CN104487028A - 高模量聚合物喷射器机构、喷射器装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种喷射器装置(1600)和一种方法，所述装置和方法用于将安全的、适当的且可重复的剂量输送给受治疗者以用于眼睛、局部、口腔、鼻部或肺部使用。喷射器装置包括：壳体；储液器(1620)，所述储液器布置在壳体内以用于接收一定体积的流体；和喷射器机构(1601)，所述喷射器机构与储液器流体连通，并且构造成喷射微滴流，喷射器机构包括喷射器板(1602)，所述喷射器板联接到高模量聚合物发生器板(1632)和压电致动器(1604)；压电致动器可操作成以一定频率振荡喷射器板并由此振荡高模量聚合物发生器板，并且产生定向的微滴流。

Description

高模量聚合物喷射器机构、喷射器装置及其使用方法
相关申请的交叉参考
本申请要求享有2011年12月12日提交的美国临时申请No.61/569,739和2012年1月27日提交的美国临时申请No.61/591,786的优先权，其全部内容通过参考包含于此。
背景技术
对于安全性以及产品的易用性而言，使用喷雾装置管理雾状或水雾形式的产生具有很大的提升空间。提供这样的装置所面临的主要挑战是一致并且准确地输送合适的剂量。
需要喷雾装置的重要领域是输送眼药。如就滴眼剂而言，施加流体一直存在一个问题，尤其是对于易于在关键时刻眨眼或肌肉挛缩从而导致微滴落在眼睑、鼻子或面部的其它部位上的儿童和动物。尤其当流体处于不同的温度条件下时，一个或多个较大的流体滴对眼球的冲击也易于引发眨眼反应。老年人还常常丧失将滴眼剂滴入他们的眼睛中所需的手部协调性。中风患者面临类似的困难。滴量器输送通常需要诸如头部倾斜的特定身体姿势或水平姿势，任何一种都不具备实用性。
通常，关键是受治疗者每天按照正确剂量以及每天所需的次数用药。然而，实际上，规定在家进行眼部药物治疗的受治疗者易于忘记给药，或者用药过度或与其它药物交叉使用。主要依从问题中的一个是即使受治疗者专心于遵守治疗方案，但是他或她也会由于任何数量的原因而没有依从治疗方案。
目前，由滴眼管给送这些药物中的多种药物。目前的滴眼装置经常需要头部向后倾斜，受治疗者仰卧或向下牵引下眼睑，或需要牵引和倾斜的组合，原因在于输送机构典型地依赖重力来施加药物。这不仅仅是尴尬的问题，而是涉及受治疗者身体的较高协调能力、灵活性和合作能力，以在避免滴管刺戳眼睛的同时确保药物进入眼睛内。目前的滴眼管瓶面临刺戳用户眼睛的风险，从而潜在导致对眼睛造成物理伤害，并且此外，由于末端与眼睛接触而使末端受到细菌污染。因此，受治疗者将承受滴眼瓶中的药物被污染并且随即感染眼睛的风险。另外地，大量药物流出眼睛或被流泪反应冲走。结果，这种给药方法还是不准确的和浪费的。此外，该技术没有提供控制分配的药物量的满意方式，也没有提供确保分配的药物事实上落在眼睛中且存留在眼睛上的方式。
滴眼管还没有提供由受治疗者验证合乎规范的方式。即使在使用一周之后，例如，通过给滴眼管瓶称重能够检查分配的药物的总量，但是这没有提供日常依从性的记录。受治疗者可以一次或多次忘记用药，并且在其它时候又过量用药。而且，即使在药物已经被分配，滴眼管向眼睛递送液滴的低精确性也使得药物是否真正滴入到眼睛中存有问题。
因此，需要一种输送装置，所述输送装置将安全的、适当的且可重复的剂量输送给受治疗者以用于眼睛、局部、口腔、鼻部或肺部使用。
发明内容
本公开包括一种喷射器装置和一种方法，所述装置和方法用于将安全的、适当的且可重复的剂量输送给受治疗者以用于眼睛、局部、口腔、鼻部或肺部使用。本公开还包括一种喷射器装置和流体输送系统，所述喷射器装置和流体输送系统能够以微滴的形式输送限定体积的流体，所述微滴在施用时具有提供充分的且可重复的较高附着百分比的特性。
本公开包括并且提供了一种用于将流体输送到受治疗者的眼睛的喷射器装置，所述装置包括：壳体；储液器，所述储液器布置在壳体内以用于接收一定体积的流体；和喷射器机构，所述喷射器机构构造成喷射具有大于15微米的平均喷射微滴直径的微滴流，微滴流已经挟带较少的气流，以便在使用期间使微滴流附着到受治疗者的眼睛上。
本公开还包括并且提供了一种喷射器机构，所述喷射器机构构造成喷射微滴流，所述喷射器机构包括：喷射器板，所述喷射器板联接到高模量聚合物发生器板和压电致动器；所述高模量聚合物发生器板，所述高模量聚合物发生器板包括贯穿其厚度形成的多个开口；和所述压电致动器，所述压电致动器可操作成以一定频率振荡喷射器板，由此以一定频率振荡高模量聚合物发生器板，并且产生定向的微滴流。
本公开的另一个实施例提供一种用于将流体输送到目标的装置，所述装置包括：壳体；储液器，所述储液器布置在壳体内以用于接收一定体积的流体；和喷射器机构，所述喷射器机构与储液器流体连通，并且构造成喷射微滴流，所述喷射器机构包括喷射器板，所述喷射器板联接到高模量聚合物发生器板和压电致动器。高模量聚合物发生器板包括贯穿其厚度形成的多个开口；并且压电致动器可操作成以一定频率振荡喷射器板，由此以一定频率振荡高模量聚合物发生器板，并且产生定向的微滴流。
在某些实施例中，喷射器板具有中心开口区，所述中心开口区与高模量聚合物发生器板对准，并且压电致动器联接到喷射器板的周边区，从而不阻隔高模量聚合物发生器板的多个开口。高模量聚合物发生器板的多个开口可以布置在高模量聚合物发生器板的中心区中，所述高模量聚合物发生器板的中心区通过压电致动器揭露并且与喷射器板的中心开口区对准。在某些实施例中，包括孔口直径和毛细管长度以及在高模量聚合物发生器板上的空间排列在内的开口的三维几何结构和形状可以被控制成优化定向的微滴流的产生。
又一个实施例包括一种用于制造高模量聚合物发生器板以用于喷射适用于眼睛、局部、口腔、鼻部或肺部使用的高粘度流体的方法，所述方法包括激光微加工高模量聚合材料以贯穿材料的厚度形成三维开口，所述开口包括流体进入孔口、进入腔体、毛细管通道和流体离开孔口，其中，所述开口包括总体节距长度。
本公开的又一个实施例包括并且提供了一种用于将一定体积的眼用流体输送到受治疗者的方法，所述方法包括：将容纳在储液器中的眼用流体的定向微滴流从喷射器板的开口喷射出，定向流中的微滴具有在5微米至2500微米的范围内的平均喷射直径，包括但不限于20微米至400微米、20微米至200微米、100微米至200微米等，并且具有在0.5m/s至100m/s、1m/s至100m/s的范围内的平均初速度，包括但不限于2m/s至20m/s。
附图说明
图1A示出喷射器组件的实施例的剖视图；
图1B示出喷射器机构的实施例的正视图；
图1C示出喷射器机构的实施例的分解图；
图1C-2示出高模量聚合物发生器板的活动区的实施例的示意性俯视图；
图1D至图1K示出高模量聚合物发生器板构造的示例的局部剖视图；
图2A至图2F示出根据本公开的某些实施例的示例性CAD实施例和激光微加工的高模量聚合物发生器板构造以及相关的发生器板和开口的俯视图、仰视图和剖视图；
图3示出根据本公开的实施例的高模量聚合物发生器板的实施例的活动区的操作模式，以及高模量聚合物发生器板的振荡的数字全息显微图像；
图4A至图4B示出根据本公开的实施例的高模量聚合物发生器板的实施例的活动区，以及高模量聚合物发生器板的振荡的数字全息显微图像；
图5示出根据本公开的实施例的喷射组件的振荡幅度的频率扫描；
图6示出根据本公开的实施例的使用喷射器组件的质量喷射vs.用于水的频率；
图7A至图7B示出根据本公开的实施例的使用喷射器组件的质量喷射vs.用于水和丽眼达TM(RestasisTM)的频率；
图8示出根据本公开的实施例的示例性发生器板结构；
图9示出根据本公开的实施例的微加工的、激光烧蚀的发生器板结构的剖视图；
图10示出根据本公开的实施例的选择开口几何结构(图9中所示)的空间分布；
