JP7222980B2 - マイクロデバイスの推進および制御 - Google Patents
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Description
本出願は、2017年5月4日に出願された米国仮特許出願第62/501,156号に対する利益を主張し、その優先日は本明細書に主張される。
●第1の材料(M1)を含み、かつ粘弾性媒体内においてある方向を有する、主要本体であって、第1の閾値(T1)での第1の刺激場(SF1)の印加時に、主要本体の方向が変化する、該主要本体と、
●第1の構成を有し、かつ第2の材料(M2)を含む、1つ以上の記憶形状要素(MSE)であって、第2の材料は、エラストマーを含み、MSEは、第2の閾値(T2)での第2の刺激場(SF2)の印加時に、第2の構成を採用する、該1つ以上の記憶形状要素(MSE)と、を含む。
●本明細書に記載のデバイスと、
●SF1およびSF2の印加を制御するように構成された遠隔制御モジュールと、を含む、システムを提供する。
●デバイスの空洞に、選択された充填物を外部から充填するステップ、
●デバイスを処置された対象へ送達するステップ、
●粘弾性媒体内のデバイスの位置および配向を監視するステップ、
●選択された充填物を空洞から所望の場所で解放するステップ、
●さらなる診断情報のために、対象を撮像して、デバイスを位置特定するステップ、または
●デバイスを所定の場所から引き戻すステップ、のうちの少なくとも1つをさらに含む。
-第1の材料(M1)を含む主要本体110、210であって、M1は、第1の閾値(T1)(より高いまたはより低い)に対応して印加されたSFに応答するように構成されている、該主要本体と、
-第2の材料(M2)を含む、1つ以上の記憶形状要素(MSE)120、220であって、M2は第2の閾値(T2)(より高いまたはより低い)に対応して印加されたSFに応答して変形するように構成されている、該1つ以上の記憶形状要素(MSE)と、を備え、
M1は、粘弾性媒体内の主要本体の方向の操作を可能にするように選択されており、M2は、MSE形状の操作を可能にするように選択されている。
-上で言及される実施形態100、200、300、400、500、600、550のうちの1つの少なくとも1つのデバイス710と、
-刺激場(SF)の印加を制御し、それにより、粘弾性媒体内の主要本体の方向およびMSEの形状を操作する、遠隔制御モジュール720と、を含む、システム700が提供される。
-デバイスの空洞に、選択された充填物を外部から充填するステップ、
-デバイスを処置された対象に挿入すること、および/もしくは送達するステップ、
-粘弾性媒体内のデバイスの位置および配向を監視するステップ、
-必要なときに、選択された充填物もしくは治療エンティティを空洞から、それにより、所望の場所で解放するステップ、
-デバイスを位置特定するため、もしくはさらなる診断情報のために、対象を撮像するステップ、
-デバイスを所定の場所から回収するステップ、ならびに/または引き戻すステップ(任意選択で、処置後)、のうちの少なくとも1つ(必ずしもこの順序である必要はない)をさらに含む。
本発明のいくつかの実施形態によれば、磁気刺激場を備える例が提供される。本例では、外部磁場を使用して、ナノ/マイクロ/ミリメータースケールの粘弾性媒体内を移動または進行する、操縦および推進デバイスが提供される。デバイスの材料は、推進のための、エラストマーをベースとする鞭毛、ならびに、方向操縦のための、磁石をベースとする主要本体およびフィンの組み合わせを含む。かかるデバイスは、組織を介して人体内部の粒子を推進する、医療ペイロード(治療法または診断法)を運搬する、または低侵襲手術を行うために使用することができる。
-十分に強い磁気モーメントを備える埋め込まれた磁性構成要素をベースとし、運動の所望の方向に対応する一定の極性を有する、磁性粒子の主要本体610、
