CN108498904A - 化学动力装置及其尤其用于注射高粘性流体的方法 - Google Patents

化学动力装置及其尤其用于注射高粘性流体的方法 Download PDF

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Abstract

描述了化学动力装置及其使用方法和构造方法。化学动力装置可以提供作用力大的和紧凑的装置，尤其是用于粘性药品的快速的、用动力驱动的注射的自动注射器。描述了化学动力装置的新颖制剂和设计以及采用化学动力装置的输送技术。

Description

化学动力装置及其尤其用于注射高粘性流体的方法
本申请是申请日为2013年10月15日、名称为“化学动力装置及其尤其用于注射高粘性流体的方法”的发明专利申请No.201380053116.5的分案申请。
相关申请
本申请要求均在2012年10月12日提交的美国临时专利申请No.61/713,236和61/713,250以及在2013年4月29日提交的美国临时专利申请No.61/817,312的优先权。
技术领域
本发明涉及经由化学反应来产生气体的技术。释放的气体所形成的力可以用来给有用的过程提供动力。化学反应不是燃烧并且避免了许多与燃烧相关的问题。作为替代，化学反应通常包括由碳酸氢盐(HCO3)产生CO2。一般而言，该技术称为化学动力装置(化学发动机，chemical engine)技术，或由于已知由巴特尔纪念研究所(Battelle MemorialInstitute)开发的技术而简称为本发明尤其用于蛋白质疗法的给药。
背景技术
蛋白质疗法是一种可治疗范围广泛的疾病的新兴类别的药物疗法。由于蛋白质的大尺寸和有限的稳定性，它们必须通过诸如注射或输注的胃肠外给药法来输送。对于患有需要定期治疗的慢性病的患者而言，趋向于通过皮下注射自己给药，例如在糖尿病患者施用胰岛素时。典型的皮下注射包括在20毫秒以内输送1mL制剂，但有时高达3mL。可使用许多装置来执行皮下注射，包括注射器、自动注射器和钢笔式注射器。
治疗用蛋白质制剂从静脉输送向注射装置(如注射器)输送的过渡需要解决与以容易、可靠并且对患者带来最低限度的疼痛的方式输送高浓度的高分子量分子相关的挑战。在这方面，虽然静脉输液袋通常具有1升的容积，但注射器的标准容积在0.3毫升到25毫升的范围内。因而，视药物而定，为了输送相同量的治疗用蛋白质，该浓度必须增大40倍或以上。此外，出于患者舒适性和依从性的目的，注射治疗正在朝更小的针头直径和更快的输送时间的方向发展。
蛋白质疗法的给药还由于与此类药剂相关的高粘度和通过胃肠外装置推动此类药剂所需的很大的力而具有挑战性。绝对粘度在20厘泊(cP)以上且尤其在40-60厘泊(cP)以上的制剂由于多种原因而很难通过常规的弹簧驱动的自动注射器输送。在结构上，用于输送的压力量的弹簧的覆盖区(footprint)较大并且固定为特定形状，这降低了输送装置的设计灵活性。其次，自动注射器通常由塑料部件制成。然而，必须在弹簧中储存大量能量以可靠地输送高粘度流体。这可能导致塑料部件由于蠕变而损坏，蠕变是塑料部件在应力下永久变形的趋势。通常通过利用弹簧来将包含针头的内部构件推向注射器壳体的外边缘来操作自动注射器。存在当内部构件作用壳体时由于注射高粘度流体所需的高作用力而使注射器断裂的风险。此外，与作用相关的声音会引起患者焦虑，从而降低今后的依从性。这种弹簧驱动的自动注射器的所产生的压力与时间的关系曲线无法容易地进行修改，这阻碍了使用者精确调整压力以满足他们的给药需求。
输送一定药剂所需的力取决于若干因素，包括针直径(d)、针长(L)、药剂粘度(μ)和体积流量(Q)。在最简单的近似法——一种不考虑柱可通过哈根-泊萧叶(Hagen-Poiseuille)方程来描述以层状流通过针的流体的压降(ΔP)：
在注射器中，该力由使用者提供。合理的手指力被认为对于健壮的患者群体而言在15-20N以下而对于敏捷度有限的患者例如老年人士或患有风湿性关节炎或多发性硬化的人士而言则要略小。在典型的自动注射器中，该力由弹簧提供。由弹簧提供的力随着位移而线性地减小，并且弹簧必须被选择成使得可获得充足的力来支持/维持注射。高于20cP的粘度变得难以通过常见的弹簧驱动的自动注射器在合理的时间内输送：
·保持压缩的弹簧的塑料部件的断裂；所储存的大能量导致蠕变
·注射器断裂(高的初始力)
·由于停动(停止，失速，stall)(不足的最终力)而引起不足的输送剂量
·装置设计的不灵活，包括弹簧的大的覆盖区
其它能量来源已被考虑用于自动注射器。一个来源是按需形成压力的泡腾反应的使用。一项题为“Development of an On-Demand,Generic,Drug-Delivery System(按需的未注册药物输送系统的发展)”(1985)的、由海军储备局资助的研究(SoRI-EAS-85-746)描述了使用与酸混合的碳酸氢盐来产生可驱动药液的缓慢输送的CO2。这些装置针对的是超过24h的缓慢、长期的输送。和公开了利用化学反应来输送流体的注射器的使用(US2011/0092906)。Good等人在2006年芯片实验室(Lab Chip)中的“Aneffervescent reaction micropump for portable microfluidic systems(用于移动式微流体系统的泡腾反应微型泵)”(659-666页)中描述了用于使用多种浓度的酒石酸和碳酸氢钠以及不同尺寸的碳酸氢钠颗粒的微型泵的制剂。然而，他们的发明以注射力随时间以指数方式增大的方式提供输送。现有技术中的化学动力装置未提供充分输送，尤其是对于例如在使试剂体积最小化以使动力装置覆盖区和过调量(overshoot)最小化时活塞中扩大的容积的影响不能忽略不计的情况而言；在未考虑扩大的容积的情况下，化学动力装置在输送期间会以与弹簧停动相同的方式停动。
本发明通过采用对化学动力装置技术的改进而提供了对上述问题的解决方案。在尤其优选的方面中，描述了其中可以利用化学动力装置来使用较小的注射器舒适地和快速地自动输送高粘度流体的方法和装置。这些方法和装置可以用来输送高浓度蛋白质，或其它高粘度药剂。
发明内容
本发明提供了化学动力装置和使用化学动力装置来驱动流体的方法。本发明还包括制造化学动力装置的方法。
在第一方面，本发明提供了一种化学动力装置，该化学动力装置包括：封闭容器，其包括酸、碳酸氢盐、水和柱塞；适于使酸、水和碳酸氢盐结合的机构；并且其特征还在于在40N的恒定名义背压下测得的至少50,000W/m3的功率密度，或与一控制剂相比至少1.4的功率密度比，所述控制剂包括摩尔比为3：1的碳酸氢钠和柠檬酸并且具有1g H2O中含403mg柠檬酸的浓度。
通过功率密度来表征化学动力装置是必要的，因为鉴于文中描述的各种因素，不可能通过其它方式来确定本发明的完整范围。所述的功率密度水平不是在现有技术装置中获得的，并且要求保护的功率密度水平并非事先就被确定为理想的或可实现的。该特征集合了许多技术优点，例如提供保持用动力驱动的注射器的容易性，该注射器以比常规的弹簧驱动的自动注射器或上述气体驱动的注射器高的舒适性和比它们低的断裂风险输送粘性溶液。要求保护的特征的另一些优点是易于测量和测量值的高精度。
在一些优选实施例中，至少50重量％的碳酸氢盐为固体。已出乎意料地发现，碳酸氢钾在其它方面相同的条件下提供比碳酸氢钠要快的反应并且产生较多的CO2。因而，在优选实施例中，化学动力装置包括至少50重量％的碳酸氢钾。优选地，所述酸为柠檬酸，并且在一些优选实施例中，柠檬酸溶于水中；具有固体碳酸氢钾和溶液形式的柠檬酸的构型可以提供提高的功率密度。在一些优选实施例中，该封闭容器包括1.5mL以下的液体。在一些优选实施例中，该封闭容器在使酸和碳酸盐结合之前具有2mL以下的总内部容积。在一些实施例中，酸和碳酸氢盐作为固体存在且水与酸和碳酸氢盐分离。
可通过添加对流剂(convection agent)来改善用于化学动力装置的制剂。还可提供改善的压力曲线，其中碳酸氢盐包括具有至少两类颗粒形态的固体混合物。
功率密度通常用来描述化学动力装置的潜在特性；不过，有时它可以用来描述经历化学反应的系统。在优选实施例中，化学动力装置中的柱塞或柔性壁的位移在酸、碳酸盐和溶剂(水)结合时刻的2秒内、更优选地1秒内开始；该时刻是化学动力装置启动的时刻。
在另一方面，本发明提供了一种化学动力装置，该化学动力装置包括：封闭容器，其包括酸溶液、碳酸氢盐、以及柱塞，所述酸溶液包括溶于水中的酸，其中酸溶液与固体碳酸氢盐分离；管道，其包括孔洞，该孔洞设置在封闭容器中并且适于在启动之后迫使酸溶液的至少一部分通过孔洞的至少一部分。优选地，碳酸氢盐呈颗粒形式，并且其中，该管道包括管子，该管子的一端布置在固体碳酸氢盐中以使得当溶液被迫使通过孔洞时该溶液与固体碳酸氢盐颗粒接触。在一些优选实施例中，碳酸氢盐的至少一部分呈固体形式布置在管道内部。在一些实施例中，弹簧适于迫使酸溶液通过管道。
在本发明的任何方面的一些优选实施例中，化学动力装置具有2ml以下、在一些实施例中1.5ml以下、在一些实施例中1.0ml以下并且在一些实施例中在0.3ml至2ml、0.3ml至1.5ml、0.5ml至1.5ml或0.7ml至1.4ml的范围内的内部容积。
在另一方面，本发明提供了一种化学动力装置，该化学动力装置包括：封闭容器，其包括酸溶液、碳酸氢钾、以及柱塞，所述酸溶液包括溶于水中的酸，其中酸溶液与碳酸氢钾分离；和适于使酸溶液和碳酸氢钾结合的机构。在一些实施例中，碳酸氢钾与碳酸氢钠混合。碳酸氢盐中的钾：钠的摩尔比为100：0、或100：至少9、或100：至少4、或100：至少1；并且在一些实施例中为100：至少0.1，在一些实施例中为100：0.1～9；在一些实施例中为100：0.5～2。
在又一方面，本发明提供了一种化学动力装置，该化学动力装置包括：封闭容器，其包括酸溶液、固体碳酸氢盐颗粒和固体颗粒对流剂、以及柱塞，所述酸溶液包括溶于水中的酸，其中酸溶液与固体碳酸氢盐分离；和适于使酸溶液和固体碳酸氢盐结合的机构。固体颗粒对流剂以如下方式存在：
以在每ml结合溶液中50mg以下的范围内存在，且以一定水平存在，该水平选择成使得在所有其它变量保持不变时，在酸溶液和固体碳酸氢盐结合的前5秒期间CO2的产生比在每ml存在50mg颗粒对流剂的情况下CO2的发生要快；或
以每ml结合溶液5mg至25mg的浓度存在。在一些实施例中，每ml结合溶液包含有5mg至15mg或5mg至10mg。.
术语“结合溶液”是指在酸溶液和固体碳酸氢盐混合之后液体的体积。术语“固体碳酸氢盐”意味着至少存在一些固体的碳酸氢盐，尽管碳酸氢盐也可能存在一定液相(通常为水相)。在一些优选实施例中，碳酸氢盐在与酸溶液结合之前至少10％作为固体存在，在一些实施例中至少50％、至少90％或大致100％作为固体存在于化学动力装置中。
术语“固体对流剂”指的是在存在于化学动力装置中的条件下(或在标准温度和压力下限定的、未反应的化学动力装置的情况下)具有比固体碳酸氢盐低的溶解度、优选溶解得比固体碳酸氢盐慢至少两倍、更优选溶解得比固体碳酸氢盐慢至少10倍、在一些情况下慢至少100倍的固体颗粒。“固体对流剂”优选具有在常压下通过水银孔隙仪测得的、与其中分散有对流剂的水或溶液相差至少5％、更优选地至少10％的密度。“固体对流剂”优选具有至少1.05g/ml的密度；更优选地至少1.1g/ml的密度；在一些实施例中至少1.2g/ml的密度，并且在一些实施例中在1.1至1.5g/ml的范围内的密度。或者，“固体对流剂”可具有小于水的密度，例如0.95g/ml以下、0.9g/ml以下并且在一些实施例中0.8至0.97mg/ml。在优选实施例中，对流剂用于未过饱和的系统中；在短时间尺系统例如在1分钟以下、优选30秒以下、更优选20秒以下并且再更优选10秒或5秒以下操作的自动注射器中通常如此。因而，本发明的硅藻土制剂与美国专利No.4,785,972中的在大时间尺上的使用大量硅藻土用作过饱和溶液中的成核剂的系统不同。本发明包括利用对流剂使化学动力装置在短时间内操作的方法，其中在一分钟以下的短时间尺内50％以上(更优选地至少70％或至少90％)的碳酸氢盐被转化为气态二氧化碳。优选地，硅藻土或其它对流剂以比用来优化来自过饱和系统的CO2排出量的硅藻土或其它对流剂低至少50质量％的水平存在，所述过饱和系统被设计成从形成在溶液中的CO2释放气态CO2 30分钟以上。
在另一方面，本发明提供了一种化学动力装置，该化学动力装置包括：封闭容器，其包括酸溶液、和固体碳酸氢盐颗粒、以及柱塞，所述酸溶液包括溶于水中的酸，其中酸溶液与碳酸氢盐分离；适于使酸溶液和固体碳酸氢盐结合的机构；其中固体碳酸氢盐颗粒包括颗粒形态的混合物。在一些实施例中，固体碳酸氢盐颗粒源于至少两个不同来源，即第一来源和第二来源，并且其中第一来源与第二来源在一个或多个以下特性方面相差至少20％：质量平均粒径(mass average particle size)、单位质量表面积、和/或在利用化学动力装置中的溶剂(通常为水)完全溶解到均匀搅动溶液中的1摩尔溶液中时所测得的在20℃的水中的溶解度。
在又一方面，本发明提供了一种从注射器喷出液体药剂的方法，该方法包括：提供封闭容器，该封闭容器包括酸溶液、和碳酸氢盐、以及柱塞，所述酸溶液包括溶于水中的酸，其中酸溶液与碳酸氢盐分离；其中容器中的酸溶液和碳酸氢盐限定潜在功率密度(latentpower density)；其中柱塞将封闭容器与药剂隔室隔开；使酸溶液和碳酸氢盐在封闭容器内结合；其中酸溶液和碳酸氢盐反应而产生CO2以驱动柱塞，柱塞进而从注射器推出液体药剂；其中在启动之后容器内的压力在10秒内达到最大，并且其中，在5分钟之后，潜在功率密度为初始潜在功率密度的20％以下，并且其中，在10分钟之后，封闭容器内的压力不超过最大压力的50％。在一些优选实施例中，该封闭容器还包括CO2去除剂，其以比反应中产生CO2的最大速率慢至少10倍的速率去除CO2。
在一些实施例中，公开了一种用于通过化学反应来输送流体的装置，该装置包括：试剂腔室，一柱塞位于该试剂腔室上端且一单向阀位于该试剂腔室下端，该单向阀容许从试剂腔室离开；反应腔室，所述单向阀位于该反应腔室上端且一活塞位于该反应腔室下端；和流体腔室，所述活塞位于该流体腔室上端，其中该活塞响应于反应腔室中产生的压力而移动，以使得反应腔室的容积扩大并且流体腔室的容积缩小。
在任何发明方面中，所述装置或方法的特征可在于一个或多个以下特征。反应腔室优选具有至多1.5cm3、在一些实施例中至多1.0cm3的容积。优选地，该流体腔室包含具有约5厘泊至约1000厘泊的绝对粘度、或至少20厘泊、优选至少40厘泊、在一些实施例中20至100厘泊的粘度的高粘度流体。试剂腔室可包含溶剂和/或溶于溶剂中的碳酸氢盐或酸。溶剂优选包括水。在一些优选实施例中，反应腔室可包含干酸粉末和释放剂。在一些实施例中，酸粉末为柠檬酸并且释放剂为氯化钠。或者，反应腔室可以包含彼此反应以产生气体的至少一种或至少两种化学试剂。反应腔室还可包括释放剂。
在一些实施例中，上腔室可包含溶剂。下腔室可包含彼此反应以产生气体的至少两种化学试剂。下腔室可例如包含碳酸氢盐粉末和酸粉末。
所述装置可包括活塞，该活塞包括位于反应腔室的下端的推动面、位于流体腔室的上端的止挡件以及将推动面和止挡件连接的杆。活塞为一种类型的柱塞；然而，柱塞通常不包括将推动面和止挡件连接的杆。
