用作超声成像中的造影剂的颗粒的分散体的制备.pdf

一种通过迫使第二流体(2)通过微孔(30)的阵列进入第一流体(1)以在第一流体中形成颗粒的悬浮液的方法，所述颗粒的尺寸适合于对超声作出响应，所述微孔具有基本上一致的直径，并且如此设置第二流体的压力以及第一流体流经微孔的流速，使得微孔处的剪切力致使第二流体悬浮以作为在第一流体中基本上单分散的颗粒。这能够实现更加单分散的悬浮液。微孔的阵列可以是蚀刻的硅阵列。悬浮液可用作造影剂，或者该悬浮液可以是乳状液，从而形成前体材料的液滴，其能够形成为具有核和外壳的囊。可以将液态核转变为气体以提供中空外壳。

权利要求书
1、  一种通过迫使第二流体通过一个或多个微孔或喷嘴进入第一流体而在该第一流体中形成分散体的方法，其中所述分散体中的颗粒的尺寸适合于对超声或其他诊断工具作出响应，该喷嘴或微孔具有基本上一致的直径，控制所述第二流体的诸如压力等流动参数，从而促使作为基本上单分散的液滴悬浮在所述第一流体中的第二流体的形成。

2、  根据权利要求1所述的方法，其中所述第一流体流经所述一个或多个喷嘴或微孔，从而使所述一个或多个喷嘴或微孔处的剪切力辅助形成所述分散体。

3、  根据权利要求1或2所述的方法，所述液滴形成步骤使用选自下面的一个或多个步骤：使用浸没式喷墨打印头、微通道乳化、通过shirasu多孔玻璃进行过滤以及通过微筛网进行过滤。

4、  根据前面任一项权利要求所述的方法，其中所述喷嘴或微孔的阵列位于被蚀刻的硅基板中。

5、  根据权利要求2至4中任一项所述的方法，确定所述喷嘴或微孔的方向使其与所述第一流体的流动具有一定的角度，而不是垂直于所述第一流体的流动。

6、  根据前面任一项权利要求所述的方法，所述喷嘴或微孔具有用于改变润湿特性的涂层。

7、  根据前面任一项权利要求所述的方法，所述分散体包括适合于诊断成像的造影剂。

8、  根据前面任一项权利要求所述的方法，所述液滴包括聚合物或磷脂。

9、  根据前面任一项权利要求所述的方法，所述喷嘴或微孔的阵列位于第一基板中并由与该第一基板相比材料不同的第二基板来支撑。

10、  根据前面任一项权利要求所述的方法，其用于制造尺寸适合于对超声作出响应的囊，该方法进一步包括：
形成前体材料的基本上单分散的液滴，
将所述液滴形成为具有核和外壳的囊，然后使该核改性。

11、  根据权利要求10所述的方法，其包括将所述液滴转变为充满气体的外壳的进一步加工步骤。

12、  根据权利要求11所述的方法，所述核改性步骤包括将所述核转变为气体。

13、  根据权利要求10至12中任一项所述的方法，所述液滴处于疏水相并包括溶剂，并且所述核改性步骤包括从所述液滴中选择性地去除溶剂。

14、  根据权利要求10至13中任一项所述的方法，所述液滴包括可生物降解的聚合物在极性溶剂中的溶液，并且具有一定添加量的非极性溶剂。

15、  根据权利要求14所述的方法，其包括溶解或去除所述极性溶剂的步骤。

16、  根据权利要求14或15所述的方法，其包括所述可生物降解的聚合物和所述非极性溶剂的相分离步骤，从而产生可生物降解的聚合物的外壳和非极性溶剂的核。

17、  根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其包括进行冷冻干燥以去除所述非极性溶剂的步骤。

18、  根据权利要求10至17中任一项所述的方法，所述囊的平均直径小于20μm，并且其标准偏差小于所述平均直径的15％。

19、  根据权利要求10至17中任一项所述的方法，所述囊的平均直径小于6μm，并且其标准偏差小于所述平均直径的15％。

20、  一种用于在第一流体中形成分散体的设备，该分散体的颗粒的尺寸适合于对超声或其他诊断工具作出响应，该设备包括：
用于迫使第二流体通过喷嘴或微孔的阵列进入所述第一流体的装置，所述喷嘴或微孔具有基本上一致的直径；以及第一控制装置，其用于控制所述第二流体的流动参数，使得所述第二流体作为基本上单分散的液滴悬浮在所述第一流体中。

21、  根据权利要求20所述的设备，其进一步包括第二控制装置，其用于控制所述第一流体流经所述喷嘴或微孔的流率，从而使所述喷嘴或微孔处的剪切力辅助所述第二流体作为基本上单分散的液滴悬浮在所述第一流体中。

22、  根据权利要求20或21所述的设备，其用于由前体材料的单分散液滴来形成尺寸适合于对超声作出响应的囊，该设备进一步包括：
用于使所述液滴形成为具有核和外壳的囊的装置，以及
用于使核变性的装置。

