[go: up one dir, main page]

RU2633655C1 - Device for dosed opening of microcapsules - Google Patents

Device for dosed opening of microcapsules Download PDF

Info

Publication number
RU2633655C1
RU2633655C1 RU2016119065A RU2016119065A RU2633655C1 RU 2633655 C1 RU2633655 C1 RU 2633655C1 RU 2016119065 A RU2016119065 A RU 2016119065A RU 2016119065 A RU2016119065 A RU 2016119065A RU 2633655 C1 RU2633655 C1 RU 2633655C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
microcapsules
conductive layer
diameter
dielectric layer
holes
Prior art date
Application number
RU2016119065A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Геннадьевич Глуховской
Виктория Олеговна Лукьянова
Наталия Борисовна Макарова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского"
Priority to RU2016119065A priority Critical patent/RU2633655C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2633655C1 publication Critical patent/RU2633655C1/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61KPREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
    • A61K9/00Medicinal preparations characterised by special physical form
    • A61K9/48Preparations in capsules, e.g. of gelatin, of chocolate
    • A61K9/50Microcapsules having a gas, liquid or semi-solid filling; Solid microparticles or pellets surrounded by a distinct coating layer, e.g. coated microspheres, coated drug crystals
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F11/00Apparatus requiring external operation adapted at each repeated and identical operation to measure and separate a predetermined volume of fluid or fluent solid material from a supply or container, without regard to weight, and to deliver it

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pharmacology & Pharmacy (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: device for dosed opening of microcapsules comprises a substrate and at least one well for the microcapsule, at least one first conductive layer located on the substrate, at least one dielectric layer located on the first conductive layer, at least one second conductive layer located on the dielectric layer. The well is formed in the dielectric layer between the electrically conductive layers, and the second conductive layer is provided with at least one opening located above the well and having a diameter corresponding to the well diameter.
EFFECT: ensuring of a possibility of increasing the accuracy of the required substance dosage.
4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области нанотехнологии и может применяться для создания многократно используемой системы адресной доставки лекарств путем управляемого (дозированного по определенной программе) поступления лекарственного вещества, извлеченного из объема одной или нескольких микрокапсул посредством вскрытия их электрическим полем.The invention relates to the field of nanotechnology and can be used to create a reusable system for targeted delivery of drugs by controlled (dosed according to a specific program) receipt of a medicinal substance extracted from the volume of one or more microcapsules by opening them with an electric field.

Известна гибридная система для высвобождения доставляемого вещества из микрообъектов (липосом) путем воздействия на него электрическим полем (Гуляев Ю. В., Черепенин В. А., Вдовин В. А., Таранов И. В., Файкин В. В. и др. Дистанционная активация с помощью импульсного электрического поля нанокомпозитных микрокапсул на основе комплексов липидов, полимеров и проводящих наночастиц // Журнал радиоэлектроники (электронный журнал) – 2014. – №11. – С.1-32, ISSN 1684-1719 [Электронный ресурс] http://jre.cplire.ru/jre/nov14/9/text.pdf (дата обращения: 22.03.2016)). Данная система адресной доставки лекарственного вещества основана на взаимодействии липосом, в состав мембран которых входят проводящие частицы, с электрическим полем. Ключевым моментом в этом способе является существенное изменение структуры поверхности липосом в результате такого взаимодействия, что в свою очередь приводит к высвобождению веществ, капсулированных в липосомах.A known hybrid system for the release of the delivered substance from microobjects (liposomes) by exposure to an electric field (Gulyaev Yu.V., Cherepenin V.A., Vdovin V.A., Taranov I.V., Faykin V.V. et al. Remote activation using a pulsed electric field of nanocomposite microcapsules based on complexes of lipids, polymers and conductive nanoparticles // Journal of Radioelectronics (electronic journal) - 2014. - No. 11. - P.1-32, ISSN 1684-1719 [Electronic resource] http : //jre.cplire.ru/jre/nov14/9/text.pdf (accessed: 03/22/2016)). This system of targeted drug delivery is based on the interaction of liposomes, the membranes of which include conductive particles, with an electric field. The key point in this method is a significant change in the surface structure of liposomes as a result of such an interaction, which in turn leads to the release of substances encapsulated in liposomes.

