JP4443045B2 - 微細溝付き能動的流体輸送装置 - Google Patents

Description

【０００１】
技術分野
本発明は、流体を輸送するための分離微細構造化溝を含む構造化ポリマー表面を有する装置に関する。この装置は、分離微細構造化溝を電位源に流体工学的に接続して、溝を介した流体の輸送を促進するコネクタをさらに有する。本発明はさらに、こうした装置を使用して流体を輸送する方法、およびこうした装置を使用する各種製品に関する。
【０００２】
背景技術
流体の輸送は、装置内に流れを生じる機構に基づいて特徴付けることができる。流体の輸送が、大部分が装置外部の力の結果である非自発的な流れの形態に関する場合、こうした流体の輸送は「能動的」であると考える。一方、流体の輸送が、装置に固有の特性から生じる自発的な流れの形態に関する場合、こうした流体の輸送は「受動的」であると考える。カテーテルは、能動的流体輸送装置の良く知られた例である。一般に、カテーテルは、液体を装置から吸引する真空源に接続される。受動的流体輸送装置の一例は、吸収パッドまたはスポンジである。
【０００３】
能動的流体輸送装置の構造は、主として、装置を使用する特定の用途によって決まる。多くの場合、流体流動経路を制御することが望ましい。ある面では、流体流動経路は、熱交換器などのように特定の流体を別の物体または流体付近に流すように制御することができる。
【０００４】
分離微細溝が第１および第２マニホールドの間に延在する熱交換器は、Ｈｏｏｐｍａｎ等に付与された米国特許第５，３１７，８０５号に記載されている。この微細チャネル化熱交換器は、金属を電鋳または蒸着させるなどの方法で犠牲的なコア周囲に本質的にシェルを付着させて製造される。もう１つの微細チャネル化熱交換器は、やはりＨｏｏｐｍａｎ等に付与された米国特許第５，０７０，６０６号に記載されており、この熱交換器は、配列された繊維の周囲にプラスチックまたはセラミックの本体を形成してから除去し、形成済み本体内に微細溝を残すことにより製造される。
【０００５】
もう１つの面では、流体流動経路は、特定の流動特性に従って流体の流れを形成するように制御することができる。つまり、流体の流れは、単に層間の単一の導管を介して、または複数の溝により促進することができる。その他の例として、電位発生装置に取り付けることができる多孔性製品があり、電位発生装置は、多孔性製品を通る流体の流れを生じさせ。たとえば、Ｒａｉｎｉｎに付与された米国特許第５，５９９，３３０号、Ｖａｎ Ｂｅｃｋ等に付与された米国特許第４，５３３，３５２号、およびＫｌｉｇｅｒに付与された米国特許第３，９３５，８６３号に記載されている。
【０００６】
流体輸送流路は、液体を収集場所から貯蔵容器などのような別の場所に輸送するために使用される複数の溝によって画定される。こうした装置をきわめて頻繁に使用する場合、液体は気体と混合して、場合によっては液体と気体との乱流混合物として２相流が生じる。流体の流れの混合比および速度に応じて、液体および気体は望ましくない流動形態で結合する可能性がある。泡起、分散およびスラグ流として周知されている形態は、場合によっては、輸送される流体に著しい悪影響を及ぼすか、またはこうした流れは、輸送系統および／または周囲の環境に影響する可能性がある。
【０００７】
泡起流の場合、たとえば気体の泡が液体全体に分散し、空気と液体が密接に接触して、たとえば液体の酸化が加速する場合がある。分散流の場合、殆どすべての液体が、微細な水滴として気体中に閉じ込められる。この流動形態によって生じるエアゾール状の水滴は局所的な環境に入り込み、液体の性質に応じて危険性が生じる可能性がある。一例は、生物で汚染された流体が、廃棄するために吸引されてエアゾール状になり、収集キャニスタを開いたときに作業環境内に入り込む手術分野で見られる。スラグ流の場合、急速に移動する気体によって液体の波が周期的に捕らえられ、平均的な液体速度より速い速度でシステムに沿って通過する泡状のスラグを形成する。この種の流れの場合、スラグは、システムの構成部品に衝撃を与えると、機器の振動を生じる可能性がある。こうした衝撃によって、取付部品および湾曲部などのようなシステム内の要素のほかに、流体に対して高レベルの機械的応力が加わる可能性がある。乱暴な流体の輸送動作も、手術を行うときに収集されて再度導入される血液など、応力に敏感な流体の細胞状構造を分解する可能性がある。
【０００８】
２相流は、流体を輸送するときに騒音を発生させることにより、作業場所に悪影響を与える可能性もある。つまり、騒音は、乱流液体混合物が装置を通過するときに生じる場合が多い。騒音公害は、特に、手術室などのように、良好な伝達が重要な多くの環境で最小限にしなければならない。
【０００９】
Ｎｇｕｙｅｎに付与された米国特許第４，９６６，５８４号には、騒音問題に対処している能動的流体輸送装置が記載されている。特に、外科手術を行うときに使用される吸引アスピレータが記載されている。この装置は、装置を通る流れを制御して騒音を減少させる弁組立体を含む。弁は、装置を通る吸引流を調節して騒音を制御するように意図されている。
【００１０】
医療分野で使用されるもう１つの能動的流体輸送装置は、Ｔｅｃｈｎｏｌ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｉｎｃ．から「Ｆｌｕｉｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ」床吸引マットの商標で市販されている流体回収床マットである。この製品は、受動的手段と能動的手段の両方を使用して、外科手術を行うときに手術部位から滴下する流体を除去する。この装置は、多数の平行溝上に存在する吸収性マットを有する。吸収性マットと界接する溝表面に孔が形成され、マットが回収する流体を溝内に吸引することができる。平行溝は、吸引管に取り付けられたマニホールドに接続される。したがって、流体がマット上に蓄積すると、真空を加えることにより、多数の溝を介して流体の除去を促進することができる。回収された液体は、液体／空気混合物として溝を通って流れる可能性があり、装置は騒音を生じる可能性を有する。つまり、流体が吸引システムによって溝から引き込まれるとき、空気は液体と混合して騒音を生じる可能性があり、作業環境に否定的な影響を及ぼす可能性がある。
【００１１】
Ｓｋｏｗに付与された米国特許第５，６２８，７３５号には、手術時に手術領域から望ましくない流体を徐々にかつ連続的に除去すると称されている能動的流体輸送装置が記載されている。この装置は、受動的および能動的流体輸送機構の両方を使用して、外科手術を行うときに過剰な流体を除去する。この装置は、高度な吸上げ特性を有する可撓性マットを備え、マット内には、吸入源に取り付けられて、流体をマットから除去してマットが飽和するのを防ぐ可撓性の吸引管が埋め込まれている。この管は、その内部に１つまたは複数の孔を有するので、回収された流体がマットから管内に流入することを可能にする。この装置は多数の分離した溝を使用しないので、こうした溝の間で吸引効果を分散させることはできず、管を使用することで、装置の用途が制限される可能性がある。
【００１２】
流体を回収するために使用されるその他の能動的流体輸送製品は、Ｔｏｄｄ等に付与された米国特許第５，４３７，６５１号およびＨｅｒｇｅｎｒｏｅｄｅｒに付与された米国特許第４，６７９，５９０号に記載されている。Ｔｏｄｄ等には、外科手術を行うときに患者体内の血液およびその他の流体を収集するのに有用な医療用吸引装置が開示されている。この装置は、可撓性基材プレートを介して吸引源に取り付けられる吸収性フォームパッドを備える。基材プレートは、回収した流体をオリフィスに向かって方向付ける溝を有する。この装置は、液体／空気混合物が一般に装置に吸引されるため、きわめて騒音を発生しやすい。
【００１３】
Ｈｅｒｇｅｎｒｏｅｄｅｒには、手術室の床から流体を収集するための容器が記載されている。この装置は、膝などのような接合部に対する関節鏡視下手術などのような外科手術に使用される潅水用流体を収集するのに特に適すると記載されている。この容器は薄くほぼ平らであり、収集表面を形成する小さい深皿の格子工作物を有し、収集された流体を溝に流す排水管が容器と床との間に形成されている。溝は、吸引装置に接続できる共通の吐出口に流体を方向付ける。溝の構成上、この装置は、上記の他の装置と同様、２相の液体／空気流を容易に生じ、著しい騒音公害を生じる可能性がある。
【００１４】
その他の可撓性管装置またはカテーテルは、たとえば、Ｄｅｇｅｎに付与された米国特許第５，４４５，７７１号、Ｄｒｏｂｉｓｈ等に付与された第４，６２３，３２９号、Ｗｅｐｓｉｃに付与された第３，５９８，１２７号に記載されている。Ｄｅｇｅｎ特許では、中空熱可塑性繊維ストランドの集合を一緒に固定して、分離用装置のように使用する。Ｄｒｏｂｉｓｈ等およびＷｅｐｓｉｃに記載されている装置は、一次流路および１つまたは複数の二次流路が管層の間に配置されているカテーテルを目的としている。Ｄｒｏｂｉｓｈ等の装置は、二次流路内を通過する流体に接する表面積を増やすための画定表面の１つに溝が形成された同心の二次流路を備える。Ｗｅｐｓｉｃ特許には、複数の二次ｖ形溝が一次流路周囲に配置されている。このｖ形溝は、抗菌性物質に対して浸透性の外側管によって囲まれている。
