SU1136810A1 - Устройство дл микроинъекции жидкости - Google Patents

Abstract

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОИНЪЕКЦИИ ЖИДКОСТИ, содержащее корпусJ герметизирующий затвор, рабочую камеру, микропипетку и исполнительный элемент с блоком его управлени , отличающеес  тем, что, с целью повыщени  точности дозировани , исполнительный элемент выполнен из материала, измен ющего объем под действием пол , герметизирующий затвор включает шток, поршень, две пары биметаллических пластин, установленных внутри корпуса, и две пружины, одна из которых установлена с возможностью взаимодействи  с одним из концов щтока и корпусом, а друга  - с корпусом и порщнем, при этом устройство дополнительно снабжено блоком управлени  герметизирующим затвором, камерой предварительного заполнени , образованной стенками корпу Са и поверхностью поршн , и блоком за Дани  температуры, включающим нагревн тель, датчик температуры и систему управлени , причем нагреватель и температуры расположены на внешней поверхности рабочей камеры и их выходы соединены с блоком системы управлени . 2.Устройство по п. 1, отличающеес  Тем, что блок управлени  исполнительного элемента включает конденсатор и задатчик посто нного напр жени , а исполнительный элемент выполнен из пьезоэлектрического материала, при этом выход задатчика посто нного напр жени  соединен с обкладка ми конденсатора. i 3.Устройство по п. 2, отличающеес  тем, что исполнительный элемент выпол (Л нен из электрострикционного материала. 4.Устройство по п. 1, отличающеес  тем, что блок управлени  исполнительного элемента включает индукционную катушку и источник посто нного тока, а исполнительный элемент выполнен из магнитострикционного материала, при этом выход источника посто нного тока соединен с вхосо дом индукционной катущки. О) оо

Description

Изобретение относитс  медицинской технике, преимущественно к аппаратуре дл  исследовани  микрообъектов, в частности клеток и тканей. Известно устройство дл  микроинъекции жидкости содержащее корпус, микропипетку , поршни, герметизирующий затвор и средство дл  нагрева поршн  I. Известно также устройство дл  микроинъекции жидкости, содержащее корпус. герметизирующий затвор, рабочую камеру, микропипетку и исполнительный элемент с блоком его управлени  2. Недостатки известных устройств - низка  точность дозировани  жидкости. Цель изобретени  - повышение точности дозировани  жидкости. Указанна  цель достигаетс  тем, что устройство дл  микроинъекции жидкости, содержащее корпус, герметизирующий затвор , рабочую камеру, микррпипетку и исполнительный элемент с блоком его управлени , исполнительный элемент выполнен из материала, измен ющего объем под действием пол , герметизирующий затвор включает шток, поршень, две пары биметаллических пластин, установленных внутри корпуса, и две пружины, одна из которых установлена с возможностью взаимодействи  с одним из концов штока и корпусом , и друга  -- с корпусом и поршнем, при этом устройство дополнительно снабжено блоком управлени  герметизирующим затвором, камерой предварительного заполнени , образованной стенками корпуса и поверхностью поршн , и блоком задани  температуры, включающим нагреватель, датчик температуры и систему управлени , причем нагреватель и датчик температуры расположены на внешней поверхности рабочей камеры и их выходы соединены с входом системы управлени . Кроме того блок управлени  исполнительного элементег включает конденсатор и задатчик посто нного напр жени , а исполнительный элемент выполнен из пьезо . электрического материала, при этом выход задатчика посто нного напр жени  соединен с обкладками конденсатора. Причем исполнительный элемент выполнен из электрострикционного материала.

При этом блок управлени  исполнительного элемента включает индукционную катушку и источник посто нного тока, а исполнительный элемент выполнен из магнитострикционного материала, при этом выход источника посто нного тока соединен с входом индукционной катушки.

На фиг. 1 представлено устройство, общий вид; на фиг. 2 - рабоча  камера микроинъектора, выполненна  t исполнительным элементом из пьезоэлектрического или электрострикционного материала; на фиг. 3 - рабоча  камера, микроинъекнени  установлен также задатчик давлени  инъецируемой жидкости, выполненный в виде поршн  21 с прокладками 22, поршень 21 упираетс  в калиброванную пружину 23, под фланцем 24 поршн  установлена термоуправл ема  биметаллическа  пластина 25 с расположенным на ней нагревателем 26, соединенным с источником 27 тока в камере предварительного заполнени  имеютс  заправочные отверсти  28 закрытые герметизирующими уплотнительными прокладками 29 с крышками 30.

