法。该方法包括利用与药物化合物流体连通的微针穿刺角质层，所述微针含有多个形成在其表面上并以图案布置的纳米结构；以及使所述药物化合物传输通过微针并穿过角质层。

在本发明的又一个实施例中，公开了一种医疗装置，其包括在表面上加工并限定了加工的纳米形貌的多个纳米尺寸结构。还公开了一种用于形成一种医疗装置的方法，该方法包括在微针的表面上加工纳米结构图案。

附图说明

在本说明书的剩余部分中，将参照附图更加具体地阐明该主题的全面和允许公开，其包括针对本领域技术人员的最佳实施方式，其中：

图1示意了微针装置的一个实施例。

图2示意了微针装置的另一个实施例。

图3示意了微针的一个实施例，其包括限定可与细胞外基质（ECM）相互作用的纳米形貌。

图4示意了可以形成在微针表面上的复合图案的一个实施例。

图5示意了包括图4复合图案的多次迭代的图案。

图6示意了Sierpenski三角形分形图。

图7A-7D示意了复合分形和类分形的纳米形貌。

图8示意了可形成在微针表面上的另一复合图案。

图9示意了可以用于此处描述的纳米尺寸结构的例证性堆积密度，其包括方形堆积设计（图9A）、六边形堆积设计（图9B）、以及圆形堆积设计（图9C）。

图10示意了用于确定细胞层TEER的方法。

图11A-11C示意性地说明了在形成装置的一个实施例中所利用的纳米压印方法。

图12示意性的说明了装置的一个实施例。

图13是输送药物化合物之前的透皮贴的一个实施例的透视图。

图14是图13的贴的正视图。

图15是图13的贴中释放构件从该贴部分地分离的透视图。

图16是图13的贴的正视图。

图17是图13的透皮贴在释放构件移除后和使用期间的透视图。

图18是图17的贴的正视图。

图19是输送药物化合物之前的透皮贴的另一个实施例的透视图。

图20是图19的贴的正视图。

图21是图19的贴中释放构件从该贴部分地剥离的透视图。

图22是图21的贴的正视图。

图23是图19的贴中释放构件从该贴完全剥离的透视图。

图24是图19的透皮贴在释放构件移除后和使用期间的透视图。

图25A-25E示意了如这里描述的多个纳米形貌图案。

图26是包括纳米图案表面的薄膜的SEM图。

图27A和27B是包括另一纳米图案表面的膜层的两个SEM图。

图28是包括另一纳米图案表面的膜层的SEM图。

图29是包括另一纳米图案表面的膜层的SEM图。

图30是包括另一纳米图案表面的膜层的SEM图。

图31是包括另一纳米图案表面的膜层的SEM图。

图32是包括另一纳米图案表面的膜层的SEM图。

图33是包括另一纳米图案表面的膜层的SEM图。

图34是包括另一纳米图案表面的膜层的SEM图。

图35图表性地示意了被图案化成如这里所述的纳米图案的聚苯乙烯膜上的单层细胞中对牛血清白蛋白（BSA）渗透性的影响。

图36A和36B图表性地示意了被图案化成如这里所述的纳米图案的聚苯乙烯膜上的单层细胞中对免疫球蛋白-G（IgG）渗透性的影响。

图37A和37B是3D活体/死体荧光染色图像，其示出了跨过如这里所述的纳米图案的聚苯乙烯膜上的单层细胞的IgG的细胞旁和穿过细胞传输。

图38图表性地示意了被图案化成如这里所述的纳米图案的聚丙烯膜上的单层细胞中对BSA渗透性的影响。

图39图表性地示意了被图案化成如这里所述的纳米图案的聚丙烯膜上的单层细胞中对IgG渗透性的影响。

图40A和40B是3D活体/死体荧光染色图像，其示出了跨过如这里所述的聚丙烯膜图案化表面上的单层细胞的IgG的细胞旁传输。

图41A-41F是在如这里所描述的纳米图案表面上所培养的细胞的扫描电子显微（SEM）图像。

图42示出了被图案化成如这里所述的纳米图案的聚丙烯膜或聚苯乙烯膜上的单层细胞中对依那西普（etanercept）的渗透性的影响。

图43示出了在与被图案化成如这里所述的纳米图案的聚丙烯膜或聚苯乙烯膜接触两个小时后细胞层对依那西普渗透性的增加。

图44是包括在其上限定纳米结构图案的表面层的微针阵列。

图45是图44的阵列中的单个微针。

图46图表性地示意了通过如这里所述装置给药的蛋白治疗剂的PK曲线。

图47A和47B是蛋白治疗剂经皮给药穿过皮肤后的皮肤截面图像。图47A是与其上限定纳米形貌的经皮装置接触的皮肤截面，以及图47B是与不包括形成于其上的纳米形貌的经皮装置接触的皮肤截面。

图48图表性地示意了通过这里所描述的装置给药的蛋白治疗剂的血清浓度。

具体实施方式

现在将参照所公开主题的各个实施方式予以详细描述，这些实施例中的一个或多个实例将在下面阐明。通过解释说明而非限制性的提供每个实例。事实上，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在不脱离本发明主题的范围和精神的条件下对本发明公开做出各种变型及改变。例如，作为一个实施例所解释或描述的特征可以用于另一个实施例以产生又一其他实施例。因此，本发明旨在覆盖这些变型和改变，它们包括在所附权利要求和它们等效物的范围内。

这里公开了一种医疗装置，其包括表面上制造的结构图案，其中至少部分以纳米级制造。如这里所使用的，术语“制造”通常指代经过特定设计、加工和/或构造从而存在于医疗装置表面上的结构，且并不等同于仅是装置形成过程中的偶然产物的表面特征。因此，在微针表面上将是预定的纳米结构图案。

该医疗装置可由多种材料构造，包括金属、陶瓷、半导体、有机物、聚合物等，以及它们的组合物。通过实例，可以利用药物级不锈钢、钛、镍、铁、金、锡、铬、铜、这些或其他金属的合金、硅、二氧化硅、以及聚合物。通常，该装置由能够在表面上携带这里所述的结构图案的生物相容材料形成。术语“生物相容”通常指代基本不会有害地影响装置将输送到的区域内的细胞或组织的材料。该材料还旨在不会在活体对象任何其他区域中引起任何医学上不期望的作用。生物相容材料可以是合成的或天然的。合适的生物相容材料也是可生物降解的，一些实例包括羟基酸聚合物，诸如乳酸-乙醇酸聚交酯、聚乙交酯、聚乳酸-共-乙醇酸，聚乙二醇、聚酐、聚（原）酯、聚氨酯、聚（丁酸）、聚（戊酸）以及聚（丙交酯-共-己内酯）的共聚物。其他适合的材料可以包括但不限于聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸、乙烯醋酸乙烯酯共聚物、聚四氟乙烯以及聚酯。该装置可以天然地呈非多孔或多孔的，可以在整个装置上关于材料、几何结构、坚固性等是均匀或不均匀的，以及可以具有刚性的固定或半固定形状。

不论利用什么材料，该医疗装置可用于与组织相互作用，诸如向细胞输送生物活性剂。例如，该医疗装置可用于输送药剂至组织或至该组织的一个或多个类型的细胞，用于组织的结构支承、用于组织部分或组分的移除等。该医疗装置可在一个实施例中用于输送物质穿越皮肤的一层或多层。在使用中，该装置与周围生物组分交互作用并调整或调节（即改变）细胞内和/或细胞间关于细胞/细胞交互、内吞作用、炎症反应等的信号转导。例如，通过医疗装置表面上纳米形貌和周围生物材料或结构之间的交互作用，该装置可以调整和/或调节膜电位、膜蛋白、和/或胞间连接点（例如，紧密连接、间隙连接、和/或细胞桥粒）。可以利用该装置来经皮给药或收回材料而不会引起身体排异反应或免疫反应。

在一个实施例中，该装置是微针或微针阵列，然而应该理解的是该装置不限于微针。微针可用于穿过诸如皮肤、血脑屏障、黏膜组织、血液和淋巴管等的生物屏障而输送材料。图1示出了典型的微针装置10。可以看出，该装置包括单个微针12的阵列，每个微针12形成可以穿透生物屏障而不会破坏各个微针的尺寸和形状。微针可以是如图1所示的实心的、多孔的，或可以包括空心部分。微针可以包括空心部分，例如延伸穿过整个针或部分针的环形孔，其平行于针的方向延伸或视情况在针的侧面分支或出来（exist）。例如，图2示意了微针14的阵列，每个微针14包括在针的侧面可例如用于向皮下位置输送药剂的通道16。例如，通道16可以至少部分地与基底15中的孔径对准从而形成孔径和通道16之间的接合以形成物质穿过通道16的通路。

通道16存在时，其尺寸可以具体选定以引导药物化合物的毛细流动。毛细流动通常发生在通道壁对流体的粘附力大于流体分子之间的粘合力时。具体而言，毛细压力与通道16的横截面尺寸成反比，以及与流体的表面张力乘以流体与形成通道的材料接触的接触角的余弦的积成正比。因此，为了便于贴内的毛细流动，可选择地控制通道16的横截面尺寸（例如，宽度、直径等），其中较小的尺寸通常导致较高的毛细压力。例如，在一些实施例中，通道的横截面尺寸通常介于约1微米到约100微米的范围，在一些实施例中，从约5微米到约50微米，以及在一些实施例中，从约10微米到约30微米。该尺寸可以是恒定的或可以根据通道16的长度而变化。通道的长度可以变化以适应不同药物化合物的体积、流动速率以及停留时间。例如，通道的长度可以从约10微米到约800微米，在一些实施例中，从约50微米到约500微米，以及在一些实施例中，从约100微米到约300微米。通道的横截面面积也可以变化。例如，该横截面面积可以从约50平方微米到约1000平方微米，在一些实施例中，从约100平方微米到约500平方微米，以及在一些实施例中，从约150平方微米到约350平方微米。此外，通道的纵横比（长度/横截面尺寸）可以从约1到约50的范围，在一些实施例中，从约5到约40，以及在一些实施例中，从约10到约20。在横截面尺寸（例如，宽度、直径等）和/或长度随长度变化时，可根据平均尺寸确定纵横比。

应该理解的是，附图中所示的微针数量仅是示意性目的。微针组件中所使用的实际微针数量，举例来说，可以在从约500至约10000的范围，在一些实施例中数量在约2000至约8000，以及在一些实施例中数量在约4000至约6000的范围。

各个微针可以具有直的或锥形的轴。在一个实施例中，微针的直径在微针的基部端最大并逐渐缩小至基部最远端处的点。微针还可以加工成具有包括直（非锥形）部和锥形部的轴。

微针可以形成为其轴的截面为圆形或非圆形。例如，微针的截面可以是多边形的（例如，星形、方形、三角形）、椭圆形或任意其他形状。该轴可以具有一个或多个孔和/或通道。

能够根据所期望的目标深度、避免针在特定类型组织中破坏的强度要求等来优化各个针的尺寸。例如，经皮微针的截面尺寸可以介于约10纳米（nm）和1毫米（mm）之间，或介于约1微米（μm）和约200微米之间，或介于约10微米和约100微米之间。外径可以介于约10微米和约100微米之间，以及空心针的内径可以介于3微米和约80微米之间。尖端通常具有小于或等于约1微米的半径。

微针的长度通常取决于所需应用。例如，微针可以具有介于约1微米和约1毫米之间的长度，例如约500微米或更少，或介于约10微米和约500微米之间，或介于约30微米和约200微米之间。

微针阵列无需包括彼此完全相同的微针。微针可以包括具有不同长度、外径、内径、横截面形状、纳米结构表面和/或微针之间间隔的微针的混合。例如，微针可以均匀方式间隔，诸如以矩形或方形栅格或以同心圆的方式。该间隔可以取决于多种因素，包括微针的高度和宽度、以及旨在从微针通过的物质的量和类型。虽然微针的各种布置都是有用的，微针的一种特别有用的布置是微针之间的“尖端-尖端”间隔为约50微米或更大，在一些实施例中从约100至约800微米，以及在一些实施例中从约200微米至约600微米。

再参照图1，微针可以保持在衬底20上（即，接附到衬底或与衬底为一整体）从而它们与衬底垂直取向或成一角度。在一个实施例中，微针可以垂直取向于衬底，每单位衬底面积可以提供更大密度的微针。然而，微针阵列也可包括取向、高度、材料或其他参数不同的微针的混合。衬底20可以从金属、陶瓷、塑料或其他材料的刚性片或柔性片构造。衬底20厚度可以变化以符合该装置的各种需求，诸如1000微米或更小，在一些实施例中从约1至约500微米，以及在一些实施例中从约10至约200微米。

根据本发明公开，微针表面可以在其上以随机或有组织的图案限定纳米形貌。图3示意性地说明了两个代表性微针22的端部。微针22限定中心孔24，其可用于经由微针22的药剂输送。微针22的表面25限定纳米形貌26。在该特定实施例中，纳米形貌26在微针22的表面25上限定任意图案。

微针可以包括形成于表面上的多个相同结构或可以包括以各种尺寸、形状和其组合形成的不同结构。结构的预定图案可以包括具有各种长度、直径、横截面形状、和/或结构间间隔的结构的混合。例如，这些结构可以以统一方式间隔，诸如以矩形或方形栅格或以同心圆方式。在一个实施例中，这些结构在尺寸和/或形状方面是变化的并可以形成复合纳米形貌。例如，复合纳米形貌可以限定分形或类分形的几何图案。

如这里所使用的，术语“分形”通常指代如下的几何或物理结构：其在最大和最小尺寸之间所有尺度具有一种片段形状，以使得该结构的某些数学或物理性质表现为该结构的尺寸大于空间尺寸。重要的数学或物理性质可以包括例如曲线的周长或多孔介质中的流动速率。分形的几何形状可以分为多个部分，其中每个部分都具有自相似性。另外，分形具有递归定义并在任意小尺度上具有精细结构。

如这里所使用的，术语“类分形”通常指代如下的几何或物理结构：其具有分形特征中的一个或多个但不是全部。例如，类分形结构可以包括其具有自相似部分的几何形状，但不包括在任意小尺度上的精细结构。在另一例子中，类分形几何形状或物理结构的尺寸虽然会在图案几何形状的递归迭代中增大或减小，但其尺寸并不像分形一样在尺寸迭代过程中以相等的比例减小（或增大）。类分形图案可以比分形图案更简单。例如，它可以是规则的并可相对容易地以传统欧几里得几何语言描述，而分形却不能。

限定复合纳米形貌的微针表面可以包括大致形状（例如，柱）相同的结构，这些柱可以被制成为不同尺寸（例如，纳米级柱以及微米级柱）。在另一个实施例中，微针可以包括在尺寸和形状上均变化或仅在形状上变化而形成为相同纳米尺度级的表面结构。另外，这些结构可以有组织的阵列或以随机分布形成。通常，至少部分结构是纳米尺度级上形成的纳米结构，例如限定横截面尺寸小于约500纳米，例如小于约400纳米、小于约250纳米、或小于约100纳米。纳米结构的横截面尺寸通常可以大于约5纳米，例如大于约10纳米、或大于约20纳米。例如，该纳米结构可以限定横截面尺寸介于约5纳米和约500纳米之间、介于约20纳米和约400纳米之间、或介于约100纳米和约300纳米之间。在纳米结构的横截面尺寸作为该纳米结构高度的函数变化时，横截面尺寸可以确定为从纳米结构的基部至尖端的平均值，或为该结构的最大横截面尺寸，例如在锥形纳米结构基部的横截面尺寸。

