DE112018004670T5 - Zellkonservierungs- oder zellkultivierungsanordnung - Google Patents

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Eduard Gerard Marie Pelssers
Cornelis Petrus HENDRIKS
Reinhold Wimberger-Friedl
Achim Hilgers
Mark Johnson
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Koninklijke Philips NV
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Abstract

Eine biologische Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung (20) umfasst eine Kammer, die einen Fluidrückhalteraum (30), der bei Verwendung einen Fluidkörper (34) hält, und eine verformbare Membran (36), die in Kommunikation mit dem Fluidrückhalteraum steht, und durch eine elektroaktive Polymeraktoranordnung (38) manipulierbar ist, um einer definierten Topologieänderung unterzogen zu werden, damit in dem Fluid ein Fluidfließmuster herbeigeführt wird, durch das das Fluid zwischen einem Teilbereich (46) in unmittelbarer Nähe der verformbaren Membran und einem Teilbereich (48) abseits der verformbaren Membran ausgetauscht wird.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung bezieht sich auf eine Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung, beispielsweise einschließlich Organ-on-a-Chip-Zellkultivierungsanordnungen oder -vorrichtungen oder Anordnungen oder Vorrichtungen zur Konservierung oder zum Speichern biologischer Materie wie Blut.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Wenn biologische Zellen oder Mikroorganismen auf einer Oberfläche gezüchtet werden, verbrauchen sie Nährstoffe, einschließlich gelöster Gase und ausgeschiedene Metaboliten. Ohne aktiven Austausch von Flüssigkeit nahe der Oberfläche mit Bulk-Flüssigkeit kann nur Diffusion Nährstoffe aus der Bulk-Flüssigkeit liefern, und nur Diffusion kann Metaboliten von der Oberfläche zur Masse transportieren. Diffusion ist ein langsamer und ineffizienter Mechanismus für den Nährstoff- und Metabolitenaustausch. Somit kann Zellwachstum durch diesen Diffusionsprozess eingeschränkt sein, indem die Nährstoffzufuhr und die Entfernung der Ausscheidungsmetabolite eingeschränkt wird, was bei einer höheren Konzentration (beispielsweise Hefezellen auf einer Ethanol herstellenden Oberfläche) schädlich sein kann. Darüber hinaus werden die Zellen in der unteren Schicht zunehmend auf Schwierigkeiten beim Erhalt ausreichender Nährstoffe und beim Beseitigen schädlicher Metaboliten treffen, wenn mehrere Zellschichten kultiviert werden.
  • Eine diesbezügliche Schwierigkeit ergibt sich in Fällen, wo Blut gespendet wird und/oder wo das Blut gespeichert wird oder wo Blut als ein Kultivierungsmedium in einer Zellkultivierungsvorrichtung verwendet wird. Eine Variante von im Blut vorhandenen Zellen ist die von Blutplättchen (oder Thrombozyten). Blutplättchen sind für Blutgerinnung verantwortlich und führen diese Funktion im Körper durch Sammeln an einer Stelle gebrochener Haut, Anhaften an der Haut und anschließendes Aktivieren durch, worauf sie irreversibel ihre Form verändern. Wenn Blut aus dem Körper entfernt und gespeichert wird, kann die vorzeitige Aktivierung der Blutplättchen ausgelöst werden, außer wenn das Blut kontinuierlich geschüttelt wird. Ohne Schütteln wird daher die Lebensfähigkeit des Blutes stark vermindert und außerdem kann sogar eine Blutgerinnung auftreten.
  • Um dies zu vermeiden, muss unter anderem den Blutplättchen ausreichend Sauerstoff zugeführt werden und es muss ausreichend Kohlendioxid entfernt werden. Wenn das Blut beispielsweise in Beuteln gelagert wird, muss folglich jeder Beutel auf einem sperrigen Schüttler in einem temperaturgesteuerten Aufbewahrungsschrank platziert werden.
  • Es ist bekannt, dass insbesondere während des Transports Blutplättchen ohne Schütteln aktiviert werden können. Es wurden Schüttler entwickelt, um die Blutplättchen kontinuierlich zu schütteln, wenn sie in einem Aufbewahrungsbeutel enthalten sind. Dies sind jedoch sperrige Anordnungen, die während des Transports besonders aufwendig sind. Es ist auch bekannt, dass glatte Oberflächen die Aktivierung von Blutplättchen fördern. Folglich ist die Innenfläche der Blutbeutel strukturiert.
  • Es werden Mittel gesucht, um eine noch wirksamere oder zuverlässigere Kultivierung oder Konservierung biologischer Zellen zu ermöglichen, wobei die Zellen durch ein Fluid getragen oder anderweitig transportiert werden, was die oben geschilderten Probleme mindern kann. Insbesondere ist eine Lösung erwünscht, die den Zellen einen effizienteren fluidischen Austausch von Gas oder anderen Substanzen ohne die Notwendigkeit unhandlicher mechanischer Schüttler bieten kann.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Nach den Beispielen gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird eine biologische Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung bereitgestellt, umfassend: eine Kammer, die einen Flüssigkeitsrückhalteraum definiert, der bei Verwendung so angepasst ist, dass er ein Flüssigkeitsvolumen hält und bei Verwendung so angepasst ist, dass er biologische Zellen zur Konservierung oder Kultivierung hält;
    eine undurchlässige verformbare Membran, die innerhalb der Kammer angeordnet ist oder eine Oberfläche der Kammer definiert;
    eine elektroaktive Polymeraktoranordnung, die angeordnet ist, um die verformbare Membran umzuformen, wobei die Membran ihre Undurchlässigkeit beibehält, wobei die elektroaktive Polymeraktoranordnung steuerbar ist, um eine gesteuerte Änderung einer Oberflächentopologie der verformbaren Membran zu bewirken; und
    die verformbare Membran derart angeordnet ist, dass bei Verwendung die Änderung der Oberflächentopologie ein Muster des Fluidstroms innerhalb des Fluidvolumens vorantreibt, in dem Fluid zwischen einem ersten Teilbereich unmittelbar neben der verformbaren Membran und einem zweiten Teilbereich abseits der verformbaren Membran ausgetauscht wird.
  • Ausführungsformen der Erfindung basieren auf der Bereitstellung einer verformenden Membran, die durch eine Anordnung der elektroaktiven Polymeraktoren (EAPs) angetrieben wird, die gesteuert werden kann, um einen Fluidstrom innerhalb eines Fluids zu erzeugen, so dass Fluid zwischen der Oberfläche und einem Massebereich des Fluids ausgetauscht wird. Auf diese Weise können Nährstoffe oder Sauerstoff effizient Zellen oder anderen Materien zugeführt werden, die neben oder nahe der verformbaren Membran angeordnet sind, und Abfallprodukte können effizient von solchen Zellen weggeschwemmt werden und in die Masse gespült werden. Dies unterstützt folglich die Förderung des Zellwachstums (einschließlich z. B. Gewebe- oder Organwachstum) und somit die Kultivierung der Zellen, des Gewebes oder der Organe. Zusätzlich erzeugt ein derartiger Fluss im Fall von Blut eine schüttelnde Wirkung auf Blut, insbesondere auf Blut nahe der verformbaren Membran. Dementsprechend wird ein wirksames Schütteln mit einer Lösung erzeugt, die einen kleinen Formfaktor aufweist, unauffällig und relativ kostengünstig ist. Aktivierung von Blutplättchen und auch Blutgerinnung kann durch die Anordnung vermieden werden, so dass die Blutzellen konserviert werden.
  • Mit der biologischen Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung kann eine Anordnung oder Vorrichtung zur Verwendung beim Züchten oder Kultivieren von Zellen oder Gewebe (einschließlich z. B. während einer Biopsie entnommenes Gewebe) einschließlich z. B. eines Organs auf einer Chip-Anordnung oder Chip-Vorrichtung gemeint sein. Die Anordnung kann zusätzlich oder alternativ eine Vorrichtung oder Anordnung zur Konservierung biologischer Zellen, von Gewebe oder Materie sein, beispielsweise zur Konservierung von Blut (Zellen), beispielsweise durch Verhinderung der Aktivierung von Blutplättchen und/oder Blutgerinnung. Die Anordnung kann zur Konservierung biologischer Zellen oder von Gewebe, z. B. Biopsiegewebe, das während einer Biopsie extrahiert wird, dienen.
  • Die Anordnung kann eine Steuereinheit umfassen, die konfiguriert ist, um die elektroaktive Polymeraktoranordnung zu steuern, um die gesteuerte Änderung einer Oberflächentopologie der verformbaren Membran zu bewirken. Eine Steuereinheit kann als Teil der Anordnung bereitgestellt sein, oder in weiteren Beispielen kann sich eine Steuereinheit außerhalb der Anordnung befinden, wobei die elektroaktive Polymeraktoranordnung angepasst ist, um mit der externen Steuereinheit kommunizieren zu können, um eine Steuerung der Aktoranordnung zu ermöglichen.
  • In allen nachfolgenden Beschreibungen sollte auf eine Steuereinheit im Sinne einer Steuereinheit Bezug genommen werden, die entweder Teil der biologischen Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung ist oder die extern ist, jedoch mit der Anordnung kommunizieren kann.
  • Die Anordnung umfasst eine Kammer, die einen Fluidrückhalteraum definiert, der bei Verwendung einen Fluidkörper hält. Somit ist die benutzte Kammer angepasst, um mindestens ein Volumen eines Fluids zu halten, zu umgeben oder vor dem Entweichen zu bewahren. Somit kann ein lokalisierter Flüssigkeitskörper konsistent in der Kammer enthalten sein, was für die Zellkultivierung und Zellkonservierung wichtig ist. Die Kammer stellt somit eine Zellkultivierungs- oder Zellkonservierungskammer bereit.
  • Eine verformbare Membran ist entweder innerhalb der Kammer angeordnet oder so angeordnet, dass sie bei Verwendung eine Oberfläche der Kammer definiert, z. B. durch Bilden eines Abschnitts einer Wand der Kammer oder eines Abschnitts einer Wand mindestens des durch die Kammer definierten Fluidrückhalteraums. Auf diese Weise ist die Membran in direktem Kontakt mit innerhalb der Kammer zurückgehaltenem Fluid angeordnet, so dass eine gesteuerte Topologieänderung der Membran ein Fluidfließmuster innerhalb des Fluids vorantreibt.
  • Die verformbare Membran kann eine kontinuierliche laminare Form aufweisen. Damit kann gemeint sein, dass die verformbare Membran eine kontinuierliche oder ununterbrochene Membran ist, z. B. eine nicht perforierte oder nicht durchbrochene Membran. Die Membran kann in diesem Fall eine kontinuierliche Schicht bilden.
  • Die Kammer kann so angepasst sein, dass die Fluidfließmuster, die durch die Topologieänderung erzeugt werden, innerhalb der Kammer enthalten sind. Dies erleichtert einen effizienten Austausch von Fluid zwischen einem Bereich nahe der verformbaren Membran und der Masse. Durch Zurückhalten von Fluid innerhalb der Kammer sind erzeugte Fluidströme innerhalb der Kammer enthalten und werden wirksam zur Erleichterung der Fluidtausches zwischen der Masse und der Membran geleitet und nicht z. B. aus der Kammer geleitet, was einen effizienten Austausch mit der Masse nicht unterstützt. Der Austausch mit der Masse ermöglicht eine effektive Wiederauffüllung der Nährstoffe zu biologischen Zellen, die sich an oder in der Nähe der verformbaren Membran befinden, und eine effektive Spülung von Abfallprodukten aus Zellen an der verformbaren Membran.
  • Die verformbare Membran ist eine undurchlässige verformbare Membran, womit eine fluidundurchlässige Membran, die für das genutzte zurückgehaltene Fluid in der Kammer undurchlässig ist, gemeint ist. Mit undurchlässig ist gemeint, dass Fluid durch die Membran nicht von einer Seite zur anderen gelangen kann. Die Membran behält außerdem auch nach Verformung der Membran durch die elektroaktive Polymeranordnung ihre Fluidundurchlässigkeit bei.
  • Der Fluidrückhalteraum kann insbesondere durch eine einzige umgebende Kammer definiert sein statt z. B. durch ein Kammernetz.
  • Die Kammer kann eine fluidisch geschlossene Kammer zum Halten des Volumens des aktiven Fluids sein. Mit fluidisch geschlossenen ist eine Kammer gemeint, die bei Verwendung fluidisch abgedichtet ist oder bei Verwendung eine eingekapselte Kammer ist und/oder zumindest so geschlossen ist, dass ein Entweichen oder ein Austritt von Fluid bei der Verformung der verformbaren Membran verhindert wird. Somit definiert die Kammer bei Verwendung ein geschlossenes Fluidsystem.
  • Die Kammer kann in dem Sinne geschlossen sein, dass sie bei Verwendung fluidisch von beliebigen anderen Fluidkammern oder -behältern isoliert ist, um ihr eigenes geschlossenes Fluidsystem zu bilden. Die fluidisch geschlossene Kammer, die den Fluidrückhalteraum definiert, kann eine eingekapselte Kammer sein.
  • Durch Bereitstellen des Fluidrückhalteraums als ein innerer Bereich einer fluidisch geschlossenen Kammer können Fluidfließmuster effizient isoliert werden oder innerhalb der Kammer selbst enthalten sein. Dies stellt einen effizienteren Fluidaustausch zwischen dem Bereich neben der Membran und der Masse des Fluids bereit. Die Kammer gemäß diesen Beispielen ist vorzugsweise so geschlossen, dass Fluidströme aus der Kammer durch das Antreiben des Fluidfließmusters verhindert werden.
  • Die Kammer kann in alternativen Beispielen nicht vollständig fluidisch geschlossen sein. Die Kammer kann beispielsweise fluidisch über eine Ausflussöffnung mit einem Überlaufbereich verbunden sein, um einen Teil eines Gesamtvolumens des bei Verwendung zuhaltenden Fluids durch den Rückhalteraum aufzunehmen. Die Ausflussöffnung und die Kammer können so geformt oder angeordnet sein, dass ein Großteil des in dem Rückhalteraum enthaltenen Fluids während der Verwendung darin gehalten wird. Somit kann ein Großteil des Fluids bei Verwendung innerhalb des Fluidrückhalteraums gehalten werden. Ein Überlaufbereich kann eine Bewegung der verformbaren Membran in den Rückhalteraum in Fällen zulassen, in denen der Fluidrückhalteraum vollständig mit Fluid gefüllt ist.
  • In Beispielen kann der benutzte Fluidrückhalteraum nur teilweise mit Fluid gefüllt sein, um dadurch einen Luftspalt zur Aufnahme einer Fluidverdrängung innerhalb des Raums durch Verformung der verformbaren Membran zu belassen.
  • In Beispielen kann die Kammer oder mindestens eine Begrenzungswand des Fluidrückhalteraums flexibel sein, um die Aufnahme von verdrängtem Fluid innerhalb des Raums zu ermöglichen, das durch die verformbare Membran verdrängt wird.
  • Verhältnisse von Abmessungen der Kammer können vorteilhaft ausgewählt werden, um Fluidströme zu ermöglichen, die einen effizienten Fluidaustausch zwischen der verformbaren Membran und der Masse fördern. Insbesondere kann ein Verhältnis einer Abmessung der Kammer, die sich von einer Oberfläche der verformbaren Membran nach außen (d. h. in einer im Wesentlichen senkrechten Richtung) zu einer quer zur Oberfläche der verformbaren Membran verlaufenden Abmessung erstreckt, ausreichend groß gestaltet werden, um das Erzeugen von im Wesentlichen nach außen gerichteten Fluidströmen von der Membran (in die Masse) im Gegensatz zu quer geleiteten Fluidströmen zu ermöglichen. Die Kammer der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich daher von z. B. einem Kanal, bei dem in der Regel ein Durchmesser oder eine Höhe des Kanals im Vergleich zur Länge klein ist.
  • Zum Beispiel kann in (nicht einschränkenden) vorteilhaften Beispielen der vorliegenden Erfindung ein Verhältnis einer Abmessung der Kammer nach außen (d. h. im Wesentlichen senkrecht zu) aus der verformbaren Membranoberfläche bis zu einer Abmessung, die sich quer zu der verformbaren Membranoberfläche erstreckt, zwischen 1:1 und 1:20 oder zwischen 1:2 und 1:10 sein. Dies kann beispielsweise mit dem äquivalenten üblichen derartigen Verhältnis für eine kanalähnliche Anordnung verglichen werden, das in der Regel irgendwo zwischen 1:50 und 1:500 liegt. In diesen Fällen werden Fluidströme, die von einer verformbaren Membran weggeleitet werden, durch die Abgrenzung des Kanals abgeführt und dadurch quer umgelenkt. Dies fördert nicht den effizienten Austausch von Fluid zwischen der Oberfläche und einer Masse.
