專利名稱：無針注射器的制作方法
無針注射器
本申請是2002年10月18日遞交的申請?zhí)枮?2824660.8, 發(fā)明名稱為"無針注射器"的分案申請。
本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)
將諸如藥物之類的液體注入病人或飼養(yǎng)動物體內(nèi)是以-i午多 方式完成的。最容易的遞送藥物方法之一是通過作為身體最外面
的保護(hù)層的皮膚。它是由包括角質(zhì)層、粒層、棘層和基底層的表 皮和其中包含毛細(xì)管層的真皮組成的。角質(zhì)層是由死亡的細(xì)J包組
織組成的堅(jiān)韌的鱗狀層。它從皮膚表面延伸大約10-20孩史米而且
沒有血液供應(yīng)。因?yàn)檫@層細(xì)胞的密度，穿越皮膚將化合物移入或
移出身體可能是非常困難的。
當(dāng)前用來通過皮月夫局部遞送藥物的4支術(shù)包括^吏用4十或其它 皮膚穿刺裝置的方法。諸如使用針或柳葉刀之類的侵入程序有效 地克服角質(zhì)層的障礙功能。然而，這些方法有一些主要的缺點(diǎn) 局部皮膚損傷、出血、注入部位感染的危險(xiǎn)和制造必須丟棄的受 污染的4十或柳葉刀。此外，當(dāng)這些裝置凈皮用來給詞養(yǎng)動物注射藥 物的時4類，針有時4斤斷而且嵌在動物體內(nèi)。
因此，能夠在沒有4十?dāng)嘣趧游矬w內(nèi)的情況下迅速地通過皮膚 注射精確的小體積藥物將是便利的。
本發(fā)明的概述
一些人已建議z使用無針裝置將藥物有效地送入生物體內(nèi)。例 如，在一些被提議的裝置中，壓縮氣體^皮用來將藥物從艙室噴出 到體內(nèi)。在另一種裝置中，旋塞彈簧-皮釋》文，然后對艙室施力， 以《更噴出藥物。然而，在這些類型的裝置中，對藥物施加的壓力 隨著氣體膨脹或彈簧伸長逐漸減少。然而，人們想要的是在注射 期間注射壓力保持不變或逐漸增加。
本發(fā)明的一個方面，注射器包括有殼體，殼體包4舌般室，用
來j呆存將^皮注入生物體的活性成分的液體制劑；以及與般室流體 溝通輸出口，液體制劑通過輸出口注射?；钊挥跉んw里面而且 包^"形狀實(shí)質(zhì)上與搶室相同的末端部分。/磁力將活塞和殼體4立在 一起以《更通過輸出口將液體制劑噴出艙室。
這個方面的實(shí)施方案可以包4舌一個或多個下述特^正。庫命出口 可以有50纟效米到200孩i米的直4圣，而且搶室可以有錐形形4犬。 注射器包括用來使液體制劑填充艙室的入口 。注射器包括附著在 活塞上用形狀記憶合金制成的執(zhí)行元件。當(dāng)電壓加到執(zhí)行元件上 的時候，執(zhí)行元件移動活塞使之遠(yuǎn)離殼體。當(dāng)電壓被撤除的時候， 活塞向殼體移動。執(zhí)4于元件是形狀記憶合金的纖維，而且形狀記 憶合金可能是Ni-Ti。形狀記憶合金是大約10毫米到200毫米長， 而且當(dāng)電壓加到合金的時候它縮短大約0.5毫米到10毫米。當(dāng)電 壓加到合金的時候，形狀記憶合金結(jié)構(gòu)改變金相，從馬氏體變成 奧氏體。
在一些實(shí)施方案中，注射器包括在放電時施加電壓的電容 器。電容器有至少10焦耳的能量輸出而且可能是大約100焦耳。
注射器有至少lMPa的注射壓力和大約300MPa的最大注射 壓力。在某些實(shí)施方案中，注射器有大約1秒的周期時間。
本發(fā)明的另 一方面，扭j于元件包4舌在i茲力產(chǎn)生的張力下收縮 的材料和能夠?qū)w維釋放電壓引起纖維縮短的電容器。當(dāng)電壓被 才敎除的時候，纖維+>弛到拉伸狀態(tài)。收縮材料可以是形狀記憶合 金，或一種或多種收縮聚合物，或任何其它適當(dāng)?shù)氖湛s材料。
本發(fā)明的第三方面，注射器包4舌有用來^f呆存將^皮注入生物體 內(nèi)的活性成分的液體制劑的搶室和與搶室流體連通并且通過它 注射液體制劑的輸出口的殼體。活塞被放在殼體里面而且包括形 狀實(shí)質(zhì)上與搶室相同的末端部分。執(zhí)4亍元件附著在活塞上而且是 用形狀記憶合金制成的?；钊蜌んw被/磁力拉到一起，當(dāng)電壓加 到4丸行元件上的時候，執(zhí)行元件移動活塞使之遠(yuǎn)離殼體，當(dāng)電壓 被:撤除的時候，活塞向殼體移動，以便通過輸出口將液體制劑噴 出搶室。
本發(fā)明的相關(guān)方面包括用具有一個或多個上述特征的注射 器^!夸活+生成分的液體制劑注入生物體內(nèi)的方法和操縱形狀記憶 合金纖維的方法。