图4示意了可以形成在表面上的复合纳米形貌的一个实施例。具体图案包括中心大柱体100和周围以规则图案设置的较小尺寸的柱体102、104。可以看出，该图案包括柱体的迭代，其中每个被形成为具有大致相同的形状，但在水平尺寸上不同。该具体复合图案是类分形图案的实例，其在相继递归迭代之间不包括尺度的相同变化。例如，虽然柱体102是第一级纳米结构，其限定了作为微米结构的大柱体100的约三分之一水平尺寸，而柱体104是第二级纳米结构，其限定了柱体102的约一半的水平尺寸。

包括不同尺寸结构的图案可以包括较大结构与较小纳米结构的组合，所述较大结构具有较大尺度上形成的横截面尺寸，例如具有大于500纳米的横截面尺寸的微米结构。在一个实施例中，复合纳米形貌的微米结构可以具有的横截面尺寸介于约500纳米和约10微米之间、介于约600纳米和约1.5微米之间、或介于约650纳米和约1.2微米之间。例如，图4的复合纳米形貌包括微米尺度柱体100，其具有约1.2微米的横截面尺寸。

在图案包括一个或多个更大的微米结构时，例如具有大于约500纳米的横截面尺寸，其确定为该结构的平均横截面尺寸或为该结构的最大横截面尺寸，该复合纳米形貌也包括纳米结构，例如尺寸和/或形状等不同的第一纳米结构、第二纳米结构。例如，图4的复合纳米形貌的主体102具有约400纳米的横截面尺寸，以及主体104具有约200纳米的横截面尺寸。

纳米形貌可以任意数量的不同元素形成。例如，各元素的图案可以包括两个不同元素、三个不同元素（其一实例示意于图4）、四个不同元素、或更多。每个不同元素再现的相对比例也可以变化。在一个实施例中，图案的最小元素的数量比较大元素更多。例如在图4的图案中，针对每个柱体102具有八个柱体104，以及针对中央大柱体100具有八个柱体102。随着元素在尺寸上的增加，元素在纳米形貌中的再现通常更少。通过实例，第一元素，其在横截面尺寸上为第二、较大元素的约0.5倍，例如约0.3至0.7倍，在该形貌中出现的数量为第二元素的五倍或更多。第一元素，其在横截面尺寸上为第二、较大元素的约0.25倍，例如约0.15至0.3倍，在该形貌中出现的数量为第二元素的十倍或更多。

各个元素的间隔也可以变化。例如，各个结构的中心至中心间隔可以介于约50纳米和约1微米之间，例如介于100纳米和约500纳米之间。例如，各结构之间的中心至中心间隔可以是纳米尺度级。例如，在考虑纳米尺度结构间隔时，各结构的中心至中心间隔可以小于约500纳米。然而这不是形貌图的要求，而各个结构可以更远地间隔。各结构之间的中心至中心间隔可根据各结构的尺寸变化。例如，两个相邻结构的平均横截面尺寸与这两个结构的中心至中心间隔的比值可以介于约1:1（例如，接触）和约1:4之间、介于约1:1.5和约1:3.5之间、或介于约1:2和约1:3之间。例如，中心至中心间隔可以大约是两个相邻结构的平均横截面尺寸的两倍。在一个实施例中，其中每个具有约200纳米横截面尺寸的两个相邻结构可以具有约400纳米的中心至中心间隔。因此，在该情形中平均直径与中心至中心间隔的比值为1:2。

结构间隔可以相同，即等距，或可以针对图案中的各结构变化。例如，图案的最小结构可以间隔第一距离，以及这些最小结构和图案的较大结构之间或图案的两个较大结构之间的间隔可以与第一距离相同或不同。

例如，在图4的图案中，最小结构104具有约200纳米的中心至中心间隔。较大柱体102和每个周围柱体104之间的距离小于约100纳米。最大柱体100和每个周围柱体104之间的距离也小于最小柱体104之间约100纳米的中心至中心间隔。当然，这不是必须的，并且所有结构相互之间的距离可以相等或任意变化。在一个实施例中，不同结构可以彼此接触，例如在彼此顶上，这将在下文讨论，或彼此相邻并彼此接触。

形貌图的结构可以形成为相同高度，通常介于约10纳米和约1微米之间，然而这不是必须的，以及图案的各个结构尺寸可以在一维、二维或三维上变化。在一个实施例中，形貌图的一些或所有结构能够具有小于约20微米的高度、小于10微米的高度、或小于约1微米的高度，例如小于约750纳米、小于约680纳米、或小于约500纳米。例如这些结构能够具有约50纳米和约20微米之间、或约100纳米和约700纳米之间的高度。例如，各个纳米结构或微米结构能够具有约20nm和约500nm之间、约30nm和约300nm之间、或约100nm和约200nm之间的高度，然而应该理解的是这些结构在横截面尺度上可以是纳米尺度的并可以在微米尺度级上度量的高度，例如大于约500nm。微米尺度结构能够具有与相同图案中纳米尺寸结构相同或不同的高度。例如，微米尺度结构能够在另一实施例中具有约500纳米和约20微米之间、或1微米和约10微米之间的高度。微米尺度结构还可以具有大于约500nm的微米尺度横截面尺寸，并可以具有小于约500纳米的纳米尺度级高度。

这些结构的纵横比（某结构的高度与该结构的横截面尺寸的比值）能够是介于约0.15和约30之间、介于约0.2和约5之间、介于约0.5和约3.5之间、或介于约1和约2.5之间。例如，这些纳米结构可以具有落入这些范围内的纵横比。

装置表面可以包括单一实例的图案，如图4所示，或可以包括相同或不同图案的多次迭代。例如，图5示意了表面上包括图4的图案多次迭代的表面图案。

在表面上形成纳米形貌可以增加表面积而不会相应的增加体积。表面积与体积比值的增加被认为能够促进表面与周围生物材料的交互作用。例如，表面积与体积比值的增加被认为能够促进纳米形貌和周围蛋白之间的机械作用，所述蛋白例如为细胞外基质（ECM）蛋白和/或质膜蛋白。

通常，表面积与体积比可以大于约10000cm^-1、大于约150000cm^-1、或大于约750000cm^-1。可以根据本领域公知的标准方法来执行表面积与体积比的确定。例如，可以通过以氮气作为吸附气体的物理气体吸附法（B.E.T方法）来获得表面的比表面积，这通常是本领域公知的，并由Brunauer、Emmet以及Teller(J.Amer.Chem.Soc,vol.60,Feb.,1938,pp.309-319)所描述，其通过引用合并于此。在一个实施例中BET表面积可以小于约5m²/g，例如介于约0.1m²/g和约4.5m²/g之间、或介于约0.5m²/g和约3.5m²/g之间。针对表面积和体积的值还可以通过用于形成表面的铸模的几何形状根据标准几何计算来估计。例如，该体积可以根据针对每个图案元素的所计算体积与给定面积上（例如，单个微针面积上）的图案元素的总数来估算。

对于表面上限定复合图案纳米形貌的装置，纳米形貌可以通过确定图案分形维数来表征。分形维数是给出随着递归迭代继续至越来越小的尺度分形如何完全填满空间的程度的统计量。二维结构的分形维数可以表示为：

$D=\frac{\log N\left(e\right)}{\log \left(e\right)}$

其中N（e）是对象在每个空间方向上减小1/e时覆盖整个对象所需的自相似结构的数量。

例如，在考虑公知为图6所示意的Sierpenski三角的二维分形时，其中等边三角形的三条边的中点相连接，并且所产生的内部三角形移除，该分形维数可以如下计算：

$D=\frac{\log N\left(e\right)}{\log \left(e\right)}$

$D=\frac{\log 3}{\log 2}$

D≈1.585。

因此，Sierpenski三角形分形表现了初始二维等边三角形上线条长度的增加。另外，该线条长度的增加不伴随面积的相应增加。

图4所示意的图案的分形维数约为1.84。在一个实施例中，该装置的表面纳米形貌可以表现为大于约1的分形维数，例如介于约1.2和约5之间、介于约1.5和约3之间、或介于约1.5和约2.5之间。

图7A和7B示意了另一实例复合纳米形貌的递增放大图。图7A和7B的纳米形貌包括定位在衬底上的纤维状柱体70的阵列。在每个单个柱体的远端，柱体分割为多个更小纤维60。在这些更小纤维60中每个的远端，每个纤维再次分割为多个细丝（在图7A和7B中不可见）。形成在表面上的具有大于约1的纵横比的结构可以是柔性的，如图7A和7B所示意的结构，或可以是刚性的。

图7C和7D示意了另一实例复合纳米形貌。在该实施例中，基底上形成多个柱体72，每个包括通过其的环形空心71。在每个空心柱体的远端，形成多个更小柱体62。可以看出，图7C和7D的柱体保持了它们的刚性和竖直的取向。另外的，并与先前图案形成对比，该实施例的较小柱体62在形状上不同于较大柱体72。具体而言，较小柱体62不是空心的，而是实心的。因此，包括被形成为不同尺度的结构的纳米形貌不需要所有结构具有相同形状，这些结构可以在尺寸和形状上均不同于不同尺度的结构。

图8示意了包括可以形成在装置表面上的纳米尺度结构的另一图案。可以看出，在该实施例中，各个图案结构可以大体相同的尺寸形成，但具有彼此不同的方向和形状。

除了或可替代上述的这些方法，表面还可以通过其他方法表征，包括但不限于表面粗糙度、弹性模量和表面能。

确定表面粗糙度的方法通常是本领域公知的。例如，可以利用原子力显微镜的接触或非接触模式根据标准操作来确定材料的表面粗糙度。可以用来表征微针的表面粗糙度可以包括平均粗糙度（R_A）、均方根粗糙度、偏斜、和/或峰度。一般来说，其上限定所加工的纳米形貌的表面平均表面粗糙度（即，表面的算术平均高度是ISO25178系列中定义的粗糙度参数）可以小于约200纳米、小于约190纳米、小于约100纳米、或小于约50纳米。例如，平均表面粗糙度可以介于约10纳米和约200纳米之间、或介于约50纳米和约190纳米之间。

装置可以通过纳米图案化的表面的弹性模量来表征，例如通过纳米形貌添加至表面后在弹性模量上的变化来表征。一般而言，在表面上添加形成纳米形貌的多个结构会降低材料的弹性模量，这是由于表面上纳米尺度结构的添加会导致表面连续性的减少以及表面积的相关改变。对比于根据相同工艺以及相同材料形成但不具有纳米形貌图案的类似表面，其上包括纳米形貌的装置会表现出弹性模量减少约35%和约99%之间，例如介于约50%和约99%之间、或介于约75%和约80%之间。通过实例，纳米图案表面的有效抗压模量可以小于约50MPa，或小于约20MPa。在一个实施例中，有效抗压模量可以介于约0.2MPa和约50MPa之间、介于约5MPa和约35MPa之间、或介于约10MPa和约20MPa之间。有效剪切模量可以小于约320MPa，或小于约220MPa。例如，在一个实施例中，有效剪切模量可以介于约4MPa和约320MPa之间、或介于约50MPa和约250MPa之间。

对比于不具有其上限定纳米形貌图案的表面的类似装置而言，其上包括纳米形貌的装置还可以表现为表面能的增加。例如，对比于由相同材料并根据相同方法形成但除了表面上具有纳米形貌图案的类似微针，其上形成纳米形貌的微针可以表现出表面能的增加。例如，其上包括纳米形貌的表面的水接触角可以大于约80°、大于约90°、大于约100°、或大于约110°。例如在一个实施例中，表面的水接触角可以介于约80°和约150°之间、介于约90°和约130°之间、或介于约100°和约120°之间。

在装置表面上形成纳米结构时，可以最大化各结构的堆积密度。例如，可以利用方形堆积（图9A）、六边形堆积（图9B）、或它们的一些变形来将这些元素图案化在衬底上。在设计其中横截面面积A、B及C尺寸不同的结构在衬底上彼此邻接图案时，可以利用图9C中指示的圆形堆积。当然，堆积密度的变化和表面特性的有关变化的确定是处于本领域技术人员能力范围内的。

在使用中，微针装置可以与真皮结缔组织的一个或多个组分交互。结缔组织是支承其他类型组织（即，上皮组织、肌肉组织和神经组织）的框架。结缔组织通常包括保持在ECM中的各个细胞。ECM进而包括基质（例如，骨矿物质、血浆等）和纤维成分，所述纤维成分包括胶原质、纤连蛋白、层粘连蛋白等。结缔组织可以呈现广泛分散的结构，从其中不存在纤维成分以及基质为液体的血液到皮肤中所发现的包括相对高比例的细胞外纤维（例如，胶原质）并可以包括很少的其他结缔组织成分的密集结缔组织。皮肤中存在许多特定类型的结缔组织，一个实例是弹性组织，其中弹性纤维是该组织的主要成分，以及通常在其他类型结缔组织中发现的诸如胶原质和蛋白聚糖的因子的量可以最小化。

微针表面的纳米形貌可以在微针和输送区域的皮肤结缔组织的生物成分之间提供改进的交互作用。例如，经皮装置的微针可以直接与ECM蛋白和/或各个细胞交互作用，所述各个细胞诸如角质细胞、棘层郎格罕氏细胞或生发层的未分化基细胞。经皮装置中的较长针能够用于进入真皮成分，例如毛细血管床的血细胞。基于该装置与局部生物成分之间改善的交互作用，周围组织可以较小可能地呈现排异反应，这可以减少局部发炎以及改进活性药剂的输送。在一个实施例中，该装置能够在药剂输送中扮演更积极的角色。例如，纳米形貌和周围生物组分之间的交互能够促进高分子量材料的输送，例如通过打开颗粒层中紧密结合。

尽管不指望由任何特定的理论支持，但据信纳米形貌通过两种机制促进了与生物成分的交互。根据一种机制，纳米形貌可以促进微针在输送部位上模仿ECM的能力。例如，微针的纳米形貌能够模仿输送部位上的基膜的一种或多种成分。在使用中，细胞可以接触微针的纳米形貌，且其反应方式类似于通常接触到纳米形貌所模仿的自然结构（例如，基膜蛋白）的反应方式。从而，该装置可以与细胞直接交互作用以调整或调节（即，改变）细胞行为，例如细胞信号传导，进而改善药剂穿过自然屏障的传输以及改善通过该装置所输送药剂的细胞内吞作用。

根据第二机制，纳米形貌可以与诸如ECM蛋白的局部结缔组织的非细胞生物成分交互作用。例如，可以从微针表面吸收和释放ECM蛋白。ECM蛋白的吸收/释放可以改变局部化学环境，这能够导致细胞行为的变化。根据该第二机制，该装置可以间接影响细胞行为。例如，在装置表面上吸收一个或多个ECM蛋白能够间接调整或调节细胞内和/或细胞间信号传导。