柱塞可包括姆指座，以及与上腔室协作以在下压之后将柱塞锁定就位的压力锁。该压力锁可以紧邻姆指座并与上腔室的上表面配合。包括姆指座的柱塞可以称为启动柱塞，因为它常常用于引起发生混合，其中酸和碳酸盐在溶液中结合。
在一些优选实施例中，化学动力装置可包括由单向阀、连续的侧壁和活塞限定的下腔室，单向阀和侧壁相对于彼此固定以使得下腔室的容积仅通过活塞的移动改变。
在优选实施例中，上腔室、下腔室和流体腔室呈圆柱形并且是共轴的。上腔室、下腔室和流体腔室可以是结合在一起以形成该装置的单独部件。单向阀可以供应下腔室中的气囊，该气囊推动活塞。有时，上腔室或下腔室包含封装的试剂。
在各种实施例中还描述了一种用于通过化学反应来输送流体的装置，该装置包括：上腔室，其具有位于该上腔室下端的密封件；下腔室，其具有位于该下腔室上端的端口、位于该下腔室上端的具有朝上腔室的密封件定向的齿的齿环，以及位于该下腔室下端的活塞；和流体腔室，所述活塞位于该流体腔室上端；其中上腔室相对于下腔室沿轴向移动；并且其中活塞响应于下腔室中产生的压力而移动以使得反应腔室的容积扩大且流体腔室的容积缩小。
活塞可包括头部和与端口连通的气囊。齿环可包围端口。上腔室可在该装置的筒体(barrel)内移行。有时，上腔室为柱塞的下端。柱塞可包括压力锁，该压力锁在被下压之后与该装置的顶端协作以将上腔室锁定就位。或者，该装置的上端可以包括压力锁，该压力锁在朝下腔室充分移动时与上腔室的顶面协作以将上腔室锁定就位。
流体腔室可包含具有至少5或至少20或至少40厘泊的粘度的高粘度流体。上腔室可包含溶剂。下腔室可包含彼此反应以产生气体的至少两种化学试剂。有时，上腔室、下腔室和流体腔室是结合在一起以形成该装置的单独部件。在又一些实施例中，上腔室或下腔室包含封装的试剂。
本文还描述了一种用于通过化学反应来输送流体的装置，该装置包括：上腔室；下腔室，一活塞位于该下腔室下端；流体腔室，所述活塞位于该流体腔室上端；和柱塞，所述柱塞包括穿过上腔室延伸的轴、位于轴的下端的止挡件和位于轴的上端的姆指座，止挡件与一座部协作以将上腔室和下腔室隔开；其中拉动柱塞引起止挡件与座部分离并形成上腔室与下腔室之间的流体连通；并且其中，活塞响应于下腔室中产生的压力而移动以使得反应腔室的容积扩大并且流体腔室的容积缩小。
本发明还涉及用于通过化学反应来输送流体的装置，该装置包括：反应腔室，所述反应腔室由隔板分隔成第一隔室和第二隔室，第一隔室包含可以彼此反应以产生气体的至少两种干化学试剂，并且第二隔室包含溶剂；和具有出口的流体腔室；其中该流体腔室中的流体响应于反应腔室中产生的压力而经出口离开。
反应腔室中产生的压力可在流体腔室的一端作用在活塞或柱塞上以引起流体经流体腔室的出口离开。
在一些实施例中，反应腔室包括紧邻流体腔室的柔性壁；并且其中流体腔室由柔性侧壁形成，使得反应腔室中产生的压力引起柔性壁膨胀并压缩流体腔室的柔性侧壁，因而推动流体经出口离开。
反应腔室和流体腔室可由壳体包围。有时，反应腔室和流体腔室在壳体中是并排的。在另一些实施例中，一针从壳体的底部延伸并与流体腔室的出口流体连接；并且反应腔室位于流体腔室的顶部上。
反应腔室可由单向阀、侧壁和柱塞限定，单向阀和侧壁相对于彼此固定以使得反应腔室的容积仅通过柱塞的移动改变。
在各种实施例中还公开了一种用于通过化学反应来分配流体的装置，该装置包括：反应腔室，所述反应腔室具有第一端和第二端；位于反应腔室的第一端的柱塞，该柱塞可操作成响应于反应腔室中产生的压力而在该装置中移动；和位于反应腔室的第二端的单向阀，该单向阀容许进入反应腔室。
该装置可包括位于单向阀的相对侧的试剂腔室。该试剂腔室可包含溶剂和溶于该溶剂中的碳酸氢盐粉末。溶剂可包括水。该装置还可包括在与单向阀相对的试剂腔室的一端处的柱塞。该柱塞可在被压下之后与试剂腔室协作以将启动柱塞锁定就位。
在各种实施例中还公开了一种用于通过化学反应来输送流体的装置，该装置包括：筒体，其由单向阀和活塞(或其它类型的柱塞)分隔成试剂腔室、反应腔室和流体腔室；和位于试剂腔室的一端的启动柱塞；其中单向阀位于试剂腔室与反应腔室之间；并且其中活塞将反应腔室和流体腔室隔开，活塞(或其它类型的柱塞)可移动以改变反应腔室与流体腔室之间的容积比。
本发明还涉及一种用于通过化学反应来输送流体的装置，该装置包括：筒体，其包含由可动的活塞隔开的反应腔室和流体腔室；和用于加热反应腔室的热源。反应腔室可包含在受热时产生气体的至少一种化学试剂。该至少一种化学试剂可以是2,2'-偶氮二异丁腈。所产生的气体可以是氮气。
本发明还描述了一种用于通过化学反应来输送流体的装置，该装置包括：筒体，其包含由可动的活塞隔开的反应腔室和流体腔室；和照射反应腔室的光源。反应腔室可包含在暴露于光时产生气体的至少一种化学试剂。该至少一种化学试剂可包括氯化银。
可以通过在溶剂中溶解至少两种不同的化学试剂来实现引发化学动力装置中的气体产生反应。该至少两种化学试剂可包括具有第一溶解速率的化合物和具有第二不同溶解速率的相同化合物。可以通过改变化合物的表面积或通过用涂层封装化合物以获得不同的溶解速率来改变溶解速率。
气体产生的压力与时间关系曲线可包括气体产生的速率以比初始气体产生要快的速率升高的突增(陡增，爆发，burst)。
反应腔室可包含干酸试剂，其中从位于单向阀的相对侧的试剂腔室向反应腔室添加包含预先溶解的碳酸氢盐(或预先溶解的酸)的溶剂以引发该反应。反应腔室还可以包括释放剂，例如氯化钠。溶剂可包括水。在一些优选实施例中，干酸试剂为柠檬酸粉末或醋酸粉末。所产生的气体优选为二氧化碳。
本文还描述了一种用于通过化学反应来输送流体的装置，该装置包括：筒体，其包含试剂腔室、反应腔室和流体腔室，其中试剂腔室位于处在筒体的顶端的按钮构件内；柱塞，其将试剂腔室与反应腔室隔开；弹簧，其在按钮构件被下压时被偏压成将启动柱塞推动到试剂腔室中；和活塞，其使反应腔室与流体腔室隔开，其中活塞响应于反应腔室中产生的压力而移动。按钮构件可包括在外端由接触面封闭的侧壁、从侧壁的内端向外延伸的唇部和紧邻侧壁的外表面上的中央部分的密封构件。筒体可包括与按钮构件的唇部接合的内部止挡面。
启动柱塞可包括中央主体和位于内端上的密封构件，所述中央主体具有从其径向延伸的凸耳，所述密封构件与反应腔室的侧壁接合。按钮构件的内表面可包括用于凸耳的通道。
反应腔室可由径向内表面分隔成混合腔室和臂，该径向内表面具有孔口，并且活塞位于臂的端部。
作为一般特征，反应腔室有时包括遮盖孔口的透气过滤器，其允许气体在柱塞已被移动以将流体压出流体腔室之后逸出。该特征提供用于过量气体的释放。
该筒体可由第一部件和第二部件形成，第一部件包括试剂腔室和反应腔室，且第二部件包括流体腔室。本发明包括制造注射器的方法，该方法包括将第一部件和第二部件组装成注射器或注射器部件。
在不同实施例中还公开了一种用于借助于通过内部化学反应产生的压力来向患者输送药液的注射装置，该注射装置包括：试剂腔室，其具有位于上端的致动器和位于下端的单向阀，该单向阀在启动时容许试剂离开试剂腔室进入反应腔室；与试剂腔室操作性地连接的反应腔室，其具有位于上端的用于接纳单向阀的装置和位于下端的活塞；和与反应腔室操作性地连接的流体腔室，其具有位于上端的用于接纳活塞的装置，其中活塞响应于反应腔室中产生的压力而移动以使得反应腔室的容积扩大并且流体腔室的容积缩小。
在各种实施例中，本发明旨在包括文中描述的各种特征的所有组合和排列。例如，本文描述的制剂可用于由阅读这些描述的技术人员理解的任何装置中。同样，对于文中描述的每个装置，存在对应的使用该装置来输送粘性流体——通常为药剂——的方法。本发明还包括制造该装置的方法，该方法包括组装各构件。本发明还包括单独的化学动力装置构件和套件，该套件包括化学动力装置和组装在注射器上的其它构件。本发明还可通过本文描述的测量结果来表征；例如，功率密度特性或在附图、示例和其它地方描述的任何其它测定的特性。例如，通过由文中描述的测定值建立的上限或下限或范围来表征。
利用术语“包括”来描述本发明的各个方面；然而，在更狭义的实施例中，本发明可替换地利用术语“主要由…组成”或更狭义地“由…组成”来描述。
在任何化学动力装置中，可存在启动柱塞，其通常被直接地或间接地致动以引发化学动力装置中的气体产生；例如，引起酸和碳酸氢盐在溶液中结合并反应而产生CO2。优选地，化学动力装置包括特征结构(例如凸耳)，该特征结构将启动柱塞锁定就位以使得反应腔室保持对大气封闭并且除移动柱塞以从流体隔室压出流体外不损失压力。
在各个方面中，本发明可限定为制剂、注射器、制造制剂或注射器(通常包括注射器主体、膨胀隔室、柱塞(例如活塞))的方法和优选为药剂的粘性流体成分。通常，当然，针与药剂隔室连接。在一些实施例中，膨胀隔室可以可释放地附接以使得膨胀隔室部件(也称为反应腔室)可以与药剂隔室分离。在一些方面中，本发明可限定为推动溶液通过注射器的方法或给送药剂的方法或包括设备(包含制剂和/或释放气体(通常为CO2))的系统。药剂可为传统药品或在优选实施例中为诸如蛋白质的生物制品。任何发明方面可通过一个特征或在本说明书中的其它地方描述的任何特征的组合来表征。
本发明的优选方面提供了一种化学动力装置，该化学动力装置可
·以0.06mL/秒以上的流率输送粘性流体(例如大于20cP)
·按需提供能量以消除蓄能需求
·提供最小的起动力以防止注射器断裂
·在整个注射过程中提供相对恒定的压力以防止停动
·提供可根据流体的粘度或用户要求调整的压力或压力曲线
本发明提供了一种按需形成压力的产生气体的化学反应，其可用来通过胃肠外输送来输送药剂。可通过使两种产生气体的反应材料结合来产生压力。本发明的产生气体的反应优于现有技术的一个优点在于，其能以这样的方式完成，即该方式实现了具有大于20cP的粘度的流体的快速输送(20秒内)并且最大限度地缩小所需的包装空间，同时维持如示例中所示的大致平坦的压力与时间关系曲线。本发明的又一个优点在于可以针对不同流体、非牛顿流体、患者需求或装置来修改压力与时间关系曲线。
附图说明
以下是对附图的简要描述，附图以说明本文公开的示例性实施例的目的而非限制它们的目的呈现。
图1是产生用于使活塞在腔室内移动的气体的化学反应的图。
图2是用于通过化学反应来输送流体的装置的第一实施例的图。这里的化学反应在两种干化学试剂溶于溶剂中并且发生反应时产生。该图示出了处于储存状态的装置，其中干试剂与溶剂分离。
图3是示出在干试剂与溶剂结合之后图2的装置的图。
图4是示出图2的装置的图，其中活塞由气体压力推动以输送流体。
图5是示出用于通过溶剂中的两种试剂的化学反应来输送流体的装置的另一示例性实施例的图。该装置由结合在一起以形成与图2所示的装置相似的组合装置的四个单独的部件组成。
图6是用于通过化学反应来输送流体的装置的第一实施例的图。这里的化学反应在化学试剂受热时产生。该装置包括热源。
图7是注射装置的第一示例性实施例的截面侧视图。此实施例使用单向阀来形成两个分隔的腔室。
图8是图7的示例性实施例中的动力装置的截面透视图。
图9是注射装置的第二示例性实施例的截面侧视图。此实施例使用密封件来形成两个分隔的腔室，并且使用齿环来破坏密封件。
图10是图9的第二示例性实施例中的动力装置的截面透视图。
图11是注射装置的第三示例性实施例的截面侧视图。在此实施例中，向上(即，远离装置的筒体)拉动手柄破坏了两个分隔的腔室之间的密封件。该图示出了在向上拉动手柄之前的装置。
图12是在向上拉动手柄之前图11的第三示例性实施例中的动力装置的截面透视图。
图13是在向上拉动手柄之后图11的第三示例性实施例中的动力装置的截面透视图。
图14是示出使用封装的试剂的动力装置的示例性实施例的截面侧视图。该图示出了处于储存状态的装置。
图15是示出使用封装的试剂的动力装置的示例性实施例的截面侧视图。该图示出了处于使用状态的装置。
图16是利用化学反应来注射流体的贴片泵(patch pump)的第一示例性实施例的透视图。这里，动力装置和流体腔室是并排的，并且两者都具有刚性侧壁。
图17是利用化学反应来注射流体的贴片泵的第二示例性实施例的透视图。这里，动力装置位于流体腔室的顶部上，并且两者都具有柔性壁。动力装置膨胀并加压于流体腔室。该图示出了流体腔室清空时以及在使用前的贴片泵。
图18是图17的贴片泵的透视图，其中流体腔室被填充。
图19是利用产生气体的化学反应的注射器的另一示例性实施例的截面侧视图。这里，止挡件被压缩弹簧偏压成移行通过试剂腔室并且确保试剂腔室的内含物被排空到反应腔室中。
图20是示出了图19的注射器中的按钮构件的内部的底视图。
图21是用于图19的注射器中的止挡件的顶视图。
图22是示出了用于在不同水量注入反应腔室中时输送硅油的压力与时间关系曲线的曲线图。y轴为表压(Pa)，且x轴为时间(秒)。绘图显示了针对使用三种不同水量(0.1mL、0.25mL和0.5mL)情况下的结果。
图23是示出了针对在向反应腔室添加释放剂(NaCl)时输送73cP硅油的体积与时间关系曲线的曲线图。y轴为体积(ml)，且x轴为时间(秒)。
图24是针对输送73cP硅油的体积与时间关系曲线图，其中示出了修改或混合碳酸氢盐形态的使用：反应腔室包括100％接收状态、100％冻干状态、75％接收状态/25％冻干状态、或50％接收状态/50％冻干状态。
图25是针对输送73cP硅油的压力与时间关系曲线图，其中示出了修改或混合碳酸氢盐形态的使用：反应腔室包含100％接收状态、100％冻干状态、75％接收状态/25％冻干状态、或50％接收状态/50％冻干状态。
图26是针对初始时间段期间73cP硅油的输送的归一化压力与时间关系曲线图。示出了修改或混合碳酸氢盐形态的使用：反应腔室包含100％接收状态、100％冻干状态、75％接收状态/25％冻干状态、或50％接收状态/50％冻干状态。
图27是针对第二时间段期间73cP硅油的输送的归一化压力与时间关系曲线图。反应腔室包含具有不同形态或混合形态的碳酸氢盐：100％接收状态、100％冻干状态、75％接收状态/25％冻干状态、或50％接收状态/50％冻干状态。
图28是针对73cP硅油的输送的体积与时间关系曲线图，其中示出了具有不同溶解速率或结构的试剂的使用。动力装置包含100％接收状态的小苏打和柠檬酸粉末、100％针对类似的化学计量比调节后的Alka-Seltzer泡腾剂、75％接收状态粉末/25％Alka-Seltzer泡腾剂、50％接收状态粉末/50％Alka-Seltzer泡腾剂、25％接收状态粉末/75％Alka-Seltzer泡腾剂。
图29是针对73cP硅油的输送的体积与时间关系曲线图，其中示出了具有不同溶解速率或结构的试剂的使用。动力装置包含100％接收状态的小苏打和柠檬酸粉末、100％针对类似的化学计量比调节的Alka-Seltzer泡腾剂、75％接收状态粉末/25％Alka-Seltzer泡腾剂、50％接收状态粉末/50％Alka-Seltzer泡腾剂、25％接收状态粉末/75％Alka-Seltzer泡腾剂。
图30是针对1cP水的输送的压力与时间关系曲线图，其中示出了具有不同溶解速率或结构的试剂的使用。动力装置包含100％接收状态的小苏打和柠檬酸粉末、100％针对类似的化学计量比调节后的Alka-Seltzer泡腾剂、75％接收状态粉末/25％Alka-Seltzer泡腾剂、50％接收状态粉末/50％Alka-Seltzer泡腾剂、25％接收状态粉末/75％Alka-Seltzer泡腾剂。
