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裝置和其用途

文檔序號(hào):1246104閱讀:325來(lái)源:國(guó)知局
裝置和其用途
【專利摘要】本公開(kāi)提供裝置和其用途。本文中公開(kāi)的裝置包括:一個(gè)或多個(gè)尖端,其中所述一個(gè)或多個(gè)尖端被設(shè)計(jì)并且構(gòu)造成起始通過(guò)所述裝置進(jìn)行的穿透;和在鄰近每個(gè)尖端的區(qū)域中的一個(gè)或多個(gè)突起。在一些實(shí)施方案中,一個(gè)或多個(gè)突起可以被構(gòu)造并且布置成使得所要求的穿透力與針對(duì)缺乏所述一個(gè)或多個(gè)突起、在其它方面相同的裝置所觀察到的穿透力相比減小。另外或者可選地,一個(gè)或多個(gè)突起可以被構(gòu)造并且布置成使得所要求的拉出力與針對(duì)缺乏所述一個(gè)或多個(gè)突起、在其它方面相同的裝置所觀察到的拉出力相比增大。
【專利說(shuō)明】裝置和其用途
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2011年I月18日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)U.S.S.N.61/433,934和2011年3月16日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)U.S.S.N.61/453, 521的優(yōu)先權(quán),所述申請(qǐng)的內(nèi)容是通過(guò)引用并入本文。
[0003]政府支持 [0004]本文所述的工作部分由來(lái)自國(guó)立衛(wèi)生研究院(National Institute of Health)(基金號(hào)GM086433)以及美國(guó)心臟協(xié)會(huì)(American Heart Association)(基金號(hào)0835601D)、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(National Science Foundation)(基金號(hào) NIRT0609182)以及國(guó)立衛(wèi)生研究院(基金號(hào)DE013023)的基金支持。美國(guó)政府對(duì)本申請(qǐng)具有某些權(quán)利。
[0005]背景
[0006]北美豪豬在其背面具有大約30,000根剛毛,并且當(dāng)它遇到捕食者時(shí),通過(guò)直接接觸捕食者而促進(jìn)剛毛釋放。每根剛毛尖端含有微型的向后倒鉤,而如非洲豪豬、刺猬以及針鼴的其它哺乳動(dòng)物具有平滑的剛毛(或棘刺)。如果剛毛尖端刺入捕食者的皮膚,施加在剛毛的軸桿上的所產(chǎn)生的反作用力可能強(qiáng)到足以使得剛毛的根部從周圍組織切斷,從而可以幫助豪豬逃離敵人。文獻(xiàn)已經(jīng)充分證明一旦豪豬剛毛刺入組織之中(通常穿過(guò)皮膚與肌肉),就難以從捕食者去除這些剛毛。然而,穿透和拉出過(guò)程中所涉及的力尚有待描述,并且綜合機(jī)制仍然令人困惑。對(duì)于科學(xué)與工業(yè)界來(lái)說(shuō),北美豪豬的仿生學(xué)應(yīng)是值得關(guān)注的。
[0007]盡管已經(jīng)使用多種針和其派生物,但促進(jìn)模仿并且改善自然系統(tǒng)(例如,北美豪豬剛毛)的創(chuàng)新將會(huì)是有益的。更一般來(lái)說(shuō),仍然需要促進(jìn)穿透和/或粘接至襯底的裝置和方法。
[0008]概述
[0009]本公開(kāi)提供一種用于穿透襯底的裝置和其用途。這種裝置包括:一個(gè)或多個(gè)尖端,其中所述一個(gè)或多個(gè)尖端被設(shè)計(jì)并且構(gòu)造成起始通過(guò)所述裝置進(jìn)行的穿透;和在鄰近每個(gè)尖端的區(qū)域中的一個(gè)或多個(gè)突起。在一些實(shí)施方案中,一個(gè)或多個(gè)突起可以被構(gòu)造并且布置成使得所要求的穿透力與針對(duì)缺乏所述一個(gè)或多個(gè)突起、在其它方面相同的裝置所觀察到的穿透力相比減小。另外或者可選地,一個(gè)或多個(gè)突起可以被構(gòu)造并且布置成使得所要求的拉出力與針對(duì)缺乏所述一個(gè)或多個(gè)突起、在其它方面相同的裝置所觀察到的拉出力相比增大。
[0010]定義
[0011]為了更加容易地理解本公開(kāi),以下首先對(duì)某些術(shù)語(yǔ)進(jìn)行定義。用于以下術(shù)語(yǔ)和其它術(shù)語(yǔ)的另外的定義將在說(shuō)明書(shū)中闡述。
[0012]術(shù)語(yǔ)“生物可降解”應(yīng)理解為是指在置于活的動(dòng)物或含活細(xì)胞的介質(zhì)之后使自身化學(xué)組成改變(例如,降解)、使數(shù)均分子量最終降低的任何材料。
[0013]如本文所用的術(shù)語(yǔ)“尖端”通常是指具有至少兩個(gè)不同維度的物體的較小的端區(qū)域或物體的含有突起的尖區(qū)域。
[0014]如本文所用的術(shù)語(yǔ)“軸桿”通常是指物體的狹長(zhǎng)區(qū)域。[0015]如本文所用的術(shù)語(yǔ)“針”通常是指刺穿襯底的物體。
[0016]如本文所用的術(shù)語(yǔ)“微針”通常是指至少一個(gè)尺寸約為10納米至1,000微米的尖銳物體。
[0017]術(shù)語(yǔ)“皮下注射針”在本領(lǐng)域中應(yīng)理解為是指適配成用于并且能夠穿透任何物種的表皮的物體(無(wú)論是實(shí)心還是含有一個(gè)或多個(gè)腔)。
[0018]如本文所用的術(shù)語(yǔ)“倒鉤”是指具有附在如軸桿的主體上的至少一個(gè)尖銳的尖區(qū)域的物體。
[0019]附圖簡(jiǎn)述
[0020]附圖僅僅出于說(shuō)明目的,而非用于限制。
[0021]圖1描繪示例性的可部署的有倒鉤的剛毛陣列:A)有倒鉤的、面內(nèi)針的剛毛模仿陣列;B)組織插入之前彎曲到平面外的有倒鉤的針。
[0022]圖2描繪示例性的有倒鉤的皮下注射針:A)未改進(jìn)的皮下注射針;B)有倒鉤的皮下注射針。
[0023]圖3描繪示例性的可部署的有倒鉤的微針陣列設(shè)計(jì):有倒鉤的角錐形的微針。在存在犧牲性或水溶性組分時(shí),倒鉤在插入水環(huán)境(例如,組織)時(shí)可部署。
[0024]圖4示出:(A)代表性的剛毛的數(shù)碼照片,所述剛毛具有不同長(zhǎng)度的有倒鉤的區(qū)域,其中所述長(zhǎng)度通常是在3至5_的范圍內(nèi)。⑶光學(xué)顯微圖像證實(shí)了具有4_有倒鉤的區(qū)域的剛毛的長(zhǎng)度。(C)單個(gè)剛毛的順序FE-SEM圖像示出從功能性倒鉤到含有未顯露的倒鉤(即,這些倒鉤尚未能接合組織)的平滑表面的過(guò)渡。
[0025]圖5示出:(A-B)數(shù)碼照片示出㈧豪豬剛毛㈧和⑶18號(hào)針的類似直徑。小方框指示用來(lái)測(cè)量剛毛或針的直徑的`區(qū)域。(C)代表性的力-延展性曲線示出18號(hào)針對(duì)肌肉組織的穿透與拉出輪廓。
[0026]圖6示出:(A)FE-SEM圖像,其示出非洲豪豬剛毛的表面特征。(B)代表性的力對(duì)延展性曲線圖示出用于插入到肌肉組織中的非洲豪豬剛毛的穿透力和去除力。(C)表概括了由肌肉組織內(nèi)的非洲豪豬剛毛的穿透/去除過(guò)程所得到的值(n=5)。平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差
一起示出。
[0027]圖7示出:㈧有兩個(gè)倒鉤的剛毛的初始幾何形狀,其中指示了單個(gè)倒鉤的尺寸和兩個(gè)倒鉤之間的距離。⑶在模擬中所用的有限元網(wǎng)格。所述有限元網(wǎng)格含有剛毛與組織,并且它是來(lái)自模擬的快照。
[0028]圖8示出:(A)通過(guò)對(duì)天然剛毛的長(zhǎng)度尺度測(cè)量來(lái)對(duì)豪豬剛毛進(jìn)行尺寸分析以用于有限元分析(FEA) (n=5)。平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差一起示出。就曲線而論,存在三個(gè)過(guò)渡點(diǎn)。L和W分別指示長(zhǎng)度和寬度。(B)插入建模組織之前的無(wú)倒鉤的剛毛的全網(wǎng)格。(C)剛毛/組織界面處的精細(xì)網(wǎng)格的放大視圖。
[0029]圖9示出(A)-(H):代表性的光學(xué)顯微圖像證實(shí)八個(gè)剛毛的有倒鉤的區(qū)域,所述剛毛已磨光以便獲得特定長(zhǎng)度的有倒鉤的區(qū)域。(C)中的插圖示出Imm有倒鉤的區(qū)域的放大圖像。
[0030]圖10示出㈧和⑶:在4mm穿透深度進(jìn)入組織中后,去除有倒鉤的剛毛后的特征性FE-SEM圖像(對(duì)于示出在穿透到組織之前的剛毛的FE-SEM圖像,參見(jiàn)圖1B)。如白色箭頭所指示,殘余組織沿著倒鉤的長(zhǎng)度并且在倒鉤下方呈現(xiàn)。比例標(biāo)尺表示50 μ m。(C)代表性的力-延展性曲線示出用纖維肌肉組織獲得的穿透和拉出力以及由明膠凝膠制得的非纖維模型組織相匹配的密度(n=5)。
[0031]圖11描繪在對(duì)肌肉組織進(jìn)行穿透-縮回測(cè)試之后,無(wú)倒鉤的剛毛的代表性FE-SEM圖像。(A)穿透到組織中之前;(B)從組織中去除之后。白色箭頭指示因無(wú)倒鉤的剛毛與組織之間的摩擦而粘合的組織。
[0032]圖12描繪通過(guò)單軸向拉伸測(cè)試,針對(duì)豬皮的代表性的應(yīng)力對(duì)應(yīng)變曲線(對(duì)于每次實(shí)驗(yàn),n=5)。曲線的特征在于:隨著應(yīng)變?cè)龃蟪^(guò)75%,在0%至75%處的低硬度區(qū)域,而后是急劇增大。在低硬度區(qū)域中,組織纖維平行對(duì)齊,直到達(dá)到最大張拉點(diǎn)。已經(jīng)達(dá)到鎖定張拉后,皮膚的進(jìn)一步延展要求組織纖維的延展,從而使得硬度劇增。豬皮的橡膠模量和網(wǎng)絡(luò)互鎖張拉分別為0.05至0.28MPa和1.27至2.35。豬皮的失效強(qiáng)度為8.2至15.4MPa,這與之前所報(bào)告的值類似。它與人類皮膚的值5至30MPa可比。用于豬皮的極限應(yīng)變范圍是25%至118%,這同樣與用于人類皮膚的值35%至115%類似。
[0033]圖13描繪代表性的力對(duì)延展性的曲線圖,所述曲線圖來(lái)自天然剛毛和復(fù)制模制的剛毛對(duì)肌肉組織的穿透-縮回測(cè)試。用于天然剛毛和PU不可部署的有倒鉤的剛毛的移除的功分別是 0.144±0.048mJ 和 0.053±0.023mJ。
[0034]圖14描繪㈧通過(guò)單軸向拉伸測(cè)試獲得的針對(duì)北美豪豬剛毛的代表性的應(yīng)力對(duì)應(yīng)變曲線(對(duì)于每次試驗(yàn),n=5)。尖端和基部的楊氏模量分別是3.25±0.24GPa和2.44 ± 0.19GPa,而針對(duì)尖端和基部的拉伸強(qiáng)度分別是136.54± 18.46MPa和104.25±18.80MPa。對(duì)于尖端和基部,韌度分別是0.92±0.62mJ和54.73±35.02mJ,這強(qiáng)調(diào)了剛毛基部比尖端明 顯更具順應(yīng)性。在本文中,將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)為平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差。(B)和
(C):數(shù)碼照片示出測(cè)量楊氏模量和拉伸強(qiáng)度之前和之后的剛毛的基部和尖端。
[0035]圖15示出兩個(gè)曲線圖:(A)曲線圖以點(diǎn)圖(n=28)示出翹曲(在單軸向負(fù)荷(MTest, IOOmm /分鐘)下)的臨界負(fù)荷對(duì)細(xì)長(zhǎng)比L/r (樣本的長(zhǎng)度對(duì)半徑),其中擬合曲線示出為紅色實(shí)線。(B)剛毛細(xì)長(zhǎng)比的L / r直方圖和累積分布(n=101)。在曲線圖下方給出由穿透-縮回測(cè)試獲得的針對(duì)豬皮的穿刺力,與穿刺豬皮而不翹曲的剛毛的百分?jǐn)?shù)。
[0036]圖16是描繪豪豬剛毛穿刺并且穿透到組織中的草圖。初始穿刺之后,穿透到組織中。在此工作中使用的穿刺力和穿透力的定義是以雙箭頭示出。
