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Die Erfindung betrifft eine extrakorporale
automatische fluidische Fördereinrichtung
auf Hydrogelbasis, insbesondere zur Abgabe von Insulin, welche einen
denkbar einfachen Aufbau und geringe Abmessungen bei einer vom Nutzer
einstellbaren Zeit- und Fördercharakteristik
besitzt sowie für
den ein- und/oder mehrmaligen Gebrauch bestimmt ist.
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Man schätzt, daß in Deutschland zur Zeit mehrere
Millionen chronisch Kranke leben. Von ihnen gehören mehrere Hunderttausend
zu dem Patiententyp, die einer ständigen Medikamentierung bedürfen. Ein
solcher Patient hat einen kontinuierlichen Basisbedarf an einem
oder mehreren bestimmten Wirkstoffen. Der individuell ermittelte
Grundbedarf, der mit einem Injektionsgerät unter die Haut gespritzt wird,
ist notwendig, um bei dem Betroffenen eine Normalsituation zu erreichen.
Zuzüglich
zu diesem Grundbedarf besteht bei bestimmten Ereignissen ein weiterer
Bedarf an Wirkstoffen.
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Der besondere Nutzen der Erfindung
ergibt sich wie folgt:
- – Bei diversen chronischen
Krankheiten ist es erforderlich, sich während der Nacht zu einer bestimmten
Zeit das Medikament subkutan zu verabreichen. Die hier beschriebene
Pumpe wird vom Patienten am Abend angebracht und aktiviert. Sie
fördert
dann, zur vorgesehenen Zeit automatisch das Medikament, ohne dabei
einer weiteren Aktion des Patienten zu bedürfen. Als spezieller Anwendungsfall
kann Diabetes mellitus betrachtet werden, bei welchem es in den
frühen Morgenstunden
zu einem erhöhten
Insulinbedarf (Dawn-Phänomen)
kommt. Dieser erhöhte
Bedarf kann von der Pumpe mit Hydrogelaktor patientenspezifisch
gedeckt werden, ohne dazu den Patienten wecken zu müssen.
- – Das
Pumpenprinzip ermöglicht
es in einer seiner hier beschriebenen Ausführungsvarianten, einen konstanten
kleinen Volumenfluß über einen
längeren
Zeitraum zu generieren. Dies ist in bestimmten technischen/medizinischen
Applikationen relevant. Insbesondere kann damit bei Typ2 Diabetikern
der Basisinsulinbedarf gedeckt werden. Im Gegensatz zu den auf dem
Markt erhältlichen
langwirkenden Insulinen wird hiermit eine konstante Insulinförderung
und – aufnahme
ab und innerhalb bestimmter Zeiträume sichergestellt.
- – Aufgrund
der rein mechanisch einstellbaren Pumpencharakteristika, wie z.B.
der Zeitpunkt des Einsetzens der Förderung, der Kennlinienverlauf
und das zu fördernde
Medienvolumen, kann das Pumpenprinzip in einfacher und hilfsenergiefreier
Weise auch komplizierte, programmierbare Abläufe, wie sie beispielsweise
bei der Insulinpumpen-Therapie (CSII) benötigt werden, realisieren.
- – Bei
Einsatz smarter Hydrogele ist eine Mehrfachverwendung der Pumpen
möglich.
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Um die Medikamentierung dauerhaft
und kontinuierlich zu ermöglichen,
werden bisher elektromechanisch, pneumatisch oder osmotisch angetriebene
Medikamentendosiersysteme genutzt.
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Aus WO 93/16740 ist ein elektromechanisch betriebener
Injektionspen bekannt. Er ist für
die Selbstmedikamentierung mit flüssigen zu injizierenden Medikamenten
oder Hilfsstoffen entwickelt worden. Das Austreiben der Flüssigkeit
wird durch den Vortrieb eines an eine Spindel gekoppelten Kolbens mittels
Motorkraft ermöglicht.
Der Nachteil dieser bislang bekannten Einrichtungen ist ihr komplexer
Aufbau und die Abhängigkeit
von einer Energieversorgung mittels Batterie.
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Aus
DE
41 06 624 ist ein osmotisch betriebenes Injektionssystem
für die
langsame und stetige Medikamenteninjektion bekannt. Der Vortrieb
des Spritzenkolbens erfolgt hier über Salinations- oder osmotische
Kräfte.
Ein Fluid höherer
Konzentration wird infolge osmotischer Aufnahme von einem Fluid geringerer
Konzentration unter Volumenzunahme verdünnt. Der dabei erzeugte Arbeitsdruck
wird für den
Vortrieb des Kolbens genutzt. Die Funktionalität wird durch herausstehende
bewegliche Teile sowie einen fehlenden Aktivierungs- und Auslöseverzögerungsmechanismus
beeinträchtigt.
Es ist kein pulsatiler Betrieb mit dieser Pumpe möglich.
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Unter
US
56 72167 ist ebenfalls eine osmotisch angetriebene portable
extrakorporale Infusionspumpe offengelegt. Sie besteht aus zwei
Vorratsbeuteln, in einem ist das zu fördernde Fluid untergebracht
und der zweite Beutel enthält
die treibende Flüssigkeit.
Es werden wiederum Salinations- bzw. osmotische Kräfte aus
dem Konzentrationsausgleich zweier Flüssigkeiten zur Fluidförderung
genutzt. Die Infusionsrate ist von den Eigenschaften der zwischenliegenden
semipermeablen Membran abhängig
und muß daher
werksseitig voreingestellt werden. Aktiviert wird die Pumpe durch
ein Ventil bzw. durch das Zerstören
einer Siegelschicht. Ein pulsatiler Betrieb ist nur durch Verwendung
von herkömmlichen energiebetriebenen
zeitgesteuerten Pumpen möglich.