基于与周围生物组分的改进交互作用，该装置可以促进所输送药剂的吸收。例如，通过利用包括纳米形貌图案的装置可以增强蛋白治疗剂的药物动力学（PK）曲线（即，穿过上皮细胞膜的吸收曲线）。通过实例，可以通过其上限定了复合微针阵列的透皮贴经皮输送具有超过100kDa分子量的蛋白治疗剂，所述分子量例如介于约100kDa至约200kDa之间、或约150kDa。在一个实施例中，可利用透皮贴来输送例如介于约200至约500μL、或约250μL的单剂量蛋白治疗剂。在将透皮贴附接至皮肤后，受体可以表现出这样的PK曲线，该曲线反映在1至4小时给药时间内每平方厘米透皮贴面积每毫升约500和约1000纳克治疗剂、例如每平方厘米透皮贴面积每毫升约750和约850纳克治疗剂的血清浓度快速升高。血清水平的最初快速升高，其反映通过皮肤屏障的治疗剂的快速吸收，随后经过约20至约30小时、例如经过约24小时后，血清浓度非快速地下降至可忽略的治疗剂血清浓度。此外，可以实现所输送治疗剂的快速吸收而有很小的或没有炎症反应。具体而言，除了促进药剂通过经皮屏障的输送，该装置还限制了排异反应和其他不期望的反应，诸如炎症。使用先前已知的装置，诸如皮肤接触表面上的不具有纳米形貌的透皮贴，经常导致局部炎症或刺激症状。

纳米形貌结构可以模仿和/或交互于一个或多个ECM蛋白，诸如胶原质、层粘连蛋白、纤连蛋白等。这可以直接或间接地改变细胞膜蛋白质的关于诸如构造、自由能、局部密度的一种或多种特征。例证性细胞膜蛋白质包括但不限于整联蛋白、粘着斑蛋白或其他粘着斑蛋白、网格蛋白、诸如G蛋白偶联受体的膜受体等。该变化可以通过细胞骨架和在细胞质内经由下游效应引起细胞表面和/或细胞内的变化。

由于基于表面上的蛋白吸收，该装置可以直接或间接地更好地模仿局部环境，因此该装置周围局部区域的细胞可以保持抗炎微环境。因此，通过使用该装置可以输送材料而不会引起排异反应或免疫反应。

通过存在微针而直接或间接影响的特定细胞类型可以包括周围皮肤结缔组织的细胞。例如，限定纳米形貌的微针表面可以定位在包括郎格罕氏细胞、巨噬细胞、和/或T细胞的区域中而不会触发排异或免疫反应。郎格罕氏细胞可以吸收并处理抗原以成为完全功能性抗原呈递细胞。巨噬细胞和T细胞在免疫反应的初始和维继中起核心作用。一旦由病理或免疫性刺激所激活，例如通过郎格罕氏细胞，T细胞可以释放IL-2、IL-4、INF-γ和其他炎性细胞因子。巨噬细胞在该过程中通过释放许多炎性介质而响应，包括TNF-α、IL-1、IL-8、IL-11、IL-12、一氧化氮、IL-6、GM-CSF、G-CSF、M-CSF、IFN-α、IFN-β以及其他。释放的细胞因子激活其他免疫细胞，并且其中一些还可以作为独立的细胞毒类药物。由炎性介质衍生的巨噬细胞和T细胞的过多释放可以导致正常细胞和周围组织的损伤。

不期望限于任何特定理论，可以确信的是通过与纳米图案衬底的交互作用，各个细胞能够向上或向下调整包括某些趋化因子的某些细胞因子的产生。通过表达谱的改变，针对给药装置的细胞反应能够被最小化。例如，通过向上调整一种或多种抗炎细胞因子和/或向下调整一种或多种促发炎细胞因子能够最小化炎性反应和/或排异反应。根据炎性作用能够表征许多细胞因子。在表达细胞受到其上包括有加工的纳米形貌的装置的影响时，可以表现出改变的表达谱的促发炎细胞因子包括但不限于IL-1α、IL-1β、IL-2、IL-6、IL-8、IL-10、IL-12、IL16、MIG、MIP-1α、MIP-1β、KC、MCP-1、TNF-α、GM-CSI、VEGF等。表现出变化的表达谱的抗炎细胞因子包括但不限于IL-1ra、IL-4、IL-10、IL-13等。与排异反应相关的能够表现出改变的表达谱的细胞因子包括但不限于IL-4、IL-10、IL-13等。

一氧化氮被认为是炎性反应的介质和调节物。通过影响局部环境，微针可以限制一氧化氮从周围细胞的释放。这是有益的，因为一氧化氮可以处理针对所输送的活性剂的毒性，在对象自身组织上的也存在有毒效应（Korhonen等人，Curr Drug Targets Inflamm Allergy4(4):471-9,2005）。一氧化氮还可以与分子氧及过氧负离子交互以作用以产生活性氧自由基（ROS），其可以改变多种细胞功能。一氧化氮的这些间接效应在炎性上具有重要作用；其中一氧化氮可以通过诱生型一氧化氮合酶（iNOS）高量地产生以及通过激活的炎性细胞合成ROS。

可以通过角质细胞、成纤维细胞、内皮细胞以及可能的其他细胞产生一氧化氮，其中任何一种可以受微针纳米形貌的直接或间接影响。可由微针表面纳米形貌提供的一氧化氮合成的抑制会影响伤口收缩，改变胶原质组织，以及改变新表皮厚度。伤口中的肥大细胞移行和血管生成也会受一氧化氮抑制的影响。基于可变的调节路径，以及不结合任何特定理论，该装置可以增加一氧化氮生成和/或减缓一氧化氮降解，而在另一实施例中，该装置可以降低一氧化氮生成和/或加速一氧化氮降解。

该装置与细胞网络或表皮层组分的交互可以调节（即，改变）其中的胞间连接点结构。胞间连接点可以是选择从由紧密连接、间隙连接和细胞桥粒组成的群组的至少一种连接。通过实例，生物组分和纳米形貌结构之间的交互作用可以调节细胞网络的蛋白质从而引起颗粒层的紧密连接的打开，进而提供活性剂穿过表皮的改进的输送，以及在一个特定实施例中，所述活性剂是高分子量活性剂。

该装置的纳米形貌可以模仿和/或吸收ECM的一种或多种成分。通常，ECM包括基质和基膜。基质由蛋白质和蛋白聚糖以及在骨的情形中与矿物质沉积的复合混合物形成。基膜包括基片和网状片，并锚固和支承上皮细胞和内皮。ECM的特定组成可以基于特定组织类型而变化，但通常将包括各种胶原质、层粘连蛋白、纤连蛋白和弹性蛋白。因此，该装置的纳米形貌可以设计与特定位置的成分交互作用，或可替代的可以更一般地被设计为例如与多数皮肤所常见的皮肤结构的成分交互作用。

纳米形貌结构可以与胶原质交互作用，所述胶原质是在皮肤ECM中所发现的常见基膜蛋白质。胶原质是不能溶解的细胞外糖蛋白，它们在所有动物中被发现并且是人体中最丰富的蛋白质。它们是多数结缔组织的必须结构成分，包括软骨、骨、腱、韧带、筋膜和皮肤。迄今，已经在人体中发现19种胶原质。主要类型包括类型I，其是腱、韧带和骨的主要成分；类型II，其在软骨中超过50%的蛋白质，并还用于构建脊椎动物胚胎的脊索；类型III，其强化了诸如动脉、肠以及子宫的空心结构的壁；以及类型IV，其形成上皮细胞的基片。类型IV胶原质的网格提供了用于毛细血管和肾的肾小球的过滤。其他15种胶原蛋白，虽然是较不丰富的，但对ECM功能仍然是重要的。

胶原质的基本单元是多肽，其通常遵循式样Gly-Pro-Y或Gly-X-Hyp，其中X和Y可以是各种其他氨基酸残基的任意一种。所产生的多肽螺旋为细长左手螺旋。在合成时，多肽的N端和C端具有球状域，这保持了分子可溶性。

如这里所使用的，术语“多肽”通常指代氨基酸的分子链，并且不指代产物的具体长度。因此，肽、寡肽和蛋白质都包括在多肽的定义内。该术语还旨在包括承受诸如糖基化、乙酰化、磷酸化等后表达修改的多肽。如这里所使用的，术语“蛋白质”通常指代能够结构的、酶促的或其他的与其他蛋白质、多肽或其他任意有机或无机分子相互作用的氨基酸分子链。

在本公开中所使用的常用氨基酸符号缩写描述于下表1中。

表1

氨基酸	单字母符号	缩写
			丙胺酸	A	Ala
精氨酸	R	Arg
			天冬酰胺酸	N	Asn
天冬氨酸	D	Asp
			半胱氨酸	C	Cys
谷氨酸盐	Q	Gln
			谷氨酸	E	Glu
甘氨酸	G	Gly
			组氨酸	H	His
异亮氨酸	I	Ile
			亮氨酸	L	Leu
赖氨酸	K	Lys
			蛋氨酸	M	Met
苯丙氨酸	F	Phe
			脯氨酸	P	Pro
丝氨酸	S	Ser
			苏氨酸	T	Thr
色氨酸	W	Trp
			酪氨酸	Y	Tyr
缬氨酸	V	Val

原胶原是一种诸如原纤维的较大胶原质聚集体的亚基。它大约300纳米长，直径约1.5纳米，由三个多肽链组成，每个具有左手螺旋构造。

该装置表面的纳米形貌能够影响和/或模仿原胶原以及胶原质。在一个实施例中，纳米形貌可以是更加复杂的并且能够模仿和/或影响纳米尺度上的原胶原和微米尺度上的胶原质。例如，纳米形貌的较大成分能够模仿原胶原的所述三个左手螺旋，它们螺旋在一起形成右向卷曲螺旋、三链螺旋或“超螺旋”，其是通过多个氢键稳固的协同四级结构。通过类型I胶原质和在不全是胶原质时可能所有的纤维状胶原质，每个三链螺旋关联成右手超-超-螺旋，其指胶原质微纤维。每个微纤维与其邻近微纤维互成角度配置。在一些胶原蛋白中（例如，类型II），构成微纤维的三种多肽是相同的。在其他胶原质中（例如，类型I），一种类型（基因产物）的两种多肽与第二种类似的但不同的多肽组装。

层粘连蛋白是皮肤的另一种常见基膜蛋白质，其可以在该装置的局部区域找到。层粘连蛋白是由不同α、β和γ亚基链的各种组合形成的异三聚体蛋白复合物家族中的一员。层粘连蛋白一般主要可在ECM的基膜中找到并与其他基质高分子交互作用以促进细胞分化、运动和维继。不同的层粘连蛋白链，α-1至α-5、β-1至β-3、以及γ-1至γ-3，理论上可以形成许多不同三聚体异构体，但只能确定15种可能异构体的存在。

层粘连蛋白是包括三个较短臂和一个长臂的交叉形状。所述三个较短臂特别善于结合其他层粘连蛋白分子，导致基膜中各片的生成。长臂通常是细胞结合处，结合细胞膜和其他ECM分子，这帮助将有组织的组织细胞锚固至膜。

层粘连蛋白还包括具有特定几何结构的子域。例如，层粘连蛋白-332α3链的端部、G域还被子分割为5个子域，G1、G2、G3、G4和G5。层粘连蛋白-332α3链的G子域已经示出对层粘连蛋白-332粘附至细胞表面具有某些接收器整联蛋白的必要性。因此，纳米形貌的纳米尺寸结构可以模仿一个或多个层粘连蛋白的子域。在更复杂的图案中，这些纳米尺寸结构可以与模拟整个层粘连蛋白蛋白质的更大结构结合。纳米形貌还可以或可替代的吸收/释放层粘连蛋白并进而影响所处环境。

纳米形貌可以与纤连蛋白交互，所述纤连蛋白涉及组织修复、胚胎发育、血液凝固和细胞迁移及粘附。在ECM中，纤连蛋白作为不可溶解的糖蛋白二聚体存在。纤连蛋白的结构是杆状的，由三种不同类型的同源重复模块类型I、II、III组成。虽然同一氨基酸链的所有部分通常被视为“线上的小球”，这些模块中的每个通过短链彼此结合至其邻模块。

12个类型I模块构成蛋白质的氨基端区和羧端区，并主要参与纤维蛋白和胶原质结合。在纤连蛋白中仅发现两种类型II。它们用于结合胶原质。纤连蛋白中最丰富的模块是类型III，其包括沿用于其他整联蛋白和肝磷脂的结合位点的RGD纤连蛋白接收器识别序列。基于组织类型和/或细胞状况，纤连蛋白模块由15-17个类型III模块构成。另外，具有不落入任意这些范围内的模块，称作IIICS。该模块连同EDB和EDA（都是类型III模块）通过交替的FN信使RNA前体的拼接来调节。纤连蛋白模块可以在它们的羧端形成两个二硫桥，产生共价键相连二聚体。与微针装置纳米形貌接触的细胞与装置的交互作用的方式类似于与纤连蛋白的正常交互作用。

能够与装置交互的有一种常见ECM蛋白质是弹性蛋白和/或弹性蛋白的多肽段。弹性蛋白是负责组织弹性和弹回的结缔组织的蛋白质组成。此外，弹性蛋白在结缔组织中是相当丰富的。原弹性蛋白链是天然的交叉结合在一起以形成弹性纤维。不像胶原质，弹性蛋白模块在纤维拉紧时可以开卷展开为更加伸展的构造，且一旦张力放松则自动重新卷起。弹性蛋白主要由Gly、Val、Ala和Pro组成。它限定了不规则或随机的螺旋结构。

除了常见的皮肤纤维蛋白，该装置的纳米形貌可以模拟和/或吸收其他ECM成分，诸如蛋白聚糖。蛋白聚糖是由更多的糖类而不是蛋白质组成的糖蛋白；也就是说，它们是通常附接至蛋白质主链的巨大糖链簇。许多糖结合在蛋白聚糖中。最丰富的一种是N-乙酰葡糖胺（NAG）。糖残基长链在蛋白质主链中附接至丝氨酸残基；也就是说，它们是“O型联接的”。硫酸盐族也在分泌前添加至该糖。常见ECM蛋白聚糖的实例包括但不限于硫酸软骨素、硫酸乙酰肝素、硫酸角质素以及透明质酸（其不具有蛋白质成分）。

表面上的纳米形貌可以直接和/或间接地影响该装置的局部区域中的细胞。这可以包括位于皮肤表面和通过微针装置所输送药剂的输送部位之间的屏障层细胞以及药剂将要输送到的细胞。基于该装置的存在而在细胞上的特定影响可以包括结构、配体结合活性或膜相关蛋白的催化活性的改变。

该装置的存在可以调节细胞膜传导性，其在一个方面包括整个细胞的电导。此外，调节整个细胞电导可以包括调节整个细胞电导的依赖于线性和非线性电压的贡献中的至少一个。该装置可以调节细胞膜电势和细胞膜电导中的至少一个。例如，该装置可以直接或间接影响依赖钙细胞的信道或系统。

该装置的纳米形貌可以影响质膜成分，这可以影响作为转录因子下游效应的信号通道。例如，通过模拟或相互作用于ECM的成分，该装置可以影响局部细胞内的基因转录和/或翻译。该装置的存在可以影响膜蛋白质的位置和/或构造。这转而可以影响局部环境的自由能，导致促进了通过该装置所输送活性剂的细胞内吞。该装置的存在可以影响细胞间结合的形成，例如，紧密结合，其导致越过生物屏障改进的药剂输送。

人们相信该装置能够通过膜相关蛋白直接或间接影响细胞。膜相关蛋白可以包括但不限于表面受体、跨膜受体、离子通道蛋白、细胞内附着蛋白、细胞粘附蛋白、整联蛋白等中的至少一个。根据某些方面，跨膜受体可以是G-蛋白偶联受体（GPCR）。例如，该装置可以模拟与GPCR交互的ECM成分，GPCR转而与G蛋白α亚基交互。G蛋白α亚基可以是任意的Gα_s、Gα_i、Gα_q和Gα₁₂。在与ECM成分交互时，该装置可以影响钙粘素、粘着斑、细胞桥粒、整联蛋白、网格蛋白、小窝蛋白、TSLP受体、β-2肾上腺素受体、缓激肽受体、离子通道蛋白等。在一个实施例中，微针的存在可以调节连接粘附分子，包括但不限于JAM2和3、GJA1、3、4和5（连接粘附素）、密封蛋白（OCLN）、紧密连接蛋白（例如，CLDN3、5、7、8、9、10）紧密连接蛋白1（TJP1）。

