柱塞活塞和注射器的制作方法

柱塞活塞和注射器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术根据35usc
§
119(e)要求2020年12月15日提交的美国临时专利申请63/125,603的优先权，其内容(包括随其提交的所有附件)通过引用整体并入本文。
技术领域
3.本公开总体上涉及用于药物输送装置的活塞柱塞，并且更具体地涉及柱塞活塞和注射器。


背景技术：

4.本节提供的背景信息不一定是与本公开相关联的发明构思的现有技术。
5.注射器通常用于分配药物，例如胰岛素、抗生素、疫苗、化疗药物、止痛药和许多其他药物。常见的设计包括筒或储存器，所述筒或储存器具有用于接收针头或其他连接件的分配端、和与分配端相对的开口端，该开口端用于接收柱塞机构以将流体药物通过分配端推出筒。最基本形式的柱塞机构包括在一端处的柱塞活塞、和在相对端处的用于驱动机构的位置，并且其间具有轴。最简单形式的驱动机构可以是用户的拇指，以将柱塞机构推入筒中并分配药物。在微剂量注射泵中，驱动机构可以涉及实际的马达，该马达驱动柱塞活塞移动到筒中以分配药物。这种注射器设计是本领域技术人员众所周知的。柱塞活塞通常包括用于接收o形环的至少一个环形凹槽或压盖，以在活塞柱塞和筒的内壁之间提供密封，从而当柱塞活塞推进到筒中时，筒中的流体药物离开分配端，并且不会到达柱塞活塞的后面。
6.设计柱塞活塞的一个常见问题是需要平衡o形环的密封压力与o形环和筒内壁之间的摩擦力。出现这些问题是因为在这种环境下，密封需要是动态密封而非静态密封。o形环必须设计成既密封柱塞活塞和筒内壁之间的间隙，又允许柱塞活塞的平稳运动，从而能够实现精确计量。这两种力是直接彼此对立的，很难达到适当的平衡。此外， o形环的形状需要在柱塞活塞的运动下以限定的方式进行控制，以防止可能加剧这些问题的不均匀变形。在传统设计中，人们需要接受由 o形环的不均匀变形引起的摩擦力增加而导致的功率损失。当柱塞机构的推进引起的o形环上的压力没有均匀分布在整个o形环上时，就会发生这些情况。用于其他动态密封应用的一种常规解决方案是提供环形凹槽，该环形凹槽的宽度使得在o形环和凹槽的侧部之间存在间隙。在这样的设计中，o形环可以偏向凹槽的侧壁之一以均衡压力。然而，这种设计在密封性能不足、需要仔细平衡间隙宽度和o形环尺寸、以及o形环在凹槽中的松动方面引起了其他问题。
7.希望提供一种如下的解决方案，该解决方案使环形凹槽的侧壁和 o形环之间的任何间隙最小化，同时仍然提供出色的密封性能和来自注射器的精确剂量。


技术实现要素：

8.本节提供了本公开的一般概述，并不旨在解释为对其全部范围或所有特征、方面和目标的全面公开。
9.本公开的一个方面是提供一种柱塞活塞，所述柱塞活塞包括：与后表面相对的前表面、和位于前表面和后表面之间的至少一个环形的凹槽；以及从前表面延伸到凹槽中的多个通道，所述通道提供前表面和凹槽之间的连通。
10.在另一方面，本公开是一种注射器，所述注射器包括：筒和被接收在筒中的柱塞活塞；所述柱塞活塞包括与后表面相对的前表面、和位于前表面和后表面之间的至少一个环形的凹槽；以及从前表面延伸到凹槽中的多个通道，所述通道提供前表面和凹槽之间的连通。
11.通过本文的详细描述，本公开的这些和其他特征和优点对于本领域技术人员将变得更加明显。下面描述伴随详细描述的附图。
附图说明
12.此处描述的附图仅用于所选方面而非所有实施方式的说明性目的，并且不旨在将本公开内容限制为仅实际示出的内容。考虑到这一点，当结合附图考虑时，本公开的示例方面的各种特征和优点对于本领域普通技术人员将变得显而易见，其中：
13.图1是具有o形环并位于储存器内部的常规柱塞活塞的局部剖视图，上部分显示施加初始低静压的视图，下部分显示施加更大动态压力和o形环变形期间的相同视图；
14.图2是根据本公开设计的柱塞的局部剖视图；
15.图3是根据本公开设计的柱塞的俯视图；