Недостатком данной системы является то, что величина электрического поля (т.е. его критические значения, при которых произойдёт декапсуляция липосом) и энергия импульса может быть не только достаточной, но и чрезмерно большой, способной оказать воздействие не только на микрокапсулы с ЛВ, но и на другие микрообъекты – элементы клеточных структур или на клетки крови. В течение кратковременного импульса ни величина поля, ни время его действия не корректируются, и процесс является фактически неуправляемым. Таким образом, для каждого случая требуется проведение дополнительной процедуры определения критических значений внешнего электрического поля.The disadvantage of this system is that the magnitude of the electric field (i.e., its critical values at which liposome decapsulation occurs) and the pulse energy can be not only sufficient, but also excessively large, capable of affecting not only microcapsules with drugs, but and other microobjects - elements of cellular structures or blood cells. During a short pulse, neither the magnitude of the field, nor the time of its action is corrected, and the process is actually uncontrollable. Thus, for each case, an additional procedure is required to determine the critical values of the external electric field.

Прототипом к заявленному техническому решению является биологический микрофлюидный чип, конструкция которого разработана авторами патента «Биологический микрофлюидный чип и связанные с ним способы» (см. международную заявку на изобретение № WO/2010/149292, МПК B01L 3/00, C12M 3/00, опубл. 29.12.2010). Данное изобретение состоит из подложки, содержащей несколько микрофлюидных портов, которые представляют собой совокупность отверстий на поверхности подложки. На ней расположено множество лунок, изолированных друг от друга одной или несколькими стенками, соединенных между собой каналами.The prototype of the claimed technical solution is a biological microfluidic chip, the design of which was developed by the authors of the patent “Biological microfluidic chip and related methods” (see international patent application No. WO / 2010/149292, IPC B01L 3/00, C12M 3/00, publ. 12/29/2010). This invention consists of a substrate containing several microfluidic ports, which are a collection of holes on the surface of the substrate. There are many holes on it, isolated from each other by one or more walls, connected by channels.

Однако существенным недостатком и принципиальным ограничением этого изобретения является необходимость использования термочувствительных микрообъектов (фотосинтезирующих тел) для обеспечения возможности вскрытия микрокапсул путем нагрева. Вполне закономерным следствием нагрева будет вскрытие не только микрокапсул с ЛВ, но и повреждение других микрообъектов и элементов системы – эритроцитов, тромбоцитов и других, расположенных рядом, клеточных структур и даже целых органов. Нежелательный перегрев может вызывать нарушение их функций, вплоть до необратимой деградации и разрушения. В дополнение к сказанному следует отметить и другой существенный недостаток: описанное изобретение не предполагает многократного использования, авторами не только не заложено это функциональное свойство, но и даже не проанализирована такая возможность. Кроме того, описанная в патенте конструкция является достаточно объемной, что затрудняет его интеграцию в кровоток или отдельные органы. Конструкция имеет сложное устройство, для его формирования необходимо применение трехмерной технологии (например, 3D-печать, создание трехмерных шаблонов и сложной трехмерной оснастки) и не предполагается использование хорошо развитой планарной технологии.However, a significant drawback and fundamental limitation of this invention is the need to use heat-sensitive microobjects (photosynthetic bodies) to enable opening of microcapsules by heating. A completely logical consequence of heating will be the opening of not only microcapsules with drugs, but also damage to other micro-objects and system elements - red blood cells, platelets, and other adjacent cell structures and even whole organs. Undesirable overheating can cause a violation of their functions, up to irreversible degradation and destruction. In addition to the above, another significant drawback should be noted: the described invention does not imply repeated use, the authors not only did not establish this functional property, but also did not even analyze such a possibility. In addition, the design described in the patent is quite voluminous, which complicates its integration into the bloodstream or individual organs. The design has a complex device, its formation requires the use of three-dimensional technology (for example, 3D printing, the creation of three-dimensional templates and complex three-dimensional equipment) and it is not intended to use a well-developed planar technology.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка устройства для хранения микрокапсул с ЛВ (в специально сформированных лунках) и их дозированного вскрытия путем локального воздействия внешним электрическим полем.The objective of the invention is to develop a device for storing microcapsules with drugs (in specially formed holes) and their metered opening by local exposure to an external electric field.

