KR20220012832A - 유체 연동 레이어 펌프 - Google Patents

Abstract

일회용 주입 디바이스에서 유체 흐름을 관리하기 위해 미세유체 디바이스가 제공되어, 매우 낮은 용량 및/또는 유속에서도 주기적 또는 일정한 유체 흐름을 제공한다. 미세유체 디바이스를 사용하는 펌프와 미세유체 프로세스를 제조하고 수행하는 방법도 제공된다.

Description

유체 연동 레이어 펌프

관련 출원(들)에 대한 상호 참조

본 출원은 35 U.S.C. § 119(e)에 따른, 2019년 1월 24일에 출원된 미국 일련 번호 제62/796,470호에 대한 우선권을 주장하며, 그 전체 내용이 본원에 참조로 포함된다.

발명의 분야

본 발명은 유체공학 기술(fluidics technology)에 관한 것으로, 특히 미세채널(microchannel)들을 통한 유체 흐름을 제어하기 위한 미세유체 멀티레이어 연동 펌프(microfluidic multilayer peristaltic pump)에 관한 것입니다.

미세유체 시스템은 매우 적은 양의 액체를 사용하여 화학적 및 생물학적 정보를 수집하고 분석하는 데 중요한 가치가 있다. 미세유체 시스템을 사용하면 반응의 응답 시간을 늘리고, 샘플 체적을 최소화하며, 시약 및 소모품 소비를 줄일 수 있다. 휘발성(volatile) 또는 유해 물질이 사용되거나 생성될 때, 미세유체 체적에서 반응을 수행하면 안전성이 향상되고 폐기량도 줄어든다.

미세유체 디바이스는 의료 진단 및 분석 화학에서 게놈 및 단백질 분석에 이르기까지 다양한 분야에서 점점 더 중요해지고 있다. 미세유체 디바이스는 또한 이동식 저유량 약물 전달/주입 시스템 및 동물 약물 모델에 대한 연속 모니터링 시스템과 같은 치료의 맥락에서 유용할 수 있다. 예를 들어, 미세펌프는 이를 필요로 하는 대상에게 유체를 주기적으로 또는 연속적으로 투여하는 데 사용될 수 있거나 주기적 샘플 채취를 통해 시간 경과에 따라 투여된 약물의 효능을 모니터링하는 데 사용될 수 있다.

그러나 이러한 디바이스에 필요한 미세-구성 요소(micro-component)는 종종 복잡하고 생산 비용이 많이 든다. 따라서, 예를 들어 이동식 주입 디바이스(mobile infusion device)에 통합하기 위한 미세펌프를 형성하기 위해 모터와 통합되는 저비용 미세유체 디바이스에 대한 요구가 존재한다.

미세유체 펌프는 일회용 주입 디바이스 및 유체 샘플링/모니터링 디바이스에 대한 저비용, 고정밀 수단을 제공하기 위해 개발되었다. 미세유체 펌프를 사용하는 디바이스와 미세유체 프로세스를 제조하고 수행하는 방법도 제공된다.

따라서, 일 양태에서, 본 발명은 미세유체 디바이스를 제공한다. 미세유체 디바이스는 상부 표면, 하부 표면, 구멍을 정의하는 내부 표면, 및 상기 하부 표면으로부터 베이스까지 하향 연장되는 실질적으로 오목한 벽을 갖는 환형 바디-상기 환형 바디는 그 내부에 배치된 입력 포트 및 출력 포트를 포함 함-; 상기 환형 바디의 상기 하부 표면에 고정 부착된 탄성 칼라-상기 탄성 칼라는 그 주변부 주위에 배치된 플랜지 및 상기 환형 바디의 상기 베이스에 고정 부착되는 하부 표면을 포함하고, 여기서 상기 플랜지는 상기 환형 바디의 상기 하부 표면에 결합되도록 구성 됨-; 및 상부 표면, 하부 표면, 및 상기 하부 표면으로부터 하향 연장되는 테이퍼진 연장부를 갖는 강성 기판을 포함하고, 상기 강성 기판은 상기 상부 표면에 배치되고 상기 환형 바디의 입력 포트 및 출력 포트와 정렬하여 위치된 입구 및 출구를 포함하고, 여기서 상기 강성 기판의 상기 하부 표면은 상기 환형 바디의 상기 상부 표면에 고정 부착되고 상기 테이퍼진 연장부는 상기 구멍 내에 맞도록 크기 및 형상이 지정되어, 상기 입력 포트와 상기 출력 포트 사이에서 상기 탄성 칼라와 채널을 형성한다. 다양한 실시 예들에서, 상기 환형 바디는 상기 강성 기판에 접합된다. 다양한 실시 예들에서, 미세유체 디바이스는 상기 강성 기판의 상기 상부 표면에 배치된 입구 커넥터 및 출구 커넥터를 더 포함하고, 각각은 상기 환형 바디의 상기 입구 포트 및 상기 출구 포트와 유체 연통하도록 제공된다.

상기 미세유체 디바이스의 상기 탄성 칼라는 그 내부 표면에 형성된 하나 이상의 멈춤쇠들을 포함하고, 각각의 멈춤쇠는 상기 강성 기판의 상기 입구 및 상기 출구와 각각 유체 연통한다. 다양한 실시 예들에서, 상기 탄성 칼라의 내부 표면은 채널을 더 정의하기 위하여 오목한 형태이다. 다양한 실시 예들에서, 상기 탄성 칼라의 상기 플랜지는 상기 환형 바디의 상기 하부 표면에 접합되고 상기 강성 기판의 상기 테이퍼진 연장부의 상기 하부 표면은 상기 베이스의 상기 내부 표면에 접합된다. 다양한 실시 예들에서, 상기 강성 기판의 상기 테이퍼진 연장부는 그 표면에 배치된 그루브를 포함하고, 상기 그루브는 상기 강성 기판의 상기 상부 표면에 평행하게 위치되고, 상기 그루브는 상기 탄성 칼라와 결합되도록 구성된다.