说明书用作超声成像中的造影剂的颗粒的分散体的制备
本发明涉及形成胶态物系中的分散体的方法，该分散体包括颗粒的悬浮液或乳状液，本发明涉及制造包括胶态物系、悬浮液或乳状液的颗粒的分散体的方法，以及用于实现这些方法的囊(capsule)和设备。
超声是基于成像的医疗诊断学中最广泛使用的方法。到目前为止，超声成像几乎专门地是以获取形态数据为基础。通过应用静脉注射的造影剂能够明显提高图像质量，并由此能够显著地改进诊断值。这些造影剂也用在其他基于成像的诊断学中，如计算机断层成像(CT)和核磁共振成像(MRI)。
目前可用的超声造影剂包括非常有效地与声音相互作用的中空颗粒、泡或“所谓的”充气脂质体。这些造影剂通常具有相当宽的粒度分布。与声场的相互作用取决于颗粒尺寸，因此，造影剂颗粒的声学特性将有非常大的变化。另一种利用泡造影剂的方法是谐波成像，在谐波成像中，检测从振荡泡发出的谐波信号。这些信号很尖锐并且其位于明确限定的频率处。原则上，这可以辨别出自由流动的造影剂和狭窄毛细管中或者附着于血管壁或血凝块上的造影剂，因为这将改变共振频率。
在目标成像(即通过使用具有生物目标试剂的造影剂对疾病进行分子成像)和药物输送中应用造影剂正逐渐兴起，例如参见Dayton等人，Molecular Imaging，3(2004)，第125-134页、Lanza等人，Prog.Cardiovascular Dis.44(2001)，第13-31页以及例如activities of Imarx，参见www.imarx.com和例如US6146657。上述应用完全取决于造影剂的物理和化学性质，例如粒度分布、外壳的机械模量以及生物降解性。目前可用的造影剂在尺寸上被限定得很差，并且具有非常易变的机械性能。公知的是，例如使用筛网过滤会使这些造影剂变得更加单分散。US6193951公开了过滤前后的粒度分布，例如实例15。这是完全乳状液/悬浮液的过滤。作为经验法则，每种分级分离法都会导致大量损失，并且也会除掉许多需要的颗粒。对于颗粒或乳状液滴尺寸来说，有关完全乳状液或悬浮液的过滤法是选择性的，但是对于在诸如超声等外场中的特性很重要的其他参数来说，这种过滤法不是选择性的。这些参数之一是造影剂的外壳的厚度。在脂质体的制备中，经常使用过滤，挤压是基于过滤的一个过程，其实现完全溶液。
超声的另一种用途可以是用在定位和靶向治疗。可以应用超声诱发的颗粒活化来释放明确位置处的药物。为了有效地控制所述释放，需要聚焦超声辐照具有明确尺寸和机械性能的颗粒。例如，这是Cherry等人在Phys.Med.Biol.49，R13(2004)中所谈到的。
静脉内使用的超声造影剂在超声成像中已经使用很多年了。它们以使用气泡为基础，为了使泡的消失变慢，这些泡具有外壳。外壳由蛋白质、脂类和/或可生物降解的聚合物组成。泡的尺寸大约等于或略小于红血球的尺寸，并且它们在极少量的情况下是有效的。有许多类型的超声造影剂，为了回顾，请参见Klibanov的“Ultrasound contrastagents：Development of the field and current Status”，其在ContrastAgents II，ed.W.Krause，Springer，2002，第74-103页。
在超声成像中，以及在其他医学成像技术中，已经尝试例如通过将显像剂对准特定的患病区域来增强功能。由于超声造影剂通常留在血池中，因此使用具有特定生物目标试剂来对准诸如易损斑块、血栓症和受损内皮细胞等心血管疾病，所述试剂例如是抗体、及其片段或肽序列。血管生成也是可以使用造影剂更详细跟踪的过程。除了新血管的显影外，他们的表面特征也不同，并且他们的表面特征取决于病变，例如存在的肿瘤。最后，肿瘤附近的脉管系统通常是有渗漏的，这使造影剂从循环中漏出。讨论超声的许多方面和造影剂的使用的有用参考文献是：“Contrast-enhanced Ultrasound of Liver Diseases”，Solbiati等人，Springer 2003。
同样公知的是超声造影剂可以与治疗剂结合。造影剂载有药物，其在声透射时释放。可以提供局部的大剂量，从而有机会治疗例如血栓症或提供局部血管扩张剂。
本发明的目的在于提供一种形成分散体的方法，所述分散体例如是颗粒的悬浮液或乳状液，本发明还提供用于实现这种方法的囊和设备。本发明的优点在于能够提供具有狭窄粒度分布的造影剂，其在超声诊断、治疗和诸如谐波成像等成像过程中对声场作出更一致的响应。另一个优点在于，在能够使用的尺寸范围内的颗粒原则上只有很少损耗或者没有损耗。再一个优点在于不仅尺寸而且组成成分都非常一致，因而得到界限分明的外壳厚度，从而在超声诊断、治疗和诸如谐波成像等成像过程中对声场作出更均匀的响应。