【００１５】
発明の開示
本発明は、第１主面を有するポリマー材料層を備える能動的流体輸送装置を提供する。第１主面は、複数の実質的に分離した流路が上に配置されている構造化表面を備える。流路は、構造化表面に沿った第１点から第２点まで延在し、約１０：１の最小アスペクト比、および約３００μｍ以下の水力半径を有する。この輸送装置は、分離流路と連通するコネクタをさらに備える。このコネクタは、構造化ポリマー表面の外側の電位源からの電位を流路に加えて、流体が流路を通って第１電位から第２電位まで移動するのを促進することを可能にする。
【００１６】
本発明は、本発明を具体化する能動的流体輸送装置に多くの利点を与える多くの特性を有する。１つの特別な特性は、ポリマー材料から構成される微細構造化表面を使用することである。ポリマー材料は、製造時に比較的安価な方法で、構造化表面を正確に複製することを可能にする。微細構造化表面を支持するポリマー層は、成形または流延技術を使用して容易に複製することができる。したがって、構造化表面は、さもなければ機械加工および化学的エッチングなどのようなその他の技術を使用する場合に必然的に伴う高く付く処理条件を必要とせずに製造することができる。ポリマー材料を使用して微細構造化表面を形成すると、個々の特徴の忠実度を製造工程において比較的高い許容差で維持することも可能である。さらに、ポリマー材料は、低い引張弾性率を有するポリマーを選択することにより、可撓性の能動的流体輸送装置を製造することを可能にする。こうしたポリマーを使用する製品は、様々な用途の様々な構成に適合させることができる。
【００１７】
最小アスペクト比が約１０：１および水力半径が約３００μｍ以下の分離流路を設けると、電位効果を高度に分散した状態で多数の溝間で分割することができる。電位の合計効果をたとえば単一の大きい溝に伝達するのではなく、１つの溝が、溝を介して輸送される流体に悪影響を及ぼさないように、非常に多数の小さい流路間で電位を分散させることができる。電位効果が高度に分散されることによって、流体が個々の流路を移動するときに流体に加わる応力が減少する。応力の減少は、流体が繊細であるか、または変更すべきではない形態を有する場合に重要になる場合がある。これは、輸送される流体がたとえば血液、コロイド状流体およびその他の不均質な液体混合物または懸濁液である場合に重要な問題になる可能性がある。
【００１８】
さらに、電位効果を高度に分散させることによって、溝の入口または出口に接触する物品に加わる応力も減少させることができる。たとえば、本発明の能動的流体輸送装置が、真空源に接続されたカテーテルの形態で構成される場合、微細構造化分離流路を使用することにより、真空からの電位を高度に分散させて、溝の入口で電位に暴露される人体組織に加わる電位を最小限にすることができる。したがって、この能動的流体輸送装置は、人体の窩洞部から流体を除去するとともに、付近の組織の損傷を最小限にすることができる。
【００１９】
本発明の能動的流体輸送装置の微細構造化構成は、個々の溝に周囲環境から流体を充填することができるという利点もある。また、分離溝システムは、互いの溝に関係なく各々の溝に充填するか、または各々の溝を空にしておくことができる。たとえば、１つの溝に液体を完全に充填するとともに、この溝に隣接する溝に空気のみを含むことができる。従来の流体輸送装置の場合、流路ははるかに大きく、および／または分離していないため、液体と空気両方の２層流を含むことが多い。本発明により液体に単一相流を促進することは、装置を通過する液体に対する応力を効果的に減少させ、騒音公害を最小限にする。したがって、本発明は、液体を１つの場所から他の場所に安全かつ静かに輸送することができるという利点がある。
【００２０】
また、構造化表面に小型の流路を使用することにより、装置は、比較的高度の衝撃および圧縮力、屈曲角度、並びに真空に耐えることができ、流路が崩壊することがない。この利点により、能動的流体輸送装置は、たとえば重い物体の下など、こうした力が存在する状況で、もしくは人が歩行する床上で、またはオルソスコープによる外科手術を行うときに、流体を使用して手術部位を膨張させ、かつ視覚的に妨げられない状態を保つが、さもなければ従来の管が狭窄されるような圧縮または高度の屈曲を受ける可撓性流体抽出手段を必要とする場合に使用することが可能である。
【００２１】
本発明について説明する上で、以下の用語は以下に記載するように定義される。
「アスペクト比」は、溝の長さ対溝の水力半径の比率である。
「コネクタ」は、電位を電位源から分離微細構造流路に沿って加えることができるように構成された機構、たとえば器具、装置、または部品の組合わせを意味する。
「毛管モジュール」は、溝の入口および溝の出口を有する分離微細構造流路を有する装置である。
「分離流路」は、隣接する溝に実質的に関係なく流体を特定の溝に沿って方向付ける電位を個々に受け入れることができる溝である。
「水力半径」は、流路の湿潤可能な周囲長さで除算した流路の湿潤可能な断面積である。円形の流路の場合、水力半径は流路の直径の１／４である。
「可撓性」は、流路が著しく狭窄せずに屈曲または撓むことができることを意味する。
「流体」は、ある量の気体および／または液体を意味する。
「微細複製」または「微細複製された」は、構造化表面の特徴が、製造時に製品毎に、個々の特徴の忠実度を約５０μｍ以下の差で保つ工程により、微細構造化表面を形成することを意味する。
「微細構造化溝」または「微細構造化流路」は、本明細書では、約１０：１の最小アスペクト比および約３００μｍ以下の水力半径を有する溝を意味する。
「ポリマー材料」は、モノマーを化合させて構成され、１つまたは複数の反復する単位が有機分子内で規則的または不規則に配列された天然または合成有機分子を生成する材料を意味する。
「電位」は、流体を移動させることができるエネルギーを意味する。
「電位源」または「電位を供給する源」は、流体を移動させることができる作用を行うエネルギーを供給できる何らかの実体を意味する。
「構造化表面」は、定義された特徴を予め決められた配置で有する平らではない表面を意味する。
【００２２】
好適な実施態様の詳細な説明
図１には、２つの主面の一方に構造化表面１３を有するポリマー材料の層１２を基本的に備える能動的流体輸送装置１０が示されている。装置１０は、能動的流体輸送装置１０の構造化表面１３上で流体を移動させるのを促進するための電位を供給する源１４をさらに備える。層１２は、構造化表面１３が突出する本体層１５をさらに備える。本体層１５は、構造化表面１３を支持して、個々の構造化形状構成を一緒に層１２内に保持するのに役立つ。
【００２３】
層１２は、能動的流体輸送装置１０の特定の用途に応じて選択される可撓性、半剛性または剛性の材料から構成される。層１２は、微細構造化表面１３を形成するように正確に成形できるという点で、ポリマー材料を含む。ポリマー材料は、様々な必要性に適する多くの異なる特性を有するため、実質的な多様性を与える。ポリマー材料は、たとえば可撓性、剛性、浸透性などに基づいて選択する。ポリマー層１２を使用することにより、構造化表面を一貫して製造し、キャップを取り付けたときに分離流体流路１６を形成する多数の高密度溝を製造することができる。したがって、高度に正確かつ経済的に製造しやすい高度に分散した流体輸送システムを提供することができる。構造化ポリマー表面１３は、本体層１５と同じかまたは異なる材料から製造することができる。
【００２４】
図２ａに示すように、溝１６は、一連のｖ形側壁１７および頂点１８により、図示の実施態様に従って層１２内に画定することができる。場合によっては、側壁１７および頂点１８は、層１２の一方の縁部から他方の縁部まで変化せずに完全に延在するが、用途によっては、側壁１７を短くして、構造化表面１３の一部に沿ってのみ頂点１８を延在させることが望ましい。つまり、頂点１８の間に画定される溝１６は、層１２の一方の縁部から他方の縁部まで完全に延在するか、または層１２の一部の上にのみ延在するように画定することができる。層１２の一部にのみ延在する溝は、層１２の縁部で開始するか、または層１２の構造化表面１３内の中間で開始および終了することができる。溝は、予め決められた、好ましくは規則正しい配列で、ポリマー材料の連続表面上に画定される。
【００２５】
図１に示すように、各々の溝１６は、層１２の一方の縁部で開いて溝の入口１９を画定する。したがって、流体は入口１９を通過して、溝１６によって、コネクタ２０に至る層１２の離れた縁部に向かって案内される。コネクタ２０は、出口（図示しない）を介して各々の溝１６と連通し、電位源１４とさらに連通する。コネクタ２０は、様々な形態で構成することができるが、図１に示すように、マニホールド２２を備える。マニホールド２２には、内部に画定されて、溝１６と連通するプレナム（図示しない）が取り付けられる。プレナムは、少なくとも複数の溝１６に密封接続されたマニホールド２２内にチャンバを単純に構成する。マニホールド２２は、層１２と同様に可撓性、半剛性または剛性で良い。入口２０を有する層１２の側面には第２マニホールド（図示しない）も取り付けられて、特定の用途に応じて流体を溝１６に供給するようになっている。
【００２６】