다양한 실시 예들에서, 상기 탄성 칼라는 그 원주를 따라 배치된 리브를 더 포함하고, 상기 리브는 상기 플랜지에 실질적으로 평행하게 위치된다. 다양한 실시 예들에서, 상기 강성 기판은 그의 축으로부터 멀어지는 방향으로 연장되는 연장부를 더 포함하고, 상기 연장부는 상기 환형 바디의 상기 출구 포트와 상기 강성 기판의 상기 출구 사이에 유체 연통을 제공하도록 구성된 미세유체 채널이 내부에 배치된다.

또 다른 양태에서, 본 발명은 본원에 개시된 상기 미세유체 디바이스; 상기 미세유체 디바이스의 상기 베이스에 제거 가능하게 부착되는 회전식 액츄에이터-상기 회전식 액츄에이터는 상기 미세유체 디바이스의 상기 탄성 칼라의 일부를 가압하도록 구성됨-; 및 상기 회전식 액츄에이터에 결합되고 상기 미세유체 디바이스의 상기 주변부 주위에서 상기 회전식 액츄에이터를 회전시키도록 구성되는 모터를 포함하는 펌프를 제공한다. 다양한 실시 예들에서, 상기 회전식 액츄에이터는 구멍이 내부에 배치되어 있는 바디-상기 구멍은 상기 미세유체 디바이스의 상기 베이스 및 상기 강성 칼라를 수용하도록 크기 및 형상이 지정됨-; 및 상기 바디의 상기 구멍의 내부 표면에 고정 부착된 하나 이상의 볼들을 포함하고, 상기 하나 이상의 볼들은 상기 회전식 액츄에이터가 회전할 때 상기 탄성 칼라의 일부를 가압하도록 구성된다. 상기 하나 이상의 볼들의 각각은 스프링에 의해 상기 회전식 액츄에이터의 상기 구멍의 상기 내부 표면에 고정적으로 부착되어, 상기 회전식 액츄에이터와 상기 미세유체 디바이스 사이에 양의 결합을 제공한다.

다양한 실시 예들에서, 펌프는 상기 미세유체 디바이스의 상기 입구 커넥터와 유체 연통하는 저장소를 더 포함하고, 상기 저장소는 (i) 상기 펌프에 의해 전달될 유체를 포함하거나 (ii) 상기 펌프에 의해 샘플링될 유체를 수용하도록 구성된다. 다양한 실시 예들에서, 펌프는 상기 미세유체 디바이스의 출구 커넥터와 유체 연통하는 바늘을 더 포함하고, 상기 바늘은 (i) 상기 저장소의 유체를 이를 필요로 하는 대상에게 투여하거나 (ii) 대상으로부터 샘플을 얻도록 구성된다. 다양한 실시 예들에서, 펌프는 또한 제어기 및 전원을 포함하고, 상기 제어기는 상기 전원으로부터의 전압을 상기 모터에 공급하여 상기 회전식 액츄에이터를 회전시키도록 구성된다. 다양한 실시 예들에서, 상기 제어기는 분배되는 유체의 양, 분배 시간, 분배 기간, 상기 저장소에 남아있는 유체의 양, 샘플링 시간, 샘플링 기간, 및 추가 샘플링을 위해 상기 저장소에 남아 있는 체적의 양으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 정보에 관하여 핸드헬드 디바이스와 통신하도록 더 구성된다.

도 1은 미세유체 디바이스의 구성요소들의 예시적인 실시 예를 나타내는 그림도이다.
도 2는 미세유체 디바이스의 환형 바디에 부착된 탄성 칼라(elastic collar)의 예시적인 실시 예의 사시도를 나타내는 그림도이다.
도 3은 미세유체 디바이스의 예시적인 실시 예의 사시도를 나타내는 그림도이다.
도 4는 입력 포트를 나타내는 미세유체 디바이스의 예시적인 실시 예의 단면도를 나타내는 그림도이다.
도 5는 출력 포트를 나타내는 미세유체 디바이스의 예시적인 실시 예의 단면도를 나타내는 그림도이다.
도 6은 미세유체 디바이스의 예시적인 실시 예의 단면도를 나타내는 그림도이다.
도 7은 미세유체 디바이스의 예시적인 실시 예의 다른 단면도를 나타내는 그림도이다.
도 8은 액츄에이터와 모터가 장착되어 펌프의 예시적인 실시 예를 형성하는 미세유체 디바이스의 예시적인 실시 예의 부분 단면도를 나타내는 그림도이다.
도 9는 액츄에이터와 모터가 장착되어 펌프의 예시적인 실시 예를 형성하는 미세유체 디바이스의 예시적인 실시 예의 다른 부분 단면도를 나타내는 그림도이다.

미세유체 펌프 및 펌프를 포함하는 디바이스는 일회용 주입 디바이스를 위한 저비용, 고정확도 및 저유량 수단을 제공하기 위해 개발되었다. 유리하게는, 펌프 내의 유체 흐름의 속도는 매우 낮은 흐름 속도에서도 본질적으로 일정하다.

본 발명의 구성 요소들 및 및 방법을 설명하기 전에, 본 발명은 설명된 특정 구성 요소, 방법 및 실험 조건으로 제한되지 않으며, 그러한 구성 요소, 방법 및 조건은 다양할 수 있음을 이해해야 한다. 본 발명의 범위가 첨부된 청구범위에서만 제한될 것이기 때문에 본원에서 사용된 용어는 단지 특정 실시 예를 설명하기 위한 것이며, 제한하려는 의도가 아님을 이해해야 한다.

