層流液滴發(fā)生器裝置以及使用方法
【專利說(shuō)明】層流液滴發(fā)生器裝置以及使用方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)
[0002] 本申請(qǐng)要求美國(guó)申請(qǐng)No. 61/646721(申請(qǐng)日為2012年5月14日，標(biāo)題為"Ejector Mechanism, Ejector Device and Methods of Use"）和美國(guó)申請(qǐng) No. 61/722600(申請(qǐng)日為 2012 年 11 月 5 日，標(biāo)題為 "Laminar Flow Droplet Generator Device and Methods of Use"），這兩篇文獻(xiàn)的內(nèi)容整個(gè)結(jié)合到本申請(qǐng)中，作為參考。
【背景技術(shù)】
[0003] 使用噴霧裝置來(lái)給予成霧或噴霧形式的產(chǎn)品是很可能用于安全和容易使用產(chǎn)品 的領(lǐng)域。需要噴霧裝置的一個(gè)重要領(lǐng)域是眼藥的供給。不過(guò)，提供這種裝置的主要難題是 提供一致和準(zhǔn)確的合適劑量供給。另外，多劑量的噴霧裝置可能由于與未消毒的外部環(huán)境 相互作用而被污染。
[0004] 因此，需要一種供給裝置，它將安全、合適和可重復(fù)的劑量供給患者，用于眼、局 部、口、鼻或肺部使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明部分涉及將安全、合適和可重復(fù)的劑量供給患者的噴射器機(jī)構(gòu)、噴射器裝 置和方法，用于眼、局部、口、鼻或肺部使用。本發(fā)明涉及能夠?qū)⒋_定體積的流體以定向液滴 流的形式供給的噴射器裝置和流體供給系統(tǒng)，它們的特點(diǎn)是在施加時(shí)提供充分和可重復(fù)的 高百分比液滴沉積。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明，提供了一種壓電噴射器裝置，該壓電噴射器裝置設(shè)計(jì)成最小化在驅(qū) 動(dòng)時(shí)進(jìn)入裝置內(nèi)的空氣，如后面更詳細(xì)所述。噴射器機(jī)構(gòu)可以包括發(fā)生器板和壓電促動(dòng)器， 該壓電促動(dòng)器可操作成直接或間接地使得發(fā)生器板以一定頻率震蕩，以便產(chǎn)生流體液滴的 定向流。發(fā)生器板包括面對(duì)流體的表面、液滴噴射表面和多個(gè)開口，這些開口穿過(guò)發(fā)生器板 的、在表面之間的厚度而形成。根據(jù)本發(fā)明，發(fā)生器板和它的多個(gè)開口設(shè)置成在液體從面對(duì) 流體的表面通向液滴噴射表面時(shí)通過(guò)促使液體層流流動(dòng)而最小化在震蕩過(guò)程中從液滴噴 射表面通過(guò)該多個(gè)開口通向面對(duì)流體的表面的空氣流。
【附圖說(shuō)明】
[0007] 圖1表示了根據(jù)本發(fā)明方面的示例湍流和層流；
[0008] 圖2表示了根據(jù)本發(fā)明方面的示例發(fā)生器板開口幾何形狀，導(dǎo)致湍流（左側(cè)）和 層流（右側(cè)）；
[0009] 圖3表示了根據(jù)本發(fā)明方面的示例發(fā)生器板開口幾何形狀，導(dǎo)致湍流（左側(cè)）和 層流（右側(cè)）；
[0010] 圖4表示了根據(jù)本發(fā)明方面的層流發(fā)生器板開口的示例曲率；
[0011] 圖5表示了根據(jù)本發(fā)明方面的層流發(fā)生器板開口的示例曲率；
[0012] 圖6表示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的管/開口的進(jìn)口長(zhǎng)度參數(shù)；
[0013] 圖7表示了根據(jù)本發(fā)明方面的、作為雷諾數(shù)的函數(shù)的初始湍流進(jìn)口長(zhǎng)度的曲線 圖；
[0014] 圖8表示了非層流NiCo噴射器的一個(gè)實(shí)施例在根據(jù)本發(fā)明的操作中；
[0015] 圖9表示了層流NiCo噴射器的另一實(shí)施例在根據(jù)本發(fā)明的操作中；
[0016] 圖10表示了非層流PEEK噴射器的一個(gè)實(shí)施例在根據(jù)本發(fā)明的操作中；
[0017] 圖11表示了層流PEEK噴射器的另一個(gè)實(shí)施例在根據(jù)本發(fā)明的操作中；