本発明によると、コネクタは、電位を電位源から複数の溝に伝達することを可能にする本質的に任意の構造を取ることができる。プレナムおよび管を備えるマニホールドについて説明してきたが、その他のコネクタ、たとえば、導管を流路に流体工学的に結合して、比較的高電位および比較的低電位の領域を隔離または仕切ることができる圧縮カップリング、またはシールおよびガスケットなどは、本発明に使用することを意図されている。コネクタは、たとえば内径が１０μｍ未満の毛管繊維であって、各々が個々の溝と連通して、個々の流体が別個の溝から直接流れることを可能にする毛管繊維をさらに備えることができる。コネクタは、成形チャンバ、分離流路に対して一体的にまたは非一体的に配置された微細構造化流体導管、または、たとえば分離微細構造化流路を遠心分離器内に配置するか、もしくは噴流などの流れを溝の入口または出口に方向付けることを可能にするシステムもしくは機構でも良い。
【００２７】
少なくとも複数の溝１６を頂点１８で遮断するかまたは囲むには、キャップ層２４を構造化表面に対して並置する。こうして、キャップ層２４は、少なくとも複数の溝を閉鎖して、毛管モジュール２５内に分離流路１６を形成する。毛管モジュールは、一般的に１〜１０ｍｍ、さらに一般的には２〜６ｍｍの厚さを有する。キャップ層２４は、マニホールド２２を同様に密封接続し、その結果、複数の分離溝１６が、溝１６を横断して第１電位から第２電位までの電位差が生じることにより能動的流体輸送溝を形成する。キャップ層２４は、一般的に約０．０１〜１ｍｍ、さらに一般的には０．０２〜０．５ｍｍの厚さを有する。本発明の溝が密閉されている場合、溝の可撓性システムは、小さい個々の溝のたが強度により、概して高圧に耐えて破裂しない。
【００２８】
キャップ層２４は、いくつかまたはすべての構造化表面１３の頂点１８に接合させて、分離溝１６を確実に形成することができる。これは、熱的に、またはキャップ層材料２４およびポリマー構造化層１２と相溶性の従来の接着剤を使用して行うことができる。分離溝１６の形成は、熱接合、超音波溶接、圧縮、または締り嵌めなどのような機械的係合により行うことができる。接合部は、頂点１８に沿ってキャップ層２０まで完全に形成するか、または規則正しいパターンもしくは不規則なパターンで頂点の上に配置されたスポット溶接部もしくは接合部で良い。
【００２９】
キャップ層２４は、構造化ポリマー層に関して以下に記載するポリマーなどのようなポリマー材料から製造することが好ましい。ポリマーは、接着剤を使用せずにキャップ層を構造化表面１３に固定できるように選択する。こうしたポリマーは、たとえば超音波溶接作業のように熱を加えることにより、キャップ層が構造化表面に確実に溶接されるように選択する。
【００３０】
電位源は、第１位置から第２位置までの流体の移動を促進するために、複数の流路１６に沿って電位差を確立できる何らかの手段を本質的に含む。電位は、特定用途の流体特性に部分的に基づいて、複数の流路１６を通る流体の流れを生じるか、または生じるのを促進するのに十分である。図１に示すように、電位源１４は、従来の方法かまたは他の方法で収集容器２６に接続される真空発生器（Ｖ）を含むことができる。収集容器２６は、従来の可撓性管２８を使用してマニホールド１８に流体工学的に接続される。したがって、流体は、毛管モジュール２５の外部から入口１９に吸引され、溝１６、マニホールド２２、管２８を介して収集容器２６内に達する。容器２６は、容器２６の中身を空にするために有利に開放可能であるか、さもなければ従来の排水システムに接続される。
【００３１】
電位源１４が真空発生器（Ｖ）を含む場合、マニホールド２２を介して溝１６に供給される真空は、十分にキャップ層２４を頂点１８に適切に密封することができる。つまり、真空自体がキャップ層２４を頂点１８に保持して、分離溝１６を形成する。好ましくは、構造化表面１３によって画定される各々の溝１６は、キャップ層２４によって遮断されて、電位を個々に受け入れることができる最大数の分離溝１６を画定する。溝１６間を横断する流体は効果的に最小限になり、外部の電位源から供給される電位は、より効果的かつ効率的に層１２の構造化表面１３上に分布する。
【００３２】
微細構造支持表面または毛管モジュールと流体輸送手段または電位源との接続は、必要に応じて、取り付けられた１つまたは複数のマニホールドを介して行うことができる。特定の構造または用途に応じて、複数の電位源を使用することができる。圧力差は、微細構造支持表面を横断する流れを促進するために使用される効率的な流体移動方法、つまり電位である。圧力差は、揚送システムを使用して容易に確立し、正圧または負圧の形態で加えることができる。
【００３３】
その他の電位源１４は、真空発生装置（Ｖ）の代わりに、または真空発生装置（Ｖ）に関連して使用することができる。本発明を使用するに当たり、溝１６を通る流体の流れ、特に液体の流れを生じるか、または流れを促進するための本質的に人工的な方法が考えられる。電位源は、溝付き構造および／または毛管モジュールから分離している、つまり、溝付き構造および／または毛管モジュールに本質的ではない。つまり、本発明は、溝付き構造の特性にのみ頼って、たとえば毛管作用によって流体を移動させるのではない。その他の電位源の例としては、真空ポンプ、圧力ポンプ、ファンなどのような圧力システム、電磁流体力学的装置、音波流動システム、遠心回転流体静力学的ヘッド、および電位差の発生を利用して、少なくともある程度流体の流れを生じるかまたは促進するその他の公知かまたは後に開発される流体駆動システムが挙げられるが、これらだけに限らない。さらに、本発明の溝内で流体を移動させる遠心力または磁界など、流体に直接作用する電界を加えることは、流体の原動力となる電位と考えられる。しかし、本発明は、重力が、ある量の液体と連通する導管などのようなコネクタ、たとえば重力によって液体を装置内に供給する流体静力学的ヘッドを介して使用される限り、流路に沿って加えられる電位源として重力を考えない。流体は、大気圧によって、流体を溝内で移動させる電位が生じるスピンホンの作用により、溝を通って流動させることもできる。
【００３４】
図１に示す流体輸送装置は、複数のｖ形頂点１８（図２ａに示す）を含む構造化表面を有するが、その他の構成も考えられる。たとえば、図２ｂに示すように、溝１６’は、わずかに平坦な頂点１８’の間の比較的広く平坦な谷を有する。図２ａの実施態様と同様、キャップ層を１つまたは複数の頂点１８’に沿って固定して、分離溝１６’を画定することができる。この場合、底面３０は、図２ａの実施態様のように溝の側壁３１間に延在し、側壁１７は線に沿って共に接続する。
【００３５】
図２ｃは、広い溝３２が頂点１８’’間に画定される構成を示すが、溝の側壁間に平坦な表面を設けるのではなく、複数のより小さい頂点３３が、頂点１８’’の側壁間に位置する。したがって、これらのより小さい頂点３３は、これら頂点間に二次的な溝３４を画定する。頂点３３は、頂点１８’’と同じレベルに達しても達しなくても良く、図示のとおり、内部により小さい溝３４が分散した第１の広い溝３２を形成する。頂点１８’’および３３は、これら頂点自体または互いの頂点に関して均一に分布する必要はない。より小さい溝３４は、溝の長さに沿った摩擦力を変更することにより、比較的広い溝３２を通る流体の流れを調節するために使用される。
【００３６】
図１および図２ａ〜図２ｃは、長形の直線状に構成された溝を示すが、溝は、他の構成で設けることもできる。たとえば、溝は、溝の長さに沿って変化する断面幅を有することができ、つまり、溝は溝の長さに沿って分岐するか、および／または合流することができる。溝の側壁は、溝の延長方向に、つまり溝の高さ方向に直線ではないように輪郭を付けても良い。一般に、流体輸送装置内で第１位置から第２位置まで延在する少なくとも複数の分離溝部分を形成する任意の溝構成が考えられる。溝は、必要なら、長さ全体に沿って分離した状態を保つように構成できる。
【００３７】
図３ａおよび図３ｂは、本発明の能動的流体輸送装置内に構造化表面を画定する溝構成を略平面図で示す。図示のとおり、分離して並列ではない複数の合流溝３６は、流体を中間で収集するようになっている。これらの合流溝３６は、単一の分離溝３７を接続する。これは、溝に設ける出口ポートを最小限にする。図３ｂに示すとおり、中央溝３８は、同様の理由で特定の領域に適用されるように設計される複数の溝分岐点３９に接続する。やはり、第１位置から第２位置までの構造化表面の一部に複数の分離溝が設けられる限り、本発明により、概してどのようなパターンも考えられる。上記の実施態様と同様、図３ａおよび図３ｂに示すパターン化された溝は、キャップ層で覆い、隣接する溝に本質的に関係なく、特定の溝に沿って電位を受け入れることができる分離流路をさらに画定することが好ましい。
【００３８】
上記および本発明による何れかの溝については、こうした溝は、層の第１主面の構造化表面によって構造化層内に画定される。本発明による溝は、１つの溝が他の溝に関係なく周囲環境から流体を受け入れることができるように分離させて構成される。各々の溝の微細構造サイズは、多量の流体の単一相の流れを促進する。液体内に閉じ込められない場合、騒音の発生は著しく減少し、能動的流体輸送装置を介して輸送される液体に加わる応力を比較的少なくすることができる。
