專利名稱：醫(yī)學(xué)和生物學(xué)等流體懸浮液的過濾方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及溶液中懸浮顆粒的分離，這種分離是基于不同顆粒的獨(dú)特性質(zhì)，如形狀、大小和/或可變形性，更特別涉及選擇性分離或過濾具有一個(gè)或多個(gè)不同獨(dú)特物理性質(zhì)的細(xì)胞、細(xì)胞成分或它的碎片。
背景技術(shù)：
各種醫(yī)學(xué)/生物學(xué)流體，如全血液成分的分離技術(shù)，廣泛用于許多診斷、治療和其它醫(yī)學(xué)有關(guān)的應(yīng)用方面。例如，基于要分離組分不同密度和沉降速度的離心分離法是眾所周知的。伊利諾斯州Deerfield的Baxter Healthcare公司出售的CS-3000分離器是離心分離器的一個(gè)實(shí)例，已非常成功地用于將全血液分離成如紅血球(RBC)、白血球(WBC)、血小板和血漿，以便從給體或病人收集或去除所要求的成分。離心分離法已證明是完成分離的一般令人滿意方法，但是在某些應(yīng)用中，因不同懸浮顆粒的密度和沉降速度非常接近或重疊，分離出組分的純度不如所要求的那么高。
篩、聚集結(jié)構(gòu)物和膜也用于從懸浮液除去顆粒。這些典型過濾器具有相當(dāng)大的表面積和/或粗糙度，它可以使生物學(xué)懸浮液中的顆粒損傷，如血液中的紅血球溶血作用和血小板活化。
生物學(xué)流體的分離通常也采用具有標(biāo)稱孔徑的濾膜。例如，眾所周知具有0.22微米標(biāo)稱孔徑的濾膜可以用于從液體過濾出分類細(xì)菌等。這種膜有時(shí)也稱作毛細(xì)孔膜，可以作為聚酯和聚碳酸酯材料從如Nuclepore公司購得，或作為聚砜從Gelman Sciences公司購得。這種濾膜業(yè)已用于從液體血漿過濾血液的細(xì)胞成分(有時(shí)稱作“有形”成分)，即“血漿去除法”。
這些膜在某些應(yīng)用中已令人滿意地操作，但是這些膜只具有標(biāo)稱孔徑，明顯有別于大小、形狀和孔間相對(duì)距離精密一致的孔。實(shí)際上，這種標(biāo)稱孔徑膜通常都包含“雙重孔”(即重疊的不合格孔)，它會(huì)使比標(biāo)稱孔徑大的顆粒穿過膜。當(dāng)操作過程溶液中顆粒是要清除的不需要顆粒，且不需要顆粒比需要顆粒大幾倍時(shí)，濾膜必須實(shí)際上不含雙重孔才有用。
先有技術(shù)濾膜因其制造工藝產(chǎn)生雙重孔，不得不在其設(shè)計(jì)中作出折衷。特別是，為了使雙重孔的產(chǎn)生保持在低水平，大部分孔與孔間距必須相當(dāng)大，這就限制了這些先有技術(shù)膜的孔隙率(即孔總面積與膜總面積之比)為約7％或更低。通常，較低的孔隙率導(dǎo)致通過濾膜的較低流速。因此，盡管具有標(biāo)稱孔徑的濾膜適用于確定通過該濾膜顆粒的平均或標(biāo)稱最大尺寸，但這種膜孔徑大小不精確，不能使大小相當(dāng)?shù)念w粒根據(jù)其它特性，如形狀或可變形性進(jìn)行選擇性過濾，并且具有限制其應(yīng)用的明顯缺陷。
生物學(xué)和其它流體膜分離的更多困難是因?yàn)V膜的污染和堵塞減小通過膜的流速。這種污染和堵塞通常是由太大不能通過膜的顆粒在濾膜表面沉積并堵塞孔而造成。已知各種方法用于降低或避免這種膜堵塞。例如，本文援引作為參考的Schoendorfer的美國專利No.5,194,145,公開一種“庫愛特流動(dòng)”過濾系統(tǒng)，其中濾液的抽取是通過安裝在固定圓筒形室內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)子上面的膜來完成的。兩個(gè)同心圓筒之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一種表面速度，使轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生劇烈旋渦。這種旋渦稱作Taylor旋渦，不斷清掃膜表面以限制細(xì)胞沉積，同時(shí)不斷補(bǔ)充要過濾的介質(zhì)。
本文援引作為參考的Duggins的美國專利No.4,735,726，公開了降低膜污染的一種不同技術(shù)。該專利公開了用于進(jìn)行血漿去除的方法和設(shè)備，通過蠕動(dòng)振子或其它適合的泵造成往復(fù)脈動(dòng)作用，以往復(fù)脈動(dòng)流動(dòng)方式引導(dǎo)血液至微孔膜的表面。
更特別的是，Duggins公開一種過濾罩，在兩個(gè)血漿流動(dòng)帶之間有一個(gè)血液流動(dòng)帶。中間血液進(jìn)口同罩子的血液流動(dòng)帶連接，而血液收集通道與去除血漿血液出口連接，血漿收集口同血漿出口連接。一對(duì)膜置于每個(gè)血漿流動(dòng)帶之間，以便膜之間有一血液流路。通過如旋轉(zhuǎn)蠕動(dòng)泵、活塞或注射泵、或注塞泵或軟管泵，將血液向前方向(即離開血源)引導(dǎo)至每個(gè)濾膜的第一面。通過連接到罩子上的蠕動(dòng)振子，以往復(fù)方式將血液流泵送通過連著流路末端附近區(qū)域的出口。結(jié)果，在正的膜傳輸壓下，血液可以向前和向后方式引導(dǎo)至每個(gè)膜的第一面，同時(shí)，在血液向前和向后引導(dǎo)過程降低膜傳輸壓。選擇往復(fù)脈沖的頻率和強(qiáng)度，使通過膜的血漿流速最大，而不使血液創(chuàng)傷擴(kuò)大。收集穿過每個(gè)膜的血漿，而去除血漿血液返回到血液流動(dòng)帶。
近來，通過如本文援引作為參考且受讓人與本發(fā)明相同的，1994年10月7日提交、題為“縮微制孔聚合物膜結(jié)構(gòu)”、序列號(hào)為08/320,199的美國專利申請(qǐng)所述技術(shù)，已有可能制造孔具有精確尺寸和形狀的微孔濾膜。上述申請(qǐng)通常公開的是，一種利用硅質(zhì)襯底上可蝕刻聚酰亞胺膜的精確縮微制膜法。聚合物膜層由可光成像的聚酰亞胺材料制作。膜用負(fù)光刻技術(shù)或可蝕刻膜制作技術(shù)處理，以制出預(yù)定幾何圖形的孔和間距確定的孔束。
另外，其它方法如正光刻技術(shù)、RIE(離子反應(yīng)蝕刻)、LIGA(德語lithographic,galvanoformung,abformung的縮略語，或英語為石印術(shù)、電鑄和成型)，可用于制作孔徑極小(如小于10微米)和雙重孔實(shí)際為零，一孔到下孔高度一致特別均勻的濾膜。此外，電子束和離子蝕刻技術(shù)也是生產(chǎn)精確、孔極小和高孔隙率膜的可能方法。通過這些不同制作技術(shù)基本上消除雙重孔問題，可以產(chǎn)生孔隙率非常高(超過35％且有可能達(dá)到80％)的有機(jī)膜結(jié)構(gòu)，孔面積只受結(jié)構(gòu)考慮限制。
發(fā)明概述本發(fā)明的一般目的是提供一種利用精確孔徑和形狀膜的改進(jìn)方法和設(shè)備，以便根據(jù)大小、形狀、變形特征或各種要分離成分的其它特性，選擇性地分離醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等懸浮液中的顆?；虺煞?。
本發(fā)明的一個(gè)更特別目的是提供一種改進(jìn)的方法和設(shè)備，用于根據(jù)其大小、形狀和/或變形特征選擇性分離全血中各種成分，如紅血球、白血球和血小板，或全血中可找到的物質(zhì)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供采用精確孔徑膜的方法和設(shè)備，其中包括防止濾膜表面污染或堵塞的裝置。