-主要本体にその軸の周り全体に対称的に(円筒対称)取り付けられている、より小さな磁気フィン(フィン630)であって、各フィンは、十分に強い磁気モーメントを備えるフィンに埋め込まれた磁性構成要素をベースとし、粒子の主要本体の極性と整合された一定の極性を有する、該より小さな磁気フィン。かかるフィンは、例えば、Mishraらに記載されているエラストマーフィルムから、または代替的に、当技術分野で知られている他の好適な技術によって、製造することができる。かかるフィルムは、例えば、Fe3O4磁性ナノ粒子(MNP)および熱可塑性ポリウレタン(TPU)を含む。フィルムは、ポリマーおよび磁性ナノ粒子を含むナノコンポジットである。MNPを鎖状に集合させると、静磁エネルギーに方向依存性が生じ、3Dでの複合材料の異方性駆動が可能になる。フィンは、主要本体に自在な取り付けポイントで取り付けられ、および/または可撓性材料からなるため、外部磁場に置かれたときに、傾斜または「フラップ」することができ(それらは磁気を帯びているため、外部磁場と整合するように傾斜することができ)、この場合、粒子の主要本体はまた、それを外部磁場と整合させる回転トルクを受け、本体は、フィンよりも大きいため、よりゆっくりと傾斜することができ、粘弾性媒体内で引っ張られ、フィンは、本体に対して「フラップ」することが可能になる。
-主要本体の尾端にある、埋め込まれた磁性ナノ粒子(MNP)を備えるエラストマーからなる1つの鞭毛(または図6Eのように複数の鞭毛)。
-B1は、一定の低振幅(低電力)の操縦成分である(粒子が回転する必要がある場合にのみ方向を変更する)、および
-B2は、様々な振幅、高出力、オンオフパルス部品であり、推進を担当し、
B1およびB2の両方のベクトルは、同じ方向にある。
-Mtは、粒子の全磁気モーメントであり、Mtは、M1(主要本体の磁気モーメント)およびM1´(フィンの磁気モーメント)の線形結合として近似し得、これは、主要本体およびフィンの有効磁気モーメントであり、
-スケール因子Cは、(他の因子の中でも特に)外部場および粒子軸との間の角度に依存する。
いくつかの実施形態によれば、外部磁性信号を使用して、および、ペイロードを含有/解放するために使用されるエラストマーをベースとする膜の組み合わせに基づいて、粒子にカプセル化されたペイロード(例えば、薬物、治療エンティティ)を解放するように構成されている、システムが提供される。
-ペイロードを含有するように構成されている空洞211、311、411、511、561を備える、粒子の主要本体210、310、410、510、560。
-埋め込まれたMNPを備える、エラストマーからなる膜220、320、420、520、562であって、
膜220は、ばねのような形状で空洞底に取り付けることができ(図2A~図2Bに示すように)、ペイロードが収容されているトレイ214を押すように構成されており、膜320は、空洞を密閉する、および充填物の自由拡散を防止するように構成されている、蓋として使用することができ(図3A~図3Bおよび図5Cに示すように)、または膜は、空洞の密閉蓋412、512を開放するおよび閉鎖するように構成されている、アーム420、520(図4A~図4Bおよび図5A~図5Bに示すように)として設計することができる、該膜。
-ペイロードを空洞から押し出す(図2Bのように)、
-空洞を開放する、および拡散を可能にするために、折り畳まれる(図3Bおよび図5Cのように)、または
-空洞を開放するために、密閉蓋を押す/引く(図4Bおよび図5Bのように)。
本発明のいくつかの実施形態によれば、エラストマーをベースとする膜および磁性粒子の製造方法が提供される。
-スタンドアロンプロセスとして、または犠牲コーティング(例えば、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリビニルアクリレート(PVA)、またはポリカーボネート)を使用した鋳造、
-埋め込まれた粒子を備える所定の形状を生成するための成形/ケーシングと、続いて、所望のトポロジーを実現するための、レーザー、化学、または他のエッチング技術、
-フォトパターニング、
-磁場下での自己組織化、および(iv)リソグラフィ(「A review of magnetic composite polymers applied to microfluidics devices」J.Electrochem.Soc.161 (2014)、B3173~B3183ページ)。上記に引用された刊行物は、参照により本明細書に組み込まれる。
Claims (30)
- 生物学的組織に移植するための、かつ粘弾性媒体内を移動するように適合されているデバイスであって、前記デバイスは、
第1の材料(M1)を含み、かつ前記粘弾性媒体内においてある方向を有する、主要本体であって、第1の閾値(T1)での第1の刺激場(SF1)の印加時に、前記主要本体の前記方向が変化する、該主要本体と、