图11示出根据本公开的实施例的使用UV LIGA的开口形成处理的视图；
图12A至图12D示出根据本公开的某些实施例的示例性CAD实施例和激光微加工的高模量聚合物发生器板构造以及相关的发生器板和开口的俯视图、仰视图和剖视图；
图13示出用本公开的示例性喷射器机构的正常操作模式的数字全息图像覆盖的微滴喷雾的高速图像；
图14A至图14B示出根据本公开的实施例的示例性发生器板结构；
图15A至图15B示出根据本公开的实施例的在毛细管中流过的压力从动流动的模拟；
图16A至图16B示出根据本公开的实施例的随时间变化的喷射的微滴速度；
图17示出证实丽眼达的剪切变稀行为的重复分析；
图18示出与图17相同的流动曲线数据，而是绘制为剪切应力vs.剪切速率；
图19A至图19C示出根据本公开的实施例的、作为毛细管长度的函数的流动阻力；
图20A至图20B示出根据本公开的实施例的、作为发生器板上的开口放置的函数的喷雾性能；
图21A至图21B示出根据本公开的实施例的、作为发生器板上的开口数量的函数的喷雾性能；以及
图22A至图22B示出根据本公开的实施例的、作为发生器板的聚合物模量的函数的喷雾性能。
具体实施方式
本公开总体上涉及喷射器装置，其例如在用于眼睛、局部、口腔、鼻部或肺部使用的流体输送中有用，更具体地，用于将眼用流体输送到眼睛。在某些方面中，喷射器装置包括喷射器组件，所述喷射器组件包括喷射器机构，所述喷射器机构产生可控制的流体的微滴流。流体包括但不限于悬浮液或乳剂，所述悬浮液或乳剂的粘度处于能够使用喷射器机构形成微滴的范围内。与本公开有关的示例性喷射器装置及其相关有用的方法在以下美国申请中说明：2011年7月15日提交的、名为“Drop Generating Device”的美国申请No.13/184,484(代理人案号24591.003-US03)；2011年7月15日提交的、题名为“Ophthalmic Drug Delivery”的美国申请No.13/184,446(代理人案号24591.003-US01)；和2011年7月15日提交的、题名为“Method andSystem for Performing Remote Treatment and Monitoring”的美国申请No.13/184,468(代理人案号24591.003-US02)，这些美国申请中的每个的全部内容均通过参考包含于此。
如本文将进一步详细地讨论，使用本公开的喷射器装置产生微滴取决于流过微孔口的液体流动之间的复杂相互作用、流体表面的相互作用、离开孔口直径、进入腔体几何结构、膜厚度、毛细管长度、膜机械特性、机械位移的振幅和相位、位移的频率，等等。此外，诸如粘度、密度和表面能的流体特性在微滴产生中占据重要的角色。根据本公开的某些方面，公开了优化微滴产生动力学和微流体流动的喷射器机构结构和发生器板开口几何结构。
如本文将进一步详细地解释，根据本公开的某些方面，喷射器机构可以形成定向的微滴流，所述定向的微滴流可以朝向目标定向。微滴可以形成为这样的粒度分布，每个分布均具有平均微滴粒度。平均微滴粒度可以处于约15微米至大于400微米、大于20微米至约400微米、约20微米至约80微米、约25微米至约75微米、约30微米至约60微米、约35微米至约55微米、约20微米至约200微米、约100微米至约200微米等的范围内。然而，根据预定的应用，平均微滴粒度可以如2500微米那么大。此外，微滴的平均初速度可以为约0.5m/s至约100m/s，例如，约0.5m/s至约20m/s、约0.5至约10m/s、约1m/s至约5m/s、约1m/s至约4m/s、约2m/s等。如本文所使用的，喷射尺寸和初速度是当微滴离开喷射器板时的微滴的尺寸和初速度。定向在目标处的微滴流将使得一定质量百分比的、包含其成分在内的微滴附着到目标上。
如本文所述的，本公开的喷射器装置和喷射器机构可以构造成喷射作为微滴流的、大致低于较高粘度的流体。通过示例，适于喷射器装置使用的流体可以具有非常低的粘度，例如，如同水一样，为小于或等于1cP，例如为0.3cP。另外地，流体可以具有在可达600cP的范围内的粘度。更具体地，流体可以具有在约0.3cP至100cP、0.3cP至50cP，0.3cP至30cP、1cP至53cP等的范围内的粘度。在某些实施例中，喷射装置可以用于喷射作为微滴流的、具有较高粘度的流体，例如，具有高于1cP的粘度的流体，流体的粘度在约1cP至约600cP、约1cP至约200cP、约1cP至约100cP、约10cP至约100cP等的范围内。在某些实施例中，具有适当的粘度和表面张力的溶液或药物可以在不修改的情况下直接在储液器中使用。在其它实施例中，可以添加有额外的材料以调节流体参数。通过示例，示例性流体示出如下：
药物/流体 动态粘度(cP) 动粘滞率(cP) 密度
水 1.017 1.019 0.99821
适利达TM 1.051 1.043 1.00804
托品酰胺 1.058 1.052 1.00551
丽眼达TM 18.08 17.98 1.00535
在20℃下测量粘度
微滴可以通过喷射器机构由容纳在联接到喷射器机构的储液器中的流体形成。喷射器机构和储液器可以是一次性的或可重复使用的，并且部件可以被包装在壳体中。壳体可以是一次性的或可重复使用的。壳体可以是手持的、小型化的并且形成为联接到基座，并且所述壳体可以适于与其它装置连通。壳体可以是用颜色编码的或构造成易于识别。在某些实施例中，喷射器装置可以包括照明设备、对准设备、温度控制设备、诊断设备或其它特征件。其它实施例可以是用于受治疗者护理和治疗的互连且相互作用的装置的更大网络的一部分。例如，喷射器机构可以是如本文所述的压电致动器。
如本文所述的，在某些方面中，喷射器机构可以是压电的。参照图1A至图1C，喷射器组件1600可以包括喷射器机构1601和储液器1620。喷射器机构1601可以包括喷射器板1602，所述喷射器板1602联接到包括一个或多个开口1626的高模量聚合物发生器板1632，所述喷射器板1602可以通过压电致动器1604激活，所述压电致动器1604振动以沿着方向1614以喷射的微滴1612的形式输送容纳在储液器1620中的流体1610。再次，流体可以是朝向成人、儿童或动物的眼睛1616喷射的眼用流体。另外地，流体可以含有活性药物以治疗人类或动物的不适、病况或疾病。
如图1A中所示，喷射器板1602布置在容纳有流体1610的储液器1620上方。喷射器板1602的表面1625与流体1610相邻。储液器1620具有开口区1638，所述开口区1638与表面1625相邻并且与开口1626相邻。在该实施例中，表面1625将流体1610封闭在储液器1620中。储液器1620可以使用适当的密封件或联接件在喷射器板1602的表面1625的周边区1646处联接到喷射器板1602。通过示例，储液器1620可以经由O型环1648a联接。虽然未示出，但是可以使用多于一个的O型环。如本技术领域中已知的，O型环可以具有任何适当的横截面形状。此外，可以使用诸如聚合物、陶瓷或金属密封件的其它联接器。或者，可以消除所有联接件，并且储液器1620可以例如通过焊接或包覆成型成一体地连接到喷射器板1602。在这种实施例中，可以设置将流体供给到储液器1620的开口(未示出)。而且，联接件可以制成为可去除的，例如，铰链，或可以制成为挠性的或非刚性的连接器，例如，聚合物连接器。
除了开口区1638之外，喷射器板1602的多个部分可以通过额外的储液器壁1650遮盖。在图1A的实施例中，壁1650不会直接接触喷射器板1602，而是联接到O型环1648a。或者，壁1650可以直接附装到喷射器板1602。此外，储液器1620可以直接附装到喷射器板1602，并且可以省略整个壁1650。