根据第一方面，本发明提供一种通过迫使第二流体通过一个或多个微孔或喷嘴进入第一流体以在第一流体中形成分散体的方法，其中所述分散体例如是乳状液，颗粒的尺寸适合于对超声或其他诊断工具作出响应，该喷嘴或微孔具有基本上一致的直径，第二流体的诸如压力等流动参数是这样的，从而使形成的悬浮第二流体基本上作为第一流体中的单分散性液滴。可以控制第二流体的压力，由此辅助形成基本上作为第一流体中的单分散性液滴的悬浮第二流体。可以控制第一流体穿过一个或多个喷嘴或微孔的流率，从而使一个或多个喷嘴或微孔处的剪切力辅助形成液滴。分散体可以是任何适合的形式，例如胶态物系，如乳状液。可以在后处理步骤中将乳状液转变为悬浮液。第一和第二流体都可以是液体。
在本发明的一个方面中，将第二流体浸没式地喷墨打印(inkjetprinting)到第一流体中，因此第一流体不一定流动。例如，如果第二流体是通过毛细管净化的液体，那么第二流体将分离出多个相同尺寸的液滴。这是浸没式喷墨的情况，通过浸没式喷墨迫使第二液体进入第一液体中。附加的任选特征是向喷墨室施加频率或振动，促使喷嘴出口处的弯月面振动并由此分离。毛细不稳定性使第二流体分离出多个液滴。微孔可以是例如受控多孔性膜的一部分，或者是微通道或SPG(Shirasu多孔玻璃)膜。第一液体流经这些微孔能够提供更加单分散的乳状液。在这种情况下，第一液体的流动是有利的，因为其向正被形成的液滴施加力并控制其脱离。第一流体的流动不是本发明的必要特征，在第一流体没有横向流动的情况下，迫使第二流体通过明确限定的多孔性表面进入第一流体中仍然在本发明的范围内，并且与过滤或按尺寸筛分的其他手段相比能够提供更窄的分布。
上述方法能够形成更加单分散的分散体。这不仅有益于超声成像而且还有益于其他成像技术以及利用超声或其他技术的药物输送。
本发明的附加特征在于微孔或喷嘴的阵列包括在适当基板中的蚀刻阵列，例如在诸如硅等半导体材料中的蚀刻阵列。
另一个附加特征在于确定微孔的方向使其与第一流体的流动具有一定的角度，而不是垂直于该第一流体的流动。这对于利用第一液体将第二流体的部分形成液滴“拉断”是有利的，这是因为形成的液滴将具有较大曲率的区域，所述第二流体和第一液体例如是液体。
另一个附加特征在于分散体包括适合于诊断成像的造影剂。
另一个这种附加特征在于微孔或喷嘴具有用于改变润湿性质的涂层。
另一个这种附加特征在于将乳状液滴转变为充满气体的外壳或泡的进一步的处理步骤。这通常将产生颗粒的悬浮液，例如微泡或微球。
另一个附加特征在于分散体中的颗粒包括聚合物或脂类，例如磷脂、糖脂或胆固醇。
另一个这种附加特征在于微孔或喷嘴的阵列位于第一基板中，并且由例如不同材料的第二基板来支撑。
另一方面提供用于实施该方法的设备。特别是，本发明提供一种在第一流体中制造颗粒的分散体的设备，其中该颗粒的尺寸适合于对超声或其他诊断工具作出响应，该设备包括：
用于迫使第二流体通过喷嘴或微孔的阵列进入第一流体中的装置，该喷嘴或微孔具有基本上一致的直径，第二流体的流动参数使得该第二流体作为基本上单分散的液滴悬浮在该第一流体中。该设备还可以包括第一控制装置，其用于控制第二流体的流动参数以辅助该第二流体作为基本上单分散的液滴悬浮在该第一流体中。
可以提供第二控制装置，其用于控制第一流体穿过喷嘴或微孔的流率，从而使喷嘴或微孔处的剪切力辅助第二流体作为基本上单分散的颗粒悬浮在第一流体中。
另一个特征是一种由上面的前体材料的基本上单分散的液滴来制造尺寸适合于对超声作出响应的囊的方法。该方法包括将这些液滴形成为具有核和外壳的囊，然后使该核改性。这些基本上单分散的液滴可以是乳状液。
这样能够使囊具有更加一致的尺寸。另一个优点在于对颗粒的组成成分进行控制，因为最初存在于第二液体的液滴中的物质将最终包含在颗粒中。这直接涉及到提供对外壳厚度的控制。
本发明的附加特征在于颗粒具有包括液体的核，并且例如冷冻干燥等改性步骤包括将核转变为气体。
另一个这种附加特征在于液滴具有例如油相等疏水相，并且改性步骤包括从疏水相中选择性地去除溶剂。
另一个这种附加特征在于这些液滴源于第二流体，该第二流体是可生物降解的聚合物在极性有机溶剂中的溶液，所述聚合物例如是聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内脂、poly-(alkyl-cyanoacylate)和聚氨基酸及其共聚物，而所述极性有机溶剂例如是卤化溶剂，酯类和醚类，包括乙二醇和乙酸异丙酯、二甲基甲酰胺和N-methyl-pyrolidon或丙酮或二氯甲烷或二氯乙烷。对于可生物降解的聚合物，将在该溶液中添加非极性的非溶剂，例如链烷，如环辛烷和十二烷以及氟化液体。
另一个附加特征在于将来自液滴的极性溶剂溶解到第一液体中的步骤。这能够通过选择具有少量但是在第一液体中具有有限溶解度的极性溶剂来实现，并且随后能够通过任何适合的方法(例如蒸发或提取)从第一液体中去除该极性溶剂。增大或减小该极性溶剂在第一液体中的溶解度的方法包括改变温度或改变离子强度的后处理。
另一个固有或附加的步骤是可生物降解的聚合物和非极性溶剂的相分离，从而产生可生物降解的聚合物的外壳和非极性溶剂的核。这可以与去除极性溶剂一起发生，这是因为聚合物在特定的去除百分比时将沉淀并形成外壳。