【００３９】
本発明による微細構造化表面の個々の流路は、実質的に分離している。つまり、流体は、隣接する溝内の流体に関係なく、溝を通って移動することができる。溝は、互いの溝に対する電位を個々に受け入れ、隣接する溝に関係なく、流体を特定の溝に沿って、または特定の溝を通って方向付ける。１つの流路に入る流体は、有意な程度まで隣接する溝に入らないことが好ましいが、隣接する溝間で多少の拡散はある。流体を効果的に輸送し、こうした溝が提供する利点を維持するには、微細溝の分離性を効率的に維持することが重要である。しかし、すべての実施態様について、すべての溝を分離させる必要があるわけではない。いくつかの溝は分離しているが、他の溝は分離していなくて良い。さらに、溝の「分離性」は、たとえば変動する圧力によって推進される一時的な現象である。
【００４０】
米国特許出願第０９／０９／０９９，５６５号には、キャップが取り付けられてなく、嵌合する輪郭（たとえば、平坦な表面に配置された平坦な構造化溝付き表面）を有する表面に装置を配置したときにキャップが取り付けられる能動的流体輸送装置が開示されている。この特許出願は、本出願と同一の日に提出され、タイトルは「Ｆｌｕｉｄ Ｇｕｉｄｅ Ｄｅｖｉｃｅ Ｈａｖｉｎｇ Ａｎ Ｏｐｅｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ Ｓｕｒａｆａｃｅ Ｆｏｒ Ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ Ｔｏ Ａ Ｆｌｕｉｄ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｓｏｕｒｃｅ」（流体輸送源に取り付けるための開放構造化表面を有する流体案内装置）である。
【００４１】
この構造化表面は、１０：１、実施態様によっては約１００：１を超える、他の実施態様では少なくとも１０００：１の最小アスペクト比（長さ／水力半径）を有する分離流路を画定する微細構造化表面である。上端では、アスペクト比は不定に高くて良いが、概して約１，０００，０００：１未満である。溝の水力半径は、約３００μｍ以下である。多くの実施態様では、水力半径は１００μｍ未満であるが、１０μｍ未満でも良い。水力半径は、多くの用途でより小さい方が概して良いが（水力半径は１μ未満のサイズで良いが）、殆どの実施態様の場合、１μｍ未満ではない。以下にさらに詳しく説明するとおり、これらのパラメーター内で画定される溝は、能動的流体輸送装置を介して効果的に多量の流体を輸送することができる。
【００４２】
構造化表面は、非常に低い輪郭で形成することもできる。したがって、構造化ポリマー層の厚さが５０００μｍ、ことによると１５００μｍ未満の能動的流体輸送装置が考えられる。そのためには、溝は、約５〜１２００μｍの高さを有し、頂点の距離が約１０〜２０００μｍの頂点によって画定することができる。
【００４３】
本発明による微細構造表面は、システムの容積が高度に分散している流動システムを提供する。つまり、こうした流動システムを通過する流体の容積は、大面積に分布する。溝を横断して測定して、１線センチメートル当たり約１０個（１インチ当たり２５個）から１線センチメートル当たり１，０００個（１インチ当たり２５００個）までの微細構造溝密度は、高度な流体輸送速度を可能にする。一般に、共通のマニホールドを使用する場合、個々の溝は、溝の入口および出口に配置されるマニホールドより少なくとも４００％を超えるアスペクト比、さらに好ましくは少なくとも９００％を超えるアスペクト比を有する。アスペクト比がこのように著しく増加すると、電位効果が分散して、本発明の注目すべき利点に寄与する。
【００４４】
図４は、図１に関して上記で説明した装置１０に類似する能動的流体輸送装置を組み込まれた液体収集／排出マット４０を示す。液体収集／排出マット４０は、図１のモジュール２５に類似しているが、ペナント構成であり、支持層４２と液体吸収層４４との間に挟まれた毛管モジュール２５’を備えることができる。液体吸収層４４は、マット４０を使用するときに毛管モジュール２５’の上に配置されて、液体収集装置または貯蔵装置として機能し、層に接触する液体が層を通って移動することを可能にする。液体吸収層４４は、不織ウェブ、特に溶融吹込マイクロファイバおよびマイクロファイバマイクロウェブを含む不織ウェブなど、上記の機能を果すことができる本質的にどの材料からも構成することができる。適切なウェブ材料の一例は、Ｉｎｓｌｅｙに付与された米国特許第４，８１３，９４８号に記載されている。支持層４２は、液体収集／排出マット４０に構造上の支持体および完全性を提供するだけではなく、収集される液体に対して完全に不浸透性であることが好ましい底面を画定する。したがって、液体は、液体吸収層４４内で収集されて保持され、支持層４２を通過することが防止される。毛管モジュール２５’は、真空発生器などのような電位源に好ましくは密封接続されるマニホールド４６などのようなコネクタを備える。
【００４５】
毛管モジュール２５’は、液体抽出マット４０の長さ全体の様々な場所で入り口４８を露出するように賦形することが好ましい。このための１つの方法は、マニホールド４６付近の１点から液体抽出マット４０の反対側の縁部に向かって収束する傾斜縁部４９を毛管モジュール２５’に設けることである。傾斜縁部４９を使用すると、各々の入り口４８の断面積が拡大する。図４ａは、様々な溝の入口４８が拡大された縁部４９の部分を示す。入口４８は、液体抽出マット４０の構造内で、好ましくは液体抽出マット４０の実質的に全長に沿って、さらに構造全体の様々な横断幅部分で開いている。その他の賦形済み縁部を設けて、類似かまたは異なる結果を得ることができる。たとえば、比較的多量の流体を回収する必要があると思われるマット製品の特定の領域に入口の集合を集中させることが望ましい場合がある。また、複数の毛管モジュール２５’を単一の液体抽出マット４０内に組み込むこともできる。複数の毛管モジュール２５’は、各々のモジュールを別個のマニホールドまたは共通のマニホールドに接続させて、液体抽出マット４０の同じ側または異なる側から設けることができる。
【００４６】
液体吸収層４４と支持層４２との間に毛管モジュール２５’が挟まれた液体収集および抽出マット４０を構成することにより、液体吸収層４４が支持層４２上に直接配置され、間に毛管モジュール２５’が存在しないマット４０の大部分の液体保持能力得ることができる。つまり、キャップ層２４（液体浸透性で良い）を能動的流体輸送装置４１内に組み込むと、流体は、装置４１を囲む比較的下方の領域に流入する傾向がある。入口４８において、かつ能動的流体輸送装置４１の任意の数の独立した溝を介して流体を吸引することにより、液体抽出マット４０の実質的に全体の表面から流体を効果的に除去することができる。
【００４７】
マット４０は、支持体層４２が層１２のような微細構造化表面であるように構成すると良い。支持層４２はなくても良いし、構造化層１２は、毛管モジュール２５’を超えて、かつ好ましくは液体吸収層４４の表面全体の少なくとも下（つまり大部分の下）に延在するサイズで良い。こうした実施態様では、延在する構造化層１２は、流体がマット４０の下を通るのを妨げる支持層として作用する。延在する構造化層は、層１２と一体で良い。「一体」とは、支持層と構造化層１２とが１つの同一のものである、つまり、同時に製造されるのであって、別個に製造されてから一緒に結合されるのではないことを意味する。こうした支持層内の溝は、図３ａおよび図３ｂに示すように樹枝状に構成されて、流体が延在層１２の先端から毛管モジュール２５’内に移動するのを防ぐようになっている。
【００４８】
本発明による微細構造化溝を使用すると、能動的流体輸送装置４１は、実質的に騒音を発生させずに流体を除去することができる。上記のとおり、これは、主に、微細構造化溝が、独立する溝の各々からの流体の単相流を促進して、空気／液体の混合および乱流が最小限になるからである。この単相流は、溝を通るプラグ流または連続単相流として動作する場合もある。
【００４９】
既に記載したような液体抽出／排出マットは、流体が吐出され、除去する必要がある領域に用途がある。こうした用途としては、外科手術領域内の床および機器、手術ドレープ、ベッドパッド、並びに垂れ流し用のおむつおよびパッドなどのような日常介護用考案物におけるより小さい構成の床および機器から流体を除去することが挙げられる。抽出マットは、漏出するかまたはさもなければ機械から滴下するオイルおよびその他の液体を除去する工業用途に使用することもできる。
【００５０】
毛管モジュールの多くの構成は、所望の性能を提供するように設計することができる。複数層の線形微細構造物を使用して、モジュールの単位幅当たりの処理量が増加される。端部マニホールドを備えるモジュールは、図面に示すように、構造化層の外周部つまり外側の境界ではなく内部境界上に露出する溝入口を形成するように構成することができる。溝入口は、層の内部部分を切り取って構造化層上に露出させることができる。この方法は、真空などのような電位源に直結する溝入口、並びに端部マニホールドおよび直結する溝を介して電位源に接続される開口部を露出させる。
【００５１】
