(57)【要約】  電気化学的作動は、マイクロ流体デバイスにおける流体移動および流れ制御に関して開示されており、小型化、最小限の電力要件、一回使用の使い捨ての可能性、および小型で複雑な流体網の設計を可能にする。一実施形態において、単一回投与の流体送達デバイスは、一回の長時間の往復動作で、または複数回反復される投与でボーラス投与量を送達するように作動可能である。デバイスは３つの電気化学的に作動されるチャンバを使用し、これらのチャンバのうちの２つは、デバイスのための入口／出口弁として作動し、３番目のチャンバは一時的な格納と汲み出し作用の両方を提供する。３つのチャンバにおける流体圧力を順番に操作することによって、デバイスによって流体を正確な量で送達することができる。
2015529110.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を方向別に送達するためのデバイスであって、
ａ．ポンプモジュール内に選択的または可逆的の少なくとも一方で圧力を印加するように構成された電気化学アクチュエータを備えるポンプモジュールと、
ｂ．入口弁内に選択的に圧力を印加するように構成された電気化学アクチュエータを備える入口弁と、
ｃ．出口弁内に選択的に圧力を印加するように構成された電気化学アクチュエータを備える出口弁と、
ｄ．前記入口弁と流体連通する外部貯蔵槽入口と、
ｅ．前記出口弁と流体連通する適用先と、
ｆ．前記入口弁と前記ポンプモジュールを流体式に接続する第１のチャネルと、
ｇ．前記出口弁と前記ポンプモジュールを流体式に接続する第２のチャネルと、
ｈ．前記入口弁内に位置決めされた入口ダイアフラムであって、撓んだ状態と撓んでいない静止状態の一方をとるように可撓性であり、前記撓んだ状態と撓んでいない状態の一方にあるとき前記外部貯蔵槽と前記第１のチャネルの間の流体の流れを阻止するように位置決めされ、前記撓んだ状態と撓んでいない状態の他方にあるとき前記外部貯蔵槽と前記第１のチャネルの間を流体が流れることを可能にする入口ダイアフラムと、
ｉ．前記出口弁内に位置決めされた出口ダイアフラムであって、撓んだ状態と撓んでいない状態の一方をとるように可撓性であり、前記撓んだ状態と撓んでいない状態の一方にあるとき前記第２のチャネルと前記適用先の間の流体の流れを阻止するように位置決めされ、前記撓んだ状態と撓んでいない状態の他方にあるとき前記第２のチャネルと前記適用先間を流体が流れることを可能にする出口ダイアフラムと、
ｊ．前記ポンプモジュール内に位置決めされた内部貯蔵槽ダイアフラムであって、撓んだ状態と撓んでいない静止状態の一方をとるように可撓性であり、前記撓んだ状態にあるとき、前記第１のチャネルから内部貯蔵槽ダイアフラムによって形成される貯蔵槽の中に入るように液体の流れを受け取り、前記撓んだ状態または撓んでいない状態の一方から前記撓んだ状態または撓んでいない状態の他方に移動する際、前記貯蔵槽から前記第２のチャネルへと流体を放出するように位置決めされた内部貯蔵槽ダイアフラムとを備えるデバイス。
【請求項２】
前記外部貯蔵槽入口と流体連通する外部貯蔵槽をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記適用先が適用先出口に流体式に接続される、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記流体が医学的な治療用流体である、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記流体がインシュリンである、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記入口弁、ポンプモジュールおよび出口弁と電気的に連通し、前記入口弁、ポンプモジュールおよび出口弁の各々を選択的に作動し停止させるように構成された電子制御システムをさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記電子制御システムがさらに、前記入口弁、ポンプモジュールおよび出口弁の各々の作動の方向を選択的に逆向きにするように作動可能である、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記電子制御システムと連通し、外部の刺激に応答して電気信号を送信するように作動可能なセンサをさらに備え、前記電子制御システムが、前記電気信号に応答して前記入口弁、ポンプモジュールおよび出口弁の各々を作動し停止させるように構成される、請求項６に記載のデバイス。
【請求項９】
前記センサがグルコースセンサであり、前記流体がインシュリンである、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記入口弁、ポンプモジュールおよび出口弁の各々が電解質溶液を有し、前記入口弁ダイアフラム、内部貯蔵槽ダイアフラムおよび出口弁ダイアフラムが、前記電解質溶液に対して不透過性である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記入口弁、ポンプモジュールおよび出口弁の少なくとも１つの中に選択的に圧力を印加する電圧が２Ｖ未満である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記デバイスが、１ｐＬ／分から１ｍＬ／分の範囲の速度で流体を送達するように構成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
ａ．前記入口弁と流体連通する第２の外部貯蔵槽入口と、
ｂ．前記出口弁と流体連通する第２の適用先出口と、
ｃ．前記入口弁と前記ポンプモジュールを流体式に接続する第２の入口チャネルと、
ｄ．前記出口弁と前記ポンプモジュールを流体式に接続する第２の出口チャネルと、
ｅ．前記入口弁内に位置決めされた第２の入口ダイアフラムであって、撓んだ状態と撓んでいない静止状態の一方をとるように可撓性であり、前記撓んだ状態と撓んでいない状態の一方にあるとき前記第２の外部貯蔵槽入口と前記第２の入口チャネルの間の流体の流れを阻止するように位置決めされ、前記撓んだ状態と撓んでいない状態の他方にあるとき前記第２の外部貯蔵槽入口と前記第２の入口チャネルの間を流体が流れることを可能にする第２の入口ダイアフラムと、
ｆ．前記出口弁内に位置決めされた第２の出口ダイアフラムであって、撓んだ状態と撓んでいない静止状態の一方をとるように可撓性であり、前記撓んだ状態と撓んでいない状態の一方にあるとき前記第２の出口チャネルと前記第２の適用先出口の間の流体の流れを阻止するように位置決めされ、前記撓んだ状態と撓んでいない状態の他方にあるとき前記第２の出口チャネルと前記第２の適用先出口の間を流体が流れることを可能にする第２の出口ダイアフラムと、
ｇ．前記ポンプモジュール内に位置決めされた第２の内部貯蔵槽ダイアフラムであって、撓んだ状態と撓んでいない静止状態の一方をとるように可撓性であり、前記撓んだ状態または撓んでいない状態の一方から前記撓んだ状態または撓んでいない状態の他方に移動する際、前記第２の入口チャネルから第２の内部貯蔵槽ダイアフラムによって形成される第２の貯蔵槽の中に入るように液体の流れを受け取り、前記撓んだ状態から前記撓んでいない状態へ、または前記撓んでいない状態から前記撓んだ状態へ移動する際、前記第２の内部貯蔵槽から前記第２の出口チャネルへと流体を放出するように位置決めされた第２の内部貯蔵槽ダイアフラムとを備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記入口弁、ポンプモジュールおよび出口弁と電気的に連通する電子制御システムをさらに備え、前記電子制御システムが、前記入口弁、ポンプモジュールおよび出口弁の各々を選択的に作動し停止させ、前記入口弁、ポンプモジュールおよび出口弁の作動の方向を選択的に逆向きにするように構成される、請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記電子制御システムと連通し、外部の刺激に応答して電気信号を送信するように作動可能なセンサをさらに備え、前記電子制御システムが、前記電気信号に応答して前記入口弁、ポンプモジュールおよび出口弁の少なくとも１つを選択的に作動し停止させ、その作動方向を選択的に逆向きにするように構成される、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
ポンプを使用して流体を方向別に汲み出す方法であって、前記ポンプが、ポンプモジュールと、入口弁と、出口弁と、前記入口弁と流体連通する外部貯蔵槽入口と、前記出口弁と流体連通する適用先出口と、前記入口弁と前記ポンプモジュールを流体式に接続する入口チャネルと、前記出口弁と前記ポンプモジュールを流体式に接続する出口チャネルと、前記入口弁内に位置決めされた入口ダイアフラムと、前記出口弁内に位置決めされた出口ダイアフラムと、前記ポンプモジュール内に位置決めされた内部貯蔵槽ダイアフラムとを備え、
ａ．第１の方向に力を生成するように前記入口弁を作動させ、これにより前記入口ダイアフラムが前記第１の方向に撓むことで、前記外部貯蔵槽入口と前記入口チャネルの間に入口経路を形成するステップと、
ｂ．前記第１の方向に力を生成するように前記ポンプモジュールを作動させ、これにより前記内部貯蔵槽ダイアフラムが前記第１の方向に撓むことで内部貯蔵槽を形成することで前記外部貯蔵槽入口から前記内部貯蔵槽へと前記流体を引き込むステップと、
ｃ．第２の方向に力を生成するように前記入口弁を作動させ、これにより前記入口ダイアフラムが静止状態に戻り前記外部貯蔵槽入口と前記入口チャネルの間の前記入口経路を閉鎖するステップと、
ｄ．前記第１の方向に力を生成するように前記出口弁を作動させ、これにより前記出口ダイアフラムが前記第１の方向に撓むことで前記出口チャネルと前記適用先出口の間に出口経路を形成するステップと、
ｅ．前記第２の方向に力を生成するように前記ポンプモジュールを作動させ、これにより前記内部貯蔵槽ダイアフラムが前記第２の方向に撓むことで前記内部貯蔵槽から前記出口チャネルを通って前記適用先出口へと前記流体を押しやるステップとを含む方法。
【請求項１７】
