JP2022533256A - レーザ駆動マイクロ流体ポンプの医療アプリケーションのための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本開示の観点に係る、薬剤輸送装置が提示される。前記装置は、レーザ駆動光音響マイクロ流体ポンプ（ＬＤＭＰ：ｌａｓｅｒ－ｄｒｉｖｅｎ ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄ ｐｕｍｐ）と、第１端部と第２端部を備える開管キャピラリであって、前記第１端部は前記ＬＤＭＰに配置されており、前記開管キャピラリは薬剤を貯蔵するように構成されている、開管キャピラリと、を備える。前記ＬＤＭＰは前記薬剤から流体ジェットを生成し、薬剤を輸送するように構成される。

Description

本出願は、レーザ駆動マイクロ流体ポンプの医療アプリケーションのための装置及び方法、特に、レーザ駆動光音響マイクロ流体ポンプの医療アプリケーションに関する。

［関連する出願との相互参照］
本出願は、２０１９年５月２４日に出願された米国仮特許出願６２／８５２４８５号明細書の利益と優先権を主張し、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、レーザ駆動光音響マイクロ流体ポンプの医療アプリケーションのための装置及び方法に関する。本開示の観点に係る、薬剤輸送装置が提示される。前記装置は、レーザ駆動光音響マイクロ流体ポンプ（ＬＤＭＰ：ｌａｓｅｒ－ｄｒｉｖｅｎ ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄ ｐｕｍｐ）と、第１端部と第２端部を備える光ファイバ素子であって、前記第１端部は前記ＬＤＭＰに配置されている光ファイバ素子と、第１端部と第２端部を備える開管キャピラリであって、前記第１端部は前記光ファイバ素子に配置されており、前記開管キャピラリは薬剤を貯蔵するように構成されている開管キャピラリと、を備えている。前記ＬＤＭＰは前記薬剤から指向性流体ジェットを生成し、薬剤を輸送するように構成されている。

本開示のある観点において、前記ＬＤＭＰは、第１サイドと第２サイドを有する基板と、前記基板の前記第１サイドに配置された光音響材料の層を備えてもよい。前記光音響材料の層は、前記層に入射するレーザビームに応答して、指向性超音波を生成するように構成されてもよい。前記光音響層はナノ粒子を備えてもよい。

本開示の観点に係る、組織の切断装置が提示される。前記装置は、ＬＤＭＰと、第１端部と第２端部を備える光ファイバ素子であって、前記第１端部は前記ＬＤＭＰに配置されている、光ファイバ素子と、水、血液、血漿及び／又は体液を備える流体と、を備える。前記ファイバは前記流体内に配置されてもよい。前記ＬＤＭＰは前記流体から流体ジェットを生成し、組織を切断するように構成されてもよい。

本開示のある観点において、前記ＬＤＭＰは、第１サイドと第２サイドを有する基板と、前記基板の前記第１サイドに配置された光音響材料の層を備えてもよい。前記光音響材料の層は、前記層に入射するレーザビームに応答して、指向性超音波を生成するように構成されてもよい。前記光音響層はナノ粒子を備えてもよい。

本開示の観点に係る、ＬＤＭＰと、第１端部と第２端部を備える光ファイバ素子と、を備える、動脈内の沈殿をパワーウォッシュする装置。前記第１端部は前記ＬＤＭＰに配置されている。前記第２端部は動脈内に配置されるように構成されている。前記動脈は流体を備える。前記流体は、水、血液、血漿及び／又は体液を備える。前記ＬＤＭＰは、前記流体から流体ジェットを生成し、動脈から沈殿を取り除くように構成されている。

本開示の観点において、前記ＬＤＭＰは、第１サイドと第２サイドを有する基板と、前記基板の前記第１サイドに配置された光音響材料の層を備えてもよい。前記光音響材料の層は、前記層に入射するレーザビームに応答して、指向性超音波を生成するように構成されてもよい。前記光音響層はナノ粒子を備えてもよい。

本開示の観点に係る、組織への薬剤輸送方法が提示される。前記方法は、ＬＤＭＰにレーザビームが当たることに基づいて、指向性超音波を生成することと、前記光音響層に当たる前記レーザビームに応答して、前記光音響層を熱膨張及び収縮させることと、流体媒質中で指向性流体ジェットを生成することと、を備える。前記ＬＤＭＰは、第１サイドと第２サイドを有する基板と、前記基板の前記第１サイドに配置された光音響材料の層と、を備える。前記光音響材料の層は、前記層に入射するレーザビームに応答して、指向性超音波を生成するように構成される。前記光音響層はナノ粒子を備える。前記媒質は第１端部と第２端部を有する開管キャピラリ内に貯蔵されている薬剤を備える。前記ＬＤＭＰに配置された前記第１端部。薬剤を貯蔵するように構成された前記開管キャピラリ。

本開示の観点に係る、ＬＤＭＰからのフローレートを増加させるための装置が提示される。前記装置は、ＬＤＭＰと、第１端部と第２端部を備える光ファイバ素子であって、前記第１端部は前記ＬＤＭＰに配置されている、光ファイバ素子と、前記光ファイバの一端が挿入されたチューブと、水、血液、血漿及び／又は体液を備える流体と、を備える。前記光ファイバ素子は前記流体中に配置されている。前記ＬＤＭＰは、逆流を防ぐ強力な流体ジェットを生成するように構成されている。

本開示の観点に係る、細胞の精密な操作方法が提示される。前記方法は、流体ピンセットを用いて細胞を掴むことを備え、前記流体ピンセットは、二指向性ＬＤＭＰを備える。前記方法は更に、光音響材料の層に当たるレーザビームに応答して、前記光音響材料の層を熱膨張及び収縮させることと、媒質中で２つの指向性流体ジェットを生成することと、を備える。前記媒質は、前記流体ピンセットによって操作される細胞を備える。

本開示の観点において、前記二指向性ＬＤＭＰは、第１端部と第２端部を備える光ファイバ光曲げユニットと、前記光ファイバの前記第２端部に配置された光音響材料の層と、を備える。前記光音響材料の層は、前記光音響材料の層に入射するレーザビームに応答して、指向性超音波を生成するように構成されている。前記光音響材料の層は、ナノ粒子を備える。

