(57)【要約】  本発明は流体の送り出し装置を制御可能に調節するための装置およびその方法に関する。本流体送出装置（１０）は流体（２２）を移送することが出来る電気化学式ポンプ（１８）を有する。電気化学式ポンプ産出物室（１６）と貯蔵室（１２）間に変位可能な部材（１４）が配置され、電気化学式ポンプ産出物室（１６）は電気化学式ポンプ（１８）から生成された水を保持しておくことが出来る。変位可能部材（１４）は電気化学式ポンプ（１８）から水が生成される毎に制御可能に変位され、貯蔵室（１２）は変位可能部材（１４）の変位に応じて送り出される流体（２２）を収容する。
2008545476.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を送液することの出来る電気化学式ポンプと；電気化学式ポンプから送液された水を保持することの出来る電気化学式ポンプ産出物室と；電気化学式ポンプからの水の送液に応じて制御可能に変位する、電気化学式ポンプと貯蔵室間に配置された変位可能部材と；変位可能部材の変位に応じて送り出された流体を収容することの出来る貯蔵室と；上記電気化学式ポンプ、電気化学式ポンプ産出物室、変位可能部材および貯蔵室を収納するハウジングとから成る流体送出装置。
【請求項２】
電気化学式ポンプが、第一電極、第二電極、イオン交換膜および電気制御器から成る請求項１に記載の流体送出装置。
【請求項３】
電気化学式ポンプが、更に作動スイッチ及び支持部材を有する請求項２に記載の流体送出装置。
【請求項４】
電気化学式ポンプが、更に水分子または食塩水を通す多孔保護セパレーター又は多孔保護ゲルを有する請求項３に記載の流体送出装置。
【請求項５】
多孔保護セパレーター又は多孔保護ゲルが水貯蔵部または食塩水貯蔵部を有する請求項４に記載の流体送出装置。
【請求項６】
第一および第二電極がボルタ電極対を形成する請求項２に記載の流体送出装置。
【請求項７】
イオン交換膜が陰イオン又は陽イオン交換型の膜である請求項２に記載の流体送出装置。
【請求項８】
変位可能部材が、ピストン、ブラダー（嚢）、ベロー（蛇腹）、ダイアフラム（隔膜）、プランジャー及びそれらの組み合わせから成る群より選択される請求項１に記載の流体送出装置。
【請求項９】
貯蔵室が、生物製剤、薬剤、滑剤、香水、化学剤およびそれらの混合物から成る群より選択される流体を収納する請求項１に記載の流体送出装置。
【請求項１０】
貯蔵室が一つ以上の開口を有する請求項１に記載の流体送出装置。
【請求項１１】
第一電極、第二電極、イオン交換膜および電気制御器を有し、水を送液することの出来る電気化学式ポンプと；電気化学式ポンプから送液された水を保持することの出来る電気化学式ポンプ産出物室と；電気化学式ポンプからの水の送液に応じて制御可能に変位する、電気化学式ポンプと貯蔵室間に配置された変位可能部材と；変位可能部材の変位に応じて送り出された流体を収容することの出来る貯蔵室と；上記電気化学式ポンプ、電気化学式ポンプ産出物室、変位可能部材および貯蔵室を収納するハウジングとから成る流体送出装置。
【請求項１２】
電気化学式ポンプが更に作動スイッチ及び支持部材を有する請求項１１に記載の流体送出装置。
【請求項１３】
電気化学式ポンプが、更に水分子または食塩水を通す多孔保護セパレーター又は多孔保護ゲルを有する請求項１１に記載の流体送出装置。
【請求項１４】
多孔保護セパレーター又は多孔保護ゲルが水貯蔵部または食塩水貯蔵部を有する請求項４に記載の流体送出装置。
【請求項１５】
第一および第二電極がボルタ電極対を形成する請求項１１に記載の流体送出装置。
【請求項１６】
イオン交換膜が陰イオン又は陽イオン交換型の膜である請求項１１に記載の流体送出装置。
【請求項１７】
変位可能部材が、ピストン、ブラダー（嚢）、ベロー（蛇腹）、ダイアフラム（隔膜）、プランジャー及びそれらの組み合わせから成る群より選択される請求項１１に記載の流体送出装置。
【請求項１８】
貯蔵室が、生物製剤、薬剤、滑剤、芳香液、化学剤およびそれらの混合物から成る群より選択される流体を収納する請求項１１に記載の流体送出装置。
【請求項１９】
貯蔵室が一つ以上の開口を有する請求項１１に記載の流体送出装置。
【請求項２０】
水を送液することの出来る電気化学式ポンプと；電気化学式ポンプから送液された水を保持することの出来る電気化学式ポンプ産出物室と；電気化学式ポンプからの水の送液に応じて制御可能に変位する変位可能部材であり、変位可能部材の変位に応じて送り出される流体を収容することの出来る貯蔵室と電気化学式ポンプ産出物室との間に配置された変位可能部材と；電気化学式ポンプ、電気化学式ポンプ産出物室、変位可能部材および貯蔵室を収納するハウジングとから成る流体送出装置であって、上記電気化学式ポンプは、流体送出装置の一端に近接して作動可能に取り付けられ、水分子または食塩水を通す多孔保護セパレーター或いは多孔保護ゲルと、当該多孔保護セパレーター或いは多孔保護ゲルに隣接して配置された第一電極室と、第一電極室に隣接して配置された第一電極と、第一電極に隣接して配置されたイオン交換膜と、イオン交換膜に隣接して配置された第二電極と、第一および第二電極と電気的に連絡させた電気制御器とを有することを特徴とする流体送出装置。
【請求項２１】
電気化学式ポンプが、更に流体の送り出しを開始および停止するための作動可能に接続された作動スイッチを有する請求項２０に記載の流体送出装置。
【請求項２２】
電気化学式ポンプが、更にイオン交換膜に作用可能に取り付けられ且つ当該イオン交換膜に物理的な支持を与えることが出来る支持部材を有する請求項２０に記載の流体送出装置。
【請求項２３】
多孔保護セパレーター又は多孔保護ゲルが水貯蔵部または食塩水貯蔵部を有する請求項１８に記載の流体送出装置。
【請求項２４】