前記第２の方向に力を生成するように前記出口弁を作動させ、これにより前記出口ダイアフラムが静止状態に戻り前記出口チャネルと前記適用先出口の間の前記出口経路を閉鎖するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第２の方向に力を生成するように前記出口弁およびポンプモジュールを作動させる前記ステップが、前記流体を前記適用先出口から哺乳類動物の身体に向けて汲み出すステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記前記入口弁、ポンプモジュールおよび出口弁の少なくとも１つを選択的に作動することによって前記流体を第２の流体と混合するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記入口弁、ポンプ貯蔵槽および出口弁の少なくとも１つを作動するのに必要な電圧が２Ｖ未満である、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記第２の方向に力を生成するように前記ポンプモジュールを作動させ、これによって前記内部貯蔵槽ダイアフラムが前記第２の方向に撓むことで前記内部貯蔵槽から前記出口チャネルを通って前記適用先出口へと前記流体を押しやる前記ステップが、１ｐＬ／分から１ｍＬ／分の範囲の速度で前記流体を前記適用先へと送達するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
ポンプを使用して流体を方向別に汲み出す方法であって、前記ポンプが、ポンプモジュールと、入口弁と、出口弁と、前記入口弁と流体連通する第１の貯蔵槽入口および第２の外部貯蔵槽入口と、前記出口弁と流体連通する第１の適用先出口および第２の適用先出口と、前記入口弁と前記ポンプモジュールを流体式に接続する第１の入口チャネルおよび第２の入口チャネルと、前記出口弁と前記ポンプモジュールを流体式に接続する第１の出口チャネルおよび第２の出口チャネルと、前記入口弁内に位置決めされた第１の入口ダイアフラムおよび第２の入口ダイアフラムと、前記出口弁内に位置決めされた第１の出口ダイアフラムおよび第２の出口ダイアフラムと、前記ポンプモジュール内に位置決めされた第１の内部貯蔵槽ダイアフラムおよび第２の内部貯蔵槽ダイアフラムとを備え、
ａ．第１の方向に力を生成するように前記入口弁を作動させ、これにより前記第１の入口ダイアフラムが前記第１の方向に撓むことで前記第１の外部貯蔵槽入口と前記第１の入口チャネルの間に第１の入口経路を形成し、前記第２の入口ダイアフラムが前記第１の方向に撓むことで前記第２の外部貯蔵槽入口と前記第２の入口チャネルの間で第２の入口経路を閉鎖するステップと、
ｂ．前記第１の方向に力を生成するように前記ポンプモジュールを作動させ、これにより前記第１の内部貯蔵槽ダイアフラムが前記第１の方向に撓むことで前記第１の内部貯蔵槽を形成しすることによって前記第１の外部貯蔵槽入口から前記第１の内部貯蔵槽へと前記流体を引き込むステップと、
ｃ．第２の方向に力を生成するように前記入口弁を作動させ、これにより前記第１の入口ダイアフラムが静止状態に戻り前記第１の外部貯蔵槽入口と前記第１の入口チャネルの間で前記入口経路を閉鎖し、前記第２の入口ダイアフラムが前記第２の方向に撓むことで前記第２の外部貯蔵槽入口と前記第２の入口チャネルの間に第２の入口経路を形成するステップと、
ｄ．前記第１の方向に力を生成するように前記出口弁を作動させ、これにより前記第１の出口ダイアフラムが前記第１の方向に撓むことで前記第１の出口チャネルと前記第１の適用先出口の間に第１の出口経路を形成するステップと、
ｅ．第２の方向に力を生成するように前記ポンプモジュールを作動させ、これにより前記第１の内部貯蔵槽ダイアフラムが前記第２の方向に撓むことで前記第１の内部貯蔵槽から前記第１の出口チャネルを通って前記第１の適用先出口へと流体を押しやり、前記第２の内部貯蔵槽ダイアフラムが前記第２の方向に撓むことで前記第２の入口チャネルから前記第２の内部貯蔵槽へと流体を引き込むステップと、
ｆ．前記第１の方向に力を生成するように前記入口弁を作動させ、これにより前記第１の入口ダイアフラムが前記第１の方向に撓むことで前記第１の外部貯蔵槽入口と前記第１の入口チャネルの間で前記第１の入口経路を開放し、前記第２の入口ダイアフラムが前記第１の方向に撓むことで、前記第２の外部貯蔵槽入口と前記第２の入口チャネルの間で前記第２の入口経路を閉鎖するステップと、
ｇ．前記第２の方向に力を生成するように前記出口弁を作動させ、これにより前記第１の入口弁ダイアフラムが前記第２の方向に撓むことで前記第１の出口チャネルと前記第１の適用先出口の間で前記第１の出口経路を閉鎖し、前記第２の出口ダイアフラムが前記第２の方向に撓むことで前記第２の出口チャネルと前記第２の適用先出口の間で前記第２の出口経路を開放するステップと、
ｈ．前記第１の方向に力を生成するように前記ポンプモジュールを作動させ、これにより前記第１の内部貯蔵槽ダイアフラムが前記第１の方向に撓んで前記第１の内部貯蔵槽を開放することで前記第１の外部貯蔵槽入口から前記第１の内部貯蔵槽へと流体を引き込み、前記第２の内部貯蔵槽ダイアフラムが前記第１の方向に撓むことで前記第２の内部貯蔵槽から前記第２の出口チャネルを通って前記第２の適用先出口へと流体を押しやるステップとを含む方法。
【請求項２３】
前記第２の方向に力を生成するように前記出口弁およびポンプモジュールを作動させるステップと、前記第１の方向に力を生成するように前記出口弁を作動させるステップとが、前記第１の適用先出口と第２の適用先出口の少なくとも一方から哺乳類動物の身体に前記流体を汲み出すステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記入口弁、ポンプモジュールおよび出口弁の少なくとも１つを選択的に作動することによって、前記流体を第２の流体と混合するステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記前記入口弁、ポンプモジュールおよび出口弁の少なくとも１つを作動するのに必要な電圧が２Ｖ未満である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記第２の方向に力を生成するように前記出口弁を作動するステップと、前記第１の方向に力を生成するように前記出口弁を作動するステップが各々、１ｐＬ／分から１００μＬ／分の範囲の速度で前記流体を前記第１の適用先出口および前記第２の適用先出口の少なくとも一方へと送達するステップを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
ａ．第１の側および第２の側を備える半透過性の膜と、
ｂ．前記第１の膜側に隣接して位置決めされた第１のポンプ本体と、
ｃ．前記第２の膜側に隣接して位置決めされた第２のポンプ本体と、
ｄ．前記半透過性の膜から反対側で前記第１のポンプ本体に隣接して位置決めされた第１のダイアフラムと、
ｅ．前記半透過性の膜から反対側で前記第２のポンプ本体に隣接して位置決めされた第２のダイアフラムと、
ｆ．前記第１のダイアフラムに隣接して位置決めされた第１のポンプキャップと、
ｇ．前記第２のダイアフラムに隣接して位置決めされた第２のポンプキャップとを備える電気化学アクチュエータ。
【請求項２８】
前記第１および第２のポンプ本体、第１および第２のポンプキャップ、ならびにダイアフラムが各々、機械加工された部品または射出成型された部品を備える、請求項２７に記載の電気化学アクチュエータ
【請求項２９】
前記半透過性の膜と前記第１のポンプ本体の間に位置決めされた第１のガスケットと、前記半透過性の膜と前記第２のポンプ本体の間に位置決めされた第２のガスケットとをさらに備える、請求項２８に記載の電気化学アクチュエータ。
【請求項３０】
前記第１および第２のポンプ本体ならびに第１および第２のポンプキャップの少なくとも１つが、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、アクリルポリマー、ポリエテルイミド、ポリアミド、ポリイミド、ポリアセタールおよびポリフェニレンスルフィドから成る組から選択された材料で形成される、請求項２９に記載の電気化学アクチュエータ。
【請求項３１】
前記第１および第２のポンプ本体ならびに第１および第２のポンプキャップの少なくとも１つが、コーティング材によって被覆されたベース材を備える、請求項２９に記載の電気化学アクチュエータ。
【請求項３２】
前記コーティング材がテフロン（登録商標）である、請求項３１に記載の電気化学アクチュエータ。
【請求項３３】
前記ベース材が鋼である、請求項３２に記載の電気化学アクチュエータ。
【請求項３４】
前記第１および第２のポンプ本体ならびに第１および第２のポンプキャップの少なくとも２つが、超音波溶接、スナップ嵌合装着、ねじ込み嵌合装着、オーバーモールディング、インレイモールディング、射出成型または締め具のうちの１つによって接続される、請求項２８に記載の電気化学アクチュエータ。
【請求項３５】
前記第１および第２のポンプ本体の少なくとも一方が電極を備え、前記電極が、チタン、パラジウム、チタンコート材、パラジウムコート材、白金コート材および炭素から成る群から選択された材料から形成される、請求項２７に記載の電気化学アクチュエータ。
【請求項３６】
ａ．エラストマーを含む電気化学ポンプと、
ｂ．前記エラストマーと接触することにより流体経路を開閉するように作動可能な機械的な弁と、
ｃ．前記電気化学ポンプが作動する結果として前記エラストマーが膨張する方向と反対方向に前記機械的な弁を前記エラストマーに当たるように移動させることが可能な力を生成するように構成された力生成器とを備える、流体経路と連通する弁アクチュエータ。
【請求項３７】
前記機械的な弁が、磁石および強磁性材のうちの１つであり、前記力生成器が磁石および強磁性材のうちの１つである、請求項３６に記載の弁アクチュエータ。
【請求項３８】
ａ．一定の体積を有する可撓性の流体容器と、
ｂ．エラストマー製のダイアフラムを備える電気化学アクチュエータであって、前記エラストマーを外向きに撓ませるように構成され、前記エラストマー製ダイアフラムが前記流体容器と接触することによって、前記エラストマー製ダイアフラムが外向きに撓むことで前記流体容器の体積を縮小する電気化学アクチュエータとを備える流体制御機構。
【請求項３９】
前記電気化学アクチュエータが、磁力、電磁流体力学的な力、超音波の力、電気流体力学的な力、電気浸透力、動電学的な力、圧電性の力、浸透力、蠕動力、電動式の力の１つと併せて使用される、請求項３８の流体制御機構。
【請求項４０】
前記流体容器が流体貯蔵槽であり、前記エラストマー製ダイアフラムが外向きに撓むことで前記流体貯蔵槽の壁を押圧することで流体を出口チャネルを通って前記流体貯蔵槽から押し出す、請求項３８に記載の流体制御機構。
【請求項４１】
前記エラストマー製ダイアフラムが、前記流体容器と接続され、前記電気化学アクチュエータがさらに、前記エラストマー製ダイアフラムを内向きに撓ませるように構成され、これにより前記エラストマー製のダイアフラムが内向きに撓むことで前記流体容器の体積を増大させるように構成される、請求項４０に記載の流体制御機構。
【請求項４２】