该装置可以不仅仅在细胞表面上而还在内部影响细胞活性。例如，该装置可以影响粘着斑。粘着斑是在任意时刻包括100或更多个不同蛋白质的物料的大组件。它们在多数细胞类型中是动态的并提供从ECM到内部细胞机械的和化学的信息传递路径。粘着斑的变化出现在ECM中分子成分、物理结构以及物理应力变化时。

粘着斑允许细胞骨架和ECM之间的连接，并通常认为是用于机械力和化学信号传导的信号枢纽。大块粘着斑位于细胞膜以下，通常经由整联蛋白连接至ECM，然而也可以通过包括透明质酸和硫酸肝素结合蛋白的其他跨膜材料进行连接。

整联蛋白是专性异源二聚体跨膜糖蛋白的大家族，它们将细胞附接至基膜的ECM蛋白（例如，层粘连蛋白）或附接至其他细胞的配基。该装置的纳米形貌能够例如通过粘着斑影响质膜上的整联蛋白从而影响细胞行为。整联蛋白包括大的（α）和小的（β）亚基，其尺寸分别是120-170kDa和90-100kDa。在哺乳动物中，已经表征了18个α和β亚基。一些整联蛋白直接传递细胞至细胞的识别和交互。整联蛋白包含用于二价阳离子Mg²⁺和Ca²⁺的结合位点，这对于它们的粘附功能是必须的。哺乳动物的整联蛋白形成多个共用β亚基的亚科，其与不同的α亚基关联。α和β亚基都包含两个独立尾部，它们均穿刺质膜并具有小的细胞质域。例外的是β-4亚基，其具有1088个氨基酸的细胞质域，这是任何膜蛋白中已知最大的一种细胞质域。该穿刺部可以在粘着斑内与蛋白质交互从而传输关于ECM的信息至细胞骨架和内细胞。在质膜外，α和β链在约23纳米的长度上紧靠在一起，且每个链最后的5纳米的N端形成用于ECM的配体结合区域。

粘着斑内已知的受细胞表面区域中纳米形貌存在所影响的主要蛋白质包括粘着斑蛋白、桩蛋白、踝蛋白、α-辅肌动蛋白和斑联蛋白。粘着斑蛋白传递信息至细胞骨架，例如通过与肌动蛋白的交互，并遍及整个细胞质。然而粘着斑处于不断变化的状态，以及蛋白质持续将复杂的、相关信息从ECM关联于和脱离于细胞的其他部分。粘着斑从板状伪足前缘处的斑配合物形成至细胞尾缘处的粘着斑分解的动态组装和分解在细胞迁移中为核心角色。由于经由粘着斑施加在内细胞上细胞外机械力的激活，Src激酶是粘着斑作为感知ECM机械力作用的指示。因此，该装置可以调节细胞内部活性，包括下游功能，其涉及经由与粘着斑关联的质膜蛋白的细胞迁移。

该装置的纳米形貌可影响的其他细胞表面结构包括与细胞内吞作用有关的膜蛋白。例如，在与细胞膜交互后，由于接触表面的纳米形貌，该装置可以呈现增加的粘附能。该粘附能可以模拟通常的受体配体结合。

虽然不期望限于任何特定理论，但据信在装置表面和内吞调节受体之间粘附时，细胞膜中的其他内吞调节受体可以从细胞膜上的预粘附均匀分布扩散至粘附位点。这些膜蛋白然后可以粘附至装置表面并进而降低细胞表面和该装置之间的交互的自由能。降低的自由能能够促进细胞表面的药剂内吞作用，所述药剂例如是经由该装置所输送的活性剂。具体而言，在装置表面和受体之间发生粘附时，释放的自由能，即增加的自由能可以驱动膜围绕粘附部位或粘附部位附近的颗粒。可替代的，ECM非细胞组件对装置表面的吸附可以改变局部化学性质，导致该区域中细胞内吞活性的增加。可以基于该装置的存在而调节的内吞路径可以再分为四种类型，包括网格蛋白介导内吞、细胞膜穴样内陷、巨胞饮以及吞噬作用。

网格蛋白介导内吞由100纳米直径的小囊泡介导，所述小囊泡具有蛋白质复合体的形态学特征晶体外套，其主要关联胞质蛋白的网格蛋白。发现这些网格蛋白有被的囊泡（CCV）实际上存在于所有细胞中并在质膜上形成网格蛋白有被小窝。网格蛋白有被小窝可以包括增加的大型细胞外分子的浓度，它们具有负责配体上的受体介导内吞的不同受体，例如低密度脂蛋白、转铁蛋白、生长因子、抗体和许多其他的。

该装置的纳米形貌可以影响与细胞膜穴样内陷关联的膜蛋白。细胞膜穴样内陷是比网格蛋白有被小窝稍微不常见的膜内吞作用形成，并存在于许多但不是全部细胞类型的表面上。它们包括具有富含胆固醇和醣脂类的双分子层的胆固醇结合蛋白小窝（Vip21）。细胞膜穴样内陷小于CCV，大约直径为50纳米，并形成膜中的瓶形小窝。它们可以构成一些组织中三分之一的细胞质膜区域，尤其是在皮肤中所发现纤维原细胞、脂肪细胞、内皮细胞中很丰富。细胞外分子的摄取被认为是通过细胞膜穴样内陷中的接收器二介导的，而细胞膜穴样内陷可被微针的纳米形貌所影响。

经常可从质膜的高褶皱区中发现的巨胞饮描述了细胞膜中的牵拉以形成口袋，其然后向里挤压进入细胞中以形成大的囊泡（0.5-5μm直径），该大囊泡中填充有大体积的胞外液和分子（等效于103-106个CCV）。口袋的填充以非特定方式发生。该囊泡然后进入胞液中并与诸如内涵体和溶酶体的其他囊泡熔合。

噬菌作用描述了大于约0.75μm直径的颗粒物质的粘合和内化，诸如小的灰尘颗粒、细胞碎片、微生物甚至仅发生在特定细胞中的凋亡细胞。该过程包括比网格蛋白介导内吞和细胞膜穴样内陷路径更大膜区的吸收。

该装置的纳米形貌还可以影响细胞表面的钙粘素。钙粘素是通常参与钙依赖同种细胞间附着调节的受体家族。钙粘素在胚胎形成期间是特别重要的，但也在形成稳定细胞间连接和维持成人正常组织结构中发挥重要作用。钙粘素是通过在它们胞外域存在的一个或多个钙粘素重复子而成组的跨膜蛋白的总科。这些来自分子间表面的大约110个残留域的阵列负责钙粘素介导细胞间交互作用的形成。来自多个钙粘素域分析的结构信息指示钙粘素离子结合在毗邻的钙粘素重复子（CR）之间的部位，从而形成刚性杆。钙粘素通常包括五个串联重复胞外域、单膜跨域段和胞质区。

在一个实施例中，该装置可以影响上皮组织中发现的E-钙粘素。E-钙粘素包括胞外域中的5个钙粘素重复子（EC1~EC5）、一个跨膜域、以及结合p120-连环蛋白和β-连环蛋白的细胞内域。细胞内域包含高磷酸化区，其认为对β-连环蛋白结合并进而对E-钙粘素功能是至关重要的。β-连环蛋白可以结合α-连环蛋白，以及α-连环蛋白参与含有肌动蛋白的细胞骨架纤维的调节。在上皮细胞中，包含E-钙粘素的细胞间连接通常靠近含肌动蛋白的细胞骨架纤维。

由于局部区域中该装置的存在可以影响的其他活性包括细胞旁和跨细胞运输。例如，通过该装置表面的ECM蛋白的吸收，能够改变区域的局部化学性质，导致至局部区域的所输送药剂改进的细胞旁运输，这不仅能够包括该装置的紧邻区域，还包括皮肤中更深的区域。例如，该装置的存在能够促进所输送药剂细胞旁地输送至皮肤毛细血管床以及跨过毛细血管壁，从而输送至血流中用于系统输送。

在使用中，装置可以与接触上皮组织的一个或多个组分交互作用以经由细胞旁和/或跨细胞传输机制增加组织的多孔性。上皮组织是身体主要组织中的一种。根据本发明可以呈现多孔的上皮组织可以包括单层上皮和复层上皮，其包括角化上皮和移行上皮。另外，这里所包括的上皮组织可以包括上皮层的任意细胞类型，包括但不限于角化细胞、鳞状细胞、柱状细胞、立方细胞和假复层细胞。

该装置的存在可以影响包括紧密连接和细胞桥粒的细胞间连接的形成和维继，以促进细胞旁输送。如前所述的，紧密连接已经发现于颗粒层中，以及紧密连接的打开将提供细胞旁路径以改进活性剂的输送，特别是大分子量活性剂和/或先前阻止经皮输送的呈现低亲油性的药剂。紧密连接蛋白质的主要类型是紧密连接蛋白、密封蛋白和接合粘连分子。

局部成分和纳米形貌的结构之间的交互可以打开屏障层的细胞桥粒以促进细胞旁输送。细胞桥粒主要由都为钙粘着糖蛋白的桥粒芯糖蛋白和桥粒胶蛋白形成，并参与细胞间粘附。细胞桥粒包括细胞外的芯域（桥粒芯糖蛋白），其中毗邻细胞的桥粒芯糖蛋白和桥粒糖蛋白彼此结合。毗邻细胞由ECM层间隔，大约30纳米宽。在该膜下，形成重的板形结构，它们公知为外致密斑块和内致密斑块。这些斑块跨越桥粒斑蛋白。外致密斑块是钙粘素的细胞质域通过盘状球蛋白和桥粒斑菲素蛋白（plakophillin）附接至桥粒斑蛋白的地方。内致密斑块是桥粒斑蛋白附接至细胞的中间纤维的地方。

各个细胞和纳米形貌结构之间的交互作用可以促使药剂通过屏障细胞的通道并促进跨细胞输送。例如，与角质层的角质细胞的交互作用能够促进分配药剂进入角质细胞，然后通过细胞的扩散并再次跨过脂双层。虽然药剂能够根据细胞旁和跨细胞路径跨过屏障，跨细胞路径对于高亲水性分子来说是主导性的，当然，虽然主要输送路径会依据药剂的性质改变，而亲水性仅是一个限定特征。

根据一个实施例，细胞层增加的渗透性能够通过确定跨过该层的跨膜电阻（TEER，这里也称作跨上皮电阻或TER）来确定。如通常所知的，基于例如细胞层的紧密连接的形成或打开的缺少，跨过细胞层的TEER的降低是细胞层渗透性的增加的良好指标。显然，在内皮和某些上皮细胞中，紧密连接抵制细胞旁通量的能力不是不变的。而紧密连接的门控功能能够动态调节（Madara，1988；Rubin，1992）。特别地，通过受体配体或特定膜渗透调节激活信号传导路径能够在细胞旁路径的渗透性上具有显著的效果。例如，蛋白质激酶C激活引起MDCK细胞（一种上皮细胞系）中紧密连接的渗透性的增加（Ojakian，1981）。环磷酸腺苷的上升降低了培养基中大脑内皮细胞的渗透性(Rubin等人，1991)，这是研究血脑屏障的模型系统。环磷酸腺苷还降低了外围内皮细胞的紧密连接渗透性(Stelzner等人，1989；Langeier等人，1991)。

紧密连接的渗透性还取决于粘着连接的完整性。通过移除细胞外Ca²⁺对粘着连接的破坏导致了MDCK细胞（参见Martinez-Palomo等人，1980；Gumbiner and Simons，1986）以及内皮细胞（(Rutten等人，1987）中紧密连接的打开。蛋白质激酶似乎参与MDCK细胞中紧密细胞完整性的间接调节(Citi，1992)。粘着连接复合体的Ca²⁺-敏成分是钙粘素（由Geiger和Avalon论述，1992）。这些跨膜蛋白质经由它们胞外域以Ca²⁺-基的、亲同种方式调节细胞间粘附。钙粘素的胞质域与称作α-、β-、γ-钙粘素的其他三种蛋白质相关（Ozawa等人，1989），这将钙粘素关联于肌动蛋白细胞骨架，以及是钙粘素粘着所必须的（Hirano等人，1987；Nagaruchi和Takeichi，1988；Ozawa等人，1990；Kintner，1992；参见Stappert和Kemler，1993）。

根据本发明，上皮层和装置的包括在表面上加工的预定图案结构（至少其中部分以纳米尺度加工）的表面之间的接触能够增加上皮层的渗透性以及降低上皮层的TEER。例如，上皮层的TEER能够在该层和纳米图案表面接触一段时间后降低至低于初始值的约95%、低于约85%、或低于约70%。通过实例，在上皮层和其上包括纳米结构图案的表面之间接触约30分钟后，跨过该层的TEER能够是其初始值的约90%和约95%之间。在60分钟后，跨过该层的TEER能够是其初始值的约80%和约90%之间，以及在120分钟后，跨过该层的TEER能够是其初始值的约60%和约75%之间.

