用于激光驱动型微流体的医疗设备的装置和方法

申请号 CN202080051526.6 申请日 2020-05-20 公开(公告)号 CN114340694A 公开(公告)日 2022-04-12
申请人 美国休士顿大学系统; 发明人 包吉明; 朱唯干; 林峰; 岳帅; 陈迪; 丹尼斯·麦克威廉斯;
摘要 根据本公开的方面,提出了一种用于递送药物的装置。该装置包括激 光驱 动型光声微 流体 泵 (LDMP);开口型管状毛细管,该开口型管状毛细管包括第一端部和第二端部,其中第一端部设置在LDMP上,开口型管状毛细管被构造成储存药物。LDMP被构造成由药物产生流体射流并递送药物。
权利要求

1.一种用于递送药物的装置,所述装置包括:
光驱动型光声微流体(LDMP);
光导纤维元件,包括第一端部和第二端部,该第一端部设置在所述LDMP上;以及开口型管状毛细管,包括第一端部和第二端部,该第一端部设置在所述光导纤维元件上,所述开口型管状毛细管被构造成储存药物,
其中,所述LDMP被构造成由药物产生定向流体射流并递送所述药物。
2.根据权利要求1所述的装置,其中所述LDMP包括:
基体,具有第一侧和第二侧;以及
光声材料层,设置在所述基体的第一侧上,所述光声材料层被构造成响应于在所述层上进行冲击的激光束而产生定向声波,所述光声层包括纳米粒子
3.一种用于切割组织的装置,所述装置包括:
激光驱动型光声微流体泵(LDMP);
光导纤维元件,包括第一端部和第二端部,该第一端部设置在所述LDMP上;以及流体,包括、血液、血浆或体液中的至少一者,
其中,所述纤维设置在所述流体中,并且
其中,所述LDMP被构造成由所述流体产生流体射流并切割组织。
4.根据权利要求3所述的装置,其中所述LDMP包括:
基体,具有第一侧和第二侧;以及
光声材料层,设置在所述基体的第一侧上,所述光声材料层被构造成响应于在所述层上进行冲击的激光束而产生定向超声波,所述光声层包括纳米粒子。
5.一种用于强冲洗动脉中的沉积物的装置,所述装置包括:
激光驱动型光声微流体泵(LDMP);以及
光导纤维,包括第一端部和第二端部,该第一端部设置在所述LDMP上,该第二端部被构造成设置在动脉中,所述动脉包括流体,
其中,所述流体包括水、血液、血浆或体液中的至少一者,并且
其中,所述LDMP被构造成由所述流体产生流体射流并从所述动脉去除沉积物。
6.根据权利要求5所述的装置,其中所述LDMP包括:
基体,具有第一侧和第二侧;以及
光声材料层,设置在所述基体的第一侧上,所述光声材料层被构造成响应于在所述层上进行冲击的激光束而产生定向超声波,所述光声层包括纳米粒子。
7.一种用于将药物递送到组织的方法,所述方法包括:
基于将激光束引导到激光驱动型光声微流体泵(LDMP)处来产生定向超声波,所述LDMP包括:
基体,具有第一侧和第二侧;以及
光声材料层,设置在所述基体的第一侧上,所述光声材料层被构造成响应于在所述层上进行冲击的激光束而产生定向超声波,所述光声层包括纳米粒子;
响应于撞击所述光声层的所述激光束而使所述光声层热膨胀和收缩;以及在流体介质中产生定向流体射流,
其中,所述流体介质包括储存在开口型管状毛细管中的药物,所述开口型管状毛细管包括第一端部和第二端部,该第一端部设置在所述LDMP上,
其中,所述开口型管状毛细管被构造成储存药物。
8.一种用于增加来自激光驱动型光声微流体泵(LDMP)的流速的装置,所述装置包括:
LDMP;
光导纤维元件,包括第一端部和第二端部,该第一端部设置在所述LDMP上;
管,所述光导纤维元件的一个端部插入所述管中;以及
流体,包括水、血液、血浆或体液中的至少一者。
9.根据权利要求8所述的装置,其中所述光导纤维元件设置在所述流体中。
10.根据权利要求8所述的装置,其中所述LDMP被构造成产生强流体射流以避免回流。
11.一种用于精确操纵细胞的方法,包括:
使用流体镊子来抓取细胞,所述流体镊子包括:
两个方向的激光驱动型光声微流体泵(LDMP);
响应于激光束撞击光声材料层而使所述光声材料层热膨胀和收缩;以及在介质中产生两个方向的流体射流。
12.根据权利要求11所述的方法,其中所述两个方向的LDMP包括:
