专利名称：无针注射器的制作方法
技术领域：
本发明的现有技术将诸如药物之类的液体注入病人或饲养动物体内是以许多方式完成的。最容易的递送药物方法之一是通过作为身体最外面的保护层的皮肤。它是由包括角质层、粒层、棘层和基底层的表皮和其中包含毛细管层的真皮组成的。角质层是由死亡的细胞组织组成的坚韧的鳞状层。它从皮肤表面延伸大约10-20微米而且没有血液供应。因为这层细胞的密度，穿越皮肤将化合物移入或移出身体可能是非常困难的。
当前用来通过皮肤局部递送药物的技术包括使用针或其它皮肤穿刺装置的方法。诸如使用针或柳叶刀之类的侵入程序有效地克服角质层的障碍功能。然而，这些方法有一些主要的缺点局部皮肤损伤、出血、注入部位感染的危险和制造必须丢弃的受污染的针或柳叶刀。此外，当这些装置被用来给饲养动物注射药物的时候，针有时折断而且嵌在动物体内。
因此，能够在没有针断在动物体内的情况下迅速地通过皮肤注射精确的小体积药物将是便利的。
本发明的概述一些人已建议使用无针装置将药物有效地送入生物体内。例如，在一些被提议的装置中，压缩气体被用来将药物从舱室喷出到体内。在另一种装置中，旋塞弹簧被释放，然后对舱室施力，以便喷出药物。然而，在这些类型的装置中，对药物施加的压力随着气体膨胀或弹簧伸长逐渐减少。然而，人们想要的是在注射期间注射压力保持不变或逐渐增加。
本发明的一个方面，注射器包括有壳体，壳体包括舱室，用来保存将被注入生物体的活性成分的液体制剂；以及与舱室流体沟通输出口，液体制剂通过输出口注射。活塞位于壳体里面而且包括形状实质上与舱室相同的末端部分。磁力将活塞和壳体拉在一起以便通过输出口将液体制剂喷出舱室。
这个方面的实施方案可以包括一个或多个下述特征。输出口可以有50微米到200微米的直径，而且舱室可以有锥形形状。注射器包括用来使液体制剂填充舱室的入口。注射器包括附着在活塞上用形状记忆合金制成的执行元件。当电压加到执行元件上的时候，执行元件移动活塞使之远离壳体。当电压被撤除的时候，活塞向壳体移动。执行元件是形状记忆合金的纤维，而且形状记忆合金可能是Ni-Ti。形状记忆合金是大约10毫米到200毫米长，而且当电压加到合金的时候它缩短大约0.5毫米到10毫米。当电压加到合金的时候，形状记忆合金结构改变金相，从马氏体变成奥氏体。
在一些实施方案中，注射器包括在放电时施加电压的电容器。电容器有至少10焦耳的能量输出而且可能是大约100焦耳。
注射器有至少1MPa的注射压力和大约300MPa的最大注射压力。在某些实施方案中，注射器有大约1秒的周期时间。
本发明的另一方面，执行元件包括在磁力产生的张力下收缩的材料和能够对纤维释放电压引起纤维缩短的电容器。当电压被撤除的时候，纤维松弛到拉伸状态。收缩材料可以是形状记忆合金，或一种或多种收缩聚合物，或任何其它适当的收缩材料。
本发明的第三方面，注射器包括有用来保存将被注入生物体内的活性成分的液体制剂的舱室和与舱室流体连通并且通过它注射液体制剂的输出口的壳体。活塞被放在壳体里面而且包括形状实质上与舱室相同的末端部分。执行元件附着在活塞上而且是用形状记忆合金制成的。活塞和壳体被磁力拉到一起，当电压加到执行元件上的时候，执行元件移动活塞使之远离壳体，当电压被撤除的时候，活塞向壳体移动，以便通过输出口将液体制剂喷出舱室。
本发明的相关方面包括用具有一个或多个上述特征的注射器将活性成分的液体制剂注入生物体内的方法和操纵形状记忆合金纤维的方法。
本发明的实施方案能具有一个或多个下述优势。注射器是自备的和便携的。由于注射程序是无针的，所以不存在可能折断并保留在生物体内的针。由于注射器能非常迅速地再次装满，所以能在短的时间周期内给许多动物注射液体制剂。此外，由于注射器装有足够多次注射的液体制剂，所以操作员能够在再次填充储罐或一组储罐或获得有装满的储罐的另一个注射器之前用单一的注射器给许多动物注射。
