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TITRE DE L'INVENTION
Seringue sans aiguille pour l'injection sous-cutanée de gouttelettes
médicamenteuses.
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention a trait aux seringues. Plus spécifiquement,
la présente invention a trait à l'injection sous-cutanée sans aiguille.
DESCRIPTION DE L'ART ANTÉRIEUR
Deux brevets ont déjà été accordés pour des appareils permettant
d'injecter à haute vitesse des poudres médicamenteuses dans la peau du
patient à partir de gaz à haute pression.
Bellhouse et al. dans leur brevet US no. 5, 899,880 ont développé
une seringue permettant d'accélérer le médicament à des vitesses
suffisantes pour obtenir l'effet thérapeutique désiré. Une entreprise,
Powderject Research Limited au Royaume-Uni et Powderject Vaccines,
Inc. aux États-Unis a démarré pour l'exploitation du concept.
McCabe dans son brevet US 5,865,796 a développé, pour le
compte de la méme entreprise, un appareil essentiellement similaire,
principalement destiné à l'usage en laboratoire, pour l'injection de
matériel génétique.
Ces deux appareils utilisent un médicament sous forme de poudre
et accélèrent un gaz inerte à l'aide d'un tube à ondes de choc.
Plusieurs entreprises commercialisent déjà des seringues sans
aiguilles
- Powderject (www.powderiect.com) utilisent un mini-tube à choc
pour accélérer des particules microscopiques dans la peau du
patient ;
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- Bioject (www.bioject.com) utilisent un micro-jet de liquide à haute
pression pour pénétrer la peau sans aiguille;
- Advantajet (www.advantajet.com) utilisent un micro-jet de liquide
à basse pression. Le système est optimisé pour l'insuline; et
- Mediject (www.medüect.com) utilisent un système d'injection
d'insuline semblable à celui de Advantajet.
II ne semble exister aucun concept basé sur la pénétration de
micro-gouttelettes voyageant à haute vitesse comme moyen de livraison
de médicaments ou autres agents thérapeutiques.
OBJETS DE L'INVENTION
Un objet de la présente invention est donc de présenter un
nouveau type de 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 limïtatif et illustré par les figures annexées qui
représentent schématïquement
BR~VE DESCRIPTION DES FIGURES
La Figure 1 illustre le fonctionnement du concept de seringue
selon une incorporation de la présente invention;
La Figure 2 illustre le processus de formation de gouttelettes;
La Figure 3 représente un montage expérimental selon une
incorporation de la présente invention;
La Figure 4 représente le fonctionnement du montage de la Figure
3; et
La Figure 5 représente une construction alternative selon une
seconde incorporation de l'invention.
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DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
Un mode de réalisation de la présente invention sera maintenant
décrit à titre purement indicatif.
L'invention sert à injecter des substances, sous forme de
gouttelettes, dans 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 liquides
parviennent à pénétrer la peau du patient grâce à leur petite taille et à la
vitesse que produit le dispositif.
Plus précisément, la présente invention sert à produire de petites
gouttelettes et à les accélérer à des vitesses suffisamment grandes pour
que celles-ci puissent pénétrer dans la peau du patient et ainsi produire
l'effet médical recherché. Les avantages d'une telle approche sur les
aiguilles sont assez évidents, les deux principaux étant : la réduction du
risque d'infection et aussi la quasi-élimination de la douleur et de la peur.
Le dispositif proposé comprend généralement deux systèmes. Un
premier système permet de produire des gouttelettes d'une taille désirée,
et à un débit sélectionné. Un second système permet d'accélérer les
gouttelettes à une vitesse sélectionnée et de les diriger à un endroit
déterminé de la surface de la peau ou d'un autre tissu cible.
Le système de production des gouttelettes peut utiliser une
membrane comprenant des micro-trous à travers laquelle un liquide est
forcé au moyen d'une pression exercée en amont de la membrane.
Alternativement, le système de production de gouttelettes
microscopiques de taille contrôlée peut utiliser un atomiseur ultrasonique,
tel qu'utilïsé dans les humidificateurs ultrasoniques, par exemple.
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Le système d'accélération des gouttelettes peut comprendre
l'entraînement des gouttelettes dans un jet gazeux à haute vitesse, au
moyen d'un convergent-divergent permettant d'obtenir un régime quasi-
permanent, ou au moyen d'un tube à choc ou à expansion permettant
d'obtenir un écoulement instationnaire.