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In Patent
US2001047161 wird eine implantierbares
osmotisch betriebenes Medikamentenapplikationssystem beschrieben.
Es dient der Langzeitmedikamentierung mit flüssigen oder löslichen
Arzneistoffen. Die Abgabecharakteristik wird über die Wahl der Membran sowie über die
stofflichen Eigenschaften des quellenden Stoffes werkseitig eingestellt.
Eine nachträgliche
Einstellung des Auslösezeitpunktes
sowie eine nachträgliche
Anpassung der Förderkennlinie
an die Bedürfnisse
des Patienten durch den Arzt ist nicht möglich.
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Es sind bereits Pumpsysteme in
US5340590 offengelegt, welche
durch Kombination mehrerer Lagen unterschiedlicher osmotischer und
quellender Stoffe einen pulsatilen Betrieb der Pumpe ermöglichen.
Eine Anpassung der Kennlinie an die Patientenbedürfnisse ist nur während der
Herstellung möglich.
Das Pumpsystem besitzt kein eigenes Quellmittelreservoir und ist
daher auf die Zuführung
von Feuchtigkeit aus dem umgebenden Medium angewiesen. Es ist daher
nur als Implantat bzw. als einzunehmende Kapsel konzipiert. Eine
Auslöseverzögerung bzw.
ein Einschaltmechanismus ist nicht angezeigt.
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Unter
US5209746 ist
die pulsatile Betriebsart einer osmotischen Pumpe durch konstruktive
Mittel wie Verengungen oder mechanische Barrieren gelöst. Die
Nachteile dieser Systeme sind ihre ausschließlich werkseitige Anpassung
der Kennlinie der Pumpe an die Patientenbedürfnisse und ihre Beschränkung auf
intrakorporale Anwendung auf Grund eines fehlenden Quellmittelreservoirs.
Eine Auslöseverzögerung bzw.
ein Einschaltmechanismus ist nicht angezeigt.
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Eine Auslöseverzögerung für osmotisch betriebene Pumpen
wird in
US4976966 offengelegt.
Sie wird durch das Herauspressen eines Pumpenkernes mit einer semipermeablen
Membran und einem osmotischen Antrieb aus einer undurchlässigen Hülle erreicht.
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Das Herauspressen erfolgt ebenfalls
durch einen osmotischen Antrieb, welcher sich am Grund der äußeren Hülle befindet.
Die äußere Hülle ist
an ihrem Grund perforiert bzw. semipermeabel gestaltet. Diese Auslöseverzögerung ist
vom Nutzer nicht einstellbar und die Pumpe funktioniert nur innerhalb
einer feuchten Umgebung, also implantiert bzw. im Verdauungstrakt.
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Die beschriebenen Anwendungen weisen eine
Reihe von Mängeln
auf. Extrakorporale Insulinpumpen verfügen zwar über zum Teil sehr vielfältige Einstellfunktionen
und individuell anpaßbare
Programmabläufe,
sind jedoch sehr kompliziert aufgebaut, deshalb teuer und benötigen in
der Regel Hilfsenergie. Die beschriebenen implantierbaren Medikamentenabgabesysteme
nach dem Prinzip osmotischer Pumpen sind sehr einfach aufgebaut.
Nachteilig an ihnen ist jedoch die immer mit hohem Aufwand und Risiken
verbundene Implantation sowie die Unmöglichkeit einer patientenseitigen
Einstellung der Pumpenabgabecharakteristik. Diese Einrichtungen können zudem
nur den basalen Grundbedarf des Patienten abdecken.
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Aufgabe der Erfindung ist es, automatisch wirkende
extrakorporale Pumpen zu entwickeln, welche einen einfachen Aufbau
besitzen, kostengünstig herstellbar
sind, hilfsenergiefrei arbeiten und über die Möglichkeit der patientenseitigen
Einstellbarkeit der Abgabecharakteristik verfügen. Weiterhin sollen sich die
Pumpen durch eine geringe Störanfälligkeit
auszeichnen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die
in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind in den Ansprüchen 2
bis 21 angegeben.
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Die erfindungsgemäßen Pumpen nutzen als Aktor
Hydrogele, die aufgrund ihrer Volumenzunahme infolge Quellmittelaufnahme
auch als ein Spezialfall der osmotischen Antriebe gelten. Hydrogele
sind die Festkörpereffektträger mit
der größten nutzbaren Volumenänderung
und arbeiten hilfsenergiefrei, d.h., sie benötigen keine externe Energiezufuhr,
z.B. in Form von elektrischen Größen. Durch
diese Hydrogel-Eigenschaften
lassen sich sehr einfache Pumpen realisieren, die bauartbedingt
eine vorgegebene Abgabe-Charakteristik besitzen.
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An moderne Insulin-Abgabesysteme
wird die Forderung an eine einstellbare und damit individuell durch
Arzt oder Patient anpaßbare
Abgabe-Charakteristik gestellt. Dies kann einerseits durch Modifizierung
der Eigenschaften des Hydrogelaktors erfolgen, was aber im Regelfall
eine komplizierte Bedienung voraussetzt. Zum anderen ist die Einstellbarkeit
des Pumpenverhaltens durch konstruktive Maßnahmen realisierbar. Diese
Möglichkeit
bietet den Vorteil einer einfachen Bedienung.
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Funktionell sind drei Einstellmöglichkeiten
einer Insulinpumpe relevant:
- I. die Verzögerungszeit
von der Pumpeninbetriebnahme bis zum Einsetzen der Medikamentenförderung
- II. der Förderzeitraum
des Medikamentes inklusive der abgegebenen Menge pro Zeiteinheit,
sowie
- III. der Verlauf der Kennlinie (konstant, pulsatil).