본 명세서 및 첨부된 청구범위에 사용된 바와 같이, 단수형("a", "an" 및 "the")은 문맥이 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수 참조를 포함한다. 따라서, 예를 들어, "상기 방법"에 대한 언급은 하나 이상의 방법들 및/또는 본 개시 등을 읽을 때 당업자에게 명백할 본원에 기재된 유형의 단계들을 포함한다.

"포함하는(including)", "함유하는(containing)" 또는 "~에 의해 특성화된(characterized by)"과 상호교환적으로 사용되는 용어 "포함하는(comprising)"은 포괄적이거나 개방형 언어이며 추가의 인용되지 않은 요소 또는 방법 단계를 배제하지 않는다. "~로 구성된(consisting of)"이라는 문구는 청구범위에 명시되지 않은 모든 요소, 단계 또는 성분을 배제한다. "~로 본질적으로 구성되는(consisting essentially of)"이라는 문구는 청구된 발명의 기본적이고 신규한 특성에 실질적으로 영향을 미치지 않는 특정 재료 또는 단계에 대한 청구 범위를 제한한다. 본 개시는 이들 문구 각각의 범위에 대응하는 본 발명의 디바이스 및 방법의 실시 예를 고려한다. 따라서, 인용된 요소 또는 단계를 포함하는 디바이스 또는 방법은 디바이스 또는 방법이 이러한 요소 또는 단계로 본질적으로 구성되거나 구성되는 특정 실시 예를 고려한다.

달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에 기술된 것과 유사하거나 등가인 임의의 방법 및 재료가 본 발명의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 바람직한 방법 및 재료가 이제 기술된다.

이제 도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명은 미세유체 펌프(microfluidic pump)(200)를 형성하기 위해 회전식 액츄에이터(rotary actuator)(110)와 함께 사용하기 위한 미세유체 디바이스(100)를 제공한다. 미세유체 디바이스(100)는 상부 표면(52), 하부 표면(54), 및 구멍(62)을 정의하는 내부 표면(56)을 갖는 환형 바디(body)(50)를 포함한다. 하나 이상의 입력 포트들(40) 및 출력 포트들(42)이 환형 바디(50) 내에 배치된다. 다양한 실시 예들에서, 하나 이상의 입력 포트들(40) 및 출력 포트들(42)은 환형 바디(50)의 상부 표면(52)과 하부 표면(54) 사이에 유체 연통(fluid communication)을 제공하기 위해 환형 바디(50)의 폭(즉, 축 C에 실질적으로 평행한)을 따라 배치된다. 도 1 및 2는 단지 설명을 목적으로 단면 형식으로 입력 포트(40) 및 출력 포트(42)를 각각 도시하지만, 입력 포트(40) 및 출력 포트(42)는 환형 바디(50)를 통해 연장된다는 것을 이해해야 한다. 베이스(base)(58)가 환형 바디(50)의 하부 표면(54)으로부터 연장된다. 다양한 실시 예들에서, 베이스(58)는 환형 바디(50)의 주변부의 일부 둘레를 형성하는(running) 실질적으로 오목한 벽(concave wall)(60)에 의해 환형 바디(50)의 하부 표면(54)에 연결되고, 베이스(58)와 하부 표면(54) 사이에서 환형 바디(50)의 주변부의 대부분 주위에 공간을 남겨둔다. 환형 바디(50)는 이에 제한되는 것은 아니지만 금속, 플라스틱, 비탄성 중합체, 실리콘(결정질 실리콘과 같은) 또는 유리와 같은 비탄성 재료로 형성될 수 있다. 다양한 실시 예들에서, 환형 바디(50)가 형성되는 재료는 생물학적으로 불활성(biologically inert)이고 공지된 살균 기술을 따를 수 있다.

미세유체 디바이스(100)는 환형 바디(50)에 고정 부착될 수 있는 크기 및 형상을 갖는 탄성 칼라(elastic collar)(70)를 더 포함하여, 베이스(58)와 환형 바디의 하부 표면(54) 사이의 공간을 채운다. 탄성 칼라(70)는 상부 표면(86), 하부 표면(88), 및 상부 표면(86)으로부터 하향 연장되는 실질적으로 오목한 벽(90)(즉, 축 C를 향해 내측으로 돌출)을 포함할 수 있다. 오목한 벽(90)은 환형 바디(50)의 오목한 벽(60)의 곡률을 실질적으로 미러링(mirroring)할 수 있다. 다양한 실시 예들에서, 탄성 칼라(70)는 그 주변부 주위에 배치된 플랜지(flange)(72)를 포함할 수 있고, 플랜지(72)는 축(C)으로부터 멀어지는 방향으로 연장된다. 플랜지(72)는 환형 바디(50)의 하부 표면(54)과 접촉하도록 크기 및 형상이 정해질 수 있다. 다양한 실시 예들에서, 플랜지(72)는 그 내부 표면(76)에 형성된 하나 이상의 입구/출구 멈춤쇠들(74)을 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 입구/출구 멈춤쇠들(74)은 결합될 때 환형 바디(50)의 하나 이상의 입력 포트들(40) 및 출력 포트들(42)과 정렬되어 유체 연통하도록 배치된다.