图31是针对73cP硅油的输送的归一化压力与时间关系曲线图，其中示出了具有不同溶解速率或结构的试剂的使用。动力装置包含100％接收状态的小苏打和柠檬酸粉末、100％针对类似的化学计量比调节后的Alka-Seltzer泡腾剂、75％接收状态粉末/25％Alka-Seltzer泡腾剂、50％接收状态粉末/50％Alka-Seltzer泡腾剂、25％接收状态粉末/75％Alka-Seltzer泡腾剂。通过将图29中的曲线归一化而使压力归一化至它们的最大压力。
图32是扩展了图31的前3秒的归一化压力与时间关系曲线图。
图33是针对73cP硅油的输送的体积与时间关系曲线图，其中反应腔室包含碳酸氢钠(BS)、碳酸氢钾或50/50的混合物。
图34是针对73cP硅油的输送的第三组试验的压力与时间关系曲线图，其中反应腔室包含碳酸氢钠(BS)、碳酸氢钾或50/50的混合物。
图35是针对73cP硅油的输送的第三组试验的反应速率曲线图，其中反应腔室包含碳酸氢钠(BS)、碳酸氢钾或50/50的混合物。
图36是针对硅油的第四组试验的体积与时间关系曲线图。
图37示出了可用来将溶液输送到反应腔室中的具有孔洞的管道。
图38示出了针对使用混合的碳酸氢钠和碳酸氢钾来输送硅油通过长19mm的27号(标准规格号，gauge)薄壁针的化学动力装置的测定压力与时间关系曲线。
图39示出了针对控制剂(无NaCl)和使用固体NaCl作为成核剂(NaCl)的系统的体积与输送时间关系。
图40示出了针对输送1mL 50cP流体通过27号薄壁针(长1.9cm)的两个不同化学动力装置的力与时间关系曲线。
图41示出了针对输送3mL 50cP流体通过27号薄壁针(长1.9cm)的两个不同化学动力装置(制剂3和4)的力与时间关系曲线。
图42示出了针对输送3mL 50cP流体通过27号薄壁针(长1.9cm)的化学动力装置(制剂5)的力与时间关系曲线。
图43示出了针对在图的右侧描述的组分的恒定压力曲线。观察到的压力以控制剂＜成核面＜＜Expancel微球颗粒＜草酸＜硅藻土＜草酸钙的次序升高。
图44示出了振动和添加的硅藻土对加剧气体产生的影响的相似性。
图45示出了由包含碳酸氢钾、柠檬酸和5、10或50mg的用作对流剂的硅藻土的化学动力装置驱动的粘性流体的位移。
图46示意性地示出了用于测量化学动力装置的功率密度的装置。
术语
化学动力装置-化学动力装置通过化学反应来产生气体并且所产生的气体用于驱动另一过程。通常，该反应不是燃烧，并且在许多优选实施例中，通过由碳酸盐(通常为碳酸钠或优选地碳酸钾)与酸、优选柠檬酸的反应产生CO2来给化学动力装置提供动力。
在化学动力装置的上下文中，封闭容器防止气体向大气逸出，使得所产生的气体的力可以施加在柱塞上。在组装好的装置(通常为注射器)中，柱塞由所产生的气体移动并且将流体从流体隔室压出。在许多实施例中，容器在一端由单向阀封闭，在垂直于中心轴线的方向上由腔室壁包围，并且在另一端由可动柱塞封闭。
可以采用两种方式来定义粘度：“运动粘度”或“绝对粘度”。运动粘度是对流体在施加的力的作用下的抵抗性流动的度量。运动粘度的公制单位为mm2/秒，其为1厘沲(cSt)。绝对粘度——有时称为动力粘度或简单粘度——是运动粘度与流体密度的乘积。绝对粘度的公制单位为厘帕-秒(mPa-sec)或厘泊(cP)，其中1cP＝1mPa-s。除非另外指明，否则术语粘度始终指的是绝对粘度。可以通过毛细管流变仪、锥板流变仪或任何其它已知方法来测量绝对粘度。
流体可以是牛顿流体或非牛顿流体。非牛顿流体应当以不同的切变速率表征，包括与注射的切变速率相似的切变速率。这种情况下，可以利用哈根-泊萧叶方程来估计流体的粘度，其中使用已知的力用于在已知的流体速率下经直径和长度已知的针的注射。本发明适合于牛顿流体或非牛顿流体。
柱塞(也称为“膨胀柱塞”)是响应于化学动力装置中产生的CO2而移动或变形且可以直接地或间接地向与化学动力装置邻近或间接连接的隔室中的液体传力的任何构件。例如，柱塞可以推靠在活塞上，活塞又推靠在注射器中的液体上。本申请和现有技术中描述了许多类型的柱塞，并且本发明的制剂和设计一般适用于众多柱塞类型。
启动柱塞是用来通常通过直接地或间接地引起酸、碳酸盐和水的结合来启动反应的可动部件。优选地，启动柱塞锁定在适当位置以防止任何压力损失并因而将产生的压力全都引向待从流体腔室喷出的流体。
术语“胃肠外的”指的是不经过胃肠道的输送方式，例如注射或输注。
压力与时间关系曲线可包括突增，其中将突增描述为在输送曲线期间压力的第二次升高。
本发明的方法可供手动注射器或自动注射器使用且不限于圆柱形的几何形状。术语“注射器”可互换地用来指任何尺寸或形状的手动注射器和自动注射器。术语“注射装置”用来指可以用来将流体注入患者体内的任何装置，包括例如注射器和贴片泵。在优选实施例中，任何文中所述的化学动力装置可以是注射器的一部分并且本发明包括这些注射器。
具体实施方式
图1示出了通过用于借助于注射或输注输送药剂的化学反应来产生压力。参照左侧的附图，一种或多种化学试剂100被封装在反应腔室110中。该腔室的一侧可以相对于腔室的其它侧移动，且用作活塞120。腔室110在化学反应前具有第一容积。
然后在腔室内引发化学反应，如箭头“反应”所示。气态副产品130以一定速率n(t)产生，其中n表示所产生的气体的摩尔数且t表示时间。压力与由化学反应产生的气态副产品130的量成比例，如在式(1)中可见：
P{t)-[n{t)·T]I V (1)
在式(1)中，T表示温度且V表示腔室110的容积。
腔室110的容积保持固定，直至由气体压力产生的在活塞120上的附加力超过推动流体通过注射器针头所需的力。所需的力取决于系统中存在的机械构件，例如由连接器设计、注射器针头直径和流体粘度提供的摩擦力和机械优势。
一旦移动活塞120所需的最低压力被超过，反应腔室110的容积便开始增大。活塞120的移动引起注射器内的流体输送开始。腔室110中的压力取决于反应速率和容积扩大速率两者，如式(1)所示。优选地，产生充分的气体以引起容积扩大，而不会产生过大的过量压力。这可以通过控制腔室110中的反应速率和气体释放速率来实现。
化学反应产生的气态副产品130的压力累积可以用来推动与活塞120直接邻近的流体通过注射器。压力累积还可以以间接方式——例如，通过例如借助于将活塞120与包含流体的预填充注射器的止挡件连接的杆或轴建立活塞120与流体之间的机械接触——来推动流体。
一种或多种化学试剂100被选择成使得在反应时产生气态副产品130。合适的化学试剂100包括反应以产生气态副产品130的试剂。例如，柠檬酸(C6H8O7)或醋酸(C2H4O2)将与碳酸氢钠(NaHCO3)反应而产生二氧化碳CO2，这可以在两种试剂溶于共同溶剂(诸如水)中时被引发。或者，单一试剂可在由引发剂(诸如光、热或溶解)触发时产生气体。例如，单一试剂2,2'-偶氮二异丁腈(AIBN)可以在50℃-65℃的温度下分解而产生氮气(N2)。化学试剂被选择成使得可以容易地控制化学反应。
本发明的一个方面是结合多种成分以引起(i)足以在短时间内(例如20s以内)输送粘性流体的力，和(ii)与预期用途(即驱动注射器)兼容的小包装。时间、尺寸和力必须一起考虑以实现期望的注射。化学动力装置的包装尺寸由试剂(包括溶剂)的体积限定；这在所有成分已混合并且CO2释放之后在标准条件(25℃，1atm)下测得。
CO2与H2CO3的摩尔浓度比由pH值决定。H2CO3的pKa为4.45。对于远低于该值的pH值，CO2与H2CO3的百分比几乎为100％。对于接近pKa的pH值(例如4.5至6.5)，该百分比将从90％降至30％。对于大于7的pH值，该系统将主要由H2CO3组成而不含CO2。合适的酸因而应当提供系统的缓冲作用以在注射过程的整个持续时间内将pH值维持在4.5以下。在注射过程的时间框架内化学反应无需在注射过程期间(例如5秒内，或10秒内，或20秒内)达到100％转化，但一般而言，为了最大限度地减少过量压力的产生，转化应当接近至少30-50％；其中转化定义为已反应的酸的摩尔百分比，并且在一些实施例中在30％至80％的范围，在一些实施例中在30％至50％的范围内。在一些实施例中，CO2试剂(例如碳酸氢钠或碳酸氢钾)的转化为至少30％，优选至少50％，或至少70％，并且在一些实施例中小于95％。
在常温下为液体的酸例如冰醋酸(pKal为4.76)和丁酸(pKa为4.82)是合适的。优选的酸为有机酸，其在常温下为固体；这些酸的异味小并且不会与装置发生反应。此外，它们能以具有不同形态或结构的粉末形式包装以提供控制溶解速率的方式。优选的酸包括柠檬酸(pH值：2.1至7.2(pKa：3.1；4.8；6.4))、草酸(pH值：0.3至5.3[pKa：1.3；4.4])、酒石酸(pH值：2至4；[pKal＝2.95；pKa2＝4.25])和邻苯二甲酸(pH值：1.9-6.4[pKa：2.9；5.4])。在实验中添加了HCl。出乎意料地发现，将pH值降至3未加速CO2的释放。
在一些优选实施例中，柠檬酸用于其中注射过程在15％至50％之间的反应转换率下发生的系统中。可能希望利用在低转化率下发生的快速CO2累积且因而压力累积。由于该酸的缓冲行为，在反应期间形成的CO2与H2CO3的百分比在高转化率下将减小，因为pH值上升到5.5以上。在注射完成之后，在反应后期该系统将累积较小的压力。在其它情形中，可能希望利用完整的反应周期并且将反应修改成使得它在注射过程结束时完成。在一些实施例中，酒石酸和草酸由于它们较低的pKa值而是优选的选择。
在一些优选实施例中，碳酸氢盐作为饱和溶液被添加至包含固体酸或与其它成分(诸如盐、碳酸氢盐或其它添加剂)混合的固体酸的膨胀隔室中。在另一些实施例中，向包含与碳酸氢盐和其它成分混合的固体酸的活塞添加水。在另一些优选实施例中，在注射结束时向包含固体碳酸氢盐的固体组分添加碳酸氢盐的水溶液以提供另外的CO2产生。在又一些实施例中，碳酸氢盐可以作为润湿的或仅部分溶解的固体存在。还可使任何形式的碳酸氢盐与溶解酸反应。例如，在一些优选实施例中，使碳酸氢盐与柠檬酸的溶液结合。
当化学过程被限制在小反应容积、即相对大量的试剂被限制在加压系统中的少量液体(饱和溶液)中时，产生CO2(g)的过程变得明显更复杂。视情况而定，重要的速率限制步骤此时变成：
·固体试剂的溶解速率
·碳酸氢盐离子的可得性和扩散速率
·CO2从碳酸氢盐表面的脱附速率
·CO2(g)从溶液的释放
视系统的需求而定，可独立地或协同地调整参数以最大限度地减少过调量并维持平坦的压力曲线，其中化学反应腔室的容积扩大的影响不会引起压力下降和输送停动。
为了实现粘性流体的快速输送，碳酸氢盐离子的可得性可以是一个重要因素。在溶液中，碳酸氢盐与作为反应中的活性物质的碳酸氢盐离子达到平衡。碳酸氢盐离子可以是自由物质或强关联。可以通过改变溶剂极性来控制碳酸氢盐的浓度，例如：添加乙醇以降低反应速率或添加N-甲基甲酰胺或N-甲基乙酰胺以提高反应速率；利用同离子效应；以及利用碳酸氢盐的高于饱和点的较高含量。碳酸氢盐在水中的溶解度优选为每100mL高于9g，更优选每100mL为25g。在一些优选实施例中，向包含酸的活塞添加碳酸氢钾的饱和溶液。在另一些实施例中，向包含固体酸和碳酸氢钾的活塞添加水。
可以通过修改溶解速率来修改输送期间的压力曲线。例如，向包含固体柠檬酸和固体碳酸氢盐的活塞添加碳酸氢钾的饱和溶液首先在溶解的碳酸氢盐与酸反应时提供CO2的快速突增并且其次在固体碳酸氢盐溶解并且变得可用时提供第二CO2维持水平。可以通过改变粉末的颗粒尺寸或表面积、采用若干不同种类的碳酸氢盐或酸、用第二成分封装、或溶剂品质的变化来修改溶解速率。通过使具有不同溶解速率的粉末结合，可以修改压力与时间关系曲线，从而实现恒定的压力与时间关系或压力与时间关系的突增。可以利用催化剂的导入来实现相同效果。
活塞(反应腔室)中的压力由从溶液释放的CO2的浓度决定。可以通过引入搅拌法或通过引入降低CO2的溶解度或增强其成核、生长和扩散的部位来促进释放。搅拌方法可包括导入悬浮在活塞中的刚性球体。合适的球体包括空心聚合物微球，例如Expancel微球、聚苯乙烯微球或聚丙烯微球。在向活塞导入水或饱和碳酸氢盐时，外部流动在球体上引起力和转矩，从而引起它们以速率w旋转以及它们开始由于浮力而开始移动。通过球体的旋转产生的流场改善了朝表面的气体扩散并且有利于CO2从液体的脱附。也可通过活性层、例如通过用碳酸氢盐涂覆来修改自由旋转的球体的表面。此类球体首先是重质的并且不受浮力影响。然而，随着涂层溶解或与酸反应，浮力将开始使球体朝液体的表面移动。在上述运动期间，颗粒上不平衡的力促进旋转，从而减轻气体输送限制并增加CO2从液体的脱附。
在一些实施例中，添加盐、添加剂或其它成核剂以促进溶解的气体向空容积中的释放。所述成核剂的示例包括结晶氯化钠、酒石酸钙、草酸钙和糖。可以通过添加降低气体溶解度的成分来促进释放。还可以通过添加促进成核、生长和气泡经由异相成核的释放的成核剂来促进释放。
在优选实施例中，流量与时间关系维持基本恒定，使得流体上的切变速率相似。对于牛顿流体而言，切变速率与流率成正比且与r3成反比，其中r为针的半径。对于针直径不变的装置而言，一旦流动开始，便可在前2秒或3秒之后将切变速率的变化确定为[(最大流率-最小流率)/最小流率]·100。在优选实施例中，切变速率的变化小于50％，更优选地小于25％。流体可为牛顿流体或非牛顿流体。对于在通过具有在27号至31号范围内的直径的针进行皮下输送中常见的流率而言，切变速率的大小为1×104至1×10-4S-1并且非牛顿效应会变得重要，特别是对于蛋白质而言。
在文中进一步描述的一些示例中，利用产生气体的化学反应的注射装置被用来使粘度大于70厘泊(cP)的流体在10秒内排出通过27号薄壁(TW)针。27号薄壁针具有0.016±0.0005英寸的名义外径、0.010±0.001英寸的名义内径和0.003英寸的壁厚。预期采用具有更大名义内径的针也能获得上述结果。
化学试剂的选择可以基于不同因素。一个因素是试剂的溶解速率，即干粉形式的试剂在诸如水的溶剂中溶解的速率。可以通过改变粉末的颗粒尺寸或表面积、使用首先溶解的涂层封装粉末或溶剂品质的变化来修改溶解速率。另一因素为期望的压力与时间关系曲线。可以通过修改反应动力学特性来控制压力与时间关系曲线。在最简单的情况下，给定反应的动力学特性将取决于诸如试剂的浓度——其取决于化学反应的“次序”——和温度的因素。对于许多试剂100而言，包括必须混合两种干试剂的试剂，该动力学特性将取决于溶解速率。例如，通过使具有两个不同溶解速率的粉末结合，可以修改压力与时间关系曲线，从而实现恒定压力与时间关系或在指定时间具有压力突增的曲线。可利用催化剂的导入来实现相同效果。或者，输送体积与时间关系曲线可以具有恒定斜率。术语“恒定”指的是在至少2秒的时间段内具有线性向上斜率的特定曲线，斜率值的可接受的偏差为±15％。
这种调整化学反应的能力允许本发明的装置适应不同流体(具有不同体积和/或粘度)、患者需求或输送装置设计。此外，虽然化学反应独立于反应腔室的几何形状进行，但反应腔室的形状可以影响蓄积的压力作用在活塞上的方式。
可通过注射器的机械结构、流体的粘度、针头的直径和期望的输送时间来确定用于提供药物输送的目标压力水平。通过选择决定n(气体摩尔数)的试剂的适合量和化学计量比以及反应腔室的适合的容积来实现目标压力。还应当考虑气体在存在于反应腔室中的任何液体中的溶解度，该溶解度不会对压力有贡献。