參照以下詳細(xì)說明和附圖，這些目的等會(huì)變得更明白。轉(zhuǎn)向詳細(xì)說明之前，為了概括起見，本發(fā)明的一個(gè)方面，僅在用于分離包含至少兩種大小或形狀不同顆粒懸浮液的一個(gè)方法中實(shí)施。這些顆?？梢允巧飳W(xué)細(xì)胞或細(xì)胞成分，更特別是動(dòng)物細(xì)胞或細(xì)胞成分，其特征在于細(xì)胞膜不堅(jiān)固，沒有堅(jiān)固的外細(xì)胞壁，并因此加壓時(shí)會(huì)受創(chuàng)傷。第一種顆粒也許是，但不必須是，比第二種顆粒在相對(duì)較低作用力下和/或以較快的速度變形。該方法包含提供基本上具有精確尺寸孔徑的濾膜，孔的尺寸量制成允許第一種懸浮顆粒通過而不變形或只有最小變形，且使第二種顆粒只有大大變形后才能通過。由于該濾膜具有精確尺寸的孔，盡管孔間間隔較小仍保持著孔之間距離，該膜孔隙率比標(biāo)稱孔徑膜的大得多，孔內(nèi)通道的可變性更小。這使過濾速度較快和/或?qū)o定過濾速度需膜較少，減少細(xì)胞在分離器剪切環(huán)境內(nèi)的暴露時(shí)間，并因此減少顆粒損傷(如白血球損傷，血小板活化和/或紅血球溶血作用)。同樣，平滑的膜表面和孔內(nèi)通道的平滑性，使膜表面附近流體剪切更一致，并進(jìn)一步減小顆粒對(duì)孔的暴露時(shí)間。
該方法中，膜與懸浮液接觸允許第一種顆粒通過，而阻止第二種顆粒通過。為促進(jìn)第一種顆粒通過孔，一類實(shí)施方案中膜的厚度相對(duì)第一種顆?？梢允切〉?。另一類實(shí)施方案中膜的厚度相對(duì)第二種顆?？梢允谴蟮模宰柚沟诙N顆粒變形。為促進(jìn)第一種顆粒通過和阻擋第二種顆粒，懸浮液與膜的接觸時(shí)間、懸浮液與膜之間接觸作用力和/或懸浮液與膜之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，均可選擇或單獨(dú)或聯(lián)合變化。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，可以提供一種方法用于過濾含有至少兩種大小和/或形狀不同、變形性特征也不同顆粒的懸浮液。該方法中，濾膜具有基本精確尺寸孔，并具有非常高的孔隙率。懸浮液與精確孔徑濾膜彼此進(jìn)行接觸，其接觸作用力和時(shí)間足以使第一種顆粒變形并穿過孔，但不足以使第二種顆粒變形并穿過孔。
雖然上述兩個(gè)方面或方法是分別提到的，但它們不必分開可以聯(lián)合采用。例如，采用具有精確尺寸的精確孔徑膜，和那里要過濾的溶液包含第一種和第二種顆粒的不同形狀和不同變形特征，是本發(fā)明范疇內(nèi)的事。精確尺寸孔通常只對(duì)第一種顆粒的形狀是形狀一致的，而孔的大小為了穿過則要求第一種顆粒作些變形。懸浮液與膜按足夠的時(shí)間和/或壓力進(jìn)行接觸，使第一種顆粒但不使第二顆粒變形并通過孔。如上述第一方法，懸浮液與膜的接觸時(shí)間、懸浮液與膜之間接觸作用力和/或懸浮液與膜之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，均可選擇或單獨(dú)或聯(lián)合變化，以促進(jìn)第一種顆粒穿過膜。
上述提到的方法中，沒有不合格的孔改善了分離純度，非常高的可用孔隙率改善了處理過程，減少懸浮顆粒在過濾剪切場中的暴露時(shí)間，如顆粒以約3-11的倍數(shù)穿過膜，因此降低分離顆粒因過濾造成的創(chuàng)傷。類似因素減少了膜面積需要，因此可能大大減小裝置尺寸和成本，以及降低與顆粒暴露于剪切場時(shí)間有關(guān)的顆粒應(yīng)力。
上述方法中，包括清洗膜上流表面的一個(gè)附加步驟，以防止會(huì)導(dǎo)致孔堵塞的第二種顆粒在膜表面積累。作為實(shí)例有很多，清洗步驟可以由流過懸浮液進(jìn)行，即平行濾膜表面在膜面上產(chǎn)生湍流將堵塞顆粒掃離表面，或相對(duì)振動(dòng)膜和懸浮液將第二種顆粒沖離膜表面。
本發(fā)明也在操作上述方法的設(shè)備中實(shí)施。例如，操作上述第一方法的設(shè)備包括具有基本精確尺寸孔(包括膜厚度要求)的濾膜，其形狀基本上符合第一種顆粒的形狀，并允許第一種顆粒穿過而沒有或只有很小變形，但阻止第二種顆粒穿過。提供裝置用于使懸浮液與膜進(jìn)行接觸，足以使第一種顆粒穿過膜，但基本上不足以使一點(diǎn)第二種顆粒穿過膜孔。上述裝置也減少膜孔堵塞。
操作第二類似方法的設(shè)備也包括具有基本精確尺寸孔(包括膜厚度要求)的濾膜。第二個(gè)實(shí)施方案中，膜孔尺寸精確量制成只允許第一種顆粒因變形通過，而第一種顆粒比第二種顆粒變形速度快。類似操作第一種方法的設(shè)備，第二種設(shè)備也包括使懸浮液與膜按一作用力(或直接或剪切)進(jìn)行接觸的裝置，且接觸時(shí)間足以使第一種顆粒變形并穿過膜，但基本上不足以使一點(diǎn)第二種顆粒變形并穿過或堵塞膜孔。當(dāng)然，為從懸浮液，特別是象血液那樣的生物學(xué)懸浮液中分離、濃縮或去除顆粒，需要非常仔細(xì)選擇膜材料。血液制品特別需要如聚碳酸酯，特殊表面涂料或改性劑，以及阻凝劑等親水性材料，以避免或減小血小板活化、血液細(xì)胞凝聚、凝塊和/或溶血作用。
正如下文更全面的敘述，在選擇性分離血液的有形成分(紅血球、白血球和血小板)，它們彼此分離或從它們懸浮于其中的血漿中分離有形成分時(shí)，這些方法和設(shè)備得到特別應(yīng)用。例如，第一種方法和設(shè)備要分離的液體如果是全血，并且特別要求白血球與紅血球分離，可以提供的濾膜具有尺寸精確的矩形孔，其尺寸約1.8-3.5微米×6.0-14.0微米，以使紅血球通過而無變形或變形很小，且白血球只能靠白血球大大變形才能通過。已知，當(dāng)承受相同作用力時(shí)，白血球變形速度比紅血球的慢得多。以足夠的時(shí)間，或足夠的作用力，或足夠的時(shí)間與作用力結(jié)合，使全血與濾膜進(jìn)行接觸，允許紅血球產(chǎn)生任何必要的變形并穿過濾膜孔，但不足以使所有白血球大大變形并穿過孔。
上述說明只是想作為概括。下文給出本發(fā)明各種特征和優(yōu)點(diǎn)的詳細(xì)說明。
附圖簡述

圖1是根據(jù)本發(fā)明的精確孔塑料膜部分平面圖，其中孔呈橢圓或矩形，排列為成對(duì)交替譜型，作為實(shí)例孔尺寸為2.5微米×9微米，同時(shí)也根據(jù)各種血液成分的大小圖解說明這些孔的區(qū)別；圖2是類似圖1的精確孔濾膜平面圖，其中孔尺寸作為實(shí)例為2微米×8微米；圖3是類似圖1的精確孔濾膜平面圖，只是孔布置成單一方向交錯(cuò)排列關(guān)系，作為實(shí)例孔尺寸為2.5微米×9微米；圖4是一組類似圖3的精確孔濾膜平面圖。作為實(shí)例孔尺寸為2.5微米×12微米，并圖解說明紅血球通過和白血球阻擋；圖5是尺寸容許從全血中過濾出血漿的孔隙率非常高的精確孔濾膜，其中圓形孔交錯(cuò)排列，作為實(shí)例孔尺寸為直徑約0.7微米；圖6是精確孔濾膜的剖面示意圖，血液剪切流過其表面且膜傳輸壓為正壓；圖7是精確孔濾膜的剖面示意圖，其中膜傳輸壓靠如正反振動(dòng)方式改變；圖8是旋轉(zhuǎn)膜過濾器部分剖面透視圖，據(jù)信這類過濾器適合與本發(fā)明有關(guān)的應(yīng)用；圖9是如圖8所示類型旋轉(zhuǎn)膜過濾器的剖面透視圖，顯示出內(nèi)轉(zhuǎn)子與外罩間隙中的Taylor旋渦；圖10是圖9所示間隙和膜的剖面圖，顯示出邊界層紅血球的取向和紅血球傾斜進(jìn)入膜孔；圖11是細(xì)胞清洗設(shè)備示意圖，這類設(shè)備應(yīng)當(dāng)適合與本發(fā)明有關(guān)的應(yīng)用；和圖12a-c顯示各種血球?qū)ο燃夹g(shù)蝕刻徑跡膜的相對(duì)尺寸。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)說明現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖并由圖1開始，本發(fā)明通常在一種系統(tǒng)或設(shè)備中實(shí)施，采用具有精確尺寸孔102的濾膜100，特殊大小和/或形狀可根據(jù)懸浮液或其它要分離的流體選擇。正如本文關(guān)于膜孔徑使用“精確”、“精確尺寸的”或它的各種提法，都意味孔徑基本上是選定的大小和形狀，孔徑小于10-20微米、以及如0.1微米那樣小或更小都是典型的而不是必須的，膜厚度小于1-15微米也是典型的而不是必須的。