[0037]圖17示出:㈧數(shù)碼照片圖解出切割剛毛以得到四個(gè)區(qū)段,其中⑶至(E)示出每個(gè)區(qū)段的FE-SEM圖像。針對(duì)各低放大倍數(shù)圖像(左側(cè)),(F)至(I)中示出了剛毛主體的代表性的高放大倍數(shù)圖像(右側(cè))。針對(duì)(B)至(E)和(F)至(I),比例標(biāo)尺分別表示200 μ m 和 20 μ m。
[0038]圖18示出:㈧數(shù)碼照片示出用FE-SEM檢查的縱向切割的尖端的位置。(B)至
(D):低放大倍數(shù)FE-SEM圖像。比例標(biāo)尺表示200μ m。(E)至(G):高放大倍數(shù)FE-SEM圖像,其中比例標(biāo)尺表示20 μ m。
[0039]圖19示出:㈧縱向切割的基部的數(shù)碼照片。將剛毛主體內(nèi)的代表性的區(qū)域指示為紅色圓圈,并且示出為⑶至(E)FE-SEM圖像。⑶中的剛毛中心指示為白色點(diǎn)線。特征性區(qū)域包括(C)中心、(D)邊界以及(E)邊緣。
[0040]圖20示出豪豬剛毛尖端和基部的氨基酸組成。數(shù)據(jù)表示自3個(gè)剛毛獲得的平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差。誤差條表示標(biāo)準(zhǔn)偏差。*摩爾%僅僅基于所分析的氨基酸來(lái)計(jì)算。[0041]圖21示出㈧北美豪豬剛毛的數(shù)碼照片。⑶和(C):分別示出剛毛尖端和基部的微結(jié)構(gòu)的FE-SEM圖像。(D)熒光圖像使得能夠?qū)蝹€(gè)倒鉤的幾何形狀進(jìn)行視覺(jué)描繪。(E)示出北美豪豬剛毛的微結(jié)構(gòu)尖端的FE-SEM圖像。比例標(biāo)尺表示200 μ m。(F)代表性的力對(duì)延展性曲線圖示出穿刺(在組織壓縮I至2_之后發(fā)生)、接著肌肉組織內(nèi)的有倒鉤的和無(wú)倒鉤的剛毛的穿透和去除。剛毛穿透深度維持在10_。插圖示出無(wú)倒鉤的和有倒鉤的剛毛的微米級(jí)的外形。比例標(biāo)尺表示100 μ m。箭頭指示在將剛毛從組織中去除時(shí)遇到的周期性的阻力(對(duì)于無(wú)倒鉤的剛毛未觀察到這一點(diǎn))。(G)表格概括了由有倒鉤的剛毛、無(wú)倒鉤的剛毛以及18號(hào)針的穿透/去除過(guò)程所獲得的實(shí)驗(yàn)值(n=5)。土符號(hào)表示標(biāo)準(zhǔn)偏差。
[0042]圖22示出(A)剛毛(無(wú)倒鉤的剛毛和有兩個(gè)重疊倒鉤的剛毛)和組織中所吸收的應(yīng)變能。能量來(lái)自穿透到皮膚中的無(wú)倒鉤的和有兩個(gè)倒鉤的剛毛的有限元建模。還示出了剛毛中的增大的應(yīng)變能。(B和C):在將無(wú)倒鉤的和有兩個(gè)倒鉤的剛毛穿透到組織中時(shí)皮膚組織中的應(yīng)變場(chǎng)分布。(D和E):通過(guò)硬度為(D) 1000GPa和(E)0.0OlGPa的剛毛在組織中發(fā)展的應(yīng)變場(chǎng)。兩種模擬在幾何形狀上是相同的。由于解決方案的非收斂性,剛硬剛毛無(wú)法穿透更深。(F)和(G) =FE-SEM圖像示出通過(guò)對(duì)天然有倒鉤的和無(wú)倒鉤的剛毛進(jìn)行復(fù)制模制所得到的合成PU剛毛。比例標(biāo)尺表示100 μ m。⑶使剛毛以4mm深度穿透到肌肉組織中所要求的力。將平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差一起示出(n=5,學(xué)生t-檢驗(yàn),顯著性水平95%)。將盒須圖的須設(shè)定為±1.2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差。(I)制作出的模仿剛毛的針的代表性數(shù)碼照片。(J)將制作出的有倒鉤的/無(wú)倒鉤的針穿透到人類皮膚模型中所要求的力。數(shù)據(jù)示出平均穿透力與準(zhǔn)偏差(n=3,每個(gè)針使用至少4次,學(xué)生t-檢驗(yàn),顯著性水平95%)。(H)和(J)中的盒須圖的須的下方和上方的“X”分別指示第I百分位和第99百分位。
[0043]圖23示出:㈧穿透到皮膚組織中的剛毛的有限元建模示出壓縮應(yīng)力(以MPa計(jì)),所述壓縮應(yīng)力來(lái)自以與剛毛尖端相距一定距離而作用在剛毛上的組織。這是IOmm穿透到皮膚組織中的末端處的應(yīng)力狀態(tài)。(B)和(C):用制備的剛毛獲得的穿透和拉出力(來(lái)自每次穿透n=5個(gè)不同剛毛)。對(duì)于所有實(shí)驗(yàn),穿透深度均為10mm。將平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差一起示出。草圖描繪而制備成具有通過(guò)使用砂紙進(jìn)行磨削而獲得的特定長(zhǎng)度的倒鉤的剛毛。藍(lán)色指示有倒鉤的區(qū)域,并且白色指示無(wú)倒鉤的區(qū)域。將一些制備的剛毛的穿透力和拉出力與無(wú)倒鉤的剛毛(剛毛I(xiàn))的穿透力和拉出力進(jìn)行比較。力差被定義為A^Aij=剛毛j的穿透(或拉出)力-剛毛i的穿`透(或拉出)力))。
[0044]圖24示出㈧和⑶豪豬剛毛在從豬皮中去除之前和之后的代表性的光學(xué)和熒光圖像。熒光圖像通過(guò)合并沿Z軸在不同焦平面所取的若干圖像得到。比例標(biāo)尺表示100 μ m。(C)至(F):將剛毛從豬皮中去除之后的FE-SEM顯微照片。殘余組織用藍(lán)色箭頭指示。圖中的紅色箭頭指示拉出過(guò)程中的倒鉤的彎曲。(G)穿透深度為4_的代表性的力對(duì)延展性曲線圖,其中如箭頭所指示,穿刺通常會(huì)在組織壓縮I至2_之后發(fā)生(n=5)。(H)至(J):剛毛在從豬皮上去除之后的光學(xué)圖像適用于檢查組織相互作用的不均勻性并且適用于建立倒鉤彎曲與表(K)中所概括的組織粘合相對(duì)水平之間的關(guān)系。每幅圖像中的比例標(biāo)尺表示ΙΟΟμπι。(L):數(shù)碼照片示出所制作的模仿剛毛的補(bǔ)片,所述補(bǔ)片由7個(gè)無(wú)倒鉤的或有倒鉤的I3U剛毛組成。(M)由無(wú)倒鉤的和有倒鉤的I3U剛毛補(bǔ)片獲得的組織粘合力(η=5,學(xué)生t-檢驗(yàn),95%的顯著性水平)。盒須圖的須被設(shè)定為±1.2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差。(N)數(shù)碼照片示出在從肌肉組織縮回過(guò)程中與肌肉組織相互作用的模仿剛毛的片段。[0045]某些實(shí)施方案的詳述
[0046]在理論上,根據(jù)本公開(kāi)使用的一種用于穿透襯底的裝置可以具有任何形狀或設(shè)計(jì)。例如,裝置或裝置本體可為或可以包括薄膜、片材、條帶、針、陣列、鉤子和/或探針。
[0047]裝置尖端一般是指物體的末端和/或尖區(qū)域,所述末端和/或點(diǎn)區(qū)域足夠尖銳以便起始穿透。通常,尖端是細(xì)長(zhǎng)或錐形的某物的端點(diǎn),并且可以含有任何形狀的軸桿(例如,錐形區(qū)域),所述軸桿與根據(jù)本公開(kāi)使用的裝置的本體連接。一種裝置可以含有一個(gè)或多個(gè)尖夂而。 [0048]每個(gè)尖端可以獨(dú)立地具有在鄰近尖端的頂點(diǎn)的區(qū)域中的一個(gè)或多個(gè)突起。所述一個(gè)或多個(gè)突起可以被構(gòu)造并且布置成使得所要求的穿透力與針對(duì)缺乏所述一個(gè)或多個(gè)突起的、在其它方面相同的裝置所觀察到的穿透力相比減小。在一些實(shí)施方案中,本文所述的裝置的特征可以在于:與針對(duì)缺乏一個(gè)或多個(gè)突起的、在其它方面相同的裝置所觀察到的穿透力相比,所要求的穿透力減小到或小于5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、50%、75%或90%。在一些實(shí)施方案中,本文所述的裝置的特征可以在于:與針對(duì)缺乏一個(gè)或多個(gè)突起的、在其它方面相同的裝置所觀察到的穿透力相比,所要求的穿透力減小到處于以上任兩個(gè)值的范圍內(nèi)。另外或可選地,所述一個(gè)或多個(gè)突起可以被構(gòu)造并且布置成使得所要求的拉出力與針對(duì)缺乏所述一個(gè)或多個(gè)突起的、在其它方面相同的裝置所觀察到的拉出力相比增大。在一些實(shí)施方案中,本文所述的裝置的特征可以在于:與針對(duì)缺乏一個(gè)或多個(gè)突起的、在其它方面相同的裝置所觀察到的拉出力相比,所要求的拉出力增大到或大于 1500%U000%,500%,400%,300%,250%,200%U50%125%。在一些實(shí)施方案中,本文所述的裝置的特征可以在于:與針對(duì)缺乏一個(gè)或多個(gè)突起的、在其它方面相同的裝置所觀察到的拉出力相比,所要求的拉出力增大到處于以上任兩個(gè)值的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方案中,各尖端的穿透點(diǎn)的直徑可以小于針對(duì)缺乏一個(gè)或多個(gè)突起的、在其它方面相同的裝置所觀察到的直徑的140%、120%、110%或105%。
[0049]在旨在用于生物應(yīng)用的一些實(shí)施方案中,裝置的尺寸或尺寸比率約為北美豪豬剛毛所顯示的尺寸或尺寸比率。在一些實(shí)施方案中,尺寸或比率可以明顯小于或大于剛毛的尺寸或比率,甚至小或者大幾個(gè)量級(jí)。
[0050]突起
[0051]總體上,本文所述的裝置包括一個(gè)或多個(gè)尖端和在鄰近每個(gè)尖端的區(qū)域中從尖端表面延展出的一個(gè)或多個(gè)突起。
[0052]在某些實(shí)施方案中,本文所述的裝置可以包括單個(gè)突起。在不同實(shí)施方案中,多個(gè)突起包括兩個(gè)或更多個(gè)突起。在一些實(shí)施方案中,突起的數(shù)量可以多達(dá)約十億。通常,特定裝置所用的突起的數(shù)量可以取決于間距和使得突起從中突出的區(qū)域。例如,突起可以彼此間隔開(kāi)約或小于1cm、5mm、1mm、500微米、200微米、100微米、50微米或10微米。突起之間的間距可以在Icm至5mm、5mm至1mm、500微米至200微米、200微米至100微米、100微米至50微米、50微米至10微米、10微米至I微米的范圍內(nèi)或在以上任兩個(gè)值之間。
[0053]根據(jù)本公開(kāi),裝置可以被布置并且構(gòu)造成使得一個(gè)或多個(gè)突起在三維空間中在不同方向上從鄰近一個(gè)或多個(gè)尖端中的每個(gè)尖端的區(qū)域中突出。例如,突起可以從鄰近尖端的區(qū)域的表面中徑向突出,每個(gè)突起獨(dú)立相對(duì)于表面的切線或相對(duì)于從中突出突起的軸桿而成一定角度。在一些實(shí)施方案中,突起在所述突起所鄰近的尖端的相反方向上向外伸出。多個(gè)突起中的每一個(gè)可以獨(dú)立地具有90度的角度或任何其它小于90度的角度。在一些實(shí)施方案中,所述角度可以約為或小于80度、70度、60度、50度、40度、30度、20度、10度、5度、4度、3度、2度、I度或甚至O度。在一些實(shí)施方案中,所述角度可以在O至90度、I至60度、I至50度、I至30度、I至20度、I至10度、I至5度、I至3度或I至2度的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方案中,突起可以是單向的。在某些實(shí)施方案中,突起(例如,角錐形的突起)可能不向內(nèi)或向外定向。
[0054]在一些實(shí)施方案中,一個(gè)突起或多個(gè)突起中的多個(gè)突起的尺寸和/或形狀針對(duì)裝置有待使用的具體方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。在不希望受任何具體理論束縛的情況下,如單個(gè)突起的尺寸(例如,長(zhǎng)度、寬度、厚度)和/或突起的形狀(例如,倒鉤狀等等)的參數(shù)可以影響鄰近放置有突起的尖端的穿透和/或拉出,并且因此影響裝置的效率和功能。 [0055]突起的尺寸總體上包括長(zhǎng)度、寬度以及厚度。在一些實(shí)施方案中,突起是倒鉤狀的或呈任何其它形狀,并且可以具有最大寬度。取決于應(yīng)用,突起可以獨(dú)立設(shè)計(jì)成不同形狀??傮w來(lái)說(shuō),根據(jù)本公開(kāi),可以使用使得周界周圍的細(xì)點(diǎn)處的應(yīng)力集中局部最大化的形狀作為具有減小的插入力的良好切割形狀。使得組織圍繞較大特征鋪展的形狀將有助于使去除力增加。例如,突起可為倒鉤狀的、半球形的、角錐形的、魚(yú)叉形的、三角形的、圓錐形的、鉤形的、橢圓形的或Y形的。
