ГАЗОЖИДКОСТНЫЙ СТРУЙНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ОБЪЕКТОВ, СРЕДСТВО ДЛЯ ЛОКАЛЬНОЙ АБЛЯЦИИ И СРЕДСТВО ДЛЯ ЛОКАЛЬНОЙ ИНЪЕКЦИИ
GAS-LIQUID JET DEVICE FOR PROCESSING OBJECTS, MEANS FOR LOCAL ABLATION AND MEANS FOR LOCAL INJECTION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к пузырьково-струйному элементу, газожидкостному струйному элементу, устройству для локальной абляции и устройству для локальной инъекции и, в частности, относится: 1) к пузырьково-струйному элементу, в котором конец традиционного пузырьково-струйного элемента обработан так, чтобы он был утолщенным, при этом выпускное отверстие пузырьково-струйного элемента выполнено меньшего размера, и маловероятно, что упомянутый конец будет поврежден, даже если к нему будет приложено высокое электрическое напряжение; 2) к газожидкостному струйному элементу, в котором образована внешняя оболочка (образующая оболочку), которая выполнена с возможностью перемещения относительно пузырьково-струйного элемента, при этом положение пузырьково-струйного элемента при обработке целевого объекта (мишени) можно легко регулировать; 3) к устройству для локальной абляции, которое содержит пузырьково-струйный элемент или газожидкостный струйный элемент, и 4) к устройству для локальной инъекции, которое содержит газожидкостный струйный элемент.
Уровень техники
Развитие биотехнологии, наблюдаемое в последние годы, сопровождается повышением требования к локальной обработке клеток и тому подобного и включает создание отверстия в клеточной мембране или клеточной стенке и удаление из клетки ядра или введение в клетку ДНК или другого вещества, содержащего нуклеиновую кислоту. Широко известны способы, использующие ряд методов локальной обработки (иногда называемые «методами локальной абляции»), такие как методы контактной обработки, использующие зонд, в частности, электронож или тому подобное, или метод бесконтактной абляции, использующий лазеры или тому подобные средства.
Однако в известных методах контактной обработки, использующих зонд, в частности электронож, существует тенденция к выжиганию обрабатываемого объекта (мишени) благодаря выделению Джоулевого тепла под воздействием непрерывных высоких частот, что приводит к значительной неровности рассеченной поверхности и окружающих тканей, которые вследствие нагревания в значительной степени подвержены воздействию термической инвазии, и повреждение рассеченной поверхности за счет нагрева заметно, в особенности, при обработке биоматериалов в жидкой фазе (Проблема 1). Восстановление и регенерация затруднены вследствие денатурации протеинов и/или фрагментации с разрывом амидных связей (Проблема 2); и при непрерывной обработке адсорбция на поверхности зонда денатурированных нагреванием протеинов и/или адсорбция пузырьков, генерируемых за счет подвода теплоты, заметно ухудшают наблюдаемое состояния рассеченной поверхности, что затрудняет обработку объекта с высокой разрешающей способностью (Проблема 3).
В методе бесконтактной обработки, использующем лазеры, например, фемтосекундные лазеры и тому подобные с таким же успехом, имеет место воздействие нагревания на мягкие ткани, окружающие рассеченную поверхность, за счет локального облучения энергией с высокой плотностью, и, в частности, в процессе обработки объекта, находящегося в жидкой фазе, генерирование пузырьков и тому подобное, за счет теплоты, которая выделяется во время обработки, что делает непрерывную обработку затруднительной.
В то же время известные методы электропорации и сонопорации, использующие ультразвук, а также методы генной пушки и тому подобные широко используются в качестве методов локальной механической инъекции (способов инъекции) для доставки веществ, содержащих нуклеиновую кислоту, или тому подобных в клетки или подобные объекты обработки. Однако в традиционном методе электропорации, в зависимости от напряженности электрического поля, существуют ограничения по улучшению проницаемости клеточной мембраны, что затрудняет инъекцию в объекты, имеющие жесткие клеточные мембраны или стенки, в отличие от мембран, имеющих мягкие липидные бислои, и вследствие ограничений, связанных с перемещением электрода и тому подобному, локальная инъекция в заданный участок была затруднительной. В методе сонопорации, использующем ультразвук, трудно сфокусировать ультразвук, что препятствует возникновению локальной кавитации пузырьков и увеличению разрешающей способности. В способах инъекции, которые основаны на методе генной пушки, помимо прочего, возникала проблема низкой эффективности внедрения вследствие отделения вещества, осажденного на поверхности частицы, при выстреле этой частицей в мишень.
В целях решения вышеупомянутых проблем авторы настоящего изобретения обнаружили, что рассечение (локальная абляция) обрабатываемого объекта может быть осуществлено посредством использования пузырьково-струйного элемента, содержащего сердцевину (центрального стержня), изготовленную из проводящего материала, оболочку, которая выполнена из изоляционного (непроводящего) материала, охватывает сердцевину и содержит вытянутый участок, проходящий от конца сердцевины, и полость, образованную между вытянутым участком оболочки и концом сердцевины; погружения пузырьково-струйного элемента в раствор; приложения высокочастотного напряжения к раствору с образованием пузырьков; и непрерывного выброса пузырьков на обрабатываемый объект.
Кроме того, было обнаружено, что пузырьки, в которых на поверхностях раздела фаз адсорбируется раствор растворенного и/или распределенного вещества для инъекции, могут быть образованы за счет размещения внешней оболочки снаружи оболочки пузырьково-струйного элемента так, чтобы между указанными оболочками оставался кольцевой зазор, и введения раствора растворенного и/или распределенного вещества, подлежащего инъекции, в указанный кольцевой зазор; при этом обрабатываемый объект может быть рассечен и может быть произведена инъекция вещества, содержащегося в растворе вокруг пузырьков, в обрабатываемый объект посредством непрерывной инжекции пузырьков в указанный обрабатываемый объект. В результате проведенных работ была подана заявка на патент (патент Японии №5526345 [D1]).
Сущность изобретения
Проблемы, решаемые настоящим изобретением
При осуществлении локальной абляции с использованием пузырьково-струйного элемента, описанного в патентном документе D1, локальная абляция может быть реализована, если мишенью для обработки являются клетки или иной мягкий материал. В то же время при осуществлении локальной абляции в сравнительно твердом обрабатываемом объекте может быть к пузырьково-струйному элементу необходимо приложить высокое напряжение для повышения скорости выбрасываемых пузырьков и увеличения энергии соударений. Однако при этом возникла новая проблема, которая заключается в том, что в случае приложения к пузырьково-струйному элементу, описанному в D1, высокого напряжения концевой участок пузырьково-струйного элемента будет поврежден.
Кроме того, при осуществлении локальной абляции на обрабатываемом объекте необходимо регулировать взаимное положение пузырьково-струйного элемента относительно обрабатываемого объекта, наблюдая в то же время выпускное отверстие пузырьково-струйного элемента под микроскопом. Однако возникла новая проблема, которая заключается в том, что поскольку пузырьково-струйный элемент изготовлен из стекла путем его разделения при растягивании и т.д., выпускное отверстие пузырьково-струйного элемента получается с заостренным концом, и обрабатываемый объект при проведении локальной абляции будет подвержен негативному воздействию заостренного конца.
Кроме того, при использовании газожидкостного струйного элемента, описанного в документе D1, из-за того, что внешняя оболочка насажена на внешнюю поверхность установочной кольцевой прокладки, расстояние между выпускным отверстием пузырьково-струйного элемента и концом внешней оболочки изменить невозможно. В связи с этим возникла новая проблема вследствие того, что пузырьки, в которых на поверхностях раздела фаз (называемых далее поверхность раздела «газ/жидкость») адсорбируется раствор, содержащий вещество для инъекции, при достижении обрабатываемого объекта теряют энергию, и указанная поверхность раздела «газ/жидкость» может быть отброшена обрабатываемым объектом в обратном направлении, в зависимости от конкретного обрабатываемого объекта. Следовательно, несмотря на необходимость увеличения величины напряжения, приложенного к пузырьково-струйному элементу, для увеличения энергии соударений на границе «газ/жидкость», возникла новая проблема из-за того, что при высокой величине приложенного напряжения концевой участок пузырьково-струйного элемента подвержен повреждению, как это отмечено выше.
