IT201800005372A1

IT201800005372A1 - Dispositivo microfluidico erogatore di sostanze inalabili

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Publication number: IT201800005372A1
Application number: IT102018000005372A
Authority: IT
Priority date: 2018-05-15
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2019-11-15
Also published as: EP3569275B1; US12251508B2; EP3569275A1; US20190350260A1; US11484669B2; CN210960438U; CN110477452A; US20230024534A1; CN110477452B

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“DISPOSITIVO MICROFLUIDICO EROGATORE DI SOSTANZE INALABILI”

La presente invenzione è relativa a un dispositivo microfluidico erogatore di sostanze inalabili.

Come è noto, l’esigenza di controllare con precisione l’erogazione di sostanze inalabili, sia a fini terapeutici, sia per la realizzazione di dispositivi non medicali, come le cosiddette sigarette elettroniche, ha portato a sviluppare dispositivi erogatori miniaturizzati, facilmente utilizzabili.

Un dispositivo erogatore di sostanze inalabili di tipo noto comprende normalmente un serbatoio, che contiene un fluido con le sostanze da erogare in soluzione, e almeno una camera di erogazione, provvista di ugelli eiettori e alimentata dal serbatoio. Un attuatore alloggiato nella camera pilotato da un dispositivo di controllo causa l’espulsione di una quantità controllata di fluido.

Attualmente, in particolare nelle sigarette elettroniche, sono impiegati principalmente attuatori di tipo resistivo o di tipo induttivo.

Negli attuatori di tipo resistivo, un elettrodo resistivo è posto all’interno della camera ed è avvolto a contatto attorno a un corpo cilindrico spugnoso, detto anche stoppino, generalmente in fibra di vetro. L’elettrodo attraversato da corrente si riscalda e porta il fluido da erogare in ebollizione e la formazione di bolle causa l’espulsione di corrispondenti volumi di fluido da erogare. Il controllo dell’erogazione è generalmente basato su misuratori di flusso che rilevano la portata di fluido uscente dalla camera. Erogatori di questo tipo soffrono di alcune limitazioni. In primo luogo, l’elettrodo è direttamente in contatto con il fluido da erogare e questo può portare al rilascio di sostanze indesiderate e potenzialmente nocive. Inoltre, l’intero volume di fluido presente nella camera viene portato in ebollizione e quindi raggiunge temperature piuttosto elevate. Condizioni simili possono innescare reazioni nel fluido che alterano le sostanze da erogare. Se le sostanze da erogare sono farmaci, le reazioni possono rendere i principi attivi inefficaci. Se invece il dispositivo eroga surrogati del fumo, le caratteristiche organolettiche possono essere degradate. In scenari peggiori, le reazioni dovute all’elevata temperatura possono produrre sostanze nocive che vengono inalate a danno dell’utente. Un ulteriore limite dei dispositivi noti è la scarsa precisione del controllo delle dosi di sostanza inalabile erogate.

Negli attuatori di tipo induttivo, un avvolgimento è disposto attorno al corpo spugnoso, a distanza. L’avvolgimento percorso da corrente rimane relativamente freddo, ma genera un campo magnetico che riscalda il corpo spugnoso e il liquido fino a causare l’espulsione di quest’ultimo. Gli attuatori di questo tipo non presentano problemi legati al rilascio di sostanze dall’avvolgimento (che non è in contatto con il liquido) e all’eccessivo riscaldamento, ma sono costose e non si prestano a essere integrate in cartucce monouso, come sarebbe preferibile.

Scopo della presente invenzione è fornire un dispositivo microfluidico erogatore di sostanze inalabili che permetta di superare o almeno attenuare le limitazioni descritte.

Secondo la presente invenzione viene forniti un dispositivo microfluidico erogatore di sostanze inalabili come definito nella rivendicazione 1.