如果希望的话，反应腔室中可存在释放剂以提高流体输送速率。当使用诸如水的溶剂来促进分子之间的扩散和反应时，所产生的气体将在溶剂中具有一定的溶解度或稳定性。释放剂促进任何溶解的气体向腔室的头部空间中的释放。释放剂降低了气体在溶剂中的溶解度。示例性释放剂包括促进成核、生长和气泡经由异相成核的释放的成核剂。示例性释放剂为氯化钠(NaCl)。释放剂的存在可以通过提高溶出速率(释放度，溶出度，dissolution rate)来提高许多化学反应的总体速率，所述溶出速率对于用于干(粉末)试剂的压力产生而言通常是速率限制因素。也可认为释放剂为催化剂。
在一些优选实施例中，反应腔室的容积为1至1.4cm3以下，在一些优选实施例中1cm3以下，在一些实施例中在0.5至1、或1.4cm3的范围内。装置的其它构件的尺寸可设定为与反应腔室的容积匹配。不超过1至1.4cm3的反应腔室允许以有限的注射空间或覆盖区来实现高粘度流体的化学反应输送。
图2示出了可以用来利用试剂之间产生气体的化学反应来输送高粘度流体的装置(这里为注射器)的一个示例性实施例。注射器400在此被示出处于化学反应尚未被引发的储存状态或非下压状态。该图示中不包括针。注射器400包括由侧壁412形成的筒体410，并且内部空间被分隔成三个单独的腔室。从筒体的顶端402开始，该注射器包括试剂腔室420、反应腔室430和流体腔室440。柱塞470插入试剂腔室的上端422中。单向阀450存在于试剂腔室的下端424，其形成径向表面。单向阀450还存在于反应腔室的上端432。单向阀450定向成容许材料离开试剂腔室420并进入反应腔室430。反应腔室的下端434由活塞460形成。最后，活塞460存在于流体腔室的上端442。筒体的孔口416位于流体腔室的下端444，并且位于注射器的底端404。应当指出的是，单向阀450固定在适当位置并且无法在筒体410内移动。相比之下，活塞460可以响应于压力而在筒体内移动。换句话说，反应腔室430由单向阀450、筒体侧壁412和活塞460限定。
还可以将反应腔室430描述为具有第一端和第二端。可动活塞460位于反应腔室的第一端434，而单向阀450存在于反应腔室的第二端432。在该图示中，反应腔室430直接位于活塞460的一侧，而流体腔室440直接位于活塞的相对侧。
试剂腔室420包含至少一种化学试剂、溶剂和/或释放剂。反应腔室430包含至少一种化学试剂、溶剂和/或释放剂。流体腔室440包含待输送的流体。如在此所示，试剂腔室420包含溶剂480，反应腔室430包含呈干粉末形式的两种不同的化学试剂482、484，并且流体腔室440包含高粘度流体486。同样，应当指出的是，该图未按比例绘制。如在此所示，化学试剂未填满反应腔室的全部容积。相反，在反应腔室内存在头部空间436。
在特定实施例中，试剂腔室包含已预先溶于溶剂中的碳酸氢盐，并且反应腔室包含干酸粉末。发现试剂在溶剂中的被动混合是一个会降低反应速率的问题。碳酸氢盐被预先溶解，否则它会太慢地溶解且太慢参与产生气体的反应。在更多特定实施例中，使用碳酸氢钾。发现碳酸氢钠不会足够快地反应。使用柠檬酸作为干酸粉末，因为它能快速溶解和快速反应。包括了氯化钠(NaCl)使之与柠檬酸一起作为干释放剂。氯化钠提供了成核点以允许气体更快地从溶液放出。
每个腔室都具有在所示的图示中与腔室高度成正比的容积。试剂腔室420具有高度425，反应腔室430具有高度435，并且流体腔室440具有高度445。在该未下压状态下，反应腔室的容积足以包含溶剂和两种化学试剂。
在特定实施例中，反应腔室的容积在1cm3以下。装置的其它构件的尺寸可确定为与反应腔室的容积匹配。不超过1cm3的反应腔室允许以有限的注射空间或覆盖区来实现高粘度流体的化学反应输送。
在图3中，柱塞470已被下压，即注射器处于下压状态。该动作引起单向阀450打开，并且溶剂480进入反应腔室430并溶解两种化学试剂(此时作为溶剂中的气泡示出)。在柱塞470被下压并且未在单向阀上施加进一步的压力后，单向阀450关闭(该图示出了处于打开状态的阀)。在特定实施例中，位于试剂腔室的下端424的筒体侧壁412可包含沟槽414或以其它方式成形以卡住柱塞470。换句话说，柱塞470与试剂腔室420的下端424协作以在被下压之后将柱塞锁定就位。
在图4中，两种化学试剂溶解在溶剂中已引起作为化学反应的副产品的气体488的产生。随着气体的量增大，施加在活塞460上的压力增大，直至在达到阈值之后，活塞460朝注射器的底端404向下移动(如箭头所示)。这引起反应腔室430的容积扩大，并且流体腔室440的容积缩小。这引起流体腔室中的高粘度流体486经孔口分配。换句话说，反应腔室430和流体腔室的组合容积保持恒定，但反应腔室与流体腔室440的容积比将随着反应腔室中产生气体而增大。注意，单向阀450不容许气体488从反应腔室逸出到试剂腔室中。
注射器可以在以下要素被适当控制时提供一致的力：(i)干粉末试剂的颗粒尺寸；(ii)试剂的溶解度；(iii)试剂的质量和释放剂的数量；和(iv)用于一致的充装和包装的腔室的形状配置。
图5示出了使用试剂之间的化学反应来产生气体的装置700的另一个变型。该图示处于储存状态。尽管图2的筒体被示为由一体的侧壁组成，但图5的装置中的筒体由若干较短的部件组成。该结构可以简化整个装置的各个腔室的制造和充装。该变型中的另一个大的差别是活塞760由如文中进一步描述的三个不同部分组成：推动面762、杆764和止挡件766。
从图5的顶部开始，试剂腔室720由具有第一侧壁728以限定试剂腔室的侧面的第一部件726组成。柱塞770插入该部件的上端722中以密封这一端。然后可以上下倒置第一部件726以使试剂腔室720充装溶剂780。
包含单向阀750的第二部件756然后可以与第一部件的下端724结合以密封试剂腔室720。第二侧壁758包围单向阀。第一部件的下端724和第二部件的上端752可以使用诸如螺纹(例如鲁尔锁)的已知装置接合。如在此所示，第一部件的下端将具有内螺纹，而第二部件的上端将具有外螺纹。
第三部件736用来形成反应腔室730，并且还由第三侧壁738形成。活塞的推动面762位于第三侧壁738内。在将化学试剂、溶剂和/或释放剂放置到推动面上之后，第二部件的下端754和第三部件的上端732接合在一起。在此示出了两种试剂782、784。活塞的杆764从推动面762向下延伸。
最后，第四部件746用来形成流体腔室740。该第四部件由第四侧壁748和锥形壁749形成，所述锥形壁渐缩而形成流体经其排出的孔口716。该孔口位于流体腔室的下端744。流体腔室可以充装有待输送的流体，并且然后可以将止挡件766放置在流体腔室中。如在此所示，止挡件766可包括通气孔767，使得空气可以随着止挡件被向下推向流体786的表面而从流体腔室逸出以防止空气被截留在流体腔室中。附接在活塞杆764的下端上的罩帽768可以用来遮盖通气孔767。或者，活塞杆的下端可以插入该通气孔中。第三部件的下端734和第四部件的上端742然后接合在一起。
如上所述，该变型中的活塞760由连接在一起的推动面762、杆764和止挡件766形成。反应腔室730与流体腔室740之间因而存在空容积790。该空容积的尺寸可以根据需要改变。例如，可能有用的是使整个装置更长以使得它可以更容易由使用者抓握。在其它方面，该变型以与上文参考图2-4所述的相同的方式操作。活塞的推动表面部分作用在反应腔室中，并且活塞的止挡件部分作用在流体腔室中。还应当指出的是，推动面、杆、止挡件和可选的罩帽可以是一个一体的部件，或者可以是单独的部件。
图6示出了可以用来利用通过热引发以产生气体的化学反应来输送高粘度流体的装置(同样为注射器)的示例性实施例。同样，注射器800在此被示出处于储存状态。
筒体810由侧壁812形成并且内部空间被分隔成两个单独的腔室，即反应腔室830和流体腔室840。反应腔室830存在于注射器的上端802。反应腔室的上端832由径向壁838形成。可以用于加热的热源850位于反应腔室内。热源850可以位于径向壁838上，或如在此所示位于筒体侧壁812上。
反应腔室的下端834由活塞860形成。反应腔室830由径向壁838、筒体侧壁812和活塞860限定。活塞860还存在于流体腔室的上端842。筒体的孔口816位于流体腔室的下端844，即注射器的下端804。同样，反应腔室仅活塞860部分可以响应于压力而在筒体810内移动。径向壁838固定在适当位置，并且是实心的以使得气体不能通过。
反应腔室包含化学试剂882。例如，化学试剂可以是2,2'-偶氮二异丁腈。在反应腔室中可存在头部空间836。流体腔室840包含流体886。
注射器上存在启动触发器852，其可以例如位于手指凸缘815附近的顶部上或筒体侧壁的外表面816上。当启动时，热源850产生热。热源可以是例如红外发光二极管(LED)。化学试剂882对热敏感，并且产生气体(这里为N2)。气体产生的压力引起活塞860移动，从而排出流体腔室840中的高粘度流体886。
应当再次指出的是，活塞可以替换地为在图5中描述的推动面、杆和止挡件形式。该形式在此处同样是适合的。
在替换实施例中，一种装置可以用来利用由光引发而产生气体的化学反应来输送高粘度流体。该实施例与在图6中所述的形式几乎等同，除了热源这时候由可照射反应腔室830的光源850代替以外。这里的化学试剂884对光敏感，并且在暴露于光时产生气体。例如，化学试剂可以是氯化银(AgCl)。气体产生的压力引起活塞移动，从而排出流体腔室中的高粘度流体。如果希望的话，在此也可以使用图5的活塞形式。
可以使用任何合适的一种或多种化学试剂来产生气体。例如，碳酸氢盐将与酸反应而形成二氧化碳。碳酸氢钠、碳酸氢钾和碳酸氢铵是合适的碳酸氢盐的示例。合适的酸可以包括醋酸、柠檬酸、碳酸氢钾、焦磷酸二钠或磷酸二氢钙。可以通过该化学反应来产生任何气体，例如二氧化碳、氮气、氧气、氯气等。理想而言，所产生的气体是惰性的且不可燃。诸如碳酸铜或碳酸钙的金属碳酸盐可以热分解而产生CO2和对应的金属氧化物。作为另一个示例，可以加热2,2'-偶氮二异丁腈(AIBN)以产生氮气。作为又一个示例，某些酶(例如酵母)与糖的反应产生CO2。一些物质容易升华，从固体变成气体。此类物质包括但不限于萘和碘。过氧化氢可以利用诸如酶(例如过氧化氢酶)或二氧化锰的催化剂分解而产生氧气。
设想待利用本发明的装置分配的高粘度流体可以是溶液、分散液、悬浮液、乳剂等。高粘度制剂可以包含蛋白质，例如单克隆抗体或某种其它用于治疗的蛋白质。蛋白质可具有约150mg/ml至约500mg/ml的浓度。高粘度流体可具有约5厘泊至约1000厘泊的绝对粘度。在另一些实施例中，高粘度流体具有至少40厘泊或至少60厘泊的绝对粘度。高粘度流体还可包含溶剂或非溶剂，例如水、全氟烷基溶剂、红花油或苯甲酸苄酯。
图7和图8是可以用来利用试剂之间产生气体的化学反应来输送高粘度流体的注射装置(这里为注射器)的第一示例性实施例的不同视图。注射器300在此被示出处于化学反应尚未被引发的储存状态或非下压状态。图7是截面侧视图，而图8是注射器的动力装置的透视图。
注射器300包括筒体310，其内部空间被分隔成三个单独的腔室。
从筒体的顶端302开始，该注射器包括上腔室320、下腔室330和流体腔室340。这三个腔室是共轴的，并且在此被示为呈圆柱形。下腔室也可视为反应腔室。
柱塞370插入上腔室的上端322中，并且柱塞的止挡件372仅移行通过上腔室。单向阀350存在于上腔室的下端324，从而形成径向表面。单向阀350还存在于下腔室的上端332。单向阀350定向成容许材料离开上腔室320并进入下腔室330。在下腔室的下端334存在活塞360。活塞360还存在于流体腔室的上端342。如在此所示，该活塞由至少两个部件形成，即位于下腔室的下端的推动面362和位于流体腔室的上端的头部366。针305位于流体腔室的下端344，并且位于注射器的底端304。应当指出的是，单向阀350固定在适当位置并且无法在筒体310内移动，或换言之该单向阀相对于筒体是固定不动的。相比之下，活塞360可以响应于压力而在筒体内移动。换句话说，下腔室330由单向阀350、筒体的连续侧壁312和活塞360限定。
还可以将下腔室330描述为具有第一端和第二端。可动活塞360位于下腔室的第一端334，而单向阀350存在于下腔室的第二端332。在该图示中，下腔室330直接位于活塞360的一侧，并且流体腔室340直接位于活塞的相对侧。
如上所述，活塞360至少由推动面362和头部366形成。这两个部件可以例如使用在相对端具有推动面和头部的杆(未示出)物理地连接在一起。或者，还设想不可压缩的气体可以位于推动面与头部之间。下腔室330与流体腔室340之间因而将存在空容积307。该空容积的尺寸可以根据需要改变。例如，可能有用的是使整个装置更长以使得它可以更容易由使用者抓握。替代地，如文中还在图9和图10中的另一实施例中所示，活塞可使用用作推动面并作用在头部366上的气囊。作为又一个变型，活塞可以是单个部件，其中推动面位于该单个部件的一侧并且头部位于该单个部件的另一侧。
上腔室320包含至少一种化学试剂或溶剂。下腔室330包含至少一种化学试剂或溶剂。流体腔室340包含待输送的流体。通常设想的是，干试剂将被配置在下腔室中，而湿试剂(即溶剂)将被配置在上腔室中。如在此所示，上腔室320将包含溶剂，下腔室330将包含两种不同的呈干粉末形式的化学试剂，并且流体腔室340将包含高粘度流体。任一腔室中的试剂可在制造期间被封装以便更容易处理。每个腔室都具有在所示的图示中与腔室高度成正比的容积。在该未下压状态下，下腔室的容积足以包含溶剂和两种化学试剂。
当图7和图8的注射器中的柱塞被下压时，附加压力引起单向阀350打开，并且上腔室320中的溶剂进入下腔室330并溶解两种化学试剂。在柱塞370被充分下压并且没有进一步的压力施加在单向阀上后，单向阀350关闭。如在此所示，柱塞包括姆指座376和位于轴374上的紧邻姆指座的压力锁378。该压力锁与上腔室的上表面326协作以将柱塞锁定就位。两种化学试剂可在溶剂中彼此反应而在下腔室中产生气体。随着气体量增大，施加在活塞360的推动面362上的压力增大，直至在达到阈值之后，活塞360朝注射器的底端304向下移动。这引起下腔室330的容积扩大，并且流体腔室340的容积缩小。这引起流体腔室中的高粘度流体(通过头部366)经孔口分配。换句话说，下腔室330和流体腔室的组合容积保持恒定，但下腔室与流体腔室340的容积比将随着反应腔室中气体的产生而增大。注意，单向阀350不容许气体从下腔室逸出到上腔室中。此外，柱塞上的压力锁378容许止挡件372用作单向阀350的第二备件(backup)，并且还防止柱塞被向上推出上腔室。
在一些实施例中，上腔室包含已预先溶于溶剂中的碳酸氢盐，并且下腔室包含干酸粉末。试剂在溶剂中的被动混合——即使两种干粉末在反应腔室中结合并且添加水——降低了反应速率。可预先溶解一种试剂。例如，可预先溶解碳酸氢盐。在更多特定实施例中，推荐碳酸氢钾。碳酸氢钠不会尽可能快地反应；因此CO2产生和注射速率较慢。柠檬酸是优选的干酸粉末，因为它很好地溶解并且快速反应，而且安全。氯化钠(NaCl)被包括使之与柠檬酸一起作为干释放剂。氯化钠提供了成核点并且改变了离子强度以允许气体更快地从溶液中放出。