光导纤维光弯曲单元,包括第一端部和第二端部;以及
光声材料层,设置在所述光导纤维的第二端部上。
13.根据权利要求12所述的方法,其中所述光声材料层被构造成响应于在所述光声材料层上进行冲击的激光束而产生定向超声波。
14.根据权利要求13所述的方法,其中所述光声材料层包括纳米粒子。
15.根据权利要求14所述的方法,其中所述介质包括待由所述流体镊子操纵的细胞。
16.一种清除脑血栓的方法,包括:
基于将激光束引导到激光驱动型光声微流体泵(LDMP)处而产生定向高速流动;
响应于激光束撞击光声材料层而使所述光声材料层热膨胀和收缩;以及在脑血管中产生到达脑血栓的定向流体射流。
17.根据权利要求16所述的方法,其中所述LDMP包括:
光导纤维,包括第一端部和第二端部;以及
光声材料层,设置在所述光导纤维的第二端部上。
18.根据权利要求17所述的方法,其中所述光声材料层被构造成响应于在所述光声材料层上进行冲击的激光束而产生定向超声波。
19.根据权利要求18所述的方法,其中所述光声材料层包括纳米粒子。

说明书全文

用于激光驱动型微流体的医疗设备的装置和方法

[0001] 相关申请的交叉引证
[0002] 本申请要求于2019年5月24日提交的美国临时专利申请序列第62/852,485号的权益和优先权,其全部内容通过引证并入本文。

技术领域

[0003] 本申请涉及用于激光驱动型微流体泵(laser driven microfluid pump)的医疗设备的装置和方法,尤其涉及激光驱动型光声微流体泵的医疗设备。发明内容
[0004] 本公开涉及用于激光驱动型光声微流体泵的医疗设备的装置和方法。根据本公开的方面,提出了一种用于递送药物的装置。该装置包括:激光驱动型光声微流体泵(LDMP);光导纤维元件,该光导纤维元件包括第一端部和第二端部,其中第一端部设置在LDMP上;以及开口型管状毛细管,该开口型管状毛细管包括第一端部和第二端部,其中第一端部设置在光导纤维元件上,开口型管状毛细管被构造成储存药物。LDMP被构造成由药物产生定向流体射流并递送药物。
[0005] 在本公开的一个方面,LDMP可以包括具有第一侧和第二侧的基体,并包括设置在基体的第一侧上的光声材料层。光声材料层可以被构造成响应于在该层上进行冲击的激光束而产生定向声波。光声层可以包括纳米粒子
[0006] 根据本公开的方面,提出了一种用于切割组织的装置。该装置包括:激光驱动型光声微流体泵(LDMP);光导纤维元件,该光导纤维元件包括第一端部和第二端部,其中第一端部设置在LDMP上;以及流体,该流体包括、血液、血浆和/或体液。纤维可以设置在流体中。LDMP可以被构造成由流体产生流体射流并切割组织。
[0007] 在本公开的一个方面,LDMP可以包括具有第一侧和第二侧的基体,并包括设置在基体的第一侧上的光声材料层。光声材料层可以被构造成响应于在该层上进行冲击的激光束而产生定向超声波。光声层可以包括纳米粒子。
[0008] 根据本公开的方面,一种用于强清洗动脉中的沉积物的装置包括激光驱动型光声微流体泵(LDMP)以及具有第一端部和第二端部的光导纤维。第一端部设置在LDMP上。第二端部被构造成设置在动脉中。动脉包括流体。流体包括水、血液、血浆和/或体液。LDMP可以被构造成由流体产生流体射流并从动脉去除沉积物。
[0009] 在本公开的一个方面,LDMP可以包括具有第一侧和第二侧的基体,并包括设置在基体的第一侧上的光声材料层。光声材料层可以被构造成响应于在该层上进行冲击的激光束而产生定向超声波。光声层可以包括纳米粒子。
[0010] 根据本公开的方面,提出了一种用于将药物递送到组织的方法。该方法包括:基于将激光束引导到激光驱动型光声微流体泵(LDMP)处来产生定向超声波;响应于撞击光声层的激光束而使光声层热膨胀和收缩;以及在介质中产生定向流体射流。LDMP包括具有第一侧和第二侧的基体,并包括设置在基体的第一侧上的光声材料层。光声材料层被构造成响应于在该层上进行冲击的激光束而产生定向超声波。光声层包括纳米粒子。该介质包括储存在开口型管状毛细管中的药物,该开口型管状毛细管包括第一端部和第二端部。该第一端部设置在LDMP上。开口型管状毛细管被构造成储存药物。