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого устройства, заключается в повышении точности дозировки необходимого вещества за счет возможности селективного вскрытия микрокапсул с ЛВ.The technical result achieved by using the inventive device is to increase the accuracy of the dosage of the required substance due to the possibility of selective opening of microcapsules with drugs.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для дозированного вскрытия микрокапсул, содержащее подложку и, по крайней мере, одну лунку для микрокапсулы, согласно решению устройство содержит, по крайней мере, один первый электропроводный слой, расположенный на подложке, по крайней мере, один диэлектрический слой, расположенный на первом электропроводном слое, по крайней мере, один второй электропроводный слой, расположенный на диэлектрическом слое, при этом лунка выполнена в диэлектрическом слое между электропроводными слоями, а второй электропроводный слой снабжен по крайней одним отверстием, расположенным над лункой и имеющим диаметр, соответствующий диаметру лунки. Устройство содержит второй диэлектрический слой, расположенный между диэлектрическим слоем с лунками и первым электропроводным слоем, расположенным на подложке. Устройство содержит мембрану, расположенную на втором электропроводном слое и выполненную проницаемой для содержимого микрокапсулы. Подложка выполнена в форме трубки с диаметром, равным диаметру кровеносного сосуда, при этом первый электропроводный слой расположен на внутренней поверхности трубки.The specified technical result is achieved in that the device for the metered opening of the microcapsules containing the substrate and at least one well for the microcapsule, according to the solution, the device contains at least one first electrically conductive layer located on the substrate, at least one dielectric a layer located on the first conductive layer, at least one second conductive layer located on the dielectric layer, and the hole is made in the dielectric layer between the conductive layers, and the second conductive layer is provided with at least one hole located above the hole and having a diameter corresponding to the diameter of the hole. The device comprises a second dielectric layer located between the dielectric layer with the holes and the first electrically conductive layer located on the substrate. The device contains a membrane located on the second conductive layer and made permeable to the contents of the microcapsule. The substrate is made in the form of a tube with a diameter equal to the diameter of a blood vessel, while the first electrically conductive layer is located on the inner surface of the tube.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен вариант устройства с тремя лунками, вид сверху; на фиг. 2 – разрез А-А, проходящий через лунки, в которые помещены микрокапсулы разного диаметра; на фиг. 3 – вариант устройства с шестью лунками, вид сверху.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a variant of a device with three holes, a top view; in FIG. 2 - section AA, passing through the wells into which microcapsules of different diameters are placed; in FIG. 3 is a top view of a device with six holes.

Позициями на чертеже обозначены:The positions in the drawing indicate:

1. подложка;1. substrate;

2. первый электропроводный слой;2. the first conductive layer;

3. первый диэлектрический слой;3. the first dielectric layer;

4. второй диэлектрический слой;4. a second dielectric layer;

5. лунка;5. hole;

6. второй электропроводный слой для формирования разности потенциалов на первой лунке;6. a second electrically conductive layer for forming a potential difference in the first well;

7. второй электропроводный слой для формирования разности потенциалов на второй лунке;7. a second electrically conductive layer for forming a potential difference in the second well;

8. второй электропроводный слой для формирования разности потенциалов на третьей лунке.8. a second electrically conductive layer for forming a potential difference in the third well.

Заявляемое устройство представляет собой следующую конструкцию.The inventive device is the following design.

На подложке 1, материал которой также может быть различным в зависимости от специфики применения, находится сплошной первый электропроводный слой 2. Он представляет собой сплошной электрод в виде линии или линий, на нем располагается первый диэлектрический слой 3 и второй диэлектрический слой 4. В верхнем втором диэлектрическом слое 4 имеются изолированные лунки, или полости с определенными размерами 5. Верхний диэлектрический слой покрыт вторыми электропроводными слоями 6, 7, 8 с отверстиями для свободного проникновения микрокапсул с размерами меньше, чем диаметр отверстий. Через эти отверстия микрокапсулы соответствующего размера втягиваются в область между электродами и удерживаются там до момента вскрытия. Первый и второй электропроводные слои 2, 6, 7, 8, сформированные в виде пересекающихся полос, лежащих в различных слоях, электрически не связанные друг с другом. Между электропроводящими слоями находятся диэлектрические слои, служащие для создания строго фиксированного расстояния между электропроводными слоями.On the substrate 1, the material of which can also be different depending on the specific application, there is a continuous first conductive layer 2. It is a continuous electrode in the form of lines or lines, on it there is a first dielectric layer 3 and a second dielectric layer 4. In the upper second dielectric layer 4 there are isolated wells, or cavities with certain sizes 5. The upper dielectric layer is covered with second conductive layers 6, 7, 8 with holes for free penetration of microcapsules with sizes It is smaller than the diameter of the holes. Through these openings, microcapsules of an appropriate size are drawn into the region between the electrodes and held there until they are opened. The first and second electrically conductive layers 2, 6, 7, 8, formed in the form of intersecting strips lying in different layers, not electrically connected to each other. Between the conductive layers are dielectric layers, which serve to create a strictly fixed distance between the conductive layers.