[0056]在一些實(shí)施方案中,單個(gè)突起的至少一個(gè)尺寸可以約為或小于lcm、5mm、2mm、1mm、500 μ m、300 μ m、250 μ m、200 μ m、150 μ m、120 μ m、100 μ m、90 μ m、80 μ m、70 μ m、60 μ m、50 μ m、40 μ m、30 μ m、20 μ m、10 μ m、5 μ m、I μ m 或甚至 500nm。在一些實(shí)施方案中,單個(gè)突起的長(zhǎng)度可以大于 500nm、I μ m、5 μ m、10 μ m、20 μ m、30 μ m、40 μ m、50 μ m、60 μ m、70 μ m、80 μ m、90 μ m、100 μ m、120 μ m、150 μ m、200 μ m、250 μ m、300 μ m、500 μ m、lmm、2mm、5mm 或甚至lcm。在一些實(shí)施方案中,單個(gè)突起的至少一個(gè)尺寸可以在Icm至約I μπι的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方案中,單個(gè)突起的至少一個(gè)尺寸可以在Imm至ΙΟμπι的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方案中,單個(gè)突起的至少一個(gè)尺寸可以在500 μ m至ΙΟΟμπι的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方案中,單個(gè)突起的至少一個(gè)尺寸可以在200μηι至ΙΟΟμπι的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方案中,單個(gè)突起的至少一個(gè)尺寸可以在120μπι至ΙΟΟμπι的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方案中,單個(gè)突起的至少一個(gè)尺寸可以在70 μ m至約50 μ m的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方案中,單個(gè)突起的至少一個(gè)尺寸可以在50μπι至10 μ m的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方案中,單個(gè)突起的至少一個(gè)尺寸可以在以上任兩個(gè)值的范圍內(nèi)。在某些實(shí)施方案中,可能需要根據(jù)裝置的應(yīng)用/用途來(lái)調(diào)整突起的至少一個(gè)尺寸。
[0057]在一些實(shí)施方案中,單個(gè)突起的一個(gè)尺寸與另一尺寸(例如,長(zhǎng)度/寬度)的長(zhǎng)寬比可以約為、小于或大于50、20、10、9、8、7、6、5、4、3、2、1、0.5,0.2或甚至0.1。在一些實(shí)施方案中,一個(gè)尺寸與另一尺寸的長(zhǎng)寬比可以在50至I的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方案中,一個(gè)尺寸與另一尺寸的長(zhǎng)寬比可以在10至I的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方案中,一個(gè)尺寸與另一尺寸的長(zhǎng)寬比可以在5至I的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方案中,一個(gè)尺寸與另一尺寸的長(zhǎng)寬比可以在2至I的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方案中,一個(gè)尺寸與另一尺寸的長(zhǎng)寬比可以在以上任兩個(gè)值的范圍內(nèi)。在某些實(shí)施方案中,可能需要根據(jù)裝置的應(yīng)用/用途來(lái)調(diào)整突起的一個(gè)尺寸與另一尺寸的長(zhǎng)寬比。
[0058]在一些實(shí)施方案中,突起可以彼此重疊。在一些實(shí)施方案中,突起可以具有大約、小于或者大于突起大小的1%、5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%或甚至
90%的重疊。在一些實(shí)施方案中,重疊可以在突起大小的1%至50%的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方案中,重疊可以在突起大小的5 %至30 %的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方案中,重疊可以在突起大小的10%至20%的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方案中,重疊可以在突起大小的以上任兩個(gè)值的范圍內(nèi)。在不受到任何具體理論束縛的情況下,提出在一些實(shí)施方案中,當(dāng)突起具有重疊特征時(shí),它們可以協(xié)作地影響裝置功能。在某些實(shí)施方案中,可能需要根據(jù)裝置應(yīng)用/用途來(lái)調(diào)整重疊。
[0059]如上所述,本文所述的尖端可以包括與裝置本體連接的軸桿。典型的軸桿具有錐形區(qū)域。例如,軸桿可以是錐形的柱、圓錐、角錐、半球或三角。取決于根據(jù)本公開(kāi)使用的裝置的設(shè)計(jì)/用途,尖端的(通常在其軸桿上的)截面的尺寸可以不同。在一些實(shí)施方案中,截面的尺寸可以約為、小于或者大于10cm、5cm、4cm、3cm、2cm、lcm、5mm、Imm或甚至500 μ m。在一些實(shí)施方案中,截面尺寸可以在Icm至1_的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方案中,截面尺寸可以在以上任兩個(gè)值的范圍內(nèi)。
[0060]根據(jù)本公開(kāi)的突起可以被布置并且構(gòu)造成從鄰近每個(gè)尖端的區(qū)域中突出。在一些實(shí)施方案中,突起定位在鄰近每個(gè)尖端的錐形區(qū)域中。取決于設(shè)計(jì)和應(yīng)用,鄰近區(qū)域可以相距尖端頂點(diǎn)有一定距離。例如,為了如下文實(shí)施例所說(shuō)明來(lái)對(duì)豪豬剛毛進(jìn)行模仿,距離可以是從豪豬剛毛所觀察到的相對(duì)距離。在一些實(shí)施方案中,鄰近區(qū)域與尖端頂點(diǎn)相距的距離可以約為、小于或者大于 0.01mm、0.1mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、lcm、2cm、4cm、5cm或甚至10cm。在一些實(shí)施方案中,鄰近區(qū)域與尖端頂點(diǎn)相距的范圍可以在0至10mm、I至5mm、0至2mm、2至4mm或3至4mm。在一些實(shí)施方案中,鄰近區(qū)域與尖端頂點(diǎn)相距的范圍可以在以上任兩個(gè)值內(nèi)。取決于裝置大小/用途,與尖端頂點(diǎn)相距的距離可以相對(duì)于定位有突起的尖端的軸桿的截面尺寸進(jìn)行調(diào)整。例如,與尖端頂點(diǎn)相距的距離可以約為或者小于截面尺寸的0 .1倍、0.5倍、I倍、2倍、5倍、10倍或甚至20倍。在不受任何具體理論束縛的情況下,定位在尖端頂點(diǎn)附近的突起可能會(huì)對(duì)裝置的所要求的拉出力顯示出很大影響,而次于并且遠(yuǎn)離尖端頂點(diǎn)定位的突起可能會(huì)對(duì)最小化所要求的穿透力顯示出實(shí)質(zhì)影響。
[0061]除了上文關(guān)于突起尺寸的論述外,在一些實(shí)施方案中,單個(gè)突起的至少一個(gè)尺寸可以相對(duì)于定位有突起的尖端的軸桿的截面尺寸進(jìn)行調(diào)整。例如,單個(gè)突起的至少一個(gè)尺寸可以約為或者小于截面尺寸的0.1倍、0.5倍、I倍、2倍、5倍、10倍或甚至20倍。
[0062]材料
[0063]如本文所述包括一個(gè)或多個(gè)尖端和一個(gè)或多個(gè)突起的裝置可以由一種或多種材料制成或者包含一種或多種材料。不同部分可以由不同材料制成或者包含不同材料以用于不同特性。例如,裝置可以具有本體,本體是由非溶脹性性材料制成或者包含非溶脹性性材料。裝置本體可以是防粘合的或排斥性的。另外或者可選地,裝置本體可以是不可蝕解的或不可降解的。
[0064]示例性的材料包括但不限于:金屬(例如,金、銀、鉬、鋼或其它合金);涂覆有金屬的材料;金屬氧化物;塑料;陶瓷;硅;玻璃?’云母;石墨;水凝膠;以及聚合物,如不可降解的或生物可降解的聚合物;以及其組合??傮w來(lái)說(shuō),材料能夠以任何形式和/或可以出于不同目的和/或可以在不同區(qū)域(例如,一個(gè)或多個(gè)尖端和其鄰近區(qū)域)中使用。[0065]在不受任何具體理論束縛的情況下,改變根據(jù)本公開(kāi)使用的材料的組成(例如,組分、重量百分?jǐn)?shù)、分子量等等)可以影響材料特性,以用于不同功能/應(yīng)用。例如,裝置所穿透的襯底可以是順應(yīng)性的,并且根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)尖端/突起可以制成并且特征在于:硬度大于襯底硬度。在某些實(shí)施方案中,尖端/突起的硬度可以約為或者可以是襯底硬度的2倍、5倍、10倍、20倍、30倍、40倍、50倍或100倍以上。
[0066]在一些實(shí)施方案中,裝置可由可變形的材料制成或者包含可變形的材料。例如,裝置的一部分(例如,一個(gè)或多個(gè)突起)可由柔韌性聚合物制成或包含柔韌性聚合物,所述聚合物可以具有低的彎曲模量。可部署的突起可能能夠部署或者彎曲,并且部署/彎曲可以影響裝置的穿透和/或拉出。示例性的可部署的突起在圖1和圖3中示出。在某些實(shí)施方案中,可能需要調(diào)整(例如)聚合物的分子量或者合金中的金屬的重量百分?jǐn)?shù),以便實(shí)現(xiàn)某種彎曲能力。
[0067]再舉例來(lái)說(shuō),可變形的材料(例如,水凝膠、熱塑性塑料、形狀記憶材料)可以取決于壓力或者溫度來(lái)改變形狀/大小,并且可以用于裝置的不同部分中。在某些實(shí)施方案中,裝置的一個(gè)或多個(gè)尖端可由水溶脹性材料(例如,水凝膠)制成或者含有水溶脹性材料。在某些實(shí)施方案中,裝置的一個(gè)或多個(gè)突起可由形狀記憶材料制成或者含有形狀記憶材料。形狀記憶材料可響應(yīng)于激活信號(hào)而改變成訓(xùn)練形狀。示例性的形狀記憶材料包括但不限于形狀記憶合金(SMA)和形狀記憶聚合物(SMP),以及形狀記憶陶瓷、電活性聚合物(EAP)、鐵磁SMA、電流變(ER)組合物、磁流變(MR)組合物、介電彈性體、離子聚合物金屬?gòu)?fù)合物(IPMC)、壓電聚合物、壓電陶瓷以及其不同組合。合適的形狀記憶合金材料包括但不限于:基于鎳-鈦的合金、基于銦-鈦的合金、基于鎳-鋁的合金、基于鎳-鎵的合金、基于銅的合金(例如,銅-鋅合金、銅-鋁合金、銅-金合金以及銅-錫合金)、基于金-鎘的合金、基于銀-鎘的合金、基于銦-鎘的合金、基于猛-銅的合金、基于鐵-鉬的合金、基于鐵-鉬的合金、基于鐵-鈀的合金以及類似合金材料。合金可以是二階、三階或任何更高階的,只要合金組成顯示出形狀記憶效應(yīng)即可,例如,形狀取向、阻尼容量以及類似效應(yīng)的改變。關(guān)于形狀記憶材料的更多論述可見(jiàn)美國(guó)專利申請(qǐng)US20090241537,所述申請(qǐng)的內(nèi)容通過(guò)引用并入。在某些實(shí)施方案中,根據(jù)本公開(kāi)使用的形狀記憶材料是鎳鈦諾。在不受任何具體理論束縛的情況下,通過(guò)插入到襯底中而使溫度增高時(shí),利用形狀記憶材料的可變形的突起可以通過(guò)回復(fù)成形狀記憶退火形式而部署。
[0068]在一些實(shí)施方案中,裝置可由粘合材料(例如,粘合性聚合物)制成或者包含粘合材料。例如,可以使用如殼聚糖和聚羧乙烯的生物性粘合劑。使用粘合材料可對(duì)于穿透并且保留在襯底中可能是有益的。
[0069]在一些實(shí)施方案中,裝置可由可蝕解的和/或可降解的材料制成或者可以包含可蝕解的和/或可降解的材料。舉例來(lái)說(shuō),尖端可以含有能夠降解以使非常尖的尖端部分從裝置本體上釋放的軸桿。另外或者可選地,在穿透之后,突起可與尖端脫離,并且突起可以保留在襯底中或者經(jīng)過(guò)蝕解/降解,以使裝置的所要求的穿透力能夠在不增加拉出力的情況下實(shí)現(xiàn)。在某些實(shí)施方案中,尖端和/或突起可以是可蝕解的和/或可降解的,并且與尖端或突起相比,裝置本體可以更慢地降解/蝕解??晌g解的和/或可降解的材料可以用來(lái)涂布本文所述的裝置或其任何部分。
