JP2020513561A - フロー制御装置 - Google Patents

Abstract

フロー制御装置は、電気活性材料層および作動不能層の積層構造を有する。オリフィスのアレイが、層のうちの１つに形成され、オリフィスは、静止状態および作動状態の一方において開放され、静止状態および作動状態の他方で閉鎖される。電気活性材料層の作動は、流量制御機能が実現され得るように、オリフィスを開閉させる。

Description

本発明は、特に少量の流体の輸送のための流体制御装置に関する。

正確な投与量（dose）制御は、薬剤および液体およびガス送達などの多くの領域において重要である。

医療分野では、カートリッジなどの使い捨て部品を有する小型装置であるいわゆるポイントオブケア（Point Of Care）（ＰＯＣ）装置の開発に向かう傾向があり、この装置は、大型で高価な分析装置に代わるものとして、患者の診断および治療に使用することができる。

このような装置は、例えば、血液の細胞組成を測定するために、および少量の薬剤の送達の制御を可能にするために、診断テストを実行するために使用され得る。

体内薬剤の投与量制御のためのいくつかの解決策が提案されてきた。一例は、Ｍｅｄｉｍｅｔｒｉｃｓ（商標）のいわゆるインテリジェントピルである。これは、胃腸管の標的領域への個別の投与量を調整した送達を可能にする。薬物送達は、例えば、ｐＨ感知、およびプランジャを移動させるための小型モータの動作に基づいて行われる。

別の例は、局所的なマイクロ流体薬物送達を提供するラボオンチップデバイスである。

特許文献１は、体内薬物送達のための薬物送達システムを開示しており、そこでは、流体スレッド（fluidic threads）が組織に埋め込まれている。スレッドは、制御可能なバルブとして動作する流体送達ポートを有する。ポートは、その上に電気活性ポリマーコーティングが設けられた金属メッシュとして形成される。電気活性ポリマーコーティングの作動は、メッシュワイヤ間の開口を閉じる。

既知の装置は一般に複雑であり、それらは体内での投与量の正確な制御を提供することができない。低流量を制御することに同様の困難がある。

また、小型化された装置内でサンプリングプロセスを実行することも困難である。例えば、センサを飽和させることなく、流体を周期的にサンプリングできることが望ましい。

液体および気体に対しては、投与量制御、流量制御（flow control）およびサンプリングが関心事であることに留意されたい。さらに、マイクロリットル範囲の投与量制御、流量制御およびサンプリングは、医学的および非医学的用途に対して関心が持たれる。

従って、小型化が可能な単純な設計を有する、流体送達又はサンプリングのための信頼性のあるフロー制御装置を有することが望ましい。

米国特許出願公開第２０１２／００７８１８８号

本発明は、請求項によって規定される。

本発明の一態様による実施例によれば、以下を有するフロー制御装置（flow control device）が提供される：
静止状態および作動状態を有する電気活性材料層と、作動不能層（non-actuatable layer）との積層構造であって、電気活性材料層は、作動状態及び静止状態のうちの一方にあるとき、対向する平行表面を有する平面層を有し、作動不能層は、表面のうちの１つに設けられる、積層構造；
電気活性材料層の何れかに形成され、それによって有孔平面電気活性材料層を画定するか、又は、作動不能層に形成されたオリフィスのアレイであって、オリフィスは、静止状態および作動状態の一方で開放され、静止状態および作動状態の他方で閉鎖される、オリフィスのアレイ；
静止状態と作動状態との間で電気活性材料層を駆動するために、平行表面上で電気活性材料層に接触する２つの固体電極を有する電極装置（electrode arrangement）；および
電気活性材料層の作動を制御するためのコントローラ。

この設計は、製造および小型化が容易な積層構造を提供する。電気活性材料層の作動により、オリフィスが開閉し、フロー制御機能（flow control function）が実装され得る。積層構造は、互いに接合される少なくとも２つの層を有し、好ましくは非作動状態で平坦である。２つの層は、底部層と、接合されるかまたは別の方法で一緒に結合される上部層とを有する。この装置は、低電力および低コストで、そして静かな動作で、非常に少量の液体の非常に正確な制御を提供するように作ることができる。この装置は、所望のスケールまで小型化することができる。

第１の設計では、オリフィスのアレイは電気活性材料層に形成され、作動不能層は、オリフィスの間の位置で電気活性材料層の上に設けられた補強要素のアレイを有する。また、作動不能層は、オリフィスの位置に開口部を有し、その結果、オリフィスに形成された貫通路が存在する。

補強要素は、電気活性材料の変形が、オリフィスの位置で優先的に起こり、その結果、オリフィスが開閉しうることを意味する。この設計では、電気活性材料は穿孔膜として形成される。

第２の設計では、オリフィスのアレイは、セグメントのグリッドを有する作動不能層に形成され、オリフィスは、グリッドのセグメントの間にスペースを有する。この方法では、グリッドの要素は、積層構造の結果としてそれらを担持する電気活性材料層によって一緒に動かされる（moved together）かまたは離間される。

