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JP2019534775A - 適応型エレクトロスプレー装置 - Google Patents

適応型エレクトロスプレー装置 Download PDF

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JP2019534775A JP2019511750A JP2019511750A JP2019534775A JP 2019534775 A JP2019534775 A JP 2019534775A JP 2019511750 A JP2019511750 A JP 2019511750A JP 2019511750 A JP2019511750 A JP 2019511750A JP 2019534775 A JP2019534775 A JP 2019534775A
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Abstract

本主題は、大気（たとえば真空ではない）中で作動するとき一貫した出力を生成する適応型エレクトロスプレー装置を含む。たとえば、本主題は、2つの電流基準点（それぞれエミッタおよび対電極における）をモニタし、寄生損失を説明付けるエミッタ電流の変化を測定し、エミッタ電流を相応に調節することができる適応型システムを含む。加えて、本主題は、エミッタのアレイであって、アレイ中の異なるエミッタの電位を、隣接するエミッタからの干渉を軽減または除去する所定の順序で速やかにオンおよびオフに切り替える、エミッタのアレイを有する、高スループット適応型エレクトロスプレー装置を含む。関連する機器、システム、技術および物品もまた記載される。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、35U.S.C.§119の下、全内容が明示的に参照により本明細書に組み入れられる、2016年8月31日に出願された米国特許仮出願第62/381,667号への優先権を主張する。
技術分野
本明細書に記載される主題は、信頼しうる出力を提供する適応型エレクトロスプレー技術に関する。
背景
エレクトロスプレーシステムとは、電位（電圧）を利用して導電性ソースエミッタと導電性対電極との間のギャップに液体を分散させるシステムである。エレクトロスプレーシステムは概して1つのエミッタで実現される。そのようなシステムによって出力されるエレクトロスプレーの特徴は概してエレクトロスプレーモードによって決まる。たとえばコーンジェットモードでは、エレクトロスプレーは、エレクトロスプレー粒子液滴またはコロイドサイズ、生成と対電極上での付着との間の粒子飛行時間、粒子の蒸発速度、粒子の単分散性、分散パターン、粒子の表面に保持される電荷、エミッタと対電極との間を流れる、粒子によって運ばれるエレクトロスプレー電流、電圧、電流および電荷周波数成分に対する、液滴を噴出するテイラーコーンの振動、ならびにエレクトロスプレーされる溶液内での化学的イオン輸送をはじめとする多数のパラメータで特徴付けされる。化学溶液のエレクトロスプレーは、多数の相互依存性パラメータを有する複雑な現象である。その結果、エレクトロスプレーシステムの出力は、たとえば日ごとの湿度変化のせいで一貫せず、有意に変動しうる。
概要
本主題は、大気（たとえば真空ではない）中で作動するとき一貫した出力を生成する適応型エレクトロスプレー装置を含む。エレクトロスプレー出力は、エミッタから対電極（コレクタとも呼ばれる）に流れる電流に依存するため、周囲湿度が寄生電流損失を生じさせる。電離電流は慣例的に特徴付けパラメータとして使用されない。本主題は、動作の特徴付けパラメータとして電離電流を使用する装置を含む。たとえば、本主題は、2つの電流基準点（それぞれエミッタおよび対電極における）をモニタし、寄生損失を説明付けるエミッタ電流の変化を測定し、エミッタ電流を相応に調節することができる適応型システムを含む。
加えて、本主題は、エミッタのアレイを有する適応型エレクトロスプレー装置を含む。1つのエミッタ／対電極ペアが使用される場合、エミッタと対電極との間の電位差が、分散される液体のテイラーコーン形成を生じさせる電場をエミッタと対電極との間に発生させる。しかし、エミッタのアレイが、同時に作動する隣接するエミッタを有する場合、それらそれぞれの高電圧電位が電場に影響し、それがテイラーコーン形成に干渉する、またはテイラーコーン形成を阻止さえする。エミッタ干渉は所望のエレクトロスプレー動作を妨げる。本主題は、アレイ中の異なるエミッタの電位を、隣接するエミッタからの干渉を軽減または除去する所定の順序で速やかにオンおよびオフに切り替える、高スループット適応型エレクトロスプレー装置を含む。
ある局面において、エレクトロスプレー機器は、第一の電流計測ユニット、第二の電流計測ユニットおよび制御装置を含む。第一の電流計測ユニットは、エミッタに電気的に結合され、エミッタ電流を計測する。第二の電流計測ユニットは、対電極に電気的に結合され、対電極電流を計測する。制御装置は、エミッタ電流計測値および対電極電流計測値を受け取り、受け取ったエミッタ電流計測値および受け取った対電極電流計測値に基づいて、エミッタと対電極との間の寄生電流損失を補償するための電流調節値を算出し、算出した電流調節値に基づいてエミッタ電流を調節するように構成されている。
別の局面において、エレクトロスプレー機器はエミッタのアレイおよび制御装置を含む。エミッタのアレイは第一のエミッタおよび第二のエミッタを含む。制御装置は、第一の期間中、第一のエミッタを付勢し、第二の期間中、第二のエミッタを付勢するように構成されている。第一の期間と第二の期間とは重複しない。
さらに別の局面において、エミッタに電気的に結合され、エミッタ電流を計測する第一の電流計測ユニットから、エミッタ電流計測値が受け取られることができる。対電極電流計測値は、対電極に電気的に結合され、対電極電流を計測する第二の電流計測ユニットから受け取られる。電流調節値が、受け取られたエミッタ電流計測値および受け取られた対電極電流計測値に基づいて算出される。電流調節値は、エミッタと対電極との間の寄生電流損失を補償するための値である。エミッタ電流は、算出された電流調節値に基づいて調節することができる。
以下の特徴の1つまたは複数を任意の実行可能な組み合わせで含めることができる。たとえば、電流源がエミッタに電気的に結合されることができ、電流源は、対電極に対する500ボルト超または500ボルト未満の電圧で電流を提供する。エミッタのアレイがエミッタおよび第二のエミッタを含むことができる。制御装置は、第一の期間中、第一のエミッタを付勢し、第二の期間中、第二のエミッタを付勢するように構成されることができる。第一の期間と第二の期間とは重複しないことができる。
マイクロ流体溶液源を含めることができ、溶液をエミッタに連続的に提供するように構成することができる。第一の電流計測ユニットは高電圧ナノ電流計を含むことができる。装置はさらにエミッタを含むことができる。エミッタは、流体を分散させるためのカニューレを含むことができる。装置はさらに、対電極を含むことができる。対電極は、エミッタによって放出された分散荷電溶液を受けるように配置されることができる。対電極は、金、酸化インジウムスズ（ITO）、銅、ニッケルめっき銅またはステンレス鋼を含むことができる。エミッタは、0.1気圧〜10気圧の環境中に液体を分散させるまたはスプレーすることができる。
装置はさらに、重力リザーバを含む液体源を含むことができる。装置は、エミッタよりも大きい電位を有する電気浸透（EO）ポンプを含む液体源を含むことができる。いくつかの態様においては、一定制御圧力源を含めることができる。
抽出器がエミッタと対電極との間に配置されることができる。抽出器は、エミッタと対電極との間の電位差よりも小さい、対電極との電位差を有することができ、抽出器は、調節可能な環状開口を含む。
電流調節値の算出は、計測されたエミッタ電流から計測された対電極電流を差し引くことを含むことができる。第二の電流計測ユニットは電流ミラーであることができる。エミッタスイッチはエミッタを電源に結合することができ、制御信号を受け取ることができる。算出された電流調節値に基づくエミッタ電流の調節は、制御信号のデューティサイクルを変更することを含むことができる。制御信号はパルス幅変調されることができる。
エミッタのアレイ中の各エミッタは、対応する対電極を有することができる。マイクロ流体溶液源が、溶液をエミッタのアレイに連続的に提供するように構成されることができる。第一の電子スイッチが第一のエミッタを制御することができる。第二の電子スイッチが第二のエミッタを制御することができる。制御装置は、第一の制御信号を第一の電子スイッチに提供することにより、第一のエミッタを付勢することができる。第一の制御信号は、パルス幅変調されていることができ、かつデューティサイクルを有することができる。
制御装置は、エミッタ電流計測値および対電極電流計測値を受け取り；受け取ったエミッタ電流計測値および受け取った対電極電流計測値に基づいて、エミッタと対電極との間の寄生電流損失を補償するための電流調節値を算出し；算出した電流調節値に基づいて、第一の制御信号のデューティサイクルを変更することにより、エミッタ電流を調節するように構成されることができる。
デューティサイクルは1〜99％であることができる。デューティサイクルは約10、50、70または90％であることができ、ここで、約とは10％以内である。デューティサイクルは50％よりも大きいことができる。制御信号は1ヘルツ〜10,000ヘルツの周波数を含むことができる。周波数は約1、100または1000ヘルツであることができ、ここで、約とは10％以内である。エレクトロスプレーのためにエミッタに提供する前にポリマーと細胞とを混合するための混合要素が、エミッタに流体的に接続されることができる。
画像取得装置が含まれ、エミッタと対電極との間の領域を見るために配置されることができ、画像取得装置は、その領域の画像を取得するように構成されている。制御装置は、領域の画像を使用して、領域内の粒子の特徴を検出するように構成されることができる。排斥要素が含まれることができ、制御装置に結合されることができる。排斥要素は、エミッタから収集区域までの粒子経路を変更することにより、基準を満たさない粒子（たとえばエミッタ出力）を排斥することができる。排斥要素は、帯電要素（たとえば静電スクラバ）、空気ジェット、機械的ドア、遮断弁などを含むことができる。制御装置はさらに、検出された特徴が基準を満たさない（たとえば、しきい値を超える、たとえば所定の許容範囲外の物理的寸法を有する）と決定し、その決定に応答して、静電スクラバを作動させるように構成されることができる。
溶液は、エミッタによってスプレーされて、10ナノメートル〜3000マイクロメートルの直径を有する粒子を形成することができる。直径は、1マイクロメートル〜2500マイクロメートル；1マイクロメートル〜100マイクロメートル；1マイクロメートル〜10マイクロメートル；10マイクロメートル〜50マイクロメートル；または20マイクロメートル〜40マイクロメートルであることができる。
ポリマー封入された生細胞の作製は、エレクトロスプレー機器を使用して、生細胞の集団およびポリマー溶液をエレクトロスプレーすることを含むことができる。生細胞は、第一のエミッタを介してスプレーすることができ、ポリマー溶液は、第二のエミッタを介してスプレーすることができる。
化合物、治療薬または診断薬をポリマーと混合することができる。混合は、エレクトロスプレーのために第一のエミッタに提供する前に、第一のエミッタに流体的に接続された混合要素中で行われることができる。
ある局面において、機器は、エレクトロスプレーエミッタ；エミッタに電気的に結合され、エミッタ電流を計測する第一の電流計測ユニット；対電極；対電極に電気的に結合され、対電極電流を計測する第二の電流計測ユニット；ならびに、エミッタ電流計測値および対電極電流計測値を受け取り、受け取ったエミッタ電流計測値および受け取った対電極電流計測値に基づいて、エミッタと対電極との間の寄生電流損失を補償するための電流調節値を算出し、算出した電流調節値に基づいてエミッタ電流を調節するように構成された制御装置を含む。
いくつかの態様において、機器はさらに、対電極に対する500ボルト超または500ボルト未満の電圧で電流を提供する、エミッタに電気的に結合された電流源を含む。
いくつかの態様において、機器はさらに、第一のエミッタおよび第二のエミッタを含むエミッタのアレイを含み、前記エミッタは第一のエミッタであり；制御装置は、第一の期間中、第一のエミッタを付勢し、第二の期間中、第二のエミッタを付勢するように構成され、第一の期間と第二の期間とは重複しない。
いくつかの態様において、機器はさらに、溶液をエミッタに連続的に提供するように構成されたマイクロ流体溶液源を含む。
いくつかの態様において、第一の電流計測ユニットは高電圧ナノ電流計である。
いくつかの態様において、エミッタは、流体を分散させるためのカニューレを含む。
いくつかの態様において、対電極は、エミッタによって放出された分散荷電溶液を受けるように配置されている。
いくつかの態様において、対電極は、金、酸化インジウムスズ（ITO）、銅、ニッケルめっき銅またはステンレス鋼を含む。
いくつかの態様において、エミッタは、0.1気圧〜10気圧の環境中に液体を分散させる。
いくつかの態様において、機器はさらに、重力リザーバを含む液体源を含む。
いくつかの態様において、機器はさらに、エミッタよりも大きい電位を有する電気浸透（EO）ポンプを含む液体源を含む。
いくつかの態様において、機器はさらに、エミッタと対電極との間に配置された抽出器を含み、抽出器は、エミッタと対電極との間の電位差よりも小さい、対電極との電位差を有し、抽出器は調節可能な環状開口を含む。
いくつかの態様において、電流調節値の算出は、計測されたエミッタ電流から計測された対電極電流を差し引くことを含む。
いくつかの態様において、第二の電流計測ユニットは電流ミラーである。
いくつかの態様において、機器はさらに、エミッタを電源に結合し、制御信号を受け取るエミッタスイッチを含み；算出された電流調節値に基づくエミッタ電流の調節は、制御信号のデューティサイクルを変更することを含み、制御信号はパルス幅変調される。
いくつかの態様において、デューティサイクルは1〜99％である。
いくつかの態様において、デューティサイクルは約10、50、70または90％であり、約とは10％以内である。
いくつかの態様において、制御信号は1ヘルツ〜10,000ヘルツの周波数を含む。
いくつかの態様において、周波数は約1、100または1000ヘルツであり、約とは10％以内である。
いくつかの態様において、機器はさらに、エレクトロスプレーのためにエミッタに提供する前にポリマーと細胞とを混合するための、エミッタに流体的に接続された混合要素を含む。
いくつかの態様において、機器はさらに、エミッタと対電極との間の領域を見るために配置された、その領域の画像を取得するように構成された画像取得装置を含み；制御装置は、領域の画像を使用して、領域内の粒子の特徴を検出するように構成されている。
いくつかの態様において、機器はさらに、制御装置に機能的に結合された排斥要素を含み、制御装置はさらに、検出された特徴が基準を満たさないと決定し、その決定に応答して、排斥要素を作動させるように構成され、排斥要素は、静電偏向要素、エアジェット、機械的ドアまたは遮断弁である。
別の局面において、機器は、第一のエミッタおよび第二のエミッタを含むエレクトロスプレーエミッタのアレイ；ならびに、第一の期間中、第一のエミッタを付勢し、第二の期間中、第二のエミッタを付勢するように構成された制御装置を含み、第一の期間と第二の期間とは重複しない。
いくつかの態様において、エミッタのアレイ中の各エミッタは、対応する対電極を有する。
いくつかの態様において、機器はさらに、溶液をエミッタのアレイに連続的に提供するように構成されたマイクロ流体溶液源を含む。
いくつかの態様において、機器はさらに、第一のエミッタを制御する第一の電子スイッチ；および第二のエミッタを制御する第二の電子スイッチを含む。
いくつかの態様において、制御装置は、第一の制御信号を第一の電子スイッチに提供することによって第一のエミッタを付勢し、第一の制御信号は、パルス幅変調されており、かつデューティサイクルを有する。
いくつかの態様において、制御装置はさらに、エミッタ電流計測値および対電極電流計測値を受け取り；受け取ったエミッタ電流計測値および受け取った対電極電流計測値に基づいて、エミッタと対電極との間の寄生電流損失を補償するための電流調節値を算出し；算出した電流調節値に基づいて、第一の制御信号のデューティサイクル、電圧または周波数を変更することにより、エミッタ電流を調節するように構成されている。
いくつかの態様において、デューティサイクルは50％よりも大きい。
いくつかの態様において、デューティサイクルは1〜99％である。
いくつかの態様において、デューティサイクルは約70または90％であり、約とは10％以内である。
いくつかの態様において、制御信号は1ヘルツ〜10,000ヘルツの周波数を含む。
いくつかの態様において、周波数は約1、100または1000ヘルツであり、約とは10％以内である。
いくつかの態様において、機器はさらに、エレクトロスプレーのためにエミッタに提供する前にポリマーと細胞とを混合するための、エミッタに流体的に接続された混合要素を含む。
いくつかの態様において、機器はさらに、エミッタと対電極との間の領域を見るために配置された、その領域の画像を取得するように構成された画像取得装置を含み；制御装置は、領域の画像を使用して、領域内の粒子の特徴を検出するように構成されている。
いくつかの態様において、機器はさらに、制御装置に機能的に結合された排斥要素を含み、制御装置はさらに、検出された特徴が基準を満たさないと決定し、その決定に応答して、排斥要素を作動させるように構成され、排斥要素は、静電偏向要素、エアジェット、機械的ドアまたは遮断弁である。
さらに別の局面において、方法は、エミッタに電気的に結合され、エミッタ電流を計測する第一の電流計測ユニットからエミッタ電流計測値を受け取る工程；対電極に電気的に結合され、対電極電流を計測する第二の電流計測ユニットから対電極電流計測値を受け取る工程；受け取ったエミッタ電流計測値および受け取った対電極電流計測値に基づいて、エミッタと対電極との間の寄生電流損失を補償するための電流調節値を算出する工程；および算出した電流調節値に基づいてエミッタ電流を調節する工程を含む。
いくつかの態様において、第一の電流計測ユニットは高電圧ナノ電流計である。
いくつかの態様において、エミッタは、流体を分散させるためのカニューレを含む。
いくつかの態様において、対電極は、エミッタによって放出された分散荷電溶液を受けるように配置されている。
いくつかの態様において、方法はさらに、0.1気圧〜10気圧の環境中に溶液をエミッタによってスプレーする工程を含む。
いくつかの態様において、電流調節値を算出する工程は、計測されたエミッタ電流から計測された対電極電流を差し引くことを含む。
いくつかの態様において、算出した電流調節値に基づいてエミッタ電流を調節する工程は、制御信号のデューティサイクルを変更することを含み、制御信号はパルス幅変調され、エミッタを電源に結合するエミッタスイッチを制御する。
いくつかの態様において、デューティサイクルは50％よりも大きい。
いくつかの態様において、デューティサイクルは約70または90％であり、約とは10％以内である。
いくつかの態様において、制御信号は1ヘルツ〜10,000ヘルツの周波数を含む。
いくつかの態様において、周波数は約1、100または1000ヘルツであり、約とは10％以内である。
いくつかの態様において、機器はさらに、エレクトロスプレーのためにエミッタに提供する前にポリマーと細胞とを混合するための、エミッタに流体的に接続された混合要素を含む。
いくつかの態様において、機器はさらに、エミッタと対電極との間の領域を見るために配置された、その領域の画像を取得するように構成された画像取得装置を含み；制御装置は、領域の画像を使用して、領域内の粒子の特徴を検出するように構成されている。
いくつかの態様において、機器はさらに、制御装置に機能的に結合された排斥要素を含み、制御装置はさらに、検出された特徴が基準を満たさないと決定し、その決定に応答して、排斥要素を作動させるように構成され、排斥要素は、静電偏向要素、エアジェット、機械的ドアまたは遮断弁である。
いくつかの態様において、方法はさらに、10ナノメートル〜3000マイクロメートルの直径を有する粒子を形成するように、溶液をエミッタによってスプレーする工程を含む。
いくつかの態様において、直径は、1マイクロメートル〜2500マイクロメートル；1マイクロメートル〜100マイクロメートル；1マイクロメートル〜10マイクロメートル；10マイクロメートル〜50マイクロメートル；または20マイクロメートル〜40マイクロメートルである。
いくつかの態様において、ポリマー封入された生細胞を作製する方法は、機器を使用して、生細胞の集団およびポリマー溶液をエレクトロスプレーする工程を含む。
いくつかの態様において、生細胞は第一のエミッタを介してスプレーされ、ポリマー溶液は第二のエミッタを介してスプレーされる。
いくつかの態様において、方法はさらに、化合物、治療薬または診断薬をポリマーと混合する工程であって、混合が、エレクトロスプレーのために第一のエミッタに提供する前に、第一のエミッタに流体的に接続された混合要素中で行われる、工程を含む。
また、1つまたは複数のコンピューティングシステムの1つまたは複数のデータプロセッサによって実行されると、少なくとも1つのプロセッサをして本明細書における動作を実行させる命令を記憶する非一時的コンピュータプログラム製品（すなわち、物理的に具現化されたコンピュータプログラム製品）が記載される。同様に、1つまたは複数のデータプロセッサおよび1つまたは複数のデータプロセッサに結合されたメモリを含み得るコンピュータシステムも記載される。メモリは、少なくとも1つのプロセッサをして本明細書に記載される動作の1つまたは複数を実行させる命令を一時的または永久的に記憶し得る。加えて、方法は、1つのコンピューティングシステム内の、または2つ以上のコンピューティングシステムの間に分散した1つまたは複数のデータプロセッサによって実現されることができる。そのようなコンピューティングシステムは、ネットワーク（たとえばインタネット、ワイヤレスワイドエリアネットワーク、ローカルエリアネットワーク、ワイドエリアネットワーク、有線ネットワークなど）上の接続をはじめとする1つまたは複数の接続を介して、複数のコンピューティングシステムの1つまたは複数の間の直接接続などを介して、接続されることができ、データおよび／またはコマンドもしくは他の命令などを交換することができる。
