流体蠕动层泵的制作方法

流体蠕动层泵
1.相关申请的交叉引用
2.本技术基于35u.s.c.
§
119(e)要求在2019年1月24日提交的第62/796,470号的美国序列的优先权权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明涉及流体技术，特别地涉及一种用于控制通过微通道的流体流动的微流体多层蠕动泵。


背景技术：

4.微流体系统对于使用非常少量的液体来获取和分析化学和生物信息具有重要价值。使用微流体系统可以增加反应的响应时间，最小化样本体积，并降低试剂和消耗品的消耗。当使用或产生挥发性或有害物质时，在微流体体积中进行反应也增强了安全性并减少了处理量。
5.微流体装置在从医学诊断和分析化学到基因组和蛋白质组分析的广泛领域中已变得越来越重要。它们在治疗环境中也可能有用，诸如用于动物药物模型的移动式低流速药物输送/输注系统和连续监测系统。例如，微泵可用于向有需要的受试者定期或连续施用流体，或者可用于通过定期采样监测所施用的药物随时间的疗效。
6.然而，这些设备所需的微组件常常复杂且生产成本高。因此，需要一种低成本的微流体装置，所述低成本的微流体装置与马达集成以形成用于集成到例如移动输注装置中的微泵。


技术实现要素：

7.已经开发了一种微流体泵，以便为一次性输注装置和流体采样/监测装置提供低成本、高精度的构件。还提供了利用微流体泵的装置，以及用于制造和执行微流体工艺的方法。
8.因此，在一个方面中，本发明提供了一种微流体装置。所述微流体装置包括：环形本体，具有限定开孔的顶表面、底表面、内表面和从底表面向下延伸到基部的大致凹形壁，所述环形本体包括设置在其中的输入端口和输出端口；弹性套环，固定附接到环形本体的底表面，所述弹性套环包括围绕其周边设置的凸缘和固定附接到环形本体的基部的底表面，其中所述凸缘配置为配合到环形本体的底表面；以及刚性衬底，具有顶表面、底表面和从底表面向下延伸的锥形延伸部，所述刚性衬底包括设置在顶表面中并定位成与环形本体的输入端口和输出端口对齐的入口和出口，其中刚性衬底的底表面固定附接到环形本体的顶表面，并且锥形延伸部的大小和形状形成为适配于开孔内，从而与弹性套环在输入端口与输出端口之间形成通道。在各种实施例中，环形本体结合到刚性衬底。在各种实施例中，微流体装置还可以包括设置在刚性衬底的顶表面上的入口连接件和出口连接件，所述入口连接件和出口连接件各自分别与环形本体的入口端口和出口端口流体连通。
9.微流体装置的弹性套环可以包括形成在其内表面中的一个或多个棘爪，每一棘爪分别与刚性衬底的入口和出口流体连通。在各种实施例中，弹性套环的内表面是凹形的，以进一步限定通道。在各种实施例中，弹性套环的凸缘结合到环形本体的底表面，并且其中刚性衬底的锥形延伸部的底表面结合到基部的内表面。在各种实施例中，刚性衬底的锥形延伸部包括设置在其表面中的凹槽，所述凹槽平行于刚性衬底的顶表面定位，其中所述凹槽与弹性套环配合。
10.在各种实施例中，弹性套环还包括沿着其圆周设置的肋，所述肋基本平行于凸缘定位。在各种实施例中，刚性衬底还包括远离其轴线延伸的延伸部，所述延伸部具有设置在其中的微流体通道，所述微流体通道配置为在环形本体的出口端口与刚性衬底的出口之间提供流体连通。
11.在又一方面中，本发明提供了一种泵，所述泵包括：本文中所述的微流体装置；旋转致动器，可移除地附接到微流体装置的基部，所述旋转致动器配置为压缩微流体装置的弹性套环的一部分；以及马达，耦合到旋转致动器并配置为使旋转致动器围绕微流体装置的外围旋转。在各种实施例中，旋转致动器包括其中设置有开孔的本体，所述开孔的大小和形状形成为适于接纳微流体装置的基部和刚性套环；以及一个或多个球，固定附接到本体的开孔的内表面，所述一个或多个球配置为当旋转致动器旋转时压缩弹性套环的一部分。所述一个或多个球中的每一者通过弹簧固定附接到旋转致动器的开孔的内表面，从而在旋转致动器与微流体装置之间提供正向啮合。