附图简要说明本发明的上述的和其它的目的、特征和优势从下面在同样的参考符号在不同的视图中处处表示相同的零部件的附图中举例说明的本发明的优选实施方案的更具体的描述将变得显而易见。这些图画不必依比例绘制，而是将重点放在举例说明本发明的原则上。
图1是依照本发明的药物递送装置的示意侧视图。
图2A是图1的药物递送装置的形状记忆合金执行元件的高张力时间响应的曲线图。
图2B是当执行元件经受快速脉冲电压的时候形状记忆合金执行元件的时间响应的曲线图。
本发明的详细描述本发明的优选实施方案描述如下。
参照图1，在那里展示用来将活性成分的液体制剂(例如，药物)注入生物体(例如，饲养动物)体内的输送装置10的示意图。药物最初被装在装置的舱室12中，而且是通过孔口13注射出来进入动物体内的。药物储罐14为舱室12供应数量足够每次注射用的药物而且保存足够大约20次到200次以上注射用的药物。作为替代，而且特别适合供人使用，个别的剂量可以由按顺序与递送装置耦合的众多储罐中提供。
装置10包括套承(类似缸筒，与内部柱塞呈间隙配合)18，活塞20被放置在其中。执行元件22的一端附着在活塞20上，而另一端附着在表面24上。表面24和套承18以某种方式安装在，例如，施放器里面，以致活塞20能够相对于套承18和表面24按双箭头A的方向来回移动。
套承18包括具有入口28、孔30和锥形段32的外壳26。活塞20包括用狭窄的间隙g(例如50微米到250微米，优选100微米)与孔30的内表面隔开形成间隙密封的圆柱段34和形状与套承18的锥形段32相同的末端段36。活塞的末端段36和套承的锥形段32界定了通过入口28接受来自储罐14的预期数量的药物的舱室12。阀门38位于入口28之内或位于入口和储罐14之间，而且按微处理器之类的控制器39指导的方向打开和关闭，以便允许供每次注射的预期数量的药物进入舱室12。此外，为了防止药物从舱室12逸出在套承18和活塞20之间有环形密封件40。
执行元件22包括1根到10根以上彼此平行排列的纤维42。纤维42的一端44通过夹钳46附着到表面24上，而另一端48通过另一个夹钳50附着在活塞20上，以致纤维42处在张力之下。每根纤维42都沿着它的长度用绝缘涂层与其它的纤维绝缘。此外，末端48在夹钳50中彼此绝缘，然而末端44是通过夹钳46彼此电接触的。当电压加到末端44上的时候，纤维42收缩，移动活塞20使之远离套承18。
在对它们施加电压时收缩的一类材料包括压电晶体和形状记忆合金。尽管压电晶体收缩大约1％，但是形状记忆合金能够收缩大约5％。形状记忆合金比较大的收缩使它们就举例说明的实施方案而言变成符合需要的。因此，纤维42是用形状记忆合金(例如，按商标Nitinol买到的Ni-Ti)制成的。当来自电源52的电压也按控制器39的方向加到纤维42的末端44上的时候，纤维发热。在纤维发热时，纤维材料发生金相转变，即纤维从马氏体变成奥氏体。这种金相转变引起纤维42收缩，以致活塞20被拉开，远离套承18。形状记忆合金的更详细的描述以及它们的用途是在将其内容完整地并入的美国专利第5,092,901号中描述的。
在当前讨论的实施方案中，活塞20和套承18的锥形段32是永久磁铁，以致锥形段32和末端段36被相反地极化。当电压被撤除的时候，纤维42松弛，磁力迫使套承和活塞迅速地集合在一起。因为磁力与表面之间距离的平方成反比，所以力通过行程迅速增大。通过使用永久磁铁而不是电磁铁，回避了电磁铁的比较大的质量和功率需求，虽然在一些其它的实施方案中，使用电磁铁。另外，在一些实施方案中，锥形段32是金属而不是永久磁铁。