탄성 칼라(70)는, 탄성 칼라(70)가 연속적인 링(ring)이 아니도록, 갭(gap)(80)을 더 포함할 수 있다. 갭(80)은 입력 포트(40)와 출력 포트(42)를 분리하는 환형 바디(50)의 오목한 벽(60)의 일부를 노출시킨다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 탄성 칼라(70)의 오목한 벽(90)은 그 둘레를 따라 배치된 리브(rib)(78)를 더 포함할 수 있고, 리브(78)는 플랜지(72)에 실질적으로 평행하게 위치된다. 리브(78)는 회전식 액츄에이터(110)(도 8 참조)의 압축 강도 및 결합을 증가시키기 위해 탄성 칼라(70)의 증가된 단면 두께를 제공한다. 당업자는 리브(78)가 연속적인 융기된 요소(raised element)(도시된 바와 같이) 또는 일련의 범프들(미도시)와 같은 다수의 적합한 형상들 중 임의의 것으로 형성될 수 있음을 이해할 것이다. 다양한 실시 예들에서, 탄성 칼라(70)는 예를 들어 고무 또는 엘라스토머와 같은 임의의 변형 가능 및/또는 압축 가능한 재료로 형성될 수 있다. 다양한 실시 예들에서, 탄성 칼라(70)는 열가소성 엘라스토머(thermoplastic elastomer)로 형성된다.

당업자라면 이해할 수 있듯이, 환형 바디(50) 및 탄성 칼라(70)는 개별 구성 요소들로서 형성될 수 있거나, 또는 구성 요소들은 투샷 몰딩(two-shot molding) 또는 오버몰딩(overmolding) 프로세스를 사용하여 결합될 수 있으며, 이 경우 먼저 하나의 폴리머를 주입한 다음 다른 하나를 몰드 툴에 주입하여 단일 부품(piece)을 형성한다. 환형 바디(50)를 탄성 칼라(70)에 고정 부착하기 위해 다양한 기술들이 이용될 수 있으며, 여기서 탄성 칼라(70)의 플랜지(72)는 환형 바디(50)의 하부 표면(54)에 고정 부착되고 탄성 칼라(70)의 하부 표면(88)은 환형 바디(50)의 베이스(58)에 고정 부착된다.

예를 들어, 부품들은 UV 경화성 접착제 또는 접착제의 경화/결합 생성 전에 서로에 대해 두 부품들의 이동을 허용하는 다른 접착제를 사용하여 함께 결합될 수 있다. 적합한 접착제는 UV 경화성 접착제, 열-경화성 접착제, 압감 접착제(pressure sensitive adhesive), 산소 민감성 접착제(oxygen sensitive adhesive), 및 양면 테이프 접착제를 포함한다. 대안적으로, 부품들은 초음파 용접 프로세스, 열 용접 프로세스, 레이저 용접 프로세스, 및/또는 비틀림 용접 프로세스와 같은 용접 프로세스를 이용하여 결합될 수 있다. 당업자는 엘라스토머 중합체 및 비엘라스토머 중합체가 이러한 방식으로 결합되어 부품들 사이의 유체 기밀 밀봉(fluid tight seal)을 달성할 수 있음을 쉽게 이해할 것이다.

환형 바디(50) 내부에는 상부 표면(12) 및 하부 표면(14)을 갖고 하부 표면(14)으로부터 연장되는 테이퍼진 연장부(tapered extension)(16)를 갖는 실질적으로 강성인 기판(10)이 배치된다. 이와 같이, 테이퍼진 연장부(16)의 하부 표면(17)은 환형 바디(50)의 베이스(58)의 내부 표면(59)에 안착되고, 환형 바디(50)의 상부 표면(52)은 강성 기판(10)의 하부 표면(14)에 인접하여 부착된다. 따라서, 강성 기판(10)은 환형 바디(50)의 상부 표면(52)이 강성 기판(10)의 하부 표면(14)에 정합되도록 환형 바디(50)를 덮는 플랜지(18)를 형성한다. 다시 말해서, 실질적으로 강성인 바디(10)의 테이퍼진 연장부(16)는 환형 바디(50)의 구멍(62) 내에 끼워지도록 크기 및 형상이 결정된다. 다양한 실시 예들에서, 강성 기판은 축 C로부터 멀어지는 방향으로 연장되는 연장부(26)를 포함할 수 있다. 연장부(26) 내에는 강성 기판의 출구(22)와 환형 바디(50)의 출력 포트(42) 사이에 유체 연통을 제공하도록 구성된 미세유체 채널(28)이 배치될 수 있다.

따라서, 탄성 칼라(70)의 내부 표면(76)은 강성 기판(10)의 테이퍼진 연장부(16)와 함께 유밀 채널(fluid-tight channel)(84)을 형성하고, 여기서 채널(84)은 탄성 칼라(70)의 멈춤쇠(74)를 통해 환형 바디(50)의 입력 포트(40)와 출력 포트(42) 사이에 유체 연통을 제공한다. 다양한 실시 예들에서, 탄성 칼라(70)의 내부 표면(76)은 실질적으로 오목할 수 있고(즉, 축 C로부터 멀어지는 방향으로 돌출됨), 이에 의해 강성 기판(10)과 탄성 칼라(70) 사이에 채널(84)을 추가로 형성한다. 다양한 실시 예들에서, 강성 기판(10)의 테이퍼진 연장부(16)는 그 일부에 형성된 그루브(groove)(82)를 포함할 수 있고, 여기서 그루브(82)는 그 주변부 주위로 연장되고 환형 베이스(50)의 상부 표면(52)에 실질적으로 평행하게 위치된다. 제공될 때, 그루브(82)는 채널(84)의 체적 용량을 추가로 증가시키는 역할을 한다.