另一个附加步骤是去除非极性溶剂的冷冻干燥。链烷优选不具有太大的分子量，例如链烷优选具有与十二烷一样低或低于十二烷的分子量。环辛烷是优选的溶剂，这是因为其在15℃时是固体，并且其在快速初始冻结过程中产生较小的变形。
另一个附加特征在于囊的直径小于20μm且大于1μm，优选小于6微米，并且相对于平均颗粒直径，标准偏差小于15％，优选小于10％，例如7％或者更低。
本发明的另一方面提供用于实施该方法的附加设备。特别是本发明提供一种用于利用前体材料的基本上单分散的液滴来生产尺寸适合于对超声作出响应的囊的设备，该设备包括：
用于将液滴形成为具有核和外壳的囊的装置，以及用于使该核改性的装置。
另一个附加特征在于用于将来自液滴的极性溶剂溶解到第一液体中的装置。这能够通过选择具有少量但是在第一液体中具有有限溶解度的极性溶剂来实现，并且随后能够通过诸如蒸发或提取等任何适合的方法来去除该极性溶剂。增大或减小该极性溶剂在第一液体中的溶解度的方法包括改变温度或改变离子强度的后处理。
另一个固有或附加的特征是用于可生物降解的聚合物和非极性溶剂的相分离的装置，其导致产生可生物降解的聚合物的外壳和非极性溶剂的核。这可以与去除极性溶剂一起发生，这是因为聚合物在特定的去除百分比时将沉淀并形成外壳。
另一个附加特征是进行冷冻干燥以去除非极性溶剂的手段。
任何附加特征可以组合在一起并且与任一方面组合。其他优点对于本领域的技术人员来说是显而易见的，特别是优于其他现有技术的优点。在不背离本发明的权利要求的范围内，可以进行各种变形和改进。因此，应当清楚地理解，本发明的形式仅仅是示意性的，而不是用于限制权利要求的范围。
现在，将利用实例并参照附图来介绍怎样实施本发明，在附图中：
图1示出根据本发明第一实施例的设备；
图2示出根据本发明实施例的设备；
图3示意性示出本发明的另一个实施例；
图4示出给定直径的颗粒的百分比的曲线；以及
图5示出根据本发明实施例的系统。
参照特定实施例并参照某些附图来描述本发明，但是本发明并不仅限于此，其只由权利要求限定。所绘制的附图仅仅是示意性的而非限制性的。在附图中，可能放大了一些元件的尺寸，并且出于图解说明的目的没有而按照比例进行绘制。在本说明书和权利要求中，所用的术语“包括”不排除还存在其他元件或步骤。除非特别指出，否则在提到单数名词时所用的不定冠词或定冠词，例如“一个”或“一种”、“该”都包括多个该名词。
不应当将权利要求中使用的术语“包括”理解为仅限制于在该术语之后列出的装置，其不排除还有其他元件或步骤。因此，“一种设备，包括装置A和装置B”的范围不应当限制于仅由部件A和B组成的设备。就本发明而言，其意味着，仅仅与该设备相关的部件是A和B。
而且，说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等用于区分类似的元件，而不一定是用于描述连续顺序或时间顺序。应当理解，这样使用的术语在适当的情况下是可互换的并且此处描述的本发明的实施例能够按照不同于这里描述或说明的顺序进行工作。
此外，说明书和权利要求中的术语顶部、底部、之上、之下等是用于说明的目的而不一定是用于描述相对位置。应当理解，这样使用的术语在适当的情况下是可互换的并且此处描述的本发明的实施例能够按照不同于这里描述或说明的方位进行工作。
本发明提供一种通过迫使第二流体通过一个或多个喷嘴或微孔(例如通过喷嘴或微孔的阵列)进入第一流体而在第一流体中形成颗粒的分散体的方法，其中所述颗粒的尺寸适合于对超声或其他诊断工具作出响应。适合的液滴尺寸优选直径大约为4微米，例如优选小于10微米且大于1微米。这一过程形成液滴。
液滴的最终形态可以是悬浮液或乳状液。乳状液是疏水相在亲水相中(或亲水相在疏水相中)的悬浮液。在乳状液中，两种相不能彼此溶合或者可能部分不溶合。在后者的情况下，可以将既具有疏水性又具有亲水性的物质，例如表面活性剂或脂类甚至是聚乙二醇化脂类用作乳化剂，即，它们确定了疏水相和亲水相之间的边界。
通常，悬浮液是固/液系统，而乳状液是液/液系统。在本发明的使用两种液体的实施例中，首先制成乳状液，任选的是将该乳状液转变为悬浮液。这例如是针对聚合的颗粒的情况，并且其能够扩展到具有聚合物外壳的囊。该乳状液可包括具有脂类外壳的颗粒，该脂类外壳将液体密封在其中。在这种情况下，可形成由脂类稳定的液滴。
可以将乳化剂添加到第一液体中，并且该乳化剂例如可以是水溶性聚合物或表面活性剂。适合的聚合物是poly-(vinyl-alcohol)，优选具有小于90％且大于70％的水解度。其他的聚合稳定剂是聚乙烯吡咯烷酮，聚环氧乙烷和聚环氧丙烷的共聚物。也可以使用聚氨基酸作为稳定剂。同样可以使用表面活性剂，优选具有环氧乙烷极性基团的表面活性剂。也可以向第二流体添加稳定剂。所列出的可生物降解的聚合物的嵌段共聚物是优秀的稳定剂，其中附加的嵌段是聚环氧乙烷。聚环氧乙烷嵌段经常是在2000道尔顿的分子量范围内。后者的选择是特别有利的，因为在随后的处理步骤中不必去除过量的稳定剂。也可以使用聚乙二醇化(pegylation)来影响生物分布。