12.在各种实施例中，所述泵包括与所述微流体装置的入口连接件流体连通的贮存器，所述贮存器配置为：(i)容纳将由所述泵输送的流体或者(ii)接纳将由所述泵采样的流体。在各种实施例中，所述泵包括与所述微流体装置的出口连接件流体连通的针，所述针配置为：(i)将来自所述贮存器的流体施用给需要的受试者或者(ii)从受试者获得样本。在各种实施例中，所述泵还包括控制器和电源，其中所述控制器配置为从所述电源向所述马达提供电压以使所述旋转致动器旋转。在各种实施例中，所述控制器还配置为与手持装置关于以下信息进行通信，所述信息选自由以下组成的群组：从由分配的流体量、分配时间、分配持续时间、贮存器中剩余的流体量、采样时间、采样持续时间和贮存器中剩余的用于进一步采样的体积量。
附图说明
13.图1是示出微流体装置的组件的示例性实施例的示意图。
14.图2是示出附接到微流体装置的环形本体的弹性套环的示例性实施例的透视图的示意图。
15.图3是示出微流体装置的示例性实施例的透视图的示意图。
16.图4是示出微流体装置的示例性实施例的剖视图的示意图，示出了输入端口。
17.图5是示出微流体装置的示例性实施例的剖视图的示意图，示出了输出端口。
18.图6是示出微流体装置的示例性实施例的剖视图的示意图。
19.图7是示出微流体装置的示例性实施例的另一个剖视图的示意图。
20.图8是示出安装有致动器和马达以形成泵的示例性实施例的微流体装置的示例性实施例的局部剖视图的示意图。
21.图9是示出安装有致动器和马达以形成泵的示例性实施例的微流体装置的示例性实施例的另一局部剖视图的示意图。
具体实施方式
22.已经开发了微流体泵和包含泵的装置，以便为一次性输注装置提供低成本、高精度和低流速的构件。有利的是，即使在非常低的流速下，泵内的流体流速也基本恒定。
23.在描述本发明的组合物和方法之前，应当理解，本发明不限于所描述的特定组合物、方法和实验条件，因为这些组合物、方法和条件可以发生变化。还应当理解，本文中使用的术语仅仅是为了描述特定的实施例，而不是为了进行限制，因为本发明的范围将仅由所附权利要求来限定。
24.如在本说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一个(a/an)”和“所述(the)”包括复数引用，除非上下文另有明确规定。因此，例如，对“所述方法”的引用包括一种或多种方法，和/或本文所述类型的步骤，这对于本领域技术人员来说在阅读本公开等之后将变得显而易见。
25.术语“包括”可与“包含”、“含有”或“特征在于”可互换使用，是包含性的或开放式的语言，并且不排除附加的、未引用的元素或方法步骤。短语“由
……
组成”不包括权利要求中未指定的任何元素、步骤或成分。短语“基本上由
……
组成”将权利要求的范围限制为特定的材料或步骤，以及那些实质上不影响所要求保护的发明的基本和新颖特征的材料或步骤。本公开设想了对应于这些短语中每一个的范围的本发明装置和方法的实施例。因此，包括所述元件或步骤的装置或方法设想了特定实施例，其中装置或方法基本上由这些元件或步骤组成或由这些元件或步骤组成。
26.除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。尽管在本发明的实践或测试中可以使用类似于或等同于本文中描述的任何方法和材料，但是现在描述优选的方法和材料。
27.现在参考图1至7，本发明提供了一种与旋转致动器110结合使用以形成微流体泵200的微流体装置100。微流体装置100包括环形本体50，所述环形本体具有限定开孔62的顶表面52、底表面54和内表面56。一个或多个输入端口40和输出端口42设置在环形本体50内。在各种实施例中，所述一个或多个输入端口40和输出端口42沿着环形本体50的宽度(即，基本平行于轴线c)设置，以在环形本体50的顶表面52与底表面54之间提供流体连通。应当理解，虽然图1和图2仅出于解释目的以横截面形式示出了输入端口40和输出端口42中的每一者，但输入端口40和输出端口42延伸穿过环形本体50。基部58从环形本体50的底表面54延伸。在各种实施例中，基部58通过围绕环形本体50的周边的一部分延展的大致凹形壁60连接到环形本体50的底表面54，从而在基部58与围绕环形本体50的周边的大部分的底表面54之间留下空间。环形本体50可以由任何非弹性材料形成，例如但不限于金属、塑料、非弹性聚合物、硅(诸如晶体硅)或玻璃。在各种实施例中，形成环形本体50的材料是生物惰性的，并且可以通过已知的消毒技术进行消毒。
28.微流体装置100还包括弹性套环70，所述弹性套环的大小和形状形成为适于固定附接到环形本体50，从而填充基部58与其底表面54之间的空间。弹性套环70可以包括顶表面86、底表面88和从顶表面86向下延伸的大致凹形壁90(即，朝向轴线c向内突出)。凹形壁