可以基于待储存的流体1610的量以及喷射器板1602的几何结构选择储液器1620的包括形状和尺寸的构造。储液器的可替代形式包括重力供给、芯吸、或在压差作用下操作的可塌缩的囊状物。这些储液器可以使用微型泵或通过更换盒来预填充、填充。微型泵可以通过将流体泵送到可塌缩的容器或不可塌缩的容器中或将流体从所述可塌缩的容器或不可塌缩的容器泵出而填充储液器。盒可以包括容器，所述容器被装载到储液器中。或者，盒自身可以联接到一次性的喷射器组件，然后在进行规定数量排放之后在所述壳体内更换所述一次性喷射器组件。示例性储液器在2011年7月15日提交的美国专利申请No.13/184,484中说明，该美国专利申请的整个内容通过参考包含于此。
在某些实施例中，储液器1620包括通孔1642(在图1A中仅示出一个)以允许空气从储液器1620逸出或进入储液器1620中，并且将储液器中的流体1610保持在适当的环境压力下。通孔1642具有较小的直径，使得流体1610不从孔泄漏。或者，可以在储液器1620中没有形成开口，并且至少一部分，例如部分1644，或整个储液器1620可以是可塌缩的，例如，呈囊状物的形式。整个储液器还可以制成为挠性的或可塌缩的囊状物的形式。因此，随着流体1610通过开口1626喷射出，储液器1620改变其形状和体积以允许遵循储液器1620中的流体1610的量的变化。
在图1A的实施例中，通过被压电致动器1604振动来激活喷射器机构1601。在压电致动器1604的两个相对的、与喷射器板1602的表面1622平行的表面1634和1636上形成两个电极1606a和1606b，并且所述两个电极1606a和1606b激活压电致动器1604以振动喷射器板1602和高模量聚合物发生器板1632(本文将更加详细地说明)。电极1606a和1606b可以以任何已知的方式附装到喷射器板或压电致动器，所述任何已知的方式包括通过粘结剂固定或其它粘合方式固定。所述电极还可以包覆成型在喷射器板1602的适当位置中。电线或其它导电连接器可以用于实现喷射器板1602与电极1606a和1606b之间的必要的电接触。或者，电极可以通过电镀或其它沉积方法形成在喷射器板1602上。通过示例，通过施加在电极1606a和喷射器板1602之间的粘结剂1628附装电极。电极1606a与喷射器板1602电接触。当横过电极1606a和1606b施加电压时，压电致动器1604使喷射器板1602挠曲，同样也使高模量聚合物发生器板1632挠曲，以将形状改变成更加凹入或更加凸出。
在本技术领域中已知与不同压电材料相对应的广泛电压范围，但是通过示例，可以将介于5V和60V之间、介于30V和60V之间的电压差施加到电极，所述电压差例如是40V或60V。当使得电压差的方向反向时，例如，当电压差改变成-40V或-60V时，板将沿着相反的方向挠曲。这样，压电致动器1604促使喷射器板1602和高模量聚合物发生器板1632振荡，所述振荡使得由流体1610形成微滴1612的振动。随着交变电压施加到电极1606a和1606b，喷射器板1602和高模量聚合物发生器板1632振荡，促使流体微滴1612聚集在开口1626中并且最终沿着方向1614从开口1626远离储液器1620喷射。振荡的频率和波长可以取决于多种因素，包括但不限于，喷射器板1602的厚度、成分和形态以及机械特性、开口1626的容积、开口1626的数量、压电致动器1604的成分和结构、压电致动驱动电压、频率和波形、流体的粘度、喷射器板1602的硬度、高模量聚合物发生器板1632的特性、温度和其它因素。这些参数可以调节或选择以产生期望的微滴流。微滴喷射的频率还取决于多种因素。在某些实施例中，微滴1612以低于施加到压电致动器1604的脉冲频率的频率喷射。例如，喷射器板/高模量聚合物发生器板振动的每1个至1000个周期，更具体地每8个至12个周期，喷射微滴1612。
不受理论约束地，压电致动的发生器板具有大量的本征模式，所述大量的本征模式限定当运动时发生器板所呈现的形状，并且最优的本征模式和形状提供在发生器板的有效面积上的最大位移。现有的给定本征模式需要将压电致动器相对于发生器板的驻波放置在给定的位置处。就这一点而言，压电致动器的诸如厚度、外部尺寸和内部尺寸的尺寸和形状可以至少部分地确定其相对于发生器板的放置。此外，压电致动器在发生器板上的放置和粘合可以增大发生器板硬度。然而，在压电致动器的内部尺寸内的发生器板的部分的运动通常不受压电致动器放置的限制。
根据本公开的某些方面，参照图1B至图1C，喷射器板1602的第一表面1622可以联接到高模量聚合物发生器板1632。喷射器板1602通常可以包括中心开口区1652，所述中心开口区1652构造成与高模量聚合物发生器板1632对准。高模量聚合物发生器板1632可以继而与喷射器板1602联接，以便使高模量聚合物发生器板1632的中心区1630与喷射器板1602的中心开口区1652对准。高模量聚合物发生器板1632的中心区1630通常可以包括一个或多个开口1626，并且喷射器板1602的中心开口区1652和包括一个或多个开口1626的高模量聚合物发生器板1632的中心区1630的对准允许用于使一个或多个开口1626连通。
在某些方面中，喷射器板1602的中心开口区1652可以小于高模量聚合物发生器板1632以提供充分的材料重叠，从而允许喷射器板1602和高模量聚合物发生器板1632联接。然而，在某些实施例中，喷射器板1602的中心开口区1652的尺寸和形状应当设定成不干涉或不阻隔高模量聚合物发生器板1632的中心区1630(并且由此，不干涉或不阻隔一个或多个开口1626)。
通过非限制性示例，喷射器板的中心开口区1652可以以与高模量聚合物发生器板1632类似的方式设定形状，并且喷射器板的中心开口区1652的尺寸可以设定成具有例如约0.5mm至约4mm、约1mm至约4mm、约1mm至约2mm等的、可用于将高模量聚合物发生器板1632联接到喷射器板1602的重叠材料(例如，在所有侧上重叠)。例如，喷射器板的中心开口区1652的形状可以以与高模量聚合物发生器板1632的形状大致匹配的方式设定为正方形、矩形、圆形、椭圆形等形状，并且喷射器板的中心开口区1652的尺寸设定成使得中心开口区1652具有例如约0.5mm至约小于等于4mm的总体尺寸(即，圆的直径是约0.5mm至约小于等于4mm，椭圆形的长轴和短轴是约0.5mm至约小于等于4mm，正方形或矩形的边长是约0.5mm至约小于等于4mm等)。
在某些实施例中，高模量聚合物发生器板的尺寸和形状可以设定成具有约4mm至约8mm的总体外部尺寸(OD)，例如，4mm、5mm、6mm等。喷射器板的尺寸和形状可以设定成具有约18mm至约24mm的总体外部尺寸(OD)，例如，20mm、21mm、22mm、23mm等，并且具有构造成提供与发生器板的OD充分重叠的内部尺寸(ID)(即，中心开口的内部尺寸)。例如，喷射器板的ID可以是约3mm至约16mm，例如，4mm、6mm、12mm、14mm、16mm等。
高模量聚合物发生器板1632可以根据使用的材料使用本技术领域中已知的任何适当方式联接到喷射器板1602。示例性的联接方法包括：使用粘结和粘合材料，例如，胶、环氧树脂、粘合剂和粘结剂，所述粘结剂例如是乐泰E-30CL或乐泰480或380环氧树脂，或其它适当的强力胶，例如，乐泰超凝胶；焊接和粘合处理，例如，超声波或热超声焊、热焊、扩散焊、激光焊接或压配合；等等。
