DE69927264T2

DE69927264T2 - Aktive fluidfördervorrichtungen mit mikrokanälen

Info

Publication number: DE69927264T2
Application number: DE69927264T
Authority: DE
Inventors: I. Thomas INSLEY; P. Raymond JOHNSTON; L. Randall KNOLL
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 1998-06-18
Filing date: 1999-05-18
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2019-05-19
Also published as: JP4443045B2; WO1999065542A1; CN1178705C; AU750348B2; US6290685B1; EP1087802B1; EP1087802A1; KR20010071498A; CN1306446A; DE69927264D1; KR100603477B1; JP2002518104A; AU4003099A

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer strukturierten Polymeroberfläche, die diskrete mikrostrukturierte Kanäle für den Transport von Fluid aufweist. Die Vorrichtung besitzt darüber hinaus ein Verbindungselement, das die diskreten mikrostrukturierten Kanäle mit einer potenziellen Quelle, die den Fluidtransport durch die Kanäle fördert, in Fluidverbindung bringt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren für die Fluidförderung unter Verwendung dieser Vorrichtung und eine Vielzahl von Gegenständen, die diese Vorrichtung verwenden.
Die Fluidförderung kann nach dem Mechanismus, der Strömung in der Vorrichtung verursacht, charakterisiert werden. Wenn die Fluidförderung ein nicht-spontanes Fluidströmungsregime betrifft, ist die zum größten Teil das Ergebnis einer extern auf die Vorrichtung aufgebrachten Kraft, die Fluidförderung ist dann „aktiv". Wenn andererseits die Fluidförderung ein spontanes Strömungsregime betrifft, das von einer inhärenten Eigenschaft der Vorrichtung stammt, dann wird die Fluidförderung als eine „passive" angesehen. Ein Katheter ist ein wohlbekanntes Beispiel für eine aktive Fluidfördervorrichtung. In der Regel sind Katheter mit einer Vakuumquelle verbunden, die Flüssigkeit durch die Vorrichtung zieht. Ein Beispiel für eine passive Fluidfördervorrichtung ist eine saugfähige Einlage oder ein Schwamm.
Das Design einer aktiven Fluidfördervorrichtung hängt größtenteils von der speziellen Anwendung ab, für die sie verwendet wird. In vielen Fällen ist es wünschenswert, den Fluidströmungspfad zu kontrollieren. In einer Hinsicht kann der Fluidströmungspfad kontrolliert werden, um ein bestimmtes Fluid in der Nähe eines anderen Objekts oder eines anderen Fluids strömen zu lassen, wie z.B. in einem Wärmeaustauscher.
Ein Wärmeaustauscher mit diskreten Mikrokanälen, die sich zwischen ersten und zweiten Verteilern erstrecken, ist in US Patent Nr. 5.317.805 von Hoopman et al. Beschrieben. Dieser mit Mikrokanälen versehene Wärmeaustauscher wird durch materielle Abscheidung einer Schale – beispielsweise durch galvanische Abscheidung oder Dampfabscheidung eines Metalls – auf einem Kern hergestellt. Ein anderer mit Mikrokanälen versehener Wärmeaustauscher ist in US Patent Nr. 5.070.606 ebenfalls von Hoopman et al. Beschrieben, der durch Formung eines Plastik- oder Keramikkörpers um eine Anordnung von Fasern, die anschließend entfernt werden, so dass Mikrokanäle im geformten Körper bleiben, hergestellt wird.
In anderer Hinsicht kann ein Fluidströmungspfad kontrolliert werden, damit das Fluid nach bestimmten Strömungseigenschaften fließt. Das heißt die Fluidströmung kann einfach durch eine einzelne Leitung zwischen Schichten oder mittels mehrerer Kanüle erleichtert werden. Andere Beispiele sind poröse Produkte, die an einer potenziellen Erzeugungsvorrichtung befestigt werden können, die die Fluidströmung durch das poröse Produkt verursacht – siehe beispielsweise US Patent 5.599.330 von Rainin, US Patent 4.533.352 von Van Bek et al. und US Patent 3.935.863 von Kliger.
Ein Fluidförderströmungspfad kann von mehreren Kanälen definiert werden, die zur Förderung einer Flüssigkeit von einer Sammelstelle zu einem anderen Ort, wie z.B. einem Aufbewahrungsgefäß, verwendet werden können. Bei der Verwendung solcher Vorrichtungen kommt es ziemlich häufig, dass sich die Flüssigkeit mit Gas mischt und eine Zweiphasenströmung erzeugt wird, manchmal als turbulenter Mix von Flüssigkeit und Gas. Je nach Mischungsverhältnissen und Geschwindigkeit der Fluidströmung können sich Flüssigkeit und Gas zu unerwünschten Strömungsmustern vereinen. Muster, die als schäumende, dispergierende und kriechende Strömung bekannt sind, können sich manchmal nachteilig auf die zu fördernden Fluids auswirken oder diese Strömung kann das Transportsystem und/oder das umgebende Milieu beeinträchtigen.
Bei der schäumenden Strömung werden beispielsweise Bläschen in der Flüssigkeit dispergiert und ein intimer Kontakt zwischen Luft und Flüssigkeit könnte beispielsweise beschleunigte Oxidation der Flüssigkeit verursachen. In der dispergierten Strömung wird fast die gesamte Flüssigkeit als feine Tröpfchen im Gas mitgerissen. Durch dieses Strömungsmuster erzeugte Aerosol-Tröpfchen könnten in die lokale Umgebung geraten und so je nach Charakter der Flüssigkeit eine Gefahrenquelle darstellen. Ein Beispiel ist beispielsweise in der Chirurgie, wo biologisch kontaminierte Flüssigkeiten, die zur Entsorgung aspiriert werden, vernebelt werden und in das Arbeitsumfeld geraten, wenn die Auffangkanister geöffnet werden. Bei der kriechenden Strömung wird eine Flüssigkeitswelle in regelmäßigen Abständen aufgenommen, indem Gas schnell bewegt wird, um eine schaumige Schlacke zu formen, die mit einer Geschwindigkeit, die höher ist als die durchschnittliche Flüssigkeitsgeschwindigkeit, durch das System fließt. Bei dieser Strömungsart können Schlacken Vibrationen an den Geräten verursachen, wenn sie auf Systemkomponenten auftreffen. Beim Auftreffen kann neben den Elementen im System, wie Armaturen und Biegungen, auf das Fluid ein hohes Maß an mechanischer Belastung ausgeübt werden. Eine starke Fluidförderwirkung könnte außerdem möglicherweise die Zellstruktur von Flüssigkeiten, die gegen Spannung empfindlich sind, zerstören, wie z.B. im Fall von Blut, das zur Wiedereinführung in chirurgischen Eingriffen gesammelt wird.
Auch eine Zweiphasenströmung kann sich nachteilig auf den Arbeitsplatz auswirken, indem sie während der Fluidförderung Geräusche verursacht. Das heißt, Geräusche entstehen oft, wenn ein turbulentes Flüssigkeitsgemisch durch die Vorrichtung fließt. Geräuschbelastung muss in vielen Umgebungen minimiert werden, insbesondere dann, wenn eine gute Kommunikation extrem wichtig ist, also beispielsweise in einem Operationssaal.
US Patent 4.966.584 von Nguyen beschreibt eine aktive Fluidfördervorrichtung, die sich mit der Geräuschbelastung beschäftigt. Insbesondere wird ein Saugaspirator beschrieben, der bei chirurgischen Eingriffen zur Anwendung kommt. Die Vorrichtung weist eine Ventilanordnung auf, die die Strömung durch die Vorrichtung zur Geräuschreduzierung kontrolliert. Das Ventil soll die Geräuschbelastung kontrollieren, indem es die Saugströmung durch die Vorrichtung reguliert.
Eine andere aktive Fluidfördervorrichtung, die im medizinischen Bereich verwendet wird, ist eine Fluidauffang-Bodenmatte, die im Handel unter der Bezeichnung „Fluid Control" Bodensaugmatte von Technol Medical Products Inc. erhältlich ist. Dieses Produkt arbeitet mit passiven und aktiven Mitteln zur Entfernung von Flüssigkeiten, die bei einem chirurgischen Eingriff an einer Operationsstelle anfallen. Die Vorrichtung hat eine saugfähige Matte, die über einer Vielzahl von parallelen Kanälen angeordnet ist. In den Kanaloberflächen sind Löcher angeordnet, die an die saugfähige Matte anschließen, so dass die von der Matte aufgefangene Flüssigkeit in die Kanäle gezogen werden kann. Die parallelen Kanäle sind mit einem Verteiler verbunden, der an einem Saugschlauch befestigt ist. Nachdem die Flüssigkeit auf der Matte angesammelt ist, kann ihre Entfernung durch die Vielzahl von Kanälen durch Aufbringen von Vakuum erleichtert werden. Da die wiedergewonnene Flüssigkeit durch die Kanäle als Flüssigkeits/Luft-Gemisch fließen kann, kann die Vorrichtung Geräusche erzeugen. Das heißt während Flüssigkeit vom Saugsystem durch die Kanäle gezogen wird, kann sich Luft mit der Flüssigkeit mischen und Geräusche erzeugen, die das Arbeitsumfeld beeinträchtigen können.
US Patent 5.628.735 von Skow offenbart eine aktive Fluidfördervorrichtung, die unerwünschte Flüssigkeit sanft und kontinuierlich bei einem chirurgischen Eingriff aus dem Operationsfeld entfernen soll. Die Vorrichtung arbeitet mit passiven und aktiven Fluidfördermechanismen zur Entfernung von überschüssiger Flüssigkeit bei chirurgischen Eingriffen. Sie weist eine flexible Matte mit einer starken Saugwirkung auf, und in der Matte ist ein flexibler Saugschlauch eingebettet, der an eine Saugquelle angeschlossen ist und Flüssigkeit aus der Matte entfernt, damit diese nicht gesättigt wird. Der Schlauch hat ein oder mehrere Löcher, damit die aufgefangene Flüssigkeit von der Matte in den Schlauch fließen kann. Da die Vorrichtung nicht mehrere diskrete Kanäle verwendet, kann sie den Saugeffekt nicht auf diese Kanäle verteilen und die Verwendung eines Schlauchs kann die Anwendung der Vorrichtung einschränken.
Weitere aktive Fluidförderprodukte zur Förderung von Fluids sind in US Patent 5.437.651 von Todd et al. und 4.679.590 von Hergenroeder beschrieben. In Todd et al. ist ein medizinisches Sauggerät offenbart, das zum Auffangen von Blut und anderen Flüssigkeiten, die sich in einem Patienten bei chirurgischen Eingriffen ansammeln, geeignet ist. Das Gerät weist ein saugfähiges Schaumpolster auf, das über eine flexible Rückplatte an einer Saugquelle befestigt ist. Die Rückplatte besitzt Kanäle, die die aufgenommene Flüssigkeit zu einer Öffnung leiten. Dieses Gerät ist äußerst anfällig für die Erzeugung von Geräuschen, da in der Regel ein Flüssigkeits-Luft-Gemisch durch das Gerät gezogen wird.
Hergenroder beschreibt ein Gefäß zur Aufnahme von Flüssigkeit vom Boden eines Operationssaals. Die Vorrichtung wird als besonders geeignet für die Aufnahme von Irrigationsflüssigkeiten bei chirurgischen Eingriffen, wie z.B. arthroskopische Operationen an einem Gelenk, wie einem Kniegelenk, beschrieben. Das Gefäß ist dünn und im Allgemeinen flach und besitzt ein Gitter aus kleinen Becken, die eine Auffangfläche mit Drains formen, durch die die aufgefangene Flüssigkeit zu den zwischen dem Gefäß und dem Boden gebildeten Kanälen fließt. Die Kanäle leiten die Flüssigkeit zu einer gemeinsamen Abgabeöffnung, die mit einer Saugvorrichtung verbunden sein kann. Aufgrund der Konfiguration der Kanäle kann diese Vorrichtung im Gegensatz zu den anderen oben beschriebenen leicht eine Zweiphasen-Flüssigkeits/Luftströmung erzeugen, die zu erheblicher Geräuschbelastung führen kann.
Weitere flexible Schlauchvorrichtungen oder Katheter sind beispielsweise in US Patent 5.445.771 von Degen, 4.623.329 von Drobish et al. und 3.598.127 von Wepsic beschrieben. Im Patent von Degen sind eine Ansammlung von hohlen thermoplastischen Fasersträngen aneinander befestigt und werden wie eine Trennvorrichtung verwendet. Die in Drobish et al. und Wepsic beschriebenen Vorrichtungen werden zu Kathetern geleitet, die einen primären Strömungsdurchgang und ein oder mehr sekundäre Strömungsdurchgänge zwischen Schlauchschichten aufweisen. Die Vorrichtung von Drobish et al. weist einen konzentrischen sekundären Durchgang mit Rillen in einer der definierenden Flächen zur Vergrößerung der Oberfläche auf, die für Flüssigkeit, die im sekundären Durchgang fließt, zugänglich ist. Im Patent von Wepsic sind mehrere sekundäre V-förmige Rillen um einen primären Durchgang angeordnet. Die V-förmigen Rillen sind von einem Außenrohr umgeben, das für eine antibakterielle Substanz permeabel ist.