图10示意了确定跨过上皮层的TEER的方法。在该实施例中，细胞层，例如上皮细胞单层，能够在顶室的底部生长或定位。顶室的底部能够是所示的多微孔过滤膜，以允许两个腔室之间的流动以及阻止各个细胞进入基底室。通过实例，多微孔过滤膜能够包括以约4*10⁶孔/厘米密度的0.4微米的微孔。当然，不同系统组件的特定参数不是关键的，而是能够根据本领域的公知而变化。顶室能够由所示的适合更大孔的半透膜（transwellinsert）限定，进而限定该系统的基底室。在使用中，第一电极1和第二电极2能够定位在上皮细胞单层的任一侧，以及电阻表4连接在两个电极之间。电阻表4能够提供跨过细胞单层的TEER。用于确定跨过细胞层的TEER的系统是公知的，例如，能够利用Millicell^TM电阻系统（可从MA的Millipore of Bedford获得）。

上皮细胞层和其上包括加工有纳米结构的表面之间的接触能够导致TEER的降低，其指示了层渗透性的增加。因此，在上皮层和纳米结构表面接触后，能够极大地增加输送化合物跨过该层的能力。这能够改进用先前的方式不能有效输送的化合物的经皮输送。例如，通过利用这里公开的方法和装置能够改进高分子量化合物、亲脂性化合物和/或带电化合物的经皮输送。

当然，该装置的纳米尺寸结构可以直接或间接地影响周围微环境的其他组分，在这里所提供的仅是这种结构的代表样本。

可以根据单步骤工艺形成装置表面上包括加工的纳米图案的该装置。可替代的，可以使用多步骤工艺，其中在预形成表面上加工纳米结构的图案。例如，可以首先形成微针阵列，然后可以在已形成的微针表面上加工随机的或非随机的纳米结构图案。在单步骤或两步骤工艺中，可以根据任何适合的纳米形貌加工方法在表面上或在模具表面上加工这些结构，这些方法包括但不限于纳米压印、注塑成型、光刻、模压成型等。

通常，可以根据任意标准微加工技术来形成微针阵列，其包括但不限于，光刻；蚀刻技术，诸如湿法化学、干法、以及光刻胶移除；硅的热氧化；电镀和化学镀；扩散法，诸如硼、磷、砷以及锑扩散；离子注入；薄膜沉积，诸如蒸发（细丝、电子束、闪光、以及造影法和阶梯覆盖）、溅射法、化学汽相淀积（CVD）、外延生长（气相、液相以及分子束）、电镀、丝网印刷、层压、立体光刻、激光加工以及激光消融（包括投影消融）。

可以利用电化学蚀刻工艺，其中利用电化学蚀刻固体硅为多孔硅来产生极其精密（大约0.01μm）的硅网络，其可以用作穿刺结构。该方法可以在氢氟酸水溶液中使用硅的电解阳极氧化，并可以结合光，以将通道蚀刻入硅中。通过改变待蚀刻的硅片的掺杂浓度、蚀刻中的电解势、入射光强度、以及电解液浓度，能够实现对最终孔结构的控制。未被蚀刻的材料（即，残留的硅）形成微针。

还可以利用等离子蚀刻，其中执行硅的深度等离子蚀刻以产生具有0.1微米量级或更大直径的微针。可通过控制电压间接地加工针（如电化学蚀刻）。

针对主要图案的限定和母片的形成可以利用光刻技术，其包括光刻、电子束曝光、X射线光刻等。然后可以执行复制以形成包括微针阵列的装置。常用的复制方法包括但不限于，溶剂辅助微成型和铸造、模压成型、注射成型等。还可以利用自组装技术来在表面上形成纳米形貌，所述自组装技术包括相位分离的嵌段共聚物、聚合物分层和胶体光刻技术。

如所公知的，可以使用多种方法的组合。例如，用胶体图案化的衬底可以暴露至活性离子蚀刻（RIE，也称为干法蚀刻）从而精制所加工的纳米结构的特征，诸如纳米柱体直径、轮廓、高度、斜度等等。还可以利用湿法蚀刻来产生改变根据不同工艺（例如，聚合物分层技术）初始形成的所加工纳米结构的轮廓。

可以通过选择合适的材料和方法来控制结构直径、形状和斜度。例如，蚀刻最初蒸发到胶体图案化的衬底上的金属，然后移除（lift-off）胶体，通常产生棱柱状柱体。然后可以利用蚀刻工艺来实现所需的结构。还可以通过温控烧结技术来加工有序非球形聚合纳米结构，其在胶体中形成有序三角形纳米特征，然后选择性地溶解聚合物纳米颗粒。这些和其他合适的形成过程通常是本领域公知的（例如参见Wood,J R Soc Interface,2007February22;4(12):1-17，其通过引用合并于此）。

其他可以利用来形成在其表面加工有纳米形貌的微针的方法包括利用超高精密激光加工技术的纳米压印光刻，其实例已经由Hunt等人（美国专利号6,995,336）和Guo等人（美国专利号7,374,864）描述，它们均通过引用合并于此。纳米压印光刻是纳米尺度的光刻技术，其中利用复合模具，该复合模具既作为纳米压印光刻模具又作为光刻掩模。纳米压印光刻技术的方案示于图11A-11C中。在加工期间，复合模具30通过施加的压力压印进入衬底32中以在抗蚀层（图11A）上形成特征（例如，限定纳米形貌的微针）。通常，衬底32的表面可以在与模具30啮合前加热至高于其玻璃化温度（T_g）的温度。虽然复合模具30啮合衬底32，可以迫使流动的粘性聚合物进入模具腔中以形成特征34（图11B）。该模具和衬底然后可以曝光至紫外光下。复合模具除了特定阻断区域之外通常能够传导UV辐射。因此，UV辐射穿过透射部并进入抗蚀膜。在该模具和衬底的冷却期间维持压力。然后在低于衬底和聚合物T_g的温度下从冷却的衬底32移除复合模具30（图11C）。

为了促进包括加工特征34的纳米压印衬底32从模具30的释放，如图11C所示，有利地是以较低能量涂层处理模具30以减少与衬底32的粘附，这是由于模具30的较低表面能和所产生的模具30、衬底32和聚合物之间的较高表面能差异能够便于各材料之间的释放。通过实例，可以利用诸如以十三烷-(1,1,2,2-四氢)-辛基三氯硅烷(F₁₃-TCS)的硅模具涂层。

纳米压印工艺是一种动态工艺，其包括填充模具然后从模具分离已形成的聚合物。为了填充模具部件，聚合物温度需要升高至足够高以启动该施加压力下的流动。温度越高，则聚合物粘性越低，能够更快和更方便地填充模具。较高的压力也能够改进填充速率以及完整填充，以实现更好的模具复制。为了从模具释放纳米压印衬底，衬底温度需要降低至屈服强度超过模具所施加的粘附力的点。通过改变温度，还能够在分离期间绘出不同的聚合物特征以获得不同结构，例如图8所示意的结构。

还可以根据化学添加法来形成这些结构。例如，可以利用膜沉积、溅射、化学汽相沉积（CVD）、外延生长（气相、液相以及分子束）、电镀等等来在表面上构造结构。

可以利用本领域公知的自组装单分子层工艺来形成表面上的结构图案。例如，可以利用嵌段共聚物自组织能力来在表面上形成单分子层图案。然后根据该单分子层图案可以使用该图案作为用于所期望结构（例如，胶体）生长的模板。

通过实例，可从具有两个或多个反应活性部位的单体来产生二维、交联聚合物网络。这些交联单分子层可以使用本领域所公知的自组装单分子层SAM（例如，金/烷基硫醇系统）或Langmuir-Blodgett（LB）单分子层技术（Ahmed等，Thin Solid Films187:141-153(1990)）来制成。该单分子层可以是交联的，这将导致更加结构性的鲁棒单分子层的形成。

用于形成组成图案化的单分子层的单体可以结合所有所需的结构成分以作用于所期望的聚合技术和/或单分子层形成技术，以及影响诸如整体溶解度、分离方法和光刻法的性质。单体可以包括至少一种以及更加经常的是至少两种反应官能团。

用于形成有机单分子层的分子可以包括任意不同的与亚甲基团链穿插的有机官能团。例如，分子可以是包括亚甲基链的长链碳结构以促进组装。亚甲基团之间的组装可以允许弱范德瓦尔斯键合的产生，从而增强所生成的单分子层的稳定性以及抵消形成有序相相关的熵损失。此外，分子的一端上可以存在诸如氢键成分的不同终端成分，从而允许在所形成单分子层上的结构生长，在该情形中，聚合化学成分可以定位在链的中间或在相对终端。可以使用任何合适的分子识别化学来形成该组装。例如，可以基于静电相互作用、范德瓦尔斯相互作用、金属螯合物、配位键（即路易斯酸/碱相互作用）、离子键、共价键或氢键来在单分子层上组装这些结构。

在利用SAM基系统时，可以利用另外的分子来形成模板。该另外的分子可以在其一个末端上具有适当的功能性从而形成SAM。例如，在金表面上，可以包括终端巯基。具有广泛的有机分子可以利用来实现复制。局部化学聚合成分，诸如二烯烃和丁二炔，是特别期望作为聚合组分的。这些可以穿插以不同长度的亚甲基连接体。

对于LB单分子层，只需要一种单体分子，这是因为分子识别成分还可以作为用于LB形成目的的极性官能团。可以在转移到衬底上的LB单分子层上执行光刻，或直接在槽中执行光刻。例如，丁二炔单体的LB单分子层可以通过穿过模板的UV曝光或通过电子束曝光而被图案化。

可以利用单分子层相中经历局部化学聚合的分子来促进单分子层形成。通过将组装薄膜暴露至聚合催化剂，薄膜可在原处生长，并可从动态分子组装变化至更加鲁棒的聚合组装。

本领域公知用于单分子层图案化的任何技术可用于单分子的图案化。用于在单分子层图案化的技术包括但不限于光刻、电子束技术、聚焦离子束技术、以及软光刻。诸如光致抗蚀剂的各种保护方案可被用于SAM基系统。类似的，可以在金上形成嵌段共聚物图案并选择性的蚀刻以形成图案。对于双组分系统而言，还可以通过方便可用的技术来实现图案。

可以利用软光刻技术来图案化单分子层，其中可使用紫外线和模板来进行图案化。例如，可以使用无图案基底单分子层作为UV/粒子束流反应单体单分子层组装的平台。然后即使该基底SAM是无图案的，可以通过UV光刻、电子束光刻、或离子束光刻来图案化单体单分子层。

可以通过各种生长机制来实现图案化单分子层上的结构生长，诸如通过适当的金属盐还原化学以及使用晶种或模板介导晶核。在单分子上使用识别元素，在该界面上可以通过各种方法催化无机生长。例如，可以形成以胶体形式的无机化合物，其支承图案化的有机单分子层形状。例如，可以通过诸如羧酸和羧酰胺的各种羰基官能团来模板化碳酸钙或二氧化硅结构。通过控制晶体成长条件，能够控制矿物生长的厚度和晶体形态学。还可以模板化二氧化钛。

可以使用模板化无电极镀技术，使用现有有机官能团来合成金属。特别地，通过螯合金属原子至有机图案的羰基成分，可以在图案上催化无电金属沉积，以形成图案化金属胶体。例如，可以使用能够通过无电极镀条件可镀的Cu、Au、Ni、Ag、Pd、Pt以及很多其他金属来形成以有机单分子层形状的金属结构。通过控制无电极镀条件，能够控制镀层金属结构的厚度。

可以利用本领域公知的其他“自底向上”类型生长方法，例如可以利用Tuominen等人的美国专利No.7,189,435所描述的方法，其通过引用合并于此。根据该方法，导电衬底或半导体衬底（例如，金属，诸如金）可以涂覆以嵌段共聚物薄膜（例如，异丁烯酸甲酯和苯乙烯的嵌段共聚物），其中该共聚物中的一种组分形成该共聚物另一组分基体中的纳米圆柱体。可以在该共聚物顶上放置导电层以形成复合结构。在垂直定向该复合结构后，通过例如暴露至UV辐射、电子束、或臭氧、降解、或其他诸如此类的方法，一些第一组分可以被移除以在第二组分区域中形成纳米孔。

在另一实施例中，Nealev等人的美国专利No.6,926,953（其通过引用合并于此）中描述，共聚物结构可以通过将其上具有成像层（例如烷基硅氧烷或十八烷基三氯硅烷自组装单分子层）的衬底曝光至两束或多束选定波长光束，以在成像层上形成干涉图样从而根据干涉图样改变成像层润湿性来形成。然后选定嵌段共聚物的层、例如聚苯乙烯和聚（甲基丙烯酸甲酯）可以沉积在所曝光的成像层上并退火以根据润湿性图案分离共聚物的组分以及在共聚物层中复制成像层的图案。因此已分离组分的带状或隔离区域可以形成以具有100纳米或更小范围内的周期性尺寸。

该装置表面能够包括任意分布的所加工的纳米结构。可选的，该表面可包括结合于该加工的纳米结构的其他材料。例如，微针表面可以具有在其上加工有静电纤维层，以及在该静电层上加工的随机或非随机图案结构。

静电纺丝包括使用高电压电源来施加电场至毛细血管中的聚合物熔体或溶液，诱发各个聚合物分子上的充电。在施加电场后，在空气表面界面上诱发充电和/或偶极取向。该诱发导致反作用于表面张力的力。在临界场强上，静电力将克服表面张力，以及聚合物材料的射流将从毛细血管向导电接地表面发射。该喷射是细长的并由随着其离开毛细血管由外电场加速。随着该射流在空气中传播，会挥发一些溶液，留下带电聚合物纤维，其收集于该表面。随着纤维被收集，各个湿纤维可以彼此粘附，在表面上形成无纺织网。可以在静电表面上加工纳米结构图案，例如通过模压技术，其利用限定所需纳米结构的模具。以合适的温度和压力将该模具施加至微针表面，能够将该图案转移至微针表面。随机静电纳米尺寸纤维的表面还可以改善微针表面的所需特征，例如表面积与体积比、表面粗糙度、表面能等中的一个或多个，以及可以提供相关的益处。

微针表面可以被进一步功能化改善使用期间与组织或个体细胞的交互作用。例如，在使用前，诸如多核苷酸、多肽、全部蛋白质、多聚糖等的一种或多种生物分子可以结合至结构化表面。

在一些实施例中，其上包括结构的表面可以已经包含适当的活化性以使得其他期望的功能性可以同时依附于表面而无需表面的预处理。然而，在其他实施例中，能够在附接所需化合物前实施对结构化表面的预处理。例如，可以通过表面上添加或形成胺、羧酸、羟基、醛、巯基、或酯基来增加结构表面的活化性。在一个代表性实施例中，其上形成纳米结构图案的微针表面可以通过接触诸如3-氨基丙基三乙氧基硅烷的含胺化合物来胺化，从而增加该表面的胺功能性并通过该增加的胺功能性而结合一个或多个生物分子至表面。

需要结合至图案化装置表面的材料可以包括ECM蛋白质，诸如层粘连蛋白、弹性蛋白原和/或弹性蛋白、原胶原和/或胶原质、纤连蛋白等。短肽段可以结合至图案化装置的表面，诸如RGD序列，其是结合许多ECM蛋白质的整联蛋白的识别序列的一部分。因此，具有RGD的微针表面的功能化可以促进该装置与ECM蛋白质的交互作用，以及还能限制使用中对该装置的排异反应。

该装置可以与经由该装置输送的药剂相关联。例如，可以利用微针透皮贴用于将角质层下的材料输送至棘层或生发层、甚至更深的进入真皮。通常，可以穿过关联于微针的角质层输送药剂，例如微针内或微针的表面上。

该装置可以包括贮液器，例如容器、多孔基质等，其可以储存药剂并提供待输送药剂。该装置在装置本身内可以包括贮液器。例如，该装置可以包括空心、或多个孔，其可以负载用于输送的一种或多种药剂。该药剂可以通过装置的部分或整体的降解或通过来自装置的药剂的扩散来从装置释放。

图12A和12B是包括贮液器的装置的透视图。装置110包括通过非渗透垫层114限定的贮液器112以及微针阵列116。垫层和微针阵列116一起结合在装置的外围，如118处所指示。非渗透垫层114可以通过粘合剂、热封等结合。该装置110还包括多个微针120。可剥离的衬垫122可以在使用此装置暴露出微针120之前被移除。

包括一种或多种药剂的成份保持在贮液器112中。适于用于非渗透垫层114的材料可以包括诸如聚脂、聚乙烯、聚丙烯和其他合成聚合物。这些材料通常加热或其他的可密封至垫层以提供阻碍贮液器内容物横流的屏障。

贮液器112，其由非渗透垫层14和微针阵列16之间的间隔或间隙限定，提供了储存结构，其中保持待给药的药剂悬液。该贮液器可由与其中包含的药剂兼容的各种材料形成。通过实例，自然和合成聚合物、金属、陶瓷、半导体材料和其复合物可以形成贮液器。

在一个实施例中，贮液器可以连接至定位微针的基底。根据另一实施例，贮液器可以是独立的并可拆卸地连接至微针阵列或与微针阵列流体连通，例如通过合适的导管、鲁尔锁等。

该装置可以包括一个或多个贮液器用于储存待输送的药剂。例如，该装置可以包括单个贮液器，其储存单种药剂或多种药剂成份，或该装置可以包括多个贮液器，其每个储存待输送至全部或部分微针阵列的一种或多种药剂。多个贮液器中的每个可以储存不同材料，它们可以组合后用于输送。例如，第一贮液器可以包含例如药物的药剂，以及第二贮液器可以包含例如生理盐水的载体。在输送前可以混合这些不同的药剂。可以通过例如包括机械破坏（即，刺破、降解或破坏）、改变多孔性、或隔离腔室的壁或隔膜的电化学降解来触发混合。多个贮液器可以包含用于输送的不同活性剂，它们可以彼此一起输送或相继输送。