Le système d'accélération peut alternativement être basé sur une
accélération électrostatique. Dans ce cas, les gouttelettes sont
préalablement chargées, par frottement par exemple. Puis elles sont
soumises à un champ électrostatique créé entre deux plaques parallèles,
pleines ou perforées, chacune des plaques étant reliée à un potentiel
électrique opposé et disposée parallèlement à la surface ciblée pour
l'injection.
Finalement, le système d'accélération peut également être basé
sur une injection directe, en produisant un jet liquide à haute vitesse, en
aval d'une membrane à micro-trous, qui devient instable et se transforme
en un train de gouttelettes. Dans ce cas, la membrane perforée est
positionnée près de la surface ciblée pour l'injection et parallèle à celle-
ci.
Ainsi, la présente invention propose différentes méthodes de
production de gouttelettes, ainsi que différentes méthodes permettant de
les accélérer. II apparaîtra clairement à une personne versée dans l'art
que de nombreuses combinaisons de ces différentes méthodes de
productïon de gouttelettes et de ces différentes méthodes d'accélération
sont possibles.
II est à noter que dans les systèmes d'accélération des
gouttelettes basés sur un entraînement de gaz à haute vitesse, les
gouttelettes peuvent être injectées à différents endroits de l'écoulement
gazeux, et ce quelle que soit la méthode de production de gouttelettes
utilisée. Par exemple, si un convergent-divergent est utilisé pour produire
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un écoulement gazeux en régime quasi-permanent, les gouttelettes
peuvent être introduites dans cet écoulement an amont, en aval, ou bien
au col du convergent-divergent.
La Figure 1 illustre de façon schématisée le fonctionnement du
5 concept. II s'agit d'un réservoir (1 ) rempli de gaz inerte à haute
pression,
lié au convergent-divergent (2) et au réservoir de liquide (3). Ä l'extrémité
du convergent-divergent se trouve la peau du patient (4). De plus, la
membrane (5) se trouve dans la partie supérieure de réservoir de liquide
et au col du convergent-divergent. Le réservoir est séparé du convergent-
divergent et du réservoir de liquide par des valves (6-7).
Pour déclencher l'appareil, on ouvre premièrement la valve (6), ce
qui accélère le gaz inerte dans le convergent-divergent. Par la suite, on
ouvre la valve (7) afin de propulser le liquide en travers de la membrane.
Tel qu'illustré à Figure 2, lorsque le liquide traverse la membrane
il se produit un jet qui est par la suite transformé en gouttelettes. Ces
dernières sont finalement accélérées par l'écoulement gazeux vers la
peau du patient. II est à noter que le liquide est accéléré par la différence
de pression entre le réservoir et le col du convergent-divergent. En outre,
le débit de liquide est déterminé par le nombre et la taille des trous
constituant la membrane.
II est à noter que la membrane illustrée à la Figure 2 ne comprend
qu'un orifice, à titre d'exemple. En pratique, le nombre et le diamètre des
orifices sont déterminés en fonction de l'application visée.
L'ordre d'ouverture des valves n'est pas à dédaigner. En effet, on
doit premièrement obtenir un régime permanent dans le convergent-
divergent pour assurer une vitesse uniforme des gouttelettes. La vitesse
et la taille des gouttelettes contrôlent la profondeur de pénétration dans
la peau du patient. De plus, ces deux paramètres doivent être optimisés
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afin de maximiser l'efficacité thérapeutique et minimiser les traumatismes
potentiels.
Dans un premier temps, la théorie servant à calculer l'écoulement
de gaz dans le dispositif a été établie. En particulier, le modèle montre
que la vitesse produite dans le convergent-divergent est essentiellement
fonction
- du rapport de pression entre le gaz du réservoir et celui à la sortie
du convergent-divergent;
- des propriétés thermodynamiques des gaz du réservoir et de la
sortie du convergent-divergent, notamment la vitesse du son (qui
dépend de la température) et le rapport de chaleurs spécifiques de
ces deux gaz; et
du rapport de section entre le col et la sortie du convergent-
divergent.
En plus de ces caractéristiques, la vitesse des gouttelettes est
aussi fonction
- de la taille des gouttelettes; et
- de la longueur du divergent.
Les paramètres que nous avons validés expérimentalement sont
- la vitesse du gaz à la sortie; et
- le niveau de pénétration des gouttelettes dans la peau.