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Die Erfindung beruht insbesondere
für II.
und III. auf der Erkenntnis, daß zum
nachträglichen
Einstellen des Pumpenverhaltens die Aktordynamik variierbar sein
muß. Diese
kann durch die Differenz des chemischen Lösungsmittel-Potentials zwischen
Gel und Umgebung ΔμA = μA(Gel) – μA(Umgebung)festgelegt
werden. Diese Gleichung besagt zunächst, daß bis zum Erreichen eines Gleichgewichtszustandes
das Gel sein Volumen durch Quellmittelaufnahme vergrößert. Die
erste Beeinflussungsmöglichkeit
ergibt sich durch das chemische Potential des Lösungsmittels im Hydrogel μA(Gel).
Dieses ist eine materialspezifische Größe, die durch die chemische Zusammensetzung,
Vernetzungsdichte etc. bestimmt wird. Zum Einstellen der Aktordynamik über diese
Größe muß ein Aktor
aus einem Hydrogel mit der gewünschten
Quellcharakteristik an der Aktorplatz einer Pumpe eingesetzt werden,
was z.B. in Kartuschen-, Tabletten- oder ähnlicher Form geschehen kann.
Allerdings ist diese Möglichkeit
mit einem recht komplizierten Bedienprozeß verbunden.
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Weitere Möglichkeiten zur nachträglichen Einstellung
der Quellkinetik bzw. Aktordynamik bietet die Variation des chemischen
Potentials des Lösungsmittels
in der Umgebung μA(Umgebung) . Dies kann sehr einfach dadurch
geschehen, daß das Quellmittel
dosiert bereitgestellt wird. Konstruktiv ist dies durch eine Einstellbarkeit
des Querschnitts der Quellmittelzuführung möglich.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß μA(Umgebung)
durch Variation des Quellmittelgemisches geändert wird. Diese Methode beinhaltet
allerdings ebenfalls eine aufwendige Bedienung.
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Der Potentialunterschied ΔμA zwischen
Gel und Umgebung kann auch durch einen dem Quellungsdruck entgegenwirkenden
Druck beeinflußt werden.
Ein solcher Druck ist konstruktiv durch ein Federelement oder durch
ein Element, welches infolge Reibung eine dem Quellvorgang entgegenwirkende
Kraft erzeugt, realisierbar.
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Da der Quellprozeß von Hydrogelen diffusionskontrolliert
ist, läßt sich
die Aktordynamik auch durch die Dimension und makroskopische Struktur des
Hydrogelaktors festlegen. Die den zeitlichen Quellvorgang bestimmende
Relaxationszeitkonstante verhält
sich zu
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Die Gleichung besagt, daß neben
dem das System Quellmittel-Hydrogel beschreibenden kooperativen
Diffusionskoeffizienten die kleinste charakteristische Dimension
des Hydrogelaktors über
eine quadratische Proportionalität
dessen Zeitverhalten bestimmt. Für
geringe Quellzeiten sind also kleine Hydrogelstrukturen, für hohe Quellzeiten
große
Hydrogelstrukturen anzustreben.
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Um einen benutzerseitig einstellbaren
pulsatilen Kennlinienverlauf erreichen zu können, ist es erforderlich,
den Pumpenantrieb so zu aktivieren, daß er in einer gewünschten
zeitlichen Reihenfolge die jeweils benötigten Förderraten (Fördermenge
pro Zeiteinheit) realisiert. Hierfür sind die bereits genannten Beeinflussungsmöglichkeiten
nutzbar.
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So können z.B. durch in Serie geschaltete Aktorsegmente
mit jeweils unterschiedlichen Quelleigenschaften pulsatile Kennlinieverläufe verwirklicht werden.
In Bereichen, in denen keine Förderung
vorhanden sein soll, sind Materialsegmente aus Stoffen, die sich
in einer definierten Zeit durch Lösungsmitteleinwirkung auflösen, einsetzbar.
Nach dem Auflöseprozeß wird das
nächste
aktorisch wirksame Hydrogelsegment durch Quellmitteleinwirkung aktiviert. Eine
Einstellmöglichkeit
besteht in der benutzerseitigen Zusammenstellung des Aktors aus
den benötigten
Segmenten.
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Auch die benutzerseitige Variation
des Quellmittelgemisches ist nutzbar, indem beispielsweise in der
erforderlichen Reihenfolge verschiedene Lösungsmittelreservoire zum Quellmittelreservoir
zugeschaltet werden und durch das sich ergebende Quellmittelgemisch
die Aktordynamik entsprechend den Forderungen einstellt.
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Als weitere Einstellmöglichkeit
kann das Aufbringen unterschiedlicher Gegenkräfte in der notwendigen Reihenfolge
genutzt werden. Werden die Gegenkräfte z.B. durch Reibpaarungen
von Bohrungen und Rundstabsegmenten mit jeweils definierten Reibungskoeffizienten
aufgebracht, läßt sich
die Gegenkraft durch Variation des Innendurchmessers (Bohrungsdurchmesser)
verändern,
da der Außendurchmesser
des Rundstabsegmentes konstant ist. Die Wirkungsdauer der jeweiligen
Gegenkraft ist durch die Führungslänge des
Rundstabsegmentes in dem bestimmten Innendurchmesser festlegbar.
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Eine weitere Einstellungsmöglichkeit
des Kennlinienverlaufes ist das Verwenden hydraulischer Übersetzungsmechanismen.
Durch Variation des Querschnittes der Aktorkammer in seiner Quell-
bzw. Wirkrichtung kann nach dem Satz von der Erhaltung der Arbeit
sowohl seine Kraftwirkung als auch sein Stellweg verändert werden.
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Auch durch Variation des Querschnittes
der Quellmittelzuführung
ist die Pumpenkennlinie veränderbar.