90可以基本上与环形本体50的凹形壁60的曲率一样。在各种实施例中，弹性套环70可以包括围绕其周边设置的凸缘72，所述凸缘72远离轴线c延伸。凸缘72的大小和形状形成为可以接触环形本体50的底表面54。在各种实施例中，凸缘72可包括形成在其内表面76中的一个或多个入口/出口棘爪74，其中入口/出口棘爪74中的每一者被设置成当与环形本体50的所述一个或多个输入端口40和输出端口42配合时，与环形本体的所述一个或多个输入端口和输出端口对齐并流体连通。
29.弹性套环70可以进一步包括间隙80，使得弹性套环70不是连续的环。间隙80暴露出环形本体50的凹形壁60的一部分，所述部分将输入端口40与输出端口42隔开。如图4和图5中所示，弹性套环70的凹形壁90还可以包括沿着其圆周设置的肋78，所述肋78基本平行于凸缘72定位。肋78提供弹性套环70的增加的横截面厚度，以增加旋转致动器110的压缩强度和啮合(参见图8)。本领域技术人员将会理解，肋78可以形成为多种合适形状中的任何一种，诸如连续凸起元件(如图所示)或一系列凸块(未示出)。在各种实施例中，弹性套环70可以由任何可变形和/或可压缩材料形成，诸如例如橡胶或弹性体。在各种实施例中，弹性套环70由热塑性弹性体形成。
30.如本领域技术人员将理解的那样，环形本体50和弹性套环70可以形成为单独的组件，或者组件可以使用两次注射成型或包覆成型的工艺来接合，在这种情况下，首先将一种聚合物，然后将另一种聚合物注射到模具中以形成单一件。可以利用多种技术将环形本体50固定附接到弹性套环70，其中弹性套环70的凸缘72固定附接到环形本体50的底表面54，并且弹性套环70的底表面88固定附接到环形本体50的基部58。
31.诸如，可以使用紫外光固化粘合剂或允许两个部件在粘合剂固化/产生结合之前相对于彼此移动的其他粘合剂部件接合在一起。合适的粘合剂包括紫外光固化粘合剂、热固化粘合剂、压敏粘合剂、氧敏粘合剂和双面胶带粘合剂。可选地，可以利用焊接工艺(诸如超声波焊接工艺、热焊接工艺、激光焊接工艺和/或扭转焊接工艺)来耦合部件。本领域技术人员将容易理解，弹性和非弹性聚合物可以按照这种方式接合，以实现部件之间的流体密封。
32.基本刚性衬底10设置在环形本体50内，所述刚性衬底具有顶表面12和底表面14，其中锥形延伸部16从底表面14延伸。这样一来，锥形延伸部16的底表面17安置在环形本体50的基部58的内表面59上，而环形本体50的顶表面52邻接并附接到刚性衬底10的底表面14。因此，刚性衬底10形成覆盖环形本体50的凸缘18，使得环形本体50的顶表面52与刚性衬底10的底表面14配合。换句话说，基本刚性本体10的锥形延伸部16的大小和形状形成为适配在环形本体50的开孔62内。在各种实施例中，刚性衬底可以包括在远离轴线c的方向上延伸的延伸部26。微流体通道28可以设置在延伸部26内，所述微流体通道配置为在刚性衬底的出口22与环形本体50的输出端口42之间提供流体连通。
33.因此，弹性套环70的内表面76与刚性衬底10的锥形延伸部16形成不透流体的通道84，其中通道84通过弹性套环70的棘爪74在环形本体50的输入端口40与输出端口42之间提供流体连通。在各种实施例中，弹性套环70的内表面76可以基本上是凹形的(即，远离轴线c突出)，从而进一步限定刚性衬底10与弹性套环70之间的通道84。在各种实施例中，刚性衬底10的锥形延伸部16可以包括形成在其一部分中的凹槽82，其中凹槽82围绕其周边延伸，并且定位成基本平行于环形基部50的顶表面52。当如此设置时，凹槽82用于进一步增加通
道84的容积。
34.入口20和出口22可以设置在刚性衬底10的上表面12中，当刚性衬底10与环形本体50彼此附接时，所述入口和出口都可以定位成与环形本体的一个或多个输入端口40和输出端口42对齐，并因此与它们流体连通。如同环形本体50一样，刚性衬底10可以由任何非弹性材料形成，诸如但不限于金属、塑料、非弹性聚合物、硅(诸如晶体硅)或玻璃。在各种实施例中，刚性衬底10由与环形本体50相同的材料形成，以降低整体制造成本。