[0070]在一些實(shí)施方案中,裝置可由一種或多種聚合物制成或者包含一種或多種聚合物。例如,如下所討論的根據(jù)本公開(kāi)使用的裝置的一部分(例如,尖端和/或在鄰近尖端的區(qū)域中的突起)可由一種或多種聚合物制成或者包含一種或多種聚合物。可使用本領(lǐng)域中已知的各種聚合物和方法。聚合物可以是天然聚合物或非天然(例如,合成)聚合物。在一些實(shí)施方案中,聚合物可以是線性或支化聚合物。在一些實(shí)施方案中,聚合物可以是樹(shù)狀聚合物。聚合物可以是均聚物或包含兩種或更多種單體的共聚物。就序列而論,共聚物可以為嵌段共聚物、接枝共聚物、無(wú)規(guī)共聚物、共混物、混合物和/或上述任何聚合物和其它聚合物的加合物。
[0071]根據(jù)本申請(qǐng)使用的聚合物可以具有廣泛范圍的分子量。在一些實(shí)施方案中,聚合物的分子量大于5kDa。在一些實(shí)施方案中,聚合物的分子量大于lOkDa。在一些實(shí)施方案中,聚合物的分子量大于50kDa。在一些實(shí)施方案中,聚合物的分子量的范圍是約5kDa至約IOOkDa0在一些實(shí)施方案中,聚合物的分子量的范圍是約IOkDa至約50kDa。
[0072]在一些實(shí)施方案中,聚合物可以是合成聚合物,包括但不限于聚乙烯、聚碳酸酯(例如,聚(1,3_二噁烷-2-酮))、聚酐(例如,聚(癸二酸酐))、聚羥基酸(例如,聚(β-羥基烷酸酯))、聚反丁烯二酸丙基脂、聚己內(nèi)酯、聚酰胺(例如,聚己內(nèi)酰胺)、聚縮醛、聚醚、聚酯(例如,聚丙交酯、聚乙交酯)、聚(原酸酯)、聚氰基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚氨酯、聚磷腈、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚脲、聚苯乙烯以及聚胺,以及其共聚物。在一些實(shí)施方案中,聚合物包括已由美國(guó)食品與藥品管理局(FDA)依據(jù)21C.F.R.§ 177.2600批準(zhǔn)用于人類的聚合物,包括但不限于:聚酯(例如,聚乳酸、聚(乳酸-共-乙醇酸)、聚己內(nèi)酯、聚戊內(nèi)酯、聚(1,3_ 二噁烷-2-酮));聚酐(例如,聚(癸二酸酐));聚醚(例如,聚乙二醇);聚氨酯;聚甲基丙烯酸酯;聚丙烯酸酯;聚氰基丙烯酸酯;PEG與聚(環(huán)氧乙烷)(PEO)的共聚物。
[0073]根據(jù)本申請(qǐng),PEG在一些實(shí)施方案中可以是適用的,因?yàn)樗鼈兪菬o(wú)毒的、非免疫原性的、對(duì)于大多數(shù)生物分子(例如,蛋白質(zhì))呈惰性的,并且由FDA批準(zhǔn)而可用于各種臨床用途。PEG聚合物可以使用多種方法共價(jià)交聯(lián)以形成水凝膠。在一些實(shí)施方案中,使用丙烯酸酯封端的PEG單體來(lái)通過(guò)光聚作用以使PEG鏈交聯(lián)。除了化學(xué)改性外,可以使用PEG的嵌段聚合物(如PEO和聚(環(huán)氧丙烷)的三嵌段共聚物(以下稱作PE0-b-PP0-b-PE0))、可降解的ΡΕ0、聚(乳酸)(PLA)以及其`它類似材料來(lái)為PEG添加特定特性。
[0074]在一些實(shí)施方案中,本文所用聚合物可以是可降解的聚合物。所述可降解的聚合物可以是可水解降解的、生物可降解的、可熱降解的和/或可光解降解的聚電解質(zhì)。
[0075]本領(lǐng)域中已知的可降解的聚合物包括(例如)某些聚酯、聚酐、聚原酸酯、聚磷腈、聚磷酸酯、某些聚羥基酸、聚反丁烯二酸丙脂、聚己內(nèi)酯、聚酰胺、聚(氨基酸)、聚縮醛、聚醚、生物可降解的聚氰基丙烯酸酯、生物可降解的聚氨酯以及多糖。例如,可以使用的具體生物可降解的聚合物包括但不限于聚賴氨酸、聚(乳酸)(PLA)、聚(乙醇酸)(PGA)、聚(己內(nèi)酯)(PCL)、聚(丙交酯-共-乙交酯)(PLG)、聚(丙交酯-共-己內(nèi)酯)(PLC)以及聚(乙交酯-共-己內(nèi)酯)(PGC)。另一示例性的可降解的聚合物是聚(β_氨基酯),根據(jù)本申請(qǐng)聚氨基酸酯)可能適用。
[0076]如以上所論述的合適的可降解的聚合物以及其衍生物或組合可以選擇并且適配成具有所希望的降解速率??蛇x地或者另外,降解速率可以通過(guò)將如先前所述的其它材料(例如,不可降解的材料)與一種或多種可降解的聚合物相締合或混合來(lái)進(jìn)行微調(diào)。[0077]總體來(lái)說(shuō),如本文所用的降解速率可以用材料在某種條件下(例如,在生理?xiàng)l件下)降解某個(gè)百分?jǐn)?shù)(例如,50%)的時(shí)間來(lái)指定。在一些實(shí)施方案中,如本文所述的裝置或裝置的一部分的降解時(shí)間可以具有廣泛范圍。在一些實(shí)施方案中,降解時(shí)間可以大于I分鐘、5分鐘、30分鐘、I小時(shí)、2小時(shí)、5小時(shí)、12小時(shí)、24小時(shí)、1.5天、2天、5天、7天、15天、30天、2個(gè)月、6個(gè)月、I年、2年或甚至5年。在實(shí)施方案中,降解時(shí)間可以為約或者小于10年、5年、2年、I年、6個(gè)月、2個(gè)月、30天、15天、7天、5天、2天、1.5天、24小時(shí)、12小時(shí)、5小時(shí)、2小時(shí)、I小時(shí)、30分鐘或甚至5分鐘。降解時(shí)間可以在12至24小時(shí)、I至6個(gè)月或I至5年的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方案中,降解時(shí)間可以在以上任兩個(gè)值的范圍內(nèi)。
[0078]另外或者可選地,如以上提及的合適的形狀記憶聚合物包括熱塑性塑料、熱固性塑料、互穿網(wǎng)狀物、半互穿網(wǎng)狀物或混合網(wǎng)狀物。聚合物可以是線性或具有側(cè)鏈或樹(shù)狀結(jié)構(gòu)單元的支化熱塑性彈性體。形成形狀記憶聚合物的合適的聚合物組分包括但不限于聚磷腈、聚(乙烯醇)、聚酰胺、聚酯酰胺、聚(氨基酸)、聚酐、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚烯烴、聚丙烯酰胺、聚烷二醇、聚環(huán)氧烷、聚對(duì)苯二甲酸烷二酯、聚原酸酯、聚乙烯醚、聚乙烯酯、聚鹵乙烯、聚酯、聚丙交酯、聚乙交酯、聚硅氧烷、聚氨酯、聚醚、聚醚酰胺、聚醚酯以及其共聚物。合適的聚丙烯酸酯的實(shí)例包括聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸乙酯)、聚(甲基丙烯酸丁酯)、聚(甲基丙烯酸異丁酯)、聚(甲基丙烯酸己酯)、聚(甲基丙烯酸異癸酯)、聚(甲基丙烯酸月桂酯)、聚(甲基丙烯酸苯酯)、聚(丙烯酸甲酯)、聚(丙烯酸異丙酯)、聚(丙烯酸異丁酯) 以及聚(丙烯酸十八烷酯)。其它合適的聚合物的實(shí)例包括聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯酚、聚乙烯吡咯烷酮、氯化聚丁烯、聚(十八烷基乙烯基醚)乙烯乙酸乙烯酯、聚乙烯、聚(環(huán)氧乙烷)_聚(對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)、聚乙烯/尼龍(接枝共聚物)、聚己內(nèi)酯-聚酰胺(嵌段共聚物)、聚(己內(nèi)酯)二甲基丙烯酸酯-丙烯酸正丁酯、聚(降冰片基-多面體低聚倍半硅氧烷)、聚氯乙烯、氨基甲酸乙酯/ 丁二烯共聚物、聚氨酯嵌段共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物以及類似聚合物。在一些實(shí)施方案中,一些多嵌段共聚物是由以下各項(xiàng)制成或者包含以下各項(xiàng):(1)亞甲基雙(4-苯基異氰酸酯)/ 1,4_ 丁二醇和聚(ε-己內(nèi)酯);(2)聚(對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)和聚(環(huán)氧乙烷);(3)聚(2-甲基-2-噁唑啉)和聚(四氫呋喃);(4)亞甲基雙(4-苯基異氰酸酯)/ 1,4_ 丁二醇和聚(四氫呋喃);(5)亞甲基雙(4-苯基異氰酸酯)/ 1,4_ 丁二醇和聚(己二酸乙二醇酯);(6)碳二亞胺改性的二異氰酸酯和聚(己二酸丁二醇酯);(7)乙二醇和聚(四氫呋喃);或其任何組合。
[0079]制造和使用
[0080]根據(jù)本公開(kāi)的裝置可以使用如以上所論述的示例性材料并且通過(guò)合適的方法制造。例如,裝置以及其任何部分(例如,突起)可以通過(guò)包括但不限于以下的技術(shù)來(lái)制作:激光切割、干式蝕刻、濕式蝕刻、壓印涂布、模制、印花、壓花、雙光子光刻、三維印刷、電紡絲、壓印、干涉光刻以及其任何組合。
[0081]適于根據(jù)本公開(kāi)使用的裝置或裝置的一部分(例如,尖端)的實(shí)例可以是或包括皮下注射針。尖端可以具有至少一個(gè)孔和至少一個(gè)腔。所述孔可以用來(lái)使得腔與外部之間連通。
[0082]具有一個(gè)或多個(gè)倒鉤狀的突起的示例性的皮下注射針在圖2中示出。改進(jìn)的針允許如生物組織的軟材料浸潤(rùn)到針軸桿中的空間,針軸桿隨后會(huì)與單向突起進(jìn)行機(jī)械互鎖以增大拉出力。通過(guò)軸桿的改進(jìn)所產(chǎn)生的空間可以填充有可降解的、水溶性的或環(huán)境提示材料,所述材料在插入過(guò)程中保持完整并且在拉出時(shí)消失,從而產(chǎn)生可部署的系統(tǒng)。在某些實(shí)施方案中,突起可以在與針的尖端相距一定距離處凹陷,所述距離模仿針對(duì)豪豬剛毛所觀察到的相對(duì)距離(例如,3至4_)。在一些實(shí)施方案中,突起可以定位在每個(gè)尖端的錐形部分上。在某些實(shí)施方案中,突起的彎曲硬度約為襯底的彎曲硬度或者更大,從而使得所述突起彎曲以便在拉出過(guò)程中部署。
[0083]在一些實(shí)施方案中,皮下注射針經(jīng)過(guò)激光切割、機(jī)械加工或蝕刻以便產(chǎn)生突起。例如,皮下注射針可以制備成將材料從軸桿上去除,以便產(chǎn)生鉤形針。鉤子可以覆蓋有犧牲性聚合物層,所述犧牲性聚合物層在插入時(shí)存在并且在拉出過(guò)程中消失,以便增加機(jī)械互鎖。
[0084]在一些實(shí)施方案中,為了在裝置表面上產(chǎn)生凸起特征,可將任何形狀的孔激光切害I]、機(jī)械加工或蝕刻到皮下注射針中。隨后,可以按受控方式將液體材料引入針的腔中,而同時(shí)堵塞尖端,以迫使材料穿過(guò)孔。然后,材料可以通過(guò)以下任一操作進(jìn)行固化,包括但不限于冷卻、通過(guò)加熱或暴露于紫外線輻射來(lái)交聯(lián)。在一些實(shí)施方案中,固化后,材料至少與其將要插入的材料一樣順應(yīng)。在一些實(shí)施方案中,如在剛毛的與減小的穿透力最直接相關(guān)的有倒鉤的區(qū)域中所觀察,孔的寬度或直徑為約100微米。在一些實(shí)施方案中,孔可以被制成與針的尖端相距一定距離,所述距離模仿針對(duì)豪豬剛毛所觀察到的相對(duì)距離(例如,3至4mm)。在另一優(yōu)選實(shí)施方案中,孔被制造在針的錐形部分中。
[0085]在一些實(shí)施方案中,突起形態(tài)可以壓印涂布、激光切割、機(jī)械加工或蝕刻到皮下注射針中。在一些實(shí)施方案中,所述形態(tài)可以通過(guò)對(duì)一個(gè)或多個(gè)現(xiàn)有豪豬剛毛進(jìn)行模制以便產(chǎn)生陰模來(lái)實(shí)現(xiàn)。陰模隨后可以用液體材料填充,所述液體材料固化后得到豪豬剛毛的陽(yáng)鑄件。
[0086]本文所述的裝 置和方法可用于各種應(yīng)用,所述應(yīng)用包括但不限于:醫(yī)療裝置、鉆孔、打釘、捕魚(yú)、緊固、縫合、衣服制造、織物、發(fā)夾、固持裝置、組裝分層系統(tǒng)、工業(yè)粘合劑,皮膚刺穿(包括穿耳)、制鞋或工業(yè)穿刺裝置。
[0087]在一些實(shí)施方案中,裝置可以被設(shè)定尺寸并且構(gòu)造用作針、微針陣列、補(bǔ)片、鉤子、探針、套針、植入物等等。襯底可以是順應(yīng)性的或非順應(yīng)性的。在一些實(shí)施方案中,襯底可以是靶標(biāo)部位處的組織。示例性的組織包括但不限于:皮膚、肌肉、心臟、脾、肝、腦、腸、胃、膽囊、血管、筋膜、腦膜、眼、唇、舌、粘膜、肺、腎、胰腺以及耳。
[0088]在一些實(shí)施方案中,所提供的裝置和方法可以用于接取身體中的部位。在一些實(shí)施方案中,此處所述的裝置和方法可以用于插入含有體液的部位。所述裝置和方法可以用來(lái)對(duì)體液進(jìn)行采樣,或者可以進(jìn)一步用于處理以用于診斷目的;針刺;對(duì)膜或網(wǎng)狀物進(jìn)行粘結(jié)用以治療疝氣、潰瘍、以及燒傷;封住內(nèi)部或外部傷口(縫合/卡釘置換/增補(bǔ))。