前記流体容器が流体貯蔵槽であり、前記エラストマー製ダイアフラムが内向きに撓むことで前記流体貯蔵槽の体積を増大させ、これにより進入チャネルから前記流体貯蔵槽へと流体を吸い出す、請求項４１に記載の流体制御機構。
【請求項４３】
前記流体容器が流れチャネルであり、前記エラストマー製ダイアフラムが外向きに撓むことで前記流れチャネルを閉鎖することで前記流れチャネルを通る流体の流れを阻止する、請求項３８に記載の流体制御機構。
【請求項４４】
同調して作動するように構成された複数の電気化学アクチュエータを備える、請求項４３に記載の流体制御機構。
【請求項４５】
前記流体制御機構が、前記流れチャネル内で複数の流体を混合するように作動可能であり、請求項４４に記載の流体制御機構。
【請求項４６】
複数の試薬貯蔵槽の１つとそれぞれ流体連通する複数の電気化学アクチュエータを備え、前記電気化学アクチュエータの各々と流体連通することで、前記複数の試薬貯蔵槽から任意の試薬をアッセイモジュールに送達することができるアッセイモジュールをさらに備える、請求項４３に記載の流体制御機構。
【請求項４７】
ａ．エラストマー製ダイアフラムを備える電気化学アクチュエータであって、前記エラストマー製ダイアフラムを外向きに撓ませるように構成され、一定のダイアフラム断面積を有する電気化学アクチュエータと、
ｂ．第１および第２の部分を有し、ピストンの第１の部分が前記エラストマー製ダイアフラムに接続されたピストンと、
ｃ．前記ピストンの前記第２の部分を受けるようにサイズが決められた流れチャネルとを備える作動デバイス。
【請求項４８】
前記ピストンの第１の部分が、前記ダイアフラムの断面積と等しい第１の断面積を有し、前記ピストンの第２の部分が、前記第１の断面積と異なる第２の断面積を有する、請求項４７に記載の作動デバイス。
【請求項４９】
前記デバイスがさらに、一定の作動流体粘度を有し、電気化学アクチュエータ内にあり、エラストマー製ダイアフラム、ピストンまたは固体、液体または気体から成る障壁によって境界が区切られた作動流体を有し、前記流れチャネルが、ポンプ流体粘度を有するポンプ流体を有し、前記作動流体粘度が前記ポンプ流体粘度と異なる、請求項４７に記載の作動デバイス。
【請求項５０】
ａ．電解質と、陰極／陽極とを有する第１の電気化学セルの片方と、
ｂ．前記電解質と、陰極／陽極とを有する第２の電気化学セルの片方と、
ｃ．前記第１の電気化学セルの片方と、前記第２の電気化学セルの片方を分離するイオン透過性の膜と、
ｄ．これによりイオン透過性膜と通り抜けるようにイオン流速が生成される前記陰極と前記陽極の間の電気接続部とを備える、ガルバニック電気化学アクチュエータ。
【請求項５１】
前記陰極が白金であり、前記陽極が鉄である、請求項５０に記載のガルバニック電気化学アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流体デバイスの電気化学的作動の分野にあり、これには汲み出し作用、弁調節作用、流量制御、流れ方向の制御、分配制御、試料投入ならびに容積測定の流量または流圧の増幅ならびに溶液の保管が含まれる。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ流体デバイスには、環境検査、製品の品質管理および臨床診断／薬物送達を含めた広範な検出および流体送達用途に改革をもたらす大きな展望がある。マイクロ流体は、試験の規模、電力要件、試薬の利用および試料の廃棄物の生成量を縮小することができ、流体の送達を微量で制御することができる。さらに、実現される本発明における例として記載される用途によって、マイクロ流体システムに関する新たな用途が結果として生じる可能性がある。
【０００３】
小型化された試験プラットフォームおよび検出技術を研究している多くの研究および製品開発チームが世界中にある。しかしながらこのような技術の十分な潜在能力は、完全なマイクロ流体システムが想定され設計されるまで実現されないであろう。マイクロ流体デバイスの全ての要素（例えばポンプ、弁、チャンバ、増幅器、流体経路およびそれ以外）は、省スペース、低電力要件および正確な／再現可能な制御の要求に応える必要がある。
【０００４】
本発明の発明者等は、電気化学アクチュエータがマイクロ流体デバイスの鍵となる構成要素であり得ることを認識している。デバイス構成要素を作動する化学反応を起こさせるために制御された電気の流れを使用することで、全てのデバイスの要素の小型化が可能になる。これらの構成要素を連携させて利用することにより、マイクロ流体デバイスにおける複雑化した流れの形態を作動させ正確に制御することが可能になる。マイクロ流体デバイスは、磁気による、電磁流体力学的、超音波による、電磁流体力学的、電気浸透式、圧電および動電学的作動機構を伴って、本明細書に記載される電気化学アクチュエータを利用することができる。
【０００５】
本発明の発明者等は、インシュリンの送達が、本発明の好ましい実施形態によって本明細書に記載される流体送達デバイスに関して高い価値のある用途であることを認識している。正確にプログラムされた第一次の／ボーラス投与での糖尿病患者へのインシュリンの送達は、複数回の毎日の注射より適切であり得る。このような制御された送達の利点には、変動がより小さいより厳格な血糖のコントロール、夜間の低血糖および食後の高血糖症、より低い全体のインシュリン必要量のより優れた管理、ならびにより正確にインシュリン投与量を追跡する能力が含まれる。患者は、それらが提供するより便利で人目につかないライフスタイル、食事のスケジュールにおける融通性、投与量の計算／送達の補助およびデータの保存により、装着型の薬剤送達デバイスを好む。本発明者等はさらに、グルコースセンサと一体化された場合、このようなシステムの結果は、糖尿病患者の合併症を予防的に防止するための自動フィードバックの第一次／ボーラス制御であり得ることを認識している。好ましい実施形態による結果として生じる「人工膵臓」システムは、正常な膵臓の機能を綿密に模倣するため、糖尿病の治療において重要な改革となるであろう。閉鎖ループ薬剤送達、センサモニタリング、機械的および非機械的な故障からの安全性、ならびにプログラムされた自己発見的なインシュリン送達は、このようなデバイスを利用して発明者等が予見する利点の一部である。
【０００６】
現在、市場には利用可能な多くの商業的なインシュリン送達システムが存在する。しかしながらこのようなシステムは各々、複数回の毎日のインシュリン注射の代わりに、このようなシステムを一般に普及させて利用するのを妨げる特定の欠点を持つ。現在利用可能な装着型のインシュリン送達デバイスは高価であり、頻繁に交換することを必要とし、機械的故障に悩まされ、複数の構成要素の管理を必要とし、操作が複雑である。このため所望されるのは、既存の商業的なデバイスの短所を克服する送達デバイスであり、具体的には、低コスト、最適な性能、小型で人間工学的な設計、最小限の電力の利用および多重レベルのフェールセーフティを実現しようと努めており、これらは全て、ここに記載するように、電気化学的に作動する構成要素を適切に組み合わせることによって可能になる。
【０００７】
この背景セクションにおいて言及された参考文献および情報は、本発明に関して従来技術であるとは認められない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は電気化学ポンプおよび弁の連携した利用を対象としており、これにより小型で、洗練された、複雑な、費用の安い極めて低い電力要件のマイクロ流体デバイスが可能になる。このようなデバイスは、特に低資源設定での利用または迅速な診断／利用からの恩恵となるものに関して、医療的な診断および処置に改革をもたらす最大の可能性を有する。さらにこのようなデバイスの制御システムは、最小限であり、極めて低い電圧を必要とするため、システム内でのおよび／または遠隔式に制御する操作が可能になる。本発明の広範な適用範囲を示すいくつかの実施形態が本明細書に詳細に記載されている。これらの実施形態は、いずれの方法においても本発明を制限することは意図されていない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
特定の態様において、本発明は、少なくとも１つの電気化学ポンプ／汲み出し方法および１つの場所から別の場所への流体の移動を制御する少なくとも１つの電気化学弁／弁調節方法を含む流体送達デバイスを対象としている。電気化学弁は、撓んでいない静止状態で正常に閉鎖され正常に開放されるように構成することができる。このような流体には、限定するものではなく薬剤送達流体が含まれてよい。例えば、本発明は、液体を外部貯蔵槽から、例えば患者に薬剤を送達するなどの適用先に移動させるのに使用することができる。本発明に関する多くの用途のうちの２つには、糖尿病患者へのインシュリンの送達、およびヒトまたは動物の目への薬物の送達が含まれる。機械的なポンプおよび弁の必要性をなくすことにより、デバイス全体のサイズを縮小し、複雑さや電力消費を抑え、これによりデバイス全体を所望される範囲まで小型化することが可能になる。特定の実施形態において、デバイスはまた、それが使用されないとき閉鎖弁として作用し、流体が貯蔵槽から適用先に意図せず流れるのを阻止する場合もある。このようにして、本発明の特定の実施形態は、偶発的な薬剤送達を防ぐためのフェールセーフ機構を提供する。特定の実施形態における発明によって、連続投与またはボーラス投与のいずれにおいても流体送達の極めて精密に調整された制御が可能になり得る。一例としてインシュリンを使用する場合、このデバイスを使用して健康な膵臓からの自然なインシュリン送達量を極めて厳密に模倣することができる。
【００１０】
第１の態様において、本発明は、流体を方向別に送達するためのデバイスを対象としており、これはポンプモジュール内に選択的に圧力を印加するように構成された電気化学アクチュエータを備えるポンプモジュールと、入口弁内に選択的に圧力を印加するように構成された電気化学アクチュエータを備える入口弁と、出口弁内に選択的に圧力を印加するように構成された電気化学アクチュエータを備える出口弁と、入口弁と流体連通する外部貯蔵槽と、出口弁と流体連通する適用先と、入口弁とポンプモジュールを流体式に接続する第１のチャネルと、出口弁とポンプモジュールを流体式に接続する第２のチャネルと、入口弁内に位置決めされた入口ダイアフラムであって、撓んだ状態と撓んでいない静止状態の一方をとるように可撓性であり、撓んでいない静止状態にあるとき外部貯蔵槽と第１のチャネルの間の流体の流れを阻止するように位置決めされ、撓んだ状態にあるとき外部貯蔵槽と第１のチャネルの間を流体が流れることを可能にする入口ダイアフラムと、出口弁内に位置決めされた出口ダイアフラムであって、撓んだ状態と撓んでいない静止状態の一方をとるように可撓性であり、撓んでいない静止状態にあるとき第２のチャネルと適用先の間の流体の流れを阻止するように位置決めされ、撓んだ状態にあるとき第２のチャネルと適用先間を流体が流れることを可能にする出口ダイアフラムと、ポンプモジュール内に位置決めされた内部貯蔵槽ダイアフラムであって、撓んだ状態と撓んでいない静止状態の一方をとるように可撓性であり、撓んだ状態にあるとき、第１のチャネルから内部貯蔵槽ダイアフラムによって形成される貯蔵槽の中に入るように液体の流れを受け取り、撓んだ状態から撓んでいない状態に移動する際、この貯蔵槽から第２のチャネルへと流体を放出するように位置決めされた内部貯蔵槽ダイアフラムとを備える。