35.因此，在这种配置中，微流体装置100依赖于指向轴线c的力来驱动泵送动作。同样，所述配置提供了降低制造成本和便于组装的附加优点。当例如通过变形元件，诸如旋转致动器110的球120将力f(参见图6和图7)施加到弹性套环70和/或环形本体50的凹形壁60上时，弹性套环70的凹形壁90的至少一部分被压缩到形成在弹性套环70与刚性衬底10之间的通道84中，从而在压缩的位点处阻塞通道84的至少一部分，以置换通道84中的一部分流体。当旋转致动器110旋转时，压缩的位点沿着凹形壁90平移，从而导致通道84内的蠕动流体沿旋转方向流动。
36.在各种实施例中，凹形壁90在压缩状态下封闭了通道84在压缩的位点处的至少约50％、至少约75％、至少约90％、至少约95％、至少约97.5％、至少约99％或基本上所有未压缩的横截面积。压缩可以在压缩的位点处在通道84内的弹性套环70与刚性衬底的锥形延伸部16之间产生流体密封。当形成不透流体的密封时，流体(例如液体或气体)被阻止沿着通道84从压缩的位点的一侧流到压缩的位点的另一侧。不透流体的密封可以是暂时的，例如，弹性套环70可以在解除压缩时完全或部分松弛，从而完全或部分地重新打开通道84。通道84可以在未压缩状态下具有第一横截面积，并且在压缩状态下具有第二横截面积。例如，处于压缩状态下的压缩的位点的横截面积与处于未压缩状态下的相同位点的横截面积的比率可以是至少约0.75、至少约0.85、至少约0.925、至少约0.975或约1。本领域技术人员将会理解，在微流体装置100中形成的通道84的表面可以被修改，例如通过改变疏水性。例如，疏水性可以通过应用亲水性材料(诸如表面活性剂)、应用疏水性材料、由具有所需疏水性的材料构建、利用高能束电离表面等来改变。
37.可以使用多种方法将环形本体50固定附接到刚性衬底10。例如，可以使用紫外光固化粘合剂或允许两个部件在粘合剂固化/产生结合之前相对于彼此移动的其他粘合剂将部件接合在一起。合适的粘合剂包括紫外光固化粘合剂、热固化粘合剂、压敏粘合剂、氧敏粘合剂和双面胶带粘合剂。可选地，可以利用焊接工艺(诸如超声波焊接工艺、热焊接工艺和扭转焊接工艺)来耦合部件。在另一个替代方案中，可以使用两次注射成型或包覆成型的工艺来接合部件，在这种情况下，首先将一种聚合物，然后将另一种聚合物注射到模具中，以形成单一件。本领域技术人员将容易理解，弹性和非弹性聚合物可以按照这种方式接合，以实现部件之间的流体密封。
38.现在参考图8至图9，在另一方面中，提供了一种微流体泵200，所述微流体泵利用了本文所述的微流体装置100。因此，微流体泵200包括微流体装置100和旋转致动器110，所述旋转致动器可移除地附接到微流体装置100的基部58。旋转致动器110包括本体112，所述本体中设置有开孔114，其中开孔114的大小和形状形成为适于在其中接纳环形本体50和刚性套环70。一个或多个球120固定附接到本体112的开孔114的内表面116，所述一个或多个球配置为当旋转致动器110旋转时压缩弹性套环70的凹形壁90的一部分。在各种实施例中，
所述一个或多个球120中的每一者可以固定附接到设置在本体112内的弹簧130，以进一步增加施加到微流体装置100的环形弹性体50的力f。当如此设置时，旋转致动器110的弹簧130和球120协同工作以锁定在基部58之上和微流体装置100的凹形壁60和/或弹性套环70上，从而导致旋转致动器110与微流体装置100之间的正向的、可移除的啮合。
39.旋转致动器110对所述一个或多个球120的机械旋转导致压缩的位点沿着微流体装置100的弹性套环70平移，从而产生有效的泵送作用，导致通道84内的流体在旋转致动器110的旋转方向上流动。因此，可以通过改变旋转致动器110内的球120的数目来调节待泵送的体积，其中每个球120之间的间距是待泵送的固定体积量。然后，流体流可以通过设置(或形成)在刚性衬底10的顶表面12上的适当的入口连接件122和出口连接件124进出，其中入口连接件122设置成与入口20流体连通，并且出口连接件124设置成与出口22流体连通。应当理解，入口连接件122可以设置成与包含待分配流体的贮存器210流体连通，而出口连接件124可以设置成与用于将流体施用给受试者的管道或针流体连通。在各种实施例中，入口连接件122和出口连接件124可以形成为鲁尔锁，以提供流体密封配合。