应当指出的是，上腔室320、下腔室330和流体腔室340在此被示为由接合在一起以形成注射器300的单独部件组成。各部件可以利用本领域中已知的方法接合在一起。例如，上腔室在此被示为由侧壁325形成，该侧壁325包括具有用于柱塞的端口327的封闭上端322。柱塞的止挡件372与轴374连接。单向阀350是插入上腔室的开放下端324中的单独部件。下腔室在此被示为由具有开放上端332和开放下端334的侧壁335形成。下腔室的上端和上腔室的下端配合成锁定在一起并且将单向阀固定在适当位置。这里，锁定机构为卡扣配合装置，其中下腔室的上端具有悬臂卡扣(cantilever snap)380，其包括成角度的表面和止挡表面。上腔室的下端具有与悬臂卡扣接合的锁闩382。类似地，下腔室和流体腔室使用环形密封件装配在一起。
图9和图10是本发明的注射装置的示例性实施例的不同视图。注射器500在此被示出处于化学反应尚未引发的储存状态或非下压状态。图9是截面侧视图，而图10是注射器的动力装置的透视图。
同样，该注射器包括筒体510，其内部空间被分隔成三个单独的腔室。从筒体的顶端502开始，该注射器包括上腔室520、下腔室530和流体腔室540。这三个腔室是共轴的，并且在此被示为呈圆柱形。下腔室530也可视为反应腔室。
在此实施例中，上腔室520是位于筒体510内的单独部件。该筒体在此被图示为包围上腔室的外侧壁512。上腔室520在此被图示为具有内侧壁525和顶壁527。轴574和姆指座I按钮576沿远离筒体的方向从上腔室的顶壁527延伸。因而，上腔室520还可视为形成柱塞570的下端。上腔室的下端524利用密封件528——即膜或隔板——封闭，以使得上腔室具有封闭容积。应当指出的是，上腔室的内侧壁525在筒体的外侧壁512内自由移行。上腔室相对于下腔室沿轴向移动。
下腔室530在其上端532处具有端口537。在上端532还存在齿环580。这里，所述齿包围所述端口。各齿582在此被图示为呈三角形，其顶点朝上腔室的密封件528定向，并且各齿朝注射器的轴线向内成一定角度。术语“齿”在此一般用来指可以刺穿上腔室的密封件的任何形状。
在下腔室530的下端534存在活塞560。活塞560还存在于流体腔室540的上端542。这里，活塞560包括头部566和位于下腔室内的气囊568，该气囊568与上端中的端口537连通。换句话说，气囊用作用于使头部移动的推动面。可将头部566描述为位于气囊568的下方或下游，或替换地可以将气囊568描述为位于头部566与端口537之间。针505位于流体腔室的下端544，并位于注射器的底端504。该气囊由适当地不反应的材料制成。
筒体(即侧壁)的顶端502包括压力锁518，该压力锁518在上腔室朝下腔室530充分移动时与上腔室的顶面526协作以将上腔室520锁定在适当位置。上腔室520在此被图示为延伸出外侧壁512。外侧壁的顶端526成形为用作悬臂卡扣，并且上腔室的顶面526用作锁闩。
或者，装置的顶端可如图8所示形成，其中轴上的压力锁紧邻姆指座并与装置的顶端协作。
如上所述，一般设想干试剂将被配置在下腔室530中，而湿试剂(即溶剂)将被配置在上腔室520中。同样，任一腔室中的试剂可在制造期间被封装成更容易处理。更具体地，设想下腔室中的试剂将位于气囊568内。
在图9和图10的注射器操作期间，向下按压按钮576引起上腔室520朝齿环580移动到筒体中。上腔室作用在齿环上的压力引起密封件528破裂，从而将上腔室的内含物释放到下腔室530中。这里，设想气囊568内发生产生气体的反应。升高的气体压力引起气囊充胀(即变长)。这将头部566推向注射器的底端504(注意上腔室由于压力锁而不会被推出筒体)。这同样引起下腔室530的容积扩大，并且流体腔室540的容积缩小，即下腔室与流体腔室的容积比增大。
在气囊568与头部566之间存在空容积507。不可压缩的气体可以位于该空容积中。该空容积的尺寸可按需改变，例如以使整个装置较长。
同样，上腔室520、下腔室530和流体腔室540可以由接合在一起以形成注射器的单独部件组成。应当指出的是，图10由五个部件(590、592、594、596和598)组成，增加部件的原因在于在下腔室中增加了气囊并且上腔室与外侧壁分离。然而，此实施例仍可如图8中那样由较少的部件组成。例如，气囊可位于齿环附近。
图11、图12和图13是本发明的注射装置的第三示例性实施例的不同视图。在此实施例中，通过远离筒体而非如图7-10的实施例中朝向筒体地拉动柱塞手柄来引发化学试剂的混合。图11是处于储存状态的注射器的截面侧视图。图12是处于储存状态的注射器的动力装置的透视图。图13是处于其操作状态下——即当手柄远离注射器的筒体被向上拉动时——的注射器的动力装置的透视图。
注射器700'包括筒体710'，其内部空间被分隔成三个单独的腔室。从筒体的顶端702'开始，该注射器包括上腔室720'、下腔室730'和流体腔室740'。这三个腔室是共轴的，并且在此被示为呈圆柱形。下腔室也可视为反应腔室。
在此实施例中，柱塞770'插入上腔室的上端722'。在储存状态下，轴774'穿过上腔室从下端724'延伸到上端722'并穿过上腔室的上表面726'延伸。在顶端存在密封件728'，轴在该顶端处离开上腔室。位于轴的上端的姆指座776'位于上腔室的外侧。位于轴下端的止挡件772'与筒体内的座部716'协作以使得上腔室具有封闭容积。例如，止挡件的顶面可具有比止挡件的底面大的直径。座部716'可视为位于上腔室的下端724'，并且还位于下腔室的上端732'。
在下腔室的下端734'存在活塞760'。活塞760'还存在于流体腔室740'的上端742'。如在此所示，活塞760'由至少两个部件——即推动面762'和头部766'——形成。可以存在空容积707'。该活塞的其它方面与在图8中所述相似。同样，活塞可以响应于压力而在筒体内移动。还可以将下腔室730'描述为由座部716、筒体的连续侧壁712'和活塞760'限定。针705'位于流体腔室的下端744'，并位于注射器的底端704'。
在图11-13的注射器操作期间，如上所述，一般设想干试剂将被配置在下腔室730'中，而湿试剂(即溶剂)将被配置在上腔室720'中。现在参照图11，向上(即远离筒体)拉动柱塞770'引起止挡件772'与座部716'分离。这形成上腔室720'与下腔室730'之间的流体连通。上腔室中的试剂围绕止挡件移行到下腔室(附图标记717')中。下腔室730'中随后发生产生气体的反应。气体压力将活塞760'推向注射器的底端704'。换言之，下腔室的容积扩大，并且流体腔室的容积缩小，即下腔室与流体腔室的容积比增大。此实施例的另一个优点在于，一旦试剂开始产生气体，所形成的压力将继续将柱塞710'进一步从上腔室推出，从而有助于将更多试剂从上腔室720'推入到下腔室730'中，促进了气体的产生。
参照图12，筒体710'被示为由三个不同部件790'、792'、794'组成。密封件738'也位于组成下腔室和流体腔室的部件之间。
图14和图15是本发明的注射装置的另一示例性实施例的一个方面的截面图。在此实施例中，液体试剂(即溶剂)被封装在胶囊中，该胶囊在按钮被按压时破裂。图14示出了在按钮被按压之前的该动力装置。图15示出了在按钮被按压之后的动力装置。
首先参照图14，示出了注射器1000的顶端1002。反应腔室1030包含胶囊1038和干试剂1039。这里，胶囊搁置在位于干试剂上方的凸缘1031上。活塞1060的推动面1062存在于反应腔室的下端。活塞的头部1066也是可见的，并位于流体腔室1040的上端1042。按钮/柱塞1070位于胶囊上方。在按钮1070与胶囊1038之间可存在密封件1026。筒体包含安全卡扣1019以防止按钮从筒体的端部掉出。
如果希望的话，反应腔室的包含胶囊的部分可以视为上腔室，而反应腔室的包含干试剂的部分可以视为下腔室。
现在参照图15，当按钮1070被按压时，胶囊1038破裂，从而引起溶剂和干试剂混合。这会产生气体，该气体向下推动活塞1060并使流体从流体腔室1040喷出。按压按钮随后与防止按钮由于气体压力而被向上推动的压力锁1018接合。
上述各图的实施例已被图示为自动注射器。自动注射器通常保持在使用者的手中，具有圆柱形形状因子，并具有1秒至30秒的较快注射时间。应当指出的是，在上述图中体现的概念还可以适用于其它类型的注射装置，例如贴片泵。一般而言，贴片泵具有比注射器较平坦的形状因子，并且还具有通常大于30秒的输送时间。在贴片泵中利用产生气体的化学反应的优点包括所需的容积小、形态/形状的灵活性和控制输送速率的能力。
图16是典型的丸剂注射器1200的图示。该丸剂注射器包括位于壳体1280内的反应腔室1230和流体腔室1240。如在此所示，反应腔室和流体腔室并排定位，不过这可以按需改变。反应腔室1230由侧壁1235形成。流体腔室1240也由侧壁1245形成。反应腔室和流体腔室通过位于装置的第一端1202的通道1208流体连接。流体腔室1240包括位于壳体的相对第二端1204的出口1246，该出口1246与针1205连接。针1205从壳体的底部1206延伸。
反应腔室由隔板(不可见)分隔成第一隔室和第二隔室。在这方面，第一隔室与下腔室类似，而第二腔室与上述上腔室类似。
反应腔室可以视为引起流体腔室中的流体喷出的动力装置。在这方面，设想可以通过使位于第一隔室与第二隔室之间的密封件破裂来引发产生气体的化学反应。可以例如通过弯曲或折断贴片泵壳体或通过在壳体上的指定位置按压来使隔板破裂。这引起试剂混合。由于期望的输送时间较长，化学物质混合的速度不是一个大问题。压力累积并且可作用在流体腔室中的活塞(不可见)上，从而引起流体经出口离开。在此实施例中设想反应腔室和流体腔室的容积不会显著地改变。
图17和图18是贴片泵的另一示例性实施例的透视图。在此实施例中，反应腔室/动力装置1230位于流体腔室1240的顶部上。针1205从壳体1280的底部1206延伸。在此实施例中，反应腔室1230包括柔性壁1235。流体腔室1240也包括柔性侧壁1245。反应腔室的柔性壁紧邻流体腔室的柔性侧壁。在此实施例中反应腔室和流体腔室未彼此流体连接。相反，设想随着反应腔室中产生气体，反应腔室的容积将扩大。反应腔室的柔性壁1235将压缩流体腔室的柔性侧壁1245，从而引起流体腔室中的流体经出口1246离开。换句话说，反应腔室与流体腔室的容积比随着反应腔室充胀并且流体腔室分配流体而随着时间增大。应当指出的是，在此实施例中要求相对恒定的容积，使得反应腔室的容积扩大引起流体腔室的压缩。这可以例如通过在反应腔室的与柔性壁相对的一侧包括刚性衬垫或通过使壳体由相对刚性的材料制成来实现。
图19示出了可以用来利用试剂之间的产生气体的化学反应来输送高粘度流体的装置(这里为注射器)的另一示例性实施例。注射器1300在此被示出处于化学反应尚未被引发的储存状态或非下压状态。该图示中不包括针。
注射器1300包括筒体1310，该筒体1310的内部空间被分隔成三个单独的腔室。从筒体的顶端1302开始，该注射器包括试剂腔室1320、反应腔室1330和流体腔室1340。这三个腔室是共轴的，并且在此被示为呈圆柱形。在此实施例中，注射器的筒体由两个不同部件形成。第一部件1380包括侧壁1312，该侧壁1312形成反应腔室并提供用于试剂腔室的空间1313。侧壁在顶端1302处开口以用于文中进一步描述的按钮。流体腔室由可以附接在第一部件上的第二部件1390组成。
第一部件的侧壁1312包括将第一部件分隔成上部空间1313和反应腔室1330的径向内表面1314。反应腔室具有比上部空间的内径1315小的内径1325。
试剂腔室位于单独的按钮构件1350中，该按钮构件1350位于第一部件的上部空间1313内并穿过筒体的顶端1302延伸。如在此所示，按钮构件由侧壁1352形成，该侧壁1352在外端1351由接触面1354封闭，且其形成了其中配置试剂的内部容积(即试剂腔室)。密封构件1356(在此作为O型-密封圈示出)紧邻侧壁的外表面1355上的中央部分，并与上部空间中的侧壁1312接合。侧壁的内端1353包括从侧壁向外延伸的唇部1358。该唇部与筒体上的内部止挡面1316接合。试剂腔室被示为包含溶剂1306，碳酸氢盐溶于该溶剂中。
柱塞1370位于试剂腔室1320与反应腔室1330之间。柱塞1370位于试剂腔室的内端1324。该柱塞包括具有沿其径向延伸的凸耳1374(在此被示为四个凸耳，不过数量可以变化)的中央主体1372。当注射器处于其储存状态时，凸耳还与按钮构件的唇部1358接合。凸耳成形为具有斜面1376，使得柱塞1370在按钮构件1350被下压时旋转。中央主体的内端1373包括与反应腔室中的侧壁接合的密封构件1378(在此被示为O型-密封圈)。
反应腔室1330包括顶端1332和底端1334。另一个径向内表面1336位于反应腔室中的中央位置，将反应腔室分隔成混合腔室1335和臂/接头1333，其中混合腔室1335紧邻试剂腔室1320或顶端1332。径向内表面中的孔口1331通向与包含流体腔室1340的第二部件1390接合的臂接头1333。活塞1360位于反应腔室的底端，即臂1333的端部。干试剂1308位于反应腔室内。这里，干试剂为柠檬酸，并且形式为片剂。干试剂在此被示为位于径向内表面上，即混合腔室中。在该孔口上可存在可透气、不透液体-固体的过滤器1337。该过滤器将任何干的固体试剂和液体保持在混合腔室内以改善混合。
此外，压缩弹簧1395位于混合腔室内，其从径向内表面1336延伸到柱塞的内端1373。压缩弹簧在压缩时储存能量(即，在未向它施加负荷时较长)。由于按钮构件1350和柱塞1370固定在适当位置，所以压缩弹簧1395在储存状态下被压缩。应当指出的是，弹簧包围干试剂。在替代实施例中还设想干试剂附着在柱塞的内端1373上。
最后，活塞1360还存在于流体腔室的上端1342。同样，活塞1360可以响应于反应腔室中产生的压力而在筒体内移动。还可以将该活塞描述为具有推动面1362和止挡件1364。
柱塞的密封构件1378将试剂腔室1320中的液体试剂与反应腔室1330中的干试剂分离。虽然液体1306被图示为存在于按钮构件中，但也可行的是，液体在围绕柱塞的上部空间1313中存在于筒体中。
当按钮构件1350被下压(下压至径向内表面1316)时，柱塞1370旋转。这引起柱塞的凸耳1374与按钮构件的唇部1358分离。此外，设想按钮构件一旦被下压便不能从筒体回缩。这可以例如利用筒体外端附近的止挡面(未示出)来完成。
当柱塞1370不再由按钮构件保持在适当位置时，压缩弹簧伸长并且将柱塞1370推入按钮构件1350中。设想压缩弹簧的尺寸设定成使得柱塞完全移行通过按钮构件，但不会推动穿过按钮构件的接触面1354。反应腔室中存在的液体1306落入反应腔室中并与干试剂1308接触。柱塞向按钮构件中的移动旨在引起试剂腔室的内含物完全清空到反应腔室中。该机构还可提供由弹簧作用、初始化学反应或两者引起的湿试剂与干试剂的充分混合。
在一些替代实施例中，弹簧还将至少一些干试剂推入试剂腔室(即按钮构件的内部容积)中。例如，干试剂可以附着在柱塞的内端1373上，并由弹簧向上驱动。
图20是示出了按钮构件的内部的底视图。如在此可见，形成按钮构件的侧壁的内表面1357包括四个通道1359，柱塞的凸耳可以移行通过该四个通道。图21是柱塞1370的顶视图，其示出了可以在按钮构件的通道中移行的中央主体1372和凸耳1374。比较这两个图，图20的外圆为按钮构件的唇部1358并具有外径1361。按钮构件的内径1363被四个通道中断。虚线圆表示侧壁外表面1355的外径1365。柱塞的中央主体具有比按钮构件的内径1363小的外径1375，其中凸耳配合在通道中。这容许柱塞将按钮构件中的液体推出到中央主体周围。应当指出的是，所述通道不必是直的，如在此所示。例如，所述通道可以向一侧倾斜，即以螺旋方式扭转。这可能在对液体试剂增加湍流并改善混合方面是令人满意的。