[0011] 根据本公开的方面,提出了用于增加来自激光驱动型光声微流体泵(LDMP)的流速的装置。该装置包括:LDMP;光导纤维元件,该光导纤维元件包括第一端部和第二端部,其中第一端部设置在LDMP上;管,光导纤维元件的一个端部插入该管中;以及流体,该流体包括水、血液、血浆和/或体液。光导纤维元件设置在流体中。LDMP被构造成产生强流体射流从而避免回流。
[0012] 根据本公开的方面,提出了一种用于精确操纵细胞的方法。该方法包括使用流体镊子来抓取细胞,流体镊子包括两个方向的激光驱动型光声微流体泵(LDMP)。该方法还包括响应于激光束撞击光声材料层而使光声材料层热膨胀和收缩以及在介质中产生两个方向的流体射流。介质包括待由流体镊子操纵的细胞。
[0013] 在本公开的一个方面,两个方向的LDMP可以包括:光导纤维光弯曲单元,包括第一端部和第二端部;以及设置在光导纤维的第二端部上的光声材料层。光声材料层可以被构造成响应于在该光声材料层上进行冲击的激光束而产生定向超声波。光声材料层可以包括纳米粒子。
[0014] 根据本公开的方面,提出了一种清除脑血栓的方法。该方法包括基于将激光束引导到激光驱动型光声微流体泵(LDMP)处而产生定向高速流动。该方法还包括响应于激光束撞击光声材料层而使光声材料层热膨胀和收缩以及在脑血管中产生到达脑血栓的定向流体射流。
[0015] 在本公开的一个方面,LDMP可以包括具有第一端部和第二端部的光导纤维,并包括设置在光导纤维的第二端部上的光声材料层。光声材料层可以被构造成响应于在该层上进行冲击的激光束而产生定向超声波。光声材料层可以包括纳米粒子。
[0016] 下面参考附图更详细地描述本公开的示例性实施例的更多细节和方面。

附图说明

[0017] 参考以下阐述了说明性实施例的详细描述和附图将获得对所公开技术的特征和优点的更好的理解,说明性实施例中利用了该技术的原理,并且在附图中:
[0018] 图1A‑G描绘了根据本公开的方面的注入金离子的石英窗和从该窗发射的射流;
[0019] 图2A‑D是根据本公开的方面的在不同的激光功率和光斑尺寸下由微泵产生的射流流模式;
[0020] 图3A‑F描绘了根据本公开的方面的移动微泵和双微泵;
[0021] 图4A‑F描绘了根据本公开的方面的由单个激光脉冲产生的射流;
[0022] 图5A描绘了根据本公开的方面的由单个激光脉冲激发的持久的光声振荡;
[0023] 图5B描绘了根据本公开的方面的光声波和流的示意图;
[0024] 图6是根据本公开的方面的用于向组织递送药物的装置的示例性实施例;
[0025] 图7是图6的装置的光导纤维元件的图示;
[0026] 图8A‑C是图7的光导纤维元件的平坦的顶端、凸出的顶端和凹入的顶端的图示;
[0027] 图9A‑C是根据本公开的方面的来自玻璃纤维的激光流的图;
[0028] 图10A‑C是根据本公开的方面的基于导管的流体泵的图示;
[0029] 图11是根据本公开的方面的抓取工具的图示;
[0030] 图12是根据本公开的方面的喷射和切割工具的图示;
[0031] 图13是根据本公开的方面的遥控注射器的图示;
[0032] 图14是根据本公开的方面的微流控芯片(microfluid chip)的图示;以及[0033] 图15是根据本公开的方面的激光驱动型光声微流体泵合成细胞的图示。
[0034] 下面参考附图更详细地描述本公开的多个实施例的进一步细节和方面。

具体实施方式

[0035] 本公开涉及用于激光驱动型光声微流体泵(LDMP)的医疗设备的装置和方法。
[0036] 虽然本公开将根据具体实施例进行描述,但是对于本领域技术人员而言显而易见的是,在不脱离本公开的精神的情况下可以进行各种修改、重新布置和替换。本公开的范围由所附权利要求限定。
[0037] 出于促进对本公开的原理的理解的目的,现在将参考附图中所示的示例性实施例并且将使用特定措辞对示例性实施例进行描述。然而应当理解,并不表示本公开的范围受限于此。相关领域及具有本公开专业知识的技术人员会想到对本文所示的发明特征的任何改变和进一步修改以及如本文所示的本公开的原理的任何其他设备,它们都应被视作在本公开的范围内。