この第２の設計では、チャネルまたは開口部が電気活性材料層に設けられ得る。これらにより、流路が装置の両側の間に形成されることが可能になる。

オリフィスは、静止状態で閉じられ得る。これは、制御信号がない状態で、装置が安全なバルブ閉設定に戻ることを意味する。

この装置は、オリフィスの内部開口部の少なくとも周囲に設けられたシール層を有し得る。このシール層により、バルブ閉機能が向上する。

この装置は、装置の最初の作動によって破壊されるように構成された破壊可能な外側保護層を有し得る。これは、この装置を使用する前の保護機能を提供する。

電気活性材料層は、作動されるときに面内で膨張するかまたは曲がるように構成され得る。曲げ機能が、ポンピング作用を提供するために使用され得る。例えば、装置は、閉鎖系を形成するために容器と組み合わせて使用され得る。フロー制御およびポンピング機能は、そのうえ、１つの装置に組み合わせることができる。

フロー制御装置は、種々の用途に使用可能である。

第一の例は、以下を含む薬剤送達システムである：
薬剤のリザーバ；
上記のフロー制御装置；および
薬剤のリザーバとフロー制御装置との間の流体接続部。

薬剤送達システムは、体内の特定の場所に体内で薬剤を送達するために使用され得る。リザーバは、フロー制御装置の位置にあることができ、例えば、フロー制御装置によって形成された外壁を有するチャンバであり得る。代替的には、リザーバは、フロー制御装置から、それらの間に流体接続部（例えば、カテーテル）を伴って、より離れていてもよい。

フロー制御装置は、フロー制御装置によって形成された第１の面と、ポンピング機能を提供するように第２の電気活性材料アクチュエータによって形成された第２の面とを有するチャンバを有し得る。この方法では、送達は、第２の電気活性材料アクチュエータによって能動的にポンピングされ得る。しかし、２つのアクチュエータは、共通の作動信号を共有してもよい。

フロー制御装置は、代わりに、フロー制御装置によって形成された第１の面を有するチャンバを有してもよく、電気活性材料層は、ポンピング機能を提供するように、作動されるとき、曲がるように構成される。この方法では、単一のアクチュエータが、オリフィス制御およびポンピングの両方を提供し得る。

第２の例は、以下を有する流体反応または混合システムである：
異なる流体のリザーバのセット；
各リザーバの流体出力部にあるそれぞれの上述のフロー制御装置；および
フロー制御装置の出力部にある共用混合リザーバ。

異なるリザーバ内の異なる流体は、制御された化学的機能（controlled chemical function）を提供するために、異なる時間に混合チャンバに提供され得る。

フロー制御バルブが、共用混合チャンバの入口および出口に設けられ得る。これにより、閉じたチャンバが形成され、その中で反応が起こるように制御され得る。

この制御された混合機能は、例えば、フロー制御装置の両側で細胞を培養することによって二重の生物学的細胞層が実現される培養装置への応用を見出すことができる。このような装置は、オーガンオンチップ（organ on a chip）の分野で使用することができる。

第３の例は、以下を有する流体分析システムである：
検知チャンバ；
チャンバ内に取り付けられた流体センサ；および
検知チャンバ内への流体の流れを制御するための、上記のフロー制御装置。

フロー制御装置は、サンプリング機能を実行し、これにより流体センサの飽和を防止することができる。

第４の例は、以下を有する流体フィルタリングシステムである：
上記のフロー制御装置；
コントローラは、オリフィスのサイズを制御し、それによって調整可能な粒子フィルタリング機能を提供するように構成される。

次に、本発明の例を添付の図面を参照して詳細に説明する。

クランプされていない既知の電気活性ポリマーデバイスを示す。 バッキング層によって拘束される既知の電気活性ポリマーデバイスを示す。 フロー制御装置の第１の例を示し、装置の製造のステップを示す。 シール層が、図３の装置内のオリフィスの内部開口部の少なくとも周囲に設けられ得ることを示す。 フロー制御装置を有する薬剤送達システムを示す。 フロー制御装置の電気活性材料層が作動されるときに曲がるように構成される図５の概念の変形例を示す。 流体反応または混合システムを示す。 流体分析システムを示す。 フロー制御装置の代替例を示す。 デバイスが作動されるとき電気活性材料層が曲がる、図９に類似した設計を示す。 図９の設計のためのグリッド要素を持つ電気活性材料層の上面図を示す。 細胞培養装置の一例を示す。

本発明は、電気活性材料層および作動不能層の積層構造を有するフロー制御装置を提供する。オリフィスのアレイが、層のうちの１つに形成され、オリフィスは、静止状態および作動状態の一方において開放され、オリフィスは、静止状態および作動状態の他方で閉鎖される。電気活性材料層の作動は、オリフィスを開閉させるので、フロー制御機能が実現され得る。

本発明は、電気活性材料（ＥＡＭ）を使用する制御装置を使用する。これは、電気応答材料の分野内の材料のクラスである。作動装置に実装される場合、ＥＡＭを電気駆動信号にさらすことは、それらをサイズおよび／または形状において変化させることができる。この効果は、作動および検知目的に使用することができる。