【００１１】
第２の態様において、本発明は、ポンプを使用して流体を方向別に汲み出す方法を対象としており、ポンプは、ポンプモジュールと、入口弁と、出口弁と、入口弁と流体連通する外部貯蔵槽入口と、出口弁と流体連通する適用先出口と、入口弁とポンプモジュールを流体式に接続する入口チャネルと、出口弁とポンプモジュールを流体式に接続する出口チャネルと、入口弁内に位置決めされた入口ダイアフラムと、出口弁内に位置決めされた出口ダイアフラムと、ポンプモジュール内に位置決めされた内部貯蔵槽ダイアフラムとを備え、方法は、第１の方向に力を生成するように入口弁を作動させ、これにより入口ダイアフラムが第１の方向に撓むことで、外部貯蔵槽入口と入口チャネルの間に入口経路を形成するステップと、第１の方向に力を生成するようにポンプモジュールを作動させ、これにより内部貯蔵槽ダイアフラムが第１の方向に撓むことで内部貯蔵槽を形成することで外部貯蔵槽入口から内部貯蔵槽へと流体を引き込むステップと、第２の方向に力を生成するように入口弁を作動させ、これにより入口ダイアフラムが静止状態に戻り外部貯蔵槽入口と入口チャネルの間の入口経路を閉鎖するステップと、第２の方向に力を生成するように出口弁を作動させ、これにより出口ダイアフラムが第２の方向に撓むことで出口チャネルと適用先出口の間に出口経路を形成するステップと、第２の方向に力を生成するようにポンプモジュールを作動させ、これにより内部貯蔵槽ダイアフラムが第２の方向に撓むことで内部貯蔵槽から出口チャネルを通って適用先出口へと流体を押しやるステップとを含む。
【００１２】
第３の態様において、方法は、ポンプを使用して流体を方向別に汲み出す方法を対象としており、ポンプは、ポンプモジュールと、入口弁と、出口弁と、入口弁と流体連通する第１の外部貯蔵槽入口および第２の外部貯蔵槽入口と、出口弁と流体連通する第１の適用先出口および第２の適用先出口と、入口弁とポンプモジュールを流体式に接続する第１の入口チャネルおよび第２の入口チャネルと、出口弁とポンプモジュールを流体式に接続する第１の出口チャネルおよび第２の出口チャネルと、入口弁内に位置決めされた第１の入口ダイアフラムおよび第２の入口ダイアフラムと、出口弁内に位置決めされた第１の出口ダイアフラムおよび第２の出口ダイアフラムと、ポンプモジュール内に位置決めされた第１の内部貯蔵槽ダイアフラムおよび第２の内部貯蔵槽ダイアフラムとを備え、方法は、第１の方向に力を生成するように入口弁を作動させ、これにより第１の入口ダイアフラムが第１の方向に撓むことで第１の外部貯蔵槽入口と第１の入口チャネルの間に第１の入口経路を形成し、第２の入口ダイアフラムが第１の方向に撓むことで第２の外部貯蔵槽入口と第２の入口チャネルの間で第２の入口経路を閉鎖するステップと、第１の方向に力を生成するようにポンプモジュールを作動させ、これにより第１の内部貯蔵槽ダイアフラムが第１の方向に撓むことで第１の内部貯蔵槽を形成することで第１の外部貯蔵槽入口から第１の内部貯蔵槽へと流体を引き込むステップと、第２の方向に力を生成するように入口弁を作動させ、これにより第１の入口ダイアフラムが静止状態に戻り第１の外部貯蔵槽入口と第１の入口チャネルの間で入口経路を閉鎖し、第２の入口ダイアフラムが第２の方向に撓むことで第２の外部貯蔵槽入口と第２の入口チャネルの間に第２の入口経路を形成するステップと、第１の方向に力を生成するように出口弁を作動させ、これにより第１の出口ダイアフラムが第１の方向に撓むことで第１の出口チャネルと第１の適用先出口の間に第１の出口経路を形成するステップと、第２の方向に力を生成するようにポンプモジュールを作動させ、これにより第１の内部貯蔵槽ダイアフラムが第２の方向に撓むことで第１の内部貯蔵槽から第１の出口チャネルを通って第１の適用先出口へと流体を押しやり、第２の内部貯蔵槽ダイアフラムが第２の方向に撓むことで第２の入口チャネルから第２の内部貯蔵槽へと流体を引き込むステップと、第１の方向に力を生成するように入口弁を作動させ、これにより第１の入口ダイアフラムが第１の方向に撓むことで第１の外部貯蔵槽入口と第１の入口チャネルの間で第１の入口経路を開放し、第２の入口ダイアフラムが第１の方向に撓むことで、第２の外部貯蔵槽入口と第２の入口チャネルの間で第２の入口経路を閉鎖するステップと、第２の方向に力を生成するように出口弁を作動させ、これにより第１の入口弁ダイアフラムが第２の方向に撓むことで第１の出口チャネルと第１の適用先出口の間で第１の出口経路を閉鎖し、第２の出口ダイアフラムが第２の方向に撓むことで第２の出口チャネルと第２の適用先出口の間で第２の出口経路を開放するステップと、第１の方向に力を生成するようにポンプモジュールを作動させ、これにより第１の内部貯蔵槽ダイアフラムが第１の方向に撓んで第１の内部貯蔵槽を開放することで第１の外部貯蔵槽入口から第１の内部貯蔵槽へと流体を引き込み、第２の内部貯蔵槽ダイアフラムが第１の方向に撓むことで第２の内部貯蔵槽から第２の出口チャネルを通って第２の適用先出口へと流体を押しやるステップとを含む。
【００１３】
第４の態様において、本発明は、第１の側および第２の側を備える半透過性の膜と、第１の膜側に隣接して位置決めされた第１のポンプ本体と、第２の膜側に隣接して位置決めされた第２のポンプ本体と、半透過性の膜から反対側で第１のポンプ本体に隣接して位置決めされた第１のダイアフラムと、半透過性の膜から反対側で第２のポンプ本体に隣接して位置決めされた第２のダイアフラムと、第１のダイアフラムに隣接して位置決めされた第１のポンプキャップと、第２のダイアフラムに隣接して位置決めされた第２のポンプキャップとを備える電気化学アクチュエータを対象としている。
【００１４】
第５の態様において、本発明は、エラストマーを含む電気化学ポンプと、エラストマーと接触することにより流体経路を開閉するように作動可能な機械的な弁と、電気化学ポンプが作動する結果としてエラストマーが膨張する方向と反対方向に機械的な弁をエラストマーに当たるように移動させることが可能な力を生成するように構成された力生成器とを備える、流体経路と連通する弁アクチュエータを対象としている。
【００１５】
第６の態様において、本発明は、一定の体積を有する可撓性の流体容器と、エラストマー製のダイアフラムを備える電気化学アクチュエータとを備え、電気化学アクチュエータが、エラストマー製ダイアフラムを外向きに撓ませるように構成され、さらにエラストマー製ダイアフラムが流体容器と接触することによりエラストマー製ダイアフラムが外向きに撓むことで流体容器の体積を縮小する流体制御機構を対象としている。
【００１６】
第７の態様において、本発明は、エラストマー製ダイアフラムを備える電気化学アクチュエータであって、エラストマー製ダイアフラムを外向きに撓ませるように構成され、一定のダイアフラムの断面積を有する電気化学アクチュエータと、第１および第２の部分を有し、ピストンの第１の部分がエラストマー製ダイアフラムに接続されたピストンと、ピストンの第２の部分を受けるようにサイズが決められた流れチャネルとを備える作動デバイスを対象としている。
【００１７】
第８の態様において、本発明は、電解質と、陰極／陽極とを有する第１の電気化学セルの片方と、電解質と、陰極／陽極とを有する第２の電気化学セルの片方と、第１の電気化学セルの片方と、第２の電気化学セルの片方を分離するイオン透過性の膜と、これによりイオン透過性膜と通り抜けるようにイオン流速が生成される陰極と陽極の間の電気接続部とを備えるガルバニック電気化学アクチュエータを対象としている。
【００１８】
本発明者等は、多くの付加的な用途を認識しており、これには単回投与の流体送達デバイス、連続投与の流体送達デバイス、使い捨ての低コストのアクチュエータ、自動動力式のアクチュエータ、電磁弁アクチュエータ、弾性弁アクチュエータ、プログラマブルマイクロ流体チップ、流量および流体の力を増幅させるアクチュエータならびに内蔵式のＥＬＩＳＡチップが含まれる。
【００１９】
本発明者等はさらに、種々の実施形態による電気化学アクチュエータの小型で低電力の要件および非機械的な性質は、このようなアクチュエータで構成されるデバイスが、小型で複雑であり、多重のフェールセーフ性を提供することを意味することを認識している。このような安全な機能は、送達される流体が患者に対する薬剤である場合に特に重要であり、薬を過剰に投与する可能性がかなり抑えられる。付加的に、本発明者等は、電気化学ポンプおよび弁に基づいたデバイスが、サンドイッチＥＬＩＳＡを実行するのに必要な圧力および流量で作動することができることを認識している。別の例では、本発明者等は、電気化学作動式デバイスを稼働させるのに必要な最小限の電力要件は、従来通り電池または太陽エネルギー（繰り返される作動の場合）または追加の化学反応（１回の作動の場合）によって提供することができることを認識している。
【００２０】
本発明のこれらのおよび他の目的、特徴および利点は、以下に記載する図面と併せて好ましい実施形態および添付の特許請求の範囲の以下の詳細な記載を考察することからより最適に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】本発明の好ましい実施形態による電気化学的に作動する流体送達デバイスに関する第１の構成を示す概略図である。
【図１Ｂ】本発明の好ましい実施形態による電気化学的に作動する流体送達デバイスに関する第２の構成を示す概略図である。
【図２Ａ】本発明の好ましい実施形態による静止する際の単回投与の方向別の流体送達デバイスを示す概略図である。
【図２Ｂ】本発明の好ましい実施形態による方向別の流体送達デバイスの作用シーケンスの第１のステップにおける図２Ａの単回投与の方向別の流体送達デバイスを示す概略図である。
【図２Ｃ】本発明の好ましい実施形態による方向別の流体送達デバイスの作用シーケンスの第２のステップにおける図２Ａの単回投与の方向別の流体送達デバイスを示す概略図である。
【図２Ｄ】本発明の好ましい実施形態による方向別の流体送達デバイスの作用シーケンスの第３のステップにおける図２Ａの単回投与の方向別の流体送達デバイスを示す概略図である。