Wird der Querschnitt verengt, fördert
die Pumpe langsam, wird er erweitert, kann der Aktor schneller quellen
und die Pumpe besitzt eine höhere Förderrate.
Bei Unterbinden der Quellmittelzufuhr wird die Pumpenfunktion unterbrochen.
Dies kann auch als Notaus-Funktion genutzt werden.
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Die geschilderten Einstellmöglichkeiten
der Pumpenkenrilinie sind selbstverständlich auch in Kombination
nutzbar.
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Eine einstellbare Zeitverzögerung von
der Pumpeninbetriebnahme bis zum Einsetzen der tatsächlichen
Förderung
läßt sich
ebenfalls mit verschiedenen Methoden realisieren.
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So können wiederum auflösbare Quellmittelbarrieren
in den Zuleitungsweg eingesetzt werden, ihre Verzögerungszeit
ist durch das verwendete Material und dessen effektiv wirksamer
Dicke festlegbar.
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Als weiteres Einstellprinzip der
Zeitverzögerung
kann ein Leerlaufstellweg des Hydrogelaktors verwendet werden. Nach
Aktivierung muß er
sich zunächst
in einem aktorisch unwirksamen Hohlraum ausdehnen, um danach auf
das Medikamentenreservoir einwirken zu können. Die Zeitverzögerung ist
in diesem Fall eine Funktion des zu absolvierenden Leerlaufstellweges.
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Im Gegensatz zu implantierbaren Hydrogelpumpen
wird das Quellmittel nicht durch die Pumpenumgebung bereitgestellt
(bei implantierten Pens wird die Körperflüssigkeit als Quellmittel genutzt).
Es muß deshalb
ein Quellmittelreservoir in die Pumpe integriert sein. Um eine Unabhängigkeit
der Pumpenfunktion von der Lage des Applikators zu erreichen (d.h.,
das Quellmittel muß immer
verfügbar
sein), ist das Quellmittelreservoir mit einem solchen Überdruck
zu beaufschlagen, daß auch
im ungünstigsten Lagefall
eine das Quellmittel in die Aktorkammer treibende Druckdifferenz
vorhanden ist. Der im Quellmittelreservoir benötigte hydrostatische Überdruck
kann z.B. durch eine vorgespannte elastische Umhüllung oder durch eine einwirkende
Feder realisiert werden.
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Die bisherigen hydrogelbasierten
Pumpen sind im Regelfall nur für
den einmaligen Gebrauch konzipiert. Um Pumpen für einen mehrmaligen Gebrauch
verwenden zu können,
muß der
Antrieb in seinen Ausgangszustand zurückversetzt werden können. Dies
ist durch den Einsatz von smarten Hydrogelen bzw. quellfähigen Polymernetzwerken
mit diskontinuierlichem Phasenübergangsverhalten
möglich.
Diese smarten Hydrogele besitzen die Eigenschaft, in ihrem Phasenübergangsbereich
auf geringe Änderungen
spezieller Umgebungsgrößen mit ausgeprägten Volumenänderungen
zu reagieren. So sind Hydrogele mit einer sogenannten lower critical solution
temperature-Charakteristik bekannt, die bei Temperaturen unterhalb
ihrer Phasenübergangstemperatur
gequollen und oberhalb entquollen sind.
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So besitzt beispielsweise das Homopolymer Poly(N-Isopropylacrylamid)
in wäßriger Umgebung eine
Phasenübergangstemperatur
von ca. 33°C. Durch
Copolymerisation und auch durch Variation der Quellmittelzusammensetzung
ist die Lage dieses Phasenübergangs
nahezu beliebig zwischen 5 und 50°C
einstellbar.
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Ein Pumpennutzer kann z.B. bei einem
Aktor aus einem Poly(N-Isopropylacrylamid)-Copolymer mit einer Phasenübergangstemperatur
von 45°C
die Pumpe durch einlegen in einen Hitzesterilisator oder in kochendes
Wasser die Pumpe nicht nur sterilisieren, sondern den Pumpenantrieb
aus dem smarten Hydrogel wieder in den Ausgangs- resp. entquollenen
Zustand zurückversetzen,
so daß diese
danach wiederverwendbar ist.
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Die Erfindung soll an einigen Beispielen
ausführlicher
erläutert
werden.
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Die nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
und Einsatzfelder stehen nur exemplarisch für viele weitere denkbare Möglichkeiten
und sind keinesfalls erschöpfend.
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In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
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1 Automatisch
wirkende Pumpe mit einstellbarer Zeitverzögerung von der Pumpeninbetriebnahme
bis zum Fördern
des Wirkstoffes; insbesondere geeignet zur Behandlung des Dawn-Phänomens oder
zur kontinuierlichen Wirkstoffabgabe über einen definierten Zeitraum
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2 Ein
Prinzip zur Realisierung des Zeitverzögerungsmechanismus für eine Pumpe
nach 1
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2a Pumpenkonfiguration
in Ausgangsstellung (nichtaktivierter Zustand)
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2b Pumpenkonfiguration
nach Ablauf der Verzögerungszeit
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3 Die
Wirkungsweise einer der Quellkraft entgegenwirkenden Reibungskraft
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4 Die
Förderkennlinie
einer Pumpe nach 1
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5 Eine
automatische Pumpe für
eine kontinuierliche Förderung
mit einer definierten Wirkstoff-Abgabemenge pro Zeiteinheit über einen
bestimmten, einstellbaren Zeitraum
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5a Verdeutlichung
des Wählsystems
der automatischen Pumpe nach 5
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6 Eine
automatisch wirkende Pumpe mit mechanischem Zeitverzögerungsmechanismus
und mechanischer Wahl des Verlaufes der Abgabekennlinie (Pulsatil
wirkende Pumpe)
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6a Die
Baugruppe zur mechanischen Programmierung der Pumpe nach 6.