Настоящее изобретение было создано для решения указанных выше проблем, и после проведения всесторонних тщательных исследований было обнаружено, что: (1) за счет увеличения толщины конца вытянутого участка, образованного путем растягивания и разделения изоляционного материала, концевая часть вытянутого участка не повреждается даже в случае приложения к пузырьково-струйному элементу высокого напряжения; (2) поскольку концевая часть становится утолщенной, менее вероятно, что обрабатываемая мишень будет проколота и повреждена; (3) поскольку диаметр выпускного отверстия пузырьково-струйного элемента имеет меньшую величину, если эту концевую часть обрабатывают до получения большей толщины, мишень может быть обработана более точно без повреждения концевой части; (4) изготовление газожидкостного струйного элемента таким образом, что пузырьково-струйный элемент и внешняя оболочка способны к взаимному относительному перемещению, облегчает регулировку по положениям пузырьково-струйного элемента и обрабатываемой мишени при осуществлении локальной абляции или локальной инъекции; и (5) создание усилия давления, оказываемого внешней оболочкой на обрабатываемую мишень, может предотвратить утечку раствора, содержащего вещество для инъекции, из внешней оболочки, и позволяет в таком состоянии регулировать относительное расположение пузырьково-струйного элемента и обрабатываемого объекта.
Таким образом, устройство для локальной абляции и устройство для локальной инъекции, содержащие газожидкостный струйный элемент, соответствующий настоящему изобретению, могут быть использованы в атмосферном воздухе и применительно, например, к безыгольному инъектору.
Средства для решения проблем
Настоящее изобретение относится к пузырьково-струйному элементу, газожидкостному струйному элементу, устройству для локальной абляции и устройству для локальной инъекции, представленным ниже.
(1) Пузырьково-струйный элемент, содержащий:
сердцевину, выполненную из проводящего материала;
оболочку, выполненную из изоляционного материала, содержащую вытянутый участок, который выходит за пределы конца сердцевины, плотно прилегает к сердцевине и охватывает сердцевину снаружи; и
внутреннюю полость, образованную между вытянутым участком и концом сердцевины и имеющую выпускное отверстие для выброса пузырьков;
при этом на конце вытянутого участка образован утолщенный участок, который имеет большую толщину, чем остальная часть вытянутого участка.
(2) Газожидкостный струйный элемент, содержащий:
пузырьково-струйный элемент в соответствии с (1); и
внешнюю оболочку, которая образована с внешней стороны оболочки пузырьково-струйного элемента и размещена на некотором расстоянии от этой оболочки так, что между указанными оболочками остается кольцевой зазор.
(3) Газожидкостный струйный элемент в соответствии с (2), в котором внешняя оболочка и пузырьково-струйный элемент выполнены с возможностью перемещения относительно друг друга.
(4) Газожидкостный струйный элемент в соответствии с (3), в котором конец внешней оболочки присоединен к пузырьково-струйному элементу с помощью элемента, способного к удлинению и сокращению.
(5) Газожидкостный струйный элемент в соответствии с любым из пунктов (2)-(4), в котором на внешней оболочки образован участок сужения, при этом указанный участок сужения служит в качестве направляющей при относительном перемещении внешней оболочки и пузырьково-струйного элемента.
(6) Газожидкостный струйный элемент в соответствии с любым из пунктов (2)-(5), дополнительно содержащий противоэлектрод, который вместе с сердцевиной газожидкостного струйного элемента образует пару электродов.
(7) Газожидкостный струйный элемент в соответствии с любым из пунктов (2) - (6), в котором концевой участок внешней оболочки имеет большую толщину, чем остальная внешняя оболочка.
(8) Устройство для локальной абляции, содержащее пузырьково-струйный элемент по пункту 1 или газожидкостный струйный элемент по любому из пунктов (2) – (7).
(9) Устройство для локальной инъекции, содержащее пузырьково-струйный элемент по пункту 1 или газожидкостный струйный элемент по любому из пунктов (2) – (7).
Положительные эффекты изобретения
Поскольку концевая часть пузырьково-струйного элемента согласно настоящему изобретению имеет увеличенную толщину, менее вероятно, что эта концевая часть устройства для локальной абляции, использующего пузырьково-струйный элемент или газожидкостный струйный элемент, соответствующий настоящему изобретению, будет повреждена даже в случае приложения к ней высокого напряжения. Соответственно, энергия столкновений выбрасываемых пузырьков может быть увеличена, и локальная абляция может быть соответственно осуществлена даже в случае обрабатываемых объектов, имеющих большую твердость. Кроме того, поскольку при обработке концевой части с увеличенной толщиной выпускное отверстие пузырьково-струйного элемента может быть выполнено меньшего размера, обрабатываемый объект может быть обработан более точно. Помимо этого, поскольку образованный при разрыве конец пузырьково-струйного элемента может быть выполнен гладким, менее вероятно, что обрабатываемый объект при осуществлении локальной инъекции будет подвержен негативному воздействию.
Газожидкостный струйный элемент в соответствии с настоящим изобретением выполнен так, что пузырьково-струйный элемент и внешняя оболочка способны перемещаться друг относительно друга. Соответственно, может быть легко осуществлено регулирование положения пузырьково-струйного элемента относительно обрабатываемого объекта при проведении локальной абляции или локальной инъекции с помощью устройства для локальной абляции или устройства для локальной инъекции, в которых используется газожидкостный струйный элемент согласно настоящему изобретению. Помимо этого, прижатие внешней оболочки к обрабатываемому объекту в процессе регулирования их относительного расположения может предотвратить утечки проводящего раствора или раствора, содержащего вещество для инъекции, и позволяет в таком состоянии регулировать взаимное положение пузырьково-струйного элемента и обрабатываемого объекта.
Таким образом, устройство для локальной абляции и устройство для локальной инъекции, содержащие газожидкостный струйный элемент, соответствующий настоящему изобретению, могут быть использованы в атмосферном воздухе и могут быть применены, например, в безыгольном инъекторе.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - иллюстрация одного примера способа изготовления пузырьково-струйного элемента 1 в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 2 – один пример способа изготовления воплощения газожидкостного струйного элемента 10 в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 3 – другая процедура изготовления внешней оболочки 13.
Фиг. 4 - схема устройства 20 для локальной абляции в целом.
Фиг. 5 – один пример воплощения устройства для локальной инъекции в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 6 – фотографические снимки, используемые вместо чертежа. Фиг. 6(1) – фотография концевого участка пузырьково-струйного элемента 1, изготовленного в примере 1. Фиг. 6(2) - фотография концевого участка пузырьково-струйного элемента 1, изготовленного в сравнительном примере 1.
Фиг. 7 - фотография, используемая вместо чертежа, которая является фотографией общего вида устройства для локальной инъекции, изготовленного в примере 2, а также фотографией в увеличении концевого участка и участка газожидкостного струйного элемента 10, способного к удлинению/сокращению.
Фиг. 8 - фотографические снимки, используемые вместо чертежа. Фиг. 8(1) – фотография перед прижатием конца устройства для локальной инъекции, изготовленного в примере 2, к обрабатываемому объекту. Фиг. 8(2) – фотография после прижатия конца к объекту обработки.
Фиг. 9 – фотографический снимок, используемый вместо чертежа, который является фотографией общего вида устройства для локальной инъекции, изготовленного в примере 3, а также фотографиями, показывающими в увеличении концевой участок и участок удлинения/сокращения газожидкостного струйного элемента 10.
Фиг. 10 – фотографические снимки, используемые вместо чертежа. Фиг. 10(1) – фотография концевого участка пузырьково-струйного элемента 1 перед подводом электрической энергии в примере 4. Фиг. 10(2) – фотография указанного концевого участка непосредственно после его повреждения вследствие подвода электрической энергии. Фиг. 10(3) - фотография концевого участка пузырьково-струйного элемента 1 перед подводом электрической энергии в сравнительном примере 3. Фиг. 10(4) – фотография указанного концевого участка непосредственно после повреждения вследствие подвода электрической энергии.
Фиг. 11 – фотографические снимки, используемые вместо чертежа. Фиг. 11 (1) – фотография, сделанная непосредственно после струйного выброса пузырьков в неоплодотворенную яйцеклетку Xenopus laevus (гладкой шпорцевой лягушки) в примере 5, и фиг. 11(2) - фотография, сделанная непосредственно после струйного выброса пузырьков в неоплодотворенную яйцеклетку Xenopus laevus в сравнительном примере 4.