溶剂在反应腔室1330中与碳酸氢盐和柠檬酸的结合引起产生气体1309。应当指出的是，由于柱塞的移动，试剂腔室现在可以视为反应腔室的一部分。此外，应当指出的是，图19中的干试剂1308可以视为限制到达孔口1331。在溶解时，孔口是干净的并且气体可以进入反应腔室的底端1334。
一旦达到临界压力，活塞1360便移行通过流体腔室1340，从而从注射器喷出流体。注射器的针1305在该图中是可见的。
在一些替代的设想实施例中，包括凸耳的柱塞的直径小于按钮构件的内径1363。换言之，在按钮构件的内侧壁上不需要通道。在此类实施例中，筒体侧壁将提供在按钮被下压以使柱塞旋转之前将柱塞保持在适当位置的表面。柱塞的形状和移动然后将随着湿试剂经凸耳流入反应腔室中而在液体中引起湍流。还设想芯柱(stem)可附接在延伸到试剂腔室中的柱塞上，或换句话说，芯柱附接在柱塞的外端上。芯柱可成形为引起湍流并改善混合。
为了加速化学动力装置中的气体产生，可以利用包括诸如图37所示的孔洞的管道。在管道3700中，流3703在入口处被引入管道中并且然后经多个孔洞3705(优选5个以上孔洞)流出到反应腔室中。带孔洞的管道构型在反应腔室包括粉末——其中来自孔洞的流与粉末直接接触——的情况下尤为有利。例如，酸溶液(优选柠檬酸溶液)流经管道并从孔洞流出，在此该酸溶液接触并搅动固体碳酸氢盐颗粒。在一些优选实施例中，柱塞(例如弹簧致动的柱塞)迫使液体溶液通过管道。在一些情况下，管道包含固体(优选固体碳酸氢盐)，该固体随着溶液流经管道而至少部分地溶解；这可提供既增强溶解又在管道中形成气泡的双重优点，这些气泡在它们从孔洞穿过并进入反应腔室中时增强了混合。可以使用文中描述为用于向反应腔室中添加溶液的任何装置来引导流体在该管道中向下流动。
还设想使用者可以调节注射速度。一种实现这一点的方式将是控制干试剂和湿试剂混合的速度。这将调节产生气体的化学反应的速度和因此产生推动活塞的力的速度。这可以例如通过调节位于试剂腔室与反应腔室之间的开口的尺寸来实现。例如，可以将可调节的孔洞配置在柱塞下方。该孔洞将具有最小尺寸(以容纳弹簧)，但可以以其它方式调节。另一种调节注射速度的方式将是控制反应腔室的尺寸。这将调节通过化学反应产生的压力(因为压力为单位面积上的力)。例如，反应腔室的侧壁可以根据需要向内或向外移动以改变反应腔室的容积。替代地，径向内表面1336可以包括可调节的孔洞，以改变孔口1331的尺寸和气体可进入反应腔室的底端1334并在活塞1360上推动的速率。这两种方法都可通过注射器上的转盘来控制，所述转盘可以根据需要由使用者机械地调节注射速度。这将允许注射速度的“实时(on-the-fly)”调节。与文中描述的其它特征相似，该使用者控制的可调速度的特征是可适用于文中描述的任何装置中的一般特征。
还设想文中描述的注射装置中可存在透气、不透液体-固体的过滤器，其将活塞与下腔室分离。在这方面，已发现干粉末在一些情况下粘附于腔室的侧面。当活塞移动时，残留的溶剂掉落到粉末层级/高度之下，使得不会发生进一步的化学反应。确信的是，过滤器应当将任何干固体试剂和液体保持在下腔室中以改善混合。
适合于本发明的注射装置的材料以及用于制造注射装置的方法在本领域中是已知的。
产生气体的化学反应用来“按需”产生力，与仅在压缩时储存能量的弹簧相反。大部分自动注射器在“闲置”储存期间使弹簧保持在压缩位置，从而引起部件疲劳且久而久之定型。另一种替代在制造中压缩弹簧的替代方案是设置压簧杆机构(cocking mechanism)，该机构在使用之前压缩弹簧。这给使用弹簧驱动的装置的方法增加了另一个步骤。此外，肢体残疾的使用者可能难以执行下压步骤。例如，许多蛋白质药物的使用者为关节炎患者，或具有其它限制他们体能的病情。启动产生气体的化学反应所需的力可远小于致动弹簧驱动装置或下压弹簧驱动装置中的弹簧所需的力。此外，弹簧具有线性能量曲线。由产生气体的化学反应提供的力可以是非线性的或非对数的。可以通过如下方式来控制化学反应的速度：(i)调节干试剂的颗粒尺寸；(ii)改变干试剂的颗粒形状；(iii)调节干试剂的填充；(iv)利用混合辅助装置；和/或(v)改变在其中进行试剂混合的反应腔室的形状。
应当指出的是，通常向注射器的筒体添加硅油以减小使活塞在筒体内移动所需的(由于静摩擦的)释放力。蛋白质药物和其它药物会由于与硅油的接触而受到不利的影响。硅化也与蛋白质聚集相关。通过化学反应产生的力避免了对向注射器的筒体施用硅油的需求。换言之，在注射器的筒体内不存在硅油。
当使用溶剂来形成用于化学试剂之间的化学反应的介质时，可选择任何合适的溶剂。示例性溶剂包括：诸如水或盐水的水性溶剂；诸如乙醇或异丙醇的醇类；诸如甲基乙基酮或丙酮的酮类；诸如醋酸的羧酸；或这些溶剂的混合物。可向溶剂添加表面活性剂以减小表面张力。这可有助于改善混合和后续的化学反应。
以下示例是为了进一步说明本发明的目的。这些示例仅为说明性的且并非旨在将根据本发明得到的方法和装置限制为其中阐述的材料、状态或工艺参数。
示例
用于执行实验的试验装置1000在图10中示出。标准的预充装注射器1040充装有1ml流体。从该图的左侧开始，预充装注射器1040装配有长19mm的27号薄壁针1006并用标准止挡件1066止挡。该注射器1040用作流体腔室。反应腔室注射器1030与预充装注射器连接。活塞杆1064和推动面1062用来向止挡件1066施加来自化学反应的力。使用单向压力阀1050来允许从用作试剂腔室的第二“喷射器式”注射器1020注射溶剂。将该装置夹持在试验夹具1010上。使用刻度吸管(未示出)来测量输送体积与时间的关系。
示例1
测试了两种流体，水(1cP)和硅油(73cP)。水用作低粘度流体，硅油用作高粘度流体。根据实验将这两种流体之一添加至预充装注射器1040。向反应腔室注射器1030添加作为干粉末的400mg NaHCO3和300mg柠檬酸。将喷射器式注射器1020充装0.1ml、0.25ml或0.5ml水。将水注入反应注射器1030中(基于待由喷射器式注射器输送的体积来调节反应注射器的容积)。测量输送体积与时间关系和总输送时间。利用哈根-泊萧叶方程计算压力并且假设止挡件1066与预充装注射器1040之间存在0.6lb摩擦力。或者，通过在出口处配置测力传感器(测压元件，load cell)来确定预充装注射器1040上的力。结果在表1中示出并且该结果基于至少三轮试验中的最低值。
该化学反应注射器在5秒以下的时间内提供1mL水的输送。更高粘度流体的输送时间取决于所注入的水的体积。出乎意料地，水的体积越大时输送时间越快。这是出乎意料的，因为不参与反应的水用于稀释试剂。反应动力和CO2的产生随着试剂的浓度降低而降低。这些结果表明了溶解动力学的重要性。水的体积越高，该溶解越快。使用0.5mL水，可以在9秒内输送高粘度流体。因而，在一些优选实施例中，本发明提供了使用化学动力装置在20秒内或在15秒内或在10秒内输送基本全部(至少0.5ml，或0.5至3.0ml或1ml)的溶液，该溶液具有至少20cP、优选至少40cP且在一些实施例中低于约70cP的粘度，所述化学动力装置包括小于1.0ml、在一些实施例中在0.3至1.0ml的范围内的初始体积(在膨胀之前)；在一些实施例中，化学动力装置中的水的体积与药物的体积之比小于2：1，优选地小于1：1，小于0.5：1，并且在一些实施例中在1：1至0.3：1的范围内。在本说明书全文中，粘度测定(或限定)为在25℃下以及在输送条件下的粘度。
表1
图22是示出针对在将0.1ml(三角形)、0.25ml(正方形)和0.5ml(菱形)水注入反应腔室中时硅油输送的压力与时间关系曲线的曲线图。该曲线图示出了在斜升时段之后可以获得的几乎恒定或递减的压力与时间关系曲线，不过体积扩大的影响在较长时间内占主导地位。这些压力与时间关系曲线不是指数形式的。恒定的压力与时间关系曲线可允许高粘度药物的较慢的均匀输送，这与接近输送周期终点的突然的指数突增相反。
示例2
使用氯化钠(NaCl)来增强反应腔室中气态CO2从反应溶液的释放，从而加速压力的上升。在控制实验中，将柠檬酸和NaHCO3配置在反应注射器中。从喷射器式注射器将1.15M NaHCO3水溶液注入反应注射器中。在全部实验中反应注射器中的空容积始终保持恒定。在论证该概念的实验中，向反应注射器添加NaCl。利用该化学反应来从预充装注射器输送1ml水或硅油。测量输送体积与时间关系和总输送时间。利用哈根-泊萧叶方程计算压力并且假设在预充装柱塞和注射器之间存在0.6lb摩擦力。注意，注入到反应注射器中的水中存在碳酸氢盐，以使得即使反应注射器本身中不存在固体碳酸氢盐也可以产生气体。结果在表2中示出。
表2
盐用来显著提高输送速率，特别是对于使用较少量试剂的系统而言。可以利用化学反应在6至8秒内输送高粘度流体。这比使用采用机械弹簧的标准自动注射器可实现的输送速率明显更快。
图23示出了表2的5号和6号实验的输送体积与时间关系曲线。利用体积在1cm3以下的系统在20秒内输送高粘度流体。输送速率(即斜率)也相对恒定。小的覆盖区使各种有用的装置成为可能。
示例3
测试了若干不同的试剂以说明粉末形态和结构对压力曲线的影响。在此情况下，形态指的是粉末中的分子的表面积、形状和堆积(packing)。测试了相同的碳酸氢盐(碳酸氢钠)。形成三种不同形态——一种为接收状态，一种为通过冻干1.15M溶液形成的冻干状态，且一种为碳酸氢盐被压紧成的片剂状态。还检查了试剂在反应腔室中的“分层”；其中分层指的是试剂在反应缸内的优先配置。在另一个示例中，使用了在基质中包含柠檬酸和碳酸氢钠的Alka-Seltzer泡腾剂。
使用以下试剂：接收状态的小苏打(NaHCO3)、柠檬酸、冻干小苏打、Alka-Seltzer泡腾剂或接收状态的碳酸氢钾(KHCO3)。接收状态的小苏打还以粉末或片剂形式被测试。片剂形式具有减小的表面积。
通过准备125ml饱和小苏打水溶液(1.1SM)来配制冻干小苏打。将溶液倾注到250ml结晶盘中并用无尘纸(Kimwipe)覆盖。将溶液置于冻干机中并激冷至-40℃且保持两小时。温度保持在-40℃，并且在150毫托(mTorr)下施加真空48小时。利用研钵使Alka-Seltzer泡腾片剂(由Kroger制造的泡腾抗酸剂&止痛剂(Effervescent Antacid&PainRelief))破碎并捣碎成粗粉末。
通过将400mg接收状态的小苏打粉末倾注到模具中以产生直径为1cm的片剂来制备小苏打片剂。使模具旋转以使粉末移动而在该1cm上提供均匀的深度。将模具置于压力机中并保持在13吨压力下1分钟。从400mg片剂破碎出重40mg和100mg的片剂。
设备和计划
使用上述试验装置。将3ml喷射式注射器充装0.5ml去离子水。通过鲁尔锁和阀将10ml反应注射器与喷射式注射器连接，然后紧紧地向下夹持在装置中。将测力传感器附接在柱塞杆上，因此反应注射器柱塞在试验期间压在该测力传感器上。这记录了在使流体在预充装注射器中排出时由反应所施加的力。
来自预充装注射器的流体转移到有刻度的注射器中，该过程被视频记录。这观察到流体体积随时间的变化。流体为水(1cP)或硅油(73cP)，该流体通过27号薄壁的预充装注射器转移并具有1毫升(ml)的体积。
在各试验期间获取了两个测量量：利用测力传感器测得的预充装注射器上的力和通过随时测量分配体积而测得的预充装注射器的容积变化。绘出了平均体积与时间关系曲线，以显示各反应是如何改变预充装注射器的体积的。通过根据体积与时间关系曲线来计算流率，从而利用哈根-泊萧叶方程提供压力与时间关系曲线。为了克服预充装注射器中的摩擦，增加了94,219Pa(相当于0.6lb)。这计算出了预充装注射器(半径为3mm)内的压力，因此利用液压方程(P1A1＝P2A2)来计算反应注射器(直径为6.75mm)内部的压力。这用来检查通过测力传感器进行的测量。
通过使用测力传感器中测得的力并将其除以反应柱塞的面积来产生另一个压力与时间关系曲线。我们发现这提供了比通过哈根-泊萧叶方程得到的计算结果再现性更好的数据。
为了确定压力如何随体积变化，生成了压力与体积关系曲线。通过测力传感器测量值来计算所使用的压力。利用预充装注射器的容积变化来计算反应体积。可以由在时刻t时预充装注射器中的分配容积(Vp)来确定反应注射器的容积(VR)。
最后，利用理想气体定律来得出分配流体时的反应速率，其中PR为由测力传感器计算出的压力，VR为反应注射器的容积，R为通用气体常数(8.314Jmol-1K-1)，且T为温度，298K。
试验
基线制剂为如示例1中所述的400mg小苏打、304mg柠檬酸和0.5ml去离子水。假设产量为100％，该制剂产生4.76×10-3摩尔CO2。所有试验的成分被配制成在假设产量为100％的情况下产生同样的4.76×10-3摩尔CO2。执行四组试验。
第一组使用接收状态的小苏打(BSAR)和冻干状态的小苏打(BSFD)。它们的相对量以25％的增量变化。各制剂中还包含304mg柠檬酸(CA)。表3A提供了用于这些试验的小苏打(BS)的目标质量。
表3A
第二组使用接收状态的小苏打和Alka-Seltzer泡腾剂。接收状态的小苏打的量以25％的增量变化。添加化学计量量的柠檬酸。Alka-Seltzer泡腾剂仅为小苏打/柠檬酸的约90％。因此，调节所添加的Alka-Seltzer泡腾剂的总质量以获得要求质量的小苏打/柠檬酸。表3B提供了用于这些试验的各成分的目标质量。
表3B
第三组使用接收状态的小苏打和接收状态的碳酸氢钾。在试验过程中柠檬酸的质量始终维持在304mg。由于碳酸氢钾的大摩尔质量(100.1g/mol，与小苏打的84.0g/mol相比)，需要更多的质量以产生相同摩尔数的CO2。表3C提供了用于这些试验的各成分的目标质量(单位为mg)。
表3C
试验 小苏打 碳酸氢钾
100％BS 400 0
50％BS 200 239
100％KHCO3 0 477
第四组使用小苏打片剂。添加化学计量量的柠檬酸。不添加其它试剂。表3D提供了用于这些试验的各成分的目标质量(单位为mg)。
表3D
试验 小苏打片剂 柠檬酸
400BS-304CA 400 304
100BS-76CA 100 76
40BS-30CA 40 30
试验结果
第一组：接收状态的小苏打(BSAR)和冻干的小苏打(BSFD)。
冻干的小苏打粉末看上去比接收状态的小苏打粉末粗。它密度也较低；400mg冻干粉末在反应注射器中占用2ml，而接收状态的粉末仅占用0.5ml。由于材料的体积，较小体积的水(0.5ml)不足以与所有冻干的小苏打充分接触。因而，在“100％”、“75％”和“50％”实验中，碳酸氢盐未充分润湿、溶解或反应。因此，首先使第五制剂流经冻干样品的插入位置处。接着是柠檬酸，然后是接收状态的粉末。它被标记为“50％BSAR第二”。该制剂容许所注射的水首先与冻干粉末接触，然后接触并溶解柠檬酸和接收状态的粉末。排移1ml硅油所需的时间在表3E中示出。
表3E
制剂 时间(秒)
100％BSAR 10
75％BSAR 13
50％BSAR 11
50％BSAR第二 22
100％BSFD 14
图24示出了体积与时间关系曲线图。看上去100％冻干粉末最初比100％接收状态粉末快，但随着时间推移减慢。接收状态的粉末耗费10秒来排移1ml，而冻干粉末耗费14秒。不出所料，发现使用混合量的试验的时间处于两种极端情况所需的时间之间。