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Anhand von 1, 2a und 2b sowie 3 soll der prinzipielle Aufbau, die Fertigung,
Besonderheiten bei der Konstruktion und die Funktionsweise der erfindungsgemäßen automatischen
Wirkstoffpumpen erläutert
werden.
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Da die Pumpen insbesondere auch den
Aspekten einer Massenfertigung genügen sollen, ist ein modularer
Aufbau mit möglichst
wenigen Einzelteilen vorteilhaft, da dann beim Montageprozeß die einzelnen
Baugruppen nur noch gefügt
werden müssen.
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Die Pumpe nach 1 besitzt eine benutzerseitig einstellbare
Zeitverzögerung
und ist insbesondere für
die Behandlung des Down-Phänomens konzipiert.
Sie fördert
nach Ablauf der Zeitverzögerung
innerhalb eines bestimmten Zeitraumes die benötigte Menge Wirkstoff. Sie
versetzt den Nutzer in die Lage, vor dem Schlafengehen die nötige Verzögerungszeit
einzustellen, die Pumpe zu applizieren und zu aktivieren. Nach der
eingestellten Zeit fördert die
Pumpe automatisch den Wirkstoff, so das der Nutzer durchschlafen
kann. Die Pumpe nach 1 besteht
aus einem Pumpenkörper 1;
der zunächst
die mechanische Funktionssicherheit gewährleistet und den Bauraum für die weiteren
Funktionselemente definiert.
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Anders als bei implantierbaren Pumpen
kann eine extrakorporale Pumpe das Quellmittel nicht aus ihrer Umgebung
in Form von Körperflüssigkeit
beziehen. Die Pumpe enthält
deshalb ein Quellmittelreservoir 4, in dem das Quellmittel
zur Verfügung
gestellt wird. Um eine von der Pumpenlage unabhängige Quellmittelzuführung sicherzustellen,
wird das Reservoir 4 mit einem Überdruck durch die Vorspanneinrichtung 6 beaufschlagt.
Der damit erzeugte hydrostatische Überdruck muß groß genug sein, die Schwerkraft
des Quellmittels zuverlässig
zu überwinden
und das Quellmittel jederzeit in die Aktorkammer 3 zu drücken. Das
Quellmittelreservoir kann eine feste, formstabile Hülle oder
eine elastische Umhüllung besitzen.
Bedingung bei einer formstabilen Umhüllung, deren Aufgabe auch vom
Pumpengehäuse 1 übernommen
werden kann, ist ein lauffähiger
und abdichtender Stopfen, über
den der Überdruck
in das Quellmittel eingekoppelt werden kann. Wird für eine elastische
Umhüllung
ein gummielastisches Material eingesetzt, beispielsweise ein Latex-
oder Silikonformteil, kann der hydrostatische Überdruck zum Realisieren der
lageunabhängigen
Quellmittelbereitstellung in Funktionenintegration durch die elastische Rückstellkraft
der Umhüllung
aufgebracht werden.
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Zur Inbetriebnahme der Pumpe ist
der Pumpenauslöser 7 zu
betätigen.
In der dargestellten Anordnung kann er nach zwei Prinzipen arbeiten.
Wenn er mit einem zerstörenden
Element, beispielsweise einem Haken, ausgestattet ist, zerstört er die
Umhüllung
des Quellmittelreservoirs 4, so daß das Quellmittel durch das
Quellmittelzuführungselement 7a in die
Aktorkammer 3 gelangen kann. Ist er als Sperrventil ausgeführt, stellt
er bei Betätigung
eine Verbindung zwischen Quellmittelreservoir 4 und Aktorkammer 3 her.
Das Quellmittelzuführungselement 7a besitzt
neben seiner Aufgabe als Auslösersitz
die Aufgabe, das Quellmittel nach Pumpeninbetriebnahme in einer
bestimmten Menge pro Zeiteinheit dem Gelaktor 2 definiert
bereitzustellen. Diese Zuleitungsrate ist konstruktiv über den
effektiven durchströmbaren Zuleitungsquerschnitt
sowie die Größe des hydrostatischen Überdruckes
des Quellmittelreservoirs festlegbar. Der Zuleitungsquerschnitt
kann z.B. durch den Durchmesser und die Anzahl von Bohrungen im Quellmittelzuführungselement 7a oder
durch den Einsatz poröser
Materialien bzw. Membranen festgelegt werden. Da poröse bzw.
Membranmaterialien mit definierten Durchlässigkeiten und geringen Toleranzen
nahezu jeder Größenordnung
käuflich
erwerbbar sind, bietet sich ihr Einsatz im Quellmittelzuführungselement 7a an.
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Nachdem das Quellmittel die Aktorkammer 3 erreicht
hat, beginnt das Aktormaterial 2 aus einem quellfähigen Polymernetzwerk
infolge Quellmittelaufnahme an zu quellen. Aufgrund des einzigen
verfügbaren
Freiheitsgrades wird der Aktor 2 sich nun eindirektional
in Richtung Wirkstoffreservoir und Verzögerungsscheibe ausdehnen.
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Die in 1 dargestellte
Aktorkammer 3 besitzt eine formflexible Umhüllung, z.B.
in Form von Latex- oder Polyethylenfolienmaterial. Diese dehnt sich
bei elastischer Ausführung
(z.B. gummielastische Latexumhüllung)
entsprechend der Volumenzunahme des Gels, oder wird von diesem mehr
und mehr ausgefüllt
(beispielsweise formflexible Polyethylenfolienhülle). Die Aktorkammer selbst
kann auch eine starre Umhüllung
besitzen, wie es beispielsweise der Fall ist, wenn die Aktorkammerwände vom Pumpengehäuse 1, dem
fest sitzenden Quellmittelzuleitungselement 7a und der
beweglichen Verzögerungsscheibe 14 gebildet
werden.