【図２Ｅ】本発明の好ましい実施形態による方向別の流体送達デバイスの作用シーケンスの第４のステップにおける図２Ａの単回投与の方向別の流体送達デバイスを示す概略図である。
【図２Ｆ】本発明の好ましい実施形態による方向別の流体送達デバイスの作用シーケンスの第５のステップにおける図２Ａの単回投与の方向別の流体送達デバイスを示す概略図である。
【図２Ｇ】本発明の好ましい実施形態による方向別の流体送達デバイスの作用シーケンスの第６のステップにおける図２Ａの単回投与の方向別の流体送達デバイスを示す概略図である。
【図３Ａ】本発明の好ましい実施形態による静止する際の連続投与の方向別の流体送達デバイスを示す概略図である。
【図３Ｂ】本発明の好ましい実施形態による方向別の流体送達デバイスの作用シーケンスの第１のステップにおける図３Ａの連続投与の方向別の流体送達デバイスを示す概略図である。
【図３Ｃ】本発明の好ましい実施形態による方向別の流体送達デバイスの作用シーケンスの第２のステップにおける図３Ａの連続投与の方向別の流体送達デバイスを示す概略図である。
【図３Ｄ】本発明の好ましい実施形態による方向別の流体送達デバイスの作用シーケンスの第３のステップにおける図３Ａの連続投与の方向別の流体送達デバイスを示す概略図である。
【図４】本発明の好ましい実施形態による電気化学アクチュエータを使用するほぼ連続する流体送達を示すグラフである。
【図５】本発明の好ましい実施形態による一体成型式電気化学アクチュエータ本体の斜視的な分解組立図である。
【図６】本発明の好ましい実施形態によるチタン電極を使用して印加された電位によって生成される電気化学電流を示すグラフである。
【図７Ａ】自動動力式電気化学アクチュエータの好ましい一実施形態を示す概略図である。
【図７Ｂ】自動動力式電気化学アクチュエータの好ましい一実施形態を示す概略図である。
【図８Ａ】本発明の好ましい実施形態による自動動力式電気化学アクチュエータを使用して生成される流量を示すグラフである。
【図８Ｂ】本発明の好ましい実施形態による自動動力式電気化学アクチュエータを使用して生成される分配投与量を示すグラフである。
【図９】本発明の好ましい実施形態による電磁弁アクチュエータを描く概略図である。
【図１０】電磁弁アクチュエータによって可能になる流れ制御を示すグラフである。
【図１１】本発明の好ましい実施形態による取り外し可能な貯蔵槽から流体を分配するのに使用される弾性アクチュエータを備えた電気化学弁を描く概略図である。
【図１２】取り外し可能な弾性弁アクチュエータからの流体の流量を示すグラフである。
【図１３Ａ】本発明の好ましい実施形態によるチャネル内ピンチ弁／ポンプアクチュエータの概略図である。
【図１３Ｂ】本発明の好ましい実施形態による精密に制御された量で流体を混合するのに使用されるチャネル内ピンチ弁アクチュエータの１つの概略図である。
【図１３Ｃ】本発明の好ましい実施形態による混和不能な溶液中に液滴混合物を形成するのに使用されるチャネル内ピンチ弁アクチュエータの概略図である。
【図１３Ｄ】本発明の好ましい実施形態による混合作用を誘発するために流れの方向を変えるのに使用されるチャネル内ピンチ弁アクチュエータの概略図である。
【図１３Ｅ】本発明の好ましい実施形態による「Ｓ字」の屈曲における混合作用に使用されるチャネル内ピンチ弁アクチュエータの概略図である。
【図１４】本発明の好ましい実施形態による体積増幅アクチュエータを描く概略図である。
【図１５】体積増幅アクチュエータによって生成される流量の増加を示すグラフである。
【図１６】本発明の好ましい実施形態による圧力増幅アクチュエータを描く概略図である。
【図１７】本発明の好ましい実施形態による内蔵式サンドイッチＥＬＩＳＡチップを描く概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明をさらに詳細に説明する前に、本発明は記載される特定の実施形態に限定されないこと、および特定の実施形態を記述するのに使用される用語は、これらの特定の実施形態のみを記述する目的であり、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ限定されるため、限定することは意図していないことを理解されたい。特定の用途に適用可能な特定の好ましい実施形態をまず概略で以下に提示し、その後本明細書に提示される図面と併せてより詳細な説明を提示することにする。
【００２３】
一部の用途に関して、電気化学アクチュエータの特性を使い捨ての可能性に対してカスタマイズすることが望ましい場合がある。使い捨てアクチュエータは、安価な材料で作製され、高生産性の製造に適用可能である必要がある。本発明者等は、電気化学アクチュエータの使い捨ての可能性を実現するのに鍵となるステップを形成しており、これにはスナップ式に一緒に嵌められ一体成型されたポンプ本体、より低コストの作動電極（チタンまたは被覆プラスチックなど）、交互の流体の汲み出しおよび単一使用の自動動力セルが含まれる。
【００２４】
電気化学的な作動は、特定の好ましい実施形態において提示されるように、流体経路を繰り返し開閉するために磁力を合わせて使用する場合がある。電気化学アクチュエータの流体の力を使用して、流体経路が流体の流れに対して封鎖されるように金属製のロッドをこの経路内に押し込むことができる。その後、流れを開始することが望まれると、電気化学的に作動された流体の力を逆向きにし、特定の力（磁力または真空）を使用して金属ロッドを流体の経路から外に引っ張り出すことができる。
【００２５】
電気化学アクチュエータの流体の力を利用して、流体経路を封鎖するように膨れる弾性の膜を押圧することによって、特定の好ましい実施形態において流体経路を繰り返し閉鎖することができる。流体の力の方向を逆向きにすることによって、弾性膜が流体経路から離れるように収縮し流れを可能にする。膜を押圧する電気化学的に作動される流体の力はまた、充填された貯蔵槽から流体を押し出す、または流体を空の貯蔵槽へと引き込むのに使用される場合もある。追加として、電気化学的な作動を利用して送達される流体の体積または圧力を増幅するのに使用されるピストンを駆動させることもできる。
【００２６】
特定の好ましい実施形態は、流体運動の局面の全て（または一部）が電気化学的作動によって制御されるように幅広いプログラム可能なマイクロ流体チップのアレイを包含する。特定の好ましい実施形態では、電気化学的に作動される弾性弁の列が、流体チャネルの片側または両側に沿って位置決めされ、一連の作動を利用してプログラムされた経路に沿って流体を蠕動するように移動させる。いくつかの電気化学アクチュエータを連携させて使用するための１つの複雑化した実施形態は、サンドイッチＥＬＩＳＡのための単一使用の使い捨てのチップであろう。使い捨てＥＬＩＳＡチップが成功するための機能は、各々の検査に関する内蔵式の正および負の制御装置、試料と接触した全ての構成要素を１回利用した後に廃棄すること、電気化学的に作動されるポンプエンジンおよび電子制御／読出し装置にスナップ嵌合することである。
【００２７】
次に本発明の好ましい実施形態に関連する様々な用途のより特有の考察に注目すると、電気化学的に作動する流体送達デバイスは、電気化学弁および電気化学ポンプを同一のデバイス内に内蔵する。図１Ａおよび図１Ｂは、好ましい実施形態による２つの異なる設計に関する電気化学チャンバの配置の基本的な概略図を提示している。図１Ａは円形の設計であり、２つの弁チャンバ１００および１０２が互いに隣接し各々がポンプモジュール１０４に隣接しており、その一方で図１Ｂは、ポンプモジュール１０５が弁チャンバ１０１および１０３を隔てる直線的な設計である。弁およびポンプのサイズおよび形状は、特定の用途に関して所望される特有の性能パラメータに応じて変化し得る。入口弁および出口弁は、物理的に全く同一であり得る、あるいは異なる形状およびサイズである場合もある。ポンプを通り抜ける流体の動きの方向は、ポンプの作動に応じて変えることができる。より具体的には、いずれの弁も入口または出口となり得る。実際には、流体は、ポンプの同じ側に引き込まれ、同じ側から押し出すことができる。しかしながら薬剤注入に使用されるべき好ましい実施形態では、ポンプの片側（入口弁）が外部の薬剤貯蔵槽と流体接触し、他方の側（出口弁）が患者（適用先）と流体接触することになる。流体経路および貯蔵槽のサイズ、形状、数および容積は、特定の用途に特有であってよい。電気化学弁およびポンプモジュールに関する一般的な構造および作動の原理は、米国特許第７，７１８，０４７号、８，１８７，４４１号および８，３４３，３２４号に記載される考察から理解され、これらは本明細書に十分に記載されるように、参照により組み込まれている。
【００２８】
図１Ａおよび図１Ｂのデバイスは、電気化学ポンプおよび電気化学弁の連携した作動によって作動する電気化学的に作動する流体送達デバイスである。その結果は、機械的な部品なしでｎＬ／分から数百μＬ／分の流量を送達するマイクロ流体デバイスである。流れの方向は、印加される電流／電圧の方向を単に逆にするだけで容易に逆向きにすることができる。
【００２９】
次に図２Ａから図２Ｇを参照して、単一投与の流体送達ポンプの直線的な「片側のみの」実施形態の構造および作動が記載される。この場合の片側のみとは、イオン選択性膜１１６の片側のみに流体送達接続が存在する事実を指している。イオン選択性膜１１６は、入口弁１０６、ポンプモジュール１１０および出口弁１０８のそれぞれを分割している。キャップ１９９が、入口弁１０６、ポンプモジュール１１０および出口弁１０８を覆うように嵌合される。このケースでは、キャップ１９９は、キャップ１９９内に機械加工されることで流体入口および流体出口を提供するチャネルを形成する。このような流体経路によって、流体が外部貯蔵槽１１２から以下に記載する可撓性の内部貯蔵槽へと、かつ内部貯蔵槽から適用先１１４へと流れることが可能になる。２つの弁システムによって断続的にまたはボーラス投与で綿密に制御された流体の送達が可能になり、またデバイスが故障した場合には、外部貯蔵槽の内容物全てが適用先に偶発的に送達されるのを防ぐために二重のレベルの安全機構としても作用する。外部貯蔵槽１１２から適用先１１４への制御された薬剤送達を可能にする一セットのステップの一例を、最初の静止した状態のポンプを示す図２Ａ、および外部貯蔵槽１１２から適用先１１４に流体を移動させるのに必要な一連のステップを示す図２Ｂ〜図２Ｇを参照して以下に詳細に記載する。
【００３０】