在一个实施例中，贮液器可以与经皮装置的一个或多个微针流体连通，以及微针可以限定结构（例如，中心或横向孔）以允许所输送药剂在屏障层之下的传输。

在可替代实施例中，装置可以包括微针组件和贮液器组件，在使用前这两者之间具有流动阻止装置。例如，装置可以包括邻接贮液器和微针阵列定位的可释放构件。该可释放构件在使用前隔离该装置而使得在使用期间贮液器和微针阵列彼此流体连通。通过可释放构件的部分或完全分离实现隔离。例如，参照图13-18，示出了可释放构件的一个实施例，其配置以分离于透皮贴以启动药物化合物流动。更特别地，图13-14示出了透皮贴300，其包含药物输送组件370和微针组件380。药物输送组件370包括贮液器306，其邻近速率控制膜308定位。

速率控制膜可以在释放药物化合物时减缓药物化合物的流速。具体而言，从药物贮液器经由微流体通道至微针组件的流体药物化合物可以经历压力降低而导致流速的降低。如果该差异太大，会形成一些反压，其会阻止化合物的流动并可能超过通过微流体通道的流体的毛细压。因此，使用速率控制膜可以改善压力差异并允许药物化合物以更加可控的速率引入至微针。可以基于诸如药物化合物的粘度、期望输送时间等多种因素来改变速率控制膜的特定材料、厚度等。

速率控制膜可以由可渗透、半渗透或多微孔材料等为本领域公知的用于控制药物化合物速率并具有比贮药器的渗透促进剂低的渗透性的材料制成。化合物例如，用于形成速率控制膜的材料可以具有平均孔径大小从约50纳米至约5微米，在一些实施例中从约100纳米至约2微米，以及在一些实施例中，从约300纳米至约1微米（例如，约600纳米）。合适的膜材料包括例如纤维状网（例如，编织或非编制的）、有孔薄膜、泡沫、海绵等，它们由诸如聚乙烯、聚丙烯、聚乙酸乙烯酯、乙烯乙酸正丁酯和乙烯醋酸乙烯酯共聚物的聚合物形成。这些膜材料在美国专利Nos.3,797,494、4,031,894、4,201,211、4,379,454、4,436,741、4,588,580、4,615,699、4,661,105、4,681,584、4,698,062、4,725,272、4,832,953、4,908,027、5,004,610、5,310,559、5,342,623、5,344,656、5,364,630和6,375,978中更加详细的描述，通过引用将它们整体合并于此以用于所有相关目的。特别适合的膜材料可从Lohmann Therapie-Systeme获得。

参照图13-14，尽管是任选的，组件370还包括粘合层304，其邻接贮液器306定位。微针组件380类似地包括支承件312，具有如上所述的通道331的多个微针330从该支承件延伸。药物输送组件370和/或微针组件380的各层在需要时可以使用任何公知的结合技术附接在一起，诸如通过粘合剂结合、热结合、超声结合等。

无论所利用的特定配置，透皮贴300还包括释放构件310，其定位在药物输送组件370和微针组件380之间。虽然释放构件310可任选地结合至邻接的支承件312和/或速率控制膜308，通常期望的是轻微结合，如果这样则释放构件310可以从透皮贴方便地分离。在需要时，释放构件310还可以包括拉片部371（图13-14），其至少部分地延伸超过贴300的外围以方便使用者能够抓该构件并在所需的方向上牵拉。在如图13-14所示的“非活性”配置中，透皮贴300的给药组件370牢固地保持药物化合物307，从而其不会流动任何有效量至微针330中。通过简单施力至释放构件以使其从透皮贴分离可“启动”该透皮贴。

参照图15-16，示出了用于启动透皮贴300的一个实施例，其中在纵向方向上牵拉释放构件310。整个释放构件310可如图17-18所示的移除，或可以如图15-16所示的简单地部分分离。然而在任一种情形中，先前形成在释放构件310和支承件312的孔（未示出）之间的密封会被破坏。这样，药物化合物107可以开始从给药组件170中流出并经由支承件112进入微针130的通道131。图17-18示出了药物化合物307流出贮液器306并进入通道331的例证性示意。特别地，药物化合物307流是无源地启动而不需要任何有源的位移机构（例如，泵）。

在图13-18所示的实施例中，由于给药组件已经与微针组件流体联通，因此释放构件的分离即刻地启动了药物化合物至微针的流动。然而在某些实施例中，期望的是为使用者提供在药物化合物释放时间上更大程度的控制。这可以通过使用微针组件最初不与给药组件流体连通的贴结构来实现。在需要使用透皮贴时，使用者可以物理地操作这两个独立组件进入流体连通。可以在该物理操作发生前或后分离该释放构件。

例如参照图19-24，示出了透皮贴200的特定实施例。图19-20示意了使用前的透皮贴200，并示出了由微针组件280组成的第一部分250和由给药组件270形成的第二部分260。给药组件270包括贮液器206，其邻接上述的速率控制膜208定位。尽管是可选的，组件270还包括粘合层204，其邻接贮液器206定位。微针组件280类似的包括支承件212，从该支承件延伸出具有上述通道231的多个微针230。

在该实施例中，支承件212和速率控制膜208最初彼此相邻水平地定位，以及释放构件210在支承件212和速率控制膜208上延伸。在该特定实施例中，通常期望释放构件210通过粘合剂（例如，压敏粘合剂）可释放地连接至支承件212和速率控制膜208。在如图19-20所示的“非活性”配置中，透皮贴200的给药组件270牢固地保持药物化合物207，从而其不会将任何有效量流入至微针230中。在需要“启动”该透皮贴时，可以剥离并移除该释放构件210，如图21-22中所示意的，以破坏先前形成在释放构件210和支承件212的孔（未示出）之间的密封。此后，第二部分260可以绕图23中箭头方向所示的折叠线“F”折叠，从而速率控制膜208垂直邻接支承件212定位并与其流体连通。可替代的，可以折叠第一部分250。无论如何，各部分250和/或260的折叠启动了药物化合物207从给药组件270流出并经由支承件212进入微针230的通道231（参见图24）。

该装置能够在使得治疗上有助的速率下输送药剂。根据该目的，经皮装置可包括壳体，其具有微电子和其他微机械结构，以根据预编进度或通过与患者、健康护理专家、或生物传感器的动态接口控制输送速率。该装置可以在表面上包括具有预定降解速率的材料从而控制包含在该装置中药剂的释放。可以通过操纵各种因素来控制输送速率，包括待输送的成份的特征（例如，粘度、电荷、和/或化学成分）、每个装置的尺寸（例如，任意开口的外径和体积）、透皮贴上微针的数量、载体基体中各个独立装置的数量、驱动力的施加（例如，浓度梯度、电压梯度、压力梯度）、阀的使用等等。

例如可以使用阀、泵、传感器、致动器和微处理器的各种组合来控制或监控通过装置的药剂输送。可以通过使用标准制造或微加工技术来产生这些组件。可与该装置一起使用的致动器包括微型泵、微型阀和定位器。例如，可以对微处理器编程以控制泵或阀进而控制输送速率。

可以基于扩散作用或毛细作用、或使用传统的机械泵或非机械驱动力（诸如电渗、电泳或对流）来使药剂流穿过装置。例如，在电渗中，电极定位在生物表面（例如，皮肤表面）、微针、和/或邻接微针的衬底上以产生负载相反电荷的离子种类和/或中性分子朝向或进入输送部位的对流。

可以通过选择形成微针表面的材料来操纵药剂流。例如，邻接装置微针表面的一个或多个大沟槽可以用于引导药物、特别是液态药物的通道。可替代的，还可以操纵该装置的物理表面特性来促进或抑制沿表面的物料传输，诸如通过控制亲水性或疏水性。

使用本领域公知的阀或门控来调节药剂流。各个阀可以重复地打开和关闭，或者它们可以是单次使用阀。例如，易碎屏障或单向门控可以安装在装置中贮液器和图案化表面之间。在准备使用时，可以破坏该屏障或打开门控以允许流体通过微针表面的流动。用于本装置的其他阀或门控可以热启动、电化学启动、机械启动或磁力启动以选择性地启动、调节或停止通过该装置的分子流。在一个实施例中，通过使用限速膜作为“阀”来控制流动。

通常，任何药剂输送控制系统，包括本领域公知的贮液器、流动控制系统、传感系统等等，可与该装置结合。通过实例，美国专利Nos.7,250,037、7,315,758、7,429,258、7,582,069和7,611,481描述了贮液器和控制系统，其可以结合在该装置中。

可以通过该装置输送的药剂可用于靠近该装置的局部区域或可用于更广泛分布。例如，在一个实施例中，例如在骨关节炎或风湿性关节炎中，该装置可以输送针对疼痛管理或炎症管理的药剂至关节周围的局部区域。

该装置的纳米形貌可以改进药剂输送而最小化排异反应和免疫反应。这在考虑低聚核苷酸或其他治疗剂输送至核膜时证实是特别有益的。在过去，已经证实至核膜的物料（例如，质粒、siRNA、RNAi等）输送是有问题的，这是因为即使实现了细胞内吞作用时，至核膜的合适胞内输送被证实是困难的，其更可能归因于排异反应和免疫反应。一旦在细胞质中，所输送的物料经常被次级内体循环或在溶酶体中降解。通过使用所公开的方法，微针与ECM的交互作用可以阻止细胞内吞作用后的细胞内的排异反应并促进物料输送至细胞核。

类似的证实了蛋白治疗剂输送有问题。例如，诸如蛋白治疗剂的高分子量药剂的输送已经证实由于皮肤的自然屏障难以用于经皮输送路径。微针上纳米形貌的存在可以有利地影响ECM的热力学并改进蛋白治疗剂的输送和吸收效率。如这里所使用的，术语“蛋白治疗剂”通常指代任何生物活性蛋白质化合物，包括但不限于自然的、合成的和重组的化合物、融合蛋白、嵌合体等，以及包括20种标准氨基酸和/或合成氨基酸的化合物。例如，该装置在颗粒层中或靠近颗粒层可以打开紧密结合并允许高分子量药剂的细胞旁输送。在一个实施例中，该装置可以用于高分子量药剂（例如，限定分子量大于约400Da、大于约10kDa、大于约20kDa、或大于约100kDa、例如约150kDa的药剂）的经皮输送。另外地，可以利用该装置表面积与体积比的变化来改变装置表面上的蛋白质吸收，其可以进而改变物料的输送和细胞吸收。因此，可以通过该装置的表面/体积比的优化来最优化特定物料的输送。

即使考虑小分子量药剂的输送时，由于该装置与真皮结缔组织组分的交互作用，该装置可提供增加的效率和改进的吸收，并相应地提供减少的排异反应和局部区域化学势的改进。

当然，该装置不限于药剂的靶向输送。药剂的系统输送这里还包含经由该装置从对象排出药剂。

针对通过使用该装置传输的药剂没有特别的限制。药剂可以包括蛋白质剂，诸如胰岛素、免疫球蛋白（例如，IgG、IgM、IgA、IgE）、TNF-a、抗病毒药物等；多聚核苷酸，其包括质粒、siRNA、RNAi、核苷酸抗癌药物、疫苗等；以及小分子量药剂，诸如生物碱、糖苷、酚类等。药剂可以包括抗感染药物、激素、调节心脏动作或血液流动的药物、镇痛药等。根据本公开可以输送的其他物质是能够用于预防、诊断、缓解、处理或治疗疾病的药剂。非限定性的药剂列表包括：抗血管生成剂、抗抑郁药、抗糖尿病药物、抗组胺、抗炎剂、布托啡诺、降钙素及其类似物、COX-II抑制剂、皮肤病药剂、多巴胺受体激动剂和拮抗剂、脑啡肽和其他阿片肽、表皮生长因子、促红细胞生成素及其类似物、卵泡刺激素、胰高血糖素、生长激素及其类似物（包括生长激素释放激素）、生长激素拮抗剂、肝素、水蛭素和诸如水蛭肽的水蛭素类似物、lgE抑制素和其他蛋白抑制剂、免疫抑制剂、胰岛素、促胰岛素及其类似物、干扰素、白细胞介素、促黄体激素、促黄体生成激素释放激素及其类似物、单克隆或多克隆抗体、晕车准备剂、肌肉松弛剂、麻醉性镇痛药、尼古丁、非类固醇消炎药、低聚糖、甲状旁腺激素及其类似物、甲状旁腺激素拮抗剂、前列腺素拮抗剂、前列腺素、东莨菪碱、镇静剂、五羟色胺激动剂和拮抗剂、性功能减退药、组织纤溶酶原激活剂、安定药、具有或不具有载体/佐药的疫苗、血管舒张药、诸如结核菌素和其他超敏反应剂的主要诊断剂，其如名称为“经皮注射物质的方法”（"Method of Intradermally Injecting Substances"）的美国专利No.6,569,143中所描述的，其整体内容通过引用合并于此。疫苗成份可以包括能够诱发抵抗人类病原体或来自其他病毒性病菌的免疫反应的抗原或抗原组合。

在一个优选实施例中，该装置可在诸如风湿性关节炎的慢性病的治疗中用于输送稳定药剂流至需要的对象。通过该公开装置可输送的RA药物可以包括症状抑制化合物，诸如镇痛药和消炎药，其包括甾族和非甾族消炎药（NSAID），以及抗风湿疾病调修药（DMARD）。

该装置可以包括并输送症状抑制化合物，诸如镇痛药和消炎药，以及包括生物DMARD的DMARD化合物。虽然不希望限于任何特定理论，应该理解的是，该装置表面上加工的纳米尺度结构改进了穿过皮肤屏障的化合物传输。通过利用该装置，可以在持续期间上以稳定浓度传输RA药物。该装置还能阻止在利用先前已知的输送RA药物方法（包括口服和注射）中所常见的初始浓度猝发。

能够结合在该装置中的RA药物包括但不限于，一种或多种镇痛剂、消炎药、DMARD、草本药物以及它们的组合。特定化合物当然落入这里所描述的一种或多种通用种属下。例如，许多化合物可以作为镇痛剂和消炎药；草本药物能够类似的作为DMARD和消炎药。此外，落入单个种属的多种化合物能够结合在该装置中。例如，该装置能够包括多种镇痛剂，诸如具有可待因的乙酰氨基酚、具有氢可酮（维可汀）的醋胺酚等。

可以结合在该装置中的镇痛剂和NSAID的实例包括以相对较低剂量可获得的非处方（OTC）镇痛剂，其包括乙酰胺（醋氨酚或扑热息痛）、乙酰水杨酸（阿司匹林）、布洛芬、酮洛芬、萘普生和萘普生钠等。可以结合在该装置中的处方镇痛剂和/或消炎药能够包括但不限于，浓度上需要处方的OTC镇痛剂、塞来昔布、舒林酸、奥沙普秦、双水杨酸酯、吡罗昔康、吲哚美辛、依托度酸、美洛昔康、萘布美酮、酮咯酸和酮咯酸氨丁三醇、托美汀、双氯芬酸、地普喹酮以及二氟尼柳。麻醉镇痛剂可包括可待因、氢可酮、羟考酮、芬太尼和丙氧芬。