16.图4是根据本公开设计的柱塞的仰视图；
17.图5是根据本公开设计的柱塞的侧视图；
18.图6是根据本公开设计的柱塞的另一侧视图；
19.图7是根据本公开设计的柱塞活塞和位于柱塞活塞上的o形环的俯视图；
20.图8a是不符合本公开的柱塞活塞的局部剖视图的示意图；和
21.图8b是示出根据本公开的示例性实施例的柱塞活塞的局部剖视图以及根据示例性实施方式的柱塞活塞的某些压力和密封益处的示意图。
具体实施方式
22.在以下描述中阐述细节以提供对本公开的理解。
23.为了清楚的目的，在此讨论示例方面以将本公开的范围传达给相关领域的技术人员。阐述了许多特定细节，例如特定组件、设备和方法的示例，以提供对本公开的各个方面的透彻理解。对本领域技术人员来说显而易见的是，具体细节无需在此讨论，例如众所周知的工艺、众所周知的器件结构和众所周知的技术，因为它们已经被本领域技术人员很好地理解了，并且示例实施例可以以许多不同的形式体现，并且均不应被解释为限制本公开的范围。
24.本文中使用的术语仅用于描述特定示例方面的目的，并不旨在进行限制。如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“所述”也可旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。术语“包含”、“包含”、“包括”和“具有”是包含性的，因此指定了所述特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、组件和/或它们的组。除非具体标识为执行顺序，否则本文描述的方法步骤、过程和操作
不应被解释为必然要求它们以所讨论或图示的特定顺序执行。还应当理解，可以采用附加的或替代的步骤。
25.当元件或特征被称为“在
…
上”、“接合到”、“连接到”、“耦合到”“可操作地连接到”或“与另一个元件或特征体可操作地通信”时，它可以直接在另一个元件或层上、接合、连接或耦合到另一个元件或层，或者可以存在中间元件或特征。相反，当元件被称为“直接在
…
上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接耦合到”另一个元件或特征时，可能不存在中间元件或层。用于描述元素之间关系的其他词应该以类似的方式解释(例如，“介于”与“直接之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。
26.虽然术语第一、第二、第三等在本文中可用于描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应被限制于这些条款。这些术语可能仅用于将一个元件、组件、区域、层或部分与另一区域、层或部分区分开来。除非上下文清楚明确地指明，本文中使用的诸如“第一”、“第二”和其他数字术语之类的术语不暗示顺序或顺序。因此，在不脱离示例实施例的教导的情况下，下面讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以被称为第二元件、组件、区域、层或部分。
27.出于本文描述的目的，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“后”、“前”、“垂直”、“水平”及其派生词应涉及公开如图所示。然而，应当理解，本公开可以假设各种替代取向和步骤顺序，除非明确指出相反。还应当理解，在附图中示出以及在以下说明书中描述的特定设备和过程是本发明构思的示例性方面。因此，与本文公开的方面相关的特定尺寸和其他物理特性不应被视为限制性的，除非另有明确说明。