本明細書に記載される主題の1つまたは複数の変形の詳細が添付図面および以下の詳細な説明に記載される。本明細書に記載される主題の他の特徴および利点は、詳細な説明および図面ならびに特許請求の範囲から明らかになるであろう。
適応型エレクトロスプレー装置を示すシステムブロック図である。 例示的なエレクトロスプレー装置の図である。 図3〜5は、例示的態様の写真である。 図3〜5は、例示的態様の写真である。 図3〜5は、例示的態様の写真である。 図6〜10は、安定なチューブレスかつパルスレスな溶液の入力を提供する例示的なハウジング・リザーバ構成を示す。 図6〜10は、安定なチューブレスかつパルスレスな溶液の入力を提供する例示的なハウジング・リザーバ構成を示す。 図6〜10は、安定なチューブレスかつパルスレスな溶液の入力を提供する例示的なハウジング・リザーバ構成を示す。 図6〜10は、安定なチューブレスかつパルスレスな溶液の入力を提供する例示的なハウジング・リザーバ構成を示す。 図6〜10は、安定なチューブレスかつパルスレスな溶液の入力を提供する例示的なハウジング・リザーバ構成を示す。 例示的な抽出器を示す。 エミッタと対電極との間の、図11の例示的な抽出器の配置を示す。 エレクトロスプレー装置の電気回路モデルである。 図14〜16は、電流調整電源および電流調整電源に接続された例示的なシステムを示す。 図14〜16は、電流調整電源および電流調整電源に接続された例示的なシステムを示す。 図14〜16は、電流調整電源および電流調整電源に接続された例示的なシステムを示す。 変わりやすい湿度を補償するためにエレクトロスプレーシステム（たとえば、図1および2に示すエレクトロスプレーシステム）を適合させる方法を示すプロセス流れ図である。 エミッタが円形配置で離間しているエミッタアレイを示す。 図19〜21は、3つのエミッタ作動シナリオの場合の電圧および電場強度分布を示す。 図19〜21は、3つのエミッタ作動シナリオの場合の電圧および電場強度分布を示す。 図19〜21は、3つのエミッタ作動シナリオの場合の電圧および電場強度分布を示す。 図22A〜Bおよび23A〜Bは、4つの例示的なエミッタアレイ配置を示す。 図22A〜Bおよび23A〜Bは、4つの例示的なエミッタアレイ配置を示す。 GMP細胞処理および製造のための使い捨て無菌バッグの写真である。 電流制御モジュールの例示的態様のシステムブロック図である。 電流制御モジュールの別の例示的態様のシステムブロック図である。 N個のエミッタのアレイ中のエミッタを選択的にアクティブ化するための例示的な制御信号を示すエミッタ励起タイミング図である。 1つの制御信号パルスのパルス幅変調を示すエミッタ励起タイミング図である。 エレクトロスプレー装置の例示的態様を使用して計測したリン酸緩衝生理食塩水（PBS）1×の場合の電流と電圧との関係を示す。 変化する電圧におけるエミッタの出力を示す。 図31〜32は、例示的な粒子サイズ決めおよび追跡アルゴリズムの画像を示す。 図31〜32は、例示的な粒子サイズ決めおよび追跡アルゴリズムの画像を示す。 図33および34は、例示的なマイクロ流体混合チップを示す。 図33および34は、例示的なマイクロ流体混合チップを示す。 例示的なDolomiteマイクロ流体ミキサチップ中での混合ののち、生きたヒトTリンパ球（Jurkat細胞）の割合を示す。 図36〜37は、パルス幅（PW）が正パルス活動時間であり、Tが信号の期間である、例示的な制御信号を示す。 図36〜37は、パルス幅（PW）が正パルス活動時間であり、Tが信号の期間である、例示的な制御信号を示す。 エミッタが常時付勢されるエレクトロスプレープロセスの一連の取り込み画像を示す。 図39〜52は、様々な制御信号および溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力を示す。 図39〜52は、様々な制御信号および溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力を示す。 図39〜52は、様々な制御信号および溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力を示す。 図39〜52は、様々な制御信号および溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力を示す。 図39〜52は、様々な制御信号および溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力を示す。 図39〜52は、様々な制御信号および溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力を示す。 図39〜52は、様々な制御信号および溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力を示す。 図39〜52は、様々な制御信号および溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力を示す。 図39〜52は、様々な制御信号および溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力を示す。 図39〜52は、様々な制御信号および溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力を示す。 図39〜52は、様々な制御信号および溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力を示す。 図39〜52は、様々な制御信号および溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力を示す。 図39〜52は、様々な制御信号および溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力を示す。 図39〜52は、様々な制御信号および溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力を示す。 66mSスナップショットで2秒間、モノクロ画像を撮影した、5.4kVでのアルギネートエレクトロスプレー制御を示す。 図54〜74は、様々な制御信号および封入溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力の画像である。 図54〜74は、様々な制御信号および封入溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力の画像である。 図54〜74は、様々な制御信号および封入溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力の画像である。 図54〜74は、様々な制御信号および封入溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力の画像である。 図54〜74は、様々な制御信号および封入溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力の画像である。 図54〜74は、様々な制御信号および封入溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力の画像である。 図54〜74は、様々な制御信号および封入溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力の画像である。 図54〜74は、様々な制御信号および封入溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力の画像である。 図54〜74は、様々な制御信号および封入溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力の画像である。 図54〜74は、様々な制御信号および封入溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力の画像である。 図54〜74は、様々な制御信号および封入溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力の画像である。 図54〜74は、様々な制御信号および封入溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力の画像である。 図54〜74は、様々な制御信号および封入溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力の画像である。 図54〜74は、様々な制御信号および封入溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力の画像である。 図54〜74は、様々な制御信号および封入溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力の画像である。 図54〜74は、様々な制御信号および封入溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力の画像である。 図54〜74は、様々な制御信号および封入溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力の画像である。 図54〜74は、様々な制御信号および封入溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力の画像である。 図54〜74は、様々な制御信号および封入溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力の画像である。 図54〜74は、様々な制御信号および封入溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力の画像である。 図54〜74は、様々な制御信号および封入溶液の場合の例示的なエレクトロスプレー装置のエミッタ出力の画像である。 図75〜80は、様々な封入溶液および制御信号でエレクトロスプレーされた粒子の光学顕微鏡画像を示す。 図75〜80は、様々な封入溶液および制御信号でエレクトロスプレーされた粒子の光学顕微鏡画像を示す。 図75〜80は、様々な封入溶液および制御信号でエレクトロスプレーされた粒子の光学顕微鏡画像を示す。 図75〜80は、様々な封入溶液および制御信号でエレクトロスプレーされた粒子の光学顕微鏡画像を示す。 図75〜80は、様々な封入溶液および制御信号でエレクトロスプレーされた粒子の光学顕微鏡画像を示す。 図75〜80は、様々な封入溶液および制御信号でエレクトロスプレーされた粒子の光学顕微鏡画像を示す。 図81〜85は、気候制御室内、様々な温度および湿度における様々な溶液の例示的なエレクトロスプレーの画像を示す。 図81〜85は、気候制御室内、様々な温度および湿度における様々な溶液の例示的なエレクトロスプレーの画像を示す。 図81〜85は、気候制御室内、様々な温度および湿度における様々な溶液の例示的なエレクトロスプレーの画像を示す。 図81〜85は、気候制御室内、様々な温度および湿度における様々な溶液の例示的なエレクトロスプレーの画像を示す。 図81〜85は、気候制御室内、様々な温度および湿度における様々な溶液の例示的なエレクトロスプレーの画像を示す。 フッ素化エチレンプロピレン（FEP）でコートされたエミッタを示す。 例示的なナノ電流計のいくつかの画像を示す。 粒子がサイズ、形態および／または内容物に基づいて排斥される自動偏向能力の局面を示すエレクトロスプレー装置の例示的態様である。
異なる図中、同様な符番が同様な要素を示す。
詳細な説明
本主題は、大気（たとえば真空ではない）中で作動するとき一貫した出力を生成する適応型エレクトロスプレー装置を含む。エレクトロスプレー出力は、エミッタから対電極（コレクタとも呼ばれる）に流れる電流に依存するため、周囲湿度が寄生電流損失を生じさせる。電離電流は慣例的に特徴付けパラメータとして使用されない。本主題は、動作の特徴付けパラメータとして電離電流を使用する装置を含む。たとえば、本主題は、2つの電流基準点（それぞれエミッタおよび対電極における）をモニタし、寄生損失を説明付けるエミッタ電流の変化を測定し、エミッタ電流を相応に調節することができる適応型システムを含む。この手法は、電流制御信号に基づいて他の構成要素を調節して補償することにより、システムが湿度などの周囲条件から独立して作動することを可能にする。さらに、エミッタおよび対電極両方における電流をモニタすることにより、制御システムの精度が改善する。
加えて、本主題は、エミッタのアレイを有する適応型エレクトロスプレー装置を含む。1つのエミッタ／対電極ペアが使用される場合、エミッタと対電極との間の電位差が、分散される液体のテイラーコーン形成を生じさせる電場をエミッタと対電極との間に発生させる。しかし、エミッタのアレイが、同時に作動する隣接するエミッタを有する場合、それらそれぞれの高電圧電位が電場に影響し、それがテイラーコーン形成に干渉する、またはそれを阻止さえする。エミッタ干渉は所望のエレクトロスプレー動作を妨げる。本主題は、アレイ中の異なるエミッタの電位を、隣接するエミッタからの干渉を軽減または除去する所定の順序で速やかにオンおよびオフに切り替える、高スループット適応型エレクトロスプレー装置を含む。たとえば、1つの態様において、アレイ中の各エミッタは、テイラーコーン形成が維持されるが、エミッタ干渉が減るよう、1ミリ秒間作動し、9ミリ秒間休止する。
本主題の例示的態様は、均一であり、長期（時単位、日単位、週単位、月単位）にわたり特定の特徴を維持することができ、エレクトロスプレー開始アーチファクトを最小限にし、システムの始動ごとに同じ特徴を生じさせ、プロセスを相対湿度20％〜60％の範囲内の湿度から独立させるスループットを生むことができる一貫した出力を有する装置を含む。相対湿度とは、所与の温度における水の平衡蒸気圧に対する水蒸気の分圧の比である。相対湿度は、対象となるシステムの温度および圧力に依存する。
図1は、適応型エレクトロスプレー装置100を示すシステムブロック図である。適応型エレクトロスプレー装置は、制御装置105、高電圧モジュール110、1つまたは複数の高電圧電流フィードバックセンサ115、1つまたは複数のエミッタ制御スイッチ120、1つまたは複数のエレクトロスプレーエミッタ125、1つまたは複数の分離された対電極135および1つまたは複数の低電圧電流フィードバックセンサ140を含む。
高電圧電流フィードバックセンサは、対応するエミッタ125に電気的に結合された、エミッタ電流を計測する電流計測ユニットを含むことができる。高電圧電流センサは計測回路および／または制御装置から電気的に分離されていることができる。これは、光学的分離を使用して達成することができる。例示的な高電圧電流フィードバックセンサは高電圧ナノ電流計を含むことができる（Sauer, B.E., Kara, D.M., Hudson, J.J., Tarbutt, M.R. and Hinds, E.A., 2008. A robust floating nano-ammeter. Review of Scientific Instruments, 79(12), p.126102）。図87は、例示的なナノ電流計のいくつか画像を示す。
低電圧電流フィードバックセンサは、対応する対電極135に電気的に結合された、対電極電流を計測する電流計測ユニットを含むことができる。図1は4個のエミッタを有する状態で示されているが、エミッタの個数は、4個よりも多いまたは4個よりも少ないことができ、たとえばN個のエミッタがあり得ると理解されよう。
いくつかの態様において、適応型エレクトロスプレー装置100は、制御装置105に通信可能に結合された、エミッタ125の1つまたは複数と、それぞれの対電極135との間の領域を画像化するために配置された画像取得装置145を含むことができる。画像取得装置145を利用して粒子の画像を取り込むことができる。そのような画像に基づき、粒子を分析して粒子の特徴、たとえばサイズ、形態、内容物などを決定することができる。決定した特徴をフィードバックとして使用して、適応型エレクトロスプレー装置の動作パラメータを調節する、たとえば電圧、デューティサイクル、周波数、溶液入力圧などを変えることができる。決定した特徴を排斥要素と合わせて使用して、基準を満たさない粒子を、たとえば粒径が所定の範囲外である（たとえば、粒子が大きすぎる、または小さすぎる）とき、排斥することができる。
図88は、サイズ、形態および／または内容物に基づいて粒子を排斥することができる自動偏向能力の局面を示す、エレクトロスプレー装置の例示的態様である。光源155がエミッタ125の出力を照らし、画像取得装置145が、エレクトロスプレーによって生成されたエレクトロスプレープルームまたは粒子（たとえば液滴）の画像を取り込むことができる。視覚ベースの粒子選択モジュール160（制御装置105で実現されることができる）が画像を分析して、プルームまたは粒子の特徴をリアルタイムで決定することができる。いくつかの態様において、適応型エレクトロスプレー装置100は、付勢されると（たとえば、エミッタ125の極性と反対または同じ極性に）、粒子がエミッタ125から対電極135に移動するときの粒子の飛行経路を変えることができる帯電可能な偏向要素150（たとえば帯電スクラバ、電極、プレートなど）を含むことができる。いくつかの態様において、視覚ベースの粒子選択モジュール160は、エミッタ125によって形成された粒子を評価することができ、粒子が特定の基準（たとえばサイズ、形態、組成など）を満たさないならば、視覚ベースの粒子選択モジュール160は、高速高電圧スイッチ165を使用して、帯電可能な偏向要素150をアクティブ化して、粒子が収集区域（たとえば対電極135）または関連する収集点に落ちないよう、粒子の飛行経路を変化させることができる。図88に示すように、試料収集区域は、排斥された粒子のための廃棄物収集区域を含むことができる。いくつかの態様において、視覚ベースの粒子選択モジュール160は制御装置105である。
例示的な排斥要素が偏向要素として記載されているが、他の態様が可能である。たとえば、適応型エレクトロスプレー装置は、帯電要素（たとえば静電スクラバ）、空気ジェット、機械的ドア、遮断弁などを含むことができる排斥要素を含むことができる。
いくつかの態様において、適応型エレクトロスプレー装置100は、密閉温湿度室を含む、および／またはその中に位置することができる。いくつかの態様において、制御装置105は温湿度室に機能的および通信可能に結合されることができる。いくつかの態様において、制御装置105は、エレクトロスプレーされる物質の特徴、たとえば形態を変化させるために、室内の温度および湿度を調節または制御することができる。適応型エレクトロスプレー装置は湿度への寄生電流損失を補償することができるため、湿度の制御は、エレクトロスプレーされる物質のいくつかの特徴を調節するための制御可能な手法であることができる。
図2は例示的なエレクトロスプレー装置の図であり、図3〜5は例示的態様の写真である。例示的なエレクトロスプレー装置は、高電圧パネル、対電極を有する接地パネル、リザーバに接続されているエミッタ、高電圧パワーユニットおよび制御装置を含む。
高電圧電源は、30ワットまでの出力で0V〜25kVの広い範囲のパワーを提供することができる高電圧DC-DCバイアス電源を含むことができる。高電圧電源は、プリント回路板要素のためのフォーマットで提供されることができる。たとえば、電源は、ULTRAVOLT（登録商標）（Ronkonkoma. NY）製の10A-24ADS電源を含むことができる。
例示的な装置は、対電極の上で高い電位（プラスまたはマイナス）に高められているカニューレの端部に溶液形態の化学組成物を送り出すことにより、エレクトロスプレーを生成する。荷電カニューレ（エミッタ）は、コレクタプレートからいくらかの距離だけ物理的に切り離されている。システムが作動するところの媒質が、エミッタとコレクタとの間の抵抗を提供し、この抵抗をはさんでの電圧降下が、単分散エレクトロスプレーの場合で一般的に5nA〜5000nA範囲である電流を発生させる。普通、エミッタは、常にではないが通常、接地されているコレクタ表面の上で高い電位に保持される。また、コレクタ上のその焦点を操作するために、スプレーの経路中に抽出器（たとえば、エミッタの電圧とコレクタの電圧との間の中間電圧に保持された平坦な環状面）を有することが可能である。
溶液をエミッタに送り出すために、ポンピング手段を、実質的にエミッタの一部ではないにしても、エミッタの近くに配置することができる。たとえば、本主題の例示的態様は、組み合わされたエレクトロスプレーエミッタポンプを含む。電気浸透（EO）ポンプが、EOポンプを電気的に分離するエミッタに接続され得、エレクトロスプレー電位よりも上の電位で電気的に浮動するようになる。代替的または追加的に、流体リザーバに加えられる重力または定圧ヘッドがマイクロ流体ディストリビュータチップに供給して、いくつかの等しい出力を安定なパルスレス入力から導出することができるようにする。各出力が個々のエミッタに供給することができる。いくつかの態様において、本主題は、シリンジポンプではなく定流量法を使用して、安定かつパルスレスの水流を帯電エミッタに送り出して、一貫した出力でエレクトロスプレーを生成する。図6〜10は、安定かつパルスレスの溶液の入力を提供する例示的なハウジング・リザーバ構成を示す。このハウジングは、流体溶液の特徴に依存して流体流量を調整するために、スポンジ材料またはガラスビーズなどの多孔質材料を含み得る。
いくつかの態様において、高電圧エミッタに入れる前に1つまたは複数の溶液を合わせる、および／または細胞−ポリマー溶液の均一な混合を保証するために、マイクロ流体混合チップが含まれることができる。