Фиг. 12 – фотографические снимки, используемые вместо чертежа. Фиг. 12(1)-(4) – фотографий во временной последовательности в случае локальной инъекции в неоплодотворенную яйцеклетку Xenopus laevus (гладкой шпорцевой лягушки) в примере 6. Фиг. 12(5)-(8) - фотографий во временной последовательности в случае локальной инъекции в неоплодотворенную яйцеклетку Xenopus laevus в сравнительном примере 5.
Фиг. 13 - фотографический снимок, используемый вместо чертежа, который представляет фотографию неоплодотворенной яйцеклетки, снятую камерой CCD (на приборах с зарядовой связью), освещаемой ртутной лампой, через 10 секунд после ударного воздействия пузырьков в примере 6.
Фиг. 14 - фотографический снимок, используемый вместо чертежа, который представляет собой фотографию томата после осуществления локальной инъекции в примере 7.
Фиг. 15 - фотографический снимок, используемый вместо чертежа, который представляет фотографию темной области листа ростка редьки после локальной инъекции.
Фиг. 16 - фотографический снимок, используемый вместо чертежа, который представляет фотографию темной области куриного филе после локальной инъекции.
Фиг. 17 - фотографический снимок, используемый вместо чертежа, который представляет фотографию темной области коричневого риса после локальной инъекции.
Фиг. 18 - фотографический снимок, используемый вместо чертежа, который демонстрирует внешний вид устройства для локальной инъекции в примере 11, в другом воплощении устройства для локальной инъекции согласно настоящему изобретению.
Фиг. 19 - фотографический снимок, используемый вместо чертежа, который демонстрирует перемещение концевой части устройства для локальной инъекции, изготовленного в примере 8 в соответствии с настоящим изобретением.
Описание предпочтительных воплощений
На фиг. 1 представлен один пример способа изготовления пузырьково-струйного элемента 1 в соответствии с настоящим изобретением. Пузырьково-струйный элемент 1 в соответствии с настоящим изобретением может быть изготовлен с помощью описанной ниже процедуры.
(1) Предварительно подготавливают полый изоляционный материал 2, и в полый изоляционный материал 2 вводят сердцевину (центральный стержень) 3, выполненную из проводящего материала, после чего сборку подвергают нагреванию и разрыву.
(2) Вследствие различия вязкоэластичности изоляционного материала 2 и сердцевины 3 образуется оболочка 5, включающая вытянутый участок 4, на котором изоляционный материал 2 проходит дальше конца сердцевины 3 так, что он плотно прилегает к внешней поверхности сердцевины 3.
(3) На конце вытянутого участка 4 размещают средства 6 нагревания и прижимают их к указанному вытянутому участку 4.
(4) На конце вытянутого участка 4 образуется утолщенный участок 41, и, таким образом, можно получить пузырьково-струйный элемент 1, который содержит внутреннюю полость 7, образованную между концом сердцевины 3 и вытянутым участком 4, имеющую выпускное отверстие 8 для струйного выброса пузырьков.
(5) Удаленный конец сердцевины 3 может быть снабжен набивкой из проводящего материала 9, и для покрытия удаленного конца может быть использован также изоляционный материал 91, чтобы облегчить соединение с электродом устройства для локальной абляции или устройства для локальной инъекции.
В отношении выбора изоляционного материала 2 не существует определенных ограничений при условии, что этот материал является изолятором электрического тока. Например, в качестве таких материалов здесь могут быть названы стекло, слюда, кварц, нитрид кремния, диоксид кремния, керамические материалы, и другие такие неорганические изоляционные материалы, силиконовый каучук, этиленпропиленовый каучук, и другие такие каучуковые материалы, смолы сополимеры этилена и винилацетата, модифицированные силаном олефиновые смолы, эпоксидные смолы, полиэфирные смолы, смолы винилхлорида, акриловые смолы, меламиновые смолы, фенольные смолы, полиуретановые смолы, полистирольные смолы, фтор-каучуки, силиконовые смолы, полисульфидные смолы, полиамидные смолы, полиимидные смолы, полиэтилен, полипропилен, целлюлозные смолы, УФ-отверждаемые смолы и другие такие изоляционные смолы.
Проводящие материалы, из которых выполняют сердцевину 3, не являются особо ограниченными при условии, что этот материал может быть использован в качестве электрода. Предпочтительно использование металла, примеры которого включают золото, серебро, медь, алюминий и тому подобные, а также сплавы, в которые добавлено небольшое количество олова, магния, хрома, никеля, циркония, железа, кремния, или тому подобных материалов. Как отмечено выше, внутренняя полость 7 образована между концом сердцевины 3 и вытянутым участком 5, которым изоляционный материал 3 продолжается далее от конца сердцевины, и, следовательно, допустимой является любая комбинация подходящих материалов при условии, что вязкоэластичность изоляционного материала 2 превышает вязкоэластичность сердцевины.
Примеры комбинации изоляционного материала 2 и сердцевины 3 включают стекло и медь, стекло и платину, стекло и алюминий, стекло и золото, стекло и серебро, стекло и никель, эпоксидную смолу и медь, эпоксидную смолу и платина, эпоксидную смолу и алюминий, эпоксидную смолу и золото, эпоксидную смолу и серебро, эпоксидную смолу и никель, акриловую смолу и медь, акриловую смолу и платину, акриловую смолу и алюминий, акриловую смолу и золото, акриловую смолу и серебро, акриловую смолу и никель, кремнийорганическую смолу и медь, кремнийорганическую смолу и платину, кремнийорганическую смолу и алюминий, кремнийорганическую смолу и золото, кремнийорганическую смолу и серебро, и кремнийорганическую смолу и никель.
При необходимости струйного выброса пузырьков, с помощью пузырьково-струйного элемента 1, создают электрический ток, и пузырьки, образованные на одном конце, вылетают из выпускного отверстия 8, при этом в полости 7 происходит их разделение. Следовательно, отсутствует необходимость подачи газа в пузырьково-струйный элемент 1 с внешней стороны. Соответственно, сердцевина 3 в настоящем изобретении после растяжения её проводящего материала внутри остается сплошной, и, как показано на фиг. 1, трубка или тому подобное средство для подачи воздуха во внутренний объем сердцевины 3, не используется. По меньшей мере, участок оболочки 5 выполнен с возможностью плотного прилегания к сердцевине вблизи конца пузырьково-струйного элемента 1 благодаря различию вязкоэластичных свойств изоляционного материала 2 и сердцевины 3.
Размер выбрасываемых пузырьков можно регулировать за счет изменения диаметра выпускного отверстия 8 пузырьково-струйного элемента. При использовании устройства для локальной абляции или устройства для локальной инъекции раствор, который проводит электрический ток (называемый ниже - «проводящий раствор»), должен заполнять внутреннюю полость 7 пузырьково-струйного элемента 1 за счет капиллярного действия. Поэтому диаметр выпускного отверстия 8 должен быть достаточным для того, чтобы проводящий раствор проходил через него за счет капиллярного действия, и предпочтительно составляет приблизительно 100 нм или более, более предпочтительно 200 нм или более, или, в особенности, предпочтительно 500 нм или более.
Следует отметить, что верхний предел диаметра особо не ограничен при условии, что диапазон величины диаметра такой, что возможен выброс пузырьков при отсутствии повреждения обрабатываемого объекта. Однако в случае использования пузырьково-струйного элемента для абляции клеток или инъекции, объектом которой являются животные и т.п., величина диаметра предпочтительно составляет приблизительно 100 мкм или менее, более предпочтительно 50 мкм или менее, и особо предпочтительно 15 мкм или менее. Диаметр выпускного отверстия 8 для струйного выброса пузырьков можно устанавливать заданной величины за счет температуры и скорости растяжения при нагревании, и параметров, характеризующих нажимное усилие, создаваемое нагревательным устройством 6.
Выбор нагревательного устройства 6 особо не ограничен при условии, что оно обеспечивает возможность увеличения толщины за счет нагревания до температуры плавления или выше температуры плавления изоляционного материала 2, и обжатия при плавлении концевой части вытянутого участка 4. Например, для этого следует использовать микрокузницу или иное широко известное устройство. Для получения вытянутого участка 4 в известных пузырьково-струйных элементах 1 был непосредственно использован разрыв изоляционного материала 2. Поэтому в известных пузырьково-струйных элементах 1 вытянутый участок 4 вблизи выпускного отверстия 8 для струйного выброса пузырьков уменьшается по толщине, выпускное отверстие 8 выполнено меньших размеров, и обрабатываемый объект легче может быть подвергнут вредному воздействию. Кроме того, для улучшения направленности выбрасываемых пузырьков, вытянутый участок выполнен тонким благодаря также тому, что разрыв при растяжении осуществляют с определенной скоростью, чтобы весь вытянутый участок стал коническим сужающимся.