Per una migliore comprensione dell’invenzione, ne verranno ora descritte alcune forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 è una vista prospettica di un dispositivo microfluidico erogatore di sostanze inalabili in accordo a una forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 2 è una vista prospettica del dispositivo microfluidico erogatore di figura 1, sezionata lungo il piano II-II di figura 1;

- la figura 3 è una vista prospettica di una cartuccia microfluidica utilizzata nel dispositivo microfluidico erogatore di figura 1;

- la figura 4 è una vista laterale della cartuccia microfluidica di figura 3, sezionata lungo il piano IV-IV di figura 3;

- la figura 5 è una vista prospettica di un componente della cartuccia microfluidica di figura 3;

- la figura 6 è una vista prospettica esplosa del componente di figura 5;

- la figura 7 è una vista prospettica ingrandita di una porzione del componente di figura 5, con parti asportate per chiarezza;

- la figura 8 è una vista in pianta dall’alto di un particolare ingrandito del componente di figura 5;

- la figura 9 è una vista prospettica del particolare di figura 8, sezionata lungo il piano IX-IX di figura 8;

- la figura 10 è una vista prospettica di un particolare di un componente di una cartuccia microfluidica utilizzabile in un dispositivo microfluidico erogatore in accordo a una diversa forma di realizzazione dell’invenzione;

- la figura 11 è una vista prospettica di un particolare di un componente di una cartuccia microfluidica utilizzabile in un dispositivo microfluidico erogatore in accordo a un’ulteriore forma di realizzazione dell’invenzione;

- la figura 12 è una vista prospettica di un particolare di un componente di una cartuccia microfluidica utilizzabile in un dispositivo microfluidico erogatore in accordo a un’ulteriore forma di realizzazione dell’invenzione;

- le figure 13A-13E illustrano il funzionamento di componente di figura 5;

- la figura 14 è una vista prospettica in sezione di un componente di una cartuccia microfluidica utilizzabile in un dispositivo microfluidico erogatore in accordo a un’ulteriore forma di realizzazione dell’invenzione;

- la figura 15 è una vista in pianta dall’alto di un particolare ingrandito del componente di figura 14; e

- la figura 16 è una vista laterale schematica in sezione di un dispositivo microfluidico erogatore in accordo a un’ulteriore forma di realizzazione dell’invenzione.

Con riferimento alle figure 1 e 2, il numero 1 designa nel suo complesso un dispositivo microfluidico erogatore di sostanze inalabili, che nella forma di realizzazione illustrata è una sigaretta elettronica. Il dispositivo microfluidico erogatore 1 comprende un involucro (“casing”) 2 all’interno del quale sono alloggiati un dispositivo di pilotaggio 3, una batteria 4 e una cartuccia microfluidica 5 monouso.

Più in dettaglio, l’involucro 2 comprende un corpo tubolare 6 allungato in materiale polimerico e/o metallico, all’interno del quale sono ricavati un alloggiamento comandi 7 e un alloggiamento cartucce 8. In una forma di realizzazione, l’alloggiamento comandi 7 è una cavità sostanzialmente assiale cieca, aperta a una prima estremità 2a dell’involucro 2 e chiudibile per esempio con un coperchio estetico non mostrato. Il dispositivo di pilotaggio 3 può essere saldato su un substrato 10, per esempio una PCB (Printed Circuit Board) inseribile nell’alloggiamento comandi 7 insieme alla batteria 4.

L’alloggiamento cartucce 8 è definito da una camera posta fra l’alloggiamento comandi 7 e una seconda estremità 2b dell’involucro 2 ed è accessibile attraverso uno sportello 11 per l’inserimento e la rimozione delle cartucce 5. L’alloggiamento cartucce 8 comunica con l’esterno attraverso fori di ingresso 13 e un cannello 14 di rilascio. Più precisamente, i fori di ingresso 13 e il cannello 14 sono disposti in modo che l’aspirazione attraverso il cannello 14 causi il richiamo di aria nell’alloggiamento cartucce 8 attraverso i fori di ingresso 13, il passaggio dell’aria aspirata attraverso l’alloggiamento cartucce 8 e il successivo rilascio attraverso il cannello 14.

Linee di connessione elettrica 15 sono annegate nell’involucro 2 e si estendono fra l’alloggiamento comandi 7 e l’alloggiamento cartucce 8 per accoppiare elettricamente il dispositivo di pilotaggio 3 e la cartuccia microfluidica 5 che si trova nell’alloggiamento cartucce 8.