図２Ａに示されるように静止状態にある際、流体経路は、可撓性のダイアフラム２０２ａ、２０２ｂおよび２０２ｃによって封鎖されており、ダイアフラム２０２ｂは、ポンプモジュール１１０のところに在り、ダイアフラム２０２ａは入口弁１０６のところに在り、ダイアフラム２０２ｃは出口弁１０８のところに在る。静止状態において３つのダイアフラムは撓んでいないため、それらは、外部貯蔵槽１１２と入口チャネル２０１ａの間、入口チャネル２０１ａと出口チャネル２０１ｂの間、ならびに出口チャネル２０１ｂと適用先１１４の間の流体の流れを効果的に閉鎖する。詳細には、外部貯蔵槽１１２と入口チャネル２０１ａの間の流体の流れは、ダイアフラム２０２ａに対して押しつける入口弁１０６における流体圧によって阻止される。この方法において、入口弁１０６はピンチ弁として機能することが分かるであろう。
【００３１】
次に図２Ｂを参照すると、外部貯蔵槽１１２から流体を方向別に移動させる際の第１のステップは、入口弁１０６を電気化学的に作動させ、これによりポンプ流体をダイアフラム２０２ａから離れるように移動させることである。これにより真空状態が形成され、この真空状態がダイアフラム２０２ａを撓んだ位置へと引っ張る。ダイアフラム２０２ａが撓む際、流体が外部貯蔵槽１１２から入口２００を通って入口ポケット２０４に入るように引っ張られ、この入口ポケットは、ダイアフラム２０２ａが撓んだ結果として入口弁１０６内のダイアフラム２０２ａのキャップ側に形成される。この方法において、入口弁１０６は今度は、このデバイス内への流れを可能にするために開放されたピンチ弁として機能する。
【００３２】
図２Ｃに示される次のステップにおいて、ポンプモジュール１１０が電気化学的に作動され、ダイアフラム２０２ｂを撓んだ位置へと引っ張る真空状態を形成する。この作用が、流体を入口ポケット２０４から入口チャネル２０１ａを通って、その後ダイアフラム２０２ｂの開放側に形成された内部貯蔵槽２０６へと引き込む。その結果は、流体が外部貯蔵槽１１２から入口ポケット２０４および入口チャネル２０１ａを通って内部貯蔵槽２０６へと引き込まれることになる。
【００３３】
図２Ｄに示される次にステップにおいて、入口弁１０６に印加される電圧／電流が逆向きにされ、これによりダイアフラム２０２ａをその静止（撓んでいない）位置へと戻す。これによりそれは、入口ポケット２０４によって予め形成される弁を閉鎖するように機能する。この時点で、内部貯蔵槽２０６内の流体は、外部貯蔵槽１１２に戻るように後ろ向きに流れることはもはや不可能である。
【００３４】
図２Ｅに示される次にステップにおいて、電圧／電流が出口弁１０８に印加されることによって、ダイアフラム２０２ｃを撓んだ位置へと引っ張る真空状態を形成する。これにより出口ポケット２０７が形成され、この出口ポケットは、内部貯蔵槽２０６と出口ポケット２０７が出口チャネル２０１ｂによって接続されるため、内部貯蔵槽２０６と出口２１１の間の経路を開放する。内部貯蔵槽２０６からの流体はこのように、出口チャネル２０１ｂに流れ込むことが可能になる。
【００３５】
図２Ｆに示される次にステップにおいて、ポンプモジュール１１０における電圧／電流が逆向きにされ、これによりダイアフラム２０２ｂをその静止位置に戻す。これによって内部貯蔵槽２０６を縮小させ、一部のケースでは最終的にはなくなるようにし、これにより流体を内部貯蔵槽２０６から出口チャネル２０１ｂおよび出口ポケット２０７を通って出口２１１へと押し込み、その後適用先１１４へと押しやる。送達される流体の流量／体積／持続時間は、ポンプモジュール１１０における２つの別個の電気化学セル２０９と２１０の間に印加される電圧／電流を制御することによって制御することができる。可能ではあるが、流れを止める前に内部貯蔵槽２０６を完全に空にする必要はない。付加的に全体の汲み出し方向を逆向きにすることで、特有の流体または流体送達用途によって所望されるまたは必要とされる適用先１１４に送達される流体の混合作用を誘発させることができることも理解され得る。
【００３６】
図２Ｇに示される最終的なステップにおいて、出口弁１０８の２つの別個のチャンバ２１２と２１３の間に適切な電圧／電流が印加されることによってダイアフラム２０２ｃをその静止位置へと戻し、これにより流体がさらに適用先１１４へと流れるのを阻止する。内部貯蔵槽２０６からの所望される流体の投与量が、継続的に、断続的にまたはボーラス投与で送達された後、デバイスは、図２Ａに示されるようにそれが静止した状態である同じ位置にあるべきである。再びデバイスの３つのチャンバの各々が全ての他方から密閉され、外部貯蔵槽１１２と適用先１１４の間にはいかなる方向にも流体が流れることはできない。外部貯蔵槽１１２から適用先１１４に新たな流体の投与量を移動させるために、本明細書に記載される工程を繰り返すことができる。この工程は、特定の用途に関して所望される回数だけ繰り返すことができる。
【００３７】
次に図３Ａから図３Ｄを参照すると、連続的（またはほぼ連続的な）流体送達ポンプの直線的な「両側」の実施形態の構造および作動が記載される。この場合における両側とは、イオン選択性膜３１６の両側に、すなわち第１の側３０１と、第２の側３０２に流体送達接続が存在する事実を指している。イオン選択性膜３１６は、入口弁３２６、ポンプモジュール３２８および出口弁３３０の各々を分割している。第１のキャップ３３２と、第２のキャップ３３４が、第１の側３０１と、第２の側３０２にそれぞれ嵌合されている。キャップ３３２およびキャップ３３４は、入口と出口の間を流体が流れることを可能にする機械加工されたチャネルを特徴として備える。このような流体経路によって外部貯蔵槽３１２から可撓性の内部貯蔵槽へと、内部貯蔵槽から適用先３１４へと流体が流れることが可能になる。外部貯蔵槽３１２から適用先３１４への制御された薬剤の送達を可能にする一セットのステップの一例を、最初の静止した状態のポンプを示す図３Ａ、および外部貯蔵槽３１２から適用先３１４に流体を移動させるのに必要な一連のステップを示す図３Ｂ〜図３Ｄを参照して以下に詳細に記載する。このような両側でのポンプ配置の場合、各々のステップにおいて記載されるサブステップが、同時にまたは任意の順番で行われてよい。各々のステップにおいておよび／または常に、全ての弁および貯蔵槽は、任意の混合要件と併せて、特定の流体送達用途の要件によって一部をまたは完全に開閉することができる。
【００３８】
図３Ａに示される静止した状態にあるとき、種々の流体経路の全ては一部が開放している。あるいは第１の側３０１における流体経路が完全に開放され、第２の側３０２にある経路は完全に閉鎖される場合もあり、逆もまた同様である。
【００３９】
図３Ｂに示される第１のステップにおいて、入口弁３２６がまず作動されることで力１ａが第１の入口ダイアフラム３０３に及ぼされ、それを入口弁３２６内にそらす。これによりダイアフラム３０３に隣接する空間を外部貯蔵槽３１２からの流体によって満たす。入口弁３２６がこのように作動することで、第２の入口ダイアフラム３０４をそらせることになり、これにより底部入口ダイアフラム３０４に隣接する空間を密閉することで外部貯蔵槽３１２からこの空間に入るいずれの流体の流れも中断する。次に、ポンプモジュール３２８が作動されることで力１ｂが第１の貯蔵槽ダイアフラム３０５に及ぼされ、それをポンプモジュール３２８内にそらす。これによりダイアフラム３０５に隣接する空間が外部貯蔵槽３１２からの流体によって満たされるが、それはこの経路が、その空間と外部貯蔵槽３１２の間でこのとき開放しているためである。ポンプモジュール３２８がこのように作動することでまた、第２の貯蔵槽ダイアフラム３０６をそらせることになり、これによりダイアフラム３０６に隣接する空間に侵入するいずれの流体の流れも中断する。
【００４０】
図３ｃに示される次のステップにおいて、入口弁３２６がまず通電され力２ａを及ぼす。その結果、第１の入口ダイアフラム３０３が撓んで外部貯蔵槽３１２からの流体の流れを閉鎖する。加えてこれにより、外部貯蔵槽３１２から第２の入口ダイアフラム３０４に隣接する空間に流体が流れることができるように第２の入口ダイアフラム３０４の位置を変える。次に出口弁３３０が通電され力２ｂを及ぼし、これにより第１の出口ダイアフラム３０７を撓ませて、流体がそれを通過して第１のポンプダイアフラム３０５から適用先３１４に流れることが可能になり、第２の出口ダイアフラム３０８を撓ませて第２のポンプダイアフラム３０６に隣接する領域から適用先３１４への液体の流れを阻止する。ポンプモジュール３２８が通電され力２ｃを及ぼし、これにより第１のポンプダイアフラム３０５を撓ませて第１のポンプダイアフラム３０５に隣接する領域から第１の出力弁３０７に向けて液体を汲み出し、第１の入口ダイアフラム３０３に隣接する領域からの液体の流れを阻止し、第２のポンプダイアフラム３０６を撓ませて第２の入口ダイアフラム３０４に隣接する領域から第２の出口ダイアフラム３０８に隣接する領域への流体の流れを開放する。
【００４１】
図３Ｄに示される次のステップにおいて、図３Ｃからの力の各々の方向が逆向きにされる。かかるに出口弁３３０が最初に通電され力３ａを及ぼす。その結果、第１の出口ダイアフラム３０７を撓ませて第１のポンプダイアフラム３０５に隣接する領域から適用先３１４への流体の流れを閉鎖する。加えてこれにより、流体が第２のポンプダイアフラム３０６に隣接する領域から第２の出口ダイアフラム３０８に隣接する空間に流れ込み、適用先３１４へと流れることができるように、第２の出口ダイアフラム３０８の位置を変える。次に入口弁３２６が通電され力３ｂを及ぼし、これにより第１の入口ダイアフラム３０３を撓ませて、流体がそれを通過して外部貯蔵槽３１２から第１のポンプダイアフラム３０５に隣接する領域へと流れることが可能になり、第２の入口ダイアフラム３０４を撓ませることで外部貯蔵槽３１２から第２のポンプダイアフラム３０６に隣接する領域への液体の流れを阻止する。その後ポンプモジュール３２８が通電され力３ｃを及ぼし、これにより第１のポンプダイアフラム３０５を撓ませて第１の入口ダイアフラム３０３に隣接する領域からの流体の進入を可能にし、第２のポンプダイアフラム３０６を撓ませて第２の入口ダイアフラム３０４に隣接する領域から第２の出口ダイアフラム３０８に隣接する領域への流体の流れを阻止する。
【００４２】
図３Ｃおよび図３Ｄに例示されるステップを繰り返すことで、外部貯蔵槽３１２から適用先３１４への連続する流体の流れを実現させることができ、この流れはデバイスの頂部３０１に沿った経路と、底部３０２に沿った経路を交互に採ることが分かる。加えられる力ならびに各々のステップおよびサブステップが維持される時間の長さを操作することによって、流体送達量を用途の要件によってカスタマイズことができることが分かる。
【００４３】