28.更详细地参照附图，图1示出本文所讨论的在上部分和下部分中处于两种状态的常规系统的局部剖视图。在上部分中，示出储存器壁 10的局部剖视图，并且示出具有前表面28的柱塞活塞20的局部剖视图。在整个说明书中，术语储存器和储存器壁可以分别由注射器筒和注射器筒壁代替。柱塞活塞20包括用于接收o形环30的环形凹槽22，也称为o形环压盖。凹槽22包括一对相对的侧壁24和底部26。可以看出，在柱塞活塞20的外侧和储存器壁10的内侧之间具有环形间隙 15。o形环30的尺寸通常被设计成当柱塞活塞20如上部分所示静止不动时接触凹槽22的侧壁24和底部26的一部分以及储存器壁10的内部部分。还示出当柱塞活塞20在储存器中沿一个方向(这里是图的右侧)逆着流体纵向移动时，储存器中的流体或药物(未示出)将施加在柱塞活塞20的前表面28和o形环30上的压力的方向。在上部分中，柱塞活塞20处于静止状态，并且最小的压力施加在柱塞活塞 20和o形环30上。
29.在图1的下部分中，柱塞活塞20被示出为逆着流体(未示出)移动，并且由流体施加的压力以箭头示出。当这种运动发生时，压力通过间隙15施加在o形环30的第一侧32上。压力使o形环30变形，从而使o形环远离与o形环的面对压力的第一侧32相邻的侧壁24 移动，这导致o形环30的第二侧34抵靠凹槽22的相邻侧壁24变形、并且如图所示变形到间隙15中。因此，当柱塞活塞20在储存器中纵向移动时，o形环30起到密封储存器壁10和柱塞活塞20之间的间隙 15的作用。如本文所讨论的，该系统出现的一个问题是压力并不总是均匀地施加在o形环30的整个第一侧32上，这会导致o形环30的局部不均匀变形、磨损、微剂量注射泵系统密封失败和剂量错误。磨损可能是由于压力在o形环30的第一侧32上的不平衡施加而引起的过度摩擦导致的。这种摩擦也可能导致微剂量精度问题。可能难以相对于凹槽22的尺
寸和凹槽22的深度、宽度和形状以及其他凹槽22 特性来平衡o形环30的尺寸以提供柱塞活塞20的平稳运动和间隙15 的良好密封。本公开旨在克服这些问题，并在诸如微剂量注射泵系统的应用(例如用于胰岛素、抗生素、疫苗、化疗药物和止痛药的剂量) 中找到特殊用途。即使当柱塞活塞20以非常小的增量移动时，这些种类的微剂量注射泵系统也需要具有平滑的移动和高密封能力。
30.如图2所示，根据本公开的柱塞活塞50包括用于容纳o形环30 的凹槽54，并且包括在柱塞活塞50的前表面56中的多个通道52。通道52从前表面56延伸到凹槽54并穿过凹槽54的前侧壁58，该凹槽 54容纳o形环30。凹槽54具有前侧壁58、后侧壁60和底部62。所述多个通道52允许流体的压力不仅通过间隙15、而且通过在柱塞活塞50的前表面56中的多个位置处的通道52进行施加。这些通道52 均衡o形环30的整个第一侧32周围的流体压力。这意味着o形环 30的尺寸可以更好地设计成减少o形环30和储存器壁10的内侧之间的摩擦，同时仍然提供优良的密封特性。该设计还消除了侧壁58和 60之间的凹槽54宽度在o形环30与侧壁58和60之间提供间隙的需要。如果出于其他原因需要，可以包含这样的间隙，然而这不是必需的。压力均衡消除了o形环30不均匀变形的可能性，并使压力均匀地分散在o形环30的第一侧32周围。减少的摩擦增加了计量的精度，尤其是当柱塞活塞50用于微剂量注射泵系统时。通道52的数量、它们的尺寸和围绕柱塞活塞50的前表面56的位置可以根据需要变化，以提供均匀的压力施加到o形环30的第一侧32。优选地，通道52 围绕前表面56的外缘64彼此等距间隔，以完全均衡抵靠o形环30 的第一侧32的压力。优选地，通道52的深度从前表面56的外缘64 的外径延伸到凹槽54的底部，如图所示(尤其参见图6)。柱塞活塞 50可由多种材料形成，包括本领域已知的塑料、弹性体和聚合材料。