Le figure 3 e 4 illustrano un esempio di cartuccia microfluidica 5, che comprende un serbatoio 17, contenente un liquido L da erogare, e una pluralità di nebulizzatori 18 controllati dal dispositivo di pilotaggio 3. I nebulizzatori 18 sono uniti a una faccia esterna di un coperchio 5a della cartuccia microfluidica 5, definito per esempio da una PCB e provvisto di canali passanti 5b per accoppiare fluidicamente i nebulizzatori 18 al serbatoio 17. Nell’esempio delle figure 3 e 4, in particolare, la cartuccia microfluidica 5 comprende cinque nebulizzatori 18 disposti a croce. Il numero e la disposizione dei nebulizzatori 18 possono tuttavia variare secondo preferenze di progetto. In una forma di realizzazione, può essere presente anche un solo nebulizzatore 18.

Le figure 5 e 6 mostrano più in dettaglio uno dei nebulizzatori 18. Si intende che gli altri nebulizzatori 18 hanno la stessa struttura di quello illustrato. In altre forme di realizzazione, tuttavia, i nebulizzatori potrebbero differire per alcuni particolari, come il numero e la distribuzione degli ugelli di espulsione (descritto approfonditamente più avanti).

Come può essere meglio apprezzato dalla vista esplosa di figura 6, il nebulizzatore 18 comprende un substrato 20, coperto da uno strato isolante 21, uno strato camere 23, che si estende al di sopra dello strato isolante 21, e una piastra ugelli 25 incollata (“bonded”) allo strato camere 23. Il substrato 20, lo strato isolante 21 e lo strato camere 23 possono essere per esempio rispettivamente di materiale semiconduttore, di ossido di silicio o nitruro di silicio e di un materiale polimerico come dry film. La piastra ugelli 25 può essere dello stesso materiale formante lo strato camere 23 o in materiale semiconduttore.

Passaggi di alimentazione 26 fluidicamente accoppiati al serbatoio 17 sono realizzati attraverso il substrato 20, lo strato isolante 21 e lo strato camere 23. In una forma di realizzazione, i passaggi di alimentazione 26 sono circolari e concentrici e definiscono regioni a cornice 27 anulari comprendenti rispettive porzioni del substrato 20, dello strato isolante 21 e dello strato camere 23, ugualmente concentriche. Nella forma di realizzazione illustrata nelle figure 5 e 6, in particolare, due passaggi di alimentazione 26 più esterni definiscono e separano dal resto del substrato 20 due regioni a cornice 27. Il passaggio di alimentazione 26 più interno è disposto centralmente. Ponti 28 collegano le regioni a cornice 27 fra loro e la regione a cornice 27 più esterna al substrato 20.

Si intende tuttavia che la forma e il numero dei passaggi di alimentazione (e di conseguenza delle porzioni di substrato adiacenti le aperture) possono essere liberamente definiti in accordo alle preferenze di progetto. A titolo di esempio non limitativo, i passaggi di alimentazione potrebbero essere di forma generalmente poligonale oppure rettilinei e fra loro paralleli.

Camere 30 sono formate nello strato camere 23 lungo i passaggi di alimentazione 26, come mostrato anche in figura 7. Nella forma di realizzazione illustrata, le camere 30 sono allineate lungo i bordi interni ed esterni dei passaggi di alimentazione 26 e sono distribuite in modo uniforme. Inoltre, le camere 30 sono fluidicamente accoppiate ai passaggi di alimentazione 26 attraverso rispettivi canali microfluidici 31 e sono delimitate dallo strato isolante 21 e, sul lato opposto al substrato 20, dalla piastra ugelli 25.

Le figure 8 e 9 illustrano in maggior dettaglio una delle camere 30. Nell’esempio non limitativo illustrato, tutte le camere 30 hanno le medesime forma, struttura e dimensioni.

La camera 30 ha forma parallelepipeda a base approssimativamente rettangolare ed è delimitata lateralmente da pareti 30a definenti una superficie laterale della camera 30 stessa.