本發(fā)明的實(shí)施方案能具有一個或多個下述優(yōu)勢。注射器是自 備的和^f更攜的。由于注射程序是無針的，所以不存在可能折斷并 保留在生物體內(nèi)的針。由于注射器能非常迅速地再次裝滿，所以 能在短的時間周期內(nèi)給許多動物注射液體制劑。此外，由于注射 器裝有足夠多次注射的液體制劑，所以操作員能夠在再次》真充儲 罐或一組儲罐或獲得有裝滿的儲罐的另一個注射器之前用單一 的注射器給許多動物注射。
附圖簡要i兌明
本發(fā)明的上述的和其它的目的、特^正和優(yōu)勢從下面在同樣的參 考符號在不同的視圖中處處表示相同的零部件的附圖中舉例說明 的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的更具體的描述將變得顯而易見。這些圖 畫不必依比例繪制，而是將重點(diǎn)放在舉例說明本發(fā)明的原則上。


圖1是依照本發(fā)明的藥物遞送裝置的示意側(cè)3見圖。
圖2A是圖1的藥物遞送裝置的形狀記憶合金執(zhí)行元件的高 張力時間響應(yīng)的曲線圖。
圖2B是當(dāng)執(zhí)行元件經(jīng)受快速脈沖電壓的時候形狀記憶合金 才丸4亍元4牛的時間響應(yīng)的曲線圖。
本發(fā)明的詳細(xì)描述
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案描述如下。
參照圖1,在那里展示用來將活性成分的液體制劑(例如， 藥物)注入生物體(例如，飼養(yǎng)動物)體內(nèi)的輸送裝置10的示
意圖。藥物最初:陂裝在裝置的艙室12中，而且是通過孔口 13注
射出來進(jìn)入動物體內(nèi)的。藥物儲罐14為搶室12供應(yīng)數(shù)量足夠每 次注射用的藥物而JM呆存足夠大約20次到200次以上注射用的 藥物。作為替代，而且特別適合供人〗吏用，個別的劑量可以由按 順序與遞送裝置耦合的眾多儲罐中提供。
裝置10包括套承(類似缸筒，與內(nèi)部柱塞呈間隙配合)18, 活塞20 ^皮放置在其中。執(zhí)行元件22的一端附著在活塞20上， 而另一端附著在表面24上。表面24和套承18以某種方式安裝在，例如，施放器里面，以致活塞20能夠相對于套承18和表面 24按X5L箭頭A的方向來回移動。
套 K 18包4舌具有入口 28、孑L 30和錐形4殳32的夕卜殼26。活 塞20包括用狹窄的間隙g (例如50微米到250微米，優(yōu)選100 微米)與孔30的內(nèi)表面隔開形成間隙密封的圓柱段34和形狀與 套承18的錐形段32相同的末端段36。活塞的末端4殳36和套承 的錐形段32界定了通過入口 28接受來自儲罐14的預(yù)期數(shù)量的藥 物的搶室12。閥門38位于入口 28之內(nèi)或位于入口和4諸罐14之 間，而且按微處理器之類的控制器39指導(dǎo)的方向打開和關(guān)閉，以 便允許供每次注射的預(yù)期數(shù)量的藥物進(jìn)入搶室12。此外，為了防 止藥物從艙室12逸出在套 K 18和活塞20之間有環(huán)形密封件40。
執(zhí)行元件22包括1根到10根以上彼此平行排列的纖維42。 纖維42的一端44通過夾4計(jì)46附著到表面24上，而另 一端48 通過另一個夾4甘50附著在活塞20上，以致纖維42處在張力之 下。每才艮纖維4 2都沿著它的長度用絕緣涂層與其它的纖維絕緣。 此外，末端48在夾鉗50中彼此絕緣，然而末端44是通過夾鉗 46彼此電接觸的。當(dāng)電壓加到末端44上的時候，纖維42收縮， 移動活塞20使之遠(yuǎn)離套7fc 18。
在對它們施加電壓時收縮的 一類材料包括壓電晶體和形狀記 憶合金。盡管壓電晶體收縮大約1%,但是形狀記憶合金能夠收縮 大約5%。形狀記憶合金比較大的收縮使它們就舉例說明的實(shí)施方 案而言變成符合需要的。因此，纖維42是用形狀記憶合金(例如， 4要商標(biāo)Nitinol買到的Ni-Ti)制成的。當(dāng)來自電源52的電壓也4要 控制器39的方向加到纖維42的末端44上的時候，纖維發(fā)熱。在 纖維發(fā)熱時，纖維材料發(fā)生金相轉(zhuǎn)變，即纖維從馬氏體變成奧氏 體。這種金相轉(zhuǎn)變引起纖維42收縮，以致活塞20被拉開，遠(yuǎn)離
