JP5632935B2 - マイクロストリーミングによってバイオフィルムを除去する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般的にパーソナルケア装置に係り、より特には、超音波によって共振させられる気泡を使用して表面からバイオフィルムを除去する装置及び方法に係る。

歯垢の抑制は、口腔衛生にとって必須である。歯垢は複雑なバイオフィルムの一例であり、異なる種のバクテリアの混合物である。歯垢を抑制するよう、歯科医師は、１日少なくとも２回歯を磨くことを推奨している。しかしながら、歯ブラシの毛は、隣接歯間又は歯肉ポケット等である口腔内の全ての範囲に到達することができないため、これでは全ての歯垢が除去されない。

最近の「音波」歯ブラシは、かかる到達しがたい場所における歯垢を分離するようより高い周波数（２６０Ｈｚ）の毛の運動によって引き起こされる流体力学を使用する。しかしながら、この流体運動は、数ミリメートルの実効性という限られた範囲を有するため、かかる場所における全ての歯垢を除去しない。他の問題は、人が毎日の歯磨きが必要とされることに対して部分的にしか応じない傾向がある、ことである。

更には、歯科医師はまた、毎日のデンタルフロスの使用によって人の日常的な口腔衛生を保つことを推奨する。これは、届きがたい場所から歯垢を除去するよう効果的である。しかしながら、実際には人は、毎日のデンタルフロスの使用、ひいては毎日の歯磨きの必要に応じることが少ない。

米国特許第４１１６２３９号明細書 国際公開第２００５／０４４１２９号 国際公開第２００４／０５８００２号 特開２００４−０５７３１５号公報

上述の観点から、本発明は、液状媒体における気泡の源を与えるユニットを有する、口腔洗浄装置を目的とする。

気泡は、所定の寸法を有する。アプリケータは、ユニットに対して結合され、液状媒体における気泡を射出する少なくとも１つの流出口と、所定の周波数において気泡を振動させるよう超音波の源を与える少なくとも１つの超音波トランスデューサとを有する。気泡の所定の寸法は、次の式、

によって超音波の周波数に略関連付けられる。式中、ｆ_０は前記超音波の前記周波数であり、Ｒ_０は前記気泡の半径である。

本発明はまた、表面からバイオフィルムを除去する方法に関連付けられる。当該方法は、与えられる液状媒体における気泡の源を有する。気泡は、所定の寸法を有する。また、所定の周波数における超音波の源が与えられる。気泡及び液状媒体の混合物は、表面に向かって射出される。超音波はまた、表面に向かって方向付けられ、気泡が超音波の所定の周波数において振動するようにさせる。気泡の所定の寸法は、次の式、

によって超音波の周波数に略関連付けられる。

本発明は、超音波によって共振される気泡によって表面からバイオフィルムを除去することを目的とする。液状媒体における気泡は、共振周波数に近い超音波周波数を有して発生される際、強い流体流を引き起こす。気泡を振動させることは、気泡近くにおける小さな体積でのアコースティックストリーミングを誘発する、ことが判明している。気泡の周囲に形成される微小な渦は、マイクロストリーミングとして既知である。近年、比較的低エネルギの超音波場における表面上又は表面近くの振動する気泡によって生成される流体力は、膜小胞を変形若しくは破砕することができる、ことが判明している。

マイクロストリーミングは、バイオフィルムを除去することができる剪断力を引き起こす。剪断力Ｓは、表面において与えられる速度勾配Ｇに依存し、液体ηの粘度は、次の式（１）：

である。

速度勾配は、境界層Ｌ_ｍｓにわたって分布される。この層の厚さは、次の式（２）：

によって与えられる。式（２）中、ρは液体の密度であり、ｆはマイクロストリーミングが形成される媒体の振動の周波数である。Ｌ_ｍｓにおける速度の低下を示す気泡の周囲の速度勾配Ｇは、次の式（３）：