  • Im Allgemeinen sollte der Fluidrückhalteraum mindestens zum Halten eines Flüssigkeitsvolumens geeignet sein und sollte dem Fluid entsprechend ausgelegt werden.
  • Unter einer ,Kultivierungsanordnung' kann im Allgemeinen eine Anordnung oder Vorrichtung verstanden werden, die zur Förderung oder Unterstützung von Wachstum und Ernährung von Zellen oder einer Anordnung oder Vorrichtung dient, die zur Förderung des Zellwachstums dient. Mit ,Konservierungsanordnung' kann im Allgemeinen eine Anordnung oder Vorrichtung gemeint sein, um Zellen in einem lebenden Zustand zu halten oder zu konservieren, so dass sie zu einem späteren Zeitpunkt in diesem lebenden Zustand verwendet werden können.
  • Die Erfindung stellt einen unterschiedlichen Ansatz für die Mechanismen dar, die in den meisten mikrofluidischartigen Systemen verwendet werden, beispielsweise dort, wo eine ausschließlich laminare Strömung erzeugt wird, in der Fluid vorangetrieben wird, um parallel entlang einer Oberfläche oder Wand zu fließen. In einem derartigen Strom gibt es nur eine geringe Vermischung zwischen dem Fluid entlang der Wand und dem Fluid abseits der Wand, weiter in der Masse; der einzige Austausch zwischen diesen beiden fluidischen Bereichen erfolgt durch Diffusion. Jedoch ist die Diffusion, wie oben erwähnt, als ein Mittel zur fluidischen Beförderung von Material langsam und ineffizient. Die vorliegende Erfindung weicht von diesem Ansatz ab, indem eine Aktoranordnung gesteuert wird, um die verformbare Membran auf eine Weise zu verformen, um eine Strömung in Richtungen von der Membran weg zu erzeugen, wodurch das Mischen und der Austausch von Fluid (und damit auch von Nährstoffen und/oder Abfallprodukten, die in dem Fluid enthalten sind) zwischen der Membranoberfläche und der Fluidmasse gefördert wird.
  • Insbesondere stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Aktoranordnung bereit, die betrieben werden kann, um die verformbare Membran so zu manipulieren, dass sie sich auf eine kontrollierte Weise verformt, um eine bestimmte definierte Änderung in der Oberflächentopologie der Membran zu bewirken. Diese topologische Bewegung der Oberfläche verleiht Fluid unmittelbar neben der Oberfläche ein definiertes Kraft- und Druckmuster, wodurch innerhalb des Fluids ein bestimmtes korreliertes Fluidfließmuster, das in direkter Beziehung zu der betroffenen topologischen Änderung steht, ausgelöst wird. Dementsprechend können spezifische Muster von Strömungspfaden innerhalb des Fluids auf eine steuerbare Weise erzeugt werden, indem in der verformbaren Membran eine geeignete Verschiebung der Oberflächentopologie eingeleitet wird.
  • Um Zweifel zu vermeiden, ist mit ,Topologie' allgemein das Oberflächenreliefmuster einer Oberfläche oder das Konturprofil der Oberfläche gemeint.
  • Ausführungsformen der Erfindung beruhen auf der Oberflächentopologieänderung, die eine ausreichend starke Kraft auf das Fluid bewirkt, um ein Fluidfließmuster zwischen der Membranoberfläche und der Masse einzuleiten. Dies ist insbesondere durch die Verwendung einer Aktoranordnung möglich, die elektroaktive Polymere (EAPs) verwendet. Elektroaktive Polymere (EAPs) sind eine Klasse von Materialien innerhalb des Gebiets elektrisch reagierender Materialien. EAPs können leicht in verschiedenen Formen hergestellt werden, die eine einfache Eingliederung in eine große Vielzahl von Systemen ermöglichen. Besondere Vorteile von EAPs schließen geringe Leistung, kleiner Formfaktor, Flexibilität, geräuschloser Betrieb, Genauigkeit, die Möglichkeit einer hohen Auflösung, schnelle Schaltzeiten und zyklische Betätigung ein.
  • Die Verwendung von EAPs insbesondere für die Aktoranordnung stellt die vorteilhaften Eigenschaften einer relativ großen Verformung und Kraft in einem kleinen Volumen oder Formfaktor im Vergleich zu herkömmlichen Aktoren bereit. EAPs bewirken zudem einen geräuschlosen Betrieb, eine genaue elektronische Steuerung, schnelles Ansprechen und eine große Bandbreite möglicher Betätigungsfrequenzen, wie zum Beispiel 0 - 1 MHz, am typischsten unter 20 kHz.
  • Aufgrund des hohen Taktes und der hohen Kraft, die sie bei derartigen kleinen Formfaktoren liefern können, sind EAPs zum Bereitstellen der Funktion des Umformens der verformbaren Membran auf eine kontrollierbare Weise ideal, um eine definierte Topologieänderung zu bewirken. Die Aktoranordnung kann eine Vielzahl von Aktorelementen umfassen oder kann z. B. eine einzige Schicht von Aktormaterial umfassen, das so geformt oder eingeengt ist, dass ein geformtes Betätigungsmuster erzeugt werden kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann eine Steuereinheit eingerichtet sein, um die Aktoranordnung so zu steuern, dass regelmäßige oder wiederkehrende Änderungen der Oberflächentopologie der Membran auf fortlaufender Basis bewirkt werden, um einen Fluidstrom zu erzeugen, in dem Fluid kontinuierlich oder rekursiv zwischen dem ersten und dem zweiten Teilbereich ausgetauscht wird. Die wiederkehrenden Änderungen können intermittierende, aber regelmäßige Änderungen der Topologie sein, d. h. eine diskrete Verschiebung in der Topologie der Oberfläche in regelmäßigen Abständen auf fortlaufender, regelmäßiger Basis. Durch Bereitstellen kontinuierlicher oder fortlaufender Oberflächenverschiebungen werden fortlaufende Fluidströme zwischen der Oberfläche und der Masse erzeugt, wodurch ein zuverlässiger Austausch von Nährstoffen und Abfallprodukten zwischen Bereichen neben der Membranoberfläche und der Fluidmasse sichergestellt wird.
  • Die verformbare Membran kann in den Beispielen mindestens teilweise den Fluidrückhalteraum eingrenzen oder umschließen. Die verformbare Membran kann mindestens einen Abschnitt einer umschließenden oder begrenzenden Wand des Fluidrückhalteraums bilden. Dies stellt eine effiziente Anordnung bereit, da Antriebselektronik und Verbindungen einer zugeordneten Aktoranordnung auf einer Rückseite der Oberfläche bereitgestellt sein können, wobei sie außerhalb des Fluidrückhalteraums angeordnet werden, wodurch vermieden wird, diese Elemente fluidisch zu schützen oder zu isolieren. Wenn sie an oder als Abschnitt einer Wand des Raums bereitgestellt ist, kann die Wand eine nützliche strukturelle Stütze für die Oberfläche und/oder die Aktoranordnung bereitstellen.
  • Gemäß einer oder mehrerer Gruppen von Ausführungsformen kann die Topologieänderung durch die Aktoranordnung unter Kontrolle einer Steuereinheit Oberflächenverformungen der nach innen und nach außen gerichteten Membran des Fluidrückhalteraums umfassen, wobei die nach innen gerichteten Verformungen volumetrisch mit den nach außen gerichteten Verformungen ausgeglichen werden, so dass es keine Nettoveränderung des Volumens des Fluidrückhalteraums vor und nach der Topologieänderung gibt.
  • Mit, volumetrisch ausgeglichen' ist gemeint, dass die Änderung des Volumens durch nach innen gerichtete Verformungen in Richtung des Fluidrückhalteraums, d. h. Vorwölbungen, so begrenzt ist, dass sie der Änderung des Volumens entspricht, die durch nach außen gerichtete Verformungen vom Fluidrückhalteraum weg unterbrochen wird, d. h. Einwölbungen. Gleichermaßen ist die Änderung des Volumens der nach innen gerichteten Vorwölbungen gegen den Fluidrückhalteraum (von der Membran aus) durch die Änderung des Volumens der nach außen gerichteten Vorwölbungen oder abseits des Fluidrückhalteraums (von der Membran aus) ausgeglichen.
  • Die verformbare Membran kann in einigen Beispielen von einer ersten flachen Konfiguration zu einer zweiten gewellten (oder sonst ungleichmäßigen) verformt werden. Alternativ kann die Membranoberfläche beispielsweise verformt werden, um sich von einem ersten wellenförmigen (unebenen) Oberflächenprofil zu einem zweiten, unterschiedlichen wellenförmigen Profil zu bewegen, wobei sich jedoch das Nettogesamtvolumen der konvexen und der konkaven Wellen nicht ändert (wobei das konkave Volumen negativ und das konvexe positiv hinzugefügt wird oder umgekehrt).
  • Der Effekt dieser Konfiguration ist, sicherzustellen, dass die Verformung der Membran keine Gesamtänderung des Volumens des Fluidrückhalteraums bewirkt. Dies bedeutet, dass die Anordnung in der Lage ist, Fluidströme innerhalb des Fluidrückhalteraums zu erzeugen, selbst wenn der Raum fluidisch versiegelt und vollständig mit Flüssigkeit gefüllt ist, wobei keine Luftspalten verbleiben, in die sich Flüssigkeit ausdehnen kann. Aufgrund der Inkompressibilität von Flüssigkeit wäre das Erzeugen von Fluidströmen unter derartigen Bedingungen normalerweise nicht möglich, da zum Erzeugen der Strömungen eine gewisse Verschiebung der Raumabgrenzungen notwendig ist, um die in der Masse verdrängte Flüssigkeit unterzubringen.
  • Die neue Lösung, die durch diesen Satz von Ausführungsformen bereitgestellt wird, löst dieses Problem durch Steuern der Topologieänderung der Membran, so dass eine Verschiebung an den Grenzen erfolgt (da die Membran mindestens teilweise den Fluidrückhalteraum begrenzt), aber auf eine volumetrisch ausgeglichene Art und Weise, so dass die Inkompressibilität des Fluids die Bewegung des Fluids hemmt, d. h. die Veränderung der Oberfläche verringert nicht das Gesamtvolumen des Fluidrückhalteraums, was aufgrund der resultierenden Widerstandskräfte, die von dem Fluid auf die Oberfläche ausgeübt werden, nicht möglich wäre. Zusätzlich stellt die volumetrisch ausgeglichene Topologieänderung sicher, dass das Gesamtvolumen des Raums durch die Membrantopologieänderung nicht erhöht wird, was in einem abgedichteten Raum zu Vakuumeffekten innerhalb des Raums führen würde, wodurch starke Kräfte innerhalb des Raums ausgeübt würden und potentiell signifikante Schäden an darin kultivierten oder konservierten Zellen verursacht würden.
  • Die Aktoranordnung kann eine Anordnung von Aktorelementen umfassen, die jeweils ein elektroaktives Polymer umfassen. Die Anordnung ist vorzugsweise eine geordnete Anordnung, z. B. lineare Reihen oder Spalten umfassend. Jedoch sind selbstverständlich auch andere Anordnungen und Konfigurationen möglich, z. B. gekrümmte Linien von Elementen oder weniger geordnete Anordnungen. Eine geordnete Anordnung stellt den Vorteil bereit, dass sie die größte Flexibilität in Bezug auf die Form der Topologieänderung ermöglicht, die erzeugt werden kann.
  • In bevorzugten Beispielen kann jedes Aktorelementen betätigt werden, um einen Biegevorgang zu durchlaufen. Die Biegung kann eine Betätigung außerhalb der Ebene sein. Die Biegung kann dabei eine Verformung der verformbaren Membran in dem Bereich des Aktorelements außerhalb der Ebene bewirken, im Allgemeinen in eine Richtung nach außen von der Oberfläche und nach innen gegen das Fluidvolumen. Auf diese Art kann eine Änderung der Oberflächentopologie (d. h. eine Änderung der Oberflächenreliefstruktur) erfolgen, wo eine Anordnung derartiger Aktoren bereitgestellt wird und so konfiguriert ist.
  • Jedes Aktorelement kann an gegenüberliegenden Seiten verankert sein, so dass es betätigt werden kann, um einen Biegevorgang zu durchlaufen. EAP-Aktorelemente können üblicherweise einer Verformung in der Ebene bewirken, wenn sie elektrisch stimuliert werden. Die Verankerung hält den Aktor an seinen Kanten, wodurch die Ebenenverformung nach außen einen Biegungsvorgang erzwingen kann.
  • In besonderen Beispielen kann die elektroaktive Polymeraktoranordnung eine Betätigungsschicht umfassen, wobei die Betätigungsschicht die Anordnung der Aktorelemente umfasst. Die Schicht kann zum Beispiel neben der verformbaren Membran auf eingreifende Art und Weise angeordnet sein, beispielsweise unterhalb der verformbaren Membran, um eine physikalische Manipulation der Membran durch die Aktorelemente zu ermöglichen. Dies kann eine effiziente Übertragung der Kraft von den Elementen zu der Membran bereitstellen und eine kompakte Anordnung bereitstellen. Andere Anordnungen sind jedoch ebenfalls möglich.
  • Die Betätigungsschicht kann eine Trägerschicht sein, welche die Anordnung der Aktorelemente trägt. Die Betätigungsschicht kann die Aktorelemente verkörpern; d. h. die Aktorelemente können ganzheitlich von der Betätigungsschicht umfasst werden. Die Schicht kann in diesem Fall eine passive Schicht sein, welche die Aktorelemente ummantelt oder die Aktorelemente mindestens zum Schutz oder zur elektrischen Isolierung abdeckt.
  • Optional kann die Aktoranordnung eine Schicht aus elektroaktivem Polymermaterial umfassen und wobei jedes Aktorelementen einen Abschnitt der Schicht aus elektroaktivem Polymer umfasst. In diesem Fall bildet die Schicht die Aktorelemente.
  • Die Schicht kann durch Bildung partieller Unterbrechungen in der Schicht segmentiert werden, so dass jedes Segment, das gebogen werden soll, individuell gesteuert werden kann.
  • Die Schicht kann zusätzlich oder alternativ durch Anker oder Klemmen oder Stifte bereitgestellte örtliche Verankerungspunkte oder Schichtlinien segmentiert werden, so dass die Segmente der zwischen den Ankern, den Klemmen oder den Stiften gelegenen Schichten nach außen von der Oberfläche weg gebogen werden können. Die Bereitstellung einer einzelnen segmentierten EAP-Schicht kann die einfachste Anordnung im Hinblick auf eine einfache Herstellung darstellen; die Bereitstellung einer Schicht, die segmentiert werden soll, kann weniger zeitaufwändig und beschwerlich sein als das separate Ausbilden einer Vielzahl individueller Aktorelementen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn eine Biegung erwünscht ist, so dass jede mit einer individuellen Klemmanordnung konfiguriert werden muss, die ihre Kanten zurückhält.
  • Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen kann jedes Aktorelement elektrisch angetrieben werden, um sich zwischen einer ersten stabilen Betätigungsposition und einer zweiten stabilen Betätigungsposition zu bewegen. Mit stabil ist gemeint, dass die Aktorelemente ein Antriebssignal nur zum Übergang von einer Position zur nächsten erfordern und dann bei Fehlen eines weiteren Antriebssignals an dieser Position stabil bleiben. Bistabilität wird erreicht, indem ein aus einer EAP-Schicht gebildetes Aktorelement bereitgestellt wird, das mit einer robusten Trägerschicht verbunden ist, wobei das Aktorelement in einer durch eine Klemmanordnung gekrümmten Konfiguration in Position gehalten wird. Das Antreiben der EAP-Schicht mit einem elektrischen Reiz bewirkt, dass sich das Aktorelement verformt, was bewirkt, dass es innerhalb der Klemmanordnung von einer ersten gekrümmten Konfiguration in eine alternative gekrümmte Konfiguration klappt oder umschaltet.
  • Vollständige Details dieser bistabilen Aktoranordnung sind in W02016193412 A1 bereitgestellt.
  • Diese Anordnung stellt eine besonders einfache Konfiguration zum Antreiben der Änderung in der Topologie dar. Strom oder Spannung muss nur angelegt werden, wenn jedes Aktorelement zwischen Betätigungspositionen gewechselt wird; sobald die Position geändert ist, kann das Signal entfernt werden. Jedes Element hat nur zwei stabile Positionen, was die Anzahl möglicher Konfigurationen begrenzt, wodurch die Komplexität der zugehörigen Antriebselektronik und deren Steuerung reduziert wird.