套承18。形狀記憶合金的更詳細(xì)的描述以及它們的用途是在將其 內(nèi)容完整地并入的美國專利第5,092,901號中描述的。
在當(dāng)前討論的實(shí)施方案中，活塞20和套承18的錐形段32 是永久》茲鐵，以致錐形段32和末端^殳36被相反地4及化。當(dāng)電壓 被4敬除的時候，纖維42松弛，磁力迫使套承和活塞迅速地集合 在一起。因?yàn)?P茲力與表面之間距離的平方成反比，所以力通過4亍 程迅速增大。通過使用永久/F茲鐵而不是電^茲鐵，回避了電》茲鐵的 比4交大的質(zhì)量和功率需求，雖然在一些其它的實(shí)施方案中，4吏用 電義茲鐵。另外，在一些實(shí)施方案中，錐形段32是金屬而不是永 久磁鐵。
電源52包4舌用一組電池55激厲力的超級電容器53。因此，電 壓是在超級電容器53通過閉合的開關(guān)56》文電時加到纖維42上 的，而在超級電容器用電池55再次充電時被」慠除。電源52也備 有通/斷開關(guān)57。雖然任何電容器都能被用來在電容器放電時把 電壓加到纖維42上，但是超級電容器具有以小的實(shí)際尺寸提供 大能量密度的有利特征。超級電容器53具有從1.5毫升到30亳 升(優(yōu)選3毫升)的體積和IO焦耳到1千焦耳(優(yōu)選100焦耳) 的能量輸出。加到纖維42上的電流是大約100毫安到5安培， 而加到纖維上的電壓介于大約1伏4爭和IO伏特之間。在一個實(shí) 施方案中，施加的電流是1安培，而施加的電壓是5伏凈爭。
纖維42的長度li為大約10毫米到200毫米，優(yōu)選100毫米， 以致在收縮時將活塞20拉離套承18的距離12為大約0.5毫米到 IO毫米，優(yōu)選5毫米。纖維42可以具有圓形的橫截面，在這種 情況下每根纖維42具有大約0.025毫米到2毫米的直徑。作為替 代，每沖艮纖維都可以具有平坦的緞帶形狀，其厚度大約在0.025
毫米到0.5毫米的范圍內(nèi)，其寬度大約為0.75毫米到10毫米。 其它適當(dāng)?shù)男螤钣洃浐辖鸢ˋg-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畫Nb和Ti-Ni。
參照圖2A和2B，在那里展示用Ni-Ti制成的纖維42的時間 響應(yīng)的曲線圖。經(jīng)受接近5%的應(yīng)變的纖維的響應(yīng)展示在圖2A 中。如同人們能看到的那樣，對于這種纖維收縮時間是大約10 毫秒。反之，圖2B舉例i兌明經(jīng)受比力o到圖2A的纖維上的脈沖 快的3永沖的纖維。采用更快速的力永沖，纖維經(jīng)歷大約1%的應(yīng)變， 而收縮時間是大約1毫秒。
在使用中，裝置IO通常被安裝在操作員拿著的施放器之內(nèi)。 施方文器被制成手槍形、圓筒形或任何其它適當(dāng)?shù)膸缀涡螤?。在?作員激活裝置IO之前，i茲力以某種方式將活塞20和套牙(18結(jié) 合在一起，以致活塞20的末端段36坐在套承18的錐形段32中 而且與所述的錐形賴:4妄觸。
操作員這樣放置施放器，以致套承18的表面60頂住動物(例 如，豬)的皮膚，然后用開關(guān)57打開裝置10。然后，操作員觸 發(fā)裝置10，以致控制器38將開關(guān)56閉合，從而允許超級電容器 53i文電，借此將電壓加到纖維42上，引起它們收縮。因此，當(dāng) 纖維42收縮時，它們將活塞20拉離套承18,從而在套承的錐形 段32和活塞的末端段36之間界定艙室12?？刂破?9同時指令 閥門38打開，以允i午藥物通過入口 28從4諸罐14流入艙室12。 在規(guī)定的時間周期之后，控制器39指示閥門38關(guān)閉，以便將一 次注射所需數(shù)量的藥物保存在艙室12中。
接下來，開關(guān)56被斷開，以便在電池55再次給超級電容器 53充電時，給纖維42的電壓被撤消，于是纖維42松弛。當(dāng)這種 情況發(fā)生時，因?yàn)樘壮?8和活塞20之間磁性吸引，活塞20的 末端段36向錐形段32加速。隨著末端段36和錐形段32往一起
靠攏，搶室12的體積逐漸減小，借此通過孔口 13將藥物從艙室 12噴到皮膚之中。請注意當(dāng)末端段36和錐形段32會合的時候， 通過孑L口 13加到藥物上的注射壓力增加，因?yàn)槟┒?更36向錐形 段32移動的速度與兩者之間的距離的平方呈反比地增加。此外， 錐形段32的特定形狀使聲波向下變窄以提供較高的放大。注射 壓力是至少lMPa而且能高達(dá)300MPa。