В то же время размер выпускного отверстия 8 для струйного выброса пузырьков согласно настоящему изобретению можно довести до необходимой величины за счет плавления концевой части вытянутого участка 4, используя нагревательное устройство 6. Соответственно, сердцевина 3 и изоляционный материал 2 могут иметь большие размеры, чем в известных пузырьково-струйных элементах 1. Кроме того, за счет: (1) прекращения процесса растягивания в состоянии, в котором выпускное отверстие 8 для струйного выброса пузырьков имеет больший диаметр, чем предусмотрено, а именно, в состоянии, в котором сердцевина 3 может быть разделена при растягивании, но вытянутый участок 4 до осуществления разделения (разрыва) имеет большую толщину вследствие различия вязкоэластичности, (2) формирования выпускного отверстия путем обрезания вытянутого участка, и (3) последующего плавления отверстия с помощью нагревательного устройства 6 и формирования выпускного отверстия 8 для струйного выброса пузырьков с образованием утолщенного участка, (4) выпускное отверстие 8 для струйного выброса пузырьков может быть выполнено меньшего размера, со сформированным в то же время утолщением на вытянутом участке 4. Соответственно, при изготовлении пузырьково-струйного элемента 1, имеющего выпускное отверстие 8 для струйного выброса пузырьков такого же размера, что и выпускное отверстие 8 для струйного выброса пузырьков в известном пузырьково-струйном элементе 1, пузырьково-струйный элемент 1 в соответствии с настоящим изобретением может иметь вытянутый участок 4 большей толщины, и прочность может быть повышена. В случае формирования утолщенного участка с использованием микрокузницы, не существует ограничения формы утолщенного участка, поскольку менее вероятно, что концевая часть вытянутого участка 4 будет повреждена, если эта концевая часть будет выполнена с увеличенной толщиной, но предпочтительным будет увеличение толщины таким образом, чтобы внутренняя поверхность вытянутого участка 4 сужалась в направлении конца, поскольку в этом случае может быть увеличена направленность выброса пузырьков.
Для применения конфигурации, позволяющей избежать негативного воздействия на обрабатываемый объект при осуществлении локальной абляции, конец вытянутого участка 4, у выпускного отверстия 8 пузырьково-струйного элемента, желательно сделать утолщенным с помощью нагревания и нажимного усилия, созданного нагревательным устройством 6, и желательно обработать поверхность, контактирующую с обрабатываемым объектом, указанным нагревательным устройством так, чтобы она стала гладкой.
На фиг. 2 представлен один пример способа изготовления в одном воплощении газожидкостного струйного элемента 10 согласно настоящему изобретению. Газожидкостный струйный элемент 10, иллюстрируемый на фиг. 2, может быть изготовлен с помощью следующей последовательности действий.
(1) Предварительно подготавливают изоляционный материал 11, имеющий больший внутренний диаметр, чем иллюстрируемый на фиг. 1 полый изоляционный материал 2, и затем растягивают, производя в то же время нагревание.
(2) Изоляционный материал 11 подвергают разрыву, и в результате получают трубку 12, имеющую острый конец.
(3) Концевую часть трубки 12 нагревают с помощью нагревательного устройства 6.
(4) Концевую часть трубки 12 отрезают, и тем самым получают внешнюю оболочку 13. Хотя это и не показано, наряду с обрезанием концевой части на этой концевой части внешней оболочки 13 может быть сформирован утолщенный участок с помощью такой же последовательности операций, которую используют для концевой части вытянутого участка 4 пузырьково-струйного элемента 1.
(5) Нагревательное устройство 6 прижимают к внешней оболочки 13 для образования участка сужения, придающего направление пузырьково-струйному элементу 1 в случае перемещения пузырьково-струйного элемента 1 относительно внешней оболочки 13.
(6) На внешней оболочке 13 образуется участок 14 сужения.
(7) На пузырьково-струйный элемент 1 устанавливают кольцевую прокладку 16, содержащую вмонтированное первое кольцо 15.
(8) Снаружи пузырьково-струйного элемента 1 насаживают внешнюю оболочку 13.
(9) Концы первого кольца 15 и внешней оболочки 13 соединяют с помощью элемента 17, способного к удлинению и сокращению, и в результате газожидкостный струйный элемент 10 изготовлен.
На вышеупомянутых стадиях изготовления при необходимости может быть сформирован упомянутый участок 14 сужения, но формирование участка 14 сужения не является необходимым.
Изоляционный материал 11 может быть таким же материалом, что и вышеупомянутый изоляционный материал 2. Участок 14 сужения, в случае его формирования, предпочтительно должен быть симметричной формы и образован, по меньшей мере, в трех местах (по периметру окружности) для предотвращения сдвига ориентации пузырьково-струйного элемента 1 при его перемещении.
Первое кольцо 15 может быть выполнено из такого же материала, что и изоляционный материал 2. Кольцевая прокладка 16 может быть получена с помощью мягкой литографии или трехмерной фотолитографии с использованием полимерной пленки, силикона, каучука или полидиметилсилоксана (PDMS). В отношении элемента 17, способного к удлинению и сокращению, не существуют особые ограничения при условии, что указанный элемент 17, способный к удлинению и сокращению, может быть присоединен к концам первого кольца 15 и внешней оболочки 13 и может удлиняться и сокращаться для относительного перемещения пузырьково-струйного элемента 1 и внешней оболочки 13. Примеры его выполнения включают лист из PDMS, каучук и упругие элементы (пружины). Желательно, чтобы элемент 17, способный к удлинению и сокращению, обеспечивал приложение усилия в направлении смещения внешней оболочки 13 таким образом, чтобы она находилась впереди выпускного отверстия 8 для струйного выброса пузырьков при отсутствии нажимного усилия на обрабатываемый объект, и, следовательно, элемент 17, способный к удлинению и сокращению, предпочтительно выполнен из материала, который возвращается к первоначальной форме при прекращении действия нажимного усилия.
Фиг. 3 иллюстрирует другую процедуру изготовления внешней оболочки 13. Внешняя оболочка 13, представленная на фиг. 3, может быть получена за счет подвода теплоты к изоляционному материалу 11, его растягивания и последующего прекращения растягивания в состоянии, в котором диаметр нагретого участка изоляционного материала немного превышает диаметр пузырьково-струйного элемента 1. Газожидкостный струйный элемент 10 иного воплощения, чем иллюстрируемый на фиг. 2, может быть изготовлен путем использования внешней оболочки 13, иллюстрируемой на фиг. 3, в качестве внешней оболочка 13 в позициях (8) и (9) на фиг. 2.
Следует отметить, что если обрабатываемый объект (мишень) имеет очень малые размеры, например клетка, следует использовать газожидкостный струйный элемент 10 в воплощении, иллюстрируемом на фиг. 2. Кроме того, при осуществлении локальной инъекции применительно к человеческому организму или к животным, существует вероятность травмирования человека или животного, если расширяющийся участок внешней оболочки 13 имеет малый диаметр, и, поэтому следует использовать газожидкостный струйный элемент 10, который содержит изображенную на фиг. 3 внешнюю оболочку 13 с большей величиной диаметра расширяющегося участка.
При осуществлении порядка действий, иллюстрируемого на фиг. 2, первое кольцо 15 и внешнюю оболочку 13 соединяют с элементом 17, способным к удлинению и сокращению, однако определенного ограничения здесь не существует при условии, что конструкция такова, что пузырьково-струйный элемент 1 и внешняя оболочка 13 выполнены с возможностью относительного перемещения, и отсутствуют утечки проводящего раствора, заполняющего объем между пузырьково-струйным элементом 1 и внешней оболочкой 13. Например, к концу внешней оболочки 13 может быть прикреплено второе кольцо, при этом первое кольцо 15 и второе кольцо могут быть соединены посредством элемента 17, способного к удлинению и сокращению. Кроме того, возможно, что первое кольцо 15 отсутствует, и один конец элемента 17, способного к удлинению и сокращению, может быть присоединен к концу внешней оболочки 13, а другой конец элемента 17, способного к удлинению и сокращению, может быть присоединен к пузырьково-струйному элементу 1. Следует также отметить, что элемент 17, способный к удлинению и сокращению, не ограничен использованием для его изготовления единственного материала, и может быть выполнен с использованием комбинированных материалов. Например, элемент 17, способный к удлинению и сокращению, может быть реализован посредством установки на концах первого кольца 15 и внешней оболочки 13 пружины или другого материала, имеющего просвет и способного к удлинению и сокращению, прикрепленного к ним с помощью адгезива и затем уплотненного с помощью тонкой пленки для того, чтобы предотвратить утечки проводящего раствора через упомянутую пружину и т.п.