本發(fā)明采用的膜可以是如聚酰亞胺那樣的聚合物材料，并可按上述同一美國專利申請(qǐng)No.08/320,199所公開的方法制備。通常，可模壓材料，如對(duì)懸浮介質(zhì)和顆粒賦予光滑表面最佳的熱塑料，適用于分離血液成分。醫(yī)藥級(jí)聚碳酸酯可用如LIGA方法成型。另外，疏水材料制成的精確孔徑和形狀膜應(yīng)當(dāng)適合于包括疏水懸浮液的應(yīng)用，如從石油回收傳動(dòng)流體那樣的基本懸浮液。其它材料或其它方法制作的精確孔徑膜，無論已知的或今后開發(fā)的，均在本發(fā)明的構(gòu)思范圍內(nèi)。
盡管按著血液過濾或分離來描述，但本發(fā)明不限于那種特殊應(yīng)用。例如，圖1-5顯示本發(fā)明采用的精確孔徑膜各種實(shí)施方案。這些膜或具有平整表面或具有彎曲表面。圖1描繪了孔102呈交替圖譜的膜100。所述孔102通常是矩形的，長9微米寬約2.5微米?？?02之間距離可如容限尺寸那么小，膜材料的強(qiáng)度允許孔隙率對(duì)給定材料和用途達(dá)到最大。
精確孔的形狀和尺寸以及孔間距可根據(jù)應(yīng)用要求選定。圖1描述的矩形或橢圓形孔形狀和大小，據(jù)信對(duì)從人類血液的紅血球、血小板和血漿成分中分離白血球特別有用。(對(duì)這種應(yīng)用來說，“全血”也應(yīng)包括抗凝全血和有病如鐮形血球貧血癥血液)。成熟正常人紅血球無細(xì)胞核，典型呈圓盤形，直徑約7微米，厚度約2微米。雖然無完美球形，典型白血球具有最小約4.5微米-約20微米的外徑，細(xì)胞核典型為3.8-4微米或更大。血小板則比紅血球和白血球兩者都小得多。
根據(jù)本發(fā)明，通常具有約9微米×2.5微米矩形或橢圓形精確孔徑膜的過濾器，應(yīng)當(dāng)允許紅血球、血小板和血漿穿過，但基本上阻止白血球穿過。這在圖1中作出圖解說明，其中紅血球104沿邊通過孔102，血小板106通過孔，白血球則因孔102寬度比白血球或它的細(xì)胞核尺寸小而被阻擋不能通過。
圖2表示具有精確孔102類似交替圖譜的膜100，基本上矩形的孔長約8微米寬2微米。相鄰兩孔102之間距離為約3-4微米?？椎拿總€(gè)角制成非常小的，如0.5微米×0.5微米圓角平緣110，以便減小應(yīng)力集中并避免過量或不必要的血漿流過孔。角上的圓角平緣110使孔102呈“橢圓”，但對(duì)這種應(yīng)用來說，這樣的橢圓孔仍然視為基本上是矩形。分別描繪出穿過孔的紅血球和被孔阻擋的白血球。
正如上文所提，精確孔的大小和形狀可根據(jù)應(yīng)用需要選定。這同樣的也可稱作孔圖譜。圖3除了孔102排列呈單向平行交錯(cuò)關(guān)系外，是與圖1類似的濾膜100。這種排列對(duì)某些分離器具，如旋轉(zhuǎn)膜裝置可以增加紅血球適當(dāng)排列成行的可能，而交替孔圖譜會(huì)增加紅血球在其它過濾裝置，如后面將詳細(xì)討論的振動(dòng)流過系統(tǒng)中適當(dāng)排列成行的可能。
圖4描述一組膜100，孔102通常呈矩形，或因角部圓角平緣110而有些橢圓，長約12微米寬約2.5微米。圖4僅描繪出三個(gè)孔的一個(gè)阻塞，但膜100如圖1和2所描繪的膜一樣，可以具有孔主軸沿兩個(gè)方向上排列的這種阻塞。預(yù)期矩形孔102寬度達(dá)到約3-3.5微米，對(duì)一般阻擋白血球通過就足夠窄了。膜100的厚度是可以變化的，如1.0±0.1微米、3.0±0.3微米、5.0±0.3微米或10.0±0.5微米，它是孔精確尺寸和形狀的一個(gè)參數(shù)。當(dāng)然，孔的寬度越接近達(dá)到最小為約3.8微米的白血球細(xì)胞核直徑，并達(dá)到最小為約5微米的白血球總直徑，白血球穿過膜的可能性就越大。
圖5描繪了具有基本上呈圓形精確孔102的精確孔徑膜，它可以用于例如單一顆粒(如血球)的濃縮和洗滌，以及懸浮介質(zhì)的收集，如從全血中收集血漿，其中無血小板血漿被視為一種介質(zhì)(包括與這些膜孔徑相比可忽略的極小懸浮蛋白質(zhì))。這樣一種過程稱為“懸浮液濃縮”，而無論所需要產(chǎn)物是顆粒濃縮的懸浮液，或基本上無顆粒的介質(zhì)濾液，亦或兩者。業(yè)已優(yōu)化孔的堆密度，以提供按孔的精確尺寸和公差可達(dá)到的極高孔隙率。這種膜的孔隙率為約56％，幾乎是先有技術(shù)徑跡蝕刻膜孔隙率的8倍。孔隙率增加8倍有可能大大增加濾液流速，或大大減小相同濾液流速下的剪切力，或大大減少膜面積而降低分離器成本。膜面積的減小，明顯減小細(xì)胞在高剪切庫愛特流動(dòng)分離器中暴露的時(shí)間，減小細(xì)胞應(yīng)力、血小板活化和紅血球溶血作用。
可以通過使精確尺寸孔徑最大達(dá)到能使游離介質(zhì)流過孔，而基本不使顆粒變形以阻止顆粒通過孔，降低膜孔內(nèi)的壓力損失，來優(yōu)化圖5所描繪的這種膜。精確量制的孔具有保證防止不合格孔(雙重孔)出現(xiàn)的孔尺寸和尺寸公差，以及孔對(duì)孔間距和間距公差。各種孔的寬度、長度和厚度已經(jīng)公開，但在膜尺寸優(yōu)化時(shí)必須考慮許多相關(guān)參數(shù)，以及特殊顆粒大小、形狀和可變形性等特征。這些參數(shù)包括濾液流速(影響接觸壓)、濃縮液流速和RPM(影響細(xì)胞在孔上暴露時(shí)間，和剪切力)、膜厚度、勁度、粘度、表面性質(zhì)、與整個(gè)膜和分離器都有關(guān)緊鄰孔壁內(nèi)表面的血漿或介質(zhì)邊界層，為幫助輸送(和潤滑)紅血球以使其能夠容易通過孔而不堵塞膜或損傷細(xì)胞，該邊界層是必須的。懸浮顆粒的變形和無顯著變形包含三維幾何學(xué)、壓力、作用力和局部流動(dòng)圖譜等因素。
盡管業(yè)已表明上述所討論的圖可按其尺寸和/或形狀用于分離顆粒，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還應(yīng)注意到溶液中顆粒的相對(duì)變形會(huì)增強(qiáng)過濾作用。例如已知人血物質(zhì)中，正常紅血球比白血球相對(duì)更容易變形，變形更快，且在更小的作用力下產(chǎn)生變形，然而，給予充分的時(shí)間，白血球也可以發(fā)生大的變形并實(shí)際上穿過微血管孔隙。
在白血球流變學(xué)(Rheology of Leukocytes,Chien,et al.,Annalsof The New York Academy of Sciences,UMI Article Clearing House,Vol.516,1987)一文中，Chien介紹了有關(guān)白血球大變形研究，研究白血球通過5微米孔聚碳酸鹽篩的過濾性能，并得出結(jié)論結(jié)果受幾何學(xué)和細(xì)胞固有的流變性質(zhì)影響。以下是從Chien等人復(fù)制的比較人類紅細(xì)胞(紅血球)和白細(xì)胞(白血球)流變和幾何學(xué)性質(zhì)的一個(gè)表紅細(xì)胞 白細(xì)胞細(xì)胞體積(μm3) 90 190表面積(μm2)測量值 140 300按同體積球體計(jì)算值97 160超過的表面積(μm2) 43(44％) 140(88％)最小圓形直徑(μm) 2.7 2.6按Dpm/Rp=3(dyn/cm)需要的變形應(yīng)力 0.0250.10小變形時(shí)間常數(shù)(ms)20-120a,b650細(xì)胞粘度(泊) 0.7 130Chien等人指出白血球細(xì)胞體積和膜面積之間的幾何學(xué)關(guān)系是，它們應(yīng)當(dāng)象紅血球一樣可以變形穿過狹窄通道。然而，Chien等人發(fā)現(xiàn)與紅血球相比，白血球相對(duì)不能穿過5微米通道，這主要?dú)w因于它們粘彈性方面的差別。白血球的短期變形阻力是紅血球的4倍，且白血球細(xì)胞粘度比紅血球高150倍。此外，白血球具有比細(xì)胞質(zhì)更難變形的細(xì)胞核，而成熟的紅血球沒有細(xì)胞核。Chien等人確信他們研究的結(jié)果說明白血球的增長在造成微血管阻礙方面可能是重要的。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種流體壓力或膜傳輸壓力，以及一種孔尺寸和形狀，使紅血球通過相對(duì)無變形或有些許變形，而迫使白血球產(chǎn)生較大變形。濾膜厚度與白血球或紅血球產(chǎn)生變形通過濾膜所需要的傳輸時(shí)間和作用力成反比。本發(fā)明采用的濾膜厚度為約1-15微米。因?yàn)榘籽虻淖冃我燃t血球的變形慢10-50倍，在如上述那些孔寬度基本上比白血球直徑小的膜中，白血球在它們完全進(jìn)入并被膜束縛之前，必須留在孔進(jìn)口處一有限時(shí)間。選擇流體剪切速度和暴露或接觸時(shí)間，和/或懸浮液源與膜之間的壓力，使紅血球變形并通過，而具有較大變形阻力的白血球基本上被過濾出來。