電池55為了下一次注射給超級電容器53再次充電，而操作 員將施方文器從動物身上移開并且開始處理新的動物。
在當(dāng)前的應(yīng)用中，儲罐14裝有足夠大約100次到200次注 射的藥物。當(dāng)儲罐14被耗盡的時候，操作員拿起另一個施放器 繼續(xù)進(jìn)4于處理。作為替〗義，儲罐14可以是可拆卸的藥筒，以致 操作員容易用裝滿藥物的另一個藥筒更換。
盡管這項(xiàng)發(fā)明已參照其優(yōu)選的實(shí)施方案4皮具體i也展示和描 述，但是熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人將理解在不脫離權(quán)利要求書所嚢括的 本發(fā)明的范圍的情況下在形式和細(xì)節(jié)方面可以有各種不同的變 化。例如，在替代實(shí)施方案中，套承18備有壓力或力傳感器IOO(圖 l)以使前面描述的整個注射過程被自動地觸發(fā)。在這樣的實(shí)現(xiàn) 中，操作員僅僅將套承18的表面60頂住皮膚，當(dāng)傳感器100檢 測到在皮膚和表面60之間存在適當(dāng)?shù)慕佑|力或壓力的時候，裝 置10就^皮觸發(fā)，將藥物注射到動物體內(nèi)，隨后為下一個動物再 次:板動4反機(jī)或再次加載。在另一個替代實(shí)施方案中，會收縮的聚 合物或^f壬何其它適當(dāng)?shù)氖湛s材料能被用來代替形狀記憶合金。
權(quán)利要求
1. 一種執(zhí)行元件，其中包括:形狀記憶合金的纖維，張力是由磁力產(chǎn)生的；以及電容器，它對纖維放電，引起纖維收縮，當(dāng)電壓被撤除的時候，纖維松弛到拉伸狀態(tài)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的執(zhí)行元件，其中執(zhí)行元件是一根或多根形 狀記憶合金的纖維。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的執(zhí)行元件，其中形狀記憶合金是Ni-Ti。
4. 根才居權(quán)利要求1的執(zhí)行元件，其中形狀記憶合金是大約10 毫米到200毫米長。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的執(zhí)行元件，當(dāng)電壓加到合金上的時候，其 中的形狀記憶合金縮短大約0.5毫米到10毫米。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的執(zhí)行元件，當(dāng)電壓加到合金上的時候，其 中的形狀記憶合金結(jié)構(gòu)改變金相，從馬氏體變成奧氏體。
7. 根纟居權(quán)利要求1的4丸行元件，其中電容器有大約100焦耳的 能量輸出。
8. 根才居權(quán)利要求1的執(zhí)行元件，其中電容器有至少10焦耳的 容量。
9. 一種執(zhí)4亍元件，其中包4舌在張力之下縮短的材料，張力是由》茲力產(chǎn)生的；以及電容器，它對纖維i丈電引起纖維收縮，當(dāng)電壓被4貌除的 時候，纖維松弛到拉伸狀態(tài)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的執(zhí)行元件，其中的縮短材料是形狀記憶合 金。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9的執(zhí)行元件，其中收縮材料是會收縮的聚合 物。
12. —種注射活性成分的液體制劑的方法，該方法包括將活性成分的液體制劑保存在殼體的搶室中，艙室與輸 出口流體連通，通過|命出口注射液體制劑；活塞^f立于殼體內(nèi)；以及將f茲力加在殼體和活塞之間，以便把活塞和輸出口拉在 一起；隨著活塞向輸出口移動，通過輸出口將液體制劑從艙室 噴出。
13. 才艮據(jù)纟又利要求12的方法，進(jìn)一步包括用液體制劑通過殼體 的入口充入搶室。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，進(jìn)一步包括把電壓加到附著在活 塞上的執(zhí)行元件上，使活塞移動，使之遠(yuǎn)離殼體，以及除去 電壓，^使活塞向殼體移動。
15. 4艮據(jù)權(quán)利要求14的方法，進(jìn)一步包括使電容器放電，以便 將電壓加到執(zhí)行元件上。