第一および第二電極がボルタ電極対を形成する請求項２０に記載の流体送出装置。
【請求項２５】
イオン交換膜が陰イオン又は陽イオン交換型の膜である請求２０に記載の流体送出装置。
【請求項２６】
変位可能部材が、ピストン、ブラダー（嚢）、ベロー（蛇腹）、ダイアフラム（隔膜）、プランジャー及びそれらの組み合わせから成る群より選択される請求項２０に記載の流体送出装置。
【請求項２７】
貯蔵室が、生物製剤、薬剤、滑剤、芳香液、化学剤およびそれらの混合物から成る群より選択される流体を収容する請求項２０に記載の流体送出装置。
【請求項２８】
貯蔵室が一つ以上の開口を有する請求項２０に記載の流体送出装置。
【請求項２９】
電気制御器が流体送り出しの開始および停止ならびに流体送り出し量の調節をより円滑にする請求項２０に記載の流体送出装置。
【請求項３０】
電気制御器が電気回路である請求項２９に記載の流体送出装置。
【請求項３１】
電気制御器がパルス送出を含む様々な送り出しの態様を可能にする請求項３０に記載の流体送出装置。
【請求項３２】
電気制御器がパルス送出を含む様々な送り出しの態様を可能にする請求項２９に記載の流体送出装置。
【請求項３３】
電気制御器がリモートコントロール出来る請求項２０に記載の流体送出装置。
【請求項３４】
電気化学式水送液ポンプを使用した流体送出装置を提供する工程と；電気制御器からの信号出力に比例した率で電気化学式水送液ポンプから水を送液し、送液された水により電気化学的式水送液ポンプによる産出物室の容積を拡大する工程と；拡大された産出物室から十分な圧力を発生させる工程と；変位可能部材を変位させることにより流体送出装置から制御可能に流体を排出させる工程とから成る流体送出方法。
【請求項３５】
更に、流体送出態様を制御する工程を含む請求項３４に記載の流体送出方法。
【請求項３６】
更に、流体送出量を調節する工程を含む請求項３４に記載の流体送出方法。
【請求項３７】
流体送出量の調節が電気制御器の信号出力を変えることによって行われる請求項３６に記載の流体送出方法。
【請求項３８】
更に、第一電極と第二電極間に操作可能にスイッチを設ける工程と、当該スイッチを操作することによって流体の送り出しを制御する工程とを含む請求項３４に記載の流体送出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２００２年５月１日出願の合衆国特許出願番号１０／１３７６６１のＣＩＰ出願であり、本発明に参照として引用される。本発明は少量の流体を極めて正確に制御可能に送り出すための電気化学式ポンプを設けた流体送出装置に関する。本発明の装置は、流体送出量を簡単な手段により操作中に変えることが出来る。
【背景技術】
【０００２】
医学分野において、流体および／または化学物質などを少量ずつ比較的長時間に渡って投与することが必要な場合がある。そのような流体としは、例えば生物製剤、薬剤、潤滑剤、芳香流体、化学物質（化学剤）などが挙げられる。そのような目的における一般的な例としては、ある薬品を人体中に徐々に服与する場合が挙げられる。そして、そのような流体を人体に徐々に服与するための一般的な装置の一例としては、患者の上に吊り下げられたボトル又はバッグ等から重力によって静脈内投与により流体を投与する点滴装置である。
【０００３】
患者の上に流体投与装置を吊るす必要を無くし、患者により大きな動きやすさを与えることが出来る、流体を徐々に投与する他の方法も考案されている。そのような方法の一例としては、流体が一定の速度で膜を通じて拡散するようにした拡散制御送り出しポンプを使用する方法が挙げられる。投与量は、膜、例えば経皮薬剤投与パッチ等の性質や当該膜と接する溶液の濃度を変えることにより調節できる。その他の経皮投与技術としては、低ボルトの電流を利用して帯電薬剤を経皮させるイオントフォレーゼ法；高電圧の短い電気パルスを利用して皮膚に一時的水性孔を形成する電気穿孔法；低周波数の超音波エネルギーを利用して角質層を崩壊させるソノフォレシス法；熱を利用して皮膚をより透過性にし且つ薬剤分子のエネルギーを高める熱エネルギー法；マグネトフォレシスも薬剤の経皮流束（ｄｒｕｇ  ｆｌｕｘ）を高める手段として研究された磁気エネルギー法などが挙げられる。これらの経皮技術のうち、イオントフォレシス（イオン導入法）だけが、部分的な痛みの解消の目的においてのみ商品として開発することが出来ている。経皮方式は全ての場合において流体を徐々に投与するのに好ましい方法とはいえず、その有用性に影響すると思われる下記のような種々の要因を考慮する必要がある。即ち、このような装置を個々の人に固定するのに使用される接着剤が、全ての人の皮膚に良く接着できるとは限らず、またある種の製剤は皮膚を過度に刺激したりアレルギーを起こしたりする。更に、経皮システムは装着するのが煩わしく非常に高価でもある。また高い血中濃度を要求するので、低い効力の薬剤は的確な投与が出来ない。
【０００４】
流体を個々の人に徐々に服与するためのもう一つのメカニズムとして、メカニカルポンプディスペンサーがある。このメカニカルポンプディスペンサーは種々のタイプのメカニカルポンプを使用して流体を貯蔵室から排出させる。このようなメカニカルポンプを使用したプロセスとしては、Ｉｎｔｅｖａｃ社製のシステム等の連続式静脈内注入ポンプシステム、硬膜外注入システム、ポータブルなインシュリン注入ポンプを利用した皮下注入システム等が挙げられる。外部装着ポンプも一般に経皮カテーテル用に使われているが、外部ポンプは嵩張る場合が多く、また装着者に典型的な形でストラップされるか、又はベルトもしくは革帯などに取り付けて持ち運びされるので不便である。メカニカルポンプの共通の欠点は、体内に挿入される部分が感染を起こす可能性があることである。更に、ほとんどのメカニカルポンプは比較的多量の流体を送り出すように設計されていて、少量の流体を効果的に送り出すとか、又は長時間に渡ってそのような送り出しを行うことは出来ない。