喷射器板1602的表面1622可以联接到压电致动器1604，所述压电致动器1604激活高模量聚合物发生器板1632以在激活时形成微滴。压电致动器1604附装到喷射器板1602的方式和位置影响喷射器组件1600的操作和微滴流的产生。在图1B至图1C的实施例中，压电致动器1604可以联接到板1602的表面1622的周边区，而同时高模量聚合物发生器板1632联接到表面1622，从而与喷射器板1602的中心开口区1652对准，如上所述。压电致动器1604通常联接到喷射器板1602，从而不遮盖或阻隔高模量聚合物发生器板1632的中心区1630(并且由此，不遮盖或阻隔一个或多个开口1626)。这样，流体1610可以穿过开口1626以形成微滴1612。在某些实施例中，压电致动器的形状可以设定成与发生器板的形状大致相对应。通过示例，压电致动器的尺寸可以设定为具有约8mm至约24mm例如8mm、10mm、12mm、14mm、16mm、18mm、19mm、20mm、21mm、22mm等的总体外部尺寸(OD)和约4mm至约18mm例如4mm、10mm、12mm、13mm、14mm、15mm、16mm等的内部尺寸(ID)。
当喷射器组件1600用于将治疗剂或其它流体输送到诸如眼睛的期望目标时，喷射器组件1600可以通常设计成防止容纳在储液器1620中的流体1610和喷射出的微滴1612受到污染。在某些实施例中，例如，可以在压电致动器1604、喷射器板1602、高模量聚合物发生器板1632等的一个或多个暴露表面的至少一部分上形成涂层(未示出)。涂层可以用于防止压电致动器1604、电极1606a和1606b与流体1610直接接触。涂层可以用于防止喷射器板1602或高模量聚合物发生器板1632与流体相互作用，或涂层可以用于保护压电致动器1604和电极1606a和1606b以防受到环境影响。例如，涂层可以是共形的涂层，所述共形的涂层包括非活性材料，例如，包括聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚丙烯(PP)或高密度高密度聚乙烯(HDPE)的聚合物，或从由金(Au)、铂(Pt)、钯(Pd)、氮化钛(TiN)、氮化铬(CrN)、类金刚石碳/无定形碳、氮化铬碳和铝(Al)所构成的组中选出的惰性材料。本文将更加详细地说明涂层。
高模量聚合物发生器板1632可以是穿孔板，所述穿孔板包括至少一个开口1626。随着流体1610穿过，一个或多个开口1626形成微滴。高模量聚合物发生器板1632可以包括任何适当的开口构造，在图1B中示出一种构造。通过示例，开口可以形成为网格、螺旋或矩形、直线形或其它图案。图案可以是规则的或不规则的。图案可以维持开口之间的均匀间距，或者开口之间的间距可以改变。例如，开口的密度可以朝向板的中心增大或减小。图案还可以覆盖板的一部分或全部，即，中心区1632可以覆盖高模量聚合物发生器板的一部分或全部，等等。
开口1626可以贯穿高模量聚合物发生器板1632的厚度以任何适当的三维几何结构、形状或容积形成，包括孔口直径和毛细管长度以及在高模量聚合物发生器板上的空间排列。开口的形成和布置可以被控制，从而优化定向的微滴流的产生。此外，开口可以形成有适当的纵横比(即，开口的高度/厚度与开口的直径的比)，所述纵横比至少部分地基于流体特性选取并且构造成高效地喷射微滴。
不受理论约束地，开口的纵横比越高，开口在正喷射的流体中产生的压力梯度越高，并且因此，这通常对于具有较高粘度的流体会是优选的。通过示例，在某些实施例中，高模量聚合物发生器板可以具有纵横比介于约1和约10之间、介于约1和约5之间、介于约1和约4之间等的开口，例如，纵横比可以通过改变开口高度/厚度(即，高模量聚合物发生器板厚度)和开口直径而得到。通过示例，开口直径可以在约20μm至约100μm、约20μm至约80μm、约20μm至约50μm、约30μm至约40μm等的范围内。开口高度/厚度(即，高模量聚合物发生器板厚度)可以在约50μm至约500μm、约100μm至约200μm、约150μm至约200μm、约160μm等的范围内。开口的纵横比的选择可以允许用于形成具有较高粘度的流体的微滴。
在某些实施例中，开口可以具有大致圆筒形的形状，即，从高模量聚合物发生器板1632的表面1622a延伸到高模量聚合物发生器板1632的表面1625a的开口的直径保持大致一致。然而，开口不必限于该圆筒形形状，而是可以是有凹槽的、渐缩的、圆锥形的、椭圆形的、沙漏形的，等等。在其它实施例中，开口可以包括一般的进入腔体区(例如，圆筒形的、有凹槽的、渐缩的、圆锥形的、椭圆形的、沙漏形的等形状的腔体区)，其通向毛细管通道和离开孔口。例如，参见图1D至图1K。通过示例，渐缩的开口可以从表面1622a至1625a延伸整个厚度，或渐缩的开口可以在毛细管通道延伸到离开孔口的情况下部分地延伸。开口还可以在一侧或两侧上具有斜面。斜面可以具有倾斜的边缘或弯曲的边缘。开口的横截面可以是圆形的或可以具有任何其它适当的形状。一些示例可以是圆形的、椭圆形的、矩形的或多边形的。开口可以具有规则的形状或不规则的形状。形状可以是对称的或不对称的。开口的形状和纵横比会影响微滴的喷射，并且可以被优化，从而高效地喷射出具有变化的粘度的流体，等等。在图1L的示例性实施例中，开口1626可以包括流体进入孔口1626a、进入腔体1626b、毛细管通道1626c和流体离开孔口1626d，其中，开口包括整体节距长度1626e。
如本文所指示的，开口1626的尺寸、形状和纵横比影响微滴的尺寸和形状以及由喷射器机构1601所产生的微滴流。开口1626的尺寸、形状和纵横比还会影响遍布微滴流的密度分布。因而，根据本公开的某些方面，开口的尺寸、形状和纵横比及其图案可以部分地基于流体特性选择并且构造成产生具有期望的特性的微滴流。
正如开口1626的尺寸和形状一样，中心区1630的尺寸和形状可以基于微滴流的期望的特性来选择。如图1C-2中所示，通过示例，开口1626以圆形图案布置在高模量聚合物发生器板1632的活动区中，但是也可以使用如上所述的其它图案。相邻的开口1626之间的距离l可以是任何适当的值，包括1微米至几毫米，例如，150微米至300微米。在一个特定的实施例中，l选择为200微米。另外地，也如上所述，开口1626的分离不需要是均匀的。
再次，例如，微滴流产生取决于流过开口的流体流动之间的复杂相互作用、开口的纵横比、离开孔口直径和进入孔口直径、进入腔体几何结构、毛细管通道长度、发生器板材料成分和机械特性、发生器板位移的振幅和相位、发生器板位移的频率以及诸如粘度、密度和表面能的流体特性。例如，不受理论约束地，微通道和毛细管通道中的流体流量取决于如由杨-拉普拉斯方程所述的毛细管通道和离开面之间的压差除以毛细管通道内流动的流体阻力。因此，发生器板的开口的孔口直径和毛细管通道的三维几何结构可以影响通过开口的流体流量。
μ＝流体粘度      γ＝流体表面张力
L＝毛细管长度     r1＝毛细管半径
r1＝毛细管半径    r2＝凹槽半径
因而，流体的速度是：
V ( r ) = πΔp A in ρ in 8 μl A out ρ out ( R 2 - r 2 )
其中，R是通道的直径，并且r是通道内的流体体积。
在某些实施例中，毛细管通道的长度可以选择成优化形成微滴流的流体的流动和喷射质量。通过示例，毛细管通道可以在0至约150μm、约70μm至约150μm、约70μm至约120μm等的范围内。在某些实施例中，尤其对于较高粘度的流体而言，毛细管通道可以介于120μm和150μm之间。
在某些实施例中，喷射器板1602可以由金属形成，例如，不锈钢、镍、钴、钛、铱、铂、或钯或它们的合金。或者，板可以由适当的材料形成，包括其它金属或诸如聚醚醚酮(PEEK)或滑石粉填充的PEEK的聚合物，并且板可以如本文所述被涂覆。板可以是一个或多个材料或层中的一种复合而成。板可以例如通过以下方法制造：切割金属板、预成型、滚轧、铸造、光刻蚀、激光切割或其它成形方法。涂层还可以通过适当的沉积技术沉积，例如：溅射；汽相沉积，其包括物理汽相沉积(PAD)、化学汽相沉积(COD)或静电粉末沉积。保护涂层的厚度可以约小于0.1μm至约500μm。期望的是涂层充分地附着到喷射器板1602以在高频振动时防止剥离。