DE-A-195 01 017 beschreibt ein chirurgisches Sauginstrument, das im Wesentlichen aus einem röhrenförmigen Behälter besteht, dessen vorderes Ende einen flüssigkeitsdurchlässigen Saugpunkt aus einem Faserbündel, hart gepresstem Filz, porösem gesinterten Material oder einem ähnlichen starren porösen oder kapillaren Material trägt.
Die vorliegende Erfindung stellt eine aktive Fluidfördervorrichtung bereit, die eine Schicht aus Polymermaterial mit einer ersten Hauptfläche enthält. Die erste Hauptfläche weist eine strukturierter Fläche mit einer Vielzahl von darauf angeordneten, im Wesentlichen diskreten Strömungskanälen auf. Die Strömungskanäle erstrecken sich von einem ersten Punkt zu einem zweiten Punkt entlang der strukturierten Fläche und weisen ein Mindestseitenverhältnis von etwa 10:1 und einen hydraulischen Radius von höchstens ungefähr 300 Mikrometer (μm) auf. Die Fördervorrichtung weist ferner ein Verbindungsglied auf, das mit den diskreten Strömungskanälen in Fluidverbindung steht. Mit dem Verbindungsglied kann ein Potential von einer sich außerhalb der strukturierten Polymerfläche befindenden Quelle an die Strömungskanäle angelegt werden, um die Bewegung von Fluid durch die Strömungskanäle von einem ersten Potential zu einem zweiten Potential zu fördern.
Die vorliegende Erfindung besitzt eine Anzahl von Eigenschaften, die einer aktiven Fluidfördervorrichtung, in der die Erfindung verkörpert ist, zahlreiche Vorteile verleiht. Eine bestimmte Eigenschaft ist die Verwendung einer mikrostrukturierten Oberfläche aus einem Polymermaterial. Das Polymermaterial gestattet die verhältnismäßig preiswerte genaue Replikation der strukturierten Oberfläche bei der Herstellung. Die die mikrostrukturierte Oberfläche tragende Polymerschicht kann mit einer Form- oder Gusstechnik problemlos repliziert werden. Die strukturierte Oberfläche kann somit ohne teure Verarbeitungsbedingungen hergestellt werden, die ansonsten notwendig wären, wenn andere Techniken wie z.B. mechanische Bearbeitung oder chemische Ätzung zu Anwendung kämen. Durch die Verwendung von Polymermaterial zur Bildung der mikrostrukturierten Oberfläche können auch einzelne Merkmale im Herstellungsverfahren mit relativ hohen Toleranzen beibehalten werden. Darüber hinaus gestattet ein Polymermaterial die Herstellung flexibler aktiver Fluidfördervorrichtungen durch Auswahl von Polymeren mit einem niedrigen Zugmodul. Gegenstände mit solchen Polymeren können für verschiedene Anwendungszwecke zu einer Vielzahl von Konfigurationen geformt werden.
Die Bereitstellung von diskreten Strömungskanälen mit einem Mindestseitenverhältnis von etwa 10:1 und einem hydraulischen Radius von höchstens etwa 300 μm ergibt mikrostrukturierte Kanäle, mit denen die Wirkung des Potentials auf die zahlreichen Kanäle stark verteilt werden kann. Statt dass die Gesamtwirkung des Potentials beispielsweise nur durch einen einzelnen großen Kanäle übertragen wird, kann das Potential auf eine sehr große Zahl von kleinen Kanälen verteilt werden, so dass kein einzelner Kanal das Fluid beeinträchtigen kann, das durch den Kanal transportiert wird. Durch eine stark verteilte Potentialwirkung wird das Fluid bei seiner Bewegung durch jeden einzelnen Kanal weniger Spannung ausgesetzt. Die Verringerung der Spannung kann wichtig sein, wenn es sich um empfindliches Fluid handelt oder wenn es eine Morphologie besitzt, die nicht verändert werden sollte. Dies kann beim Transport von Fluid wichtig ist, bei dem es sich um Blut, kolloidale Fluids und andere nichthomogene flüssige Mischungen oder Suspensionen handelt.
Darüber hinaus kann durch eine stark verteilte Potentialwirkung auch weniger Spannung auf Objekte gelegt werden, die mit den Ein- oder Ausgängen der Kanäle in Berührung kommen. Wenn die erfindungsgemäße Fluidfördervorrichtung beispielsweise in Form eines Katheter konfiguriert ist, der mit einer Vakuumquelle verbunden ist, kann durch Verwendung der mikrostrukturierten diskreten Strömungskanäle das Potential vom Vakuum so stark verteilt werden, dass auf das Körpergewebe, das dem Potential an den Kanaleingängen ausgesetzt ist, nur minimale Spannung aufgebracht wird. Durch die aktive Fluidfördervorrichtung kann somit ein Fluid aus einer Körperhöhle entfernt werden, während Schäden an benachbarten Geweben minimiert werden.
Die mit Mikrokanälen versehene Konfiguration der erfindungsgemäßen aktiven Fluidfördervorrichtung ist auch deshalb vorteilhaft, weil sich jeder einzelne Kanal problemlos mit Fluid aus dem umgebenden Milieu füllen kann. Und das diskrete Kanalsystem ermöglicht es den Kanälen, sich unabhängig voneinander zu füllen oder leer zu bleiben. Ein Kanal kann beispielsweise vollständig mit einer Flüssigkeit gefüllt werden, während sein benachbarter Kanal nur Luft aufweist. In herkömmlichen Fluidfördervorrichtungen sind die Kanäle viel größer und nicht diskret, so dass sie häufig eine Zweiphasenströmung mit Flüssigkeit und Luft enthalten. Da durch die Erfindung eine Einphasenströmung für Flüssigkeiten gefördert wird, wird auch die Spannung auf die durch die Vorrichtung fließende Flüssigkeit reduziert und die Geräuschbelastung kann minimiert werden. Die Erfindung ist vorteilhaft, weil sie eine Flüssigkeit sicher und ruhig von einem Punkt zu einem anderen transportieren kann.
Ferner kann die Vorrichtung durch Verwendung kleiner Strömungskanäle in einer strukturierten Oberfläche relativ hohen Stößen und Kompressionskräften, Biegewinkeln und Vakuums ohne Kollabieren der Strömungskanäle widerstehen. Durch diesen Vorteil kann die aktive Fluidfördervorrichtung in Situationen verwendet werden, in denen solche Kräfte vorliegen können, beispielsweise unter schweren Objekten oder auf dem Boden, wo Personen gehen oder bei orthoskopischen chirurgischen Eingriffen, bei denen das Fluid verwendet wird, um die Operationsstelle aufgedehnt und ohne Sichteinschränkung zu halten, wobei aber häufig ein flexibles Fluidextraktionsmittel benötigt wird, das Kompression oder starker Winkelbiegung unterliegt, bei der normale Schläuche gequetscht werden würden.
In der Beschreibung der vorliegenden Erfindung sind die folgenden Begriffe wie unten beschrieben definiert:
„Seitenverhältnis" ist das Verhältnis der Länge eines Kanals zu seinem hydraulischen Radius;
„Verbindungsglied" bedeutet jeder Mechanismus, z.B. ein Gerät, eine Vorrichtung oder eine Kombination von Teilen, der so konfiguriert ist, dass ein Potential von einer möglichen Quelle über diskrete mikrostrukturierte Strömungskanäle aufgebracht werden kann;
„Kapillarmodul" ist eine Vorrichtung, die diskrete mikrostrukturierte Strömungskanäle mit Kanaleingängen und Kanalausgängen besitzt;
„Diskrete Strömungskanäle" sind Kanäle, die unabhängig ein Potential aufnehmen können, um ein Fluid über einen bestimmten Kanal im Wesentlichen unabhängig von benachbarten Kanälen unterbringen zu können;
„Hydraulischer Radius" ist der benetzbare Querschnittsbereich eines Kanals geteilt durch die Länge seines benetzbaren Umfangs. Für einen kreisförmigen Kanal ist der hydraulische Radius ein Viertel seines Durchmessers;
„Flexible" bedeutet die Fähigkeit, ohne bedeutende Konstriktion des Strömungskanals gebogen zu werden;
„Fluid" bedeutet ein Gas- und/oder Flüssigkeitsvolumen;
„Mikroreplikation" oder „mikrorepliziert" bedeutet die Erzeugung einer mikrostrukturierten Oberfläche in einem Verfahren, in dem die Merkmale der strukturierten Oberfläche bei der Herstellung, von Produkt zu Produkt beibehalten werden und nicht mehr als etwa 50 μm voneinander abweichen;
„Mikrostrukturierte Kanäle" oder „mikrostrukturierte Strömungskanäle" bezieht sich in diesem Dokument auf Kanäle mit einem Mindestseitenverhältnis von etwa 10:1 und einem hydraulischen Radius von höchstens etwa 300 μm;
„Polymermaterial" bedeutet ein Material, das durch Kombination von Monomeren zur Herstellung eines natürlichen oder synthetischen organischen Moleküls mit ein oder mehr sich wiederholenden Einheiten, die regelmäßig oder unregelmäßig im organischen Molekül angeordnet sind, gebildet wird;
„Potential" bedeutet Energie, die ein Fluid bewegen kann;
„Potentialquelle" oder „Quelle, die ein Potential liefert" bedeutet jeden Gegenstand, der Energie zur Bewegung eines Fluids liefern kann; und
„Strukturierte Oberfläche" bedeutet eine nichtplanare Oberfläche mit definierten Merkmalen in einer vorbestimmten Anordnung.
1 ist eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen aktiven Fluidfördervorrichtung 10 mit einer strukturierten Schicht 12 in Kombination mit einer Kappenschicht 24, um mehrere diskrete Kanäle 16 bereitzustellen, die mit einer Vakuumquelle 14 in Verbindung stehen;
2a bis 2c sind Endansichten von strukturierten Schichten 12, 12b, 12c, die mögliche Kanalkonfigurationen zeigen, die in einer erfindungsgemäßen aktiven Fördervorrichtung verwendet werden können;
3a und 3b sind schematische Draufsichten auf strukturierte Schichten, die alternative Kanalstrukturen zeigen, die in einer erfindungsgemäßen aktiven Fördervorrichtung verwendet werden können;
4 ist eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Flüssigkeitsauffangvorrichtung 40;
4a ist eine teilweise Querschnittsansicht der Flüssigkeitsauffangvorrichtung 40 aus 4 entlang Linie 4a-4a;
5 ist eine Endansicht eines Stapels 50 aus strukturierten Schichten 12, die aufeinander angeordnet sind, so dass untere Hauptflächen 51 der Schichten 12 die strukturierte Oberfläche 13 einer unteren Schicht zur Definierung mehrere diskreter Kanäle 16 abschließen;
6 ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Aspirators 54 mit einem Stapel 50 mehrerer mikrostrukturierter Schichten 12;
7 ist eine perspektivische Ansicht einer anderen erfindungsgemäßen aktiven Fluidfördervorrichtung 60, bei der eine mikrostrukturierte Schicht 62 mit einer Kappenschicht 64 abgedeckt ist, um mehrere diskrete Kanäle (nicht gezeigt) zu definieren, die zwischen einem ersten Verteiler 66 und einem zweiten Verteiler 68 verbunden sind;
8 veranschaulicht die Verwendung des in 6 gezeigten Aspirators an einem Patienten; und
9 zeigte mehrere Verwendungszwecke der aktiven Fluidfördervorrichtungen 40, 54 und 60 in einem Operationssaal.
In den Figuren sind in allen Abbildungen ähnliche Komponenten mit entsprechenden Ziffern gekennzeichnet.
In 1 ist eine aktive Fluidfördervorrichtung 10 gezeigt, die eine Schicht 12 aus Polymaterial mit einer strukturierten Oberfläche 13 auf einer der beiden Hauptflächen zeigt. Die Vorrichtung 10 weist ferner eine Quelle 14 zur Bereitstellung eines Potentials zur Unterstützung der Bewegung eines Fluids über die strukturierte Oberfläche 13 der aktiven Fluidfördervorrichtung 10 auf. Die Schicht 12 weist ferner eine Körperschicht 15 auf, aus der die strukturierte Oberfläche 13 hervorragt. Die Körperschicht 15 dient der Unterstützung der strukturierten Oberfläche 14 zum Festhalten der individuellen strukturierten Merkmale in der Schicht 12.
Die Schicht 12 kann aus einem flexiblen, halbstarren oder starren Material bestehen, das je nach Anwendungszweck der aktiven Fluidfördervorrichtung 10 gewählt werden kann. Die Schicht 12 umfasst ein Polymermaterial, weil diese Materialien zur Schaffung einer mikrostrukturierten Oberfläche 13 genau geformt werden können. Dadurch ist ein hohes Maß an Vielseitigkeit möglich, weil Polymermaterialien viele verschiedene Eigenschaften besitzen, die sich für verschiedene Bedürfnisse eignen. Beispielsweise können aufgrund von Flexibilität, Starrheit, Permeabilität usw. Polymermaterialien gewählt werden. Die Verwendung einer Polymerschicht 12 gestattet auch die gleichbleibende Herstellung einer strukturierten Oberfläche zur Herstellung einer großen Zahl und einer hohen Dichte von Kanälen, die nach dem Bekappen diskrete Fluidströmungskanäle 16 bilden. Somit kann ein stark verteiltes Fluidfördersystem bereitgestellt werden, dass mit hoher Genauigkeit und Wirtschaftlichkeit hergestellt werden kann. Die strukturierte Polymeroberfläche 13 kann aus dem gleichen oder einem anderem Material wie die Körperschicht 15 hergestellt werden.
