TÍTULO
Microsistema para Ia extracción e inyección controlada de fluido de un solo uso
OBJETO DE LA INVENCIÓN
El objeto de Ia presente invención es un microsistema diseñado para Ia extracción e inyección de fluido de manera controlada y de un solo uso que consta de una cámara de trabajo abierta al exterior mediante unas microagujas y una cámara de activación que contiene un gas con una diferencia de presión relativa a Ia presión exterior. Dependiendo de si el microsistema se utiliza para succionar o inyectar fluido, Ia presión de Ia cámara de activación será menor o mayor que Ia presión exterior. Estas cámaras están separadas por una membrana que es destruida para Ia activación del dispositivo haciendo pasar corriente por una resistencia situada en Ia membrana consiguiendo, debilitar el material de manera que Ia diferencia de presiones rompa Ia membrana.
El control de Ia activación del microsistema permite activar el dispositivo en cualquier momento, independientemente de cuando se haya realizado su instalación. El proceso de extracción o inyección se realiza de forma irreversible, permitiendo simplificar el diseño y abaratar costes de fabricación. Como consecuencia de esto, el dispositivo será de un solo uso. Se puede conseguir un funcionamiento continuo, agrupando una cierta cantidad de estos dispositivos en una matriz y activándolos secuencialmente.
Una de las aplicaciones de este dispositivo sería Ia medida de concentración de glucosa en líquido intersticial así como Ia inyección de insulina, ambas de forma controlada, continua e indolora. De igual forma, se podría usar para Ia medida de cualquier otra sustancia química disuelta en el líquido intersticial así como el suministro de cualquier otro tipo de droga.
ESTADO DE LA TÉCNICA En Ia medicina actual, el control de Ia medida de Ia concentración de sustancias químicas en sangre es fundamental para aumentar Ia calidad de vida de los pacientes. Por ejemplo, el control de Ia medida de glucosa previene las complicaciones futuras debidas a Ia diabetes. Esta medida debe ser indolora para interferir Io menos posible en Ia vida del paciente. También es importante realizar esta medida de forma continua, con objeto de controlar en todo momento el nivel
de glucosa, y poder corregir de forma anticipada una crisis glucémica introduciendo insulina de forma controlada.
Hasta ahora, esta labor viene haciéndola el paciente de forma manual. Varias veces al día se extrae una gota de sangre mediante un dispositivo que, de forma dolorosa perfora Ia piel. La medida de glucosa se realiza aplicando esta gota sobre una tira reactiva, que da lugar a una señal eléctrica o colorimétrica que indica su concentración. Ejemplos de este método son las patentes EP0078636, EP127958, US5288636.
En Ia actualidad están apareciendo otras soluciones que intentan mejorar Ia técnica de medida. Para realizar Ia extracción de fluido de manera indolora se encuentran soluciones como por ejemplo Ia que se presenta en Ia patente EP1174078, que desarrolla un microsistema en forma de parche. Este dispositivo está compuesto por un depósito comunicado con el exterior a través de una matriz de microagujas. La extracción de líquido se realiza mediante tensión superficial y por tanto, sin control alguno.
Otras soluciones van encaminadas a conseguir una medida continua, y en Ia actualidad se encuentran técnicas como Ia microdiálisis (US6706009). En esta patente se utiliza una aguja de pequeñas dimensiones y doble conducto. Mediante uno de los conductos se inyecta líquido dentro de Ia piel. El líquido es recogido de forma simultánea por el otro conducto, llevando en disolución Ia sustancia química a analizar. Este tipo de técnicas invasivas suele ser dolorosa y conlleva un cierto grado de incomodidad para el paciente. Una alternativa a Ia utilización de agujas es Ia microporación de Ia piel. En Ia patente US6142939 se utiliza esta técnica para abrir poros en Ia piel de forma indolora mediante un láser. La extracción de fluido intersticial se realiza posteriormente mediante Ia utilización de otro dispositivo auxiliar que contiene una cámara de vacío y que es colocada encima de las perforaciones. Ambos dispositivos son de dimensiones macroscópicas y requieren de Ia intervención del paciente para su funcionamiento, pudiéndose equiparar su uso al de las tiras reactivas mencionadas anteriormente.
De Ia misma manera, el problema de introducir drogas y medicamentos a través de Ia piel debe realizarse de forma indolora y controlada, e idealmente de forma continua. La patente US6589202 desarrolla un dispositivo dispensador de dosis de medicamento que es accionado de forma manual. El dispositivo contiene una serie
de dispensadores formados por un pequeño depósito y una matriz de microagujas. Cuando el paciente acciona el mecanismo, el líquido del depósito es inyectado en Ia piel a través de las microagujas y gracias a Ia presión ejercida por el propio paciente. Este dispositivo es de uso manual y de grandes dimensiones.
La patente US6132755 desarrolla un microsistema parecido al de Ia patente EP1174078, pero incluye además un sistema más complejo de inyección de líquidos a través de las microagujas. Este sistema está basado en Ia acción de un pistón sobre el líquido que se quiere inyectar. El pistón es accionado a su vez mediante un gas a presión. La fabricación de este dispositivo es complicada y hará que su coste se incremente debido a su gran complejidad.