参照图1B至图1C，在一个实施例中，喷射器板1602和高模量聚合物发生器板1632可以具有同心的圆形形状。在某些方面中，喷射器板可以大于高模量聚合物发生器板，从而适应高模量聚合物发生器板和本文所述的其它部件(例如，压电致动器等)的联接。同样地，在某些实施例中，相对于喷射器板1602，高模量聚合物发生器板1632可以具有减小的尺寸或直径(在圆形构造的实施例中)。在某些方面中，高模量聚合物发生器板1632的总体尺寸或直径可以至少部分地通过中心区1630的尺寸和通过开口1626的布置确定。
然而，两个板可以各自具有其它形状，例如，椭圆形、正方形、矩形或大致多边形的形状，并且可以是相同的或不同的。总体尺寸和形状可以是任何适当的尺寸和形状，并且可以基于喷射器装置设计参数选择，例如，外部装置壳体的尺寸和形状等。另外地，板不必是平坦的，而是可以包括表面曲率，使板呈凹入的或凸出的。压电致动器1604可以具有任何适当的形状或材料。例如，致动器可以具有圆形、椭圆形、正方形、矩形或大致多边形的形状。致动器1604可以依从喷射器板1602、高模量聚合物发生器板1632或区1630/1652的形状。或者，致动器1604可以具有不同的形状。此外，致动器1604可以在一个或多个段中联接到喷射器板1602或喷射器板1602的表面1622。在图1B至图1C中所示的示例中，压电致动器1604示出具有与喷射器板1602、高模量聚合物发生器板1632和区1630/1652同心的环的形状。
在某些实施例中，高模量聚合物发生器板1632可以由具有这样的弹性模量的任何适当的聚合材料形成，即，所述弹性模量适于提供足够的抗拉强度和柔韧性以允许制造一个或多个开口以及允许在使用期间通过压电致动器振动。这样的材料通常可以包括那些具有大于约100,000psi、介于约100,000psi和约700,000psi之间等的模量的材料(例如，高模量聚合材料)。示例性的材料包括超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚酰亚胺(KaptonTM)、聚醚醚酮(PEEK)/滑石粉填充的PEEK、聚偏氟乙烯(PVDF，KynarTM)、聚醚酰亚胺(UltemTM)，并且如本文所述被涂覆。
通过示例，适当的材料包括：
高模量聚合物发生器板可以是一个或多个材料或层中的一种复合而成。可以使用适当的方法形成板中的开口，所述方法包括但不限于：通过机械或热冲压或光学装置钻孔，例如，激光钻孔或烧蚀。更具体地，在某些实施例中，开口可以经由激光加工而形成。不受限制地，聚合材料的激光加工通过对开口的三维几何结构和空间排列准确控制而提供一种制造本文所述的高模量聚合物发生器板的高效措施。示例性激光微加工技术可以利用诸如受激准分子激光器的高功率激光器，以例如在计算机控制下烧蚀聚合材料。激光位置的操纵、脉冲持续时间和功率提供以用于开口的准确三维结构化。用于激光微加工和烧蚀的示例性方法例如在美国专利5,296,673、美国专利4,414,059和Andreas Ostendorfa等人的SPIE Vol.4633(2002),128-135的程序中公开，所述申请的整个内容通过参考包含于此。
在一个实施例中，对聚合材料激光微加工和UV激光辅助的微加工可以用于形成本公开的高模量聚合物发生器板。在某些方面中，诸如聚醚醚酮(PEEK)、滑石粉填充的PEEK、聚砜(PSU)和聚酰亚胺(PI)的聚合材料可以部分地由于其在氟化氪准分子激光辐射(波长248nm)以及四倍频率(4ω)Nd：YAG激光辐射(波长266nm)下的化学稳定性和相对应的吸收率而选择。图案和复杂形状可以形成在投射到目标材料上的掩膜上以将图案烧蚀到目标上和获得期望的图案。所投射的掩膜图案可以通过透镜从掩膜线性地微缩到目标上以用于烧蚀，例如，获得1微米至10微米例如2微米的分辨率。复杂结构的直接光学成像还可以形成在掩膜上并且允许使用电动掩膜，这继而提供一种转动掩膜的措施并且能够进一步使复杂的掩膜结构在不停止烧蚀处理的情况下以较高的精度改变。
在某些实施例中，计算机辅助设计(CAD)绘图可以用于设计用于控制发生器板阵列的空间分布且用于制造开口孔口的内部三维几何结构的掩膜。通过非限制性示例，图2A至图2F和图12A至图12D示出发生器板期望的开口几何结构以及相对应的发生器板和开口的示例性CAD绘图。俯视图、仰视图和剖视图示出为具有变化的毛细管通道长度(例如，图2C和图2D)的开口。如图所示，开口可以包括流体进入孔口、进入腔体、毛细管通道和流体离开孔口。在图2E和图2F中单独地示出发生器板的进入侧和离开侧。参照图12，图12A和12D示出发生器板的示例性的有凹槽的开口，并且图12B至图12C示出发生器板的进入侧和离开侧。这种示例性CAD构造可以用于设计掩膜和用于对微加工处理计算机控制。
该掩膜技术还可以用于将较大的复杂结构成图案。CAD数据还可以用于通过使用柱面透镜进行射束成形来控制激光束，并且由此通过控制在目标处的激光能量密度以通过烧蚀控制光解产物去除来控制加工的三维结构。通过使用氧气吹扫控制周围环境促进了诸如CO2、CO等挥发性光降解产物的形成。此外，可以使用该处理制造弯曲槽和具有变化的横截面的槽。通过非限制性示例，参照图1K，CAD绘图可以包括开口，所述开口具有约300μm的进入直径、约70μm至约120μm的毛细管通道长度、约40μm至50μm例如46μm的离开孔口和约400μm的总体节距。
图8还示出示例性发生器板结构，其可以用作用于制造的输入，所述制造例如经由准分子激光烧蚀。使用准分子激光烧蚀作为用于微制造发生器板喷嘴结构的工具，图10中所示的设计参数全部可以被独立地控制和修改。图9示出微加工的激光烧蚀的发生器板结构的剖视图。所述发生器板结构全部由纯PEEK微加工，除了用滑石粉填充(20％)的(9)以外。另外，可以控制发生器板(薄膜)上的喷嘴阵列的空间分布(图11)。图10示出选择的开口几何结构(图9中所示)的空间分布，其示出为在发生器板(薄膜)上的阵列。这些附图从面朝上的流体进入开口观察。
图9和图10中所显示的二维阵列提供一种将准分子激光烧蚀设置成用于聚合物微制造和表面结构化的灵活性的示例。用于形成发生器板的开口的可替代处理包括：LIGA处理(E.W.贝克尔等人，Microelectron.Eng.4(1986)35-56)；基于UV光刻的处理、基于UVLIGA的处理(H.宫岛等人，J.Microelectrochem.Syst.4(1995)220-229；C.H.程等人，J.Microchem.Microeng.15(2005)843-848)。参照图11，提供一种使用UV LIGA的开口形成处理的观点。经由UV LIGA形成的开口采用电铸步骤，在所述电铸步骤中金属经由电铸沉积到光刻胶模上(C.H.程等人)。过度沉积导致形成抛物线形孔，所述抛物线形孔是开口。
在某些实施例中，喷射器板1602和/或高模量聚合物发生器板1632可以涂覆有保护涂层，所述保护涂层抗污染和/或抗菌。保护涂层可以在喷射器板和/或高模量聚合物发生器板的所有表面上均可以是共形的，所述表面包括限定开口1626、开口的部分的表面(外表面、内表面等)。在其它实施例中，保护涂层可以施加在选择表面上，例如，表面1622、1625、1622a、1625a，或可以施加在表面区上，例如，这些表面的部分。保护涂层可以由可生物相容的金属形成，例如，金(Au)、铱(Ir)、铑(Rh)、铂(Pt)、钯(Pd)、氮化钛(TN)，氮化铬(CrN)、无定形碳、镍铂合金、镍钯合金、铬碳氮化物、铝(Al)或它们的合金，或保护涂层可以由可生物相容的聚合物形成，聚酰胺酰亚胺、聚醚醚酮(PEEK)、聚丙烯(PP)或高密度聚乙烯(HDPE)。抗菌材料包括：金属，例如，银、氧化银、硒；或有机氯化物；或有机金属化合物，例如，烷基苄基(苯扎)氯化物；或例如1,1'-二乙酰基衍生的缩硫脲的过渡金属配合物；或聚合物，例如，含羟基的乙烯共聚物，例如，聚(乙烯-共-丙烯酸)(E/AA)和8-羟基喹啉的离聚物。保护涂层可以与流体1610或微滴1612间接接触。涂层可以在流体周围提供惰性屏障或可以抑制细菌滋生，并且为流体1610和/或微滴1612消毒。