图25中提供了压力与时间关系曲线图。具有100％BSAR的制剂呈现比100％BSFD的最大压力高出将近100,000Pa的最大压力。相比之下，使用“75％BSAR”提供较快的压力上升和较慢的衰减。为了易于对比，将压力归一化并绘制在图26和图27(两个不同时间段)中。
100％BSAR相比75％BSAR和50％BSAR制剂具有慢的初始反应速率。这表明冻干的小苏打(BSFD)溶解和反应得更快，并且这在图22中可见。然而，图21示出了随着冻干的小苏打含量增大，获得越低的最大反应压力。由于冻干粉末的低密度，200mg冻干的小苏打占用1ml空间，因此在所产生的气体使柱塞移动之前0.5ml去离子水无法接触全部材料，从而使干粉末粘在腔室侧面上；不是全部的冻干的小苏打都反应，而产生较少的CO2。对于100％BSFD试验而言，估计仅溶解试剂的四分之一。例如在产生气体的化学反应在刚性腔室中发生的情况下可通过修改腔室装置来减轻该现象，所产生的CO2经过滤器扩散而推动柱塞。
在“50％BSAR第二”的试验中，当首先添加冻干的小苏打，且在此之后添加柠檬酸和接收状态的小苏打时，大部分粉末保持为固体，从而导致较低的压力。低初始反应最可能由在到达并溶解柠檬酸之前经1ml冻干的小苏打粉末扩散的0.5ml水引起。该测试是最接近该组中的提供恒定压力曲线的试验。
对于50％BSAR和75％BSAR制剂，在CO2体积为约0.8ml时获得最大压力。这些制剂还在压力与时间关系曲线图中具有最快速率(参看图26)。其余制剂在CO2体积为约1.2ml时具有最大压力。
有趣的是，参看图23和图24，“50％BSAR第二”显示了不同的压力与时间关系曲线(图23中的Pa-s)，但具有与图24中的100％BSFD近似相同的压力与体积关系曲线。返回参照表3E，“50％BSAR第二”多耗费约8秒来排移1ml硅油，因此其压力曲线相对于100％BSFD被“抽出”，且其具有不同流率。结果表明可以通过包括具有两种不同溶解速率的碳酸氢盐来减小伴随着活塞运动(和反应腔室的容积扩大)的压降，其中不同溶解速率由它们的形态和/或在反应腔室中的位置提供。
表3F示出了拟合为y＝ax2+bx的用于产生CO2的反应速率与时间的关系。
表3F
制剂 第一项(a) 第二项(b)
100％BSAR 0 5×10-5
75％BSAR 0 4×10-5
50％BSAR 0 4×10-5
50％BSAR第二 -5×10-7 2×10-5
100％BSFD -1×10-6 2×10-5
100％BSAR、75％BSAR和50％BSAR曲线具有大致相同的线性反应速率。“50％BSAR第二”形成二阶多项式。“100％BSFD”看上去是参数化的；它具有与100％BSAR和75％BSAR、50％BSAR相同的线性速率，并且然后斜率在5秒之后突然减小并与“50％第二BSAR”汇合。
第二组：接收状态的小苏打和Alka-Seltzer泡腾剂。
在图28、图29中分别示出了针对作为注射流体的硅油和水的体积与时间关系曲线图。排移1ml各流体所需的时间在表3G中列出。估计时间测量误差为半秒。
表3G
时间(秒)
难以比较水的排移时间，因为它们全都彼此相差1秒以内。100％BSCA、25％BSCA和100％Alka-Seltzer泡腾剂的体积曲线具有最快的排移1ml硅油的时间。100％BSCA看上去缓慢地开始且然后加速。发现50％BSCA和75％BSCA的时间最慢。它们似乎随着排移的不断进行而减慢。
在图30、图31中分别示出了针对作为注射流体的硅油和水的压力与时间关系曲线图。100％BSCA具有最慢的初始压力上升。这是预料之中的，因为Alka-Seltzer泡腾剂被配制成允许水更快地扩散到片剂中。对于硅油，75％BSCA和50％BSCA分别具有第二最大压力和第三最大压力。然而，这两种制剂排移1ml硅油所耗的时间最长。它们的压力也衰减得最慢。这最有可能归咎于注射器中增加的摩擦。
图31中的针对水的曲线彼此处于合理的误差内。然而，它们大于由哈根-泊萧叶方程估计的压力，该哈根-泊萧叶方程通过100％Alka-Seltzer泡腾剂制剂计算的最大压力为51,000Pa。在测试期间未观察到高摩擦。
图32中针对硅油提供了归一化压力与时间关系曲线图。表3H中提供了硅油的压力衰减速率。
表3H
制剂 衰减速率(Pa/s)
100％BSCA 6,854
75％BSCA 4,373
50％BSCA 3,963
25％BSCA 9,380
100％Alka-Seltzer泡腾剂 10,695
对于硅油，100％BSCA和75％BSCA具有相同的归一化压力上升但不同的衰减速率。如上所述，75％BSCA可能已经历更多摩擦，从而引起体积的变化缓慢并且保持压力的时间更长。具有与75％BSCA相同的衰减速率的50％BSCA同样如此。出乎意料地，50％BSCA的压力上升刚好介于100％BSCA与100％Alka-Seltzer泡腾剂之间。这可表示摩擦不影响压力上升。在最快的压力上升和最快的衰减的情况下，100％Alka-Seltzer泡腾剂和25％BSCA具有相同的压力曲线。100％BSCA同样看上去具有与这两种制剂相同的衰减。对于水，发现Alka-Seltzer泡腾剂与BSCA的比率越高，则引起相对越小的压力衰减。100％Alka-Seltzer泡腾剂具有快速的压力上升但连同100％BSCA”和75％BSCA一起快速衰减。然而，25％BSCA和50％BSCA具有比其它制剂要快的压力上升和比其它制剂要少的压力衰减。
对于硅油，100％Alka-Seltzer泡腾剂、50％BSCA和75％BSCA在CO2体积为约1.2ml时全都达到峰值。25％BSCA在约0.8ml时达到峰值。100％BSCA直到约1.6ml才达到最大压力。这与使用完全相同的制剂但在CO2体积为1.2ml时达到其最大压力的第一组测试中的“100％BSAR”稍微不同。
表3I示出了拟合为y＝ax2+bx的针对硅油注射期间CO2产生的反应速率。
表3I
制剂 第一项(a) 第二项(b)
100％BSCA 0 4×10-5
75％BSCA 0 3×10-5
50％BSCA 0 3×10-5
25％BSCA 0 4×10-5
100％Alka-Seltzer泡腾剂 -2×10-6 6×10-5
除100％Alka-Seltzer泡腾剂以外的全部制剂形成了针对硅油的线性反应速率。用来测试75％BSCA和50％BSCA的预充装注射器中的高摩擦引起了高压力，其可将反应速率降至3×10-5mol/s。100％BSCA和25％BSCA具有相同的反应速率4×10-5mol/s。100％Alka-Seltzer泡腾剂引起二阶多项式。它最初具有与其它制剂相同的反应速率，但在最后几秒内斜率减小。当反应完成时，该溶液比其它制剂粘稠得多。
100％BSCA比使用冻干的小苏打100％BSAR(参看表3F)的前一实验稍微慢1×10- 5mol/s。这可引起排移硅油的时间较慢并且可能在1.6ml的较大CO2体积下达到最大压力。
第三组：接收状态的小苏打和接收状态的碳酸氢钾。
图34示出了关于硅油的体积与时间关系曲线图。排移1ml各流体所需的时间在表3J中列出。
表3J
制剂 时间(秒)
100％BS 8.00
50％BS 8.00
100％KHCO3 6.33
100％KHCO3最快，在6.33秒内排移1ml硅油。100％BS和50％BS在8.00秒的时间内排移相同体积。
图35中给出了压力与时间关系曲线图。表3K中提供了硅油的压力衰减速率。
表3K
制剂 压力衰减速率(Pa/秒)
100％BS 6,017
50％BS 7,657
100％KHCO3 11,004
100％BS制剂仅达到约250,000Pa的最大压力，而其它两种制剂具有约300,000Pa的最大压力。在100％BS达到其最大压力之后，100％KHCO3和50％BS制剂(均包含碳酸氢钾)的压力继续上升数秒。与100％KHCO3相比，50％BS制剂最初具有意料之中的较小压力，但它能够在6秒之后维持较高的压力。结果表明，使用碳酸氢钠和碳酸氢钾的混合物可以产生较高的压力和较慢的衰减。
100％BS在0.6ml与1.8ml的CO2之间某处具有峰值压力。50％BS和100％KHCO3的曲线与前面示出的其它压力与体积关系曲线图不同。代替在CO2体积为约1.2ml达到峰值并衰减，它们在更大的CO2体积下压力继续上升。50％BS和100％KHCO3制剂分别在CO2体积为约2.0和3.2ml时达到峰值。
表3L示出了拟合为y＝bx的反应速率。
表3L
制剂 速率(mol/秒)
100％BS 5×10-5
50％BS 9×10-5
100％KHCO3 1×10-4
100％BS看起来是5×10-5mol/秒(与上述实验相同的速率)的线性反应速率。100％碳酸氢钾的速率为小苏打的两倍。
第四组：小苏打片剂。
图43示出了关于硅油的体积与时间关系曲线图。排移1ml各流体所需的时间在表3M中列出。
表3M
时间(秒)
小苏打(mg) 硅油 水
400 42 25.67
100 104 78
40 247 296
对于硅油和水两者，使用400mg和100mg小苏打片剂和化学计量量的柠檬酸得到了近似直线。将小苏打压紧成密实的片剂，其与其它小苏打实验相比显著降低了反应速率且因而增加了注射时间。表3N示出了拟合为y＝ax2+bx的反应速率。
表3N
对于硅油，400mg BS片剂显示了线性反应速率为4×10-6mol/秒。100mg小苏打片剂保持呈线性将近87秒，直至它突然停止产生气态CO2。40mg片剂的反应速率为二阶多项式并且非常慢。它达到总计2×10-5摩尔的CO2并保持稳定，其中具有一些可能由CO2移入和移出溶液所引起的波动。由于在水中的反应速率低，因此仅使用400mg片剂。
示例3的结果示出了在修改溶解动力学的情况下形成不同的压力与时间关系曲线的能力。
示例4
使用试验装置来测试硅油和27号薄壁针。化学计量反应和结果在下表4中示出。
表4
示例5
利用硅油测试图19所示的原型测试装置。预充装注射器用作从其喷出流体的流体腔室。接下来，使用连接器来将预充装注射器与反应腔室连接。反应腔室包括混合。将一张滤纸放置在反应腔室内以遮盖通向臂的孔口。然后将弹簧放置在混合腔室内。接下来，使用柱塞来使反应腔室中的干试剂与湿液体分离。接下来的部件为按钮，其包括用于液体试剂的内部容积。按钮包括用来给该容积充装液体试剂的孔(不可见)。使用螺钉堵塞住按钮中的孔。将罩帽装配在按钮上以提供结构支承，并且还包围反应腔室的一部分。最后，将姆指压板(thumb press)放置在罩帽顶部上以便于按压。分别使试剂腔室和反应腔室填充液体溶液和干粉末。
测试了处于竖直位置(试剂腔室在反应腔室上方)和水平位置(两个腔室并排)的注射器。试剂和结果在下表5中示出。
表5
假设充分混合，碳酸氢钾为限量试剂，柠檬酸过量89mg。该假设被发现是不正确的，因为在拆卸时在上部腔室中发现了液体并且在下部腔室中发现了粉末。当注射器放置处于水平位置并且各腔室被完全充满时，硅油在17秒内被排移。这说明该装置可以处于任何朝向上工作。这有助于容许患者向他们的腹部、大腿或手臂——这些是对于自行注射而言最普遍的位置——进行注射。
示例6：混合的碳酸氢盐
将示例1的试验设备修改成包含50：50摩尔的碳酸氢钠和碳酸氢钾的混合物。硅油的输送在更快的时间(仅8秒)内完成并且压力与时间关系是平坦的。流量增大且然后在2秒内达到稳定。混合的碳酸氢盐的使用允许具有不同反应动力学特性以控制压力曲线的系统。
示例7：使用成核剂以增强CO2的释放
使用氯化钠(NaCl)来增强气态CO2从反应溶液到反应腔室中的释放，从而加速压力的上升。在控制实验中，将柠檬酸和NaHCO3配置在反应注射器中。将1.15M NaHCO3水溶液注入到反应注射器中。反应注射器中的空容积在所有实验中最小化并且由粉末的密度决定。在论证本发明的概念的实验中，向反应注射器添加NaCl。利用化学反应来输送1mL水或硅油。测量输送体积与时间的关系和总输送时间。考虑柱塞的面积，利用哈根-泊萧叶方程来计算压力，并且假设预充装注射器柱塞与注射器之间存在0.6lb摩擦力。
盐用来显著提高输送速率，特别是对于使用较少量试剂的系统而言。可以利用该化学反应例如在6至8秒内输送高粘度流体。这比使用采用机械弹簧的标准自动注射器可以实现的输送速率明显要快。示出了针对最少化学反应的输送体积与时间的关系。利用覆盖区在0.5cm3以下的系统在20秒内输送高粘度流体。小的覆盖区使得各种有用的装置成为可能。
示例8：使用具有两种溶解速率的试剂来修改压力与时间关系曲线
通过使具有两种不同形态(优选地，不同表面积)的NaHCO3结合而形成了具有两种不同溶解速率的试剂。例如，可以利用从不同来源获得的碳酸氢盐或通过在与未处理的部分结合之前处理碳酸氢盐的一部分来制备混合物。例如，可以冻干一部分以增加表面积。通过冻干1.15M溶液来产生高表面积的NaHCO3。还通过使接收状态的柠檬酸钠/NaHCO3和配制的柠檬酸钠/NaHCO3(Alka-Seltzer泡腾剂)结合来形成具有两种不同溶解速率的试剂。结果显示了在修改溶解动力学的情况下形成不同压力与时间关系曲线的能力。
示例9：压力随着活塞扩张而降低的最小化
形成化学动力装置，用以在12秒以内使粘度为1至75cP且体积为1至3mL的流体输送通过27号针。在此示例的实验中，将干化学物质在广口瓶中预混合并且然后添加至反应注射器(B)。该反应注射器由10mL或20mL注射器组成。柱塞完全下压在粉末上，使得不存在额外的空容积。向反应注射器添加溶液；随着CO2产生，柱塞杆压靠在PFS的柱塞上并输送流体。考虑了六种动力装置制剂，如下表所示。
在图40-42中示出了针对不同化学动力装置的力与时间关系曲线。使用制剂1和2来输送1mL流体通过27号薄壁针；即标准PFS。检查粘度为25cP和50cP的流体。当试剂量增加时实现了较快的输送。碳酸氢钾的使用允许采用比在使用碳酸氢钠时所采用的试剂明显要少的试剂。
使用制剂3、4和5来输送3mL 50cP流体通过27号薄壁针。目标流率比制剂1和2的目标流率高。这种情况下，简单地将反应按比例扩大至更大的量(制剂3)会由于快速反应而引起力的大幅初始过调。通过在注射期间采用100％固体试剂(反应腔室中的柠檬酸和碳酸氢钾的混合物)来减少该过调。该方法随着水溶解碳酸氢钾并使得可得到碳酸氢盐离子而提供稳定状态的CO2。制剂5呈现了平坦的输送曲线并在6.5s内输送3mL50cP流体。
示例10：对流剂的添加
发现添加少量(例如＜10mg，针对1mL动力装置)缓慢溶解或不溶的颗粒有效地大幅提高了气态CO2的产生速率和气态CO2的最大产生量，从而大幅提高了动力装置的功率密度。出乎意料地，我们发现颗粒的表面能量和表面拓扑结构仅具有微小影响，因为各种缓慢溶解或不溶颗粒是起作用的，包括硅藻土、ExpancelTM(聚丙烯腈空心微球)、草酸钙和结晶草酸。这种情况下，缓慢溶解意味着颗粒溶解得比动力装置中试剂慢。可以通过溶解固体试剂并查找颗粒是否存在或确定所存在的材料的特性并比较它们的溶度积来以实验方式确定这些颗粒的有无。密度可以低于或高于水。
我们相信，这些剂单独作用或与离开流体的气态CO2协作，以设置混合场，其与流化床中可能存在的混合场相似。混合场增加了试剂之间和对流剂与试剂之间的碰撞。这些增加的碰撞用来释放表面上和缝隙中(例如容器上或碳酸氢盐表面上)可能存在的运动捕获的CO2。