有各種方法用于控制溶液和膜接觸時(shí)間，和/或控制溶液和膜之間的相對(duì)壓力。例如，圖6以剖面方式描繪了具有單向精確孔102(如圖3所示那些孔)的濾膜100，顯示了孔102的寬度。含有紅血球104和白血球108的溶液表明橫向流過膜表面。溶液在膜100表面上的相對(duì)流速，是確定或改變?nèi)芤汉湍ぶg接觸時(shí)間的一個(gè)方法。換言之，通過采用膜100和溶液之間高相對(duì)流速，對(duì)細(xì)胞穿過精確尺寸和形狀孔只提供了一個(gè)小的時(shí)間量。這有助于例如，使紅血球104穿過膜，但使白血球108在被液體流經(jīng)膜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所施加的剪切力掃離之前，沒有足夠時(shí)間變形進(jìn)入孔。
根據(jù)不同變形速度優(yōu)化一種顆粒通過，并阻擋另一種顆粒通過的另一途徑是，如圖7通常所描繪的改變膜上流側(cè)和下流側(cè)之間的膜傳輸壓。例如，這可以通過振動(dòng)與要過濾懸浮液有關(guān)的膜100，或改變懸浮液壓力來完成。例如，膜100向著和背著溶液或相反的相對(duì)振動(dòng)，會(huì)使相當(dāng)快變形顆粒或需要少許變形顆粒，如紅血球104穿過膜100，而使未變形顆粒，如白血球在被相對(duì)振動(dòng)移動(dòng)之前沒有足夠時(shí)間變形卷入膜或穿過孔。已經(jīng)穿過孔102的顆粒，可以由平行膜表面的流動(dòng)從膜緊鄰區(qū)域帶走。平行濾膜表面的穩(wěn)定流動(dòng)可以由泵來維持，而垂直濾膜的往復(fù)流動(dòng)則可以由壓電裝置產(chǎn)生，為白血球與膜之間的接觸，提供一個(gè)適宜白血球不穿過膜的最大接觸時(shí)間。
保證白血球不與濾膜保持接觸一個(gè)足夠長的時(shí)間，不使它們產(chǎn)生充分變形穿過膜或僅僅污染或堵塞濾膜的另一種方法，包括用高剪切流動(dòng)，如Taylor旋渦(由與旋轉(zhuǎn)過濾器有關(guān)的Schoendorfer公開的)，或往復(fù)脈動(dòng)流動(dòng)(由Duggins公開的)清掃膜。
懸浮液和膜之間的相對(duì)振動(dòng)和相對(duì)剪切流動(dòng)，也可以聯(lián)合用于促進(jìn)所需要顆?；蚣?xì)胞的通過，和防止要從懸浮液除去顆?；蚣?xì)胞的積累。例如，濾膜上流側(cè)附近白血球的連續(xù)滯留，會(huì)在膜附近形成富含白血球血液層，并最終克制孔口保持白血球清除的能力。形成富含白血球?qū)拥陌籽颍梢杂迷S多方法掃離膜表面，包括如利用上文討論過的使進(jìn)料血液切線方向流過膜，或膜和懸浮液的相對(duì)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)等方法。此外，因血漿漏過膜，白血球濃度增加，可能造成膜堵塞?？梢酝ㄟ^裝在過濾設(shè)備上的一個(gè)或多個(gè)進(jìn)料龍頭，引進(jìn)稀釋劑或洗滌流體，如血漿或其它介質(zhì)來降低白血球的濃度。
Chien等人的文章指出，辨別紅血球與白血球的圓孔面積是6-15μm2，據(jù)觀察孔直徑6.9微米的膜自由通過血液；孔直徑4.5微米的膜血液通過伴隨因孔逐漸堵塞造成的壓力緩慢增加；孔直徑2.6微米的膜開始被白血球阻塞。結(jié)果，據(jù)信尺寸約為1.8-3.5微米×8.0-12.0微米的孔，適當(dāng)結(jié)合流速、RPM和膜傳輸壓(對(duì)庫愛特裝置)，或切線流速、脈沖頻率和振幅，和膜傳輸壓(對(duì)Duggins-型裝置)可以使特定來源懸浮液(如全血、緩沖敷料或用于細(xì)胞清洗的低血球比率懸浮液)紅血球通過。
都擁有與本發(fā)明相同受讓人的Prince等人美國專利No.4,879,040和No.5,069,792，以及Prince的美國專利4,994,188，給出了用于控制旋轉(zhuǎn)過濾裝置中血液懸浮液對(duì)微孔膜的暴露時(shí)間和作用力的自動(dòng)控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)用于自動(dòng)脫氣，以便測量一次性過濾器膜對(duì)供體血漿的流動(dòng)阻力，并確定控制曲線(美國專利No.4,879,040)、控制RPM值(美國專利No.4,994,188)和控制表面(美國專利No.5,069,792)，以使膜傳輸壓對(duì)血源血球比率基本上維持一個(gè)最大安全值，并維持血源和濾液的流速。該最大安全值，在血漿四維流動(dòng)、壓力、RPM和血流空間等方面，基本上提供了血漿最大通過量，同時(shí)保持在膜可逆阻塞區(qū)(其中膜孔附近血球影響壓力，但不阻塞膜)和低于膜不可逆阻塞區(qū)(其中血球陷入膜孔且不可逆地阻塞膜)。
血流通過孔很小過濾器的阻力隨孔直徑減小而迅速增加。因此，據(jù)信“橢圓”或矩形孔比圓形孔具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。寬度小到足以防止白血球通過的橢圓孔比小到足以防止白血球通過的圓形孔，具有大得多的截面積。結(jié)果，由于橢圓孔對(duì)懸浮紅血球流動(dòng)的阻力比圓形孔低得多，而對(duì)白血球的局部壓力會(huì)減小。
圖1-5所示濾膜100可應(yīng)用于許多不同過濾系統(tǒng)，包括靜態(tài)過濾、攪拌過濾、流過過濾，振動(dòng)過濾和庫愛特流動(dòng)過濾等。
過濾系統(tǒng)10如圖8所示，其中裝置只作了一般描述，提供了一個(gè)根據(jù)本發(fā)明按上文脫氣法收集血液產(chǎn)品的分離血液設(shè)備的實(shí)例。全血經(jīng)針頭12由供體取得。一次性管子用于從供體引導(dǎo)血液，并使來自源13的抗凝劑流與血液混合。一臺(tái)血液輸入泵14，如蠕動(dòng)或輥壓裝置，當(dāng)由附屬的血液泵控制器驅(qū)動(dòng)時(shí)，將混合流體送到膜傳輸壓敏感器和一次性分離器裝置20。
分離器20由轉(zhuǎn)子22構(gòu)成，磁元件23與轉(zhuǎn)子一端連為整體，并在固定罩或剪切墻24內(nèi)圍繞縱向中軸旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子22夾在一對(duì)沿中軸隔開的定位支架25、26之間。上支架25為分離器裝置20上部不旋轉(zhuǎn)部分提供一個(gè)定位座。在上端一個(gè)磁驅(qū)動(dòng)器包圍著，其磁性同與轉(zhuǎn)子22連成整體的磁元件23偶合，并由驅(qū)動(dòng)馬達(dá)28轉(zhuǎn)動(dòng)。下端支架26承受固定罩24的下端，并固定一個(gè)開口，通過這個(gè)開口一個(gè)與中軸同軸的濾液出口輸出血漿，采用類似圖5描繪的精確孔塑料膜從全血中分離血漿。