Wie in 2a gezeigt können Kanäle 16 in der Schicht 12 gemäß dem Anschauungsbeispiel durch eine Reihe von V-förmigen Seitenwänden 17 und Spitzen 18 definiert werden. In einigen Fällen können sich die Seitenwände 17 und Spitzen 18 völlig von einem Rand der Schicht 12 zum anderen ohne sich abzuwechseln erstrecken – aber in einigen Anwendungsfällen kann es wünschenswert sein, die Seitenwände 17 und kürzen, so dass sich die Spitzren 18 nur über einen Teil der strukturierten Oberfläche 13 erstrecken. Das heißt, dass die Kanäle 16, die zwischen den Spitzen 18 definiert sind, sich völlig von einem Rand der Schicht 12 zum anderen erstrecken können oder dass diese Kanäle 16 nur so definiert sind, dass sich über einen Teil der Schicht 12 erstrecken. Kanäle, die sich nur über einen Teil erstrecken, können an einem Rand der Schicht 12 beginnen oder sie können unmittelbar in der strukturierten Oberfläche 13 der Schicht 12 beginnen und enden. Die Kanäle sind in einer vorbestimmten, vorzugsweise geordneten Anordnung über eine kontinuierliche Oberfläche aus Polymermaterial definiert.
Wie in 1 gezeigt ist jeder der Kanäle 16 an einem Rand der Schicht 12 geöffnet, um Kanaleingänge 19 zu definieren. Fluid kann so durch die Eingänge 19 geführt durch die Kanäle 16 auf einen weiteren Rand der Schicht 12 zu einem Verbindungsglied 20 fließen. Das Verbindungsglied 20 steht vorzugsweise in Flüssigkeitsverbindung mit jedem der Kanäle 16 durch Ausgänge (nicht gezeigt) und es steht auch mit der Potentialquelle 14 in Flüssigkeitsverbindung. Das Verbindungsglied 20 kann in verschiedenen Formen existieren, aber wie in 1 gezeigt weist es einen Verteiler 22 auf. Der Verteiler 22 ist mit einem (nicht gezeigten (Plenum) versehen, das in seinem Inneren definiert ist und mit den Kanälen 16 in Fluidverbindung steht. Das Plenum kann einfach eine Kammer im Verteiler 22 umfassen, die dichtend mit mindestens einer Vielzahl der Kanäle 16 verbunden ist. Der Verteiler 22 kann flexibel, halbstarr oder starr wie die Schicht 12 sein. Ein zweiter Verteiler (nicht gezeigt) kann ebenfalls auf der Seite der Schicht 12 mit Eingängen 20 vorgesehen werden, um je nach speziellem Anwendungsfall Fluid zum Kanal 16 zu leiten.
Erfindungsgemäß kann das Verbindungsglied im Wesentlichen jede Form annehmen, die es erlaubt das Potential von der Quelle zu den mehreren Kanälen zu übertragen. Obwohl ein Verteiler mit einem Plenum und einem Schlauch beschrieben wurde kommen zur Verwendung in der Erfindung auch andere Verbindungsglieder – beispielsweise Kompressionskupplungen oder Dichtungen in Frage, die eine Leitung in Fluidverbindung mit den Strömungskanälen bringen und die Isolierung oder Abtrennung von Regionen mit höherem und niedrigerem Potential von der Umgebung ermöglichen. Das Verbindungsglied könnte auch Kapillarfasern beispielsweise mit einem Innendurchmesser unter 10 μm umfassen, die jeweils mit einem einzelnen Kanal in Flüssigkeitsverbindung stehen, damit einzelne Fluids diskret durch die getrennten Kanäle fließen können. Das Verbindungsglied könnte auch eine geformte Kammer, eine mikrostrukturierte Fluidleitung, die integral oder nicht-integral relativ zu den diskreten Strömungskanälen angeordnet ist, oder beispielsweise ein System oder Mechanismus sein, mit dessen Hilfe die diskreten mikrostrukturierten Strömungskanäle in einer Zentrifuge platziert werden können oder der eine Strömung, wie z.B. einen Strahl, gestattet, die auf die Ein- oder Ausgänge der Kanäle gerichtet ist.
Zum Verschließen oder Umschließen mindestens einer Vielzahl der Kanäle 16 an den Spitzen 18 kann eine Kappenschicht 24 gegen die strukturierte Oberfläche gesetzt werden. Die Kappenschicht 24 verschließt so mindestens eine Vielzahl der Kanäle, um diskrete Strömungskanäle 16 in einem Kapillarmodul 25 zu schaffen. Das Kapillarmodul hätte in der Regel eine Dicke von 1 bis 10 Millimetern (mm) und insbesondere von 2 bis 6 mm. Die Kappenschicht 24 kann ebenfalls dichtend mit dem Verteiler 22 verbunden sein, so dass die Vielzahl diskreter Kanäle 16 auf Grund der Erzeugung eines Potentialgefälles über die Kanäle 16 von einem ersten Potential zu einem zweiten Potential aktive Fluidförderkanäle darstellen. Die Kappenschicht 24 hat in der Regel eine Dicke von ca. 0,01 bis 1 mm und insbesondere von 0,02 bis 0,5 mm. Wenn die erfindungsgemäßen Kanäle hermetisch abgedichtet sind, könnte das flexible Kanalsystem aufgrund der Umfangsstärke der kleinen einzelnen Kanäle im Allgemeinen ohne Ruptur einem hohen Druck widerstehen.
Die Kappenschicht 24 kann mit den Spitzen 18 eines Teils oder der gesamten strukturierten Oberfläche 13 verklebt sein, um die Erzeugung der diskreten Kanäle 16 zu verstärken. Dies kann thermisch oder unter Verwendung von herkömmlichen Klebstoffen erfolgen, die mit dem Kappenschichtmaterial 24 und der strukturierten Polymerschicht 12 kompatibel sind. Die Erzeugung der diskreten Kanäle 16 kann durch Heißkleben, Ultraschallschweißen, Kompression oder mechanischen Eingriff, wie z.B. Interferenzpassung, erfolgen. Die Verbindungsstellen können über die gesamte Strecke entlang der Spitzen 18 bis zur Kappenschicht 20 angebracht werden oder sie können Punktschweißungen oder Verbindungsstellen, die darauf in geordnetem oder willkürlichem Muster angeordnet sind, sein.
Die Kappenschicht 24 besteht vorzugsweise aus einem Polymermaterial, wie z.B. die unten für die strukturierte Polymerschicht beschriebenen Polymere. Die Polymere können so gewählt werden, dass die Kappenschicht ohne Klebstoff an der strukturierten Oberfläche 13 befestigt werden kann. Ein solches Polymer könnte so gewählt werden, dass die Kappenschicht fest an der strukturierten Oberfläche befestigt wird, beispielsweise durch Aufbringen von Wärme wie bei einem Ultraschallschweißvorgang.
Die Potentialquelle kann im Wesentlichen jedes Mittel umfassen, das ein Potentialgefälle entlang einer Vielzahl der Strömungskanäle 16 erzeugen kann, um die Fluidbewegung von einem ersten Ort zu einem zweiten Ort zu fördern. Das Potential reicht aus um eine Fluidströmung durch die mehreren Strömungskanäle 16 zu verursachen oder um dazu beizutragen, was teilweise auf den Fluideigenschaften einer bestimmten Anwendung basiert. Wie in 1 gezeigt kann die Potentialquelle 14 einen Vakuumgenerator (V) umfassen, der herkömmlich oder anderweitig an einem Auffangbehälter 26 befestigt ist. Der Auffangbehälter 26 steht mit dem Verteiler 18 über einen herkömmlichen flexiblen Schlauch 28 in Fluidverbindung. Somit kann Fluid von der Außenseite des Kapillarmoduls 25 in die Eingänge 19, durch die Kanäle 16, durch den Verteiler 22, durch den Schlauch 28 und in den Auffangbehälter 26 fließen. Der Behälter 26 kann vorteilhaft zu öffnen sein, damit sein Inhalt entleert werden kann, oder er kann auf andere Weise mit herkömmlichen Drainagesystemen verbunden sein.
In dem Fall, in dem die Potentialquelle 14 einen Vakuumgenerator (V) umfasst, kann das an die Kanäle 16 über den Verteiler 22 gelieferte Vakuum ausreichend sein, um die Kappenschicht 24 mit den Spitzen 18 ausreichend abzudichten. Das heißt das Vakuum selbst hält die Kappenschicht 24 gegen die Spitzen 18, um diskrete Kanäle 16 zu bilden. Vorzugsweise wird jeder der Kanäle 16, die von der strukturierten Oberfläche 13 definiert werden, von der Kappenschicht 24 verschlossen, um eine maximale Zahl an diskreten Kanälen 16 zu definieren, die unabhängig voneinander das Potential aufnehmen. Fluid-Crossover zwischen Kanälen 16 kann effektiv minimiert werden und das von einer externen Quelle bereitgestellte Potential kann effektiver und effizienter über die strukturierte Oberfläche 13 der Schicht 12 verteilt werden.
Die Verbindung zwischen einer mikrostrukturierten Oberfläche oder Kapillarmodul und einer Fluidförderung oder Potentialquelle kann durch einen oder mehrere befestigte Verteiler erreicht werden. Je nach Anwendungsfall können auch mehrere Potentialquellen verwendet werden. Ein Druckgefälle ist eine effiziente Fluidmotivationsmethode oder -möglichkeit, die dazu verwendet werden kann, die Strömung über die mikrostrukturierte Fläche(n) zu treiben. Ein Druckgefälle kann problemlos durch Verwendung eines Pumpsystems hergestellt werden und entweder in Form von Über- oder Unterdruck aufgebracht werden.
In der vorliegenden Erfindung können anstelle von oder in Verbindung mit der Vakuumerzeugungsvorrichtung (V) auch andere Potentialquellen 14 verwendet werden. Im Wesentlichen ist jede Weise zur Verursachung oder Förderung von Fluidströmung durch die Kanäle 16, insbesondere eine Flüssigkeitsströmung, zur Verwendung dieser Erfindung vorgesehen. Die Potentialquelle ist von der mit Kanälen versehenen Struktur und/oder dem Kapillarmodul getrennt, bzw. mit anderen Worten ist sie nicht intrinsisch zu der mit Kanälen versehenen Struktur und/oder dem Kapillarmodul. Das heißt die Erfindung verlässt sich nicht allein auf die Eigenschaften der mit Kanälen versehenen Struktur, um die Fluidbewegung hervorzurufen, beispielsweise durch Kapillarwirkung. Beispiele für andere Potentialquellen sind ohne Einschränkung Vakuumpumpen, Druckpumpen und Drucksysteme, wie z.B. Ventilator, magnetohydrodynamische Antriebe, akustische Flusssysteme, Zentrifugalspin, hydrostatische Köpfe und jedes andere bekannte oder später entwickelte Fluidantriebssystem, das ein Potentialgefälle erzeugt, das mindestens in gewissem Maße eine Fluidströmung verursacht oder fördert. Darüber hinaus kann jede angelegte Feldkraft, die direkt auf das Fluid wirkt, beispielsweise eine Zentrifugalkraft oder ein Magnetfeld, das dazu führt, dass sich Fluid in den erfindungsgemäßen Kanälen bewegt, als Fluidbewegungspotential angesehen werden. Die Erfindung sieht aber nicht Schwerkraft als Potentialquelle vor, die entlang der Strömungskanäle angelegt wird, es sei denn, sie wird über ein Verbindungsglied angelegt, beispielsweise eine Leitung in Fluidverbindung mit einem Flüssigkeitsvolumen, wie z.B. ein hydrostatischer Kopf, der Flüssigkeit durch Schwerkraft in die Vorrichtung treibt. Fluid kann auch durch die Wirkung eines Siphons zum Strömen gebracht werden, wobei Atmosphärendruck das Potential zur Bewegung von Fluid in den Kanälen schafft.
Obwohl die in 1 gezeigte Fluidfördervorrichtung eine strukturierte Oberfläche mit mehreren V-förmigen Peaks 18 (wie in 2a) gezeigt aufweist, sind auch andere Konfigurationen möglich. Beispielsweise haben wie in 2b gezeigt die Kanäle 16' ein breiteres flaches Tal zwischen leicht abgeflachten Spitzen 18'. Wir in der Ausführungsform aus 2a kann eine Kappenschicht entlang einer oder mehreren Spitzen 18' befestigt werden, um diskrete Kanäle 16' zu definieren. In diesem Fall erstrecken sich Bodenflächen 30 zwischen Seitenwänden 31 der Kanäle, während in der Ausführungsform in 2a Seitenwände 17 entlang Linien miteinander verbunden sind.