В одном из вариантов выполнени  конструкции источником электрического постора , в которой исполнительным элембнтон  вл етс  инъектируема  электрострнкционна  жидкость; на фиг. 4 - рабоча  камера микроинъектора, в котором исполнительным элементом  вл етс  электрострикционна  жидкость, помещенна  в гибкую, упругую оболочку; на фиг. 5 - рабоча  камера, микроинъектора, в которой исполнительным элементом  вл етс  электрострикционна  жидкость, контактирующа  с инъекцируемой жидкостью; на фиг. 6 - рабоча  камера микроинъектора, выполненна  с исполнительным элементом из магнитострикционного материала. Устройство дл  микроинъекции жидкости содержит корпус 1 с расположенными в нем рабочей камерой 2 и камерой 3 предварительного заполнени  св занной с рабочей камерой 2 через отверстие в химически стойкой теплоизолирующей пробке 4, в рабочей камере 2 расположен исполнительный элемент 5, выполненный из материала, объем которого измен етс  под действием пол , и инъецируема  жидкость 6, часть которой находитс  также в камере 3 предверительного заполнени , рабоча  камера 2 соединена с микропипеткой 7. На исполнительный элемент 5 воздействует поле от источника 8 пол , св занного с блоком 9 управлени  исполнительным элементом. На поверхности рабочей камеры 2 расположены датчик 10 температуры и нагреватель 11, св занные с блоком 12 задани  температуры рабочей камеры, на поверхности корпуса 1 расположена термобатаре  13, соединенна  с выходом регул тора 14 поддержани  температуры корпуса 1, вход регул тора 14 соединен с дифференциальной термопарой 15, один спай которой расположен на корпусе 1, а другой - на поверхности рабочей камеры 2, в камере предварительного заполнени  расположен герметизирующий затвор, выполненный в виде штока 16 с корпусом притертым концом, св занным с термоуправл емой биметаллической пластиной 17 с расположенным на ней нагревателем 18, соединенным блоком 19 управлени  герметизирующим затвором и прижимной пружиной 20, в камере 3 предварительного запол3 то нного ПОЛЯ  вл ютс  обкладки конденсатора , расположенные на поверхности рабочей камеры 2 (фиг. 2-5). При этом исполнительным элементом  вл етс  стержень , выполненный из пьезоэлектрического или электрострикционного материала5 .{фиг. 2). Исполнительным элементом может быть также сама инъецируема  жидкость , если она электрострикционна ( фиг. 3). Если же инъецируема  жидкость не обладает электрострикционным СБОЙСТ-ю вом, то исполнительный элемент (электрострикционна  жидкость 6) может быть помещена, например, в гибкую и упругую оболочку 31 (фиг. 4) либо иметь непосредственный контакт с инъецируемой жидкостью б, располага сь в зазоре между заправочным капилл ром 32 и стенкой рабочей камеры (фиг.5). В другом варианте выполнени  конструкции источником посто нного магнитного пол   вл етс  намагничивающа  ка-20 тушка 8, установленна  на рабочей ка.мере 2 с зазором, т. е. без непосредственного теплового контакта между камерой и катушкой (фиг. 6,). При этом исполнительным  вл етс  стержень 5, выполненный из магнитострикционного материала. Устройство работает следующим образом . Перед инъецированием устройство заполн ют инъецируемой жидкостью, дл  чего от источника 27 тока на нагреватель 26зо подают ток, необходимый дл  нагрева биметаллической пластины 25. Нагрева сь, биметаллическа  пластина 25 изгибаетс  и упираетс  во фланец 24 юршн  21. При дальнейшем нагреве пластины 25 изгиб ее, передава  усилие изгиба через фланец 2435 на поршень 21 и деформиру  калиброванную пружину 23, обеспечивает перемещение поршн  21 вправо. При этом калиброванна  пружина 23 сжимаетс . В начальный мо.