В качестве примера на фиг. 1 показана такая система, в которой диэлектрические слои выполнены из различных материалов с различной толщиной, что позволяет не только сформировать лунку определенного размера, но и получить надежную изоляцию нижнего электрода, что позволяет избежать электрохимических реакций на поверхности электродов и воздействовать на микрокапсулы с ЛВ исключительно электрическим полем, исключая протекание электронного и ионного токов и связанный с этим нежелательный разогрев элементов системы, в том числе и микрокапсул с ЛВ.As an example in FIG. Figure 1 shows such a system in which the dielectric layers are made of various materials with different thicknesses, which allows not only to form a hole of a certain size, but also to obtain reliable insulation of the lower electrode, which avoids electrochemical reactions on the surface of the electrodes and affects microcapsules with drugs exclusively electric field, excluding the flow of electronic and ion currents and the associated undesirable heating of system elements, including microcapsules with drugs.

В конструкцию в качестве материала основы могут быть использованы не только кристаллические или твердотельные подложки, но и гибкие, например полимерные основы, как вариант – возможно биологически совместимые, встраиваемые в кровяное русло, накладываемые на поверхности органов, на кожные покровы, сверху закрепляемые пластырем или имеющими клеевой слой, проницаемый для микрокапсул.Not only crystalline or solid-state substrates, but also flexible ones, for example polymer substrates, can be used in the construction as a base material; as an option, they can be biocompatible, built into the bloodstream, applied to the surfaces of organs, onto skin integuments, fixed on top with a band-aid or having adhesive layer permeable to microcapsules.

Лунки можно создавать разными методами: травлением через маску, нанесением слоев через маску, лазерной перфорацией или каким-либо другим способом или технологией. Лунки могут иметь различный диаметр и глубину, что позволяет избирательно манипулировать и вскрывать микрокапсулы различного размера с различным содержимым. Каждая из лунок системы может быть заполнена микрокапсулами соответственного размера. Лунки после заправки микрокапсулами могут быть прикрыты тонкой мембраной, проницаемой для ЛВ, что позволяет использовать данное устройство экстракорпорально, без участия жидкости (крови или лимфы) в качестве носителя ЛВ. В этом случае после подачи напряжения, вскрытия микрокапсул и выхода наружу ЛВ дозировка происходит через кожный покров. Это может быть применимо для легколетучих, ароматических и других ЛВ, способных попадать в кровоток через кожные покровы. Wells can be created using various methods: etching through a mask, applying layers through a mask, laser perforation, or some other method or technology. Wells can have different diameters and depths, which allows you to selectively manipulate and open microcapsules of various sizes with different contents. Each of the holes in the system can be filled with microcapsules of the appropriate size. Wells after refilling with microcapsules can be covered with a thin membrane permeable to drugs, which allows the use of this device extracorporeally, without the participation of liquid (blood or lymph) as a drug carrier. In this case, after the voltage is applied, the microcapsules are opened, and the drug goes out, the dosage occurs through the skin. This may be applicable to volatile, aromatic and other drugs that can enter the bloodstream through the skin.

К любой из лунок (к соответственным электродам) может быть приложено напряжение, что приводит к вскрытию микрокапсулы, находящейся именно в этой лунке.A voltage can be applied to any of the holes (to the corresponding electrodes), which leads to the opening of the microcapsule located in this hole.

Перед началом использования системы её лунки должны быть заправлены микрокапсулами. Заправка лунок осуществляется промывкой системы с лунками в растворе, содержащем микрокапсулы, диаметр которых соответствует диаметру и глубине лунок системы.Before using the system, its wells must be filled with microcapsules. The wells are refilled by flushing the system with the wells in a solution containing microcapsules, the diameter of which corresponds to the diameter and depth of the system holes.

В конструкцию заложена возможность дифференцировать микрокапсулы по размерам и заряду.The design includes the ability to differentiate microcapsules in size and charge.

При необходимости внедрения или управления вскрытием единичных микрокапсул необходимо создать систему из лунок с диаметром и глубиной, примерно равными диаметру используемых микрокапсул, содержащих лекарственное вещество.If it is necessary to introduce or control the opening of single microcapsules, it is necessary to create a system of holes with a diameter and depth approximately equal to the diameter of the used microcapsules containing the drug substance.

В одной системе лунок могут формироваться лунки различного диаметра и глубины, что позволяет заправлять различные по размеру лунки микрокапсулами различного размера. В этом случае заправка системы осуществляется в несколько этапов: сначала в лунки большего размера заправляются соответствующими микрокапсулами большего размера. После того, как будут заняты все большие лунки, производится заправка лунок меньшего размера, путем промывки системы в растворе с микрокапсулами меньшего размера. Процедура повторяется до тех пор, пока не будут заправлены все лунки системы, или до тех пор, пока в соответствующих лунках не будут присутствовать все необходимые микрокапсулы.In one well system, wells of various diameters and depths can be formed, which allows filling different sized wells with microcapsules of various sizes. In this case, the system is refilled in several stages: first, they are filled into larger holes with the corresponding larger microcapsules. After all the large holes are occupied, the smaller holes are refilled by flushing the system in solution with smaller microcapsules. The procedure is repeated until all the wells of the system are filled, or until all the necessary microcapsules are present in the corresponding wells.