当造影剂用于人体或动物体的脉管系统中时，周围环境通常是亲水的。在这点上，第一流体优选是水性的。颗粒将属于疏水相。
可以将通过迫使第二流体通过多孔表面进入第一流体中所形成具有均匀尺寸的液滴的任何适当方法用于本发明。印刷业已经发展了通过非撞击法形成液滴的一般技术。在Jerome L.Johnson撰写并于1998年由Palatino出版社出版的“Principles of Nonimpact printing”第2版一书中给出了几个实例，该实例包括喷墨打印，如脉冲喷墨打印或压电喷墨打印。使用该打印操作产生颗粒并且优选在第一流体表面之下进行浸没式的打印操作。
可以在本发明的一个实施例中使用偏转喷墨打印以提供非常精确的粒度分布。通常在偏转喷墨打印中，液滴在空气中发生偏转从而将点打印到纸上或者不打印到纸上。依照本发明的一个实施例，当液滴在第一流体中时发生偏转。这在去除附属物中是有利的，该附属物是在一些情况下由喷墨头所发射的非常小的液滴。液滴的尺寸例如使用光学方法在喷墨嘴的出口侧来测量，并且偏转或俘获不满足特定体积尺寸的液滴，例如附属物。光学方法可包括频闪灯光使颗粒的运动停止，并且允许进行光学测量，或者该光学方法可包括其他方法，如遮掩一部分入射光的颗粒所引起的光学传感器的输出变化。测量技术应当提供颗粒尺寸的测量。利用该技术，可以获得非常一致的液滴尺寸。未使用的材料可以再循环。
可选地，因为附属物具有明显不同的尺寸，因此可以在喷墨步骤之后进行分级分离，从而去除大量的附属物。此外，该分级分离对颗粒组成成分的一致性没有影响，对于超声造影剂来说，所述一致性例如是外壳厚度的一致性。
用语“第二液体的流动”指的是该过程的宏观描述，在微观的尺度上，第二液体逐滴地进入到第一液体中，例如液滴开始在通道或毛细管的出口上形成，充满到临界尺寸，然后简单地通过第二液体的流动或通过施加的能量而自然而然地断裂从而分离出液滴，例如第二流体中的振动或压力调节，例如在高频振动时。每个液滴的流动不一定是恒定不变的，而是能够被推动的成核和增长过程。为了推动成核，压力是必要的。因此，迫使第二流体通过喷嘴或微孔。实现成核所需的压力与第一液体和第二液体之间的界面张力(γ)有关。在有稳定剂的情况下，可以得到相当低的界面张力的值，即低于30mN/m，或者甚至低于20mN/m。如果界面张力是30mN/m并且微孔直径是2μm(d)，那么拉普拉斯压力等于4γ/d＝60kPa。除拉普拉斯压力之外，微孔或通道上还存在压力下降，这取决于毛细管的形状。可以使用大于105Pa的压力。
上述技术可以利用机械或机电脉冲来产生液滴。脉冲不需要足以产生独立式的液滴。由于第一流体流过喷嘴的开口，因此已经通过较小脉冲形成凸弯月面的第二液体在如果不存在第一流体的流动而该弯月面没有达到使液滴自由脱离的足够尺寸时可以通过第一流体的流动而将其拖离出来。
本发明还包括使用第二流体的连续流动来产生液滴。在这种情况下，由于第一流体流过喷嘴的开口，因此已经通过恒定流动形成凸弯月面的第二液体在如果不存在第一流体的流动而该弯月面没有达到使液滴自由脱离的足够尺寸时可以通过第一流体的流动而将其拖离出来。为了向液滴施加合理的力，优选在界面处存在十分高的流率。在环绕微孔的壁的附近的剪应力决定对形成的液滴所施加的力，其典型值高于1Pa，优选高于10Pa。已经发现，对于微孔直径为0.8μm的α氧化铝膜来说，高于30Pa的值是没有必要的，参见Schrder和Schubert，“Colloids and Surface A”，physicochemical and engineeringaspects 152，(1999)，103-109。
用于产生液滴的喷嘴或微孔的直径通常基本上是一致的，优选将第二流体的流动参数(例如压力)和第一流体穿过喷嘴或微孔的流率设置为使得喷嘴或微孔处的剪切力辅助第二流体作为基本上单分散的液滴悬浮在第一流体中。
图1说明了本发明的第一实施例，其示出用于产生单分散液滴的悬浮液的设备，该悬浮液能够直接用作造影剂，或者用于产生能够形成这种造影剂的前体。为了制造微孔或喷嘴，可以使用基板的各向异性的干或湿蚀刻在半导体基板中或者在任何其他适合的基板中形成非常规则的微孔阵列，所述半导体基板例如是单晶硅或绝缘体上硅晶片，所述其他适合的基板例如是塑料、玻璃、石英或诸如铜等金属。各向异性蚀刻可用于生成微孔。这些微孔也可以通过任何其他适合的技术来形成，例如使用激光脉冲打孔。可选地，可以使用商用的微孔阵列，例如喷墨打印头。图1的第一实施例示出通过RIE蚀刻晶片前部，随后KOH蚀刻晶片后部从而在硅(Si)中蚀刻悬置的(suspending)微孔阵列(不按比例)。
在任何适合的基板中，例如在单晶硅或绝缘体上硅晶片或玻璃或氧化铝或金属基板中，本发明任一实施例的微孔的直径对于液/液系统来说优选在0.5和5微米之间，间距为10-20微米而深度在10至25微米以上。也可以使用较小的微孔，例如可以使用核孔膜。