[0089]在一些實(shí)施方式中,所提供的裝置和方法可以用于裝置/管道/監(jiān)測(cè)系統(tǒng)/藥物遞送裝置在皮膚或肌肉或其它組織上的應(yīng)用、肺部切除程序之后防止漏氣、遞送藥物,通過(guò)腹腔鏡來(lái)放置組織粘合劑或扶壁;實(shí)現(xiàn)血管止血;對(duì)眼科上皮產(chǎn)生粘合;和/或產(chǎn)生臨時(shí)性手術(shù)縮回。
[0090]在一些實(shí)施方案中,本文所述的裝置和方法可以用于或者用作機(jī)械粘合劑。另外或者作為替代,本文所述的裝置和方法可以用作或用于遞送系統(tǒng)并且可以在穿透到襯底之后釋放有效負(fù)荷。另外或者作為替代,本文中公開(kāi)的裝置和方法可以用于采樣和/或診斷。實(shí)施例
[0091]實(shí)施例1:
[0092]材料和方法
[0093]材料:北美(具體來(lái)說(shuō)太平洋西北)豪豬剛毛和非洲豪豬剛毛購(gòu)自美國(guó)MinuteBear Trading。熒光素(鈉鹽,染料含量約70%,Aldrich);若丹明B(染料含量約90%,Sigma-Aldrich);乙醇(ACS 試劑,^ 99.5 %,無(wú)水乙醇(200proof),Sigma-Aldrich);.Sylgarde 184娃酮彈性體試劑盒(美國(guó)Dow Corning公司);UV_可固化聚氨酯丙烯酸酯(韓國(guó) Minuta Tech.) ;Irgacure2959 (Ciba Specialty Chemicals 公司);18 號(hào)、19 號(hào)以及25號(hào)7 / 8針(Becton Dickinson公司);人工人類皮膚(SynDaver? Labs);家禽肌肉組織(Shaw,s 公司);明膠粉末(DifcoTM, BD);砂紙(3M wetordry 砂紙 413Q400 和 NortonMultiSandTM, 60);氰基丙烯酸脂膠水(Loctite495, Loctite公司);工業(yè)刀片(手術(shù)碳鋼,單刃9號(hào),VffR);聚醚醚酮(PEEK)六角螺母(小型零件);具有背襯粘合劑的硅酮橡膠膜(McMaster-Carr);銷安裝短柱(直徑 25.4mm,高度 9.5mm,并且銷徑 3.2mm, Ted Pella 公司);5分鐘和60分鐘型環(huán)氧樹(shù)脂膠水(ITW Performance Polymer)按接收到的原樣使用。新鮮豬皮購(gòu)自當(dāng)?shù)厝獾?。?xì)的銅絲(直徑約0.2mm)取自電線(AWM類型,RadioShack)。
[0094]對(duì)肌肉組織和明膠凝膠的穿透-縮回測(cè)試:穿透-縮回測(cè)試用機(jī)械測(cè)試器(型號(hào)5540, Instron公司)執(zhí)行。僅僅選擇具有長(zhǎng)度為4mm的有倒鉤的區(qū)域的剛毛用于測(cè)試,如用毫米尺和解剖光學(xué)顯微鏡(SZ-6PLUS, Cambridge Instruments)測(cè)量。使用刀片來(lái)將肌肉組織切割成寬度為3至4em、長(zhǎng)度為2至3cm并且厚度為4至5mm的試樣。將組織試樣安裝在機(jī)械測(cè)試器的底座處的下部夾具內(nèi)。在固定過(guò)程中,小心不要過(guò)渡壓縮組織。在將試樣固定在夾具之間之后,用 刀片切割?yuàn)A具上的暴露出的多余組織,從而產(chǎn)生平坦組織表面。將剛毛固定在上部夾具之間,并且將尖端調(diào)整成接觸組織表面。以Imm /秒的速率將剛毛穿透到肌肉組織中達(dá)到所需的深度、通常10mm,并且以0.033mm /秒的速率拉出,以便研究倒鉤在從組織中去除過(guò)程中是如何起作用的。在所有實(shí)驗(yàn)的持續(xù)過(guò)程中,用磷酸鹽緩沖鹽水保持組織濕潤(rùn)。每一個(gè)剛毛用于單一測(cè)量。由于無(wú)法夾住明膠凝膠,因此用替代設(shè)置執(zhí)行將明膠凝膠用作非纖維組織的對(duì)照物的實(shí)驗(yàn)。替代下部夾具,使用壓縮臺(tái)在測(cè)量過(guò)程中固定明膠凝膠。換句話說(shuō),明膠凝膠被固定在臺(tái)上而不進(jìn)行壓縮??紤]到此實(shí)驗(yàn)設(shè)置,通過(guò)將組織中的厚的區(qū)段置于下部夾具之間而不進(jìn)行壓縮來(lái)對(duì)肌肉組織執(zhí)行另一測(cè)試。為了使得肌肉組織的任何移動(dòng)最小化,準(zhǔn)備不進(jìn)行壓縮就能夠配合下部夾具之間的可用空間的雞胸組織。通過(guò)將明膠粉末溶解到40°C的蒸餾水中并且將其冷卻至室溫,明膠凝膠被制備成與肌肉組織具有相同的密度。對(duì)于組織和明膠,平均穿透力和平均拉出力由n=5個(gè)不同樣本來(lái)測(cè)量。
[0095]肌肉組織密度測(cè)量:組織密度使用先前所述的方法進(jìn)行測(cè)量:簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),組織密度使用25ml玻璃比重計(jì)通過(guò)以下等式(I)進(jìn)行測(cè)定。
[0096]ds=sdw/ (mpf-mt+s)(I)
[0097]其中ds是組織密度(g / mL),dw是水的密度(g / mL),s是干燥組織的重量(g),Hlpf是比重計(jì)和水的重量(g),并且Hlt是比重計(jì)、水以及組織的重量。為了獲得干燥組織的重量,將組織在烘箱中在60°c下進(jìn)行干燥,直到7天之后重量達(dá)到穩(wěn)定水平。[0098]在粘合劑測(cè)量期間供可視化的染色剛毛的制備:將豪豬剛毛浸入0.01%熒光素或若丹明B水溶液中。I小時(shí)后,將剛毛從染色溶液中去除并且用水徹底沖洗。在使用前,將染色剛毛干燥過(guò)夜。
[0099]對(duì)豬皮的穿透-縮回測(cè)試:使用刀片來(lái)將新鮮豬皮切割成寬度為3至4cm并且長(zhǎng)度為3cm的試樣。對(duì)于粘合劑測(cè)試,將豪豬剛毛插入在下部夾具內(nèi)豎直對(duì)準(zhǔn)的豬皮中,其中穿透深度為4mm。測(cè)試的其余部分遵循先前針對(duì)肌肉組織所描述的程序。
[0100]豬皮機(jī)械特性的表征:將試樣切割成狗骨形狀(2cmX5cm)。用于測(cè)量的皮膚的長(zhǎng)度(夾具之間的距離)為6mm。為了防止豬皮從夾具上滑落下來(lái),除了測(cè)量區(qū)域之外,用砂紙(磨料粒度數(shù)為P60)覆蓋豬皮。使用氰基丙烯酸脂膠水和卡釘來(lái)將砂紙緊緊貼在豬皮上。使用X pert760機(jī)械測(cè)試器(ADMET公司)執(zhí)行單軸向拉伸測(cè)試以測(cè)量所準(zhǔn)備的豬皮的機(jī)械特性。拉伸測(cè)試速率為1mm /分鐘,并且使用有限彈性的郎之萬(wàn)反演模型來(lái)擬合所得到的數(shù)據(jù)。
[0101]針對(duì)豪豬剛毛基部和尖端的楊氏模量和拉伸強(qiáng)度的測(cè)量:對(duì)于基部測(cè)量,執(zhí)行拉伸測(cè)試。為了夾持基部結(jié)構(gòu)而不壓碎末端,將小型鋼針(19號(hào)針的尖端部分)插入到兩端中,以便維持圓柱形的幾何形狀。隨后,將銅線和環(huán)氧樹(shù)脂膠水用在外部,以便防止樣本從夾具上滑落下來(lái)。為了準(zhǔn)確測(cè)量尖端的楊氏模量,用底部夾具夾持靠近頂點(diǎn)Imm處的頂部,使得2mm被暴露以供測(cè)量。假設(shè)夾具之間暴露出的2mm長(zhǎng)的區(qū)域的截面直徑(約0.30mm)保持恒定。將所準(zhǔn)備的基部和尖端樣本安裝在機(jī)械測(cè)試器的下部夾具與上部夾具之間。對(duì)于基部和尖端來(lái)說(shuō),下部夾具與上部夾具之間的距離分別是8mm和2mm。對(duì)于n=5個(gè)不同樣本,測(cè)量以Imm /分鐘的速率執(zhí)行。
[0102]氨基酸分析:將干凈的豪豬剛毛切割并且劃分成4mm長(zhǎng)的尖端(即,僅僅有倒鉤的區(qū)域)和基部,并且各采集3mg用于分析。用添加有0.1%苯酚的200 μ L6N鹽酸(HCL)在110°C下對(duì)樣本執(zhí)行液相水解持續(xù)24小時(shí)。在用酸水解之后,將樣本干燥I小時(shí),并且隨后將其溶解在正亮氨酸稀釋緩沖液中,得到20或40ml的最終體積。用渦旋器來(lái)將最終溶液徹底混合,并且將50 μ L裝載到分析器(Hitachi的L-8800Na氨基酸分析器)中。所注入的50 μ L含有2.0nmol的正亮氨酸作為內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)。
`[0103]執(zhí)行另外的分析以獲得在用6Ν HCL水解期間可能會(huì)破壞的半胱氨酸的濃度。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),通過(guò)在1.0mL的過(guò)甲酸中在4°C下將基部和尖端樣本培養(yǎng)過(guò)夜,將半胱氨酸氧化成磺基丙氨酸。隨后,干燥樣本并且如上所述準(zhǔn)備用于氨基酸含量分析。
[0104]翹曲阻力測(cè)試:為了測(cè)量豪豬剛毛的軸桿的翹曲阻力,隨機(jī)選擇28個(gè)剛毛以供進(jìn)行單軸向壓縮測(cè)試。略微修剪尖端,以便提供具有近乎均勻的截面面積的軸桿,并且所得長(zhǎng)度和直徑用測(cè)徑器來(lái)精確測(cè)量。將剛毛安裝在機(jī)械測(cè)試器中,介于鋸齒狀的鋁塊之間,以在剛毛兩端提供樞軸連接。以IOOmm /分鐘的速率降低機(jī)械測(cè)試器,并且記錄所得負(fù)荷。臨界負(fù)荷通過(guò)記錄翹曲失效時(shí)的負(fù)荷來(lái)確定并且相對(duì)于剛毛的細(xì)長(zhǎng)比進(jìn)行繪圖。
[0105]剛毛的表面表征:在濺射涂布30nm厚的金之后,用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM,JE0L5910)來(lái)檢查穿透-縮回測(cè)試之前或之后的豪豬剛毛的微結(jié)構(gòu)。光和熒光圖像用 Nikon Eclipse TE-2000-U 顯微鏡(日本 Nikon Digital Sight DS-QiMC 相機(jī))來(lái)獲得。用解剖光學(xué)顯微鏡(SZ-6PLUS,Cambridge Instruments公司)來(lái)檢查每個(gè)剛毛的有倒鉤的區(qū)域的長(zhǎng)度,并且獲得光學(xué)數(shù)碼圖像(日本佳能IXY Digital)。[0106]聚氨酯(PU)剛毛和模仿剛毛的針的制作:聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)預(yù)聚合物通過(guò)以10:1的比率將基部材料與固化劑混合來(lái)制備。劇烈混合并且脫氣之后,通過(guò)在70°C下進(jìn)行熱固化過(guò)夜來(lái)制備天然有倒鉤和無(wú)倒鉤的剛毛的PDMS模具。為了制造模仿剛毛的針,在此階段中將25號(hào)針插入剛毛中。在固化PDMS后,去除剛毛和針以便產(chǎn)生PDMS模具。將與0.1 %光引發(fā)劑混合的聚氨酯丙烯酸酯添加到PDMS模具中。為了制作模仿剛毛的針,在此階段中將25號(hào)針再次插入模具中,從而允許聚氨酯粘附到針上。隨后,將樣本置于黑暗中的真空干燥器中,以將樣本脫氣I至2小時(shí)。樣本隨后在UV(254nm)下固化90分鐘,并且然后將其從模具中去除。
[0107]PU剛毛和針對(duì)組織的穿透力的測(cè)量:準(zhǔn)備肌肉組織的厚的區(qū)段以配合機(jī)械測(cè)試器的下部夾具之間的可用空間。將所準(zhǔn)備的組織放置在夾具之間而不進(jìn)行壓縮。將PU剛毛固定在機(jī)械測(cè)試器的上部夾具之間,并且將尖端調(diào)整成接觸組織表面。以Imm /秒的速率將剛毛穿透到肌肉組織中達(dá)到所需的深度4mm。在所有實(shí)驗(yàn)的持續(xù)過(guò)程中,用磷酸鹽緩沖鹽水保持組織濕潤(rùn)。每一個(gè)剛毛用于單一測(cè)量。平均穿透力是由n=5個(gè)不同樣本進(jìn)行測(cè)量。 [0108]模仿剛毛的PU針的穿透力是用模仿人類皮膚特性的人造皮膚(SynDaver Labs)來(lái)進(jìn)行檢查。將所制作的I3U針與測(cè)力計(jì)(日本Nidec-Shimp0公司,型號(hào)FGV-5XY)相連接,并且將所述PU針手動(dòng)插入到皮膚組織中。測(cè)力計(jì)讀出所要求的穿透力。每個(gè)針至少使用4次。平均穿透力由n=3個(gè)不同樣本獲得。