によって与えられる。

式中、Ｒは振動する気泡の半径であり、Ｒ_０は平衡半径である。そのため、この勾配によって設定される剪断力は、次の式（４）：

によって与えられる。

最大半径Ｒは、圧力波の振幅に依存するが、他の重要なファクタは、気泡振幅を増幅させる、気泡の共振である。ゼロ次振動の共振周波数ｆ_０は、水中における半径Ｒ_０を有する気泡に対して次の式（５）：

によって与えられる。

式（５）は、気泡の所定の共振周波数に対する略最適な気泡寸法を見つけるよう有用である。超音波が４０ｋＨｚの周波数を有する場合、最適な気泡半径は、約７５μｍである。更には、超音波が１ＭＨｚの周波数を有する場合、最適な気泡半径は、約３μｍである。式（５）は、近似式であり、優れた結果は、ｆ_０又はＲ_０のいずれかにおいて±２０％の軽微な変更によって達成され得る、ことが留意されるべきである。また、式（５）は、単一の遊離気泡（ｆｒｅｅ ｂｕｂｂｌｅ）に関してより正確である、ことが留意されるべきである。気泡が表面又は他の気泡に対して近接する場合、その共振周波数は、より高くなり得る。

気泡は、より高い振動のモードを有し得、マイクロストリーミングを生成させ得、また、表面からバイオフィルムを除去し得る、ことが留意されるべきである。かかるより高い振動モードにおいて、気泡の形状は、変化し得る。考慮されるべきファクタは、かかるより高次の振動の共振周波数が式（５）とは異なり得る、ことである。より高次の（ｎ＞１）振動に対して、共振周波数は、次の式（６）：

に従って気泡寸法に関連する。式（６）中、σは液体の表面張力であり、ρは密度である。これは、例えば４０ｋＨｚにおいて、水中の気泡が夫々、２４、３６、４７、５８、及び６９マイクロメートルである半径を有する際、２次、３次、４次、５次、及び６次の振動において共振する、ことを意味する。１ＭＨｚにおいては、同一の設定の振動は夫々、２．８、４．２、５．５、６．８、又は８．０マイクロメートルである気泡半径を有して発生する。

上述された通り、本発明は、多種の表面からバイオフィルムを除去する装置を目的とする。一例では、当該装置は、隣接歯間空間又は歯肉ポケット等である口内の到達しがたい場所から歯垢を除去する口腔洗浄装置である。しかしながら、本発明は、単なる口腔の用途に制限されない。本発明に従った装置はまた、医療分野にも適用可能である。例えば、装置は、インプラント、腹膜、心臓弁、洞（ｓｉｎｕｓｅｓ）、扁桃腺、中耳、又は膀胱等である他の臓器から感染性バイオフィルムを除去するよう構成され得る。

上述された適用の全てにおいて、装置は、液状媒体における気泡の源、超音波の源等である複数の基本的要素を有し、バイオフィルムを有する対象表面に向かって液状媒体を有する気泡を射出し、液状媒体における気泡が振動するよう対象表面に向かって超音波を方向付ける。前述された通り、この振動する気泡作用は、対象表面からバイオフィルムを除去する剪断力をもたらす。

液状媒体における気泡の源は、複数の手法で与えられ得る。しかしながら、かかる全ての手法において、もたらされる気泡は、最善の結果を得るよう所定の寸法を望ましくは有するべきである。この寸法を略定めるよう、式（５）が使用され得る。式（５）によれば、近似気泡寸法は、その共振周波数に関連付けられる。また、特定の周波数範囲が実際の装置に対して望ましいことは、判明している。この範囲は、約２０ＫＨｚ乃至２ＭＨｚである。式（５）によれば、これは、気泡半径の範囲を約１５０乃至１．５μｍであるようにする。