При необходимости в лунки с большим диаметром и глубиной могут вводиться микрокапсулы с существенно меньшими размерами. В этом случае в одной лунке будут находиться одновременно несколько микрокапсул, размещенные произвольным образом.If necessary, microcapsules with substantially smaller sizes can be introduced into wells with a large diameter and depth. In this case, several microcapsules placed at random will be in the same hole at the same time.

При необходимости размещения в одной лунке микрокапсул в виде последовательной цепочки, выстроенной перпендикулярно к плоскости основы, диаметр лунки должен соответствовать диаметру микрокапсулы, а глубина – в несколько раз больше диаметра (т.е. глубина лунки должна быть больше диаметра лунки во столько же раз, сколько микрокапсул должно поместиться в одной лунке). Увеличение глубины достигается вариацией толщины диэлектрического слоя (одного или нескольких).If it is necessary to place microcapsules in a single hole in the form of a sequential chain aligned perpendicular to the plane of the base, the diameter of the hole should correspond to the diameter of the microcapsule, and the depth should be several times greater than the diameter (i.e., the depth of the hole should be as many times the diameter of the hole how many microcapsules should fit in one well). The increase in depth is achieved by varying the thickness of the dielectric layer (one or more).

Для расширения функциональности устройства патента возможно создание системы разнотолщинных слоев, в которых лунки разных слоев совмещены таким образом, чтобы микрокапсулы меньшего размера могли свободно проходить через верхние слои, достигать своего слоя и размещались в лунке соответственного размера. При этом лунки меньшего диаметра формируются в слоях, лежащих ниже, а лунки большего диаметра в слоях, лежащих выше. Электроды, подводящие напряжение к каждому слою, в этом случае разводятся подобно многоуровневой разводке в чипах микросхем. Количество пар диэлектрических и электропроводящих слоев может быть много, что дает возможность селективно воздействовать на микрокапсулы, лежащие между выбранными парами электропроводных слоев для вскрытия этих микрокапсул, при этом не обязательно, чтобы напряжение было приложено к парам ближайших электропроводных слоев.To expand the functionality of the patent device, it is possible to create a system of layers of different thicknesses, in which the wells of different layers are combined so that smaller microcapsules can freely pass through the upper layers, reach their layer and are placed in a hole of an appropriate size. In this case, holes of a smaller diameter are formed in the layers lying below, and holes of a larger diameter in the layers lying above. The electrodes supplying voltage to each layer, in this case, are wired like a multi-level wiring in microcircuit chips. The number of pairs of dielectric and electrically conductive layers can be many, which makes it possible to selectively act on microcapsules lying between selected pairs of electrically conductive layers to open these microcapsules, while it is not necessary that the voltage be applied to the pairs of the nearest conductive layers.

Для достижения более эффективной заправки лунок микрокапсулами дополнительно может быть подан небольшой потенциал на нижний электрод для создания втягивающего поля (т.е. потенциал нижнего электрода должен иметь знак, противоположный знаку поверхностного потенциала микрокапсулы). Использование потенциала разного знака позволяет разделять процесс заправки лунок микрокапсулами различного знака. В лунки можно помещать микрообъекты разного размера (в частности, микрокапсулы), диаметр микрокапсулы должен быть на 5-10 % меньше диаметра лунок.To achieve a more efficient filling of the wells with microcapsules, a small potential can additionally be applied to the lower electrode to create a retracting field (i.e., the potential of the lower electrode should have the sign opposite to the sign of the surface potential of the microcapsule). Using the potential of a different sign allows you to separate the process of filling holes with microcapsules of different signs. Microobjects of different sizes (in particular, microcapsules) can be placed in the wells, the diameter of the microcapsule should be 5-10% less than the diameter of the holes.

После заправки системы микрокапсулами система готова к использованию.After refueling the system with microcapsules, the system is ready for use.

Селективность вскрытия микрокапсул определяется выбором электропроводных слоев 2, 6-8, между которыми расположена капсула (одна или несколько), и приложением к ним требуемого напряжения. The selectivity of opening the microcapsules is determined by the choice of electrically conductive layers 2, 6-8, between which the capsule (one or more) is located, and the application of the required voltage to them.