2c veranschaulicht eine Konfiguration, in der breite Kanäle 32 zwischen Spitzen 18'' definiert sind, aber statt einer flachen Fläche zwischen den Kanalseitenwänden ist eine Vielzahl von kleineren Spitzen 33 zwischen den Seitenwänden der Spitzen 18'' angeordnet. Diese kleineren Spitzen 33 definieren so sekundäre Kanäle 34 dazwischen. Spitzen 33 können genau so hoch sein wie die Spitzen 18'' und erzeugen wie gezeigt einen ersten breiten Kanal 32 mit kleineren Kanälen 34, die darin verteilt sind. Die Spitzen 18'' und 33 müssen relativ zueinander nicht gleichmäßig verteilt sein. Die kleineren Kanäle 34 können zur Kontrolle der Fluidströmung durch die breiteren Kanäle 32 durch Modifizierung von Reibungskräften über die Länge des Kanals verwendet werden.
Obwohl 1 und 2a-2c längliche linear konfigurierte Kanäle zeigen, können die Kanäle auch mit anderen Konfigurationen bereitgestellt werden. Beispielsweise könnten die Kanäle unterschiedliche Querschnittsbreiten über die Kanallänge haben – d.h. die Kanäle können über die Länge des Kanals divergieren und/oder konvergieren. Die Kanalseitenwände könnten auch konturiert und nicht gerade in Richtung der Ausdehnung des Kanals oder in Kanalhöhe sein. Im Allgemeinen ist jede Kanalkonfiguration, die mindestens mehrere diskrete Kanalteile bereitstellen kann, die sich von einem ersten Punkt zu einem zweiten Punkt in der Fluidfördervorrichtung erstrecken, vorgesehen. Die Kanäle können so konfiguriert sein, dass sie über ihre gesamte Länge diskret bleiben.
3a und 3b zeigen schematisch Kanalkonfigurationen in Draufsicht, die eine strukturierte Oberfläche in einer erfindungsgemäßen aktiven Fluidfördervorrichtung definieren können. Wie gezeigt sorgen mehrere diskrete nicht parallele konvergierende Kanäle 36 für eine Zwischensammlung von Fluid. Diese konvergierenden Kanäle 36 sind mit einem einzelnen diskreten Kanal 37 verbunden. Dies minimiert die Bereitstellung von Ausgangsports auf einen. Wie in 3b gezeigt ist ein zentraler Kanal 38 mit einer Vielzahl von Kanalästen 39 verbunden, die aus ähnlichen Gründen einen bestimmten Bereich abdecken können. Wiederum ist im Allgemeinen jedes Muster gemäß der vorliegenden Erfindung denkbar, solange eine Vielzahl von diskreten Kanälen über einem Teil der strukturierten Oberfläche von einem ersten Punkt zu einem zweiten Punkt vorgesehen ist. Wie in den obigen Ausführungsformen sind die in 3a und 3b gezeigten mit Muster versehenen Kanäle vorzugsweise mit einer Kappenschicht abgedeckt, um weiter diskrete Strömungskanäle zu definieren, mit deren Hilfe das Potential über einen bestimmten Kanal im Wesentlichen unabhängig von den benachbarten Kanälen aufgenommen werden kann.
In Bezug auf jeden der oben vorgesehen Kanäle und erfindungsgemäß sind diese Kanäle in einer strukturierten Schicht durch die strukturierte Oberfläche einer ersten Hauptfläche der Schicht definiert. Die erfindungsgemäßen Kanäle sind so konfiguriert, dass sie diskret sind, damit jeder beliebige Kanal unabhängig von den anderen Kanälen Fluid aus der Umgebung aufnehmen kann. Die mikrostrukturierte Größe jedes Kanals fördert Einphasenströmung von Fluid in Bulkvolumen. Da in der Flüssigkeit keine Luft mitgeschleppt wird, ist die Geräuscherzeugung signifikant verringert und auf Flüssigkeiten, die durch die aktive Fluidfördervorrichtung transportiert werden, kann weniger Spannung aufgebracht werden.
Die einzelnen Strömungskanäle der erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Oberflächen sind im Wesentlichen diskret. Das heißt, Fluid kann sich unabhängig von Fluid in benachbarten Kanälen durch die Kanäle bewegen. Die Kanäle nehmen unabhängig als Potential relativ zueinander auf, um ein Fluid entlang oder durch einen bestimmten Kanal unabhängig von benachbarten Kanälen zu leiten. Vorzugsweise tritt Fluid, das in einen Strömungskanal eintritt, nicht in signifikantem Maße in einen benachbarten Kanal ein, obwohl zwischen benachbarten Kanäle eine gewisse Diffusion stattfinden kann. Es ist wichtig, den diskreten Charakter der Mikrokanäle effektiv aufrechtzuerhalten, um das Fluid effektiv zu transportieren und die Vorteile, die diese Kanäle bieten, aufrechtzuerhalten. Es müssen aber nicht alle Kanäle für alle Ausführungsformen diskret sein. Einige Kanäle können diskret sein, während andere es nicht sind. Darüber hinaus kann der „diskrete Charakter" der Kanäle ein vorübergehendes Phänomen sein, das beispielsweise durch schwankende Drücke angetrieben wird.
In US-A-6 080 243 ist eine aktive Fluidfördervorrichtung offenbart, die mikrostrukturierten Strömungskanäle ohne Kappen verwendet, die mit Kappen versehen werden, wenn die Vorrichtung auf eine Fläche mit passendem Profil gestellt wird (z.B. flache strukturierte Fläche mit Kanälen auf einer flachen Oberfläche). Die Patentanmeldung wurde am selben Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereicht und trägt den Titel Fluid Guide Device Having An Open Structured Surface For Attachment To A Fluid Transport Source.
Die strukturierte Oberfläche ist eine mikrostrukturierte Oberfläche, die diskrete Strömungskanäle mit einem Mindestseitenverhältnis (Länge/hydraulischer Radius) von 10:1, in einigen Ausführungsformen über etwa 100:1 und in anderen Ausführungsformen von mindestens etwa 1000:1 definiert. Am oberen Ende könnte das Seitenverhältnis unendlich hoch sein, aber im Allgemeinen wäre es kleiner als etwa 1.000.000:1. Der hydraulische Radius eines Kanals ist nicht größer als etwa 300 μm. In vielen Ausführungsformen kann er weniger als 100 μm und sogar kleiner als 10 μm sein. Obwohl ein kleinerer Radius im Allgemeinen für viele Anwendungsfälle besser ist (und der hydraulische Radius könnte sogar eine Größe im Submikron-Bereich aufweisen), wäre er in der Regel bei den meisten Ausführungsformen nicht kleiner als 1 μm. Wie unten ausführlicher beschrieben können innerhalb dieser Parameter definierte Kanäle für effizienten Bulkfluid-Transport durch eine aktive Fluidfördervorrichtung sorgen.
Die strukturierte Oberfläche kann auch mit einem sehr niedrigen Profil ausgestattet sein. So sind aktive Fluidfördervorrichtungen vorgesehen, bei denen die strukturierte Polymerschicht eine Dicke von mindestens 5000 Mikrometer und möglicherweise von unter 1500 Mikrometer aufweist. Dazu können die Kanäle von Spitzen mit einer Höhe von etwa 5 bis 1200 Mikrometer und einem Spitzenabstand von etwa 10 bis 2000 Mikrometer definiert sein.
Erfindungsgemäße mikrostrukturierte Oberflächen ergeben Strömungssysteme, in denen das Volumen des Systems stark verteilt ist. Das heißt das Fluidvolumen, das durch solche Strömungssysteme läuft, ist über eine große Fläche verteilt. Eine Mikrostruktur-Kanaldichte von etwa 10 pro cm (25/Inch) und bis zu 1000 pro cm (2500/Inch) (gemessen quer über die Kanäle) sorgt für hohe Fluidtransportraten. Wenn ein gemeinsamer Verteiler verwendet wird, besitzt im Allgemeinen jeder einzelne Kanal ein Seitenverhältnis, das mindestens 400 Prozent größer und insbesondere bevorzugt mindesten 900 Prozent größer ist als ein Verteiler, der an den Kanalein- und ausgängen angeordnet ist. Diese signifikante Zunahme des Seitenverhältnisses verteilt die Potentialwirkung und trägt so zu den aufgeführten Vorteilen der Erfindung bei.
4 zeigt eine Flüssigkeitsakquisitions- und Evakuationsmatte 40 mit einer aktiven Fluidfördervorrichtung ähnlich der Vorrichtung 10 wie oben in 1 beschrieben. Die Flüssigkeitsakquisitions- und Evakuierungsmatte 40 kann ein Kapillarmodul 25' aufweisen, das dem Model 25 in 1 ähnelt, aber wimpelartig konfiguriert ist und zwischen einer Trägerschicht 42 und einer Flüssigkeitsaufsaugende Schicht 44 angeordnet ist. Die Flüssigkeitsaufsaugende Schicht 44 ist über dem Kapillarmodul 25' angeordnet, wenn die Matte 40 im Gebrauch ist, um als Sammelbehälter oder Auffangbehälter für Flüssigkeit zu dienen, und sie ermöglicht es, dass die mit der Schicht in Berührung kommende Flüssigkeit durch sie hindurch läuft. Die Flüssigkeitsaufsaugende Schicht 44 kann im Wesentlichen jedes Material umfassen, das diese Funktion ermöglichen kann, beispielsweise Vliese, insbesondere solche mit schmelzgeblasenen Mikrofasern und Mikrofaser-Mikrobahnen. Ein Beispiel für ein geeignetes Bahnmaterial ist in US Patent Nr. 4.813.948 von Insley offenbart. Die Trägerschicht 42 bietet nicht nur strukturelle Unterstützung und Integrität für die Flüssigkeitsakquisitions- und Evakuierungsmatte 40, sondern definiert auch eine Bodenfläche, die vorzugsweise für die aufgefangene Flüssigkeit undurchlässig ist. Somit kann Flüssigkeit in der Flüssigkeitsaufsaugende Schicht 44 aufgefangen und gehalten werden und es kann verhindert werden, dass sie durch die Trägerschicht 42 läuft. Das Kapillarmodul 25' weist ein Verbindungsglied auf, wie einen Verteiler 46, der vorzugsweise dichtend mit einer Potentialquelle, z.B. einem Vakuumgenerator, verbunden ist.
Das Kapillarmodul 25' ist vorzugsweise so geformt, dass es Einlässe 48 an verschiedenen Stellen durch die Länge der Flüssigkeitsevakuierungsmatte 40 freilegt. Ein Weg, dies zu tun, ist, das Kapillarmodul 25' mit abgewinkelten Rändern 49 zu versehen, die von einem Punkt in der Nähe des Verteilers 46 zu einem gegenüberliegenden Rand der Flüssigkeitsextraktionsmatte 40 konvergieren. Die Verwendung von abgewinkelten Rändern 49 vergrößert den Querschnittsbereich jedes Einlasses 48. 4a zeigt einen Teil eines Rands 49, bei dem Einlässe 48 für verschiedene Kanäle vergrößert sind. Die Einlässe 48 sind in der Struktur der Flüssigkeitsextraktionsmatte 40 und vorzugsweise im Wesentlichen über die gesamte Länge der Flüssigkeitsextraktionsmatte 40 und auch an verschiedenen transversalen Breiten offen. Um ähnliche oder andere Ergebnisse zu erzielen, können auch anders geformte Ränder bereitgestellt werden. Es kann beispielsweise wünschenswert sein, eine Sammlung von Einlässen in einem bestimmten Bereich eines Mattenprodukts zu konzentrieren, in dem wahrscheinlich eine stärkere Fluidwiedergewinnung notwendig ist. Auch können mehrere Kapillarmodule 25' in einer einzelnen Flüssigkeitsevakuierungsmatte 40 eingearbeitet sein. Die mehrere Kapillarmodule 25' können auf derselben Seite oder auf verschiedenen Seiten der Flüssigkeitsevakuierungsmatte 40 bereitgestellt sein, wobei jedes mit separaten Verteilern oder einem gemeinsamen Verteiler verbunden ist.
Durch Konstruktion der Flüssigkeitsakquisitions- und Evakuierungsmatte 40 mit einem Kapillarmodul 25' zwischen einer Flüssigkeitsaufsaugende Schicht 44 und einer Trägerschicht 42 kann ein Großteil des Fluidhaltevermögens der Matte 40 bereitgestellt werden, wobei die Flüssigkeitsaufsaugende Schicht 44 direkt über der Trägerschicht 42 ohne das Kapillarmodul 25' dazwischen angeordnet ist. Das heißt mit einer in die aktive Fluidfördervorrichtung 41 eingearbeiteten Kappenschicht 24 (die flüssigkeitsundurchlässig sein kann) hat Fluid die Tendenz in untere Bereiche um die Vorrichtung 41 zu fließen. Durch Zurückziehen von Fluid an den Einlässen 48 und durch eine beliebige Anzahl von unabhängigen Kanälen der aktiven Fluidfördervorrichtung 41 kann Fluid effizient im Wesentlichen von der gesamten Oberfläche der Flüssigkeitsevakuierungsmatte 40 entfernt werden.