La camera 30 è provvista di ugelli 32 formati nella piastra ugelli 25 in posizioni corrispondenti a rispettivi spigoli della camera 30, in modo che porzioni delle superfici delle pareti 30a si estendano attraverso l’area di base degli ugelli 32. L’accesso agli ugelli 32 dalla camera 30 è quindi parzialmente ostruito e la sezione di passaggio è una frazione dell’area di base degli ugelli 32. Nell’esempio illustrato, in particolare, l’area della sezione di passaggio è pari a circa un quarto dell’area di base degli ugelli 32. In una forma di realizzazione alternativa non illustrata, sia le camere, sia gli ugelli sono realizzati nello strato camere. Più precisamente, le camere sono formate su una prima faccia dello strato camere rivolta verso il substrato e occupano una porzione dello spessore dello strato camere stesso. Gli ugelli si estendono per la rimanente porzione dello spessore dello strato camere, fra le rispettive camere e una seconda faccia dello strato camere opposta alla prima faccia.

La forma della camera 30 e la disposizione degli ugelli 32 non sono da considerare vincolanti, ma possono essere realizzate secondo preferenze di progetto. Esempi alternativi, comunque non limitativi, della camera 30 e degli ugelli 32 sono illustrati nelle figure 10-12 (camera 30 rettangolare con nicchie 30b ai vertici e ugelli 32 parzialmente sovrapposti alle nicchie 30b, figura 10; camera 30 a forma di stella con ugelli 32 in posizioni corrispondenti alle punte della stella, figura 11; camera 30 triangolare con ugelli 32 ai vertici, figura 12).

Un riscaldatore 33 (figura 8) è realizzato all'interno dello strato isolante 21 in posizione corrispondente alla camera 30 e forma un attuatore. Il riscaldatore 33 può essere realizzato, non limitativamente, in silicio policristallino, Al, Pt, TiN, TiAlN, TaSiN, TiW. Un porzione dello strato isolante 21, di spessore tale da consentire l’accoppiamento termico con la camera 30, ricopre una faccia del riscaldatore 33 rivolta verso la camera 30. Pertanto, il riscaldatore 33 è separato dalla camera 30 e non c’è contatto diretto fra il riscaldatore 33 e il liquido presente nella camera 30. In una forma di realizzazione non mostrata, il riscaldatore può essere ricoperto da uno strato sottile di un materiale isolante e chimicamente inerte diverso dal materiale che forma lo strato isolante 21, in modo da comunque ottenere l’accoppiamento termico con la camera 30 e la separazione dal liquido L contenuto nella camera 30. Il riscaldatore 33 è controllato dal dispositivo di pilotaggio 3, al quale il riscaldatore 33 attraverso le linee di connessione elettrica 15 (figure 1 e 2), mostrate solo schematicamente in figura 8. Il riscaldatore 33 può avere un'area di approssimativamente 40×40 µm<2 >e generare ad esempio 3,5 µJ di energia, ed è in grado di raggiungere una temperatura massima di 450°C in 2 µs.

Nelle figure 13A-13E è illustrato schematicamente il funzionamento del nebulizzatore 18. Il liquido L giunge nella camera 30 dal serbatoio 17 passando attraverso i passaggi di alimentazione 26 e i canali microfluidici 31. Il riscaldatore 33 viene attivato dal dispositivo di pilotaggio 3 per alcuni microsecondi fino a raggiungere una temperatura programmata, per esempio 450°C. In questo modo, uno strato del liquido L dello spessore di alcuni micron viene rapidamente riscaldato, mentre la temperatura del resto del liquido L presente nella camera 30 non varia in modo apprezzabile, per il ritardo nella conduzione del calore. La pressione nello strato di liquido L adiacente al riscaldatore 33 cresce canali microfluidici 31 ad un livello elevato, ad esempio circa 5 atmosfere, formando una bolla di vapore 35 (figura 13B), che scompare dopo alcuni microsecondi, ad esempio 10-15 µs. La pressione così generata spinge una goccia D di liquido 18 attraverso gli ugelli 32, come mostrato nelle figure 13C-13D, quindi il liquido L presente nella camera 30torna nella condizione iniziale, figura 13E.