电源52包括用一组电池55激励的超级电容器53。因此，电压是在超级电容器53通过闭合的开关56放电时加到纤维42上的，而在超级电容器用电池55再次充电时被撤除。电源52也备有通/断开关57。虽然任何电容器都能被用来在电容器放电时把电压加到纤维42上，但是超级电容器具有以小的实际尺寸提供大能量密度的有利特征。超级电容器53具有从1.5毫升到30毫升(优选3毫升)的体积和10焦耳到1千焦耳(优选100焦耳)的能量输出。加到纤维42上的电流是大约100毫安到5安培，而加到纤维上的电压介于大约1伏特和10伏特之间。在一个实施方案中，施加的电流是1安培，而施加的电压是5伏特。
纤维42的长度l1为大约10毫米到200毫米，优选100毫米，以致在收缩时将活塞20拉离套承18的距离l2为大约0.5毫米到10毫米，优选5毫米。纤维42可以具有圆形的横截面，在这种情况下每根纤维42具有大约0.025毫米到2毫米的直径。作为替代，每根纤维都可以具有平坦的缎带形状，其厚度大约在0.025毫米到0.5毫米的范围内，其宽度大约为0.75毫米到10毫米。其它适当的形状记忆合金包括Ag-Cd、Au-Cd、Au-Cu-Zn、Cu-Al、Cu-Al-N、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Ga、Cu-Zn-Si、Cu-Zn-Sn、Fe-Pt、Fe-Ni、In-Cd、In-Ti，Ti-Nb和Ti-Ni。
参照图2A和2B，在那里展示用Ni-Ti制成的纤维42的时间响应的曲线图。经受接近5％的应变的纤维的响应展示在图2A中。如同人们能看到的那样，对于这种纤维收缩时间是大约10毫秒。反之，图2B举例说明经受比加到图2A的纤维上的脉冲快的脉冲的纤维。采用更快速的脉冲，纤维经历大约1％的应变，而收缩时间是大约1毫秒。
在使用中，装置10通常被安装在操作员拿着的施放器之内。施放器被制成手枪形、圆筒形或任何其它适当的几何形状。在操作员激活装置10之前，磁力以某种方式将活塞20和套承18结合在一起，以致活塞20的末端段36坐在套承18的锥形段32中而且与所述的锥形段接触。
操作员这样放置施放器，以致套承18的表面60顶住动物(例如，猪)的皮肤，然后用开关57打开装置10。然后，操作员触发装置10，以致控制器38将开关56闭合，从而允许超级电容器53放电，借此将电压加到纤维42上，引起它们收缩。因此，当纤维42收缩时，它们将活塞20拉离套承18，从而在套承的锥形段32和活塞的末端段36之间界定舱室12。控制器39同时指令阀门38打开，以允许药物通过入口28从储罐14流入舱室12。在规定的时间周期之后，控制器39指示阀门38关闭，以便将一次注射所需数量的药物保存在舱室12中。
接下来，开关56被断开，以便在电池55再次给超级电容器53充电时，给纤维42的电压被撤消，于是纤维42松弛。当这种情况发生时，因为套承18和活塞20之间磁性吸引，活塞20的末端段36向锥形段32加速。随着末端段36和锥形段32往一起靠拢，舱室12的体积逐渐减小，借此通过孔口13将药物从舱室12喷到皮肤之中。请注意当末端段36和锥形段32会合的时候，通过孔口13加到药物上的注射压力增加，因为末端段36向锥形段32移动的速度与两者之间的距离的平方呈反比地增加。此外，锥形段32的特定形状使声波向下变窄以提供较高的放大。注射压力是至少1MPa而且能高达300MPa。
电池55为了下一次注射给超级电容器53再次充电，而操作员将施放器从动物身上移开并且开始处理新的动物。
在当前的应用中，储罐14装有足够大约100次到200次注射的药物。当储罐14被耗尽的时候，操作员拿起另一个施放器继续进行处理。作为替代，储罐14可以是可拆卸的药筒，以致操作员容易用装满药物的另一个药筒更换。