Приведенное выше указание на то, что «внешняя оболочка и пузырьково-струйный элемент выполнены с возможностью относительного перемещения», не ограничено примерами, иллюстрируемыми на фиг. 2 и фиг. 3, на которых внешняя оболочка 13, твердая и имеющая неизменяемую форму, присоединена посредством элемента 17, способного к удлинению и сокращению, так, что становится возможным перемещение оболочки относительно пузырьково-струйного элемента 1; при этом не существует определенного ограничения выбора средства относительного перемещения при условии, что взаимное расположение конца внешней оболочки 13 и выпускного отверстия для струйного выброса пузырьков может быть изменено. Например, возможной является конструкция, в которой внешняя оболочка 13 целиком выполнена из полимерного или иного материала, при этом один её участок выполнен подобно гармошке так, что этот участок внешней оболочки 13 легко растягивается и сокращается. Кроме того, вся внешняя оболочка 13 может быть выполнена из эластичного материала так, что эта оболочка 13, деформируясь при прижатии к обрабатываемому объекту, выдвигается вперед, и положение пузырьково-струйного элемента 1 в этом случае можно регулировать.
Вышеупомянутый газожидкостный струйный элемент 10 выполнен таким, что пузырьково-струйный элемент 1 и внешняя оболочка 13 способны к относительному перемещению, и поскольку пузырьково-струйный элемент 1 согласно настоящему изобретению обладает лучшими характеристиками по сравнению с известным пузырьково-струйным элементом, то достаточно лишь пузырьково-струйный элемент, используемый в широко известном газожидкостном струйном элементе, заменить пузырьково-струйным элементом 1, соответствующим настоящему изобретению. В этом случае, например, на пузырьково-струйном элементе 1, представленном на фиг. 1, может быть установлена кольцевая прокладка из полимерной пленки или резины, или установочное кольцо, полученное с помощью мягкой литографии или трехмерной фотолитографии с использованием PDMS (полидиметилсилоксан), а внешний оболочковый элемент 13, иллюстрируемый на фиг. 2(5) или (6), может быть насажен на внешнюю поверхность упомянутой кольцевой прокладки.
На фиг. 4 показана общая схема устройства 20 для локальной абляции. Указанное устройство 20 для локальной абляции снабжено устройством для выработки электрической энергии. Устройство для выработки электрической энергии включает, по меньшей мере, стандартный промышленный источник переменного тока 21 и электрический провод 23 для образования электрической цепи между сердцевиной (активным электродом) 3 пузырьково-струйного элемента 1 или газожидкостного струйного элемента 10 и противоэлектродом 22, и может также содержать не диэлектрический резистор 24, контур 25 усиления напряжения, канал цифрового ввода/вывода (DIO, не показан) и т.д., по мере необходимости. Устройство для выработки электрической энергии может быть собрано всего лишь путем включения не диэлектрического резистора 24, канала DIO и т.д. в традиционную электрическую цепь для электроножа и установки на изготовленной конструкции для использования применительно к микроскопическим объектам.
Противоэлектрод 22 может быть выполнен отдельно от пузырьково-струйного элемента 1 или газожидкостного струйного элемента 10, но при использовании газожидкостного струйного элемента 10 противоэлектрод 22 может быть размещен на внешней поверхности оболочки 5 или на внутренней поверхности внешней оболочки 13. Когда противоэлектрод 22 установлен на газожидкостном струйном элементе 10, противоэлектрод должен быть способен к образованию электрической цепи с сердцевиной 3, и, следовательно, не существует особого ограничения при условии, что противоэлектрод 22 приводится в контакт с проводящим раствором, залитым между оболочкой 5 и внешней оболочкой 13 пузырьково-струйного элемента 1. Противоэлектрод следует выполнять из материала, приведенного в качестве примера с сердцевиной 3.
Выходные электрический ток, напряжение и частота, подводимые от средства выработки электроэнергии к сердцевине 3 и противоэлектроду 22, особо не ограничены при условии, что интервалы их величин обеспечивают возможность осуществления локальной абляции или локальной инъекции обрабатываемого объекта, и при этом пузырьково-струйный элемент 1 или газожидкостный струйный элемент 10 не повреждается. Например, величина электрического тока предпочтительно находится в интервале от 1 мА до 10А, более предпочтительно от 1 мА до 80 мА и особо предпочтительно от 2 мА до 75 мА. Нежелательно, чтобы электрический ток был меньше 1 мА, поскольку в этом случае не представляется возможным эффективно генерировать пузырьки, или чтобы величина тока превышала 10А, иначе возможен износ электрода, и всё это - неблагоприятные эффекты. Электрическое напряжение предпочтительно находится в интервале от 0,1В до 100кВ, более предпочтительно от 100В до 1800В, и особенно предпочтительно от 200В до 1200В. Нежелательно, чтобы напряжение составляло менее 0,1В, поскольку генерирование пузырьков может быть затруднительным, а если напряжение составляет более 100кВ, существует вероятность износа сердцевины 3 или повреждения пузырьково-струйного элемента 1, и всё это - неблагоприятные эффекты. Частота предпочтительно находится в интервале от 0,1 кГц до 10 ГГц, более предпочтительно от 1 кГц до 1 ГГц, ещё более предпочтительно от 5 кГц до 1 МГц, и особенно предпочтительно от 10 кГц до 60 кГц. Если частота составляет менее 0,1кГц, динамическое воздействие на обрабатываемый объект может быть больше, и пузырьково-струйный элемент 1 может быть поврежден, а если частота превышает 10 ГГц, генерирование пузырьков может быть невозможным.
При использовании устройства для локальной абляции пузырьково-струйный элемент 1 или газожидкостный струйный элемент 10 и противоэлектрод 22 необходимо погрузить в проводящий раствор и приложить напряжение. Перечень обрабатываемых объектов не является особо ограниченным при условии, что в объекте могут быть образованы отверстия, или объект может быть прорезан за счет столкновения с пузырьками. Примеры таких объектов включают стволовые клетки, отделенные от тканей человека или животного (не человека), кожные клетки, мукоциты, клетки печени, инсулоциты, нейроциты (нервные клетки), хондроциты, эндотелиальные клетки, клетки эпителия, клетки кости, мышечные клетки, яйцеклетки и т.д., и клетки растений, клетки насекомых, кишечные палочки, плесневые грибы и другие микробные клетки, и другие клетки, и протеины и другие органические кристаллы.
В патентном документе D1 показано, что пузырьки, выбрасываемые из пузырьково-струйного элемента, могут адсорбировать подлежащее инъекции вещество. По-видимому, пузырьки, генерируемые при подводе электрической энергии к сердечнику 3, заряжаются электричеством, и вещество для инъекции адсорбируется на пузырьках благодаря этому электричеству. Соответственно, при осуществлении локальной абляции с использованием газожидкостного струйного элемента 10, если вещество для инъекции содержится в проводящем растворе, в который погружают газожидкостный струйный элемент 10, пузырьки, вокруг которых адсорбируется вещество для инъекции, могут быть выброшены струей. В результате при осуществлении локальной абляции указанное вещество для инъекции может быть введено в обрабатываемый объект.
Выбор вещества для инъекции особо не ограничен в отношении того, будет ли это газ, твердая фаза или жидкость, при условии, что это вещество может быть растворено и/или распределено в растворе. Примеры газов включают воздух, азот, гелий, диоксид углерода, моноксид углерода, аргон и кислород; а примеры жидкости включают растворы, содержащие ДНК, рибонуклеиновую кислоту (РНК), протеины, аминокислоты, и другие биомолекулы, и химические растворы.