[0018] 圖12-14表示了液滴發(fā)生器板的不同實(shí)施例的噴射器表面的三維圖；
[0019] 圖15表示了根據(jù)本發(fā)明的液滴發(fā)生器板孔的側(cè)視圖；
[0020] 圖16表示了根據(jù)本發(fā)明方面的噴射器裝置的剖視圖；
[0021] 圖17A和B表示了用于圖16的噴射器裝置的驅(qū)動(dòng)噴射器板的剖視圖；
[0022] 圖18是本發(fā)明的噴射器機(jī)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例的平面圖；
[0023] 圖19是本發(fā)明的對(duì)稱噴射器機(jī)構(gòu)的分解圖；以及
[0024] 圖20是本發(fā)明的對(duì)稱噴射器機(jī)構(gòu)的平面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 本發(fā)明通常涉及例如用于流體供給的壓電噴射器裝置，例如將眼科流體供給眼 睛。噴射器裝置可以包括噴射器組件，該噴射器組件包括噴射器機(jī)構(gòu)和流體供給源。在某些 方面，噴射器機(jī)構(gòu)可以包括壓電促動(dòng)器和液滴發(fā)生器板，該壓電促動(dòng)器和液滴發(fā)生器板可 操作成當(dāng)促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)以便直接或間接地使得發(fā)生器板震蕩時(shí)產(chǎn)生流體液滴的定向流。流體 包括但不局限于懸浮液或乳液，它們的粘性在能夠使用噴射器機(jī)構(gòu)來(lái)形成液滴的范圍內(nèi)。
[0026] 在微槽道中的壓電液滴產(chǎn)生和流動(dòng)取決于在流過(guò)微孔的液體之間的復(fù)雜相互作 用、流體表面相互作用、出口孔直徑、進(jìn)口空腔幾何形狀、毛細(xì)管長(zhǎng)度、噴射器材料的機(jī)械特 性、機(jī)械位移的幅值和相以及噴射器板的位移頻率。而且，流體特性（例如粘性、密度和表 面能）在液滴形成中起到重要作用。根據(jù)本發(fā)明的某些方面，發(fā)展了新穎的噴射器孔結(jié)構(gòu) 和幾何形狀，它優(yōu)化了液滴產(chǎn)生動(dòng)力學(xué)和微流體流動(dòng)。例如，某些實(shí)施例涉及計(jì)算機(jī)控制激 光微機(jī)械加工，這提供了注射器表面和噴嘴幾何形狀的三維形態(tài)精確控制。這提供了對(duì)流 體速度放大、阻力、湍流和高粘性流體的閥調(diào)節(jié)的獨(dú)立控制。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明，提供了一種壓電噴射器裝置，該壓電噴射器裝置設(shè)計(jì)成在驅(qū)動(dòng)時(shí)最 小化空氣到裝置內(nèi)的吸入，如后面進(jìn)一步所述。如上所述，噴射器機(jī)構(gòu)包括發(fā)生器板和壓電 促動(dòng)器，該壓電促動(dòng)器可操作成直接或間接地使得發(fā)生器板以一定頻率震蕩，以便產(chǎn)生流 體液滴的定向流。發(fā)生器板包括面對(duì)流體的表面、液滴噴射表面和多個(gè)開口，這些開口穿過(guò) 發(fā)生器板的在表面之間的厚度而形成。如在本發(fā)明公開的多個(gè)實(shí)施例中所述，發(fā)生器板和 它的多個(gè)開口設(shè)置成在產(chǎn)生定向液滴流的過(guò)程中最小化從液滴噴射表面通過(guò)該多個(gè)開口 到面對(duì)流體的表面的空氣流。如這里所述，最小化空氣流將局部導(dǎo)致定向液滴流的層流流 動(dòng)。作為【背景技術(shù)】（但并不由理論限制），空氣在操作過(guò)程中進(jìn)入噴射器裝置內(nèi)可能導(dǎo)致在 裝置內(nèi)的不可預(yù)期性能，它不僅可能改變裝置的操作，而且在很多情況下可能導(dǎo)致故障。再 有（而并不是限制），本發(fā)明的噴射器機(jī)構(gòu)的噴射區(qū)域的振動(dòng)泵狀動(dòng)作產(chǎn)生壓力梯度，該壓 力梯度沿液滴噴射方向以及沿噴射的相反方向。當(dāng)壓力梯度與噴射的方向相反地對(duì)準(zhǔn)時(shí)， 在周圍區(qū)域中的空氣也可能通過(guò)噴射器開口而進(jìn)入在有效區(qū)域后面的低壓區(qū)域中。