мент, т.е. перед заправкой инъе-до цируемой жидкостью, биметаллическа  пластина 17 имеет комнатную температуру, т.е. отсутствует прогиб пластины 17. Шток 16 прижимной пружиной 20 прижат конусным притертым концом к конусному притертому отверстию в пробке 4. Тем самым 5 герметизируетс  объем рабочей ка.меры 2 от объема камеры 3 предварительного заполнени . Дл  заполнени  инъецируемой жидкостью камеры предварительного заполнени  крышки 30 заправочных отверс-JQ тий 28 снимаютс . В нижнее заправочное отверстие 28 через уплотнительную прокладку 29 вводитс  игла заправочного устройства, например шприца (не показан). Герметизирующа  прокладка 22 верхнего отверсти  28 снимаетс . Проводитс  запол-55 нение камеры 3 предварительного заполнени  инъецируемой жидкостью 6. Воздух из камеры предварительного заполнени  11368 0 4 вытесн етс  через верхнее отверстие 28. Полнота заполнени  камеры 3 предварительноге заполнени  инъецируемой жидкостью б контролируетс  по влением жидкости из верхнего отверсти  28. После чего игла заправочного устройства извлекаетс  и заправочные отверсти  28 герметизируютс  прокладками 29 и крышками 30. Источник 27 тока отключаетс  и пластина 25 охлаждаетс  до комнатной температуры. При этом изгиб биметаллической пластины 25 уменьшаетс  до нул . Калиброванна  пружина 23, дав  через поршень 21 на инъецируемую кидкость 6, создает в ней давление, необходи .мое дл  заправки рабочей камеры 2 и преодолени  давлени  в конце микропипетки 7. Герметизаци  штока 1бипоршн 21 обеспечиваетс  прокладками 22, которые одновременно с обеспечением герметизации позвол ют штоку 16 и поршню 21 пере.мещатьс  в осевом направлении. Заполнение рабочей камеры 2 инъецируемой жидкостью б происходит следующим образом . Предварительно температура рабочей камеры 2 задаетс  и поддерживаетс  несколько выше комнатной температуры с точностью пор дка 0,005-0,001 град при помощи датчика ,10 температуры, нагрсвател  II и блока 12 задани  температуры. После чего от блока 19 у11равле п1  герметизирующим затвором на нагреватель 18 подаетс  ток, необходимый дл  нагрева биметаллической пластины 17. Нагрев пластины 7 вызывает ее изгиб. Изгиба сь, пластина 7 упираетс  в шток 16, и, деформиру  прижимную пружину 20, отводит шток 16 вправо. При этом межд конусным наконечником штока Г6 и конусным отверстием пробки 4 образуетс  зазор, через который жидкость 6 поступает в рабочую камеру 2. Воздух из рабочей ка.меры 2 выходит через отверстие в конце микроп1 петки 7. окончанию заполнени , которое опрсдел етс  по по влению мениска на конце . микропипетки 7, контроль осуществл етс  при помощи микроскопа (не показан), блок 19 управлени  герметизирующим затворо.м отк пючаетс . Биметаллическа  пластина 17 охлаждаетс  до ко.мнатной температуры. Изгиб пластин уменьшаетс  до ну,1 . При этом шток 16 прижимной пружиной 20 притертым конусным концо.м прижимаетс  с усилием к притертому конусному отверстию в пробке 4. Тем самым инъецируема  жидкость в рабочем объе.ме камеры 2 герметично отдел етс  от этой же жидкости в камере 3 предварительного заполнени . После чего при необходимости мениск инъециоу мой жидкости подводитс  к краю микропиггетки, вводимому в объект, за счет изменени  объема жидкости. Контролируемое изменение объема жидкости за счет ее теплового расширени  задаетс 