例示的態様において、エミッタは、たとえばルアーロックにより、第一のプリント回路板に付けることができる。対電極は第二のプリント回路板に取り付けられ、回路板は対電極とシステム接地との間にある。第二の回路板上、対電極はエッチングされ、金でフラッシュめっきされている。対電極は、金、酸化インジウムスズ（ITO）またはステンレス鋼を含むことができる。EWNS（工学的水ナノ構造体（Engineered Water Nano Structure））用途の場合、対電極の形状は環であることができる。金表面仕上げは、対電極が動作中に酸化または還元しないことを保証する。非酸化対電極は安定なエレクトロスプレー出力を促進する。対電極のサイズおよび内周の金めっきを含む環状孔のサイズが安定な形状寸法を保証する。
回路板どうしは対向し、エミッタと対電極との間の距離は、正確さのために精密機械加工された、回路板と回路板との間にあるスペーサによって制御することができる。エミッタと対電極との間の距離は、特定の溶液のために選択することができる。いくつかの態様において、ハウジングは、エミッタと対電極との間で距離のテレスコピック制御を提供して、制御パラメータ入力としての電極分離を可能にすることができる。
対向する回路板は、対電極穴と軸方向に整列した電気的に個別にアドレス指定可能なエミッタ位置を有する。各場合、回路板は、電位差およびそのエミッタを通過する電流の計測を可能にする回路を有する。
エレクトロスプレー出力を制御するために電位がしばしば使用される。また、制御手段としてエレクトロスプレー電流を使用することが公知である（Gamero-Casta and Hruby, "Electric Measurements of Charged Sprays Emitted by Cone-Jets" J. Fluid Mech (2002), vol. 459, pp. 245-276；Marsh et al, "The Control of Electrostatic Atomization Using a Closed-Loop System" Journal of Electrostatics, 20 (1988) 313-318）。エレクトロスプレー電流を使用するときの問題は、大気エレクトロスプレー中、空気への電離電流損失によって電流が寄生的に消費されることである。第一および第二の回路板の電流を計測することにより、第一の回路板の電流I1から第二の回路板の電流I3を差し引いて、大気電離による損失I2を算出することが可能である。そのようなシステムはキルヒホッフの法則に従う。
いくつかの態様において、各回路板を通過する電流は電流計を使用してモニタされる。エレクトロスプレーが、電離電流I2およびエレクトロスプレー電流I3で構成される、システム中の特定の総電流I1を発生させる。
エミッタよりも小さく、かつ対電極よりも大きい電位差にある第三の中間対電極を使用して、電場の形状を操作することができる。この中間電極は環形であることができ、抽出器と呼ばれ得る。物理的に、エミッタと対電極との間に位置する。抽出器中の環状リングのサイズ（たとえば開口のサイズ）は、光学絞りを使用して制御することができる。例示的な抽出器が図11に示され、エミッタと対電極との間のその配置が図12に示されている。開口のサイズを制御パラメータ入力として使用することができる。抽出器電圧はエミッタと対電極との間である。一般的または実用的な例は、電位0％の対電極、最大電位の100％のエミッタおよび最大電位の85％の抽出器を含むことができる。開口サイズの変化がエミッタと対電極との間の静電場の変化を生じさせる。これが他方で、電場中を移動する荷電粒子の経路、ひいてはスプレーパターンを変化させる。
いくつかの態様において、本主題は、媒質の抵抗の時間的変動および他のパラメータ、たとえば流量を考慮するための電流操作を実現する。電流操作は、特定の出力のエレクトロスプレーを生成するために適切であり、その出力（値が湿度に依存して変動する）を発生させ、保持するために必要な電位差を変えることができる。電流を操作する利点は、媒質の抵抗変化による、システム中を循環する電流（すなわち、荷電カニューレと電離に失われる電流との間を移動する粒子によって生成される電流）の変化が減少する、またはなくなることである。システムに提示される抵抗は湿度の関数であり、図13に示されており、I1（エミッタの電流）およびI3（対電極の電流）を計測することにより、電離電流I2を決定し、緩和することができる。I1は、所望のI3値が達成されるように調節することができる。所望のI3値は、特定の溶液またはエレクトロスプレー装置の使用に基づいて提供または決定され得、たとえばエレクトロスプレー装置によって生成される産物に基づいて変化し得る。所望のI3を達成するためのI1の変更が、一貫した出力でエレクトロスプレーを生成するために必要な電流を生成する。この電流調節手順は、較正手順として規則的な間隔で（たとえば1日1回または装置始動時に）実行されてもよいし、絶え間なく、たとえばフィードバックループとして実行されてもよい。このやり方が環境変動の効果を軽減して一貫した出力エレクトロスプレー装置を生成する。図14〜16は、電流調整電源および電流調整電源に接続された例示的なシステムを示す。
電流の変更は、たとえば電流源を使用して直接的であることもできるし、信号デューティサイクル、周波数および電圧を変更することを含む他の手段を通して達成されることもできる。
いくつかの態様において、エミッタの付勢状態（たとえばオンまたはオフ）は、特定の期間およびデューティサイクル（D）を有するデジタルパルス信号を使用して制御することができる。制御装置は、少なくとも2つのアナログ入力チャネルと、マイクロプロセッサとを含むことができる。少なくとも1つのアナログチャネルが高電圧ナノ電流計を通してエミッタ電流を記録することができる。少なくとも1つの他のアナログチャネルが電流ミラーを通してコレクタ電流を記録することができる。マイクロプロセッサを使用してアナログ入力電圧を処理し、信号に対して数学的演算を実施して、大気への電流の寄生損失を表すことができるそれらの差を決定することができる。この値を使用して、寄生損失を説明付けるように高電圧エミッタ電流を上下に調節することができる。
図29は、エレクトロスプレー装置の例示的態様を使用して計測したリン酸緩衝生理食塩水（PBS）1×の場合の電流と電圧との関係を示す。見てとれるように、電圧の増大がエミッタおよびコレクタ電流を一次関数的に増大させる。エレクトロスプレープロセスは、アクティブ化されたとき、抵抗回路とみなされることができ、オームの法則に従う。同じく図29から見てとれるように、エレクトロスプレーが完全に形成されたとき、エミッタ電流はコレクタ電流よりも一貫して高い。この差が、たとえば図13（図中、I1＝I2＋I3）に示すように、システム中の大気への寄生損失を表す。常時付勢される状態にあるとき、デジタル制御信号のデューティサイクルの増大は、プロセスに対し、エミッタ電圧の増大と等しい効果を及ぼすことができることが示された。変化する電圧におけるエミッタの出力を示す図29および図30から見てとれるように、電圧の変化がシステムへの電流ドローを変化させ、他方で、得られるプロセスに影響する。したがって、プロセスのデューティサイクルDの変化もまた、システム中の電流を変化させることができ、したがって、効果的な制御パラメータとして使用することができる。
図25は、電流制御モジュール2500（たとえば制御装置によって実現される）の例示的態様のシステムブロック図である。プロセスは、所望のエレクトロスプレー電流値（たとえば標的または所望のI3）を受け取ることによって開始する。電流制御モジュールは、電流I1を生成する、電源における初期電圧を設定することができる。I1の計測値が第一の電流計に送られ、第一の電流計が、対応する信号を制御装置に送る。電流がエミッタから対電極へと移動するとき、寄生電流損失I2が生じる。対電極に達する電流の実際の値はI3によって与えられる。I3をモニタし、対応する信号を電流制御モジュールに送るために電流計が使用される。電流制御モジュールは、I3およびI1の値に対応する信号を受け取り、調節制御信号を生成し、電源に送り、その調節制御信号が、エミッタと対電極との間の電位を変化させ、それにより、エミッタからの電流I1を変化させる。いくつかの態様においては、電流を変化させるために、制御信号のデューティサイクルおよび／または電源の出力を変化させることもできる。
図26は、電流制御モジュール2600（たとえば制御装置によって実現される）の別の例示的態様を示すシステムブロック図である。電流制御モジュールは所望の対電極電流値を受け取る（Id）。所望の対電極電流値はたとえば所期の用途に基づき得る。電流制御モジュールは、電流I1を生成する、電源における初期公称電圧を設定する。電流がエミッタから対電極へと移動するとき、寄生電流損失I2が生じる。対電極に達する電流の実際の値はI3によって与えられる。I3をモニタし、対応する信号を制御装置に送るために電流計が使用される。制御装置は、I3の値および所望の電流値Idに対応する信号を受け取り、調節制御信号を生成し、電源に送り、その調節制御信号が、エミッタと対電極との間の電位を変化させ、それにより、エミッタからの電流I1を変化させる。
いくつかの態様において、電流制御モジュールは、電源とエミッタとを接続するスイッチの制御信号のパルス幅変調によってエミッタ電流（I3）を制御することができる。たとえば、再び図1を参照すると、エレクトロスプレー装置は、エミッタ125の電気励起を可能にする個別に制御可能なスイッチ120を含むことができる。所与のスイッチへの制御信号は、特定のデューティサイクルを有するようにパルス幅変調されることができる。エミッタ電流（I3）を調節するために、電流制御モジュールはPWM制御信号のデューティサイクルを変えることができる。たとえば、電流を増すためには、制御信号のデューティサイクルも増すことができる。
図17は、変わりやすい湿度を補償するためにエレクトロスプレーシステム（たとえば、図1および2に示すエレクトロスプレーシステム）を適合させる方法1700を示すプロセス流れ図である。210で、エミッタにおける電流を計測することができ、220で、対電極における電流を計測することができる。230で、制御装置は、計測されたエミッタ電流および対電極電流を受け取り、エレクトロスプレープロセス中の寄生損失を補償する、電流源に対する調節または修正を決定することができる。240で、制御装置は、システム中の電流レベルを調節するための信号を電流源に送ることができる。この手法は、電流制御信号に基づいて他の構成要素を調節して補償することにより、システムが湿度などの周囲条件から独立して作動することを可能にする。さらに、エミッタおよび対電極両方における電流をモニタすることにより、制御システムの精度が改善する。
いくつかのエレクトロスプレーシステムは、個々の互換性を可能にするためにケーブルおよびチューブを介して接続されたいくつかの別個のサブシステムを含むが、場合によっては、適合性の問題のせいで理想的ではない挙動を示す。本主題のいくつかの態様は、これらのサブシステムを1つのアセンブリに統合して、流体的、機械的および電気的サブコンポーネントの間の適合性の問題を緩和する。
装置の例示的態様の使用は、操作がトグルオン／オフスイッチを介するため、マイクロフルイディックス、高電圧回路設計またはエレクトロスプレーの事前知識を要しない。すべてのシステムパラメータのモニタおよび制御は自動化されることができ、ユーザ入力を求めなくてもよい。
エミッタおよび対電極の繰り返しパターンがシステムのスケールアップおよびそのスループットの増大を可能にする。たとえば、図18は、8つのエミッタが円形配置で離間しているエミッタアレイを示す（図示する画像中、8つのエミッタのうち7つだけが、溶液を提供するために接続されたチューブを有することに注目すること）。各エミッタは、対応する対電極を有する。しかし、近接しすぎる状態で作動するエミッタは、エレクトロスプレープロセスのために必要な正しいテイラーコーンを生成する互いの能力に干渉する。図19〜21は、3つのシナリオの場合の電圧および電場強度分布を示す。図19において、電圧および電場強度は、1つのエミッタおよび対応する対電極の場合で示されている。エミッタと対電極との間の電位差は−6.8kVである。これらの条件は、EWNS用途におけるテイラーコーンの確立およびエレクトロスプレーの実行には理想的である。図20は、2mmの距離で同時に作動する2つのエミッタの場合の電圧および電場強度を示す。図示するように、2つのエミッタは、テイラーコーン形成を阻害する電場を発生させる。しかし、図20のシナリオにおいて、エミッタが1ms間隔で交互にストローブされるならば、両エミッタはコーンおよびエレクトロスプレーを確立する。図21は、10mm離間した2つのエミッタの場合の電圧および電場強度分布を示す。エミッタ間の距離のせいで干渉は限られ、両エミッタは、同時に作動しながらもテイラーコーンを生成することができる。
このように、エミッタが互いに隣接する場合、高速電気スイッチ（たとえば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT））または高電圧金属酸化物ケイ素電界効果トランジスタ（MOSFET）およびマイクロプロセッサシーケンスを使用して電位をオンおよびオフに速やかに切り替えることが、隣接するエミッタからの干渉を軽減または除去することができる。そして、ストローブがアレイへのより高密度のエミッタ配置を可能にする。動作中、各エミッタへの溶液のマイクロ流体流は一定（たとえば途切れない）であることができるが、高い電位差を生じさせるためのエミッタおよび／または対電極の付勢はストローブされる。したがって、溶液は常時提供される。
図22A〜Bおよび23A〜Bは、4つの例示的なエミッタアレイ配置を示す。各配置は、それぞれに対応して、エミッタ干渉を最小限にし、高スループットエレクトロスプレーを可能にするために、各エミッタへの所定のシーケンスの高電位印加を有することができる。アレイ中の1つのエミッタだけが発動されるか、干渉場を発生させないエミッタのセットが同時に発動される。たとえば、所与の瞬間には、0個、1個、いくつかまたはすべてのエミッタが付勢され得る。1mSオン、10mSオフの付勢間隔がエレクトロスプレーを維持することができる。
1つの態様において、アレイ中のエミッタは、2mm離間しているときには干渉し合うが、10mm離間すると干渉しないということがわかった。したがって、アレイ中、互いから10mm以内の任意の2つのエミッタは高電圧電源に同時に接続されるべきではない。しかし、アレイ中、10mmよりも大きく離間している2つのエミッタは高電圧電源に同時に接続されてもよい。加えて、この態様においては、両方からのエレクトロスプレーを維持しながらも、2mm間隔のエミッタの連続発動の間で9mSまでの休止期間を達成することができる。いくつかの態様において、いくらかの休止期間またはガード間隔が望ましいといえるが、他の態様においては、休止またはガード期間は不要であり得る。いくつかの態様においては、十分な印加電圧があるならば、1mSのパルス幅でエレクトロスプレープロセスを維持することができる（Fswitch＝1000Hz＝＞T＝0.1ms；D＝50％＝＞付勢時間＝0.5mS）。
エミッタアレイ中の隣接するエミッタの干渉効果を減らすための別の手法が、フッ素化エチレンプロピレン（FEP）または別の適当な誘電体でエミッタをコートする手法である。たとえば、図86は、FEPでコートされたエミッタを示す。
図27は、N個のエミッタのアレイ中のエミッタを選択的にアクティブ化するための例示的な制御信号を示すエミッタ励起タイミング図である。図中、4つの隣接するエミッタがある（たとえばN＝4）。エミッタどうしは隣接し、同時にアクティブ化されるならば（たとえば、高電圧電源に接続されるならば）、互いに干渉するであろう。各エミッタが一度に1ms付勢されると仮定すると、各エミッタ制御信号（A、B、CおよびDによって示す）は、1ms間、論理高であり、その後3ms間、論理低である方形波を含む。所与の制御信号が論理高であるとき、対応するエミッタは電源に接続されることができる。したがって、制御信号（A、B、CおよびD）は、各エミッタがアクティブ化されるが2つのエミッタが同時にアクティブ化されることはないようにエミッタを一度に1つずつ循環的にアクティブ化し続ける。図27は、制御信号A、B、CおよびDを、1つのエミッタ制御信号がほぼ常に高であるような順に配置されている非重複方形波として示すが、エレクトロスプレープロセス中の任意の意図しないエミッタ干渉を減らすためにガード間隔が導入されることもできる。
いくつかの態様においては、アレイ中のエミッタを付勢する所与の順序を受け入れるのに適切な制御周波数を選択することができる。印加電圧を増すことにより、長い消勢時間（たとえば短いデューティサイクル）を有する信号を圧倒することができる。代替的または追加的に、より小さいスイッチング周波数を選択することもできる。より長い信号期間はより低い印加電圧を可能にする。
図28は、図27に示すような1つの制御信号パルスのパルス幅変調を示すエミッタ励起タイミング図である。たとえば、エミッタアクティブ化制御信号が論理高である所与の期間、制御信号はパルス幅変調（PWM）されて、エミッタを通過する全電流を減らすことができる。制御信号は、たとえば、75％デューティサイクルを有し得る。そのようなデューティサイクルは、非PWM信号に比べて電流を減らす。PWMは、エミッタ電流を変更するための手法である。
エミッタ電流を操作するためのさらなる変更スキームが可能である。たとえば、制御信号は、PWMと同様にエミッタ電流に影響するために正弦波であることができる。加えて、制御信号振幅がエミッタスイッチ120をその線形作動領域内で作動させて、エミッタスイッチ120を可変抵抗器として作用させることができ、それがエミッタ電流に影響する。
1つの用途において、本主題は、ウイルス、細菌、細菌胞子および真菌の少なくとも1つを不活性化するための反応性酸素種（ROS）を含む工学的水ナノ構造体（EWNS）を生成することができる。別の用途において、本主題は、生細胞を封入するために使用され得る。
別の用途において、一貫した出力を有するエレクトロスプレーシステムは、生細胞または化合物、たとえば治療剤または診断剤を封入するために使用され得る。
本明細書に記載される化合物は精製されている。本発明のポリペプチドおよび他の組成物は精製されている。たとえば、ポリペプチドは、好ましくは、そのポリペプチドをコードする組み換え核酸の発現によって、またはタンパク質を化学合成することによって得られる。ポリペプチドまたはタンパク質は、その天然の状態でそれに付随する汚染物質（タンパク質および他の天然有機分子）から切り離されているとき、実質的に純粋である。一般的に、ポリペプチドは、それが試料中のタンパク質の少なくとも60重量％を構成するとき、実質的に純粋である。好ましくは、試料中のタンパク質は、少なくとも75重量％、より好ましくは少なくとも90重量％、もっとも好ましくは少なくとも99重量％AAHである。純度は、任意の適切な方法、たとえばカラムクロマトグラフィー、ポリアクリルアミドゲル電気泳動またはHPLC分析によって計測される。したがって、実質的に純粋なポリペプチドは、真核生物に由来するが、大腸菌もしくは別の原核生物またはポリペプチドが最初に由来したもの以外の真核生物中で産生される組み換えポリペプチドを含む。化合物は天然源から精製される、または合成される。
本明細書において使用される「分離された」または「精製された」化合物は、自然界でそれとともに存在する他の化合物または組成物を実質的に含まない。精製された化合物、たとえばヌクレオチドおよびポリペプチドはまた、化学合成されるときも、細胞物質または他の化学物質を含まない。精製された化合物は、対象となる化合物が少なくとも60重量％（乾燥重量）である。好ましくは、試料は、対象となる化合物が少なくとも75重量％、より好ましくは少なくとも90重量％、もっとも好ましくは少なくとも99重量％である。たとえば、精製されたヌクレオチドまたはポリペプチドは、所望のオリゴ糖が少なくとも90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％または100％（w/w）であるものである。純度は、任意の適切な標準的方法、たとえばカラムクロマトグラフィー、薄層クロマトグラフィーまたは高速液体クロマトグラフィー（HPLC）分析によって計測される。「精製された」はまた、ヒト対象への投与に安全である、たとえば感染性または毒性の物質を含まない程度の無菌性をも指す。
本方法において使用される細胞、たとえば、マクロファージ、B細胞、T細胞などの免疫細胞は精製または分離されている。細胞に関して、語「分離された」は、細胞が、自然界でそれとともに存在する他の細胞型または細胞物質を実質的に含まないことを意味する。たとえば、特定の組織型または表現型の細胞の試料は、細胞集団の少なくとも60％であるとき、「実質的に純粋」である。好ましくは、試料は、細胞集団の少なくとも75％、より好ましくは少なくとも90％、もっとも好ましくは少なくとも99％または100％である。純度は、任意の適切な標準的方法、たとえば蛍光活性化セルソーティング（FACS）によって計測される。
小分子は有機または無機である。例示的な有機小分子は、脂肪族炭化水素、アルコール、アルデヒド、ケトン、有機酸、エステル、単糖類および二糖類、芳香族炭化水素、アミノ酸ならびに脂質を含むが、これらに限定されない。例示的な無機小分子は、微量ミネラル、イオン、フリーラジカルおよび代謝産物を含む。あるいはまた、小分子インヒビタが、酵素の結合ポケットを満たすための断片または小さな部分またはより長いアミノ酸鎖からなるように合成的に改変されることもできる。一般的に、小分子とは1キロダルトン未満のものである。いくつかの例において、小分子は500ダルトン未満の分子量を有する。
以下のリストは、例示的なポリマー、対象となる細胞および細胞を封入するための用途を提供する。
例示的なポリマー（天然源から精製）：
・アルギネート
・キトサン
・ゼラチン
・コラーゲン
・セルロース
・キチン
例示的な合成ポリマー（天然源からの誘導または精製とは違い、人の力を借りて化学的プロセスを使用して製造）：
・脂肪族ポリエステルPLA、PGAおよびポリ（D,L-ラクチド-co-グリコリド）（PLGA）
・ポリビニルピロリドン（PVP）
・ポリビニルアルコール（PVA）
・ポリカプロラクトン（PCL）
・ポリウレタン（PU）
・ポリアミド（ナイロン）
・ポリホスファジン
・ポリエポキシド
・PEGDA
・PVA
・ポリアクリレート
・ポリ（エチレン-co-ビニルアルコール）
・ポリグリコール酸およびキチン
・ポリセバケート
・ポリ（DTEカーボネート）
例示的な対象となる細胞：