気泡をもたらす１つの手法は、装置において液体と気体とを混合することである。

例えば、液体及び気体が与えられる混合チャンバにおける高速回転ホイールがある。気泡の大半の気泡寸法は、ホイールの速度、ホイール及び混合チャンバの寸法及び設計、並びに液体の表面張力に依存する。更には、気体及び水の流れは、重要なパラメータである。一般的に、この方法は、比較的大きな気泡寸法分布をもたらす。また、気体は、フィルタ等である小さな穴を有する構造を介して液体に吹き込まれ得る。穴の寸法は、気泡の寸法を定め、より狭い気泡寸法分布を与える。更には、流れを集束するノズルの設定も、液体において気泡を生成するよう使用され得る。ノズル開口の直径、気体圧、及び液体圧は、液体においてもたらされる気泡の寸法を定め、大変狭い気泡寸法分布をもたらし得る。かかる場合、使用され得る液体の例は、水、又はマウスウォッシュ等である予混合水溶液、又は塩化ナトリウム液を有する。気体は、空気、酸素、二酸化炭素、窒素、フルオロアルカン等であり得る。

気体生成において、液体の表面張力はしばしば重要なパラメータである、ことが留意されるべきである。より低い表面張力は例えば、ラウリル硫酸ナトリウム、プロテイン、リン脂質、ポロキサマ（ｐｏｌｏｘａｍｅｒ）等である表面活性化合物を有する予混合水溶液によって達成され得る。表面張力がより低い場合、より高い超音波周波数においてより小さな気泡を生成することは、より容易であり得る。

装置における気泡を作る他の手法は、液体において事前に作られた気泡を適用することである。液体及び気体の事前に作られた混合物は、装置における格納タンクにおいて格納され、自動又は手動ポンプによって分注される。気泡の分注は、異なる実施例において以下に示される通り同一の手法である。事前に作られた混合物は、例えばより大きな容器から充填される充填可能容器として実施例に加えられるか、あるいは、別個に与えられ得る使い捨て可能な袋／容器として実施例に加えられる。予め作られた気泡は、拡散による溶解を防ぐようなんらかの安定化を求め得る。これは、特別に作られた（ポリマ）シェルの適用を介して行なわれ得る。気泡はまた、拡散防止気泡壁を生成するよう、気泡壁において液体における溶解プロテインの固化を介して安定化され得る。また、気泡は、例えばゲルマトリックスにおける気泡、又はリン脂質溶液におけるフルオロペンタン気泡である液体における気泡溶解を最小限に抑えるよう、気体及び液体の注意深い選択を介して安定化され得る。

気泡を生成する他の代替的な手法は、化学作用によるものであり得る。例えば、重曹をクエン酸と組み合わせることで、二酸化炭素気泡が生成される。この場合、装置は、使用前に、２つの別個の容器、及び別個の試薬の水溶液を有し得る。作動中、水溶液は、両方の溶液が接触して気泡を生成する、洗浄される必要がある表面に向かって射出される。試薬及び他の伴われる化合物の濃度は、洗浄作用を行なうよう十分な時間に対して所定の気泡寸法を有するよう、慎重に選択されるべきである。即ち、気泡は、成長があまり速すぎるべきではない。

超音波の源は、圧電素子としてかかる装置によって実現され得る。圧電素子は、電気エネルギを機械的エネルギへと変換する装置である。特定の周波数における他の電気エネルギの源は、所望される周波数において超音波をもたらすために圧電素子を発生させるよう使用される。前述された通り、気泡の寸法は、共振周波数に関連付けられる。したがって、特定の超音波の周波数は、共振周波数に近接するべきか、あるいは同等であるべきである。

対象表面に向かって超音波を方向付けることは、超音波を十分に伝達する材料を有して超音波源と対象表面との間の空間を満たすことによって達成され得る。超音波は、流体、ゲル、又は剛性の材料を介してよく進む。しかしながら、超音波は、気体及び軟質の弾性材料によって減衰され（ｄａｍｐｅｄ）得る。故に、トランスデューサと対象との間の気泡の数は、少なく維持されることが望ましい。これは、可能な限り対象表面に近く超音波源を有することによって達成され得る。他の選択肢は、超音波源と、気泡及び液体の混合物流との間に留まる、粘性液、ゲル、又は固体等であるより剛性な材料を有して空間を満たすことである。それは、表面に向かう気泡及び液体の混合物流を完全に遮断するべきではないが、口腔用途においては、より剛性な材料がある程度対象表面の輪郭に適合し得る場合に望ましい。