另外，轉(zhuǎn)子22表面可以用如圖l描述的、上文討論過的那種精確孔塑料濾膜40覆蓋，其表面孔徑為約1.8-3.5微米×6.0-14.0微米。膜40曲率半徑中心同轉(zhuǎn)子22的轉(zhuǎn)軸一致。濾膜40可由聚酯篩背襯材料(未標(biāo)出)提供適當(dāng)?shù)闹?。?jù)信在轉(zhuǎn)子22和罩子24之間狹縫中產(chǎn)生的剪切、湍流和/或Taylor旋渦(圖9)，會(huì)造成那個(gè)區(qū)域排列有序的紅血球強(qiáng)烈混合并“隨機(jī)化”。然而，如圖10所描述，環(huán)繞膜表面32的薄的邊界層30可以形成緊靠表面的優(yōu)選“平面線列”。這會(huì)被向內(nèi)輻射的濾液流動(dòng)所擾亂。當(dāng)圓盤形紅血球104的平表面平行于垂直轉(zhuǎn)子表面32的平面時(shí)，出現(xiàn)“平面線列”。因此，就會(huì)有如圖3膜設(shè)計(jì)所采用的優(yōu)選孔排列。
在一個(gè)實(shí)施方案中，濾膜40優(yōu)選安裝在轉(zhuǎn)子上，使孔的主軸與轉(zhuǎn)子22的轉(zhuǎn)動(dòng)軸平行(即當(dāng)分離器轉(zhuǎn)動(dòng)軸垂直時(shí)，孔主軸也垂直)。由于向內(nèi)輻射流動(dòng)力的影響，會(huì)引導(dǎo)紅血球邊緣向如同垂直孔36那樣的孔傾斜，垂直取向的孔就是有利的。這對(duì)紅血球流動(dòng)會(huì)造成最小的向內(nèi)輻射阻力。然而，特別復(fù)雜的流譜性質(zhì)、Taylor旋渦、流體邊界層、紅血球動(dòng)力學(xué)和向內(nèi)輻射的影響，使分析說明變得復(fù)雜。還是要證明孔主軸正常取向于軸旋轉(zhuǎn)方向，如圖10水平孔38(在第二個(gè)實(shí)施方案中)是最好，或如圖1和2膜采用的交替孔設(shè)計(jì)(在第三個(gè)實(shí)施方案中)是最有效的。
膜40下面，轉(zhuǎn)子表面結(jié)構(gòu)限定為重復(fù)籃式凹槽42，由縱向凹槽44互相連接，縱向凹槽44依次經(jīng)輻射狀導(dǎo)管46與中央歧管48連通。歧管48經(jīng)末端密封和軸承配合(未詳細(xì)標(biāo)出)與濾液出口30連通經(jīng)由軟管(未詳細(xì)標(biāo)出)連接到血液輸入泵14的血源切線入口50，來自供體的血液送入轉(zhuǎn)子22和同心罩24內(nèi)墻之間的空間。濃縮血流從切線出口孔52取出，該出口孔與入口沿分離器裝置20的縱向軸隔開。軟管(也未詳細(xì)標(biāo)出)經(jīng)由控制器54操作的蠕動(dòng)泵53連接出口52至收集槽55。因此，分離器20操作能與供體分開，于是靠一個(gè)單針頭裝置可以采用另一臺(tái)泵和返回循環(huán)。在針頭器具，濃縮的白血球由針頭器具12和收集槽之間返回線57上的返回泵56補(bǔ)加到供體內(nèi)。返回泵控制器59，按控制系統(tǒng)確定的速度和時(shí)間操作返回泵56，該控制器包括收集槽55中液位傳感裝置。
分離器裝置20通過膜40從全血流中提取紅血球(和血小板及血漿)。紅血球和血小板通過膜40流向轉(zhuǎn)子22表面上的籃式和縱向凹槽42、44，然后經(jīng)輻射狀管路46流入中央歧管48。中央歧管48收集的紅血球和血小板，通過濾液出口進(jìn)入收集袋62。
不管使用什麼過濾方法，為了獲得通過過濾器的高流速，必須防止粒度太大不能通過孔的顆粒，或活化或凝結(jié)的血液成分堵塞和污染濾膜。如圖6所示那樣，將懸浮液橫切流過濾膜表面，可以防止或至少減少這種堵塞或污染。僅作為實(shí)例，這可以利用上述Schoendorfer專利所公開的設(shè)備來完成。此外，如圖7所示采用如上述Duggins專利提出的往復(fù)脈動(dòng)流，可以振動(dòng)膜傳輸壓。另外，濾膜本身也可振動(dòng)。
圖11描繪了一個(gè)細(xì)胞懸浮液濃縮系統(tǒng)(與本發(fā)明具有相同受讓人，且為本文援引作為參考的美國專利No.5,234,608所公開的系統(tǒng)類似)，該系統(tǒng)可以有利地利用本申請(qǐng)發(fā)明。專利No.5,234,608利用血小板濃縮公開了一種單一細(xì)胞濃縮法，且業(yè)已用于分離或洗滌多種細(xì)胞(如紅血球、白血球和血小板)懸浮液，以便用例如3.8微米直徑痕跡蝕刻膜分離白血球(即洗出血小板和紅血球)。
圖12a-c描繪了紅血球和血小板相對(duì)于要留下的最小白血球的近似尺寸，并圖解顯示4.0微米孔直徑(圖12b)-為基本上擋住所有白血球是必須的-對(duì)紅血球流動(dòng)具有高的阻力。5.0微米孔(圖12c)容易通過紅血球，但也容易通過小的白血球。減小圓孔尺寸至3.0微米(圖12a)通常擋住所有白血球，但也大大阻礙紅血球通過。該系統(tǒng)提供了另一個(gè)特別適用于本發(fā)明的實(shí)例，例如采用圖4設(shè)計(jì)的孔。
再看圖11，例如，在如Baxter cs-3000細(xì)胞離心分離器脫氣過程，可以從供體或病人獲得單核細(xì)胞的定量制品。該產(chǎn)品含有需要的單核細(xì)胞(白血球)，和一些不需要的紅血球和血小板。泵182將單核細(xì)胞(MNC)制品經(jīng)管道168和142送到轉(zhuǎn)膜分離器148，其操作轉(zhuǎn)數(shù)例如為3600RPM，其操作流速例如為70mL/min。MNC的初始體積可以是例如500mL，且含有例如3.8×104白血球/微升、3.3×105紅血球/微升和1.9×106血小板/微升。
不需要的血小板和紅血球部分穿過膜114進(jìn)入濾液管道166，并進(jìn)入含廢液138的廢液袋180。留下白血球濃度比輸入濃度142高的濃縮懸浮液。濃縮懸浮液從裝置的狹縫140用泵174抽，經(jīng)濃縮物出口144和管道164返回到容器176。
在該處理的一點(diǎn)上，例如，當(dāng)濃縮懸浮液體積按體重秤184測量為75mL時(shí)，系統(tǒng)開始以“循環(huán)模式”操作，濃縮的白血球懸浮液136從容器176抽出，加入稀釋洗滌流體132，過濾該懸浮液，除去紅血球、血小板、血漿，然后洗滌流體通過濾液管道166進(jìn)入廢液138。洗滌流體132經(jīng)泵172和管道162，引入到管道142中的輸入流。洗滌流體的流速，例如為約70mL/min。
除去的紅血球、血小板、血漿和洗滌流體等廢液流速，是一凈速度(泵182速度+泵172速度-泵174速度)，也可以是以70mL/min操作的泵174具有的流速，如70mL/min。通過調(diào)節(jié)泵172、182或174，或聯(lián)合調(diào)節(jié)，來響應(yīng)體重秤讀數(shù)比之目標(biāo)體積或多或少的變化，可以設(shè)定控制系統(tǒng)保持容器176中體積為一預(yù)定體積，如300mL。短時(shí)間后，例如，300mL洗滌流體已經(jīng)耗盡且最終濃縮白血球懸浮液136被斷開，一個(gè)范例最終產(chǎn)物可以含有6.4×104白血球/mL，2×105紅血球/mL和9.7×104血小板/mL。該實(shí)例中，血小板除去效率是高的，原始溶液中血小板/白血球比值為約50∶1，最終產(chǎn)物中血小板/白血球比值為約1.5∶1。該典型實(shí)例中，紅血球/白血球比值由8.7降低到3.1，紅血球/白血球污染降低系數(shù)為8.7/3.1=2.8。
保持所有流動(dòng)參數(shù)不變(即沒有進(jìn)一步優(yōu)化)，而只把具有約0.1％雙重孔、孔隙率為7％和圓孔徑3.8微米的痕跡蝕刻聚碳酸酯膜，更換為本發(fā)明膜(如圖4所示那種)，由于本發(fā)明膜的形狀和可變形性選擇性、無雙重孔以及高孔隙率，上述2.8的紅血球/白血球污染降低系數(shù)將會(huì)大大增加，且由于膜孔隙率比約為3.4∶1，洗滌過程時(shí)間將會(huì)大大減少。