無機および有機ＥＡＭが存在する。

特別な種類の有機ＥＡＭは、電気活性ポリマー（ＥＡＰ）である。電気活性ポリマー（ＥＡＰ）は、電気応答材料の新しいクラスである。ＥＡＰは、ＥＡＭと同様にセンサまたはアクチュエータとして機能することができるが、より容易に様々な形状に製造でき、多種多様なシステムへの容易な統合を可能にする。ＥＡＰの他の利点は、低電力、小さいフォームファクタ、フレキシビリティ、ノイズレス動作、および精度、高解像度、高速応答時間、および周期的作動の可能性を含む。ＥＡＰデバイスは、電気的作動に基づいて、構成要素または特徴（feature）の少量の移動が望まれる任意の用途に使用することができる。同様に、この技術は、小さい動きを検出するために使用することができる。ＥＡＰの使用は、一般的なアクチュエータと比較して、小さな容積または薄いフォームファクタにおいて比較的大きい変形および力の組み合わせにより、従来不可能であった機能を可能にする、または一般的なセンサ／アクチュエータソリューションに対する大きな利点を提供する。ＥＡＰはまた、ノイズレス動作、正確な電子制御、高速応答、および０−２０ｋＨｚのような広範囲の可能な作動周波数を与える。

ＥＡＭデバイスがどのように構築されることができ、動作することができるかの例として、図１および２は、電気活性ポリマー層８の両側で電極４、６の間に挟まれた電気活性ポリマー層８を有するＥＡＰデバイスの２つの可能な動作モードを示す。

図１は、キャリア層にクランプされないデバイスを示す。電圧が、図示のように、電気活性ポリマー層を全方向に広げさせるために使用される。

図２は、膨張が一方向にのみ発生するように設計されたデバイスを示す。この目的のために、図１の構造は、キャリア層１０にクランプまたは取り付けられる。電圧が、電気活性ポリマー層を曲げまたは湾曲させるために使用される。この動きの性質は、作動されるときに広がる活性層と、広がらない受動キャリア層との間の相互作用から生じる。

図３は、フロー制御装置の第１の例を示し、装置の製造のステップを示す。

図３Ａは、非作動状態における電気活性材料、特に電気活性ポリマーの平面層３０を示す。平面図が左に、断面側面図が右に示される。層３０は、図示しない電極によって駆動される。また、電極への駆動信号（すなわち、駆動信号レベルおよびタイミング）の印加を制御するためのコントローラ（図４に４２として概略的に示す）がある。

電極は、層３０の反対側の側部に接触する第１および第２の固体電極を有する。この装置は、空気中で使用することができ、また、任意の流体を制御するために使用することができる。電極は、例えば、それぞれ、電気活性ポリマーと共に変形する弾性導電性材料から形成されたシート電極を含む。電極層には、開口部に対応するか、または開口部よりも大きい開口部があり得る。開口部は、電極を形成する前または後に形成され得る。好ましくは、電極が形成された後に開口部が形成されるので、電極が連続平面上に形成され、両側の電極が分離したままである。

好ましい実施例では、電極は、非常に薄い（且つ適合可能な（conformable））蒸発金属コーティングとして形成される。層３０の全表面は、例えば、被覆される。その後、レジストが表面に蒸着され、レジストを現像するマスクを通して光で局所的に照射される。現像したレジストが除去される。次いで、金属電極層は、孔が形成されることになる位置でエッチングすることにより、局所的に除去される。次いで、残りのレジストが除去され、したがって、従来のリソグラフィベースの堆積プロセスを得る。

導電性流体中で膜を使用することになる場合、電極層は、適合性絶縁層（conformable insulating layer）で覆われ得る。これは、例えば、スプレーまたは浸漬ポリマーコーティングであり得る。コーティングは、蒸着後に乾燥し、硬化させることができる。

適合性電極はまた、導電層を電気活性層３０の表面に印刷することによって形成することもできる。印刷材料は、可撓性（適合性）ポリマー−導電性金属粒子複合材料であることができる。電極は、孔および周囲領域から離れた完全な表面を覆うことができ、または蛇行パターンであることもできる。必要に応じて、絶縁性ポリマーがその上に印刷されることができる。

他のオプションは、スクリーン印刷またはローカルエッチングと組み合わせた電解プロセスである。変形をサポートするために、蛇行構造をこの場合も同様に用いることができる。

駆動電圧が印加されて、層３０を面内で広げさせ、その結果、図３Ｂに示される増大したサイズをもたらす。元のサイズは、点線３２として示される。さらに、オリフィス３４のアレイが、例えば、レーザ穿孔または切断によって層内に形成される。この例では、オリフィスは概して円形または楕円形である。しかし、用語「オリフィス」は、より広い意味を有することを意図し、（以下でさらに明らかになるように）ストライプおよび実際に直交ストライプによって形成されたグリッドを含む層を通って延びる任意の通路をカバーする。

この例では、電気活性材料層３０は有孔（perforated）層である。これは、層が均一な厚さおよび平坦な対向する表面を有するが、層の厚さを貫通して延在するオリフィスのセットが存在することを意味する。好ましくは、これらのオリフィスは、以前は連続していた層を通る開口として形成される。層の平坦な性質は、上述のように、反対側の表面上への電極の提供を容易にする。