该装置可包括一种或多种甾族消炎化合物，主要是糖皮质激素，包括但不限于可的松、地塞米松、泼尼松龙、强的松、氢化可的松、去炎松以及甲基强的松龙、倍他米松和醛甾酮。

可以包含在该装置中的DMARD可包括小分子药物和生物药剂。DMARD可以是化学合成的，或可以是通过基因工程技术生产的（例如，重组技术）。

这里所包含的化学合成DMARD包括但不限于，硫唑嘌呤、环孢素（环孢素，环孢霉素A）、D-青霉胺、金盐（例如，金诺芬、金硫丁二钠（Myocrism））、氯喹、羟化氯喹、来氟米特、氨甲喋呤、米诺环素、柳氮磺胺吡啶（柳氮磺胺吡啶）和环磷酰胺。生物DMARD包括但不限于，TNF-α受体阻滞剂，诸如依那西普

英夫利昔单抗

阿达木单抗

certolizamab pego

和golumumab（Simponi^TM）；IL-1受体阻滞剂，诸如阿那白滞素

单克隆抗体的B细胞，其包括利妥昔单抗

T细胞共刺激受体阻滞剂，诸如阿巴西普

以及IL-6受体阻滞剂，诸如托珠单抗(tocilizumab)

钙调磷酸酶抑制剂，诸如他克莫司

该装置能够结合一个或多个草本的或其他自然衍生的药物。例如，诸如乳香脂酸（齿叶乳香树的提取物）和姜黄色素（来自姜黄的类姜黄色类）的阿育吠陀化合物，以及诸如硫酸盐葡萄糖胺（通过甲壳纲动物外骨骼的水解或谷物的发酵）的自然衍生化合物能够结合在该装置中。

该装置能够结合多种RA药物。例如，该装置能够包括除了止痛剂和/或消炎药物之外的DMARD组合。DMARD的常见组合例如包括甲氨蝶呤结合羟化氯喹、甲氨蝶呤结合柳氮磺胺吡啶、柳氮磺胺吡啶结合羟化氯喹，以及所有的这三种DMARD一起，即羟化氯喹、甲氨蝶呤和柳氮磺胺吡啶一起。

该装置能够有益地结合大和/或小分子量化合物。例如，在过去，蛋白治疗剂的经皮输送已经证实由于皮肤的自然屏障而存在问题。虽然不期望结合任何特定理论，该装置微针的纳米形貌的存在可以有益地与皮肤屏障的细胞和ECM交互并改进蛋白治疗剂的输送和吸收效率。例如，该装置在颗粒层中或靠近颗粒层的存在可以打开紧密结合并允许高分子量药剂的细胞旁输送。如这里所使用的，高分子量药剂通常指代限定分子量大于约400Da、大于约10kDa、大于约20kDa、或大于约100kDa的药剂。

即使考虑小分子量药剂的输送时，该装置可以基于该装置与皮肤结缔组织组分的交互作用而提供增加的效率和改进的吸收，并伴随地提供减少地排异反应和局部区域化学势的改进。此外，该装置能够在持续时间上以稳定浓度输送药物，这是有益的。

通过参照下面提供的实例能够进一步理解本发明公开。

实例1

使用类似于那些设计和制造电路所用的光刻技术来准备许多不同的模具。各个工艺步骤通常是本领域已知并已经描述的。

最初，通过使用丙酮、甲醇和异丙醇清洁准备硅衬底，并然后根据化学汽相淀积工艺沉积258纳米（nm）二氧化硅层。

通过本领域公知的电子束曝光图案工艺使用JEOL JBX-9300FS EBL系统来在每个衬底上形成图案。工艺条件如下：

束流=11nA

加速电压=100kV

射击节距=14nm

剂量=260μC/cm²

抗蚀剂=ZEP520A，~330nm厚度

显影剂=醋酸正戊酯

显影时间=2分钟。沉浸，30秒后异丙醇冲洗。

然后通过STS先进氧化物刻蚀（AOE）执行二氧化硅蚀刻。在4mTorr、400W线圈、200W反应离子刻蚀（RIE）和404-414直流偏压下利用55标准立方厘米每分钟（sccm）的He、22sccm的CF₄、20sccm的C₄F₈蚀刻50秒。

接下来，通过STS氧化硅蚀刻（SOE）执行硅蚀刻。在5mTorr、600W线圈、50W反应离子刻蚀（RIE）和96-102直流偏压下利用20sccm的Cl₂和5sccm的Ar蚀刻2分钟。硅蚀刻的深度是500纳米。使用缓冲氧化物蚀刻剂（BOE）用于剩余的氧化还原，其包括三分钟BOE浸渍，然后是去离子水冲洗。

Obducat6纳米压印机用于在各种聚合物薄膜基底上形成纳米图案。使用外部水作为冷却剂。UV模板利用200至1000纳米之间波长1.8W/cm²的单脉冲灯。使用250-400纳米的UV滤光器。曝光面积是6英寸，其以200°C的最大温度和80巴。纳米压印机包括半自动分离单元和自动控制脱模。

为促进纳米压印薄膜从模具的释放以十三烷-(1,1,2,2-四氢)-辛基三氯硅烷(F13-TCS)处理模具。为处理模具，首先通过丙酮、甲醇和异丙醇冲洗清洁硅模具并通过氮气干燥。有盖培养皿在氮保护气氛中置于加热板上，并添加1-5ml的F13-TCS至该有盖培养皿。硅模具置于该有盖培养皿中并遮盖10-15分钟以允许移去模具前F13-TCS蒸汽浸湿该硅模板。

利用下表2中给出的五种不同聚合物形成各种纳米形貌设计。

表2

形成了多种不同纳米形貌图案，它们的示意性代表视于图25A-25E。图25E所示意的纳米形貌图案是从日本东京NTT先进科技公司购买的平板衬底表面。图案指定为DN1(图25A)、DN2(图25B)、DN3(图25C)、DN4(图25D)和NTTAT2(图25E)。模具的SEM图像示于图25A、25B和25C，以及薄膜的图像示于图25D和25E。图8示意了通过使用图25A的模具（DN1）形成的纳米图案薄膜。在该特定薄膜中，通过先前所讨论的温度变动得出聚合物特征。发现图25E图案的表面粗糙度为34纳米。

根据该纳米压印工艺还形成图7C和7D所示意的图案。该图案包括柱体72和柱体62，如所示意。较大柱体72形成为3.5微米（μm）直径和30μm高度以及6.8μm的中心至中心间隔。柱体62高500纳米、直径200纳米、以及中心至中心间隔250纳米。

下表3中提供了聚丙烯薄膜所用的纳米压印工艺条件。

表3

时间(s)	温度(C)	压强(巴)
			10	50	10
10	75	20
			10	100	30
420	160	40
			180	100	40
180	50	40
			180	25	40

实例2

薄膜如实例1所描述的形成，其包括各种不同图案，由聚苯乙烯（PS）或聚丙烯（PP）形成。底层衬底厚度变化。所利用的图案是DN2、DN3或DN4，其利用实例1所描述的形成过程。在孔深度和特征间距方面改变图案化模具以形成具有指定图案的各种不同尺寸特征。通过使用0.6μm微孔聚碳酸酯过滤器作为模具来形成样本8（指定为BB1）。在该过滤器顶上放置25μm聚丙烯薄膜，并然后加热熔化以使得聚丙烯能够流入过滤器的孔中。然后冷却该模具，并通过使用二氯甲烷溶剂来溶解该聚碳酸酯模具。

所形成的SEM示于图26-34，以及所形成的薄膜的特征在下表4中概括描述。

表4

¹图案特征示于附图中

²横截面尺寸值源自模具并换算为该结构最大尺寸的近似值，然而应该理解的是，任何给定单个结构的实际尺寸能够轻微变化，如图所示。

³特征高度设置为多个单独确定的特征高度的平均值。

对于每个样本利用AFM表征该薄膜。表征包括扫描式电子显微照片（SEM）的形成、表面粗糙度的确定、最大测量特征高度的确定、以及分形维数的确定。

所利用的原子力显微（AFM）探针是系列16硅探针和悬臂，其可从μMasch获得。悬臂具有170kHz的共振频率、40N/m的弹簧常数、230±5μm的长度、40±3μm的宽度、以及7.0±0.5μm的厚度。探针尖端是n-型掺磷硅探针，其通常具有10纳米的探针尖端半径、40°的全尖端锥角、20-25μm的整个尖端高度、以及0.01-0.05ohm-cm的体电阻率。

表4所给出的表面粗糙度值是根据ISO25178系列定义的表面分布粗糙度参数的算术平均高度。

通过分析傅里叶振幅谱针对不同角度计算分形维数；针对不同角度提取振幅傅里叶曲线以及计算频率和振幅坐标的对数。针对每个方向的分形维数D然后计算为：

D=(6+s)/2，

其中s是对数-对数曲线的（负）斜率。所报告的分形维数是针对所有方向的平均值。

分形维数还可以通过应用对数-对数函数从2D傅里叶谱估算。如果该表面是分形的，对数-对数图应该是高度线性的，其具有负斜率（参加FractalSurfaces，John C.Russ，Springer-Verlag New York，LLC，2008年7月）。

实例3

在37°C、5%CO₂下，在10%FBS、1%青霉素/链霉素的DMEM中，在6个孔板中以25000细胞/cm²的浓度培养HaCaT人类皮肤上皮细胞24小时。板具有如上述实例1所述的聚丙烯纳米图案薄膜并指定孔底部为DN1、DN2（表4的样本4）、DN3或未经处理表面。纳米图案薄膜通过氰基丙烯酸盐粘合剂粘附就位。

通过每孔使用1mL胰蛋白酶10分钟将细胞从上述表面分离，以1mL培养基（同上述）水淬，然后转移至离心管并在1200rpm上7分钟成颗粒。

使用来自Qiagen的RNeasy miniprep装置采用厂商报告从颗粒细胞中分离RNA。简单地说，细胞溶解，与乙醇混合并在柱状物中旋转减慢。然后将溶解产物清洗3次，采用脱氧核糖核酸酶处理并在40μl体积中洗提。

从使用来自SA Biosciences的RT first strand kit分离的RNA产生cDNA。简单地说，RNA再次在42°C以脱氧核糖核酸酶处理5分钟。然后添加任意引物和反转录酶并在42°C上培养15分钟，再在95°C上培养5分钟以终止反应。

然后使用来自SA Biosciences的RT profiler custom PCR array在cDNA样本上采用用于IL1-β、IL6、IL8、IL10、IL1R1、TNFα、TGFβ-1、PDGFA、GAPDH、HDGC、RTC和PPC的引物进行qPCR。简单而言，cDNA与SYBR绿和水混合，然后添加至预固定至针对感兴趣基因的正确转录和抗转录引物对的PCR板。该板然后在加热至95°C的ABIStepOnePlus PCR机器上运行10分钟，然后以95°C上15秒和60°C上1分钟循环45次。

采用GAPDH作为内部对照组执行delta delta C_T分析。使用HDGC、RTC和PPC作为用于活性和染色体组DNA污染的附加内部对照组。然后使用单因素方差分析和Tukey两点测试来确定各表面之间不同的统计显著性。

下面表5呈现了在聚丙烯膜上有纳米压印结构的蛋白质表达对比在没有结构的薄膜上的表达所获得的成倍增加的蛋白质表达。

表5

模具	IL1-β	IL6	IL8	IL10	IL1R1	TNFα	TGFβl	PDGFA
									DN1	2.24	3.33	0.36	1.17	0.6	0.57	0.37	1.37
DN2	3.18	3.2	0.46	0.43	0.36	0.57	0.42	1.23
									DN3	3.36	2.7	0.47	5.83	1.6	0.37	0.35	0.64

实例4

实例3所描述的方法被用于检验来自HaCaT人类皮肤上皮细胞的多种不同细胞因子当细胞在各种不同的如上述方法形成并图案化的聚丙烯（PP）或聚苯乙烯（PS）膜上发育时的表达水平。针对每种细胞因子的表达水平对比于来自标准组织培养聚苯乙烯（TCPS）上培养的相同细胞类型，并以脂多糖（LPS）诱导。结果示于下表6中。

对比于TCPS，如上所述（表4样本4），发现在有DN2图案的纳米图案化的聚丙烯膜上发育的细胞向上调节IL-1β、IL-1rα、IL-10和MIP-1β的表达，向下调节IL-4、IL-13、MIG、KC、IL-2、MIP-1、TNF-α、IL-12、IL-16、和IL-1α的表达。

测试各种其他薄膜的不同细胞因子的细胞表达的效应。薄膜设计如下：

1-在75μm聚苯乙烯膜上的DN2图案(表4样本3)

2-在75μm聚苯乙烯膜上的DN3图案(表4样本1)

3-在75μm聚苯乙烯膜上的DN4图案(表4样本6)

4-非压印的75μm聚苯乙烯膜

5-在25.4μm聚丙烯膜上的DN2图案(表4样本4)

6-在25.4μm聚丙烯膜上的DN4图案(表4样本7)

7-在5μm聚丙烯膜上的DN2图案(表4样本2)

8-BB1聚丙烯膜(表4样本8)

9-非压印的25.4μm聚丙烯膜

10-非压印的5μm聚丙烯膜

结果示于下表6中。结果提供如下：

--表达水平低于测试阈值

—表达水平低于针对TCPS的

=表达水平类似于针对TCPS的

+表达水平高于针对TCPS的，但低于LPS诱导时的

++表达水平类似于LPS诱导的

+++表达水平高于LPS诱导的

表6

薄膜	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											lL-1α	--	--	--	--	--	--	--	--	--	--
IL-1β	++	--	--	++	--	--	--	--	--	--
											IL-12	=	=	=	=	=	=	=	=	=	=
TNF-α	=+	=	=	=	=	=	=	=+	=	=
											MCP-1	=+	=	=	=	=	=	=	=+	=	=
IL-2	=	=-	=+	=	=	=	=	=	--	=
											KC	--	--	=	=	=	=	=	=	-	-
MIP-1α	--	--	--	+++	--	--	+	--	+++	+++
											MIP-1b	++	+	=	=	=	+	=	-	-	=
MIG	=	--	=	+	-	-	--	-	-	=
											GM-CSI	--	--	--	--	--	--	--	--	--	--
IL-4	--	--	--	--	--	--	--	--	--	--
											IL-13	--	--	--	++	--	--	--	--	--	--
IL-10	-	-	=	=	=	=	=	=	=	=

实例5

在37°C、5%CO₂下，在10%FBS、1%青霉素/链霉素的DMEM中，在6个孔板中以25000细胞/cm²的浓度培养HaCaT人类皮肤上皮细胞24小时。板具有如上述实例1所述的聚丙烯纳米图案薄膜并指定孔底部为DN1、DN2（表4的样本4）、DN3或未经处理表面。薄膜通过氰基丙烯酸盐粘合剂粘附就位。

从每个孔中收集培养基并采用来自Millipore的Milliplex Map Kit分析细胞因子产物。使用检测IL-1β、IL-1rα、IL-6、IL-8、IL-10、PDGF-AA、PGGF-AB/BB和TNF-α的珠子。在BioRad BioPlex机器上执行读出。简单而言，培养基置于具有过滤器的微板孔中。在室温下通过晃动添加并培养主珠子1小时。然后清洗该板并在室温下晃动地培养检测抗体培养30分钟。然后添加链霉亲和素-藻红蛋白并在室温下培养另外30分钟。然后清洗板，珠子再悬浮在分析缓冲液中，以及在BioPlex上分析培养基荧光密度。