再次參看圖5，膜特征上顯示出典型公差值。采用前面討論過的縮微制造法，孔尺寸和定位公差都令人滿意的濾膜使得雙重孔或不合格孔為零。可以預(yù)料這樣會(huì)獲得極純的濾液。在某些應(yīng)用中，如過濾除去可能感染的白血球的紅血球輸血制品，采用本文無雙重孔結(jié)構(gòu)膜將會(huì)大大改善制品純度。此外，本發(fā)明膜的高孔隙率使得濾液流速相當(dāng)于先有技術(shù)膜，而僅使用小得多的膜面積-如僅約10％-30％。在包括狹縫中擁有高濃縮血球(如紅血球收集，血小板收集或血漿去除)的庫愛特流動(dòng)分離系統(tǒng)中，對(duì)同等水平剪切速度，血球暴露時(shí)間相應(yīng)減少-如比先有技術(shù)減少約20％。在剪切環(huán)境(如轉(zhuǎn)膜過濾器的狹縫)中，細(xì)胞暴露時(shí)間強(qiáng)烈影響紅血球溶血作用和血小板活化作用。因此，采用本發(fā)明這些作用將會(huì)大大減少。依據(jù)血液成分的分離，已初步對(duì)該發(fā)明作了闡述，但無意將該發(fā)明限制于此。實(shí)際上，該發(fā)明的原理適用于分離任何其成分具有足以區(qū)分的尺寸、形狀和/或可變形性特征的懸浮液。
權(quán)利要求
1．一種用于分離包含至少第一和第二種不同形狀顆粒的懸浮液的方法，該方法包括提供基本上具有精確形狀和尺寸孔的一種濾膜，該孔的形狀和尺寸要量制得基本符合第一種顆粒的形狀，以便允許第一種顆粒通過并阻擋第二種顆粒通過；使懸浮液和該膜接觸，允許第一種顆粒穿過該孔并阻擋第二種顆粒穿過該孔。
2．權(quán)利要求1的方法，其中第一種顆粒比第二種顆粒在相對(duì)受力較低的情況下變形，該方法還包括使懸浮液和該膜以一種作用力接觸，該作用力足以使第一種顆粒變形并穿過該孔，而不足以使第二種顆粒變形并穿過該孔。
3．權(quán)利要求1的方法，其中第一種顆粒比第二種顆粒在相對(duì)速度較快的情況下變形，該方法還包括使懸浮液和該膜接觸一段時(shí)間，該時(shí)間足以使第一種顆粒產(chǎn)生任何必要的變形并穿過該孔，而不足以使第二種顆粒變形并穿過該孔
4．權(quán)利要求1的方法還包括從該膜除去第二種顆粒，以防止該孔堵塞。
5．權(quán)利要求2的方法還包括從該膜除去第二種顆粒，以防止該孔堵塞。
6．權(quán)利要求1的方法，其中懸浮液和該膜的接觸步驟包括在懸浮液和該膜之間提供相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
7．權(quán)利要求2的方法，其中懸浮液和該膜的接觸步驟包括在懸浮液和該膜之間提供相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
8．權(quán)利要求3的方法，其中懸浮液和該膜的接觸步驟包括在懸浮液和該膜之間提供相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
9．權(quán)利要求6的方法，其中所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)通常包括與膜平行的運(yùn)動(dòng)。
10．權(quán)利要求7的方法，其中所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)通常包括與膜平行的運(yùn)動(dòng)。
11．權(quán)利要求8的方法，其中所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)通常包括與膜平行的運(yùn)動(dòng)。
12．權(quán)利要求6的方法，其中所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)通常包括與膜垂直的運(yùn)動(dòng)。
13．權(quán)利要求7的方法，其中所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)通常包括與膜垂直的運(yùn)動(dòng)。
14．權(quán)利要求8的方法，其中所述相對(duì)運(yùn)動(dòng)通常包括與膜垂直的運(yùn)動(dòng)。
15．權(quán)利要求1的方法，包括改變懸浮液和該膜之間的接觸壓，以促進(jìn)第一種顆粒穿過該孔。
16．權(quán)利要求1的方法，包括改變懸浮液和該膜之間的接觸壓，以促進(jìn)從該孔進(jìn)口除去第二種顆粒。
17．權(quán)利要求2的方法，包括改變懸浮液和該膜之間的接觸壓，以促進(jìn)第一種顆粒穿過該孔。
18．權(quán)利要求2的方法，包括改變懸浮液和該膜之間的接觸壓，以促進(jìn)從該孔進(jìn)口除去第二種顆粒。
19．權(quán)利要求15的方法，其中懸浮液和該膜之間的接觸壓加強(qiáng)一段時(shí)間，該時(shí)間足以使第一種顆粒產(chǎn)生任何必要的變形并穿過該孔，而不足以使第二種顆粒變形并穿過該孔。
20．權(quán)利要求17的方法，其中懸浮液和該膜之間的接觸壓加強(qiáng)一段時(shí)間，該時(shí)間足以使第一種顆粒產(chǎn)生任何必要的變形并穿過該孔，而不足以使第二種顆粒變形并穿過該孔。
21．權(quán)利要求1的方法，其中第一種和第二種顆粒分別是紅血球和白血球，且該孔基本上是矩形的，寬度為約1.0-3.5微米，長度為約6-14微米。
22．權(quán)利要求2的方法，其中第一種和第二種顆粒分別是紅血球和白血球，且該孔基本上是矩形的，寬度為約1.0-3.5微米，長度為約6-14微米。
23．一種用于分離包含至少第一和第二種不同形狀顆粒的懸浮液的設(shè)備，該設(shè)備包括一種濾膜，它具有形狀和尺寸基本量制精確的孔，該孔形狀和尺寸量制成基本符合第一種顆粒的形狀，以允許第一種顆粒通過，而阻擋第二種顆粒通過；用于使懸浮液和該膜接觸的裝置，允許第一種顆粒穿過該孔，而阻擋第二種顆粒穿過該孔。
24．權(quán)利要求23的設(shè)備，其中第一種顆粒比第二種顆粒在速度相對(duì)較快的情況下變形，接觸裝置還包括使懸浮液和該膜接觸一段時(shí)間的裝置，該時(shí)間足以使第一種顆粒產(chǎn)生任何必要的變形并穿過該孔，而不足以使第二種顆粒變形并穿過該孔。
25．權(quán)利要求23的設(shè)備，其中使懸浮液和膜接觸的裝置適合讓懸浮液接觸一段時(shí)間，該時(shí)間足以使第一種顆粒穿過該孔，而不足以使第二種顆粒變形并穿過該孔。
26．權(quán)利要求23的設(shè)備，還包括從該膜除去第二種顆粒的裝置，以防止堵塞該孔。
27．權(quán)利要求24的設(shè)備，還包括從該膜除去第二種顆粒的裝置，以防止堵塞該孔。
28．權(quán)利要求23的設(shè)備，還包括提供懸浮液和膜之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的裝置。
29．權(quán)利要求24的設(shè)備，還包括提供懸浮液和膜之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的裝置。
30．權(quán)利要求28的設(shè)備，其中該膜孔具有大小軸，孔的大軸在膜上取向是一致的，以致膜孔排列成行。
31．權(quán)利要求29的設(shè)備，其中該膜孔具有大小軸，孔的大軸在膜上取向是一致的，以致膜孔排列成行。
32．權(quán)利要求28的設(shè)備，其中相對(duì)運(yùn)動(dòng)通常平行于膜孔的大軸。
33．權(quán)利要求29的設(shè)備，其中相對(duì)運(yùn)動(dòng)通常平行于膜孔的大軸。
34．權(quán)利要求28的設(shè)備，其中相對(duì)運(yùn)動(dòng)通常垂直于膜孔的大軸。