同様に構成されているが、微細構造化流路を覆う選択的に浸透性の分離媒体を有する装置は、本願と同一の日に「Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ」（微細構造化分離装置）という表題で提出された米国特許出願第０９／１００，１６３号に記載されている。
【００５２】
図５に示すように、各々の層が微細構造化表面１３を有する複数の層１２は、積層体５０を形成するように構成することができる。この構成は、各々の層が流動能力を著しく増加させるため、構造が流体を輸送する能力を明らかに増加させる。これらの層は、特定の用途に応じて、異なる溝構成か、および／または多数の溝を含むことができる。さらに、このタイプの積層体状構造は、幅が限られているため、特定の流体輸送能力が必要な比較的細い流体輸送装置を必要とする用途に特に適している。こうして、細い装置の流動能力を増加させることができる。
【００５３】
積層体５０の著しい利点は、層１２の第２主面５１（構造化表面１３の反対側の表面）が隣接層１２の溝を遮断する、つまりキャップをかぶせることができる点である。つまり、別個のキャップ層は不要であり、第２主面を利用して、一番上の層の露出した微細構造化表面１３を特に覆うことができる。しかし、別個のキャップ層を追加の層として、第２主面５１上に配置しても良い。こうした追加層に選択される材料はポリマー材料であるか、さもなければ特定の用途に応じて選択する。積層体内の層は、上記のとおり、任意の数の従来の方法で互いに付着させることができるか、または積層体の構造上の完全性が分離流路を正しく画定するように、互いの上に単に積層することができる。上記のとおり、この能力は、真空を電位源として使用すると強化される。第２主面５１は、図示のとおり平らであるか、または表面１３に類似するかもしくは異なる構造化表面で良い。
【００５４】
図５に示す装置は、５つの構造化表面１２の積層体を備えるが、積層体は、他の数の積層体、たとえば１０個を超えるかまたは１００個をも超える構造化層を有するように構成することもでき、より大きい積層体に合流する支流積層体を備えることもできる。たとえば、図５に示す５層積層体を４つに分割して、４つの支流積層体各々（溝入口を有する）を、図５に示すより大きい積層体構成に合流させて、電位源と連通するコネクタに取り付けても良い。この積層体は、電位が異なる複数の電位源を積層体内の部分集合に取り付けることを可能にする複数のコネクタを備えることができる。
【００５５】
積層体状微細構造化溝は、本願と同一の日に「Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ Ｍｅｄｉａ」（構造化表面濾過媒体）という題名で提出された米国特許出願第０９／１０６，５０６号に記載されている濾過媒体として使用することもできる。
【００５６】
図６では、図５に示すような積層体状構造をアスピレータ５４に使用する。アスピレータ５４は、各々の層が、その一方の主面上に微細構造化ポリマー表面１３を有する複数の層１２を含む積層体５０を使用している。層１２の第２主面５１は、隣接する下層１２の溝１６を閉鎖して、アスピレータの先端または端部に複数の溝入口１９を有する積層体つまり毛管モジュール５０を形成するキャップ層として機能する。第２主面５１はポリマーであるか、または必要に応じて金属箔など、他の材料で覆っても良い。
【００５７】
毛管モジュール５０は、管５６およびアダプタ５８を備えるコネクタ５５に結合することができる。管５６は、真空などのような電位源に固定するか、または結合する。アダプタ５８は、断面が方形の毛管モジュール５０を密封接続領域５９部分で円形断面の管５６に結合する。アダプタ５８は、従来どおり、接着剤またはその他の接合技術により管５６およびモジュール５０に密封接続する。積層体またはモジュール５０は、導管または管でさらに囲んでも良いし、囲まなくても良い。あるいは、管５６およびモジュール５０は、管５６およびモジュール５０の端部が挿入されてから収縮する熱収縮管の部分で一緒に接続することもできる。層１２、ひいていは積層体５０は、アダプタ５８から短距離のみ延在して比較的剛性のアスピレータ端部を形成するか、または層１２をさらに延在させると、アスピレータ５４をさらに可撓性にすることができる。可撓性で馴染みやすいアスピレータ端部を形成するには、個々の層１２は接合しないか、または層の特に端部の表面全体で互いに対して固定し、層１２が溝１２の長手方向で互いに摺動するかまたは移動できるようにすることが好ましい。こうした個々の摺動運動により、先端は、流路１６に垂直な軸線周囲で屈曲することができる。このモジュールは、アスピレータに使用する場合、一般に長さを約１〜１０ｃｍにする。剛性のアスピレータは、狭い空間に挿入するのに良く適するため、アスピレータの先端を比較的遠位の位置に配置して、しかもこの位置に至る経路に適合させることができる。
【００５８】
上記のとおり、毛管モジュール５０の上にシースを取り付けても良い。用途によっては、多孔性かまたは密閉シースを積層体の周囲に配置すると良い。多孔性シースは、シースがシーブまたはフィルタとして作用する用途に使用すると良く、密閉シース構成は、液体の輸送または抽出が必要な内視鏡手術の用途に特に適すると思われる。
【００５９】
活性流体輸送装置は、煙または気体排気装置として使用することもできる。たとえば、可撓性のアスピレータは、レーザ手術による煙が生じる用途に使用することができる。可撓性のアスピレータはさらに、メタンガス、充満する流体または気体を埋立地から回収し、ジオシンセンティックな膜として作用するように使用することもできる。
【００６０】
層１２は互いに接合しないことが好ましいが、必要なら互いに付着させて接続しても良い。層１２を互いに接合しない場合、積層体５０の完全性、および／または管５６を介して加わる真空に頼って、個々の流路１６を正しく画定することができる。本発明によると、層１２の微細構造化表面１３は、単相液体の流れを促進する流路１６を画定する。これも、騒音を減少させるという利点があり、医療分野では特に有益である。
【００６１】
互いに取り付けられない個々の層１２の積層体を含むアスピレータ５４のもう１つの利点は、積層体５０を分割して、複数のアスピレータ分岐点にさらに再分割することができることである。つまり、積層体５０の一部を流体Ｘが抽出されるある特定の位置に方向付けて、積層体５０の別の部分を流体Ｙが抽出される別の領域に方向付けることができる。特に、アスピレータ５４が、導管または管５６を介して供給される真空に頼って流体を除去する場合、任意の数のこうした分割を行い、複数の個々の分離流路を各々の分岐点内に形成することができる。管５６は、積層体５０内の各々の特定の分岐点または再分割点からの流体を流体自体の個々の導管に方向付けて、適切な流体の流れを可能にするように再分割することもできる。こうした装置により、潅水および／または吸引を同時に行うことも可能である。つまり、別個の導管を使用して、潅水流体および吸引流体を輸送することができる。この特徴は、歯科用途など、複数の箇所を同時に吸引する医療用途に特に有利である。
【００６２】
積層体になったモジュール構成は、互いに隣接して配置された複数の積層体を含むことができる。つまり、図５に示すような積層体を類似かまたは異なる積層体に隣接して配置することができる。こうして、これら積層体は、図６に示すようにアダプタにより一緒に集合されるか、または流体輸送管などに個々に取り付けることができる。
【００６３】
図６に示すアスピレータは本質的に線形の輪郭を有するが、実施態様によっては、異なる構成を有するアスピレータを使用することが望ましい場合がある。たとえば、管５６またはアダプタ５８および／または積層体５０は、アスピレータが様々な領域に達することができるか、またはアスピレータがアスピレータ自体を支持することができるように、湾曲させることができる、つまり湾曲可能である。たとえば、図６に示すアスピレータは、歯科医が、患者の口内に存在する唾液または水溶性洗浄液を抽出するために使用することができる。アスピレータは、その端部にフックを設けると、患者の口唇上に静止させることができる。管５６またはアダプタ５８は、こうした湾曲構成を形成するために可撓性であることが望ましく、非常に軟質の材料から製造するか、またはこうした材料を含むと、アスピレータを一時的に屈曲させて、こうした湾曲構成にすることができる。こうした装置は、従来の歯科用アスピレータで生じる騒音を克服する必要がなく、患者と歯科医、逆に歯科医と患者が容易に意思の疎通を図ることができるという点できわめて有利である。
【００６４】
その他の形状構成または物品も、機能を追加するために溝１６の入口１９の前面に設けることができる。たとえば、多量の綿ガーゼまたはスポンジ状材料を付着させることにより、軟質の繊維状端部をアスピレータの先端に配置することができる。この形状構成は、歯科またはその他の医療用途に特に有用である。たとえば、アスピレータに関連するかまたはアスピレータの代わりに潅水機能を提供するため、モジュールの溝出口側にも形状構成を追加することができる。
【００６５】