本開示の観点に係る、脳血栓を破壊する方法が提示される。前記方法は、ＬＤＭＰにレーザビームを照射することに基づいて、指向性高速流動を生成することを備える。前記方法は更に、前記光音響材料の層に当たる前記レーザビームに応答して、前記光音響材料の層を熱膨張及び収縮させることと、脳血管内において脳血栓への指向性流体ジェットを生成することと、を備える。

本開示の観点において、前記ＬＤＭＰは、第１端部と第２端部を備える光ファイバと、前記光ファイバの前記第２端部に配置された光音響材料の層と、を備える。前記光音響材料の層は、前記光音響材料の層に入射するレーザビームに応答して、指向性超音波を生成するように構成される。前記光音響材料の層は、ナノ粒子を備える。

本開示の代表的な実施形態の更なる詳細と観点は、添付の図を参照して以下でより詳細に説明される。

開示された技術の特徴及び利点のより良い理解が、技術の原理が利用されている実例的な実施形態を明記する以下の詳細な説明、及びそれに伴う図を参照することで得られるであろう。
本開示の観点に係る、金イオンが注入された石英窓及び窓から発射されたジェットを示す。 本開示の観点に係る、金イオンが注入された石英窓及び窓から発射されたジェットを示す。 本開示の観点に係る、金イオンが注入された石英窓及び窓から発射されたジェットを示す。 本開示の観点に係る、金イオンが注入された石英窓及び窓から発射されたジェットを示す。 本開示の観点に係る、様々なレーザパワー及びスポットサイズにおける、マイクロポンプによるジェットストリームパターンである。 本開示の観点に係る、移動するマイクロポンプ及び２つのマイクロポンプを示す。 本開示の観点に係る、単一レーザパルスによるジェットの生成を示す。 本開示の観点に係る、単一レーザパルスによって励起された長期的な光音響発振を示す。 本開示の観点に係る、光音響波及びストリーミングの概略図を示す。 本開示の観点に係る、組織への薬剤輸送装置の代表的な実施形態である。 図６の装置の光ファイバ素子の図である。 図７の光ファイバ素子の平面の先端の図である。 図７の光ファイバ素子の凸面の先端の図である。 図７の光ファイバ素子の凹面の先端の図である。 本開示の観点に係る、ガラスファイバからのレーザストリーミングの画像である。 本開示の観点に係る、ガラスファイバからのレーザストリーミングの画像である。 本開示の観点に係る、ガラスファイバからのレーザストリーミングの画像である。 本開示の観点に係る、カテーテルベースの流体ポンプの図である。 本開示の観点に係る、カテーテルベースの流体ポンプの図である。 本開示の観点に係る、カテーテルベースの流体ポンプの図である。 本開示の観点に係る、グラビングツールの図である。 本開示の観点に係る、ジェッティング及びカッティングツールの図である。 本開示の観点に係る、遠隔制御インジェクタの図である。 本開示の観点に係る、マイクロ流体チップの図である。 本開示の観点に係る、レーザ駆動光音響マイクロ流体ポンプ合成細胞の図である。

本開示の様々な実施形態の更なる詳細と観点は、添付の図を参照して、以下でより詳細に説明される。

本開示は、ＬＤＭＰの医療アプリケーションのための装置及び方法に関する。

本開示は特定の実施形態に関して説明されるが、本開示の趣旨から逸脱することなく様々な修正、再編成、及び代用を行うことができることは、当技術分野の当業者には容易に明らかであろう。本開示の範囲は、本明細書に添付された特許請求の範囲によって定義される。

本開示の原理の理解を促進するために、図面に示された代表的な実施形態を参照し、同一のことを説明するために特定の用語が使用される。それにもかかわらず、本開示の範囲の限定はそれによって意図されていないことを理解されたい。本明細書に例示された発明の特徴の任意の変更及び更なる修正、並びに本明細書に示された本開示の原理の任意の追加的な適用は、関連する技術分野の当業者及び本開示を保有する者が考えつくであろうが、本開示の範囲内とみなされる。

ある形態のエネルギーを別の形態に変換する（又は変形する）プロセスは、しばしばトランスダクションと呼ばれる。トランスデューサとは、このような機能を果たすために一般的に使用される装置であり、トランスダクタは物理系（例えば、圧力、温度、音波その他）が通過する方向によって特徴付けられる。例えば、センサは、物理システム（例えば、温度）からの信号／刺激を受けて応答し、物理システムに関する情報を表す電気信号を生成するトランスデューサの一種である。一方、アクチュエータは、物理システム（例えば、音波）を、何らかの電気信号に応じて制御／生成するトランスデューサである。例えば、スピーカーは、録音の電気信号を機械的な音波に変形する。

上述したように、あるエネルギーの形態は別のエネルギーの形態に変形することができる。これらのエネルギー形態は、例えば、機械エネルギー、電気エネルギー、化学エネルギー、電磁エネルギー、熱エネルギー、音響エネルギーを備えてもよい。光エネルギー（例えば、高エネルギー光子）を機械的エネルギーに変形するといった、他のエネルギーの形態を変形する研究が行われている。光エネルギーを何らかの機械的エネルギーに変形するには、効率的な運動量の伝達が必要であるが、その実現は困難である。このような変形を行うことができる効率的なシステムが望まれている。