[0038] 将一种形式的能量变换(或转换)为另一种形式的过程通常称为换能。换能器是通常用于执行这样的功能的器件,并且换能器的特征可以是物理系统(例如压力、温度、声波等)通过其的方向。例如,传感器是一种类型的换能器,其接收来自物理系统(例如温度)的信号/刺激并对该信号/刺激做出响应并且产生表示关于该物理系统的信息的电信号。另一方面,致动器也是一种换能器,其响应一些电信号来控制/产生物理系统(例如声波)。例如,扬声器将录音的电信号转换为机械声波。
[0039] 如上所述,一种形式的能量可以被转换为另一种形式。这些能量形式可以包括例如机械能、电能化学能、电磁能、热能和声能。已经进行了研究以探索转换其他形式的能量,例如将光能(例如,高能光子)转换为机械能。将光能转换为一些形式的机械能需要有效的动量传递,而这难以实现。因此需要一种能够执行这种转换的有效系统。
[0040] 微泵基于其工作原理可被分为两种:机械式和非机械式。在1980年代随着微机电系统的出现而开发的机械式微泵是宏观泵的小型化版本,其由诸如的运动部件以及可直接置换流体的膜等制成。尽管非机械式微泵不具有运动部件,但它们仍然需要精心制造的微结构和电触点来产生热、电、磁或声刺激以驱动流体。虽然微泵的性能随着制造技术的发展而提高,但微泵的原理和设计在过去几十年中几乎保持不变。在多个实施例中,微泵不具有运动部件或电极,因此不需要微制造或纳米制造。微泵的尺寸、数量、位置和时间可以远程控制、重构和实时编程。该泵可以包括半透明的等离子体石英窗。泵可以基于光声激光流的原理:由谐振激光脉冲产生的超声波通过声流来驱动流体。石英窗的整个表面可以覆盖有等离子体层。可以从窗上的任何点产生超声波,使其成为微泵发射台。
[0041] 参考图1A‑D,示出了注入Au离子的石英窗100和从该窗发射的射流。图1A描绘了注入Au离子的石英窗100的UV‑可见吸收光谱
[0042] 光声发射台可以通过在0.5mm厚的石英窗100中以约60keV注入每平方厘米约6×16
10 的剂量的Au离子来建立。基于所选的加速电压,Au离子可以注入表面下方约50nm内。可以使用相对高的剂量,从而可以获得足够的Au纳米粒子浓度和相应的光吸收。图1A还示出了石英窗100的图,其中注入区102位于石英窗100的中心。图1A的吸收光谱显示由于纳米粒子和Au簇的表面等离子体共振,吸收峰值103位于530nm附近。
[0043] 图1B和图1C示出了以不同度在激发激光束和注入Au离子的石英窗之间产生射流的设置。
[0044] 水诊器(hydrophone)是一种设计成用于水下录制或收听水下声音的麦克。大多数水诊器基于当经受压力变化(例如声波)时产生电势的压电换能器
[0045] 为了将窗用作微泵发射台,例如,可以用不含Au纳米粒子的去离子水108填充比色皿(cuvette)106。石英100能以可调倾斜角放置在比色皿106(例如,1平方厘米的玻璃比色皿)中。脉冲激光104(例如,具有150ns脉冲宽度的527nm脉冲激光)可以(通过焦距为10cm的透镜)聚焦在石英窗100上而不是比色皿壁上以产生光声波107和光声射流。可使用红色荧光聚合物微球体109和激光(例如,633nm HeNe激光)来利用高速彩色相机150对水108的运动进行成像。光声波107可由水诊器120检测,然后在被高速示波器记录之前通过前置放大器放大。为了流动成像,长通滤波器可用于阻挡527nm的光。激光重复率可以是大约1000Hz。当由来自窗上任意点的入射激光脉冲产生射流时,微泵就可以工作了。
[0046] 图1D‑G描绘了入射角为0°、30°、40°和50°的射流的快照。虚线表示与水接触的窗表面100a。水平光线170是由于微球体在约527nm绿光激发下发出的荧光而产生的激光束。无论激光束的方向如何,由该微泵从石英窗100(图1B)发射的射流总是垂直于窗表面流动。
从这个观察中得出的简单结论是射流不是由来自入射光子的动量转移驱动的。由于注入Au的石英层的激光诱导加热和随后的光热膨胀不取决于入射激光的角度,因此垂直于表面的射流的观察与光声流的机制一致,并且与先前的观察结果不矛盾。另一方面,这种窗‑射流关系允许微泵沿相同方向泵送流体而无需担心激光束的方向。泵送方向可以随着窗100(图