図４は、流体の流れを動かすために電気化学的作動を利用するほぼ連続する流体送達からの実験結果を示す。この実験用の装置は、図３Ａから図３Ｄに記載されるような両側ポンプをシミュレートするように配置された２つの片面の自動弁調節ポンプを使用した。投与１および投与３は、側部３０１内部貯蔵槽から送達され、投与２は、側部３０２内部貯蔵槽から送達される（両方とも企図される両側の実施形態における外部貯蔵槽３１２に相当する）。投与の間の合間に生成されるノイズは、側部３０１および側部３０２入口および出口弁の前後の切り換えの結果であると考えられ、これは設計および作動を最適化することによって大幅に抑えることができる。詳細には、本発明者等は、図４において生成されるノイズは、両側ポンプをシミュレートするための片側ポンプの改造変形形態の結果であり、このようなノイズは、両側ポンプの実施形態においては大幅になくなると考えている。
【００４４】
本明細書に記載される流体送達デバイスの好ましい実施形態は、このような用途に使用される従来のポンプ／弁構成に対していくつかの利点を提供する。基本的な設計制約が、例えばインシュリン送達に使用される装着型ポンプなど特定の用途の要求を満たすために機械的ポンプを小型化することができる範囲を制限する。明確な対照において、本明細書に記載される方向別の流れデバイスは、形状依存性であり、ｐＬ／分からμＬ／分の流量範囲で特有の流量を送達するのに極めて少ない電力（典型的にはｍＷほどの）しか必要としない。より具体的には、デバイスは、およそ１ｐＬ／分からおよそ５００μＬ／分の範囲の流量に対して、かつ＋／−２Ｖを下回る電圧で作動するように作動可能である。流れの精度は±５％であり、１００ｎＬほどの少量の分配量がこの技術を使用して送達される。およそ３００ｐｓｉまでのポンプ圧を達成することができる。好ましい実施形態によるデバイスはまた、連続する流れが望まれる際、他のポンプでは通常は不可能である真に脈動のない流れを提供する。しかしながら流体の単一回投与のボーラス送達の場合のように、電気化学的作動を利用して脈動する流れも可能である。本デバイスの電気化学的流体作用によって、それが流体チャネルを開閉することが可能になり、弁として作用するのと同様に流体の流れを提供し、その結果、作動するのに機械的弁や他の外部の弁機能は全く必要とされない。
【００４５】
好ましい実施形態によるデバイスの利点には、装着型、パッチ式またはある意味インプラント可能なデバイスを介して送達することができる種々の薬剤の拡張が含まれており、これは新たな挿入物を挿入するよりはるかに痛みの少ない一回の外来において、または患者が管理する処置において補充可能である。長期間安定した状態の薬剤レベルは、臨床的な成果の改善、患者の服用遵守および快適さの改善、ならびに医師を訪問する回数の減少につながり、これによりデバイスの利用に関連するコストを削減することができる。
【００４６】
好ましい一実施形態において、デバイスは、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）プラスチックなどの非反応性材料から形成され、標準的な留め具を使用して組み立てられる。代替の実施形態における他の材料が使用される場合もあり、例えばＰＥＥＫの他にポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、アクリルポリマー、ポリエテルイミド、ポリアミド、ポリイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリアセタールを含むホモポリマーまたはコポリマー、あるいはそれらの混合物を含めた多様なプラスチック材料などである。デバイスは、例えば機械加工される、または射出成型された部品で形成されてよい。デバイスはまた、代替の実施形態では、ある材料のコーティングを異なる材料の上に有する、例えば鋼を覆うテフロンコーティングを有する１つまたは複数の部品で形成される場合もある。好ましい一実施形態では、デバイスの２μＬの目標とする１回の工程体積は、３つのチャンバのそれぞれの中に６０μＬのポンプ流体しか必要とせず、デバイスの全体のサイズを１８０μＬまで、すなわち０．１８０ｃｍ３までに制限する。２μＬ／分の低い最大流量は、およそ０．１ｃｍ２である任意の２つのチャンバの間のイオン選択性膜の露出した領域を必要とする。
【００４７】
好ましい一実施形態によって様々な汲み出しプロトコルをこのデバイスと共に利用することができる。これらには、一日に２、３回のわずかな投与量の提供、所望される間隔でより多量のボーラス投与量の分配、連続送達、あるいはプログラム可能な（段階的な勾配する流量）送達が含まれる。これらは各々の用途に合うように適合させることができる。電圧プロトコルは、投与量送達の精度をカスタマイズするために最適化されてよい。
【００４８】
制御システム（図面には示されない）は、当業者によって容易に理解されるように、デバイスのスタンドアローン制御に必要な全てのハードウェアおよびファームウェアと共に電池で構成されてよい。この制御装置は、コンピュータに接続されてよい、コンピュータは、特有の汲み出し指示を制御装置のファームウェアにアップロードする。その後制御装置がコンピュータから取り外され、デバイスに装着され、デバイスはその後分配プロトコルを開始する。あるいは制御装置は、固定式の制御装置または使用可能な無線通信デバイス、例えばスマートフォンから無線で作動させることもできる。制御システムは好ましくは、実現可能であるように小型で軽量になるよう設計され、その一方でさらにデバイスを駆動するのに必要な電圧の制御と電流を提供する。制御装置は好ましくはまた、電池の寿命を延ばすための電力要件を最小限にするように設計される。誘導性の充電システムが代替として使用される場合もある。想定される最終的な商業デバイスにおいて、このような制御装置は最終的に、確実な作動または植込みのためにデバイスの本体内に気密式に密閉されてよい。
【００４９】
インシュリン送達の特定の用途では、本明細書に記載される好ましい実施形態は、この目的のための既存のデバイスに対して多くの利点を提供することが恐らく分かる。表１は、本デバイスと、特定の商業的に利用可能なインシュリン送達デバイスとの差を概略しており、また本デバイスがこのような既存の商業的なデバイスに対して提供する利点も記載する。
【００５０】
【表１】
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【００５１】
電気化学アクチュエータの使い捨ての可能性を可能にするためにはいくつかの方法があり、これには一体成型されたアクチュエータ本体、より安価な（白金と比較して）電極の利用および自動動力式の電池のない作動が含まれる。これらの属性の各々の一例の好ましい実施形態がここに提供される。
【００５２】
図５は、本発明の好ましい一実施形態による一体成型された電気化学アクチュエータの本体の図面である。半透過性の膜５１０が、２つのポンプ本体部品５０６の間に挟まれ、漏れのない嵌合がガスケット５０８によって保証される。ダイアフラム５０４がポンプ本体部品５０６の各々の外側に適合され、ポンプキャップ５０２が各々のダイアフラム５０４を覆うように所定の場所に嵌合される。これらの部品は例えば、オーバーモールディング、インレイモールディング、超音波溶接、スナップ嵌合およびねじ込み嵌合によって容易に組み立てることができ、これらはハイスループットで、コストの低い一体成型および組立に適用可能な方法である。
【００５３】
従来、電気化学的作動は、例えば白金などの最上位の電極材料を使用して行われてきた。しかしながら本発明者等は、より低いコストの材料、例えばチタンやパラジウムを好ましい実施形態による電気化学アクチュエータにおける電極として使用することができることを発見した。図６は、アクチュエータ本体においてチタン電極を使用して０．１Ｍ塩化カリウムを含む２０ｍＭフェロシアニドおよびフェリシアニドで生成された電気化学電流を示す。電気化学電流は、アクチュエータ内で流体の流れを動かすイオンの流速を生成する。電極の全体のコストを抑えるための別の方法として、チタンが、より高価な金属、例えば白金でコーティングされる場合もある。
【００５４】
電気化学的作動は、セルの片方における陰極と、セルの他方における陽極との間に電気接続が形成されると、アクチュエータ本体の２つの片割れの間に電位差が形成される、ガルバニック化学反応によって行うことができる。アクチュエータ本体の２つの片割れを隔てる膜を横断するようにイオン流速が形成され、このイオン流速は、陽極またはその対応する電解質を使い果たすまで継続する。よってこの反応は、一方向のみであり、不可逆性である。イオン流速は、アクチュエータ内で流体の流れを動かす。
【００５５】
図７Ａおよび図７Ｂは、ガルバニック電気化学アクチュエータの一実施形態を示す。この実施形態では、白金が陰極７０４として使用され、鉄が陽極７０２として使用される。作動より前にはセル７００の２つの片方部分における化学反応は、平衡状態にあり、流体の流れは形成されない。陽極７０２（Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｌまたは他の金属）と、陰極７０４（Ｐｔ、Ｔｉまたは他の金属）が電気的に接続されると、アクチュエータの２つの片方部分の間の不均等な電位差によって、膜７０６を横切るＬｉ＋（または他の）陽イオンの流速が誘発される。このイオンの流速は、鉄の陽極７０２が十分に酸化されるまたはイオンが枯渇するまで継続する。イオン流速は、可撓性のダイアフラム７０８を膨張させ、図７Ｂに示されるようにアクチュエータの右側からの流体の流れを形成する。図８（上部）は、自動動力式の電気化学アクチュエータによって生成される電流、および結果として生じる流体の流量を示す。上部ラインおよび左側のｙ軸は流体の流量であり、下部ラインおよび右側のｙ軸は対応する電流である。図８Ｂは、経時的に送達される流体の体積の線形の増加を示しており、これはガルバニック電気化学アクチュエータを使用する極めて安定した流体送達を示している。図８Ａに示される流量、および流れの生成の時間は共に、反応の間酸化される陽極（この場合は鉄）のサイズを指定することによって、またはアクチュエータ本体のそのセル内で低下する種（この場合はヨウ素からヨウ化物）の濃度を特定することによって特定の用途に対してカスタマイズすることができる。
【００５６】
電気化学アクチュエータによって汲み出される流体を使用して、図９に示されるように電磁弁を係合させたり切り離したりすることができる。差し込み部Ａに示されるように、流体の流れを使用して弾性ダイアフラム９０２を磁石９００から離すように膨張させ、この磁石がその後、円筒形の金属弁９０４を流体の経路に押し込んで流れを阻止する。アクチュエータを使用することで、流体の流れをその後逆向きにさせることで弾性ダイアフラム９０２および金属弁９０４から圧力が取り去られる。弁９０４より上にある磁石９００がその後、金属弁９０４を流体経路から出るように上に引っ張り流れを可能にする。電磁弁の作動のこの実施形態を例示するのに図９の差し込み部Ｂの設定が使用された。図１０に示されるように、アクチュエータを使用して電磁弁９０４が閉鎖される際、流れはアップチャーチ流れセンサ９１０のみを通り、センシリオン流れセンサ９０８において流れは感知されない。電磁弁９０４が開放される際（１３分のところで）、流体の流れは両方のセンサを通るように進む。
