Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02324045 2000-10-20
1
TITRE DE L'INVENTION
SERINGUE SANS AIGUILLE POUR L'INJECTION SOUS-CUTANÉE
DE POUDRES MÉDICAMENTEUSES
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention a trait aux seringues. Plus spécifiquement,
la présente invention a trait aux seringues sans aiguille.
DESCRIPTION DE L'ART ANTÉRIEUR
Les seringues sans aiguille sont connues dans l'art antérieur. Par
exemple, le brevet américain portant le numéro 5,899,880 émis le 4 mai
1999 et nommant Bellhouse et al. en tant qu'inventeurs décrit une telle
seringue sans aiguille. Bellhouse et al. proposent l'utilisation d'une
expansion quasi-stationnaire qui nécessite un divergent pour accélérer
l'écoulement. Le problème de cette approche est double, car pour le la
seringue de Bellhouse et al. : (i) l'écoulement qui entraîne la poudre n'est
pas, en réalité, stationnaire (i.e., en régime permanent) et (ü) l'écoulement
se sépare des parois du divergent ce qui réduit l'expansion, et donc
l'accélération produite.
De plus, dans toutes les configurations de la seringue de
Bellhouse, la membrane se rompt d'elle-même lors de l'augmentation de
la pression. Aucun mécanisme de rupture directe de la membrane n'est
exploité, et aucune approche sans membrane n'est proposée.
CA 02324045 2000-10-20
2
Finalement, on ne présente pas de concepts qui combinent la dose de
particule avec la réserve de gaz, autre que par l'utilisation d'un piston à
compression quasi-statique.
McCabe, dans son brevet américain portant le numéro 5,865,796
émis le 2 février 1999, décrit un appareil essentiellement similaire,
principalement destiné à l'usage en laboratoire, pour l'injection de
matériel génétique.
Ces deux appareils produisent l'accélération du gaz, et donc de la
poudre, par l'expansion d'un gaz inerte à haute pression dans un tuyau
qui converge puis diverge (communément appelé convergent-divergent).
Or il faut savoir que ce processus d'accélération fonctionne en régime
permanent ou quasi-permanent, c'est-à-dire lorsque les ondes produites
par la rupture de la membrane ne sont plus importantes. Or il est évident
que, dans le système de Bellhouse, la poudre a déjà quitté l'appareil
avant qu'on puisse établir ledit régime quasi-permanent. Les
conséquences de ce fait sont importantes, puisque les chercheurs qui
travaillent sur le système de Bellhouse font leurs calculs d'optimisation en
se basant sur l'hypothèse du régime quasi-permanent. Une publication
récente de ce groupe [1] montre, qu'à cause de leur mauvaise
compréhension du phénomène, il y a un écart important entre ce que
prédit leur modèle et les mesures expérimentales, tel que montré à la
Figure 8.
En effet, ce graphique montre une comparaison entre les profils de
vitesse calculés et mesurés par Kendall et al.. On remarque que le
modèle théorique de Kendall et al. prédit une vitesse de près de Mach 6
CA 02324045 2000-10-20
3
à la sortie, alors que les mesures expérimentales montrent une vitesse
bien inférieure.
OBJETS DE L'INVENTION
Un objet de la présente invention est donc de présenter une
nouvelle seringue sans aiguille.
D'autres objets et caractéristiques de la présente invention
apparaîtront dans la description qui suit, relative à un mode de réalisation
préférentiel, non limitatif et illustré par les figures annexées qui
représentent schématiquement:
BR~VE DESCRIPTION DES FIGURES
La Figure 1 représente schématiquement le concept de la
présente invention;
La Figure 2 représente schématiquement le montage expérimental
selon un aspect de la présente invention;
La Figure 3 représente la pression mesurée en fonction de la
pression corrigée;
La Figure 4 représente schématiquement une seringue sans
aiguille selon une incorporation de la présente invention;
CA 02324045 2000-10-20
4
La Figure 5 représente schématiquement une seringue sans
aiguille jetable selon une seconde incorporation de la présente invention;
La Figure 6 représente schématiquement une seringue sans
aiguille selon une troisième incorporation de la présente invention
comportant un piston libre;
La Figure 7 représente schématiquement une seringue sans
aiguille selon une troisième incorporation de la présente invention où un
ressort comprime un pistonde façon instationnaire; et
La Figure 8 représente schématiquement les profils de vitesse
calculés de l'art antérieur.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
Un mode préféré de réalisation de la présente invention sera
maintenant décrit à titre purement indicatif.