1B)的方向而改变。
[0047] 参考图2A‑D,示出了在不同的激光功率和光斑尺寸下由微泵产生的射流流模式。图2A‑C中,激光光斑尺寸的直径为50μm,激光功率为(A)6.3mW、(B)10mW以及(C)40mW。图2D示出了330mW的激光功率和大约300μm×50μm的光斑尺寸。
[0048] 存在启动射流的激光功率阈值。这通过图2A‑C中所示的观察结果得到证实。在6.3mW的低功率下没有观察到流,但是在10mW的功率下可以看到大量的流,并且在40mW时流变得更多。首先从图2B和图2C中可以看出,射流速度是一个因素:高速的射流以较小的初始直径出发并且随着在向前移动而较小地发散。其次,较大的激光光斑或微泵(如图2D中宽黄色荧光路径所示)可以使射流在远场中发散地较小且较准直,但初始射流尺寸仍然可以像图2C那样小。可以通过射流的流线以及惯性、声辐射力和流体质量守恒之间的相互作用粗略地理解这些观察结果。当从窗发射快速的射流时,必须从窗的周围区域供应水,这使得射流起源于激光光斑的中心并且具有远小于激光光斑的初始尺寸。一旦射流离开窗,其运动就受流体惯性和声辐射力的支配。因为较大的激光光斑产生较准直的超声波,所以流变得不那么发散。
[0049] 参考图3A‑C,示出了当激光束以约1mm/s的速度向下移动时,流在0秒、1秒和2秒时的快照。水平箭头表示激光光斑的位置,竖直箭头表示激光光斑的速度方向。图3D‑F为通过具有不同的上/下激光功率的两个激光束产生的流。
[0050] 不制备有光声腔的微泵的瞬时动作允许以前所未有的自由来建立微泵模式和各种流体运动。例如,因为激光束是扫频的,所以可以建立扫频式微泵(sweeping micropump)(图3A‑C)。由于流体的惯性,运动的射流无法到达像稳定的射流到达的那样远。为了同时产生两个微泵/射流,束被分成两部分。图3D‑F示出了由两个束产生的两个射流,并且每个射流的强度可以由每个束独立地控制。然而,由于两个射流接近,当两者强度相同时它们合并成更宽的射流(图3E),或者如图3D和图3F所示,较弱的射流被较强的射流吞没。如果把每一束射流都看成一个喷泉,那么仅通过调整激光束就可以形成各种跳舞的喷泉。
[0051] 参考图4A‑F,示出了由单个激光脉冲产生的射流。长通滤波器被移除从而还可以观察到来自激光脉冲的绿光。(图4A、4B、4E和4F)示出了激光脉冲前后流体运动的时序快照。例如,曝光时间约为10ms。图4B中的箭头403表示激光在石英板上的聚焦点。微球体的亮白色是由于强烈的荧光和CC饱和度。(图4C和图4D)示出了A和B中的框所指示的区域的放大图像。激光脉冲能量:0.5mJ。
[0052] 激光脉冲的按需射流生成和受控生成进一步允许我们通过检查单个激光脉冲的射流来探索泵送的机制。图4示出了流体在激光脉冲撞击前后每20ms的一系列高速图像。从图4A可以看出流体最初几乎是静止的。流体仅在激光脉冲到达后才开始移动,如图4B中绿色的一些示踪粒子所指示的。然而,与靠近窗的连续流的运动不同,靠近窗的水保持不动。具有最高流体速度的区域距离窗约1mm远,如图4B中的绿框所标记的。图4E和图4F进一步示出了流体速度在40ms后迅速降低并变得非常小。
[0053] 除了稳态流线和平均流动速度,对示踪粒子的轨迹的详细检查为粒子沿其轨迹的局部瞬时速度提供了更多信息。这是因为在每张图像的10ms曝光时间期间,相机持续地记录粒子的位置。像素的荧光强度与粒子在一个位置停留的时间成比率。对于静止的粒子,像素的荧光强度在图像中显示为亮点。对于快速移动的粒子,由于曝光时间较短而迹线较暗。然而,对于缓慢移动的粒子,由于每个像素的曝光时间增加,迹线看起来较亮。原则上,粒子轨迹的积分荧光强度无论它是否移动都是相同的,这是因为在相同的曝光时间内总的荧光或散射光是相同的。这种相关性可以通过图4A、图4E和图4F中的轨迹来验证。示踪粒子在不移动时显得明亮。由于图4E和图4F中的流减速,轨迹在左侧(开始)处变得较暗,但在右侧(结束)处变得较亮。