我们的结果表明，这些试剂并非主要用作成核剂，尽管这可以是次要因素。试剂在容器腔室固定为恒定容积或允许膨胀的状态下有效。在恒定容积情况下，压力不上升，并且溶液决不会过饱和，如例如在与大气相通的加压碳酸饮料中可见的。此外，增加成核表面例如多孔铝是不起作用的。试剂必须以颗粒形式存在于动力装置中。
以两种设置中的其中一种设置执行实验。
恒定容积：使用恒定容积设置来比较不同化学反应时间。将试剂放置在2ml反应腔室中；通过使用注射器并在期望注射时间注入反应腔室中来向该腔室添加液体试剂，并且关闭阀。通过压力传感器测量压力，并通过热电偶测量温度。随着反应发生，来自该腔室的压力经小管被引入气缸中。使用气缸作为实际注射系统中的活塞/柱塞的等效装置。对于恒定容积设置，气缸最初移动1.5英寸至用于2ml注射器的注射位置的终点并在整个试验过程中始终保持在该位置。这提供了反应腔室的全部容积并且气缸为9.9ml。使用压力传感器来测量作为背压的压力，但可以从气缸中的压力和活塞面积来计算该力。利用恒定容积来考虑初始化学选择的优点在于它允许压力与时间关系曲线的良好对比而不必考虑实际系统将存在的容积差。
试验条件
测试在接收状态下的以下化学物质：碳酸氢钠、碳酸氢钾、柠檬酸、酒石酸、草酸、草酸钙、硅藻土和ExpancelTM。
通过铝在草酸中阳极化以形成多孔表面结构和高表面能量来制备阳极氧化铝。
将试剂装入反应容器中或作为溶液装入注射器。反应容器通常包含以固体或溶液形式的酸，包含或不包含添加剂。注射器包含碳酸氢盐溶液。在分析天平上测量化学计量比的以粉末形式的试剂(碳酸氢盐和酸)。试剂的质量在下表中示出。
表：用于测试的试剂的质量。
使用1mL水来溶解碳酸氢盐并且向它们供给介质，在该介质中反应可在化学动力装置(ChemEngine)的反应腔室内进行。
向该化学制剂添加4种不同类型的对流剂，给反应腔室增加成核表面，并且在单独的试验中对反应腔室增加外部振动。
1.不溶于水，密度高——硅藻土(DE)
2.不溶于水，密度低——聚丙烯腈(PAN)空心微球
3.稍微溶于水——草酸钙
4.高度溶于水——氯化钠和草酸
5.成核表面——阳极氧化铝
6.机械振动
将对流剂(1-4)全都作为干的颗粒以5mg与50mg之间的装载量添加至化学制剂。将成核表面(阳极氧化铝)添加到反应腔室中。
如图43所示，对流剂全都提高了基线制剂上的压力蓄积速率。这种情况下，基线制剂为相同量的碳酸氢钾、柠檬酸和水，但不存在其它化学物质。机械振动也提高了基线制剂上的压力蓄积速率。成核表面对压力蓄积速率的影响很小。提供图43中的数据以表明对流剂用来提高试剂之间和试剂与产物之间的碰撞速率，从而以升高的速率将CO2释放至气相/气态。该数据表明对流剂的添加通过差异化机制操作并且相比于成核剂的添加能更快地升高反应腔室压力。图44中的数据表明机械振动(来自Vibra-FlightTM控制器的70Hz振动)和对流剂对系统以恒定力使柱塞移位的速率具有相似影响。
图45示出了出乎意料的结果，即较少量的对流剂引起较快的CO2产生。实验表明，存在约10mg硅藻土引起比每ml 5mg或50mg明显更快的CO2产生。因而，一些优选组分介于7与15mg之间的一种或多种对流剂。示例11：功率密度
以恒力或恒定容积测量各种化学动力装置的功率密度。
恒力设置：
恒力：对恒力使用与(上述)恒定容积相似的设置，但安装测力传感器的平台能够移动。气缸最初是关闭的，以使得反应腔室和连接器的初始容积为2.3ml。允许气缸移动1.4英寸(3.56)。选择该距离是因为它是活塞为了清空标准2ml注射器所必须移行的量。该平台最初被加压至18lbs，这对应于使用带27号TW针的标准2ml注射器在8秒内注射2ml 50cP流体。在9lbs的背压下获得另外的测量结果。这对应于使用带27号TW针的标准1ml注射器在8秒内注射1ml 50cp流体。将粉末试剂放入试剂腔室中并且液体试剂位于注射器中。将液体试剂注入腔室中并且关闭阀。测量压力、力和温度，直至气缸达到其利用安装在平台上的LVDT(线性差动变压器)确定的移行距离。在图46中示出了(试验)设备。
图46中标记为水的注射器可以替换地为包括酸或碳酸氢盐的水溶液。
该试验设备可应用于测试几乎任何的化学动力装置。可以通过将整个装置放置在试验设备中来测试作为一体的装置的化学动力装置。当测试包括流体隔室的一体系统时，可以直接测量或利用哈根-泊萧叶方程计算平均力。在测试之前首先分离可与流体隔室分离的化学动力装置。
在下表中，向摩尔比为1：3的柠檬酸和碳酸氢盐的混合粉末添加水。功率密度比：
在不同背压和初始体积下计算功率密度。在反应引发时——即酸和碳酸盐与溶剂结合时——开始测量时间。
这种情况下，功率密度＝平均力*离行程结束的距离/(输送时间*初始试剂的体积)。
所使用的体积为试剂全部溶解时并且在CO2已逸出之后的试剂的体积。这些计算未考虑反应腔室内未由试剂或溶剂占用的开放空间。
*未达到完全排移，因此使用了在60s时3.05cm的位移
**未达到完全排移，因此使用了在60s时2.17cm的位移
示例(第一排)
功率密度＝平均力*位移/时间/试剂体积
111,778W/m3＝99.3N*3.56cm*(0.01m/cm)/22.59s/1.4mL*(0.000001m3/mL)
(数值与该表中不一致，因为这些数值在该示例中是圆整过的。)
在各上述实验中，碳酸氢盐与柠檬酸的摩尔比为3：1(一般而言，对于所有本申请中所述的系统而言，优选的制剂的碳酸氢盐与柠檬酸的摩尔比在2至4、更优选在2.5至3.5的范围内)。本发明可以通过如上所述并在9lbs(40N)的名义背压下测量和计算出的在常温下的功率密度来表征。在这些条件下，本发明优选具有至少50,000W/m3、更优选地至少100,000W/m3、更优选地至少250,000W/m3、更优选地至少400,000W/m3并且在一些实施例中上限为1,000,000W/m3或约900,000W/m3的功率密度。替换地，可通过与经历相同条件的控制制剂的比较根据功率密度限定本发明。该控制制剂包含1mL水、403mg柠檬酸和529mg碳酸氢钠。该控制制剂适用于约2mL的反应腔室容积；应当使用控制制剂——该控制制剂调节了体积同时维持了水、碳酸氢钠和柠檬酸的上述比例——来测试大于或小于2ml的化学动力装置中的控制剂的功率密度。同样，如在9lbs(40N)的名义背压和恒力下测得的，本发明的化学动力装置在与该控制剂相比时优选具有至少1.4、更优选地至少1.3的功率密度比；并且在一些实施例中10或约5或约4.4的最大功率密度比。在优选实施例中，在酸、碳酸盐和溶剂(水)结合时的2秒、更优选地1秒以内开始排移。
应当指出的是，术语“控制剂”并非意味着传统制剂，因为用于化学动力装置的传统制剂要稀很多。该控制剂通常针对完全排移测试；然而，在完全排移不是在30秒内实现的情况下，将控制剂定义为在前30秒内排移。

Claims (44)

1.一种用于通过化学反应来输送流体的装置，包括：
试剂腔室，一柱塞位于该试剂腔室上端且一单向阀位于该试剂腔室下端，所述单向阀容许从所述试剂腔室离开；
反应腔室，所述单向阀位于该反应腔室上端且一活塞位于该反应腔室下端；和
流体腔室，所述活塞位于该流体腔室上端，其中所述活塞响应于所述反应腔室中产生的压力移动，以使得所述反应腔室的容积扩大且所述流体腔室的容积缩小；
其中，所述反应腔室包含干酸粉末和释放剂。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述酸粉末为柠檬酸并且所述释放剂为氯化钠。
3.一种用于通过化学反应来输送流体的装置，包括：
筒体，该筒体包含通过可动的活塞隔开的反应腔室和流体腔室；和
用于加热所述反应腔室的热源或照射所述反应腔室的光源。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述反应腔室包含在暴露于光时产生气体的至少一种化学试剂。
5.一种用于通过化学反应来输送高粘度流体的方法，包括：
在一装置的反应腔室中引发产生气体的化学反应，所述腔室包括活塞；
其中，所述气体使所述活塞移动到包含所述高粘度流体的流体腔室中并输送所述高粘度流体；并且
其中，以恒定的压力与时间关系曲线输送所述高粘度流体。
6.一种用于通过化学反应来输送流体的装置，包括：
筒体，该筒体包含试剂腔室、反应腔室和流体腔室；
其中，所述试剂腔室位于处在所述筒体的顶端的按钮构件内；
将所述试剂腔室与所述反应腔室隔开的柱塞；
弹簧，所述弹簧在所述按钮构件被下压时偏压至将所述柱塞推入所述试剂腔室中；和
活塞，所述活塞将所述反应腔室与所述流体腔室隔开，其中所述活塞响应于所述反应腔室中产生的压力而移动。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述按钮构件包括在外端由接触面封闭的侧壁、从所述侧壁的内端向外延伸的唇部和紧邻所述侧壁的外表面上的中央部分的密封构件。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述柱塞包括中央主体和位于内端的密封构件，所述中央主体具有从其径向延伸的凸耳，所述密封构件与所述反应腔室的侧壁接合。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述按钮构件的内表面包括用于所述凸耳的通道。
10.根据权利要求6所述的装置，其中，所述反应腔室由径向内表面分隔成混合腔室和臂，所述径向内表面具有孔口，并且所述活塞位于所述臂的端部。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述混合腔室包括遮盖所述孔口的透气过滤器。
12.一种用于通过化学反应来输送流体的装置，包括：
上腔室，所述上腔室具有位于该上腔室下端的密封件；
下腔室，所述下腔室具有位于该下腔室上端的端口、位于该下腔室上端的齿环和位于该下腔室下端的活塞，所述齿环的齿朝所述上腔室的所述密封件定向；和
流体腔室，所述活塞位于该流体腔室上端；
其中，所述上腔室相对于所述下腔室沿轴向移动；
并且
其中，所述活塞响应于所述下腔室中产生的压力而移动，使得所述反应腔室的容积扩大并且所述流体腔室的容积缩小。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述活塞包括头部和与所述端口连通的气囊。
14.根据权利要求12所述的装置，其中，所述齿环包围所述端口。
15.根据权利要求12所述的装置，其中，所述上腔室在所述装置的筒体内移行。
16.根据权利要求12所述的装置，其中，所述上腔室为柱塞的下端。
17.根据权利要求15所述的装置，其中，所述柱塞包括压力锁，该压力锁与所述装置的顶端协作以在被下压之后将所述上腔室锁定就位。
18.根据权利要求15所述的装置，其中，所述流体腔室包含粘度为至少40厘泊的高粘度流体。
19.根据权利要求12所述的装置，其中，所述上腔室包含溶剂。
20.根据权利要求12所述的装置，其中，所述下腔室包含彼此反应以产生气体的至少两种化学试剂。
21.根据权利要求12所述的装置，其中，所述上腔室、所述下腔室和所述流体腔室是单独部件，所述单独部件结合在一起以形成所述装置。
22.一种用于通过化学反应来输送流体的装置，包括：
上腔室；
下腔室，一活塞位于该下腔室下端；
流体腔室，所述活塞位于该流体腔室上端；和
柱塞，所述柱塞包括穿过所述上腔室延伸的轴、位于所述轴的下端的止挡件和位于所述轴的上端的姆指座，所述止挡件与一座部协作以将所述上腔室和所述下腔室隔开；
其中，拉动所述柱塞引起所述止挡件与所述座部分离并形成所述上腔室与所述下腔室之间的流体连通；并且
其中，所述活塞响应于所述下腔室中产生的压力而移动，以使得所述反应腔室的容积扩大并且所述流体腔室的容积缩小。
23.根据权利要求22所述的装置，其中，所述流体腔室包含粘度为至少40厘泊的高粘度流体。
24.根据权利要求22所述的装置，其中，所述上腔室包含溶剂。
25.根据权利要求22所述的装置，其中，所述下腔室包含彼此反应以产生气体的至少两种化学试剂。
26.根据权利要求22所述的装置，其中，所述上腔室、所述下腔室和所述流体腔室是单独部件，所述单独部件结合在一起以形成所述装置。
27.根据权利要求22所述的装置，其中，所述上腔室或所述下腔室包含封装的试剂。
28.一种用于通过化学反应来输送流体的装置，包括：
反应腔室，该反应腔室由隔板分隔成第一隔室和第二隔室，所述第一隔室包含能彼此反应以产生气体的至少两种干化学试剂，并且所述第二隔室包含溶剂；和
具有出口的流体腔室；
其中，所述流体腔室中的流体响应于所述反应腔室中产生的压力而经所述出口离开。
29.根据权利要求28所述的装置，其中，所述反应腔室中产生的压力作用在所述流体腔室中的活塞上以使流体经所述出口离开。
30.根据权利要求28所述的装置，其中，所述反应腔室由侧壁形成，所述流体腔室由侧壁形成，并且所述反应腔室和所述流体腔室在所述装置的第一端处流体连接。
31.根据权利要求28所述的装置，其中，所述反应腔室包括紧邻所述流体腔室的柔性壁；并且其中，所述流体腔室由柔性侧壁形成，使得所述反应腔室中产生的压力引起所述柔性壁膨胀并压缩所述流体腔室的所述柔性侧壁，从而引起流体经所述出口离开。
32.根据权利要求28所述的装置，其中，所述反应腔室和所述流体腔室由壳体包围。
33.根据权利要求31所述的装置，其中，所述反应腔室和所述流体腔室在所述壳体中是并排的。
34.根据权利要求31所述的装置，其中，一针从所述壳体的底部延伸并与所述流体腔室的出口流体连接；并且其中，所述反应腔室位于所述流体腔室的顶部上。
35.一种用于通过化学反应来输送流体的装置，包括：
上腔室，一固定的单向阀位于该上腔室下端，所述单向阀容许从所述上腔室离开；
柱塞，所述柱塞能仅移行通过所述上腔室；
下腔室，所述固定的单向阀位于该下腔室上端且一活塞位于该下腔室下端；和
流体腔室，所述活塞位于该流体腔室上端；
其中，所述活塞响应于所述下腔室中产生的压力而移动，以使得所述反应腔室的容积扩大并且所述流体腔室的容积缩小。
36.根据权利要求35所述的装置，其中，所述流体腔室包含粘度为至少40厘泊的高粘度流体。
37.根据权利要求35所述的装置，其中，所述上腔室包含溶剂。
38.根据权利要求35所述的装置，其中，所述活塞由位于所述下腔室的下端的推动面和位于所述流体腔室的上端的头部形成，并且可选地包括将所述推动面和所述头部连接的杆。
39.根据权利要求35所述的装置，其中，所述柱塞包括姆指座和压力锁，所述压力锁与所述上腔室协作以在被下压之后将所述柱塞锁定就位。
40.根据权利要求39所述的装置，其中，所述压力锁紧邻所述姆指座并与所述上腔室的上表面配合。
41.根据权利要求39所述的装置，其中，所述下腔室由所述单向阀、连续的侧壁和所述活塞限定，所述单向阀和所述侧壁相对于彼此固定以使得所述下腔室的容积仅通过所述活塞的移动改变。
42.根据权利要求39所述的装置，其中，所述上腔室、所述下腔室和所述流体腔室呈圆柱形并且是共轴的。
43.根据权利要求39所述的装置，其中，所述上腔室、所述下腔室和所述流体腔室是单独部件，所述单独部件结合在一起以形成所述装置。
44.根据权利要求39所述的装置，其中，所述单向阀供给所述下腔室中的气囊，所述气囊推动所述活塞。
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