マイクロポンプは、その動作原理に基づいて、機械式と非機械式の２つのグループに分けられる。機械式マイクロポンプは、１９８０年代に微小電気機械システムの登場とともに開発されたものであり、バルブや膜などの可動部で構成され、流体を直接移動させる巨視的なポンプを小型化したものである。非機械式マイクロポンプには可動部がないが、流体を動かすための熱、電気、磁気又は音響の刺激を生成するために、慎重に製造されたマイクロ構造と電気接点が必要である。マイクロポンプの性能は、製造技術の進化に伴って向上したが、マイクロポンプの原理と設計は、過去数十年に渡り殆ど同じである。様々な実施形態において、マイクロポンプは、可動部や電極を持たないため、マイクロ加工又はナノ加工を必要としない。マイクロポンプのサイズ、数、位置、及びタイミングは、リアルタイムで遠隔制御、再構成、及びプログラムされてもよい。ポンプは、半透明のプラズモニック石英窓を備えていてもよい。ポンプは、光音響レーザストリーミングの原理に基づいていてもよく、共振レーザパルスによって生成された超音波が、音響ストリーミングによって流体を動かす。石英窓の表面全体がプラズモニック層で覆われていてもよい。超音波は窓のどの位置からでも生成させることができ、マイクロポンプの発射台となる。

図１Ａ－Ｄを参照すると、Ａｕイオンが注入された石英窓１００と、その窓から発射されたジェットが示されている。図１Ａは、Ａｕイオンが注入された石英窓１００の紫外－可視吸収スペクトルを示している。

光音響の発射台は、厚さ０．５ｍｍの石英窓１００にＡｕイオンを約６０ｋｅＶで、１ｃｍ四方あたり約６×１０^１６の量をＡｕイオン注入することで形成されてもよい。選択された加速電圧に基づいて、Ａｕイオンは表面から約５０ｎｍ以内に注入されるであろう。十分なＡｕナノ粒子濃度と対応する光吸収が得られるように、比較的大きな量を使用してもよい。また、図１Ａは、石英窓１００の中央に注入領域１０２を配置した石英窓１００の概略図を示す。図１Ａの吸収スペクトルは、Ａｕクラスタやナノ粒子の表面プラズモン共鳴による５３０ｎｍ付近のピーク吸収１０３を示している。

図１Ｂ及び図１Ｃは、励起レーザ光とＡｕイオンが注入された石英窓とのなす異なる角度でジェットを生成させるためのセットアップを示している。

ハイドロフォンとは、水中での水中音響を録音又は聞くためのマイクロフォンである。ハイドロフォンの多くは、音波等の圧力変化を受けたとき、電位を生成する圧電トランスデューサを基にしている。

窓をマイクロポンプの発射台として使用するために、例えば、キュベット１０６はＡｕナノ粒子を含まない脱イオン水１０８で満たされてもよい。石英１００は、調整可能な傾斜角を有するキュベット１０６（例えば、１－ｃｍ四方のガラスキュベット）内に設置されてもよい。パルスレーザ１０４（例えば、１５０－ｎｓのパルス幅を持つ５２７－ｎｍのパルスレーザ）を、キュベットの壁の代わりに石英窓１００に集光（１０－ｃｍの焦点距離のレンズ）させて、光音響波１０７及び光音響ジェットを生成してもよい。水１０８の動きを高速カラーカメラ１５０で撮像するために、赤色蛍光ポリマーマイクロスフェア１０９とレーザ（例えば、６３３－ｎｍのＨｅＮｅレーザ）が用いられてもよい。光音響波１０７は、ハイドロフォン１２０によって検出され、その後高速オシロスコープによって記録される前に、プリアンプによって増幅されていてもよい。フローイメージングのため５２７－ｎｍの光を遮断するために、ロングパスフィルタが用いられてもよい。レーザの繰り返し周波数は約１０００Ｈｚでもよい。窓上の任意の位置からレーザパルスを入射することでジェットが生成されると、マイクロポンプは動作の準備が整う。

図１Ｄ－Ｇは、０°、３０°、４０°、及び５０°の入射角におけるジェットのスナップショットを示している。破線は、水と接触している窓面１００ａを示している。横方向の光線１７０は、約５２７－ｎｍの緑色光の励起下におけるマイクロスフェアからの蛍光によるレーザ光である。このマイクロポンプによって石英窓１００（図１Ｂ）から発射されたジェットは、レーザ光の方向に関わらず、常に窓面に対して垂直方向に流動する。この観察結果から、単純な結論は、ジェットは入射光子からの運動量の伝達によって駆動されているのではないということである。Ａｕが注入された石英層のレーザ誘起加熱とそれに続く光熱膨張は、レーザの入射角度に依存しないため、表面に垂直な方向にジェットの観測は、光音響ストリーミングのメカニズムと一致し、これまでの観測と矛盾しない。一方で、この窓－ジェットの関係は、マイクロポンプがレーザビームの方向を考慮することなく、同じ方向に流体をポンプすることを可能にする。ポンピングの方向は、窓１００の方向によって変えることができる（図１Ｂ）。

図２Ａ－Ｄを参照すると、異なるレーザパワーとスポットサイズの下でのマイクロポンプによるジェットストリームパターンが示されている。図２Ａ－Ｃは、レーザスポットサイズが直径５０μｍで、レーザパワーが、（Ａ）６．３ｍＷ、（Ｂ）１０ｍＷ、（Ｃ）４０ｍＷの場合を示す。図２Ｄは、レーザパワーが３３０ｍＷ、スポットサイズが約３００μｍ×５０μｍの場合を示す。

ジェットを起こすためのレーザパワーの閾値が存在する。これは、図２Ａ－Ｃに示された観察結果によって確認された。６．３ｍＷの低パワーではストリーミングは観察されなかったが、１０ｍＷのパワーでは顕著なストリーミングが見られ、４０ｍＷでは更に強くなる。第一に、図２Ｂ及び図２Ｃから、ジェットの速度が要因であることがわかる。速度が速いジェットは、最初の直径が小さいものから始まり、前進するにつれて発散が小さくなる。第二に、図２Ｄにおいて広い黄色の蛍光経路で示されているように、大きなレーザスポット又はマイクロポンプを使用すると、遠方での発散がより少なく、よりコリメートされたジェットを作成できるが、最初のジェットサイズは図２Ｃのように小さいままである。これらの観察結果は、ジェットのストリームライン、並びに、流体の質量保存、慣性、及び音響放射力の間の相互作用から凡そ理解することができる。窓から高速ジェットが発射されると、その周辺の領域から水が供給されなければならないため、ジェットはレーザスポットの中心から発生し、且つ、初期サイズはレーザスポットよりもはるかに小さくなる。ジェットが窓から離れると、その動きは流体の慣性と音響放射力によって支配される。レーザスポットが大きいほど、より平行な超音波を生じるため、流れは小さい発散になる。