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Das Aktormaterial 2 selbst
besteht aus quellfähigen
Polymernetzwerken. Als besonders geeignet erscheinen käuflich erwerbbare
Materialien, die beispielsweise als Superabsorber zum Einsatz kommen.
Diese zeichnen sich neben einem geringen Preis durch sehr gute aktorische
Eigenschaften, eine hohe Volumendehnung und gute Konstanz der Eigenschaften
aus. Die wichtigsten Aktormaterialien sind Polymere auf Acrylsäurebasis,
wie z.B. anionische Polyacrylate wie Na-Polyacrylat. Selbstverständlich sind
auch andere quellfähige
Polymernetzwerke mit den erforderlichen Eigenschaften einsetzbar.
Da dieses Feld sehr groß ist,
werden nur einige Derivatklassen ohne Anspruch auf Vollständigkeit aufgezählt: Acrylamide,
Vinylalkohole, Urethane, Vinylether, Cellulose, Gelatine.
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Das Aktormaterial und seine makroskopische
Struktur bestimmt im Wechselspiel mit dem zur Verfügung stehenden
Quellmittel, dessen Menge pro Zeiteinheit sowie den dem Aktor entgegenwirkenden Kräften maßgeblich
die Pumpenkrennlinie.
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Drei Materialparameter sind für die aktorischen
Eigenschaften relevant. Als erstes bestimmt die chemische Zusammensetzung
des Polymernetzwerkes den realisierbaren Rahmen der aktorischen Eigenschaften
sowie des zeitlichen Quellverhaltens. Als zweites kann durch Einstellung
der Vernetzungsbedingungen über
die Vernetzungsdichte sowie die mikroskopische Struktur (z.B. homogenes
oder poröses
Polymernetzwerk) ebenfalls das zeitliche Verhalten, der erreichbare
maximale Quellungsgrad sowie der mögliche Quellungsdruck festgelegt
werden.
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Der dritte Materialparameter zum
Einstellen der Aktoreigenschaften ist dessen makroskopische Struktur.
Das Aktormaterial wird meist nicht als Ganzkörper, sondern in Partikelform
in die Aktorkammer 3 gefüllt. Die Partikelgröße und die
Partikelgrößenverteilung
bestimmen den maximal möglichen
Aktorhub, das zeitliche Verhalten sowie die Wiederholgenauigkeit
des Aktorverhaltens. Dieser Effekt wird durch das Verhältnis des
Gesamtaktorvolumens zum Trockenvolumen des Polymernetzwerkes verursacht.
Ist der effektive Leerraum zwischen den einzelnen Partikeln groß, müssen die
Partikel einen beträchtlichen
Teil ihres Quellvorganges zum Ausfüllen dieser Hohlräume nutzen,
so daß sowohl
der maximal mögliche
Aktorhub als auch die effektive Quellzeit des Aktors abnehmen. Die
Partikelgrößenverteilung
hingegen beeinflußt
die Wiederholgenauigkeit des Aktorverhaltens. Wird sie zu breit
gewählt,
wird das zeitliche Verhalten und der Aktorhub stark variieren.
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Die entsprechenden Partikelgrößen und
Partikelgrößenverteilungen
lassen sich sehr einfach durch Mahlen des Ausgangsmaterials und
anschließendes
Sichten mit Prüfsieben
gewinnen. Charakteristische Partikelgrößen liegen zwischen 50μm und 1500μm, die Partikelgrößenverteilungen
sollten die Schranken von ± 100μm nicht überschreiten.
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Zu Beginn der eindirektionalen Ausdehnung des
Gelaktors 2 infolge Quellmitteleinwirkung wird er die Verzögerungsscheibe 14 erreichen.
Dieses Bauteil ist für
die Pumpe nicht von grundsätzlicher
Bedeutung, dient aber der Verringerung der Pumpenbaulänge. Die
Funktionsweise der Verzögerungsscheibe
verdeutlicht 3. Muß der Aktor 2 beim Quellvorgang
lediglich die Kraft F überwinden,
wird er nach einer bestimmten Zeit sein für F charakteristisches Quellungsgleichgewicht
einstellen. Arbeitet er jedoch gegen eine Kraft der Größe 2F,
wie sie durch eine Reibpaarung (Preß- bzw. Übergangspassung) von Verzögerungsscheibe 14 und
Pumpengehäuse 1 vorliegt,
so wird der Aktor sein für 2F charakteristisches
Quellungsgleichgewicht bei einem geringeren Aktorhub bei etwa gleicher
Zeit erreichen. Eine nachfolgende Entlastung auf F, wie es z.B.
bei dem Bewegen der Verzögerungsscheibe 14 aus
dem Reib- bzw. Preßpassungsbereich
in einen Spielpassungsbereich geschieht, bewirkt ein erneutes Einsetzen
des Quellvorganges auf das charakteristische Quellungsgleichgewicht
der Kraft F.
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Das Prinzip der Zeitverzögerung zwischen Pumpeninbetriebnahme
und dem Einsetzen der Wirkstoff-Förderung wird durch die 2a und 2b illustriert. In 2a ist der Ausgangszustand der Pumpe
kurz nach Aktiveren des Aktors 2 dargestellt. Infolge der
Aktorquellung wird nun der Aktor 2 die Verzögerungsscheibe 14,
wenn diese vorhanden ist, sowie das Wirkstoffreservoir 5,
wenn dies beweglich ist, in Richtung des Öffneranstiches 10 über eine
Länge lVZ schieben, bis die Endposition des Zeitverzögerungsvorganges
nach 2b erreicht ist,
bei der das Wirkstoffreservoir 5 an den Öffneranstich 10 gepreßt wird.