第1の構成を有し、かつ第2の材料(M2)を含む、1つ以上の記憶形状要素(MSE)であって、前記第2の材料は、エラストマーを含み、前記記憶形状要素は、第2の閾値(T2)での第2の刺激場(SF2)の印加時に、第2の構成を採用する、該1つ以上の記憶形状要素と、を含み、
前記第1の刺激場および前記第2の刺激場は、磁気刺激場であり、
前記記憶形状要素のうちの少なくともいくつかの材料は、互いに異なる(M2i≠M2j、i≠j)、デバイス。 - 前記第2の材料は、前記第1の材料とは異なる(M2≠M1)、請求項1に記載のデバイス。
- 前記第1の刺激場および前記第2の刺激場は、同じ性質および同じ方向のものであり、前記第2の閾値は、前記第1の閾値よりも大きい、請求項1に記載のデバイス。
- 前記第1の材料および前記第2の材料のうちの少なくとも1つは、マイクロ粒子またはナノ粒子の形状を含む、請求項1に記載のデバイス。
- 前記記憶形状要素の前記第1の構成または前記第2の構成は、細長い形状、フィルム、ワイヤ、ストリング、ストリップ、プラグ、シート、膜、鞭毛、コイル、らせん、アーム、ジョイント、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項1に記載のデバイス。
- 前記記憶形状要素の少なくとも1つは、前記主要本体の外部に取り付けられており、かつ前記粘弾性媒体内で前記主要本体を推進するように適合されている、請求項1に記載のデバイス。
- 前記第2の刺激場の前記印加は、前記第2の閾値を上回るおよび下回る前記第2の刺激場のサイクルを含む、請求項6に記載のデバイス。
- 生物学的組織に移植するための、かつ粘弾性媒体内を移動するように適合されているデバイスであって、前記デバイスは、
第1の材料(M1)を含み、かつ前記粘弾性媒体内においてある方向を有する、主要本体であって、第1の閾値(T1)での第1の刺激場(SF1)の印加時に、前記主要本体の前記方向が変化する、該主要本体と、
第1の構成を有し、かつ第2の材料(M2)を含む、1つ以上の記憶形状要素(MSE)であって、前記第2の材料は、エラストマーを含み、前記記憶形状要素は、第2の閾値(T2)での第2の刺激場(SF2)の印加時に、第2の構成を採用する、該1つ以上の記憶形状要素と、を含み、
前記第1の刺激場および前記第2の刺激場は、磁気刺激場であり、
前記主要本体は、前記主要本体の前記方向を操縦するように構成されている、少なくとも2つのフィンをさらに含む、デバイス。 - 前記フィンは、前記第1の材料を含む、請求項8に記載のデバイス。
- 前記フィンは、前記主要本体に対してある角度をなす極性方向を含む、請求項9に記載のデバイス。
- 前記フィンは、前記主要本体の外部におよび対称的に取り付けられている、請求項8に記載のデバイス。
- 前記フィンは、前記主要本体に対して傾斜するように構成されている、請求項8に記載のデバイス。
- 生物学的組織に移植するための、かつ粘弾性媒体内を移動するように適合されているデバイスであって、前記デバイスは、
第1の材料(M1)を含み、かつ前記粘弾性媒体内においてある方向を有する、主要本体であって、第1の閾値(T1)での第1の刺激場(SF1)の印加時に、前記主要本体の前記方向が変化する、該主要本体と、
第1の構成を有し、かつ第2の材料(M2)を含む、1つ以上の記憶形状要素(MSE)であって、前記第2の材料は、エラストマーを含み、前記記憶形状要素は、第2の閾値(T2)での第2の刺激場(SF2)の印加時に、第2の構成を採用する、該1つ以上の記憶形状要素と、を含み、
前記第1の刺激場および前記第2の刺激場は、磁気刺激場であり、
前記主要本体は、密閉可能な空洞をさらに含み、前記記憶形状要素が前記第1の構成にあるとき、前記空洞は、閉鎖されており、前記第2の構成にあるとき、前記空洞は、開放している、デバイス。 - 前記密閉可能な空洞は、治療エンティティ、治療用充填物、診断用充填物、またはそれらの組み合わせのうちの少なくとも1つを一時的に収容するように構成されている、請求項13に記載のデバイス。
- 前記密閉可能な空洞は、前記主要本体を推進するように構成されている、排出材料を一時的に収容するように構成されている、請求項13に記載のデバイス。