図３Ａ－Ｃを参照すると、レーザビームが約１ｍｍ／ｓの速度で下方に移動しているときの０、１、２秒後のストリーミングのスナップショットが示されている。横の矢印はレーザスポットの位置を示し、縦の矢印はレーザスポットの速度方向を示している。図３Ｄ－Ｆは上下のレーザパワーが異なる２本のレーザビームによるストリーミングを示す。

光音響キャビティの準備なしでのマイクロポンプの瞬時の動作は、これまでになく自由にマイクロポンプのパターンや様々な流体の動きを作り出すことを可能にする。例えば、レーザビームを掃引することで、掃引マイクロポンプを作成することができる（図３Ａ－Ｃ）。流体の慣性のため、動いているジェットは安定したジェットほど遠くまで届かない。２つのマイクロポンプ／ジェットを同時に生成させるには、ビームを２つに分ける。図３Ｄ－Ｆは、２本のビームによって２つのジェットを生成させ、それぞれのジェットの強さを各ビームによって独立して制御できることを示している。しかし、２つのジェットは近接しているため、両方が同じ強さの場合は、より広いジェットに合流するか（図３Ｅ）、又は、図３Ｄ及び図３Ｆのように弱いジェットが強いジェットによって飲み込まれる。各ジェットを１つの噴水と考えた場合、単にレーザ光線で遊ぶことによって、あらゆる種類の踊るような噴水ができる。

図４Ａ－Ｆを参照すると、単一のレーザパルスによるジェットの生成が示されている。レーザパルスからの緑色の光も観察できるように、ロングパスフィルタは外されている（図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｅ、図４Ｆ）。レーザパルスの前後での流体の動きの時系列スナップショット。例えば、露光時間は約１０ｍＳである。図４Ｂの矢印４０３は、石英プレート上のレーザの集光スポットを示している。マイクロスフェアの明るい白色は、強い蛍光性とＣＣ飽和（ＣＣ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ）によるものである（図４Ｃ及び図４Ｄ）。Ａ及びＢの枠によって示された領域の拡大イメージ。レーザパルスエネルギー：０．５ｍＪ。

オンデマンドでのジェットの生成及び制御されたレーザパルスの生成は、更に、１つのレーザパルスのジェットを調べることによってポンピングのメカニズムを探ることを可能にする。図４は、レーザパルスが当たる前後の２０ｍｓごとの流体の高速イメージのシーケンスを示す。図４Ａから、最初は流体が殆ど静止していることがわかる。レーザパルスが到達して初めて流体が動き始めることが、図４Ｂの一部のトレーシング粒子が緑色になっていることによって示される。しかし、連続したストリーミングにおける窓付近の動きとは異なり、窓付近の水は動かないままである。図４Ｂの緑色の枠で示されたように、最も流体速度が大きい領域は、窓から約１ｍｍ離れている。図４Ｅ及び図４Ｆは、更に、４０ｍＳ後には、流体の速度が急速に低下し、非常に小さくなっていることを示している。

定常的なストリームラインと平均流速に加えて、トレーシング粒子の軌跡の詳細な検査は、その軌跡に沿った粒子の局所的な瞬間速度についてのより多くの情報を提供する。これは、各イメージに対する１０ｍｓの露光時間の間、カメラが絶えず粒子の位置を記録しているためである。ピクセルの蛍光強度は、粒子が一つの位置に留まっていた時間に比例する。動いていない粒子の場合、ピクセルの蛍光強度は、イメージにおいて明るいスポットとして見える。動きの速い粒子の場合は、短い露光時間のためトレースは暗くなる。しかし、動きの遅い粒子では、各ピクセルに対する、増加する露光時間のため、トレースは明るく見える。原理的には、同じ露光時間であれば蛍光又は散乱光の総量は同じなので、粒子が動いているかに関係なく、粒子の軌跡から得られる積分蛍光強度は同じである。このような相関関係は、図４Ａ、４Ｅ、４Ｆにおける軌跡で確認できる。トレーサ粒子は、動いていないときは明るく見える。図４Ｅ及び４Ｆにおいて、流れが減速しているため、軌跡は左側（始点）では暗く、右側（終点）では明るくなっている。

図４Ｂ、特に矢印４０２で示された２つの軌跡を参照する。軌跡は、緑の斑点と明るい赤色で始まり、その経路の最初の１／５（矢印４０２の先端によって示される）では暗くなるが、その後はより強くなっていく。これらのカラーコードと強度コードは、ジェットのダイナミクスの鮮明な像を与える。流体は、弱い軌跡によって明らかにされたように、レーザパルスの照射直後に加速し始め、速やかに最大速度に達する。その後、強い軌跡で示されるように、流体の速度は減少し始める。レーザが石英窓に当たると超音波パルスがすぐに生成されるが、２つのトレーシング粒子に到達するまでに約０．５μＳかかる。この時間の遅れは、１０ｍｓの総露光時間に比べれば無視できる。音響ストリーミングの原理によれば、流体に作用する体積力は超音波強度に比例し、超音波の伝搬と同じ方向になる。超音波は約０．５ｍｓ続くため、流体はこの間に加速され、超音波パルスの終わりに最高速度に達すると想定して良いだろう。流体の減衰は超音波パルスの通過後に始まるため、緑色のレーザが最初に見え、短い加速期間と、その後の長い減速期間が続くのである。

図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、光音響マイクロポンピングのメカニズムの図が示されている。１つのレーザパルスによって励起された、典型的な長持ちする光音響振動。ハイドロフォンの電圧信号から変換された圧力が右軸に示されている。最初の３０μＳのハイドロフォン信号が図５Ａに示されている。図５Ｂは、光音響波とストリーミングの模式図を示す。入射したレーザの吸収が、表面層を熱的に膨張させ、機械的に振動させることで超音波をもたらす。図５Ｂのストリームラインは、レーザパルスから約２０ｍｓ後の図４Ｅに基づいている。

