RU2633655C1 - Device for dosed opening of microcapsules - Google Patents
Device for dosed opening of microcapsules Download PDFInfo
- 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
Links
- 239000003094 microcapsule Substances 0.000 title claims abstract description 67
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 15
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 6
- 210000004204 blood vessel Anatomy 0.000 claims description 4
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 12
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 60
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 11
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 239000002502 liposome Substances 0.000 description 5
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 4
- 239000002775 capsule Substances 0.000 description 3
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 3
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 2
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000011010 flushing procedure Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 210000002751 lymph Anatomy 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 239000008186 active pharmaceutical agent Substances 0.000 description 1
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 1
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 1
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 1
- 210000000601 blood cell Anatomy 0.000 description 1
- 210000001772 blood platelet Anatomy 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 210000003850 cellular structure Anatomy 0.000 description 1
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 1
- 239000011370 conductive nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000006837 decompression Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003937 drug carrier Substances 0.000 description 1
- 238000012377 drug delivery Methods 0.000 description 1
- 229940088679 drug related substance Drugs 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 210000003743 erythrocyte Anatomy 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 150000002632 lipids Chemical class 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000012907 medicinal substance Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000002572 peristaltic effect Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 230000000243 photosynthetic effect Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920000307 polymer substrate Polymers 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61K—PREPARATIONS FOR MEDICAL, DENTAL OR TOILETRY PURPOSES
- A61K9/00—Medicinal preparations characterised by special physical form
- A61K9/48—Preparations in capsules, e.g. of gelatin, of chocolate
- A61K9/50—Microcapsules 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
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F11/00—Apparatus 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
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,
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
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
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)
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)
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 |
-
2016
- 2016-05-17 RU RU2016119065A patent/RU2633655C1/en active
Patent Citations (3)
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)
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 |