【００５７】
電気化学アクチュエータをマイクロ流体の流れ制御に使用することができる別の機構は、弾性ダイアフラムが、弾性ダイアフラムがマイクロ流体網内にある状態でアクチュエータに対して直接接触することを包含する。アクチュエータ内の流体の流れは容易におよび繰り返し逆向きにすることができるため、同じ機能を果たすためにアクチュエータを何回も使用することができる。この実施形態では、流れは一方向に進んでデバイスを作動し、その後（電圧／電流）が逆向きにされ、結果として生じる流れが逆向きになりデバイスをリセットする。アクチュエータにある弾性ダイアフラムは、分配／吸引機能のために貯蔵槽にある別の弾性ダイアフラムと接触する、あるいはピンチ弁／ポンプ用途のためにチャネル自体と接触する場合もある。
【００５８】
図１１は、貯蔵槽から流体を分配する、または貯蔵槽内に流体を吸い込むのにどのように電気化学アクチュエータを利用することができるかを示している。デバイスが作動するためには、エラストマー製のダイアフラム１１０２が、マイクロ流体チップ１１０８上にあるエラストマー製の貯蔵槽カバー１１０４と接触する必要がある。貯蔵槽が最初一杯である場合、アクチュエータ内での電気化学的作動が、ダイアフラム１１０２を貯蔵槽カバー１１０４に当たるように外向きに押し、この貯蔵槽カバーはその後、貯蔵槽からマイクロ流体チャネル１１０６に流体を押し込む。図１２は、この方法の作動を利用して貯蔵槽からの実験的な電気化学的作動の流体制御を示す。流れは、ダイアフラムを使用して指定された流量でダイアフラムの作動に対して制御することができる。貯蔵槽が最初空である場合、電気化学的作動が、ダイアフラムを貯蔵槽から離れるように引っ張り、流体が貯蔵槽に侵入することを可能にすることができる。２つの可撓性の膜の間に真空状態が形成された場合、あるいはエラストマー製の貯蔵槽カバーが撓んでいない状態に戻るように設計される場合、流体は能動的に貯蔵槽内に引き込まれることになる。
【００５９】
この同一の概念を利用して、マイクロ流体網における正確な流れ制御（脈動する場合と、脈動しない場合の両方）を計画することができる。流体経路に沿った一列のダイアフラムアクチュエータを使用して経路の一部を開放して流体が中に入ることを可能にすることができる。経路の次の部分を開放させることができ（部分的にまたは完全に）その一方で第１の部分は閉鎖される（部分的にまたは完全に）。このようにして、流体は、事前にプログラムされた経路に沿って蠕動するように移動することができる。事前にプログラムされた経路は、流れ制御に関する任意の数の規格に適合するように多方向性であり分岐する場合がある。図１３Ａから図１３Ｅを通して、経路がピンチポンプ／弁として電気化学的に作動される多数の実施形態のうちのほんのいくつかを例示する。図１３Ａにおける各々のＸは、外部アクチュエータの場所であり、可撓性のダイアフラムが、チャネルの可撓性の部分と接触する（または実質的にそれを構成する）。ピンチ弁／ポンプが開放される場合、流体の流れが可能になる。ピンチ弁／ポンプが閉鎖される場合、流体の流れは阻止される。図１３Ｂは、２つの経路からの流れがどのようにして１つの経路に継続的に合流することができるかを示している。図１３Ｃは、２つの経路からの流体がどのようにして１つの経路に断続的に合体することができるかを示している。図１３Ｄは、２つの流体の混合作用を誘発するためにどのようにして流れの方向を断続的に逆向きにすることができるかを示している。図１３Ｅｅは、流体を「Ｓ字」の屈曲部を通るように搬送することによってどのように混合作用を誘発させることができるかを示している。これは、この実施形態によって実施することができる作用の包括的なリストであることは意図されず、むしろこのようなデバイスにおいて行うことができる作用の範囲の概念を提示することが意図されている。
【００６０】
電気化学的作動を利用して、流体の体積測定の流量を増加させる、または流体が送達される圧力を増大させるかのいずれかに使用されるピストンを駆動することができる。図１４において、電気化学アクチュエータ１４００のダイアフラムは、ピストン１４０２の小さな端部と直接または流体式に接触している。同一のピストンの他端は、より大きな表面積１４０４を有し、これに対応してより大きな貯蔵槽１４０６の弾性膜と接触している。その後電気化学的作動を利用して、ピストンを前方に押しやり、貯蔵槽１４０６から単位時間あたり比例的により多量の流体を押し出し、その結果、所与の時間間隔における体積測定の流量がより大きくなる、または分配体積がより大きくなる（図１５を参照）。
【００６１】
図１６では、電気化学アクチュエータ１６００のダイアフラムは、ピストン１６０２の大きい方の端部と直接または流体接触している。同じピストンの小さい方の端部１６０４は、対応してより小型の貯蔵槽１６０６の弾性膜と接触している。電気化学的作動をその後利用して、ピストンを前方に押しやり、貯蔵槽１６０６から比例的により少量の流体を押し出す。このような設定において、流体が汲み出される圧力は、流体の体積の低下に比例して増加し、このデバイスは圧力増幅装置である。
【００６２】
アクチュエータ、ピストンおよび貯蔵槽の膜をそれぞれの元の位置に戻すために、電流／電圧を反対方向に供給することによって電気化学的作動が反対の方向に作動される。アクチュエータはその後、新たな増幅往復動作を行うための準備をする。図３において先に示したように、電気化学弁と協調する両側の電気化学アクチュエータを利用して、１つまたは２つのピストンを駆動させる場合もある。このデバイスの連携した作動を利用して増幅された体積または圧力で連続的にまたはほぼ連続的に流体を送達することができる。
【００６３】
ピストンの表面積を変える他に、ピストンのいずれかの側における流体の相対的な粘度を調節することで流れおよび作動をカスタマイズすることができる。例えば、より粘度の高い流体がポンプ内で作用流体として使用される場合、ピストンの周りからの漏出や蒸発が抑えられることになる。
【００６４】
図１７は、先に提示された多くの電気化学アクチュエータを利用する使い捨てサンドイッチＥＬＩＳＡマイクロ流体チップの一実施形態である。この図面に示されるチップ全体は、１回使用された後に廃棄することができる。これにより、試料間の相互汚染の可能性がなくなる。このチップのサイズが小さく、安価な材料を利用することにより、使い捨ての可能性を現実的かつ利用可能なものする。この例において、６つの試薬貯蔵槽１７００の列によって、洗浄液、二次抗体溶液、リポート分子溶液、正の制御、負の制御および試料溶液のオンチップ貯蔵が可能になる。各々の貯蔵槽の片側は、ダイアフラムとダイアフラムの接触によって対応する電気化学アクチュエータの列と接触するようになる可撓性の膜であり得る。必要に応じて、電気化学ピンチ弁１７０４が、チャネルを開放するように作動され、所望されるプロトコルに応じて流体を各々の貯蔵槽から個別に押し出すことを可能にすることができる。サンドイッチＥＬＩＳＡは、アッセイモジュール１７０２内に構築され、全ての使用済みの試薬は、制御された電気化学的作動を介して廃棄貯蔵槽へと押し出す、または吸い込むことができる。アッセイモジュールの出口においてピンチ弁１７０４を利用することで、リポーター分子を有する溶液のみが検出器を通り越すことで廃棄試薬との事前汚染の可能性をなくすことができる。この例は、この技術の適用範囲をＥＬＩＳＡのみに限定することは意図せず、むしろ１つの特定の好ましい実施形態における電気化学的作動によって可能になる精密なオンチップの流れ制御を例示することを意図している。
【００６５】
特定のパラメータに対してこれらの特定の実施形態の記載において特定の範囲が提供されている。一定の範囲の値が提供される際、その上限と下限の間に入る値の各々が、その範囲を制限し、その提示される範囲内の任意の他の提示されたまたは間に入る値は、提示される範囲内の任意の具体的に排除された限界値を条件として本発明に含まれる。提示される値の範囲が一方または両方の限界値を含む場合、これらの限界値の一方または両方を排除する範囲もまた、本発明の範囲に含まれる。
【００６６】
そうでないことが述べられていなければ、本明細書で使用される全ての技術的または科学的用語は、本発明が属する当業者によって共通して理解されるものと同じ意味を有する。本明細書に記載されるものと同様のまたは等価ないずれの方法および材料もまた、本発明の実施または実験において使用することができ、限定された数の例示の方法および材料が本明細書に記載されている。本明細書の進歩的な概念から逸脱することなく、より多くの修正形態が可能であることは当業者に明らかである。本明細書で使用される全ての用語は、その文脈と一致する最も広い可能な様式において解釈されるべきである。詳細には、用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、排他的ではないやり方で要素、構成要素またはステップを指すものとして解釈されるべきであり、参照される要素、構成要素またはステップが提示される、または利用される、またははっきりと参照されない他の要素、構成要素またはステップと組み合わされる可能性があることを示している。本明細書で使用されるように「から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」は、クレームの要素において特定されないいずれの要素、ステップまたは原材料も排除する。本明細書で使用されるように「を主成分とする（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」は、クレームの根源的な新規の特徴に著しく影響を及ぼさない材料またはステップを排除しない。マルクーシュ群または他のグループ分けが本明細書で使用される場合、その群全ての個々の部材ならびにその群の全ての組み合わせおよび可能な副次的な組み合わせは、本開示に個別に含まれるように意図されている。本明細書で引用される全ての参考文献はこれにより、本明細書の開示と矛盾しない範囲まで参照により組み込まれている。
【００６７】
本発明は、例示であることのみが意図されており、添付のクレームにおいて記載される本発明の完全な範囲を制限することのない特定の好ましい実施形態および代替の実施形態を参照して記載されている。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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