[0109]具有剛毛六角形陣列的模仿剛毛的補(bǔ)片的制作:將天然剛毛的尖端(長(zhǎng)度5mm)復(fù)制成具有六角螺母基部,并且使用60分鐘型環(huán)氧樹(shù)脂膠水布置成具有硅酮背襯層的六角形陣列。產(chǎn)生有倒鉤的或無(wú)倒鉤的剛毛的PDMS模具之后,按照與先前描述相同的工序生產(chǎn)復(fù)制模制的PU剛毛。隨后將7個(gè)PU有倒鉤的/無(wú)倒鉤的樣本被組與硅酮背襯層組裝在一起。PU剛毛的六角基部允許六角形陣列的簡(jiǎn)單對(duì)齊。為了確保所述陣列是穩(wěn)定的,使用5分鐘型環(huán)氧膠水來(lái)將另一背襯層附接到所組裝的樣本上。補(bǔ)片內(nèi)的所有PU剛毛垂直于背襯層。
[0110]模仿剛毛的補(bǔ)片的組織粘合力的測(cè)量:使用改進(jìn)的ASTMF2258-05測(cè)量模仿剛毛的補(bǔ)片的組織粘合力。使用氰基丙烯酸酯膠水來(lái)將肌肉組織的平坦區(qū)段貼到測(cè)試固定件(即,直徑為25.4mm的銷安裝短柱)。將所準(zhǔn)備的組織樣本安裝在機(jī)械測(cè)試器的底座處的下部夾具內(nèi)。將模仿剛毛的補(bǔ)片膠粘到另一固定件上,并且將所準(zhǔn)備的補(bǔ)片固定在機(jī)械測(cè)試器的上部夾具之間。將補(bǔ)片內(nèi)的剛毛的尖端調(diào)整成接觸組織表面。以1_ /秒的速率將補(bǔ)片穿透到肌肉組織中達(dá)到4mm的深度,并且以0.033mm /秒的速率拉出,以便研究倒鉤在從組織去除過(guò)程中是如何起作用的。在所有實(shí)驗(yàn)的持續(xù)過(guò)程中,用磷酸鹽緩沖鹽水保持組織濕潤(rùn)。平均組織粘合力是由n=5個(gè)不同樣本進(jìn)行測(cè)量。
[0111]有限元分析(FEA):對(duì)于穿透皮膚的有兩個(gè)倒鉤的剛毛的有限元模擬,采用用圖7所示的初始網(wǎng)格進(jìn)行的幾何形狀的二維近似。剛毛組分是由946Abaqus CPE3三角形單元組成,并且組織是由982Abaqus CPE4H混合四邊形單元組成。將剛毛和倒鉤建模成線性彈性材料,如由剛毛尖端的單軸向拉伸實(shí)驗(yàn)(圖14)所測(cè)定,楊氏模量E=3.25GPa并且泊松比v=0.4。為了模擬剛毛穿透到豬皮中,分析豬皮的機(jī)械響應(yīng)并且將拉伸數(shù)據(jù)擬合至有限彈性的郎之萬(wàn)反演模型,并且測(cè)定豬皮的橡膠模量和網(wǎng)絡(luò)鎖定張拉性(圖12)。豬皮的橡膠模量為0.05至0.28Mpa并且其網(wǎng)絡(luò)鎖定張拉性為1.27至2.35。豬皮的失效強(qiáng)度為8.2至
15.4MPa,這與之前所報(bào)告的值類似。對(duì)于有限單元模擬,使用郎之萬(wàn)反演模型將皮膚建模為非線性不可壓縮材料,其初始剪切模量μ=0.165Mpa,并且鎖定張拉性λ^1.81。模擬是由兩個(gè)步驟組成。為了解釋在此模擬中在所考慮的區(qū)段之前已經(jīng)穿透的剛毛,首先將剛毛平移到右側(cè)以便預(yù)壓組織隨后,在第二步驟中,向下平移剛毛,以便滑過(guò)組織。這使模型等效于考慮到在表面僅有兩個(gè)倒鉤的整個(gè)剛毛。剛毛與組織之間的接觸建模為無(wú)摩擦的,以對(duì)自然地遇到的潮濕環(huán)境進(jìn)行建模。
[0112]對(duì)于穿透到豬皮中的整個(gè)無(wú)倒鉤的剛毛的有限元模擬,采用用圖8所示的初始網(wǎng)格進(jìn)行的幾何形狀的二維近似,所述二維近似是基于天然剛毛。剛毛網(wǎng)格是由257AbaqusCPE4R四邊形單元和20IAbaqus CPE3三角形單元組成,同樣組織是由17422Abaqus CPE4H混合四邊形單元組成施加在剛毛上的移位邊界條件包括沿著左邊緣的對(duì)稱性,而頂部邊緣被給予IOmm的向下移位,以使剛毛穿透到組織中。組織上的移位邊界條件包括被釘住的沿著底部和右邊緣的結(jié)點(diǎn),而頂部邊緣是無(wú)牽引的。為了對(duì)因剛毛穿透而造成的組織“撕裂”進(jìn)行建模,界定沿著左邊緣和剛性表面(未示出)的組織單元之間的內(nèi)聚相互作用。內(nèi)聚相互作用表現(xiàn)出彈性,具有與組織中的非線性彈性相同的初始硬度,并且隨后在IOMPa(與實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似(圖12))的最大正常應(yīng)力下失效(失去承載能力)。當(dāng)前,Abaqus / Standard并不支持軸對(duì)稱的內(nèi)聚相互作用和失效,因此將幾何形狀建模成平面應(yīng)變,以便維持穿透的“撕裂”特性,從而使得材料參數(shù)能夠變化,以便觀察模擬之間的相對(duì)差異。剛毛與組織之間的接觸建模為無(wú)摩擦的,以對(duì)自然地遇到的潮濕環(huán)境進(jìn)行建模。
[0113]在纖維組織與非纖維明膠凝膠之間進(jìn)行比較以檢查組織纖維的機(jī)械互鎖,從而實(shí)現(xiàn)組織粘合:為了檢查通過(guò)鉤住組織纖維而機(jī)械互鎖是否會(huì)對(duì)組織固持力有所貢獻(xiàn),使用明膠凝膠作為非纖維組織的模型來(lái)執(zhí)行穿透-縮回測(cè)試。為了使得明膠凝膠的密度匹配肌肉組織的密度,首先如上所述通過(guò)獲得干質(zhì)量和濕體積(用比重計(jì)進(jìn)行檢查)確定肌肉組織的纖維的組分是0.237±0.006g / mL。使用明膠凝膠執(zhí)行測(cè)試,其中穿透深度為4mm。為了防止明膠凝膠因夾持而損壞,將凝膠放置在機(jī)械測(cè)試器上而不進(jìn)行壓縮。相應(yīng)地,用肌肉組織重復(fù)這種設(shè)置,以便允許對(duì)明膠與肌肉數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。如圖1OC所示,通過(guò)非纖維明膠凝膠和帶倒鉤的剛毛所產(chǎn)生的拉出力為0.009±0.003N,所述拉出力明顯低于從纖維肌肉組織中去除穿透4mm的豪豬剛毛所要求的力0.052±0.021N。這個(gè)數(shù)據(jù)表明:組織纖維通過(guò)倒鉤進(jìn)行機(jī)械互鎖是產(chǎn)生組織粘合的重要因素。
[0114]結(jié)果與討論
[0115]仿生的第一步驟是要理解介導(dǎo)生物功能的機(jī)制。為此,已經(jīng)闡明了北美豪豬剛毛如何與組織進(jìn)行最佳相互作用以呈現(xiàn)最小穿透力與最大拉出力的機(jī)制。
[0116]北美豪豬剛毛具有通過(guò)黑色(尖端)和白色(基部)區(qū)分的兩個(gè)不同區(qū)域(圖21A)。盡管圓錐形的黑色尖端在其表面上含有一層微觀向后的倒鉤,但圓柱形的白色基部含有相對(duì)平滑的鱗狀結(jié)構(gòu)(圖21B(尖端),圖21C(基部))。如圖2ID所示,倒鉤略微重疊,并且多數(shù)倒鉤具有長(zhǎng)度范圍在100至120 μ m的尺寸,而最大寬度為35至45 μ m。每個(gè)倒鉤的尖端與剛毛的軸桿之間存在I至5 μ m的空間。在尖端頂點(diǎn)處,倒鉤短至50至70 μ m,如圖21B和圖21E所示,然而在與尖端相距超過(guò)Imm處,倒鉤為170至220 μ m。有趣的是,如通過(guò)光學(xué)顯微鏡術(shù)所觀察并且通過(guò)FE-SEM所證實(shí)(圖4), 倒鉤僅存在于黑色尖端的一部分上,并且有倒鉤的區(qū)域的長(zhǎng)度會(huì)變化(通常在3至5mm的范圍內(nèi))。因此,通過(guò)僅僅使用具有4mm的有倒鉤的區(qū)域的剛毛來(lái)對(duì)測(cè)試進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。
[0117]圖21F示出穿透-縮回測(cè)試的結(jié)果,所述測(cè)試包括倒鉤已經(jīng)通過(guò)輕磨而小心地去除的無(wú)倒鉤的對(duì)照剛毛。將穿透到肌肉組織中的深度設(shè)置為IOmm(在Imm / s的穿透速度下),并且所要求用于穿透的力被定義為穿透力。剛毛通常刺穿皮膚進(jìn)入肌肉組織中,肌肉組織可能退縮并且收縮,從而將剛毛拉動(dòng)進(jìn)入更深位置。在實(shí)驗(yàn)中,除了在穿透期間壓縮外植的肌肉組織、然后在去除插入力時(shí)彈性松弛時(shí)以外,所述外植的肌肉組織是靜止的。相對(duì)于基線來(lái)說(shuō),去除剛毛所要求的最大力被定義為拉出力。令人驚訝的是,圖21F示出有倒鉤的剛毛所要求的穿透力與無(wú)倒鉤的剛毛相比小54%。對(duì)于有倒鉤的剛毛來(lái)說(shuō),穿透的功為1.08 + 0.37mJ,無(wú)倒鉤的剛毛要求2.41 + 0.28mJ(圖21G)。關(guān)于拉出力,具有倒鉤的剛毛要求0.44±0.06N,無(wú)倒鉤的剛毛的值為0.11 ±0.02N。用于去除有倒鉤的剛毛和無(wú)倒鉤的剛毛的功分別是1.73±0.41mJ和0.28±0.03mJ。因此,應(yīng)清楚倒鉤的存在明顯使穿透力減少并且導(dǎo)致組織固持力增大。有趣的是,與醫(yī)用皮下注射針相比,有倒鉤的剛毛要求較少的力和功來(lái)穿透到組織中。假定平均剛毛直徑為1.161±0.114_,檢查18號(hào)針(直徑為1.262±0.003mm)穿透到肌肉組織中所要求的力和功(圖5)。針穿透到肌肉組織中的平均力為 0.59±0.11N,并且穿透功為 2.75±0.70mJ(圖 21G)。 [0118]作為對(duì)倒鉤存在的另外對(duì)照,使用如圖6A所述具有平滑表面的非洲豪豬剛毛執(zhí)行穿透-縮回測(cè)試:穿透功和去除功分別為2.13±0.04mJ和0.22±0.06mJ(圖6B和圖6C)。這些值和力對(duì)延展性曲線圖的輪廓示出與無(wú)倒鉤的剛毛類似的趨勢(shì)??紤]到非洲豪豬剛毛和無(wú)倒鉤的北美剛毛示出明顯不同于有倒鉤的北美剛毛的類似穿透和拉出行為,倒鉤對(duì)于減小穿透力與產(chǎn)生組織粘附來(lái)說(shuō)顯現(xiàn)出是必須的。
[0119]為了理解有倒鉤的剛毛所要求的穿透力與穿透功的減少,開(kāi)發(fā)了簡(jiǎn)化的有限元模型(圖7)。假定穿透功=剛毛應(yīng)變能+組織應(yīng)變能+耗散(包括組織撕裂,并且在實(shí)踐中可以包括摩擦,但這并不包括在模型中)。通過(guò)在模擬中改變所簡(jiǎn)化的有兩個(gè)倒鉤的剛毛組分的硬度(其中包括倒鉤的剛毛顯示出均勻硬度),觀察到由剛毛與組織吸收掉的應(yīng)變能。具體來(lái)說(shuō),由于倒鉤的添加,因此天然剛毛中的應(yīng)變能(處于3.25GPa)從9.09E_08pJ /μ m3增加到1.36E-04pJ / μ m3,而組織中的能量從0.01302pJ / μ m3增加到0.01310pJ /μπι3(圖22Α)。考慮到剛毛和組織中的應(yīng)變能的組合增長(zhǎng)可忽略不計(jì),假定減小的穿透功是由如組織撕裂的耗散能減小來(lái)促成。
[0120]為了穿透到組織中,剛毛必須在尖端處撕裂組織并且通過(guò)張拉并且撕裂組織纖維來(lái)使孔在周向膨脹。為了分析倒鉤對(duì)此過(guò)程的作用,針對(duì)無(wú)倒鉤的剛毛與有兩個(gè)倒鉤的剛毛使用有限元分析(FEA)查看組織中的應(yīng)變分布(圖22Β和圖22C)。分析揭示,組織主要通過(guò)倒鉤附近的應(yīng)力集中來(lái)張拉并且變形。不管倒鉤硬度,這種情況都會(huì)發(fā)生(圖22D和圖22Ε)。假定應(yīng)力集中起作用以便局部張拉并且撕裂組織,從而減少使圍繞剛毛的組織的整個(gè)圓周變形的需要,并且因此使穿透力減小。因此,天然豪豬剛毛的有倒鉤的特征產(chǎn)生最佳表面,從而通過(guò)產(chǎn)生策略性安排的應(yīng)力集中來(lái)減小穿透力。為了證實(shí)這種假設(shè),通過(guò)復(fù)制模制來(lái)制作有倒鉤的(不可部署的)和無(wú)倒鉤的聚氨酯(PU)剛毛(圖22F和圖22G)。兩種所制作的剛毛的穿透力通過(guò)將它們插入肌肉組織中4_來(lái)檢查。無(wú)倒鉤的PU剛毛的穿透力是0.046 ± 0.010Ν,而有倒鉤的PU剛毛要求減少了 35%的穿透力,即0.030 ± 0.006Ν(圖22H)。另外,天然有倒鉤的剛毛對(duì)同一肌肉組織的穿透力為0.043±0.013N,這與有倒鉤的PU剛毛的穿透力并無(wú)明顯不同。盡管剛毛的倒鉤無(wú)法彎曲,但剛毛具有許多尖銳點(diǎn)(即,倒鉤),其中應(yīng)力可以在剛毛穿透到組織中期間集中。因此,所制作的PU剛毛的實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持:在倒鉤處的應(yīng)力集中有助于減小天然豪豬剛毛的穿透力。由于倒鉤具有的數(shù)量級(jí)與肌肉組織纖維相同,均在50至100 μ m內(nèi),因此在倒鉤處集中的應(yīng)力可能有助于局部切割組織。這種概念潛在地可以用于開(kāi)發(fā)具有減小的穿透力的新型醫(yī)用針。為此,經(jīng)由復(fù)制模制制作一種原型皮下注射針,所述原型皮下注射針擁有豪豬剛毛的微觀倒鉤。通過(guò)對(duì)人類皮膚模型的測(cè)試,有倒鉤的PU針與無(wú)倒鉤的針相比,示出減少80%的穿透力(圖221至圖22J)。