・膵島細胞、たとえば膵臓ベータ細胞
・ヒト間葉系幹細胞（MSC）
・T細胞（Tリンパ球）
・NK細胞（ナチュラルキラー細胞）
・CAR-T（キメラ抗原受容体T細胞）
・CAR-NK（キメラ抗原受容体ナチュラルキラー細胞）
・多能性幹細胞ベータ細胞
・内皮細胞
・HSC（造血幹細胞）
・DC（樹状細胞）
・iPSC（人工多能性幹細胞）
・乏突起神経膠芽細胞
・CHO（チャイニーズハムスター卵巣）細胞
・ヒト線維芽細胞
・ヒト赤血球
・ハイブリドーマ細胞
・白血球
・マクロファージ
・ヒト大動脈平滑筋細胞およびヒト真皮細胞
・大動脈平滑筋細胞
・ヒト表皮線維芽細胞
・ヒト乳癌
・ヒト子宮頸癌
・ヒト臍静脈内皮細胞
・ヒト皮膚線維芽細胞
・ヒト間葉系幹細胞
・ヒト冠状動脈内皮細胞
・解離DRG（後根神経節）、シュワン細胞、嗅神経鞘細胞、線維芽細胞
・ヒト口腔ケラチノサイト、ヒト表皮ケラチノサイト、ヒト歯肉線維芽細胞
・これらの細胞のいずれかの改変バージョン、たとえばカーゴ積載または遺伝子編集されたMSC
・グリア細胞または中枢神経系もしくは末梢神経系の他の細胞
例示的な用途：
・糖尿病
・薬物送達
・細胞および遺伝子療法
・免疫腫瘍学
・多発性硬化症患者（または同様な神経疾患）のためのミエリンの産生
・血管新生
・一般的な組織工学
・血管組織工学
・神経組織工学
・皮膚組織工学
別の用途において、一貫した出力を有するエレクトロスプレーシステムは、薬物、たとえば小分子薬物またはポリペプチド薬物、たとえば抗体を封入するために使用され得る。以下のリストは、例示的なポリマー、対象となる薬物および薬物を封入するための用途を提供する。
例示的なポリマー：
・アルギネート
・ポリカプロラクトン
・ポリ（DL-ラクチド-co-グリコリド）（PLGA）
・ステアリン酸＆エチルセルロース
・ポリビニルピロリドンおよびトリステアリン
・キトサン
・PCLおよびPEG
・デキストラン
・ポリ（E-カプロラクトン-co-エチルエチレンホスフェート）；PCLEEP
・PLLA/PEO
・PEG-PLLA
・PVA/PVAc
・PCL/PGC-C18
例示的な薬物／治療用／診断用化合物および／または組成物
・ブデソニド
・セレコキシブ
・カルバナゼピン
・タモキシフェン
・ナプロキセン
・アンピシリン
・デキサメタゾン
・BSA
・BSAおよびリゾチーム
・神経成長因子およびBSA
・メフォキシン、セフォキシンナトリウム
・アジドチミジン（AZT）、アシクロビル（ACV）、マラビロク（MVC）
・ビスクロロエチルニトロソ尿素
・シプロフラクシン
・パクリタキセル
・SN-38
例示的な用途：
・喘息
・抗炎症
・抗けいれん
・乳癌治療
・抗菌
・骨形成増強
・薬物送達システム
・抗レトロウイルス
別の用途において、一貫した出力を有するエレクトロスプレーシステムは、1ミクロン〜2500ミクロンのサイズ領域のアルギネート材料のミクロスフェアを形成するために使用され得る。例示的なエレクトロスプレー装置をコーンジェットモードで作動させたとき、粒子は平均1μmのサイズであったが、ドリップモードで作動させるとき、粒子はより大きくなる傾向がある。
EWNSの場合、溶液は脱イオン水または蒸留水または水道水である。封入物または他の溶液の場合、マイクロ流体手法を使用してエミッタの近くで組成物を混合およびサンプリングすることが最適である。
いくつかの態様において、細胞は、溶液をエミッタに提供するチューブ内に蓄積する。この問題には、リザーバをエミッタと直接流体接触させることによってチューブをなくすことによって対処することができる。
アルギネートは、細胞と混合されると、細胞に毒性作用を及ぼすことができる。いくつかの態様においては、細胞とアルギネートとはエミッタニードルの近くで混合し、それによって細胞の生存率を高める。
組成に依存して、細胞のいくらかのアルギネーションがマクロサイズのビーズまたは液滴をもたらすことができる。ビーズのサイズは、ソフトウェアを介して光学的に検出され、プロセス入力変数として使用することができる。たとえば、エレクトロスプレーシステムは画像取得装置（たとえばカメラ）を含むことができ、エミッタの出力で形成された液滴の画像を画像取得装置によって取得することができる。マシンビジョンアルゴリズムが画像を処理して液滴サイズを決定することができる。
マシンビジョンアルゴリズムを使用して、封入液滴のサイズ形態および内容物を検出し、決定することができる。例示的態様において、これらのアルゴリズムは、効率が高く、画像取得装置（たとえばビジョンセンサ）の背面におけるフィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）の配備に適するやり方で合成することができる。標準的なインタフェース（USB、I2Cなど）を介する情報の転送は高速液滴検出にとって遅すぎるおそれがあるため、FPGAの利用は有利であるといえる。
いくつかの態様において、液滴を検出するための画像処理はいくつかの工程にかけて起こる。いくつかの態様においては、アルゴリズム、たとえばSobel演算子、ガウシアンぼかしおよび凸包計算を使用して液滴を検出し、特徴付けることができる。
いくつかの態様においては、予測アルゴリズムが、視覚対象領域（ROI）を、液滴が重力場または電場の影響下で落ちることがわかっている領域にまで減らすことができる。これは、液滴検出においてアルゴリズムをより高速かつより信頼しうるものにすることができる。この手法は、液滴をダブルカウントすることなく、液滴製造および検出の速度を毎秒100〜1000個の範囲まで増すことを可能にしながらも、液滴のロバストな検出、個別化および特徴付けを有する。
液滴サイズは、既知の寸法の視野内の特徴を参照して決定することができる。特徴付けとは、液滴のサイズ形態および内容物、滴が細胞または他の物質を含有し得るかどうかを指すことができる。いくつかの態様において、ビジョンアルゴリズムは、液滴弁別回路をカウント、記録、制御することができる（たとえば図88に示すように）。
いくつかの態様において、マシンビジョンアルゴリズムは、サイズ形態および液滴速度の視覚ベースのフィードバックおよび制御を実現する液滴生成サブシステムのパラメータを知らせることができる。
例示的な粒子サイズ決めおよび追跡アルゴリズムの画像が図31および32に示されている。図示するように、粒子は、テイラーコーンから分離するとき検出され、マシンビジョンアルゴリズムによってサイズ決めすることができる。マシンビジョンアルゴリズムは制御装置によって実現されることができる。
別の例示的態様において、マシンビジョンアルゴリズムは、粒子試料制御および選択のための手段として使用することができる。エレクトロスプレーシステムは、エミッタおよび／または対電極の近くに位置する排斥要素、たとえば電極、荷電プレート、空気のクロスフロージェット、メカニカルトラップドアまたは遮断弁を含むことができる。粒子（たとえば液滴）が生成されると、それらのサイズを検出し、評価することができる。既定サイズ範囲外の粒子はシステムによって排斥することができる。この例においては、制御装置は、粒子のサイズを検出し、算出することができ、それが指定範囲（適応型エレクトロスプレー装置の出力の特定の用途、最終用途などに依存し得る）外であるとき、スプレーされた粒子とは反対の極性に帯電した帯電スクラバを付勢して、粒子が対電極（たとえばコレクタ）に到達し、潜在的に試料を損じる前に粒子の飛行経路を変更することができる。
いくつかのエレクトロスプレー態様において、細胞は、架橋溶液、通常は塩化カルシウムを含むステンレス鋼皿に収集される。この配置は容量的に自己制限的である。したがって、いくつかの態様においては、封入された細胞を使い捨てバッグに収集することができる。バッグのカラーが対電極として働くことができる。たとえば、いくつかの態様において、対電極は無菌バッグ中に開口を形成することができる。図24は、GMP細胞処理および製造のための使い捨て無菌バッグの写真である。白い円形の流体充填コネクタは、ステンレスまたは金の対電極に換えることができる。他方で、これはエミッタの1つまたはアレイによって対処することができる。したがって、本主題は、適正製造規範（GMP）製造に使用することができる。バッグはエレクトロスプレープロセスの産物で満たされる。
溶液スプレーを生成する他の手段は、空気式生成装置、たとえば鼻スプレーヘッドおよび他の形態のノズルを含む。しかし、それらは概して単分散粒子（均一な直径分布を有する粒子）を製造せず、概して反応性酸素種を含む工学水ナノ構造を製造しない。
エレクトロスプレー装置のための特定の出力をもたらす制御、プロセスおよび設計パラメータは、スプレー溶液化学組成、溶液流量、エミッタおよびコレクタの寸法形状および材料特性、エミッタと対電極との間の高電圧電位差、電位の極性、エミッタと対電極との間の電場、隣接するエミッタまたはエミッタアレイからの電場、エミッタまたは対電極の経時的酸化または還元を含む。
本主題によるエレクトロスプレーは、細胞または薬物を封入するための様々なスキームとで使用することができる。たとえば、同軸エレクトロスプレーは、細胞および封入物をスプレーの地点で同軸流に導入することを含む。別の手法は、細胞と封入物とを同じエミッタ中で、またはエミッタの近くで混合することを含む。別の手法は、下流での細胞導入のために一貫したサイズの球形粒子を作製することを含む。
いくつかの態様において、細胞と封入物との混合は、マイクロ流体混合チップ、たとえばDolomite Microfluidics P/N 3200401（Dolomite Bio of Royston, Hertfordshire, UK）を介して達成することができる。図33および34は例示的なマイクロ流体混合チップを示す。図34中、PBS中のJurkat細胞が例示的なマイクロ流体混合チップ内で混合している。図35は、例示的なDolomiteマイクロ流体ミキサチップ中での混合ののち、生きたJurkat細胞の割合を示す。
いくつかの変形態様が先に詳細に記載されたが、他の変更または追加が可能である。たとえば、エレクトロスプレー装置は、計測されたエミッタおよび対電極電流に基づいてエミッタ電流を調節することができるが、電流を計測するための他のパラメータが併用または代用されてもよい。たとえば、エレクトロスプレー装置は、パラメータ、たとえば湿度（たとえば以下さらに詳細に記載する）、温度（たとえば以下さらに詳細に記載する）、電圧、溶液組成、溶液の視覚的特徴（たとえば、本主題は、全体として参照により本明細書に組み入れられる欧州特許出願EP3009828（2014年10月14日出願）に記載されたシステムに適用されることができる）（図3および19は、未知の流体特性の液滴を2つの地点で視覚的に計測し、その特徴を決定する方法を示す）、溶液中の気泡の存在（たとえば、光学センサを介して、気泡の検出は停止およびパージ動作を生じさせる）などを直接計測するためのセンサを含むことができる。加えて、電流調節は、数値モデリング、Taylor-Melcher漏洩誘電性モデル（D. A. Saville, Electrohydrodynamics: The Taylor-Melcher Leaky Dielectric Model; Annual Review of Fluid Mechanics, Vol. 29: 27-64 (Volume publication date January 1997), DOI: 10.1146/annurev.fluid.29.1.27）などを使用して計算することもできる。
本主題は、化合物、材料、ポリマーなどのバイオファブリケーションを改善するために適用することができる。たとえば、本主題は、アルギネート、アルギネートタイプ材料ビーズおよびトリアゾール含有アルギネート類似物のバイオファブリケーションを改善することができる。本主題は、エレクトロスプレー出力の粒子サイズ、球寸法、単分散性などを調整または微調整するために使用することができる。組織への送達のための材料の球寸法の調整は、セラミクス、金属、ポリマーなどに及ぶ広い範囲の材料の生体適合性に関連することがわかっている（たとえば、Vegas et. al, "Combinatorial hydrogel library enables identification of materials that mitigate the foreign body response in primates", Nature Biotechnology, volume 34, number 4, March 2016, doi: 10.1038/nbt.3462に記載され、Veiseh et al. "Size- and shape-dependent foreign body immune response to materials implanted in rodents and non-human primates", Nature Materials, volume 4, June 2015, DOI: 10.1038/NMAT4290に記載されるように）。
本明細書に記載される主題は数多くの技術的利点を提供する。たとえば、いくつかのエレクトロスプレーシステムおよび装置、たとえばAvectas, Ltd.（Dublin, Ireland）製のSpraybase（登録商標）が利用可能であるが、それらは、広い範囲の用途の場合に十分に一貫した出力および／またはスループットを有しない。対照的に、本主題は、エレクトロスプレー出力における増大した一貫性およびスループットを提供する。たとえば、本主題は、一貫したアルギネート細胞を臨床プロセスで大規模に製造することができる。本主題は、エレクトロスプレーシステムの綿密な統合、チューブの排除、マイクロフルイディックスの使用を提供し、より高いスループットが高スループットで一貫したエレクトロスプレー装置を可能にする。医薬品産業における適正製造規範と合致した材料。
本主題は、開ループシステムとは違い、電流を制御する閉ループシステムを含むことができる。本主題は、湿度変化によって影響されるシステムとは違い、大気条件中でエレクトロスプレーしながらも湿度変化の影響を免れ得る。本主題は、より長い期間にわたり、既存のエレクトロスプレーシステムよりも一貫した粒子、液滴、ミクロスフェア、コロイドを製造することができる。本主題は、比較的短期間で出発動作パラメータを逸脱する既存のシステムとは違い、長い期間にわたって一貫したエレクトロスプレーを製造することができる。
本主題のいくつかの態様は、モジュール式であり、チューブによって相互接続されることができる既存のシステムとは異なって、相互接続チューブなしで高度に統合される装置を含む。本主題のいくつかの態様は、2つの場所で電流を計測し、それを誤差および／または制御信号として使用する。
本主題のいくつかの態様は、電流制御の形態として個々のエミッタのパルス幅変調（PWM）制御を可能にする。本主題のいくつかの態様は、1つのエミッタを利用するいくつかの既存のエレクトロスプレーシステムとは異なって、より高いスループット能力を提供するエミッタアレイを含む。
本主題のいくつかの態様は、無菌バッグを収集手段として使用することができる。本主題は、GMP細胞製造、封入およびエンジニアリングと適合性であることができる。本主題は、FEPコートされたエミッタを利用してエミッタアレイを可能にすることができる。
本主題のいくつかの態様は、電極および対電極材料（たとえば306ステンレス鋼）ならびに認可プラスチックの選択を与えられて、1um〜3mmの範囲のサイズのミクロスフェアを、一貫して大規模＜（2mL／分）で、かつGMPと合致するやり方で、製造することができる。いくつかの態様において、本主題は、一部には対象となるポリマーおよび封入用途に依存して、10nm〜2500ミクロンの範囲のミクロスフェアを製造することができる。たとえば、薬物封入はナノ粒子を生じさせ得る。本主題の使用は、エレクトロスプレー開始アーチファクトを抑制および／または除去することができる。
本主題は、たとえば、内容全体が参照により本明細書に組み入れられるVegas et. al "Long-term Glycemic Control using Polymer-Encapsulated Human Stem Cell-Derived Beta Cells in Immune-competent Mice, Nature Medicine, vol. 22, Number 3, March 2016, pp. 306-311; and online method at doi: 10.1038/nm.4030に記載されるように、アルギネートハイドロゲル球体および細胞封入体を製造するために使用され得る。Vegasにおいては、アルギネートヒドロゲル球体および細胞封入体の製造が達成されている。球体製造の前に、緩衝液をオートクレーブ処理によって滅菌し、アルギネート溶液を0.2μmフィルタに通すろ過によって滅菌した。その後の移植のために製造されたマイクロカプセル／球体の無菌性を維持するために、タイプIIクラスA2バイオセーフティキャビネット中でカプセル形成を実施することにより、製造のための無菌処理を実施した。バイオセーフティキャビネット中、静電液滴発生装置を以下のように構成した。ESシリーズ0-100kV、20ワット高圧発電機（Gamma ES series, Gamma High-Voltage Research, FL, USA）をブラントチップニードル（SAI Infusion Technologies, IL, USA）の上下に接続する。このニードルを5mlルアーロックシリンジ（BD, NJ, USA）に取り付け、それを、垂直に向けたシリンジポンプ（Pump 11 Pico Plus, Harvard Apparatus, MA, USA）に留める。シリンジポンプは、20mMバリウム5％マンニトール溶液（Sigma-Aldrich, MO, USA）を含むガラス皿の中にアルギネートをポンピングする。PicoPlusシリンジポンプの設定は、直径12.06mmおよび流量0.2ml/minである。カプセルが形成されたのち、それらを収集し、HEPES緩衝液（脱イオン水2リットル中、NaCl 15.428g、KCl 0.70g、MgCl2・6H2O 0.488g、HEPES（1M）緩衝液（Gibco, Life Technologies, California, USA）50ml）で4回洗浄する。アルギネートカプセルを4℃で一晩放置する。その後、カプセルを0.8％食塩水中で2回洗浄し、使用するまで4℃に維持する。
アルギネートを可溶化するために、SLG20（NovaMatrix, Sandvika, Norway, cat. #4202006）を0.8％食塩水中に1.4重量体積％溶解させた。TMTDアルギネートを、まず0.8％食塩水中に5重量体積％溶解させ、次いで、3重量体積％のSLG100（同じく0.8％食塩水中に溶解）と、TMTDアルギネート80％：SLG100 20％の容量比でブレンドした。
25Gブラントニードル、5kVの電圧および200μl/minの流量で0.5mm球体を生成した。1.5mm球体の形成のために、18ゲージのブラントチップニードル（SAI Infusion Technologies）を5〜7kVの電圧で使用した。封入の直前に、培養したSC-βクラスタを1,400rpmで1分間、遠心分離し、カルシウムフリーのKrebs-Henseleit（KH）緩衝液（4.7mM KCl、25mM HEPES、1.2mM KH2PO4、1.2mM MgSO4×7H2O、135mM NaCl、
Figure 2019534775
）で洗浄した。洗浄後、SC-β細胞を再び遠心分離し、上清をすべて吸引した。次いで、SC-βペレットを、SLG20またはTMTDアルギネート溶液（上記）中、アルギネート溶液0.5mlあたり1,000、250および100クラスタの密度で再懸濁させた。BaCl2ゲル化溶液を使用して球体を架橋させ、それらのサイズを上記のように制御した。架橋の直後に、封入されたSC-βクラスタをCMRLM培地50mlで4回洗浄し、移植前、スピナフラスコ中、37℃で一晩で培養した。封入プロセス中のSC-βクラスタの避けられない損失のために、封入後、封入されたクラスタの総数を再計数した。
本明細書に記載される主題の1つまたは複数の局面または特徴は、デジタル電子回路、集積回路、特別に設計された特定用途向け集積回路（ASIC）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）コンピュータハードウェア、ファームウェア、ソフトウェアおよび／またはそれらの組み合わせにおいて実現することができる。これらの様々な局面または特徴は、記憶システム、少なくとも1つの入力装置および少なくとも1つの出力装置からデータおよび命令を受け取り、記憶システム、少なくとも1つの入力装置および少なくとも1つの出力装置にデータおよび命令を送るために結合された、専用または汎用であることができる少なくとも1つのプログラマブルプロセッサを含むプログラマブルシステム上で実行可能および／または解釈可能である1つまたは複数のコンピュータプログラムにおける実現を含むことができる。プログラマブルシステムまたはコンピューティングシステムはクライアントおよびサーバを含み得る。クライアントとサーバとは概して互いから離れており、一般的に通信ネットワークを介して対話する。クライアントとサーバとの関係は、それぞれのコンピュータ上で作動し、互いにクライアント・サーバ関係を有するコンピュータプログラムのおかげで生じる。
これらのコンピュータプログラム（プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、アプリケーション、コンポーネントまたはコードとも呼ばれることができる）は、プログラマブルプロセッサのための機械命令を含み、高レベル手続き言語、オブジェクト指向プログラミング言語、機能プログラミング言語、論理プログラミング言語および／またはアセンブリ／機械言語において実現することができる。本明細書において使用される語「機械読み取り可能な媒体」とは、機械命令を機械読み取り可能な信号として受け取る機械読み取り可能な媒体を含む、機械命令および／またはデータをプログラマブルプロセッサに提供するために使用される任意のコンピュータプログラム製品、機器および／またはデバイス、たとえば磁気ディスク、光学ディスク、メモリ、プログラマブル論理デバイス（PLD）をいう。語「機械読み取り可能な信号」とは、機械命令および／またはデータをプログラマブルプロセッサに提供するために使用される任意の信号をいう。機械読み取り可能な媒体は、たとえば非一時的ソリッドステートメモリまたは磁気ハードドライブもしくは任意の同等の記憶媒体がそうするであろうように、そのような機械命令を非一時的に記憶することができる。代替的または追加的に、機械読み取り可能な媒体は、たとえば1つまたは複数の物理プロセッサコアと関連するプロセッサキャッシュまたは他のランダムアクセスメモリがそうするであろうように、そのような機械命令を一時的に記憶することができる。