Die Matte 40 könnte auch so konstruiert sein, dass die Trägerschicht 42 eine mit Mikrokanälen versehene strukturoberflächenartige Schicht 12 ist. Die Trägerschicht 42 könnte auch weggelassen werden und die strukturierte Schicht 12 könnte eine solche Größe aufweisen, dass sie sich über das Kapillarmodul 25' hinaus und vorzugsweise mindestens unterhalb der gesamten Oberfläche (oder unterhalb eines erheblichen Teils) der Flüssigkeitsaufsaugende Schicht 44 erstreckt. In einer solchen Ausführungsform würde die verlängerte Strukturschicht 12 als Trägerschicht fungieren, die verhindert, dass Fluids unter die Matte 40 gelangen. Die erweiterte Strukturschicht könnte mit der Schicht 12 integral sein. Mit „integral" ist gemeint, dass die Trägerschicht und die strukturierte Schicht 12 ein und dieselbe Schicht sind, d.h. gleichzeitig hergestellt werden und nicht getrennt produziert und dann miteinander verbunden werden. Die Kanäle in einer solchen Trägerschicht könnten wie in 3a und 3b gezeigt dendritisch konfiguriert sein, um Fluidbewegung von den äußersten Extremitäten der erweiterten Schicht 12 in das Kapillarmodul 25' zu fördern.
Die Verwendung von mikrostrukturierten Kanälen gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Entfernung von Fluid durch die aktive Fluidfördervorrichtung 41 ohne erhebliche Geräuscherzeugung. Wie oben angegeben liegt dies hauptsächlich daran, dass die mikrostrukturierten Kanäle die Einphasenströmung von Fluid durch jeden der unabhängigen Kanäle mit minimierter Vermischung von Luft/Flüssigkeit und Turbulenz erleichtern. Die Einphasenströmung kann als Plug-Strömung oder als kontinuierliche Einphasenströmung durch die Kanäle wirken.
Eine Flüssigkeitsextraktions- und Evakuierungsmatte wie die beschriebene kann in Bereichen angewendet werden, in denen Fluid abgegeben wird und entfernt werden muss. Solche Anwendungen könnten die Entfernung von Fluid von Böden und Geräten in Operationsbereichen, Operationstüchern, Betteinlagen und in kleineren Konfigurationen auch in Körperpflegevorrichtungen, wie z.B. in Inkontinenzwindeln und Einlagen beinhalten. Die Extraktionsmatte könnte auch in industriellen Anwendungen zur Entfernung von Öl und anderen Flüssigkeiten, die aus Maschinen austreten oder anderweitig anfallen verwendet werden.
Viele Konfigurationen des Kapillarmoduls könnten so konzipiert sein, dass sie die gewünschte Leistung erbringen. Mehrere Schichten von linearen Mikrostrukturen könnten verwendet werden, um den Durchsatz pro Breiteneinheit des Moduls zu erhöhen. Module mit Endverteilern könnten konstruiert sein, um Kanaleingänge zu bieten, die an einer Innengrenze einer strukturierten Schicht und nicht an der Peripherie oder Außengrenze wie in den Figuren gezeigt freiliegen. Kanaleingänge können auf einer strukturierten Schicht freigelegt werden, indem ein innerer Abschnitt der Schicht herausgeschnitten wird. Dies würde zur Freilegung von Kanaleingängen führen, die sowohl direkt mit einer Potentialquelle, wie z.B. Vakuum, und den Öffnungen, die über einen Endverteiler und direkt verbundene Kanäle mit der Quelle verbunden sind, verbunden sind.
Eine ähnlich konstruierte Vorrichtung, die aber ein selektiv permeables Trennmedium aufweist, das die mikrostrukturierten Strömungskanäle abdeckt, ist in US-B-6 514 412 beschrieben, die am gleichen wie diese Patentanmeldung eingereicht wurde und den Titel Microstructured Separation Device trägt.
Wie in 5 gezeigt kann eine Vielzahl von Schichten 12 jeweils mit einer mikrostrukturierten Oberfläche 13 zur Bildung eines Stapels 50 geformt sein. Diese Konstruktion vervielfacht deutlich die Fähigkeit der Struktur zum Transport von Fluid, da jede Schicht die Strömungskapazität signifikant erhöht. Die Schichten können je nach Anwendungsfall verschiedene Kanalkonfigurationen und/oder Anzahlen von Kanälen umfassen. Ferner kann diese Art von Stapelkonstruktion besonders für Anwendungen geeignet sein, die im Hinblick auf die Breite beschränkt sind und deshalb eine relativ schmale Fluidtransportvorrichtung benötigen, aus der eine bestimmte Fluidtransferkapazität gewünscht wird. Somit kann eine schmale Vorrichtung mit erhöhter Strömungskapazität hergestellt werden.
Ein signifikanter Vorteil des Stapels 50 ist, dass eine zweite Hauptfläche 51 der Schichten 12 (der Oberfläche, die zur strukturierten Oberfläche 13 entgegengesetzt ist) die Kanäle einer benachbarten Schicht verschließen oder verkappen kann. Mit anderen Worten sind keine separaten Kappenschichten erforderlich, obwohl sie insbesondere zur Abdeckung der freiliegenden mikrostrukturierten Oberfläche 13 der obersten Schicht verwendet werden können. Separate Kappenschichten könnten jedoch über der zweiten Hauptfläche 51 als zusätzliche Schicht angeordnet sein. Das für eine solche zusätzliche Schicht gewählte Material könnte ein Polymermaterial oder ein anderes Material je nach Anwendung sein. Die Schichten im Stapel können auf jede herkömmliche Art wie oben beschrieben miteinander verbunden sein oder sie können einfach aufeinander gestapelt sein, so dass die strukturelle Integrität des Stapels diskrete Strömungskanäle ausreichend definieren kann. Diese Fähigkeit kann wie oben beschrieben verbessert werden, wenn ein Vakuum als Potentialquelle verwendet wird. Die zweite Hauptfläche 51 kann wie gezeigt planar sein oder sie kann eine strukturierte Oberfläche ähnlich der Oberfläche 13 oder anders als diese sein.
Obwohl die in 5 gezeigte Vorrichtung einen Stapel aus 5 strukturierten Oberflächen 12 aufweist, können auch Stapel konfiguriert werden, die andere Stapelanzahlen haben, beispielsweise mehr als 10 oder sogar mehr als 100 strukturierte Schichten, und sie können auch Nebenstapel enthalten, die zu einem größeren Stapel konvergieren. Beispielsweise könnte der fünfschichtige Stapel wie in 5 gezeigt in Viertel geteilt sein und jeder der vier Nebenstapel (die Kanaleingänge enthalten) könnte in die größere Stapelkonfiguration wie in 5 gezeigt konvergieren, die wiederum an einem Verbindungsglied befestigt sein kann, das mit einer Potentialquelle in Verbindung steht. Der Stapel könnte mehrere Verbindungsglieder umfassen, damit mehrere Potentialquellen mit unterschiedlichem Potential als Untersets im Stapel befestigt werden können.
Gestapelte mikrostrukturierte Kanäle können auch als Filtrationsmedien wie in US-A-2002 027101, eingereicht am selben Tag wie diese Patentanmeldung und mit dem Titel Structured Surface Filtration Media verwendet werden.
In 6 wird eine gestapelte Konstruktion wie in 5 gezeigt in einem Aspirator 54 verwendet. Der Aspirator 54 verwendet einen Stapel 50, der eine Vielzahl von Schichten 12 jeweils mit einer mikrostrukturierten Polymerfläche 13 über einer Hauptfläche umfasst. Die zweite Hauptfläche 51 der Schichten 12 fungiert als Kappenschicht, die die Kanäle 16 der benachbarten Unterschicht 12 verschließt, um einen Stapel oder ein Kapillarmodul 50 mit einer Vielzahl von Kanäleingängen 19 an der Spitze oder am Ende des Aspirators zu schaffen. Die zweite Hauptfläche 51 kann eine Polymerschicht sein oder sie kann mit anderen Materialien, z.B. Metallfolien usw. nach Wunsch bedeckt sein.
Das Kapillarmodul 50 kann mit einem Verbindungsglied 55 verbunden sein, das einen Schlauch 56 und einen Adapter 58 aufweist. Der Schlauch 56 kann mit einer Potentialquelle, wie z.B. ein Vakuum, verbunden oder anderweitig daran befestigt sein. Der Adapter 58 verbindet das Kapillarmodul 50 mit dem quadratischen Querschnitt mit dem Schlauch 56 mit rundem Durchschnitt in der dichtenden Verbindungsregion 59. Der Adapter 58 kann auf herkömmliche und dichtende Weise mit dem Schlauch 56 und dem Modul 50 durch einen Klebstoff oder andere Verbindungstechniken verbunden sein. Der Stapel bzw. das Modul 50 kann von einer Leitung oder einem Schlauch weiter umschlossen sein. Alternativ können Schlauch 56 und Modul 50 durch einen Abschnitt aus Wärmeschrumpfschlauch, in den die Enden des Schlauchs 56 und des Moduls 50 vor dem Schrumpfen eingeführt werden, miteinander verbunden sein. Die Schichten 12 und somit der Stapel 50 können sich nur eine kurze Strecke vom Adapter 58 weg erstrecken, um ein relativ steifes Aspiratorende zu ergeben, oder die Schichten 12 können sie weiter erstrecken, damit der Aspirator 54 flexibler wird. Für ein flexibles und anpassbares Aspiratorende werden die einzelnen Schichten 12 vorzugsweise nicht über die gesamte Oberfläche der Schicht und insbesondere am Ende miteinander verklebt oder anderweitig aneinander befestigt, damit die Schichten 12 relativ zueinander in Längsrichtung der Kanäle 12 gleiten oder sich bewegen können. Diese unabhängige Gleitbewegung ermöglicht es der Spitze um eine zur den Strömungskanälen 16 lotrechten Achse gebogen zu werden. Bei Verwendung in einem Aspirator hätte das Modul in der Regel eine Länge von etwa 1 bis 10 cm. Ein steifer Aspirator kann für die die Einführung in enge Räume geeigneter sein, während Flexibilität erwünscht sein kann, damit die Aspiratorspitze an einem mehr distal gelegenen Ort unter Anpassung einen Pfad bis zu diesem Ort positioniert werden kann.
Wie beschrieben könnte auch eine Hülle über das Kapillarmodul 50 gesetzt werden. Je nach Anwendung könnte eine poröse oder geschlossene Hülle um den Stapel platziert werden. Eine poröse Hülle könnte für Anwendungen verwendet werden, bei denen die Hülle als Sieb oder Filter fungiert, und eine geschlossene Hüllenkonstruktion könnte besonders für Anwendungen geeignet bei endoskopischen Operationen sein, wo Flüssigkeit abgegeben oder extrahiert werden muss.
Eine aktive Fluidfördervorrichtung könnte auch als Rauch- oder Gasevakuator eingesetzt werden. Der flexible Aspirator könnte beispielsweise in Anwendungen zum Einsatz kommen, bei denen Rauchdämpfe durch Laseroperation auftreten. Er könnte auch zur Wiedergewinnung von Methangasen und Permeationsflüssigkeiten oder Gasen aus Mülldeponien eingesetzt werden und so als geosynthetische Membran wirken.
Vorzugsweise kleben die Schichten 12 nicht aufeinander, obwohl sie bei Bedarf miteinander verbunden sein können. Wenn die Schichten 12 nicht miteinander verbunden sind, kann die Integrität des Stapels 50 und/oder das durch den Schlauch 56 aufgebrachte Vakuum unabhängige Strömungskanäle 16 ausreichend definieren. Erfindungsgemäß definiert die mikrostrukturierte Oberfläche 13 der Schichten 12 Strömungskanäle 16, die Einphasenflüssigkeitsströmung fördern. Dies ist wiederum vorteilhaft, weil Geräusche reduziert werden, was besonders im medizinischen Bereich günstig ist.
Ein weiterer Vorteil des Aspirators 54, der einen Stapel aus nicht aneinander befestigten einzelnen Schichten 12 umfasst, ist, dass der Stapel 50 geteilt und sogar noch weiter in eine Vielzahl von Aspiratoräste unterteilt werden kann. Das heißt, dass ein Teil des Stapels 50 auf einen bestimmten Ort gerichtet werden kann, wo Fluid X extrahiert werden soll, während ein anderer Teil des Stapels 50 auf einen anderen Bereich gerichtet wird, wo Fluid Y extrahiert wird. Insbesondere wenn der Aspirator 54 zur Entfernung von Fluid ein Vakuum benötigt, das durch die Leitung oder den Schlauch 56 zugeführt wird, kann der Aspirator beliebig oft unterteilt werden, wobei eine Vielzahl von einzelnen diskreten Strömungskanälen in jedem Ast vorgesehen wird. Der Schlauch 56 könnte auch so unterteilt werden, dass Fluid aus jedem Ast oder jeder Unterteilung im Stapel 50 zu einer eigenen Leitung geführt wird, um eine angemessene Fluidströmung zu gestatten. Gleichzeitige Irrigation und/oder Aspiration könnte mit einer solchen Vorrichtung erzielt werden. Die separaten Leitungen könnten somit für den Transport einer Irrigationsflüssigkeit und eines aspirierten Fluids verwendet werden. Dieses Merkmal kann für medizinische Anwendungen, einschließlich zahnmedizinische Anwendungen, besonders vorteilhaft sein, weil an mehr als einem Punkt gleichzeitig aspiriert werden kann.