口腔洗浄装置の一例は、図１中に示される。見られ得る通り、当該装置は、制御ユニット２及びアプリケータ２０を有する。この例では、アプリケータ２０は、可撓性の導管１８によって制御ユニットに対して結合される。しかしながら、本発明は、この結合を与える他の手法を有する。例えば、制御ユニットは、アプリケータへと一体にされ得る。

制御ユニットは、ユーザが装置を制御し得るユーザインターフェイス４を有する。電源６はまた、当該装置に電力を供給するよう電気エネルギを与えるよう有される。電源６は、電池、燃料電池、又は他の携帯型エネルギ容器、又はＡＣ電源ラインへとプラグを差し込む電源装置であり得る。

制御ユニット２はまた、歯ブラシドライブ８を有し得る。しかしながら、歯ブラシドライブ８は、アプリケータの種類に依存して、有されても有されなくてもよいため、破線で図示される。この例では、アプリケータは、歯ブラシであり、歯ブラシドライブは有され得る。歯ブラシドライブ８が有される場合、該ドライブは、他の既知の電動歯ブラシと同様に歯ブラシヘッドを前後に動かすよう必要である、モータ及びドライブ組立体を有する。

超音波駆動電子機器１０はまた、制御ユニット２において有され、アプリケータ２０において超音波を作るよう電気信号を与える。超音波駆動電子機器１０は、超音波トランスデューサを駆動するよう技術的に既知である通り、電子回路（アナログ、デジタル、又はこれらの組合せ）によって実現され得る。具体的には、電子回路は、超音波周波数と合致する周波数を有する周期電圧を伝達すべきである。トランスデューサは、連続モードで駆動され得る（固定された周期電圧信号を有して操作する）か、パルスモードで駆動され得る（適切な周波数を有する電圧パルスを適用する）。パルス周波数は、１Ｈｚ乃至１Ｍｈｚであるべきである。

他の設定では、超音波トランスデューサは、特別な機械的設計を有し、気泡寸法に関連付けられる対象周波数に合致する共振周波数を有する。この場合、トランスデューサは、技術的に既知である適切なパルスによって駆動され得る。更には、超音波駆動電子機器１０は、作られる気泡の寸法に関連付けられる所定の周波数において作動されるべきである。前述された通り、望ましい作動周波数範囲は、約２０ＫＨｚ乃至２ＭＨｚであり得る。最適には、超音波トランスデューサは、駆動周波数に近接する周波数又は駆動周波数において、共振的（ｒｅｓｏｎａｎｔ）であるべきである。図示される通り、超音波ドライブ１０は、河東線導管１９へと延在して通る出力ワイヤ４を有する。出力ワイヤ４は、超音波駆動電子機器１０からアプリケータ２０まで信号を伝える。

制御ユニット２はまた、気泡を有する流体源１２を有する。これは、液状媒体仁尾ｉｔ液胞を作る要素である。前述された通り、これは、複数の手法において行なわれ得る。更には、作られる気泡は、最善の結果を得るよう所定の寸法を有するべきである。前述された通り、気泡の寸法は、式（５）において表わされる通り、超音波源の周波数に比例するべきである。この例では、ゲルは、対象表面に対して超音波を方向付ける助けをするよう使用される。適切なゲルの例は、超音波画像診断において一般的に使用される通り、標準的な超音波ゲル等である、低い超音波減衰特性を有する弾性の粘弾性流体を有し得る。あるいは、ゲルは、歯磨き粉であり得、ゲルに対して歯磨き粉状の構成要素（フッ化物、研磨粒子）を加える。

更に図示される通り、ホース１６は、可撓性の導管１８へと延在する気泡を有する流体源１２に対して取り付けられる。ホース１６は、気泡及び液状媒体をアプリケータ２０に対して伝達するよう使用される。気泡を有する流体源１２において有されるポンプは、液状媒体をホース１６を介してアプリケータ２０までポンプする。