La forma degli ugelli 32 e l’area della sezione di passaggio (che è determinata dalla parziale sovrapposizione degli ugelli 32 e delle pareti 30a della camera 30) sono selezionati in modo che le gocce rilasciate abbiano un diametro desiderato. Vantaggiosamente, l’impiego di ugelli sfalsati rispetto alle pareti delle camere permette di ridurre l’area delle sezioni di passaggio fra le camere e gli ugelli e di ottenere gocce di diametro molto piccolo, fino a 1 µm, corrispondenti ad un volume di circa 0,0045 picolitri, senza dover fare ricorso a tecniche di lavorazione sublitografiche.

La struttura dei nebulizzatori 18, che può trarre vantaggio dalla precisone delle tecniche di fabbricazione dei semiconduttori, consente un controllo estremamente accurato della quantità di liquido nebulizzato e, in altre parole, del dosaggio rilasciato della sostanza da inalare. Inoltre, il rilascio avviene senza riscaldare in modo significativo l’intero volume di liquido L presente in una camera 30. Come discusso, infatti, è sufficiente portare a elevata temperatura uno strato di liquido L piuttosto sottile per creare una bolla e, di conseguenza, il rilascio di una goccia. Oltre a impedire la contaminazione del liquido per contatto diretto con il riscaldatore 33, i nebulizzatori 18 evitano che l’eccessivo riscaldamento provochi reazioni capaci di alterare le sostanze presenti nel liquido L.

Il numero e la disposizione delle camere 30 e il numero e la disposizione degli ugelli 32 di ciascuna camera 30 possono essere selezionati in modo da creare una nuvola uniforme di gocce, cosa auspicabile per favorire l’inalazione delle sostanze presenti nel liquido L. Questo è permesso dalla libertà di progetto offerta dalle tecniche di fabbricazione dei semiconduttori.

In particolare, nel dispositivo microfluidico erogatore 1 l’omogeneità della nuvola di gocce favorisce il mescolamento con l’aria che viene aspirata attraverso i fori di ingresso 13 e rilasciata attraverso il cannello 14.

Nelle figure 14 e 15 è mostrato un esempio alternativo di disposizione degli ugelli 32. In questo caso, ogni camera 30 è provvista di cinque ugelli 32, uno dei quali è allineato al centro del riscaldatore 33.

Secondo un’ulteriore forma di realizzazione, illustrata in figura 16, un dispositivo microfluidico erogatore 100, in particolare un inalatore per sostanze medicinali, comprende un involucro 102 all’interno del quale sono alloggiati un dispositivo di pilotaggio 103, una batteria 104 e una cartuccia microfluidica 105 monouso. Il dispositivo di pilotaggio 103 e la batteria 104 sono collocati in un alloggiamento comandi 107, mentre la cartuccia microfluidica 105 si trova in un alloggiamento cartucce 108. La cartuccia microfluidica 105 può essere realizzata in accordo a uno degli esempi già descritti in precedenza e contiene un liquido L’ in cui è disciolto almeno un principio attivo in concentrazione controllata.

Un pulsante di comando 109 permette di attivare il dispositivo di pilotaggio 103 e causare il rilascio di una quantità controllata di liquido L’ e, di conseguenza, un dosaggio ugualmente controllato di principio attivo. Il rilascio avviene attraverso un cannello 114 integrato nell’involucro 102. Nell’esempio illustrato, non sono previsti fori di ingresso per aria e il rilascio della quantità di liquido L’ avviene senza premiscelazione con un flusso d’aria.