尽管这项发明已参照其优选的实施方案被具体地展示和描述，但是熟悉这项技术的人将理解在不脱离权利要求书所囊括的本发明的范围的情况下在形式和细节方面可以有各种不同的变化。例如，在替代实施方案中，套承18备有压力或力传感器100(图1)以使前面描述的整个注射过程被自动地触发。在这样的实现中，操作员仅仅将套承18的表面60顶住皮肤，当传感器100检测到在皮肤和表面60之间存在适当的接触力或压力的时候，装置10就被触发，将药物注射到动物体内，随后为下一个动物再次扳动扳机或再次加载。在另一个替代实施方案中，会收缩的聚合物或任何其它适当的收缩材料能被用来代替形状记忆合金。
权利要求
1.一种注射器，其中包括壳体，壳体包括舱室，用来保存将被注入生物体的活性成分的液体制剂；以及与舱室流体沟通的输出口，液体制剂通过输出口注射；位于在壳体内部的活塞，其末端部分的形状实质上与舱室相同；活塞和舱室被磁力拉在一起以便将液体制剂通过输出口喷出壳体。
2.根据权利要求1的注射器，进一步包括入口，用来将液体制剂充入舱室。
3.根据权利要求1的注射器，进一步包括执行元件，该执行元件附着在活塞上，由形状记忆合金制成，当电压加到执行元件上的时候，执行元件移动活塞使之远离壳体，当电压被撤除的时候活塞向壳体移动。
4.根据权利要求3的注射器，其中执行元件是一根或多根形状记忆合金的纤维。
5.根据权利要求3的注射器，其中形状记忆合金是Ni-Ti。
6.根据权利要求3的注射器，其中形状记忆合金是大约10毫米到200毫米长。
7.根据权利要求6的注射器，当电压被加到形状记忆合金上的时候，其中的形状记忆合金缩短大约0.5毫米到10毫米。
8.根据权利要求3的注射器，当电压被加到合金上的时候，其中的形状记忆合金的结构改变金相，从马氏体到奥氏体。
9.根据权利要求3的注射器，进一步包括电容器，当电容器放电的时候，电压被加到执行元件上。
10.根据权利要求9的注射器，其中电容器有大约100焦耳的能量输出。
11.根据权利要求9的注射器，其中电容器有至少大约10焦耳的能量输出。
12.根据权利要求1的注射器，其注射器有大约300MPa的最大注射压力。
13.根据权利要求1的注射器，其注射器有至少1Mpa的注射压力。
14.根据权利要求1的注射器，其中注射器有大约一秒的周期时间。
15.根据权利要求1的注射器，其中输出口有大约50微米到200微米的直径。
16.根据权利要求1的注射器，其中舱室有锥形形状。
17.根据权利要求1的注射器，其中液体制剂是药物。
18.根据权利要求1的注射器，进一步包括附着在活塞上用可收缩的聚合物制成的执行元件，当电压加到执行元件上的时候执行元件移动活塞使之远离壳体，而当电压被撤除的时候，活塞向壳体移动。
19.根据权利要求1的注射器，进一步包括附着在活塞上用收缩材料制成的执行元件，当电压加到执行元件上的时候执行元件移动活塞使之远离壳体，而当电压被撤除的时候，活塞向壳体移动。
20.一种执行元件，其中包括形状记忆合金的纤维，张力是由磁力产生的；以及电容器，它对纤维放电，引起纤维收缩，当电压被撤除的时候，纤维松弛到拉伸状态。
21.根据权利要求20的执行元件，其中执行元件是一根或多根形状记忆合金的纤维。
22.根据权利要求20的执行元件，其中形状记忆合金是Ni-Ti。
23.根据权利要求20的执行元件，其中形状记忆合金是大约10毫米到200毫米长。
24.根据权利要求23的执行元件，当电压加到合金上的时候，其中的形状记忆合金缩短大约0.5毫米到10毫米。
25.根据权利要求20的执行元件，当电压加到合金上的时候，其中的形状记忆合金结构改变金相，从马氏体变成奥氏体。
26.根据权利要求20的执行元件，其中电容器有大约100焦耳的能量输出。
27.根据权利要求20的执行元件，其中电容器有至少10焦耳的容量。