Généralement, la présente invention sert à injecter des
substances, sous forme de poudre ou de gouttelettes, sous l'épiderme du
patient sans perforer la peau comme c'est le cas avec une aiguille. Les
substances visées comprennent, entre autres : des vaccins, des
anesthésiques, des médicaments, des hormones et des composés
génétiques. Ces substances, sous forme de particules dont la taille est
de l'ordre de quelques microns, parviennent à pénétrer la peau du patient
CA 02324045 2000-10-20
grâce à la vitesse élevée que produit le dispositif de la présente invention.
En somme, l'appareil sert à accélérer des particules de médicament à
des vitesses suffisamment grandes pour que celles-ci puissent pénétrer
dans la peau du patient et ainsi produire l'effet médical recherché. Les
5 avantages d'une telle approche sur les aiguilles sont assez évident, les
deux principaux étant : la réduction du risque d'infection et aussi la quasi-
élimination de la douleur et de la peur.
La présente invention vise l'accélération de particules (ou
gouttelettes) de taille micrométrique par le biais de l'expansion
instationnaire d'un gaz inerte à pression élevée.
La Figure 1 illustre de façon schématisée le fonctionnement du
concept. II s'agit d'un tube (1 ) de section constante, rempli d'un gaz inerte
ou d'air aux conditions atmosphériques (8), en contact avec la peau du
patient (2). A l'extrémité amont de ce tube se trouvent les particules de
substance médicinale (3). En amont dudit tube se trouve un réservoir (6)
de gaz inerte à haute pression (7), de diamètre égal ou supérieur au
premier tube, les deux étant reliés, lorsqu'applicable, par une contraction
(5) soit graduelle ou soudaine. Le réservoir est séparé du tube par une
paroi (4) suffisamment résistante pour supporter la différence de pression
entre le gaz inerte et la substance médicinale, cette dernière se trouvant
essentiellement à des conditions atmosphériques.
Pour déclencher l'appareil, on brise ou on retire soudainement la
paroi (4), ce qui met en contact direct le gaz du réservoir avec celui du
tube. Ceci a pour effet immédiat (Figure 1b) de produire : une onde de
choc (9) dans le tube, des ondes d'expansion instationnaires (10) dans
CA 02324045 2000-10-20
6
le réservoir, une expansion stationnaire (11) dans la contraction et des
ondes d'expansion instationnaires (12) dans le tube. Ces ondes
produisent une accélération soudaine du gaz dans le tube et le réservoir,
et ce gaz à haute vitesse entraîne ainsi la substance médicinale (3) à la
sortie du tube, vers la peau du patient. II est important de noter que ce
principe de fonctionnement est applicable même lorsque le réservoir
possède le même diamètre interne que le tube : ce sont principalement
les ondes de pression générées par la rupture de la membrane qui
accélèrent le gaz dans notre concept. On obtient par contre un gain de
performance intéressant lorsque le diamètre interne du réservoir est
supérieur à celui du tube.
Si la vitesse du gaz, et donc des particules, est suffisamment
élevée, de l'ordre de 100-2000 m/s, le médicament parviendra à pénétrer
la peau assez profondément pour que celui-ci soit ingéré par le patient et
ainsi produire l'effet médicinal désiré dans le système visé.
La Figure 1c montre un diagramme des trajectoires pour
l'écoulement dans le tube et le réservoir, en utilisant la même notation
pour les ondes qu'à la Figure 1 b. On remarque que la substance
médicinale arrive à la sortie du tube, en contact avec la peau, bien avant
que puisse s'établir un régime permanent ou quasi-permanent dans
l'appareil. De plus, on remarque aussi que la quantité de gaz inerte
nécessaire est déterminée par la longueur du réservoir, elle-même établie
de façon à éviter le retour des ondes de réflexion (13) avant que la
substance ne soit sortie du tube.
