JP2006512127A

JP2006512127A - 流体分配システム

Info

Publication number: JP2006512127A
Application number: JP2004563421A
Authority: JP
Inventors: メッノダヴリュジェイプリンス
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2002-12-30
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2006-04-13
Also published as: WO2004058333A1; US20060131343A1; CN1732026A; AU2003283673A1; EP1581283A1

Abstract

流体分配システムは、流入流体を受ける入口と、所定量の流出流体を分配する出口とを有する。ポンプが前記入口と前記出口との間に配置され、前記所定量の流出流体を前記出口に送り込む。前記ポンプは、電極を備えた１つ又は複数のチャネルを有する。前記流入流体を前記流出流体から分離するために、バリアが、好ましくは前記チャネル内に設けられる。前記バリアは、前記流入流体及び／又は前記流出流体に対して不浸透性である。好ましくは、前記バリアは、前記チャネルに沿って移動することができる流体プラグとして形成される。

Description

本発明は、
流入流体（input fluid）を受ける入口と、
所定量の流出流体（output fluid）を分配する出口と、
前記入口と前記出口との間に配置され、前記出口に前記所定量の流出流体を送り込むポンプと、
を有する流体分配システム（fluid dispensing system）に関する。

このような流体分配システムは、M.W.J. Prins他によるScience 291(2001)277の論文‘Fluid control in multichannel structures by electrocapillary pressure’から既知である。

この既知の流体分配システムは、壁の内側に電極を持つマイクロチャネルを有する。マイクロチャネルは、非混和性であり、異なる電気伝導率を持つ２種類の流体で満たされる。前記既知の流体分配システムにおいて、前記流体の流れは、電気毛管現象、即ち前記流体と前記マイクロチャネルの壁との間の境界面に蓄積された電荷密度に対する界面張力の見かけの依存性に基づいて制御される。前記電極を有するマイクロチャネルは、ポンプの機能を実行する。前記既知の流体分配システムは、電気毛管効果によるマイクロポンプを含む。特にマイクロポンプ動作は、前記マイクロチャネルにおける界面張力の静電制御から生じる電気毛管圧力により生成される。前記マイクロチャネルの流入及び流出は、それぞれ入口及び出口として機能する連絡チャネルを介する。引用された記事は、約４０００のマイクロチャネルが前記既知の流体分配システムで採用されると記載している。

本発明の目的は、多種多様な流入及び流出流体を用いて動作することができる流体分配システムを提供することである。

この目的は、本発明による流体分配システムであって、ポンプが１つ又は複数のチャネルを有し、
前記１つ又は複数のチャネルが電極を備え、
前記流体分配システムが、前記流入流体を前記流出流体から分離するバリアを備え、
前記バリアが、前記流入流体及び／又は前記流出流体に対して不浸透性である、
当該流体分配システムにより達成される。

前記バリアは、前記流入流体を前記流出流体から分離する。したがって、相容れない（incompatible）又は更に相互にアグレッシブな（mutually aggressive）流体が、流入流体及び流出流体として採用されることができる。

特に、前記バリアは、流体膜（fluid membrane）、即ちメニスカスとして形成される。このような流体膜は、気体又は液体であることができる流体プラグが、前記流入流体と前記流出流体との間の前記１つ又は複数のチャネル内に挿入される場合に形成される。特に、前記１つ又は複数のチャネルは、毛管として形成される。流体膜は、それぞれ前記流入流体と前記流体プラグとの間、及び前記流出流体と前記流体プラグとの間に前記メニスカスとして形成される。これらの流体膜は、非常に滑らかに移動し、前記チャネルの長手軸に沿ってヒステリシスを生じない。したがって、分配された流出流体の量は、非常に正確に制御される。更に、電気毛管効果に基づく前記流体分配システムは、低い漏出及び高いエネルギ効率を持つ。これは、本発明の前記流体分配システムを埋め込み型薬物送達システム（implantable drug delivery system）として採用されるのに適したものにする。

本発明のこれら及び他の態様は、従属請求項に規定された実施例を参照して更に説明される。

好ましくは、前記１つ又は複数のチャネルの前記入口に面した側に、入口障害物が設けられる。好ましくは、前記１つ又は複数のチャネルの前記出口に面した側にも、出口障害物が設けられる。この入口障害物及び出口障害物は、前記流体プラグを前記チャネルの内側に保持する。前記流体プラグが当該チャネルの内側に保持されるので、前記流出流体の量の正確な制御が保証される。特に、前記流体プラグが前記チャネルを出ることによる前記流出流体の制御されていない分配が避けられる。このような入口障害物及び／又は出口障害物が形成される様々な様式が存在する。例えば、流体親和性（fluidophilic）コーティングが前記チャネルの壁の内側に局所的に付着される。このような流体親和性コーティングは、前記流体プラグの流体に対して高い粘着力を持つ。例えば前記流体プラグが水溶液で作成される場合、前記入口障害物及び／又は出口障害物は、親水性コーティングとして作成される。前記流入流体が無極性油である場合、親油性コーティングが、前記チャネルの壁の内側に局所的に付着され、前記入口障害物及び／又は出口障害物を形成する。前記入口障害物及び／又は出口障害物の他の例は、前記チャネルの出口側に設けられた多孔性構造である。このような多孔性構造は、前記流体プラグに対してバリアとして機能する。例えばハニカム（honeycomb）構造が、前記多孔性構造として採用されることができる。この多孔性構造は、前記チャネル内への流入流体の流動抵抗を増加するより強く前記流入流体と前記流体プラグとの間の前記メニスカスが前記マルチチャネルを離れることから引き留める。電気毛管力を用いて、０ないし０．１ｍ／ｓの流れが示された。しかしながら、分配の応用例に対して、例えば毎分マイクロリットル又はそれ以下のオーダーの低い速度が使用されることができ、したがって増加された流動抵抗は、前記流体分配システムの動作に悪影響を与えない。