ユーザとの対話を提供するために、本明細書に記載される主題の1つまたは複数の局面または特徴は、ユーザに情報を表示するための表示装置、たとえば陰極線管（CRT）または液晶ディスプレイ（LCD）または発光ダイオード（LED）モニタならびにユーザがコンピュータに入力を提供するとき用いることができるキーボードおよびポインティングデバイス、たとえばマウスまたはトラックボールを有するコンピュータ上で実現することができる。ユーザとの対話を提供するために、他の種類の装置を使用することもできる。たとえば、ユーザに提供されるフィードバックは、任意の形態の感覚フィードバック、たとえば視覚フィードバック、聴覚フィードバックまたは触覚フィードバックであることができ；ユーザからの入力は、音響、音声または触覚入力をはじめとする任意の形態で受け取られ得る。他の可能な入力装置は、タッチスクリーンまたは他のタッチセンサ式装置、たとえば単一または多点抵抗または容量トラックパッド、音声認識ハードウェアおよびソフトウェア、光学スキャナ、光学ポインタ、デジタル画像取り込み装置および関連する解釈ソフトウェアなどを含むが、これらに限定されない。
上記詳細な説明および特許請求の範囲においては、要素または特徴の連結的リストの後に「の少なくとも1つ」または「の1つまたは複数」などの語句が続くことがある。また、語「および／または」が2つ以上の要素または特徴のリストの中に見られることがある。それが使用される文脈と暗示的または明示的に矛盾しない限り、そのような語句は、リストされた要素または特徴のいずれかを個々に意味する、または記載された要素または特徴のいずれかを記載された他の要素または特徴のいずれかと組み合わせて意味する意図を有する。たとえば、語句「AおよびBの少なくとも1つ」、「AおよびBの1つまたは複数」および「Aおよび／またはB」は、それぞれ、「Aのみ、BのみまたはAとBをいっしょに」を意味する意図を有する。3つ以上の項目を含むリストの場合にも同様な解釈が意図される。たとえば、語句「A、BおよびCの少なくとも1つ」、「A、BおよびCの1つまたは複数」および「A、Bおよび／またはC」は、それぞれ、「Aのみ、Bのみ、Cのみ、AとBをいっしょに、AとCをいっしょに、BとCをいっしょに、またはAとBとCをいっしょに」を意味する意図を有する。加えて、上記および特許請求の範囲における語「〜に基づいて」の使用は、「少なくとも一部には〜に基づいて」を意味する意図を有し、記載されない特徴または要素もまた許容される。
高電圧高周波数制御信号を使用する例示的なエレクトロスプレー装置の特徴付け
エレクトロスプレー装置の例示的態様においては、HVエミッタを付勢状態と除勢状態との間で交番させることができる高電圧（HV）高周波数パルスモジュールを使用して、共通の溶液の安定なエレクトロスプレープロセスを誘発した。印加電圧が一定であるとき、HV信号のデューティサイクルがエレクトロスプレープロセスを効果的に制御することができることが示される。この例において、1Hzのスイッチング周波数を超えると、50％のデューティサイクルは、常時付勢電源によって給電されるとき、エレクトロスプレーを誘発するのに十分である同じ印加電圧では、共通溶液のエレクトロスプレーを誘発するのに十分ではない。「常時オン」電源モジュールによって給電されるとき、パルス化HV信号のデューティサイクルの増大は、共通溶液のエレクトロスプレープロセスに対し、印加電圧の増大と同じ効果を有する。
これらの実験に使用した装備は、Behlke高電圧パルスモジュール―直接液冷式FSWP 91-01（BEHLKE POWER ELECTRONICS, Billerica, MA）、Spraybase CAT000047―20kV、1バール電源（AVECTAS, Dublin Ireland）、Edgertronic高速カメラ―2000 FPS（SANSTREAK CORP, San Jose California）およびPoint Grey Chameleonモノクロカメラ―15 FPSを含むものであった。
これらの実験においては、パルス化方形波信号を使用して、FSWP 91-01 HVパルスモジュールのスイッチング特性を制御した。方形波の周波数およびデューティサイクルを変更して、共通溶液のエレクトロスプレープロセスに対するその影響を試験した。方形波信号のデューティサイクル（D）は、D＝PW/T×100％と定義することができる。PWは正のパルスアクティブ時間であり、Tは、図36に定義される信号の期間である。1000Hz方形波の場合に様々なデューティサイクルを比較する図37に見てとれるように、デューティサイクルの増大は、正のパルスアクティブ時間を増す効果を有する。
この研究に使用した実験パラメータは以下のとおりである：溶液1―70％EtOH；溶液2―PBS 1×；KCl（塩化カリウム）2.7μM；KH2PO4（リン酸二水素カリウム）1.5μM；NaCl（塩化ナトリウム）138μM；Na2HPO4（リン酸二水素ナトリウム）8.1μM；20％v/vエタノール；P＝250mbar；フィードチューブ＝チューブA（内径127um、長さ1m）；S＝35mm（エミッタからコレクタの間隔）；エミッタ―30G、長さ25mm；Fswitch―0Hz、1Hz、100Hz、1000Hz；およびデューティサイクル―10％〜90％。
実験論理は以下のとおりであった。工程1―エミッタが常時付勢されているとき（F＝0Hz）、溶液1および2に関して安定なエレクトロスプレーを誘発するために必要な印加電圧を決定するための対照実験を完了した。工程2―これらの印加電圧で、FSWP 91-01パルサのスイッチング機能を、1Hz、100Hzおよび1000Hzの周波数の方形波で動作可能にした。Dを変化させ、対応するエレクトロスプレーの画像を低速（毎秒15フレーム）Point Grey Chameleonモノクロカメラおよび高速（毎秒2000フレーム）Edgertronicカメラによって記録し、プロセスに対するデューティサイクルの影響を決定した。工程3―各周波数、溶液および印加電圧の場合に、エレクトロスプレーを誘発することができなかった最小デューティサイクルを決定した。次いで、安定なエレクトロスプレーが誘発されるまで印加電圧を高め、この新たな印加電圧でDを変化させる効果を記録した。
図38は、Fswitch＝0Hzのとき、266mSの期間の、それぞれの印加電圧における溶液1および溶液2の安定なエレクトロスプレープロセスの一連の取り込み画像を示す。注：これらの画像は15FPSの速度で撮影され、プロセス中の連続画像である。
画像から見てとれることは、266mSを超えるスプレーで、両溶液の場合に安定なテイラーコーンおよびプルームが誘発されるということである。図示しないが、2000FPSにおける各スプレーの高速記録は、プロセスがパルス性であることを示す。15FPSでは、エレクトロスプレープロセスの振動性を解くことはできないが、2000FPSでは、コーンジェットモードで、テイラーコーンおよびプルームがパルス特性を示すことは明らかである。
図39〜41は、スイッチング周波数が1Hzに設定され、制御電圧が2700Vであるとき、2秒間の、それぞれ10％、50％および90％のデューティサイクルでの溶液1の場合のプロセスの一連の取り込み画像を示す。D＝10％で、溶液1は、滴下間隔が約660mSである速い滴下特性を示す。D＝10％でのスプレー「オン」時間は100mSである。D＝50％で、溶液1は、スプレー「オン」時間がスプレー「オフ」時間に等しい、明確なパルス化スプレー特性を示す。D＝50％でのスプレーの「オン」時間は500mSである。D＝90％で、溶液1は、スプレー「オン」時間がスプレー「オフ」時間よりも長い、明確な高速パルス化スプレー特性を示す。D＝90％でのスプレー「オン」時間は900mSである。
溶液2の場合にも同様な挙動が認められ、D＝10％、50％および90％の場合の結果をそれぞれ図42〜44に見ることができる。対照条件（Fswitch＝0Hz）下、溶液2の安定なエレクトロスプレーを誘発するためには4000Vのより高い印加電圧が必要であり、誘発されたスプレーは、溶液1と比べて異なる特性を示すが、2つの溶液に対するデューティサイクルの影響は等しい。
FSWP 91-01 HVパルサの周波数を100Hzに高め、同様の実験を繰り返した。図45〜47は、スイッチング周波数が100Hzに設定され、制御電圧が2700Vであるとき、2秒間の、それぞれ50％、80％および90％のデューティサイクルでの溶液1の場合のプロセスの一連の取り込み画像を示す。図45から、D＝50％、V＝2700Vで、溶液1は、垂れ下がる液滴を経験する。これはFswitch＝1Hzでは観察されなかった。Fswitch＝100Hzの場合、この場合は5mSであったスプレー「オン」時間は、システムをスプレー状態へと付勢するのに十分な長さではないと思われる。図46から、D＝80％、V＝2700Vで、溶液1は高速ドリップモードを経験する。D＝80％でのスプレー「オン」時間は、D＝10％、Fswitch＝1Hzの場合のスプレー「オン」時間と同様である8mSである。これが、それらの特徴的なスプレーパターンが非常に似ている理由であると思われる。図47から、D＝90％、V＝2700Vで、溶液1はエレクトロスプレーモードを経験し始める。この信号のスプレー「オン」時間は9mSである。図47の取り込み画像は、溶液が分枝状コーンジェットモードを経験し、完全に安定なコーンジェットモードにはないことを示す。常時付勢電源によって溶液が給電されるとき、電圧が高められるとともに溶液が垂れ下がる液滴からエレクトロスプレーモードに移行するという点で、一定の印加電圧の場合にHVパルサのデューティサイクルを増す（すなわち、スプレー「オン」時間を増す）ことは、印加電圧を高めることと同じ効果を及ぼすと思われる。したがって、パルス性エレクトロスプレーシステムのスプレー「オン」時間を増すことは、印加電圧を高めることに等しいと思われる。
デューティサイクルを50％から90％に増したとき、溶液2の場合にも同様な挙動が観察された。図48は、様々なデューティサイクルにおけるプロセスの1つの取り込み画像を示す。見てとれるように、溶液は垂れ下がる液滴からフルプルームへと移行し、プルームのサイズおよび強さはデューティサイクルとともに（すなわち、スプレー「オン」時間が長くなるとともに）増大する。これは、常時付勢電源を使用してエミッタ印加電圧を高めるときに観察されるものに類似している。
FSWP 91-01 HVパルサの周波数を1000Hzに増し、同様な実験を繰り返した。上記結果に基づき、安定なエレクトロスプレーを誘発することができたかどうかを決定するために、まず、90％のデューティサイクルを試験することにした。図49は、スイッチング周波数が1000Hzに設定され、制御電圧が2700Vであるとき、2秒間の、90％のデューティサイクルでの溶液1のプロセスの一連の取り込み画像を示す。D＝90％、V＝2700Vで、溶液1は、供給過剰のテイラーコーンおよび無秩序なスプレーを経験する。安定なエレクトロスプレーを誘発するのに十分なエネルギーがシステム中に存在しない。安定なエレクトロスプレーが誘発されるまで印加電圧を高めることを決めた。
D＝90％、Fswitch＝1000Hzの場合、安定なエレクトロスプレーを誘発するにはV＝3000Vが十分であることがわかった。この高められた電圧で、デューティサイクルを変化させ、エレクトロスプレープロセスに対するその影響を観察した。図50は、V＝3000Vの場合の様々なデューティサイクルにおける溶液1のプロセスの1つの取り込み画像を示す。見てとれるように、溶液は垂れ下がる液滴からフルプルームへと移行し、プルームのサイズおよび強さはデューティサイクルとともに（すなわち、スプレー「オン」時間が長くなるとともに）増大する。これは、常時付勢電源によってエミッタが給電され、印加電圧を高めるときに観察されるものに類似している。
溶液2の場合にも、Fswitch＝1000Hzで同様な効果が観察された。結果を図51に見ることができる。
結果は、HV信号のデューティサイクルの増大がエレクトロスプレープロセスを制御することができることを示す。1Hzを超えるスイッチング周波数の場合、印加電圧が、常時付勢電源によって給電されるとき安定なエレクトロスプレーを誘発する値に設定されるとき、安定なエレクトロスプレーを誘発するためには50％よりも大きいデューティサイクルが必要であると思われる。そのうえ、デューティサイクルの変更は、溶液が経験するエレクトロスプレーのモードを変化させる。
デューティサイクルの増大がエレクトロスプレープロセスをコーンジェットモードを超えるモードへと移行させるかどうかを審査するためにさらなる特徴付け演習を実施した。
D＝50％およびFswitch＝1000Hzの場合、安定なエレクトロスプレーが誘発されるまで溶液2への印加電圧を高めた。安定なエレクトロスプレーを誘発するためにはV＝6500Vの印加電圧が十分であることがわかった。次いで、デューティサイクルを増大させ、その効果を記録した。図52は、溶液2の場合、D＝50％およびD＝90％でのプロセスの1つの取り込み画像を示す。見てとれるように、デューティサイクルが50％から90％に増大するとともに、プロセスはコーンジェットモードからマルチジェットモードへと移行する。D＝50％で、システムは安定なテイラーコーンを示し、D＝90％で、テイラーコーンは無秩序かつ不安定になる。これは、エミッタ印加電圧を、常時付勢電源によって安定なエレクトロスプレーを誘発するために必要とされる電圧よりも高めたとき観察されるものに類似している。
HVエミッタを付勢状態と除勢状態との間で交番させることができる高電圧高周波数パルサモジュールを使用して、共通溶液の安定なエレクトロスプレープロセスを誘発することができることが認められた。HV信号のデューティサイクルは一定の印加電圧でエレクトロスプレープロセスを効果的に制御することができる。1Hzのスイッチング周波数を超えると、50％のデューティサイクルは、「常時オン」電源によって給電されるときエレクトロスプレーを誘発するのに十分である同じ印加電圧で共通溶液のエレクトロスプレーを誘発するのには十分でないおそれがある。常時付勢電源モジュールによって給電されるとき、パルス化HV信号のデューティサイクルを増すことは、共通溶液のエレクトロスプレープロセスに対し、印加電圧を高めることと同じ効果を及ぼすことができる。
例示的な適応型エレクトロスプレーによるポリマーおよび細胞封入
エレクトロスプレーは、制御された形態を有するナノ〜ミクロンサイズ範囲のポリマー粒子の製造を提供する簡単な1工程技術を含むことができる。エレクトロスプレーの使用により、対象となる産物に害を及ぼすことなく、細胞および薬物の封入を達成することができる。ポリマーコーティングは、薬物または細胞のために、環境に対するバリヤを提供することができ、貯蔵寿命を増し、所望の産物をインビボで免疫攻撃から保護する。ポリマーカプセルもまた、細胞または薬物放出およびインビボでの運動効率に有益である異なる程度の多孔性、崩壊時間および形態を有するように制御することができる。
アルギネートがモデルポリマーとして使用され、2つの異なるモード：プルームおよび滴下でエレクトロスプレーされる。両方は異なるタイプの封入に有用である。エレクトロスプレー中、電圧の周波数およびデューティサイクルを制御するために、ポリマー溶液のサイズ、形態およびエレクトロスプレー能力を制御することが示されている適応型エレクトロスプレー装置が使用される。次いで、T細胞を加えて、アルギネート内への細胞封入の効率および適応型エレクトロスプレーが役立つことができる方法に関するさらなるデータを提供する。結果の中で、カプセルの封入効率ならびにサイズおよび形態制御を適応型エレクトロスプレーによって変えることができることがわかった。
以下の記載は、制御されたポリマーエレクトロスプレーおよび細胞の封入のための適応型エレクトロスプレーの使用に関するさらなるデータを提供し；滴下およびプルームモードによるアルギネートエレクトロスプレーの場合の周波数およびデューティサイクルの影響を特徴付けし；周波数およびデューティサイクルを変えながらエレクトロスプレーされるアルギネート粒子内への細胞封入の影響を特徴付けする。
アルギン酸ナトリウム、塩化カルシウム（CaCl2）、エタノール（EtOH）はすべてSigma-Aldrich, Irelandから購入した。研究室内で供給された脱イオン水を溶液に使用した。ペレットフォーム1mlあたり106個での細胞封入実験のためのT細胞は組織内で提供した。
プルームおよび滴下の両モードに対する適応型エレクトロスプレーの影響を調べるために、2つのアルギネート溶液を調製した。これら2つのエレクトロスプレーモードは、薬物および細胞封入のために使用され、したがって、両方を研究した。ドリップモードの場合、脱イオン水中2％（w/v）のアルギネートを、連続かく拌下、最低12時間放置して溶解させた。プルームモードの場合、脱イオン水中2％（w/v）アルギネートを、連続かく拌下、最低12時間放置して溶解させたのち、10％EtOHを溶液に加えた。アルギネートを、アルギネート粒子を架橋させるために使用されるCaCl2で満たしたディッシュコレクタ中にエレクトロスプレーし、脱イオン水中2mM CaCl2のストック溶液をすべての実験のために調製した。
ドリップモードでアルギネートをエレクトロスプレーするためのパラメータは、距離2cm、0.3mmチューブ、30ゲージ（G）エミッタ、0.095バールおよび4kVであった。プルームモードでアルギネートをエレクトロスプレーするためのパラメータは類似し、距離2cm、0.3mmチューブ、30Gエミッタ、0.065バールおよび5.4kVであった。
エレクトロスプレーセットアップは、ステンレス鋼ディッシュコレクタおよび流量を制御するための圧力を使用した。毎秒15フレームのPoint Grey Chameleonモノクロカメラをエレクトロスプレー観察に使用し、可視化の増強のためにレーザをスプレーに向けておいた。細胞封入ありおよびなしでの粒子分析のために光学顕微鏡を使用した。
適応型エレクトロスプレーを使用するポリマーおよび細胞封入に対する周波数およびデューティサイクルの影響を調査するために、1Hz、100Hzおよび1KHzを使用し、1Hzの場合、デューティサイクルを10％、50％および90に設定し、100Hzおよび1KHzの場合、試験したデューティサイクルは50％、75％および90％であった。
約4秒間、エレクトロスプレーの特徴を画像取り込みした。以下に記す画像は、2秒間のエレクトロスプレー特徴の全観察期間中、66mSごとのスナップショットを示す。
エレクトロスプレー中に電圧の周波数およびデューティサイクルを変更する前に、プルームモードにあるアルギネートの場合の対照エレクトロスプレーを示す（5.4kVでのアルギネートエレクトロスプレー対照を示す図53、2秒間、66mSごとのスナップショットでモノクロ画像を撮影）。見てとれるように、アルギネート粒子は、この設定においては連続的にエレクトロスプレーされる。
図54は、適応型エレクトロスプレーを1Hz、10％デューティサイクルで使用する、プルームモードにあるアルギネートエレクトロスプレーを示す。1Hz、10％デューティサイクルで、ポリマーは、図54に示す2秒スナップショット内で一度エレクトロスプレーされることが示されている。4秒画像内では、アルギネート粒子は5回エレクトロスプレーされている。
図55は、適応型エレクトロスプレーを1Hz、50％デューティサイクルで使用する、プルームモードにあるアルギネートエレクトロスプレーを示す。50％デューティサイクルで、エレクトロスプレーの厳しさがデューティサイクルの周期性によって影響されることが示されている。
図56は1Hz、90％デューティサイクルを示す。90％デューティサイクル、1Hzで、アルギネートエレクトロスプレーは一般的にオンであり、図56に示す2秒スナップショット内のエレクトロスプレーの特徴的な厳しさが周期性によって変わることが見てとれる。
図57は100Hz、50％デューティサイクルを示す。100Hz、50％デューティサイクルでは、アルギネートエレクトロスプレーをアクティブ化することはできなかった。
図58は100Hz、75％デューティサイクルを示す。100Hzでデューティサイクルを増すと、アルギネートをエレクトロスプレーすることができた。1Hzに比べ、アルギネートエレクトロスプレーは周期性における同じ厳しさを示さない。
図59は100Hz、90％デューティサイクルを示す。90％で、アルギネートエレクトロスプレーは連続的にアクティブ化されることが示されている。
図60は1KHz、50％デューティサイクルを示す。先に示した100Hzでの結果によって裏付けられるように、50％デューティサイクルでは、アルギネートをエレクトロスプレーすることができない。
図61は1KHz、75％デューティサイクルを示す。75％デューティサイクルで、アルギネートエレクトロスプレーの厳しさは周期性を有することが示され、エレクトロスプレーは、1KHzでは、1Hzとは異なって連続的に起こる。
図62は1KHz、90％デューティサイクルを示す。90％デューティサイクルで、アルギネートエレクトロスプレーは、時間とともに周期性の範囲内でより強いプルームを示す。
図63は対照アルギネートドリップモードを示す。ドリップモードは、細胞の封入に使用することができる（より一般的には薬物封入に使用されるプルームモードエレクトロスプレーに比べて。しかし、ドリップモードおよびプルームモードの両方を細胞および薬物いずれの封入にも使用することができる）。したがって、図63に示すように、エレクトロスプレーは、大きめのアルギネート粒子の調製の場合には周期パターンをたどることがすでに示されている。1Hzおよび10％デューティサイクルでは、4秒間の画像内でアルギネート粒子は5回エレクトロスプレーされている。
図64は1Hz、50％デューティサイクルを示す。50％デューティサイクルで、アルギネートのエレクトロスプレーは、プルームモードで観察された2つの厳しさをたどるように見える。
図65は1Hz、90％デューティサイクルを示す。90％デューティサイクルでは、プルームモードとは異なって、アルギネートエレクトロスプレーは連続的にはアクティブ化されない。