この例では、アプリケータは、歯ブラシ２０である。歯ブラシ２０は、ハンドル２２及びブラシヘッド２４を有する。可撓性の導管１８は、ハンドル２２の後方部分に対して取り付けられる。断面図から見られる通り、可撓性の導管１８からの出力ワイヤ１４はまた、歯ブラシ２０内においてハンドル２２の後方部分からブラシヘッド２４まで延在する。これによって、超音波悪童信号は、ブラシヘッド２４における超音波トランスデューサ３０まで伝達され得る。更には、中空の流路２６はまた、ハンドル２２の後方部分からブラシヘッド２４まで延在する。この流路２６は、可撓性の導管１８においてホース１４に対して接続され、液状媒体における気泡がブラシヘッド２４まで運ばれ得るようにする。

図示される通り、ノズル２８は、ブラシヘッド２４において有され、下方に延在する流路２６の一部に対して取り付けられる。ノズル２８は、超音波の付近における対象表面に向かって気泡及び液状媒体を射出するよう使用される。前述された通り、超音波トランスデューサ３０は、ブラシヘッド３０において有される。超音波トランスデューサは、圧電素子又は他の同様な装置によって実現され得る。超音波トランスデューサ３０は、超音波駆動電子機器１０からの駆動信号に従って超音波を生成する。

作動中、液状媒体における気泡は、ユーザの口内の対象表面に向かってノズル２８から射出される。トランスデューサ３０から生成される超音波は、また、液状媒体におけるゲルを介して対象表面に向かって伝播する。かかる超音波は、超音波の周波数において液状媒体における気泡を振動させる。前述された通り、この振動気泡作用は、多種の表面からバイオフィルムを除去することができる剪断力をもたらす。したがって、上述された作用は、ユーザの口内の対象表面上に位置決めされるバイオフィルムを除去する。

図２において、口腔洗浄装置の他の例を示す。この例では、図１に関して記載された制御ユニットと同一のユニットが使用される。しかしながら、この例では、アプリケータ２０は、多少異なる。図示される通り、アプリケータ２０は、ハンドル２２及びヘッド部２４を有する。可撓性の導管１８はまた、ハンドル２２の後方部分に対して取り付けられる。更には、出力ワイヤ１５及び中空の流路２６もハンドル２２の後方部分からヘッド２４まで延在する。

しかしながら、図示される通り、ヘッド部２４は、歯ブラシの毛を有さない。その代わり、ヘッド部は、出力ワイヤ１４に対して接続される２つの超音波トランスデューサ３０を有する。更には、ゲルパック３２は、各トランスデューサ３０にわたって配置される。ゲルパック３２は、対象表面に向かって超音波を伝達するよう使用される。この例では、ゲルパックを使用することによって、トランスデューサと、制御ユニットにおける気泡を有する流体源によって与えられる気泡−液状媒体混合物との間において更なるゲルを有することが必要とされない。前の例と同様に、作動中、液状媒体における気泡は、ヘッド部２４における流出口２８からユーザの口内の対象表面に向かって射出される。２つのトランスデューサ３０から生成される超音波はまた、ゲルパック３２において対象表面に向かって伝播する。かかる超音波は、液状媒体における気泡を振動させる。この振動する気泡作用は、ユーザの口内の対象表面からバイオフィルムを除去する剪断力をもたらす。

図３では、口腔洗浄装置の他の例が示される。この例でも、図１に関して記載されるものと同一の制御ユニットが使用される。更には、アプリケータはまた、前述された通り、ハンドル２２及びヘッド部２４を有する。

しかしながら、この例では、ヘッド部２４は異なる。断面図において可視である通り、ヘッド部２４は、上方向に湾曲する下方表面３４を有する。カップ部材３６は、下方表面３４において配置される。カップ部材３６は、対象表面に向かって超音波を集束する役割を有する。カップ部材の形状は、超音波を集束するよう、またこぼれる流体を低減するよう、使用される。この例では、ゲルはまた、前述された通り、液状媒体において有される。カップ部材３６は、望ましくは、ゴム又は他のポリマエラストマ等である可撓性のある柔軟な材料から作られる。