На фиг. 2 представлена одна из модификаций устройства с системами лунок. Такая модификация устройства позволяет вскрывать определенные капсулы при подключении внешнего напряжения к определенному второму электропроводному слою 6-8, это позволит варьировать работу устройства и вскрывать капсулы как все одновременно, так и по отдельности (т.е. определенную). В пересечении линий электропроводных слоев находится специальным образом закрепленная микрокапсула, которая подвергается воздействию электрического поля, в случае приложения разности потенциалов к соответствующей паре – одному электроду из первого электропроводного слоя и одному электроду из второго электропроводного слоя. In FIG. 2 shows one of the modifications of the device with well systems. This modification of the device allows you to open certain capsules when external voltage is connected to a certain second conductive layer 6-8, this will allow you to vary the operation of the device and open the capsules both all at the same time or separately (i.e., specific). At the intersection of the lines of the electrically conductive layers there is a specially fixed microcapsule, which is exposed to an electric field, in the case of applying a potential difference to the corresponding pair - one electrode from the first conductive layer and one electrode from the second conductive layer.

Для вскрытия микрокапсул может использоваться подводимое к электропроводным слоям постоянное и/или переменное напряжение, величина которого будет достаточной для нарушения целостности или разуплотнения оболочки. Для создания напряжения на электропроводных слоях системы лунок может применяться специальная система управления напряжением – преобразующая схема, совмещенная с системой лунок и размещенная на основе либо представляющая собой дополнительное устройство (чип, микроконтроллер и т.п.), выполненное отдельно и соединенное с системой лунок проводниками.For opening the microcapsules, a constant and / or alternating voltage supplied to the electrically conductive layers can be used, the value of which will be sufficient to violate the integrity or decompression of the shell. To create voltage on the electrically conductive layers of the hole system, a special voltage control system can be used - a conversion circuit combined with the hole system and placed on the basis of or representing an additional device (chip, microcontroller, etc.) made separately and connected to the hole system by conductors .

Электрическое питание для работы системы управления и системы лунок может осуществляться переменным электромагнитным полем (индуктивно через кожу), с использованием электрохимических элементов, путем подвода энергии в виде света с дальнейшим преобразованием с помощью фотоэлектрических элементов и др. способами.Electrical power for the operation of the control system and the system of holes can be carried out by an alternating electromagnetic field (inductively through the skin), using electrochemical cells, by supplying energy in the form of light with further conversion using photovoltaic cells and other methods.

Предполагается, что система управления напряжением должна позволять управлять напряжением (или распределением потенциалов) на любой выбранной паре электропроводных слоев. При этом электропроводные слои, к которым может быть приложено напряжение, могут лежать как разных слоях, так и в одном слое, в зависимости от требуемого эффекта: либо для втягивания микрокапсул в соответствующие лунки, либо для вскрытия уже заправленных в лунки микрокапсул, либо для очищения лунок от продуктов распада микрокапсул.It is assumed that the voltage control system should be able to control the voltage (or potential distribution) on any selected pair of electrically conductive layers. In this case, the electrically conductive layers to which the voltage can be applied can lie both in different layers and in one layer, depending on the desired effect: either to draw microcapsules into the corresponding wells, or to open the microcapsules already filled into the wells, or to clean holes from the decay products of microcapsules.

Физико-химические процессы, протекающие при создании напряжения для вскрытия микрокапсул, можно описать следующим образом.Physico-chemical processes that occur when creating voltage for opening microcapsules can be described as follows.

Когда к электропроводным слоям, между которыми находится заправленная микрокапсула, подводится достаточное напряжение, то под действием электрического поля происходят локальные изменения кислотности раствора. В областях, прилегающих к электропроводным слоям: приложенное внешнее электрическое поле приводит к дрейфу катионов и анионов к соответствующим электропроводным слоям. С течением некоторого времени происходит накопление анионов и катионов в этих областях (при этом изменение их локальных концентраций может достигать 1 – 2 и более порядков). Одновременно с этим в этих областях происходит изменение кислотности: у соответствующих электропроводных слоев показатель pH смещается в сторону кислых или щелочных значений. Локальное изменение кислотности в свою очередь приводит к изменению заряда в полярных группах молекул поверхностно-активных веществ (ПАВ), из которых сформированы мембраны микрокапсул. Благодаря этому происходит усиление кулоновского расталкивания молекул. Мембраны микрокапсул становятся более разряженными, что, в свою очередь, приводит увеличению их проницаемости и способствует вытеканию содержимого (ЛВ) из микрокапсулы наружу и попадает во внешнюю среду (например, в кровоток или лимфосистему).When sufficient voltage is applied to the electrically conductive layers between which the charged microcapsule is located, local changes in the acidity of the solution occur under the influence of an electric field. In areas adjacent to the conductive layers: an applied external electric field leads to the drift of cations and anions to the corresponding conductive layers. Over time, anions and cations accumulate in these regions (in this case, a change in their local concentrations can reach 1–2 or more orders of magnitude). At the same time, a change in acidity occurs in these areas: in the corresponding electrically conductive layers, the pH index shifts toward acidic or alkaline values. A local change in acidity in turn leads to a change in charge in the polar groups of surfactant molecules, from which microcapsule membranes are formed. Due to this, the Coulomb repulsion of molecules is enhanced. The membranes of the microcapsules become more discharged, which, in turn, leads to an increase in their permeability and promotes the outflow of the contents (PM) from the microcapsule to the outside and enters the external environment (for example, into the bloodstream or lymph system).