  • Diese Konfiguration kann nützlich sein, wenn wiederkehrende regelmäßige Änderungen in der Oberflächentopologie durchgeführt werden, um einen laufenden oder kontinuierlichen Austausch von Fluid zu bewirken. Die Membran kann beispielsweise einfach wiederkehrend zwischen einer ersten Oberflächentopologie mit Betätigungselementen in einem ersten variierten Satz von Positionen und einer zweiten Oberflächentopologie alterniert werden, wobei jedes der Elemente in seine alternativen Positionen geschaltet wird. Diese Konfiguration kann auch nützlich sein, um die volumetrisch ausgeglichene Membranflächenverformung zu bewirken, indem beispielsweise einfach zwischen einer Oberflächenanordnung mit Elementen in einem ersten variierten Satz von Betätigungspositionen und einem, in dem jedes Element in seine zweite Betätigungsposition geschaltet ist, gewechselt wird. Somit gibt es bei jedem Wechsel eines Elements in eine Richtung eine ausgeglichene Änderung des anderen Elements in die entgegengesetzte Richtung.
  • Die biologische Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung ist im Allgemeinen zur Verwendung in jeder Anwendung geeignet, in der ein zuverlässiger Flüssigkeitsaustausch zwischen einer Oberfläche und einem Massebereich eines Fluidvolumens nützlich ist, um die Zellkonservierung oder -kultivierung zu fördern. Besonders ins Auge gefasste Anwendungen schließen Anordnungen speziell für die Kultivierung von Zellen und Anordnungen zum Lagern von Blut ein.
  • Dementsprechend ist gemäß mindestens eines Satzes von Ausführungsformen die Anordnung eine Zellkultivierungsanordnung und wobei das Muster des Fluidstroms dazu dient, die Nährstoffwiederauffüllung von Zellen zu ermöglichen, die sich an oder nahe der verformbaren Membran befinden.
  • Mit Zellkulturanordnung ist eine Anordnung oder Vorrichtung zur Kultivierung biologischer Zellen gemeint einschließlich beispielsweise zur Kultivierung oder Züchtung von Gewebe. Die Anordnung kann zum Beispiel zum Kultivieren von durch Biopsie erhaltenem Biopsiegewebe dienen. Die Anordnung kann beispielsweise zum Kultivieren oder Züchten von Organgewebe oder zum Kultivieren oder Züchten von Organen dienen. Die Anordnung kann beispielsweise für Organ-on-a-Chip-Züchtung oder -Kultivierung dienen.
  • Die biologische Zellkonservierung oder Zellkultivierung kann ein Substrat zur Kultivierung von biologischen Zellen umfassen, wobei das Substrat innerhalb der Kammer angeordnet ist. Optional kann das Substrat angepasst sein, um die Zellen auf dem Substrat in fester Position zu halten. Dies vermeidet die Membranoberflächenverformung, welche die Zellen verdrängt oder stört.
  • In Beispielen kann das Substrat aus der verformbaren Membran bestehen.
  • Zum Beispiel kann die verformbare Membran durch eine Isolatorschicht (oder isolierende Schicht) abgedeckt werden. Diese Beschichtung könnte in Beispielen ein Substrat darstellen. Alternativ kann ein dediziertes (z. B. flexibles) Substrat angeordnet sein, das über eine Oberfläche der verformbaren Membran verbunden ist. In weiteren Beispielen kann die verformbare Membran zur Begrenzung eines nicht aktiven Bereichs oder Raums, der von der Membran umgeben ist, zur Aufnahme eines Substrats geformt werden.
  • Das Substrat kann mindestens einen Teil eines Chips für Organ-on-a-Chip-Zellwachstum bilden. Organ-on-a-Chip ist ein Begriff aus dem Stand der Technik, der im Allgemeinen einen Chip bezeichnet, meistens einen, der Mittel aufweist, um die Bewegung von Fluid über den Chip zuzulassen, sowie allgemeiner Mittel zum Simulieren von Aktivitäten, Funktionsweisen und physiologischen Reaktionen von Organen und Organsystemen. Es handelt sich dabei um einen aufstrebenden Technologiebereich, in dem anfängliche Durchbrüche erfolgten, bei denen jedoch noch viel Arbeit geleistet werden muss, insbesondere beim Verfeinern der mikrofluidischen Mechanismen für eine effizientere Nährstoffversorgung.
  • Gemäß mindestens einem weiteren Satz von Ausführungsformen kann die Anordnung eine Blutspeicheranordnung oder -vorrichtung sein und wobei die verformbare Membran zum Schütteln von Blut dient, das in dem Fluidrückhalteraum gespeichert ist, um eine Aktivierung von Blutplättchen innerhalb des Blutes zu verhindern und/oder eine Gerinnung des Blutes zu verhindern.
  • Optional kann die Blutspeicheranordnung einen Blutbeutel umfassen, wobei der Beutel die Kammer der Anordnung bildet. Mit ,Beutel' ist allgemein ein flexibler Behälter oder eine anderweitige Umhüllung gemeint, die durch eine elastische Außenhaut begrenzt ist. Unter einem Beutel kann eine durch nachgiebige Wände ummantelte, fluidisch abgedichtete Verkapselung verstanden werden, die z. B. aus Kunststoff gebildet ist.
  • Die verformbare Membran kann in Beispielen mindestens einen Abschnitt einer Begrenzungswand des Fluidrückhalteraums der Blutspeicheranordnung bilden. Optional kann die Aktoranordnung eine Betätigungsschicht umfassen, die ein elektroaktives Polymer umfasst, wobei die Schicht an der verformbaren Membran angeordnet ist und eine Wand des Fluidrückhalteraums bildet, um die Membran zu verformen.
  • Dies stellt ein kostengünstiges Mittel zur Implementierung der Erfindung für Blutbeutel bereit. Blutbeutel werden nach einmaligem Gebrauch entsorgt, um Verunreinigungen zu vermeiden. Wenn die Aktoranordnung in die Wand des Beutels selbst eingebaut wäre, könnte sich dies als kostspielig erweisen, da die Aktoren und die Elektronik mit jedem Beutel weggeworfen werden müssten. Stattdessen stellen diese Ausführungsformen eine Anordnung bereit, bei der die Aktoranordnung außerhalb des Beutels angeordnet ist und in Form einer Schicht ausgebildet ist, die gegen die verformbare Membran angebracht oder gepresst werden kann, um sie zu verformen. Dies kann einfach eine feste Oberfläche oder Schicht sein, auf der der Beutel abgelegt werden kann, oder gegen die er aufgehängt oder gepresst werden kann. Der Beutel kann dann von der Betätigungsschicht entfernt werden, wenn er zur Verwendung erforderlich wird, und die Schicht kann für einen unterschiedlichen Beutel wiederverwendet werden.
  • Die Betätigungsschicht kann gegen die verformbare Membran winkeltreu (d. h. so dass die beiden Oberflächen einander entsprechen) angebracht werden.
  • Mit ,Begrenzungswand' kann eine fluidisch ummantelnde Wand gemeint sein.
  • In Beispielen kann die Blutspeicheranordnung zwei verformbare Membranen umfassen, die jeweils mindestens einen Abschnitt einer Begrenzungswand des Flüssigkeitsrückhalteraums bilden und wobei jede entsprechend einer jeweiligen elektroaktiven Polymeraktoranordnung zur Verformung durch die Aktoranordnung angeordnet ist.
  • In alternativen Beispielen kann die elektroaktive Polymeraktoranordnung aus einer verformbaren Membran bestehen oder in diese integriert oder mit ihr fest verbunden sein, die mindestens einen Abschnitt einer Wand der Kammer oder des Fluidrückhalteraums bildet. Somit kann ein Blutbeutel die EAP-Aktoranordnung zum Verformen der verformbaren Membran umfassen oder einschließen.
  • In bestimmten Beispielen kann eine Zellkultivierungsanordnung oder -vorrichtung bereitgestellt sein, die zum Halten von Blut als Kultivierungsmedium konfiguriert ist. In diesen Beispielen stellt die Anordnung in vorteilhafter Weise eine Doppelfunktion zur Erleichterung eines effizienten Austauschs von Nährstoffen zwischen der Masse und einer Wand der Kammer und zur Erleichterung des Schüttelns des Blutkultivierungsmediums, um die Aktivierung der Blutplättchen und die Blutgerinnung zu verhindern, bereit.
  • In bevorzugten Beispielen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die elektroaktive Polymeraktoranordnung elektrostriktives elektroaktives Polymermaterial umfassen.
  • Die Zellkultivierungs- oder Zellkonservierungsanordnung kann eine Vielzahl verformbarer Membranen umfassen, die jeweils so angeordnet sind, dass sie durch eine jeweilige elektroaktive Polymeraktoranordnung verformt werden, wobei die mehreren verformbaren Membranen durch eine Rahmenstruktur voneinander getrennt gehalten werden.
  • Wie vorstehend erwähnt, lässt die Erfindung eine gesteuerte Erzeugung von Fluidfließmustern innerhalb des Volumens des Fluids, das durch den Fluidrückhalteraum zurückgehalten wird, zu. Dies wird durch die besondere Topologieänderung gesteuert. Diese unterschiedlichen Fluidströme können von jeder Ausführungsform der Erfindung erzeugt werden.
  • Beispielsweise kann eine Steuereinheit gemäß einem oder mehreren Beispielen angepasst sein, um die Aktorelemente so zu steuern, dass sie sequentiell betätigt werden, wobei die Betätigung einen sequentiellen Betätigungspfad über die Aktoranordnung beschreibt, um dadurch einen wellenartigen Fluidstrom in mindestens einer Richtung des Betätigungspfades herbeizuführen.
  • Anhand weiterer Beispiele kann die Steuereinheit gemäß eines oder mehrerer Beispiele so angepasst werden, dass sie die Aktorelemente in einer kaskadierenden Weise betätigt, wobei die Aktoren in aufeinander folgenden Gruppen betätigt werden, wobei jede betätigte Gruppe größer als die zuvor betätigte Gruppe ist.
  • Die hierin beschriebenen Beispiele schließen auch eine Zellkultivierungs- oder Zellkonservierungsanordnung ein, umfassend: eine biologische Zellkultivierungsanordnung wie in den vorstehenden Beispielen beschrieben oder wie im Anspruch der vorliegenden Patentschrift definiert, und ferner umfassend ein Volumen an Zellkultivierungsfluid, das innerhalb des Fluidrückhalteraums zurückgehalten wird; und/oder umfassend eine Blutspeicheranordnung wie in den obigen Beispielen beschrieben oder wie in einem entsprechenden Anspruch definiert, und ferner umfassend ein Blutvolumen, das innerhalb des Fluidrückhalteraums zurückgehalten wird.
  • Diese und andere Gesichtspunkte der Erfindung werden aus der (den) nachstehend beschriebenen Ausführungsform(en) ersichtlich und unter Bezugnahme auf diese erläutert.
  • Figurenliste
  • Beispiele der Erfindung werden nun im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben, in denen:
    • 1 und 2 zwei mögliche Betriebsmodi für eine EAP-Vorrichtung zeigen;
    • 3 ein Beispiel einer biologischen Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
    • 4 die Struktur und den Betrieb einer beispielhaften EAP-Aktoranordnung und verformbaren Membran gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen veranschaulicht;
    • 5 den Betrieb einer beispielhaften biologischen Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen zeigt, um ein Fluidfließmuster herbeizuführen;
    • 6 ein Beispiel eines Steuerungsmodus einer Aktoranordnung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen veranschaulicht;
    • 7 ein weiteres Beispiel eines Steuerungsmodus einer Aktoranordnung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen zeigt;
    • 8 ein weiteres Beispiel eines Steuerungsmodus einer Aktoranordnung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen zeigt;
    • 9 die Struktur und den Betrieb einer beispielhaften biologischen Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung veranschaulicht, die einen Fluidrückhaltebeutel umfasst;
    • 10 einen Modus zum Steuern einer biologischen Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung veranschaulicht, die einen Fluidrückhaltebeutel umfasst;
    • 11 schematisch eine beispielhafte biologische Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht;
    • 12 ein Beispiel einer Steuerschaltung zum Steuern einer Anordnung der Aktorelemente gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung zeigt; und
    • 13 die resultierende Spannung zeigt, die durch das Aktorelement als eine Funktion der Zeit unter Verwendung der beispielhaften Steuerschaltung von 12 angelegt wird.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die Erfindung stellt eine biologische Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung bereit, umfassend eine Kammer, welche einen Fluidrückhalteraum definiert, der bei Verwendung einen Fluidkörper hält, sowie eine verformbare Membran definiert, die in mechanischer Verbindung mit dem Fluidrückhalteraum steht, und durch eine elektroaktive Polymeraktoranordnung manipulierbar ist, um einer definierten Topologieänderung unterzogen zu werden, damit in dem Fluid ein Fluidfließmuster herbeigeführt wird, durch das das Fluid zwischen einem Teilbereich in unmittelbarer Nähe der verformbaren Membran und einem Teilbereich abseits der verformbaren Membran ausgetauscht wird.
  • Ausführungsformen der Erfindung verwenden elektroaktive Polymere (EAPs), um die Betätigung zu erleichtern.
  • Elektroaktive Polymere (EAPs) sind eine aufstrebende Klasse von Materialien innerhalb des Gebiets elektrisch reagierender Materialien. EAPs können als Sensoren oder Aktoren fungieren und können problemlos in verschiedenen Formen hergestellt werden, wobei sie in eine große Vielzahl von Systemen leicht eingegliedert werden können.
  • Materialien wurden mit Eigenschaften wie Betätigungsspannung und -dehnung entwickelt, die sich in den letzten zehn Jahren signifikant verbessert haben. Die Technologierisiken wurden für die Produktentwicklung auf ein akzeptables Maß reduziert, sodass EAPs kommerziell und technisch von zunehmendem Interesse sind. Vorteile von EAPs schließen geringen Leistung, kleinen Formfaktor, Flexibilität, geräuschlosen Betrieb, Genauigkeit, die Möglichkeit einer hohen Auflösung, schnelle Ansprechzeiten und zyklische Betätigung ein.
  • Die verbesserte Leistung und die besonderen Vorteile von EAP-Material führen zu einer höheren Anwendbarkeit bei neuen Anwendungen.
  • Eine EAP-Vorrichtung kann in jeder beliebigen Anwendung verwendet werden, in der ein kleines Ausmaß an Bewegung einer Komponente oder eines Merkmals erwünscht ist, basierend auf elektrischer Betätigung. In ähnlicher Weise kann die Technologie zum Erfassen kleiner Bewegungen verwendet werden.
  • Die Verwendung von EAPs ermöglicht Funktionen, die zuvor nicht möglich waren, oder bietet im Vergleich zu herkömmlichen Aktoren aufgrund der Kombination von einer relativ großen Verformung und Kraft in einem kleinen Volumen oder bei einem geringen Formfaktor einen großen Vorteil gegenüber gemeinsamen Sensor-/Aktorlösungen. EAPs bewirken zudem einen geräuschlosen Betrieb, eine genaue elektronische Steuerung, schnelles Ansprechen und eine große Bandbreite möglicher Betätigungsfrequenzen, wie zum Beispiel 0-1 MHz, am typischsten unter 20 kHz.
  • Vorrichtungen, die elektroaktive Polymere verwenden, können in feldgesteuerte und ionisch angetriebene Materialien unterteilt werden.
  • Beispiele für feldgesteuerte EAPs schließen piezoelektrische Polymere, elektrostriktive Polymere (wie z. B. Relaxorpolymere auf PVDF-Basis) und dielektrische Elastomere ein. Andere Beispiele schließen elektrostriktive Pfropfcopolymere, elektrostriktives Papier, Elektrete, elektroviskoelastische Elastomere und Flüssigkristall-Elastomere ein.
  • Beispiele für ionisch angetriebene EAPs sind konjugierte/leitende Polymere, ionische Polymer-Metall-Verbundstoffe (IPMC) und Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs). Andere Beispiele schließen ionische Polymergele ein.
  • Feldgesteuerte EAPs werden durch ein elektrisches Feld durch direkte elektromechanische Kopplung betätigt. Sie erfordern in der Regel hohe Spannungsfelder (Volt pro Meter), aber geringe Ströme. Polymerschichten sind in der Regel dünn, um die Antriebsspannung so gering wie möglich zu halten.
  • Ionische EAPs werden durch einen elektrisch induzierten Transport von Ionen und/oder Lösungsmittel aktiviert. Sie erfordern in der Regel geringe Spannungen, aber hohe Ströme. Sie erfordern ein Flüssig-/Gel-Elektrolytmedium (obwohl einige Materialsysteme auch unter Verwendung fester Elektrolyte arbeiten können).
  • Beide EAP-Klassen haben mehrere Familienmitglieder, die jeweils ihre eigenen Vorteile und Nachteile aufweisen.