강성 기판(10)의 상부 표면(12)에는 입구(20) 및 출구(22)가 배치될 수 있으며, 이들 둘 모두는, 강성 기판(10)과 환형 바디(50)가 서로 부착될 때, 환형 바디의 하나 이상의 입력 포트들(40) 및 출력 포트들(42)과 정렬되어 유체 연통하도록 위치될 수 있다. 환형 바디(50)에서와 같이, 강성 기판(10)은 이에 제한되는 것은 아니지만 금속, 플라스틱, 비탄성 중합체, 실리콘(결정질 실리콘과 같은) 또는 유리와 같은 임의의 비탄성 재료로 형성될 수 있다. 다양한 실시 예들에서, 강성 기판(10)은 전체적인 제조 비용을 감소시키기 위해 환형 바디(50)의 재료와 동일한 재료로 형성된다.

따라서, 이러한 구성에서, 미세유체 디바이스(100)는 펌핑 동작을 작동시키기 위해 축 C를 향하는 힘에 의존한다. 마찬가지로, 구성은 제조 비용을 줄이고 조립을 용이하게 하는 추가 이점을 제공한다. 예를 들어 회전식 액츄에이터(110)의 볼(ball)(120)과 같은 변형 요소(deformation element)를 통해 제공되는 힘 F(도 6 및 7 참조)가 탄성 칼라(70) 및/또는 환형 바디(50)의 오목한 벽(60)에 가해질 때, 탄성 칼라(70)의 오목한 벽(90)의 적어도 일부는 탄성 칼라(70)와 강성 기판(10) 사이에 형성된 채널(84) 내로 가압되고, 따라서 가압 부위에서 채널(84)의 적어도 일부를 차단하여 채널(84) 내의 유체의 일부를 이동시킨다(displace). 회전식 액츄에이터(110)가 회전함에 따라, 가압 부위는 오목한 벽(90)을 따라 병진 이동하여, 회전 방향으로 채널(84) 내에서 연동 유체 흐름을 초래한다.

다양한 실시 예들에서, 오목한 벽(90)은 가압된 상태에서 가압 부위에서 채널(84)의 가압되지 않은 단면적의 적어도 약 50%, 적어도 약 75%, 적어도 약 90%, 적어도 약 95%, 적어도 약 97.5%, 적어도 약 99% 또는 본질적으로 모두를 차단한다. 가압은 가압 부위의 채널(84) 내에서 탄성 칼라(70)와 강성 기판의 테이퍼진 연장부(16) 사이에 유밀 밀봉을 생성할 수 있다. 유밀 밀봉이 형성될 때, 유체, 예를 들어 액체 또는 기체가 가압 부위의 일 측에서 가압 부위의 다른 측으로 채널(84)을 따라 통과하는 것이 방지된다. 유밀 밀봉은 일시적일 수 있으며, 예를 들어 탄성 칼라(70)는 가압이 제거될 때 완전히 또는 부분적으로 이완되어, 채널(84)을 완전히 또는 부분적으로 다시 열 수 있다. 채널(84)은 가압되지 않은 상태의 제1 단면적 및 가압된 상태의 제2 단면적을 가질 수 있다. 예를 들어, 가압된 상태에서 가압된 부위의 단면 대 가압되지 않은 상태에서 동일한 부위의 단면적의 비율은 적어도 약 0.75, 적어도 약 0.85, 적어도 약 0.925, 적어도 약 0.975, 또는 약 1일 수 있다. 당업자는 미세유체 디바이스(100)에 형성된 채널(84)의 표면이 예를 들어 소수성(hydrophobicity)을 변화시킴으로써 변형될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 소수성은 표면 활성제와 같은 친수성 물질의 적용, 소수성 물질의 적용, 원하는 소수성을 갖는 물질로부터의 구성, 에너지 빔으로 표면을 이온화하는 것 등에 의해 변형될 수 있다.

환형 바디(50)를 강성 기판(10)에 고정적으로 부착하기 위해 다양한 방법들이 이용될 수 있다. 예를 들어, 부품들은 UV 경화성 접착제 또는 접착제의 경화/결합 생성 전에 서로에 대해 두 부품들의 이동을 허용하는 다른 접착제를 사용하여 함께 결합될 수 있다. 적합한 접착제는 UV 경화성 접착제, 열-경화성 접착제, 압감 접착제, 산소 민감성 접착제, 및 양면 테이프 접착제를 포함한다. 대안적으로, 부품들은 초음파 용접 프로세스, 열 용접 프로세스 및 비틀림 용접 프로세스와 같은 용접 프로세스를 이용하여 결합될 수 있다. 추가 대안에서, 부품들은 투샷 몰딩 또는 오버몰딩 프로세스를 사용하여 결합될 수 있으며, 이 경우 먼저 하나의 폴리머를 주입한 다음 다른 하나를 몰드 툴에 주입하여 단일 부품을 형성한다. 당업자는 엘라스토머 중합체 및 비-엘라스토머 중합체가 이러한 방식으로 결합되어 부품들 사이에 유체 기밀 밀봉을 달성할 수 있음을 쉽게 이해할 것이다.