【０００５】
その他の流体送り出し方法としては、圧力を利用して流体を個々の人に投与するものがある。例えば装填された貯蔵室ディスペンサーにより流体を圧力下にフレキシブルな貯蔵室に集め、その後に当該流体を貯蔵室内圧の力によって選択的に排出させるようにする方法である。この場合、普通、放出量は多数の複雑なバルブシステムによって調節される。加圧されたガスディスペンサーは加圧されたガスにより流体を排出させる。浸透ディスペンサーの場合には、水に対してある浸透圧勾配を示す溶質を利用して流体を送り出す。ＡＬＺＡ社製「ＯＲＯＳシステム」は、そのような浸透駆動システムの一例であり、浸透現象を薬剤送り出しのエネルギー源としている。「ＯＲＯＳシステム」に於いて、薬剤溶液がタブレットから一定のゼロ台の流率で流れ出し、タブレットは、コア内の全ての固体薬剤が溶解するまで、又はユニットが消失するまで、胃腸（ＧＩ）管内を進行する。生体内および生体外試験では、送り出し量は胃腸管運動、ｐＨ、及び胃腸管内の食物には無関係であることを示した。薬剤の放出は、薬剤の胃液内の溶解性、コア製剤の浸透圧および膜のサイズと透過性によりコントロールされる。
【０００６】
上記の種類および技術の流体送出装置の使用が可能であるが、それらの更なる改良が望まれている。例えばある薬剤を人体中に徐々に投与する場合、長時間に渡って流体を少量ずつ連続的に投与することが望まれることがしばしばある。そのような用途においては、流体デイスペンサーが極めて精度が高く信頼性があり、持ち運びが可能な小さな軽量サイズで、且つ使用が便利で簡単なものであることが望まれる。一般に、インプラント可能な薬剤送り出しポンプ及びシステムは、薬剤を所望の部位に直接届けて薬剤の効果を最大限に引き出す一方、体の他の部分における好ましからざる副作用を最小限に抑えるように配慮されている。
【０００７】
現在、非常に多くのインプラント可能な薬剤送り出しポンプ及びシステムが使用されている。広く使用されているインプラントの一例は、大容量（１８ｍＬ）のプログラミングが可能な電気化学式ＳｙｎｃｈｒｏＭｅｄポンプである。このＳｙｎｃｈｒｏＭｅｄポンプは数多くの療法に使用することが出来るが、その欠陥として、コストが高いこと、療法の全体的な費用を高めること、大型のポンプの場合それを設置するのに外科手術が必要なこと等が挙げられる。
【０００８】
上記のＳｙｎｃｈｒｏＭｅｄポンプより小型の送り出しポンプも知られている。例えばＤＵＲＯＳシステムの浸透ポンプである。その操作においては、膜を介して水を塩室に浸透的に吸い込ませ、ピストンを圧して薬剤室に挿入させ、薬剤を送出孔から押し出す。このポンプの薬剤送り出しのための駆動力は浸透圧であり、これは使用する塩にもよるが、２００気圧にも達する。しかも薬剤を装置からポンプで押し出すのに要する圧力は小さく、薬剤送り出し量はある程度の過剰の非溶解塩が塩室内に残っている限り一定である。この浸透システムは、機械的に駆動される装置と比べて小型でシンプルであり、信頼性が高く製造費も低い。この浸透システムは小型である故、医師の治療室で簡単な作業でインプラントすることが出来る。その一方、浸透ポンプの送り出し量は固定されており、その操作の間に調節することが出来ない。  
【０００９】
携帯可能であり且つ薬剤を少量ずつ正確に分与することの出来るガス発生装置も薬剤送り出しシステムに使用されている。これらのガス発生方式にはガルバ電池（ボルタ電池）と電解セルが使用される。ガス発生ボルタ電池においては、金属もしくは金属酸化物と電解液との反応により、水素と酸素ガスが各々陰極と陽極に発生する。ボルタ電池とは、電気化学反応を引き起こすのに外部から電圧を与える必要のない電気化学式電池である。典型的には、ボルタ電池の陽極と陰極は電池を通過する電流を規制し、次ぎにダイヤフラムやピストンに力を付与するガスの生成を直接規制する（それにより薬剤を排出させる）抵抗を介して接続される。水素発生ボルタ電池の使用を基本とした送り出しシステムは多数の特許に開示されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【００１０】
これらの特許に開示された電池においては、亜鉛陽極がアルカリ性電解液と反応して酸化亜鉛を生成し、水分子が多孔性炭素電極上で還元してガス状水素を発生する。更に、還元性酸素を陰極で還元し、水酸イオンを形成するようにした、亜鉛／空気ボタン型セルのように構成された酸素発生ボルタ電池も開示されている（例えば、特許文献４〜５参照）。水酸イオンは陽極で酸化して酸素を放出する。
【００１１】
ボルタ電池に対して、電解セルは電気化学反応を引きおこすための外部のＤＣ電源を必要とする。電極に電圧が付与されると、電解質がガスを発散させてダイアフラム又はピストンを押し出し、それにより流体を排出させる。流体送り出しシステムに使用されるものとして、３つのタイプの電解ガス発生セルが提案された。第１のタイプは、１．２３Ｖ以上の動作電圧を必要とする水電解に基くものである。第２のタイプは、酸素および水素ガスポンプとしても知られているもので、水電解システムに使用されるものより低いＤＣ電圧を必要とする。なお、第１及び第２のタイプとも高分子イオン交換膜を使用する。第３のタイプは、陰極で還元金属を生成し、陽極で水の酸化によりガス状の酸素を発生する電解により分解され得る化学的化合物を使用するものである。
【００１２】