現在のアスピレータ技術は、吸引された液体を獲得して輸送するために比較的大径の管を使用する。これらの管が１ｃｍ以上の内径を有することは一般的ではない。一般的ではないが、使用時に管が完全に充満しない限り、アスピレータは、主に２相流で機能し、空気が流動システム内の液体の移動を誘発する連続相である。この場合、流動空気の推進力が液体を輸送するのに十分なより大きい空気対液体比が必要である。空気流の必要な推進力は、代表的な医療用アスピレータの機能に多くのマイナスの影響を及ぼす。これらのマイナスの影響としては、アスピレータ先端に接触する組織の外傷、吸引済み血液細胞に対する剪断および空気混入による損傷、高容量の空気流により生物災害が生じる可能性がある液体が噴霧される可能性、職業性被爆の増加、およびアスピレータ使用時の一般的な騒音レベルが挙げられる。
【００６６】
図７は、本発明による能動的流体輸送装置６０のさらにもう一つの実施態様を示す。装置６０は、図１に示す装置１０に類似する構成を含む。つまり、装置６０は、一方の主面に微細構造化表面を有するとともに、キャップ層６４で覆われた少なくとも複数の溝を有して毛管モジュール６５を形成する層６２を備える。キャップ層６４は、図１に関して上記に記載した厚さを有して良い。良好な熱伝達特性を可能にするには、キャップ層６４は、約．０２〜．２ｍｍの厚さを有することが好ましい。毛管モジュールは、図１に関して上記に記載した寸法を有して良い。溝（図示しない）は、入口（図示しない）が入口マニホールド６６と連通し、装置６０のもう一方の縁部では、出口マニホールド６８が溝出口（図示しない）と連通できるように配置することが好ましい。電位源は、流体をどのように装置を介して移動させる予定かに応じて入口マニホールド６６または出口マニホールド６８により輸送装置６０に接続することができる。たとえば、ポンプ（図示しない）を使用して、マニホールド６６を備えるコネクタを介してポンプを入口マニホールドに流体工学的に結合することにより、流体を入口マニホールド６６から出口マニホールド６８に移動させることができる。あるいは、こうしたマニホールドを備えるコネクタを介して、真空を出口マニホールド６８に連通させても良い。
【００６７】
能動的流体輸送装置６０は、特定の流体を装置６０に循環させて、流体を層６２または６４に接触させることにより流体の特性に影響を及ぼすことが望ましい場合に特に有用である。つまり、流体は、層６２および６４によって画定される溝を通過して処理される。流体の処理としては、溝表面上または溝表面内に配置された成分により促進される化学反応、触媒反応およびイオン化反応が挙げられる。たとえば流体成分を適切に形成された溝表面上に吸収することによる分離処理は、溝表面積対溝容積の割合が高い場合に効果的であると考えられる。同じ特質を使用して、通過する流体の探知または検出を可能にすることができ、この場合、接触層６２または６４が探知器または検出器システム内の流体界面構成要素として作用する。流体検出システムは、流体の導電性、ｐＨ、温度または組成を監視することができる。あるいは、流体が溝を循環するときに周囲環境による影響を受ける流体は、装置６０自体が探知器または検出システム内の要素として機能する検出システムの一部として監視することができる。流路の表面は、こうした物理的条件に反応するか、またはこうした物理的条件を検出するように機能化することができる。加熱または冷却を使用して、流体を熱的に処理することができる。微細構造化溝付き能動的流体熱交換器は、本願と同一の日に「Ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｅｄ Ａｃｔｉｖｅ Ｆｌｕｉｄ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ」（微細チャネル化能動的流体熱交換器）という表題で提出された米国特許出願第０９／０９９，６３２号（代理人名簿番号５３６３４ＵＳＡ８Ａ）に記載されている。組成が異なる流体の流れを一緒に合流させて、反応、希釈またはブレンドを生じる手段として互いに相互作用を及ぼして処理することもできる。あるいは、流体は、たとえば熱交換器などのような層６２または６４の一方または両方の特性を変化させることができる。顕微鏡または分光計などのような観察装置、検出装置または分析装置を層６２または６４から離れた位置に使用して、流体が溝を介して薄いフィルム内を通過するときに流体を分析することができる。場合によっては、著名な実施態様の何れかのように、可撓性、半剛性または剛性の材料から構造を製造することができる。
【００６８】
可撓性材料の場合、こうした装置の機械的に可撓性の性質により、装置を輪郭のある構成に使用することができる。可撓性の装置はより大きいため、破損させずに容易に取り扱うことができ、装置により影響を及ぼす必要がある大面積上に高度に分散した流体の流れを生じることができる。可撓性流体輸送装置は、たとえば患者を冷やすかまたは暖めるための毛布の形態を取ることができる。こうした可撓性装置は物体に馴染むか、またはたとえばクッション上に形成された物体と一緒に馴染むことができる。流体輸送装置は可撓性にすることができるが、荷重または捻転による崩壊に対する抵抗性を示すことができる。毛管モジュール６５の微細構造化された性質は、能動的流体輸送装置内に使用して、たとえば直立している人などのような支持体に、荷重を支持する完全性を与えるのに十分な構造を提供する。流路の小さいサイズ、および流路の幾何学的形状は、流路が崩壊しない状態で、たとえば１０ｋＰを超えるか、場合によっては５０ｋＰを超えるようなより大きい力を表面に加えることができる。
【００６９】
図８は、患者に使用され、収集容器５７に接続されるアスピレータ５４を示す。この場合、収集容器５７は、小型の真空ポンプなどのような電位源に接続することができる。図８に示すアスピレータは、血液、血漿もしくは人体の分泌物などのような体液、または緩衝済み塩水、殺菌溶液などのような手術用潅水流体を手術部位から除去するために使用することができる。
【００７０】
図９は、本発明による能動的流体輸送装置の複数の特定の用途の例を示す。医療分野では、液体収集および排出マット４０は、流出が生じそうな場所に配置して、流出した液体を吸収および除去することができる。除去作業は、必要に応じて連続して行っても、断続的に行っても良い。回収される流体としては、体液または医療用潅水流体がある。上記のアスピレータ５４は、たとえば体液を除去する医療処置を行うときに使用される様子を示し、患者は、たとえば暖めるかまたは冷やして患者に影響を及ぼすための可撓性毛布の形態の装置６０上に配置されているように示されている。
【００７１】
図７および図９に示す装置６０のような熱伝達装置には、利点がいくつかある。熱伝達流体は非常に小さい溝内に保持されるので、溝内に賃貸する流体は最小限である。溝内の層流の流体は、溝中心部の流体が最大速度を示す速度流プロファイルを示す。流体は、こうした流動体系における溝の境界では本質的に沈滞する。溝のサイズ、流体の熱伝導性、および流体が溝を流下するのに要する時間量に応じて、この流動プロファイルは、溝を横断する著しい温度勾配を生じる可能性がある。対照的に、本発明による最小アスペクト比および水力半径を有する溝は、熱伝達距離が短いため、溝を横断してより小さい温度勾配を示す。温度勾配がより小さいことは、流体が溝を通過するときの熱負荷が均一になるので有利である。
【００７２】
溝が小さいシステム全体における熱伝達流体の滞留時間も、入口マニホールド６６から出口マニホールド６８まで本質的に均一にすることができる。均一な滞留時間は、流体に加わる熱負荷の不均一性が最小限になるため有利である。
【００７３】
温度勾配の減少および均一な滞留時間の発現も全体的な効率に寄与し、特定の熱伝達率の場合、熱伝達流体と加熱または冷却される要素との間の温度差が比較的小さくなる。より小さい温度差は、局所的に高温領域または低温領域が生じる可能性を減少させる。こうした領域は、皮膚または組織に接触するなど、熱に敏感な用途に熱交換器を使用するときに望ましくないと思われる。熱伝達モジュール内の熱伝達流体の単位容量当たりの接触表面積が広い場合、システムの容量効率が高まる。
【００７４】
熱伝達装置は、狭い領域で特に有用である。微細構造支持フィルムに基づくユニットの材料は経済的なので、こうしたユニットは、汚染問題に対処して廃棄する必要がある医療用装置などのような限られた用途または単一の用途に適する。
【００７５】
本発明の熱伝達装置は、可撓性であるために、様々な用途に使用できるという利点がある。この装置は、極度な屈曲または湾曲の周囲に輪郭を形成することができる。可撓性は、不規則な表面に密接に接触する必要がある状況で装置を使用することを可能にする。熱交換器など、本発明の流体輸送装置は、非常に可撓性であるから、装置または毛管モジュールが、流路または構造化ポリマー層を著しく狭窄しない状態で、約１ｉｎ（２．５４ｃｍ）径以上のマンドレル周囲に適合するように形成することができる。本発明の装置は、熱伝達装置が直径約１ｃｍのマンドレル周囲に悪影響を及ぼさないように適合することを可能にするポリマー材料から形成することもできる。
【００７６】