Устройство может быть свернуто или иметь форму трубки, диаметр которой равен или сопоставим с диаметром кровеносных сосудов, и может быть встроено в один из таких сосудов аналогично встраиванию стентов. При этом первый электропроводный слой расположен на внутренней поверхности трубки, что обеспечивает электрическую изолированность системы электропроводных слоев, между которыми может протекать ток, от стенок кровеносных сосудов.The device can be rolled up or in the form of a tube, the diameter of which is equal to or comparable with the diameter of blood vessels, and can be integrated into one of these vessels similarly to embedding stents. In this case, the first electrically conductive layer is located on the inner surface of the tube, which ensures electrical isolation of the system of electrically conductive layers between which current can flow from the walls of blood vessels.

Заправка такого устройства может производиться без изъятия устройства из тела, для чего к участку сосуда выше и ниже по кровотоку вводится два микрокапилляра, соединенных со специальными емкостями (содержащими растворы с микрокапсулами) через перистальтический насос; участок сосуда выше и ниже капилляров временно перетягивается и через закрытый объем прокачивается раствор с соответствующими микрокапсулами; процедура прокачки проводится до тех пор, пока не произойдет заполнение лунок устройства нужными микрокапсулами. Контроль заполнения лунок устройства микрокапсулами с ЛВ может быть произведен с помощью измерения емкостных параметров каждой из лунок; при попадании микрокапсулы в лунку емкостные параметры могут меняться достаточно резко, что позволит отследить акт вхождения микрокапсулы в лунку.Refueling of such a device can be carried out without removing the device from the body, for which two microcapillaries are introduced into the section of the vessel above and below the bloodstream, connected to special containers (containing solutions with microcapsules) through a peristaltic pump; the section of the vessel above and below the capillaries is temporarily pulled over and a solution with appropriate microcapsules is pumped through the closed volume; the pumping procedure is carried out until the wells of the device are filled with the necessary microcapsules. Monitoring the filling of device holes with microcapsules with a drug can be done by measuring the capacitive parameters of each of the holes; when a microcapsule enters a well, capacitive parameters can change quite sharply, which will make it possible to track the act of a microcapsule entering a well.

Claims (4)

1. Устройство для дозированного вскрытия микрокапсул, содержащее подложку и, по крайней мере, одну лунку для микрокапсулы, отличающееся тем, что устройство содержит, по крайней мере, один первый электропроводный слой, расположенный на подложке, по крайней мере, один диэлектрический слой, расположенный на первом электропроводном слое, по крайней мере, один второй электропроводный слой, расположенный на диэлектрическом слое, при этом лунка выполнена в диэлектрическом слое между электропроводными слоями, а второй электропроводный слой снабжен по крайней одним отверстием, расположенным над лункой и имеющим диаметр, соответствующий диаметру лунки.1. A device for the dosed opening of microcapsules containing a substrate and at least one well for a microcapsule, characterized in that the device contains at least one first conductive layer located on the substrate, at least one dielectric layer located on the first conductive layer, at least one second conductive layer located on the dielectric layer, the hole is made in the dielectric layer between the conductive layers, and the second conductive layer is provided ene at one opening positioned above the hole and having a diameter corresponding to the diameter of the hole. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит второй диэлектрический слой, расположенный между диэлектрическим слоем с лунками и первым электропроводным слоем, расположенным на подложке.2. The device according to claim 1, characterized in that it contains a second dielectric layer located between the dielectric layer with the holes and the first electrically conductive layer located on the substrate. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит мембрану, расположенную на втором электропроводном слое и выполненную проницаемой для содержимого микрокапсулы.3. The device according to claim 1, characterized in that it contains a membrane located on the second conductive layer and made permeable to the contents of the microcapsule. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подложка выполнена в форме трубки с диаметром, равным диаметру кровеносного сосуда, при этом первый электропроводный слой расположен на внутренней поверхности трубки. 4. The device according to claim 1, characterized in that the substrate is made in the form of a tube with a diameter equal to the diameter of a blood vessel, while the first electrically conductive layer is located on the inner surface of the tube.
RU2016119065A 2016-05-17 2016-05-17 Device for dosed opening of microcapsules RU2633655C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016119065A RU2633655C1 (en) 2016-05-17 2016-05-17 Device for dosed opening of microcapsules