また、水の電解を利用した電気化学的に作動される流体ディスペンサーも開示されている（例えば、特許文献６参照）。このディスペンサーにおいては、電気化学式電池内に水が保持されており、多孔性金属電極が固体重合体カチオン交換膜の両側に連結されており、導電と共に両電極が水と接触し、各々陽極または陰極から生成された酸素または水素を使用するように構成されている。このように、水素、酸素またはその混合ガス（これらはＤＣ電流が電極間に流される際に水の電解により発生する）は流体ディスペンサーの加圧源として使用される。
【００１３】
電気化学式の酸素および水素ポンプは上記の水電解セルと同様に構成され、幾つかの合衆国特許に記載されている（例えば、特許文献７〜１０参照）。これらの特許に開示された電気化学的に作動される流体ディスペンサーにおいては、電解質として機能する水を保持したイオン交換膜の対抗面に各々連結された多孔性ガス拡散電極が連結されるように構成された電気化学式電池を有している。電気化学的に駆動される流体ディスペンサーにおいては、電気化学式電池の陽極に水素が供給され陽極と陰極間にＤＣ電流が流された際に水素が陽極において水素イオンに成るという現象を利用している。生成された水素イオンがイオン交換膜を通って陰極に達すると電気化学的反応が起こってガス状水素が発生する。これらのプロセスの基本的効果は水素を膜の片側から他方の側に移送させることであるから、この電池は水素ポンプとも呼ばれる。陰極で生成され加圧された水素はピストンやダイアフラム等を押すための動力源として使用される。
【００１４】
このタイプの電気化学式電池において、水素の代わりに酸素を反応体として使用することも出来、この場合セルは酸素ポンプとして作用する。このように、酸素が水を保持した電解セルの一方の側で還元し、他方の側で水が酸化するようにし、この様にして生成された分子状酸素が液体を近接貯蔵室から押し出す推進力として使用される。
【００１５】
陰極において還元金属を生成し、陽極において水の酸化によりガス状酸素を発生され、電解により分解し得る化合物を使用したガス発生電解セルが開示されている（例えば、特許文献１１参照）。このセルは、その全体構成として、黒鉛陽極、電解液および水酸化銅より成る陰極を有する。セルが接続された回路に電流が流れると、銅が陰極からイオンとして放出され、陽極で酸素が放出される。貯蔵安定性を確保するため、各セルが電気化学反応を進行できるための印加電圧を必要とするように、活性な陰極物質を選択する。ガス生成セルに電流を流すため、回路には電池が設けられている。陽極で発生される酸素の量は電流に直比例し、嚢（ｂｌａｄｄｅｒ）又はその他の流体保持貯蔵部（ガス発生と連動する移動可能な壁を有する）から流体を放出させる役割を演じる加圧剤として作用する。
【００１６】
上述の電気化学的に作動する流体送出装置は、ある種の用途には有用であるが、他の用途には最善とはいいがたい。特に、ガス生成セルを基本としたポンプは温度や大気圧に敏感である。したがって、浸透または電気浸透型ポンプの方がより好適である場合も多い。
【００１７】
浸透ポンプは浸染水またはもう一つの作動液を使用する。このポンプは次の三つの室、即ち塩室、水室および流体室から成る。塩室と水室は半透膜により仕切られている。この構成により、膜を通して水を移動させるための高い浸透駆動力が得られる。この膜は水は通すが塩は通さない。流体室は可撓性ダイアフラムにより他の二つの室から仕切られる。水が、かなり大きな静水圧を生ぜしめる塩室内に浸透的に浸染し、この静水圧によりダイアフラムが押され、流体を排出させる。浸透ポンプの使用は一定の流体の送り出しが要求される用途に限定される。流体の流量を変えるには、異なった出力の多数の浸透ポンプを設ける必要がある。浸透ポンプには又、充電時間（ｃｈａｒｇｉｎｇ）−液体が半透膜を通って拡散し定常状態で浸透物質を溶解し始める時間−が必要で、これは流体の送り出しを遅延させ、更に即時的または緊急的な使用に対する適性を損なう。浸透作動型装置の流体送り出し量は変えることが出来ず、また、送り出しを始めた後に流体の送り出しを中断することも出来ない。従って、迅速にスイッチを入れることが出来、リモートコントロールで送り出し量を変えることの出来る装置を利用することが望ましい。
【００１８】
電気浸透型ポンプはイオン交換選択透過膜を有した電解セルであり、従って電極反応を生じさせるための外部ＤＣ電源が必要である。電気浸透型流体移送に基いた電気化学的に作動される流体ディスペンサーが開示されている（例えば、特許文献１２参照）。ポンプは流体入り口と出口を有したプラスチックハウジング、当該ハウジング内に配置されＤＣ電源に接続された一対の離間された銀−塩化銀電極、流体に対して高いゼータ電位を有する多孔性のセラミックプラグ、当該セラミックプラグとそれに面した電極との間で、セラミックプラグの各側に配置された陽イオン交換膜、および流体入り口からプラグの一方の側に、且つプラグの他方の側から出口に通ずるハウジング内に設けられた流路から成っている。陽極と陰極間に電位差が印加されると、送液流体が多孔プラグを通って陽極から陰極に流れる。この多孔プラグを設けた電気浸透ポンプの特異な欠点の一つは、流体送り出し圧力が非常に低い（０．５ａｔｍよりかなり低い）ことである。更に、作動流体中のイオンによってゼータ電位が影響を受け、電気浸透流量を減少させる。この電気浸透ポンプのもう一つの欠点は、外部のＤＣ電源を必要とし、そのため流体送出装置の全体の容積効率が低くなることである。
【００１９】
従って、所望によって流体送り出し量が変えられるよう迅速に調節可能な高性能なプログラミング可能な送り出し構造を有したインプラント可能な高容積効率の流体ディスペンサーが望まれている。送り出し構造部分は流体ディスペンサーの小さな部分を占めるに止まり、少量の流体を正確に送り出すとことができ、大気圧や温度に影響されないものが望まれている。
【００２０】
【特許文献１】米国特許第５９５１５３８号明細書
【特許文献２】米国特許第５７０７４９９号明細書
【特許文献３】米国特許第５７８５６８８号明細書