開口部は、ＥＡＰ層及び電極層の積層体を通って設けられてもよく、又は電極層は、有孔層３０の形成後にパターン化された層として設けられてもよい。

作動不能層が電気活性材料層３０に接合される。図３の例では、この作動不能層は、オリフィス間の位置で電気活性材料層３０上に設けられた補強要素３６のアレイを有する。これは図３Ｃに示されている。

従って、作動不能層は、全面積（overall area）の比較的小さな部分を占めることができ、特に、全面積の５０％未満または２５％未満を占めることができる。

電気活性材料は、体積変化材料（volume changing material）であってもよく、または誘電性エラストマーなどの非圧縮性材料であってもよい。制御は、例えば、必要に応じて高速作動速度（例えば、＜１秒）を可能にする、イオンおよび電界駆動ＥＡＰの両方に基づくことができる。

作動不能層は、積層された電気活性材料層の変形に追従するように変形可能である。この変形性は、離散した孤立した要素の間に開放空間が存在する（そして、それらの要素は硬く（rigid）あり得る）ためであり得るか、または作動不能層の材料自体が変形可能であるためであり得る。

補強要素３６は、電気活性材料に比べて大きい剛性を有する材料から形成される。電気活性材料の剛性は、用いられる材料のタイプ（例えば、非常に軟質なシリコーンからより硬質なターポリマーまでの範囲）に強く依存するので、要素３６は広範囲の材料から作ることができる。要素３６は、典型的にはポリマーから作られるが、金属またはセラミックも可能である。

（剛性を増加させるために）充填されたポリマーが、粒子または繊維充填と共に適用されることができる。ポリイミド（ＰＩ）は、剛性があり、電子デバイスに広く使用されている一例であり、例えば、スピンコーティングすることができる。他のオプションは、ナイロン（ＰＡ）、ポリエステル、ポリエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）およびポリカーボネート（ＰＣ）を含む。

作動不能層は、図３に示されるような別個の要素のアレイであってもよく、またはプロファイル基板（profiled substrate）の形態の単一のパターン化層であってもよい。作動不能層はまた、作動状態において電気活性材料層と積層される。

次に、駆動電圧が除去される。電気活性材料層はその後、図３Ｄに示される状態に収縮する。補強要素は、オリフィス３４の周囲に圧縮応力を発生させ、これはオリフィス３４を閉じる。

この設計は、オリフィスが電気活性材料層の静止状態で閉じられ、作動状態で開かれる常時閉設計である。作動電圧を制御することにより、開口サイズを制御することができる。

オリフィスは、電気活性材料層の静止状態で開き、作動状態で閉じる常時開設計も可能である。この目的のために、オリフィスは静止状態で形成され、横方向の膨張は、補強要素によって作動中に拘束される。その結果、圧縮応力が蓄積し、これは、孔の閉鎖をもたらす。

図４は、シール層４０がオリフィス３４の内部開口部の少なくとも周囲に設けられ得ることを示している。例えば、流体（例えば、気体または液体）の漏れを防止するために、ゴム状材料を添加することができる。層４０はまた、オリフィス開口部または開口部を通過する流体に対して保護を提供することができる。

オリフィスは、例えば、オリフィスを流れる気体または液体を通る放電を回避するために、誘電体コーティングを施され（lined with）得る。このコーティングは、例えば、層をコーティング液に浸漬し、必要に応じてすべての完全に閉じた孔を再び開くために、デバイスを通って空気圧を印加することによって塗布されることができる。孔径をより良好に制御するために、コーティング後に孔を所望のサイズに再ドリルすることができる。

また、レーザ穿孔後に、例えばＳｉＮ層でデバイスをシールすることも可能である。このＳｉＮはその後、環境保護層として作用し、電気活性材料層の膨張により最初の動作で壊れる。

フロー制御装置は、流体チャンバの出口を形成することができ、これは、流体がチャンバに入るかまたはチャンバから出ることを可能にするように制御される。

図５は、チャンバ５２の表面を形成する上述のフロー制御装置５０を有する薬剤送達システムを示す。チャンバ５２は、薬剤のリザーバに接続する。このシステムはインテリジェントピルに埋め込まれることができる。

図５はまた、第２の電気活性材料アクチュエータ５４が、薬剤を押し出すのに用いるチャンバ５２の別の表面を形成するオプションを示す。従って、フロー制御装置は、フロー制御装置５０によって形成された第１の面と、第２の電気活性材料アクチュエータ５４によって形成された第２の面とを有するチャンバ５２を備える。左の画像は、フロー制御装置５０と第２のアクチュエータ５４の両方の静止状態を示し、右の画像は、フロー制御装置５０と第２のアクチュエータ５４の両方の作動状態を示す。フロー制御装置５０のオリフィスが開くと同時に、第２のアクチュエータに電圧が印加されると、ポンピング動作が始まるように、同じ制御信号を使用することができる。これにより、駆動エレクトロニクスが単純化され、スペースが節約される。

作動が停止されると直ちに、流体はチャンバ５２から流出することができない。電圧を制御することにより、開口サイズも制御することができる。従って、送達される薬剤の量を制御することができる。