Eine gestapelte Modulkonstruktion kann mehrere nebeneinander angeordnete Stapel umfassen. Das heißt, ein Stapel wie in 5 gezeigt kann neben einem ähnlichen oder einem unterschiedlichen Stapel angeordnet werden. Dann können sie mit einem Adapter wie in 6 gezeigt gesammelt werden oder sie können einzeln an einem Fluidtransferschlauch oder dergleichen befestigt werden.
Obwohl der in 6 gezeigte Aspirator im Wesentlichen ein lineares Profil aufweist, kann es in einigen Ausführungsformen wünschenswert sein, einen Aspirator mit einer anderen Konfiguration zu verwenden. Beispielsweise können der Schlauch 56 oder der Adapter 58 und/oder der Stapel 50 gekrümmt oder krümmbar sein, damit der Aspirator schwierige Regionen erreichen kann oder damit der Aspirator sich selbst tragen kann. Wenn der in 6 gezeigte Aspirator beispielsweise von einem Zahnarzt zum Abziehen von Speichel und wässrigen Spülflüssigkeiten im Mund eines Patienten verwendet werden könnte. Wenn der Aspirator an seinem Ende hakenförmig wäre, könnte er auf den Lippen des Patienten ruhen. Der Schlauch 56 oder Adapter 58 ist vorzugsweise flexibel, um eine gekrümmte Konfiguration zu erzielen, und der kann aus einem sehr weichen Material bestehen oder ein solches Material enthalten, damit der Aspirator vorübergehend in eine solche gekrümmte Konfiguration gebogen werden kann. Eine solche Vorrichtung wäre äußerst wünschenswert, indem der Zahnarzt mit dem Patienten leichter kommunizieren könnte und umgekehrt, ohne die Geräusche, die von herkömmlichen Dentalaspiratoren ausgehen, übertönen zu müssen.
Weitere Merkmale könnten auch vor den Eingängen 19 zu den Kanälen 16 angebracht werden, um weitere Funktionen hinzuzufügen. Beispielsweise kann ein weiches Faserende auf die Aspiratorspitze durch Ankleben einer Baumwollgazeschicht oder eines schwammartigen Materials gesetzt werden. Dieses Merkmal kann für zahnmedizinische oder andere medizinische Anwendungen besonders vorteilhaft sein. Auch an der Kanalausgangsseite des Moduls könnten Merkmale angebracht werden, um beispielsweise eine Irrigationsfunktion in Verbindung mit oder anstelle von einem Aspirator vorzusehen.
Die gegenwärtigen Aspiratortechnologien verwenden in der Regel Schläuche mit größeren Durchmessern, um die aspirierte Flüssigkeit zu erfassen und zu fördern.
Diese Schläuche haben häufig einen Innendurchmesser von einem Zentimeter oder mehr. Wenn die Schläuche im Gebrauch nicht vollständig geflutet werden, was nicht üblich ist, arbeitet der Aspirator hauptsächlich im Zweiphasenfluss, wobei Luft die kontinuierliche Phase ist, die die Flüssigkeitsbewegung im Strömungssystem motiviert. Dies erfordert ein relativ großes Flüssigkeits/Luft-Verhältnis, bei dem das Moment der strömenden Luft zum Mitreißen der Flüssigkeit ausreicht. Das erforderliche Luftmoment hat viele negative Auswirkungen auf die Funktion der typischen medizinischen Aspiratoren. Diese negativen Wirkungen sind beispielsweise Gewebetraum durch Kontakt mit der Aspiratorspitze, Schädigung von aspiriertren Blutzellen aufgrund von Scherwirkung und Lüftung, hohe volumetrische Luftströmungen, die zur Verneblung von potentiell biologisch gefährlichen Flüssigkeiten führen können und so die Exposition am Arbeitsplatz erhöhen, und die allgemeine Geräuschentwicklung im Betrieb.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen aktiven Fluidfördervorrichtung 60. Die Vorrichtung 60 umfasst eine ähnliche Konstruktion wie die in 1 gezeigte Vorrichtung 10. Das heißt, sie kann eine Schicht 62 aufweisen, die eine mikrostrukturierte Oberfläche auf einer ihrer Hauptflächen und mindestens eine Vielzahl von Kanälen aufweist, die zur Bildung eines Kapillarmoduls 65 mit einer Kappenschicht 65 abgedeckt sind. Die Kappenschicht 64 könnte die mit Bezug auf 1 beschriebenen Dickenabmessungen aufweisen. Um gute Wärmetransfereigenschaften zu gestatten, weist die Kappenschicht 64 vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,02 bis 0,2 mm auf. Das Kapillarmodul könnte die mit Bezug auf 1 beschriebenen Abmessungen aufweisen. Die (nicht gezeigten) Kanäle sind vorzugsweise so angeordnet, dass (nicht gezeigte) Einlässe in Fluidverbindung mit einem Einlassverteiler 66 stehen, während an einem anderen Rand der Vorrichtung 60 ein Auslassverteiler 68 fluidisch mit den Kanalausgängen (nicht gezeigt) verbunden sein könnte. Die Potentialquelle kann über den Einlassverteiler 66 oder den Auslassverteiler 68 mit der Transportvorrichtung 60 verbunden sein, je nachdem, wie Fluid sich durch die Vorrichtung bewegen soll. Beispielsweise könnte eine (nicht gezeigte) Pumpe zur Bewegung von Fluid vom Einlassverteiler 66 zum Auslassverteiler 68 durch fluidische Verbindung der Pumpe mit dem Einlassverteiler über ein Verbindungsglied, das einen Verteiler 66 aufweisen würde, verwendet werden. Alternativ könnte ein Vakuum in Fluidverbindung mit dem Auslassverteiler 68 über ein einen Verteiler enthaltendes Verbindungsglied angelegt werden.
Die aktive Fluidfördervorrichtung 60 kann besonders nützlich sein, wenn es wünschenswert ist, ein bestimmtes Fluid durch die Vorrichtung 60 zu zirkulieren, um eine Eigenschaft des Fluids durch Kontakt mit den Schichten 62 oder 64 zu beeinflussen. Das Fluid kann somit behandelt werden, indem es durch die von den Schichten 62 und 64 definierten Kanäle fließt. Die Fluidbehandlung kann chemische, katalytische und ionisierende Reaktionen beinhalten, die durch Bestandteile gefördert werden, die auf oder in die Kanaloberflächen platziert werden. Trennbehandlungen wie durch Sorption von Fluidbestandteilen auf ordnungsgemäße vorbereitete Kanaloberflächen wären aufgrund des hohen Verhältnisses von Kanaloberfläche zu Kanalvolumen vorteilhaft. Dieselben Attribute könnten auch verwendet werden, um die Messung oder den Nachweis eines durchfließenden Fluids zu gestatten, wo die Kontaktschichten 62 oder 64 als Fluidschnittstellenbestandteil in einem Sensor- oder Detektorsystem fungieren. Ein Fluidnachweissystem könnte Fluidleitfähigkeit, pH-Wert, Temperatur oder Zusammensetzung überwachen. Alternativ könnte ein Fluid, das vom umgebenden Milieu bei seiner Zirkulation durch die Kanäle beeinflusst wird, als Teil eines Nachweissystems überwacht werden, bei dem die Vorrichtung 60 selbst als Element in einem Sensor oder Nachweissystem fungieren würde. Die Oberfläche der Strömungskanäle könnte funktionalisiert werden, um auf diese physikalischen Bedingungen anzusprechen oder sie nachzuweisen. Als thermische Behandlung des Fluids könnte Erwärmung oder Kühlung erfolgen. Ein mit mikrostrukturierten Kanälen versehener aktiver Fluidwärmeaustauscher ist in US-A 2001016985 offenbart, eingereicht am selben Tag wie die vorliegende Patentanmeldung und mit dem Titel Microchanneled Active Fluid Heat Exchanger. Auch könnten Fluidströme unterschiedlicher Zusammensetzung zusammengeführt werden, um als Mittel zur Herbeiführung einer Reaktion, Verdünnung oder Vermischung miteinander zu agieren und sich gegenseitig zu behandeln. Sonst könnte das Fluid eine Eigenschaft einer Schicht 62 oder 64, beispielsweise ein Wärmeaustauscher, verändern. Eine Beobachtungs-, Nachweis- oder Analysevorrichtung, wie ein Mikroskop oder ein Spektrometer, die von den Schichten 62 oder 64 entfernt ist, kann zur Untersuchung des Fluids bei seiner Strömung in einem dünnen Film durch die Kanäle verwendet werden. Auf jeden Fall kann die Konstruktion wie bei allen aufgeführten Ausführungsformen aus flexiblen, halbstarren oder starren Materialien bestehen.
Bei flexiblen Materialien könnte die Vorrichtung durch ihre dann mechanisch flexible Art in konturierten Konfigurationen verwendet werden. Flexible Vorrichtungen können relativ groß sein, damit sie problemlos ohne Bruch gehandhabt werden können und um eine stark verteilte Fluidströmung über einen großen Bereich zu liefern, der von der Vorrichtung beeinflusst werden muss. Eine flexible Fluidfördervorrichtung kann beispielsweise die Form eines Tuchs zum Kühlen oder Wärmen eines Patienten aufweisen. Eine solche flexible Vorrichtung kann an einen Gegenstand anpassbar sein oder sie kann zusammen mit einem Gegenstand (z.B. auf einem Kissen) formbar sein. Obwohl die Fluidfördervorrichtung flexibel sein kann, kann sie auch gegen Kollabieren durch Belastungen und Knicke widerstandsfähig sein. Die mikrostrukturierte Natur des Kapillarmoduls 65 sorgt für ausreichend Struktur in einer aktiven Fluidfördervorrichtung, um lasttragende Integrität zu bieten, um beispielsweise eine stehende Person zu stützen. Die kleine Größe der Strömungskanäle und ihre Geometrie gestatten die Aufbringung von relativ hohen Kräften (beispielsweise über 10 kPa oder sogar mehr als 50 kPa) auf die Oberfläche ohne Kollabieren der Strömungskanäle.
8 zeigt den Aspirator 54 bei Verwendung auf einem Patienten und verbunden mit einem Auffangbehälter 57. In diesem Fall kann der Auffangbehälter 57 mit einer Potentialquelle, wie z.B. einer kleinen Vakuumpumpe, verbunden sein. Ein wie in 8 gezeigter Aspirator könnte zur Entfernung von Körperflüssigkeiten, wie Blut, Plasma oder Körpersekrete aus einer Operationsstelle oder von chirurgischen Irrigationsflüssigkeiten wie z.B. gepufferte Kochsalzlösungen, sterile Lösungen usw. verwendet werden.
9 zeigt Beispiele von mehreren speziellen Anwendungen von erfindungsgemäßen aktiven Fluidfördervorrichtungen. Im Bereich der Medizin kann eine Flüssigkeitsakquisitions- und Evakuierungsmatte 40 an Stellen positioniert werden, an denen es Auslaufen wahrscheinlich ist, um die ausgelaufene Flüssigkeit zu absorbieren und zu entfernen. Der Entfernungsvorgang kann je nach Bedarf kontinuierlich oder intermittierend erfolgen. Die aufgefangene Flüssigkeit könnte Körperflüssigkeit oder medizinische Irrigationsflüssigkeit sein. Ein Aspirator 54 wie oben beschrieben ist zur Verwendung bei einem medizinischen Verfahren beispielsweise zur Entfernung von Körperflüssigkeiten gezeigt, während der Patient in der Abbildung auf einer Vorrichtung 60 positioniert ist, die in Form eines flexiblen Tuchs sein kann, um den Patienten beispielsweise zu erwärmen oder zu kühlen.
Wärmetransportvorrichtungen wie die Vorrichtung 60 in 7 und 9 besitzen einige Vorteile. Da die Wärmetransferflüssigkeit in sehr kleinen Kanälen gehalten wird, besteht in den Kanälen nur minimale Flüssigkeitsstagnation. Die Flüssigkeit in Laminarfluss in Kanälen zeigen ein Geschwindigkeitsflussprofil, bei dem das Fluid in der Mitte des Kanals die größte Geschwindigkeit aufweist. Fluid an den Kanalgrenzen stagniert bei diesen Regime im Wesentlichen. Je nach Größe des Kanals, der Wärmeleitfähigkeit des Fluids und der Zeit, die ein Fluid zum Durchströmen des Kanals benötigt, kann dieses Strömungsprofil ein erhebliches Temperaturgefälle über den Kanal erzeugen. Dagegen zeigen Kanäle mit einem Mindestseitenverhältnis und einem hydraulischen Radius gemäß der vorliegenden Erfindung aufgrund der geringeren Wärmetransferstrecke ein kleineres Temperaturgefälle über den Kanal. Ein kleineres Temperaturgefälle ist vorteilhaft, weil das Fluid bei seiner Strömung durch den Kanal gleichmäßig hitzebelastet wird.
Die Verweilzeit des Wärmetransferfluids im System mit kleinen Kanälen kann auch vom Einlassverteiler 66 zum Auslassverteiler 68 im Wesentlichen gleichmäßig sein. Eine gleichmäßige Verweilzeit ist vorteilhaft, weil sie die Ungleichmäßigkeit in der Wärmebelastung eines Fluids minimiert.