Фиг. 5 иллюстрирует один пример воплощения устройства для локальной инъекции согласно настоящему изобретению. Устройство для локальной инъекции согласно настоящему изобретению может быть также использовано путем погружения газожидкостного струйного элемента 10 в проводящий раствор таким же образом, что и в известных аналогах. Однако при использовании газожидкостного струйного элемента 10 в соответствии с настоящим изобретением раствор, содержащий вещество для инъекции (называемый ниже - «инъекционный раствор»), заполняет внутренний объем, образованный внешней оболочки 13 газожидкостного струйного элемента 10, так, что этот инъекционный раствор не может вытекать наружу при приведении газожидкостного струйного элемента 10 в контакт с обрабатываемым объектом 30 так, как это показано на фиг. 5(1). Кроме того, пузырьково-струйный элемент 1 может быть прижат к обрабатываемому объекту, и выпускное отверстие 8 для струйного выброса пузырьков может находиться в положении, подходящем для локальной инъекции, как показано на фиг. 5(2). Соответственно, устройство для локальной инжекции, соответствующее настоящему изобретению, может быть использовано на открытом воздухе.
Кроме того, поскольку, как было отмечено выше, благодаря наличию утолщения 41, образованного на вытянутом участке 4 пузырьково-струйного элемента 1, к устройству может быть приложено высокое напряжение, устройство может быть использовано для локальной инъекции в клетки, а также для обработки животных, и т.п., как в известных аналогах. Кроме того, поскольку устройство для локальной инъекции согласно настоящему изобретению может быть использовано в открытом воздухе и с приложением высокого напряжения, возможно его использование в качестве устройства для безыгольной инъекции. Для традиционного устройства для инъекции, использующего инъекционные иглы, существуют, в частности, проблемы, включающие причинение пациенту боли при прокалывании иглами, а также перенос вирусов в результате повторного использования иглы или непреднамеренного прокалывания использованными иглами. Однако вышеупомянутые проблемы могут быть решены благодаря использованию устройства для локальной инъекции, соответствующего настоящему изобретению, в качестве устройства для безыгольной инъекции.
Заполнение полости, образованной внешней оболочкой 13 газожидкостного струйного элемента 10, инъекционным раствором может быть произведено путем погружения конца газо-жидкостного струйного элемента 10 в инъекционный раствор и заполнения этой полости за счет капиллярного действия или путем подсоединения трубки и т.п. к упомянутой полости, образованной между пузырьково-струйным элементом 1 и внешней оболочкой 13, и последующей инжекции раствора в эту полость.
Настоящее изобретение раскрыто ниже более подробно с помощью примеров, которые приведены лишь в качестве конкретных воплощений для раскрытия настоящего изобретения. Хотя эти примеры предназначены для описания конкретных воплощений настоящего изобретения, они не являются ограничениями объема настоящего изобретения, раскрытого в настоящей заявке.
Примеры
Изготовление пузырьково-струйного элемента 1
Пример 1
Проволока из меди диаметром 30 мкм была введена в трубку из боросиликатного стекла для микропипеток (внешний диаметр 1,37 мм, внутренний диаметр 0,93 мм, производство Drummond Scientific Company), и эта стеклянная трубка была подвергнута разрыву под действием нагревания с использованием пуллера для изготовления стеклянных микропипеток (P-1000IVF, производитель - компания Sutter Co.), при этом стекло было вытянуто вперед от конца медной проволоки. Затем был образован утолщенный участок путем надавливания на концевую часть растянутого стекла с одновременным его плавлением, используя для этого микрокузницу (MF-900, Narishige Co.), и таким образом был изготовлен пузырьково-струйный элемент 1 в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 6 (1) отображает фотографию концевой части пузырьково-струйного элемента 1, полученного в примере 1. Из этой фотографии можно убедиться в том, что внутри вытянутого участка 4 в сужающемся в направлении конца профиле было образовано утолщение. Кроме того, диаметр сердцевины 3 составлял приблизительно 30 мкм, и выпускное отверстие 8 пузырьково-струйного элемента было круговым, имеющим диаметр приблизительно равный 6 мкм.
Сравнительный пример 1
Вытянутое стекло, подвергнутое разрыву без обработки концевой части, подлежащей утолщению, было использовано в качестве пузырьково-струйного элемента в сравнительном примере 1. Фиг. 6 (2) отображает фотографию концевой части пузырьково-струйного элемента 1, полученного в сравнительном примере 1. Как видно из этой фотографии, можно убедиться в том, что весь вытянутый участок 4 был тонким и конической формы. Кроме того, выпускное отверстие 8 пузырьково-струйного элемента было круговым с диаметром приблизительно равным 14 мкм.
Изготовление устройства для локальной инъекции (инъекционное устройство)
Пример 2
(1) Изготовление внешней оболочки 13
О
Трубка из боросиликатного стекла для микропипеток (внешний диаметр 2,03 мм, внутренний диаметр 1,68 мм, производство Drummond Scientific Company) была подвергнута разрыву при нагревании с использованием пуллера для изготовления стеклянных микропипеток (P-1000IVF, производитель - компания Sutter Co.). Разделенная стеклянная трубка была установлена в микрокузнице (MF-900, Narishige Co.), и её кончик был отрезан до диаметра приблизительно равного 100 мкм. После этого были получены участки 14 сужения путем приведения трубки в контакт с микрокузницей в точке, находящейся приблизительно на расстоянии 300 мкм от конца трубки, и нагревания четырех мест трубки с интервалами между ними 90. Внутренний диаметр концевой части внешней оболочки 13 составлял приблизительно 100 мкм.
(2) Сборка устройства для локальной инъекции
О
Сначала пузырьково-струйный элемент 1, изготовленный в примере 1, был подключен к электроножу для медицинского применения (продукт компании ConMed Corp., 714-S), с использованием серебряной пасты (H20E, Rikei Corp.). Затем указанный соединительный элемент (паста) был отвержден путем нагревания на горячей пластине при 120С в течение 15 минут.
О
После этого на пленку OHP (производитель-Sumitomo 3M Ltd.) был нанесен полидиметилсилоксан (PDMS) (растворитель: отверждающий агент = 25:1) (производитель - Dow Corning Toray Co., Ltd.), подвергнутый вакуумному обеспениванию в течение 30 минут, и методом центрифугирования при скорости вращения 4000 об/мин в течение 20 секунд было сформировано покрытие. Затем материал покрытия был отвержден с нагреванием в печи при 120С в течение минут.
Далее, силиконовая трубка (внутренний диаметр 2 мм, внешний диаметр 3 мм), обрезанная приблизительно до длины 2 см, была размещена поверх боросиликатной стеклянной трубки для микропипеток (внешний диаметр 2,03 мм, внутренний диаметр 1,68 мм, Drummond Scientific Company), обрезанной приблизительно до 1,5 см. Дополнительно в центре силиконовой трубки был произведен разрез, и из обрезанной стеклянной части была сделана вставка, проходящая до основания пузырьково-струйного элемента 1, при этом соединение было выполнено с использованием адгезивного вещества (Super X, Cemedine Co., Ltd.) для того, чтобы не проходил воздух. Наконец, снаружи пузырьково-струйного элемента была насажена внешняя оболочка 13, изготовленная на стадии (1); и от OHP пленки было отделено вышеупомянутое предварительно полученное покрытие - тонкая полоса из PDMS. При этом конец вышеупомянутой стеклянной трубки, отрезанный приблизительно до 1,5 см, и конец внешней оболочки 13 находились друг от друга на расстоянии приблизительно 3 мм, и указанные концы стеклянной трубки и внешней оболочки 13 были соединены друг с другом с помощью внешней намотки (тонкой полосой из PDMS), и, таким образом, в примере 2 было изготовлено устройство для локальной инъекции. На фиг. 7 представлена фотография устройства для локальной инъекции, изготовленного в примере 2, а также фотография увеличенного изображения концевого участка и участка газожидкостного струйного элемента 10, способного к удлинению и сокращению.
На фиг. 8 представлена фотография, иллюстрирующая перемещение концевого участка при использовании устройства для локальной инжекции, изготовленного в примере 2. На фиг. 8(1) представлена фотография перед прижатием конца устройства для локальной инжекции, изготовленного в примере 2, к обрабатываемому объекту, а на фиг. 8(2) – фотография после прижатия конца к обрабатываемому объекту. Фотографии на фиг. 8 подтверждают, что пузырьково-струйный элемент 1 и внешняя оболочка 13 способы к взаимному перемещению, и относительное расположение выпускного отверстия 8 пузырьково-струйного элемента и обрабатываемого объекта можно регулировать.