構造化表面、特に微細構造化表面をポリマーフィルムなどのようなポリマー層上に形成することは、Ｍａｒｅｎｔｉｃ等に付与された米国特許第５，０６９，４０３号および第５，１３３，５１６号に記載されている。さらに、構造化層は、Ｂｅｎｓｏｎ，Ｊｒ．等に付与された米国特許第５，６９１，８４６号に記載されている原理またはステップを使用して連続的に微細複製することができる。微細構造化表面について記載しているその他の特許としては、Ｊｏｈｎｓｔｏｎ等に付与された米国特許第５，５１４，１２０号、Ｎｏｒｅｅｎ等に付与された第５，１５８，５５７号、Ｌｕ等に付与された第５，１７５，０３０号、およびＢａｒｂｅｒに付与された第４，６６８，５５８号が挙げられる。
【００７７】
こうした技術により製造される構造化ポリマー層は、微細複製することができる。微細複製された構造化層を形成することは、製品ごとに実質的に変化せず、比較的複雑な加工技術を使用しなくても、表面を大量生産することができるので有利である。微細複製された表面は、構造化表面の形状構成が、個々の形状構成の忠実度が製造時に製品ごとに２５μｍ以上変化しないように製造することが好ましい。
【００７８】
本発明による何れかの実施態様の流体輸送層は、熱可塑性、熱硬化性および硬化性ポリマーなど、各種のポリマーまたはコポリマーから形成することができる。本明細書で使用する場合、熱可塑性とは、熱硬化性と異なり、熱を加えられたときに軟化および融解し、冷却されたときに再凝固して、多数のサイクルを通して融解および凝固できるポリマーを意味する。一方、熱硬化性ポリマーは、加熱または冷却されたときに不可逆的に凝固する。ポリマー鎖が相互に連結するかまたは架橋する硬化ポリマー系は、化学薬剤または電離線を使用して室温で形成することができる。
【００７９】
本発明の製品に構造化層を形成するのに有用なポリマーとしては、ポリエチレンおよびポリエチレンコポリマーなどのようなポリオレフィン、ポリプロピレン、エチレン／ビニルアセテートポリマー、エチレン／エチルアクリレートポリマーが挙げられるが、これらだけに限らない。その他の有用なポリマー材料としては、ビニルポリマー（たとえば、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、塩化ビニル／ビニルアルコールコポリマー、ポリ塩化ビニリデン、ポリ二フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ））、アクリレートポリマー（たとえば、ポリメチルメタクリレート）、ポリカーボネートポリマー、ポリエステル（たとえば、ポリエチレンテレフタレート）、ポリアミド（たとえば、ナイロン）、ポリウレタン、多糖類（たとえば、セルロースアセテート）、ポリスチレン（たとえば、ポリスチレン／メチルメタクリレートコポリマー）、ポリシロキサンポリマー（たとえば、ポロシロキサンおよび有機ポリシロキサンポリマー）がある。流体輸送部材は、アクリレートまたはエポキシ樹脂などのような硬化性樹脂材料（モノマー／プレポリマー混合物）から成型するか、または熱、紫外線、γまたは電子ビーム放射線に暴露することにより化学的に促進された遊離基重合過程から硬化させることができる。可塑剤、充填剤または増量剤、酸化防止剤、紫外線安定剤、界面活性剤などを本発明のポリマーに使用しても良い。
【００８０】
上記のとおり、可撓性能動的流体輸送装置が望ましい用途がある。可撓性は、Ｓｍｉｔｈ等に付与された米国特許第５，４５０，２３５号およびＢｅｎｓｏｎ，Ｊｒ．等に付与された第５，６９１，８４６号に記載されているポリマーを使用して、構造化ポリマー層に与えることができる。必ずしも、可撓性ポリマー材料からポリマー層全体を製造する必要はない。たとえば、本体層（図１の１５）を可撓性ポリマーから構成し、構造化部分またはある部分をより剛性のポリマーから構成することができる。この段落に記載する特許では、細構造化表面を有する可撓性製品を製造するためにポリマーをこのように使用している。本体層は、必要ならポリマー以外の材料からも製造できると考えられる。
【００８１】
ポリマーブレンドを含むポリマー材料は、界面活性剤または抗菌剤などのような可塑化活性剤を溶融ブレンドして変性させることができる。構造化表面の表面変性は、電離線を使用して官能性部分を蒸着するか、または共有グラフト結合して行うことができる。電離線によりモノマーをポリプロピレン上にグラフト重合させる方法および技術は、米国特許第４，９５０，５４９号および第５，０７８，９２５号に開示されている。ポリマーは、様々な特性をポリマー構造化層に与える添加剤をさらに含むことができる。たとえば、可塑剤を添加すると、弾性率を低下させて可撓性を改善することができる。
【００８２】
流体（気体および液体の両方）の能動的輸送は、ユニットの多くの動作の中心である。こうした動作としては、たとえば熱伝達、物質移動、イオン交換、および反応性化学作用が挙げられる。さらに、本発明は、化学反応器または放射線反応器などのような用途における能動的薄膜反応のための装置および方法を提供する。化学反応器の場合、化学薬品または触媒は、微細構造化表面または界接する表面上に同様に支持することができる。放射線反応器の場合、ある形態の放射線を表面を介して伝達して、伝達される流体にある効果を生じさせることができる。
【００８３】
本発明の好ましい実施態様は、微細構造を支持する要素として平行な線形トポグラフィを有する薄い可撓性ポリマーフィルムを使用する。本発明の目的上、「フィルム」は、ポリマー材料の薄い（５ｍｍ厚未満）ほぼ可撓性のシートであると考える。高度に画定された微細構造支持フィルム表面を有する安価なフィルムを使用する経済的価値は大きい。可撓性フィルムは、多様なキャップ形成材料と組み合わせて使用することができ、必要なら支持されない状態で使用するか、または支持本体と組み合わせて使用することができる。こうした微細構造化表面およびキャップから形成された毛管モジュールは、多くの用途に対応性があるが、用途によって可能なら、剛性の構造本体と組み合わせても良い。たとえば、微細構造化表面を使用して流体を吸引する場合、ハンドルとして役立つ剛性の本体にモジュールを取り付けることが望ましい。構造化表面は、各々の溝が連続表面上に形成されて、個々の流体が別個に構成された溝間で移動することを可能にする独立する溝を有する。
【００８４】
本発明の能動的流体輸送装置は、微細構造化溝を備えるので、１つの装置について複数の溝を一般に使用する。上記で説明した実施態様のいくつかに示すように、本発明の能動的流体輸送装置は、１つの装置当たり１０個または１００個を超える溝を容易に有することができる。用途によっては、能動的流体輸送装置は、１つの装置当たり１，０００個または１０，０００個を超える溝を有する場合がある。個々の電位源に接続される溝が多ければ、電位効果をさらに高度に分散させることができる。アスピレータなどのような装置の場合、一般的に使用される電位は、約２０〜約４０ｋＰａであり、さらに一般的には約４０〜約６０ｋＰａである。
【００８５】
本発明の創意に富んだ能動的流体輸送装置は、断面積１平方ｃｍ当たり１０，０００個もの溝を有する場合がある。本発明の能動的流体輸送装置は、１平方ｃｍ当たり少なくとも約５０個の溝入口を有することができる。代表的な装置の１平方ｃｍ当たりの入口は、約１，０００個である。単位断面積当たりこのように多くの溝入口を有することにより、電位効果が能動的流体輸送装置の当該位置にきわめて高度に分散するので、溝入口領域に接触する物体に加わる力は無視できる程度である。
【００８６】
実施例
実施例１−液体収集／排出マット
真空補助液体収集装置は、平坦なフィルムで覆われた微細構造化溝を含むポリマー層から形成した毛管モジュールを使用して構成した。この装置は、図４に示す装置を真似た。この装置を完成させるため、毛管モジュールの上に不織吸収材を配置し、モジュールを真空源に取り付けた。
【００８７】
この毛管モジュールは、微細構造化溝を支持するポリマー層をＳｃｏｔｃｈ Ｐａｃｋ（登録商標）タイプの２９９０５フィルムの単一の層に積層して形成した。微細構造支持層は、一方の表面に微細構造化溝を有するニッケル工具上に溶融ポリマーを流延して形成した。構造化層の形成に使用したポリマーは、低密度ポリエチレン、つまりＥａｓｔｍａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙが市販するＴｅｎｉｔｅ（登録商標）１５５０Ｐだった。このポリマーの割線係数は、ＡＳＴＭ Ｄ７９０で決定して１９３×１０⁶パスカルだった。非イオン界面活性剤、つまりＲｏｈｍ ＆ Ｈａａｓ Ｃｏｍｐａｎｙが市販するＴｒｉｔｏｎ Ｘ−１０２を原ポリマー中に溶融ブレンドして、構造化層の表面エネルギーを高めた。溝は、流延ポリマーの連続する長さに形成された。ニッケル流延工具は、ダイヤモンド切削工具を使って滑らかな銅表面を賦形して所望の構造を製造し、次に、無電解ニッケルめっきステップを続けてニッケル工具を形成した。ポリマー層を形成するために使用する工具は、図２ａに示す微細構造化「Ｖ」形溝を形成するように作った。形成された溝は、交渉深さが４５９μｍ、開口幅が４２０μｍだった。これで、キャップを取り付けたときに水力半径が６２．５μｍの溝が形成された。構造化ポリマー層とキャップ層の寸法はともに、４０×１０ｃｍだった。微細構造支持層の線形微細構造は、積層品の長軸に平行だった。ポリマー層およびキャップ層は、微細構造化溝が低融点のＳｃｏｔｃｈ Ｐａｃｋ（登録商標）フィルムに面するように並置させた。