いくつかの薬剤送達要素が、基板上に組み合わされ得る。

図６は、フロー制御装置５０の電気活性材料層が、ポンピング機能を提供するように作動されたときに曲がるように構成された同じ概念の変形例を示す。

この変形体を製造するために、電気活性材料アクチュエータは、それが曲がるように電圧を印加することによって作動され、その後孔が曲げられた構成でドリル加工される。駆動信号が除去されるときアクチュエータがまっすぐになり、その結果孔は閉じる。単一の電圧が、装置の曲げ作用およびオリフィスサイズを制御する。

膜でもある単一の曲げアクチュエータを用いることにより、押圧（pressing）と流量制御の機能を組み合わせることができる。

上述のような複数の送達システムは、例えば、化学薬品または薬剤を混合するために組み合わせることができる。

図７は、流体反応または混合システムを示す。異なる流体のリザーバ７０ａ、７０ｂ、７０ｃのセットがある。各リザーバは、上述のようなそれぞれの流量制御装置を通って共用混合チャンバ７２に接続する。また、共用混合チャンバ７２の入口および出口に、フロー制御バルブ（flow control valves）７４、７６があり得る。

このシステムは、いくつかの異なる化学薬品または薬剤を混合することを可能にし、それらを反応／混合チャンバ内に一定時間提供することができる。異なる化学薬品を順に添加し、最終生成物を別の混合／反応チャンバまたは外部に輸送する前に所望の期間反応させることができる。

このシステムは、ラボオンチップとして、または体内でリアルタイムに薬剤を製造することができるピルにおいてさえ実装され得る。多くの変形例およびシステムが、フロー制御装置をそれぞれの貯蔵チャンバと組み合わせることによって可能である。

図７のシステムは、ラボインピル（lab-in-a-pill）システムとして使用することができる。バルブ７４、７６が開いた状態で、静脈からの血液は混合チャンバ７２を通って自由に流れる。次いで、混合チャンバは、例えば、上述したようなフロー制御装置と同じタイプの電気活性材料バルブとして実装されることもできるバルブ７４、７６を作動することによって閉じられる。しかし、単一の開口バルブが、例えば、ＭＥＭＳバルブデバイスとして、形成されてもよい。

一例として、図７の底部画像に示されるように、定められた時間チャンバ７０ａのためのフロー制御装置が開き、別の時間チャンバ７０ｂのためのフロー制御装置が開かれる。これは、図５を参照して説明した方法で流体を混合チャンバに能動的にポンプで送り込むことができる。

混合を改善するために、流体を混合チャンバ内に移動させる追加の電気活性材料アクチュエータを設けることができる。

この機能に適した電気活性材料アクチュエータの多くの可能な設計及びタイプがある。１つのオプションは、混合チャンバの壁に一体化された電気活性材料曲げアクチュエータである。作動は、乱流を誘発し、チャンバ内の流体の移動および混合を促進する。混合チャンバ内の可撓性部分が、その結果、作動中の容積変化に適応するように設けられる。２つの曲げアクチュエータが、混合チャンバの壁に一体化されてもよく（一定の容積を維持するように反対に動作される）、または１つの曲げアクチュエータおよび１つの可撓性膜が使用されてもよい。

チャンバ７０ｃに関連するフロー制御装置は、後で開くことができる。混合チャンバ内で反応させた後、バルブ７４、７６を再び開き、混合物を血液に流入させることができる。

図８は、検知チャンバ８０と、チャンバ内に取り付けられた流体センサ８２とを有する流体分析システムを示す。上述のようなフロー制御装置８４が、検知チャンバへの流体の流れを制御する。従って、フロー制御装置は、検知膜を形成する。

検知膜は、バネ８６によって懸架される（suspended）。検知膜は、流体（液体または気体）の周期的サンプリングを可能にし、従って、センサの飽和を回避する。スプリングは、膜を（図８の）上下方向に固定するが、面内膨張を可能にする。図８は、作動（開孔）状態を示す。

検知膜は、バルブ機能を実行するように切り替え可能である。

検知膜はまた、電気活性材料駆動電圧を適合させることによって特定の物質の異なるサイズの画分（fractions）をフィルタリングすることができる適応可能なオリフィス（すなわち、孔）サイズのフィルタとして使用することもできる。

上記の例は、有孔電気活性材料層を使用する。他の例は、オリフィスを提供するための別々の層、及び連続又は実質的に連続した電気活性材料層を使用する。

図９は、セグメント９４のグリッドを含む作動不能層９２に形成されたオリフィス９０のアレイを有するフロー制御装置の例を示す。オリフィスは、グリッドのセグメント９４間のスペースを含む。

電気活性材料層９６は、その結果、連続層である。

図９の左上の部分では、電気活性材料層９６は作動されず、セグメント９４は互いに隣接して配置される。セグメント９４は、ピン止め位置（pinning positions）で電気活性材料層９６に取り付けられる。図９の右上部では、電気活性材料層９６は作動状態にあり、セグメント９４は互いに対してシフトされ、オリフィス９０のようなスリットを形成する。

流れは、電気活性材料層を通過するか、またはその周囲を通過する必要がある。この目的のために、チャネルまたは開口部が、電気活性材料層またはグリッドセグメントに設けられることができる。

図９の下部は、チャネル９８が電気活性材料層内に延びる断面における電気活性材料層の非作動状態および作動状態を示す。このチャネルは、オリフィスを通る流れを可能にする。チャネルは、電気活性材料層の局所的により薄い領域によって形成されるが、代わりに、グリッドセグメント９４の局所的により薄い領域によって形成されてもよい。