Le montage expérimental, schématisé à la figure 3, reprend
essentiellement la géométrie montrée à la figure 1, qui est celle utilisée
pour les calculs théoriques. Les sections au col et à la sortie du
convergent-divergent sont respectivement 50 et 77 mm2. Avec ce rapport
de sections, une pression au col de 410 kPa et une pression de sortie de
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101.3 kPa, la vitesse du fluide à la sortie est de 800 m/s. Nous avons
donc positionné deux capteurs de pression afin de mesurer ces valeurs.
Par la suite, on injecte 1 cc d'eau dans le réservoir de liquide et la
membrane comprenait 6 trous d'un diamètre moyen de 200 microns.
Pour déterminer la taille des gouttelettes, nous avons utilisé la mécanique
des jets. La théorie [ANNO J.N. (1977), The Mechanics of Liquid Jets,
Lexington Book, 103p.] stipule que le diamètre des gouttes formées est
environ deux fois plus grand que le diamètre du trou. Par conséquent, les
gouttelettes résultantes possédant donc un diamètre d'environ 400
microns, ce qui est passablement grand.
Pour déterminer si les gouttelettes étaient en mesure de pénétrer
dans la peau, des essais ont été effectués sur de la peau de poulet. Pour
bien visualiser le niveau de pénétration, nous avons coloré les
gouttelettes. II a été observé que les gouttelettes pouvaient pénétrer les
cibles jusqu'à une profondeur d'environ 1 mm.
Notamment, en contrôlant à la fois la taille des gouttelettes avec
le diamètre des micro orifices et la vitesse des gouttelettes avec les
propriétés du jet de gaz, la profondeur de pénétration du médicament
liquide peut donc être contrôlée avec grande précision et fiabilité.
Plusieurs appareils sont envisageables pour exploiter le concept
de base d'injections de gouttelettes décrit ci-dessus. Une seringue
générique basée sur ce principe de base pourrait comporter les
composantes suivantes
- un réservoir de gaz inerte à haute pression, d'un diamètre de sortie
égal ou supérieur au col du convergent-divergent;
- un convergent-divergent pour accélérer les particules;
un réservoir de liquide;
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- une membrane;
- un silencieux pour atténuer le son de l'écoulement; et
- un mécanisme pour déclencher l'appareil.
La configuration de base de l'appareil comprend les six
composantes susmentionnées dans un arrangement qui offre une
fonctionnalité acceptable. Dans la configuration de base, le réservoir
primaire est à une pression suffisamment élevée afin d'assurer un
nombre prédéterminé d'injections. Ce dernier est lié à deux réservoirs
secondaires, le premier menant au convergent-divergent et le second au
réservoir de médicament liquide. Pour obtenir une vitesse des
gouttelettes uniforme autant durant la première que la dernière injection,
la pression de la sous chambre se doit d'être constante. Afin d'acquérir
cette pression, un agencement de ressorts-pistons est utilisé. Le
médicament liquide est inséré dans le réservoir par une dépression
causée par le piston. Une fois le piston à sa position basse, il est bloqué
jusqu'au déclenchement du mécanisme.
Plusieurs variations de ce concept de base sont possibles, par
exemple
- Le réservoir de gaz inerte peut être remplaçable ou remplissable
ou la seringue peut être jetable;
- la pression nécessaire dans les chambres secondaires peut être
ajustée à l'aide des ressorts (mano-détendeurs mécaniques);
- les pistons peuvent être l'un dans l'autre, cependant leurs courses
sont limitées par des butoirs;
- des purges peuvent être utilisées afin de rendre plus aisée l'entrée
du liquide dans la seringue;
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- la membrane peut être changée en cas de bris et le nombre de
trous peut varier afin de changer le débit (selon l'application);
- un convergent peut être utilisé à la place d'un convergent-
divergent, si les vitesses requises sont inférïeures à Mach 1; et
- plusieurs principes pour le système d'insertion du liquide sont
envisagés : utiliser soit une seringue, ou des capsules spéciales
pour l'application ou bien même une capsule que l'on peut utiliser
pour plusieurs injections (p.ex. pour le diabète).
II est à souligner que, dans le cas d'une seringue réutilisable ou
utilisable pour plus d'une injection, la pression dans la chambre doit
demeurer constante d'une injection à l'autre afin d'assurer une
répétabilité des paramètres d'injection d'une utilisation à l'autre.
Au lieu d'utiliser des systèmes pistons/ressorts, il existe des micro-
valves électroniques qui se prêtent bien à cette application. De plus, le
système entier peut se contrôler électroniquement, notamment la
pression secondaire, le système de détente et la minuterie (voir Figure 5).
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.