이제 도 8 및 도 9를 참조하면, 다른 양태에서, 본원에 기재된 미세유체 디바이스(100)를 이용하는 미세유체 펌프(200)가 제공된다. 따라서, 미세유체 펌프(200)는 미세유체 디바이스(100)와, 미세유체 디바이스(100)의 베이스(58)에 착탈 가능하게 부착되는 회전식 액츄에이터(110)를 포함한다. 회전식 액츄에이터(110)는 내부에 배치된 구멍(114)을 갖는 바디(112)를 포함하고, 여기서 구멍(114)은 그 안에 환형 바디(50) 및 강성 칼라(70)를 수용하도록 크기 및 형상이 결정된다. 바디(112)의 구멍(114)의 내부 표면(116)에는 회전식 액츄에이터(110)가 회전할 때 탄성 칼라(70)의 오목한 벽(90)의 일부를 가압하도록 구성된 하나 이상의 볼들(120)이 고정 부착된다. 다양한 실시 예들에서, 하나 이상의 볼들(120)의 각각은 바디(112) 내에 배치된 스프링(130)에 고정 부착되어 미세유체 디바이스(100)의 환형 탄성 바디(50)에 가해지는 힘 F를 더욱 증가시킬 수 있다. 제공될 때, 회전식 액츄에이터(110)의 스프링들(130) 및 볼들(120)은 미세유체 디바이스(100)의 베이스(58) 위로 그리고 오목한 벽(60) 및/또는 탄성 칼라(70) 상으로 잠그기 위해 함께 작동하여, 그 결과 회전식 액츄에이터(110)와 미세유체 디바이스(100) 사이에 양의(positive), 제거 가능한 맞물림이 발생한다.

회전식 액츄에이터(110)에 의한 하나 이상의 볼들(120)의 기계적 회전은 미세유체 디바이스(100)의 탄성 칼라(70)를 따라 가압 부위의 병진 이동을 초래하고, 이에 의해 효과적인 펌핑 작용을 생성하여 회전식 액츄에이터(110)의 회전 방향으로 채널(84) 내의 유체의 흐름을 초래한다. 따라서, 회전식 액츄에이터(110) 내의 볼들(120)의 수를 변화시킴으로써 펌핑되는 체적이 조정될 수 있고, 각각의 볼(120) 사이의 간격은 펌핑될 체적의 고정된 양이다. 그 다음, 유체의 흐름은 강성 기판(10)의 상부 표면(12) 상에 배치된(또는 형성된) 적절한 입구 커넥터(122) 및 출구 커넥터(124)를 통해 들어가고 나갈 수 있고, 여기서 입구 커넥터(122)는 입구(20)와 유체 연통하도록 제공되고 출구 커넥터(124)는 출구(22)와 유체 연통하도록 제공된다. 이해되어야 하는 바와 같이, 입구 커넥터(122)는 분배될 유체를 포함하는 저장소(reservoir)(210)와 유체 연통하여 제공될 수 있고, 반면 출구 커넥터(124)는 피험자에게 유체를 투여하기 위해 튜브 또는 바늘과 유체 연통하도록 제공될 수 있다. 다양한 실시 예들에서, 입구 커넥터(122) 및 출구 커넥터(124)는 유밀 피팅(fluid-tight fitting)을 제공하기 위해 루어 로크(luer lock)로서 형성될 수 있다.

다양한 실시 예들에서, 회전식 액츄에이터(110)의 기계적 회전은 샤프트(260)에 의해 회전식 액츄에이터(110)에 결합된 전기 모터(250)에 의해 달성될 수 있다. 전기 모터(250) 및 회전식 액츄에이터(110)는 전원(270) 및 제어기(230)와 함께 하우징(254)에 구비될 수 있으며, 그에 따라 회전식 액츄에이터(110)는 미세유체 디바이스(100)가 회전식 액츄에이터(110)와 양의 결합 상태로 배치되고 전압(272)이 전기 모터(250)로 향할 때 미세유체 디바이스(100)의 탄성 칼라(70)를 따라 볼(120)을 반경방향으로 횡단시키도록 구성된다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 미세유체 디바이스(100)에 대한 회전식 액츄에이터(110)의 회전 방향은 채널(84) 내의 흐름 방향을 지시한다. 이와 같이, 당업자는 유리하게는 펌프(200)를 통한 유체 흐름이 양방향(bidirectional)일 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 미세유체 디바이스(100)는 액체 및 기체를 유동시키도록 구성되기 때문에, 기체 유체의 흐름은 펌프(200) 내에서 초기 프라이밍(priming) 액체 유체를 제공할 수 있다.

따라서, 회전식 액츄에이터(110)는 재충전 가능한 배터리와 같은 전원(270)으로부터의 전압(272)을 전기 모터(250)에 인가하여 그의 움직임을 제어함으로써 회전될 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 본원에 기재된 바와 같은 미세유체 펌프(200)에 전압(272)을 인가하는 것을 포함하는 미세유체 프로세스를 수행하기 위한 방법을 추가로 제공한다. 인가된 전압(272)은 전기 모터(250)를 활성화시키고, 전기 모터는 그에 부착된 회전식 액츄에이터(110)를 회전시켜, 탄성 칼라(70)를 따라 가압 부위의 반복적인 병진이동을 초래한다.

초당 넓은 범위의 펄스가 전기 모터(250)에 인가될 수 있고, 이에 의해 미세유체 디바이스(100) 내에서 넓은 범위의 유속을 달성할 수 있다. 유체 흐름은 매우 낮은 유속에서도 유체에 거의 또는 전혀 전단력(shear force)이 가해지지 않고 본질적으로 일정할 수 있다. 펌프(200)의 이러한 특성은 전달되는 유체의 양의 정확성을 향상시키는 반면(예를 들어, 미량의 주입 유체의 전달을 가능하게 함), 낮은 유속은 볼러스 양(bolus amount)의 영향 없이 일관된 전달을 제공한다. 이와 같이 낮고 일정한 펌핑 유량도 또한 투여 정확도를 보장하는 데 매우 유용할 수 있다.