实例6

在单层Caco-2细胞（人类上皮大肠腺癌细胞）上确定如这里所述的图案化薄膜的渗透效果。

利用如实例1和实例2中所述形成的薄膜，包括形成为指定以DN2、DN3、DN4图案的聚丙烯(PP)或聚苯乙烯(PS)膜。还使用第四种膜，其指定为BB1（在上述实例2中描述）。该报告中每个薄膜类型具有多个实例。

针对每种薄膜遵循的大致报告如下：

材料：

细胞培养插入物，0.4μm孔径尺寸的HDPET膜（BD Falcon）

24孔板（BD Falcon）

Caco-2培养基

如上所述的纳米结构膜

IgG-FITC(Sigma Aldrich)

BSA-FITC(Sigma Aldrich)

非酚红的最小必需培养基（Invitrogen）

TEER伏特计

加热的PBS

黑的96孔板

铝箔

记录

1、进行渗透性分析之前两周在胶原质涂覆孔插入物上播种Caco-2细胞。胶原质涂覆板通过100%乙醇与胶原质1:1体积制成。在无菌罩中整夜地干燥表面直至变干。

2、在无酚红的Alpha MEM培养基中制作0.1mg/mL的感兴趣FITC-共轭分子(BSA、IgG等)溶液。卷入铝箔中以防止其被光照射。

3、通过测量电阻来检验Caco-2细胞的融合。针对融合，电阻应该高于~600欧姆。

4、在顶侧和基底侧从细胞培养插入物中抽出老的培养基。用PBS冲洗以移除任何残留的酚红染料。

5、在每个插入物的顶侧上添加0.5ml的FITC-共轭溶液。

6、在另一个具有细胞培养插入物的24孔板中，添加0.5mL加热的PBS。

7、将插入物移到具有PBS的板上。在Kim擦上擦拭插入物的底部以移除残留的酚红。

8、t=0-时间点：从插入物的基底侧取样75μL并转移至96孔板的黑色底部。以75μL的加热PBS替换该容积。采用“筷子”电极记录每个孔的电阻。

9、小心地添加膜至正确标记的孔。对照组是非压印膜和单独的细胞。在显微镜下检验到膜与细胞直接接触。应该能够看到清晰的圆圈，指示与细胞的接触。

10、t=0时间点：重复步骤7然后置于培养器中1小时。

11、t=1时间点：重复步骤7然后置于培养器中1小时。

12、t=2时间点：重复步骤7。

13、采用分光荧光计板读出器测量荧光信号。

FITC（激发=490纳米，发射=520纳米）

结果：

所利用的膜和所获得结果概括地示于下表7中。

表7

根据本领域公知的Schubert等人所描述的标准方法来测量模量。（刚性聚合物微纤维阵列的滑动诱导粘附：2.显微级行为（Sliding inducedadhesion of stiff polymer microfiber arrays:2.Microscale behaviour），JournalRoyal Society,Interface,Jan.22,2008.10.1098/rsif.2007.1309）

根据标准做法通过在表面上放置水珠来测量接触角。（例如参见Woodward,First Ten Angstroms,Portsmouth,VA）

图35图表示意了图案化成如这里所述的纳米图案的聚苯乙烯膜上的单层细胞中对牛血清清蛋白（BSA）渗透性的影响。如所指示的，该薄膜图案包括DN2图案（样本编号3）、DN3图案（样本编号5）以及DN4图案（样本编号6）。还示出了针对无图案PS膜（图35上标记为PSUI）和没有邻接膜的细胞层（图35上标记“细胞”）的结构。结果显示，渗透性作为按小时测量的时间的函数成倍增加。

图36A和36B图表示意了被图案化成如这里所述的纳米图案的聚苯乙烯膜上的单层细胞中对免疫球蛋白-G（IgG）渗透性的影响。如所指示的，该薄膜图案包括DN2图案（样本编号3）、DN3图案（样本编号5）以及DN4图案（样本编号6）。还示出了针对无图案PS膜（图36A和36B上标记为PSUI）和没有邻接膜的细胞层（图36A和36B上标记“细胞”）的结构。这两个图示出了在两个不同时间标度上的数据。

在荧光计上读出BSA信号，以及在分光光度计上读出IgG信号。

图37A和37B是3D活体/死体荧光染色图像，其示出了跨过被图案化成DN4图案的聚苯乙烯膜表面（样本编号6）上的单层细胞的IgG的细胞旁和穿过细胞传输。

图38图表示意了被图案化成如这里所述的纳米图案的聚丙烯膜上的单层细胞中对BSA渗透性的影响。如所指示的，图案包括BB1（样本编号8）、DN2（样本编号4）以及DN4（样本编号7）。还示出了针对无图案膜（图38上标记为PPUI）和没有邻接膜的细胞层（图38上标记“细胞”）的结构。

图39图表示意了被图案化成如这里所述的纳米图案的聚丙烯膜上的单层细胞中对IgG渗透性的影响。如所指示的，图案包括BB1（样本编号8）、DN2（样本编号4）以及DN4（样本编号7）。还示出了针对无图案膜（图39上标记为PSUI）和没有邻接膜的细胞层（图39上标记“细胞”）的结构。

图40A和40B是3D活体/死体荧光染色图像，其示出了跨过DN2图案化的聚丙烯膜表面上的单层细胞的IgG的细胞旁传输（样本编号4）。

图41A-41F是在纳米图案表面上所培养的Caco-2细胞的扫描电子显微（SEM）图像。图41A和41B示意了平的聚苯乙烯对照膜上的Caco-2细胞。图41C和41D示意了以上述的DN2图案（样本编码3）图案化的聚苯乙烯膜上的Caco-2细胞，以及图41E和41F示意了以上述的DN3图案（样本编码5）图案化的聚苯乙烯膜上的Caco-2细胞。

实例7

利用实例6中所描述的方法来测试单层Caco-2细胞对融合蛋白治疗剂依那西普（市场商品名为

）的渗透性。图42图表示意了在许多不同图案化衬底上生长的细胞层的结果，所述不同图案化衬底包括聚丙烯（DN2PP-表4样本4）、聚苯乙烯（DN2PS-表4样本3和DN3PS-表4样本1）、非压印聚苯乙烯膜（PSUI）以及不具有膜的细胞层（细胞）。结果示为从最初渗透性随时间的成倍增加。图43示意了从最初t=0到膜添加至针对图42的基质和细胞层的孔两小时后（t=2）的渗透性的成倍增加。

实例8

形成了包括纳米图案表面的微针阵列。最初，在硅片上通过光刻工艺形成图2所示意的微针阵列。每个针包括两个相对放置的侧通道，在针的基底中与一个穿模孔对齐（图2中不可见）。

根据典型的显微机械加工工艺在硅基片上形成微针。该片敷设以抗蚀剂和/或氧化层，后面是根据标准方法选择性蚀刻（氧化蚀刻、DRIE蚀刻、iso蚀刻）、脱胶、脱氧化物、以及光刻技术（例如，iso光刻、孔光刻、狭缝光刻）以形成微针阵列。

在形成微针阵列后，5μm聚丙烯膜敷设在微针阵列上，所述5μm聚丙烯膜包括其上形成的DN2图案，如实例1所描述的，其特征描述于表4的样本2。片/膜结构在高温（130°C）下持续一小时的时间保持在加热真空盒（3英寸H₂O真空）上以轻柔地牵拉微针表面上的薄膜而保持薄膜表面的纳米图案。

图44示意了微针阵列顶部的薄膜，以及图45是阵列的单个针的近景图，其包括覆盖针顶部的纳米图案薄膜。

实例9

形成包括微针阵列的透皮贴，所述微针阵列如实例8所描述的形成。透皮贴被形成为其微针阵列上具有DN2图案或DN3图案。限定应用至微针图案的薄膜描述于下表8中。薄膜1与表4的样本No.2相同，以及薄膜2与表4的样本No.9相同.

表8

性质	薄膜1	薄膜2
			图案	DN2	DN3
材料	聚丙烯	聚丙烯
			薄膜厚度	5微米	5微米
结构高度	100nm	165nm，80nm，34nm
			结构纵横比	0.5	0.15,0.2,0.17
平均表面粗糙度RA	16nm	50nm
			分形维数	2.15	2.13

还可以如下形成对照贴，其在薄膜上不形成图案并随后在其上施加微针阵列。根据药物供应商的说明书制备依那西普

的经皮和皮下配方。制备皮下剂量配方（针对有效对照）来促进4mg/kg的皮下药物剂量。调节用于经皮输送的浓度以使得在24小时期间内实现预期的200mg/kg给予剂量。

该研究中使用总计10只BALB/C小鼠（指定的目标#1-#10），其中8个经皮给予剂量

（组1）以及2个皮下给予剂量

（组2），如下表9所描述。应用透皮贴至除毛的皮肤区域，将透皮贴施加到皮肤时在微针尖端附近形成孔。

表9

所使用的透皮贴包括两种那些表面上限定纳米形貌的（DN2和DN3图案，如上所述），以及不具有纳米形貌图案的贴。

在表8所指示的时间点上采集整个血液样本。通过下颌出血采集约100至200μl血液并在冷冻离心分离机（设定4°C）以大约1300rpm离心分离10分钟。在血液收集/离心分离30分钟内吸出并转移所产生的血清至合适的标记管。这些管以<-70°C冷冻并储存在黑暗中直至使用HumansTNF-receptor ELISA套件（R&D Systems cat#DRT200）分析

水平。相同对象的两个血液样本的间隔时间是24小时，用于防止置于对象上不必要的应力。

图46以图表示意了其上限定纳米形貌的透皮贴的平均PK曲线。针对所有包括纳米形貌的透皮贴的结果平均值用于代表结合纳米形貌连同微针透皮贴的整体效果。可以看出，在附接的最初两小时内贴区域的血清水平迅速升高至超过800ng/mL/cm²。接着，在附接的24小时内，血清水平逐渐降低至可忽略。用于导出图46的数据提供于下表10中。

表10

时间(小时)	血清浓度(ng/ml)
		0	0
0.5	192.1
		2	249.25
6	24.4
		24	7.2
65	4.0875

图47A和47B示意了与贴保持接触的皮肤的电子显微镜横截面图。在移除贴后（附接后72小时）采集图像。图47A的样本接触表面上包括纳米形貌的贴。具体而言，如上所述的DN2图案形成在该贴的表面上。图47B的样本与透皮贴保持接触，该透皮贴的表面上没有限定纳米形貌图案。可以看出，图47B的样本显示了发炎信号和高浓度的巨噬细胞存在。

实例10

形成透皮贴，其包括如实例8中描述的微针阵列的透皮贴。贴形成以被形成为其微针阵列表面上具有DN2图案或DN3图案，如实例9的表8所述。也可以如下形成对照贴，其在薄膜上不形成图案并随后应用至微针阵列。根据药物供应商的说明书制备依那西普

的经皮和皮下配方。

测试对象（兔）经皮给予剂量

或皮下(SubQ)给予剂量

图48中以图表示意了结果，其提供了以pg/ml为单位的血清浓度对时间的函数。用于形成图48的数据提供于下表11中。

表11

时间	无结构微针	皮下的	DN2	皮下的	DN3
						0	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00
0.5	0.00	157.49	0.00	1611.21	0.00
						2	0.00	3029.07	0.00	3504.92	497.17
6	0.00	3545.14	338.23	3699.24	796.64
						12	0.00	3577.13	731.22	3571.80	1080.60
24	116.78	3778.71	785.49	3464.70	1924.24
						48	134.23	3416.73	638.18	3885.31	1006.95
72	88.68	3356.64	572.77	3803.42	1172.67

虽然本主题已经关于其特定实施例尽量详细描述，应该意识到的是本领域技术人员在获得对前述的理解后可以容易地预想到针对这些实施例的改变、变体或等效物。因此，本发明公开的范围应该由所附权利要求书及其任意等效物确定。

Claims (21)

1.一种医疗装置，其包括从支承件向外延伸的微针阵列，其中所述微针中的至少一个包含形成于其表面上的多个纳米结构，所述纳米结构以预定图案布置。

2.根据权利要求1所述的医疗装置，其中所述纳米结构为柱的形式。

3.根据权利要求1或2所述的医疗装置，其中所述纳米结构的至少一部分具有小于约500纳米以及大于约5纳米的横截面尺寸，或具有小于约300纳米以及大于约100纳米的横截面尺寸，或具有大约相同的横截面尺寸。

4.根据前述任一权利要求所述的医疗装置，其中所述图案还包括微米结构，其中所述纳米结构具有比所述微米结构小的横截面尺寸，例如所述微米结构具有大于约500纳米的横截面尺寸。

5.根据权利要求4所述的医疗装置，还包括第二纳米结构，其具有小于所述微米结构横截面尺寸且大于所述第一纳米结构横截面尺寸的横截面尺寸。

6.根据前述任一权利要求所述的医疗装置，其中至少部分所述纳米结构具有从约50纳米至约1微米的中心至中心的间隔。

7.根据前述任一权利要求所述的医疗装置，其中两个相邻纳米结构的横截面尺寸与这两个结构的中心至中心间隔的比值介于约1:1至约1:4之间。

8.根据前述任一权利要求所述的医疗装置，其中至少部分所述纳米结构具有相等间距。

9.根据前述任一权利要求所述的医疗装置，其中至少部分所述纳米结构具有从约10纳米至约20微米的高度，或从约100纳米至约700纳米的高度。

10.根据前述任一权利要求所述的医疗装置，其中至少部分所述纳米结构具有从约0.15至约30的纵横比，或从约0.2至约5的纵横比。

11.根据前述任一权利要求所述的医疗装置，其中所述图案具有大于约1的分形维数，例如从约1.5至约2.5。

12.根据前述任一权利要求所述的医疗装置，其中包括多个纳米结构的所述微针表面具有下述特征中的一个或多个：约10纳米和约200纳米之间的平均表面粗糙度、约4MPa和约320MPa之间的有效压缩模量、约0.2MPa和约50MPa之间的有效剪切模量、以及约80°和约150°之间的水接触角度。

13.根据前述任一权利要求所述的医疗装置，还包括贮液器，其用于保持药物化合物，例如具有大于约100kDa分子量的药物化合物。

14.根据权利要求13所述的医疗装置，其中所述药物化合物是蛋白治疗剂，例如TNF-α阻断剂。

15.根据前述任一权利要求所述的医疗装置，其中至少一个微针包括用于输送所述药物化合物的通道。

16.一种用于输送药物化合物至皮下位置的方法，该方法包括：

通过与药物化合物流体连通的微针穿刺角质层，所述微针含有大量形成在其表面上并以图案布置的纳米结构；以及

使所述药物化合物输送通过微针并越过所述角质层。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括将细胞外基质蛋白、诸如斑粘连蛋白、内吞调节受体、或跨膜蛋白的质膜蛋白；或它们的组合接触所述纳米结构。

18.根据权利要求16或17所述的方法，其中所述纳米结构改变细胞膜传导性或诸如紧密连接的细胞间连接结构中的一个或多个。

19.根据权利要求16-18中任一个所述的方法，其中所述药物化合物输送至细胞的细胞质或细胞的核膜。

20.一种用于形成医疗装置的方法，其包括在微针的表面上加工纳米结构图案。

21.根据权利要求20所述的方法，其中加工所述纳米结构图案所根据的技术选自由光刻、电子束光刻、X射线光刻、自组装技术、活性离子蚀刻、湿法蚀刻、薄膜沉积、溅射法、化学汽相淀积、外延生长、电镀、纳米压印光刻或它们的组合组成的群组。

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