La dynamique des gaz se produisant dans le concept de base a
été validée de façon théorique et expérimentale.
CA 02324045 2000-10-20
7
Dans un premier temps, la théorie servant à calculer l'écoulement
de gaz dans le dispositif et ainsi optimiser les paramètres de son
fonctionnement a été établie. En particulier, le modèle montre que la
vitesse produite dans le tube, et donc des particules à la sortie, est
essentiellement fonction
~ du rapport de pression entre le gaz du réservoir (7) et celui du tube
(8);
~ des propriétés thermodynamiques des gaz du réservoir (7) et du tube
(8), notamment la vitesse du son (qui dépend de la température) et le
rapport de chaleurs spécifiques de ces deux gaz;
~ jusqu'à un certain point, du rapport de longueur entre le réservoir (7)
et le tube (8); et
~ du rapport de section entre le réservoir (7) et le tube (8);
Cette théorie fut validée par des essais expérimentaux sur le
concept de base. Le montage expérimental, schématisé à la Figure 2,
reprend essentiellement la géométrie montrée à la Figure 1, qui est celle
utilisée pour les calculs théoriques. Pour le montage, la paroi (4) qui
sépare le réservoir du tube était constituée d'une membrane de Mylar qui
se perforait lorsqu'on augmentait suffisamment la pression dans le
réservoir. Le réservoir possédait un diamètre interne de 15.7 mm et le
tube, 4.9 mm. Le tube était ouvert à l'air atmosphérique de la pièce et 2
à 3 g de poudre d'oxide d'yttrium d'une taille nominale de particule
CA 02324045 2000-10-20
ô
inférieure à 10 microns a été utilisée; la poudre était positionnée dans le
tube, directement en aval de la membrane et en contact avec celle-ci. La
trajectoire des différentes ondes dans le tube fut mesurée à l'aide de
deux capteurs de pression piézo-électriques, et la vitesse de la poudre
à la sortie fut déterminée à l'aide d'un système de diodes laser et de
photodétecteurs.
La Figure 3 montre une comparaison entre le modèle et les
valeurs mesurées avec le montage. Cette comparaison est exprimée en
termes de la pression mesurée dans le réservoir haute-pression à la
rupture de la membrane (Pobs) et de la pression dite corrigée (Pcorr), soit
la valeur de la pression qu'on doit utiliser dans le modèle pour retrouver
la vitesse de sortie mesurée. On remarque de ce graphique que, puisque
Pobs < Pcorr, la vitesse à la sortie est donc toujours plus faible que ce
que prédit le modèle avec Pobs, mais que cet écart est minime et à peu
près constant sur toute la plage de vitesse. Ceci prouve qu'il est possible
de calculer avec un bon niveau de fidélité la vitesse des particules à la
sortie en fonction des paramètres géométriques et dynamiques de
l'appareil.
Cette partie de l'étude prouve donc qu'un concept viable a été
développé pour l'injection de poudres médicamenteuses et que, de plus,
une théorie capable de prédire, et donc d'optimiser, la performance du
concept a été développée.
L'idée de projeter des poudres à haute vitesse au travers de la
peau n'est pas nouvelle et l'efficacité de ce principe fut clairement
démontrée dans le passé pour l'insuline et les anesthésiques locaux [voir
CA 02324045 2000-10-20
9
le brevet accordé à Bellhouse et al.] ainsi que les thérapies génétiques
[voir le brevet acordé à McCabej. Le potentiel médical du concept est
donc déjà assuré par ces résultats; l'approche de la présente invention
se distingue essentiellement du point de vue de la méthode et du
dispositif utilisé pour projeter la poudre sur le patient.