Пример 3
(1) Изготовление внешней оболочки 13
Трубка из боросиликатного стекла для микропипеток (внешний диаметр 2,03 мм, внутренний диаметр 1,68 мм, производство Drummond Scientific Company) была подвергнута разрыву при нагревании с использованием пуллера для изготовления стеклянных микропипеток (P-1000IVF, производитель - компания Sutter Co.), при этом в центре было образовано сужение, и после разрыва оба конца сужения были обрезаны до подходящей длины, в результате была изготовлена внешняя оболочка 13. Внутренний диаметр внешней оболочки составлял приблизительно 1,6 мм.
(2) Сборка устройства для локальной инъекции
После этого полидиметилсилоксан (PDMS) (растворитель: отверждающий агент = 10:1) (производитель - Dow Corning Toray Co., Ltd.), подвергнутый вакуумному обеспениванию в течение 30 минут, был залит до высоты приблизительно 3 мм в пластмассовую ванночку с размерами приблизительно 7 cm × 7 cm × 3 cm, и дополнительно в течение 20 минут было проведено вакуумное обеспенивание, затем PDMS был подвергнут термообработке в течение 20 минут. После этого отвержденный PDMS был удален из упомянутой пластмассовой ёмкости и пробит с помощью иглы для биопсии (Kai Corp.), имеющей отверстие диаметром 8 мм. Дополнительно был проколот центр с помощью иглы для биопсии (Kai Corp.), имеющей отверстие диаметром 2 мм, и таким образом было изготовлено промежуточное (разделительное) кольцо.
Затем было изготовлено устройство для локальной инъекции с проведением такой же процедуры, как и в примере 2, за исключением того, что два промежуточных кольца были разделены расстоянием приблизительно в 1 см. Указанные два промежуточных кольца были обмотаны тонкой полосой из PDMS, вместо размещения промежуточного кольца на конце стеклянной трубки, отрезанной до 1,5 см по процедуре (2) в примере 2, и размещения вышеупомянутого промежуточного кольца на конце внешней оболочки 13 при использовании внешней оболочки 13, изготовленной в примере 3(1). На фиг. 9 представлена общая фотография устройства для локальной инъекции, изготовленного в примере 3, а также фотография увеличенного изображения концевой части и участка газожидкостного струйного элемента 10, способного к удлинению/сокращению.
Сравнительный пример 2
Устройство для локальной инъекции было изготовлено с использованием такой же процедуры, что и в примере 2, за исключением того, что был использован пузырьково-струйный элемент из сравнительного примера 1 вместо пузырьково-струйного элемента 1 из примера 2. Выпускное отверстие 8 пузырьково-струйного элемента и внешняя оболочка 13 были выполнены так, что их концы имели приблизительно одинаковую плоскую форму для того, что выпускное отверстие 8 могло находиться близко к обрабатываемому объекту.
Эксперимент по проверке прочности конца пузырьково-струйного элемента 1.
Пример 4
3
2
2
4
2
Газожидкостный струйный элемент 10 устройства для локальной инъекции, изготовленного в примере 3, и противоэлектрод 22, выполненный с использованием медной пластины, были погружены в раствор Штейнберга (3,4 г/л NaCl, 0,05 г/л KCl, 0,08 г/л Ca(NO)∙4 HO, 0,205 г/л MgSO∙7HO, 0,715 г/л ГЭПЭС (4-(2-гидроксиэтил)-1-пиперазин этансульфоновоя кислота), 1 л ультрачистой воды). Затем постепенно увеличивали электрическую энергию, подведенную к сердечнику 3 и противоэлектроду 22, при этом концевая часть пузырьково-струйного элемента 1 была повреждена при величине тока приблизительно 8,80 мА и напряжении 2160В. На фиг. 10 (1) представлена фотография концевой части пузырьково-струйного элемента до подвода электрической энергии, а на фиг. 10(2) – фотография концевой части непосредственно после повреждения при подводе электрической энергии. Стрелкой на фиг. 10(2) показано место повреждения, а именно, была повреждена оболочка 5 в непосредственной близости от границы между сердцевиной 3 и оболочкой 5.
Сравнительный пример 3
Электрическую энергию подводили таким же образом, что и в примере 4, за исключением того, что было использовано устройство для локальной инъекции согласно сравнительному примеру 2 вместо устройства для локальной инъекции согласно примеру 3, при этом концевая часть пузырьково-струйного элемента 1 была повреждена при величине тока приблизительно 5,33 мА и напряжении 1560 В. На фиг. 10 (3) представлена фотография концевой части пузырьково-струйного элемента до подвода электрической энергии, а на фиг. 10(4) – фотография концевой части непосредственно после повреждения при подводе электрической энергии. Стрелкой на фиг. 10(4) показано место повреждения, а именно, была повреждена концевая часть вытянутого участка 4.
Из описанных выше результатов видно, что электрическая энергия, подведенная к пузырьково-струйному элементу 1, может быть увеличена благодаря формированию утолщенного участка на конце пузырьково-струйного элемента 1.
Эксперименты по выявлению повреждения обрабатываемого объекта устройством для локальной инъекции
Пример 5
Выпускное отверстие 8 для струйного выброса пузырьков (диаметр отверстия 6 мкм) устройства для локальной инъекции, изготовленного в примере 2, наблюдали под микроскопом, при этом выпускное отверстие было приближено к неоплодотворенной клетке шпорцевой лягушки (называемой ниже «неоплодотворенная клетка»), зафиксированной с помощью пинцета для фиксации клеток, выполненного из PDMS, и к устройству была подведена электрическая энергия с напряжением 440 и током 1,8 мА. На фиг. 11(1) представлена фотография, снятая непосредственно после приложения напряжения и струйного выброса пузырьков. Когда пузырьки были направлены на упомянутую неоплодотворенную клетку, эта неоплодотворенная клетка сначала оказывалась под действием усилия давления, направленного внутрь, в сторону выброса пузырьков, и созданного за счет энергии ударов пузырьков. После прекращения выброса пузырьков неоплодотворенная клетка за счет ответной реакции возвращалась обратно в исходное положение, к выпускному отверстию 8 для струйного выброса пузырьков, и в большинстве случаев входила в контакт с указанным выпускным отверстием 8. Однако конец пузырьково-струйного элемента 1 никогда не оказывал негативного воздействия на неоплодотворенную клетку, поскольку он был гладким.
Сравнительный пример 4
Выпускное отверстие 8 для струйного выброса пузырьков (диаметр отверстия 14 мкм) было приближено к неоплодотворенной клетке, и была подведена электрическая энергия таким же образом, что и в примере 5, за исключением того, что было использовано устройство для локальной инъекции, изготовленное в сравнительном примере 2. На фиг. 11(2) представлена фотография непосредственно после приложения напряжения и выброса пузырьков. В сравнительном примере 4, из-за того, что конец пузырьково-струйного элемента 1 был острым, выпускное отверстие 8 для струйного выброса пузырьков прокалывало неоплодотворенную клетку под действием ответной реакции клетки после её деформировании со стороны выпускного отверстия 8.
Пример 6
Было подтверждено, что при использовании пузырьково-струйного элемента 1 в примере 5 в соответствии с настоящим изобретением неоплодотворенная клетка не была подвержена негативному воздействию в процессе струйного выброса пузырьков, вместе с тем было исследовано воздействие на неоплодотворенную клетку ряда операций локальной инъекции. Для наблюдения степени повреждения неоплодотворенной клетки в раствор Штейнберга добавили флуоресцирующий агент (Dextran, Alexa Fluor R594, 10000MW; продукт компании Life Technologies Ltd.(Япония)). В случае негативного воздействия на неоплодотворенную клетку и утечек её содержимого наружу флуоресцирующий реагент сцепляется с содержимым, и становится возможной визуализация. Остальную часть процедуры осуществляли таким же образом, что и в примере 5. На фиг. 12(1) представлена фотография перед подводом электрической энергии (t=0 секунд), фиг. 12(2) отображает момент, когда электрическая энергия подведена, и выбрасываемые пузырьки произвели ударное воздействие (t=0,3 секунды), фиг. 12(3) – фотография, сделанная непосредственно после отвода выпускного отверстия 8 от неоплодотворенной клетки (t=5 секунд), и на фиг. 12(4) представлена фотография, сделанная по истечении 10 секунд ударного воздействия пузырьков.