  • Eine erste bemerkenswerte Unterklasse von feldgesteuerten EAPs sind piezoelektrische und elektrostriktive Polymere. Während die elektromechanische Leistung herkömmlicher piezoelektrischer Polymere begrenzt ist, hat ein Durchbruch bei der Verbesserung dieser Leistung zu PVDF-Relaxorpolymeren geführt, die eine spontane elektrische Polarisation (feldgesteuerte Ausrichtung) zeigen. Diese Materialien können für eine verbesserte Leistung in der gedehnten Richtung vorgedehnt werden (Vordehnung führt zu einer besseren molekularen Ausrichtung). Normalerweise werden Metallelektroden verwendet, da die Dehnungen in der Regel im mittleren Bereich liegen (1-5%). Andere Arten von Elektroden (wie leitfähige Polymere, Öle auf Rußbasis, Gele oder Elastomere usw.) können ebenfalls verwendet werden. Die Elektroden können kontinuierlich oder segmentiert sein.
  • Eine weitere Unterklasse von Interesse für feldgesteuerte EAPs ist die von dielektrischen Elastomeren. Ein dünner Film dieses Materials kann zwischen konformen Elektroden aufgetragen sein, wodurch ein Parallelplattenkondensator gebildet wird. In dem Fall der dielektrischen Elastomere führt die durch das angelegte elektrische Feld induzierte Maxwell-Spannung zu einer Dehnung des Films, wodurch er sich in seiner Dicke zusammenzieht und sich in seiner Fläche ausdehnt. Die Dehnungsleistung wird üblicherweise durch Vordehnen des Elastomers erhöht (wobei ein Rahmen erforderlich ist, um die Vordehnung zu halten). Dehnungen können beträchtlich sein (10-300%). Dies schränkt auch die Art der Elektroden, die verwendet werden können, ein: für niedrige und moderate Dehnungen können Metallelektroden und leitende Polymerelektroden in Betracht gezogen werden, für den Bereich mit hoher Dehnung werden in der Regel Öle auf Rußbasis, Gele oder Elastomere verwendet. Die Elektroden können kontinuierlich oder segmentiert sein.
  • In einigen Fällen werden dünne Filmelektroden hinzugefügt, wenn das Polymer selbst keine ausreichende Leitfähigkeit aufweist (in Bezug auf die Ausmaße). Der Elektrolyt kann eine Flüssigkeit, ein Gel oder ein festes Material sein (d. h. Komplex aus hochmolekularen Polymeren und Metallsalzen). Die häufigsten konjugierten Polymere sind Polypyrrol (PPy), Polyanilin (PANi) und Polythiophen (PTh).
  • Ein Aktor kann auch aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) gebildet sein, die in einem Elektrolyt suspendiert sind. Der Elektrolyt bildet eine doppelte Schicht mit den Nanoröhrchen, wodurch die Injektion von Ladungen zugelassen wird. Diese Doppelschichtladungsinjektion wird als der primäre Mechanismus in CNT-Aktoren angesehen. Der CNT fungiert wie ein Elektrodenkondensator mit in den CNT injizierter Ladung, die dann durch eine elektrische Doppelschicht ausgeglichen wird, die durch Bewegung von Elektrolyten zur CNT-Oberfläche gebildet wird. Die Veränderung der Ladung auf den Kohlenstoffatomen führt zu einer Änderung der C-C-Bindungslänge. Dadurch können Ausdehnung und Kontraktion einzelner CNTs beobachtet werden.
  • 1 und 2 zeigen zwei mögliche Betriebsmodi für eine EAP-Vorrichtung.
  • Die Vorrichtung umfasst eine elektroaktive Polymerschicht 14, die zwischen Elektroden 10, 12 auf gegenüberliegenden Seiten der elektroaktiven Polymerschicht 14 aufgetragen ist.
  • 1 zeigt eine Vorrichtung, die nicht geklemmt ist. Eine Spannung wird verwendet, um zu bewirken, dass sich die elektroaktive Polymerschicht in alle Richtungen ausdehnt, wie gezeigt.
  • 2 zeigt eine Vorrichtung, die so gestaltet ist, dass die Dehnung nur in einer Richtung auftritt. Die Vorrichtung wird durch eine Trägerschicht 16 unterstützt. Eine Spannung wird verwendet, um zu bewirken, dass sich die elektroaktive Polymerschicht krümmt oder biegt.
  • Zusammen können die Elektroden, die elektroaktive Polymerschicht und der Träger als die gesamte elektroaktive Polymerstruktur bildend betrachtet werden.
  • Die Natur dieser Bewegung ergibt sich beispielsweise aus der Wechselwirkung zwischen der aktiven Schicht, die sich beim Betätigen ausdehnt, und der passiven Trägerschicht. Um die asymmetrische Krümmung um eine Achse wie gezeigt zu erhalten, kann die molekulare Ausrichtung (Dehnen des Films) zum Beispiel angewendet werden, wodurch die Bewegung in eine Richtung erzwungen wird.
  • Die Ausdehnung in eine Richtung kann aus der Asymmetrie in dem EAP-Polymer resultieren oder sie kann aus einer Asymmetrie in den Eigenschaften der Trägerschicht oder einer Kombination von beiden resultieren.
  • Eine elektroaktive Polymerstruktur, wie oben beschrieben, kann sowohl für die Betätigung als auch für die Erfassung verwendet werden. Die wichtigsten Abtastmechanismen basieren auf Kraftmessungen und Dehnungserfassung. Dielektrische Elastomere können zum Beispiel durch eine äußere Kraft leicht gedehnt werden. Durch das Anlegen einer geringen Spannung an dem Sensor kann die Dehnung in Abhängigkeit von der Spannung gemessen werden (die Spannung ist abhängig von der Fläche).
  • Eine andere Art der Erfassung mit feldgesteuerten Systemen besteht darin, die Kapazitätsänderung direkt zu messen oder Änderungen des Elektrodenwiderstands in Abhängigkeit von der Dehnung zu messen.
  • Piezoelektrische und elektrostriktive Polymersensoren können eine elektrische Ladung als Reaktion auf die angelegte mechanische Spannung erzeugen (vorausgesetzt, der Kristallinitätsgrad ist hoch genug, um eine nachweisbare Ladung zu erzeugen). Konjugierte Polymere können von dem piezo-ionischen Effekt Gebrauch machen (mechanische Beanspruchung führt zur Betätigung von Ionen). CNTs erfahren eine Änderung der Ladung auf der CNT-Oberfläche, wenn sie einer Belastung ausgesetzt sind, die gemessen werden kann. Es wurde auch gezeigt, dass sich die Widerstandsfähigkeit von CNTs ändert, wenn sie in Kontakt mit gasförmigen Molekülen stehen (z. B. O2, NO2), wodurch CNTs als Gasdetektoren verwendet werden können.
  • Ausführungsformen der Erfindung machen von einer verformbaren Membran Gebrauch, die in vorteilhaften Beispielen Teil einer In-vitro-Kultivierungsvorrichtung oder - anordnung sein kann, beispielsweise ein so genannter Organ-on-a-Chip, oder in weiteren Beispielen Teil eines Speicherbehälters für Blut oder Blutplättchen. Eine Vielzahl dieser Membranen kann in einigen Beispielen verwendet werden, beispielsweise zwei Oberflächen umfassend, die an ihren Rändern abgedichtet sind, um einen Fluidrückhalteraum dazwischen zu definieren, der als ein zusammenlegbarer Behälter, wie etwa ein Blutbeutel, verwendet werden kann.
  • Ausführungsformen verwenden eine auf elektroaktivem Polymer basierende Betätigung, um die verformbare Membran umzuformen.
  • In bestimmten Beispielen kann die verformbare Membran aus elektroaktiven Polymeraktoren zusammengesetzt sein oder diese umfassen oder auf andere Weise tragen, beispielsweise elektroaktive Polymeraktoren zum Verformen der Oberfläche. Die Oberfläche kann in weiteren Beispielen eine dünne, nachgiebige Schicht oder Folie sein, die über einer Betätigungsfläche angeordnet ist, welche elektroaktive Polymeraktoren umfasst, die beispielsweise zum Verformen der Schicht segmentiert geordnet sind.
  • Als solche kann eine durch Steuerung verformbare Oberfläche mit einem dünnen Formfaktor bereitgestellt werden, verglichen beispielsweise mit mechatronischen oder anderen elektromechanischen Betätigungsmitteln. Die resultierende Anordnung hat beispielsweise einen weitaus kleineren Formfaktor als eine dem Stand der Technik bekannte mechanische Rühr- oder Schüttelanordnung für Blutbeutel.
  • 3 veranschaulicht ein erstes Beispiel einer biologischen Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung. Die Anordnung 22 umfasst eine Kammer 24, einen inneren Hohlraum, der einen Fluidrückhalteraum 30 zum Halten eines Fluidvolumens 34 während der Verwendung der Anordnung definiert.
  • In mechanischer Verbindung mit dem Fluidrückhalteraum 30 befindet sich eine verformbare Membran 36. In dem Beispiel von 3 erstreckt sich die verformbare Membran über eine Grundfläche der Kammer 24, um eine umgrenzende oder abdichtende Wand des Fluidrückhalteraums zu bilden. Die verformbare Membran ist fluidundurchlässig. An einer Unterseite der verformbaren Membran ist eine elektroaktive Polymeraktoranordnung (EAP) 38 gekoppelt, die eine Anordnung elektroaktiver Polymeraktorelemente 42 umfasst, die unabhängig durch eine Steuereinheit 50 steuerbar sind, die betriebsmäßig mit der Aktoranordnung gekoppelt bereitgestellt ist. Die Steuereinheit ist angepasst, um die Aktoranordnung zu steuern, um eine gesteuerte Umformung der verformbaren Membran zu implementieren, um dadurch eine oder mehrere definierte Änderungen in einer Oberflächentopologie der Membran herbeizuführen.
  • Obwohl in dem besonderen Beispiel von 3 eine Steuereinheit als Teil der Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung selbst bereitgestellt ist, kann in weiteren Beispielen eine Steuereinheit außerhalb der Anordnung liegen, und wobei die Aktoranordnung angepasst ist, um mit der externen Steuereinheit verbunden zu sein und mit dieser zu kommunizieren, um die Aktoranordnung zu steuern. Alle folgenden Merkmale, Beispiele und Beschreibungen können als durch eine Anordnung realisierbar verstanden werden, bei der eine Steuereinheit als Teil der Anordnung bereitgestellt ist oder in der eine Steuereinheit außerhalb der Anordnung bereitgestellt sein kann.
  • 4 zeigt die verformbare Membran 36 und EAP-Aktoranordnung 38 detaillierter. Die Aktoranordnung in dem vorliegenden Beispiel umfasst eine kontinuierliche Schicht 38 eines elektroaktiven Polymermaterials (EAP-Materials), das mit einer Stützschicht 52 gekoppelt ist. Die Stützschicht weist eine größere Biegesteifigkeit oder Belastbarkeit als die verformbare Membran auf. Bei der Ausbildung der Anordnung über die Stützschicht hinweg sind eine Vielzahl von Schlitzen oder Verankerungselementen 54 bereitgestellt, die in der Stützschicht ausgebildet oder mit dieser gekoppelt sind. Diese Schlitze oder Verankerungselemente teilen die Aktoranordnung 38, 52 effektiv in eine Vielzahl von individuellen Aktorelementen 42 auf.
  • Wie in 4 gezeigt, reagiert nach der elektrischen Stimulation der EAP-Materialschicht 38 durch einen Strom oder durch eine durch eine Elektrodenanordnung (nicht gezeigt) angelegte Spannung die EAP-Schicht mit der Verformung in der Ebene. Die belastbare Stützschicht 52 widersteht der Verformung in der Ebene, wodurch eine Verformung oder Biegung außerhalb der Ebene erzwungen wird. Die Anordnung lokaler Schlitze oder Ankerpunkte 54 teilt die induzierte Biegung in lokalisierte Biegungsbereiche auf, die in Bereichen lokalisiert sind, die zwischen den Ankerpunkten liegen. Dementsprechend durchläuft jedes Aktorelement 42 einen örtlich begrenzten Biegungsvorgang.
  • Durch Anlegen elektrischer Stimulation an nur bestimmte Bereiche der Aktoranordnung 38, 52, die nur bestimmte der Aktorelemente 42 abdeckt, können diese Aktorelemente allein zur Betätigung angetrieben werden. Eine individuelle Steuerung ist für jedes Aktorelement möglich. Dies kann beispielsweise durch segmentierte Elektrodenanordnungen oder durch Bereitstellen einer individuell antreibbaren Elektrodenanordnung für jedes Aktorelement erleichtert werden.
  • Durch das wahlweise Steuern besonderer Muster von Aktorelementen 42 zum Verformen ist ersichtlich, dass eine gesteuerte Änderung in der Oberflächentopologie der verformbaren Membran 36 realisiert werden kann. Jedes bestimmte topologische Muster oder Profil kann in der Membran durch geeignetes Antreiben der Aktorelemente der EAP-Aktoranordnung 38 erzeugt werden.
  • Wie in 5 veranschaulicht, wird nach dem Antreiben der Aktorelemente 42 zum Herbeiführen einer Veränderung der Oberflächentopologie der verformbaren Membran 36 ein zugehöriges Muster des Fluidstroms 56 innerhalb des Fluids 34 des Fluidrückhalteraums 30 aufgrund des Kontakts mit der Membran erzeugt. Aufgrund der Ausrichtung der Topologieänderung außerhalb der Ebene verläuft der Fluidstrom im Allgemeinen in Richtungen weg von der verformbaren Membranoberfläche. Demzufolge wird ein Fluidfließmuster erzeugt, in dem Fluid zwischen einem unmittelbar benachbarten oder nahe der verformbaren Membran befindlichen ersten Teilbereich 46 und einem von der verformbaren Membran weiter entfernten zweiten Teilbereich 48, d. h. in der Masse des Fluids 34, getauscht wird.
  • Viele unterschiedliche Fluidfließmuster können durch eine geeignete Steuerung erzeugt werden. In bestimmten Beispielen ist die Änderung der Oberflächentopologie derart, dass sie Verformungen in der Membran 36 einschließt, die sowohl in den Fluidrückhalteraum 30 hinein als auch aus den Fluidrückhalteraum heraus (wie in 5) ausgerichtet sind. Dies stellt einen einfachen Mechanismus dar, wobei Fluid veranlasst wird, sowohl zur verformbaren Membran hin als auch von dieser weg zu fließen, wodurch sowohl die Zufuhr von Nährstoffen zu der Oberfläche der Membran als auch das Wegschwemmen von Abfallprodukten von der Oberfläche sichergestellt wird.
  • Für das Beispiel der 3-5 wird die Aktoranordnung 38 vorzugsweise so gesteuert, dass sie die Membran 36 zwischen einer flachen Konfiguration und einer wellenförmigen Konfiguration immer wieder hin und her verformt, um einen effizienten Flüssigkeitstransfer sowohl zur Membran als auch von dieser weg zu ermöglichen.
  • Der Fluidrückhalteraum 30 kann in Beispielen fluidisch abgedichtet sein und wobei das Fluid eine nicht komprimierbare Flüssigkeit ist, die den Raum ohne jede Lufttasche (oder ein anderes Gas) vollständig füllt. In diesem Fall kann eine Oberflächentopologieänderung der Membran 36, die zu einer Netto-Einwärtskrümmung der Membran (zum Fluidrückhalteraum) führt, nur möglich sein, wenn einige Überlaufmittel vorhanden sind, die eine vorübergehende Entleerung oder Aufnahme eines Teils des Fluids innerhalb des Raums ermöglichen, so dass die Membranverschiebung volumetrisch angepasst werden kann. Das Überlaufmittel kann eine weitere nachgiebige Membran sein, die mindestens einen Abschnitt einer Dichtungswand des Fluidrückhalteraums bildet, wobei die Membran sich wölben kann (in Bezug auf den Raum nach außen gerichtet), um das überschüssige verdrängte Fluid aufzunehmen. Dies wird durch die Inkompressibilität einer Flüssigkeit bedingt. Eine Begrenzungswand des Fluidrückhalteraums oder der Fluidrückhaltekammer kann in Beispielen einfach nachgiebig sein, um verdrängtes Fluid aufzunehmen.
  • Das Überlaufmittel kann alternativ durch einen Überlaufauslass des Fluidrückhalteraums 30 (nicht gezeigt) bereitgestellt werden, was einen zeitweiligen Austritt von durch Verformung der verformbaren Membran 36 verdrängtem Fluid beispielsweise in eine Überlaufkammer ermöglicht. Der Auslass kann in Beispielen durch ein durchlässiges Membranelement bereitgestellt sein, umfassend kleine fluiddurchlässige Löcher zum Entweichen des Fluids. Die durchlässige Membran kann vorzugsweise mit Löchern bereitgestellt sein, die ausreichend klein sind, um eine Kontamination durch Mikroorganismen zu verhindern.