100Hzで、画像を再生すると、50％デューティサイクルでは、アルギネートは4秒に1回滴下する。75％デューティサイクルでは、画像を再生すると、アルギネートは4秒に0回滴下する。90％デューティサイクルでは、画像を再生したとき、連続的な滴下が見られた。
1KHzでは、50％および70％デューティサイクルで、アルギネート粒子は4秒画像内で滴下しなかった。
図66は1KHz、90％デューティサイクルを示す。90％デューティサイクルで、ドリップモードでアルギネートの規則的なエレクトロスプレーがあった。
図67は、ドリップモード対照中、アルギネート溶液エレクトロスプレー中のT細胞を示す。細胞を含むアルギネート粒子は、対照アルギネートに類似する傾向を示し、期間とともに滴下が増す。
図68は、ドリップモード中、1Hz、10％デューティサイクルでエレクトロスプレーされるアルギネート中のT細胞を示す。10％デューティサイクルの場合、4秒間の画像内で、アルギネート粒子は、滴下することなく、エミッタから前後に動くことが示されている。
図69は、ドリップモード中、1Hz、50％デューティサイクルでエレクトロスプレーされるアルギネート中のT細胞を示す。デューティサイクルを増すと、アルギネートをT細胞とともにエレクトロスプレーすることができる。
図70は、ドリップモード中、1Hz、90％デューティサイクルでエレクトロスプレーされるアルギネート中のT細胞を示す。デューティサイクルを増すと、所与の時間内にエレクトロスプレーされるアルギネートの量が増す。
100Hz、50％および70％デューティサイクルで、アルギネート粒子は、記録された時間内で滴下しない。
図71は、ドリップモード中、100Hz、90％デューティサイクルでエレクトロスプレーされるアルギネート中のT細胞を示す。90％デューティサイクルで、T細胞を含むアルギネート粒子が一貫してエレクトロスプレーされることが示されている。1KHz、50および75％デューティサイクルで、T細胞を含むアルギネート粒子は、4秒間の画像内ではエレクトロスプレーされなかった。しかし、90％デューティサイクルでは、4秒間に1つの粒子がエレクトロスプレーされ、細胞を添加したとき、対照において観察された、より高いデューティサイクルでの一貫したエレクトロスプレーは起こらなかった。
図72は、プルームモード対照中、エレクトロスプレーされたアルギネート中のT細胞を示す。アルギネートは、対照においては絶えずエレクトロスプレーされるように示されている。
1Hz、10％デューティサイクルで、アルギネート粒子は、4秒間の画像内で4回エレクトロスプレーされ、より滴下性のエレクトロスプレーモードを示した。
図73は、プルームモード中、1Hz、50％デューティサイクルでエレクトロスプレーされるアルギネート中のT細胞を示す。50％デューティサイクルで、細胞を添加されると、プルームおよびドリップモードを示すと思われる。
図74は、プルームモード中、1Hz、90％デューティサイクルでエレクトロスプレーされるアルギネート中のT細胞を示す。画像内で一貫してエレクトロスプレーしていた90％デューティサイクルによって裏付けられるように。
光学顕微鏡を利用した。図75は、対照設定中、ドリップモードでエレクトロスプレーされたアルギネート粒子の光学顕微鏡画像を、a）4×倍およびb）20×倍で示す。ImageJで分析したとき、粒子は、標準偏差付き平均サイズが58±9.4μmであり、球形態であった。
図76は、ドリップモード中、a）1Hz、10％デューティサイクル、b）1Hz、90％デューティサイクル、c）1KHz、50％デューティサイクル、およびd）1KHz、90％デューティサイクルでエレクトロスプレーされたアルギネート粒子の光学顕微鏡画像を4×倍で示す。
適応型エレクトロスプレーの例示的態様を使用したとき、標準偏差付き平均粒子サイズは、1Hz、10％デューティサイクルの場合、99.5μmに増大し、次いで、デューティサイクルを90％に増すと、38.8±7.6μmに減少した。周波数を1KHzに変更すると、50％デューティサイクルで、平均粒子サイズは39.2μmであり、デューティサイクルを増すと、以前の傾向とは反対に、72.5μmの増大した粒子サイズが観察された。粒子はすべての条件で球形態を維持した。
図77は、制御された設定下、ドリップモードエレクトロスプレーにおいてアルギネート粒子中に封入されたT細胞の光学顕微鏡画像を20×倍で示す。
ImageJで分析したときの粒子は、まず、アルギネート粒子の形態が、以前の実験において観察された、球形から不規則な形状に変化したことを示し、高速カメラで観察したとき、それは、小さめ粒子が元の一次粒子へと凝集したことによって生じたと思われた。これらの実験において観察された粒子サイズは116.4μmであった。
図78は、ドリップモード中、異なる適応型エレクトロスプレー設定、a）1Hz、10％デューティサイクル、b）1Hz、50％デューティサイクル、c）1Hz、90％デューティサイクル、d）1KHz、50％デューティサイクル、e）1KHz、75％デューティサイクル、およびf）1KHz、90％デューティサイクルでエレクトロスプレーされたアルギネート粒子中のT細胞の光学顕微鏡画像を4×倍で示す。
適応型エレクトロスプレーが、溶液内にT細胞を含むアルギネートに使用されたとき、エレクトロスプレー技術は細胞の封入を示し、周波数およびデューティサイクルが封入効率の変化を示した。1Hz、10％デューティサイクルで、平均粒子サイズは370±29.9μmであり、細胞は球形のアルギネートビーズ内に封入されていた。しかし、このデューティサイクルでは、アルギネート粒子は、図示するように、ある程度、凝集することが示されている。デューティサイクルを50％に増すと、平均粒子サイズは472.5±24.1μmとなり、粒子は凝集を示さなかった。1Hzでデューティサイクルをさらに増すと、粒子封入は見られなくなった。1KHzでは、アルギネート内への細胞の封入は、75％デューティサイクルでのみ起こり始め、平均粒子サイズは216.7±31μmであり、より不規則な形状の粒子に閉じ込められた。90％デューティサイクルでは、平均粒子サイズ225.4±54.8μmの不規則な粒子がなおも観察される。
図79は、プルームモード中、1Hz、50％デューティサイクルでアルギネート粒子に封入されたT細胞の光学顕微鏡画像を、a）4×倍およびb）40×倍で示す。
細胞封入のためにエレクトロスプレーを使用するために理論化されるように、プルームモードは、ドリップモードに比べて小さい粒子を提供する。1Hz、50％デューティサイクルで、アルギネートが細胞を不規則な形態の粒子内に封入することが示される。
図80は、プルームモード中、1kHz、90％デューティサイクルにおけるT細胞およびアルギネート粒子の光学顕微鏡画像を4×倍で示す。デューティサイクルを増すと、プルームモードにあるアルギネート内への細胞の封入を観察することが困難になる。
適応型エレクトロスプレーは、同じ期間内にアルギネートのエレクトロスプレー特性を変化させる。より高い周波数は、エレクトロスプレーするのに十分な電荷をアルギネート粒子に提供するために、より高いデューティサイクルを必要とする。エレクトロスプレーの程度は、デューティサイクルの変更によって同じ期間内で変えることができる。細胞の添加により、プルームモードはプルームモード特性とドリップモード特性とのミックスを示す。細胞を含まないアルギネート粒子の粒子形態は一般的には球形である。アルギネート粒子の平均粒子サイズは、適応型エレクトロスプレーによって変更することができる。たとえば、1Hz、10％で、平均粒子サイズは99.5μmであり、1Hz、50％デューティサイクルで、平均粒子サイズは38.8μmである。
1Hz、50％デューティサイクルで封入された細胞を含む球形アルギネート粒子で示される封入効率は、適応型エレクトロスプレーによって制御することができる。対照内では、制御された形態の欠如があり、細胞は不規則な形状のアルギネート内に封入される。周波数の増大が、アルギネート封入形態を1Hzでの球形から1KHzでの不規則へと変えることが示されている。
荷電球体の製造および／または生細胞の封入
本明細書に記載される器械および方法は、細胞（生きた真核細胞または原核細胞）および／または封入材料をエミッタを介してスプレーしながら、粒子または液滴の放出プルームに電荷を印加して荷電粒子または球体（細胞を内側に有する、または有しない）を生成することにより、工程間アーチファクト（他のエレクトロスプレー手法の有意な欠点）を除きながらも高スループットのやり方で生体適合性ポリマーまたは他の材料で細胞を封入する、たとえば包囲する、またはコートするのに有用である。マルチエミッタ器械は、一貫した信頼しうるやり方で、荷電球体／粒子／液滴を生成する、および／または毎時1×106〜10×106個もしくはそれ以上の細胞を封入する。流量は、エミッタ1つあたり毎分1〜250μ1の範囲である。
一例において、細胞および封入材料（たとえばポリマー溶液）はいずれも同じ1つのエミッタを介してエレクトロスプレーされる。別の例において、細胞および封入材料は同軸的にエレクトロスプレーされる。たとえば、細胞は第一のエミッタを通過し、封入材料は第二の同軸エミッタを通過し、テイラーコーンどうしが一致し、プルームが発生し、それにより、封入材料によって封入または包囲された細胞または複数の細胞を製造する。さらに別の例において、器械は、封入材料の荷電粒子または球体を生成するために使用され、たとえば、封入材料がエミッタを介してエレクトロスプレーされて荷電粒子、たとえばアルギネートビーズを生成する。このプロセスにしたがって、アルギネート粒子は透過化され、細胞と接触して、細胞がアルギネートビーズに進入し、細胞封入を生じさせる。後者の例においては、器械を使用して、20％以内の相対的に均一なサイズを有する一貫して製造される多量のアルギネート球体が形成され、収集され、その後、細胞を装填される。
封入材料は、生体適合性、たとえば細胞適合性である化合物および組成物、たとえば薬学的に適合性の賦形剤または溶液、たとえば水または緩衝液、たとえばリン酸緩衝生理食塩水に可溶性および／または混和性である化合物および組成物を含む。生細胞の封入または非細胞含有球体の形成のための例示的なポリマーは、アルギネート（改質または非改質）、ポリカプロラクトン（PCL）、ポリカプロラクトン（PLC）、ポリ（DL-ラクチド-co-グリコリド（PDLG）、熱可塑性ポリウレタン（TPU）（selectophore）、熱可塑性ポリウレタン（TPU）（Elast-Eon）、ゼラチン、ポリビニルピロリジン（PVP）、ポリ酢酸ビニル（PVA）および／またはポリエチレングリコール（PEG）ならびにそれらのコポリマーを含む。溶液エレクトロスプレーされるポリマーは、BSA（ウシ血清アルブミン）、リボフラビン、マンニトール、キトサン、ポリ（乳酸-co-グリコール酸）（PLGA）、ポリアクリル酸、ポリ（グリセロールセバケート）（PGS）および／またはアルギネートならびにそれらのコポリマーを含む。たとえば、本明細書に記載される器械および方法を使用して、アルギネートビーズに封入されたA549細胞のバイオエレクトロスプレーを達成した。他の有用なポリマーは、ポリカプロラクトン（PCL）（複数の分子量の）、改質ポリカプロラクトン（PCL）および／またはポリジオキソノン（PDO）を含む。封入材料はまた、ハイドロゲル、セラミクス、金属および他のプラスチックを含み得る。
Spraybaseなどの静電液滴発生装置を使用して、アルギネート球体／粒子のトリアゾール含有類似物が生成されている。記載される器械および方法は、同じおよび類似のポリマーを使用して有用であり、バイオファブリケーションにおける有意な改善、たとえばスケール増大、粒子サイズの一貫性の改善および粒子電荷の一貫性の改善が得られる。たとえば、体内への移植のために生細胞を封入するために、トリアゾール−チオモルホリン二酸化物（TMTD）アルギネートが使用される。このポリマーは、げっ歯類および非ヒト霊長類の両方において移植線維症に抵抗する。たとえば、TMTDアルギネートに封入された、たとえば幹細胞由来ベータ細胞（SC-β細胞）が、免疫適格糖尿病C57BL/6Jマウスにおいて、免疫抑制治療なしで、長期血糖症矯正およびグルコース応答性を提供した。
TMTDアルギネート合成が記載され、以下のように実施することができる。簡潔にいうと、4-プロパギルチオモルホリン1,1-ジオキシド（1当量、20mmol）3.5gを、メタノール50ml中、トリス［（1-ベンジル-1H-1,2,3-トリアゾル-4-イル）メチル］アミン（TBTA）（0.2当量、4mmol）2.5g、トリエチルアミン（0.5当量、10mmol）750μl、ヨウ化銅（I）（0.06当量、1.3mmol）250mgの溶液に加える。混合物を0℃に冷却し、11-アジド-3,6,9-トリオキサウンデカン-1-アミン（1当量、20mmol）5.25mlを加えた。反応物を55℃で一晩かく拌し、減圧下、溶媒を除去した。粗反応物を、C18カラム上、逆相（水／アセトニトリル）フラッシュクロマトグラフィーによって精製して、精製TMTDアミンを得る。次いで、この生成物を超高純度アルギネートと以下のように反応させる。UP-VLVG（1当量、＞60％ G、約25kDa MW, NovaMatrix cat. #4200506）1.5gを水45mlおよび2-クロロ-4,6-ジメトキシ-1,3,5-トリアジン（CDMT、0.5当量）675mgに溶解し、N-メチルモルホリン（NMM、1当量）840μlを加えた。次いで、7.65mmolのTMTDアミンをアセトニトリル22.5mlに溶解し、混合物に加える。反応物を55℃で一晩かく拌する。減圧下で溶媒を除去し、固形物を水に溶解する。溶液をシアノ官能化シリカ（Silicycle）のパッドに通してろ過し、減圧下、水を除去して溶液を濃縮した。次いで、それを、脱イオン水中、10,000Da分子量カットオフ（MWCO）膜に対して一晩透析する。減圧下で水を除去して官能化アルギネートを得る。
記載される器械および方法を使用するアルギネートハイドロゲル球体の作製および細胞封入は、従来の装置および方法に比べて優れた球体／粒子を生じさせる。試薬のプレスプレー試料は、本明細書に記載されるエミッタアレイ装置を使用するバイオファブリケーションの前に実質的に改質される必要はない。たとえば、以下の試薬試料を用いることができる。球体製造の前に、緩衝液をオートクレーブ処理によって滅菌し、アルギネート溶液を0.2μmフィルタに通すろ過によって滅菌した。その後の移植のために製造されたマイクロカプセル／球体の無菌性を維持するために、タイプIIクラスA2バイオセーフティキャビネット中でカプセル形成を実施することにより、製造のために無菌処理を実施した。混合物、たとえばアルギネート混合物は、ルアーロックシリンジおよびニードル、たとえば18または25ゲージニードルアセンブリに接続された静電液滴発生装置の代わりに、上記のようなマルチエミッタ電流調整エレクトロスプレー器械を使用して処理される。プロセスは、直径5μm〜3mm、たとえば5〜500μm、5〜10μm、10〜100μm、100〜1000μmおよび／または500μm〜3mmのサイズ範囲の粒子（選択したポリマー中に封入された細胞）を一貫して生じさせる。
この方法は、間葉系幹細胞、免疫細胞、たとえばT細胞（CAR T細胞を含む）およびB細胞ならびに組織修復または再生に使用される細胞、たとえば膵臓β細胞を含む多種多様な細胞を封入するのに適している。臨床用途は、細胞療法、薬物徐放、組織再生および治療細胞の免疫隔離を含む。
たとえば、従来の方法を使用して膵臓β細胞を処理した。カプセルが形成されたのち、それらを収集し、HEPES緩衝液（脱イオン水2リットル中、NaCl 15.428g、KCl 0.70g、MgCl2・6H2O 0.488g、HEPES（1M）緩衝溶液（Gibco, Life Technologies, California, USA）50ml）中、4回洗浄する。アルギネートカプセルを4℃で一晩放置する。次いで、カプセルを0.8％食塩水中で2回洗浄し、使用するまで4℃に維持する。アルギネートを可溶化するために、SLG20（NovaMatrix, Sandvika, Norway, cat. #4202006）を0.8％食塩水中に1.4重量体積％溶解させた。TMTDアルギネートを、まず0.8％食塩水中に5重量体積％溶解させ、次いで、3重量体積％のSLG100（同じく0.8％食塩水中に溶解）と、TMTDアルギネート80％：SLG100 20％の容量比でブレンドした。25Gブラントニードル、5kVの電圧および200μl/minの流量で0.5mm球体を生成した。1.5mm球体の形成のために、18ゲージブラントチップニードルを5〜7kVの電圧で使用した。封入の直前に、培養したSC-βクラスタを1,400r.p.mで1分間、遠心分離し、カルシウムフリーのKrebs-Henseleit（KH）緩衝液（4.7mM KCl、25mM HEPES、1.2mM KH2PO4、1.2mM MgSO4×7H2O、135mM NaCl、
Figure 2019534775
）で洗浄した。洗浄後、SC-β細胞を再び遠心分離し、上清をすべて吸引した。次いで、SC-βペレットを、SLG20またはTMTDアルギネート溶液中に、アルギネート溶液0.5mlあたり1,000、250および100クラスタの密度で再懸濁させた。BaCl2ゲル化溶液を使用して球体を架橋させ、それらのサイズを上記のように制御した。架橋の直後に、封入されたSC-βクラスタをCMRLM培地50mlで4回洗浄し、移植前、スピナフラスコ中、37℃で一晩培養した。この方法は、封入プロセス中のSC-βクラスタの避けられない損失を特徴とした。本明細書に記載される方法は、信頼しうる1工程エレクトロスプレー放出プロセスにおいて、高いスループット／スケールで、封入された細胞を効果的かつ一貫して生み出す。
エレクトロスプレーのための周囲条件の影響の特徴付け
エレクトロスプレーは、ナノ〜ミクロンサイズの粒子の融通の利く調製に非常に有利な技術である。関心が増している1つの分野が、工業規模設定内での薬物送達および粒子の調製の分野である。この用途の場合、粒子製造の再現性を粒子サイズおよび形態に関して微細に制御することができる。粒子をエレクトロスプレー（ES）するために、3つのパラメータ：溶液、プロセスおよび周囲を最適化することができる。一般的に、必要とされるさらなる器械のせいで、他2つのカテゴリーに比べて周囲パラメータの使用はほとんど調査されていない。市販の気候制御室を使用して、一般的な周囲範囲内の温度および湿度を体系的に調査した。水溶性の有機および無機溶媒系に関し、FDA認可ポリマー：ポリビニルピロリドン（PVP）、ポリカプロラクトン（PCL）およびポリ（D,L-ラクチド-co-グリコリド）（PLGA）とで、粒子サイズ、形状および表面形態に対する影響を分析した。結果は、3つすべての溶媒系において周囲条件の有意性を強調した。各ポリマー−溶媒相互作用は周囲条件下で異なるES傾向に従うことが示された。無機溶媒系において、温度および湿度が上昇すると、粒子のサイズおよび形状は有意な影響を受け、PCL粒子における多孔性増大およびPLGAにおける形状制御が観察される。PVP水溶性および有機系においては、温度および湿度の上昇とともにESからエレクトロスピニングへの有意な移行が見られる。異なる系におけるPVPの使用はまた、ポリマーそのものと溶媒との相互作用における重要性を強調する。異なる周囲条件における各ポリマー系の方法論的な試験は、この技術の再現性を維持するためにESのための周囲条件を制御する必要性の裏付けを提供した。
エレクトロスプレー（ES）は、電気力を使用して溶媒和ポリマーを噴霧する電気流体力学的プロセスの一分野である。この技術は、製造されるナノ〜マイクロ粒子のサイズおよび形状の制御を提供する。このサイズ範囲のために、ヘルスケア、特にナノテクノロジーベースの医薬品において関心および用途が増大している。ポリマー層による対象の薬物およびタンパク質のコーティングは、薬物徐放および効能のために、体内でさらなる保護を提供することが示されている。
ESは、1工程プロセスにおけるサイズおよび形状の制御とともに使用することができるポリマータイプにおける融通性を提供するため、改善された薬物送達システムを調製することができ、それは、噴霧乾燥、乳化または重合のような現在の技術の能力を凌駕するであろう。工業設定内で技術を確立するためには、スケーラビリティおよび再現性を最適化することができる。ここでは、粒子の制御されたサイズおよび形態を特に重視しながら、ES粒子の再現性を調査する。研究者は一般的に3つの主要パラメータの2つ、すなわち溶液および処理を重視し、第三のパラメータ、すなわち周囲条件の研究は希薄である。研究者はさらに、より広い範囲のエレクトロスプレーされるポリマー粒子における周囲条件の体系的研究の必要性に注目する。
エレクトロスプレープロセスにおいては、粒子サイズの制御は一般的に、エミッタサイズ、流量、揮発性および導電性に関する溶媒タイプならびにポリマー濃度および分子の間の相互作用と密接に関連する。
一次粒子とは、試料付着に望ましい主要な粒子である。ポリマーの濃度、溶液内での溶解度によって引き起こされる絡み合いの程度および溶媒の揮発性に依存して、ESプロセス中、粘度および濃度は先端で変化する。低い溶媒蒸発速度と合わさってより多量の鎖絡み合いがあるならば、粒子はより高密度で均一な粒子を形成する可能性が高い。高い溶媒蒸発速度によってポリマー溶液内の鎖絡み合いがより散在的である場合、粒子はより大きな多分散性を示すであろう。後者の場合、サテライト粒子（一次液滴の0.2〜0.5倍の崩壊である）および子孫液滴（一般的には、一次液滴の分裂によって生じるデブリポリマー粒子と分類される）を形成する可能性が高くなる。しかし、温度および湿度の影響は、粒子サイズ制御のための他の要因に比べ、体系的な方法で詳述されていない。より高い温度およびより低い湿度の使用は、これらのプロセスおよびポリマーパラメータに対する連鎖的影響を示すであろう。
エレクトロスプレー形態制御のために、相対湿度および温度が、粒子形態に対する効果に関して強調される以前のポリマーおよび処理パラメータとともに、研究においてより一般的に考慮される。ポリマー形態は2つのカテゴリー：一次および二次に分けることができる。一次形態において、粒子の全体形状、たとえば球形、ドーナツ形、貝殻形、ランタン形および円柱形が考慮される。電気流体力学的プロセスの異なる状態の間；エレクトロスプレーからエレクトロスピニングへの移行だけでなく。二次形態は、技術を通して、すなわち、使用される溶媒タイプおよびポリマー−溶媒相互作用によって生じる内部多孔性に関して出てくるさらなる詳細だけでなく、多孔性および粗さに関して、エレクトロスプレーされる粒子の外面形態に集中する。