メカニズムは、Ａｕナノ粒子／クラスタがキュベットキャビティの表面に付加されるのではなく、今回は石英の表面層に埋め込まれていることを除けば、以前と同じ光音響ストリーミングである。ここでも、レーザストリーミングの成功の鍵は、１回のレーザパルスで長時間持続する超音波を生成させることができることである。レーザ誘起加熱と埋め込まれたＡｕ粒子の光熱膨張が、石英プレートの内部に応力を誘起し、石英板の超音波振動を引き起こす。このような局所的な表面振動及び加熱は、石英表面に垂直な縦振動と、表面に平行な剪断振動の２方向の水の振動を誘起する。しかし、プレートの剪断運動は、液体中で指数関数的に減衰するため、効果的に液体中を伝播することができず、室温での浸透距離は通常１μｍ以下である。石英プレートの縦振動だけが、液体中を効果的に伝搬する。この振動は、液体中に縦方向の超音波を誘起し、プレート表面に垂直な方向の液体ジェットをもたらす。

石英、ガラス又は他の透明な固体基板への金原子（又は他の金属原子）のイオン注入によって、ＬＤＭＰが作られる。基板の大きさは、例えばサブミリサイズのように小さくてもよい。金は大きな薄い基板に注入されてもよい。その後、薄い基板は小さなサイズのＬＤＭＰにダイシングされてもよい。

システムのサイズは、アプリケーションに依存する場合もある。例えば、胃の内側の内視鏡手術には、ミリサイズが使用されてもよい。心臓の動脈のアプリケーションにはサブミリサイズが使われてもよい。この小型のＬＤＭＰは、ＬＤＭＰにレーザを運ぶ光ファイバに接するように取り付けられ（装着、接着又は融着）、流体ジェットを生成してもよい。金属原子は光ファイバの先端に直接注入され、レーザが光ファイバを通ってヘッドに到達するときに、先端を流体ジェットのヘッドとすることができる。

流体は、医療又は手術のアプリケーションに応じて、水、血液、血漿、体液又は任意の他の流体を備えてもよい。ジェットの断面は直径０．１ｍｍ以下と推定され、流体ジェットを前方に誘起するレーザの出力に応じて、ジェット流体の速度は数ｃｍ／ｓｅｃに至る。

図６を参照すると、組織への薬物輸送装置６００が示されている。この装置は、ＬＤＭＰ６８０と、光ファイバ素子６０４と、光ファイバ素子６０４又はＬＤＭＰ６８０上に配置された開管キャピラリ６０２と、を備えてもよい。光ファイバ素子６０４は、第１端部分６０４ａと第２端部分６０４ｂとを備える。第１端部分６０４ａは、ＬＤＭＰ６８０に配置されてもよい。開管キャピラリ６０２は、第１端部分６０２ａと第２端部分６０２ｂとを備える。第１端部分６０２ａは、光ファイバ素子６０４に配置されていてもよい。開管キャピラリは、リザーバ６０８に薬剤６０８ａを貯蔵するように構成されてもよい。ＬＤＭＰ６８０は、薬剤６０８ａから方向性のある流体ジェットを生成し、薬剤６０８ａを送出するように構成されてもよい。流体ジェットは、気体及び／又は液体を備えてもよいが、好ましくは液体であることが意図されている。

流体状の薬剤は、一端がＬＤＭＰ６８０に取り付けられた開管キャピラリ６０２に貯蔵されてもよい。薬剤を伴う液体ジェットは、輸送のために目標領域に向けられてもよい。また、流体ジェットによる薬剤輸送の前に、レーザビームによって目標領域に小さな空洞を予め開けてもよい。穴開けとジェットに対して同じレーザを使用できる場合、位置合わせの助けとなり得る。例えば、目標領域の大きさは、０．１ｍｍ－２ｍｍ程度でもよい。また、より大きな領域にレーザを走査してもよいと考えられる。

流体ジェットストリームは、組織を切断するためのツールとして使用することができる。流体ジェットストリームは、薄い膜を穿刺してもよい。流動性のあるジェットストリームは、組織膜の薄層を剥離するために使用されてもよい。ジェットストリームを強くしたり弱くしたりするために、パワーが調整されてもよい。ＬＤＭＰ６８０が取り付けられた光ファイバ素子６０４は、内視鏡セットと組み合わされてもよい。例えば、流体ジェットストリームを不要な組織に向けることで、レーザジェットは、癌細胞を標的にして切断するために使用されてもよい。

流体ジェットストリームは、薬剤輸送の前に、炎症を起こした組織を洗浄するために使用されてもよい。流体ジェットストリームは、動脈内の不要な沈殿の病を緩めるための小型の鋤として使用されてもよい。光ファイバ素子６０４が動脈とほぼ平行になると、ジェットストリームの方向は掠める角度（ｇｌａｎｃｉｎｇ ａｎｇｌｅ）になる。フィルタは、小さな厄介物（ｓｍａｌｌ ｐｌａｇｕｅｓ）をフィルタリングするために使用されてもよい。

レーザは、約１８０ｎｍ－１ｍｍの範囲の任意の波長であってもよいと考えられる。ファイバは、約数分の１ミクロンから数ミリメートル以上の範囲の直径であってもよい。

ファイバベースの光音響デバイスは、人体内で薬剤輸送又は他の機能を果たすことができる。例えば、ファイバの超音波によって、血液や体液を循環させる、又は、体内の腫瘍の周りに薬剤を移動させることができる。例えば、超音波は腎結石のような組織を直接狙うこともできる。

図８Ａ－Ｃを参照すると、光ファイバ素子６０４の端面６０５は、平面６０５ａ、ディンプル（凹面）６０５ｃ、又は凸面形状６０５ｂを備えてもよい。例えば、凸形状６０５ｂは、レーザのデフォーカスに用いることができる。凹形状６０５ｃは、小さな目標領域にレーザを集光させるために使用されてもよい。