40.在各种实施例中，旋转致动器110的机械旋转可以由通过轴260耦合到旋转致动器110的电动马达250来实现。电动马达250和旋转致动器110可以与电源270和控制器230一起设置在壳体254中，使得当微流体装置100被置于与旋转致动器110正向啮合并且电压272被引导至电动马达250时，旋转致动器110配置为沿着微流体装置100的弹性套环70径向横穿球120。如本领域技术人员将理解的，旋转致动器110相对于微流体装置100的旋转方向决定了通道84内的流动方向。这样一来，本领域技术人员将理解，有利地，通过泵200的流体流动可以是双向的。另外，由于微流体装置100配置为使流体和气体流动，因此气态流体的流动可以在泵200内提供初始灌注液态流体。
41.旋转致动器110因此可以通过从电源270(诸如可充电电池)向控制其运动的电动马达250施加电压272来旋转。这样一来，本发明进一步提供了一种用于执行微流体工艺的方法，所述方法包括向如本文所述的微流体泵200施加电压272。所施加的电压272激活电动马达250，所述电动马达使附接到其上的旋转致动器110旋转，从而导致压缩的位点沿着弹性套环70重复平移。
42.可将每秒宽范围的脉冲施加到电动马达250，从而在微流体装置100内实现宽范围的流速。流体流动可以基本上是恒定的，即使在非常低的流速下，施加在流体上的剪切力也很小或没有剪切力。泵200的这些特性提高了输送的流体量的准确性(例如，能够输送微量输注流体)，同时低流速提供了一致的输送，而没有团注量的影响。因此，低的、恒定的泵送流速对于确保定量给料的准确性也非常有用。
43.以下示例性实施例描述了本发明的微流体泵200在低成本、一次性装置中的使用，所述装置用于向受试者施用流体(例如，胰岛素)。泵200可以包括贮存器210，所述贮存器包含待施用给受试者的流体(例如，胰岛素)，其中贮存器210与微流体装置100的入口122流体连通。微流体装置100的出口124可以连接到插入受试者的组织(即皮下脂肪或肌肉)的管道(例如导管)或针220。微流体泵200可以包括控制器230，所述控制器配置为将电压272从电源270引导至马达250，从而在一天中的适当时间向受试者施用预定量的流体，或者如果适当，提供连续的皮下治疗(例如，胰岛素治疗)。所述装置的所有前述组件(即，微流体装置100、旋转致动器110、马达250、电源270、控制器230和贮存器210)可以设置在单个壳体254
内。因此，所述装置可以配置为使得微流体装置100和贮存器210是一次性的，诸如被提供在一次性卡上，当贮存器210内的所有或大部分流体已经施用给受试者时，替换所述卡。
44.在描述本发明的微流体泵200的使用的另一个示例性实施例中，微流体泵200可以用作低成本的一次性采样装置，用于对疾病的动物模型进行药物测试。泵200可以包括多个空的贮存器210，所述多个空的贮存器配置为容纳来自受试者(例如动物模型)的样本(例如血液)，其中每个贮存器210与微流体装置100的入口122(其用作样本出口)流体连通。微流体装置100的出口124(用作样本入口)可以连接到插入到受试者的组织(即皮下脂肪或肌肉)或静脉中的管道(例如导管)或针220。如上所述，微流体泵200可以包括控制器230，所述控制器配置为在一天中的特定时间和/或一周中的特定日子将电压272从电源270引导至马达250，从而从受试者获得周期性样本。例如，这种定期采样可用于监测受试者体内随时间推移的药物疗效。同样，所述装置可用于需要少量精确采样气体的分析的气体材料采样(例如质谱分析)。
45.在各种实施例中，控制器230可以配置为与手持装置240(诸如移动电话或平板电脑)进行有线或无线通信。无线通信可以从由红外传输、蓝牙协议、射频、紫蜂无线技术、全球定位系统、无线网络、wimax和移动电话组成的群组中选择，并且可以配置为发送/接收信息，所述信息包括但不限于被分配的流体(例如，胰岛素)的量、分配的时间和/或持续时间、贮存器210中剩余的流体(例如，胰岛素)的量、采样时间、采样持续时间、贮存器中剩余的用于进一步采样的体积量等。在各种实施例中，手持装置240还可以配置为通过附接到受试者的一个或多个无线传感器来监测受试者的一个或多个生理特征，例如但不限于受试者的血糖水平、胰岛素水平和温度。
46.尽管已经参照上述公开内容描述了本发明，但是应当理解，修改和变化涵盖在本发明的精神和范围内。因此，本发明仅由以上权利要求书限制。