Die Verringerung des Temperaturgefälles und eine gleichmäßige Verweilzeit tragen ebenfalls zur Gesamteffizienz bei und für eine gegebene Wärmetransferrate gestatten sie kleinere Temperaturgefälle zwischen dem Wärmetransferfluid und dem zu wärmenden oder kühlenden Element. Die kleineren Temperaturgefälle verringen das Risiko örtlicher Heiß- oder Kaltzonen, die unerwünscht wären, wenn der Wärmeaustauscher bei thermisch empfindlichen Anwendungen wie z.B. bei Haut- oder Gewebekontakt verwendet wird. Die hohe Kontaktoberfläche pro Volumeneinheit des Wärmetransferfluids im Wärmetransfermodul erhöht die volumetrische Effizienz des Systems.
Die Wärmetransportvorrichtung kann auch in abgeschlossenen Bereichen besonders nützlich sein. Die Materialwirtschaftlichkeit einer Vorrichtung auf Basis eines mikrostrukturierten Films würde sie für begrenzte oder einmalige Anwendungen geeignet machen, beispielsweise in medizinischen Vorrichtungen, bei denen aus Kontaminationsgründen Entsorgung notwendig ist.
Eine erfindungsgemäße Wärmetransportvorrichtung ist vorteilhaft, weil sie flexibel sein kann und so in verschiedenen Anwendungen zum Einsatz kommen kann. Die Vorrichtung kann um enge Biegungen oder Kurven konturiert sein. Durch die Flexibilität können die Vorrichtungen in Situationen verwendet werden, in denen ein intimer Kontakt mit unregelmäßigen Oberflächen notwendig ist. Die erfindungsgemäßen Fluidfördervorrichtungen, einschließlich dem Wärmeaustauscher können so flexibel gestaltet werden, dass die Vorrichtungen oder Kapillarmodule um einen Mandrin geformt werden können, der einen Durchmesser von etwa 2,54 cm oder mehr aufweist, ohne die Strömungskanäle oder die strukturierte Polymerschicht signifikant einzuengen. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen könnten aus Polymermaterialien bestehen, durch die die Fluidtransportvorrichtung ohne nachteiligen Einfluss um einen Mandrin mit einem Durchmesser von etwa 1 cm geformt werden kann.
Die Herstellung von strukturierten Oberflächen und insbesondere von mikrostrukturierten Oberflächen auf einer Polymerschicht, wie z.B. einem Polymerfilm, ist in US Patent 5.069.403 und 5.133.516 von Marentic et al. offenbart. Strukturierte Schichten können auch unter Verwendung der in US Patent 5.691.846 von Benson, Jr. et al. beschriebenen Grundsätze kontinuierlich mikrorepliziert werden. Andere Patente, die mikrostrukturierte Oberflächen beschreiben, sind US Patent 5.514.120 von Johnson et al., 5.158.557 von Noreen et al., 5.175.030 von Lu et al. und 4.668.558 von Barber.
Gemäß solchen Techniken hergestellte strukturierte Polymerschichten können mikrorepliziert werden. Die Bereitstellung von mikroreplizierten Strukturschichten ist vorteilhaft, weil die Oberflächen ohne erhebliche Produktabweichungen und ohne Verwendung relativ komplizierter Bearbeitungstechniken durch Massenfertigung hergestellt werden können. Die mikroreplizierten Oberflächen werden vorzugsweise so hergestellt, dass die die Merkmale der strukturierten Oberfläche bei der Herstellung von Produkt zu Produkt individuelle Merkmale behalten, wobei die Variation zwischen Produkten nicht mehr als 25 μm beträgt.
Fluidtransportschichten für eine der erfindungsgemäßen Ausführungsformen können aus einer Vielzahl von Polymeren oder Copolymeren geformt werden, einschließlich thermoplastische, warmansgehärtete und härtbare Polymere. Wie hierin verwendet bezieht sich thermoplastisch im Gegensatz zu warmansgehärtet auf ein Polymer, das bei Wärmeeinwirkung weicht wird und schmilzt und sich bei Abkühlen wieder verfestigt und durch viele Zyklen geschmolzen und verfestigt werden kann. Ein warmansgehärteter Polymer erstarrt dagegen beim Wärmen und Kühlen unwiderruflich. Ein gehärtetes Polymersystem, bei dem Polymerketten miteinander verbunden und vernetzt sind, kann durch Verwendung von chemischen Mitteln oder ionisierender Strahlung bei Raumtemperatur geformt werden.
Nützliche Polymere zur Bildung einer strukturierten Schicht in erfindungsgemäßen Gegenständen sind ohne Einschränkung Polyolefine, wie z.B. Polyethylen und Polyethylencopolymere, Polypropylen, Ethylen/Vinylaceta-Polymere, Ethylen/Ethylacrylat-Polymere. Weitere nützliche Polymermaterialien sind Vinylpolymere (z.B. Polyvinylchlorid, Polyvinylalkohol, Vinylchlorid/Vinylalkohol-Copolymere, Polyvinylidenchlorid, Polyvinylidendifluorid (PVDF), Acrylpolymere (z.B. Polymethylmethacrylat), Polycarbonatpolymere, Polyester (z.B. Polyethylenterephthalat), Polyamide (z.B. Nylon), Polyurethane, Polysaccharide (z.B. Celluloseacetat), Polystyrole (z.B. Polystyrol/Methylmethacrylat-Copolymer), Polysiloxan-Polymere (z.B. Polysiloxan und Organopolysiloxan-Polymere). Fluidtransportglieder können aus härtbaren Harzmaterialien (Monomer- und Präpolymer-Mischungen) wie z.B. Acrylate oder Epoxys gegossen und durch chemisch, durch Wärmeexposition, UV-Gamma- oder Elektronenstrahlen geförderte radikalische Polymerisationspfade gehärtet werden. Weichmacher, Füllstoffe oder Streckmittel, Antioxidantien, UV-Stabilisatoren, Tenside und dergleichen können in den erfindungsgemäßen Polymeren verwendet werden.
Wie oben erwähnt gibt es Anwendungen, in denen flexible aktive Fluidfördervorrichtungen wünschenswert sind. Eine strukturierte Polymerschicht kann mit den in US Patent 5.450.235 von Smith et al. und 5.691.846 von Benson, Jr. et al. beschriebenen Polymeren flexibel gemacht werden. Die gesamte Polymerschicht muss nicht aus einem flexiblen Polymermaterial bestehen. Die Körperschicht (15, 1) kann beispielsweise aus einem flexiblen Polymer bestehe, während der strukturierte Teile oder ein Teil aus einem starreren Polymer bestehen könnte. Die in diesem Abschnitt aufgeführten Patente beschreiben die Verwendung von Polymeren auf diese Weise zur Herstellung von flexiblen Produkten mit mikrostrukturierten Oberflächen. Die Körperschicht könnte auf Wunsch auch aus anderen Materialien hergestellt werden.
Polymermaterialien einschließlich Polymermischungen können durch Schmelzmischen von weichmachenden Wirkstoffen wie z.B. Tensiden oder antimikrobiellen Mitteln modifiziert werden. Die Oberflächenmodifizierung der strukturierten Flächen kann durch Dampfabscheidung oder kovalentes Propfen von funktionalen Teilen mit ionisierender Strahlung erfolgen. Verfahren und Techniken zur Pfropfpolymerisation von Monomeren auf Polypropylen beispielsweise durch ionisierende Strahlung sind in US Patent 4.950.549 und 5.078.925 beschrieben. Die Polymeren können auch Zusatzstoffe enthalten, die der strukturierten Polymerschicht verschiedene Eigenschaften verleihen. Beispielsweise können Weichmacher hinzugefügt werden, um das Elastizitätsmodul für verbesserte Flexibilität zu verringern.
Die aktive Förderung von Fluids, sowohl Gase als auch Flüssigkeiten, ist für viele Anwendungen von zentraler Bedeutung. Diese Anwendungen können beispielsweise Wärmetransfer, Massentransfer, Ionenaustausch und reaktive Chemie beinhalten. Darüber hinaus liefert die vorliegende Erfindung ein Gerät und ein Verfahren für die aktive Dünnfilmreaktion in Anwendungen wie chemischen oder Strahlenreaktoren. In einem chemischen Reaktor kann ein chemisches oder katalytisches Mittel ähnlich auf einer mikrostrukturierten Oberfläche oder einer Schnittstelle getragen werden. In einem Strahlenreaktor könnte eine Form von Strahlung durch eine Oberfläche übertragen werden, um eine Wirkung auf das transferierte Fluid zu erzeugen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung können dünne flexible Polymerfilme mit parallelen linearen Topographien als mikrostrukturtragendes Element verwenden. Für die Zwecke der Erfindung ist ein „Film" ein dünnes (Dicke unter 5 mm) im Allgemeinen flexibles Polymermaterial. Der wirtschaftliche Wert der Verwendung von preiswerten Filmen mit hoch definierten mikrostrukturierten Filmoberflächen ist enorm. Flexible Filme können in Kombination mit eine breiten Reihe von Kappenmaterialien und ungestützt oder in Verbindung mit einem Stützkörper wenn gewünscht verwendet werden. Die aus solchen mikrostrukturierten Oberflächen und Kappen geformten Kapillarmodule können für viele Anwendungen flexible sein, aber sie können auch mit einem starren Strukturkörper verbunden werden, wenn der Anwendungsfall dies erfordert. Bei der Verwendung der mikrostrukturierten Oberfläche zur Aspiration von Fluid kann es beispielsweise wünschenswert sein, das Modul an einem starren, als Handgriff dienenden Körper zu befestigen. Die strukturierte Oberfläche hat unabhängige Kanäle, die jeweils über eine kontinuierliche Oberflächenregion verlaufen können, um eine unabhängige Fluidbewegung zwischen den unabhängig strukturierten Kanälen zu gestatten.
Da die aktiven Fluidfördervorrichtungen der vorliegenden Erfindung mikrostrukturierte Kanäle aufweisen, benutzen die Vorrichtungen in der Regel eine Vielzahl von Kanäle pro Vorrichtung. Wie in einigen der oben gezeigten Ausführungsformen zu sehen, können erfindungsgemäße aktive Fluidfördervorrichtung leicht mehr als 10 oder 100 Kanäle pro Vorrichtung enthalten. In einigen Anwendungen kann die aktive Fluidfördervorrichtung mehr als 1000 oder 10000 Kanäle pro Vorrichtung enthalten. Je mehr Kanäle an eine einzelne Potentialquelle angeschlossen sind, je stärker kann die Wirkung des Potentials verteilt werden. Für eine Vorrichtung wie einen Aspirator liegt das üblicherweise verwendete Potential im Bereich von etwa 20 bis etwa 40 kPa und insbesondere von etwa 40 bis etwa 60 kPa.
Die erfindungsgemäßen aktiven Fluidfördervorrichtungen können bis zu 10000 Kanaleinlässe pro Quadratzentimeter Querschnittsbereich aufweisen. Erfindungsgemäße aktive Fluidfördervorrichtungen können mindestens ca. 50 Kanaleingänge pro Quadratzentimeter aufweisen. Typische Vorrichtungen haben ca. 1000 Kanaleingänge pro Quadratzentimeter. Indem so viele Kanaleingänge pro Querschnittseinheit vorliegen, ist die Wirkung des Potentials an dieser Stelle der aktiven Fluidfördervorrichtung so stark verteilt, dass vernachlässigbare Kräfte auf Gegenstände, die mit dem Kanaleingangsbereich in Kontakt kommen, ausgeübt werden.
BEISPIELE
Beispiel 1 – Flüssigkeitsakquisitions- und Evakuierungsmatte
Ein vakuumgestütztes Flüssigkeitsauffanggerät wurde unter Verwendung eines Kapillarmoduls gebaut, das aus einer Polymerschicht mit mikrostrukturierten Kanälen, die mit einer flachen Folie bedeckt waren, bestand. Das Gerät ähnelte der in 4 gezeigten Vorrichtung. Zum Vervollständigung des Geräts wurde ein saugfähiges Vlies über das Kapillarmodul gelegt und das Modul wurde mit einer Vakuumquelle verbunden.
Das Kapillarmodul wurde durch Laminieren der mit mikrostrukturierten Kanälen versehenen Polymerschicht auf eine einzelne Schicht aus Scotch Pack^TM Typ 29905 Film geformt. Die mikrostrukturierte Schicht wurde durch Gießen eines geschmolzenen Polymers auf ein Nickelwerkzeug mit mikrostrukturierten Kanälen auf einer Fläche geformt. Das zur Bildung der strukturierten Schicht verwendete Polymer war Polyethylen niederer Dichte, Tenite^TM 1550P von Eastman Chemical Company. Dieses Polymer hat ein Sekantenmodul von 193 × 10⁶ Pascal nach ASTM D 790. Ein nichtionisches Tensid, Triton X-102 von Rohm & Haas Company, wurde in das basische Polymer schmelzgemischt, um die Oberflächenenergie der strukturierten Schicht zu erhöhen. Die Kanäle wurden in der kontinuierlichen Länge des gegossenen Polymers geformt. Das Nickelgusswerkzeug wurde durch Formen einer glatten Kupferoberfläche mit Diamantritzwerkzeugen zur Erzeugung der gewünschten Struktur mit einem anschließenden elektrolosen Nickelplattierschritt zur Bildung eines Nickelwerkzeugs hergestellt. Das zur Bildung der Polymerschicht verwendete Werkzeug war so ausgelegt, dass es einen mikrostrukturierten „V"-förmigen Kanal wie in 2a gezeigt herstellen konnte. Die geformten Kanäle hatten einen nominale Tiefe von 459 μm und eine Öffnungsbreite von 420 μm. Dies führte zu einem Kanal mit einem hydraulischen Radius von 62,5 μm nach dem Abdecken mit einer Kappe. Die Abmessungen der strukturierten Polymerschicht und der Kappenschicht betrugen 40 × 10 Zentimeter (cm). Die lineare Mikrostruktur der mikrostrukturierten Schicht war parallel zur Längsachse des Laminats. Die Polymerschicht und die Kappeschicht waren so übereinander gelegt, dass die mikrostrukturierten Kanäle zu der Scotch Pack^TM Folie mit dem niedrigen Schmelzpunkt hin wiesen.