De todo Io anteriormente expuesto se deduce que es necesario el desarrollo de un dispositivo que realice Ia medida de Ia concentración de glucosa y posterior inyección de insulina si fuese necesario. Se presenta en esta patente un dispositivo que puede realizar estas funciones de manera indolora, continua y de forma controlada.
Para optimizar Ia fabricación de nuestro dispositivo, ya sea en Ia reducción de tamaño y coste como en Ia integración con otras tecnologías se incorporan elementos simples como Ia válvula de un solo uso. Otras válvulas irreversibles del mercado son US5368704, US6527003 o Miniature one-shot valve (L.J.Guérin).
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1.- Diseño del microsistema objeto de Ia invención, que consta de:
11. Módulo que contiene una cámara de trabajo con presión exterior y microagujas huecas (15).
12. Módulo que contiene Ia membrana separadora y una resistencia calentadora.
13. Módulo que contiene Ia cámara de activación con presión Pa.
14. Resistencia calentadora.
15. Microagujas huecas.
Figura 2.- Diseño del microsistema donde se incluyen dos electrodos metálicos y el agente reactivo.
14. Resistencia calentadora.
15. Microagujas huecas. 18. Cámara de trabajo 19. Cámara de activación
20. Electrodos metálicos
21. Agente reactivo
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Se presenta un microsistema diseñado para Ia extracción o inyección de fluido de manera controlada y de un solo uso.
El microsistema está compuesto por dos cámaras, Ia cámara de activación y Ia de trabajo. La cámara de trabajo está abierta al exterior mediante unas microagujas, y Ia de activación contiene un gas con una diferencia de presión relativa a Ia exterior. Estas cámaras están separadas por una membrana que es destruida para Ia activación del dispositivo.
La presión de Ia cámara de activación se denominará Pa. Dependiendo de si el microsistema se utiliza para succionar o inyectar fluido, Ia presión Pa será menor o mayor que Ia presión exterior y se actuará sobre el microsistema de Ia misma forma. Para succionar se deben poner las microagujas en contacto con el fluido que se pretende extraer. Para el caso de Ia inyección se sitúa el fluido en Ia cámara de trabajo.
El mecanismo de succión e inyección es el mismo y se basa en Ia diferencia de presión que existe entre las dos cámaras que Io forman y a su activación controlada debido al paso de corriente por uno de los elementos.
Para producir Ia succión se hace pasar corriente por Ia resistencia calentadora de manera que se aumenta Ia temperatura de Ia membrana separadora, debilitándola. Si a esto se une Ia diferencia de presión que soporta, el resultado es su rotura. El hecho de que se rompa Ia membrana separadora hace que se tienda al equilibrio de presiones en estas cámaras de forma que parte del gas que se encuentra en Ia cámara de trabajo pasa a Ia cámara de actuación y se produce Ia succión del fluido con el que está en contacto las microagujas. Si se trata de inyectar fluido Ia única diferencia es que al equilibrarse las presiones, parte del gas que se encuentra en Ia cámara de actuación pasa a Ia
cámara de trabajo y por tanto se producirá una inyección de fluido (en este caso Pa es mayor que Ia presión exterior).
La presente invención realiza Ia extracción e inyección de fluido de manera controlada. Se compone de los siguientes módulos: cámara de activación con presión Pa, cámara de trabajo con presión exterior, membrana separadora, resistencia calentadora y microagujas huecas. Según el microsistema que se trate,
de todos los que se han especificado anteriormente, se incluye además de estos módulos un par de electrodos y una serie de sustancias químicas. Como se puede apreciar en Ia Figura 1 tanto Ia estructura como su fabricación son muy sencillas de manera que se trata de un dispositivo de bajo coste. Se fabrican los distintos módulos por separado y luego se unen para crear Ia estructura completa. Los tres bloques que se unirán serán: el sustrato en el que se han fabricado las microagujas, Ia membrana separadora en Ia cuál se ha depositado una resistencia y Ia tapa superior.
En el proceso de soldadura de los módulos 12 y 13 se fija Ia presión de Ia cámara de activación, ya que esta unión se hace en un ambiente a Ia presión deseada Pa. Este diseño permite dimensionar esta presión para garantizar Ia extracción o inyección de fluido que nos sea necesario. La presión de Ia cámara de trabajo viene fijada por el exterior, a través de las microagujas.
La dimensión de Ia membrana separadora de las dos cámaras es crítica para el correcto funcionamiento del microsistema. El espesor se diseña de manera que soporte Ia diferencia de presión entre las cámaras en condiciones normales, pero que al aumentar Ia temperatura se debilite y se produzca su rotura. Las microagujas pueden tener, distintas formas y tamaños. Dado que Ia tensión superficial no es el motor por el que el fluido se introduce en el microsistema se pueden relajar las especificaciones de las dimensiones de las microagujas. Por Ia misma razón, Ia difusión del fluido extraído es despreciable, aunque se pueden incluir válvulas pasivas antirretorno para eliminar cualquier pérdida.
MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
En primer lugar se estudia el caso de Ia extracción de fluido por parte de este dispositivo. En este caso Ia presión Pa debe ser menor que Ia presión exterior (en
ciertos casos el vacío). Se sitúa el dispositivo de manera que las microagujas estén en contacto con el fluido que se va a extraer. El proceso comienza haciendo pasar una corriente por Ia resistencia calentadora (14). Esta resistencia está situada como se puede apreciar en Ia Figura 1 entre ambas cámaras. Al hacer pasar corriente por esta resistencia, se aumenta de manera importante Ia temperatura y Ia membrana separadora comienza a disminuir su resistencia mecánica. Teniendo en cuenta que el grosor de esta membrana se ha escogido de forma que no soporte Ia diferencia de presión entre ambas cámaras a altas temperaturas, se produce como consecuencia su rotura. Al equilibrarse las
presiones parte del gas que se encuentra en Ia cámara de trabajo pasa a Ia cámara de activación y se produce Ia succión del fluido con el que están en contacto las microagujas. Una de las aplicaciones para las que se ha diseñado este dispositivo es Ia extracción y sensado de fluido intersticial. El microsistema se fijaría sobre Ia piel del paciente mediante un parche de manera que se atraviesa Ia capa más exterior de Ia piel. Como esta capa denominada Stratum Comeum no contiene terminaciones nerviosas las microagujas actuarían de manera indolora. Una vez en contacto con el líquido intersticial se realizaría Ia extracción de este fluido de manera controlada tal como se ha explicado anteriormente. Una vez realizada Ia extracción se produciría Ia reacción y tras ella Ia medida, por ejemplo de Ia concentración de glucosa. Para ello se habría incluido Ia sustancia adecuada para producir una reacción electroquímica generadora de electrones. La señal eléctrica resultante se mediría mediante los electrodos que incorporaría este diseño (Figura 2). Otra manera de realizar esta medida es llevando a cabo una reacción colorimétrica. En este caso, Ia diferencia radicaría en las sustancias químicas que se habrían escogido para realizar Ia reacción que son distintas a las que producen una reacción electroquímica y que al menos parte del microsistema debe ser transparente (módulos 12 y 13). Al realizarse Ia medida de color mediante un instrumento externo, los electrodos en este caso no estarían incluidos en el diseño.
En el caso de utilizar el dispositivo para Ia inyección de algún fluido Ia presión de Ia cámara de activación será mayor que Ia presión exterior. El fluido que se debe inyectar se encuentra inicialmente alojado en Ia cámara de trabajo. El proceso es exactamente el mismo que el que se ha explicado para la extracción, sólo que en
este caso Ia diferencia de presión provoca que parte del gas de Ia cámara de activación se introduzca en Ia cámara de trabajo y se produzca por tanto Ia inyección del fluido a través de las microagujas. Una aplicación natural de este dispositivo sería Ia inyección de manera indolora y controlada de alguna droga vía transdermal.
Otra aplicación de estos microsistemas sería una matriz bidimensional formada por inyectores y/o extractores de fluido en función de las necesidades del usuario. Caso de que se trate de una matriz de microsistemas del mismo tipo, es decir, todos inyectores o extractores, el diseño final correspondería a una repetición de cada uno de los bloques. Se fabricarían en un mismo sustrato todos los bloques superiores, en otro todas las membranas separadoras y por último en otro todas
las microagujas y luego se unirían los tres bloques a Ia vez. Si se trata de un microsistema que es Ia unión de microsistemas de distinto tipo, es decir, inyectores y extractores en una misma matriz, habría que fabricar todos los de cada tipo a Ia vez pero de manera independiente a los de otro tipo. Esto es debido a que en el proceso de fabricación se fija Ia presión de Ia cámara de activación y es distinta para cada tipo de microsistemas, y a que las sustancias químicas también son distintas según el tipo de microsistema de que se trate. Al realizarse los dispositivos a Ia vez se reducirían los costes radicalmente.
Realización preferente de Ia invención
La aplicación preferente de este microsistema es como medidor de concentración de glucosa en el líquido intersticial. En este caso, el microsistema se fijaría a Ia piel del paciente mediante un parche para inmovilizarlo. Como se ha perseguido que el dispositivo actúe de manera indolora Ia profundidad de las microagujas sería de 20 mieras. Una vez que se haya fijado el dispositivo se activaría en el momento adecuado para Ia extracción de fluido intersticial. La cantidad de fluido deseada sería de 1 microlitro por Io que un conjunto de valores posibles del microsistema sería: 2mm x 0.25mm x 2mm (anchura, altura y profundidad). Las sustancias químicas que deben introducirse en el microsistema para obtener Ia reacción electroquímica son, glucosa oxidasa y ferrocianida de potasio. La reacción química que se produciría al entrar en contacto el fluido intersticial con estas sustancias daría lugar a una señal eléctrica. Para capturar esta señal deben
incluirse unos electrodos de platino. A partir de esta señal se puede obtener Ia concentración de glucosa en el fluido intersticial que es el objetivo de esta aplicación.