窄微孔用作微细通道，可以挤压液体通过该微细通道。将该液体称为第二流体。该流体在后部进入并在前部离开，在前部，第二流体流入称为第一流体的另一液体中。第一流体流经这些微孔，即横向流经微孔开口。由于多种液体的组合的特定剪切力特性，因此正在流出的第二流体作为高单分散液滴而悬浮着。这种高单分散液滴可以直接用作或有效转变为超声成像的造影剂。可以进一步调整这些微孔阵列的维度和形状以适应液滴的尺寸。也可以完全地或局部地涂敷这些微孔阵列，以便改变微孔或微孔出口及其周围的润湿性质，从而进一步适应液滴的尺寸和形状。参考图1和2中的附图标记40，其示出了所述涂层。
另外，本发明提供了用于产生高单分散颗粒的悬浮液的方法，所述颗粒例如是由受控的化学成分及充满气体的外壳所组成的囊。这些可以用于全新的超声应用，即用于通过分子成像和靶向治疗进行早期的疾病诊断。通过使用微孔阵列，例如蚀刻在诸如具有足够厚度和机械强度的硅等基板中的多个微孔，提供了能够为产生单分散悬浮液而制成的微型器件。
本发明提供了具有改进的物理和化学性质的造影剂，所述改进的物理和化学性质例如是改进的粒度分布、改进的外壳的机械模量以及改进的生物降解性，这是因为噬菌作用取决于尺寸和表面性质。尽管作为正常造影剂的应用并不那么费力，但是本发明允许应用在需要具有窄粒度分布(例如单分散和明确的外壳弹性)的指定颗粒的分子成像和药物释放中。
高单分散乳状液可以直接用作造影剂，例如如果并入了全氟化碳(perfuorocarbon)液体，或者可以对该高单分散乳状液做进一步的处理以产生具有例如聚合物或磷脂的外壳的微泡或微气囊。可选地，可以利用这些微孔、喷嘴或微通道来形成小气泡，例如全氟化碳气体的小气泡，如果引导这些泡通过含有磷脂的溶液，那么例如生成充气的脂质体或者微泡，并且可以将其直接用作超声造影剂。这可以助于在通过分子成像和靶向治疗的早期疾病诊断中具有新的选择。为了直接形成微泡，可能需要较小的微孔尺寸。与液/液系统相反，不一定出现收缩，并且与液/液系统相反，不会出现将第二流体挤压到第一流体中的有关压力的问题。具有200nm的微孔直径的核孔膜非常适合于此。
根据本发明实施例制造规则的注入微孔阵列30的方法利用诸如硅等基板，在该基板中形成具有特殊形状的典型直径为几微米的精细微孔的阵列，所述特殊形状例如是圆柱形、三角形、正方形、矩形、六角形等。这些形状可以促进剪切第二液体。可以使用各向异性蚀刻技术，如RIE蚀刻，以便在常规的Si(100)晶片中蚀刻几十微米的深度。然后利用诸如KOH等蚀刻剂通过湿蚀刻，例如各项同性的湿蚀刻对晶片后部的大部分进行蚀刻，其中沿着Si-(111)晶体平面的典型形状自动地作为第二流体(液体2)的锥形入口50。
可以通过将多孔的Si晶片粘合到具有大开口的坚固材料上来进一步在机械上加强晶片后部，所述大开口对应于Si晶片的锥形入口。
利用所述设备可以获得单分散乳状液滴，该单分散乳状液滴含有将要形成的微泡的前体，例如利用可生物降解的聚合物在极性有机溶剂中的溶液作为第二流体，所述聚合物例如是聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内脂、poly-(alkyl-cyanoacylate)和聚氨基酸及其共聚物，所述极性有机溶剂例如是卤化溶剂，酯类和醚类，包括乙二醇和乙酸异丙酯、二甲基甲酰胺和N-methyl-pyrolidon或丙酮、二氯甲烷。对于可生物降解的聚合物，将在该溶液中添加非极性的非溶剂，例如链烷，如环辛烷和十二烷以及氟化液体。在形成乳状液之后，非极性溶剂缓慢地溶解在连续相中，导致乳状液滴的收缩以及在极性溶剂周围的可生物降解的聚合物的相分离。任选的是，可以使用冷冻干燥来去除产生中空囊的任何极性溶剂，该囊带有可生物降解的聚合物的外壳。
在本发明的特定实施例中，利用poly-lactic-co-glycolic acid(PLGA)在二氯甲烷和十二烷中的溶液来形成单分散乳状液滴，该单分散乳状液滴含有将要形成的微泡的前体。在形成乳状液之后，诸如二氯甲烷等极性溶剂将在连续相中缓慢溶解，导致乳状液滴的收缩以及PGLA和十二烷的相分离，最终产生充满十二烷的囊。利用冷冻干燥，去除产生具有PLGA外壳的中空囊的十二烷。所用的聚合物和溶剂可以是不同的。
图2示出本发明的另一实施例，其示出通过RIE蚀刻前部的硅部分并随后HF蚀刻后部的玻璃部分SiO2而在绝缘体上硅60中蚀刻的悬置微孔阵列(不按比例)。在该图中，通过烧结玻璃70进一步加强蚀刻的SOI晶片。
与第一实施例中描述的第一RIE蚀刻步骤类似，可以在所谓的绝缘体上硅(SOI)基板中蚀刻具有相同维度和横截面形状的精细微孔的阵列。当利用具有SF6/C4F8化学性质的所谓的Bosch方法时，在到达Si-SiO2界面后，RIE工艺将选择性地停止。例如可以在HF中蚀刻位于微孔阵列下面的SiO2，从而形成大的开口，以允许液体2进入该精细微孔阵列中。如果需要，可以将整个SOI晶片粘结到另一个机械加强的支撑物上，如烧结玻璃支撑物，液体2能渗过该支撑物。所述粘结可以是通过热压缩或者任何其他适合的技术。