Сравнительный пример 5
Электрическая энергия была подведена посредством такой же процедуры, что и в примере 6, за исключением того, что было использовано устройство для локальной инъeкции, изготовленное в примере 2. На фиг. 12(5) представлена фотография перед подводом электрической энергии (t=0 секунд), фиг. 12(6) отображает момент, когда электрическая энергия подведена, и пузырьки вследствие выброса произвели ударное воздействие (t=0,3 секунды), фиг. 12(7) – фотография, сделанная непосредственно после отвода выпускного отверстия 8 (диаметр отверстия 14 мкм) от неоплодотворенной клетки (t=5 секунд), и на фиг. 12(8) представлена фотография, сделанная по истечении 10 секунд ударного воздействия пузырьков. Как видно из фиг. 12, можно убедиться в том, что в случае использования известного газожидкостного струйного элемента 10 из неоплодотворенной клетки было выброшено внутреннее содержимое. Как представляется, это обусловлено эффектом ударного воздействия пузырьков на неоплодотворенную клетку, которое было сильным вследствие большого диаметра выпускного отверстия 8 для струйного выброса пузырьков в известном газожидкостном струйном элементе 10, и, кроме того, связано с тем, что само указанное выпускное отверстие 8 негативно воздействует на неоплодотворенную клетку в процессе струйного выброса пузырьков, поскольку концевая часть этого выпускного отверстия 8 получена в результате разрыва стекла в процессе его растягивания.
Следует отметить, что в случае использования устройства для локальной инъекции согласно настоящему изобретению негативное воздействие на неоплодотворенную клетку выпускного отверстия 8 для струйного выброса пузырьков при размещении отверстия ближе к этой клетке маловероятно, так как концевая часть пузырьково-струйного элемента 1 имеет утолщенный и гладкий профиль. Кроме того, как предполагается, пузырьки оказывают меньшее ударное воздействие при столкновениях с неоплодотворенной клеткой, поскольку диаметр выпускного отверстия 8 для струйного выброса пузырьков меньше диаметра выпускного отверстия в известном пузырьково-струйном элементе 1.
На фиг. 13 представлена фотография неоплодотворенной клетки, освещенной ртутной лампой, снятая камерой CCD через 10 секунд после столкновения пузырьков с клеткой в примере 6. Из показанного стрелкой фрагмента на фиг. 13 можно убедиться в том, что флуоресцентный реагент был локально инжектирован. Из приведенных выше результатов следует, что при использовании устройства для локальной инъекции в соответствии с настоящим изобретением локальная инъекция может быть осуществлена с минимальным негативным воздействием на обрабатываемый объект
Инъекция в атмосфере воздуха с использованием устройства для локальной инъекции (инъекционное устройство)
Пример 7. Инъекция в томат
Было изготовлено устройство для локальной инъекции с помощью такой же процедуры, что и в примере 3, за исключением того, что был использован пузырьково-струйный элемент 1, имеющий выпускное отверстие 8 для струйного выброса пузырьков диаметром 4 мкм. Затем во внешнюю оболочку 13 был залит раствор Штейнберга согласно примеру 4, и выпускное отверстие было прижато к томату. Противоэлектрод 22 был размещен в контакте с нижней частью томата. После этого было приложено напряжение 1740 В при силе тока 2,3 мА. На фиг. 14 представлена фотография томата после локальной инъекции, и стрелкой указано место, в котором была произведена инъекция.
Пример 8. Локальная инъекция в лист ростка редьки
Внутренняя полость, образованная внешней оболочкой 13, изготовленной в примере 3, была заполнена чистой водой. К чистой воде добавили флуоресцентный реагент (Fluorescein Isothiocyanate-Dextran (флуоресцинизотиоцианат-декстран) (10 000 MW; продукт компании SIGMA-Aldrich Corp.). Кроме того, с нижней стороны листьев ростков редьки был размещен противоэлектрод 22. После этого было приложено напряжение 1,3 кВ при силе тока 81,8 мА. На фиг. 15 представлена фотография темной области листьев ростков редьки после локальной инъекции. Как видно на фиг. 15, поскольку наличие флуоресцентного излучения может быть достоверно подтверждено, флуоресцентный реагент может быть доставлен в листья ростков редиса.
Пример 9. Локальная инъекция в куриное филе
Был изготовлен пузырьково-струйный элемент 1 с помощью такой же процедуры, что и в примере 1, за исключением того, что вместо медной проволоки диаметром 30 мкм была использована медная проволока диаметром 100 мкм. Диаметр сердцевины составлял приблизительно 100 мкм, а выпускное отверстие 8 для струйного выброса пузырьков имело диаметр приблизительно равный 6 мкм. Затем было изготовлено устройство для локальной инъекции с помощью такой же процедуры, что и в примере 3, за исключением использования вышеуказанного изготовленного пузырьково-струйного элемента 1.
Во внешнюю оболочку 13 изготовленного устройства для локальной инъекции был залит раствор NaCl (0, 9% мас./объем.), и устройство было прижато к куриному филе. В раствор NaCl были добавлены флуоресцентные гранулы (φ2,1 мкм, продукт компании Thermo Scientific Inc.). Причина, по которой в примере 9 были использованы указанные флуоресцентные гранулы, заключалась в том, что флуоресцентный реагент, используемый в примере 9, проникал в куриное филе. Кроме того, с нижней стороны куриного филе был размещен противоэлектрод 22. Затем было приложено напряжение 1,3 кВ при силе тока 200 мА. На фиг. 16 представлена фотография темной области куриного филе после локальной инъекции. Как видно на фиг. 16, флуоресцентные гранулы могут быть локально введены в куриное филе.
Пример 10. Инъекция в коричневый (шелушеный) рис
Локальную инъекцию осуществляли с помощью такой же процедуры, что и в примере 9, за исключением того, что вместо куриного филе использовали коричневый рис (шелушеный), и этот коричневый рис был зафиксирован в держателе, выполненном из PDMS, противоэлектрод 22 был размещен в контакте с раствором NaCl между пузырьково-струйным элементом 1 и внешней оболочкой 13, и затем было приложено напряжение 1,8 кВ при силе тока 420 мА. На фиг. 17 представлена фотография темной области коричневого риса после локальной инъекции. Как видно на фиг. 17, в коричневый рис локальная инъекция была возможна.
Представленные на фиг. 7-10 фотографии подтверждают, что при использовании устройства для локальной инъекции в соответствии с настоящим изобретением локальная инъекция может быть осуществлена на открытом воздухе в обрабатываемые объекты, от мягкого до жесткого объекта.
Изготовление других воплощений устройства для локальной инъекции (инъекционное устройство).
Пример 11
Вместо внешней оболочки 13, изготовленной согласно примеру 2, был использован PDMS, сформованный с получением трехмерного профиля, используя для получения полой кольцеобразной формы пластмассовый, стеклянный или металлический стержень, при этом вся внешняя оболочка 13 была выполнена из PDMS. На фиг. 18 представлена фотография, отображающая внешний вид изготовленного устройства для локальной инъекции.
На фиг. 19 представлена фотография, иллюстрирующая перемещение концевой части устройства для локальной инъекции, изготовленного в примере 11. При этом на фиг. 19(1) представлена фотография перед созданием усилия давления на объект, а на фиг. 19(2) - фотография после создания давления на объект. Кроме того, на фиг. 19(1) и 19(2) сверху представлены общие фотографии внешней оболочки 13, а ниже – фотографии увеличенного изображения концевой части. Фиг. 19 подтверждает, что за счет выполнения всей внешней оболочки 13 из гибкого материала, пузырьково-струйный элемент 1 и внешняя оболочка 13 способны к относительному перемещению, и взаимное расположение обрабатываемого объекта и выпускного отверстия 8 для струйного выброса пузырьков можно регулировать даже без использования элемента 17, способного к удлинению и сокращению.
Промышленная применимость
Подлежащие обработке объекты могут быть обработаны более качественно, чем с помощью традиционных технических средств за счет использования пузырьково-струйного элемента, газожидкостного струйного элемента, устройства для локальной абляции и устройства для локальной инъекции в соответствии с настоящим изобретением. Кроме того, устройство для локальной инъекции согласно настоящему изобретению может быть использовано в условиях атмосферного воздуха, и может быть использовано в качестве безыгольного устройства для инъекции. Соответственно, возможно его использование для тонкой обработки объектов в медицинских научных учреждениях, университетах, корпорациях и других исследовательских и опытно-конструкторских учреждениях и т.п. Кроме того, предложенное устройство может быть использовано в качестве безыгольного устройства для инъекции в учреждениях металлической промышленности, на предприятиях в животноводстве, сельском хозяйстве, лесной промышленности, рыбной промышленности и т.д.