【特許文献４】米国特許第５２４２５６５号明細書
【特許文献５】米国特許第５９２５０３０号明細書
【特許文献６】米国特許第５８９１０９７号明細書
【特許文献７】米国特許第５９３８６４０号明細書
【特許文献８】米国特許第４９０２２７８号明細書
【特許文献９】米国特許第４８８６５１４号明細書
【特許文献１０】米国特許第４５２２６９８号明細書
【特許文献１１】米国特許第５７４４０１４号明細書
【特許文献１２】米国特許第３９２３４２６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明の目的は、高い容積効率の流体ディスペンサーを含み、その流体送り出し機構が全体の装置の小さな部分を占めるようにした流体送出装置を提供することである。
【００２２】
本発明の他の目的は、小型で携帯可能で、且つインプラントが可能な流体送出装置を提供することである。
【００２３】
本発明の他の目的は、精度が高く少量の流体を正確に送り出すことが出来る流体送出装置を提供することである。
【００２４】
本発明の他の目的は、液体送り出し量を迅速に変えるよう制御できる調節可能な流体送出装置を提供することである。
【００２５】
本発明の他の目的は、可動部分が少なく構造が簡単で、機械的破損の少ない流体送出装置を提供することである。
【００２６】
本発明の他の目的は、圧縮されうるような部品を使用せず、本装置がどのような標高の場所でも使用でき、また広範囲の大気圧下で使用可能とした流体送出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明の要旨は、以下の要素、即ち（ａ）水の移送可能な電気化学式ポンプと；（ｂ）電気化学式ポンプから生成された水を高圧力下でも保持できる電気化学式ポンプ産出物室と；（ｃ）電気化学式ポンプからの水の生成に応じて調節可能に変位できる変位可能部材と；（ｄ）変位可能部材の変位に応じて送り出される流体を収容することの出来る貯蔵室と；（ｅ）電気化学式ポンプ、電気化学式ポンプ産出物室、変位可能部材および貯蔵室を収納するハウジング、とから成る調節可能に水移送を行うことが出来る流体送出装置に存する。変位可能部材は、ピストン、ブラダー（嚢）、ベロー、ダイアフラム、プランジャー及びそれらの組み合わせから成る群より選択されることが望ましい。本流体送出装置は、更に流体を所望の部位に送付するためのカテーテルを設けることも出来る。
【００２８】
本発明の好適な実施態様において、ポンプ構造が、防護用多孔セパレーター、第一電極、第二電極、イオン交換膜および電気制御器から構成される。この実施態様において、上記ポンプは、更に流体送り出しを開始させる作動スイッチ、制御器、例えばリモートコントロール可能な又は不能な電気抵抗もしくは回路で、流体送り出しのより迅速な開始および停止を可能にし、且つより迅速な調節を可能にする手段、および上記膜を物理的に支持する支持部材を有することが出来る。
【００２９】
本発明の更なる実施態様において、貯蔵室は一つ又はそれ以上の開口、例えば排出口と供給／再供給口とを有し、生物製剤、薬剤、滑剤、芳香液、化学剤およびそれらの混合物より成る群から選択された一つの流体を収納する。
【００３０】
本発明の更に他の実施態様において、以下の工程、即ち（ａ）電気化学式水送液ポンプを使用した流体送出装置を提供する工程と；（ｂ）電気化学式水送液ポンプから水を送液してポンプ産出物室の容積を拡大する工程と；（ｃ）拡大された産出物室から十分な圧力を発生させる工程と；（ｄ）変位可能部材を変位させることにより流体送出装置から制御可能に流体を排出させる工程とから成る流体送出方法が提供される。
に存する。
【発明の効果】
【００３１】
本発明のは流体送出装置は、少量の流体を極めて正確に制御可能に送り出すための電気化学式ポンプを設けており、流体送出量を簡単な手段により操作中に変えることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明を更に詳細に説明する。本願発明は種々の異なった形態で具現され得るが、本明細書および図面においてはその幾つかの態様について詳細に説明する。但しここに示される実施態様は本発明の原理の例示に過ぎず、本発はここに示された実施態様に限定されるものではない。
【００３３】
本明細書に言及された同様または類似の要素および／または構成部分は全ての図面において同様の符号で示されている。
【００３４】
図１に、本発明の第１の実施態様、即ち、貯蔵室１２、変位可能部材１４、電気化学式ポンプ産出物室１６、電気化学式ポンプ１８及びハウジング２０から成る流体送出装置１０を示す。図１は本発明の流体送出装置を模式的に示すものであり、従ってその幾つかの構成部は、より明快な図的理解のため、実際の尺度とは異なっていることもある。
【００３５】
貯蔵部１２は、変位可能部材１４の変位に伴って送り出される流体２２、例えば生物製剤、薬剤、潤滑剤、芳香液、化学剤またはそれらの混合物などの流体を収納することが出来る。本発明で言う「流体」とは、液体、ゲル、ペースト、その他貯蔵部から送出することが出来る半固体状の物質を意味する。貯蔵部１２には、流体送出装置１０からの流体２２の送り出しをコントロールするための一つ以上の開口２４が設けられている。貯蔵部１２は、金属、ガラス、天然または合成プラスチック、それらの複合体など種々の任意の材料で製造することが出来る。
【００３６】
変位可能部材１４は、貯蔵部１２と電気化学式ポンプ産出物室１６との間に配置される。図１には、変位可能部材１４としてピストンから成るものが示されているが、この他にも周知の他の同様の部材、例えば、ブラダー（嚢）、ベロー（蛇腹）、ダイアフラム（隔膜）、プランジャー及びそれらの組み合わせからが例示され、これらに限定されない。