所述设备能够用于生成可如上述作进一步处理的单分散乳状液滴。通过将挡板增加到顶面可以实现基板的进一步加强，其取向不会阻碍流动的方向。
按照上述方式制成的明确限定的超声造影剂可以获得优良的图像，甚至对于非常小的血管。而且，通过本发明可以提供在超声成像、特别是靶向超声成像以及治疗、特别是靶向和定位治疗中的应用。这些应用都依靠明确限定的颗粒的可用性。作为靶向超声成像的例子，本发明可用于血管中如易损的动脉粥样斑的特定病理学，该易损的动脉粥样斑在急性心血管疾病中起主要作用。超声辅助的局部药物输送是第二且非常重要的应用，其能够通过已提出的颗粒制造方法来实现。依照该实施例，可以将依照本发明制造的微泡与药物一起装入。该药物可以溶解在例如油相中，如添加到第二流体中的石蜡油或天然油，其不能通过冷冻干燥去除。相关的药物例如是抗癌药物，如paclitaxel和deoxyrubicin。将这些引入到患者体内，并且通过超声消融使囊在体内所希望的位置打开。化疗药物的局部释放能够将这些毒性很强的化学物质的不希望的副作用的出现减为最小。
第三实施例涉及后处理，从而形成具有窄粒度分布的造影剂，这些造影剂能够利用乳化法来制备，其中将疏水相，如“油”相逐滴地添加到亲水连续相，如“水性”连续相，并且所有这些液滴都具有类似的尺寸和外壳性质。随后，通过从“油相”中选择性地去除溶剂来制备单分散造影剂。适合的技术如上所述，例如喷墨打印、微通道乳化、通过Shirasu多孔玻璃过滤以及微筛网过滤，例如在硅中蚀刻的微筛网。
该实施例的突出特点在于使用了乳化技术，这使得所有的液滴都具有相同的尺寸以及包含用于造影剂的前体材料的组成成分，例如，作为疏水相，通过强迫其进入另一种相，例如亲水相，如水性相。另一个优点在于可以控制颗粒的组成成分，因为最初存在于一滴第二液体中的所有物质都将最终包含在颗粒中。通过适当地处理，这些液滴将变换为具有液态核的囊，随后，去除液体以产生充满所选气体的中空囊。由于每个乳状液滴都转变成单个囊，并且这些乳状液滴都由相同的尺寸开始，因此所形成的囊具有狭窄的粒度分布，相同的外壳厚度以及决定声学特性的外壳性质。
实现这种单分散乳状液滴的技术包括上述任一种方法，例如浸没式喷墨、微通道乳化、SPG(Shirasu多孔玻璃)膜乳化以及微筛网过滤。逐滴的方法允许制备具有明确尺寸、外壳厚度和组成成分的颗粒，这导致产生能够提供声学特性一致的超声造影剂。
图3示意性地示出了第三实施例的实例。将生产流体102，即第二流体以液滴的形式引入到接收液体101中，接收液体101即第一流体，所有液滴都具有相同的尺寸并适合于最终产生用于超声造影剂的所需维度的颗粒。适合的大小是直径大约为4微米，例如优选小于10微米且大于1微米。图中示出了形成外壳110的乳状液滴的进一步处理的步骤。例如，通过从液相变为气相来去除溶剂，并且然后使核120变性。最后，输出囊，例如中空的囊。生产流体102和接收液体101的储液器之间的界面100包含任何适合的喷嘴或微孔，例如喷墨嘴、Shirasu多孔玻璃膜、多微孔的氧化铝、微通道结构或微筛网。在所有的情况下，需要控制第二流体的流动以实现具有良好控制尺寸的乳状液滴。因此本发明包括控制第二流体的流动参数，例如压力。
下面给出实例过程：
制备在二氯乙烷中的含0.1％的PLGA和含0.3％的环辛烷的溶液，并且利用50μm的喷嘴以14kHz的频率将上述溶液墨喷到0.1％的PVA 40/88溶液中。将二氯乙烷蒸发，用预先已经使环辛烷饱和的水冲洗该样品，并使其冷冻干燥。形成直径为11.2μm、标准偏差为1.6μm的囊，例如使用光学显微术图片的图像分析进行量化。图4中示出了粒度分布，为了比较，该图给出了根据相同制法但没有环辛烷而制备的固体PLGA颗粒的粒度分布。囊具有平滑表面且含有如从SEM图片推断出的单一腔。
生产小的聚合物球的另一种方法是利用SPG膜。这些已经用于生产类似材料的聚合物球(参见Kaminski等人于2004年5月在法国里昂召开的5th Int.Conference on the Scientific and ClinicalApplications of Magnetic Carriers所介绍的)。这证实了与所选择材料的相容性。同样已经使用SPG膜来制备囊，例如制备尺寸范围为4微米的不可生物降解的聚合物的囊(参见LY Chu et al，J.ColloidInterface Science，265，187-196，2003)，该论文中的图6给出了能够实现的粒度分布的效果。