另外地，喷射器板1602的表面1622或1622a或高模量聚合物发生器板1632可以涂覆有亲水性或疏水性涂层。另外地，涂层可以涂覆有保护层。表面还可以涂覆有反射层。涂层可以既具有保护性，又具有反射性。或者，表面可以已经形成为反射性的。例如，表面可以由不锈钢、镍钴合金或其它反射材料制成。表面可以已经形成为是反射的或抛光成为反射的。除了使表面具有反射性之外，表面还可以在其表面上或围绕其周边是有背光的。在眼科应用中，反射表面帮助用户将喷射器组件与眼睛对准。
根据期望，喷射器组件的表面可以包括涂层，所述涂层可以通过浸渍、包括电镀的包覆金属或通过模制或铸造的其它方式封装而预先形成。涂层还可以通过适当的沉积技术沉积，例如：溅射；汽相沉积，其包括物理汽相沉积(PAD)、化学汽相沉积(COD)或静电粉末沉积。保护涂层的厚度可以约小于0.1μm至约500μm。期望的是涂层充分地附着到板以在高频振动时防止剥离。
压电致动器1604可以由本技术领域中已知的任何适当的材料形成。通过示例，在某些实施例中，压电致动器可以由以下各物形成：锆钛酸铅(Pb[Zr(x)Ti(1-x)]O3)(PZT)；钛酸钡(BaTiO3)；锆钛酸钡(Ba(Zr,Ti)O3)；基于BiFe O3的陶瓷；钛酸铋钠(BNT)材料；或钛酸铋钾(BKT)材料；或基于聚合物的压电材料，例如，聚偏氟乙烯。电极1606a和1606b可以由适当的导体形成，所述导体包括金、铂或银。用作粘结剂1628的适当的材料可以包括但不限于：粘结剂，例如，乐泰E-30CL或乐泰480或380环氧树脂；或其它适当的强力胶，例如，乐泰超凝胶，环氧树脂；银环氧树脂或镍环氧树脂膏。导电粘结剂的一个示例包括环氧树脂膏，其使用Ni粉末和乐泰E-30CL形成配方。储液器1620可以由聚合材料形成，所述聚合材料的几个示例包括Nexcel Latitude ML29xxC，Rollprint-ClearFoil V，低密度和高密度聚乙烯(LDPE，HDPE)或乙烯乙酸乙烯酯/聚偏二氯乙烯(EVA/PVDC)共挤出膜。
在本公开的某些方面中，喷射器机构可以构造成通过压电致动器帮助致动喷射器板，并且由此通过压电致动器帮助致动高模量聚合物发生器板。如上所述，高模量聚合物发生器板可以构造成优化感兴趣的流体的喷射。例如，高模量聚合物发生器板的开口的纵横比可以部分地基于流体特性来选择，以便使高模量聚合物发生器板的总厚度在约50μm至约500μm的范围，如上所述。
不受理论约束地，在某些实施例中，喷射器机构的致动可以使用包括联接到喷射器板的高模量聚合物发生器板在内的构造来优化，如本文所述。另外，高模量聚合物发生器板的表面积(即，具有一个或多个开口的中心区)的减小同样减少制造成本、减少潜在的相关制造缺陷以及提高效率和输出。在某些方面中，喷射器板可以以帮助致动喷射器机构(即，致动喷射器板，并且由此致动高模量聚合物发生器板)的方式设定其尺寸和形状。通过示例，喷射器板的构造可以通过选择帮助喷射器板折曲的特性(例如，尺寸、形状、材料等)来实现喷射器机构致动，并且由此实现高模量聚合物发生器板振动。例如，喷射器板的厚度可以大致在从约10μm至约400μm、从约20μm至约100μm、从约20μm至约50μm、约30μm至约50μm等的范围。再次，不受理论约束地，在某些实施例中，较薄喷射器板(与高模量聚合物发生器板相比)的直接致动可以是更优的。
根据本公开的某些实施例，喷射器板和高模量聚合物发生器板的构造可以选择成使得包括开口的高模量聚合物发生器板的中心区(例如，高模量聚合物发生器板的“活动区”)在正常振荡模式下产生对称振荡。不受理论约束地，在某些实施例中，喷射器板和高模量聚合物发生器板的构造可以选择成使得观察到高模量聚合物发生器板的活动区的振荡的0,2正常模式和0,3正常模式。模式与活动区的最大振幅和位移相关联，其中，模式指示为(d，c)，其中，d是节径的数量，并且c是节圆的数量。
还可以通过控制施加在电极1606a、1606b上的电压脉冲来控制喷射器板振动的幅值和频率，例如，40V或60V的电压差可以施加到电极。如上所述，由使喷射器板1602挠曲并且由此使高模量聚合物发生器板1632挠曲的电压差产生脉冲。在某些实施例中，电极1606a或1606b中的一个是接地的，并且将例如双极性脉冲的电压脉冲施加在电极1606a或1606b中的另一个上，例如，以振动喷射器板1602。通过示例，在一个实施例中，压电致动器1604可以具有约5kHz至约1MHz、约10kHz至约160kHz、约50kHz至120kHz至约50kHz至140kHz等的谐振频率，所述谐振频率例如是108kHz至130kHz。所施加的电压脉冲可以具有低于、高于或等于压电致动器1604的谐振频率的频率。
在某些实施例中，微滴的输送时间为约0.1ms至约数秒。无意受此理论约束，认为人类眼睛的两次眨动之间的间隔是约300ms至约400ms。因此，对于期望在眨眼之间进行输送的实施例而言，输送时间可以是约50ms至约300ms，并且更具体地为25ms至200ms。在一个实施例中，输送时间是50ms至100ms。这样，可以在眼睛的眨动周期之间有效地输送喷射的微滴，并且微滴能够附着在眼睛上。在某些实施例中，例如，不需处方可以出售的盐水分配器，输送时间可以横跨若干周期而长达若干秒，例如、3秒至4秒。或者，可以通过微滴喷射的若干次迸发或脉冲来执行单次输送。另外地，并且不受理论约束地，通过在一段时间展开冲量，脉动可以用于减小微滴气流的峰值振幅。因此，可以减轻目标上的喷射压力。此外，脉动还可以降低微滴的凝聚，并且产生更少的挟带空气。通过示例，可以在脉冲间隔的停止时间为25ms的条件下施加25ms的脉冲。在一个实施例中，脉冲可以重复总共150ms的时间。
本文所述的喷射器组件可以被包含到喷射器装置和系统中。示例性的喷射器装置和系统在2011年7月15日提交的美国申请No.13/184,484和2011年12月12日提交的美国申请No.61/569,739中说明，所述申请的整个内容通过参考包含于此以用于这样的公开的目的。
已经公开了本发明的多个实施例。本公开预料到将一个实施例的任一个特征与其它实施例的一个或多个特征组合。例如，喷射器机构或储液器中的任一个可以与公开的壳体或壳体特征件(例如，盖、支撑件、托架、灯、密封件和垫片)、填充机构或对准机构中的任一个组合地使用。本公开预料到在普通技术范围内对本发明中的任一个中的任一个元件进行其它变型。这样的变型包括材料、涂层或制造方法的选取。电气技术和电子技术中的任一种可以与实施例中的任一个一起使用，而不存在任何限制。此外，互联网、远程访问、受治疗者监控、电子健康、数据存储、数据挖掘或互联网功能中的任一个均可应用于实施例中的任一个和全部，并且可以与所述实施例一起实行。而且，诸如实施生理参数的测试或测量的其它诊断功能可以被包含到任一个实施例的功能中。作为装置的诊断功能的一部分，装置可以实施青光眼或其它视觉测试。在本技术领域中已知并且在此没有明确列出的其它制造方法可以用于制造、测试、修理或维护装置。而且，装置可以包括更加精密的成像或对准机构。例如，装置或基座可以配备有或联接到虹膜或视网膜扫描仪，以产生唯一的识别码，使得装置与用户匹配，并且在眼睛之间描绘。或者，装置或基座可以联接到或包括精密的成像装置，用于任何适当类型的摄影术和放射医学。
为了帮助理解本发明，包括以下示例。当然，在此描述的实验不应当理解为特定限制本发明和本发明的现在公知或以后开发的变型，在本领域的技术人员的视界内，所述变型被认为处于如本文所述的且在以下请求保护的本发明的范围内。