[0121]利用應(yīng)力集中來(lái)易化穿透的另一自然系統(tǒng)是蚊子喙。與豪豬剛毛相比,蚊子喙具有復(fù)雜的機(jī)制,所述機(jī)制利用共同易化穿透到組織中的三個(gè)不同的針。這個(gè)過(guò)程涉及首先張拉具有平滑下唇的物體的表面,并且隨后將兩個(gè)鋸齒狀顎插入到組織中,從而導(dǎo)致兩個(gè)顎之間的應(yīng)力集中。最后,將下唇、即吸血的針插入到兩個(gè)顎之間的物體中。張拉和穿透的此操作一秒重復(fù)30,000次,從而將喙進(jìn)一步地逐漸推進(jìn)到組織中。與利用5個(gè)結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)移動(dòng)來(lái)穿透到組織中的蚊子相反,豪豬剛毛非常簡(jiǎn)單,僅僅要求其倒鉤狀的幾何形狀來(lái)減小穿透力。另外,豪豬剛毛特別之處在于,為了容易穿透與高組織粘合,它在幾何學(xué)上進(jìn)行優(yōu)化。
[0122]使用FEA來(lái)對(duì)剛毛穿透進(jìn)行的進(jìn)一步簡(jiǎn)化的建模揭示:剛毛尖端的幾何形狀針對(duì)以下兩者進(jìn)行優(yōu)化:易于穿過(guò)組織與高去除阻力(圖23A)。具體來(lái)說(shuō),在將剛毛或針插入組織中后,在周圍組織中出現(xiàn)拉伸和壓縮‘區(qū)’。剛毛具有如圖8所示的三個(gè)幾何過(guò)渡區(qū)。組織壓縮是從第一過(guò)渡區(qū)切向于剛毛發(fā)生,所述第一過(guò)渡區(qū)與尖端頂點(diǎn)相距約3_,在第二過(guò)渡區(qū)處組織壓縮最大。這表明,最接近第一過(guò)渡區(qū)的倒鉤可能會(huì)經(jīng)歷與組織的最大相互作用。為了驗(yàn)證這種情況,使用 磨光技術(shù)來(lái)產(chǎn)生在特定區(qū)域擁有倒鉤的剛毛(圖9)。
[0123]圖23B示出,剛毛I(xiàn)要求0.71 ±0.09N來(lái)穿透到組織中10mm,而剛毛2要求0.33±0.08N( A12=-0.38)。與無(wú)倒鉤的剛毛相比,如果僅僅包括剛毛尖端處的有倒鉤的區(qū)域的前I或2mm(剛毛3和4),那么力并不會(huì)減小。然而,當(dāng)包括2至3mm區(qū)域中的倒鉤時(shí),穿透力大大減少。僅在2至4_區(qū)域中具有倒鉤的剛毛7導(dǎo)致穿透力的大大減小,減小約0.26N。另外,與無(wú)倒鉤的剛毛(剛毛I(xiàn))相比,2至3mm(剛毛8)或3至4mm(剛毛6)有倒鉤的區(qū)域獨(dú)立使穿透力減小。這些結(jié)果表明,靠近剛毛的第一過(guò)渡區(qū)的2至4_有倒鉤的區(qū)域?qū)τ跍p小穿透力來(lái)說(shuō)是最為重要的。由于剛毛干的寬度在第一過(guò)渡區(qū)處比尖端頂點(diǎn)要大,因此在過(guò)渡區(qū)內(nèi)的倒鉤處集中的應(yīng)力可能有利于在穿透到組織中過(guò)程中進(jìn)行切割。
[0124]倒鉤的存在貢獻(xiàn)了 0.33N的拉出力(將具有4mm有倒鉤的區(qū)域的剛毛、即剛毛2與無(wú)倒鉤的剛毛、即剛毛I(xiàn)進(jìn)行比較;A12=0.33),0.1lN歸因于尖端處的前Imm有倒鉤的區(qū)域(剛毛3)(圖23C)。將剛毛3與5進(jìn)行比較(A35=0.08),表明與尖端處的Imm區(qū)域相t匕,I至3mm有倒鉤的區(qū)域?qū)隽哂休^小影響。在剛毛2與5之間對(duì)拉出力進(jìn)行比較(A25=0.14),表明在過(guò)渡區(qū)附近的Imm區(qū)域(在基部)可能是重要的。然而,與無(wú)倒鉤的剛毛相比,倒鉤僅存在于3至4_區(qū)域中(剛毛6)或僅存在于2至4_區(qū)域中(剛毛7)不會(huì)使拉出力實(shí)質(zhì)性增加。此外,在2至3_區(qū)域中的倒鉤單獨(dú)不會(huì)使拉出力增加。這些數(shù)據(jù)表明,不同區(qū)域中的倒鉤可能協(xié)作地工作。協(xié)作性進(jìn)一步由缺少加和作用(λ14+λ17# A12并且Λ15+Λ16# Δ12)來(lái)支持。總之,結(jié)果表明從尖端開(kāi)始的前Imm區(qū)域是增加拉出力的最重要的“單個(gè)”有倒鉤的區(qū)域。然而,2至4_區(qū)域通過(guò)與其它有倒鉤的區(qū)域協(xié)作地作用而對(duì)增加拉出力有明顯貢獻(xiàn)。協(xié)作性可以是倒鉤重疊的函數(shù),其中在過(guò)渡區(qū)附近的來(lái)自組織的對(duì)倒鉤的增加的壓縮力將倒鉤擠壓成更為接近尖端?;蛘?,在尖端附近的倒鉤由于更近端的倒鉤所切割的組織而可能會(huì)經(jīng)歷不同應(yīng)力。(對(duì)于所有剛毛準(zhǔn)備物的去除功的概括,參見(jiàn)下表1)。此數(shù)據(jù)一起表明剛毛通過(guò)比簡(jiǎn)單鉤住組織纖維更復(fù)雜的機(jī)制實(shí)現(xiàn)粘合。
[0125]表1.通過(guò)對(duì)肌肉組織的穿透-縮回測(cè)試獲得的概括的穿透功和去除功(來(lái)自圖23) (η=5)。所有準(zhǔn)備好的剛毛都被插入到組織中達(dá)到10_的深度。
【權(quán)利要求】
1.一種用于穿透襯底的裝置,所述裝置包括: 一個(gè)或多個(gè)尖端,其中所述一個(gè)或多個(gè)尖端被設(shè)計(jì)并且構(gòu)造成起始通過(guò)所述裝置進(jìn)行的穿透;和 在鄰近每個(gè)尖端的區(qū)域中的一個(gè)或多個(gè)突起。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起被構(gòu)造并且布置成使得所要求的穿透力與針對(duì)缺乏所述一個(gè)或多個(gè)突起、在其它方面相同的裝置所觀察到的穿透力相比減小。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起被構(gòu)造并且布置成使得所要求的拉出力與針對(duì)缺乏所述一個(gè)或多個(gè)突起、在其它方面相同的裝置所觀察到的拉出力相比增大。
4.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中每個(gè)尖端的穿透點(diǎn)的直徑小于針對(duì)所述在其它方面相同的裝置所觀察到的直徑的120%。
5.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起定位在每個(gè)尖端的錐形區(qū)域中。
6.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述襯底是順應(yīng)性的或非順應(yīng)性的。
7.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述襯底是組織。
8.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起間隔開(kāi)小于1cm、5mm、500微米、100微米、10微米或I微米。
9.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起是倒鉤狀的、半球形的、角錐形的、魚(yú)叉形的、三角形的、圓錐形的、鉤形的、橢圓形的或Y形的。
10.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起獨(dú)立地具有不同形狀。
11.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起與所述裝置脫離。
12.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起包含生物可蝕解和/或生物可降解的聚合物。
13.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起的長(zhǎng)度在50至250 μ m或I μ m至Imm的范圍內(nèi)。
14.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起的長(zhǎng)度在50至70 μ m、100 至 120 μ m 或 170 至 220 μ m 的范圍內(nèi)。
15.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起具有35至45μ m、50至250 μ m或I μ m至Imm的最大寬度。
16.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起被布置成背離所述尖端,以使所述一個(gè)或多個(gè)突起在插入時(shí)向內(nèi)彎曲,而所述一個(gè)或多個(gè)突起在拉出時(shí)向外彎曲。
17.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起被布置成使得所述一個(gè)或多個(gè)突起向內(nèi)彎曲并且獨(dú)立地起作用,以便減小所要求的穿透力。
18.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中鄰近每個(gè)尖端的所述區(qū)域約為2至4mm ο
19.如前述權(quán)利要求 中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起被布置成使得所述一個(gè)或多個(gè)突起向外彎曲并且協(xié)作地起作用,以便增大所要求的拉出力。
20.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中鄰近每個(gè)尖端的所述區(qū)域約為2至4mm。
21.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起彼此重疊以使所述一個(gè)或多個(gè)突起協(xié)作地工作,以便增大所要求的拉出力。
22.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起被布置成使得所述一個(gè)或多個(gè)突起向外彎曲并且獨(dú)立地起作用,以便增大所要求的拉出力。
23.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中鄰近每個(gè)尖端的所述區(qū)域約為O至1mm。
24.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起被單向布置成背尚所述尖立而。
25.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起與所述一個(gè)或多個(gè)尖端的表面之間的角度是在O至90度、1至60度或1I至20度的范圍內(nèi)。
26.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起彼此具有1%至50%、5%至30%、10%至20%或多達(dá)90%的重疊。
27.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中鄰近每個(gè)尖端的所述區(qū)域在模仿針對(duì)豪豬剛毛所觀察到的相對(duì)距離的距離處。
28.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述鄰近區(qū)域與每個(gè)尖端相距約I至5mm、2 至 4mm 或 3 至 4mm 。
29.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述裝置的特征在于與針對(duì)所述在其它方面相同的裝置所觀察到的穿透力相比,所要求的穿透力減小至10%、25%、35%、75%或 90%。
30.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述裝置的特征在于與針對(duì)所述在其它方面相同的裝置所觀察到的拉出力相比,所要求的拉出力增大至1500%至125%、400%或 200%。