他の好適実施例において、前記流体分配システムは、前記チャネル内の前記流体に制御可能なオフセット圧力を加える加圧システムを備える。このオフセット圧力は、静水圧として用いられる。したがって、ポンプ動作を達成する前記電気毛管効果を生成するのに必要とされる電圧は、前記電気毛管効果の飽和が生じる電圧と比較して比較的低い領域である。前記オフセット圧力は、前記流入流体が前記チャネルに入り、結果として電圧が印加されない状態で意図的でなく前記流出流体が前記出口において分配されることを防ぐように前記流体分配システムを制御するために調節されることができる。

好ましくは、前記加圧システムの機能は、前記流体プラグにより実行される。前記流体プラグの流体は、この場合、前記流体プラグの流体がそれぞれ前記流入流体及び流出流体を有するミラード・メニスカス（mirrored menisci）を形成するように選択される。例は、水溶液／無極性油／水溶液、及び水溶液／気体／水溶液である。このような構成は、前記オフセット圧力として機能する前記チャネル内の毛管圧を生じさせる。

前記流体分配システムの他の好適な実施例において、前記流体プラグは、前記チャネルの長さより大幅に短い。例えばプラグは、長さ１センチメートルのマイクロチャネルにおいて数マイクロメートルの長さを持つ。プラグ／チャネルの比は、１０^-4ないし０．２である。本実施例において、前記ポンプ機能は、全体的に前記チャネルに一体化され、この結果、前記流体分配システムはコンパクトかつサイズが小さく、例えば数立方センチメートルである。このようなコンパクトな流体分配システムは、ユーザに不快感を与えずに人間の肉体に埋め込むのに非常に適している。この埋め込まれた流体分配システムは、前記出口から前記ユーザへの薬剤の投与を管理するために有利に採用される。前記流体分配システムは、薬物の注射又は薬物の経口投与のような介入無しで連続的な又は非常に定期的な薬物の分配を可能にする。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載される実施例を参照して、及び添付図面を参照して説明される。

図１は、本発明による流体分配システムの概略的な表現を示す。ポンプ３が、入口１と出口２との間に配置される。前記ポンプは、複数のチャネル５を含む。ここで、２つのチャネルのみが例として示されるが、実際には多数のチャネルが採用されてもよい。より多くの流体が移動されることを可能にするので、より多くのチャネルを採用することは有利である。圧力は前記チャネル直径の逆数に比例するので、小さな直径のチャネルを使用することも有利である。これらのチャネルは、１ミリメートルないし３マイクロメートル、例えば４０マイクロメートルの毛管半径を持つ毛管マイクロチャネルとして形成されることができる。前記マイクロチャネルは、非混和性の流体で満たされ、これらの流体の間のメニスカス１１が図示される。前記マイクロチャネルの壁に部分的に円筒状電極１２が設けられる。例えば、前記電極は、前記マイクロチャネルの円筒面の一部の中又は上に付着された金属層である。前記円筒状電極は、複数の部分から形成される。これらの部分は、異なる部分に対してそれぞれの電圧が印加されることにより個々に起動されることができる。前記マイクロチャネル内の流体と前記壁との間の電位差は、電極１２に印加される電圧に依存し、この電位差は、ポンプ３のポンプ動作を駆動する前記マイクロチャネル内の電気毛管圧力を生じさせる。電圧源５１は、前記電極部分に電圧を供給する。選択回路５２は、それぞれのマイクロチャネル５のそれぞれの電極部分に電圧を供給するように構成される。制御ユニット５３、例えばマイクロプロセッサは、前記選択回路の制御入力部に結合され、前記それぞれの電極部分に電圧を印加するように前記選択回路の設定を制御する。例えば隣接した電極部分が連続して起動される場合、前記マイクロチャネル内の両方の流体の間のメニスカス１１が、前記ポンプ動作を達成するように前記マイクロチャネルに沿って駆動される。