ES粒子に対する温度および湿度の影響。温度および湿度は、製造される粒子のサイズおよび形態に有意な役割を演じる。エレクトロスピニングはより発展した電気流体力学的プロセスであるため、繊維サイズおよび形態に対する周囲条件の関与に関するさらなる裏付け材料を考察した。エレクトロスプレーと同様、エレクトロスピニングされる繊維に対する周囲条件の体系的影響は非常に希薄である。しかし、エレクトロスプレーに関して記したように、エレクトロスピニングされる繊維のサイズおよび形状に有意に影響するパラメータもまた、ポリマー分子量および濃度ならびに溶媒タイプおよび揮発性である。各ポリマー系に異なるふうに影響する一次および二次表面形態に対する影響とともに。
湿度および温度の範囲でエレクトロスプレーまたはエレクトロスピニングされたときの特定のポリマーおよび溶媒の有意性が、電気流体力学的プロセスのより微細な制御のために周囲条件を適切に予測し、最適化するための、ポリマー−溶媒相互作用のより詳細な理解の必要性を強調する。Vriezeらは、アセトンおよびN,N-ジメチルアセトアミド（DMAc）中の酢酸セルロース（CA）から高めた湿度でエレクトロスピニングされた繊維はサイズがより大きく、一方、エタノール中のPVPからエレクトロスピニングされた繊維は湿度上昇とともにサイズが小さくなる傾向にあることを記した。Vriezeらは、2つの間の化学的および分子的相互作用を通して、ポリマーと、溶媒蒸発速度に対するその影響との間には複雑な関係があることを記した。また、形態の厳密な制御のためには、3つのパラメータ；プロセス、ポリマーおよび周囲の間に有意な相互作用がある。これは、温度を20℃に維持したとき、溶媒タイプ、TFEおよびポリマー、PLGAの存在が、流量の使用を通して、プロセス中のTFEの蒸発速度に対して異なる影響を示したことによって示されている。数珠状の繊維、細長い粒子および球形の粒子から異なる一次形態の存在を生じさせる。多孔性の変化が、放出される薬物の薬物動態ならびにES粒子の完全性および崩壊速度に影響するため、一次および二次形態を制御する能力は、特に薬物送達に関して、制御することができるさらなるパラメータである。
したがって、温度と湿度の関係は、ESポリマー系内で最適化するために重要である。現在、形態の変化および制御された多孔性の生成の基礎を成す正確なメカニズムは完全には理解されていない。しかし、得られるポリマー粒子または繊維の形態に対する影響に関し、温度および湿度に関する2つの理論が文献において一般に提案されている。これらは相分離および呼気像理論であり、一般的に、溶媒タイプおよび揮発性、ポリマーならびに温度の間の相互作用が形態の変化を説明付けると考える。
相分離においては、4つの主なメカニズム：熱誘起相分離、浸漬沈殿、ポリマー溶液のエアキャスティングおよび蒸気相からの沈殿が提案されている。熱力学的不安定性が相分離の駆動力であるため、エレクトロスプレー中の温度の低下、溶媒の損失および非溶媒（水）の増加が不安定性の程度に影響する。より高い温度では、ポリマー溶液内の溶媒はより高速で蒸発する。これがポリマー溶液の温度低下をもたらし、非溶媒を粒子スプレー中に拡散させる。大気中の水蒸気とのポリマー混和性に依存して、これは、ポリマーをより高速で沈殿させ、より大きな構造をもたらすことができる、または、ポリマーが水と混和性であるならば。それはまた、ポリマーの導電性の増大および表面張力の減少を生じさせて、さらなる延伸または増大した噴霧、ひいてはより小さい粒子または繊維を生じさせる。
呼気像理論において、しきい大気湿度では、技術のジェット段階において気相から水が凝縮して噴霧粒子または繊維の表面に付く。そして、溶媒揮発性に依存して、ポリマー粒子または繊維からの水蒸発速度に関連して、ポリマー粒子からの溶媒の蒸発速度によって細孔が形成することができる。これが、パターン化された多孔質表面を生じさせる。
この分野における研究の欠如は、温度および湿度が制御される密閉チャンバを提供するために必要なさらなる器械のせいであるといえる。したがって、温度および湿度は大きくは評価されていないが、文献内で強調されていることは、工業用途にスケールアップするときだけでなく、実験室に存在する周囲温度および湿度範囲内でさえ必要とされる複雑な複雑さおよび制御である。
以下、市販の密閉温湿度室を使用した、周囲範囲内の制御された点における温度および湿度の影響に関する調査を記載する。ポリマーと溶媒タイプおよび揮発性との関係を評価するために、いずれも様々な薬物送達システムに有益であろう3つの異なるFDA認可ポリマー：ポリビニルピロリドン（PVP）、ポリカプロラクトン（PCL）およびポリ（D,L-ラクチド-co-グリコリド）（PLGA）を試験した。
使用したポリマーは、ポリビニルピロリドン（PVP）mw55,000、ポリカプロラクトン（PCL）mw70〜90,000（いずれもSigma-Aldrich, Irelandから購入）およびポリ（D,L-ラクチド-co-グリコリド）（PDLG 7520A）（Purasorb, UKから購入）であった。試験のためにポリマー溶液を調製するために使用した溶媒は、エタノール（EtOH）、2,2,2-トリフルオロエタノール（TFE）、クロロホルム、クロロベンゼン（Sigma-Aldrich, Irelandから購入）および研究室内でろ過した脱イオン水であった。
PVP溶液は、PVPペレットを、DW、EtOHまたは1：1比（v/v）のDW：EtOH中、それぞれ50％、25％および12.5％（w/v）の濃度で溶解することにより、室温で調製した。溶液は、溶解するのに最低12時間を要した。PCL溶液の場合、80：20（v/v）比のクロロホルム：クロロベンゼン中5％（w/v）濃度のポリマーを室温で調製し、磁気プレート上、最低3時間かく拌した。PLGA溶液の場合、TFE中7％（w/v）濃度のポリマーを調製し、試験前に室温で最低3時間かく拌した。
一般的に存在する周囲範囲内の温度および湿度の方法論的試験のために、Spraybase（Avectas, Dublin Ireland）によって設計された市販の気候制御室を使用した。各エレクトロスプレーされたポリマーに関して試験した温度は20、30および40℃であり、湿度は、各温度点で30、40および50％に変化させた。
温湿度室は、流量を制御するために圧力駆動システムを使用し、改善された観察のために、実験期間中、ポリマーエレクトロスプレー特性を連続的にモニタするためにセットアップ内にモノクロカメラを設けた。
すべてのポリマー溶液は0.3mmチューブおよび22Gエミッタを使用した。しかし、最適化されたパラメータに依存して、距離、流量および電圧を溶液ごとに変化させた。PVP溶液の場合、距離10cm、圧力0.1〜0.15バールおよび10〜11kVを使用した。PCLおよびPLGA溶液の場合、距離15cmを使用し、PLGA溶液は圧力0.06バールおよび12kVを必要とし、PCLは圧力0.376バールおよび6〜7kVを使用した。
エレクトロスプレーされた粒子をチャンバ内の静電コレクタ上のアルミニウム箔に付着させた。次いで、箔を取り除き、そのエレクトロスプレーされた箔から2cm×2cmの試料を切り出して、Jeol SS-5500ベンチトップ走査型電子顕微鏡（SEM）を使用して特徴付けした。試料ごとに最低6つのスポットを走査した。Image-J（NIH Software）を使用して粒子サイズを計測してSEM画像の粒子直径を計算し、パラメータごとに最低50の粒子を計測した。
温度および湿度とポリマーおよび溶媒系との複雑な関係が、溶媒の揮発性およびポリマーとの相互作用に依存して、得られるES粒子のサイズおよび形態に異なる程度に影響することが示された。
PVPを3つの異なる溶媒系：脱イオン水（DW）、エタノール（EtOH）および1：1比のDWおよびEtOHに可溶化した。次いで、予備実験を実施して（付録1）、同じ周囲条件：20℃、相対湿度（RH）30％でエレクトロスプレー粒子を生成したしきい濃度を得た。次いで、これらの濃度を以下に概説する試験に使用した。同じポリマーで3つの異なる溶媒系の使用は、ポリマーと溶媒との相互作用の有意性を評価するためのものであった。その後、なおも薬物送達に関連する異なるポリマー系を用いて、より揮発性の溶媒のさらなる調査を評価して、温度および湿度による粒子形態の任意の識別可能な傾向を付与した。
ES粒子サイズおよび形態は、使用される溶媒タイプによって有意に影響されるため、高めた温度を試験すると、沸点および蒸気圧によって簡単に強調される溶媒揮発性ならびに溶媒表面張力および双極子モーメントおよび誘電率によって影響されるポリマー−溶媒相互作用の影響が、溶媒タイプおよびポリマーとの任意の特定の傾向を周囲条件の体系的試験によって理論的に評価する場合に関心対象となる。使用された溶媒の物理的性質は、ES技術において影響が強い性質を重視しながら、表1に詳述されている。クロロベンゼン（PhCl）および脱イオン水を使用すると、より高い沸点のため、滑らかな表面を有する球形粒子がESされると予想されよう。クロロホルムおよびTFEなどの溶媒を用いると、表中に認められる高い蒸気圧のせいで、温度上昇とともに多孔質粒子が得られる可能性が高くなる。湿度および温度が高まると、TFE系内のES粒子は、高い双極子モーメント、誘電率およびより低い表面張力のせいで、より高いレベルの多分散性を有する可能性が高くなり、高めた周囲条件で、ポリマーへの導電性の増大、ひいては溶液内の鎖絡み合いの減少を生じさせ得る。
Figure 2019534775
PVPは、製薬分野において一般に使用される水および極性可溶性ポリアミドである。PVPのESの場合、1μmのサイズのES球形粒子が観察される。しかし、温度および湿度を変化させると、ESされたPVPは各系において有意に変化した。
PVPをESするためにDWを溶媒系として使用したとき、SEM画像は、滑らかな表面形態を有する概ね球形の粒子を示した（図81）。しかし、極端な温度および湿度では、20℃湿度範囲は除き、繊維の存在が見られ、40℃および湿度30％でもっとも優勢であった。すべての湿度において、40℃での繊維の支配的存在が、このセットにおいてはESプロセスにとって温度が湿度よりも有意であることを示す。ES粒子は、試験したすべての周囲条件で球形かつ滑らかであり、平均1μmのサイズである。粒子サイズ分布はすべての温度および湿度で同様であるように見え（表2）、試料内の最小粒子サイズは0.3μmであり、最大粒子サイズは3.5μmである。ESされたすべての粒子は概して0.6〜1.8μmのサイズである。20℃および30℃では、もっとも頻繁な粒子サイズ範囲は湿度の上昇とともに増大し、40℃では、大部分の粒子が一般的には同じ0.8〜1.2μmのサイズである。
ポリマー系内の溶媒としての脱イオン水の使用は、すべての温度および湿度で系内の平均粒子サイズの安定性を提供した（表2）。しかし、粒子形態は、温度および湿度の上昇によって有意な影響を受けた。前述のように、脱イオン水は、高い沸点100℃および低い蒸気圧0.023気圧を有し（表1）、ポリマー粒子は、これらの溶媒特性のせいで、試験したすべての周囲条件で滑らかな表面形態を示す。温度が上昇すると、40℃でより多くの水が蒸発するため、エミッタ先端のポリマー粘度は高まる。DW中のPVPはすでに高いポリマー濃度にあったため（はじめは50％（w/v））、溶液内にはすでに高濃度のPVP粒子があり、したがって、粘度の増大はポリマー鎖絡み合いの増加を示唆する。エレクトロスピニングおよびエレクトロスプレーは同じ電気流体力学的プロセスを使用するため、生じるプロセスに影響する主な変数の1つがポリマー濃度である。たとえば、温度が40℃に設定されると、ポリマー濃度増大を生じさせ、ひいてはエレクトロスプレープロセスをエレクトロスピニングに変えるのに十分な水がエミッタ先端から蒸発する。他方、上昇した湿度の存在は、ポリマー形態に関して、20℃範囲内で観察され、表2に記されるような粒子の多分散性に影響する。湿度上昇は、エレクトロスプレープロセス中、より高い水の流入をポリマー溶液中に拡散させる。PVPはすでに水溶性であるため、疎水性ポリマーほど大きくは相分離を起こさず、したがってエレクトロスプレー中、噴霧粒子内で拡散速度の不均一が生じる。
図81は、気候制御室中、温度セット20℃、30℃および40℃で、各温度セットを湿度30、40％および50％で試験したときの、脱イオン水中でESされたPVPのSEM画像を示す。
表2は、20、30および40℃で湿度30、40および50％の場合、DW中でESされたPVPの粒子サイズ範囲を含む。
Figure 2019534775
PVPがEtOH系中、同じ温度および湿度範囲でESされたとき、結果は、ESされたPVPの形態に対する周囲条件の有意な影響を示した（図82）。ESされた粒子は球形の見かけを示したが、PVP粒子の表面は大部分くぼみを有する。表面形態は、3つの温度セットすべてで、増大した湿度の存在により、くぼみのある状態から滑らかな状態に変わることが示されている。
平均粒子サイズはすべての温度および湿度で同様に1〜2μmであり（表3）、粒子分布は非常に大きく、最小サイズが0.3μmであり、最大サイズが8.7μmである。20℃で、湿度範囲はESプロセスを大きく変えず、各湿度でPVP粒子形成は維持された。湿度50％で、300nmサイズの小さな繊維が試料内に現れる。湿度がさらに高まると、繊維の存在が増し、エレクトロスプレーではなくエレクトロスピニングへの変換が起こると想定することができる。粒子の表面形態は、小さめの粒子に場合には滑らかな表面を示し、大きめの粒子の場合にはへこんだ表面を示す。30℃で、PVP電気流体力学的プロセスは、20℃とは反対の傾向を受け、それにより、湿度が上昇すると、粒子とのPVP繊維の形成は減少する。湿度30％で、もっとも多くの繊維が存在し、一般的に200〜300nmのサイズである。湿度50％で、粒子は、2つの異なる表面形態：小さめの粒子における比較的滑らかな表面形態、および大きめの粒子におけるくぼんだ「ドーナツ」形の形態を示す。40℃では、湿度による傾向は不明確であり、湿度ごとに有意な形態差がある。湿度30％で、PVPのESは維持され、試料内には粒子のみが観察される。粒子の表面形態は、存在する表面：滑らかな表面、「ドーナツ」形およびくぼんだ形の混在を示す。湿度40％では、PVP繊維が粒子とともに試料内に存在する。繊維は200〜400nmのサイズである。粒子の表面形態は、大部分の粒子においては主に滑らかな表面を示し、いくつかの大きめの粒子はくぼんだ表面形態を有する。湿度50％では、100〜200nmサイズのPVPの小さな繊維が滑らかな球形PVP粒子とともに希薄に存在する。
EtOH系においては、湿度がES粒子の二次表面形態に有意な影響を及ぼすことが示されている。低めの湿度では、各温度で、EtOHの溶媒特性のせいで、脱イオン水と比べ、より低い沸点78℃、より高い蒸気圧0.059atmおよびより低い表面張力22.1dyne/cm（表2）。呼気像プロセスが発生していると見ることができる。EtOHは、先端にあるとき、ポリマー溶液から高速で蒸発するため、主に湿度20および30％で水蒸気が存在し、一定量の水が粒子の表面に凝縮して、ES粒子からのEtOHの不均一な蒸発、ひいてはくぼんだ形態を生じさせた。湿度が高まると、PVP ESされた粒子の二次表面形態に影響する主要なプロセスは蒸気相分離であり、ES中、付加水蒸気がPVP噴霧粒子中により高い勾配で拡散し、PVP粒子の表面張力の増加を生じさせる。したがって、表面が、より硬質の構造および残りのEtOHが表面全体からより均一な速度で蒸発するためのより大きな能力を有するようにする。EtOH中のPVPの粒子サイズは、DWの場合と同じく、同様なサイズであり、EtOH系中のPVPは、より低い濃度で、すなわちDWの場合の50％（w/v）に比べ、25％（w/v）PVPでESされるため、水に比べて高いEtOHの導電率のせいで、ESプロセスにはより少ないポリマーしか要らず、PVP粒子への効率的な量の電荷が溶液内でエミッタ先端に存在することを強調することができる。これは、30℃で、より低い湿度での大きな繊維の存在によって裏付けられる。温度および湿度は、最高速度の溶媒蒸発のためのしきい値およびポリマー粘度を、ESプロセスがエレクトロスピニングに変えられる臨界粘度に変えるための水蒸気拡散の欠如を提供する。30℃で存在する粒子は、溶媒蒸発の不規則性および熱誘起相分離（TIPS）を示す。それにより、溶媒は、ESプロセス中、コア内よりも外縁で高速で蒸発する。この高速溶媒蒸発により、粒子上で見られる温度は有意に変化する。粒子の内部コアを外寄り部分よりも高速で収縮させて、熱平衡を保存させる。したがって、カップ状の粒子形態の形成を生じさせる。
温度を40℃に上げると、溶媒蒸発の速度は、ES中、PVP粒子の内寄りおよび外寄り部分で平衡に達し、水蒸気が粒子に入るための拡散勾配がより高くなり、滑らかな球形の見かけを生じさせる。
図82は、気候制御室中、温度セット20℃、30℃および40℃で、各温度セットを湿度30、40％および50％で試験したときの、EtOH中でESされたPVPのSEM画像を示す。
表3は、20、30および40℃で湿度30、40および50％の場合、EtOH中でESされたPVPの粒子サイズ範囲を示す。
Figure 2019534775
予備実験における1:1比のDWおよびEtOH（v/v）中のPVPは、狭い濃度範囲：12.5％（w/v）でのみエレクトロスプレー特性を示し、より低い濃度では、20℃、RH30％で、プロセス中の過度な滴下を示し、より高い温度では、顕著なエレクトロスピニング特性を示した。試験ごとに複数の試料を採取したとき、1.5％（w/v）で、ES特性および粒子の存在が観察されたが、主に、エレクトロスピニングされた糸に通したビーズが見られ、したがって、図83の糸に通したビーズの表現である。結果は、ESされたPVP粒子が存在したとき、粒子は、なおも平均1μmのサイズであること（表4）および、主にエレクトロスピニングプロセスが湿度上昇によってエレクトロスプレーに変わったように、電気流体力学的プロセスの変化に対する周囲条件の有意性を示す。
20℃セット実験において、PVPは、湿度30％で、「糸に通したビーズ形態」を有することが示される。繊維上で平均粒子サイズは1.1μmであり、繊維のサイズは300〜400nmである。粒子表面および繊維は系内で滑らかな表面形態を示す。湿度40％で、滑らかな表面形態は維持され、小さめの繊維が「糸に通したビーズ」形態内に存在する。粒子のサイズは平均1.2μmであり、繊維のサイズは一般的に200〜300nmである。湿度50％では、滑らかな表面を有する球形粒子のみが系内に存在し、1.3μmの平均粒子サイズが計測される。これらの周囲条件における粒子サイズ範囲は0.2〜2.5μmであり、大部分の粒子のサイズは0.6〜1μmである。温度範囲を30℃に上げると、湿度30％では、主に繊維が存在し、試料内に存在する粒子は希薄である。繊維サイズは平均0.3μmであり、滑らかな表面形態を有する。湿度40％では、「糸に通したビーズ」形態内の滑らかな粒子の存在が増し、粒子のサイズは平均1.1μmであり、繊維は100〜600nmである。湿度50％では、粒子はより球形で滑らかな見かけを有し、試料は主に、平均1.1μmのサイズの粒子および180〜350nmの繊維で構成される。
40℃、湿度30％では、試料内に滑らかな繊維と「糸に通したビーズ」とが混在する。ビーズのサイズは平均1μmであるが、繊維のサイズは平均242nmであり、70〜440nmの間である。湿度40％では、試料は主に、滑らかで球形の形態を有する粒子の存在を示し、平均粒子サイズは1.2μmであり、粒子範囲は0.4〜2.4μmであり、大部分の粒子のサイズは1〜1.2μmであった。湿度50％では、滑らかな繊維の存在が増えるが、大部分、試料は滑らかな球形のPVP粒子で構成されている。平均粒子サイズは1.1μmであり、粒子サイズ範囲に対し、粒子の多くは0.3〜1.9μmであり、大部分の粒子は0.9〜1.3μmのサイズであり、試料内に、2.5〜2.9μmのサイズの大きめの粒子がいくつか存在した。他方、繊維は平均239nmであり、繊維サイズ範囲は95〜855nmであった。
試験したすべての周囲条件における繊維および粒子の両方の滑らかな表面の存在は、先に記載した個々の溶媒系内のPVPと比べたとき、系内のDWの優勢を示す。周囲条件内のエレクトロスプレーに対するエレクトロスピニングの優先は、EtOH系内のPVPとで観察されるものと同じパターンをたどるように思われる。しかし、PVPとの混合溶媒系は、個々の系内よりも高い速度で繊維および糸に通したビーズエレクトロスピニング形態の存在を生じさせる。しかし、湿度上昇とともにエレクトロスピニングがエレクトロスプレーに変わるとき、周囲条件がプロセスに有意に影響することが示される。高めの温度、たとえば20℃の使用は、低めの湿度50％で、エレクトロスピニングからエレクトロスプレーへの変更を改善し、球形の滑らかな粒子のESを提供するが、40℃、湿度40％では、球形の滑らかな粒子が存在する。
1：1のDW：EtOH系中のPVPは、必要とされる低いPVP濃度12.5％（w/v）ならびに増大した電荷および粒子の中へ噴霧されるのではなく繊維の中へ延びるためにポリマー粒子の整列を生じさせるために発生する鎖絡み合いのせいで、高い導電率を有すると理論付けることができる。より高い湿度で存在する増大した水蒸気は、理論的には、先端でポリマー溶液を希釈して、噴霧が起こるための鎖絡み合いおよび粘度の低下を提供するであろう。温度が上昇すると、系内のEtOHはより高速に蒸発して、エミッタにおいて水蒸気が溶液に入り、溶液がよりES的性質を得るようにするためのより高い拡散勾配を提供する。
図83は、気候制御室中、温度セット20℃、30℃および40℃で、各温度セットを湿度30、40％および50％で試験したときの、1：1（v/v）比の脱イオン水およびEtOH中でESされたPVPのSEM画像を示す。
表4は、20、30および40℃で湿度30、40および50％の場合の粒子サイズ範囲を示す、EtOHおよびH2O中でESされたPVPを示す。
Figure 2019534775