изменением температуры рабочей камеры 2, блоком 12 задани  и поддержани  температуры датчиком 10 температуры и нагревателем 12. После этого устройство готово к микроинъецированию.

Дл  обеспечени  микроинъецировани  с блока 9 управлени  исполнительным элементом подаетс  задающее воздействие посто нной величины на источник 8 пол . Источник 8 пол  создает посто нное поле, которое действует на исполнительный элемент ,, выполненный из материала объем которого измен етс  под действием пол .

Исполнительный элемент 5, увеличива  свой объем при увеличении напр женности воздействующего пол  вытесн ет объем жидкости из микропипетки, равный изменению объема исполнительного элемента 5 под действием пол . Таким образом, дискретным изменением напр женности пол  обеспечиваетс  многократное микроинъецирование . Дл  повышени  точности микроинъецировани  температура рабочей камеры 2, а следовательно,, и жидкости 6 и исполнительного элемента 5 задаетс  и поддерживаетс  датчиком 10 температуры, нагревателем 11 и блоком 12 задани  температуры рабочей камеры 2 и поддерживаетс  в квазиадиабатных услови х.

Квазиадиабатные услови  создаютс  термобатареей 13, установленной на корпусе 1 и св занной с регул тором 14, на вход которого поступает сигнал с дифференциаль ной термопары 15. Тем самым средн   температура корпуса 1 поддерживаетс  равной температуре рабочей камеры 2, что практически устран ет теплоотвод с рабочей камеры, а следовательно, повышает точность термостатировани  рабочей камеры 2 вместе с жидкостью 6 и исполнительным элементом 5.

Если источником пол   вл етс  конденсатор , то на его обкладки подаетс  посто нное напр жение от блока управлени  исполнительным элементом. При этом между обкладками конденсатора по вл етс  электрическое поле посто нной напр женности , которое, воздейству  на исполнительный элемент 5, измен ет его объем.

При исполнительном элементе 5, выполненном из пьезоэлектрического материала (фиг. 2), вытеснение объема инъецируемой жидкости будет обеспечиватьс  изменением объема при подаче на обкладки конденсатора .

Дл  исполнительного элейента, выполненного из твердого диэлектрического ма . териала, че обладающего пьезоэлектрическими сБсйстьами, но имеющего электрострикционные свойства, изменение объема пор дка 10 см будет обеспечиватьс  при подаче на обкладки конденсатора напр жени  пор дка 0,1 - 1 В.

Дл  жидкого диэлектрика, обладающего электрострикционными свойствами, относительное изменение объема под действием внешнего электрического пол  посто нной напр женности определ етс  по формуле

-АЕ -v

где бУ - изменение объема жидкости под действием внещнего электрического пол , см, V -рабочий объем камеры, Е -напр женность электрического пол  между обкладками конденсатора . В/см; А -посто нна , дл  органических

жидкостей.

При V ; величина лУ составл ет дУ« 10 см .

Воздействие электрического пол  посто нной напр женности на исполнительный элемент 5, выполненный из электрострикционной жидкости, вызывает увеличение ее объема. Это увеличение обеспечивает выдавливание дозы инъецируемой жидкости. Так, при увеличении объема электрострикционной жидкости, котора  одновременно  вл етс  и инъецируемой (фиг. 3), такой же объем жидкости будет вытесн тьс  в объект. Если электрострикционна  жидкость расположена в гибкой упругой оболочке 31, то увеличение ее объема деформи рует гибкую упругую оболочку 31, что вызывает вытеснение объема инъецируемой жидкости (фиг. 4), равного увеличению объема электрострикционной жидкости.

При электрострикционной жидкости,

контактирующей непосредственно с инъецируемой жидкостью 6 (фиг. 6) и несмещивающейс  с нею, увеличение объема жидкости вызывает вытеснение объема инъецируемой жидкости 6, равного увеличению объема электрострикционной жидкости.