- 前記空洞を一時的に密閉するように構成されている、高感度密閉蓋をさらに含み、前記高感度密閉蓋は、環境閾値に応答して開放されるように構成されている、請求項13に記載のデバイス。
- 前記記憶形状要素は、前記空洞のための密閉蓋として構成されており、前記記憶形状要素の構成は、前記密閉可能な空洞を開放および/または閉鎖する、請求項13に記載のデバイス。
- 前記記憶形状要素は、第1のアームを含み、前記第2の刺激場の印加時に前記空洞の密閉蓋を引くおよび/または押す、請求項13に記載のデバイス。
- 前記第1のアームは、ばね、つる巻きばね、板ばね、ロッド、シャフト、ポール、およびバーから選択される少なくとも1つの要素を含む、請求項18に記載のデバイス。
- 生物学的組織に移植するための、かつ粘弾性媒体内を移動するように適合されているデバイスであって、前記デバイスは、
第1の材料(M1)を含み、かつ前記粘弾性媒体内においてある方向を有する、主要本体であって、第1の閾値(T1)での第1の刺激場(SF1)の印加時に、前記主要本体の前記方向が変化する、該主要本体と、
第1の構成を有し、かつ第2の材料(M2)を含む、1つ以上の記憶形状要素(MSE)であって、前記第2の材料は、エラストマーを含み、前記記憶形状要素は、第2の閾値(T2)での第2の刺激場(SF2)の印加時に、第2の構成を採用する、該1つ以上の記憶形状要素と、を含み、
前記第1の刺激場および前記第2の刺激場は、磁気刺激場であり、
前記主要本体は、空洞をさらに含み、前記記憶形状要素は、前記第2の刺激場の印加時に、前記空洞内に収容された物質を前記空洞から押し出すように構成されている、第2のアームを含む、デバイス。 - 請求項1~20のいずれか1項に記載のデバイスと、
前記第1の刺激場および前記第2の刺激場の印加を制御するように構成された遠隔制御モジュールと、を含む、システム。 - 哺乳類対象の試験管内、生体外、生体内、およびヒト患者の生体内から選択される、特定の場所へ、および/または特定の場所から、前記デバイスを送達するおよび/または引き戻すように構成されている、送達および/または引き戻しモジュールをさらに含む、請求項21に記載のシステム。
- 前記送達および/または引き戻しモジュールは、磁化可能な針、拡張可能な磁気要素、磁化可能な表面、空気圧要素、電磁要素、超音波要素、展開可能なメッシュ、展開可能なマイクロネット、吸引要素、およびそれらの任意の組み合わせから選択される取り付け要素を含む、請求項22に記載のシステム。
- 前記遠隔制御モジュールは、粘弾性媒体内の前記デバイスの位置および配向を位置特定および表示するように構成されている、監視デバイスを含む、請求項21に記載のシステム。
- ヒト以外の対象の粘弾性流体内の前記主要本体の運動を操作するために、前記第1の刺激場及び前記第2の刺激場のうちの少なくとも1つを、請求項1~20のいずれか1項に記載のデバイスに印加するステップを含む、方法。
- 操作は、下限閾値である前記第1の閾値に対応する前記第1の刺激場を介して、前記主要本体を所望の方向に操縦するステップ、および/または、前記第2の閾値に対応する前記第2の刺激場を介して、前記記憶形状要素の構成を修正することにより、前記主要本体を推進するステップ、を含む、請求項25に記載の方法。
- 前記デバイスの空洞に、選択された充填物を外部から充填するステップ、
前記デバイスを処置された対象へ送達するステップ、
前記粘弾性媒体内の前記デバイスの位置および配向を監視するステップ、
前記選択された充填物を前記空洞から所望の位置で解放するステップ、
さらなる診断情報のために、前記対象を撮像して、前記デバイスを位置特定するステップ、または
前記デバイスを所定の場所から引き戻すステップ、のうちの少なくとも1つをさらに含む、請求項25に記載の方法。 - 前記送達するステップは、注入、嚥下の提供、カテーテルを介した貫通のうちの少なくとも1つを含む、請求項27に記載の方法。
- 前記選択された充填物を前記解放するステップは、前記空洞の密閉蓋が開放されるように、前記第2の閾値での前記第2の刺激場を介して、前記記憶形状要素の前記構成を修正するステップを含む、請求項27に記載の方法。
- 前記選択された充填物を前記解放するステップは、選択された環境閾値を提供することによって、高感度密閉蓋を開放するステップを含む、請求項27に記載の方法。
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