図示される通り、この例では、超音波トランスデューサ３０は、下方表面３４の中央近くにおけるカップ部材３６において有される。更には、開口２８は、トランスデューサ３０９の間におけるカップ部材３６において有される。作動中、開口２８は、液状媒体における気泡に対する流出口としての役割を有する。故に、液状媒体における気泡は、開口２８から対象表面に向かって射出される。更には、トランスデューサ３０から生成される超音波はまた、カップ部材３６によって対象表面に向かって集束される。かかる超音波は、液状媒体における気泡を振動させる。この振動する気泡作用は、ユーザの口内の対象表面からバイオフィルムを除去する剪断力をもたらす。

図４は、口腔洗浄装置の他の例を示す。この例でも、図１に関して記載されたものと同一の制御ユニットが使用される。しかしながら、この例では、アプリケータは、マウスガード４０の形状である。マウスガード４０は、内側カットアウト部４２を有する。カットアウト部４２は、ユーザの歯群を包囲する形状にあり、外側寸法は、作動中にそれが口に置かれ得るようにする。それは、この実施例が適当であることを確実にするよう、ユーザの口に適合するようにカスタムメイドされ得る。あるいは又は更には、それは、ユーザの口及び歯群の形状に合うよう可撓性の材料から作られ得る。あるいは、最適な装着快適性に対して異なる寸法のユーザの口に適合するよう適応される形状の範囲は、提供され得る。

複数の超音波トランスデューサ３０は、カットアウトに近接して有される。可撓性の導管１８からの出力ワイヤ１４は、図示される通り、カットアウト部４２の周囲においてマウスガードへと延在する。これによって出力ワイヤ１４は、制御ユニットから駆動信号を受信するよう全てのトランスデューサ３０に対して接続され得る。また、中空の流路２６は、カットアウト部４２の周囲に延在する。流路２６は、マウスガード４０の周囲に気泡を有する液状媒体を循環させるよう、中空導管１８においてホース１６に対して接続される。流路２６に対する開口２８は、トランスデューサ３０に近接する。かかる開口２８は、液状媒体における気泡に対する流出口としての役割を有する。

作動中、マウスガードは、ユーザの口に置かれ、トランスデューサ３０及び開口２８は、ユーザの歯に近接する。気泡及び液状媒体の混合物は、歯における対象表面に向かって開口２８から射出される。更には、トランスデューサ３０から生成される超音波はまた、対象表面に向かって伝播する。かかる超音波は、液状媒体における気泡を振動させる。この振動する気泡作用は、対象表面からバイオフィルムを除去する剪断力をもたらす。

本発明は、特定の実施例に関して上述されてきたが、本明細書に記載される例に制限又は限定されるよう意図されない、ことは理解されるべきである。したがって、本発明は、添付の請求項の趣旨及び範囲内に有され多種の構造及び修正を対象とするよう意図される。

本発明に従った口腔洗浄装置の一例を図示する。 本発明に従った口腔洗浄装置の他の例を図示する。 本発明に従った口腔洗浄装置の他の例を図示する。 本発明に従った口腔洗浄装置の更に他の例を図示する。

Claims (1)

1. 口腔洗浄装置であって：
   液状媒体において所定の寸法を有する気泡を与えるユニット；及び
   前記ユニットに対して結合されたカップ形状アプリケータであって、該アプリケータが、前記液状媒体中に前記気泡を射出するための少なくとも１つの流出口と、所定の周波数において前記気泡を振動させる超音波の場を生成するために、超音波を与える前記流出口の向い側に位置される２つの超音波トランスデューサとを有する、カップ形状アプリケータ；を有しており、
   前記カップ形状アプリケータが、柔軟性材料であり、且つ前記超音波トランスデューサからの前記超音波が前記液状媒体と対象表面内の前記気泡に集束されるように単一の焦点に対して連続的に曲げられており、
   前記液状媒体中の気泡を振動させることが、前記気泡の小容積中に音響の流れを誘導して、前記対象表面からバイオフィルムを除去可能な剪断力を生成し、
   前記気泡の所定の寸法は、次の式によって前記超音波の前記周波数にほぼ関連付けられる（式中、ｆ_０は前記超音波の前記周波数であり、Ｒ_０は前記気泡の半径である）、
   

   

   口腔洗浄装置。

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