Die strukturierte Schicht und die Kappenschicht wurden dann durch Hitzeschweißen miteinander verbunden. Die Hitzeschweißpunkte waren etwa 5 Millimeter (mm) breit und parallel zur Längsachse des Laminats nur an den Außenrändern angeordnet. Die Konstruktion des Kapillarmoduls wurde durch Schneiden eines Endes des verschweißten Laminats in ein Chevron-Muster vervollständig, so dass die Kapillaröffnungen entlang der Längsachse des Moduls frei gelegt wurden.
Das Gerät wurde durch Sandwichanordnung des Kapillarmoduls zwischen einer Schicht aus saugfähigem Vlies und einer dünnen flüssigkeitsundurchlässigen Folie zusammengesetzt. Die geblasene saugfähige Mikrofaser wurde wie in US Patent 4.813.948 von Insely beschrieben hergestellt und bestand aus einer Ursprungsbahn von Polypropylen (Fina 400 MFI) Mikrofasern (60 Gew.-%) mit Fasern im Durchmesserbereich von 5 bis 10 μm, kombiniert mit 15 Denier PET Stapelfasern (20 Gew.-%) und Mikrofaser-Mikrobahnen (20 Gew.-%). Ein nichtionisches Tensid vom Typ OP9 von Henkel in Charlotte, North Carolina, wurde mit dem Harz in allen Mikrofaserelementen bei der Extrusion mit einer Faserzusatzrate von 10 Gew.-% schmelzvermischt, um die Fasern sofort mit Wasser benetzbar zu machen. Gewicht und Festigkeit der resultierenden Bahn war 180 Gramm pro Quadratmeter (g/m²) bzw. 6%. Die Bulk-Saugfähigkeit der Bahn betrug 2000 cm³/m². Die Trägerschicht war eine 0,02 Millimeter (mm) Folie (75 Gew.-% PP/25 Gew.-% EVA, Dow Chemical). Die saugfähige Bahn und die Trägerschichten wurden mit einem Heißschmelzkleberspray zusammengehalten. Der Klebstoff (HL-1358-X ZP, H.B. Fuller, St. Paul, Minnesota) wurde mit einer Rate von 10 g/m² auf das Absorbens aufgebracht. Das Kapillarmodul wurde so in der Struktur positioniert, dass nur ein kleiner Teil des Moduls sich über das Absorbens und die Trägerschicht hinaus erstreckte. Das Chevron-Ende des Moduls war mit der Mitte der saugfähigen Bahn ausgerichtet.
Ein Verteiler wurde dann über das verlängerte Ende des Kapillarmoduls gesetzt. Der Verteiler wurde durch Anbringen eines Schnitts in der Seitenwand eines Schlauchabschnitts, VI Grad 3,18 mm Innendurchmesser, 1,6 mm Wanddicke von Nalge Co. aus Rochester, New York, geformt. Der Schlitz wurde mit einem Rasiermesser in einer geraden Linie entlang der Schlauchachse geschnitten. Die Schlitzlänge war ungefähr gleich der Breite des Kapillarmoduls. Der Schlauch wurde dann über das Ende des Kapillarmoduls angebracht und durch Heißschmelzkleben befestigt. Ein offenes Ende des Schlauchs am Kapillarmodul wurde mit dem Heißschmelzkleber verschlossen.
Die Möglichkeit zur Fluidevakuierung des Geräts wurde überprüft, indem das Absorbens gesättigt wurde und das Kapillarmodul über den Schlauch an einer Vakuumquelle befestigt wurde. Das Testgerät mit der Saugseite nach oben wurde in eine Pfanne über einer von oben beladenen Waage gesetzt. Nach Aufbringen eines Vakuums von 28 mm Quecksilber (Hg) (3,3 kPa) auf das Gerät wurde die Wassermenge im Polster aufgezeichnet und die Extraktionsrate der Flüssigkeit bestimmt. Die erhaltenen Extraktionsraten sind in Tabelle 1 unten gezeigt.
Tabelle 1
Wie gezeigt konnte das Gerät vom Abgabepunkt wirksam Flüssigkeit aufnehmen und entfernen. Das Testgerät eignete sich besonders zur Behandlung von Fluids mit hoher Sättigung oder Überflutung und es konnte Fluid mit einer Rate von fast einem Liter pro Minute extrahieren. Das Gerät konnte mehrere Fluidladungen aufnehmen und arbeitete im Wesentlichen geräuschlos. Es wurde nur ein relativ geringes Volumen Luft mit dem extrahierten Fluid mitgerissen, wie in der Aspirationsflasche zu sehen war. Die Flüssigkeitsakquisitions- und Evakuierungsmatte war haltbar und flexibel und konnte sich an die Konturen der Oberfläche, auf die es gelegt wurde, schmiegen und anpassen und über eine scharfe Kontur gebogen werden, ohne die Kapillarstruktur zu beschädigen. Die mikrostrukturierte Oberfläche des Kapillarmoduls war mechanisch haltbar und konnte dem Gewicht (etwa 25 kPa) einer stehenden oder auf einem Stuhl mit Rollen sitzenden Person, wobei die Rollen über das Modul fuhren, ohne Kollabieren standhalten.
Beispiel 2 – Medizinische Aspirationsvorrichtung
Ein vakuumgestütztes Aspirationsgerät ähnlich dem in 6 gezeigten wurden aus einem Stapel von mikrostrukturierten Polymerkanalschichten, die dem Stapel in 5 ähnelten, zusammengesetzt. Der Stapel wurde hergestellt, indem Streifen der die mikrostrukturierten Kanäle tragenden Schicht aus Beispiel I so als Schichten zusammengesetzt wurden, dass die Mikrostruktur einer Filmschicht zur glatten Rückseite der benachbarten Schicht wies, um ein Kapillarmodul zu bilden. Die lineare mit Kanälen versehene Struktur der mikrostrukturierten Polymerschicht war parallel zur Längsachse des Stapels orientiert. Die Abmessung der einzelnen strukturierten Polymerschichten war 5 mm × 115 mm. Zehn strukturierte Polymerschichten wurden zur Bildung des Kapillarmoduls verwendet. Ein Verteiler war an einem Ende des Stapels befestigt, um eine Vakuumbefestigung zu erleichtern. Der Verteiler war aus einem hitzeaktivierten Schrumpfschlauch geformt, der über das Ende des Stapels und einen anstoßenden Schlauch wie in Beispiel 1 verwendet wurde gesetzt wurde. Der Schrumpfschlauch FP- 301-1/4'' (von 3M Company, St. Paul, Minnesota) wurde dann um den Befestigungsschlauch und den Stapel hitzeaktiviert.
Zur Überprüfung der Akquisitions- und Förderkapazität des Geräts wurde ein 25 Milliliter (ml) Eichzylinder mit Wasser gefüllt und evakuiert. Nach Befestigen einer Vakuumquelle von 28 mm Hg (3,3 kPa) am Verteiler des Kapillarmoduls, konnte die Spitze des Aspirators die Flüssigkeitsoberfläche berühren und sich etwa 5 mm unter ihr erstrecken. Die Aspiratorspitze wurde von der Oberfläche nach unten bewegt. Die zum Evakuieren des Eichzylinders benötigte Zeit betrug 7 Sekunden und führte zu einer durchschnittlichen Extraktionsrate von 214 ml/min.
Aufgrund der kleinen Kanäle im Aspirationsgerät wurde mit der aufgenommenen Flüssigkeit nur wenig Luft mitgerissen. Dies ist ein bedeutender Unterschied zu den bekannten Aspiratortechnologien.
Das Beispielgerät hatte etwa 200 einzelne Kanäle, wobei jeder Kanal ein Seitenverhältnis von 1840 zu 1 und einen hydraulischen Radius von 62,5 μm aufwies. Die kleinen Kanäle des Kapillarmoduls konnten leicht mit aspiriertem Fluid geflutet werden, so dass kein Zweiphasenflussregime zum Fördern von Fluid entstand.
Bei Anlegen eines leichten Druckabfalls über dem aspirierten Modul konnte das Gerät als Kanüle oder chirurgischer Drain verwendet werden. Bei Betrieb mit gefluteten Kapillaren anstelle mit offenen Schläuchen würde das Gerät die Möglichkeit eines Rückflusses von Luft in die Körperhöhle minimieren.

Claims

Aktive Fluidfördervorrichtung, aufweisend: (a) eine Schicht (12) aus Polymermaterial mit einer ersten Hauptfläche, die eine mikrostrukturierte Oberfläche (13) mit mehreren diskreten, darauf angeordneten Strömungskanälen (16) aufweist, wobei sich die Strömungskanäle (16) von einem ersten Punkt zu einem zweiten Punkt entlang der mikrostrukturierten Oberfläche (13) erstrecken und ein minimales Seitenverhältnis von etwa 10:1 und einen hydraulischen Radius von höchstens etwa 300 Mikrometer aufweisen; und (b) ein Verbindungsglied (20, 55), das mit den diskreten Strömungskanälen in Fluidverbindung steht, wobei mithilfe des Verbindungsglieds ein Potential von einer sich außerhalb der mikrostrukturierten Oberfläche (13) befindenden Quelle auf die Strömungskanäle (16) angelegt werden kann, um eine Fluidbewegung durch die Strömungskanäle (16) von einem ersten Ort zu einem zweiten Ort zu fördern.
Aktive Fluidfördervorrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine sich außerhalb der strukturierten Oberfläche befindende Potentialquelle (14), die die Fluidbewegung durch die Strömungskanäle (16) von einem ersten Ort zu einem zweiten Ort fördert.
Aktive Fluidfördervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schicht (12) aus Polymermaterial mikrorepliziert ist.
Aktive Fluidfördervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die mikrostrukturierte Oberfläche (13) V-förmige Kanäle aufweist und/oder wobei die Strömungskanäle (16) so konfiguriert sind, dass sie ein flaches Tal zwischen leicht abgeflachten Spitzen bilden und/oder wobei die mikrostrukturierte Oberfläche (13) mehrere Kanäle aufweist, zwischen denen kleinere Kanäle angeordnet sind.
Aktive Fluidfördervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die Vorrichtung mehrere strukturierte Schichten (12) in Form eines Stapels (50) aufweist.
Aktive Fluidfördervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, wobei die Strömungskanäle (16) Bestandteile aufweisen, die das Eintreten von chemischen, katalytischen und Ionisationsreaktionen bei Bewegung des Fluids durch die Kanäle ermöglichen.
Aktive Fluidfördervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, wobei die Strömungskanäle (16) geeignet sind, physikalische Eigenschaften eines durch sie hindurchfließenden Fluids zu erfassen.
Flüssigkeitsakquisitions- und Evakuierungsmatte, die die aktive Fluidfördervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7 aufweist und ferner eine flüssigkeitsaufsaugende Schicht (44) aufweist, die im Gebrauch der Matte über der Schicht (12) aus Polymermaterial angeordnet ist, wobei die flüssigkeitsaufsaugende Schicht (44) die Bewegung von Flüssigkeit, die mit der Schicht in Berührung kommt, durch sie hindurch gestattet.
Aspirator, der die aktive Fluidfördervorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8 aufweist.
Verfahren zum Transport eines Fluids, das folgende Schritte aufweist: a) Bereitstellung einer aktiven Fluidfördervorrichtung (10, 40, 54, 60) mit einer Schicht (12) aus Polymermaterial mit einer ersten Hauptfläche, die eine mikrostrukturierte Oberfläche (13) mit mehreren diskreten, darauf angeordneten Strömungskanälen (16) aufweist, wobei sich die Strömungskanäle von einem ersten Punkt zu einem zweiten Punkt entlang der mikrostrukturierten Oberfläche (13) erstrecken und ein minimales Seitenverhältnis von etwa 10:1 und einen hydraulischen Radius von höchstens etwa 300 Mikrometer aufweisen; b) Verbinden der aktiven Fluidfördervorrichtung mit einer sich außerhalb der mikrostrukturierten Oberfläche (13) befindenden Potentialquelle (14) über ein Verbindungsglied (20, 55), das mit den diskreten Strömungskanälen (16) in Fluidverbindung steht; und c) Transportieren von Fluid durch die Strömungskanäle (16) von einem ersten Ort zu einem zweiten Ort durch die Wirkung des Potentials von der an die Strömungskanäle (16) angelegten Quelle.