0 Если источником пол   вл етс  намагничивающа  катушка, то на нее подаетс  стабилизированный посто нный ток от высокоточного источника тока, который  вл етс  прецизионным задатчиком посто нного тока (блок 9 управлени  исполнительным элементом). Посто нный электрический ток, проход  через катущку 8, возбуждает посто нное магнитное поле, которое воздействует на исполнительный элемент 5 (фиг. 6), выполненный из магнитострик0 ционного материала, измен ет его объем. При увеличении объема исполнительного элемента 5 такой же объем, равный увеличению объема исполнительного элемента 5, будет вытесн тьс  из микропипетки в объект. Так, дл  исполнительного элемента , выполненного из сплава платины с железом (Pt 54 и Fe 46°/ изменение объема пор дка 10 см обеспечиваетс  при изменении напр женности посто нного магнитного ПОЛЯ в катушке на 3 Э. Геометрические размеры исполнительного элемента: длина 5 мм, диаметр 20 мкм. Установка катушки 8 на рабочей камере 2 с зазором исключает вли ние разогрева катушки на точность термостатировани  рабочей камеры вместе с исполнительным элементом и инъецируемой жидкостью, а значит и на точность дозировани . Минимальна  величина дозы в предложенном устройстве будет определ тьс  точностью термостатировани  рабочей камеры вместе с исполнительным элементом и дозируемой жидкостью. Эта величина будет пор дка 10. Таким образом, активное термостатирование рабочей камеры с исполнительным элементом и дозируемой жидкостью полностью исключает неуправл емое вли ние изменени  внешней температуры на точность микродозировани . Применение в устройстве исполнительного элемента, выполненного из материала, объем которого измен етс  под действием пол , и св занного с источником пол , управл емым блоком задани  и управлени  посто нным полем, позвол ет получить объем микродозы пор дка 10 -10 см. Причем, минимальна  величина дозы в предложенном устройстве ограничиваетс  не возможност ми исполнительного элемента , измен юшего свой объем под действием внешнего управл юш:его посто нного пол , а другидми, вли юшими на величину дозы факторами, такими, например, как точность термостатировани , конструктивное выполнение элементов устройства и др. Исполнительный элемент, управл емый внешним посто нным полем, позвол ет получить изменение объема пор дка -10 см. Камера предварительного заполнени  с задатчиком давлени  и герметизирующим затвором обеспечивает удобство эксплуатации , так как ее конструкци  исключает необходимость разборки устройства дл  заполнени  дозируемой жидкостью и создает посто нное давление, необходимое дл  заполнени  рабочей камеры дозируемой жидкостью и обеспечени  дозировани . Кроме того, дистанционно управл емый герметизируюший затвор, отдел   рабочую камеру от камеры предварительного заполнени  в режиме дозировани , исключает вли ние изменени  геометрических размеров упругих элементов (таких как прокладки ), расположенных в камере предварительного заполнени , на точность дозировани . Многократное дозирование (до 5001000 и более доз) и различна  величина дозы в устройстве обеспечиваетс  двум  способами. Ступенчатое изменение напр женности посто нного пол , воздействующего на исполнительный элемент (при величине дозы & 10 мл), обеспечивает многократное дозирование. Задание величины ступени, управл ющей полем воздействи , задает величину дозируемого объема. Ступенчатое изменение температуры рабочей камеры с дозируемой жидкостью и исполнительным элементом средством задани  и поддержани  температуры рабочей камеры обеспечивает многократное дозирование за счет теплового расширени  дозируемой жидкости. Задание величины температурной ступени задает величину дозируемого объема (Дл  мин:имальной величины ступени 0,05 град, величина дозируемого объема пор дка 10 - .л. Устройство дл  мйкроинъекции жидкости обеспечивает многократное дозирование (более 500 доз) при минимальной величине дозы 0 -Ю мл. и точности дозировани  пор дка 20-30% против „1 ) /-,-10 минимальной величины дозы 10 -10 мл и точности дозировани  100-200% в известном устройстве.

W f 8 ;

i/ .. 6

J9

f/ A.

0

« I A .ft /

fN . .-УУ.-ЧХУ.-У-4. .ff

bzrzizr izrizi iiS,

T

f inns-

il V

7.2

yz.J

Claims (4)

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРО-

ИНЪЕКЦИИ ЖИДКОСТИ, содержащее корпус_f герметизирующий затвор, рабочую¹ камеру, микропипетку и исполнительный элемент с блоком его управления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности дозирования, исполнительный элемент выполнен из материала, изменяющего объем под действием поля, герметизирующий затвор включает шток, поршень, две пары биметаллических пластин, установленных внутри корпуса, и две пружины, одна из которых установлена с возможностью взаимодействия с одним из концов штока и корпусом, а другая — с корпусом и поршнем, при этом устройство дополнительно снабжено блоком управления герметизи рующим затвором, камерой предварительного заполнения, образованной стенками корпу са и поверхностью поршня, и блоком задания температуры, включающим нагреватель, датчик температуры и систему управления, причем нагреватель и датчик температуры расположены на внешней поверхности рабочей камеры и их выходы соединены с блоком системы управления.

2. Устройство по π. 1, отличающееся тем, что блок управления исполнительного элемента включает конденсатор и задатчик постоянного напряжения, а исполнительный элемент выполнен из пьезоэлектрического материала, при этом выход задатчика постоянного напряжения соединен с обкладка ми конденсатора.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что исполнительный элемент выполнен из электрострикционного материала.

4. Устройство по π. 1, отличающееся тем, что блок управления исполнительного элемента включает индукционную катушку и источник постоянного тока, а исполнительный элемент выполнен из магнитострикционного материала, при этом выход источника постоянного тока соединен с входом индукционной катушки.

SU .„1136810