16. 才艮據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中電容器有大約100焦耳的能 量輸出。
17. 才艮據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中電容器有至少10焦耳的能量 輸出。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中執(zhí)行元件是用形狀記憶合金 制成的。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中形狀記憶合金是Ni-Ti。
20. 才艮據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中形狀記憶合金是大約L0毫米 到200毫米長。
21. 才艮據(jù)權(quán)利要求20的方法，當(dāng)電壓加到合金上的時候，其中 的形狀記憶合金將縮短大約0.5毫米到10亳米。
22. 根據(jù)權(quán)利要求18的方法，當(dāng)電壓加到合金上的時候，其中 的形狀^己憶合金結(jié)構(gòu)改變金相，從馬氏體變成奧氏體。
23. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中液體制劑是藥物。
24. —種4喿縱形狀i己憶合金纖維的方法，該方法包4舌通過f茲力爿奪張力加到纖維上；以及使電容器放電，以便將電壓加到纖維上引起纖維縮短， 當(dāng)電壓被4敬除的時4美，纖維^U公弛到拉伸狀態(tài)。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24的方法， 量車t出。
26. 根據(jù)權(quán)利要求24的方法， 輸出。
27. 根據(jù)權(quán)利要求24的方法， 的。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中電容器有大約100焦耳的能 其中電容器有至少IO焦耳的能量其中纖維是用形狀記憶合金制成其中形狀記憶合金是Ni-Ti。
29. 根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中形狀記憶合金是大約10毫米 到200毫米。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中當(dāng)電壓加到合金上的時候， 形狀記憶合金縮短大約0.5毫米到10毫米。
31. 4艮據(jù)權(quán)利要求27的方法，當(dāng)電壓加到合金上的時候，其中 的形狀記憶合金結(jié)構(gòu)改變金相，從馬氏體變成奧氏體。
32. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，活塞包括與艙室的形狀相同的末 端部分。
33. —種將物質(zhì)注射入患者皮膚的方法，包括將物質(zhì)存方文在具有##出口的艙室內(nèi)；將裝置》i:置在靠近患者皮膚處；以及通過永》茲體移動活塞，從而使物質(zhì)從搶室中噴出，并使 物質(zhì)穿透患者的皮膚。
34. 根據(jù)權(quán)利要求33的方法，不需要針，活塞就能將物質(zhì)噴出并 穿透皮膚。
35. 根據(jù)權(quán)利要求33的方法，進(jìn)一步包括施力口與7JC/F茲體的磁力相對的反力，防止活塞和輸出口#皮拉在一起；減少反力，4吏》茲力將活塞和輸出口拉在一起。
36. 才艮據(jù)權(quán)利要求12的注射器，不需要針，凈皮噴出的液體就可 穿透生物體。
全文摘要
注射器(10)具有殼體，殼體包括艙室(12)，用來保存將被注入生物體的活性成分的液體制劑；以及輸出口(13)，通過它注射液體制劑并與艙室(12)流體溝通。殼體活塞(20)放置在殼體里面，其末端部分(36)的形狀實(shí)質(zhì)上與艙室相同。磁力把活塞(20)和殼體拉在一起，以便通過輸出口(13)將液體制劑噴出艙室。
文檔編號F03G7/06GK101380494SQ200810168988
公開日2009年3月11日 申請日期2002年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月26日
發(fā)明者伊恩·W·亨特, 艾米·B·安吉爾 申請人:麻省理工學(xué)院