  • Alternativ kann ein Überlauf in der verformbaren Membran vermieden werden, indem eine Oberflächentopologieänderung gesteuert wird, die volumetrisch zwischen einwärts und auswärts gerichteten Verformungen entsprechend dem Fluidrückhalteraum 30 ausgeglichen ist. Demzufolge gibt es keine Änderung des Gesamtvolumens des Fluidrückhalteraums, da jede lokale Verringerung des Volumens durch einen nach innen biegenden Aktor durch eine lokale Zunahme eines nach außen biegenden Aktors ausgeglichen wird.
  • In Beispielen kann dies die Bewegung von einem flachen Membranoberflächenprofil zu einem gewellten Profil einschließen, wobei sich die Welligkeit auf jeder Seite einer durch die vorherige flache Konfiguration definierten Ebene gleichmäßig linear erstreckt oder im gleichen Umfang schwingt.
  • In Beispielen können die Aktorelemente 42 gemäß diesem Steuerungsbeispiel bistabile elektroaktive Polymeraktoren sein, die durch Anlegen eines Stroms oder Feldes angetrieben werden können, um sich zwischen einer ersten stabilen Betätigungsposition und einer zweiten stabilen Betätigungsposition zu bewegen.
  • Mit stabil ist gemeint, dass die Aktorelemente ein Signal nur zum Übergang von einer Position zur nächsten erfordern und dann in dieser Position stabil bleiben, wenn kein weiteres Antriebssignal vorhanden ist. Bistabilität wird erreicht, indem ein aus einer EAP-Schicht gebildetes Aktorelement bereitgestellt wird, das mit einer robusten Trägerschicht verbunden ist, wobei das Aktorelement in einer durch eine Klemmanordnung gekrümmten Konfiguration in Position gehalten wird. Das Antreiben der EAP-Schicht mittels eines elektrischen Stimulus stimuliert das Aktorelement zur Verformung, wodurch es innerhalb der Klemmanordnung aus einer ersten gebogenen Konfiguration zu einer anderen gebogenen Konfiguration gekippt wird.
  • Vollständige Einzelheiten dieser bistabilen Aktoranordnung sind beispielsweise in WO2016193412 A1 bereitgestellt.
  • Beispielhaft kann eine Aktoranordnung 38 aus einem ersten Oberflächentopologiezustand bewegt werden, in dem sich im Wesentlichen die Hälfte der Aktorelemente 42 in einem gemeinsamen ersten Zustand (z. B. einem flachen Zustand) befindet und sich im Wesentlichen die Hälfte in einem gemeinsamen zweiten Zustand befindet (z. B. nach außen gebogen). Die Oberflächentopologieänderung kann durch einfaches Umkehren der Betätigungszustände jedes Aktorelements 42 bewirkt werden. Die eine Hälfte wird sich in einen nach außen gebogenen Zustand bewegen; die andere Hälfte in einen flachen Zustand, gleicht sich somit volumetrisch aus, wodurch Fluidstromspuren erzeugt werden können, ohne jedoch die Flüssigkeit zu komprimieren.
  • In jedem Beispiel können die Aktorelemente 42 gleichzeitig aktiviert werden, entweder in ihrer Gesamtheit oder in Untergruppen, oder sie können individuell oder einzeln aktiviert werden, beispielsweise periodisch, um das Mischen zu verbessern.
  • Vorteilhaft können Verhältnisse der Abmessungen der Kammer in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung so gewählt werden, dass ein effizientes Mischen von Fluid zwischen einem Bereich 46 nahe der verformbaren Membran 36 und einem Bereich 48 in der Masse des Fluids erleichtert wird.
  • Zum Beispiel kann in (nicht einschränkenden) vorteilhaften Beispielen der vorliegenden Erfindung ein Verhältnis einer Abmessung der Kammer nach außen (d. h. im Wesentlichen senkrecht zu) aus der verformbaren Membranoberfläche bis zu einer Abmessung, die sich quer zu der verformbaren Membranoberfläche erstreckt, zwischen 1:1 und 1:20 oder zwischen 1:2 und 1:10 sein. Dies kann beispielsweise mit dem äquivalenten üblichen derartigen Verhältnis für eine kanalähnliche Anordnung (nicht Kammer) verglichen werden, die in der Regel irgendwo zwischen 1:50 und 1:500 liegt. In diesen Fällen werden Fluidströme, die von einer verformbaren Membran weggeleitet werden, unmittelbar durch die Abgrenzung des Kanals abgeführt, was das Fluid quer zur verformbaren Membran umlenkt. Dies fördert nicht den effizienten Austausch von Fluid zwischen der Membranoberfläche und der Masse.
  • Durch die Art und Weise der weiteren Darstellung kann ein Aktorelement zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung durch eine bloße nicht einschränkende Veranschaulichung nur eine maximale Verschiebung des Aktors von etwa 70 Mikrometer (für ein Aktorelement mit einer seitlichen Breite von 5 mm) aufweisen.
  • Gemäß einem Satz von Ausführungsformen kann die Kammer der Anordnung eine Kammer sein, die durch einen Blutbeutel gebildet wird. Als nicht einschränkendes Beispiel kann ein beispielhafter Blutbeutels gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine „Höhe“ aufweisen, d. h. eine Abmessung zwischen den Hauptflächen des Beutels, welche die Aktorelemente tragen, von etwa 30 mm aufweisen. Somit kann ein übliches Verhältnis einer Abmessung der Kammer senkrecht zu der verformbaren Oberfläche zu einer maximalen Betätigungsverschiebung der Aktorelemente in nicht einschränkenden Beispielen in der Größenordnung von 1:0,002 oder beispielsweise im Bereich von beispielsweise 1:0,00015 und 1:0,002 sein.
  • Dies steht beispielsweise im Gegensatz zu einer blutführenden Röhrchenanordnung (nicht Kammer), wobei ein solches Röhrchen eine übliche Höhe in der Größenordnung von 4 mm aufweisen kann. Ein Verhältnis der Kanalhöhe (senkrecht zur verformbaren Oberfläche) zur maximalen Aktorverschiebung kann daher in der Größenordnung von 1: 0,02 liegen, d. h. in der Größenordnung eines Faktors 10 kleiner. Eine übliche Bandbreite von Verhältnissen kann beispielsweise von 1:0,00125 bis 1:0,035 reichen.
  • Die Anordnung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen kann eine Zellkultivierungsanordnung, z. B. eine Organ-on-a-Chip-Anordnung, bereitstellen. Dies kann eine so genannte ,Tumor-on-a-Chip'-Anordnung sein. In nicht einschränkenden Beispielen derartiger Anordnungen kann ein Verhältnis der Höhe der Kammer (im Allgemeinen senkrecht zu der verformbaren Oberfläche) zur maximalen Aktorverschiebung in der Größenordnung von 2700 Mikrometer bis 70 Mikrometer liegen, d. h. ein Verhältnis in der Größenordnung von 1:0,26 in nicht einschränkenden Beispielen, oder beispielsweise innerhalb der Bandbreite von beispielsweise 1:0,0018 und 1:0,26.
  • Dies steht wiederum im Gegensatz zu einer kanalähnlichen Anordnung, wobei das Verhältnis zwischen Kanalhöhe und Aktorverschiebung so klein wie 1:1 sein kann. Ein üblicher Bereich von Verhältnissen kann beispielsweise zwischen 0,1 und 1 liegen.
  • Es ist ersichtlich, dass für die Kammeranordnung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Verhältnisse Höhe:Breite und Höhe:Aktorverschiebung im Allgemeinen größer als die einer üblichen kanalähnlichen Anordnung sind.
  • Ein wesentlicher Unterschied zwischen einem Kanal und einer Kammer in dem Kontext des vorliegenden Felds ist, dass ein Kanal für kontinuierliche Verfahren verwendet wird, wobei eine Kammer für schubweise (lokale) Verfahren verwendet wird.
  • Zur Veranschaulichung können die folgenden Verfahren in einem Kanal durchgeführt werden: Transport der Substanz(en) von einem Ort zu einem anderen Ort; Mischen durch Transport unter Verwendung passiver Strukturen wie einem schlangenähnlichen Kanal oder speziellen Topologiemerkmalen in dem Kanal; Einspritzen von zwei Komponenten in einen Kanal und während des Transports erfolgt eine chemische Reaktion zwischen den Komponenten.
  • Im Gegensatz dazu, und nur zur nicht einschränkenden Veranschaulichung, kann das Folgende in einer Kammer durchgeführt werden: Mischen durch aktive Mittel; chemische Reaktionen, die durch Mischen von Reaktanten stimuliert werden.
  • In Fällen, in denen ein Verfahren ein bestimmtes lokal begrenztes Volumen erfordert, ist eher eine Kammer als ein Kanal erforderlich. Dies ist beispielsweise der Fall für Zellkultivierung mit einer Gewebekultur, eine Tumorkultur enthaltend oder das Speichern von Blut.
  • Das Speichern von Blut in Kanälen ist nicht praktisch, da dies das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen dramatisch erhöhen würde, was die Wahrscheinlichkeit von ungünstigen Oberflächeneffekten, d. h. Aktivierung von Blutplättchen auf der Oberfläche oder Blutgerinnung, signifikant erhöht. Zusätzlich wäre eine Leitung dieser Art teurer als ein Blutbeutel, da die viel größere Oberfläche eine viel größere Menge an Betätigungselementen zur ausreichenden Abdeckung der Oberfläche erforderlich machen würde, um eine Blutplättchenaktivierung zu verhindern.
  • Außerdem ist in dem Fall einer Zellkultivierungsanordnung oder -vorrichtung zum Wachstum eines Tumors mithilfe von Angiogenese eine Mindestkanalhöhe erforderlich, um das nach außen gerichtete Wachstum des Tumors aufzunehmen. Eine schmale Kammer kann in der Regel das Wachstum eines Tumors oder z. B. eines Organs nicht aufnehmen. Insbesondere wird die Ausbreitung des Volumens des Tumors in großem Umfang, um z. B. eine einzelne Zellschicht abzudecken (so dass er in einen Kanal passen könnte), keine Angiogenese herbeiführen.
  • Insbesondere können Tumore bis zu einer Größe von ca. 1-2 mm wachsen, bevor ihr metabolischer Bedarf aufgrund der Diffusionsgrenze von Sauerstoff und Nährstoffen eingeschränkt wird. Um über diese Größe hinaus zu wachsen, schaltet der Tumor auf einen angiogenen Phänotyp um und zieht Blutgefäße aus dem umgebenden Stroma an. Dieser Prozess wird durch eine Vielzahl von pro- und anti-angiogenen Faktoren reguliert und ist eine Voraussetzung für ein weiteres Auswachsen der Tumore.
  • Wie vorstehend erwähnt, können die Aktorelemente 42 einzeln adressiert werden. Folglich kann eine breite Bandbreite von unterschiedlichen Oberflächentopologiemustern und zugehörigen Fluidströmen erzeugt werden. Ein Bandbreite von Fluidfließmustern, die erzeugt werden können, wird in den folgenden Ausführungsformen beschrieben, und schließt 1) lokale wellenförmige Fluidströme über die verformbare Membran 36 hinweg, 2) globale Wellenbewegung über die Gesamtheit der verformbaren Membran hinweg, wodurch ein großflächiger Austausch von Fluid zwischen dem Masse und der Membran herbeigeführt wird, und 3) lokale kreisförmige Bewegung zwischen einem Bereich nahe der Membran und Flüssigkeit abseits der Oberfläche in der Fluidmasse ein.
  • 6 veranschaulicht einen beispielhaften Steuermodus zum Steuern einer Oberflächentopologieänderung der verformbaren Membran, um ein wellenartiges Fluidfließmuster in dem Fluid 34 herbeizuführen. Die Steuereinheit 50 (nicht gezeigt) ist gemäß dieser Betriebsart angepasst, um die Aktorelemente 42 so zu steuern, dass sie sequentiell betätigt werden, wodurch ein sequentieller Betätigungspfad über die verformbare Membran 36 definiert wird, um dadurch einen wellenartigen Fluidstrom in mindestens einer Richtung des Betätigungspfads herbeizuführen.
  • 6 (a)-(c) zeigen die Betätigung zu aufeinander folgenden Zeitpunkten, bei denen jeweils ein weiteres einzelnes Aktorelement 42 sequentiell aktiviert wurde. Die Elemente werden in dem Beispiel von rechts nach links aktiviert. Dies erzeugt einen wellenförmigen Fluidstrom über die Oberfläche der Membran 36 von rechts nach links.
  • In diesem Beispiel ist in dem nicht aktivierten Zustand die verformbare Membran 36 flach. Im aktivierten Zustand biegt sich jedes Aktorelement 42 und die Flüssigkeit 34 in dem Fluidrückhalteraum 30 wird radial nach innen gegen den Massebereich 48 von der Membranoberfläche weg gedrückt (siehe 5). Nachdem der letzte Aktor (ganz links) aktiviert worden ist, werden die Aktoren in der Reihenfolge von rechts nach links deaktiviert, wodurch eine zweite Welle über die Oberfläche erzeugt wird. Alternativ kann der Beginn einer zweiten Welle gestartet werden, bevor der letzte (am weitesten links gelegene) Aktor aktiviert wurde.
  • Da es einen Nettofluss über die Oberfläche nach links gibt, führt dies auch eine parallele Bewegung nach links in dem Flüssigkeitsmassebereich 48 herbei, der räumlich von der Membranoberfläche entfernt ist.
  • Wenn die Aktorelemente in der umgekehrten Reihenfolge von einer gebogenen zu einer flachen Konfiguration aktiviert werden, wird bewirkt, dass eine Flüssigkeit zu der verformbaren Membran 36 zurückströmt. Wie in dem Beispiel von 4 sind lokale Schlitze oder Befestigungspunkte 54 in einer Stütze 52 der Aktoranordnung 38 bereitgestellt, um die EAP-Schicht 36 in lokal begrenzte Aktorelemente 42 aufzuteilen.
  • Obwohl die Rechts-Links-Aktivierung in 6 veranschaulicht ist, dient dies nur der Veranschaulichung. Jede andere Direktionalität kann ebenfalls implementiert werden. Die schematische Veranschaulichung von 6 zeigt nur eine Schnittansicht der Membranschicht. In Wirklichkeit wird ein zweidimensionales Aktivierungsmuster über die Oberfläche erzeugt. Somit können die Aktorelemente in Linien aktiviert werden, die sich sequentiell entlang der Membranoberfläche bewegen oder individuell über die Oberfläche nacheinander aktiviert werden.
  • Wie vorstehend erörtert, kann ein besonderes volumetrisch ausgeglichenes Steuerungsschema implementiert werden, um die Oberflächentopologie der verformbaren Membran 36 zu ändern, um einen Fluidstrom in einem nicht komprimierbaren Fluidvolumen 36 bereitzustellen. In einem derartigen Schema umfasst die erzeugte Oberflächentopologieänderung Oberflächenverformungen der Membran, die nach innen und nach außen von dem Fluidrückhalteraum 30 gerichtet sind, wobei die nach innen gerichteten Verformungen volumetrisch mit den nach außen gerichteten Verformungen ausgeglichen sind. Das Ergebnis ist, dass sich das Volumen des Fluidrückhalteraums vor und nach der Topologieänderung netto nicht ändert.
  • 7 veranschaulicht schematisch ein derartiges Steuerschema.
  • In dem Beispiel von 7 ist eine elektroaktive Polymeraktoranordnung 38 bereitgestellt, die eine Anordnung von EAP-Aktorelementen 42 umfasst. Dies können in bevorzugten Beispielen bistabile Aktorelemente sein. In der Figur sind die Aktorelemente zur Vereinfachung der Veranschaulichung als Rechtecke dargestellt.
  • Das in 7 veranschaulichte Steuerschema besteht darin, einen wellenförmigen Fluidstrom von rechts nach links über die Oberfläche der Aktoranordnung 38 herbeizuführen. Die Aktivierungssequenz ist durch Abbildungen (a)- (e) gezeigt, die sich in zeitlicher Reihenfolge nach unten bewegen. Jede Abbildung zeigt eine nachfolgende Aktivierung der Aktorelemente 42, wie durch die kleinen Pfeile angezeigt. Es ist ersichtlich, dass sich für jedes Aktorelement, das von einem nach außen betätigten Zustand in einen flachen Zustand kippt, ein anderes Element in der entgegengesetzten Richtung verformt. Folglich ist die Gesamtzahl der nach außen verformten Aktuatoren zu jedem Zeitpunkt gleich, und ebenso für die nicht nach außen verformten Aktuatoren. Die Nettovolumenänderung in dem Volumen des Fluidrückhalteraums 30 ist daher Null.
  • Das Verformungsmuster führt eine sequentielle Aktivierung der Elemente 42 herbei, die sich von rechts nach links bewegen. Dies erzeugt den wellenförmigen Fluidstrom, während eine Volumenänderung kompensiert wird, indem die umgebenden Aktorelemente gleichzeitig gekippt werden.