【００３７】
電気化学式ポンプ産出物室１６は、変位可能部材１４と電気化学式ポンプ１８との間に配置され、下記に詳述するように、電気化学式ポンプ１８の作動中に制御可能に生成される水２６を保持することが出来る。貯蔵部１２と同様に、この電気化学式ポンプ産出物室１６も金属、ガラス、天然および合成プラスチック、それらの複合体など種々の任意の材料で製造することが出来る。
【００３８】
図１に示す電気化学式ポンプ１８は、多孔保護セパレーター２８、補助電極室３０、補助電極３２、イオン交換膜３４、能動電極３６、電気抵抗３８、作動スイッチ４０、及び支持部材４２から構成される。
【００３９】
多孔保護セパレーター２８は、貯蔵部１２からは遠位の、流体送出装置の端部に配置されている。この多孔保護セパレーター２８は通常人体からのＨ２Ｏ分子を通すが、補助電極室３０からの食塩水−例えばＮａＣｌのような金属ハロゲン化物−と協同して外部の供給源４６−例えば生体の内部−からの水を補助電極部３０内に拡散もしくは移送させる。セパレーター２８は多くの物質、例えば金属、ガラス、天然もしくは合成プラスチック、複合体など（これに限らない）の一つで製造することが出来る。このセパレーターの目的を果たすものであれば、多孔保護ゲルを使用してもよい。この多孔保護セパレーター又はゲルは、通常、Ｈ２Ｏ（水）分子又は食塩水を通す。更に、このセパレーター又はゲルに、水または食塩水貯蔵部を設けてもよい。
【００４０】
この多孔保護セパレーター２８は設けなくてもよく、補助電極部３０を当該セパレーターなしで自蔵させてもよい。そのような実施態様において、補助電極は直接流体に露呈され、外部供給源からの水の移送なしに、必要量の水が補助電極部３０に供給される。
【００４１】
本発明の第１の実施態様において、陰イオン交換膜、補助電極３２、陰イオン交換膜３４および能動電極３６は、各々多孔保護セパレーター２８に近接して配置されている。補助電極３２は、能動金属陽極と連結されると容易に還元される多孔陰極ペレットで構成される。補助電極３２は多孔塩化銀、二酸化マンガン、その他の能動金属陽極と連結された際に容易に還元されるか又は還元反応−例えば酸の還元または水からの気体水素の発生−を促進させるような物質で構成することが出来る。能動金属陽極３６は、亜鉛、鉄、マグネシウム、アルミニウム、その他耐蝕性金属もしくは合金などから製造された固体ペレット、メッシュ又は金属粉型電極である。図示されていないが、補助電極３２は、銀、チタン、プラチナ、その他耐蝕性金属などで製造された従来型の集電装置、例えばスクリーン型、メッシュ型またはワイヤー型などの集電装置を設けてもよい。また、能動金属陽極３６は、上述したものと同様の金属で製造されたスクリーン、メッシュ、ワイヤー型などの従来型の集電装置を設けてもよく、また、他の金属、例えば能動陽極金属と同様の金属で被覆された黄銅などで構成されてもよい。上記の説明においては、電極物質および集電装置の特定の例の例示目的で示したが、上記のほか当業者には周知の他の電極物質の使用も同様に考え得る。
【００４２】
陰イオン交換膜３４は第一電極３２と第二電極３６間に配置されている。陰イオン交換膜３４の構成物質については当技術分野において周知のものであり、詳しい説明は不要である。要するにそれらの物質は強塩基型の架橋ポリマー樹脂である。そのような樹脂の好適な例としては、荷電基として第四アンモニウムイオンを有するスチレンとジビニルベンゼンとの共重合体であり、塩化物イオンに対しては高い選択性を有するが有機的な汚染に対しては高い耐性を示すものである。このような陰イオン膜の例としては、ＡＭＥＲＩＤＡ（ｗｗｗ．ａｍｅｒｉｄａ．ｃｏｍ）から市販されているＮｅｏｓｅｐｔａ型の膜が挙げられる。
【００４３】
本発明の、陽イオン交換膜を設けた第２の実施態様においては、補助電極３２、陽イオン交換膜３４および能動電極３６が各々多孔保護セパレーター２８に近接して配置される。補助電極３２は、亜鉛、鉄、マグネシウム、アルミニウム、その他の耐蝕性の金属または合金から造られた固体ペレット型、メッシュ型または金属粉型電極である。能動金属陽極３６は、陽極３６と連結されると容易に還元される多孔陰極ペレットである。補助電極３２は多孔塩化銀、二酸化マンガン、その他の能動金属陽極と連結された際に容易に還元されるか或いは還元反応−例えば酸の還元または水からの気体水素の発生−を促進させるような物質で構成することが出来る。図示されていないが、補助金属電極３２は、陽極３６と同様の金属で製造された従来型の集電装置、例えばスクリーン型、メッシュ型またはワイヤー型などの集電装置を設けてもよく、また、他の金属、例えば能動陽極金属と同様の金属で被覆された黄銅などで構成してもよい。能動電極３６はまた銀、チタン、プラチナ、その他の耐蝕金属で製造された従来型の集電装置、例えばスクリーン型、メッシュ型またはワイヤー型集電装置を有していてもよい。上記の説明においては電極物質および集電装置の特定の例を例示の目的で示したが、当業者には周知の他の電極物質の使用も可能である。
【００４４】
図１において、陽イオン交換膜３４は第一電極３２と第二電極３６との間に配置される。陰イオン交換膜３４の構成物質については当技術分野において周知のものであり、詳しい説明は不要である。要するにそれらの物質は強塩基型の架橋ポリマー樹脂である。そのような樹脂の好適な例としては、荷電基としてスルフォン酸イオンを有するスチレンとジビニルベンゼンとの共重合体であり、ナトリウムイオンに対して高い選択性を有するものである。このような陽イオン膜の市販のもの、例えばＮａｆｉｏｎ型の膜は、Ｄｕｐｏｎｔから販売されている。
【００４５】