図１に示された前記流体分配システムの実施例において、前記入口は入口貯蔵部２１に接続され、出口２は出口貯蔵部２２に接続される。前記出口貯蔵部は、前記流出流体で満たされる。前記出口貯蔵部において、例えば前記出口に放出されるべき薬物が貯蔵され、前記入口貯蔵部は、前記流入流体で満たされる。前記入口貯蔵部において入口バリア６１が配置され、前記出口貯蔵部において出口バリア６２が配置される。前記入口バリアは、前記流入流体を前記マイクロチャネル内の流体から分離する。前記出口バリアは、前記流出流体を前記マイクロチャネル内の流体から分離する。これらの入口バリア及び前記出口バリアは、それぞれ前記入口貯蔵部及び前記出力貯蔵部の長手軸に沿って移動可能な可とう膜（flexible membrane）である。前記長手軸は、前記入口から前記出口への方向に沿って前記入口貯蔵部及び前記出口貯蔵部を通って延在し、前記ポンプのポンプ動作が、送り込まれる前記流体を移動させる。これらの可とう膜は、所定量の流出流体が出口２から分配される場合に、流体圧を前記膜の両側に残させる。したがって、少量の流体、例えば製薬が、正確に制御された様式で分配されることができる。

図２は、本発明の前記流体分配システムの他の実施例を示す。図２の実施例において、バリア６は、個々のマイクロチャネル５内の流体プラグ８として形成される。流体プラグ８は、前記流入流体及び前記流出流体と非混和性の流体から形成され、前記流入流体及び前記流出流体を有するそれぞれのメニスカスを形成する。流体プラグ８は、電極１２を起動することにより生成される電気毛管圧力により移動される。流体プラグ８は、前記マイクロチャネル内で移動可能であり、前記流入流体及び前記流出流体で形成されたメニスカスを有する流体プラグ８は、前記流入流体を前記流出流体から分離する。更に、流体プラグ８は、ほとんどヒステリシスを生じず、非常に低い抵抗で前記マイクロチャネルに沿って移動される。図２に示された前記流体分配システムの実施例において、入口障害物及び／又は出口障害物構造７は、それぞれ前記入口及び前記出口に向いた前記マイクロチャネルの端部における前記マイクロチャネルの内壁に付着された局所的な流体親和性コーティング７の形式で採用される。この流体親和性コーティングは、前記流体プラグの流体に対して高い親和性を持つ。この高い親和性は、流体プラグ６が前記マイクロチャネルから出ることを防ぐ。例えば、前記バリアは、流体親和性層でコーティングされた多孔性材料であり、例えば酸化アルミニウムでコーティングされた多孔性アルミナ又は多孔性プラスチックであり、前記流体は水溶液である。

図３は、本発明の前記流体分配システムの図２に示された実施例の他のバージョンを示す。特に、図３に示された前記流体分配システムにおいて、前記入口障害物及び／又は前記出口障害物は、前記入口に向いた前記マイクロチャネルの端部において前記マイクロチャネル内に多孔性構造として形成される。多孔性構造８の高い表面積は、前記流入流体と流体プラグ６との間の前記メニスカスが多孔性構造８を通過し、前記マイクロチャネルから出ることを防ぐ。

図４は、図３に示された前記流体分配システムのチャネル５の１つの正面図を示す。図４において、ハニカム状構造８を持つ多孔性構造が示される。

本発明による流体分配システムの概略的な表現を示す。本発明の流体分配システムの他の実施例を示す。本発明の流体分配システムの図２に示される実施例の他のバージョンを示す。図３に示される流体分配システムのチャネル５の１つの正面図を示す。

Claims

流入流体を受ける入口と、
所定量の流出流体を分配する出口と、
前記入口と前記出口との間に配置され、前記所定量の流出流体を前記出口に送り込むポンプと、
を有する流体分配システムにおいて、
前記ポンプが、１つ又は複数のチャネルを有し、
前記１つ又は複数のチャネルが、電極を備え、
前記流体分配システムが、前記流入流体を前記流出流体から分離するバリアを備え、
前記バリアが、前記流入流体及び／又は前記流出流体に対して不浸透性である、
流体分配システム。
前記バリアが、前記チャネルの少なくとも１つに設けられる、請求項１に記載の流体分配システム。
前記チャネルがそれぞれの長手軸に沿った方向に向けられ、前記バリアが、関連した前記長手軸に沿って移動されることができる分離可とう膜を有する、請求項２に記載の流体分配システム。
前記チャネルがそれぞれの長手軸に沿った方向に向けられ、前記バリアが、関連した前記長手軸に沿って移動されることができる分離流体プラグを有する、請求項２に記載の流体分配システム。
前記１つ又は複数のチャネルの前記入口に面した側における入口障害物構造及び／又は前記１つ又は複数のチャネルの前記出口に面した側における出口障害物構造を有する、請求項２に記載の流体分配システム。
前記入口障害物構造及び／又は前記出口障害物構造が、流体親和性コーティングを有する、請求項５に記載の流体分離システム。
前記入口障害物構造及び／又は前記出口障害物構造が、多孔性構造、特にハニカム形構造を有する、請求項５に記載の流体分配システム。
前記入口障害物構造及び／又は前記出口障害物構造が、前記チャネル内の流体に制御可能なオフセット圧力を加える加圧システムを有する、請求項５に記載の流体分配システム。
前記流体プラグが、前記チャネルの長さより大幅に短く、特に前記流体プラグのサイズと前記チャネルの長さとの比が、１０^-4ないし０．２の範囲内である、請求項４に記載の流体分配システム。