図９Ａ－Ｃは、本開示の観点に係る、ガラスファイバからのレーザストリーミングのイメージを示す。図９Ａは、金が注入されたガラスファイバ（ｄ＝８０μｍ）からのレーザストリーミングの実験的実証を示す。ガラスファイバの一端の表面には、６０ＫｅＶで約２×１０１７／ｃｍ２の量の金が注入されている（図９Ａ）。波長５２７ｎｍの１０－１５ｍＷのパルス（１５０ｎｍ）レーザがもう一方の端に当たると、金が注入されたガラスファイバの一端からレーザストリーミングが起きる（図９Ｂ）。レーザがガラス管内の粒子を押し出す（図９Ｃ）。これらのタイプのポンプは、非接触式の流れであるため、従来の機械ベースのポンプによる細胞の損傷及び血栓症を減らすことができること、非常に小型であること、及び、レーザエネルギーが得られる場所であればどこでも流体を駆動することができること、及び／又は、動作のために電気的又は機械的なエネルギー伝達を必要としないこと、を備えるが、それらに限定されない、他の機械式ポンプより優れた多くの点を提供する。

図１０Ａ－Ｃは、本開示の観点に係る、カテーテルベースの流体ポンプの図である。動力源としてのレーザ光の使用は、体内における流体の流れを確立又は強化し得る、非常にフレキシブルで小さなプロファイルツールを可能にする。これらは「ラムジェット」エンジンと同様の動作をし、流体が中空チューブ内のチャンバーに運ばれ、ＬＤＭＰポンプ（例えば、単一、複数、及び／又は内腔の複数の部分に配置された）によって加速される。この流れは、アプリケーションの有効性を高めるために複数の方法において変更されてもよい。例えば、一定の流量を提供することによって、このようなフローレートがレーザ１００２の光量によって調整される（図１０Ａ）。脈動流は、心臓の生理学的活動をシミュレートするために作成され得る。これは、レーザ１００２をオン又はオフに循環させることによって達成され得る。加えて、超音波又は極超音速の流動循環も、血栓の除去のような特定のツール活動を強化するために作成され得る。例えば、多方向の流れは、レーザ１００２の方向を調整することにより、作成されてもよい。これは、特定のアプリケーションを強化するために渦１００５を作成することを備えることができる（図１０Ｂ）。これらのポンプの設計は、様々なアプリケーションに最適化するために、様々な流体入口及び出口、及び／又は複数の窓１００６を備えてもよいことが意図されている（図１０Ｃ）。例えば、脳血栓を破壊するための方法は、ＬＤＭＰにレーザビームを向けることに基づいて、指向性のある高速の流れを生成することを備えてもよい。ＬＤＭＰは、第１端部と第２端部とを備える光ファイバと、光ファイバの第２端部に配置された光音響材料の層とを備える。その層に入射するレーザビームに応答して指向性超音波を生成するように構成された光音響材料の層。光音響材料の層は、ナノ粒子を備えてもよい。この方法は、光音響材料の層にレーザビームが当たることに応答して、光音響材料の層を熱膨張及び収縮させて、脳血管内において脳血栓症に対する指向性液体ジェットを生成することを更に備えてもよい。

図１１は、本開示の観点に係る、グラビングツール１１００の図である。フレキシブルなカテーテル１１０６は、中空チューブ１００４内で流れが反転される場合に使用されてもよく、その結果、吸引能力を提供する（例えば、ＬＤＭＰ吸引カテーテル）。例えば、グラビングツール１１００は、細胞及び／又は組織１１１０を掴むために使用されてもよい。グラビングツール１１００は、身体の複数の部分に届けられ得る非常に小さく繊細な吸引ツールとして使用されてもよい。或いは、グラビングツール１１００は、細胞及び／又は組織１１１０、更には細胞内の要素を操作する研究に用いられてもよい。

例えば、グラビングツールは、細胞を操作するための流体ピンセットとして機能することができる。流体ピンセットは、ＬＤＭＰを備えてもよく、このＬＤＭＰは、第１端部及び第２端部を備える光ファイバ光曲げユニット、及び、光ファイバの第２端部に配置された光音響材料の層を備える。光音響材料の層は、光音響材料の層に照射するレーザビームに応答して、指向性超音波を生成するように構成されていてもよい。光音響材料の層は、ナノ粒子を備える。光音響材料の層は、光音響材料の層に当たるレーザビームに応答して熱膨張及び収縮し、これにより、流体ピンセットによって操作される細胞を備える媒質（例えば、液体媒質）において２つの指向性流体ジェットを生成するように構成されていてもよい。

図１２は、本開示の観点に係る、ジェッティング及び／又はカッティングツール１２００の図である。ジェッティング及び／又はカッティングツール１２００は、一般に、流体リザーバとして構成されたフレキシブルな中空チューブ１００４と、ＬＤＭＰ１２０４と、１つ以上の流体窓１２０２と、高速ジェット流１２０８を生成するための圧力弁１２０６と、を備える。ＬＤＭＰポンプによって加速された流体（「ＬＤＭＰジェット」）を使用するジェッティング及び／又はカッティングツール１２００は、サイズが非常に小さく、フレキシブルであるため、既存の「ハイドロジェット」ナイフより優れているであろう。ジェッティング及び／又はカッティングツール１２００は、周囲の流体、及び／又はチャンバー内の流体を使用することを備えてもよい。非常に高いフローレート、又は振動フローレート（例えば、高レート及び高周波数）において、そのようなツールは、組織又は小規模の細胞構造を切断することができる。

図１３は、本開示の観点に係る、遠隔制御式インジェクタ１３００の図である。遠隔制御式インジェクタ１３００は、一般に、カテーテル１３０４を備え、カテーテル１３０４内に配置されているのは、ＬＤＭＰ１３０２、ペイロード１３０６（例えば、薬剤）、圧力を調節するように構成された圧力弁１３０８、及びペイロードエジェクタ１３１０である。ペイロード１３０６は、カプセル化された後、活性化され、身体の領域又は細胞に積極的にポンピングされてもよい。遠隔制御式インジェクタ１３００は、例えば、特定の薬品の輸送が非常に小さいサイズにおいて行われる必要がある細胞治療において、又は、体外受精又は遺伝子治療のような活動において、少量の材料が細胞に注入され得る場合に使用されてもよい。