電気制御回路３８が公知の電線用導管を介して各電極に接続され、以下に詳述するように、外部供給源４６からポンプ産出物室１６への水の送り出し量を直接制御する。支持部材４２は非常に多孔性の固体ディスク材であり、イオン交換膜に機械的剛性を付与し、水がそれを通って移送されるように作用する。支持部材４２は硬質プラスチック、セラミック、ガラス又はチタンのような耐蝕性金属もしくはそれらの組み合わせ等から造られる。
【００４６】
作動させると、流体送出装置１０が以下のプロセスに従って流体２２を送り出す。最初に作動スイッチ４０を押すと電気回路が完成して各電極３２、３６で電極反応が起こり、水が外部供給源４６から抜き出され、最終的にイオン交換膜３４を介して電気ポンプ産出物室１６に送り込まれる。このようにして、外部供給源４６−例えば人体−からの水が多孔保護セパレーター２８を通って第一電極室３０内に導入される。
【００４７】
本発明の第１の実施態様において、第一電極３２が塩化銀で構成され第二電極が亜鉛で構成された場合は次のような反応が生じる。まず第一電極を構成する塩化銀が金属銀に成り、次の式に従って塩化物イオンを溶液中に放出する。
【００４８】
２ＡｇＣｌ＋２ｅ−１  →  ２Ａｇ＋２Ｃｌ−        （１）
【００４９】
これにより生成された塩化物イオンが水に溶解し、電界の影響下でイオン交換膜３４を通って電気ポンプ産出物室１６内の第二電極３６の方向に移動する。第二電極３６では、次の式に従って亜鉛が溶解する。
【００５０】
Ｚｎ  →  Ｚｎ２＋＋２ｅ−        （２）
【００５１】
このようにして形成された亜鉛イオンは導入された塩化物イオンと反応し、次の式に従って塩化亜鉛を生成する。
【００５２】
Ｚｎ２＋＋２Ｃｌ−  →  ＺｎＣｌ２        （３）
【００５３】
式（３）による塩化亜鉛の電気化学的形成の他に、塩化物イオンが膜を通過する間に水が塩化物イオンに連行され、膜の他端で水が更に生成される。この水の送液は業界では電気浸透送液（ｅｌｅｃｔｒｏｏｓｍｏｔｉｃ  ｔｒａｎｓｐｏｒｔ）として知られている。この陰イオン膜は、陰イオンに対して選択性を有しているので、陰イオンだけがこの膜を通過できる。このようにして水は膜を通って一方向だけに送液される。
【００５４】
塩化亜鉛の連続的な生成による電気化学式ポンプ産出物室１６内におけるイオン濃度の着実な上昇により浸透効果による水の送液が更に増強される。しかしながら、このイオン交換膜は、ポンプ産出物室１６から電極室３０への塩化亜鉛分子の逆拡散を阻止できない。この逆拡散の程度はイオン交換膜の性質およびポンプ産出物室１６と補助電極室３０との濃度の相違に依存する。かくして電気化学式ポンプ産出物室１６において塩化亜鉛の平衡濃度が達成され、その結果浸透効果により水が送液される。このようにして、電気浸透および浸透の両効果によるポンプ産出物室１６内への水送液の定常状態流束（ｓｔｅａｄｙ  ｓｔａｔｅ  ｆｌｕｘ）が達成される。浸透流束（ｏｓｍｏｔｉｃ  ｆｌｕｘ）は、所望の濃度勾配をもたらす電気浸透流束（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｓｍｏｔｉｃ  ｆｌｕｘ）によるものである。従って、浸透流束は、電気浸透駆動力を修正することによって修正できる。浸透系の装置の場合、このような修正は不可能であり、流体送り出し量も調節できない。電気化学式ポンプ産出物室１６に送液された水分子は当該室内に圧力を発生させる。この圧力の発生により、ポンプ産出物室１６から補助電極室３０への水のある程度の逆送液が引き起こされる。
【００５５】
ある所定のイオン交換膜に対して得られる定常状態流束は、次のような数式によって示すことが出来る。
【００５６】
ＪＳｔｅａｄｙ  Ｓｔａｔｅ  ｆｌｕｘ  ＝  Ｊｅｏ＋Ｊｏｆ−Ｊｂｄ−Ｊｈｆ    （Ｉ）
【００５７】
上記式において、Ｊｅｏ  ＝  電気浸透流束（ｅｌｅｃｔｒｏｏｓｍｏｔｉｃ  ｆｌｕｘ）、Ｊｏｆ  ＝  浸透流束（ｏｓｍｏｔｉｃ  ｆｌｕｘ）、Ｊｂｄ  ＝  逆拡散流束  （ｂａｃｋｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｆｌｕｘ）、Ｊｈｆ  ＝  油圧流束（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ  ｆｌｕｘ）である。
【００５８】
本発明の第２の実施態様において、第一電極３２が亜鉛で構成され第二電極３６が塩化銀で構成された場合は次のような反応が生じる。まず電極の亜鉛が次の式に従って溶解される。
【００５９】
Ｚｎ  →  Ｚｎ２＋＋２ｅ−        （４）
【００６０】
食塩水中に存在するナトリウムイオンは、イオン交換膜３４を通ってポンプ産出物室１６の第二電極３６の方向に、電界の影響下に移行する。第二電極３６では、次の式に従って塩化銀が金属銀に変えられて溶液中に塩素イオンを放出する。
【００６１】
２ＡｇＣｌ＋２ｅ−  →  ２Ａｇ＋２Ｃｌ−        （５）
【００６２】
移行したナトリウムイオンは、次の式に従って塩素イオンと反応して塩化ナトリウムを生成する。
【００６３】
Ｎａ＋＋Ｃｌ−  →  ＮａＣｌ        （６）
式（６）による塩化ナトリウムの電気化学的生成のほかに、ナトリウムイオンが膜を通過している時、水がナトリウムイオンと共に電気浸透的に送液され、膜の反対側で水が更に生成される。陽イオン膜は陽イオンに対する選択性を有しているので陽イオンだけが膜を通過できる。従って、水は膜を通って一方向のみに送液される。
【００６４】