35．權(quán)利要求29的設(shè)備，其中相對(duì)運(yùn)動(dòng)通常垂直于膜孔的大軸。
36．權(quán)利要求23的設(shè)備，包括改變懸浮液和該膜之間接觸壓的裝置，以促進(jìn)第一種顆粒穿過該孔，而基本上阻止第二種顆粒穿過該孔。
37．權(quán)利要求24的設(shè)備，包括改變懸浮液和該膜之間接觸壓的裝置，以促進(jìn)第一種顆粒穿過該孔，而基本上阻止第二種顆粒穿過該孔。
38．權(quán)利要求28的設(shè)備，包括改變懸浮液和該膜之間接觸壓的裝置，以便懸浮液和該膜之間接觸壓加強(qiáng)一段時(shí)間，該時(shí)間足以使第一種顆粒穿過該孔，且不足以使第二種顆粒變形并穿過該孔。
39．權(quán)利要求23的設(shè)備，包括改變懸浮液和該膜之間接觸時(shí)間的裝置，以促進(jìn)第一種顆粒穿過該孔，而基本上阻止第二種顆粒穿過該孔。
40．權(quán)利要求24的設(shè)備，包括改變懸浮液和該膜之間接觸時(shí)間的裝置，以促進(jìn)第一種顆粒穿過該孔。
41．權(quán)利要求39的設(shè)備，其中懸浮液和該膜之間接觸時(shí)間是有限制的，以便足以使第一種顆粒穿過該孔，且不足以使第二種顆粒變形并穿過該孔。
42．權(quán)利要求40的設(shè)備，其中懸浮液和該膜之間接觸時(shí)間是有限制的，以便足以使第一種顆粒穿過該孔，且不足以使第二種顆粒變形并穿過該孔。
43．權(quán)利要求23的設(shè)備，其中第一和第二種顆粒分別為紅血球和白血球，且該孔基本上是矩形的，其寬度為約1.0-3.5微米，長度為約6-14微米。
44．權(quán)利要求24的設(shè)備，其中第一和第二種顆粒分別為紅血球和白血球，且該孔基本上是矩形的，其寬度為約1.0-3.5微米，長度為約6-14微米。
45．權(quán)利要求25的設(shè)備，其中第一和第二種顆粒分別為紅血球和白血球，且該孔基本上是矩形的，其寬度為約1.0-3.5微米，長度為約6-14微米。
46．權(quán)利要求30的設(shè)備，其中第一和第二種顆粒分別為紅血球和白血球，且該孔基本上是矩形的，其寬度為約1.0-3.5微米，長度為約6-14微米，該膜的布置按照使該孔長度通常沿相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向排列。
47．權(quán)利要求30的設(shè)備，其中第一和第二種顆粒分別為紅血球和白血球，且該孔基本上是矩形孔，其寬度為約1.0-3.5微米，長度為約6-14微米，該膜的布置按照使該孔長度通常沿垂直相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向排列。
48．權(quán)利要求23的設(shè)備，其中第一種顆粒的長度和寬度比厚度要大，還包括提供懸浮液和孔之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的裝置，該孔的長度和寬度符合第一種顆粒的長度和厚度，孔長度沿相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向排列。
49．權(quán)利要求24的設(shè)備，其中第一種顆粒的長度和寬度比厚度要大，還包括提供懸浮液和孔之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的裝置，該孔的長度和寬度符合第一種顆粒的長度和厚度，孔長度沿相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向排列。
50．權(quán)利要求23的設(shè)備，其中第一種顆粒的長度和寬度比厚度要大，還包括提供懸浮液和孔之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的裝置，該孔的長度和寬度符合第一種顆粒的長度和厚度，孔長度通常沿垂直相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向排列。
51．權(quán)利要求24的設(shè)備，其中第一種顆粒的長度和寬度比厚度要大，還包括提供懸浮液和孔之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的裝置，該孔的長度和寬度符合第一種顆粒的長度和厚度，孔長度通常沿垂直相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向排列。
52．一種用于分離包含至少第一和第二種顆粒懸浮液的方法，第一種顆粒比第二種顆粒在相對(duì)較低的作用力情況下產(chǎn)生變形，該方法包括提供一種基本上具有精確尺寸孔徑的濾膜，該孔徑量制成只允許第一和第二種顆粒依據(jù)其變形性質(zhì)通過；使懸浮液和該膜以一種作用力接觸，該作用力足以使第一種顆粒變形并穿過該孔，且不足以使第二種顆粒變形并穿過該孔。
53．權(quán)利要求52的方法還包括，從該膜除去第二種顆粒以防止堵塞該孔。
54．權(quán)利要求52的方法，其中使懸浮液和該膜接觸的步驟包括提供懸浮液和膜之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
55．權(quán)利要求54的方法，其中膜孔取向一致以提供一種孔排成行的膜，且相對(duì)運(yùn)動(dòng)通常平行于孔排成行的膜。
56．權(quán)利要求54的方法，其中膜孔取向一致以提供一種孔排成行的膜，且相對(duì)運(yùn)動(dòng)通常垂直于孔排成行的膜。
57．權(quán)利要求54的方法，其中使懸浮液和該膜之間接觸壓變化，以促進(jìn)第一種顆粒穿過該孔。
58．權(quán)利要求57的方法，其中使懸浮液和該膜之間接觸壓加強(qiáng)一段時(shí)間，該時(shí)間足以使第一種顆粒穿過該孔，且不足以使第二種顆粒變形并穿過該孔。
59．權(quán)利要求52的方法，其中第一和第二種顆粒分別為正常人紅血球和正常人白血球，該孔基本上是矩形的，其寬度為約1.0-3.5微米，長度為約6.0-14.0微米。
60．分離包含至少第一和第二種顆粒懸浮液的設(shè)備，第一種顆粒比第二種顆粒在相對(duì)較低的作用力情況下變形，該設(shè)備包括一種基本上具有精確尺寸孔徑的濾膜，該孔徑量制成只允許第一和第二種顆粒依據(jù)其變形性質(zhì)通過；使懸浮液和膜接觸的裝置，該裝置擁有一種作用力，該作用力足以使第一種顆粒產(chǎn)生任何必要的變形并穿過該孔，且不足以使第二種顆粒變形并穿過該孔。
61．權(quán)利要求60的設(shè)備，還包括，從該膜除去第二種顆粒的裝置，以便基本上防止堵塞該孔。
62．權(quán)利要求60的設(shè)備，還包括，提供懸浮液和膜之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的裝置。
63．權(quán)利要求62的設(shè)備，其中相對(duì)運(yùn)動(dòng)通常平行于膜。
64．權(quán)利要求62的設(shè)備，其中相對(duì)運(yùn)動(dòng)通常垂直于膜。
65．權(quán)利要求60的設(shè)備包括，改變懸浮液和膜之間接觸壓的裝置，以促進(jìn)第一種顆粒穿過該孔。
66．權(quán)利要求65的設(shè)備，其中懸浮液和膜之間接觸壓加強(qiáng)一段時(shí)間，該時(shí)間足以使第一種顆粒穿過該孔，且不足以使第二種顆粒變形并穿過該孔。
67．權(quán)利要求60的設(shè)備，包括限制懸浮液和膜之間接觸時(shí)間的裝置，以促進(jìn)第一種顆粒穿過該孔。
68．權(quán)利要求67的設(shè)備，其中懸浮液和膜之間接觸時(shí)間限制到足以使第一種顆粒穿過該孔，且不足以使第二種顆粒變形并穿過該孔。
69．權(quán)利要求60的設(shè)備，其中該孔基本上是矩形的，其寬度為約1.0-3.5微米，長度為約6.0-14.0微米。