図１４は、本開示の観点に係る、マイクロ流体チップ１４００の図である。マイクロ流体チップ１４００は、２つ以上の流体をミキシングするためのＬＤＭＰミキサ１４０４を伴うミキシングチャンバー１４０２を備えてもよい。マイクロフルイディクスは、科学研究及び薬剤開発に使用されてもよい。ＬＤＭＰポンプ１４０６は、例えば、カテーテルを通して（ａ）、或いは回路に直接埋め込まれて（ｂ）、マイクロ流体回路内の流体の動きを作り出してもよい。ミキシングチャンバーは、化学反応を促進するために使用されることができ、ミキシングはＬＤＭＰによって誘起された流体の流れによって誘起される（ｃ）。

図１５は、本開示の観点に係るＬＤＭＰ合成細胞１５０２の図である。金粒子１５０６を細胞の脂質構造に埋め込むことにより、外部レーザ１５０４を、これらの細胞１５０２を動かし、操作するために使用することができる。

本明細書に開示されている実施形態は、本開示の例であり、様々な形態で具現化されてもよい。例えば、本明細書の特定の実施形態は、別個の実施形態として説明されているが、本明細書の各実施形態は、本明細書の他の実施形態の１つ以上と組み合わされてもよい。本明細書で開示された特定の構造的及び機能的な詳細は、限定的なものとして解釈されるべきではなく、特許請求の範囲の根拠として、及び、事実上あらゆる適切に詳細な構造において本開示を様々に採用することを当業者に教えるための代表的な根拠として解釈されるべきである。同様の参照番号は、図の説明全体にわたって類似又は同一の要素を指すことがある。

「ある実施形態において」、「実施形態において」、「様々な実施形態において」、「いくつかの実施形態において」、又は「他の実施形態において」というフレーズは、それぞれ、本開示に係る１つ以上の同じ又は異なる実施形態を指すことがある。Ａ又はＢという形式のフレーズは、「（Ａ）、（Ｂ）、又は（Ａ及びＢ）」を意味する。Ａ、Ｂ、又はＣのうちの少なくとも１つ」という形式のフレーズは、「（Ａ）；（Ｂ）；（Ｃ）；（Ａ及びＢ）；（Ａ及びＣ）；（Ｂ及びＣ）；又は（Ａ、Ｂ、及びＣ）」を意味する。

本明細書に記載されている方法、プログラム、アルゴリズム、又はコードのいずれも、プログラミング言語又はコンピュータプログラムに変換又は表現することができる。本明細書で使用される「プログラミング言語」及び「コンピュータプログラム」という用語は、それぞれ、コンピュータへの命令を指定するために使用されるあらゆる言語を備え、且つ、以下の言語及びその派生を備える（ただし、これらに限定されない）。アセンブラ、ＢＡＳＩＣ、バッチファイル、ＢＣＰＬ、Ｃ、Ｃ＋、Ｃ＋＋、Ｄｅｌｐｈｉ、Ｆｏｒｔｒａｎ、Ｊａｖａ、ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ、マシンコード、ＯＳコマンド言語（ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｍａｎｄ ｌａｎｇｕａｇｅ）、Ｐａｓｃａｌ、Ｐｅｒｌ、ＰＬ１、スクリプト言語、Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ、それ自体がプログラムを示すメタ言語、第１世代、第２世代、第３世代、第４世代、第５世代、又はそれ以上の世代のすべてのコンピュータ言語。また、データベース及び他のデータスキーマや、他の如何なるメタ言語も備えられる。インタプリタ型、コンパイル型、又はコンパイル型とインタプリタ型の両方のアプローチを使用する言語の区別はない。コンパイル型とプログラムのソース版の区別はない。したがって、プログラミング言語が複数の状態（ソース、コンパイル、オブジェクト、リンクなど）で存在し得る場合、プログラムへの言及は、そのような状態の如何なる及び全てへの言及となる。プログラムへの言及は、実際の命令及び／又はその命令の意図を包含してもよい。

前述の説明は、本開示の例示に過ぎないことを理解されたい。本開示から逸脱することなく、様々な代替案や修正案が当業者によって考案され得る。したがって、本開示は、そのような全ての代替案、修正案及び差異を包含することが意図されている。添付の図を参照して説明された実施形態は、本開示の特定の例を説明するためにのみ提示されている。上記及び／又は添付の請求項に記載されたものと実質的に異なる他の要素、ステップ、方法、及び技術もまた、本開示の範囲内であることが意図されている。

Claims (19)