塩化ナトリウムが連続的に生成されるので、電気化学式ポンプ産出物室１６でイオン濃度が着実に上昇して浸透効果により水を更に送液する。しかしイオン交換膜は、ポンプ産出物室１６から第一電極室３０への塩化ナトリウムイオンの逆送を引き起こす。そのような逆送の程度は、イオン交換膜の性質およびポンプ産出物室１６と補助電極部３０との濃度の相違に依る。かくして、ポンプ産出物室１６において塩化ナトリウムの平衡濃度が達成され、浸透効果により水が送液される。ポンプ産出物室１６内への水送液の定常状態流束が電気浸透および浸透の両効果により達成される。浸透流束は所望の濃度勾配をもたらす電気浸透流束によるものである。従って、浸透流束は電気浸透駆動力を修正することによって修正できる。浸透系の装置では、このような修正は不可能であり、従って流体送り出し量も調節できない。電気化学式ポンプ産出物室１６に搬送された水分子は当該室内に圧力を発生させる。この圧力の発生により、ポンプ産出物室１６から補助電極室３０への水のある程度の逆送液を引き起こす。ある所定のイオン交換膜について得られる定常状態流束は、上記に示したのと同じ方程式で表すことが出来る。
【００６５】
上述した両実施態様において、電気化学式ポンプ産出物室１６内に高い圧力を発生させることが出来る。高圧力は粘凋な組成物の送り出しに、また周囲の圧力変化にあまり影響されない送り出し操作を可能にするの場合に好ましい。
【００６６】
上記の第１の実施態様において生じる圧力について図６に示す。生じることの出来る最大圧力（Ｐｍａｘ，流束がゼロになる圧力）は０．１３６ｍＡ／ｃｍ２で２０ｐｓｉである。３．８倍の電流密度（０．５２５ｍＡ／ｃｍ２）で操作したところ、７００ｐｓｉのＰｍａｘが得られた。本発明の第２の実施態様において生じる圧力について図７に示す。Ｐｍａｘは０．１３６ｍＡ／ｃｍ２で３５０ｐｓｉである。
【００６７】
発生した圧力は変位可能部材１４（唯一の可動部材）を押す力となる。変位可能部材１４は、電気化学式ポンプ産出物室１６から横方向に変位して貯蔵室１２から流体を制御可能に排出させる。以上述べた装置およびプロセスは、抵抗の値または電気制御器３８からの信号出力などにも関係するが、送液される水の量が電流に比例である限り、比較的正確な率で長時間に渡って流体を制御下に送り出すことが出来る。従って、本装置の流体送り出し量は、多孔保護セパレーター２８による対流作用によってハウジング内に侵入する水の量によるのでなく、電気制御器３８の選択または電気制御器からの信号出力によって制御される。また、流体送り出しの量、もしくは送り出しの態様（ｐｒｏｆｉｌｅ、送り出しの時間的態様）、例えばパルス的な規則的送り出し等は、他の手段、例えば異なった抵抗値の抵抗を選んだり、電気制御部からの信号出力を変える（これに限らないが）ことにより容易に変えることが出来る。
【００６８】
図面に示した本発明の実施態様において、体積流束（ｖｏｌｕｍｅ  ｆｌｕｘ）と電流密度の比例関係が高低の範囲の体積流束において得られた。第１の実施態様の場合、２．０〜１０．０μＬｈ−１ｃｍ−２の範囲の体積流束については図２に、０．１〜２．５μＬｈ−１ｃｍ−２の範囲の体積流束については図３にそれぞれ示す。そのような体積流束を生じさせるのに必要な電流密度は用いる膜の種類にもよるが、例えば図４に示すように、０．５μＬｈ−１ｃｍ−２の体積流束を生じさせるのに必要な電流密度は僅か２０μＡｃｍ−２である。図１に示す実施態様において、また、１０００時間以上に渡る操作において高い安定性を保っていることも明らかである。
【００６９】
上記の記載は本発明の例示に過ぎず、本発明はそれに限定されず添付の特許請求の範囲のみに限定されるものであり、本発明の開示を得た当業者ならば、本発明の範囲を逸脱せずに種々の変化変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発に従って製造された陰イオン交換膜を有した流体送出装置の図式的断面図
【図２】本発明により製造された陰イオン交換膜を有した流体送出装置において、２．０−１０．０μＬｈ−１ｃｍ−２の体積流束（ｖｏｌｕｍｅ  ｆｌｕｘ）範囲における体積流束対電流密度の関係を示すグラフ（セルパラメーター：Ｎｅｏｓｅｐｔａ  ＡＭＩ  ７００１イオン交換膜、粉末亜鉛陽極、ニッケルメッシュ陰極、０．９％ＮａＣｌ電解質）
【図３】本発明により製造された陰イオン交換膜を有した流体送出装置において、０−２．５μＬｈ−１ｃｍ−２の体積流束範囲における体積流束対電流密度の関係を示すグラフ（セルパラメーター：ＡＦＮイオン交換膜、固体亜鉛陽極、塩化銀陰極、０．９％ＮａＣｌ電解質）
【図４】本発明により製造された陰イオン交換膜を有した流体送出装置において、０．５−２．５μＬｈ−１ｃｍ−２の体積流束範囲における体積流束対電流密度の関係を示すグラフ（セルパラメーター：Ｎｅｏｓｅｐｔａ  ＡＭＸイオン交換膜、固体亜鉛陽極、塩化銀陰極、０．９％ＮａＣｌ電解質）
【図５】本発明により製造された陽オン交換膜を有した流体送出装置において、０．２−１．２μＬｈ−１ｃｍ−２の体積流束範囲における体積流束対電流密度の関係を示すグラフ（セルパラメーター：ＮＡＦＩＯＮ  １７７陽イオン交換膜、固体亜鉛陽極、塩化銀陰極、０．９％ＮａＣｌ電解質）
【図６】本発明により製造された陰イオン交換膜を有した流体送出装置において、二つの異なった電流密度で電気化学産出物室に付与された圧力に対する体積流束の関係を示すグラフ（セルパラメーター：Ｎｅｏｓｅｐｔａ  ＡＦＮイオン交換膜、固体亜鉛陽極、塩化銀陰極、０．９％ＮａＣｌ電解質）
【図７】本発明により製造された陽イオン交換膜を有した流体送出装置において、二つの異なった電流密度で電気化学産出物室に付与された圧力に対する体積流束の関係を示すグラフ（セルパラメーター：ＮＡＦＩＯＮ  １１７  陽イオン交換膜、固体亜鉛陽極、塩化銀陰極、０．９％ＮａＣｌ電解質）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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