[0028] 不過(guò)，可以通過(guò)在噴射器開口后面存在流體而防止空氣通過(guò)該噴射器開口進(jìn)入， 從而阻止空氣進(jìn)入系統(tǒng)。在某些情況下，空氣可以通過(guò)由在處理過(guò)程中產(chǎn)生的間隙來(lái)形成 的通路而進(jìn)入系統(tǒng)，這干擾了合適的對(duì)稱充裝條件。這些處理產(chǎn)生了在液體和空氣之間的 無(wú)序湍流區(qū)域，這能夠產(chǎn)生超壓，它包封已經(jīng)進(jìn)入開口內(nèi)的空氣以便產(chǎn)生氣泡。
[0029] 空氣能夠通過(guò)克服發(fā)生器板開口的阻力而進(jìn)入系統(tǒng)的一種方式是通過(guò)在噴射器 機(jī)構(gòu)的流體側(cè)的流體湍流，該流體湍流由流體流中的突然轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生，例如當(dāng)流體進(jìn)入發(fā) 生器板的流體儲(chǔ)存器側(cè)時(shí)。快速運(yùn)動(dòng)的流體由于在轉(zhuǎn)變點(diǎn)處的較大和突然的斜度變化而經(jīng) 歷突然的流動(dòng)變化。參考圖1A，流體"超過(guò)"轉(zhuǎn)變點(diǎn)區(qū)域，并剪切下面的流體，從而導(dǎo)致旋 渦或"射流縮"，這是非零渦度區(qū)域。如圖IA所示，這導(dǎo)致渦度ω (該渦度是流體速度的函 數(shù)）有大于〇的值。相反，當(dāng)逐漸轉(zhuǎn)變時(shí)，如圖IB中所示，不會(huì)發(fā)生剪切，且避免旋渦（渦 度 ω = 〇)。
[0030] 參考圖2,在左側(cè)的發(fā)生器板表示突然轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致湍流流動(dòng)和無(wú)序噴霧，這使 得外部空氣能夠在操作過(guò)程中通過(guò)發(fā)生器板開口進(jìn)入系統(tǒng)中。所示的發(fā)生器板開口包括具 有從流體儲(chǔ)存器側(cè)向液滴噴射側(cè)的較大轉(zhuǎn)變的形狀，這促使形成旋渦，從而導(dǎo)致流動(dòng)破碎 和在開口內(nèi)形成間隙。相反，在右側(cè)的發(fā)生器板開口具有從流體儲(chǔ)存器側(cè)向液滴噴射側(cè)的 逐漸斜度變化，從而導(dǎo)致層流流動(dòng)和高效噴霧。
[0031] 本發(fā)明通常涉及例如用于流體供給的噴射器裝置，用于眼、局部、口、鼻或肺部使 用，更特別是用于將眼科流體供給眼睛。在一個(gè)實(shí)施例中，噴射器裝置包括噴射器組件，該 噴射器組件包括噴射器機(jī)構(gòu)，該噴射器機(jī)構(gòu)產(chǎn)生可控制的流體液滴流。噴射器機(jī)構(gòu)可以是 電荷隔離機(jī)構(gòu)。流體包括但不局限于懸浮液或乳液，它們的粘性在能夠使用噴射器機(jī)構(gòu)來(lái) 形成液滴的范圍內(nèi)。流體可以包括藥物和藥劑產(chǎn)品。
[0032] 如這里更詳細(xì)所述，噴射器機(jī)構(gòu)可以形成定向液滴流，該液滴流可以指向目標(biāo)。液 滴可以一定的尺寸分布形成，各分布具有平均液滴尺寸。平均液滴尺寸可以在大約15微米 至超過(guò)400微米的范圍內(nèi)，大于20微米至大約400微米，大約20微米至大約80微米，大約 25微米至大約75微米，大約30微米至大約60微米，大約35微米至大約55微米，大約20 微米至大約200微米，大約100微米至大約200微米等。不過(guò)，根據(jù)預(yù)定用途，平均液滴尺 寸可以為2500微米。而且，液滴可以有大約0. 5m/s至大約100m/s的平均初始速度，例如 大約0. 5m/s至大約20,例如0. 5至10m/s，大約lm/s至大約5m/s，大約lm/s至大約4m/s， 大約2m/s等。這里使用的噴射尺寸和初始速度是當(dāng)液滴離開噴射器板時(shí)液滴的尺寸和初 始速度。指向目標(biāo)的液滴流將導(dǎo)致一定質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的液滴（包括它們的組分）沉積在目標(biāo) 上。
[0033] 如這里所述，本發(fā)明的噴射器裝置和噴射器機(jī)構(gòu)可以設(shè)置成將大致較低至相對(duì)較 高粘性的流體噴射為液滴流。例如，適合由噴射器裝置使用的流體能夠有非常低的粘性，例 如像水一樣為IcP或更小，例如0.3cP。另外，流體可以有高達(dá)600cP范圍的粘性。更特別 是，流體可以有大約0. 3至100cP、0