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016119065A RU2633655C1 (en) 2016-05-17 2016-05-17 Device for dosed opening of microcapsules

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2633655C1 true RU2633655C1 (en) 2017-10-16

Family

ID=60129522

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016119065A RU2633655C1 (en) 2016-05-17 2016-05-17 Device for dosed opening of microcapsules

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2633655C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2328274C2 (en) * 2002-06-07 2008-07-10 Торрент Фармасьютикалз Лтд Medicinal agent lamotrigin with regulated release
US20100117951A1 (en) * 2008-11-13 2010-05-13 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Electrophoretic display device and method for fabricating spacer for electrophoretic display device
WO2010149292A1 (en) * 2009-06-16 2010-12-29 Universiteit Leiden A biological microfluidics chip and related methods

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2328274C2 (en) * 2002-06-07 2008-07-10 Торрент Фармасьютикалз Лтд Medicinal agent lamotrigin with regulated release
US20100117951A1 (en) * 2008-11-13 2010-05-13 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Electrophoretic display device and method for fabricating spacer for electrophoretic display device
WO2010149292A1 (en) * 2009-06-16 2010-12-29 Universiteit Leiden A biological microfluidics chip and related methods

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
А.В. Ермаков, Микрофлюидная система на основе электрочувствительных микрокапсул, Всероссийская молодежная научная конференция Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий, Саратов, 25-26 сенября 2013. А.В. Ермаков, В.П. Ким, А.С. Чумаков, И.А. Горбачев, Д.А. Горин, А.А. Савонин, И.В. Видяшева, Г.Б. Хомутов, Е.Г. Глуховской, Управлениецелостностью нанокомпозитных микроструктур на основе липидов, полимеров и неорганических наночастиц в электрическом поле, Известия Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Физика Т. 13, вып. 2, 2013. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chen et al. Membrane electroporation theories: a review
TW425294B (en) Intracutaneous edged microneedle apparatus
Weaver et al. Theory of electrical creation of aqueous pathways across skin transport barriers
BR112020024096A2 (en) microneedle plaster and method for manufacturing the same
WO2014179840A1 (en) Non-invasive agent applicator
Cozzi et al. Controlled Microfabrication of High‐Aspect‐Ratio Structures in Silicon at the Highest Etching Rates: The Role of H2O2 in the Anodic Dissolution of Silicon in Acidic Electrolytes
Weaver et al. Progress toward a theoretical model for electroporation mechanism: membrane electrical behavior and molecular transport
Hu et al. Physics of nanoporation and water entry driven by a high-intensity, ultrashort electrical pulse in the presence of membrane hydrophobic interactions
Kilchenmann et al. Metal-coated SU-8 structures for high-density 3-D microelectrode arrays
RU2633655C1 (en) Device for dosed opening of microcapsules
Moarefian et al. Modeling iontophoretic drug delivery in a microfluidic device
JP2009145361A (en) Flow path forming method and clamping device
Song et al. Effect of thermal gradients created by electromagnetic fields on cell-membrane electroporation probed by molecular-dynamics simulations
JP2006518851A (en) Capillary stop
Trainito Study of cell membrane permeabilization induced by pulsed electric field–electrical modeling and characterization on biochip
US20120219987A1 (en) Device for electroporation and lysis
Hu et al. Comparative evaluation of transmembrane ion transport due to monopolar and bipolar nanosecond, high-intensity electroporation pulses based on full three-dimensional analyses
DE19816143A1 (en) Transdermal application system (TDS) with electrode grid
WO2011121427A2 (en) A method to produce a microfluidic device having vertical electrodes and a device obtained from it
JPH0687782B2 (en) Cell electroporation method and device
JP2014030382A (en) Microfluidic device and method for forming lipid bilayer membrane
Wezgowiec et al. Electroporation in modern oncology
Tybrandt Ionic Circuits for Transduction of Electronic Signals into Biological Stimuli
Ting et al. Activated pathways for the directed insertion of patterned nanoparticles into polymer membranes
DE10339905A1 (en) Implantable microcell processor for disease treatment