28.一种注射器，其中包括壳体，壳体包括舱室，用来保存将被注入生物体的活性成分的液体制剂；以及与舱室流体沟通的输出口，液体制剂是通过输出口注射的；放置在壳体里面的活塞，其末端部分的形状与舱室实质上相同；以及执行元件，该执行元件附着在活塞上，并由形状记忆合金制成，活塞和壳体被磁力拉在一起，当电压加到执行元件上的时候，执行元件移动活塞使之远离壳体，当电压被撤除的时候，活塞向壳体移动，将液体制剂通过输出口从舱室释放。
29.一种执行元件，其中包括在张力之下缩短的材料，张力是由磁力产生的；以及电容器，它对纤维放电引起纤维收缩，当电压被撤除的时候，纤维松弛到拉伸状态。
30.根据权利要求29的执行元件，其中的缩短材料是形状记忆合金。
31.根据权利要求29的执行元件，其中收缩材料是会收缩的聚合物。
32.一种将活性成分的液体制剂注入生物体内的方法，该方法包括将活性成分的液体制剂保存在壳体的舱室中，舱室与输出口流体连通，通过输出口注射液体制剂；活塞位于壳体内，活塞包括形状实质上与舱室相同的末端部分；以及将磁力加在壳体和活塞之间，以便把活塞和壳体拉在一起；随着活塞向壳体移动，通过输出口将液体制剂从舱室喷出。
33.根据权利要求32的方法，进一步包括用液体制剂通过壳体的入口充入舱室。
34.根据权利要求32的方法，进一步包括把电压加到附着在活塞上的执行元件上，使活塞移动，使之远离壳体，以及除去电压，使活塞向壳体移动。
35.根据权利要求34的方法，进一步包括使电容器放电，以便将电压加到执行元件上。
36.根据权利要求35的方法，其中电容器有大约100焦耳的能量输出。
37.根据权利要求35的方法，其中电容器有至少10焦耳的能量输出。
38.根据权利要求34的方法，其中执行元件是用形状记忆合金制成的。
39.根据权利要求38的方法，其中形状记忆合金是Ni-Ti。
40.根据权利要求38的方法，其中形状记忆合金是大约10毫米到200毫米长。
41.根据权利要求40的方法，当电压加到合金上的时候，其中的形状记忆合金将缩短大约0.5毫米到10毫米。
42.根据权利要求38的方法，当电压加到合金上的时候，其中的形状记忆合金结构改变金相，从马氏体变成奥氏体。
43.根据权利要求32的方法，其中液体制剂是药物。
44.一种操纵形状记忆合金纤维的方法，该方法包括通过磁力将张力加到纤维上；以及使电容器放电，以便将电压加到纤维上引起纤维缩短，当电压被撤除的时候，纤维被松弛到拉伸状态。
45.根据权利要求44的方法，其中电容器有大约100焦耳的能量输出。
46.根据权利要求44的方法，其中电容器有至少10焦耳的能量输出。
47.根据权利要求44的方法，其中纤维是用形状记忆合金制成的。
48.根据权利要求47的方法，其中形状记忆合金是Ni-Ti。
49.根据权利要求47的方法，其中形状记忆合金是大约10毫米到200毫米。
50.根据权利要求49的方法，其中当电压加到合金上的时候，形状记忆合金缩短大约0.5毫米到10毫米。
51.根据权利要求47的方法，当电压加到合金上的时候，其中的形状记忆合金结构改变金相，从马氏体变成奥氏体。
全文摘要
注射器(10)具有壳体，壳体包括舱室(12)，用来保存将被注入生物体的活性成分的液体制剂；以及输出口(13)，通过它注射液体制剂并与舱室(12)流体沟通。壳体活塞(20)放置在壳体里面，其末端部分(36)的形状实质上与舱室相同。磁力把活塞(20)和壳体拉在一起，以便通过输出口(13)将液体制剂喷出舱室。
文档编号F03G7/06GK1602211SQ02824660
公开日2005年3月30日 申请日期2002年10月18日 优先权日2001年10月26日
发明者艾米·B·安吉尔, 伊恩·W·亨特 申请人:麻省理工学院