  • 8 zeigt ein weiteres volumetrisch ausgeglichenes beispielhaftes Steuerschema zum Herbeiführen eines Fluidstroms in einem nicht komprimierbaren Fluid.
  • Gemäß diesem Steuerschema ist die Steuereinheit angepasst, um die Aktorelemente auf eine kaskadierende Art und Weise zu steuern, wobei die Aktoren in aufeinander folgenden Gruppen betätigt werden, wobei jede betätigte Gruppe größer als die zuvor betätigte Gruppe ist.
  • Wie in dem Beispiel von 7 ist eine flexible Oberfläche 38 aus bistabilen Aktorelementen bereitgestellt, die in der Veranschaulichung schematisch als Rechtecke dargestellt sind. Ein wellenförmiges Fluidfließmuster, das sich von rechts nach links über die Oberfläche der Aktoranordnung 38 bewegt, wird in dem Fluidrückhalteraum erzeugt. Jede der 7(a)-(e) zeigt eine sequentielle Stufe in dem Betätigungsmuster. Es ist ersichtlich, dass für jedes nach außen betätigte Element ein anderes flach zusammenfällt, wodurch die Verformung volumetrisch kompensiert wird.
  • Wie bemerkt werden kann, wird bei Betrachtung der Abbildungen von (a) bis (a) in jedem Schritt eine zusätzliche Gruppe von Aktorelementen aktiviert, die größer als die zuvor aktivierte Gruppe ist. Dies bewirkt eine wellenförmige sich entladende Strömung von rechts nach links.
  • Wie in den vorherigen Beispielen ist die Veranschaulichung nur schematisch, und es ist nur ein Abschnitt der Oberfläche der Aktoranordnung 38 gezeigt.
  • Gemäß einem weiteren Satz von beispielhaften Steuermodi kann eine Oberflächentopologieänderung in der verformbaren Membran eines derartigen Musters herbeigeführt werden, um eine zyklische oder rotierende Bewegung von Fluid innerhalb des Fluidrückhalteraums 30, das zwischen einem Bereich 46 nahe der Membranoberfläche und einem Massebereich 48 des Fluids 34 zirkuliert, herbeizuführen.
  • Ein Beispiel dieses Steuerschemas ist in 9 veranschaulicht.
  • 9 zeigt beispielhaft eine Zellkonservierungsanordnung, die einen Beutel 64 (z. B. einen Blutbeutel) umfasst, der eine Kammer der Anordnung bildet. Der Beutel ist aus zwei flexiblen, verformbaren Membranen oder Folien 66a, 66b gebildet, die an ihren Rändern verbunden sind, um einen inneren Fluidrückhalteraum 30 abzudichten. Die beiden Membranen definieren somit jeweilige Oberflächen oder Wände der Kammer. Der Beutel wird zwischen zwei parallelen Oberflächen gehalten. Der erste (untere) ist eine elektroaktive Polymeraktoranordnung 38, die mit einer robusten Stützschicht 52 gekoppelt ist, wie in den vorherigen Beispielen beschrieben. Die Aktoranordnung ist gegen die untere nachgiebige Membran 66b des Beutels auf eingreifende Weise angeordnet, um die Membran zu verformen. Die andere der parallelen Oberflächen (obere) ist eine passive oder statische Schicht 62. Die EAP-Aktoranordnung 38 kann mechanisch an der anpassungsfähigen Folie 66b festgeklemmt oder anderweitig lösbar gekoppelt bereitgestellt sein, muss aber nicht mit ihr verbunden, abgedichtet oder verschmolzen sein. Die Aktoranordnung 38 wird eingreifend gegen die anpassungsfähige Folie 66b gehalten, so dass die Oberfläche der letzteren der Topologieänderung der ersteren folgt.
  • In dem Beispiel von 9 werden Aktorelemente 42 der EAP-Aktoranordnung 38 sequentiell von rechts nach links betätigt gezeigt, wobei jedes betätigte Element 42a auf die anpassungsfähige Folie 66b des Beutels drückt, um eine entsprechende Oberflächenverformung derselben herbeizuführen. Diese Oberflächenverformung führt eine sich daraus ergebende Fluidverdrängung innerhalb des Fluidrückhalteraums 30 des Beutels 64 herbei. Die kombinierte Wirkung der Sequenz betätigter Aktorelemente 42a erzeugt mit der Zeit ein besonderes Fluidfließmuster innerhalb des Beutels 64. Aufgrund der Form des Beutels 64 und des sequentiellen Betätigungsmusters wird ein zyklischer Fluidstrom in dem Fluidrückhalteraum 30 herbeigeführt, wie durch die Pfeile angezeigt. Dieser zyklische Strom zirkuliert zwischen einem Bereich 46 in unmittelbarer Nähe der unteren anpassungsfähigen Folie 66b und Bereich 48 in der Masse des Fluids abseits der Folie.
  • In dem vorliegenden Beispiel umfasst das Fluid 34 in dem Fluidrückhalteraum 30 eine Lufttasche 65, die Fluid 34, das durch das Krümmungsmuster der verformbaren Folie 66b verdrängt wurde, aufnehmen kann. Dies ermöglicht, dass Fluidströme realisiert werden, ohne dass Oberflächenverformungen volumetrisch ausgeglichen werden müssen, wie in den Beispielen der 7 und 8.
  • Der Beutel 64 kann zusammenlegbar sein. Der Beutel kann zwischen die beiden Oberflächen 62 und 36, 38 geklemmt werden. Die Oberseite 62 kann starr sein oder anpassungsfähig sein.
  • Der Vorteil der Bereitstellung der aktiven Schicht 38, 36 außerhalb des Fluidrückhalteraums 30, die über die verformbare Folie 66 nur indirekt mit dem Fluid 34 kommunizieren soll, ist, dass der Beutel 64 separat entsorgt werden kann, ohne den Betätigungsmechanismus der Aktoranordnung 38 zu zerstören. Dies ist in dem Fall nützlich, in dem der Beutel die Funktion eines Blutbeutels bereitstellt. Blutbeutel können nur einmal verwendet werden, um Kontamination zu vermeiden. Die Anordnung von 9 ermöglicht, dass das Fluid des Beutels aktiv geschüttelt wird, ohne dass der Betätigungsmechanismus in der Struktur des Behälters selbst integriert ist.
  • Obwohl in den veranschaulichten Beispielen die Anzahl der Aktorelemente 42, die sich über die Oberfläche des Beutels hinweg erstrecken, relativ gering ist, dient dies nur der schematischen Veranschaulichung. Eine größere Anzahl von Aktorelementen wäre in der Regel in einer Oberfläche eingeschlossen, die sich über die Seite des Beutels erstreckt.
  • Obwohl in dem Beispiel von 9 eine Lufttasche 65 eingeschlossen ist, um eine Verdrängung des Fluids 34 durch Verformung der anpassungsfähigen Folienwand 66a aufzunehmen, kann in weiteren Beispielen ein volumetrisch ausgeglichenes Steuerschema implementiert werden (ähnlich den in vorherigen Beispielen beschriebenen) und wobei ein ähnliches zyklisches Fluidstrommuster herbeigeführt werden kann.
  • 10 zeigt ein Beispiel gemäß eines derartigen Schemas.
  • 10 (a)-(d) zeigen sequentielle Betätigungsschritte in einem Steuerschema zum Herbeiführen eines zyklischen Fluidstroms in Fluid 34 eines Fluidrückhalteraums 30, wobei keine Lufttasche bereitgestellt ist, um eine Fluidexpansion aufzunehmen.
  • Die gezeigte Konfiguration umfasst einen Beutel 64, wie in dem Beispiel der 9, aus zwei anpassungsfähigen Folien 66a, 66b, die zusammen umfangsseitig abgedichtet sind, um einen inneren Fluidrückhalteraum 30 zu definieren. Der Beutel ist zwischen einem Paar paralleler Oberflächen angeordnet, von denen jede eine jeweilige elektroaktive Polymeraktoranordnung 38 umfasst. Jede elektroaktive Polymeraktoranordnung wird auf eingreifende Weise auf eine der oberen bzw. unteren anpassungsfähigen Folien 66a und 66b aufgebracht, um eine Änderung der Oberflächentopologie in den Folien zu induzieren. Die Oberflächentopologieänderung führt ein zugehöriges Fluidfließmuster innerhalb des Fluids 34 des Fluidrückhalteraums 30 herbei.
  • Für die Zwecke des vorliegenden Beispiels wird angenommen, dass bistabile EAP-Aktorelemente 42 verwendet werden.
  • 10 (a) zeigt eine Anfangskonfiguration der Aktorelemente 42, wobei die Hälfte der Elemente 42a betätigt wird (ebenfalls entlang der Bodenfläche gespiegelt) und die Hälfte nicht betätigt wird.
  • 10 (b) zeigt einen nachfolgenden Betätigungszustand, wobei sich die Gesamtzahl der aktiven und inaktiven Aktorelemente 42 nicht geändert hat, aber sich ihre Positionen bewegt haben. Insbesondere sind diese Elemente, die durch gestrichelte Linien umrahmt sind, jene, deren Betätigungszustände sich geändert haben. Diejenigen, die durch (A) angezeigt werden, werden zuerst geschaltet, jene, die durch (B) angezeigt sind, werden anschließend nach einer kurzen Verzögerung geschaltet. Indem diese Sätze separat aktiviert werden, wird der gewünschte zyklische Fluss besser herbeigeführt (in diesem Fall wird eine Strömung im Uhrzeigersinn erzeugt).
  • 10 (c) zeigt den nächsten Betätigungszustand. Die durch die gestrichelten Linien umrahmten Aktorelemente 42 sind diejenigen, die ihren Zustand geändert haben, wobei sich die durch (A) angezeigten zuerst geändert haben, gefolgt von (B), um den gewünschten zyklischen Fluss wieder aufrechtzuerhalten.
  • 10 (d) zeigt einen letzten Betätigungszustand, wobei wieder die Aktoren, die ihren Betätigungszustand geändert haben durch gestrichelten Linien umrahmt sind, wobei die durch (A) angezeigten sich zuerst geändert haben, gefolgt von (B).
  • Fachleute werden leicht erkennen, dass die Fortsetzung dieses Aktivierungsmusters das zyklische Muster des Fluidstroms aufrechterhalten würde.
  • In Beispielen kann eine elektronische Schaltung bereitgestellt sein, die konfiguriert ist, um das Muster der Aktoraktivierung zu steuern, das zur Aufrechterhaltung des zyklischen Strömungsmusters erforderlich ist, während gleichzeitig eine Nettoveränderung des Volumens des Fluidrückhalteraums 30 von Null aufrechterhalten wird. Dies kann zum Beispiel durch Nachschlagen in einer Tabelle erreicht werden, die mit einer sequentiellen Liste von Aktorzuständen für jede aufeinanderfolgende Stufe programmiert ist; es können jedoch auch andere Mittel verwendet werden.
  • 10 zeigt eine Schnittansicht nur des Beutels 64. Es versteht sich, dass die zyklische Bewegung in einer Richtung quer zu der gezeigten (d. h. in oder aus der Seite heraus) auch durch eine ähnliche sequentielle Steuerung der Aktorelemente 42, aber in einer geänderten Ausrichtungsanordnung, erzeugt werden kann.
  • Die Verwendung dualer Aktoranordnungen 38 und zugeordnete verformbare Membranen 66, wie in 10 gezeigt, ist nicht auf die Anwendung innerhalb eines oder für einen Beutel beschränkt. Eine derartige Konfiguration kann auch für eine Zellkultivierungsanordnung bereitgestellt werden, wobei zwei oder mehr verformbare Membranen, die jeweils eine zugeordnete verformende EAP-Aktoranordnung aufweisen, zusammengebaut werden können, die beispielsweise mittels einer Rahmenstruktur voneinander getrennt sind. Eine derartige Aktoranordnung kann in Beispielen als Teil einer Organ-on-a-Chip-Anordnung verwendet werden. Die verformbaren Membranen können einen integralen Teil der Organ-on-a-Chip-Anordnung bilden oder können eingreifend gegen eine anpassungsfähige Folie angeordnet sein, die Teil der Anordnung ist.
  • Rein beispielhaft veranschaulichend kann ein Blutbeutel gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in der Regel einen Fluidrückhalteraum mit einer Volumenkapazität von 500 cm3 und einer Fläche von etwa 15 × 10 cm aufweisen. Die durchschnittliche ,Höhe' des Blutbeutels (Abstand zwischen den Hauptflächen des Beutels) kann in der Größenordnung von ~ 3,3 cm, z. B. 3-5 cm, liegen.
  • Daher kann ein übliches Seitenverhältnis (mittlere Länge dividiert durch die Höhe) um ((15+10)/2)/3,3, d. h.~4, liegen. Ein üblicher beispielhafter Bereich kann beispielsweise zwischen 1,8 und 8 liegen. In dem Fall eines zusammenlegbaren Beutels um einen zentralen Bereich des Beutels kann die Höhe etwa 5 cm betragen und sich an den Kanten des Beutels auf Null verringern.
  • Dies steht beispielsweise im Gegensatz zu einem Kanal (ohne Kammer), der üblicherweise einen Innendurchmesser von ~ 4mm mit einer Länge von z. B. etwa 50 cm ergeben kann, wodurch sich ein Seitenverhältnis von etwa 50/0,4, d. h. ~ 125, ergibt. Ein üblicher beispielhafter Bereich kann beispielsweise zwischen 62 und 500 liegen.
  • Somit ist ersichtlich, dass das Seitenverhältnis (Länge / Höhe) für Kammern (gemäß der vorliegenden Erfindung) im Vergleich zu Kanälen in der Regel viel kleiner ist. Dieses kleinere Seitenverhältnis hilft bei dem effizienten Fluidaustausch zwischen der verformbaren Membran und der Masse, da die Höhe der Kammer die Aufnahme der freien Fluidströme in einer Richtung nach außen von der verformbaren Oberfläche zulässt. In einem Kanal bedeutet die beschränkte Höhe, dass Fluidströme im Allgemeinen seitlich entlang des Kanals umgelenkt werden.
  • Wie vorstehend angemerkt, kann in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Zellkultivierungsanordnung zur Kultivierung von Tumorwachstum bereitgestellt sein. Tumore können zur Veranschaulichung auf eine volumetrische Größe von etwa 5 mm3 wachsen, wobei z. B. die (diametrische) Höhe -1,34 mm beträgt. In bevorzugten Fällen kann die Kammer der Zellkultivierungsanordnung eine Breite (d. h. quer zur verformbaren Oberfläche) aufweisen, die etwa zweimal größer als eine Höhe (d. h. senkrecht zur Oberfläche der verformbaren Membran 36) der Kammer ist. Somit wäre ein Seitenverhältnis (Länge dividiert durch die Höhe) in diesem Beispielfall 2. Eine geeignete beispielhafte Bandbreite von Seitenverhältnissen kann zwischen 2 und 20 liegen.
  • Im Gegensatz dazu können übliche Mikrokanäle (ohne Kammer) in einer Organ-on-a-Chip-Anordnung oder -Vorrichtung in der Regel eine Länge von etwa 5 mm und einen Durchmesser von etwa 50 Mikrometern aufweisen, was ein Seitenverhältnis (Länge / Höhe) von etwa 5000/50 = 100 ergibt. Eine übliche beispielhafte Bandbreite kann zum Beispiel zwischen 50 und 200 liegen.
  • Es ist somit wieder ersichtlich, dass das Seitenverhältnis (Länge / Höhe) für Kammern (gemäß der vorliegenden Erfindung) im Vergleich zu Kanälen üblicherweise viel kleiner ist. Dieses kleinere Seitenverhältnis unterstützt den effizienten Fluidaustausch zwischen der verformbaren Membran und der Masse.
  • Es wird betont, dass die vorstehenden beispielhaften Erläuterungen zu Abmessungen Verhältnisse sind, die rein veranschaulichend sind und für das Konzept der Erfindung nicht einschränkend sind.
  • Obwohl in verschiedenen vorstehend skizzierten Beispielen eine Aktoranordnung 38 vorgesehen ist, die eine Schicht aus EAP umfasst, die mit einem belastbaren Träger gekoppelt ist, kann in weiteren alternativen Beispielen ein solcher Träger weggelassen werden. In einem solchen Fall kann bei elektrischer Stimulation der EAP-Schicht eine quasi zufällige Biegekonfiguration erreicht werden. Beispielsweise kann ein Faltenmuster herbeigeführt werden. Hier wird ein ähnlicher, wenn auch weniger konfigurierbarer, fluidischer Effekt in dem Fluidrückhalteraum 30 realisiert, wobei Fluid zwischen einem Bereich 46 nahe der verformbaren Membran 36 und einem von der verformbaren Membran entfernt gelegenen Bereich 48 innerhalb des Fluidmasse ausgetauscht wird.