Plusieurs appareils sont envisageables pour exploiter le concept
de base d'injection de particules. En général, on peut dire qu'une
seringue générique basée sur les principes de la présente invention
comporte cinq (5) composantes principales
1. un réservoir de gaz inerte à haute pression, de diamètre
interne égal ou supérieur au tube de sortie;
2. un tube à section constante pour diriger l'écoulement des
particules;
3. une dose de particules;
4. un silencieux pour atténuer l'onde de choc à la sortie du tube;
et
5. un mécanisme pour déclencher l'appareil.
Plusieurs concepts innovateurs basés sur le principe
d'accélération des particules présenté ici et qui offrent des avantages
marqués sur les appareils existants seront maintenant proposés.
CA 02324045 2000-10-20
Configuration de base
Dans la configuration de base, dont les dimensions approximatives
sont indiquées sur la Figure 4, le réservoir est initialement à pression
5 atmosphérique et la dose de particules possède une membrane amont
qui peut supporter la différence de pression désirée. La membrane
principale fait partie de la dose de particules. Pour la première dose
(Figure 4a), les particules sont emprisonnées dans une enveloppe
cylindrique fermée aux deux extrémités par des membranes. Pour la
10 deuxième dose (Figure 4b), les particules sont emprisonnées entre deux
membranes hémisphériques.
L'appareil est déclenché en actionnant le poussoir de vanne, ce
qui permet au gaz inerte à haute pression se trouvant au préalable dans
la réserve d'emplir le réservoir jusqu'à ce que la pression soit suffisante
pour causer la rupture des deux membranes et l'accélération des
particules. Un mécanisme de retour (non montré) ferme la vanne afin
d'éviter l'échappement et le gaspillage du gaz de la réserve. Le volume
et la pression élevée de gaz dans la réserve permettraient plusieurs
injection consécutives. La réserve aurait préalablement été alimentée par
une bonbonne de gaz ou bien par une ampoule de gaz jetable (non
montrés).
Améliorations de la configuration de base
La configuration de base peut être modifiée afin d'en faciliter
l'utilisation et en augmenter la fonctionnalité. Particulièrement, les aspects
qui méritent une attention particulière sont:
CA 02324045 2000-10-20
11
~ La membrane. C'est entre autres le rapport de pression entre le
réservoir et le tube qui détermine la vitesse des particules, et pour une
membrane donnée ce rapport est donc fixe. L'avantage d'introduire
directement du gaz comprimé dans le réservoir jusqu'à la rupture de la
membrane à une pression donnée est principalement la simplicité de
l'opération. Par contre, pour une charge de particules donnée, on perd le
contrôle sur la vitesse des particules; or, la profondeur de pénétration de
celles-ci est directement fonction de leur vitesse. II pourrait être opportun
de mieux contrôler la pression de rupture, et ceci est possible soit en
remplaçant la membrane par une vanne à ouverture rapide ou bien en
perforant directement la membrane. Avec ces deux méthodes, le
déclenchement de l'appareil s'effectue pour une pression préalablement
ajustée dans le réservoir. Un tel dispositif permet ainsi de contrôler le
dosage et/ou l'efficacité du médicament par le biais de la pression, pour
une même dose de particules. Un concept de rupture directe de la
membrane a été mis au point en utilisant un couteau de forme circulaire
en aval de celle-ci et de même diamètre que le tube de sortie. Deux
concepts de vannes rapides, une avec une guillotine à mouvement radial
et l'autre avec une porte à mouvement axial ont également été mis au
point. Pour tous ces cas, le réservoir est avantageusement muni d'un
indicateur, quantitatif ou qualitatif, du niveau de pression.
~ La dose de particules. Le concept de base comporte une seule
dose de particules, celle-ci comprenant une membrane amont haute-
pression. Tel que discuté plus haut, une plus grande flexibilité d'utilisation
est possible en s'affranchissant des limites imposées par une membrane
qui rompt à une pression fixe. Entre autres, dans nos concepts de vannes
CA 02324045 2000-10-20
12
rapides ne nécessitant pas de membrane, la dose de particules ne
requiert donc pas de membrane d'une résistance prédéterminée. Quant
au désavantage de la dose unique, plusieurs concepts multi-doses sont
possibles en faisant appel à des chargeurs de géométrie linéaire (comme
pour un pistolet semi-automatique) ou bien circulaire (comme pour un
revolver). Avec ces concepts, on éviterait les pertes de temps associées
au chargement, et cet avantage pourrait s'avérer utile dans une
campagne de vaccination massive, par exemple.