[0054] 参考图4B,尤其是由箭头402指示的两个轨迹处。轨迹以绿点和亮红色开始,在其路径的前1/5处变得较暗(由箭头402的顶端指示),但在那之后,轨迹变得越来越强。这些颜色和强度码为我们提供了射流的动力学的生动画面:流体在激光脉冲撞击不久后开始加速,并迅速达到其最大速度,如较弱的轨迹所示。之后,流体的速度开始降低,如较强的轨迹所示。当激光击中石英窗时将立即产生超声脉冲,但需要大约0.5μS才能产生两个示踪粒子。与10ms的总曝光时间相比,这个时间延迟可以忽略。根据声流的原理,施加在流体上的体积力与超声强度成正比,并且与超声传播方向相同。由于超声波将持续约0.5ms,因此可以安全地假设流体在此期间加速并在超声波脉冲结束时达到最高速度。流体的阻尼在超声波脉冲通过后开始,这就是为什么首先看到绿色激光,之后是短暂时间段的加速后,然后是较长时间段的减速。
[0055] 参考图5A和图5B,示出了光声微泵机制的图。通常由单个激光脉冲激发持久的光声振荡。在右侧轴线上示出了来自水诊器电压信号的变换压力。图5A中示出了前30μS的水诊器信号。图5B示出了光声波和流的示意图。入射激光的吸收使表面层发生热膨胀和机械振动,从而产生超声波。图的流线。图5B的流线基于图4E,为激光脉冲后约20ms。
[0056] 该机制与以前的光声流相同,除了Au纳米粒子/簇现在嵌入在石英表面层中而不是附着在比色皿腔表面。同样,激光流成功的关键是通过单个激光脉冲可以产生持久的超声波。嵌入的Au粒子的激光诱导加热和光热膨胀在石英板内部产生应力并使得石英板超声振动。这种局部表面振动和加热使得水在两个方向上的振动:垂直于石英表面的纵向振动和平行于表面的剪切振动。然而,板的剪切运动不能有效地传播到液体中,这是因为这种运动在液体中指数地衰减,并且在室温下穿透距离通常小于1μm。只有石英板的纵向振动才能通过液体有效地传播。这种振动会在液体中产生纵向超声波,从而产生垂直于板表面的液体射流。
[0057] 激光驱动型光声微流体泵(LDMP)是通过将金原子(或其他金属原子)离子注入到固体基体(诸如石英、玻璃或其他透明材料)中而制成的。基体尺寸可以小,例如,亚毫米级的尺寸。Au可以被注入到大而薄的基体中。然后可以将薄的基体切割成小型LDMP。
[0058] 系统的尺寸还可以取决于应用。例如,对于胃黏膜内窥镜手术可使用毫米级尺寸。对于心脏动脉应用可使用亚毫米级尺寸。该小的LDMP然后可以被附接(安装、粘合或熔合)成与光导纤维接触,以将激光带到LDMP并产生射流。金属原子可以直接注入到光导纤维的端部,以每当激光通过纤维传输到头部时,使该端部成为流体射流头部。
[0059] 根据医疗或外科应用,流体可以包括水、血液、血浆、体液或任何其他流体。根据产生沿向前方向的射流的激光的功率,射流截面的直径估计为0.1mm或更小,并且射流流体的速度高达几厘米/秒。
[0060] 参考图6,示出了将药物递送到组织的装置600。该装置可以包括LDMP 680、光导纤维元件604和设置在光导纤维元件604或LDMP 680上的开口型管状毛细管602。光导纤维元件604包括第一端部部分604a和第二端部部分604b。第一端部部分604a可以设置在LDMP 680上。开口型管状毛细管602包括第一端部部分602a和第二端部部分602b。第一端部部分
602a可以设置在光导纤维元件604上。开口型管状毛细管可以被构造成将药物608a存储在储存器608中。LDMP 680可以被构造成由药物608a产生定向流体射流并递送药物608a。可预期的是流体射流可包括气体和/或液体,但优选为液体。
[0061] 流体形式的药物可以储存在开口型管状毛细管602中,一个端部附接到LDMP 680。带有药物的液体射流可以瞄准目标区域以进行递送。目标区域还可以在流体射流递送药物之前通过激光束预先钻出一个小腔。在可以使用相同的激光进行钻孔和喷射的情况下,这可以帮助位置对准。例如,目标区域的尺寸可以是大约0.1mm到2mm。可预期的是激光也可以扫描到更大的区域中。
[0062] 流体射流流可用作切割组织的工具。流体射流流可穿透薄膜。流体射流流可用于使薄的组织膜层分层。可以调节功率使射流流强或弱。附接到LDMP 680的光导纤维元件604可以与内窥镜组结合。例如,激光射流可用于通过将流体射流流瞄准不期望的组织来瞄准并切割癌细胞。