31.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起包含選自以下各項(xiàng)的組的材料:聚合物、金屬、陶瓷以及其任何組合。
32.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起的特征在于彎曲硬度比針對(duì)所述襯底所觀察到的彎曲硬度大1至100倍、1至20倍或1至10倍。
33.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起包含形狀記憶材料。
34.如權(quán)利要求33所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起被構(gòu)造并且布置成使得在由插入到所述襯底中而使溫度增高時(shí),所述一個(gè)或多個(gè)突起通過(guò)回復(fù)成形狀記憶退火形式而部署。
35.如權(quán)利要求33所述的裝置,其中所述裝置的特征在于與針對(duì)缺乏所述形狀記憶材料、在其它方面相同的裝置所觀察到的拉出力相比,所要求的拉出力進(jìn)一步地增大。
36.如權(quán)利要求33至35中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述形狀記憶材料選自由以下各項(xiàng)組成的組:形狀記憶合金(SMA)和形狀記憶聚合物(SMP)、以及形狀記憶陶瓷、電活性聚合物(EAP)、鐵磁SMA、電流變(ER)組合物、磁流變(MR)組合物、介電彈性體、離子聚合物金屬?gòu)?fù)合物(IPMC)、壓電聚合物、壓電陶瓷以及其任何組合。
37.如權(quán)利要求33至36中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述形狀記憶材料是鎳鈦諾。
38.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)尖端是水溶脹性的。
39.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其進(jìn)一步包括本體。
40.如權(quán)利要求39所述的裝置,其中所述本體包含選自由以下各項(xiàng)組成的組的彈性聚合物:聚(己內(nèi)酯)、丙烯酸化星型聚(q_己內(nèi)酯-共_d,l-丙交酯)、聚(二甲基硅氧烷)、聚氨酯、聚(丁二烯)、聚(檸檬酸酯)、聚(甘油癸二酸酯)(PGS)以及PGS-聚氨酯衍生物,以及其任何組合。
41.如權(quán)利要求39所述的裝置,其中所述本體是非溶脹性的。
42.如權(quán)利要求39所述的裝置,其中所述本體是防粘合的或排斥性的。
43.如權(quán)利要求39所述的裝置,其中所述本體是薄膜、片材、條帶、針、陣列、鉤子或探針。
44.如權(quán)利要求39至43中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述本體通過(guò)一個(gè)或多個(gè)軸桿來(lái)與所述一個(gè)或多個(gè)尖端連接。
45.如權(quán)利要求44所 述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)軸桿包含生物可降解的材料,以便所述一個(gè)或多個(gè)軸桿降解以使所述一個(gè)或多個(gè)尖端從所述本體釋放。
46.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述裝置包含可降解的/可蝕解的材料。
47.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起由可降解材料的涂層覆蓋,以使所述一個(gè)或多個(gè)突起在所述涂層降解之后暴露。
48.如權(quán)利要求46和47中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述可降解的材料是選自由以下各項(xiàng)組成的組的聚合物:聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸-共-乙醇酸、聚丙交酯、聚乙交酯、聚(丙交酯-共-乙交酯)、聚二噁烷酮、聚己內(nèi)酯、聚碳酸酯、聚原酸酯、聚氨基酸、聚酐、聚羥基丁酸酯、聚羥基戊酸酯、聚(丙二醇-共-反丁烯二酸)、聚羥基烷酸酯、聚酯、聚酐、聚磷腈、聚(氰基丙烯酸烷基酯)、生物可降解性水凝膠、生物可降解性聚氨酯、泊洛沙姆、聚芳酯、氨基酸衍生的聚合物、基于氨基酸的聚合物,尤其是基于酪氨酸的聚合物,包括基于酪氨酸的聚碳酸酯,聚芳酯、聚(β -氨基酯),以及其任何組合。
49.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)尖端包括皮下注射針。
50.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)尖端分別具有至少一個(gè)孔和至少一個(gè)腔。
51.如權(quán)利要求50所述的裝置,其中所述至少一個(gè)孔使得所述腔與外部之間進(jìn)行連通。
52.如權(quán)利要求50和51所述的裝置,其中所述至少一個(gè)孔被布置并且構(gòu)造成使得可以引入液體材料以便穿過(guò)所述腔并且接觸所述尖端的表面。
53.如權(quán)利要求52所述的裝置,其中所述液體材料在所述尖端的所述表面上固化并且形成所述突起。
54.如權(quán)利要求39所述的裝置,其中所述本體是不可蝕解的。
55.如權(quán)利要求39所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)尖端或所述一個(gè)或多個(gè)突起是可蝕解的或可降解的,并且其中與所述一個(gè)或多個(gè)尖端或所述一個(gè)或多個(gè)突起相比,所述本體更慢地蝕解或降解。
56.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)尖端被構(gòu)造并且布置到針、微針陣列、探針、鉤子或套針中。
57.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其進(jìn)一步包括圓錐形、角錐形、圓柱形或矩形棱柱突起的陣列。
58.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起通過(guò)選自以下各項(xiàng)的組的技術(shù)進(jìn)行制作:激光切割、干式蝕刻、濕式蝕刻、壓印涂布、模制、印花、壓花、雙光子光刻、三維印刷、靜紡絲、壓印、干涉光刻以及其任何組合。
59.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述裝置用于選自由以下各項(xiàng)組成的組的應(yīng)用:接取醫(yī)療部位;體液采樣以用于診斷;針刺;對(duì)膜或網(wǎng)狀物進(jìn)行粘結(jié)用以治療疝氣、潰瘍以及燒傷;封住內(nèi)部或外部傷口 ;肺部切除程序之后防止漏氣;遞送藥物;通過(guò)腹腔鏡來(lái)放置組織粘合劑或扶壁;實(shí)現(xiàn)血管止血;對(duì)眼科上皮產(chǎn)生粘合;以及產(chǎn)生臨時(shí)性手術(shù)縮回。
60.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置,其進(jìn)一步包括有效負(fù)荷。
61.如權(quán)利要求60所述的裝置,其中所述有效負(fù)荷包括生物活性劑。
62.如權(quán)利要求60所述的裝置,其中所述有效負(fù)荷被涂布到所述一個(gè)或多個(gè)尖端的表面上。
63.如權(quán)利要求60所述的裝置,其中所述有效負(fù)荷被并入到所述一個(gè)或多個(gè)尖端的腔中。
64.如權(quán)利要求61中任一項(xiàng)所述的裝置,其中所述生物活性劑選自由以下各項(xiàng)組成的組:抗病毒劑、粘合劑、抗微生物劑、抗生素劑、氨基酸、肽、蛋白質(zhì)、糖蛋白、脂蛋白、抗體、類固醇化合物、抗生素、抗霉菌素、細(xì)胞因子、維生素、碳水化合物、脂質(zhì)、細(xì)胞外基質(zhì)、細(xì)胞外基質(zhì)組分、化療劑、細(xì)胞毒素劑、生長(zhǎng)因子、抗排斥劑、止痛劑、消炎劑、病毒載體、蛋白質(zhì)合成輔因子、激素、內(nèi)分泌組織、合成劑、酶、具有實(shí)質(zhì)細(xì)胞的聚合物-細(xì)胞支架劑、血管生成藥物、膠原晶格、抗原劑、細(xì)胞骨架劑、間充質(zhì)干細(xì)胞、骨骼消化劑、抗腫瘤劑、細(xì)胞引誘劑、纖連蛋白、生長(zhǎng)激素細(xì)胞附著劑、免疫抑制劑、核酸、表面活性劑以及滲透促進(jìn)劑。
65.一種使用用于穿透襯底的裝置的方法,所述裝置包括: 一個(gè)或多個(gè)尖端,其中所述一個(gè)或多個(gè)尖端被設(shè)計(jì)并且構(gòu)造成起始通過(guò)所述裝置進(jìn)行的穿透;和 在鄰近所述一個(gè)或多個(gè)尖端中的每個(gè)尖端的區(qū)域中的一個(gè)或多個(gè)突起,所述方法包括使用所述裝置穿透所述襯底。
66.如權(quán)利要求65所述的方法,其中所述襯底是本體或本體部分。
67.如權(quán)利要求66所述的方法,其中所述穿透步驟包括將所述裝置插入含有體液的部位中。
68.如權(quán)利要求67所述的方法,其進(jìn)一步包括對(duì)所述體液進(jìn)行采樣。
69.如權(quán)利要求68所述的方法,其進(jìn)一步包括:處理所述樣本以用于診斷目的;針刺;對(duì)膜或網(wǎng)狀物進(jìn)行粘結(jié)以用于治療疝氣、潰瘍、燒傷;封住內(nèi)部和/或外部傷口。
70.如權(quán)利要求66的方法,其中所述襯底是選自以下各項(xiàng)的身體組織:皮膚、肌肉、心臟、脾、肝、腦、腸、胃、膽囊、血管、筋膜、硬腦膜、眼、唇、舌、粘膜、肺、腎、胰腺以及耳。
71.—種制造用于穿透襯底的裝置的方法,所述裝置包括: 一個(gè)或多個(gè)尖端,其中所述一個(gè)或多個(gè)尖端被設(shè)計(jì)并且構(gòu)造成起始通過(guò)所述裝置進(jìn)行的穿透;和 在鄰近所述一個(gè)或多個(gè)尖端中的每個(gè)尖端的區(qū)域中的一個(gè)或多個(gè)突起。
72.在一種設(shè)計(jì)/制造用于穿透順應(yīng)性襯底的裝置的方法中,所述裝置包括用于起始穿透的一個(gè)或多個(gè)尖端,改進(jìn)之處包括: 在鄰近所述一個(gè)或多個(gè)尖端的區(qū)域中并入一個(gè)或多個(gè)突起。
73.如權(quán)利要求72所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起被構(gòu)造并且布置成使得與針對(duì)缺乏所述一個(gè)或多個(gè)突起、在其它方面相同的裝置所觀察到的穿透力相比,所要求的穿透力減小。
74.如權(quán)利要求72或73所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起被構(gòu)造并且布置成使得與針對(duì)缺乏一個(gè)或多個(gè)突起、在其它方面相同的裝置所觀察到的拉出力相比,所要求的拉出力增大。
75.在一種用于穿透襯底的裝置中,所述裝置包括用于起始穿透的一個(gè)或多個(gè)尖端,改進(jìn)之處包括: 在鄰近所述一個(gè)或多個(gè)尖端的區(qū)域中的一個(gè)或多個(gè)突起。
76.如權(quán)利要求75所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起被構(gòu)造并且布置成使得與針對(duì)缺乏所述一個(gè)或多個(gè)突起、在其它方面相同的裝置所觀察到的穿透力相比,所要求的穿透力減小。
77.如權(quán)利要求75或76所述的裝置,其中所述一個(gè)或多個(gè)突起被構(gòu)造并且布置成使得與針對(duì)缺乏所述一個(gè)或多個(gè)突起、在其它方面相同的裝置所觀察到的拉出力相比,所要求的拉出力增大。
【文檔編號(hào)】A61M5/32GK103619384SQ201280014115
【公開(kāi)日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2012年1月18日 優(yōu)先權(quán)日:2011年1月18日
【發(fā)明者】J.M.卡普, W.K.喬, B.勞利希特, J.A.安克倫, R.N.卡尼克, R.朗格 申請(qǐng)人:麻省理工學(xué)院, 布里格姆婦女醫(yī)院
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