~ La source de gaz comprimé. L'utilisation de la seringue requiert
une source de gaz inerte, préférablement de l'hélium, à des pressions
pouvant s'élever jusqu'à 100 atmosphères. Cette source de gaz peut être
une bonbonne de gaz commercial, équipée d'un manodétendeur
approprié. Une autre source peut être une ampoule jetable de gaz inerte
pressurisé qu'on utilise de la même façon que le gaz carbonique dans les
bouteilles de seltzer, par exemple.
On peut aussi éliminer le besoin de cette source de gaz en
incorporant le réservoir de gaz déjà comprimé, à la pression voulue, à la
dose de particules; un tel concept pourrait aussi inclure le tube de sortie
ce qui rendrait jetable l'appareil tout entier, hormis le silencieux qui
pourrait être stérilisé et réutilisé. La figure 5 illustre schématiquement une
version de ce concept. Dans ce cas, la dose comprend trois (3)
membranes et deux (2) volumes de gaz comprimé, incluant le réservoir,
l'autre volume étant à une pression intermédiaire entre celle du réservoir
et la pression atmosphérique. La première membrane en amont ne
supporte que la différence de pression entre le réservoir et le volume
intermédiaire, tandis que la membrane du milieu supporte la différence
CA 02324045 2000-10-20
13
de pression entre le volume intermédiaire et la pression atmosphérique
de la dose de particule; la troisième membrane (en aval) ne sert qu'à
isoler la dose et ne supporte aucune différence de pression. La seringue
est déclenchée en ouvrant l'orifice (en perforant une autre membrane, par
exemple), ce qui réduit la pression dans le volume intermédiaire et par le
fait même augmente la différence de pression sur la membrane amont,
qui se rompt; le pression élevée qui en résulte cause ensuite la rupture
des deux autres membranes et l'accélération des particules vers la peau
du patient.
Une autre méthode d'éviter la source de gaz inerte à haute
pression est d'incorporer à la seringue un mécanisme de compression du
gaz. Ainsi, on pourrait adjoindre à la dose de particules le réservoir de
gaz inerte mais cette fois-ci à basse pression. II resterait ensuite à
comprimer ce gaz à l'intérieur de la seringue. Deux concepts se basant
sur l'accélération d'un piston dit libre, dont l'inertie sert à comprimer le
gaz
jusqu'à la rupture de la membrane sont proposés.
On peut accélérer le piston à l'aide d'air (ou autre gaz)
comprimé, tel qu'illustré à la Figure 6. L'avantage de cette approche est
qu'il est possible, à l'aide de l'inertie du piston en mouvement, de
comprimer le gaz inerte du réservoir à une pression plus élevée que celle
de la source d'air comprimé. Par exemple, une pression d'air comprimé
à 5 atmosphères arrive à produire une pression de 21 atmosphères dans
le réservoir, accompagné d'une augmentation bénéfique de la
température (et ainsi de la vitesse du son) d'un facteur de trois (3).
CA 02324045 2000-10-20
14
Ainsi, dans le concept de la Figure 6, le tube de sortie et le
réservoir sont initialement à pression atmosphérique; la dose de
particules pourrait aussi inclure la membrane principale, le gaz inerte
atmosphérique ainsi que le tube de sortie. La réserve contient de l'air
comprimé à une pression moyenne (de l'ordre de quelques
atmosphères), provenant d'une bonbonne ou bien d'une ampoule (non
montrées). Pour actionner la seringue, on retire le poussoir de vanne, ce
qui permet à l'air contenu dans la réserve de propulser le piston vers le
gaz inerte; la membrane rompt lorsque la pression est suffisamment
élevée. L'inertie du piston en mouvement arrive à comprimer le gaz inerte
à plusieurs fois la pression initiale d'air comprimé. On peut réutiliser le
silencieux après stérilisation.