図示の構成は、常時閉のバルブまたは膜として機能するが、逆の構成を代わりに使用してもよい。

上記のほとんどの例は、電気活性材料層の面内のたわみに基づいている。しかし、フロー制御装置は、その代わりに、上述のように曲げによって変形するように設計されてもよい。

図１０は、装置が作動されるときに電気活性材料層９６が曲げを生成するために使用されるベース層１００を有する、図９の画像に対応する画像を示す。

セグメント９４は、それらの基部で互いに結合され、オリフィスは、非作動層９２を通ってのみ延在し、チャネルは、非作動層内に形成される。

電気活性材料層９６が作動されないとき、セグメント９４は互いに隣接して配置され、最小の流体が通過することができる。電気活性材料層が作動されるとき、ベース層１００は膨張しないので、構造の曲げが生じる。その結果、図の右側に示されるように、スリット様オリフィスが誘発される（induced）。

非作動層のチャネル９８を通る断面では、オリフィス開口部が形成されることが分かる。

電気活性材料層及びベース層は、孔を備えることができ、この場合、チャネルは不要である（しかし、層が変形するとき、オリフィスは開く必要がある）。代替的には、ベース層１００を省略することができ、電気活性材料層およびそのグリッド要素を両側にクランプしてもよく、それはまた、曲げを誘発する。

また、膜付きアクチュエータは、曲げが生じさせるように、クランプされる（すなわち両端で固定される）ことができる。形状に小さい事前曲げ（pre-bend）を与える設計は、アクチュエータが正しい方向に曲がるように誘導する。

図１１は、図９の平面設計のためのグリッド要素を持つ電気活性材料層の上面図を示す。左図は、非作動状態を示す。中央の画像は作動状態を示し、右の画像は電気活性材料層９６を示す。

この例では、流体がオリフィスを通過し、デバイスの主平面（general plane）を通って流れることができるように、チャネルではなく、代わりに電気活性材料層内に孔１１０がある。

例として、４％の線膨張および長さ５００マイクロメートルの基板要素を有する場合、作動中に生成されるスリット幅は２０マイクロメートルである。

フロー制御装置は、例えば、装置の両側で細胞を培養することによって二重生物学的細胞層が実現される培養装置への応用を見出すことができる。オリフィスは、２つの細胞層が相互作用することを可能にする。特に、透過性の漸進的な変化が望まれる研究のために、適応可能なオリフィス（すなわち孔）サイズが有益である。これは、例えば、血管の透過性変化または剛性の増加を模倣し得る。このように、細胞層の一方は血管の内皮を模倣し、もう一方の細胞層は組織を模倣する。

加えて、オリフィスは、最初に閉鎖されてもよく、その結果、２つの細胞層が開放状態でオリフィスを介して相互作用することを可能にされる前に、両側の融合細胞層が形成される。この方法では、第１層の細胞型は、第２層の細胞型と混合せず、逆も同様である。

オリフィスのサイズを徐々に適応させることに加えて、膜の動的機械的変形（伸張）は、しばしば、細胞の自然環境、例えば、動脈血管（パルス血流）、心臓（ポンピング）、または肺（呼吸）における動的組織変形、を模倣する重要な機能である。徐々に変化するオリフィスのサイズに重ね合わせた小さい動的組織変形は同じアクチュエータでシミュレートすることができる。

図１２は、２つのチャンバ１２０、１２２から形成される培養装置の例を示す。第１のチャンバ１２０は、入口１２４および出口１２６を有し、第２のチャンバ１２２は、入口１２８および出口１３０を有する。上述のフロー制御装置は、一方または両方のチャンバにおける適切な細胞培養が完了したときに開かれる２つのチャンバの間のインターフェース１３２を形成する。インターフェース１３２は、一対の電極接続線１３４によって給電される。

電気活性材料の種類に依存して、ストローク（膨張または収縮）は著しく異なり得る。

リラクサ型電気活性ポリマーは、最も精密に制御され、約６％のひずみを効果的に印加できる。

有孔電気活性ポリマー層に基づく上記の設計では、孔の周囲の電気活性材料は、孔を開閉するために使用される。これは、有効表面の約６％が孔であることができ、残りが材料であることを意味する。

上限は、１つの孔を閉じるために１０×１０ｍｍの表面積であり得る。最大孔サイズは０．６×０．６ｍｍである。誘電体ＥＡＰでは、孔面積は、はるかに大きくなり得るが（膨張もかなり大きくなるので）、正確性は低い。

実際には、膜１ｃｍ^２あたりそれぞれ０．０１ｍｍ^２の３６個の孔のように、より多くの孔が適用される。

制御精度は、とりわけ、電気活性材料アクチュエータの精度によって決定される。ヒステリシス効果は、精度に影響するが、電気的リセット機能がこの問題に対処することができる。

一般に、電気活性材料の品質に応じて、１から１０％の間の精度が予想され、今後数年間で１％に向かって動くことが予想される。

精度を向上させるためにとれる対策が幾つかある：
− 端部位置が機械的に固定されることができる；
− 双安定ＥＡＰ設計が使用されることができる；
− 専用のキャパシタまたはひずみゲージが、ひずみを測定するために装置に組み合されることができ、測定および制御ループの一部とすることができる。