1. 薬剤輸送装置であって、
   レーザ駆動光音響マイクロ流体ポンプ（ＬＤＭＰ：ｌａｓｅｒ－ｄｒｉｖｅｎ ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄ ｐｕｍｐ）と、
   第１端部と第２端部を備える光ファイバ素子であって、前記第１端部は前記ＬＤＭＰに配置されている、光ファイバ素子と、
   第１端部と第２端部を備える開管キャピラリであって、前記第１端部は前記光ファイバ素子に配置されており、前記開管キャピラリは薬剤を貯蔵するように構成されている、開管キャピラリと、を備え、
   前記ＬＤＭＰは前記薬剤から指向性流体ジェットを生成し、前記薬剤を輸送するように構成された、
   装置。
2. 前記ＬＤＭＰは、
   第１サイドと第２サイドを有する基板と、
   前記基板の前記第１サイドに配置された光音響材料の層であって、前記光音響材料の層は、前記層に入射するレーザビームに応答して、指向性超音波を生成するように構成され、前記光音響層はナノ粒子を備える、光音響材料の層と、
   を備える請求項１に記載の装置。
3. 組織の切断装置であって、
   レーザ駆動光音響マイクロ流体ポンプ（ＬＤＭＰ：ｌａｓｅｒ－ｄｒｉｖｅｎ ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄ ｐｕｍｐ）と、
   第１端部と第２端部を備える光ファイバ素子であって、前記第１端部は前記ＬＤＭＰに配置されている、光ファイバ素子と、
   水、血液、血漿又は体液のうち少なくとも１つを備える流体と、を備え、
   前記ファイバは前記流体内に配置され、且つ、
   前記ＬＤＭＰは前記流体から流体ジェットを生成し、組織を切断するように構成された、
   装置。
4. 前記ＬＤＭＰは、
   第１サイドと第２サイドを有する基板と、
   前記基板の前記第１サイドに配置された光音響材料の層であって、前記光音響材料の層は、前記層に入射するレーザビームに応答して、指向性超音波を生成するように構成され、前記光音響層はナノ粒子を備える、光音響材料の層と、
   を備える請求項３に記載の装置。
5. 動脈内の沈殿をパワーウォッシュする装置であって、
   レーザ駆動光音響マイクロ流体ポンプ（ＬＤＭＰ：ｌａｓｅｒ－ｄｒｉｖｅｎ ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄ ｐｕｍｐ）と、
   第１端部と第２端部を備える光ファイバ素子であって、前記第１端部は前記ＬＤＭＰに配置され、前記第２端部は動脈内に配置されるように構成され、前記動脈は流体を備える、光ファイバ素子と、を備え、
   前記流体は、水、血液、血漿又は体液のうち少なくとも１つを備え、且つ、
   前記ＬＤＭＰは、前記流体から流体ジェットを生成し、前記動脈から沈殿を取り除くように構成された、
   装置。
6. 前記ＬＤＭＰは、
   第１サイドと第２サイドを有する基板と、
   前記基板の前記第１サイドに配置された光音響材料の層であって、前記光音響材料の層は、前記層に入射するレーザビームに応答して、指向性超音波を生成するように構成され、前記光音響層はナノ粒子を備える、光音響材料の層と、
   を備える請求項５に記載の装置。
7. 組織への薬剤輸送方法であって、
   レーザ駆動光音響マイクロ流体ポンプ（ＬＤＭＰ：ｌａｓｅｒ－ｄｒｉｖｅｎ ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄ ｐｕｍｐ）にレーザビームを照射することに基づいて、指向性超音波を生成することであって、
   前記ＬＤＭＰは、
   第１サイドと第２サイドを有する基板と、
   前記基板の前記第１サイドに配置された光音響材料の層であって、前記光音響材料の層は、前記層に入射するレーザビームに応答して、指向性超音波を生成するように構成され、前記光音響層はナノ粒子を備える、光音響材料の層と、
   を備えることと、
   前記光音響層に当たる前記レーザビームに応答して、前記光音響層を熱膨張及び収縮させることと、
   流体媒質中で指向性流体ジェットを生成することと、
   を備え、
   前記流体媒質は開管キャピラリ内に貯蔵されている薬剤を備え、前記開管キャピラリは第１端部と第２端部を有し、前記第１端部は前記ＬＤＭＰに配置され、
   前記開管キャピラリは前記薬剤を貯蔵するように構成された、
   方法。
8. レーザ駆動光音響マイクロ流体ポンプ（ＬＤＭＰ：ｌａｓｅｒ－ｄｒｉｖｅｎ ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄ ｐｕｍｐ）からのフローレートを増加させるための装置であって、
   ＬＤＭＰと、
   第１端部と第２端部を備える光ファイバ素子であって、前記第１端部は前記ＬＤＭＰに配置されている、光ファイバ素子と、
   前記光ファイバの一端が挿入されたチューブと、
   水、血液、血漿又は体液のうち少なくとも１つを備える流体と、
   を備える装置。
9. 前記光ファイバ素子は前記流体中に配置されている、請求項８に記載の装置。
10. 前記ＬＤＭＰは、逆流を防ぐ強力な流体ジェットを生成するように構成された、請求項８に記載の装置。
11. 細胞の精密な操作方法であって、
    流体ピンセットを用いて細胞を掴むことであって、
    前記流体ピンセットは、
    二指向性レーザ駆動光音響マイクロ流体ポンプ（ＬＤＭＰ：ｌａｓｅｒ－ｄｒｉｖｅｎ ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄ ｐｕｍｐ）、
    を備えることと、
    光音響材料の層に当たるレーザビームに応答して、前記光音響材料の層を熱膨張及び収縮させることと、
    媒質中で２つの指向性流体ジェットを生成することと、
    を備える方法。
12. 前記二指向性ＬＤＭＰは、
    第１端部と第２端部を備える光ファイバ光曲げユニットと、
    前記光ファイバの前記第２端部に配置された光音響材料の層と、
    を備える請求項１１に記載の方法。
13. 前記光音響材料の層は、前記光音響材料の層に入射するレーザビームに応答して、指向性超音波を生成するように構成された、請求項１２に記載の方法。
14. 前記光音響材料の層は、ナノ粒子を備える、請求項１３に記載の方法。
15. 前記媒質は、前記流体ピンセットによって操作される細胞を備える、請求項１４に記載の方法。
16. 脳血栓を破壊する方法であって、
    レーザ駆動光音響マイクロ流体ポンプ（ＬＤＭＰ：ｌａｓｅｒ－ｄｒｉｖｅｎ ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄ ｐｕｍｐ）にレーザビームを照射することに基づいて、指向性高速流動を生成することと、
    前記光音響材料の層に当たる前記レーザビームに応答して、前記光音響材料の層を熱膨張及び収縮させることと、
    脳血管内において脳血栓への指向性流体ジェットを生成することと、
    を備える方法。
17. 前記ＬＤＭＰは、
    第１端部と第２端部を備える光ファイバと、
    前記光ファイバの前記第２端部に配置された光音響材料の層と、
    を備える請求項１６に記載の方法。
18. 前記光音響材料の層は、前記光音響材料の層に入射するレーザビームに応答して、指向性超音波を生成するように構成された、請求項１７に記載の方法。
19. 前記光音響材料の層は、ナノ粒子を備える、請求項１８に記載の方法。

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