Un second concept de compression par piston libre utilise un
ressort initialement comprimé, tel qu'illustré à la Figure 7. Cette approche
est particulièrement intéressante par son élimination de toute source de
gaz comprimé pour faire fonctionner l'appareil.
Pour ce concept, le tube de sortie et le réservoir sont
initialement à pression atmosphérique; la dose de particules pourrait
aussi inclure la membrane principale, le gaz inerte à pression
atmosphérique ou au-dessus ainsi que le tube de sortie. Un ressort en
compression se trouve derrière le piston. Pour actionner la seringue, on
libère le piston, ce qui permet au ressort de propulser le piston vers le
gaz inerte; la membrane se rompt lorsque la pression est suffisamment
élevée. L'inertie du piston en mouvement arrive à comprimer le gaz inerte
à plusieurs fois la pression obtenue par la détente quasi-statique du
ressort. On peut réutiliser le silencieux après stérilisation.
CA 02324045 2000-10-20
Pour ces approches de compression directe du gaz, on peut
concevoir que l'appareil comporte des parties jetables, par exemple un
module qui comprend le tube de sortie, la dose de particules ainsi que le
5 gaz inerte à pression ambiante ou supérieure contenu dans un sac mince
et flexible, et des parties réutilisables, par exemple le boîtier ainsi que le
mécanisme d'accélération du piston et de son déclenchement. L'intérêt
d'une telle approche réside dans la stérilité qu'elle procure, puisque les
parties exposées au patient seraient jetées après chaque usage.
~ La stérilité. II est évident que l'utilisation d'un tel dispositif doit
éviter
la propagation de micro-organismes d'un patient à l'autre. C'est pourquoi
il pourrait s'avérer préférable de changer, entre chaque dose, les
composantes qui sont, ou peuvent devenir, en contact avec le patient.
Celles-ci comprennent : le silencieux, le tube de sortie et le réservoir.
L'utilisation de la configuration de base requiert donc qu'on puisse
désassembler l'appareil entre chaque dose de façon à remplacer les
composantes susmentionnées. II est évident que plusieurs des
améliorations proposées ci-dessus encouragent fortement la stérilité et
la facilité d'utilisation de l'appareil.
La présente invention arrive à accélérer la substance médicinale
de façon plus efficace et prédictible qu'avec les systèmes de l'art
antérieur. En effet, le concept produit l'accélération principalement par le
biais d'ondes d'expansion instationnaires dans un tube uni-dimensionnel,
avec ou sans contraction.
CA 02324045 2000-10-20
16
On conclut que le concept exploite correctement la non-
stationnarité de l'écoulement en utilisant des ondes instationnaires et
prévient de plus la séparation de l'écoulement en utilisant un tube de
section constante.
Au niveau de l'implantation du principe, les concepts proposés par
la présente invention se distinguent de ceux utilisés dans l'art antérieur.
En particulier, les différentes versions proposées dans l'art antérieur font
appel à une configuration semblable au concept de base, incluant
l'ampoule jetable de gaz comprimé. L'art antérieur propose aussi deux
concepts de compression par piston, utilisant soit un gaz comprimé ou un
ressort, mais dans l'art antérieur, le piston n'est pas fortement accéléré
et la compression se fait essentiellement de façon statique ou quasi-
statique. Nos concepts utilisant un piston libre offrent des gains
importants sur une telle approche statique ou quasi-statique de l'art
antérieur.
Bibliographie
M.A.F. Kendall, N.J. Quinlan, S.J. Thorpe, R.W. Ainsworth et B.J.
Bellhouse (1999) The gas-particle dynamics of a supersonic drug-delivery
system, Book of Abstracts, 22nd International Symposium on Shock
Waves, Londres, 19-23 juillet.
II va de soi que la présente invention fut décrite à titre purement
indicatif et qu'elle peut recevoir plusieurs autres aménagements et
variantes sans pour autant dépasser le cadre de la présente invention tel
que délimité par les revendications qui suivent.