【示例】
示例A：操作模式
虽然能够有多种布置，但是一个实施例使用压电驱动的喷射器机构，其包括外径为6mm、厚度为300μm的PEEK发生器板，所述PEEK发生器板被粘合到外径为20mm、厚度为50μm的304不锈钢喷射器板环形物。喷射器板环形物包括：具有4mm的直径的中心开口，所述中心开口与PEEK发生器板对准，并且具有16mm的外径、8mm的内径的压电致动器被直接附装到喷射器板。约108kHz至超过140kHz的调制频率施加到压电致动器，促使喷射器板振荡。将捕获数字全息显微图像以观察高模量聚合物发生器板的振荡。通过示例，参照图5，执行所实施的喷射组件vs.振荡幅度的频率扫描以识别出当实现发生器板的最大面外位移时的最优谐振频率和频率范围。在图5中示出作为60Vpp的正弦波的驱动频率和励磁的函数的、发生器板的面外振荡幅度，在-108kHz处开始振荡的最大振幅，并且在110kHz处出现～2.3微米的最大振幅。覆盖到图5中的振幅曲线上的是用于驱动压电致动器的60Vpp的正弦波。
压电致动的PEEK薄膜显示了周期振荡，所述周期振荡横跨从约108kHz至超过140kHz的频率范围并且在110kHz处出现～2微米的最大振荡幅度。振荡模式的动态图像证实在PEEK薄膜的活动喷射器区中的如0,1和0,2的正常振荡模式。图3示出在调制频率＝110kHz下操作的喷射器组件的数字全息显微镜，所述喷射器组件包括由PEEK形成的发生器板。相位系列显示PEEK发生器板在谐振(1至6)时的周期振荡。参照图4A(相位)和图4B(X射线物相照片)，数字全息显微镜、相位和振幅图像显示了在谐振时(110kHz)的剖析图，并且示出由此产生的PEEK薄膜的对称振荡。计算机模拟证实在粘合的PEEK薄膜中的振荡0,1和0,2的正常模式的实验观察。该模式与在发生器板的中心活动区处的～2μm的测量位移和最大振幅相关联。
示例B：喷雾性能
喷射器组件性能可以在从低粘度至高粘度的流体粘度的范围上推断出，所述低粘度例如是使用蒸馏水(粘度1.017cP)，所述高粘度例如是使用药物，例如，环孢菌素的眼用乳剂，例如，丽眼达TM(动态粘度＝18.08cP)。通过示例，喷射器组件性能可以通过分析作为致动频率的函数的流体质量喷射而推断出。
质量喷射曲线密切跟踪薄膜振荡幅度，所述薄膜振荡幅度在～110kHz处具有最大质量喷射并且在110kHz处具有～2微米的最大振荡幅度。低粘度流体(水)的喷射借助70微米的毛细管长度和120微米的毛细管长度观察。参照图6，示出对于水而言使用厚度为300μm的PEEK发生器板以及70μm的毛细管通道长度的、质量喷射vs.频率，在-108kHz处开始最大振幅，并且在110kHz处出现2.3μm的最大振幅，这与最大水喷射质量(平均超过5次喷射)相一致。
示例C：毛细管长度的影响
在本公开的喷射器机构的某些实施例中，发生器板的开口的毛细管长度会影响喷雾性能。如图7A至图7B中所示，对于从具有120微米长度的毛细管通道的PEEK薄膜喷射出的水而言，质量喷射vs.频率揭示了频率的移动以降低频率。然而，对于诸如丽眼达TM(动态粘度＝18.08cP)的高粘度流体而言，观察到对于具有120微米长度的毛细管通道的PEEK薄膜vs.具有70微米长度的毛细管通道的薄膜的、质量喷射高峰(2.5X)的显著增大。
更具体地，图7A示出牛顿流体(水)的喷射，而图7B示出非牛顿流体(丽眼达)的喷射。图7A示出毛细管长度的增加使得在流体离开开口时的流体阻力和载荷增大。该质量加载效应使得高峰喷射频率移动。图7B示出通过毛细管长度实现穿过毛细管的质量喷射。
如图所示，毛细管长度从70微米增大至120微米以及相关联的进入腔体轮廓发生变化，使得喷射的质量增加了约2.5倍。沿着其直径从进入腔体至离开孔口减小了7.5倍的毛细管(例如，如图15中所示)，流体加速度增大，使得压力梯度增大，并且随后使得剪切力增大。结果是流体的粘度减小并且喷射的体积增大。
示例D：本征模式的影响
在本公开的喷射器机构的某些实施例中，发生器板的本征模式会影响发生器板的形状和所得到的激励期间的喷雾。图13示出高速图像帧，其表示从本公开的喷射器机构喷射出的喷雾，该高速图像帧用从类似的喷射器机构捕获的数字全息图像覆盖，该高速图像帧显示在140kHz处的发生器板振荡的正常模式。
示例E：压力驱动的流动的模拟
作用在流体上的力包括压力梯度、摩擦力和体积力。作用在流体上的这样的力的幅值和时间可以通过例如改变流体进入直径、流体离开直径、毛细管长度和材料特性(机械、化学和表面形貌)来控制。通过示例，通过发生器板的开口的流动模拟可以基于例如图14A至图14B的开口设计(具有100um的厚度的PEEK；具有40微米的直径的离开孔口和具有240微米的直径的进入孔口)使用PEEK材料特性和1Pa-s和18Pa-s的流体粘度(分别模拟水的粘度和丽眼达的粘度)来模拟。
图15示出在毛细管中流过的压力从动流动的模拟。假定振荡压力从0至2000Pa并且振荡频率为120kHz，解决流动模拟。模拟包括低粘度(1mPa-s)的牛顿流体(图15A)和高粘度(18mPa-s)的非牛顿流体(图15B)。
在低粘度(1mPa-s)的牛顿流体(水)(图15A)和高粘度(18mPa-s)的非牛顿流体(丽眼达)(图15B)的模拟中，最大速度在喷嘴喷射器离开区处，在该处孔口具有其最小横截面。在涌现为喷雾之前在离开孔口内的流体速度是从60米/秒(m/s)至65米/秒(m/s)。对于水而言，在水从喷嘴孔口涌现时计算出的速度具有从5m/s至10m/s的速度，而同时对于丽眼达而言离开速度是从5m/s至20m/s。
这些模拟的喷射速度顺利地比较对于从NiCo喷射器喷射的水和丽眼达所测量的速度。参照图16A至图16B，高速摄像(未示出)用于当微滴从开口(20mm，OD NiCo薄膜，其具有40微米的离开孔和160微米的厚度，并且在具有16mm的OD和8mm的ID的压电元件(PZT)在90Vpp的激励电压和132kHz的频率下致动)涌现时捕获和测量单个微滴速度。这些数据示出如从1m/s至7m/s的用于水的喷射速度(图16B)，而从喷嘴涌现的丽眼达的速度是从5m/s至20m/s(图16A)。
示例F：剪切速率依赖性粘度
测试的目的是确定丽眼达的粘度是剪切独立的(牛顿)还是剪切依赖性的(非牛顿)。对于牛顿流体，压降随流量线性地增大，并且所测量到的粘度不依赖于所施加的变形率或应力。然而，非牛顿流体或复杂流体可以显示剪切变稀或剪切增稠，并且压降对流量数据必须使用魏森伯格-拉比诺维奇-穆尼方程分析。
丽眼达的剪切速率的依赖性通过电流计测量。该方法通常用于测量使液体、悬浮液或浆体响应于所施加的力而流动的方式。安东帕的MCR302电流计用于表明三个0.4ml的、丽眼达lot74381的小瓶的流动特性的特征。所利用的电流计构造如下：MCR302电流计；P-PTD200/80珀尔帖效应控制的下板室；和CP50-0.5量径锥(50mm直径；0.5°锥角；0.504截头圆锥体(测量间隙)，0.29ml的填充体积)。在23+0.1℃下实施测试。在单个流动曲线的时标内，样本是不挥发性的并且看起来不沉淀，因此不必防范蒸发控制或混合。
对于样本装载而言，去除瓶盖，0.4ml的全剂量被挤压到电流计的下板上。尖点用于戳破样本中可见的任何裹入的气泡。样本中裹入的空气将影响粘度测量的准确性和再现性。虽然用于量径锥使用的填充体积是0.29ml，但是使用0.4ml的全剂量。休整多余的样品的企图将可能引入误差和干扰在样本内的围绕圆锥边缘的结构。
在样本装载和实现测量间隙之后保持三十秒以用于a)确保样本温度在23℃下均衡和b)确保允许恢复在装载期间出现的任何损坏。流动曲线是稳态剪切，通过使剪切速率成斜线和通过测量在给定样本中获得所实施的剪切速率所需的剪切应力来实施(转动)测试。如此，粘度确定为剪切应力与剪切速率的比。