これらの測定は、１％未満の精度を可能にするであろう。

孔あけ精度はまた、アクチュエータ間の性能の広がり（actuator-to-actuator performance spread）に影響する。装置ごとのキャリブレーションが、この広がりを減らすことができる。

オーガンオンチップの典型的な膜寸法は、約１０マイクロメートルの厚さである。０−５マイクロメートルの非作動オリフィス直径および１５−２０マイクロメートルの作動オリフィス直径が提供され得る。

本発明は、流体分配（fluid dispensing）、例えば、口腔ヘルスケア用途における化学薬品分配（制御）、スキンケア用途におけるローション投与量制御、例えば、電子ピルまたはラボオンチップにおける薬剤投与量制御に関心がある。

また、例えば、カートリッジまたはＤＮＡ構築装置内で化学物質を混合するための、少量の化学的／生物学的投与量制御のために使用することもできる。

それは、例えばＰＶＤ装置のためのガスまたは流体バルブとして使用することができる。

本発明はまた、センサのための周期的サンプリングを提供するために使用されることもできる。

ＥＡＰ層に適した材料は知られている。電気活性ポリマーは、サブクラス：圧電ポリマー、電気機械的ポリマー、リラクサ強誘電性ポリマー、電歪ポリマー、誘電性エラストマー、液晶エラストマー、共役ポリマー、イオン性ポリマー金属複合材料、イオン性ゲルおよびポリマーゲルが含まれるが、これらに限定されない。

サブクラス電歪ポリマーは、以下を含むが、これらに限定されない：
ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニリデン‐トリフルオロエチレン（ＰＶＤＦ‐ＴｒＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン‐トリフルオロエチレン‐クロロフルオロエチレン（ＰＶＤＦ‐ＴｒＦＥ‐ＣＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン‐トリフルオロエチレン‐クロロトリフルオロエチレン（ＰＶＤＦ‐ＴｒＦＥ‐ＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン‐ヘキサフルオロプロピレン（ＰＶＤＦ‐ＨＦＰ）、ポリウレタンまたはこれらの混合物。

サブクラスの誘電性エラストマーは、以下を含むが、これらに限定されない：
アクリレート、ポリウレタン、シリコーン。

サブクラス共役ポリマーは、以下を含むが、これらに限定されない：
ポリピロール、ポリ‐３，４‐エチレンジオキシチオフェン、ポリ（ｐ‐フェニレンスルフィド）、ポリアニリン。

イオンデバイスは、イオン性ポリマー−金属複合材料（ＩＰＭＣ）または共役ポリマーに基づくことができる。イオン性ポリマー−金属複合材料（ＩＰＭＣ）は、印加電圧または電界の下で人工筋肉挙動を示す合成複合ナノ材料である。

より詳細には、ＩＰＭＣは、ナフィオン（Nafion）またはフレミオン（Flemion）のようなイオン性ポリマーから成り、その表面は、化学的にめっきされるか、またはプラチナまたは金のような導体で物理的にコーティングされるか、または炭素ベースの電極である。印加電圧下では、ＩＰＭＣのストリップを横切る印加電圧によるイオン移動および再分布は、曲げ変形をもたらす。ポリマーは溶媒膨潤イオン交換ポリマー膜である。この電界はカチオンを水と共にカソード側に移動させる。これは、親水性クラスタの再編成およびポリマー膨張をもたらす。カソード領域の歪みは、ポリマーマトリクスの残りの部分にストレスをもたらし、アノードに向かって曲がることをもたらす。印加電圧を反転させることは曲げを反転させる。

めっき電極が非対称形状に配置される場合、印加電圧は、ひねり（twisting）、回転（rolling）、ねじり（torsioning）、旋回（turning）、および非対称曲げ変形などのあらゆる種類の変形を誘発することができる。

これらの例の全てにおいて、追加の受動層が、印加電場に応答してＥＡＰ層の電気的および／または機械的挙動に影響を与えるために設けられ得る。

各ユニットのＥＡＰ層は、電極間にサンドイッチされてもよい。電極は、ＥＡＰ材料層の変形に追従するように伸張可能である。電極に適した材料も既知であり、例えば、金、銅、若しくはアルミニウムなどの金属薄膜、または、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、ポリアニリン（ＰＡＮＩ）、ポリ（３，４‐エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）、例えばポリ（３，４‐エチレンジオキシチオフェン）ポリ（スチレンスルホネート）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）などの有機導体からなるグループから選択することができる。例えばアルミニウムコーティングを使用する、金属化ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの金属化ポリエステルフィルムが用いられてもよい。

本発明は、医学的および非医学的分野、例えば、任意の小規模流体またはガス制御コンポーネント（バルブ、チューブ、ポンプ）に適用することができる。

上述のように、実施形態は、コントローラを使用する。コントローラは、必要とされる種々の機能を実行するために、ソフトウェアおよび／またはハードウェアと共に、種々の方法で実装されることができる。プロセッサは、必要とされる機能を実行するためにソフトウェア（例えば、マイクロコード）を用いてプログラムされ得る１つまたは複数のマイクロプロセッサを使用するコントローラの一例である。しかし、コントローラは、プロセッサを使用してまたはそれを使用することなしに実装されてもよく、また、ある機能を実行するための専用ハードウェアと、他の機能を実行するためのプロセッサ（例えば、１つまたは複数のプログラムされたマイクロプロセッサおよび関連回路）の組み合わせとして実装されてもよい。