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Die Zeitverzögerung ist eine Funktion der Länge lVZ. Je größer lVZ ist, um so länger ist die Zeitverzögerung.
Der Pumpennutzer kann die Zeitverzögerung einstellen, indem er
die Länge
lVZ durch Drehen der Einstellschraube 11,
welche mit einem Gewinde am Pumpengehäuse 1 befestigt ist,
verändert. Vorteilhaft
befindet sich auf dem Pumpengehäuse 1 eine
entsprechende Zeitskala und an der Einstellschraube 11 eine
Markierung. Der Zusammenhang Zeitverzögerung – lVZ kann
als linear angenommen werden, wenn der Aktor 2 überdimensioniert
ist und somit nur der praktisch lineare Anstieg der Aktorkennlinie
(siehe 3) genutzt wird.
Dieser Zusammenhang ist eine Optimierungsgröße, der experimentell an die
jeweilige Förderaufgabe
angepaßt werden
muß .
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Nach dem Passieren der Zeitverzögerungseinheit
wird das bis dahin steril verschlossene Wirkstoffreservoir 5 durch
den Aktor 2 so an den Öffneranstich 10 gepreßt, das
die Wirkstoffreservoirumhüllung
von diesem durchstochen und damit geöffnet wird. Mit dem verbleibenden
Aktorhub wird nun in einer bestimmten Zeit das Wirkstoffreservoir,
welches im dargestellten Fall eine elastische Umhüllung besitzt, über den
Wirkstoffauslaß 8 entleert.
Im Falle einer starren Reservoirausführung 5 muß aktorseitig ein
bewegliches Glied, z.B. ein Stopfen, anstichseitig eine durchstechbare
Membran vorliegen.
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Ist ein Schutz gegen übermäßige Wirkstoffausschüttung erforderlich,
wie sie z.B. bei mechanischer Deformation eines elastischen Pumpengehäuses 1 auftreten
kann, läßt sich
eine Flußbegrenzungseinrichtung 9 in
Form von Kugelventilen (siehe 1),
Klappenventilen o.ä.
leicht zwischen Anstich 10 und Wirkstoffauslaß 8 plazieren.
Diese Ventile sind druckdifferenzgesteuert. Bei niedrigen Druckdifferenzen
bzw. Strömungsgeschwindigkeiten
sind sie geöffnet,
während
sie bei Überschreiten
bestimmter Druckdifferenzen bzw. Strömungsgeschwindigkeiten zwischen
Ein- und Ausgang schließen.
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Für
die in 1 dargestellte
Pumpe soll anhand von 4 ein
Anwendungsbeispiel vorgestellt werden. Ein anzunehmender Nutzer
möchte
21.00 Uhr ins Bett gehen. Er muß sich
seinen Wirkstoff gegen 3.00 Uhr applizieren. Deshalb stellt er eine
Zeitverzögerung
von 6h durch entsprechende Drehung der Einstellschraube 11 ein.
Anschließend
setzt er die Pumpe an und nimmt sie durch Betätigung des Pumpenauslösers 7 in
Betrieb. Nach sechsstündiger Verzögerungszeit
fördert
die Pumpe innerhalb von etwa 90min 475μl Wirkstoff. Die für die in 4 dargestellte Abgabecharakteristik
verwendete Pumpe besitzt den in 1 dargestellten
Aufbau. Als Aktormaterial 2 kam ein kommerziell erhältliches
Na-Polyacrylat-Hydrogel der Fa. BASF zum Einsatz, welches eine Partikelgröße von (650 ± 50)μm aufwies.
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Anhand von 5 sollen Pumpen vorgestellt werden, die
für eine
kontinuierliche Förderung
mit einer definierten Wirkstoff-Abgabemenge pro Zeiteinheit über einen
bestimmten, einstellbaren Zeitraum konzipiert sind.
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Die Pumpe besitzt zunächst die
gleichen Hauptbestandteile wie die nach 1, jedoch ohne Zeitverzögerungseinheit,
da diese für
die nun beschriebene Anwendung unnötig ist. Sie wird durch Betätigen des
Pumpenauslösers 7 in
Betrieb genommen, indem der vom Nutzer erzeugte Kraftfluß über die
vollständig
zusammengedrückte
Vorspannfeder 6 auf das Quellmittelreservoir 4 so
geleitet wird, daß die
zum Durchstechen der aktorseitigen Umwandung des Quellmittelreservoirs 4 mit
dem Anstich 13 nötige Kraft überschritten
wird. Durch die Anstichnadel 13 kann nun das Quellmittel
zum Aktor 2 gelangen. Die Lageunabhängigkeit der Quellmittelzuführung wird wieder
durch die Vorspanneinrichtung 6 mittels hydrostatischem Überdruck
gewährleistet.
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Zunächst muß das Quellmittel jedoch die Wahlscheibe
des effektiven Zuleitungsquerschnittes 17 passieren. In 5 besitzt das Element 17 drei konzentrisch
angeordnete Bereiche mit unterschiedlichen Zuleitungsquerschnitten 17a,
b, c (siehe auch 5a).
Da die Wahlscheibe 17 drehbar gelagert ist, kann der Nutzer
einen entsprechenden Zuleitungsquerschnitt auswählen und so die bereitstehende Quellmittelmenge
pro Zeiteinheit festlegen. Damit kann er die Förderrate der Pumpe festlegen,
also, wieviel Wirkstoff pro Zeiteinheit gefördert werden soll.
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Nun gelangt das zeitlich dosierte
Quellmittel an die Wahlscheibe 12, welche beispielsweise
mit drei, entsprechend der konzentrischen Anordnung der Zuleitungsquerschnitte
des Elementes 17, plazierten Funktionsbohrungen versehen
ist. In diesen Funktionsbohrungen befinden sich z.B. drei verschiedene
Aktorsegmente 2a, 2b, 2c (siehe 5a), die sowohl eine verschiedene
Aktormaterialzusammensetzung als auch verschiedene Füllmengen
enthalten können.