다음의 예시적인 실시 예는 대상에게 유체(예를 들어, 인슐린)를 투여하기 위한 저렴한, 일회용 디바이스에 사용하기 위한 본 발명의 미세유체 펌프(200)의 사용을 설명한다. 펌프(200)는 대상에게 투여될 유체(예를 들어, 인슐린)를 포함하는 저장소(210)를 포함할 수 있고, 저장소(210)는 미세유체 디바이스(100)의 입구(122)와 유체 연통한다. 미세유체 디바이스(100)의 출구(124)는 대상의 조직(즉, 피하 지방 또는 근육)에 삽입되는 튜브(예를 들어, 카테터(catheter)) 또는 바늘(220)에 연결될 수 있다. 미세유체 펌프(200)는 전원(270)으로부터 모터(250)로 전압(272)을 보내도록 구성된 제어기(230)를 포함할 수 있으며, 그에 따라 하루 중 적절한 시간에 또는 적절한 경우 지속적인 피하 치료(subcutaneous therapy)(예를 들어, 인슐린 치료)를 제공하기 위해 미리 결정된 양의 유체를 대상에게 투여할 수 있다. 상기 디바이스의 모든 구성 요소들(즉, 미세유체 디바이스(100), 회전식 액츄에이터(110), 모터(250), 전원(270), 제어기(230) 및 저장소(210))은 단일 하우징(254) 내에 배치될 수 있다. 따라서, 디바이스는, 저장소(210) 내의 유체의 전부 또는 대부분이 대상에게 투여되었을 때 교체되는 일회용 카드에 제공되는 것과 같이, 미세유체 디바이스(100) 및 저장소(210)가 일회용이 되도록 구성될 수 있다.

본 발명의 미세유체 펌프(200)의 사용을 설명하는 다른 예시적인 실시 예에서, 미세유체 펌프(200)는 질병의 동물 모델에 대한 약물 테스트를 위한 저렴한, 일회용 샘플링 디바이스(sampling device)로 사용될 수 있다. 펌프(200)는 대상(예를 들어, 동물 모델)로부터의 샘플(예를 들어, 혈액)을 포함하도록 구성된 다수의 빈 저장소들(210)을 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 저장소(210)는 미세유체 디바이스(100)의 입구(122)(이는 샘플 배출구 역할을 함)와 유체 연통한다. 미세유체 디바이스(100)의 출구(124)(샘플 입구 역할을 함)는 대상의 조직(즉, 피하 지방 또는 근육) 또는 정맥에 삽입되는 튜브(예를 들어, 카테터) 또는 바늘(220)에 연결될 수 있다. 상기와 같이, 미세유체 펌프(200)는 하루 중 특정 시간 및/또는 요일에 전원(270)으로부터 모터(250)로 전압(272)을 향하게 하도록 구성된 제어기(230)를 포함할 수 있고, 따라서 대상으로부터 주기적으로 샘플들을 얻을 수 있다. 이러한 주기적 샘플링은, 예를 들어, 대상 내에서 시간이 지남에 따라 약물 효능을 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 마찬가지로, 디바이스는 소량의 정확한 샘플링된 가스를 필요로 하는 분석을 위한 가스 물질의 샘플링에 사용될 수 있다(예를 들어, 질량 분광법(mass spectrometry)).

다양한 실시 예들에서, 제어기(230)는 모바일 폰 또는 태블릿과 같은 핸드헬드 디바이스(240)와의 유선 또는 무선 통신을 위해 구성될 수 있다. 무선 통신은 적외선 전송, 블루투스 프로토콜, 무선 주파수, 지그비 무선 기술, GPS, Wi-Fi, WiMAX 및 이동 전화 통신방법으로 구성된 그룹에서 선택될 수 있으며, 분배되는 유체(예를 들어, 인슐린)의 양, 분배 시간 및/또는 기간, 저장소(210)에 남아 있는 유체(예를 들어, 인슐린)의 양, 샘플링 시간, 샘플링 기간, 추가 샘플링 등을 위해 저장소에 남아 있는 체적의 양 등을 포함하지만 이에 국한되지 않는 정보를 전송/수신하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시 예들에서, 대상에 부착된 하나 이상의 무선 센서들을 통해 핸드헬드 디바이스(240)는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 대상의 혈당 수준, 인슐린 수준 및 온도와 같은 하나 이상의 생리학적 특성을 모니터링하도록 추가로 구성될 수 있다.

본 발명이 상기 개시내용을 참조하여 설명되었지만, 수정 및 변형이 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함된다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 본 발명은 다음 청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims (17)