70．一種為分離全血中紅血球與白血球的方法，包括提供一種基本上具有精確尺寸孔的濾膜，該孔尺寸量制成只允許紅血球和白血球依據(jù)其血球變形性質(zhì)通過；和使全血和該膜接觸一段時(shí)間，該時(shí)間足以使紅血球變形并穿過該孔，且不足以使白血球變形并穿過該孔。
71．一種為分離全血中紅血球與白血球的方法，包括提供一種基本上具有精確尺寸孔的濾膜，該孔尺寸量制成只允許紅血球和白血球依據(jù)其血球變形性質(zhì)通過；和使全血和該膜以一種作用力接觸，該作用力足以使紅血球變形并穿過該孔，且不足以使白血球變形并穿過該孔。
72．一種為分離全血中紅血球與白血球的設(shè)備，包括一種基本上具有精確尺寸孔的濾膜，該孔尺寸量制成只允許紅血球和白血球依據(jù)其血球變形性質(zhì)通過；和使全血和膜接觸一段時(shí)間的裝置，該時(shí)間足以使紅血球變形并穿過該孔，且不足以使白血球變形并穿過該孔。
73．一種為分離全血中紅血球與白血球的設(shè)備，包括一種基本上具有精確尺寸孔的濾膜，該孔尺寸量制成只允許紅血球和白血球依據(jù)其血球變形性質(zhì)通過；和使全血和膜以一種作用力接觸，該作用力足以使紅血球變形并穿過該孔，且不足以使白血球變形并穿過該孔。
74．一種為分離全血中紅血球與白血球的方法，包括提供一種基本上具有精確尺寸孔的濾膜，該孔尺寸量制成基本符合紅血球截面形狀，以使基本上不變形的紅血球穿過該孔，而阻止不變形的白血球通過；和使全血和膜接觸一段時(shí)間，該時(shí)間比白血球變形到大小和形狀可以穿過該膜所需要的時(shí)間少。
75．一種為分離全血中紅血球與白血球的方法，包括提供一種基本上具有精確尺寸孔的濾膜，該孔尺寸量制成基本符合紅血球截面形狀，以使基本上不變形的紅血球穿過該孔，而阻止不變形的白血球通過；和使全血和膜以一種作用力接觸，該作用力比白血球變形到大小和形狀可以穿過該膜所需要的作用力小。
76．一種為分離全血中紅血球與白血球的設(shè)備，包括提供一種基本上具有精確尺寸孔的濾膜，該孔尺寸量制成基本符合紅血球截面形狀，以使基本上不變形的紅血球穿過該孔，而阻止不變形的白血球通過；和使全血和膜接觸一段時(shí)間的裝置，該時(shí)間比白血球變形到大小和形狀可以穿過該膜所需要的時(shí)間少。
77．一種為分離全血中紅血球與白血球的設(shè)備，包括提供一種基本上具有精確尺寸孔的濾膜，該孔量制成基本符合紅血球截面形狀，以使基本上不變形的紅血球穿過該孔，而阻止不變形的白血球通過；和使全血和膜以一種作用力接觸的裝置，該作用力比白血球變形到大小和形狀可以穿過該膜所需要的作用力小。
78．一種分離懸浮液各種顆粒的方法，包括提供基本上具有精確尺寸和形狀孔的濾膜；使懸浮液和該膜接觸以分離各種顆粒；和清除膜表面顆粒以減少孔的堵塞。
79．權(quán)利要求78的方法，其中使懸浮液和膜接觸的步驟包括提供懸浮液和膜之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
80．權(quán)利要求79的方法，其中相對(duì)運(yùn)動(dòng)包括通常平行于膜的運(yùn)動(dòng)。
81．權(quán)利要求79的方法，其中相對(duì)運(yùn)動(dòng)包括通常垂直于膜的運(yùn)動(dòng)。
82．權(quán)利要求78的方法，包括改變懸浮液和膜之間接觸壓，以促進(jìn)顆粒穿過孔。
83．一種用于分離懸浮液各種顆粒的設(shè)備，包括一種基本上具有精確尺寸和形狀孔的濾膜；使懸浮液和膜接觸以分離各種顆粒的裝置；和清除膜表面顆粒以減少孔堵塞的裝置。
84．權(quán)利要求83的設(shè)備，還包括提供懸浮液和膜之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的裝置。
85．權(quán)利要求84的設(shè)備，其中相對(duì)運(yùn)動(dòng)包括通常平行于膜的運(yùn)動(dòng)。
86．權(quán)利要求84的設(shè)備，其中相對(duì)運(yùn)動(dòng)包括通常垂直于膜的運(yùn)動(dòng)。
87．權(quán)利要求83的設(shè)備，包括改變懸浮液和膜之間接觸壓的裝置，以促進(jìn)顆粒穿過該膜。
88．一種用于濃縮懸浮液的方法，該懸浮液包含至少一種懸浮于介質(zhì)中的顆粒，該方法包括提供一種具有精確尺寸孔的濾膜，該孔尺寸量制成避免雙重孔，且基本上阻擋該顆粒通過；使懸浮液和膜接觸允許該介質(zhì)穿過該孔，且阻擋該顆粒穿過該孔。
89．權(quán)利要求88的方法，還包括使懸浮液和膜以一種作用力接觸一段時(shí)間，以促進(jìn)該介質(zhì)流過該孔，且不足以使該顆粒變形并穿過該孔。
90．權(quán)利要求88的方法，還包括從該膜除去該顆粒以防止堵塞該孔。
91．權(quán)利要求88的方法，其中懸浮液和膜接觸步驟包括提供懸浮液和膜之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
92．權(quán)利要求88的方法，其中該至少一種顆粒包括血小板，且該孔基本上是圓形的，其直徑為0.4-1.2微米。
93．一種用于濃縮懸浮液的設(shè)備，該懸浮液包含至少一種懸浮于介質(zhì)中的顆粒，該設(shè)備包括一種具有精確尺寸孔的濾膜，該孔尺寸量制成避免雙重孔，且基本上阻擋該顆粒通過；和使懸浮液和膜接觸的裝置，允許該介質(zhì)穿過該孔，且阻擋該顆粒穿過該孔。
94．權(quán)利要求93的設(shè)備，還包括使懸浮液和膜以一種作用力接觸一段時(shí)間的裝置，以促進(jìn)該介質(zhì)流過該孔，且不足以使該顆粒變形并穿過該孔。
95．權(quán)利要求93的設(shè)備，還包括從該膜除去該顆粒以防止堵塞該孔的裝置。
96．權(quán)利要求93的設(shè)備，還包括提供懸浮液和膜之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的裝置。
97．權(quán)利要求93的設(shè)備，其中該孔基本上是圓形的，其直徑為0.4-1.2微米。
98．一種用于血液顆粒微過濾的設(shè)備，包括一種平滑、撓性可旋轉(zhuǎn)的有機(jī)膜，該膜具有形狀一致和間距精確的孔，該膜孔隙率為至少10％，且安裝在圍繞一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)的支撐圓筒上，該膜曲率半徑中心與旋轉(zhuǎn)支撐圓筒的軸重合。
99．權(quán)利要求23的設(shè)備，其中濾膜具有彎曲的表面。
100．權(quán)利要求72的設(shè)備，其中濾膜具有彎曲的表面。
101．權(quán)利要求83的設(shè)備，其中濾膜具有彎曲的表面。
102．權(quán)利要求93的設(shè)備，其中濾膜具有彎曲的表面。
全文摘要
一種用于過濾醫(yī)學(xué)和生物學(xué)流體懸浮液的方法和設(shè)備,其中一方面是分離含有至少兩種大小和形狀不同顆粒的懸浮液,且其中第一種顆粒比第二種顆粒在相對(duì)較低的作用力和/或以較快的速度發(fā)生變形。提供一種基本上具有精確尺寸孔徑的濾膜,孔大小量制成允許第一種懸浮顆粒通過而不變形或只有微小變形,第二種顆粒則只有大大變形才能通過。由于濾膜具有尺寸精確量制的孔,盡管孔間間隔較小仍保持著孔間距離,因此該膜的孔隙率比標(biāo)稱孔徑膜大得多,使得過濾速度較快和/或?qū)o定過濾速度所需濾膜較少,同時(shí)降低細(xì)胞暴露于剪切環(huán)境中的時(shí)間,并因此降低顆粒損傷。也公開了防止膜堵塞的各種方法。
文檔編號(hào)A61M1/26GK1209758SQ97191831
公開日1999年3月3日 申請(qǐng)日期1997年9月22日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月25日
發(fā)明者P·R·普林斯, M·O·佩卡里寧, 小D·貝拉邁, S·斯特恩堡 申請(qǐng)人:巴克斯特國際有限公司