[0063] 流体射流流可用于在递送药物之前清洗发炎的组织。流体射流流可用作微型铲以使动脉中不期望的且有致病风险的沉积物松动。当光导纤维元件604几乎平行于动脉时,射流流方向将为掠射角。可以使用过滤器过滤掉小的致病体。
[0064] 可预期的是激光可以是大约介于180nm‑1mm范围内的任何波长。纤维的直径范围可以在大约几分之一微米到超过几毫米之间。
[0065] 基于纤维的光声器件可以在人体内执行药物递送或其他功能。例如,纤维的超声可以使血液或体液循环或者使药物在体内在肿瘤周围移动。例如,超声可以直接瞄准一些组织,例如肾结石。
[0066] 参考图8A‑C,光导纤维元件604的端部表面605可以具有平坦形状605a、凹陷(凹入)形状605c或凸出形状605b。例如,凸出形状605b可用于使激光散焦。凹入形状605c可用于将激光聚焦在小的目标区域上。
[0067] 图9A‑C示出了根据本公开的方面的来自玻璃纤维的激光流的图像。图9A示出了来自注入金的玻璃纤维(d=80μm)的激光流的实验演示。玻璃纤维的一个端部的表面在60KeV下以约2×1017/cm2的剂量注入金(图9A)。当波长为527nm的10‑15mW脉冲(150nm)激光击中另一个端部时,从玻璃纤维的注入金的那个端部产生激光流。(图9B)。激光流推动玻璃管中的粒子。(图9C)。与其他基于机械的泵相比,这种类型的泵将提供许多优势,包括但不限于:非接触式流动,从而减少传统机械泵引起的细胞损伤和血栓形成;能够在任何可以获得激光能量的地方驱动流体的能力和非常小的尺寸;以及/或者不需要输送电能或机械能就能运行。
[0068] 图10A‑C是根据本公开的方面的基于导管的流体泵的图示。使用激光作为电源可以实现非常灵活且小型的工具,该工具能够建立或增强体内的流体流动。这些工具将类似于“冲压式喷气”发动机运行,其中流体被带入空心管中的室中,并通过LDMP泵(例如,单个、多个和/或位于管腔的多个部分中的LDMP泵)加速。能以多种方式修改此流动以增强设备的功效。例如,通过提供恒定的流量,其中通过激光1002的光量来调整这样的流量(图10A)。可以建立脉冲式流动来模拟心脏的生理活动。这可以通过循环启动或停用激光1002来实现。此外,还可以建立超声或高超声流动循环来增强某些工具的活动性,例如去除血栓。例如,可以通过调整激光1002的方向来建立多向流。这可以包括建立涡流1005以增强某些设备(图10B)。可以预期的是这些泵的设计可包括多种流体入口和出口以及/或者多个窗1006,以针对各种设备进行优化(图10C)。例如,用于清除脑血栓的方法可以包括基于将激光束引导到LDMP处来产生定向高速流动。LDMP包括具有第一端部和第二端部的光导纤维并包括设置在光导纤维的第二端部上的光声材料层。光声材料层被构造成响应于在该层上进行冲击的激光束而产生定向超声波。光声材料层可以包括纳米粒子。该方法还可包括响应于激光束撞击光声材料层而使光声材料层热膨胀和收缩,并且包括在脑血管中产生到达脑血栓的定向液体射流。
[0069] 图11是根据本公开的方面的抓取工具1100的图示。在中空管1004中反向流动处可以使用柔性导管1106,从而提供抽吸能力(例如,LDMP抽吸导管)。例如,抓取工具1100可用于抓取细胞和/或组织1110。抓取工具1100可用作可被递送到身体的多个部位的非常小且精密的抽吸工具。可替代地,抓取工具1100可用于研究以操纵细胞和/或组织1110,或甚至细胞内的元素。
[0070] 例如,抓取工具可以用做流体镊子来操纵细胞。流体镊子可以包括LDMP,该LDMP包括:光导纤维光弯曲单元,具有第一端部和第二端部;以及设置在光导纤维的第二端部上的光声材料层。光声材料层可以被构造成响应于在光声材料层上进行冲击的激光束而产生定向超声波。光声材料层包包括纳米粒子。光声材料层可以响应于激光束撞击光声材料层而热膨胀和收缩,这在介质(例如,液体介质)中产生两个定向流体射流,该介质包括要由流体镊子操纵的细胞。
[0071] 图12是根据本公开的方面的喷射和/或切割工具1200的图示。喷射和/或切割工具1200总体上包括被构造成流体储存器的柔性中空管1004、LDMP 1204、一个或多个流体窗