31.图3是根据本公开设计的柱塞活塞50的俯视图。前表面56被示出具有切入前表面56的四个通道52。通道52被示出为大体垂直于前表面56的中心线66，然而这不是必需的。通道52可以相对于柱塞活塞50的中心线66处于任何方向。通道52的数量也可以根据需要改变，以均衡o形环30的第一侧32上的压力。如图所示，通道52优选地被切成等于凹槽54深度的深度。同样在该实施例中，柱塞活塞50被示出为具有椭圆外形，但是它也可以是本领域已知的圆形。如本领域技术人员所知，当使用具有椭圆外形的柱塞活塞50时，储存器壁10 的内部部分也将具有匹配的椭圆形状。柱塞活塞50的外形只需要与储存器壁10的内部部分的外形相匹配。柱塞活塞50的椭圆外形可以提供诸如在储存器中沿储存器壁10移动时抵抗柱塞活塞50旋转的阻力、以及减少储存器壁10变形的益处。前表面56具有外缘64，外缘64 优选为楔形，尤其参见图6。这种楔形有助于柱塞活塞50克服储存器中的流体压力平稳移动。对于本发明构思，外缘64不必具有楔形形状。此外，可以看出，椭圆形前表面56的直径略小于柱塞活塞50的椭圆形后表面68的直径。
32.图4是根据本公开设计的柱塞活塞50的仰视图。可以看出，柱塞活塞50的后表面68也是椭圆形的，并且包括至少一个棘爪70，优选地包括多个棘爪70。棘爪70用于接合驱动机构(未示出)，以如本领域技术人员已知那样驱动储存器中的柱塞活塞50。驱动机构通常包括轴，并且可以包括多种设计(包括直轴、螺旋螺纹轴、可伸缩的驱动轴组、剪刀式驱动器、和用于柱塞活塞的任何其他类型的已知驱动机构)中的任一种。微剂量注射泵中最常见的类型包括螺纹轴和伸缩驱动器(通常包括一组螺旋驱动轴)。
33.图5和图6是根据本公开设计的柱塞活塞50的侧视图。可以看出，前表面56的外缘
64具有楔形物72，如在通道52之一中所见。这种形状有利于将压力分布在整个前表面56上、并分布到通道52中；然而可以使用其他形状。优选地，如图5和图6所示，通道52的深度延伸到凹槽54的底部62。前表面56和前侧壁58之间的外缘64的厚度可以通过预期在特定应用中经受的压力按照需要进行调节。同样，后侧壁60和柱塞活塞50的后表面68之间的厚度可以根据需要进行调节，以为o形环30和柱塞活塞50提供适当的刚度和支撑。
34.图7是根据本公开设计的柱塞活塞50和位于凹槽54中的o形环 30的俯视图。o形环30的外径大于外缘64的外径，并且足以使o形环填充间隙15并接触储存器壁10的内部。o形环30可由橡胶、弹性体和其他典型的o形环材料形成。它是典型的o形环，设计成具有压缩百分比、拉伸百分比、凹槽54和间隙15的体积填充百分比的适当特性、以及由柱塞活塞50的类型、尺寸和使用期间在储存器中作用在其上的力决定的其他已知特性。本领域技术人员可以调整这些特性以满足其使用环境的需要。
35.图8a在左侧示出不根据本公开的柱塞活塞20的局部剖视图的示意图，紧挨着，图8b在右侧示出根据本公开的示例性实施例的柱塞活塞50的局部剖视图，以及根据本公开的示例性实施方式的柱塞活塞 50的压力和密封益处的示例。当柱塞活塞20或50在储存器中移动时，由流体施加的压力由小箭头示出。对于传统的柱塞活塞20可以看出，压力仅通过柱塞活塞20和储存器壁10的内部之间的间隙15过来，并且该区域的密封减小。力不会在o形环30的整个第一侧32上扩展。相比之下，根据示例性实施例的柱塞活塞50允许通过间隙15和通道 52施加力，从而允许力均匀地分布在o形环30的整个第一侧32上。因此，可以抵靠储存器壁10的内部、凹槽的后侧壁60和底部62提供更好的密封(如圆圈所示)。
36.如本文所讨论的，传统设计需要人们平衡配量精度与o形环的密封效果。在本发明构思中消除了这种折衷，因为本发明构思均衡了o 形环30的整个第一侧32上的压力，并且这在单一设计中提升了计量精度和密封效果。
37.上述公开内容已根据相关法律标准进行了描述，因此该描述在本质上是示例性的而非限制性的。提供示例实施例使得本公开将是彻底的，并且将向本领域技术人员充分传达范围。阐述了许多特定细节，例如特定组件、设备和方法的示例，以提供对本公开的实施例的透彻理解。对本领域技术人员显而易见的是，不需要采用特定细节，示例实施例可以以许多不同的形式实施并且均不应被解释为限制本公开的范围。在一些示例实施例中，不详细描述众所周知的工艺、众所周知的器件结构和众所周知的技术。