1. 미세유체 디바이스(microfluidic device)에 있어서:
   a) 상부 표면, 하부 표면, 구멍을 정의하는 내부 표면, 및 상기 하부 표면으로부터 베이스(base)까지 하향 연장되는 실질적으로 오목한 벽을 갖는 환형 바디(annular body)-상기 환형 바디는 그 내부에 배치된 입력 포트 및 출력 포트를 포함 함-;
   b) 상기 환형 바디의 상기 하부 표면에 고정 부착된 탄성 칼라(elastic collar)-상기 탄성 칼라는 그 주변부(periphery) 주위에 배치된 플랜지(flange) 및 상기 환형 바디의 상기 베이스에 고정 부착되는 하부 표면을 포함하고, 여기서 상기 플랜지는 상기 환형 바디의 상기 하부 표면에 결합되도록 구성 됨-; 및
   c) 상부 표면, 하부 표면, 및 상기 하부 표면으로부터 하향 연장되는 테이퍼진 연장부(tapered extension)를 갖는 강성 기판을 포함하고, 상기 강성 기판은 상기 상부 표면에 배치되고 상기 환형 바디의 입력 포트 및 출력 포트와 정렬하여 위치된 입구 및 출구를 포함하고, 여기서 상기 강성 기판의 상기 하부 표면은 상기 환형 바디의 상기 상부 표면에 고정 부착되고 상기 테이퍼진 연장부는 상기 구멍 내에 맞도록 크기 및 형상이 지정되어, 상기 입력 포트와 상기 출력 포트 사이에서 상기 탄성 칼라와 채널(channel)을 형성하는, 미세유체 디바이스.
2. 제1항에 있어서, 상기 환형 바디는 상기 강성 기판에 접합되는, 미세유체 디바이스.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 강성 기판의 상기 상부 표면에 배치된 입구 커넥터 및 출구 커넥터를 더 포함하고, 각각은 상기 환형 바디의 상기 입구 포트 및 상기 출구 포트와 유체 연통(in fluid communication)하도록 제공되는, 미세유체 디바이스.
4. 제1항에 있어서, 상기 탄성 칼라는 그 내부 표면에 형성된 하나 이상의 멈춤쇠(detent)들을 포함하고, 각각의 멈춤쇠는 상기 강성 기판의 상기 입구 및 상기 출구와 각각 유체 연통하는, 미세유체 디바이스.
5. 제1항에 있어서, 상기 탄성 칼라의 내부 표면은 오목한 형태인, 미세유체 디바이스.
6. 제1항에 있어서, 상기 탄성 칼라의 상기 플랜지는 상기 환형 바디의 상기 하부 표면에 접합되고 상기 강성 기판의 상기 테이퍼진 연장부의 상기 하부 표면은 상기 베이스의 상기 내부 표면에 접합되는, 미세유체 디바이스.
7. 제1항에 있어서, 상기 강성 기판의 상기 테이퍼진 연장부는 그 표면에 배치된 그루브(groove)를 포함하고, 상기 그루브는 상기 강성 기판의 상기 상부 표면에 평행하게 위치되고, 상기 그루브는 상기 탄성 칼라와 결합되도록 구성되는, 미세유체 디바이스.
8. 제1항에 있어서, 상기 탄성 칼라는 그 원주를 따라 배치된 리브(rib)를 더 포함하고, 상기 리브는 상기 플랜지에 실질적으로 평행하게 위치되는, 미세유체 디바이스.
9. 제1항에 있어서, 상기 강성 기판은 그의 축으로부터 멀어지는 방향으로 연장되는 연장부(extension)를 더 포함하고, 상기 연장부는 상기 환형 바디의 상기 출구 포트와 상기 강성 기판의 상기 출구 사이에 유체 연통을 제공하도록 구성된 미세유체 채널이 내부에 배치되는, 미세유체 디바이스.
10. 펌프(pump)에 있어서:
    (a) 제1항의 상기 미세유체 디바이스;
    (b) 상기 미세유체 디바이스의 상기 베이스에 제거 가능하게 부착되는 회전식 액츄에이터(rotary actuator)-상기 회전식 액츄에이터는 상기 미세유체 디바이스의 상기 탄성 칼라의 일부를 가압하도록 구성됨-; 및
    (c) 상기 회전식 액츄에이터에 결합되고 상기 미세유체 디바이스의 상기 주변부 주위에서 상기 회전식 액츄에이터를 회전시키도록 구성되는 모터를 포함하는, 펌프.
11. 제10항에 있어서, 상기 회전식 액츄에이터는:
    (a) 구멍(aperture)이 내부에 배치되어 있는 바디(body)-상기 구멍은 상기 미세유체 디바이스의 상기 베이스 및 상기 강성 칼라를 수용하도록 크기 및 형상이 지정됨-; 및
    (b) 상기 바디의 상기 구멍의 내부 표면에 고정 부착된 하나 이상의 볼(ball)들을 포함하고, 상기 하나 이상의 볼들은 상기 회전식 액츄에이터가 회전할 때 상기 탄성 칼라의 일부를 가압하도록 구성되는, 펌프.
12. 제11항에 있어서, 상기 하나 이상의 볼들의 각각은 스프링(spring)에 의해 상기 회전식 액츄에이터의 상기 구멍의 상기 내부 표면에 고정적으로 부착되어, 상기 회전식 액츄에이터와 상기 미세유체 디바이스 사이에 양의 결합(positive engagement)을 제공하는, 펌프.
13. 제10항에 있어서, 상기 미세유체 디바이스의 상기 입구 커넥터와 유체 연통하는 저장소(reservoir)를 더 포함하고, 상기 저장소는 (i) 상기 펌프에 의해 전달될 유체를 포함하거나 (ii) 상기 펌프에 의해 샘플링(sampling)될 유체를 수용하도록 구성되는, 펌프.
14. 제13항에 있어서, 상기 유체는 액체 또는 기체인, 펌프.
15. 제13항에 있어서, 상기 미세유체 디바이스의 출구 커넥터와 유체 연통하는 바늘(needle)을 더 포함하고, 상기 바늘은 (i) 상기 저장소의 유체를 이를 필요로 하는 대상(subject)에게 투여하거나 (ii) 대상으로부터 샘플을 얻도록 구성되는, 펌프.
16. 제15항에 있어서, 제어기 및 전원을 더 포함하고, 상기 제어기는 상기 전원으로부터의 전압을 상기 모터에 공급하여 상기 회전식 액츄에이터를 회전시키도록 구성되는, 펌프.
17. 제16항에 있어서, 상기 제어기는 분배되는 유체의 양, 분배 시간, 분배 기간, 상기 저장소에 남아있는 유체의 양, 샘플링 시간, 샘플링 기간, 및 추가 샘플링을 위해 상기 저장소에 남아 있는 체적의 양으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 정보에 관하여 핸드헬드 디바이스(hand-held device)와 통신하도록 더 구성되는, 펌프.

Images