Durch entsprechende Wahl des zu aktivierenden Aktors 2a, b,
c kann u.a. das maximal förderbare
Gesamtvolumen über
die aktorisch wirksame Füllmenge
an Aktormaterial eingestellt werden. Weiterhin ist eine Feineinstellung
der Aktordynamik usw. denkbar. Prinzipiell kann durch Einsatz der
verschiedenen bereits vorgestellten Kennlinieneinstellmöglichkeiten
in dem Wahlscheibensystem sowie deren Kombination der gleiche Effekt
einer kontinuierliche Förderung
mit einer definierten Wirkstoff-Abgabemenge pro Zeiteinheit über einen
bestimmten, einstellbaren Zeitraum erreicht werden. Auch das Wahlsystem
kann anders, als hier geschildert, ausgeführt sein.
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Das durch das Wahlelement 17 zeitlich
dosierte Quellmittel aktiviert nun das mit Wahlscheibe 12 ausgewählte Aktorsegment
wie z.B. 2a. Dieses drückt
nun auf das ebenfalls konzentrisch gelagerte Wirkstoffreservoir 5 und
drückt
dieses bis zum Durchstechen an den Anstich 10. Der Anstich 10 öffnet nun das
bis dahin steril verschlossene Wirkstoffreservoir 5 und
ermöglicht
den Wirkstoffabfluß durch
den Wirkstoffauslaß B.
Der verbleibende Aktorhub treibt den Wirkstoff bis zu der von Aktormaterial
bzw. Aktorfüllmenge
vorgegebenen Menge aus.
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Durch eine entsprechende Kombination mehrerer
Wahlelemente kann eine automatisch fördernde Pumpe mit einstellbarer,
pulsatiler Abgabekennlinie realisiert werden. Eine solche Pumpe
ist beispielhaft in 6 dargestellt.
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Zunächst ist der Funktionsablauf
der gleiche, wie er für
die Konfiguration nach 5 beschrieben ist.
Nach einsetzen des Quellmittelzuflusses muß das Quellmittel einen definierten
Zuleitungsquerschnitt passieren, der wiederum als Wahlscheibe, oder
wie in 6a dargestellt,
in Form der Trennmembranen 16a, b, c als Bestandteil der
Wahlscheibe 12a ausgeführt
sein kann. Danach erreicht das Quellmittel das mit der Wahlscheibe 12a ausgewählte Aktorsegment 2a,
b oder c, welches nun anfängt zu quellen. Die Quellmittelfront
durchdringt das ausgewählte
Aktorsegment der Wählscheibe 12a vollständig und
erreicht nun das durch die Wählscheibe 12b zugeschaltete
Aktorsegment, welches andere zeitlich-aktorische Eigenschaften als
das von 12a besitzen kann. Der gleiche Ablauf erfolgt bei
der Wählscheibe 12c.
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Durch den jeweiligen Aktorhub werden
die nachgeschalteten Aktorsegmente aus ihrer Lage in den Wählscheiben
gedrängt.
Dies ist jedoch unkritisch, da mit den Wählscheiben 12a, b, c nur
die Zusammenstellung einzelner Förderabschnitte
und deren zeitlicher Ablauf festgelegt wird. Die Funktionsbohrungen 15a,
b, c der Wählscheiben 12 können neben
Aktormaterial auch aktorisch unwirksames, aber den Aktorhub und
die Quellmittelfront weiterleitendes Material enthalten. Dies ist
vor allem für
Förderunterbrechungen
relevant.
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Der resultierende zeitlich definierte
Aktorhub öffnet
nun in der bereits bei 5 geschilderten Form
das Wirkstoffreservoir 5 und treibt den Wirkstoff pulsatil über den
Wirkstoffauslaß 8 aus
der Pumpe aus.
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Auch diese mechanisch programmierbare Pumpe
kann ausschließlich
oder in Kombination auf den bereits geschilderten anderen Möglichkeiten
der Pumpenkennlinienbeeinflussung beruhen.
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- 1
- Pumpengehäuse
- 1a
- Abdeckkappe
- 1b
- Gehäuseteil 1
- 1c
- Gehäuseteil 2
- 2
- Gelaktor
- 2a
- Aktorsegment 1
- 2b
- Aktorsegment 2
- 2c
- Aktorsegment 3
- 3
- Aktorkammer
- 4
- Quellmittelreservoir
- 5
- Wirkstoffreservoir
- 6
- Vorspanneinrichtung
- 7
- Pumpenauslöser
- 7a
- Quellmittelzuführungselement
- 8
- Wirkstoffauslaß
- 9
- Floßbegrenzung
- 10
- Öffneranstich
Wirkstoffreservoir
- 11
- Einstellschraube
für die
Zeitverzögerung;
Abdeckkappe
- 12
- Wahlscheiben
- 12a
- Wahlscheibe 1
- 12b
- Wahlscheibe 2
- 12c
- Wahlscheibe 3
- 13
- Öffneranstich
Quellmittelreservoir
- 14
- Verzögerungsscheibe
- 15
- Funktionsbohrung
- 15a
- Funktionsbohrung 1
- 15b
- Funktionsbohrung 2
- 15c
- Funktionsbohrung 3
- 16
- Trennmembran
- 16a
- Trennmembran 1
- 16b
- Trennmembran 2
- 16c
- Trennmembran 3
- 17
- Wahlscheibe
des effektiven Quellmittelzuleitungsquerschnittes
- 17a
- Zuleitungsquerschnitt 1
- 17b
- Zuleitungsquerschnitt 2
- 17c
- Zuleitungsquerschnitt 3