Risulta infine evidente che al dispositivo microfluidico erogatore descritto possono essere apportate modifiche e varianti, senza uscire dall’ambito della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo microfluidico erogatore di sostanze inalabili comprendente: un involucro (2; 102); un circuito di pilotaggio (3; 103), alloggiato nell’involucro (2; 102); una cartuccia microfluidica (5; 105), alloggiata nell’involucro (2; 102) e avente un serbatoio (17) contenente un liquido (L; L’) da erogare; in cui la cartuccia microfluidica (5; 105) è provvista di almeno un nebulizzatore (18) controllato dal dispositivo di pilotaggio (3; 103) e comprendente: un substrato (20); una pluralità di camere (30) formate sul substrato (20) e fluidicamente accoppiate al serbatoio (17) per ricevere il liquido (L; L’) da erogare; una pluralità di riscaldatori (33), formati sul substrato (20) in posizioni corrispondenti a rispettive camere (30), termicamente accoppiati alle rispettive camere (30) e separati dalle rispettive camere (30) da uno strato isolante (21), i riscaldatori (33) essendo controllati dal dispositivo di pilotaggio (3); almeno un ugello (32) per ciascuna camera (30), l’ugello (32) collegando fluidicamente la rispettiva camera (30) all’esterno del nebulizzatore (18).
2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, comprendente uno strato camere (23) sul substrato (20), le camere (30) essendo realizzate nello strato camere (23).
3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, comprendente una piastra ugelli (25) sullo strato camere (23), gli ugelli (32) essendo realizzati attraverso la piastra ugelli (25).
4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui le camere (30) sono delimitate dallo strato isolante (21) e, sul lato opposto al substrato (20), dalla piastra ugelli (25).
5. Dispositivo secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui il substrato (20) è di materiale semiconduttore e lo strato camere (23) è di un materiale polimerico.
6. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la camere (30) sono delimitate lateralmente da pareti (30a) e gli ugelli (32) sono realizzati in posizioni tali che porzioni delle superfici delle pareti (30a) si estendano attraverso aree di base di almeno alcuni degli ugelli (32).
7. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il nebulizzatore (18) comprende passaggi di alimentazione (26) accoppiati fluidicamente al serbatoio (17) e in cui le camere (30) sono fluidicamente accoppiate a rispettivi passaggi di alimentazione (26) mediante rispettivi canali microfluidici (31).
8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, in cui le camere (30) sono allineate lungo bordi dei passaggi di alimentazione (26) e sono distribuite in modo uniforme.
9. Dispositivo secondo la rivendicazione 7 o 8 dipendente dalla rivendicazione 2, in cui i passaggi di alimentazione (26) sono circolari e concentrici e definiscono regioni a cornice (27) anulari comprendenti rispettive porzioni del substrato (20), dello strato isolante (21) e dello strato camere (23) e anch’esse concentriche.
10. Dispositivo secondo la rivendicazione 9, in cui due aperture di alimentazione (26) più esterne definiscono e separano dal resto del substrato (20) due regioni a cornice (27) e un passaggio di alimentazione (26) più interno è disposto centralmente e in cui ponti (28) collegano le regioni a cornice (27) fra loro e la regione a cornice (27) più esterna al substrato (20).
11. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui gli ugelli (32) sono configurati per rilasciare gocce di liquido di diametro inferiore a 5 µm, in particolare 1 µm, in risposta all’attivazione dei riscaldatori (33) da parte del circuito di pilotaggio (3).
12. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i riscaldatori (33) sono di un materiale selezionato dal gruppo composto da: silicio policristallino, Al, Pt, TiN, TiAlN, TaSiN, TiW.
13. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la cartuccia microfluidica (5) ha un coperchio (5a) che chiude il serbatoio (17) e in cui il nebulizzatore (18) è unito a una faccia esterna del coperchio (5a) ed è fluidicamente accoppiato al serbatoio (17) attraverso canali passanti (5b) nel coperchio (5a).
14. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’involucro (2; 102) comprende un alloggiamento (8; 108) ricevente la cartuccia microfluidica (5; 105) in modo rimovibile e comunicante con l’esterno attraverso un cannello (14; 114) di rilascio.
15. Dispositivo secondo la rivendicazione 14, in cui l’alloggiamento (8) comunica con l’esterno anche attraverso fori di ingresso (13) e in cui i fori di ingresso (13) e il cannello (14) sono disposti in modo che l’aspirazione attraverso il cannello (14) causi il richiamo di aria nell’alloggiamento (8) attraverso i fori di ingresso (13), il passaggio dell’aria aspirata attraverso l’alloggiamento (8) e il successivo rilascio attraverso il cannello (14).