流动曲线结果可以绘制为粘度对剪切速率，其是称为粘度曲线。流动曲线结果还可以绘制为剪切应力对剪切速率，其简称为流动曲线。生成的流动曲线用mPa·s表示粘度。剪切速率表达为1/s(s-1或秒的倒数)，并且剪切应力表达为Pa(帕斯卡)。在使用可追溯的粘度标准Cannon S200(结果未示出)测试之前检验仪器校准。
图17示出对三个样本的重复分析证明了丽眼达的剪切变稀行为，即，随着剪切速率增大，样本粘度减小。用于每个样本的测量粘度下降是引人注目的。测量到的粘度的略微变化最可能是由于丽眼达乳剂中裹入的气泡的存在，所述气泡不能被去除和/或对于每次样本装载而言不能精确地给出相同的剂量体积。图18显示与图17相同的流动曲线数据，但是图18绘制为剪切应力对剪切速率。样本确实在～0.151/s的剪切速率和0.05Pa的相对应的应力下呈现出薄弱屈服点，所述薄弱屈服点在乳剂中预计到。必须出现所施加的一定量应力的屈服应力措施是为了克服样本中的内部结构，以便可以开始流动。
流动曲线指示该材料呈现出复杂的剪切变稀行为。通过单个粘度值说明该样本，需要识别出在该点处的剪切速率。就非牛顿材料而言，粘度不是材料函数，从而必须开始测量粘度的条件。发现，丽眼达在23℃和1l/s下具有111mPa·s的粘度，而在1,000l/s下具有8mPa·s的粘度。
示例G：毛细管通道几何结构和放置的影响
在本公开的喷射器机构的某些实施例中，毛细管通道几何结构和放置会影响喷雾性能。图19A至图19C示出，流动阻力显示了作为毛细管长度的函数的线性关系。
对于具有不同横截面形状的直通道的水力阻力示出如下。使用如下参数计算数值：＝1mPa·s(水)，L＝1mm，a＝100um，b＝33um，h＝100um和w＝300um。
参照图20A至图20B，(6mm的OD、100u厚的PEEK薄膜20mm安装在20mm的OD且4mm的ID、50u厚的不锈钢(304或316L)环形物上并且通过14mm的OD和13mm的ID的压电元件(PZT)致动)，发生器板中的开口的放置对喷雾性能有影响。如图20A中所示，开口的圆形对称放置使喷雾体积(质量沉积)增大了约2倍至3倍，如与正方形开口阵列(图20B)相比。
图21A至图21B示出，通过增加发生器板中的开口的数量，喷雾性能也得以提高。在图21A中证实了增加每单位有效面积的喷射器孔数量的效果，当孔数量从69个孔增加至177个孔时，在～130kHz下的喷射质量增加了3倍。图21B示出每单位孔数量的喷射的体积(质量)的归一化，其示出作为乘积因子的孔数量。
示例H：聚合物模量的影响
在本公开的喷射器机构的某些实施例中，聚合物模量会影响喷雾性能。图22A至图22B示出对于纯PEEK和20％的滑石粉填充的PEEK而言，拉伸模量从363kpsi增大到696kpsi，使得在100kHz至150kHz激励频率范围内性能提高了～2倍。该喷雾性能随拉伸模量相对应地增大而跟踪增大。
虽然在上文通过说明和示例的方式描述了各种实施例，但是本领域的技术人员将应理解，可以在本申请的精神和范围内实行各种变型方案和修改方案。

Claims (15)

1.一种用于将流体输送到目标的装置，所述装置包括：
壳体；
储液器，所述储液器布置在所述壳体内以用于接收一定体积的流体；和
喷射器机构，所述喷射器机构与所述储液器流体连通，并且所述喷射器机构构造成喷射微滴流，所述喷射器机构包括喷射器板，所述喷射器板联接到高模量聚合物发生器板和压电致动器；
所述高模量聚合物发生器板，其包括贯穿其厚度形成的多个开口；以及
所述压电致动器，其能操作成以一定频率振荡所述喷射器板并由此振荡所述高模量聚合物发生器板，并且产生定向的微滴流。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个开口构造成提供期望的三维几何结构和形状，并且所述多个开口经由激光微加工形成。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个开口中的一个或多个的形状设定成包括流体进入孔口、进入腔体、毛细管通道和流体离开孔口。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述高模量聚合物发生器板由从以下组中选取的材料形成，所述组由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚酰亚胺、聚醚醚酮(PEEK)、滑石粉填充的PEEK、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚醚酰亚胺构成。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述喷射器板具有中心开口区，所述中心开口区与所述高模量聚合物发生器板对准，并且所述压电致动器联接到所述喷射器板的周边区，从而不阻隔所述高模量聚合物发生器板的所述多个开口。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述高模量聚合物发生器板的所述多个开口布置在所述高模量聚合物发生器板的中心区中，所述高模量聚合物发生器板的中心区通过所述压电致动器揭露并且与所述喷射器板的中心开口区对准。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述高模量聚合物发生器板相对于所述喷射器板具有减小的尺寸，并且所述高模量聚合物发生器板的尺寸至少部分地通过由所述中心区所占据的面积和所述多个开口的布置来确定。
8.根据权利要求1所述的装置，具有大于15微米的平均喷射微滴直径，所述微滴流具有较少的挟带的气流，以便使所述微滴流在使用期间附着在目标上。
9.一种构造成喷射微滴流的喷射器机构，所述喷射器机构包括：
喷射器板，所述喷射器板联接到高模量聚合物发生器板和压电致动器；
所述高模量聚合物发生器板，其包括贯穿其厚度形成的多个开口；和
所述压电致动器，其能操作成以一定频率振荡所述喷射器板并由此振荡所述高模量聚合物发生器板，并且产生定向的微滴流。
10.根据权利要求9所述的喷射器机构，其中，所述多个开口中的一个或多个的形状设定成包括流体进入孔口、进入腔体、毛细管通道和流体离开孔口。
11.根据权利要求9所述的喷射器机构，其中，所述多个开口中的每个的形状均设定成包括流体进入孔口、进入腔体、毛细管通道和流体离开孔口，并且其中，所述每个开口均包括总体节距长度。
12.根据权利要求9所述的喷射器机构，其中，所述高模量聚合物发生器板由从以下组中选取的材料形成，所述组由超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚酰亚胺、聚醚醚酮(PEEK)、滑石粉填充的PEEK、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚醚酰亚胺构成。
13.根据权利要求9所述的喷射器机构，其中，所述喷射器板具有中心开口区，所述中心开口区与所述高模量聚合物发生器板对准，并且所述压电致动器联接到所述喷射器板的周边区，从而不阻隔所述高模量聚合物发生器板的多个开口。
14.根据权利要求13所述的喷射器机构，其中，所述高模量聚合物发生器板的多个开口布置在所述高模量聚合物发生器板的中心区中，所述高模量聚合物发生器板的中心区通过所述压电致动器揭露并且与所述喷射器板的中心开口区对准。
15.根据权利要求14所述的喷射器机构，其中，所述高模量聚合物发生器板相对于所述喷射器板具有减小的尺寸，并且所述高模量聚合物发生器板的尺寸至少部分地通过由所述中心区所占据的面积和所述多个开口的布置来确定。
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