1202、压力阀1206,以产生高速射流流动1208。由于喷射和/或切割工具的极小的尺寸和灵活性,所以使用通过LDMP泵(“LDMP射流”)加速的流体的喷射和/或切割工具1200将比现有的“水射流”刀具具有优势。喷射和/或切割工具1200可以包括使用周围流体和/或室内流体。在非常高的流速或振动流速(例如,高速率和高频)下,这样的工具可以切割组织或小型细胞结构。
[0072] 图13是根据本公开的方面的遥控注射器1300的图示。遥控注射器1300通常包括导管1304,设置在导管1304中的LDMP 1302、有效负载1306(例如药物)、被构造成调节压力的压力阀1308、以及有效负载喷射器1310。有效负载1306可以被封装,然后被激活并被主动泵送到身体或细胞的区域中。遥控注射器1300可用于例如需要以非常小的尺寸进行某些药剂的递送的细胞治疗中或者用于少量材料可以被注射到细胞中(诸如体外受精基因治疗)的行为中。
[0073] 图14是根据本公开的方面的微流控芯片1400的图示。微流控芯片1400可以包括混合室1402,其中具有用于混合两种或更多种流体的LDMP混合器1404。微流体可用于科学研究和药物开发。LDMP泵1406可以在微流体线路中产生流体运动,例如,通过导管(a)或直接嵌入线路(b)中。混合室可用于增强化学反应,其中混合由LDMP(c)引起的流体流动引起。
[0074] 图15是根据本公开的方面的LDMP合成单元1502的图示。通过将金粒子1506嵌入到细胞的脂质结构中,可以使用外部激光1504来移动和操纵这些细胞1502。
[0075] 本文公开的实施例是本公开的示例并且可以以多种形式体现。例如,虽然本文的某些实施例被描述为单独的实施例,但是本文的每个实施例都可以与本文的一个或多个其他实施例组合。本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为进行限制,而是作为权利要求的基础并且作为教导本领域技术人员在实际中以任何适当的详细结构中来各种各样地应用本公开的代表性基础。贯穿附图的描述,相似的参考标号可以指代相似或相同的元件。
[0076] 表述“在一个实施例中”、“在多个实施例中”、“在各个实施例中”、“在一些实施例中”或“在其他实施例中”可以各自指代根据本公开的一个或多个相同或不同的实施例。“A或B”形式的表述表示“(A)、(B)或(A和B)”。“A、B或C中的至少一者”形式的表述表示“(A);(B);(C);(A和B);(A和C);(B和C);或(A、B和C)。”
[0077] 本文描述的任何方法、程序、算法或代码都可以转换成编程语言或计算机程序或者用编程语言或计算机程序表达。本文使用的术语“编程语言”和“计算机程序”各自都包括用于指定计算机指令的任何语言,并且包括(但不限于)以下语言及其衍生语言:汇编程序语言、Basic语言、批处理文件语言、BCPL语言、C语言、C+语言、C++语言、Delphi语言、Fortran语言、Java语言、JavaScript语言、机器代码语言、操作系统命令语言、Pascal语言、Perl语言、PL1语言、脚本语言、Visual Basic语言、元语言,这些语言自身指定程序,并且还包括所有第一代、第二代、第三代、第四代、第五代或更进一步的计算机语言。还包括数据库和其他数据模式以及任何其他元语言。解释型语言、编译型语言或同时使用编译型和解释型方法的语言之间没有区别。程序的编译版本和源版本之间没有区别。因此,对其中编程语言可以存在于多于一种状态(例如源、编译、对象或链接)的程序的引用是对任何和所有这些状态的引用。对程序的引用可包括实际指令和/或那些指令的意图。
[0078] 应理解,上述描述仅是对本公开的说明。在不脱离本公开的情况下,本领域技术人员可以设计各种替代和修改。因此,本公开旨在包括所有此类替代、修改和变化。参考附图描述的实施例仅用于展示本公开的某些示例。与上述和/或所附权利要求中描述的那些元件、步骤、方法和技术无本质上区别的其他元件、步骤、方法和技术旨在也落入本公开的范围内。
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