图5是根照本发明实施例产生颗粒的设备的示意图。用附图标记1来表示第二流体的源，第二流体例如是液体。通过重力或通过泵(未示出)将源1中的液体供给头部(head)3，该头部3包括喷嘴或微孔8且其位于容器9中。本发明包括：每个喷嘴或每组喷嘴8都具有独立的第二流体源，并且对每个喷嘴或每组喷嘴8分别进行控制。可选地，所有喷嘴由单个源来供应，并且由单一控制器来控制。控制器2控制第二流体的流动参数，该控制器2可以是压力控制器。控制器2可以是开环控制器或者可以是闭环控制器，其接收来自第二流体回路中的压力传感器(未示出)的输入，并且例如通过控制泵或阀来控制第二流体的流量，从而计量以恰当的压力/流量到达头部3的第二流体。在源5中提供第一流体，并借助于重力或经由泵(未示出)将其供给容器9的另一个输入。在本发明的一些实施例中，第一流体的供给产生了流经喷嘴8的前端的流体1的流动。第一流体的流量由控制器6来控制。控制器6可以是开环控制器或者可以是闭环控制器，其接收来自第一流体回路中的流量传感器(未示出)的输入，并控制第一流体的流量，例如通过控制泵或阀，从而计量以正确压力/流量到达容器9的第一流体。颗粒被收集在室7中。例如通过尺寸过大的筛网S1和/或尺寸过小的筛网S2可以进一步筛分颗粒，S1阻止过大的颗粒，S2从系统中去掉太小的颗粒。代替筛网S1和S2，可以使用基于颗粒密度的任何其他的分级分离法。这可以用于去除附属物。另一种分级分离法利用了飘浮速度取决于颗粒尺寸的事实。
任选的是，可以提供旁路12，其允许连续相，即第一流体不止一次通过多孔表面。该流动可以由单向流动设备16和阀14来控制，阀14可以由控制器6来控制或者可以被单独控制。按照这种方式，第一流体可以收集更多的乳状液滴，这是因为可以独立地改变第一流体经过该膜的次数。
喷嘴8可以是在本发明实施例中所描述的任何喷嘴。喷嘴或微孔具有基本上一致的直径，并且控制器控制第二流体的流动参数和第一流体流经这些喷嘴或微孔的流速，使得喷嘴或微孔处的剪切力致使第二流体作为基本上单分散的颗粒悬浮在第一流体中。
通过机械或机电脉冲可以确定第二流体流到喷嘴以产生液滴。该脉冲不需要足以产生独立式的液滴。由于第一流体流过喷嘴的开口，因此已经通过较小脉冲形成凸弯月面的第二液体在如果不存在第一流体的流动而该弯月面没有达到使液滴自由脱离的足够尺寸时可以通过第一流体的流动而将其拖离出来。本发明还包括控制第二流体连续流动以产生液滴。在这种情况下，由于第一流体流过喷嘴的开口，因此已经通过恒定流动形成凸弯月面的第二液体在如果不存在第一流体的流动而该弯月面没有达到使液滴自由脱离的足够尺寸时可以通过第一流体的流动而将其拖离出来。
该设备可以用于产生囊并且可以产生某一材料的核并包括附加的辅助装置，如图5所示，即用于在该核周围形成外壳的装置、使该核改性的装置以及用于输出囊的装置，并且参照图3对其进行了描述。
颗粒的应用包括超声造影剂，特别是靶向超声造影剂。各种超声应用可以得益于依照本发明制备的具有明确粒度分布和一致外壳性质的造影剂的较好声学特性。单分散超声造影剂具有许多优点。由于谐振峰与多分散试剂相比更清晰，因此提高了与组织的对比度。如果使用两种明显不同尺寸的单分散造影剂的混合物，那么可以进一步发挥这一优点：两个谐振峰的存在证明正在观看造影剂。利用超声造影的压力性能的测量将变为可能：泡的共振频率是Minnaert频率所给出的合适近似脂。由下式给出共振频率，单位为rad/s(弧度/秒)：
ω 0 = 1 R 3 p ρ - - - ( 1 ) ]]>
在式中，p是压力，R是泡的半径，而ρ是流体密度。对于绝热的情况，分子中的3必须由3γ来代替，其中γ是多变气体系数(例如，对于空气是1.4)。在大气条件下，对于水中半径为2μm的气泡，ω0＝8.7·106弧度/秒，即1.37MHz。
再次使用两个截然不同尺寸的混合物将提高压力测量的质量。
对于靶向造影剂来说，紧密的粒度分布能够辨别出粘附和非粘附造影剂。对于具有宽粒度分布的造影剂，已经由Dayton等人在Molecular Imaging vol 3 no 2，2004年4月，125-134页中示出。他们研究了指向αvβ3整合素的造影剂的累积，并观察了回波波谱朝较小频率的移动用以粘附造影剂。Scott在J.F.Scott的“Singular perturbationtheory applied to the collective oscillation of gas bubbles in a liquid”，J.Fluid Mech.113，487-511(1981)中预测到了Dayton等人观察的在方向上的移动。这一理论基于势流计算但也能完全合理地外推到较小的泡。公开的函数描述了接近壁的共振频率减小，或者对于两个同样尺寸气泡的类似情况。当泡接触壁时，共振频率确定为0.83ω0。对于高表面覆盖度来讲，希望额外降低，Duineveld，J.Acoust.Soc.Am.99，622-624，1996用实验方法证明了两个相等尺寸泡的共振频率减小的效果。如果使用单分散的靶向造影剂，那么期望结合和非结合造影剂之间的区别与Dayton等人的结果相比变得更加明显。使用单分散造影剂可以更加定量地研究该移动并且更加可能地提取临床相关信息。在这种情况下，可以采用明显截然不同尺寸的混合物来对准不同标志，例如VEGF和αvβ3整合素。
对于药物输送来说，利用所提出的制备方法较好地控制粒度分布的优点在于：同样良好地控制了所结合的药物量。因此可以量化药物释放。根据试剂的均匀的外壳性质，与利用多分散样品相比，通过空化的释放同样在更好控制下。