  • Die gesteuerte Topologieänderung der verformbaren Membran 36 kann bei einigen Ausführungsformen eine doppelte Rolle spielen. Für Ausführungsformen, die eine Zellkultivierungsanordnung bereitstellen, kann die Topologieänderung eine nützliche mechanische Stimulation von Zellen bereitstellen, die auf einer Oberfläche (z. B. einer Chipfläche) kultiviert werden, die von der verformbaren Membran getragen wird.
  • Dies ist beispielsweise von Nutzen, wenn natürliche Wachstumsbedingungen für bestimmte Arten von Zellen simuliert werden. Zum Beispiel werden Zellen in Alveolen in der Lunge unter normalen Bedingungen gestreckt. Zellen des Herzens werden durch Kontraktionen des Herzens kontinuierlich verformt oder gedehnt. Die mechanische Stimulation von Zellen durch die verformbare Membran kann auf nützliche Weise In-Vivo-Zustände des Zellwachstums nachahmen. Es ist wohlbekannt, dass derartige mechanische Stimuli einen signifikanten Einfluss auf die Zellkultivierung haben können. Beispielsweise erfordert die Kultivierung von Herzmuskelzellen einen derartigen mechanischen Stimulus, um das Wachstum einer Zellschicht herbeizuführen, die das Verhalten eines Muskels zeigt.
  • Gemäß einem oder mehreren Beispielen kann eine dedizierte Trägerstruktur zum Tragen kultivierter Zellen bereitgestellt werden, wobei die Trägerstruktur Trägeroberflächen aufweist, die durch Steuerung verformt werden können, um eine gesteuerte mechanische Verformung von kultivierten Zellen zu ermöglichen. In Beispielen kann die Struktur unabhängig von der verformbaren Membran verformbar sein oder kann mechanisch oder funktionell mit der verformbaren Membran gekoppelt sein, so dass die verformbare Membran die Verformung der Trägerstruktur stimuliert.
  • In Beispielen kann die Aktoranordnung 38 eine Mischung aus elektroaktivem Polymer und anderen Arten von reagierenden Materialien umfassen oder es können zusätzliche Aktoranordnungen bereitgestellt sein, die andere reagierende Materialien anstelle von EAPs umfassen. Reagierende Materialien sind eine breitere Klasse von Materialien mit Eigenschaften, die sich als Reaktion auf einen oder mehrere elektromagnetische Reize reversibel verformen oder auf andere Weise in ihren strukturellen Eigenschaften ändern. Arten von reagierendem Material schließen beispielsweise wärmeempfindliche Formgedächtnismaterialien wie Formgedächtnislegierungen und Formgedächtnispolymere, magnetostriktive Materialien, magnetische Formgedächtnislegierungen, piezoelektrische Materialien und lichtempfindliche Materialien (fotomechanische Materialien) ein. Optisch reagierende Materialien haben in bestimmten Fällen besondere Vorteile, insbesondere wenn bestimmte Zellen empfindlich auf die elektrischen Signale, die zum Stimulieren des EAP-Materials verwendet werden, reagieren.
  • Vorstehend beschriebene Beispiele schließen eine EAP-Aktoranordnung ein, die aus einer Anordnung individuell verformbarer EAP-Aktorelemente 42 gebildet oder in diese aufgeteilt ist. Die Größe jedes Aktorelements kann gemäß der besonderen Fließmuster, die erzeugt werden müssen, gewählt werden.
  • Übliche menschliche Zellen haben einen Durchmesser von etwa 10-20 Mikrometer und Blutplättchen haben einen Durchmesser von etwa 1-2 Mikrometer. Beispielhaft können Aktoren mit einer Breite von 5 mm eine lineare (aus der Ebene heraus) Verschiebungsamplitude von 70 Mikrometern erreichen, was ausreicht, um einen Oberflächenfluss zu erzeugen und Depletionsschichten, um biologische Zellen zu stören. Da der erzeugte Fluss von der verformten Oberfläche selbst ausgeht, werden Fluidbereiche, die sogar Zellen umgeben, die direkt an die Oberfläche angrenzen, gestört, was sowohl die Zellen bewegt als auch den Austausch von Nährstoffen und Abfallprodukten zu und von den Zellen ermöglicht. Somit kann verhindert werden, dass Blutplättchen aktiviert werden, und diese und andere Zellen werden effizient konserviert und mit Nährstoffen kultiviert.
  • Es sollte angemerkt werden, dass die Abmessungen des Fluidrückhalteraums 30, insbesondere der Abstand von der verformbaren Membran 36 zu einer entgegengesetzten Begrenzungswand, das Fließmuster, das durch eine besondere Topologieänderung erreicht wurde, beeinflussen. Ein sehr enger Abstand kann zu einem Fließmuster führen, das durch Ablenken mit der gegenüberliegenden Wand in eine Richtung umgeleitet wird, die im Wesentlichen über die verformbare Membran verläuft. Ein viel größerer Trennabstand kann zu einem Fließmuster führen, das relativ zu der Membran senkrechter gerichtet ist. Ein Abstand, der derart ist, dass die letztere stärker senkrecht gerichtete Strömung gefördert wird, kann bevorzugt sein, da der Fluidaustausch mit der Masse auf diese Weise besser gefördert werden kann.
  • Gemäß einem oder mehreren Beispielen kann die EAP-Aktoranordnung 38 einen inaktiven Oberflächenbereich aufweisen oder anderweitig aufnehmen, in dem keine Aktorelemente 42 bereitgestellt sind oder in dem diese Aktorelemente nicht aktiviert sind, wobei dieser Bereich vorzugsweise von aktiven Bereichen umgeben ist. Der inaktive Bereich kann biologische Zellen zum Kultivieren aufnehmen und kann eine Membran oder ein Substrat oder einen Chip umfassen, die Zellen zum Kultivieren tragen oder an die Zellen zum Kultivieren angeheftet werden können. Eine Membran kann bereitgestellt werden, die Zellen bedeckt und für Nährstoffe durchlässig ist. Durch das Bereitstellen der Zellen in einem inaktiven Bereich kann eine mögliche Schädigung durch die Topologieänderung der verformbaren Membran 36 bei mechanisch empfindlichen Zellen vermieden werden, während gleichzeitig ein Fluidaustausch zwischen einem direkt an die Zellen angrenzenden Bereich 46 und der Fluidmasse 48 erleichtert wird.
  • Obwohl gemäß der oben beschriebenen Beispiele eine Aktoranordnung 38 und verformbare Membran 36, die sich über die Gesamtheit des Fluidrückhalteraums 30 erstrecken, bereitgestellt werden, kann sich in weiteren Beispielen die Membran oder die Aktoranordnung nur teilweise über den Raum erstrecken oder kann auf einen zentralen Bereich des Raums, der von Fluid umgeben ist, begrenzt werden.
  • Vorstehend wurden Schemata zur Aufnahme einer Verdrängung von Fluid innerhalb der Kammer durch volumetrisch ausgleichende Verformungen der Aktoranordnung aufzunehmen. Als Alternative wird in dem Beispiel von 9 die Verdrängung angepasst, indem der Fluidrückhalteraum 30 der Kammer nur teilweise mit Fluid gefüllt wird, wobei ein Luftspalt 65 verbleibt, in den sich verdrängtes Fluid bewegen kann.
  • Gemäß weiterer Beispiele können Überlaufmittel alternativ zur vorübergehenden Aufnahme von Fluid, das durch die Bewegung der verformbaren Membran in den Fluidrückhalteraum 30 der Kammer verdrängt wurde, bereitgestellt werden.
  • In Beispielen können die Überlaufmittel einen Überlaufauslass oder eine Überlaufleitung umfassen, die sich von der Kammer zu einem Überlaufraum erstrecken, was eine vorübergehende Entleerung von Fluid aus der Hauptkammer zulässt.
  • 11 veranschaulicht schematisch ein Beispiel einer derartigen Anordnung. Die gezeigte Anordnung stellt eine Zellkultivierungsanordnung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung dar. Die Anordnung kann in Beispielen eine Organ-on-a-Chip-Anordnung sein.
  • Die Anordnung umfasst eine Hauptkammer (Inkubationskammer) 24 zur Aufnahme von Zellen zur Kultivierung, wobei die Hauptkammer über einen Überlaufauslass 26 mit einer Sekundärüberlaufkammer 25 zur Aufnahme von Fluid fluidisch verbunden ist, das nach der Verformung der verformbaren Membran 36 der Hauptkammer 24 verdrängt werden kann. Die verformbare Membran 36 kann einen Abschnitt einer Wand der Hauptkammer definieren oder kann innerhalb der Hauptkammer angeordnet sein und ist in jedem Fall so angepasst, dass sie so verformbar ist, dass sie eine definierte Topologieänderung erfahren kann.
  • Die Anordnung umfasst ferner eine elektroaktive Polymeraktoranordnung 38, die eingreifend mit der verformbaren Membran 36 angeordnet ist, um die Membran zu verformen und eine gesteuerte Topologieänderung der Membran zu bewirken, wie in den vorstehenden Beispielen beschrieben.
  • Ein Abschnitt einer Wand der Überlaufkammer 25 umfasst eine anpassungsfähige Folie oder Membran, die flexibel ist, um ein Kompensieren jeglicher Volumenänderungen zuzulassen, die durch die elektroaktive Polymeraktoranordnung 38 der Hauptkammer 24 herbeigeführt werden. Die anpassungsfähige Folie oder Membran kann durch einen oberen Abschnitt der Außenwand oder durch eine Begrenzung der Überlaufkammer gebildet sein.
  • Bei der Verwendung werden ein Zuflussventil 23a und ein Abflussventil 23b der Anordnung geschlossen, um ein Entweichen von Fluid zu verhindern, das innerhalb des Fluidrückhalteraums der Anordnung enthalten ist. Die Verdrängung des Fluids innerhalb Hauptkammer 24 durch die Verformung der verformbaren Membran 36 kann durch den Überlaufauslass 26 strömen und durch die Überlaufkammer 25 aufgenommen werden. Alternativ können beide Kammern mit Fluid gefüllt sein und wobei ein verformbarer Folienabschnitt der Überlaufkammer 25 anpassungsfähig ist, um eine volumetrische Aufnahme von innerhalb der Hauptkammer durch die verformbare Membran 36 verdrängtem Fluid zu ermöglichen.
  • Die gesamte Anordnung kann innerhalb eines Gehäuses untergebracht sein, wobei das Gehäuse durch einen Deckel verschlossen ist. Das Gehäuse kann eine steife Struktur sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform oder dem vorstehend beschriebenen Beispiel kann es allgemein vorteilhaft sein, dass unterschiedliche Aktorelemente 42 der Aktoranordnung unabhängig voneinander betätigbar sind, beispielsweise zu unterschiedlichen Zeiten aktiviert werden, z. B. nacheinander. Um dies zu erreichen, ist eine effiziente Antriebsschaltung wünschenswert, damit vermieden werden kann, jedem Aktorelement individuelle Drahtverbindungen bereitzustellen und für jedes eine individuelle Antriebssteuerung zu besitzen. Dies wäre sowohl teuer als auch komplex. Diese zusätzlichen Kosten sind insbesondere ein Problem für Wegwerfanordnungen.
  • Gemäß einem ersten Satz von Beispielen können Aktorelemente stattdessen auf eine gemultiplexte oder serielle Busart verbunden werden. In diesem Fall ist eine Vielzahl von Aktorelemente als linearer Satz angeordnet, womit elektrisch über eine Leitung verbunden gemeint ist. Daten zum Steuern des Antriebs der individuellen Aktorelemente sind auf einer Datenleitung bereitgestellt und die Datenleitungsverbindungen sind zwischen jedem benachbarten Paar von Aktorelementen eingerichtet. Die Aktorelemente werden in Abhängigkeit von den aus der Datenleitung empfangenen Daten gesteuert.
  • Jedes Aktorelement umfasst mindestens zwei Stromanschlüsse und mindestens einen digitalen Datenleitungsanschluss. Die Anordnung schließt mindestens zwei Stromleitungen und eine Datenleitung ein, wobei jedes Aktorelement parallel zwischen den mindestens zwei Stromleitungen verbunden ist, wobei die mindestens zwei Stromleitungen mit den mindestens zwei Stromanschlüssen verbunden sind.
  • Dieser Ansatz stellt eine gewisse Vereinfachung dar, ist jedoch immer noch mit erheblicher Komplexität und Kosten verbunden.
  • Gemäß einem weiteren, bevorzugten Ansatz kann eine individuelle Aktorsteuerung durch Bereitstellung einer Elektrodenanordnung erreicht werden, die unabhängig voneinander steuerbare Abschnitte aufweist. Beispielsweise können Elektroden, die auf mindestens einer Seite der Aktoranordnung angeordnet sind, als ineinandergreifende Elektroden oder Varianten davon bereitgestellt sein. Eine derartige Anordnung macht es möglich, unabhängig voneinander die Stimulierung auf zwei unterschiedliche Aktorelemente ohne weiteren Aufwand in Form von z. B. Kreuzungen oder Durchkontaktierungen zu steuern.
  • Insbesondere verwenden ineinandergreifende (z. B. kammartige) Elektrodenstrukturen Elektrodenpaare in Form von ineinandergreifenden Kämmen (z. B. in Form von ineinandergreifenden Fingern). Dies erlaubt eine Elektrodenanordnung in der Ebene, indem elektrische Felder oder Ströme zum Antreiben der Aktorelemente in einer Ebene zwischen den Fingern der Elektroden erzeugt werden.
  • In Beispielen können Elektrodenanordnungen auf beiden Seiten der Aktoranordnung als derartige ineinandergreifende kammartige Elektroden oder Varianten davon bereitgestellt sein. Es wird nun möglich, vier Aktorelemente unabhängig voneinander - zwei (in der Ebene) von einer Seite der Aktoranordnung und zwei (in der Ebene) von der anderen Seite zu aktivieren. Während der Betätigung durch Elektroden auf einer Seite können diese auf der anderen Referenzelektroden bereitstellen, um das elektrische Feld herzustellen oder den Strom über die EAP-Aktorelemente herzustellen. Auf diese Weise ist es möglich, 2x2 quadratische Anordnungen von Aktorelementen 42 einzeln zu betätigen (wobei die Kammelektroden auf den beiden Seiten der Aktoranordnung um 90 Grad zueinander gedreht sind). Alternativ kann eine Linie von vier benachbarten Elektroden einzeln betätigt werden (falls die Kammelektroden auf den beiden Seiten parallel zueinander angeordnet sind). Die letztere Anordnung kann vorteilhaft sein, um wellenartige Fließmuster in dem Fluidrückhalteraum 30 zu erzeugen.
  • Bevorzugte Anordnungen zum Antreiben der Elektronik von Ausführungsformen der Erfindung werden nun beschrieben.
  • Vorstehend wurden Modi zum Steuern der Aktivierung der Aktorelemente 42 auf eine sequentielle oder anderweitig nicht zusammenwirkende Weise beschrieben. Eine komplexe Elektronik und komplexe Antriebsschemata zur Implementierung dieser und anderer Steuerschemata können durch ein neuartiges, nachstehend beschriebenes Antriebsschema vermieden werden.
  • Wie Fachleute erkennen, ist es möglich, jedes Aktorelement 42 durch Bereitstellen einer separaten Steuerleitung oder durch Implementierung eines zweidimensionalen matrixartigen Ansatzes anzutreiben, was die Aktivierung der Aktorelement in der erforderlichen Reihenfolge zulässt. Dies würde jedoch eine sehr große Anzahl von Leitungen und Verbindungen zwischen der Aktoranordnung 38 und der Steuereinheit 50 erfordern.
  • Gemäß dem vorgeschlagenen Antriebsschema wird ein einfacher und kostengünstiger analoger elektronischer Ansatz bereitgestellt, um Ketten von Aktorelementen 42 seriell zu aktivieren. Insbesondere wird jedes Aktorelement von seinem Vorgänger nach einer variablen Zeitverzögerung zum Betätigen ausgelöst.
  • Eine beispielhafte Schaltung ist in 12 gezeigt. Diese Schaltung ist insbesondere für Ausführungsformen geeignet, bei denen die Aktorelemente 42 in Reihe geschaltet sequentiell aktiviert werden. Zu Zwecken der Veranschaulichung geht die Schaltung von 12 davon aus, dass drei zu aktivierende Aktorelemente vorhanden sind. Es versteht sich jedoch, dass die Schaltung erweitert werden kann, um eine beliebige Anzahl von Aktorelementen in Reihe zu aktivieren. Außerdem wird zu Zwecken der Veranschaulichung angenommen, dass die Aktorelemente elektroaktive polymerbasierte Elemente sind, die durch Anlegen eines elektrischen Feldes über eine EAP-Schicht betätigbar sind.