周囲条件に関連した無機溶媒系の挙動に関する調査には、代替ポリマーの使用が必要であった。PCLは、それがFDA認可のポリマーであり、薬物送達用途において使用されるため、選択された。PCL溶液を気候制御室内でエレクトロスプレーすると、結果は、温度および湿度が粒子のサイズおよび表面形態を変えることを示した（図84）。すべての温度範囲および湿度において、PCLは、ES、ひいては粒子の製造を維持した。しかし、表面形態は湿度上昇とともに変化した。粒子は、低い湿度30％での滑らかな表面から、高い湿度50％での多孔質表面へと変化した。しかし、40℃湿度範囲の場合、多孔性は観察されず、代わりに、温度上昇とともに粒子完全性が低下することが示され、粒子サイズは有意に大きくなり（表5）、粒子は一次粒子およびサテライト粒子の存在を示す（図85）。
20℃範囲で、粒子は30％で滑らかな表面の球形粒子を示し、平均粒子サイズは10μmであり、粒子は2つの粒子サイズ範囲（粒子の少数が4〜6μm、粒子の大部分が8〜13μm）であった。湿度を40％に上げると、粒子は大きくなり、平均粒子サイズは13μmであり、粒子サイズの大きな分布は8〜23μmの範囲であり、大部分の粒子は10〜16μmのサイズである。球形粒子の表面形態は依然として滑らかであった。この表面形態は湿度50％で変化し、球形粒子上には多孔質で粗い表面形態が観察された。平均粒子サイズは14μmであり、粒子サイズは8〜25μmの範囲であった。
30℃でも同様な傾向が観察され、湿度30％での粒子は、滑らかな表面形態および19μmの平均粒子サイズを有する球形であり、粒子サイズ範囲は12〜27μmであり、大部分の粒子は15〜19μmのサイズであった。湿度40％では、球形粒子は表面に細孔の存在を示し、平均粒子サイズは12μmに低下し、2つの粒子サイズ範囲：小さい方の粒子サイズ7〜19μmの範囲（大部分の粒子は10〜13μmのサイズ）および大きい方の粒子サイズ22〜25μmの範囲があった。湿度50％では、粒子は球形を失い、代わりに、非常に多孔質の構造を有する溶融ポリマー粒子を有する。平均粒子サイズは24μmであり、粒子サイズ範囲は非常に大きく、9〜39μmである。
40℃では、ES時、球形粒子の完全性はさほど固くないように見え、得られた粒子はなおも、平均サイズの滑らかな表面形態を示し、最大のものは29μmのPCL粒子で見られ、粒子サイズ範囲は15〜40μmであり、大部分の粒子は23〜32μmのサイズである。湿度を40％に上げても、粒子はなおも球形および滑らかな表面形態を示す。平均粒子サイズは24μmに減少し、粒子サイズ範囲は14〜37μmであり、大部分の粒子は20〜25μmのサイズである。50％で、粒子はなおも球形の滑らかな表面形態を示し、平均粒子サイズは19μmであり、サイズ範囲は14〜32μmであり、大部分の粒子は14〜19μmのサイズである。
ポリマー系内で使用された2つの溶媒はクロロベンゼンおよびクロロホルムであり、両者は有意に異なる沸点および蒸気圧値を有する（表1）。クロロベンゼンは131℃のより高い沸点（試験した溶媒のうち最高）および0.012気圧の蒸気圧を有する。クロロホルムは61℃の沸点および0.209気圧の蒸気圧を有するが、溶媒系は、8：2の比（v/v）のクロロベンゼンとクロロホルムで構成されている。すべての周囲条件に関して、電気流体力学的プロセスは、以前のシステムと比較して、エレクトロスプレーとして維持され、EtOHおよびDWと比較して、この溶媒系の有意に低い誘電率は、より高度の絡み合いを生じさせるためにより少ない電荷を溶液内のポリマー分子に提供する。
溶媒系の主成分であるクロロベンゼンのより高い沸点は、DWと同様の傾向をたどり、より低い湿度では、粒子表面形態は、ポリマーからのより低速の溶媒蒸発のせいで滑らかである。より高い湿度での粗面の存在（ただし、20℃、50％では多孔質構造ではない）は、ES中の粒子内への水蒸気の流入がポリマーの疎水性のせいでスキン層を形成することを強調する。しかし、この温度で起こる溶媒蒸発の低い速度のせいで、ポリマーは呼気像変換を受けない。しかし、温度が上昇すると、粒子の表面に有意な細孔が形成する。これは、クロロホルムの溶媒蒸発が加速されるためであるといえ、したがって、呼気像変換は、水蒸気がポリマー表面に流入してポリマー粒子中に亀裂を生じさせるだけのより高い拡散勾配で起こることができる。40℃では、湿度を上げてもPCL粒子の多孔性は存在しない。より低い湿度でのポリマーは、より結合された、より固体ではない構造を有するように見え、これは、ポリマーの完全性が問題になるような高速で溶媒が蒸発したため、粒子がコレクタに達する前に完全に固化することができないせいであり得る。湿度が上昇すると、ポリマー粒子は滑らかな球形構造を有し、したがって、表面内への水蒸気の流入は、粒子の完全性を維持するのに十分な表面張力を粒子内に誘発する。
図84は、気候制御室中、温度セット20℃、30℃および40℃で、各温度セットを湿度30、40％および50％で試験したときの、80：20（v/v）比のクロロホルム：クロロベンゼン中でESされたPCLのSEM画像を示す。
表5は、20、30および40℃で湿度30、40および50％の場合の粒子サイズ範囲を示す、CHCL3：CHb中でESされたPCLを示す。
Figure 2019534775
周囲温度との無機溶媒の効果を調査するために、さらなるポリマーを試験した。PLGAもまた、薬物送達に使用されるFDA認可ポリマーである。それをTFEに溶解すると、クロロホルムおよびクロロベンゼン中、PCLとで観察された傾向とは異なる傾向を見せた。周囲条件がPLGAのESに影響することが示され（図85）、温度が粒子のサイズにより有意に影響し、湿度は形状に影響する。PCLの場合と同じく、無機溶媒系は、温度および湿度を変化させても、繊維の形成を防いだ。
20℃では、湿度が、製造される粒子の形状に影響し、湿度が高まると、粒子サイズおよび形状の均一さが改善する。湿度30％では、球形の滑らかな粒子と細長い円柱形の滑らかな粒子とが混在した。平均粒子サイズは1.9μmであり、粒子範囲は0.5〜3.4μmであり、大部分の粒子は1.6〜1.9μmであった。湿度40％では、ESされたPLGAの大部分は球形の滑らかな粒子を示し、細長い円柱形のPLGA形状が試料内に希薄に存在した。平均粒子サイズは1.3μmであり、粒子範囲は0.4〜2.2μmであり、粒子の大部分は1.1〜1.4μmのサイズであった。湿度50％では、粒子はすべて球形かつ滑らかであり、平均粒子サイズは1.3μmであり、粒子は0.5〜2.5μmであり、大部分の粒子は0.9〜1.3μmのサイズであった。
30℃では、湿度30％で、試料内の粒子は、球形、円柱形および長い三角形のテールが付いた球形粒子の混合形態を示した。すべての表面形態は滑らかであり、平均粒子は1.2μmのサイズであった。計算された粒子サイズは2つの異なる範囲：大部分の粒子が0.3〜2.2μmであり、大部分の粒子が0.9〜1.2μmである範囲およびいくつかの粒子が2.5〜2.8μmのサイズである範囲を示した。湿度40％では、粒子形態はなおも、球形、円柱形および細長いテールが少なくなった球形粒子の混合形状形態を示した。平均粒子サイズは1.2μmであり、粒子は0.4〜2.8μmの範囲であり、大部分の粒子は一般的に0.8〜1.2μmのサイズである。湿度50％では、粒子の形態はなおも、円柱形、球形および30℃での湿度範囲内で見られたもっとも多くの細長いテールを有する球形粒子の混在を示した。平均粒子サイズは1.2μmであり、大部分の粒子はすべての湿度で0.4〜2.8μmの範囲で見られ、大部分の粒子は0.8〜1.2μmであった。
40℃では、湿度30％で、粒子は、大部分が球形であり、滑らかな表面を有するように見える。平均粒子サイズは2.9μmであり、粒子は3つのサイズ範囲：1.2〜4.5μmの範囲（大部分の粒子は2.3〜3.4μm）、6.7〜7.8μmのサイズの大きめの粒子範囲および8.9〜10μmのサイズの大きめの粒子範囲内にある。大きなサイズ分布は、球形粒子の優勢を示すが、サイズの均一さを提供しない。湿度40％で、粒子は、粒子形状における完全性の損失を示し、球形および円柱形の成形物だけでなく、球形粒子が存在する。平均粒子サイズは2.6μmであり、粒子は1.4〜4.7μmのサイズであり、大部分の粒子は2.5〜3μmで付着した。湿度50％では、粒子形状の完全性の損失がなおも存在し、成形された球形および円柱形だけでなく、球形粒子が存在する。平均粒子サイズは2.6μmであり、1.3〜4μmの粒子が付着し、大部分の粒子は2.4〜2.9μmである。
TFEは、EtOHと同じ沸点、78℃およびより高い蒸気圧を有する。これは、ESプロセス中の粒子からの溶媒蒸発の速度増大が形態の変化を生じさせ、EtOH中のPVPの場合、よりくぼんだまたは多孔質の構造ができるという理論を裏付けるのに役立つ。TFEの双極子モーメントは、すべての溶媒の中で最高の2.52Dであり（表1）、表面張力は16.5dyne/cmで最低である。これら2つの溶媒特性が、表面形態の変化および多分散性の増大を裏付け、球形粒子および円柱形粒子が見られ、より高い温度が観察される伸びを増大させる。細長い構造を有するこの形態の変化は、初期のクーロン分裂およびその後の高速の溶媒蒸発のせいであり、それが、ESプロセス中にPLGA粒子に提示される温度勾配の変化のせいで、液滴を不規則な形状に凍結させたことが観察された。温度上昇とともに、溶媒蒸発はより顕著になり、30℃セットで示されたように、粒子の伸びが見てとれる。より低い表面張力のせいで、粒子は、噴霧された一次粒子のコンパクトな形状を破壊して、表面形態の変化を増大させることができる。20℃セットで示されたように、湿度上昇とともに存在する水蒸気量の増加が系内への水の流入を生じさせ、それがポリマー粒子の極性を減らし、溶媒蒸発を通してポリマー粒子内に観察される温度勾配を減らすと考えることができる。水は比較的高い表面張力および蒸気圧を有するため、ポリマー粒子表面への吸着が一次粒子形状の収縮を生じさせることが見てとれる。しかし、この傾向はより高い温度では観察されず、溶媒蒸発のTFE速度は、水吸着の流入が熱力学的不安定性を補正するには速すぎると考えられ、したがって、ポリマーの表面張力は増大せず、伸びの増大を生じさせ、40℃の場合に、溶媒蒸発は、ESプロセス中にポリマーを効果的に固化させず、したがって、湿潤形態を有させる。
図85は、気候制御室中、温度セット20℃、30℃および40℃で、各温度セットを湿度30、40％および50％で試験したときの、TFE中でESされたPLGAのSEM画像を示す。
表6は、20、30および40℃で湿度30、40および50％の場合の粒子サイズ範囲を示す、TFE中でESされたPLGAを示す。
Figure 2019534775
参考文献
Figure 2019534775
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Figure 2019534775
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本明細書に記載される主題は、所望の構成に依存して、システム、機器、方法および／または物品に具現化されることができる。前記詳細な説明に記載された態様は、本明細書に記載される主題と合致するすべての態様を表すわけではない。逆に、それらは単に、記載された主題に関連する局面と合致するいくつかの例である。いくつかの変形例が上記で詳細に説明されたが、他の修飾または追加が可能である。特に、本明細書に記載されたものに加えて、さらなる特徴および／または変形を提供することができる。たとえば、上記態様は、開示された特徴の様々な組み合わせおよび部分的組み合わせおよび／または上記で開示されたいくつかのさらなる特徴の組み合わせおよび部分的組み合わせに関することができる。加えて、添付図面に示される、および／または本明細書に記載される論理の流れは、望ましい結果を達成するために、必ずしも、示された特定の順序または正しい順番を要しない。他の態様が特許請求の範囲内であり得る。

Claims (54)

  1. エレクトロスプレーエミッタ；
    該エミッタに電気的に結合され、エミッタ電流を計測する第一の電流計測ユニット；
    対電極；
    該対電極に電気的に結合され、対電極電流を計測する第二の電流計測ユニット；および
    エミッタ電流計測値および対電極電流計測値を受け取り、
    受け取った該エミッタ電流計測値および受け取った該対電極電流計測値に基づいて、該エミッタと該対電極との間の寄生電流損失を補償するための電流調節値を算出し、
    算出した該電流調節値に基づいて該エミッタ電流を調節する
    ように構成された制御装置
    を含む機器。
  2. 対電極に対する500ボルト超または500ボルト未満の電圧で電流を提供する、エミッタに電気的に結合された電流源
    をさらに含む、請求項1記載の機器。
  3. 第一のエミッタおよび第二のエミッタを含み、前記エミッタが該第一のエミッタである、エミッタのアレイ
    をさらに含み、
    制御装置が、第一の期間中、該第一のエミッタを付勢し、第二の期間中、該第二のエミッタを付勢するように構成されており、該第一の期間と該第二の期間とが重複しない、請求項1記載の機器。
  4. 溶液をエミッタに連続的に提供するように構成されたマイクロ流体溶液源
    をさらに含む、請求項1記載の機器。
  5. 第一の電流計測ユニットが高電圧ナノ電流計である、請求項1記載の機器。
  6. エミッタが、流体を分散させるためのカニューレを含む、請求項1記載の機器。
  7. 対電極が、エミッタによって放出された分散荷電溶液を受けるように配置されている、請求項1記載の機器。
  8. 対電極が、金、酸化インジウムスズ（ITO）、銅、ニッケルめっき銅またはステンレス鋼を含む、請求項1記載の機器。
  9. エミッタが、0.1気圧〜10気圧の環境中に液体を分散させる、請求項1記載の機器。
  10. 重力リザーバを含む液体源をさらに含む、請求項1記載の機器。
  11. エミッタよりも大きい電位を有する電気浸透（EO）ポンプを含む液体源をさらに含む、請求項1記載の機器。
  12. エミッタと対電極との間に配置された抽出器であって、該エミッタと該対電極との間の電位差よりも小さい、該対電極との電位差を有し、調節可能な環状開口を含む、抽出器
    をさらに含む、請求項1記載の機器。
  13. 電流調節値の算出が、
    計測されたエミッタ電流から計測された対電極電流を差し引くこと
    を含む、請求項1記載の機器。
  14. 第二の電流計測ユニットが電流ミラーである、請求項1記載の機器。
  15. エミッタを電源に結合し、制御信号を受け取るエミッタスイッチ
    をさらに含み、
    算出された電流調節値に基づくエミッタ電流の調節が、該制御信号のデューティサイクルを変更することを含み、該制御信号がパルス幅変調される、請求項1記載の機器。
  16. デューティサイクルが1〜99％である、請求項15記載の機器。
  17. デューティサイクルが約10、50、70または90％であり、約とは10％以内である、請求項16記載の機器。
  18. 制御信号が1ヘルツ〜10,000ヘルツの周波数を含む、請求項15記載の機器。
  19. 周波数が約1、100または1000ヘルツであり、約とは10％以内である、請求項18記載の機器。
  20. エレクトロスプレーのためにエミッタに提供する前にポリマーと細胞とを混合するための、該エミッタに流体的に接続された混合要素をさらに含む、請求項1記載の機器。
  21. エミッタと対電極との間の領域を見るために配置され、該領域の画像を取得するように構成された画像取得装置
    をさらに含み、
    制御装置が、該領域の該画像を使用して、該領域内の粒子の特徴を検出するように構成されている、請求項1記載の機器。
  22. 制御装置に機能的に結合された排斥要素をさらに含み、該制御装置がさらに、検出された特徴が基準を満たさないと決定し、その決定に応答して、該排斥要素を作動させるように構成されており、該排斥要素が、静電偏向要素、エアジェット、機械的ドアまたは遮断弁である、請求項21記載の機器。
  23. 第一のエミッタおよび第二のエミッタを含むエレクトロスプレーエミッタのアレイ；ならびに
    第一の期間中、該第一のエミッタを付勢し、第二の期間中、該第二のエミッタを付勢するように構成された制御装置であって、該第一の期間と該第二の期間とが重複しない、制御装置
    を含む機器。
  24. エミッタのアレイ中の各エミッタが対応する対電極を有する、請求項23記載の機器。
  25. 溶液をエミッタのアレイに連続的に提供するように構成されたマイクロ流体溶液源
    をさらに含む、請求項23記載の機器。
  26. 第一のエミッタを制御する第一の電子スイッチ；および
    第二のエミッタを制御する第二の電子スイッチ
    をさらに含む、請求項23記載の機器。
  27. 制御装置が、第一の制御信号を第一の電子スイッチに提供することによって第一のエミッタを付勢し、該第一の制御信号が、パルス幅変調されており、かつデューティサイクルを有する、請求項26記載の機器。
  28. 制御装置がさらに、
    エミッタ電流計測値および対電極電流計測値を受け取り、
    受け取った該エミッタ電流計測値および受け取った該対電極電流計測値に基づいて、エミッタと対電極との間の寄生電流損失を補償するための電流調節値を算出し、
    算出した該電流調節値に基づいて、第一の制御信号のデューティサイクル、電圧または周波数を変更することにより、エミッタ電流を調節する
    ように構成されている、請求項27記載の機器。
  29. デューティサイクルが50％よりも大きい、請求項27記載の機器。
  30. デューティサイクルが約70または90％であり、約とは10％以内である、請求項29記載の機器。
  31. 制御信号が1ヘルツ〜10,000ヘルツの周波数を含む、請求項27記載の機器。
  32. 周波数が約1、100または1000ヘルツであり、約とは10％以内である、請求項31記載の機器。
  33. エレクトロスプレーのために第一のエミッタに提供する前にポリマーと細胞とを混合するための、該第一のエミッタに流体的に接続された混合要素をさらに含む、請求項23記載の機器。
  34. 第一のエミッタと第一の対電極との間の領域を見るために配置され、該領域の画像を取得するように構成された画像取得装置
    をさらに含み、
    制御装置が、該領域の該画像を使用して、該領域内の粒子の特徴を検出するように構成されている、請求項23記載の機器。
  35. 制御装置に機能的に結合された排斥要素をさらに含み、該制御装置がさらに、検出された特徴が基準を満たさないと決定し、その決定に応答して、該排斥要素を作動させるように構成されており、該排斥要素が、静電偏向要素、エアジェット、機械的ドアまたは遮断弁である、請求項34記載の機器。
  36. エミッタに電気的に結合され、エミッタ電流を計測する第一の電流計測ユニットから、エミッタ電流計測値を受け取る工程；
    対電極に電気的に結合され、対電極電流を計測する第二の電流計測ユニットから、対電極電流計測値を受け取る工程；
    受け取った該エミッタ電流計測値および受け取った該対電極電流計測値に基づいて、該エミッタと該対電極との間の寄生電流損失を補償するための電流調節値を算出する工程；および
    算出した該電流調節値に基づいて該エミッタ電流を調節する工程
    を含む方法。
  37. 第一の電流計測ユニットが高電圧ナノ電流計である、請求項36記載の方法。
  38. エミッタが、流体を分散させるためのカニューレを含む、請求項36記載の方法。
  39. 対電極が、エミッタによって放出された分散荷電溶液を受けるように配置されている、請求項36記載の方法。
  40. 0.1気圧〜10気圧の環境中に溶液をエミッタによってスプレーする工程
    をさらに含む、請求項36記載の方法。
  41. 電流調節値を算出する工程が、
    計測されたエミッタ電流から計測された対電極電流を差し引くこと
    を含む、請求項36記載の方法。
  42. 算出した電流調節値に基づいてエミッタ電流を調節する工程が、制御信号のデューティサイクルを変更することを含み、該制御信号がパルス幅変調され、エミッタを電源に結合するエミッタスイッチを制御する、請求項36記載の方法。
  43. デューティサイクルが50％よりも大きい、請求項42記載の方法。
  44. デューティサイクルが約70または90％であり、約とは10％以内である、請求項43記載の方法。
  45. 制御信号が1ヘルツ〜10,000ヘルツの周波数を含む、請求項42記載の方法。
  46. 周波数が約1、100または1000ヘルツであり、約とは10％以内である、請求項45記載の方法。
  47. エレクトロスプレーのために第一のエミッタに提供する前に、該第一のエミッタに流体的に接続された混合要素中で細胞とポリマーとを混合する工程をさらに含む、請求項36記載の方法。
  48. 第一のエミッタと第一の対電極との間の領域を見るために配置され、該領域の画像を取得するように構成された画像取得装置
    をさらに含み、
    制御装置が、該領域の該画像を使用して、該領域内の粒子の特徴を検出するように構成されている、請求項36記載の方法。
  49. 制御装置に機能的に結合された排斥要素をさらに含み、該制御装置がさらに、検出された特徴が基準を満たさないと決定し、その決定に応答して、該排斥要素を作動させるように構成されており、該排斥要素が、静電偏向要素、エアジェット、機械的ドアまたは遮断弁である、請求項48記載の方法。
  50. 10ナノメートル〜3000マイクロメートルの直径を有する粒子を形成するように、溶液をエミッタによってスプレーする工程
    をさらに含む、請求項36記載の方法。
  51. 直径が、1マイクロメートル〜2500マイクロメートル；1マイクロメートル〜100マイクロメートル；1マイクロメートル〜10マイクロメートル；10マイクロメートル〜50マイクロメートル；または20マイクロメートル〜40マイクロメートルである、請求項50記載の方法。
  52. 請求項1または23記載の機器を使用して、生細胞の集団およびポリマー溶液をエレクトロスプレーする工程を含む、ポリマー封入された生細胞を作製する方法。
  53. 生細胞が第一のエミッタを介してスプレーされ、ポリマー溶液が第二のエミッタを介してスプレーされる、請求項52記載の方法。
  54. 化合物、治療薬または診断薬をポリマーと混合する工程であって、混合が、エレクトロスプレーのために第一のエミッタに提供する前に、該第一のエミッタに流体的に接続された混合要素中で行われる、工程
    をさらに含む、請求項36記載の方法。
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