本開示の種々の実施形態で使用され得るコントローラ構成要素の例は、従来のマイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、およびフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を含むが、これらに限定されない。

種々の実装において、プロセッサまたはコントローラは、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、およびＥＥＰＲＯＭなどの揮発性および不揮発性のコンピュータメモリのような１つまたは複数の記憶媒体に関連付けられ得る。記憶媒体は、１つまたは複数のプロセッサおよび／またはコントローラで実行されるとき、必要な機能を実行する１つまたは複数のプログラムでエンコードされ得る。種々の記憶媒体は、プロセッサまたはコントローラ内に固定されてもよく、または、その上に記憶された１つまたは複数のプログラムがプロセッサまたはコントローラ内にロードされることができるように、移動可能であり得る。

開示された実施形態に対する他の変形形態は、図面、開示、および添付の特許請求の範囲の研究から、請求項に係る発明を実施する当業者によって理解され、実施されることができる。請求項において、「有する、含む」という語は、他の要素又はステップを排除せず、また、不定冠詞“ａ”又は“ａｎ”は、複数の要素を排除しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用することができないことを示唆するものではない。請求項中の参照符号は、範囲を限定するものと解釈してはならない。

Claims (15)

1. フロー制御装置であって：
   静止状態及び作動状態を有する電気活性材料層と、作動不能層との積層構造であって、前記電気活性材料層は、前記作動状態及び前記静止状態のうちの１つにあるとき、対向する平行表面を有する平面層を有し、前記作動不能層は、前記表面のうちの１つに設けられる、積層構造と；
   オリフィスのアレイであって：
   前記電気活性材料層に形成され、それによって有孔平面電気活性材料層を画定する；又は、
   前記作動不能層に形成され、
   前記オリフィスは、前記静止状態および前記作動状態の一方で開放され、前記オリフィスは、前記静止状態および前記作動状態の他方で閉鎖される、オリフィスのアレイと；
   前記静止状態と前記作動状態との間で前記電気活性材料層を駆動するために、前記平行表面上で前記電気活性材料層に接触する２つの固体電極を有する電極装置と；
   前記電気活性材料層の作動を制御するためのコントローラと；
   を有する、
   フロー制御装置。
2. 前記オリフィスのアレイは前記電気活性材料層に形成され、前記作動不能層は、前記オリフィスの間の位置で前記電気活性材料層の上に設けられた補強要素のアレイを有する、
   請求項１に記載のフロー制御装置。
3. 前記オリフィスのアレイは、セグメントのグリッドを有する前記作動不能層に形成され、前記オリフィスは、前記グリッドの前記セグメントの間にスペースを有する、
   請求項１に記載のフロー制御装置。
4. 前記電気活性材料層にチャネルまたは開口部をさらに有する、
   請求項３に記載のフロー制御装置。
5. 前記オリフィスは、前記静止状態で閉じられる、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載のフロー制御装置。
6. 前記オリフィスの内部開口部の少なくとも周囲に設けられたシール層を有する、
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載のフロー制御装置。
7. 前記フロー制御装置の最初の作動によって破壊されるように構成された破壊可能な外側保護層を有する、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載のフロー制御装置。
8. 前記電気活性材料層は、作動されるとき、面内で膨張するかまたは曲がるように構成される、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載のフロー制御装置。
9. 薬剤のリザーバと；
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載のフロー制御装置と；
   前記薬剤のリザーバと前記フロー制御装置との間の流体接続部と；
   を有する、
   薬剤送達システム。
10. 前記フロー制御装置は、前記フロー制御装置によって形成された第１の面と、ポンピング機能を提供するように第２の電気活性材料アクチュエータによって形成された第２の面とを有するチャンバを有する、
    請求項９に記載のシステム。
11. 前記フロー制御装置は、前記フロー制御装置によって形成された第１の面を有するチャンバを有し、前記電気活性材料層は、ポンピング機能を提供するように、作動されるとき、曲がるように構成される、
    請求項９に記載のシステム。
12. 異なる流体のリザーバのセットと；
    各前記リザーバの流体出力部にあるそれぞれの請求項１乃至８のいずれか１項に記載のフロー制御装置と；
    前記フロー制御装置の出力部にある共用混合リザーバと；
    を有する、
    流体反応または混合システム。
13. 前記共用混合チャンバの入口および出口に設けられたフロー制御バルブをさらに有する、
    請求項１２に記載のシステム。
14. 検知チャンバと；
    前記チャンバ内に取り付けられた流体センサと；
    前記検知チャンバ内への流体の流れを制御するための、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のフロー制御装置と；
    を有する、
    流体分析システム。
15. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載のフロー制御装置、を有し、
    前記コントローラは、前記オリフィスのサイズを制御し、それによって調整可能な粒子フィルタリング機能を提供するように構成される、
    流体フィルタリングシステム。

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