  • Wie dem Stand der Technik bekannt, kann ein EAP-Aktor elektrisch durch einen parallel geschalteten Kondensator und Widerstand modelliert werden, beide in Reihe mit einem weiteren Widerstand verbunden. Die Schaltung von 12 umfasst drei derartige EAP-Aktorelemente, die durch die gestrichelten Kästchen 82a, 82b und 82c angezeigt sind. Jede Aktorschaltung 82 wird durch ein DC-Signal angetrieben, beispielsweise mit einer Spannung von oder in der Größenordnung von 200 V (von der angenommen wird, dass sie die maximale Antriebsamplitude der EAPs ist). Die EAP-Aktorschaltungen 82 sind mit einer gemeinsamen Masse verbunden. Es müssen keine zusätzlichen Drähte an jede EAP-Aktorschaltung angeschlossen werden, abgesehen von einer einzelnen seriellen Verbindung 88 (die als Auslöseleitung wirkt), die zwischen Aktorelementen verläuft.
  • In dem gezeigten Beispiel wird das erste EAP-Aktorelemente 82a aktiviert, sobald die Betriebsspannung V1 zugeführt wird.
  • Zur Aktivierung der zweiten und dritten Aktorelemente 82b und 82c werden zwei einfache Schaltblöcke miteinander verbunden: eine elektronische Schaltung (Schaltungen 84a und 84b) und eine Zeitgeberschaltung (Schaltungen 86a und 86b). Die Umschaltschaltung 84 versorgt das EAP-Aktorelement 82 in Abhängigkeit von dem Zustand der Zeitgeberschaltung 86 mit Energie. Die Zeitgeberschaltung besteht aus einem einfachen RC-Zeitgeber gefolgt von einem Transistorschalter. Wenn EAP-Aktor (n -1) aktiviert wird, aktiviert die Zeitgeberschaltung nach einer besonderen Zeitverzögerung n den Schalter n, wobei die Zeitverzögerung durch die RC-Zeitkonstante τ= Rd·Cd definiert ist, wobei Rd und Cd der Widerstand bzw. die Kapazität jeweils des Widerstands bzw. des Kondensators der RC-Schaltung sind. Zur Veranschaulichung wurden die in der beispielhaften Schaltung gezeigten Werte gewählt, um eine Verzögerung von 200 ms zu realisieren. Sobald das Aktorelement n aktiviert ist, wird dieselbe Sequenz für das Aktorelement (n +1) auftreten, wobei dieses Element nach einer Zeitverzögerung aktiviert wird, die durch die Zeitgeberschaltung n+1 veranlasst wird.
  • 13 zeigt die Spannung (y-Achse, V), die durch jedes EAP-Aktorelement 82 der beispielhaften Schaltung von 12 in Abhängigkeit von der Zeit (x-Achse, Sekunden) angelegt wird. Linie 92 zeigt die Spannung durch das Aktorelement 82a, Linie 94 zeigt die Spannung durch das Aktorelement 82b und Leitung 96 die Spannung durch das Aktorelement 82c. Es ist ersichtlich, dass eine Stromverzögerung von 200 ms, die durch jedes der Aktorelemente bereitgestellt wird, vorliegt.
  • Anpassungen oder Erweiterungen der beispielhaften Schaltung von 12 sind möglich und würden für Fachleuten offensichtlich sein, z. B. Erweiterung der Schaltung zur Aufnahme der EAP-Elemente oder Hinzufügen zusätzlicher Zeit- und Schaltkreise, um ein oder mehrere Aktorelemente nach einer bestimmten Zeitverzögerung zu deaktivieren. Durch Einstellen der Zeitsteuerungen (durch Abstimmen von Rd und Cd der Zeitgeberschaltung) können auch andere Betätigungsprofile und Verhaltensweisen erzeugt werden.
  • Wie vorstehend angemerkt, können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung für sogenannte Organ-on-a-Chip-Anwendungen vorteilhaft angewendet werden und in weiteren Beispielen für die Speicherung von Flüssigkeiten, die eine bestimmte Art dauerhafter Bewegung erfordern, wie beispielsweise Blut.
  • Obwohl in verschiedenen vorstehenden Beispielen Aktoranordnungen 38 umfassend eine einzige Schicht von EAP-Material mit einem segmentierten Rückhalt 52 zum Herbeiführen einer örtlich begrenzten Biegung gezeigt wurden, sind andere Konfigurationen möglich. In weiteren Beispielen kann eine Aktoranordnung eine Reihe von individuell ausgebildeten Aktorelementen aufweisen, die auf einer Trägerschicht verteilt und individuell durch elektrische Stimulation betätigbar sind. Jedes kann mit einem Elektrodenpaar bereitgestellt sein, welches das Element zum Anwenden einer elektrischen Stimulation umgibt. Jedes Element kann mindestens eine Schicht von EAP-Material umfassen und umfasst vorzugsweise eine belastbare Stützschicht, um ein Biegen herbeizuführen.
  • Im Falle einer einzigen EAP-Schicht mit einem segmentierten Träger zur Aufteilung der Schicht in individuelle Aktorelemente kann eine individualisierte Steuerung von Aktorelementen dadurch erreicht werden, dass jedem Aktorelement individuell steuerbare Elektroden bereitgestellt werden. Jeder Elektrodensatz führt lokale Stimulation nur an dem in Frage kommenden Standort des Aktorelements herbei, wodurch eine individuelle Betätigung des bestimmten Aktorelements bereitgestellt wird.
  • Es sind Materialien bekannt, die für das elektroaktive Polymer der elektroaktiven Polymeraktoranordnung geeignet sind. Geeignete elektroaktive Polymere schließen beispielsweise, sind aber nicht darauf beschränkt, folgende Unterklassen ein: elektromechanische Polymere, relaxor-ferroelektrische Polymere, elektrostriktive Polymere, dielektrische Elastomere, Flüssigkristall-Elastomere, konjugierte Polymere, ionische Polymer-Metall-Verbundstoffe, ionische Gele und Polymergele.
  • Die Unterklasse der elektrostriktiven Polymere schließt ein, ist aber nicht darauf beschränkt:
    • Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylidenfluorid - Trifluorethylen (PVDF-TrFE),
    • Polyvinylidenfluorid - Trifluorethylen - Chlorfluorethylen (PVDF-TrFE-CFE),
    • Polyvinylidenfluorid - Trifluorethylen - Chlortrifluorethylen (PVDF-TrFE-CTFE),
    • Polyvinylidenfluorid-Hexafluorpropylen (PVDF - HFP), Polyurethane oder Mischungen davon.
  • Die Unterklasse der dielektrischen Elastomere schließt ein, ist aber nicht darauf beschränkt: Acrylate, Polyurethane, Silikone.
  • Die Unterklasse der konjugierten Polymere schließt ein, ist aber nicht darauf beschränkt: Polypyrrol, Poly-3,4-ethylendioxythiophen, Poly(p-phenylensulfid), Polyanilin.
  • In all diesen Beispielen können zusätzliche passive Schichten bereitgestellt sein, um das elektrische und/oder mechanische Verhalten des EAP-Teilchens als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Feld zu beeinflussen.
  • Jedes EAP-Teilchen kann zwischen Elektroden eingeklemmt angeordnet sein. Die Elektroden können dehnbar sein, so dass sie der Verformung des EAP-Materials folgen. Geeignete Materialien der Elektroden sollten ultraschalldurchlässig sein und beispielsweise dünne Metallfolien einschließen, wie etwa Gold, Kupfer, Aluminium, oder organische Leiter wie Ruß, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Graphen, Polyanilin (PANI), Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT), z. B. Poly(3,4-ethylendioxythiophen), Poly(styrolsulfonat) (PEDOT:PSS).
  • Wenn die Elektroden in einer nicht symmetrischen Konfiguration angeordnet sind, kann die auferlegte Spannung alle Arten von Verformungen herbeiführen, wie Verdrehen, Rollen, Torsion, Drehen und nicht symmetrische Biegeverformung.
  • Wie vorstehend erörtert, können einige Ausführungsformen vom Gesichtspunkt der Aktoranordnung der vorliegenden Erfindung von einer Steuereinheit Gebrauch machen. Die Steuereinheit kann auf zahlreiche Arten implementiert werden, mit Software und/oder Hardware, um die verschiedenen erforderlichen Funktionen auszuführen. Ein Prozessor ist ein Beispiel einer Steuereinheit, der eine oder mehrere Mikroprozessoren verwendet, die unter Verwendung von Software (z. B. Mikrocode) zur Durchführung der erforderlichen Funktionen programmiert werden können. Eine Steuereinheit kann jedoch mit oder ohne die Verwendung eines Prozessors implementiert sein und kann auch als eine Kombination aus dedizierter Hardware zum Ausführen einiger Funktionen und einem Prozessor (z. B. einem oder mehreren programmierten Mikroprozessoren und zugehörigen Schaltungen) zum Ausführen anderer Funktionen implementiert werden.
  • Beispiele von Steuerkomponenten, die in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können, schließen herkömmliche Mikroprozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) und Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) ein, ohne darauf beschränkt zu sein.
  • In verschiedenen Implementierungen kann ein Prozessor oder eine Steuereinheit mit einem oder mehreren Speichermedien wie flüchtigem und nichtflüchtigem Rechenspeicher wie RAM, PROM, EPROM und EEPROM verbunden sein. Das Speichermedium kann mit einem oder mehreren Programmen codiert werden, die die erforderlichen Funktionen ausführen können, wenn sie auf einem oder mehreren Prozessoren und/oder Steuerungen ausgeführt wird. Verschiedene Speichermedien können innerhalb eines Prozessors oder einer Steuereinheit fixiert oder transportierbar sein, so dass das eine oder die mehreren darauf gespeicherten Programme in einen Prozessor oder eine Steuereinheit geladen werden können.
  • Weitere Variationen der offenbarten Ausführungsformen können von Fachleuten, die die beanspruchte Erfindung umsetzen, durch ein Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der anhängigen Ansprüche verstanden und bewirkt werden. In den Patentansprüchen schließt das Wort „umfassen“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel „ein“, „eine“ oder „eines“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander verschiedenen abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind, weist nicht darauf hin, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht von Vorteil sein könnte.
  • Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen des Umfangs auszulegen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2016193412 A1 [0050, 0124]

Claims (15)

  1. Biologische Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung (20), umfassend: eine Kammer, die einen Fluidrückhalteraum (30) definiert, der bei Verwendung so angepasst ist, dass er ein Fluidvolumen (34) hält und bei Verwendung so angepasst ist, dass er biologische Zellen zur Konservierung oder Kultivierung hält; eine undurchlässige verformbare Membran (36), die innerhalb der Kammer angeordnet ist oder eine Oberfläche der Kammer definiert; eine elektroaktive Polymeraktoranordnung (38), die angeordnet ist, um die verformbare Membran umzuformen, wobei die Membran ihre Undurchlässigkeit beibehält, wobei die elektroaktive Polymeraktoranordnung steuerbar ist, um eine gesteuerte Änderung einer Oberflächentopologie der verformbaren Membran zu bewirken; dadurch gekennzeichnet, dass die elektroaktive Polymeraktoranordnung (38) eine Gruppe von Aktorelementen (42) umfasst, wobei jedes ein elektroaktives Polymer umfasst und mit der verformbaren Membran derart gekoppelt ist, dass bei Verwendung die Änderung der Oberflächentopologie so gestaltet ist, ein Muster des Fluidstroms (56) innerhalb des Fluidvolumens voranzutreiben, in dem Fluid zwischen einem ersten Teilbereich (46) unmittelbar neben der verformbaren Membran und einem zweiten Teilbereich (48) abseits der verformbaren Membran ausgetauscht wird.
  2. Biologische Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung (20) nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Steuereinheit (50), die konfiguriert ist, um die elektroaktive Polymeraktoranordnung (38) zu steuern, um die gesteuerte Änderung einer Oberflächentopologie der verformbaren Membran (36) zu bewirken.
  3. Biologische Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung (20) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kammer eine fluidisch geschlossene Kammer zum Halten des Volumens des aktiven Fluids ist.
  4. Biologische Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung (20) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Steuereinheit (50) angepasst ist, regelmäßige oder wiederkehrende Änderungen der Oberflächentopologie der Membran auf kontinuierlicher Basis zu bewirken, um einen Fluidstrom zu erzeugen, in dem Fluid kontinuierlich oder rekursiv zwischen dem ersten (46) und dem zweiten (48) Teilbereich ausgetauscht wird.
  5. Biologische Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die verformbare Membran (36) den Fluidrückhalteraum (30) mindestens teilweise begrenzt.
  6. Biologische Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung (20) nach einem der Ansprüche 2-5, wobei die Änderung der Oberflächentopologie Oberflächenverformungen der verformbaren Membran (36) umfasst, die nach innen und außen von dem Fluidrückhalteraum (30) gerichtet sind, wobei die Verformungen nach innen volumetrisch mit den nach außen gerichteten Verformungen so ausgeglichen werden, dass sich das Volumen des Fluidrückhalteraums vor und nach der Topologieänderung netto nicht ändert.
  7. Biologische Zellkonservierung oder Zellkultivierungsanordnung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes der Aktorelemente betätigbar ist, um einen Biegevorgang zu durchlaufen.
  8. Biologische Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung (20) nach Anspruch 7, wobei die elektroaktive Polymeraktoranordnung (38) eine Betätigungsschicht umfasst, wobei die Betätigungsschicht die Anordnung der Aktorelemente (42) umfasst und wobei optional die elektroaktive Polymeraktoranordnung eine Schicht aus elektroaktivem Polymer umfasst und wobei jedes Aktorelement ein Segment der Schicht aus elektroaktivem Polymer umfasst.
  9. Biologische Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung (20) nach Anspruch 7 oder 8, wobei jedes Aktorelement elektrisch angetrieben werden kann, um sich zwischen einer ersten stabilen Betätigungsposition und einer zweiten stabilen Betätigungsposition zu bewegen.
  10. Biologische Zellkonservierungs- oder -Zellkultivierungsanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anordnung eine Zellkultivierungsanordnung ist und wobei das Fluidfließmuster dazu dient, die Nährstoffwiederauffüllung von Zellen zu ermöglichen, die sich an oder nahe der verformbaren Membran (36) befinden.
  11. Biologische Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung (20) nach Anspruch 10, wobei die Anordnung ein Substrat zur Kultivierung von biologischen Zellen umfasst, wobei das Substrat innerhalb der Kammer angeordnet ist und wobei das Substrat optional zum Halten der Zellen auf dem Substrat angepasst ist und wobei das Substrat optional mindestens einen Teil eines Chips für das Organ-on-a-Chip-Zellwachstum bildet.
  12. Biologische Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung (20) nach einem der Ansprüche 1-9, wobei die Anordnung eine Blutspeicheranordnung ist und wobei die verformbare Membran (36) zum Schütteln von innerhalb des Fluidrückhalteraums gespeicherten Bluts dient, um eine Aktivierung von Blutplättchen im Blut zu verhindern und/oder die Gerinnung des Blutes zu verhindern, und wobei optional die Blutspeicheranordnung einen Blutbeutel (64) umfasst, wobei der Beutel die Kammer bildet.
  13. Biologische Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung (20) nach Anspruch 12, wobei die verformbare Membran (36) mindestens einen Teil einer Begrenzungswand (66a, 66b) des Fluidrückhalteraums (30) bildet und wobei optional die elektroaktive Polymeraktoranordnung (38) eine Betätigungsschicht mit einem elektroaktiven Polymer umfasst, wobei die Schicht auf eingreifende Art und Weise gegen die verformbare Membran angeordnet ist und eine Wand des Fluidrückhalteraums zum Verformen der Membran bildet.
  14. Biologische Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektroaktive Polymeraktoranordnung (38) ein elektrostriktives elektroaktives Polymermaterial umfasst.
  15. Biologische Zellkonservierungs- oder Zellkultivierungsanordnung (20) nach einem der Ansprüche 7-14, wobei die Anordnung eine Steuereinheit (50) umfasst, die konfiguriert ist, um die elektroaktive Polymeraktoranordnung zu steuern, um die gesteuerte Änderung einer Oberflächentopologie der verformbaren Membran (36) zu bewirken, wobei die Steuereinheit (50) angepasst ist, um die Aktorelemente (42) auf sequentielle Art und Weise zu betätigen, wobei die sequentielle Betätigung einen Betätigungspfad beschreibt, um dadurch einen wellenartigen Fluidstrom in mindestens einer Richtung des Betätigungspfades herbeizuführen; und/oder die Steuereinheit (50) zur Steuerung der Aktorelemente (42) angepasst ist, um sie auf kaskadierende Art und Weise zu betätigen, wobei die Aktoren in aufeinander folgenden Gruppen betätigt werden, wobei jede betätigte Gruppe größer als die zuvor betätigte Gruppe ist.
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