【００８８】
次に、熱溶接により、構造化層およびキャップ層を一緒に溶融させた。加熱溶接部は約５ｍｍ幅であり、外側縁部上のみ積層品の長軸に平行に配置した。毛管モジュールの構成は、溶接済み積層品の一方の端部を山形に切断して、モジュールの長軸に沿って毛管の開口部を露出させて完了した。
【００８９】
毛管モジュールを不織吸収材層と薄い液体不浸透性フィルムとの間に挟んで組み立てた。吹込マイクロファイバ吸収材は、Ｉｎｓｌｅｙに付与された米国特許第４，８１３，９４８号に記載されているように作成したが、直径５〜１０μｍのファイバを１５デニールのＰＥＴステープルファイバ（２０重量％）およびマイクロファイバのマイクロウェブ（２０重量％）に結合させたポリプロピレン（Ｆｉｎａ４００ＭＦＩ）マイクロファイバ（６０重量％）のソースウェブから構成した。ノースキャロライナ州、シャーロットのＨｅｎｋｅｌが市販している非イオン界面活性剤タイプのＯＰ９は、ファイバ添加速度１０重量％で押し出すときに、すべてのマイクロファイバ要素中の樹脂と溶融ブレンドして、ファイバを水分で瞬間的に湿潤可能にした。結果として得られたウェブの重量および堅さは、それぞれ１８０ｇ／ｍ²および６％だった。このウェブの嵩吸収性は２，０００ｃｍ³／ｍ²だった。支持体層は、０．０２ｍｍのフィルムだった（Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌの７５重量％のＰＰ／２５重量％のＥＶＡ）。吸収性ウェブおよび支持体層は、ホットメルトスプレー接着剤を使用して一緒に保持した。この接着剤（ミネソタ州、セントポールのＨ．Ｂ．ＦｕｌｌｅｒのＨＬ−１３５８−Ｘ Ｚｐ）を１０ｇ／ｍ²の速度で吸収材に塗布した。毛管モジュールは、モジュールの小部分のみが吸収材および支持体層を超えて延在するように構造内に配置した。モジュールの山形端部は、吸収性シートの中心に整合配置させた。
【００９０】
次に、毛管モジュールの延在端部上にマニホールドを取り付けた。このマニホールドは、管部分、つまりニューヨーク州、ロチェスターのＮａｌｇｅ Ｃｏ．が市販しているＶＩグレードの内径３．１８ｍｍ、壁厚１．６ｍｍの管の側壁に切込みを配置して形成した。このスリットは、管の軸栓に沿った直線に剃刀で切り取った。スリットの長さは、毛管モジュールの幅とほぼ同じだった。次に、この管を毛管モジュールの端部上に取り付けて、所定の位置にホットメルト接着した。毛管モジュール部分の管の一方の端部は、ホットメルト接着剤で密閉した。
【００９１】
吸収材に流体を飽和させて、管を介して真空源に毛管モジュールを取り付けて装置の流体排出能力を評価した。試験ユニットは、吸収材側を上に向けて、天井荷重秤の上部に配置した皿の中に入れた。２８ｍｍ水銀（Ｈｇ）の真空をユニットに加えた後、パッド内の水分の量を記録して、液体の排出率を決定した。排出率の結果を以下の表１に示す。
【００９２】
【表１】

【００９３】
表から分かるとおり、装置は、排出点から液体を収集および除去する上で効果的だった。試験ユニットは、高度の飽和または流入レベルの液体を管理するのに特に適しており、毎分１リットルに近い割合で液体を排出することができた。このユニットは、複数の流体充填物を受け入れることができ、本質的に音がしない状態で動作した。吸引ビン内で観察されたように、排出流体とともに閉じ込められた空気は、比較的少量のみだった。液体収集／排出マットは、耐久性かつ可撓性であり、上にマットが配置された表面の輪郭を被覆して馴染む能力を示し、鋭利な輪郭上で屈曲しても、毛管の構造を損なうことはなかった。毛管モジュールの微細構造化表面は機械的に耐久性があり、直立しているか、または表面上を転動するローラを備えている椅子に着席した個人（約２５ｋＰａ）の重量に耐え、モジュールが破壊することはなかった。
【００９４】
実施例２−医療用吸引装置
図６に示すアスピレータに類似する真空補助吸引装置は、図５に示す積層体に類似するポリマー微細構造化溝層の積層体を使用して構成した。この積層体は、一方のフィルム層が隣接する層の滑らかな裏側に面して毛管モジュールを形成するように、実施例Ｉの微細構造化溝支持層のストリップを一緒に積層して作製した。微細構造化ポリマー層の線形溝付き構造は、積層体の長軸に平行に方向付けた。個々の支持ポリマー層の寸法は、５ｍｍ×１１５ｍｍだった。１０個の構造化ポリマー層を使用して、毛管モジュールを形成した。真空の取付けを容易にするため、マニホールドを積層体の一方の端部に取り付けた。このマニホールドは、積層体の端部上に配置された熱活性化収縮管および実施例１で使用したような接合管から形成した。次に、収縮管ＦＰ−３０１−１／４”（ミネソタ州、セントポールの３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙが市販）を取付管および積層体の両方の周囲で熱活性化させた。
【００９５】
ユニットの収集および伝達能力を試験するため、２５ｍｌの目盛り付きシリンダに水を充填し、排出した。２８ｍｍＨｇの真空源を毛管モジュールのマニホールドに取り付けた後、アスピレータの先端を接触させて液体表面の下に約５ｍｍ延在させた。アスピレータの先端は、コラムが引っ込むときに表面から下に移動した。目盛り付きシリンダから水を排出するのに要した時間は７秒であり、平均排出率は毎分２１４ｍｌだった。
【００９６】
吸引ユニットの溝は小さいため、収集された液体とともに閉じ込められた空気は殆どなかった。これは、公知のアスピレータ技術と比べて重要な特質である。
【００９７】
実施例のユニットは、約２００個の個々の溝を備えており、各々の溝のアスペクト比は１８４０対１、水力半径は６２．５μｍだった。毛管モジュールの小さい溝は、吸引された流体が容易に流入し、その結果、流体を輸送するために２相流体制で動作しなかった。
【００９８】
このユニットは、吸引モジュール上に加わる圧力降下は少ないため、このユニットは、カニューレまたは手術用の排水溝として使用することができると思われる。このユニットは、開放管ではなく、毛管に流体が満たされた毛管で動作するので、空気が人体の窩洞内に逆流する可能性を最小限にすると思われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 構造化層１２がキャップ層２４と結合して、真空源１４に連通する複数の分離溝１６を形成する、本発明による能動的流体輸送装置１０の斜視図である。
【図２ａ】 構造化層１２、１２ｂ、１２ｃの端面図であり、本発明による能動的輸送装置に使用できる溝構成を示す。
【図２ｂ】 構造化層１２、１２ｂ、１２ｃの端面図であり、本発明による能動的輸送装置に使用できる溝構成を示す。
【図２ｃ】 構造化層１２、１２ｂ、１２ｃの端面図であり、本発明による能動的輸送装置に使用できる溝構成を示す。
【図３ａ】 構造化層の略上面図であり、本発明による能動的輸送装置に使用できる代替溝構造を示す。
【図３ｂ】 構造化層の略上面図であり、本発明による能動的輸送装置に使用できる代替溝構造を示す。
【図４】 本発明による液体回収装置４０の斜視図である。
【図４ａ】 線４ａ−４ａに沿って切った図４の液体回収装置４０の部分断面図である。
【図５】 構造化層１２が互いの上に配置され、層１２の底部主面５１が下層の構造化表面１３を遮断して複数の分離溝１６を画定する積層体５０の端面図である。
【図６】 複数の微細構造化層１２の積層体５０を使用する、本発明によるアスピレータ５４の斜視図である。
【図７】 微細構造化層６２がキャップ層６４で覆われて、第１マニホールド６６と第２マニホールド６８との間に接続された複数の分離溝（図示しない）を画定する、本発明によるもう１つの能動的流体輸送装置６０の斜視図である。
【図８】 患者に対する図６に示すアスピレータ５４の使用を示す。
【図９】 手術室における能動的流体輸送装置４０、５４および６０の複数の使用を示す。
図中、類似の構成要素は、いくつかの図面を通して類似の参照符号で示す。

Claims (5)

1. 能動的流体輸送装置であって、
   （ａ）複数の分離流路が上に配置された構造化表面を備える第１主面を有するポリマー材料の層であって、該流路が構造化表面に沿って第１位置から第２位置まで延在し、最小アスペクト比が約１０：１であり、水力半径が約３００μｍ以下である層と、
   （ｂ）前記分離流路と連通するコネクタであって、電位を前記構造化表面の外側の電位源から前記流路に加えて、流体が前記流路を通って第１位置から第２位置まで移動するのを促進することを可能にするコネクタと、
   を含む能動的流体輸送装置。
2. 請求項１記載の能動的流体輸送装置を含む液体収集／排出マットであって、該マットを使用するときに、ポリマー材料層の上に配置される液体吸収層をさらに含み、該液体吸収層が、該液体吸収層に接触する液体が該液体吸収層を通って移動することを可能にする液体収集／排出マット。
3. 請求項１記載の能動的流体輸送装置を含むアスピレータ。
4. 請求項１記載の能動的流体輸送装置を含む熱交換器。
5. 前記流路は、流体が前記流路に接触する時に化学反応、触媒反応又はイオン化反応を生じることを可能にする成分をさらに備えていることを特徴とする、請求項１に記載の能動的流体輸送装置。

Images